JP3817977B2

JP3817977B2 - 圧縮着火式エンジンの制御方法

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Publication number: JP3817977B2
Application number: JP19120599A
Authority: JP
Inventors: 拓也白石; 利治野木; 大須賀　　稔
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-07-06
Filing date: 1999-07-06
Publication date: 2006-09-06
Anticipated expiration: 2019-07-06
Also published as: US6530361B1; JP2001020765A; DE10032232A1; DE10032232B4

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧縮着火式エンジンの制御方法に関するものであり、特に燃料量が増大した高トルク時の着火時期を適正化する制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の圧縮着火エンジンは特開平10−252541号公報に記載されているように、熱炎発生前に招起される、冷炎領域をさけて、圧縮上死点付近で着火させるものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかるにこの従来技術では圧縮比が固定されている。圧縮着火エンジンではトルク増大時（燃料量が多く、空燃比が小さい場合）には、燃焼圧力が急速に大きくなりノッキングが発生するという問題がある。これは適切な着火時期よりも早く自己着火が起こり、その点を火種として火炎伝播してしまうためである。このように従来の圧縮着火エンジンでは火花点火のような強制点火手段を有していないので、高トルク時の点火時期を制御できないという課題がある。
【０００４】
本発明の目的は圧縮着火のタイミングを制御可能にする点にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、エンジンの気筒に組み合わされる吸気弁と排気弁を含めた弁機構と、前記エンジンのピストンおよびシリンダ壁に囲まれた燃焼室に噴射孔が臨む燃料噴射弁を備え、前記燃料噴射弁から噴射された燃料と前記燃焼室内に吸入された空気との混合気を前記ピストンの往復運動による圧縮動作で着火させる圧縮着火式エンジンにおいて、
前記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
空燃比を設定する空燃比設定手段と、
筒内温度または圧力を推定する筒内状態推定手段と、
筒内温度または圧力を制御する筒内状態制御手段を有し、
前記空燃比設定手段は前記運転状態検出手段の検出結果のうち、少なくとも１つを用いて空燃比を設定し、
前記筒内状態推定手段は前記運転状態検出手段の検出結果または前記空燃比設定手段が設定した空燃比のうち、少なくとも１つを用いて前記エンジンの圧縮上死点付近の筒内温度または圧力を推定し、
前記筒内状態制御手段は前記筒内状態推定手段の推定結果に基づいて前記エンジンの圧縮上死点付近での筒内温度または圧力が燃料の着火範囲を温度と圧力の関係で示される熱炎反応前の冷炎領域を通過させること、を特徴とする圧縮着火式エンジンの制御方法によって達成される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【０００７】
図１に示すエンジンはクランク機構２３を備え、そのクランク機構２３に連結されたピストン２２とエンジンヘッド２５によって燃焼室２４が形成されている。その燃焼室２４はエンジンヘッド２５に装着されている吸気バルブ１２，排気バルブ１５および燃料噴射弁１１によって密閉される。吸気バルブ１２，排気バルブ１５は可変バルブ機構１３，１４で動作される。エンジンはピストン２２の往復動作によって、燃焼に必要な空気を燃焼室２４に吸入する。エンジンに吸入される空気はエアクリーナ８で空気中に含まれる埃やごみが除去され、空気量センサ９で吸入空気量が計測される。エンジンを制御するコントロールユニット５は、各種のセンサからの信号を基にエンジンの運転状態を検出し、その検出結果に基づいてエンジンに装着されている可変バルブ機構１３，１４やＥＧＲ弁２０や燃料噴射弁１１を制御する。エンジンを搭載した車両の運転者１によって操作されたアクセルペダル２の操作量はポテンショメータ３によって電気信号に変換され、コントロールユニット５に入力される。
【０００８】
