JP2009197652A - ガソリンエンジンの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】予混合圧縮着火を実施するガソリンエンジンにおいて、ターボ過給機により過給していると、予混合圧縮着火から火花点火に切り替える場合、ノックやプレイグニッションを生じる場合があった。
【解決手段】ターボ過給機と可変動弁装置とを備えて、運転領域に応じて予混合圧縮着火と火花点火とを切り替えて実施するガソリンエンジンにおいて、過給圧の低下を抑制しながら過給圧調整手段を制御して予混合圧縮着火を実施し、負のオーバーラップ期間を多くとも予混合圧縮着火の場合より短く形成して火花点火を実施するようにガソリンエンジンの運転を制御するものであって、予混合圧縮着火による運転領域から火花点火による運転領域に移る場合は、負のオーバーラップ期間を短縮し、吸気圧センサにより検出した吸気圧に基づいてノックの発生を抑制し得る過給圧の範囲内で過給圧を低下させるように過給圧調整手段を制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、運転領域に応じて予混合圧縮着火と火花点火とを切り替えて実施するガソリンエンジンの運転方法に関するものである。

従来、点火プラグにより混合気に着火する火花点火と、点火プラグを使用することなくガソリン及び空気の混合気を圧縮して着火する予混合圧縮着火とを、運転状態に応じて実施するガソリンエンジンが知られている。この種のガソリンエンジンにおいて、予混合圧縮着火を実施し得る運転領域を拡大するために、排気エネルギを利用して吸入空気を過給するターボ過給機を備えるものも、例えば特許文献１や特許文献２により知られている。

このようなターボ過給機を備えるガソリンエンジンでは、高負荷時にターボ過給機により過給して、シリンダ内の吸入空気と内部ＥＧＲ（排気ガス再還流）による高温ガスとを増加させることにより、燃焼時の圧力上昇率が抑制されて、予混合圧縮着火を実施し得る運転領域を高負荷側に拡大できるものである。
特開２００３-１０６１７８ 特開２００３-３４３３１２

ところで、このようなターボ過給機を搭載するエンジンにおいては、予混合圧縮着火から火花点火へと点火方式を切り替える際に、ターボ過給機を適正に制御しないと、不具合が発生することがある。予混合圧縮着火を実施している運転領域の上限の領域では、過給圧が高くなっている。そのように過給圧が高くなっている運転状態のままで火花点火を実施しようとすると、火花点火を実施する場合の吸気圧とみなすと、その時の過給圧が過剰に高いためにノックやプレイグニッション（過早着火）が発生することがある。あるいは、過給による新鮮な空気が大量になり、内部ＥＧＲが少ない運転領域では、内部ＥＧＲに含まれる可燃成分が減少することによって空燃比がリーンになり、失火する可能性が生じた。このため、特許文献１及び特許文献２においては言及されてはいないが、点火方式を切り替える場合には、上述の不具合に照らしてターボ過給機を制御する必要がある。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明のガソリンエンジンの運転制御方法は、ターボ過給機と、ターボ過給機による過給圧を調整する過給圧調整手段と、吸気圧を検出する吸気圧センサと、吸気弁と排気弁との開弁タイミングと閉弁タイミングとリフト量とを連続的に変更する可変動弁装置とを備え、運転領域に応じて予混合圧縮着火と火花点火とを切り替えて実施するガソリンエンジンにおいて、可変動弁装置により排気上死点近傍において排気弁と吸気弁との両方が閉じる負のオーバーラップ期間を形成し、かつ過給圧の低下を抑制しながら過給圧調整手段を制御して予混合圧縮着火を実施し、負のオーバーラップ期間を多くとも予混合圧縮着火の場合より短く形成して火花点火を実施するようにガソリンエンジンの運転を制御するガソリンエンジンの運転制御方法であって、予混合圧縮着火による運転領域から火花点火による運転領域に移る場合は、負のオーバーラップ期間を短縮し、吸気圧センサにより検出した吸気圧に基づいてノックの発生を抑制し得る過給圧の範囲内で過給圧を低下させるように過給圧調整手段を制御することを特徴とする。

このような構成によれば、過給圧調整手段を制御して、ターボ過給機による吸入空気の過給圧をノックの発生を抑制し得る過給圧の範囲内で低下させ、さらに吸気弁と排気弁との開弁タイミングと閉弁タイミングとリフト量とを、可変動弁装置により連続的に変更して負のオーバーラップ期間を短縮するので、ノックやプレイグニッションを抑制して同一負荷で予混合圧縮着火による運転領域から火花点火による運転領域に切り替えることが可能になる。また、トルクの変動を抑制することができ、車両に搭載した場合にはその乗り心地の低下を防止することが可能になる。しかも、過給圧を下げるので、ノックの発生を抑制することが可能になる。

