JP2009091994A - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換時に、ノックを確実に防止する。
【解決手段】 圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換時に、ノック回避のため、ＥＧＲを実施すると共に、空燃比をリッチ化する。リッチ化空燃比の基本値は、機関回転数及び／又は負荷に応じて設定する。また、目標ＥＧＲ率に対する実際のＥＧＲ率の乖離量に応じて、リッチ化空燃比の補正値を設定し、乖離量が大きいほど、よりリッチ化するように補正する。
【選択図】 図７

Description

本発明は、機関運転条件に応じて、火花点火燃焼と圧縮着火燃焼とを切換える内燃機関の燃焼制御装置に関する。

特許文献１には、機関運転条件に応じて、火花点火燃焼と圧縮着火燃焼とを切換える内燃機関の燃焼制御装置において、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼へ切換えるときに、吸気絞りや圧縮比低下により機関の筒内温度を低下させ、温度低下の時間遅れの間は燃料リッチ化により、ノックを回避して、燃焼性を良好に維持し、その後速やかに空燃比をストイキに制御することが開示されている。
特開２００３−１８４６０６号公報

ところで、ノックの回避のためには、空燃比をリッチ化するだけでは、不十分で、排気の一部を吸気系に還流するＥＧＲ（排気還流）を実施し、ＥＧＲと、空燃比リッチ化とで、ノックを回避するのが望ましい。

しかし、ＥＧＲと、空燃比リッチ化とで、ノックを回避する場合、ＥＧＲには遅れがあることから、ＥＧＲの時間遅れの間も、ノックを回避する対策が必要である。
本発明は、このような実状に鑑み、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換時のノックを確実に回避して、運転性を向上させることを目的とする。

このため、本発明では、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換時に、ＥＧＲを実施すると共に、空燃比をリッチ化し、このときに、実際のＥＧＲ率に応じて、リッチ化の度合を補正する構成とする。

本発明によれば、ＥＧＲの時間遅れにより、ＥＧＲ率が不足しても、その分、空燃比のリッチ化の度合を大きくすることで、ノック抑制効果を維持でき、ノックを確実に回避して、燃焼安定性を向上させることができる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す内燃機関（エンジン）のシステム図である。
シリンダヘッド１、シリンダブロック２及びピストン３によって画成される燃焼室４は、吸気弁５を介して吸気ポート６と接続され、また排気弁７を介して排気ポート８と接続されている。吸気弁５及び排気弁７の開閉時期は、それぞれ、可変動弁装置９、１０により制御可能である。

各可変動弁装置９、１０としては、例えば、クランク軸とカム軸との回転位相を変更して吸・排気弁のバルブタイミング（バルブ作動角の中心位相）を可変制御可能なバルブタイミング可変装置（ＶＴＣ装置）と、バルブ作動角（開期間）及びバルブリフト量を連続的に可変制御可能なバルブ作動角及びバルブリフト可変装置（ＶＥＬ装置）とを組み合わせて用いる。この他、吸・排気弁を電磁アクチュエータにより駆動する電磁駆動弁装置（ＥＭＶ装置）を用いてもよい。

燃焼室４内には、燃料噴射弁１１と、点火プラグ１２とが臨んでいる。燃料噴射弁１１は吸気ポート６に配置してもよい。点火プラグ１２は火花点火燃焼用である。
吸気ポート６上流の吸気通路１３には、電制スロットル弁１４が設けられている。また、排気ポート８下流の排気通路１５から排気の一部をＥＧＲガスとして導くＥＧＲ通路１６が導出され、このＥＧＲ通路１６は吸気通路１３のスロットル弁１４下流に接続されている。ＥＧＲ通路１６の途中には、ＥＧＲ量を制御する例えばステップモータ式のＥＧＲ制御弁１７が設けられている。排気通路１５には、排気浄化触媒（三元触媒）１８が設けられている。

可変動弁装置９、１０、燃料噴射弁１１、点火プラグ１２、電制スロットル弁１４、及び、ＥＧＲ制御弁１７の作動は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１９により制御される。