図２にコントロールユニット５の構成を示す。各種のセンサからの信号（例えば、エンジン回転数，吸気圧力，吸気温度，水温，アクセル操作量，吸入空気量，燃料成分など）は運転状態検出手段１０１に入力される。その他の入力信号としては、例えばクランクシャフト２３に装着されたクランク角度センサ２６，２７からの信号，排気管内に取り付けられた空燃比センサ１６からの信号，排気触媒の温度を検出する温度センサ１７からの信号などがある。空燃比設定手段１０２は運転状態検出手段１０１の信号の内、少なくとも１つに基づいて空燃比を決定する。また、運転状態検出手段１０１は燃料成分センサからの情報を基に予めコントロールユニット内に記憶された冷炎の発生領域を決定する。筒内状態推定手段１０３は運転状態検出手段１０１の信号の内、少なくとも１つと空燃比設定手段１０２で設定した空燃比に基づいて、エンジンの圧縮上死点付近での圧力および温度を推定する。この推定結果が冷炎領域を通過するように筒内状態制御手段１０４に制御信号を出力する。筒内状態制御手段１０４内は、ＥＧＲ制御手段１０５，可変バルブ制御手段１０６，燃料噴射制御手段１０７で構成されている。ＥＧＲ制御手段１０５はＥＧＲ量を変化させるためにＥＧＲ弁２０に制御信号を出力する。可変バルブ制御手段１０６は吸気バルブ１２を動作させる可変バルブ機構１３に制御信号を出力する。燃料噴射制御手段１０７は燃料噴射弁１１に制御信号を出力し、燃料奮射量と噴射時期を調整する。
【０００９】
図３に空燃比設定手段１０２による空燃比の設定方法を示す。空燃比設定手段１０２は運転状態検出手段１０１内の吸入空気量，エンジン回転数，要求エンジントルクの情報を用いて、燃料噴射量Ｑｆを決定する。要求エンジントルクＴは運転状態検出手段１０１内でアクセル操作量から決められる。空燃比は吸入空気量Ｑａと燃料噴射量Ｑｆの比として算出する。
【００１０】
図４（Ａ）に圧縮着火燃焼時の筒内圧力と熱発生率を示す。３６はエンジンの燃焼室内の圧力変化を筒内圧力センサで計測した波形であり、３７はその波形から求めた熱発生率である。圧縮着火エンジンでは点火プラグによる強制着火がないために、着火が起こるタイミングが不明確である。３６の線上に描いた丸印の付近で圧力波形に変化が生じている。３７でみるとその時期に熱発生率が上昇していることから、熱が発生していることが判る。これを我々は冷炎と呼んでおり、その後のより大きい熱発生を熱炎と呼んでいる。圧縮着火燃焼が正常に行われるには冷炎が生じることが必須であり、その後熱炎反応に移行する。このことは冷炎反応が火種の役割をしていると言える。点火プラグによる着火燃焼方式では、冷炎は計測されずに熱炎のみが計測される。すなわち、点火プラグによる着火が火種となり熱炎反応を引き起こしている。しかし、このような冷炎が発生するのは空燃比が８０〜２５程度であり、空燃比がそれより小さくなると、すなわち燃料量が増加すると冷炎が発生する前に熱炎反応が生じてしまう。この熱炎反応は正常な圧縮着火燃焼ではなくノッキングに近い現象である。圧縮着火エンジンの高トルク側の限界はこのノッキング現象で制約されている。これは燃料量が増加したときの着火時期を適切に制御出来ないためである。本発明のポイントはこのような高トルク時にも着火時期を制御できるようにすることである。
【００１１】
図４（Ｂ）は圧縮着火燃焼の着火限界を温度と圧力の関係で示したものである。混合気の着火限界は３８のようになっており、３８より左側では着火せず、右側で着火することを示している。領域４３付近で冷炎が発生する。この曲線は燃料種類および混合気濃度により変化するが、ここではその変化幅は小さいとして説明する。燃焼室内に十分に混合された空燃比４０の混合気が吸入され、それを圧縮する場合を考える。この時圧縮開始前の温度と圧力は４０ａである。圧縮されることによって圧力と温度が４０のように上昇し、冷炎領域４３を通り圧縮後には４０ｂに達する。冷炎領域４３を通過すると図８に示したような冷炎が発生し、それに引き続いて熱炎反応が起こる。すなわち、空燃比４０程度の混合気の場合は冷炎領域を通過するので正常な圧縮着火燃焼が行われる。次に空燃比が１５の場合を考える。空燃比が小さい混合気の場合、比熱比が小さくなるので圧縮による温度上昇が小さくなる。その結果、圧縮中の圧力と温度上昇経過は３９のようになり、冷炎領域４３を通過しない。その結果圧縮後には３９ｂに達し、冷炎反応を経ずに熱炎反応を引き起こす。そのときの熱発生率は４６のように急激なものになり、ノッキングとなる。混合気の空燃比が違うことで圧縮後の温度と圧力の到達点が異なり、それが冷炎領域内か外かで燃焼形態が変わってしまう。本発明のポイントは空燃比が小さい高トルク時でも冷炎領域を通過するように制御することである。空燃比が小さいときは比熱比が小さくなり圧縮後の温度が低くなることが冷炎領域を通過しなくなる原因と考えられるので、ＥＧＲを加え混合気の初期温度を４２ａの点まで上昇させる。この時の圧縮後の到達点は42ｂで冷炎領域を通過させることが出来る。ＥＧＲの加え方としては、排気管から吸気管までのバイパス通路を用いた外部ＥＧＲでも構わないが、可変バルブ機構を用いて吸排気バルブのオーバーラップを変更する内部ＥＧＲ方式でも良い。また、混合気濃度によっては冷炎領域に入ってから圧縮上死点までの期間が長く、着火時期が上死点よりかなり前になってしまうことも考えられる。吸気バルブの閉弁時期を遅らせることで圧縮比を低下させ、圧縮後の圧力を４４のように低下させ、着火時期をより上死点近くに制御する。
