JP4166135B2 - 内燃機関の運転領域制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、火花点火運転と圧縮着火運転がともに可能な内燃機関において、運転領域を制御する装置に関する。

内燃機関に供給される混合気を圧縮着火（圧縮自着火）により燃焼させる圧縮着火運転によれば、圧縮比が高いため燃費が良く、空燃比がリーンな状態でも比較的安定した燃焼を実現し、しかも燃焼温度が比較的低いので、ＮＯｘの発生量を低減することができる。

圧縮着火を起こさせるためには、燃焼室内のガス温度を所定温度以上に高める必要があり、そのため排気熱を利用する内部ＥＧＲが一般的に採用されている。
内部ＥＧＲは、排気弁を排気行程の途中で早く閉弁し、吸気弁を吸気行程の途中で遅く開弁する所謂マイナスオーバラップ制御により実現している

すなわち排気弁の早めの閉弁と吸気弁の遅めの開弁により吸気上死点付近で燃焼室内に燃焼ガスの一部を閉じ込め、残留ガス（内部ＥＧＲガス）として次のサイクルの吸気と混合させてガス温度を上昇させて圧縮自着火を起こさせる。

このマイナスオーバラップのバルブタイミイグ制御により残留ガス量を調整することで、燃料の圧縮前温度を調整して断熱圧縮により最適タイミングで自着火するように制御することが一般的に行われている。（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−２６６８７８号公報

かかるマイナスオーバラップのバルブタイミイグ制御による残留ガス量の調整によっても自着火できないような運転状態のときは、火花点火運転をすることなり、そのため圧縮着火運転が可能な運転状態の限界値を予め定めておき、この一定の限界値内に運転状態がある場合にのみ圧縮着火運転を行っていた。

ところで、燃焼室からのＥＧＲガスの流出は、燃焼室内の圧力と大気圧（または排気圧）との差圧によるものであるから、燃焼室内に残るＥＧＲガス量は、大気圧の影響を受け、よって自着火時期も大気圧の影響の下にある。

したがって、前記のように定めた運転状態の限界値では、車両搭載の内燃機関のように高地走行するときに大気圧が低くなると、適性タイミングで着火しないか、ときに失火の可能性がある。

そこで大気圧が低い場合にも失火せずに圧縮着火運転が可能な運転状態の限界値を定めるとなると、圧縮着火運転領域が狭くなる限界値に設定することになり、燃費が悪化することになる。

本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、その目的とする処は、大気圧に応じて圧縮着火運転領域を変動するようにし圧縮着火運転領域を拡大して燃費の向上およびＮＯｘの発生量の低減を図ることができる内燃機関の運転領域制御装置を供する点にある。

上記目的を達成するために、本請求項１記載の発明は、火花点火運転と圧縮着火運転がともに可能な内燃機関において、大気圧を検出する大気圧検出手段と、圧縮着火運転領域の判定に供される吸気温を検出する運転状態検出手段と、前記大気圧検出手段が検出した大気圧に対応する圧縮着火運転の吸気温限界値を導出する限界値導出手段と、前記限界値導出手段が導出した圧縮着火運転の吸気温限界値と前記運転状態検出手段が検出した前記吸気温とを比較して圧縮着火運転領域内にあるか否かを判定する運転領域判定手段と、前記運転領域判定手段が圧縮着火運転領域内にあると判定したとき圧縮着火運転に内燃機関を設定する運転領域設定手段とを備え、前記限界値導出手段は、大気圧に対応する圧縮着火運転の吸気温限界値を記憶する吸気温限界値記憶手段を備え、前記運転領域判定手段は、前記限界値導出手段により前記吸気温限界値記憶手段から検索された吸気温限界値と前記吸気温とを比較して圧縮着火運転領域内にあるか否かを判定する内燃機関の運転領域制御装置とした。

限界値導出手段が大気圧に対応する前記運転状態の圧縮着火運転限界値を導出し、この圧縮着火運転限界値と運転状態とを比較して圧縮着火運転領域内にあるか否かを判定するので、大気圧に応じて圧縮着火運転領域を変動し、大気圧が最も低い場合を考慮して圧縮着火運転領域を狭くするような圧縮着火運転限界値に設定することがなく、圧縮着火運転領域を拡大して燃費の向上およびＮＯｘの発生量の低減を図ることができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の内燃機関の運転領域制御装置において、前記吸気温限界値記憶手段は、予め定めた大気圧に対応する圧縮着火運転の吸気温下限値の関係と一定値である吸気温上限値を記憶していることを特徴とする。