ＥＣＵ１９には、クランク角センサ（図示せず）により検出されるエンジン回転数Ｎ、アクセル開度センサ（図示せず）により検出されるアクセル開度ＡＰＯ、エアフローメータ２０により検出される吸入空気量Ｑａの他、排気通路１５の排気浄化触媒１８上流に設けた空燃比センサ２１等からの情報が入力されている。

本実施形態のエンジンでは、図２に示すように、比較的低回転・低負荷側の所定の運転領域にて、可変動弁装置９により吸気弁５の閉時期を下死点付近に設定して、有効圧縮比を増大させつつ（あるいは吸気加熱装置を用いて吸気温度を上昇させることで筒内温度を上昇させつつ）、圧縮着火燃焼を行わせ、このとき空燃比をリーン化することで、燃費を節減する。

その一方、高回転・高負荷側やアイドル運転域など、他の運転領域では、可変動弁装置９により吸気弁５の閉時期を下死点以降（圧縮着火燃焼時より遅角側）に設定して、有効圧縮比を低下させつつ（あるいは吸気加熱装置を停止させて筒内温度を低下させつつ）、点火プラグ１２を用いて、火花点火燃焼を行わせ、高出力やアイドル安定性を確保する。

図３は燃焼切換制御のメインフローチャートである。
Ｓ１では、エンジン運転条件として、エンジン回転数Ｎ、負荷Ｔを検出する。尚、負荷Ｔとしては、アクセル開度、燃料噴射量、エンジントルクなどを用いる。

Ｓ２では、検出されたエンジン回転数Ｎ、負荷Ｔに基づいて、現在の運転領域が、図２のマップのいずれの燃焼領域に該当するかを判定する。
判定の結果、圧縮着火燃焼領域の場合は、Ｓ３へ進み、有効圧縮比を増大させつつ、圧縮着火燃焼を行わせる。

火花点火燃焼領域の場合は、Ｓ４へ進み、有効圧縮比を低下させつつ、火花点火燃焼を行わせる。
その一方、運転領域が圧縮着火燃焼領域から火花点火燃焼領域へ変化した場合、すなわち、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換時は、Ｓ５へ進み、ノック回避のため、本発明に係る燃焼切換制御（図４）を実行する。

図４は、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への燃焼切換制御のフローチャートであり、図３のＳ５にて実行される。
Ｓ１１では、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換えに先立って、電制スロットル弁をＷＯＴ状態（全開状態）からやや絞る。これに伴って、空燃比もリーン状態（Ａ／Ｆ＝３０程度）からややリッチ化する。

Ｓ１２では、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換えと同時に、電制スロットル弁をステップ的に絞る。
同時に、空燃比をステップ的にリッチ化する。

ここでのリッチ化空燃比の基本値は、エンジン回転数及び／又は負荷に応じて設定する。具体的には、エンジン回転数が高いほど、ノックが厳しくなるので、図５（Ａ）に示すように、エンジン回転数が高くなるほど、リッチ化空燃比の基本値をよりリッチな値とする。また、エンジン負荷が高くなるほど、ノックが厳しくなるので、図５（Ｂ）に示すように、エンジン負荷が高くなるほど、リッチ化空燃比の基本値をよりリッチな値とする。

そして、目標とするリッチ化空燃比を得るように、燃料噴射量をフィードバック制御する。
また、空燃比のリッチ化と同時に、外部ＥＧＲをステップ的に導入する。具体的には、ノック回避のため予め設定してある目標ＥＧＲ率を得るように、ＥＧＲ制御弁を開く。

尚、目標ＥＧＲ率は、一定値としてもよいが、リッチ化空燃比の基本値と同様、エンジン回転数及び／又は負荷に応じて、ノックが厳しい条件ほど、大きくするように設定してもよい。

こうして、ＥＧＲの実施（増量を含む）と、空燃比のリッチ化とで、ノックを回避する。しかし、ＥＧＲには遅れがあることから、ＥＧＲの時間遅れの間も、ノックを確実に回避する対策が必要である。このため、以下のように制御する。

