JP6320428B2

JP6320428B2 - Ｓｉ燃焼モードとｈｃｃｉ燃焼モードとの間の遷移を制御するシステムおよびその方法

Info

Publication number: JP6320428B2
Application number: JP2015558971A
Authority: JP
Inventors: アウダートジョエル; ラヴィニキル; クックデイヴィッド
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2034-02-20
Also published as: EP2976515B1; EP2976515A1; KR102135021B1; US20140230784A1; JP2016508572A; WO2014130721A1; CN105518275B; US9587570B2; KR20170063316A; CN105518275A

Description

本出願は、２０１３年２月２１日に出願された米国仮特許出願第６１／７６７，６８７号の関連出願であって、この仮出願に基づく優先権を主張するものであり、これによってこの仮出願の内容全体を本明細書の一部を構成するものとして援用する。

本出願は、内燃機関（以下単に“ＩＣＥ” とも称する）における火花点火燃焼モード（以下単に“ＳＩモード”とも称する）と予混合圧縮自己着火燃焼モード（以下単に“ＨＣＣＩモード”とも称する）との間の遷移状態を制御するシステムに関している。

ＨＣＣＩモードとは、ピストンエンジンのための高度な燃焼コンセプトであり、現行の技術を遙かに超える効率と排出ガスに係る利益をもたらすものである。このＨＣＣＩ燃焼プロセスは２０年以上にわたって研究されてきており、現行技術による効率と排出性能とをさらに向上させることが可能な、自動車エンジンのための潜在技術として有望視されている。

ＨＣＣＩモードでは、空気、燃料及び高温の排気ガスからなる均一な混合気が、自己着火が起きるまで圧縮される。ゆえにここでの燃焼は火花点火によって開始されるものではない。むしろここでの適正な条件はシリンダ内で確立されており、そこでは単にシリンダ内のガスの圧縮によって着火が開始されるだけである。そのためＨＣＣＩモードは、シリンダ内部温度とガスの組成とにひときわ大きく依存している。ＨＣＣＩモードでの着火に望まれる温度を提供するために、典型的には、先行の燃焼サイクルからかなりの量の高温の排気ガスがこの自己着火を可能にするためにシリンダ内で捕捉されるが、しかしながらそれ以外の例えば圧縮比の増加や吸入空気の加熱も含めた方法も、ＨＣＣＩ燃焼を開始させるために試されてきている。

ＨＣＣＩ燃焼を組み込む大きな利点は、ＨＣＣＩモードのエンジンではスロットルを完全に絞りこむことなく動作させることができることにあり、それによって火花点火（ＳＩ）モードのエンジンで典型的なポンピング損失が相当に低減され効率が増加する。また高希薄（反応）混合気と火炎の不存在のためにピーク燃焼温度が非常に低く、このことはＮＯｘ排出量を大幅に減少させることにつながる。

しかしながらＨＣＣＩモードだけのシステムの提供には、負荷限界があるため問題となる。すなわち自己着火は急峻な圧力上昇レートと共に発生し、これはエンジンの構造上望ましくない高負荷時のノッキングに結びつく。従ってＨＣＣＩモードでは最大出力の頭打ちが存在する。また低負荷時の限界領域では、自己着火に必要とされる温度を達成することができないため、ＨＣＣＩモードそのものを維持することが困難になる。つまりＨＣＣＩモードは低速域では不可能である。なぜなら低速域では自己着火を開始するための燃料種の化学分解が非常に遅い速度になってしまうからである。これは不安定な動作や失火につながる。

それ故にＨＣＣＩモードにおいて効率的かつ安定的にエンジンを動作させるための運転領域は、限られた範囲に存在するだけである。したがって自動車エンジンにＨＣＣＩモードを組み込もうとする試みは、従来のＳＩモードとの組み合わせによってなされてきた。この取り組みでは、ＳＩモードは冷間始動時の周期中と、低速／低負荷時のエンジンランピングアップ（ramping up）中に使用される。中高負荷時の中間領域では、エンジンをＨＣＣＩモードで動作させることができ、それによって最大効率と最小排出量とが可能になる。なおこのＨＣＣＩモードは、出力需要がＨＣＣＩモードの上方の負荷限界を超えた場合には、再びＳＩモードに戻される。

しかしながら１つのモードから他のモードへスムーズに遷移させることには、さらに付加的な課題が残される。例えばモードの切り替え中に所望のトルクを維持し続けることは、ＳＩモードとＨＣＣＩモードとの間の運転条件に著しい差異があるため改善の余地がある。それ故既製のエンジンにＨＣＣＩモードを実装するためには、高度な制御アルゴリズムが必要とされる。この高度な制御アルゴリズムは、ＨＣＣＩモードにおいて直接的な点火トリガ（例えばスパークなど）が存在しないことや捕捉すべき排気ガスのサイクル毎の動的導入のために、非常に複雑なものになってしまう。なお文献においてもＨＣＣＩモードの定常状態や遷移制御のためのいくつかのモデル化と制御手段の開示は存在する。