【００１２】
図５に本発明の制御内容を示す。エンジンのコントロールユニット５は運転状態を検出し目標空燃比を設定する。使用燃料によって図４（Ｂ）に示した着火限界曲線は決まるので、目標筒内状態（温度および圧力）を設定することができる。現在の吸気温Ｔ１と吸気圧Ｐａと設定空燃比４７で目標筒内状態に達するか、すなわち冷炎領域に入るかどうかを筒内状態推定モデル４８を用いて推定する。筒内状態推定モデル４８の計算式について説明する。
【００１３】
筒内圧力の推定には（１）式を用いる。
【００１４】
Ｐ（θ）＝Ｐａ＊｛Ｖ１／Ｖ２（θ）｝＾ｎ …（１）
筒内温度の推定には（２）式を用いる。
【００１５】
Ｔ（θ）＝Ｔ１＊｛Ｖ１／Ｖ２（θ）｝＾（ｎ−１） …（２）
ここで、Ｐ（θ）はクランク角度θの時の筒内圧力、Ｐａは圧縮開始直前の筒内圧力または吸気管内圧力、Ｖ１は圧縮開始直前の燃焼室容積、Ｖ２（θ）はクランク角度θの時の燃焼室容積、ｎはポロトロープ指数、Ｔ（θ）はクランク角度θの時の筒内温度、Ｔ１は圧縮開始直前の筒内温度または吸気温度である。上式（１）および（２）の計算はクランク角度１度毎に逐次計算する必要は無く、目標着火時期の変化幅内の例えば圧縮上死点前４０度から０度までの範囲だけを計算すれば良い。
【００１６】
図４（Ｂ）に示すように設定空燃比が小さく冷炎領域に入らない場合は、可変バルブを用いてＥＧＲ導入や圧縮比変更などの手段を検討する。具体的には圧縮後の筒内状態の推定結果と目標筒内状態である冷炎領域との誤差量を計算し、それを修正するために最適な制御手段と操作量を、制御手段モデル４９を用いて計算する。
【００１７】
図６にＥＧＲによる筒内状態の制御方法を示す。ＥＧＲ弁２０を通過するEGRガス量を変化させることで、吸入空気中の新気量とＥＧＲガス量の比、すなわちＥＧＲ率を変化させることができる。ＥＧＲ率が高くなると、吸入ガス中に比較的高温の排気ガス量が増えるので吸入ガス温度が上昇し、圧縮始めの筒内温度は１１１のように上昇する。その結果、圧縮後の筒内温度は１１０のように変化し、冷炎が発生する温度以上にすることが出来る。
【００１８】
図７に可変バルブによる筒内状態の制御方法を示す。吸気弁の閉弁タイミングを変化させることで吸入空気量が１１６のように変化する。その結果、圧縮後の筒内圧力は１１５のようになり、冷炎が発生する圧力以上にすることが出来る。冷炎発生領域は使用燃料によりほぼ決まるため、図６および図７に示した冷炎が発生するための最低温度および最低圧力は大きく変化しない。圧縮後の筒内状態が冷炎領域を通過するように制御することが本発明の１つのポイントであるが、エンジンの燃焼においては圧縮上死点近傍で着火し、燃焼することが重量である。図７において、吸気弁の閉弁タイミングを３０°ＡＢＤＣに設定した場合には、１１８に示すように圧縮後の圧力は冷炎発生領域の最低圧力より大きくなる。これは圧縮途中で冷炎発生領域に入ることになり、上死点よりかなり手前に着火し燃焼することになる。上死点近傍で着火させるためには、１１７に示すように圧縮後の圧力と冷炎発生領域の最低圧力の差を小さくする必要があり、そのために吸気弁の閉弁タイミングを変化させ実質の圧縮比を低下させるように制御する。
【００１９】
図８に燃料噴射によって冷炎領域を通過させる方法を示す。圧縮着火エンジンの高トルク側、すなわち空燃比が小さい時の過早着火が課題であり、例えば空燃比１５相当の燃料量を吸気工程中に１度で噴射すると筒内混合気の温度，圧力の履歴は１２０のようになり冷炎領域を通過しない。これに対して吸気工程中での噴射量を全噴射量の半分以外にして、空燃比を約３０以上にすると筒内混合気の温度，圧力の履歴は１２１のようになる。これは空燃比が大きくなったことで（１）式および（２）式中のポリトロープ指数ｎが大きくなり、温度が増加するためである。従って空燃比３０〜４０程度の混合気の場合には、そのまま圧縮することで点線１２３のように冷炎領域に入り着火燃焼する。但し、この場合は燃料量が少ないために必要とするトルクを出せないため、圧縮行程の後半に残りの燃料量を噴射する。燃料を噴射するタイミングは１２２で示す星印付近の冷炎領域手前である。この時の燃焼室内の状態を図９に模式的に示す。５２は噴射パルス信号を表している。吸気行程中にＴＩ１のパルス幅で噴射した燃料により混合気２１ａが形成され、この混合気の空燃比は約３０以上である。圧縮行程の後半にＴＩ２のパルス幅で燃料２１ｂを噴射する。燃料２１ｂが燃焼室に適度に拡散してから着火するのが望ましいため、燃料２１ｂの噴射時期は燃料噴霧の拡散時間などを考慮して決める。