圧縮着火運転の吸気温限界値を一定値とすることなく、大気圧に応じて圧縮着火運転が可能な限界値が検索できるので、圧縮着火運転領域を拡大しつつ安定した圧縮着火を確保できる適切な領域とすることができ、燃費の向上およびＮＯｘの発生量の低減を図ることができる。

以下本発明に係る一実施の形態について図１ないし図４に基づき説明する。
本実施の形態に係る内燃機関１は、火花点火（ＳＩ：Spark Ignition）燃焼方式による運転（火花点火運転）と、圧縮着火（ＨＣＣＩ：Homogeneous Charge Compression Ignition）燃焼方式による運転（圧縮着火運転）の燃焼方式の異なる運転がともに可能である車両搭載の４ストロークサイクルの多気筒内燃機関（単気筒でもよい）である。

図１は、該内燃機関１の概略構成図であり、シリンダ２内をピストン３が往復動し、シリンダ２内を閉塞するシリンダヘッドとピストン３との間に燃焼室４が構成されている。

燃焼室４からポートを介して吸気通路５と排気通路６が延出しており、吸気ポートの燃焼室４に臨む開口には吸気弁７、排気ポートの燃焼室４に臨む開口には排気弁８が配設されており、燃焼室４への吸気を制御する吸気弁７と燃焼室４からの排気を制御する排気弁８はともに電磁バルブである。

その他に燃焼室４には点火プラグ９が取り付けられるとともに、直接燃焼室４内に燃料を噴射する燃料噴射弁10が取り付けられている。

点火プラグ９は、火花点火運転時に駆動され放電により燃焼室４内の混合気に点火する。
燃料噴射弁10は図示されない燃料供給ポンプに接続されて制御されたタイミングで制御された時間燃料を燃焼室４内に噴射する。

吸気通路５には吸気流量を調節するスロットル弁11が介装されており、スロットル弁11はアクチュエータ（図示せず）により駆動され、運転状態に応じてスロットル弁開度が制御される。

排気通路６には排気浄化装置12が介装され、排気浄化装置12にはＮＯｘ吸着触媒（ＬＮＣ）が用いられている。

概ね以上のような構造の内燃機関１の運転状態を検出する各種センサが各所に設けられている。
内燃機関１のクランク軸の回転数（機関回転数）Ｎｅを検出する回転数センサ21、内燃機関１の冷却水の温度（機関水温）Ｔｗを検出する水温センサ22が、内燃機関１本体に設けられている。

吸気通路５には、スロットル弁11にスロットル弁開度Ｔｈを検出するスロットルセンサ23が設けられるとともに、スロットル弁11の下流側に吸気通路５内の吸気負圧Ｐｂを検出する吸気圧センサ24および吸気通路５内の吸気温度Ｔａを検出する吸気温センサ25が設けられている。

排気通路６には、排気浄化装置12の上流側に排気温度Ｔｅを検出する排気温センサ27が配設されている。
その他大気圧Ｐａを検出する大気圧センサ28およびアクセルペダルの踏込み量Ａｐを検出するアクセルセンサ29が設けられている。

以上の回転数センサ21，水温センサ22，スロットルセンサ23，吸気圧センサ24，吸気温センサ25，大気圧センサ28，アクセルセンサ29等の各種センサからの検出信号は、電子制御ユニットＥＣＵ30に入力され、コンピュータにより処理されて、運転領域の判定、判定された運転領域での吸気弁７，排気弁８，点火プラグ９，燃料噴射弁10，スロットル弁11等の駆動制御に供される。

点火プラグ９を放電させる火花点火運転と点火プラグ９を放電させず圧縮着火させる圧縮着火運転の運転領域を判定する制御手順を、図２のフローチャートに示し以下説明する。

まずステップ１で、始動時および始動直後であるか否かを判別し、始動後暖機がある程度完了するまでは、ステップ13に飛びステップ14に進んで点火プラグ９を放電させる火花点火運転がなされる。
暖機がある程度完了すると、ステップ２に進む。

ステップ２では吸気温センサ25が検出した吸気温Ｔａ，回転数センサ21が検出した機関回転数Ｎｅ，大気圧センサ28が検出した大気圧Ｐａ，アクセルセンサ29が検出したアクセルペダルの踏込み量Ａｐを読み込む。

次のステップ３では、大気圧Ｐａと圧縮着火運転の吸気温下限値ＴａＬの関係を予め実験により最適に定め、メモリに記憶されたＰａ−ＴａＬテーブルを検索して前記ステップ２で読み込んだ大気圧Ｐａに対応する吸気温下限値ＴａＬを抽出する。