以上の議論からも明らかなように、ＨＣＣＩモードと従来のＳＩモードとの間の遷移には、低負荷／低速域だけでなく、中高負荷／中高速域も加えた両領域において、運転範囲の終わり（境界）が必要である。これは図１に概略的に示されている。図１では、ＨＣＣＩモードが好適となるエンジンの負荷／回転速度領域が境界領域１０によって示されている。境界領域１２はＳＩモードの運転許容領域を示している。この図によれば、エンジンは、ライン１４に沿って低速／低負荷状態から高速／高負荷状態に遷移している。またエンジンは、位置１６においてＳＩモードからＨＣＣＩモードへ最適に遷移し、位置１８において再びＨＣＣＩモードからＳＩモードに最適に遷移している。さらにエンジンは、ライン２０に沿って高速／高負荷状態から低速／低負荷状態へ遷移しており、その際エンジンは、位置２２においてＳＩモードからＨＣＣＩモードへ最適に遷移し、位置２４において再びＨＣＣＩモードからＳＩモードへ最適に遷移している。

所望のモード切り替えを達成するために、ＨＣＣＩエンジンは典型的には完全にフレキシブルな可変バルブ操作システムか又はデュアルカム位相器を実装している。前者は研究目的に適しているが、生産ラインでの設定によって実装するのは困難である。ＨＣＣＩエンジン用のデュアルカム位相器は、典型的には二組のバルブプロファイルで設計され、１つはＳＩモード用もう１つはＨＣＣＩモード用である。

図２には、ＳＩモードとＨＣＣＩモードのバルブリフトプロファイルとバルブ開／閉プロファイルの典型が示されている。ライン３０は、ＳＩモードにおける排気バルブのバルブリフト位置をクランク角度（以下単にＣＡＤとも称する）に亘って特定しており、ライン３２は、ＳＩモードにおける吸気バルブのバルブリフト位置をクランク角度ＣＡＤに亘って特定している。ライン３４は、ＨＣＣＩモードにおける排気バルブのバルブリフト位置をクランク角度ＣＡＤに亘って特定し、ライン３６は、ＨＣＣＩモードにおける吸気バルブのバルブリフト位置をクランク角度ＣＡＤに亘って特定している。これらのライン３０，３２，３４，３６の最大高さを、ここでは「バルブリフトプロファイル」と称し、それに対して前記ラインが離間して再び０ｍｍに戻るクランク角度ＣＡＤを、「バルブ開／閉プロファイル」ないし「バルブタイミングプロファイル」と称する。

図２では、ＳＩモードにおいては高いバルブリフト（バルブリフトプロファイル）と、長い開弁期間（バルブ開閉プロファイル）を有することが望ましいことが示されており、一方ＨＣＣＩモードの間は、低いバルブリフトと短い（但し排ガスの捕捉は可能である）開弁期間とを有することが望ましいことが示されている。したがってＳＩモードからＨＣＣＩモードへの遷移には、ＳＩバルブプロファイル（バルブリフトプロファイル＋バルブタイミングプロファイル）からＨＣＣＩバルブプロファイル（バルブリフトプロファイル＋バルブタイミングプロファイル）への切り替えが含まれ、この切り替えが重要な動特性の導入を可能にする。

２つのモード間の切り替えに対する様々な取り組みはこれまでの文献にも開示されてきており、そこにはシングルステップの切り替えだけでなく、複数のサイクルに亘って緩やかに生じる遷移も含まれている。またいくつかの制御の取り組みもこれまでの文献に記されており、ある文献にはＳＩモードから早期の吸気バルブ閉鎖を伴ってＨＣＣＩモードに切り替える制御手順が開示されており、ここでは切り替えの間に燃料量とバルブタイミングとが制御されている。また別の文献では、ＳＩモードからＨＣＣＩモードへ複数のサイクルに亘って遷移させる間に負荷と空燃比とを制御する取り組みが開示されている。しかしながらこれらの全ての取り組みは、いずれも望ましくない動特性をもたらす。

それ故にここで望まれることは、ＳＩモードとＨＣＣＩモードとの間でさらなる動特性の向上を示す遷移を提供する制御システムの実現にある。

［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］米国特許出願公開第２００８／００３５１２５号明細書
［特許文献２］米国特許出願公開第２０１１／０２８３９７２号明細書
発明の概要
１つの実施形態によれば、
シリンダと、
前記シリンダ内へのガス流を制御するように構成された吸気バルブと、
前記シリンダからのガス流を制御するように構成された排気バルブと、
前記シリンダ内への燃料流を制御するように構成されたスロットルと、
前記シリンダ内に導入された前記燃料流を含む前記ガス流への火花点火（ＳＩ）を行う点火プラグと、
複数のプログラム命令が格納されたメモリと、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブ及び前記スロットル及び前記点火プラグ及び前記メモリに動作可能に接続されているプロセッサとを含み、
火花点火（ＳＩ）燃焼モードと予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）燃焼モードとにおいてエンジンを制御する、エンジンシステムであって、
前記プロセッサは、前記火花点火（ＳＩ）燃焼モードから前記予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）燃焼モードへの遷移の際に、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブを、予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルと火花点火（ＳＩ）バルブ開／閉プロファイルとに従って制御し、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブを、前記予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルと前記火花点火（ＳＩ）バルブ開／閉プロファイルとに従って制御している間に前記シリンダ内で火花点火（ＳＩ）を行い、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブを前記予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルに従って制御した後で、前記吸気バルブ及び前記排気バルブをＳＩバルブタイミングプロファイルからＨＣＣＩバルブタイミングプロファイルへ制御し、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブが前記ＳＩバルブタイミングプロファイルから前記ＨＣＣＩバルブタイミングプロファイルへ制御されるにつれて、前記スロットルを絞られた位置から絞られない位置に向けて制御し、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブが前記ＳＩバルブタイミングプロファイルとＳＩバルブリフトプロファイルとに従って制御された時に火花点火（ＳＩ）が行われたクランク角度（ＣＡＤ）から、前記吸気バルブ及び前記排気バルブを前記予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルと前記火花点火（ＳＩ）バルブ開／閉プロファイルとに従って制御している間に行う火花点火（ＳＩ）を遅延させ、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブの前記ＨＣＣＩバルブタイミングプロファイルへの制御に続く第１のＨＣＣＩサイクル中の燃料噴射終端（ＥＯＩ）を、通常のＨＣＣＩサイクル中の燃料噴射終端（ＥＯＩ）に関連付けたクランク角度（ＣＡＤ）を超えて、遅延させる、
前記プログラム命令を実行するように構成されている。