Ｓ１３では、実際のＥＧＲ率（実ＥＧＲ率）を推定する。そして、Ｓ１４では、目標ＥＧＲ率に対する実ＥＧＲ率の乖離量（＝目標ＥＧＲ率−実ＥＧＲ率）を算出する。
目標ＥＧＲ率に対し、時間遅れをもって実ＥＧＲ率が変化するため、予め、目標ＥＧＲ率とＥＧＲ開始からの経過時間とをパラメータとして、実ＥＧＲ率（あるいは目標ＥＧＲ率に対する乖離量）の特性をモデル化しておけば、実ＥＧＲ率（あるいは目標ＥＧＲ率に対する乖離量）を推定することは容易である。

この他、ＥＧＲ制御弁の開度（ステップ数）とエアフローメータにより検出される吸入空気量と時間とから実ＥＧＲ率を推定するようにしてもよいし、更に、ＥＧＲ通路のＥＧＲ制御弁下流側に温度センサを設け、その温度変化を考慮して、実ＥＧＲ率を推定するようにしてもよい。

Ｓ１５では、目標ＥＧＲ率からの乖離量に応じて空燃比を更にリッチ化する。すなわち、リッチ化空燃比の補正値を、目標ＥＧＲ率に対する実ＥＧＲ率の乖離量に応じ、乖離量が大きいほど、よりリッチ化するように設定する。

具体的には、図６に示すように、目標ＥＧＲ率に対する実ＥＧＲ率の乖離量が大きいほど、ノックが厳しくなるので、乖離量が大きいほど、よりリッチ化するように、リッチ化空燃比の補正値をマイナス側に大きくする。

尚、補正後リッチ化空燃比＝リッチ化空燃比基本値＋補正値となり、補正値がマイナス側に大きい程、補正後リッチ化空燃比は小さくなる（よりリッチ側となる）。
Ｓ１６では、空燃比リッチ化後の排気浄化触媒の酸素ストレージ量の変化を推定するため、排気浄化触媒の酸素ストレージ量を演算する。

空燃比リッチ化前の圧縮着火燃焼はリーン状態で行われるため、このときの酸素ストレージ量は最大値の状態である。空燃比リッチ後は、リッチ化空燃比と排気流量（＝吸入空気量）とエンジン回転数（又は経過時間）とに応じて、酸素ストレージ量は次第に減少していく。従って、これらに基づいて、酸素ストレージ量を推定（算出）可能である。

Ｓ１７では、Ｓ１６で算出した触媒内の酸素ストレージ量が所定値ＳＬ以下となったかを判定することにより、触媒内の酸素ストレージバランスがリーン状態から回復したか否かを判定する。

この判定がＮＯであれば、Ｓ１３〜Ｓ１７の処理を繰り返し実行し、目標ＥＧＲ率に対する実ＥＧＲ量の乖離量に応じて、リッチ化空燃比の補正値を設定しつつ、空燃比リッチ化の程度を補正する。

従って、ＥＧＲの応答遅れが解消されると、乖離量の減少に応じて、リッチ化が低減され、ＥＧＲと、空燃比のリッチ化とで、ノックが回避されるようになる。
Ｓ１７での判定がＹＥＳとなると、Ｓ１８へ進み、空燃比をリッチ状態から徐々にストイキ（Ａ／Ｆ＝１４．７）に戻し、切換時の制御を終了する。

尚、図４のフローチャートでは、空燃比をリッチ化する際は、最初にＳ４で基本値までリッチ化し、その後、実ＥＧＲ率を考慮して、空燃比を更にリッチ化するような流れになっているが、実際には、最初にＳ４でリッチ化するときから、予めＥＧＲ率は０として、その分の補正値を上乗せした形で、空燃比をリッチ化し、その後に、実ＥＧＲ率の上昇と共に、空燃比のリッチ化を低減するのがよい。

図７は、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への燃焼切換制御のタイムチャートである。
これによって説明すると、火花点火燃焼への切換えに先立つ時点ａで、スロットル弁をＷＯＴ状態からやや絞る。これに伴って、空燃比もリーン状態ではあるがややリッチ化する。

そして、火花点火燃焼への切換えと同時に、時点ｂで、スロットル弁をステップ的に絞り、また、空燃比をステップ的にリッチ化し、また、外部ＥＧＲを実施する。
このとき、外部ＥＧＲの時間遅れ（図示の遅れ分）を生じるが、その分を、リッチ化空燃比の補正値（図示の補正分）として、リッチ化空燃比の基本値（図示の基本分）に上乗せして、空燃比をリッチ化することにより、ＥＧＲの応答遅れ分を空燃比のリッチ化分で補って、ノックを回避することができる。