【００２０】
図１０に本発明の制御フローチャートを示す。圧縮着火モードで運転されている時は、常に着火時期制御を行う。まず、運転状態検出手段はアクセル開度，車速，変速ギヤ位置などから要求エンジントルクを計算する。さらにエンジン回転数を読み込み、目標空燃比を設定する。使用燃料に応じた目標筒内状態を決定する。目標筒内状態とは冷炎を生じる温度と圧力の領域である。現在の運転状態に適した制御手段およびその操作量（ＥＧＲ量や吸気弁の閉弁タイミング）を仮決定し、吸気圧力Ｐａと吸気温度Ｔ１を読み込み、目標空燃比における圧縮後の筒内状態を推定する。ブロック５３で、推定結果と目標筒内状態を比較し、その推定結果が目標筒内状態すなわち冷炎領域に入っていれば、筒内状態制御手段に制御信号を出力する。推定結果が目標筒内状態から離れている場合は、ブロック５５でその誤差量を計算し、ブロック５４でその誤差量を修正するための可変バルブ操作量とＥＧＲ量をコントロールユニットのＲＯＭ内にあらかじめ納められているデータを用いて制御手段モデルで推定する。その結果を筒内状態制御手段に出力する。
【００２１】
図１１に燃料の着火性と冷炎領域の関係を示す。５０は使用燃料の着火限界曲線を表しており、４３は冷炎領域を表している。冷炎領域は燃料成分により異なり、着火性が良い場合には４３ｂのように低温度側に移動し、着火性が悪い場合には４３ａのように高温度側に移動する。着火性は例えばガソリン／軽油を混ぜることで調整することができる。図１２はガソリン／軽油の混合率と着火性の関係を示している。ディーゼルエンジンの燃料に使用されている軽油は着火性が良く、高温度雰囲気では自着火する。一方、ガソリンは着火性が悪く、ガソリンエンジンでは点火プラグを用いて着火エネルギを供給して着火している。従って、それらの混合率を変えることで着火性を１２５のように制御することができる。混合率の制御方法としては、図１３に示したように燃料タンク１３０に軽油とガソリンを規定の比率で給油し燃料タンク内で混合燃料１３１を作り、タンク内の燃料ポンプ１３２でエンジンに送る方法と、図１４に示すようにガソリン用燃料タンク１３０ａと軽油用燃料タンク１３０ｂを別々に用意し、混合装置１３３で規定の比率に混合し燃料ポンプ１３２でエンジンに送る方法が考えられる。
【００２２】
図１５に本発明の別の実施例を示す。基本構成は図１に示した実施例と同様であるので省略するが、本実施例では点火プラグ５７を装備しているところが異なっている。
【００２３】
図１６に本実施例における運転領域を示す。横軸はエンジン回転数で、縦軸はエンジントルクである。点火プラグは斜線で示した領域５８，６０で使用する。領域６０は始動時を表している。
【００２４】
図１７に始動時の制御フローチャートを示す。キースイッチがＯＮになると、まずエンジン回転数，吸気温，水温の読み込みを開始する。エンジン回転数はこのときはまだ０rpm である。その後、スタータモータがＯＮになりクランキングが始まる。クランキング回転数は２００〜３００rpm である。さらに燃料噴射と点火を開始し、ブロック６１でエンジン回転が上昇するのを確認する。クランキング時の供給燃料量は始動がスムースに行えるように、空燃比が理論空燃比より多少小さくなるように設定される。エンジン回転が上昇後は正常な燃焼となるように目標空燃比を理論空燃比近傍に設定する。ブロック６２でエンジン回転数がアイドル回転数を超え、さらにブロック６３で水温が十分に上昇したかを確認する。水温が低い場合には目標空燃比を小さく設定し、発熱量を増加させる。最後にブロック６４で圧縮着火が可能な吸気温度かどうかを確認してから、目標空燃比を圧縮着火が可能な範囲に設定し、可変バルブの開度を変更し空気量を増加させる。これと同時に点火を停止する。
【００２５】
図１８に始動時のエンジン回転数，燃料噴射パルス幅，点火信号，空燃比のタイムチャートを示す。時間０でキースイッチがＯＮになり、時間Ｔ１でスタータモータがＯＮになる。エンジンはスタータで回され、２００〜３００rpm で回転する。このとき燃料噴射と点火が開始される。クランキング時はエンジンが始動しやすいように燃料を多めに噴射する。したがって、空燃比は理論空燃比より小さくなる。時間Ｔ２でエンジン回転数が上昇すると、燃料噴射パルス幅を短くして空燃比を多少大きくして、正常燃焼させる。時刻Ｔ３までの間でエンジンからの発熱で水温が上昇する。水温が上昇した後は、燃料噴射パルス幅をさらに小さくして空燃比を理論空燃比に設定する。その後、圧縮着火が可能な吸気温度かどうかを確認して、圧縮着火が可能であれば時刻Ｔ４で点火を停止する。このとき同時に可変バルブの開度を変更しているので、空気量が増加して空燃比が大きくなる。図１６に示した圧縮着火領域５９に入ったら、図１０に示した着火時期制御を引き続き行う。圧縮着火領域５９内では要求エンジントルクに応じて空燃比は８０〜２５まで変化するが、エンジンからのＮｏｘ排出量は数１０ppm と低い値である。要求エンジントルクがさらに大きい場合には領域５８に移行する。領域５８では点火プラグで着火を行う火花点火式の燃焼を行い、設定空燃比は３元触媒が利用できるように理論空燃比である。したがって、この領域においても車両の排気管からのＮｏｘ排出量は低い値となる。