別の実施形態によれば、エンジンシステムの制御方法は、
シリンダと、
前記シリンダ内へのガス流を制御するように構成された吸気バルブと、
前記シリンダからのガス流を制御するように構成された排気バルブと、
前記シリンダ内への燃料流を制御するように構成されたスロットルと、
前記シリンダ内に導入された前記燃料流を含む前記ガス流への火花点火（ＳＩ）を行う点火プラグと、
を備えたエンジンシステムを火花点火（ＳＩ）燃焼モードと予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）燃焼モードとにおいて制御する方法であって、
前記火花点火（ＳＩ）燃焼モードから前記予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）燃焼モードへの遷移の際に、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブを、予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルと火花点火（ＳＩ）バルブ開／閉プロファイルとに従って制御するステップと、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブを、前記予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルと前記火花点火（ＳＩ）バルブ開／閉プロファイルとに従って制御している間に前記シリンダ内で火花点火（ＳＩ）を行うステップと、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブを、前記予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルに従って制御した後で、前記吸気バルブ及び前記排気バルブを、ＳＩバルブタイミングプロファイルからＨＣＣＩバルブタイミングプロファイルへ制御するステップと、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブが前記ＳＩバルブタイミングプロファイルから前記ＨＣＣＩバルブタイミングプロファイルへ制御されるにつれて、前記スロットルを絞られた位置から絞られない位置に向けて制御するステップと、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブが前記ＳＩバルブタイミングプロファイルとＳＩバルブリフトプロファイルとに従って制御された時に火花点火（ＳＩ）が行われたクランク角度（ＣＡＤ）から、前記吸気バルブ及び前記排気バルブを前記予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルと前記火花点火（ＳＩ）バルブ開／閉プロファイルとに従って制御している間に行う火花点火（ＳＩ）を遅延させるステップと、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブの前記ＨＣＣＩバルブタイミングプロファイルへの制御に続く第１のＨＣＣＩサイクル中の燃料噴射終端（ＥＯＩ）を、通常のＨＣＣＩサイクル中の燃料噴射終端（ＥＯＩ）に関連付けたクランク角度（ＣＡＤ）を超えて遅延させるステップと、
を含んでいる。

ＳＩ運転領域とＨＣＣＩ運転領域及びそれらの間の遷移を概略的に示した図ＳＩ運転モードとＨＣＣＩ運転モードのバルブプロファイルの例を示した図本発明の原理に従ったエンジンシステムを示した図図３のシステムによって制御されるＳＩモードからＨＣＣＩモードへの遷移ストラテジを示した図図３のシステムによって制御されるＨＣＣＩモードからＳＩモードへの遷移ストラテジを示した図ＳＩモードからＨＣＣＩモードへの遷移を内部ＥＧＲ率とラムダ値とに関連させて示した図ＳＩモードからＨＣＣＩモードへの遷移中のスロットル位置と共に、吸気バルブの開放のタイミング、燃料噴射の終端のタイミング、点火プラグの火花点火のタイミング及び期間を示した図着火の終了が通常のＨＣＣＩサイクルに基づいて制御される場合のＨＣＣＩ運転の最初の４つのサイクルとＳＩモード運転中の上死点（ＴＤＣ）に関連したクランク軸角度ＣＡＤに亘るシリンダ圧力とがプロットされた図着火の終了が通常のＨＣＣＩサイクルよりも遅らされて制御されている場合のＨＣＣＩ運転の最初の４つのサイクルとＳＩモード運転中のシリンダ圧力とがプロットされた図ＳＩモードからＨＣＣＩモードへの遷移中の排気及び吸気バルブ閉鎖期間をクランク角度ＣＡＤの関数として示した図ＳＩモードからＨＣＣＩモードへの遷移中のＥＧＲ質量と吸気バルブ閉鎖時のＥＧＲ温度とを示した図ＳＩモードからＨＣＣＩモードへの遷移中の吸気バルブにおける圧力と、保守管理されたラムダ値とを示した図ＳＩモードからＨＣＣＩモードへの遷移中の仕事出力、ＣＡ₅₀、ＥＧＲ質量及び吸気バルブ閉鎖時のＥＧＲ温度とを示した図ＳＩモードから火花支援圧縮着火（ＳＡＣＩ）モードを介してＨＣＣＩモードへの遷移中の仕事出力、ＣＡ₅₀、ＥＧＲ質量及び吸気バルブ閉鎖時のＥＧＲ温度とを示した図ＳＩモードからＳＡＣＩモードを介してＨＣＣＩモードへの遷移中の最後のＳＩサイクルと３つのＳＡＣＩサイクルの間にシリンダから放出された熱のプロットを示した図