ＥＧＲの応答遅れが解消すると、乖離量の減少に応じて、リッチ化空燃比の補正値は小さくなり、最終的には基本値のみで空燃比がリッチ化されるようになる。
その後、時点ｃで、触媒内の酸素ストレージ量が所定値ＳＬ以下となって、触媒内の酸素ストレージバランスがリーン状態から回復すると、空燃比を徐々にストイキに戻す。すなわち、触媒のＮＯｘ浄化効率が向上した後に、ストイキに戻すのである。

以上説明したように、本実施形態によれば、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換時に、ＥＧＲを実施すると共に、空燃比をリッチ化し、このときに、ＥＧＲ率推定手段により推定される実際のＥＧＲ率に応じて、空燃比リッチ化の度合を補正することにより、ＥＧＲの時間遅れにより、ＥＧＲ率が不足しても、その分、空燃比のリッチ化の度合を大きくすることで、ノック抑制効果を維持でき、ノックを確実に回避して、燃焼安定性を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、リッチ化空燃比の基本値は、エンジン回転数及び／又は負荷に応じて設定することにより、ノックが厳しくなる高回転時や高負荷時に適切に対処することができる。

また、本実施形態によれば、リッチ化空燃比の補正値は、目標ＥＧＲ率に対する実際のＥＧＲ率の乖離量に応じ、乖離量が大きいほど、よりリッチ化するように設定することにより、ＥＧＲの遅れに対し、過不足無く対処することができる。

また、本実施形態によれば、圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換時に、ＥＧＲの実施、及び、空燃比のリッチ化と共に、スロットル弁により吸気を絞ることにより、ノック抑制効果をより増大させることができる。

また、本実施形態によれば、空燃比リッチ化後の排気浄化触媒の酸素ストレージ量の変化を推定する手段を有し、酸素ストレージ量の減少により、空燃比を徐々にストイキに戻すことにより、排気浄化触媒でのＮＯｘ転換効率が向上するまで、リッチ状態を継続して、触媒のＮＯｘ転換効率の回復を早めることができる。

本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図 圧縮着火燃焼領域と火花点火燃焼領域の説明図 燃焼切換制御のメインフローチャート 圧縮着火→火花点火の燃焼切換制御のフローチャート リッチ化空燃比の基本値の説明図 リッチ化空燃比の補正値の説明図 圧縮着火→火花点火の燃焼切換制御のタイムチャート

符号の説明

４ 燃焼室
５ 吸気弁
７ 排気弁
９、１０ 可変動弁装置
１１ 燃料噴射弁
１２ 点火プラグ
１３ 吸気通路
１４ 電制スロットル弁
１５ 排気通路
１６ ＥＧＲ通路
１７ ＥＧＲ制御弁
１８ 排気浄化触媒
１９ ＥＣＵ
２０ エアフローメータ
２１ 空燃比センサ

Claims (5)

1. 機関運転条件に応じて、火花点火燃焼と、圧縮着火燃焼とを切換える内燃機関の燃焼制御装置において、
   圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換時に、排気の一部を吸気系に還流するＥＧＲを実施すると共に、空燃比をリッチ化し、
   このときに、ＥＧＲ率推定手段により推定される実際のＥＧＲ率に応じて、空燃比リッチ化の度合を補正することを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
2. リッチ化空燃比の基本値は、機関回転数及び／又は負荷に応じて設定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃焼制御装置。
3. リッチ化空燃比の補正値は、目標ＥＧＲ率に対する実際のＥＧＲ率の乖離量に応じ、乖離量が大きいほど、よりリッチ化するように設定することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の燃焼制御装置。
4. 圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切換時に、ＥＧＲの実施、及び、空燃比のリッチ化と共に、スロットル弁により吸気を絞ることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
5. 空燃比リッチ化後の排気浄化触媒の酸素ストレージ量の変化を推定する手段を有し、酸素ストレージ量の減少により、空燃比を徐々にストイキに戻すことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。

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