Ｐａ−ＴａＬテーブルの例をグラフ化して図３に示す。
図３に示すように、地上における通常の平均気圧760mmHgより気圧が低くなる、すなわちより高地を走行するほど、圧縮着火運転の吸気温下限値ＴａＬは高い値が採用されることになる。

そして次のステップ４では、前記ステップ２で読み込んだ吸気温Ｔａが、吸気温下限値ＴａＬ以上でかつ吸気温上限値ＴａＨ以下であるか否かを判別する。
なお吸気温上限値ＴａＨは大気圧に関係なく予め定めた一定値である。

吸気温Ｔａが吸気温下限値ＴａＬと吸気温上限値ＴａＨの間の範囲内にあれば（ＴａＬ≦Ｔａ≦ＴａＨ）、ステップ５に進み、この範囲内になければステップ13，14に飛んで、火花点火運転とする。

走行地が高地になる程、大気圧が低くなり吸気温下限値ＴａＬは大きくなるので、吸気温下限値ＴａＬと吸気温上限値ＴａＨの範囲は狭くなるように制御され、初めからこの範囲を狭くしておく必要はなく、大気圧に応じて狭くしている。

ＴａＬ≦Ｔａ≦ＴａＨであってステップ５に進むと、大気圧Ｐａと圧縮着火運転の機関回転数下限値ＮｅＬの関係および大気圧Ｐａと圧縮着火運転の機関回転数上限値ＮｅＨの関係を予め実験により最適に定め、メモリに記憶されたＰａ−ＮｅＬテーブルおよびＰａ−ＮｅＨテーブルを検索して前記ステップ２で読み込んだ大気圧Ｐａに対応する機関回転数下限値ＮｅＬおよび機関回転数上限値ＮｅＨを抽出する。

Ｐａ−ＮｅＬテーブルおよびＰａ−ＮｅＨテーブルの例をグラフ化して図４に示す。
図４に示すように、地上における通常の平均大気圧760mmHgより気圧が低くなるほど、圧縮着火運転の機関回転数下限値ＮｅＬは徐々に大きな値が抽出されることになり、機関回転数上限値ＮｅＨは徐々に小さな値が抽出されることになる。

そして次のステップ６では、前記ステップ２で読み込んだ機関回転数Ｎｅが、機関回転数下限値ＮｅＬ以上でかつ機関回転数上限値ＮｅＨ以下であるか否かを判別し、機関回転数下限値ＮｅＬと機関回転数上限値ＮｅＨの間の範囲内にあれば（ＮｅＬ≦Ｎｅ≦ＮｅＨ）、ステップ７に進み、この範囲内になければステップ13，14に飛んで、火花点火運転とする。

走行地が高地になる程、大気圧が低くなり機関回転数下限値ＮｅＬと機関回転数上限値ＮｅＨの間の範囲は狭くなるように制御され、初めからこの範囲を狭くしておく必要はなく、大気圧に応じて狭くしている。

以上のように圧縮着火運転の吸気温下限値ＴａＬおよび機関回転数下限値ＮｅＬと機関回転数上限値ＮｅＨを一定値とすることなく、大気圧に応じて圧縮着火運転が可能な限界値が抽出されて用いられるので、圧縮着火運転領域を拡大しつつ安定した圧縮着火を確保できる適切な領域とすることができる。

ＮｅＬ≦Ｎｅ≦ＮｅＨであってステップ７に進むと、ステップ２で読み込んだアクセルペダルの踏込み量Ａｐおよび機関回転数Ｎｅから要求トルクＰＭを算出する。
そして次のステップ８で機関回転数Ｎｅと圧縮着火運転の通常要求トルク下限値ＰＭＬの関係および機関回転数Ｎｅと圧縮着火運転の通常要求トルク上限値ＰＭＨの関係を予め実験により最適に定め、メモリに記憶されたＮｅ−ＰＭＬテーブルおよびＮｅ−ＰＭＨテーブルを検索して前記ステップ２で読み込んだ機関回転数Ｎｅに対応する通常要求トルク下限値ＰＭＬおよび通常要求トルク上限値ＰＭＨを抽出する。

ここで抽出された通常要求トルク下限値ＰＭＬおよび通常要求トルク上限値ＰＭＨは地上における通常の平均大気圧が760mmHgのときのものであり、Ｎｅ−ＰＭＬテーブルおよびＮｅ−ＰＭＨテーブルの例をグラフ化して図５に示す。

図５に示すように、通常要求トルク上限値ＰＭＨは、機関回転数Ｎｅが高くなると大きな減少率で小さくなり、通常要求トルク上限値ＰＭＨは、機関回転数Ｎｅが高くなると極めて小さい減少率で小さくなる。