実施例の詳細な説明
以下の明細書ではさらなる理解を促すために、図面に示された実施形態に基づいて本発明の原理を説明する。なお本開示は、本発明の権利範囲の限定を意図したものではないことを理解されたい。さらに本開示は、例示された実施形態に対する何らかの変更や修正を含み、通常一般に当業者が思いつくような開示原理のさらなる応用も含むことを理解されたい。

図３には、エンジン１０２を含むエンジンシステム１００が示されている。このエンジンは、少なくとも１つのシリンダ１０４を含んでいる。ここでは１つのシリンダ１０４と関連する構成要素しか示されていないが、別の実施形態では、複数のシリンダ１０４が組み込まれていてもよい。前記シリンダ１０４には、エンジン吸気バルブ１０６と、エンジン排気バルブ１０８と、点火プラグ１１０とが対応付けられている。スロットル１１２は、シリンダ１０４内への燃料の流入を制御している。

前記エンジンシステム１００は、さらにメモリ１１４とプロセッサ１１６を含んでいる。メモリ１１４には、以下でさらに詳細に説明する様々なプログラム命令がプログラミングされている。プロセッサ１１６は、前記メモリ１１４内にプログラミングされているこれらのプログラム命令を実行するように動作可能である。プロセッサ１１６は、エンジン吸気バルブ１０６と、エンジン排気バルブ１０８と、点火プラグ１１０と、スロットル１１２に動作可能に接続されている。プロセッサ１１６は、その他のセンサと制御器にも動作可能に接続されており、それらのいくつかはさらに以下で詳細に説明する。

プロセッサ１１６は、次のような制御ストラテジを提供するために、前記メモリ１１４内に記憶されているプログラム命令を実行する。すなわちこの制御ストラテジは、ＨＣＣＩモードと同様の低リフト量のバルブプロファイルを伴ったＳＩ運転モードを含んだ取り組みに基づいており、それ故に燃焼モードの切り替えに伴う動特性も、図２に関連して上述したように、ＳＩモードにおいて用いられる典型的な高リフト量、長期間のプロファイルの切り替えバルブプロファイルの動特性から離れてＨＣＣＩモードに対して使用される低リフト量、短期間のプロファイルの動特性に代わる。ここでは各遷移中に定められた３つの制御／推定モードを伴う切り替え制御方式が提供される。

図４には、図１のライン１４に沿った手順の場合の一般的な制御プロセスを示している。プロセッサ１１６は、最初にエンジン吸気バルブ１０６とエンジン排気バルブ１０８を、高バルブリフトＳＩモード１３６に制御する。遷移のときにはプロセッサ１１６はエンジン吸気バルブ１０６とエンジン排気バルブ１０８とを低バルブリフトＳＩモード１３８に制御する。一度ＨＣＣＩモードの条件が満たされると、プロセッサ１１６は、エンジン吸気バルブ１０６とエンジン排気バルブ１０８とを低バルブリフトＨＣＣＩモード１４０に制御する。

図５には、図１のライン２０に沿った手順の場合の一般的な制御プロセスを示している。プロセッサ１１６は、最初にエンジン吸気バルブ１０６とエンジン排気バルブ１０８を低バルブリフトＨＣＣＩモード１４２に制御する。遷移が要求された場合には、プロセッサ１１６は、エンジン吸気バルブ１０６と、エンジン排気バルブ１０８とを低バルブリフトＳＩモード１４４に制御する。その後プロセッサ１１６は、エンジン吸気バルブ１０６とエンジン排気バルブ１０８とを高バルブリフトＳＩモード１４６に制御する。

図４の遷移又は図５の遷移のいずれかにおいても、一度バルブリフトが確立されると、スロットル開度とバルブタイミング（開／閉）はそれにもかかわらず修正されなければならない。以下では、説明の目的のために、ＳＩモードからＨＣＣＩモードへの遷移を詳細に説明するが、しかしながら、同じ原理はＨＣＣＩモードからＳＩモードへの遷移にも適用される。

従って、ＳＩモードからＨＣＣＩモードへの遷移に対して、スロットル１１２は絞られた位置から完全に開いた位置へ移動させなければならず、さらにバルブ１０６／１０８の開／閉タイミングも、その間の望ましくないトルク変動を防止するために、図２に示されているようにＳＩモードとＨＣＣＩモードとの間で変更されなければならない。

それ故プロセッサ１１６は、メモリ１１４内に格納されているプログラム命令の実行によって遷移を制御する。この遷移は図６にも概略的に示されている。この図６では、プロセッサ１１６は、最初にＳＩモードでエンジン１０２を制御する。前述したようにこのＳＩモードでは、ラムダ値（これは理論空燃比と実際の空燃比との間の割合いを表している）と、内部排気再循環（ＥＧＲ）量若しくは捕捉された排気ガス量とが典型的には化学量論（λ＝１）に沿って実行され、低い内部ＥＧＲ量を伴う。ＳＩモードは通常は、スロットルの部分的な閉鎖（化学量論維持のため）、詳細には低い回転速度と、吸排気バルブの高リフトカム動作（通流量の最大化のため）とによって制御されている。

それとは対照的にＨＣＣＩモードは、通常はリーン側（λ＞１）で高い内部ＥＧＲ量を伴って実行される。そのためＨＣＣＩモードは、スロットル１１２の全開（これによりポンプロスが最小化）と、バルブ１０６／１０８の低リフトカム動作（シリンダ１０４内の残留ガスの適切な捕捉を可能にするため）とによって制御される。