【００２６】
図１９に圧縮着火領域５９と点火アシスト領域５８の切替時の制御フローを示す。圧縮着火領域５９内においてはアクセル開度，車速，変速ギヤ位置から要求エンジントルクを計算している。さらにエンジン回転数とのマップから目標空燃比を設定している。その目標空燃比が２５以下になったら点火アシスト領域５９に移行する。空燃比２５は圧縮着火方式で低ＮＯｘ燃焼が行える限界空燃比である。点火アシスト領域に移行する際には、まず運転状態に応じた目標点火時期を設定し、点火を開始する。このとき空燃比はまだ２５程度であり、均一混合気の着火限界空燃比より大きいので、点火プラグでは着火せずに圧縮による着火燃焼が行われる。次に空燃比が理論空燃比となるように可変バルブで空気量を絞り、点火燃焼を開始する。同時にブロック７１で点火時期も調整する。点火アシスト領域に移行したあとにブロック７０で要求エンジントルクになっているかを確認し、実際のエンジントルクが要求エンジントルクと異なっているときは、空燃比は変化しないように空気量を調整しトルクを変化させる。
【００２７】
図２０に運転領域切り替え時のタイムチャートを示す。圧縮着火領域では空燃比はエンジントルクに応じて、約８０〜２５まで変化する。点火信号は当然OFFになっている。７２は目標空燃比を、７３は実空燃比を表している。また、７５は目標エンジントルクを、７６は実際のエンジントルクを表している。時刻Ｔ１で目標空燃比が２５より小さくなると、燃料噴射量を空燃比が約２５になるように制御し、同時に点火を開始する。時刻Ｔ２で可変バルブ操作量を変化させ空燃比を理論空燃比になるように制御する。このとき燃料噴射量は変化していないので、エンジントルクはスムースに切り替わる。この後は理論空燃比を変化させないように可変バルブ操作量を変化させ、エンジントルクを目標値に近づけていく。この切り替え制御は１００ｍsec 以内に完了するので、乗り心地に違和感はない。
【００２８】
図２１に本発明の別の実施例を示す。エンジンの構成は図１５に示したものと同様であるが、エンジン燃焼室内での燃焼反応を検出できるようなセンサが装着された場合のことを考える。図２１はこの場合のコントロールユニット５の構成を示したものである。図２に示した構成にフィードバック信号１０８が付け加えられている。このフィードバック信号には燃焼反応を検出した結果などを用いることが出来る。
【００２９】
図２２に、燃焼反応センサとして点火プラグ５７に燃焼室内に発生するイオン電流を検出するイオン電流センサを用いた場合の構成を示す。図１６に示した運転領域において、領域５８，６０では点火プラグは着火エネルギを供給する装置として使われるが、圧縮着火領域５９では点火プラグは使われていない。そこでこの領域では圧縮着火時の着火時期を検出する装置として使うことが目的である。点火アシスト領域では点火コイル７７はエンジンコントロールユニット５からの点火信号を増幅して電圧を高めて点火プラグ５７に着火エネルギを供給する。圧縮着火領域では点火コイルから高電圧を供給してイオン電流検出装置として使用する。燃焼室内で燃焼が起こると燃焼の中間生成物に起因するラジカルが発生し、高電圧を印可してある点火プラグ間を電流が流れる。これがイオン電流であり、その電流値は検出器７８に送られて処理される。
【００３０】
図２３にイオン電流の検出結果を示す。３６は筒内圧力波形で、３７は熱発生率である。８１がイオン電流波形であり、ほぼ熱発生率３７に対応した波形となっている。これにより熱炎の発生時期すなわち着火時期を検出することができる。さらに失火した場合にはイオン電流は流れないので、失火検出にも適用できる。
【００３１】
図２４に着火時期フィードバック制御のフローチャートを示す。ブロック８２でイオン電流検出による着火時期と運転状態に応じた目標着火時期とを比較して、ずれている場合には、ブロック８３でその誤差量を計算して、適正な値となるように可変バルブ操作量とＥＧＲ量を決定し、その制御信号を出力し実行する。そして、フィードバック制御を繰り返す。
【００３２】
上記実施例では燃焼室内の反応を検出する手段としてイオン電流センサの例を示したが、反応を検出する手段としては燃焼火炎を検出する燃焼光センサや筒内圧力を検出する圧力センサでも構わない。
【００３３】