次のステップ９では、大気圧Ｐａと要求トルク下限補正係数ＫＰＭＬの関係および大気圧Ｐａと要求トルク上限補正係数ＫＰＭＨの関係を予め実験により最適に定め、メモリに記憶されたＰａ−ＫＰＭＬテーブルおよびＰａ−ＫＰＭＨテーブルを検索して前記ステップ２で読み込んだ大気圧Ｐａに対応する要求トルク下限補正係数ＫＰＭＬおよび要求トルク上限補正係数ＫＰＭＨを抽出する。

Ｐａ−ＫＰＭＬテーブルおよびＰａ−ＫＰＭＨテーブルの例をグラフ化して図６に示す。
図６に示すように、要求トルク下限補正係数ＫＰＭＬと要求トルク上限補正係数ＫＰＭＨは、いずれも平均大気圧760mmHgで「１」であり、平均大気圧760mmHgより低くなるほど、要求トルク下限補正係数ＫＰＭＬは徐々に大きな値を示し、要求トルク上限補正係数ＫＰＭＨは徐々に小さい値を示す。

通常要求トルク下限値ＰＭＬに要求トルク下限補正係数ＫＰＭＬ（＞１）を乗算して大気圧を考慮した補正要求トルク下限値ＰＭＬ・ＫＰＭＬに補正すると、該補正要求トルク下限値ＰＭＬ・ＫＰＭＬは、図５に示す通常要求トルク下限値ＰＭＬ（＜１）より大きな値を示す。

また通常要求トルク上限値ＰＭＨに要求トルク上限補正係数ＫＰＭＨを乗算して大気圧を考慮した補正要求トルク上限値ＰＭＨ・ＫＰＭＨに補正すると、該補正要求トルク上限値ＰＭＨ・ＫＰＭＨは、図５に示す通常要求トルク上限値ＰＭＨより小さい値を示す。

次のステップ10で、通常要求トルク下限値ＰＭＬおよび通常要求トルク上限値ＰＭＨを、それぞれ要求トルク下限補正係数ＫＰＭＬおよび要求トルク上限補正係数ＫＰＭＨで補正した補正要求トルク下限値ＰＭＬ・ＫＰＭＬと補正要求トルク上限値ＰＭＨ・ＫＰＭＨの間の範囲内に、前記ステップ７で算出した要求トルクＰＭがあるか否かを判別し、範囲内にあればステップ11に進み、範囲外であればステップ13，14に飛んで、火花点火運転とする。

ＰＭＬ・ＫＰＭＬ≦ＰＭ≦ＰＭＨ・ＫＰＭＨであってステップ11に進むと、後記するタイマーがタイムアップ（ｔ＝０）か否かを判別し、ｔ＝０ならばステップ12に進んで圧着着火運転を継続し、タイムアップするまではステップ11からステップ14に飛ぶ。

ステップ10で要求トルクＰＭが補正要求トルク下限値ＰＭＬ・ＫＰＭＬと補正要求トルク上限値ＰＭＨ・ＫＰＭＨの間の範囲にないと判別され、ステップ13に進むと、タイマーをセットしスタートさせ、次のステップ14で火花点火運転とする。
このタイマーは、タイマー時間ｔに所定時間Ｔがセットされスタートすると時間の経過とともにタイマー時間ｔが小さくなるダウンタイマーである。

火花点火運転中はタイマーは逐次セットされ、ＰＭＬ・ＫＰＭＬ≦ＰＭ≦ＰＭＨ・ＫＰＭＨが満足されて、ステップ10からステップ11に進んでも、タイマーがタイムアップするまではステップ11からステップ14に進んで火花点火運転が継続され、タイムアップしたところでステップ11からステップ12に進んで圧縮着火運転とする。

すなわち火花点火運転から圧縮着火運転に移行するときは所定時間Ｔの経過後の完全に安定した運転状態で移行することで、失火などを起こすことなく圧縮着火運転を円滑に始めることができる。

補正要求トルク下限値ＰＭＬ・ＫＰＭＬと補正要求トルク上限値ＰＭＨ・ＫＰＭＨの間の範囲が、すなわち圧縮着火運転領域に相当し、この圧縮着火運転領域内に要求トルクＰＭがあれば圧縮着火運転が実行される。

大気圧が低くなるほど、補正要求トルク下限値ＰＭＬ・ＫＰＭＬは大きくなり、補正要求トルク上限値ＰＭＨ・ＫＰＭＨは小さくなるので、その間の範囲すなわち圧縮着火運転領域は狭くなる。