図６において動作パラメータライン１５０によって示されているＳＩモードからの遷移に対して、プロセッサ１１６はスロットル１１２を開き、それに対してエンジン吸気バルブ１０６とエンジン排気バルブ１０８の開／閉タイミングは、ＳＩタイミングからＨＣＣＩタイミングへランピングされる。さらに付加的に、ＳＩモードにおける点火プラグ１１０の火花点火によって制御されている燃焼タイミングが遅延される。これにより効率が低減する。この過程は図７に示されている。図７では、ライン１７０は、吸気バルブ１０６の開放のタイミングを示し、ライン１７４は燃料噴射の終端（ＥＯＩ）のタイミングを示している。さらにライン１７６は、スロットル１１２の位置ないし開度を表し、ライン１７８は点火プラグ１１０の火花点火のタイミング及び期間を表している。

図７中のＥＯＩ（ライン１７４）は、（エンジンサイクル７における）ＨＣＣＩの開始後エンジンサイクル１０まで遅延され続ける。この遅延はノッキングの低減のために使用される。一例として、図８には燃料噴射タイミングにおける遅延なしでのシリンダ１０４内の圧力が示されている。この図８では、ライン１８０は、ＳＩモード制御からの結果としての圧力を示し、それに対してライン１８２は第１のＨＣＣＩサイクルに対する圧力である。ライン１８４は第２のＨＣＣＩサイクルに対する圧力であり、ライン１８６は第３のＨＣＣＩサイクルに対する圧力であり、さらにライン１８８は第４のＨＣＣＩサイクルに対する圧力である。図８は、ドライバに分かってしまうほどのノッキングが発生したことを示している。ノッキングは、ＳＩモードの最後の燃焼サイクルが比較的高い温度を有する残留排気ガスと、常状態のＨＣＣＩ運転よりも高いＮＯ_xを伴った異なる残留組成物とを生成するので発生している。この残留組成物は、当該のＮＯ_xによって混合気の反応性を増加させる傾向にある。

図９は、シリンダ１０４内の圧力を燃料の噴射タイミングにおける遅延と共に示している。図９では、ライン１９０は、ＳＩモード制御に起因する圧力を表し、ライン１９２は第１のＨＣＣＩサイクルに対する圧力であり、ライン１９４は、第２のＨＣＣＩサイクルに対する圧力であり、ライン１９６は、第３のＨＣＣＩサイクルに対する圧力であり、そしてライン１９８は、第４のＨＣＣＩサイクルに対する圧力である。このように、ＥＯＩを遅延させることによって、最後のＳＩサイクル条件に起因する反応物の増加が打ち消されている。したがって図９には、ＨＣＣＩ運転モードの最初の数サイクルにおけるＥＯＩの遅延によって実質的にノッキングが減少することが示されている。

バルブ１０６／１０８の閉鎖タイミングは、図１０に示されている。図１０において、排気バルブ１０８の閉鎖タイミング（ＥＶＣ）はライン２００によって示されており、一方吸気バルブ１０６の閉鎖タイミング（ＩＶＣ）はライン２０２によって示されている。領域２０４（ＳＩモード）においては、排気バルブ１０８は約３１８度のクランク角ＣＡＤで閉鎖し、それに対して吸気バルブ１０６は、約５１０度のクランク角ＣＡＤで閉鎖している。遷移領域２０６においてこれらの閉鎖プロファイルは、領域２０８のＨＣＣＩプロファイルに向かって傾斜している。従って排気バルブ１０８の閉鎖は、約３１８度のクランク角ＣＡＤから約２６０度のクランク角ＣＡＤへ変更され、一方吸気バルブ１０６の閉鎖は、約５１０度のクランク角ＣＡＤから約５７０度のクランク角ＣＡＤへ変更されている。

図１０に示されているランプ期間は、エンジンに使用されている個々のシステムによって制約される。従ってカム位相器を組み込んだシステムのためのアクチュエータの動特性は、火花や燃料噴射などのアクチュエータを組み込んだシステムに比べて、サイクルベースによるサイクル上で緩慢である。

バルブプロファイルが変更されるにつれて、捕捉された残留物の量も増加する。従って図１０のバルブランピングは、捕捉された残留物、吸気圧、混合気温度の量のスムーズな遷移を可能にする。このことは圧縮着火へのスムーズで堅固な遷移につながる。これらの増加は図１１に示されている。図１１では捕捉された残留物の質量は、ライン２１０で示されており、一方ガスの温度はライン２１２によって示されている。

シリンダ１０４内のガスの質量は、特に図１１中のサイクル４と１０の間で増加しているため、一定の燃料質量により、吸気マニホールドの圧力は、同じ吸入空気質量を維持するために増加する必要がある。この増加は、図１２に示されている。図１２ではライン２１４は、吸気バルブ１０６の圧力であり、ライン２１６はラムダ値を示す。短いバルブ期間と短いリフト量を多気筒の実施例に取り込んだ結果としてガス交換中のすなわち排気行程中のシリンダ間のクロストークが分離される。そのため捕捉される残留ガス量は、シリンダの点火順序や各シリンダで用いられている燃焼モードに依存しなくなる。従って捕捉される排気ガスの量は、排気バルブの閉鎖タイミングのみに依存する。

そのためプロセッサ１１６によって制御されるプロセスは、燃焼モード切り替え中のガス交換動態の問題を最小限にするために、バルブリフト量とバルブ期間の観点からＳＩモードとＨＣＣＩモードの間のバルブプロファイルを制御する。最初に切り替えは、ＳＩ燃焼モードにおいて通常使用される高バルブリフトから低バルブリフトへなされ、その間ＳＩ燃焼ストラテジが使用される。燃焼制御の観点で見れば、これは簡単に行われる。なぜなら点火プラグの火花点火は燃焼位相を制御するからである。したがってガス交換動態の正確な知識は不要である。