図２５に着火燃焼の反応経路について説明する。本実施例では（Ａ）点火プラグによる着火燃焼と、（Ｂ）圧縮による着火燃焼について説明してきた。（Ａ）では、点火プラグ周りの混合気（気化した燃料と空気）に点火プラグから着火エネルギを供給して、まず熱分解させオレフィン，アルキルラジカルを生成する。オレフィン，アルキルラジカルは周囲のＯ₂分子と反応しながら酸化しＣＯ，Ｈ₂を生成し、その後急激な酸化反応として熱炎という形態で燃焼が起こる。一方、（Ｂ）では燃料は圧縮による温度上昇やエンジンからの熱伝達、さらにはＥＧＲガスとの混合による熱交換によって混合気（燃料と空気）の温度が上昇し、オレフィン，アルキルラジカルの生成反応より比較的低温で酸化反応が進行する。このときアルデヒドが生成され冷炎となって現れる。図４（Ａ）に示した熱伝生率３７のように冷炎反応は発熱反応であり、反応場の温度は局部的に上昇する。この温度上昇によってＣＯ，Ｈ₂が生成され、その後熱炎反応に移行しＣＯ，Ｈ₂Ｏが生成され燃焼が完了する。冷炎反応が生じる場合は燃焼室の特定の場所ではなく、また１つとは限らないので、複数の場所で冷炎反応が進行する。そのため冷炎反応によって温度上昇した反応場は多数存在することになり、多点で着火燃焼が起こることになる。エンジンの燃焼室全体で見れば、１つの反応場から生じた燃焼火炎が伝播する距離は近隣の反応場までのごく短い距離となるので、燃焼が短時間で完了することになる。
【００３４】
図２６に本発明の別の実施例として、車外からの道路交通情報を用いたエンジンの制御方法を示す。道路の工事や規制などによる渋滞情報や駐車場な空き情報などを車両に提供する道路交通情報システムが確立されつつあり、その中の１つとして高速道路での自動運転や前方走行車の追従走行を想定したものである。図２６に示す高速道路２０１においては、安全上は車間距離を十分に取る必要があるが、道路環境の有効利用という観点からは車間距離を短くして走行台数を多くすることが望まれている。そのため高速道路２０１周辺に設置された道路交通情報提供設備２００から走行している高速道路２０１の前方の情報、特に渋滞情報や前方走行車との車間距離情報を受信機９８で受信し、コントロールユニット５内はその情報を用いてエンジン９９を制御する。
【００３５】
図２７はこの場合のコントロールユニット５の構成を示したものである。図２１に示した構成において、フィードバック信号１０８を車外からの信号１０９としたものである。この車外からの信号１０９としては、主に渋滞情報や前方走行車との車間距離情報で、運転状態検出手段１０１内で自動運転時の要求エンジントルクの算出に使用する。自動運転時には運転者はアクセルペダルの操作を行わないため、アクセルペダル操作量から要求エンジントルクを算出することが出来ない。前方の道路が空いていて渋滞する気配が無い場合には、現状の車速を維持または増加するように要求エンジントルクを制御する。一方、前方道路の渋滞のために前車との車間距離が短くなったという情報を道路交通情報提供設備200から受信した場合には、車速を低下させるように要求エンジントルクを小さくする。このように算出された要求エンジントルクを用いて空燃比設定手段１０２は空燃比を設定する。したがって、自動運転時には運転状態検出手段１０１に入力される道路交通情報によって空燃比が設定され、ＥＧＲ量や可変バルブの操作量や燃料噴射方法などが調整され、エンジンの筒内状態が制御される。
【００３６】
図２８に本発明におけるエンジンの構成を示す。図２８は筒内噴射エンジンの断面図であり、（Ａ）は燃料噴射弁１１が燃焼室２４の側方に取り付けられたサイド噴射式エンジンである。（Ｂ）は燃料噴射弁１１が燃焼室２４の中央に取り付けられたセンサ噴射式エンジンである。本発明ではどちらの方式のエンジンにも適用可能である。また、ピストン２２の頂面形状はフラット型が望ましいが、キャビティやバルブリセスがあっても構わない。
【００３７】
図２９，図３０に本発明で使われる可変バルブ機構を示す。吸気バルブ，排気バルブの動作は同じなので吸気バルブを例にして説明する。図２９は位相式可変バルブ機構で、吸気バルブ１２を上下動させるカムシャフトに固定されているカムスプロケット２８の位相角φを変化させることで、吸気バルブ１２の開弁，閉弁時期を制御する。１３ａは通常のタイミングで動作した時のバルブリフトカーフであり、１３ｂ，１３ｃはバルブの開閉時期を遅くした時のバルブリフトカーブである。バルブ開弁タイミングが遅くなっても吸入空気量への影響は少ないが、バルブ閉弁タイミングが遅くなると一旦吸入した空気の吹き返しが発生するので、吸入空気量が減少する。この現象を利用して圧縮比を制御することができる。
【００３８】
図３０は電磁式可変バルブ機構で、吸気バルブ１２に固定された可動子１３３と電磁コイル１３１，１３２で構成されている。電磁コイル１３１に電流が流れると電磁力が発生し、可動子１３３が吸引されて吸気バルブが開弁する。逆に電磁コイル１３２に電流を流すと吸気バルブが閉弁する。電磁式可変バルブの特徴は開弁，閉弁時間が短いことで、そのリフトカーブは図３０（Ｂ）のようになる。また開弁タイミングと閉弁タイミングを独立に制御できるという特徴もある。この場合も、閉弁タイミングを変えることで圧縮比を制御することができる。