気圧の低い高地での走行を可能とするため、当初より狭い圧縮着火運転領域に固定しておくよりも、本実施の形態のように大気圧に応じて圧縮着火運転領域を変動させることにより圧縮着火運転領域を拡大することができ、燃費の向上およびＮＯｘの発生量の低減を図ることができる。

以上のように、本運転領域判定制御は、始動時・始動直後でなく（ステップ１）、吸気温Ｔａが吸気温下限値ＴａＬと吸気温上限値ＴａＨの間の範囲内にあり（ステップ４）、機関回転数Ｎｅが機関回転数下限値ＮｅＬと機関回転数上限値ＮｅＨの間の範囲内にあり（ステップ６）、要求トルクＰＭが補正要求トルク下限値ＰＭＬ・ＫＰＭＬと補正要求トルク上限値ＰＭＨ・ＫＰＭＨの間の範囲内にある（ステップ10）場合にのみ圧縮着火運転が実行され、それ以外は火花点火運転が実行される。

ステップ４における吸気温下限値ＴａＬ、ステップ６における機関回転数下限値ＮｅＬと機関回転数上限値ＮｅＨ、ステップ10における補正要求トルク下限値ＰＭＬ・ＫＰＭＬと補正要求トルク上限値ＰＭＨ・ＫＰＭＨは、いずれも大気圧に応じて圧縮着火運転が可能な限界値が抽出されて用いられるので、圧縮着火運転領域を拡大し、燃費の向上およびＮＯｘの発生量の低減を図ることができる。

本発明は、火花点火運転と圧縮着火運転がともに可能な内燃機関に適用可能である。

本発明の一実施の形態に係る内燃機関の概略構成図である。 運転領域判定制御の手順を示すフローチャートである。 大気圧Ｐａと圧縮着火運転の吸気温下限値ＴａＬの関係であるＰａ−ＴａＬテーブルをグラフ化した図である。 大気圧Ｐａと圧縮着火運転の機関回転数下限値ＮｅＬの関係および大気圧Ｐａと圧縮着火運転の機関回転数上限値ＮｅＨの関係であるＰａ−ＮｅＬテーブルおよびＰａ−ＮｅＨテーブルＰａ−ＴａＬテーブルをグラフ化した図である。 機関回転数Ｎｅと圧縮着火運転の通常要求トルク下限値ＰＭＬの関係および機関回転数Ｎｅと圧縮着火運転の通常要求トルク上限値ＰＭＨの関係であるＮｅ−ＰＭＬテーブルおよびＮｅ−ＰＭＨテーブルの例をグラフ化した図である。 大気圧Ｐａと要求トルク下限補正係数ＫＰＭＬの関係および大気圧Ｐａと要求トルク上限補正係数ＫＰＭＨの関係であるＰａ−ＫＰＭＬテーブルおよびＰａ−ＫＰＭＨテーブルの例をグラフ化した図である。

符号の説明

１…内燃機関、２…シリンダ、３…ピストン、４…燃焼室、５…吸気通路、６…排気通路、７…吸気弁、８…排気弁、９…点火プラグ、10…燃料噴射弁、11…スロットル弁、12…排気浄化装置、
21…回転数センサ、22…水温センサ、23…スロットルセンサ、24…吸気圧センサ、25…吸気温センサ、27…排気温センサ、28…大気圧センサ、29…アクセルセンサ、
30…ＥＣＵ。

Claims (2)

1. 火花点火運転と圧縮着火運転がともに可能な内燃機関において、
   大気圧を検出する大気圧検出手段と、
   圧縮着火運転領域の判定に供される吸気温を検出する運転状態検出手段と、
   前記大気圧検出手段が検出した大気圧に対応する圧縮着火運転の吸気温限界値を導出する限界値導出手段と、
   前記限界値導出手段が導出した圧縮着火運転の吸気温限界値と前記運転状態検出手段が検出した前記吸気温とを比較して圧縮着火運転領域内にあるか否かを判定する運転領域判定手段と、
   前記運転領域判定手段が圧縮着火運転領域内にあると判定したとき圧縮着火運転に内燃機関を設定する運転領域設定手段とを備え、
   前記限界値導出手段は、大気圧に対応する圧縮着火運転の吸気温限界値を記憶する吸気温限界値記憶手段を備え、
   前記運転領域判定手段は、前記限界値導出手段により前記吸気温限界値記憶手段から検索された吸気温限界値と前記吸気温とを比較して圧縮着火運転領域内にあるか否かを判定することを特徴とする内燃機関の運転領域制御装置。
2. 前記吸気温限界値記憶手段は、予め定めた大気圧に対応する圧縮着火運転の吸気温下限値の関係と一定値である吸気温上限値を記憶していることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の運転領域制御装置。

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