低減されたバルブリフトと低減されたガス交換は、シリンダ内の燃焼効率を低下させるので、エンジン出力の次の変更なしではより高い燃料消費につながり、それ故スロットル１１２の開きが必要となる。従って化学量論は、一方ではＨＣＣＩ運転のために場合によって必要とされる位置までスロットル１１２を開き、もう一方ではＨＣＣＩモードのために必要とされる設定ポイントへのバルブ１０６／１０８の制御を介して図６の運転パラメータライン１５０の領域１５２内の内部ＥＧＲの割合を増加させることによって両方で維持される。このようにしてスロットル１１２は、遷移中のエンジン１０２出力の制御に使用される。

一度内部ＥＧＲが図６の運転パラメータライン１５０の領域１５４まで上昇したならば、そこには自動着火を可能にさせるのに十分なＥＧＲが存在する。プロセッサ１１６は、ＨＣＣＩへのモード切り替えを開始し、点火プラグ１１０は活動休止される。このＨＣＣＩモードでは、シリンダ１０４に供給される燃料の低減が可能である。なぜならＨＣＣＩモードの効率が増加しているからである。

従って、低バルブリフトＳＩモード１３８／１４４を取り入れることによって、２つの燃焼モード間のスムーズな遷移が、燃焼モード切り替え動特性からのバルブ切り替え動特性の分離によって可能になる。この分離は、純粋なＳＩ燃焼中に発生したバルブリフトプロファイル切り替えを移管することによって制御問題を簡素化する。

上述のプロセスは、２０００ｒｐｍで４バール（ＮＭＥＰ）の負荷に対する単気筒エンジンで実証された。その結果が図１３に示されており、そこではエンジン１０２が最初にＳＩ燃焼モードで制御され、その後サイクル７においてＨＣＣＩモードに遷移している。図１３には、デモンストレーションエンジンのモデルの仕事出力を示すライン２２２に沿ったデモンストレーションエンジンの正味平均有効圧力（ＮＭＥＰ）として表される仕事出力を示すライン２２０が含まれている。これらのライン２２０及び２２２は、実験結果とシステム１００のモデリングとの間の良好な相関関係を示している。ライン２２０は、ＳＩモードからＨＣＣＩモードへの切り替えによって、システム１００の出力が比較的安定していたことを示す。

図１３は、さらにデモンストレーションエンジンの“ＣＡ₅₀”を示すライン２２４を含んでおり、これは、燃焼からのエネルギーの５０％が放出された際のクランク角として定義されており、前記システムのモデルのＣＡ₅₀を示すライン２２６に沿っている。ライン２２４は、サイクル２で始まる燃焼タイミングの遅れを反映し、結果としてＣＡ₅₀の遅れをもたらす。遅延したＣＡ₅₀は、ＨＣＣＩモードの開始まで続き、その開始点ではＣＡ₅₀は値ゼロに向かって急速に駆動される。ライン２２４とライン２２６は、実験結果とシステムのモデル化との間の良好な相関関係を表している。

図１３中のライン２２８は、残留ガスのモデル化された量を示しており、一方ライン２３０は吸気バルブが閉じたときのシリンダ内のガスのモデル化された温度を示している。ライン２２８とライン２３０は、システムのバルブ開／閉プロファイルが低リフトを伴うＳＩモードから低リフトを伴うＨＣＣＩモードへ傾斜し、シリンダ１０４内のガスの量及びそのガスの温度が増加していることを示す。

従って図１３は、燃焼位相が早期位相や失火を伴わずにＨＣＣＩモードにスムーズに進んでいることを示している。またエンジン負荷は、切り替えの間に比較的安定して維持されている。

上記の議論は、ＳＩモードからＨＣＣＩモードに直接遷移する実施形態に焦点が当てられているが、前述のストラテジ（戦略）は、さらにプロセッサ１１６がメモリ１１４内のプログラム命令を実行し、火花支援圧縮着火（ＳＡＣＩ）を提供する遷移にも適用することができる。ＳＩモードとＨＣＣＩモードの間にＳＡＣＩのいくつかのサイクルを組み込むことによって、負荷、速度、及び環境条件に強く依存するシステムの堅固性が増加する。

図１４には、２０００ｒｐｍでの４バールの負荷（ＮＭＥＰ）に対する単気筒エンジンでのＳＩモードからＨＣＣＩモードへの遷移にＳＡＣＩモードを含んだ結果が示されている。図１４におけるデモンストレーションエンジンは、最初にＳＩモードで制御された後、サイクル６の後でＳＡＣＩモードに遷移する。サイクル９の後では、ＨＣＣＩモードへの遷移が行われる。

図１４には、システムのモデルの仕事出力を示すライン２４２に沿ったデモンストレーションエンジンの仕事出力を示すライン２４０が含まれている。これらのライン２４０と２４２は、実験結果とシステムのモデリングとの間の良好な相関関係を示している。ライン２４０は、ＳＩモードからＳＡＣＩモード、ＨＣＣＩモードへの切り替えを通して、システムの出力が比較的安定していたことを示している。