【００３９】
図３１に本発明で使用する空気流動を示す。図３１（Ａ）はエンジンの吸気ポート３０から燃焼室２４までの透視図である。（Ａ）は吸気バルブ１２の１本を閉じたままにして片方の吸気通路のみから空気を吸入した時の様子で、燃焼室２４内には水平方向のスワール空気流動３１が生成される。（Ｂ）は吸気バルブ１２を２本とも開弁した時の様子で、燃焼室２４内には垂直方向のタンブル空気流動３２が生成される。本発明の圧縮着火エンジンでは均一な予混合気を作ることが重要であり、このような空気流動を用いて、空気と燃料を十分に撹拌・混合することが大切である。しかし、燃焼時には多点で着火させ火炎伝播させないことも重要であるので、圧縮後には空気流動が減少し弱くなっていることが大切である。一般的に、スワール空気流動はピストンが上昇した圧縮行程後期でも旋回運動が残っており、圧縮着火エンジンには好ましくない。タルブル空気流動は圧縮行程後期には垂直方向に旋回するスペースが無くなり旋回渦が崩壊するため空気流動が弱くなる。従って、圧縮着火エンジンにはタンブル空気流動を用いることが望ましい。
【００４０】
図３２，図３３にタンブル空気流動の生成方法の例を示す。図３２は吸気ポート３０に副吸気通路３３を設けた例である。吸気ポート３０に設置した分流弁３４を閉じることにより空気は副吸気通路３３を通り、燃焼室２４内に吸入される。この時の流入速度は吸気ポート３０を通った時より速くなっているので、指向性のある空気流動３２が生成され、燃焼室２４内で旋回するようになる。また、タンブル空気流動の強さは分流弁３４の開度を変えることで制御できる。すなわち、副吸気通路３３と吸気ポート３０を流れる空気量を調整することで流速を変化させている。
【００４１】
図３３は吸気ポート３０内に切り欠きのある弁３４（以下、タルブルコントロールバルブ（ＴＣＶ））を設置した例である。ＴＣＶ３４を閉じることにより空気はＴＣＶ３４の切り欠き部を通り、燃焼室２４内に吸入される。この時、空気は主に吸気バルブ１２の上側を通るので、タンブル空気流動３２が生成される。また、ＴＣＶ３４の開度を変えることでタンブル空気流動の強さを制御することが出来る。さらに吸気ポート３０の形状が独立している場合は、（Ｂ）に示すように独立した吸気ポート１つ１つにＴＣＶ３４を設置する。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の圧縮着火式エンジンでは、燃焼前の筒内状態量を用いて圧縮後の筒内状態を推定することで、高トルク時においても着火が適正に行われるように着火タイミングを制御している。具体的には圧縮後の筒内状態（温度または圧力）が圧縮着火現象のトリガとなる冷炎が発生するような筒内状態になるように、可変バルブの開閉タイミングやＥＧＲ量を制御している。これにより、圧縮着火エンジンの高トルク側の燃焼限界を大幅に伸ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を採用した圧縮着火式筒内噴射エンジンのシステム図。
【図２】本発明におけるコントロールユニットの構成図。
【図３】空燃比設定方法の説明図。
【図４】圧縮着火式エンジンの代表的な筒内圧力波形と熱発生率波形および筒内状態と着火限界を示す図。
【図５】本発明の制御方法を示す図。
【図６】ＥＧＲ率と圧縮後の筒内温度の関係を示す図。
【図７】吸気弁閉弁タイミングと圧縮後の筒内圧力の関係を示す図。
【図８】２回噴射時の筒内温度と圧力履歴を示す図。
【図９】２回噴射時の燃焼室内と混合気状態を示す図。
【図１０】本発明の着火時期制御のフローチャート図。
【図１１】燃料着火性と冷炎発生領域の関係を示す図。
【図１２】燃料混合比と着火性の関係を示す図。
【図１３】燃料タンクの構成図。
【図１４】燃料混合装置を備えた燃料タンクの構成図。
【図１５】本発明の第２実施例のエンジンシステム図。
【図１６】第２実施例における運転領域を示す図。
【図１７】第２実施例における始動制御のフローチャート図。
【図１８】始動制御を適用した場合のタイムチャート図。
【図１９】第２実施例における運転領域切り替え制御のフローチャート図。
【図２０】運転領域切り替え制御を適用した場合のタイムチャート図。
【図２１】本発明の第３実施例におけるコントロールユニットの構成図。
【図２２】本発明の第３実施例のエンジンシステム図。
【図２３】圧縮着火式エンジンの代表的な筒内圧力波形，熱発生率波形とイオン電流波形。
【図２４】第３実施例における着火時期フィードバック制御のフローチャート図。
【図２５】着火燃焼の反応経路を説明する図。
【図２６】本発明の第４実施例を示す図。
【図２７】本発明の第４実施例におけるコントロールユニットの構成図。
【図２８】筒内噴射エンジンの噴射弁位置を示す図。
【図２９】位相差式可変バルブ機構の構成と動作を示す図。