図１４には、さらにシステムのモデルのＣＡ₅₀を示すライン２４６に沿った、デモンストレーションエンジンのＣＡ₅₀を示すライン２４４が含まれている。このライン２４４は、サイクル４の後にランプアップしている燃焼タイミングの遅れを反映した結果、より遅いＣＡ₅₀をもたらす。図１３におけるゼロに向かった駆動がＨＣＣＩモード内で示されているのとは異なり（ライン２２４を参照）、ここではＳＡＣＩモードがゼロに向かう駆動を開始する。従ってＣＡ₅₀は、比較的安定したまま直ぐにＨＣＣＩモードに入る。ライン２４４と２４６は、実験結果とシステムのモデリングとの間の良好な相関関係を示している。

図１４のライン２４８が残留ガスのモデル化された量を示している一方でライン２５０は、吸気バルブが閉じたときのシリンダ内のガスのモデル化された温度を示している。このライン２４８とライン２５０は、システムのバルブの開／閉プロファイルが、低リフトの伴ったＳＩモードから低リフトを伴ったＨＣＣＩモードへ傾斜していることを示し、シリンダ１０４内のガス量と、そのガス温度とが増加していることを示している。熱放出プロファイルは図１５に示されている。そこではライン２５２は最後のＳＩ燃焼サイクル（サイクル６）を示し、ライン２５４は最初のＳＡＣＩサイクル（サイクル７）を示し、ライン２５６は第２のＳＡＣＩサイクル（サイクル８）を示し、ライン２５８は第３のＳＡＣＩサイクル（サイクル９）を示している。図１５は、ＳＡＣＩサイクルが予混合燃焼と圧縮着火からなる混合燃焼レジームであることを示している。

したがってこの混合燃焼レジーム（ＳＡＣＩ）は、高いレベルの希釈度と、早期の点火タイミングとを伴って達成することが可能である。この取り組みは、残留物の量を徐々に増加させ、混合気温度も徐々に上昇させる。そのため放出された熱の中で、純粋なＨＣＣＩ燃焼がもたらされるまで、圧縮着火の割合が徐々に増加することが達成される。

上述したプロセスは、ＳＩモードからＨＣＣＩモードへの遷移を容易にする。いくつかの実施形態によれば、前記プロセスがＳＩモードからＳＡＣＩモードへの遷移時に終了し、その場合のシステムはＨＣＣＩモードを含まない。

本発明は、図面及び前述の説明において詳細に図示及び説明してきたが、同じような特徴はあくまでも例示的なものであって、限定と捕らえるべきではない。ここでは好適な実施形態のみが提示されており、本発明の趣旨を逸脱しない限り、あらゆる変更、改善およびさらなる応用の保護が望まれる。