【図３０】電磁式可変バルブ機構の構成と動作を示す図。
【図３１】シリンダ内空気流動の模式図。
【図３２】タンブル空気流動を生成する副吸気通路の構成図。
【図３３】タンブル空気流動を生成するＴＣＶの構成図。
【符号の説明】
５…エンジンコントロールユニット、１１…燃料噴射弁、１２…吸気バルブ、１３，１４…可変バルブ機構、１５…排気バルブ、１９…ＥＧＲ通路、２０…ＥＧＲ制御弁、２２…ピストン、２４…燃焼室、２５…エンジンヘッド、２６，２７…クランク角度センサ、３１…スワール空気流動、３２…タンブル空気流動、３３…副吸気通路、３４…ＴＣＶ、５７…点火プラグ、７７…点火コイル、７８…イオン電流検出器、７９…可変バルブ駆動装置、９８…道路交通情報受信機、９９…エンジン、１００…車両、１０１…運転状態検出手段、１０２…空燃比設定手段、１０３…筒内状態推定手段、１０４…筒内状態制御手段、１０５…ＥＧＲ制御手段、１０６…可変バルブ制御手段、１０７…燃料噴射制御手段、１３０…燃料タンク、１３２…燃料ポンプ、１３３…燃料混合装置、２００…道路交通情報提供設備、２０１…道路。

Claims

エンジンの気筒に組み合わされる吸気弁と排気弁を含めた弁機構と、前記エンジンのピストンおよびシリンダ壁に囲まれた燃焼室に噴射孔が臨む燃料噴射弁を備え、前記燃料噴射弁から噴射された燃料と前記燃焼室内に吸入された空気との混合気を前記ピストンの往復運動による圧縮動作で着火させる圧縮着火式エンジンにおいて、
前記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
空燃比を設定する空燃比設定手段と、
筒内温度または圧力を推定する筒内状態推定手段と、
筒内温度または圧力を制御する筒内状態制御手段を有し、
前記空燃比設定手段は前記運転状態検出手段の検出結果のうち、少なくとも１つを用いて空燃比を設定し、
前記筒内状態推定手段は前記運転状態検出手段の検出結果または前記空燃比設定手段が設定した空燃比のうち、少なくとも１つを用いて前記エンジンの圧縮上死点付近の筒内温度または圧力を推定し、
前記筒内状態制御手段は前記筒内状態推定手段の推定結果に基づいて前記エンジンの圧縮上死点付近での筒内温度または圧力が燃料の着火範囲を温度と圧力の関係で示される熱炎反応前の冷炎領域を通過させること、
を特徴とする圧縮着火式エンジンの制御方法。
請求項１に記載の圧縮着火式エンジンの制御方法において、
前記筒内状態制御手段は前記筒内状態推定手段の推定結果に基づいて前記エンジンの圧縮上死点付近での筒内温度が燃料の着火範囲を温度と圧力の関係で示される熱炎反応前の冷炎領域を通過するように吸気を加熱するためのＥＧＲ量を制御すること、を特徴とする圧縮着火式エンジンの制御方法。
請求項２において、
筒内状態制御手段として外部ＥＧＲを用いること、
を特徴とする圧縮着火式エンジンの制御方法。
請求項２において、
筒内状態制御手段として内部ＥＧＲを用いること、
を特徴とする圧縮着火式エンジンの制御方法。
請求項１に記載の圧縮着火式エンジンの制御方法において、
前記筒内状態制御手段は前記筒内状態推定手段の推定結果に基づいて前記エンジンの圧縮上死点付近での筒内温度または圧力が燃料の着火範囲を温度と圧力の関係で示される熱炎反応前の冷炎領域を通過するように吸気行程中に全噴射量の５０％以下の燃料量を噴射し、圧縮行程中に残りの燃料量を噴射すること、
を特徴とする圧縮着火式エンジンの制御方法。
請求項１に記載の圧縮着火式エンジンの制御方法において、
前記筒内状態制御手段は前記筒内状態推定手段の推定結果に基づいて前記エンジンの圧縮上死点付近での筒内温度または圧力が燃料の着火範囲を温度と圧力の関係で示される熱炎反応前の冷炎領域を通過させるとともに、着火がエンジンの上死点付近で起こるように吸気弁の閉弁タイミングを制御すること、
を特徴とする圧縮着火式エンジンの制御方法。
請求項１に記載の圧縮着火式エンジンの制御方法において、
前記運転状態検出手段は燃料の着火性を判定し、その判定結果に基づいて目標となる冷炎領域を変化させること、
を特徴とする圧縮着火式エンジンの制御方法。
請求項１に記載の圧縮着火式エンジンの制御方法において、
着火エネルギ供給する着火手段を有すると共に、前記圧縮着火式エンジンの高負荷領域または始動時では着火手段を用いて着火させること、
を特徴とする圧縮着火式エンジンの制御方法。
請求項１に記載の圧縮着火式エンジンの制御方法において、
前記エンジンの燃焼反応を検出するセンサを有することを特徴とする圧縮着火式エンジンの制御方法。
請求項９において、
前記エンジンの燃焼反応を検出するセンサとして、
燃焼室内のイオン電流を検出するイオン電流検出手段を用いること、
を特徴とする圧縮着火式エンジンの制御方法。
請求項９において、
前記エンジンの燃焼反応を検出するセンサとして、
燃焼室内の圧力を検出する圧力検出手段を用いること、
を特徴とする圧縮着火式エンジンの制御方法。