Claims

シリンダと、
前記シリンダ内へのガス流を制御するように構成された吸気バルブと、
前記シリンダからのガス流を制御するように構成された排気バルブと、
前記シリンダ内への燃料流を制御するように構成されたスロットルと、
前記シリンダ内に導入された前記燃料流を含む前記ガス流への火花点火（ＳＩ）を行う点火プラグと、
複数のプログラム命令が格納されたメモリと、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブ及び前記スロットル及び前記点火プラグ及び前記メモリに動作可能に接続されているプロセッサとを含み、
火花点火（ＳＩ）燃焼モードと予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）燃焼モードとにおいてエンジンを制御する、エンジンシステムであって、
前記プロセッサは、前記火花点火（ＳＩ）燃焼モードから前記予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）燃焼モードへの遷移の際に、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブを、予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルと火花点火（ＳＩ）バルブ開／閉プロファイルとに従って制御し、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブを、前記予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルと前記火花点火（ＳＩ）バルブ開／閉プロファイルとに従って制御している間に前記シリンダ内で火花点火（ＳＩ）を行い、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブを前記予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルに従って制御した後で、前記吸気バルブ及び前記排気バルブをＳＩバルブタイミングプロファイルからＨＣＣＩバルブタイミングプロファイルへ制御し、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブが前記ＳＩバルブタイミングプロファイルから前記ＨＣＣＩバルブタイミングプロファイルへ制御されるにつれて、前記スロットルを絞られた位置から絞られない位置に向けて制御し、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブが前記ＳＩバルブタイミングプロファイルとＳＩバルブリフトプロファイルとに従って制御された時に火花点火（ＳＩ）が行われたクランク角度（ＣＡＤ）から、前記吸気バルブ及び前記排気バルブを前記予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルと前記火花点火（ＳＩ）バルブ開／閉プロファイルとに従って制御している間に行う火花点火（ＳＩ）を遅延させ、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブの前記ＨＣＣＩバルブタイミングプロファイルへの制御に続く第１のＨＣＣＩサイクル中の燃料噴射終端（ＥＯＩ）を、通常のＨＣＣＩサイクル中の燃料噴射終端（ＥＯＩ）に関連付けたクランク角度（ＣＡＤ）を超えて、遅延させる、
前記プログラム命令を実行するように構成されていることを特徴とするエンジンシステム。
前記プロセッサは、さらに、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブが前記ＳＩバルブタイミングプロファイルから前記ＨＣＣＩバルブタイミングプロファイルへ制御される際に、一定の化学量論を維持する、前記プログラム命令を実行するように構成されている、請求項１記載のエンジンシステム。
前記プロセッサは、さらに、
前記第１のＨＣＣＩサイクルに続く第２のＨＣＣＩサイクル中の燃料噴射終端（ＥＯＩ）を、通常のＨＣＣＩサイクル中の燃料噴射終端（ＥＯＩ）に関連付けたクランク角度（ＣＡＤ）を超えて、遅延させる、前記プログラム命令を実行するように構成されている、請求項１記載のエンジンシステム。
前記プロセッサは、さらに、
前記第２のＨＣＣＩサイクルに続く第３のＨＣＣＩサイクル中の燃料噴射終端（ＥＯＩ）を、通常のＨＣＣＩサイクル中の燃料噴射終端（ＥＯＩ）に関連付けたクランク角度（ＣＡＤ）を超えて、遅延させる、前記プログラム命令を実行するように構成されている、請求項３記載のエンジンシステム。
前記プロセッサは、さらに、
前記第１のＨＣＣＩサイクルよりも前で、かつ、前記シリンダ内に残っている残留ガスの量が自己着火を支援するのに十分となった後に、前記吸気バルブ及び前記排気バルブを前記ＳＩバルブタイミングプロファイルと前記ＳＩバルブリフトプロファイルとに従って制御して前記シリンダ内で火花点火（ＳＩ）を行う、前記プログラム命令を実行するように構成されている、請求項１記載のエンジンシステム。
前記プロセッサは、さらに、
前記第１のＨＣＣＩサイクルよりも前で、かつ、前記吸気バルブ及び前記排気バルブを前記ＳＩバルブタイミングプロファイルと前記ＳＩバルブリフトプロファイルとに従って制御して火花点火（ＳＩ）を行った後に、さらに火花点火（ＳＩ）を行う、前記プログラム命令を実行するように構成されている、請求項５記載のエンジンシステム。
シリンダと、
前記シリンダ内へのガス流を制御するように構成された吸気バルブと、
前記シリンダからのガス流を制御するように構成された排気バルブと、
前記シリンダ内への燃料流を制御するように構成されたスロットルと、
前記シリンダ内に導入された前記燃料流を含む前記ガス流への火花点火（ＳＩ）を行う点火プラグと、
を備えたエンジンシステムを火花点火（ＳＩ）燃焼モードと予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）燃焼モードとにおいて制御する方法であって、
前記火花点火（ＳＩ）燃焼モードから前記予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）燃焼モードへの遷移の際に、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブを、予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルと火花点火（ＳＩ）バルブ開／閉プロファイルとに従って制御するステップと、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブを、前記予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルと前記火花点火（ＳＩ）バルブ開／閉プロファイルとに従って制御している間に前記シリンダ内で火花点火（ＳＩ）を行うステップと、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブを、前記予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルに従って制御した後で、前記吸気バルブ及び前記排気バルブを、ＳＩバルブタイミングプロファイルからＨＣＣＩバルブタイミングプロファイルへ制御するステップと、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブが前記ＳＩバルブタイミングプロファイルから前記ＨＣＣＩバルブタイミングプロファイルへ制御されるにつれて、前記スロットルを絞られた位置から絞られない位置に向けて制御するステップと、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブが前記ＳＩバルブタイミングプロファイルとＳＩバルブリフトプロファイルとに従って制御された時に火花点火（ＳＩ）が行われたクランク角度（ＣＡＤ）から、前記吸気バルブ及び前記排気バルブを前記予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）バルブリフトプロファイルと前記火花点火（ＳＩ）バルブ開／閉プロファイルとに従って制御している間に行う火花点火（ＳＩ）を遅延させるステップと、
前記吸気バルブ及び前記排気バルブの前記ＨＣＣＩバルブタイミングプロファイルへの制御に続く第１のＨＣＣＩサイクル中の燃料噴射終端（ＥＯＩ）を、通常のＨＣＣＩサイクル中の燃料噴射終端（ＥＯＩ）に関連付けたクランク角度（ＣＡＤ）を超えて遅延させるステップと、
を含んでいることを特徴とする方法。
さらに、前記吸気バルブ及び前記排気バルブが前記ＳＩバルブタイミングプロファイルから前記ＨＣＣＩバルブタイミングプロファイルへ制御される際に、一定の化学量論を維持するステップを含んでいる、請求項７記載の方法。
さらに、前記第１のＨＣＣＩサイクルに続く第２のＨＣＣＩサイクル中の燃料噴射終端（ＥＯＩ）を、通常のＨＣＣＩサイクル中の燃料噴射終端（ＥＯＩ）に関連付けたクランク角度（ＣＡＤ）を超えて遅延させるステップを含んでいる、請求項７記載の方法。
さらに、前記第２のＨＣＣＩサイクルに続く第３のＨＣＣＩサイクル中の燃料噴射終端（ＥＯＩ）を、通常のＨＣＣＩサイクル中の燃料噴射終端（ＥＯＩ）に関連付けたクランク角度（ＣＡＤ）を超えて遅延させるステップを含んでいる、請求項９記載の方法。
さらに、前記第１のＨＣＣＩサイクルよりも前で、かつ、前記シリンダ内に残っている残留ガスの量が自己着火を支援するのに十分となった後に、前記吸気バルブ及び前記排気バルブを前記ＳＩバルブタイミングプロファイルと前記ＳＩバルブリフトプロファイルとに従って制御して前記シリンダ内で火花点火（ＳＩ）を行うステップを含んでいる、請求項７記載の方法。
さらに、前記第１のＨＣＣＩサイクルよりも前で、かつ、前記吸気バルブ及び前記排気バルブを前記ＳＩバルブタイミングプロファイルと前記ＳＩバルブリフトプロファイルとに従って制御して火花点火（ＳＩ）を行った後に、さらに火花点火（ＳＩ）を行うステップを含んでいる、請求項１１記載の方法。