失火やトルクショックの発生を回避するためには、過給圧制御手段をさらに、予混合圧縮着火による運転領域から火花点火による運転領域への移行時の所定期間において、火花点火を実施する場合に最適な排気弁の閉弁タイミングと吸気弁の開弁タイミングとリフト量とになるように制御し、吸気圧センサが検出した吸気圧に基づいてノックの発生を抑制し得る過給圧で、かつ失火を阻止し得る空燃比の範囲で過給圧を低下させるように制御することが好ましい。すなわち、移行時の所定期間において過給圧制御手段により過給圧を低下させることにより、吸入空気量が減少する。この結果、空燃比はリッチ側に変わり、失火を阻止し得るものとなる。

点火方式を切り替える際の予混合圧縮着火による運転時の失火を防止するためには、予混合圧縮着火による運転領域から火花点火による運転領域に移る場合において、予混合圧縮着火を実施している間は燃料の噴射量を増量することが好ましい。

本発明は、以上説明したような構成であり、過給圧調整手段を制御して、ターボ過給機による吸入空気の過給圧をノックの発生を抑制し得る過給圧の範囲内で低下させ、さらに吸気弁と排気弁との開弁タイミングと閉弁タイミングとリフト量とを、可変動弁装置により連続的に変更して負のオーバーラップ期間を短縮するので、同一負荷で予混合圧縮着火による運転領域から火花点火による運転領域に切り替えることができる。また、トルクの変動を抑制することができ、車両に搭載した場合にはその乗り心地の低下を防止することができる。しかも、過給圧を下げるので、ノックの発生を抑制することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

以下に説明するこの実施形態の内燃機関である火花点火式のガソリンエンジン（以下、エンジンと称する）ＥＧは、排気タービン式のターボ過給機１と吸気弁２及び排気弁３のバルブタイミング及びバルブリフト量を可変する可変動弁装置ＶＴとを備え、燃料であるガソリンをシリンダ内に直接噴射する方式のものである。そしてエンジンＥＧは、予混合圧縮着火を実施するために、圧縮比を通常の火花着火のみを実施するエンジンに比べて高くしてある。

このエンジンＥＧは、エアクリーナ４からターボ過給機１のコンプレッサ１ｃ及びインタークーラ５を介してサージタンク６に至る吸気通路７を備えている。また、このエンジンＥＧにあっては、アイドル運転時のエンジン回転数を制御するべく吸入空気量を制御するために、スロットル弁８を迂回するＩＳＣバイパス通路９が設けてあり、そのＩＳＣバイパス通路９に吸入空気量を制御するＩＳＣＶ（アイドル速度制御弁）１０が設けてある。さらに、アイドル運転時のエンジン回転数の制御を含んで、エンジンＥＧの運転は、電子制御装置ＥＣＵにより制御されるものである。なお、スロットル弁８は、いわゆる電子スロットル弁であり、アクセルペダルに機械的に連結されアクセルペダルの操作に連動して開閉するものではなく、後述する電子制御装置ＥＣＵからの駆動信号により、火花点火による運転ではアクセルペダルの操作量に対応して作動し、予混合圧縮着火による運転ではほぼ全開状態に保持されるものである。

ターボ過給機１自体は、この分野でよく知られたものを使用することができるもので、例えば過給圧を制御するために、タービン１ｔの上流と下流とを連通可能にする排気バイパス通路１ｂを備え、その排気バイパス通路１ｂを開閉する排気バイパス弁を構成するウェイストゲート１ｗ及びアクチュエータ１ａを備えるものが好ましい。ウェイストゲート１ｗは、アクチュエータ１ａにより開閉されるもので、アクチュエータ１ａには過給圧調整通路１２により過給圧と大気圧とが過給圧の調整に応じて印加し得るように構成してある。

過給圧調整通路１２は、その一端が吸気系を構成するエアクリーナ４に、その他端がスロットル弁８の下流のサージタンク６にそれぞれ接続されるとともに、その中間部から分岐してアクチュエータ１ａに接続してある。そして、開度調整弁である電磁式のＶＳＶ（バキュームスイッチングバルブ）１１を、過給圧調整通路１２の一端とアクチュエータ１ａへの分岐部との間に設け、このＶＳＶ１１を開閉することにより、アクチュエータ１ａに過給圧を印加するか、もしくは大気圧を印加するものである。この過給圧調整通路１２は、アクチュエータ１ａを制御するための空気が流通し得るものであればよいので、その通路内径はＩＳＣバイパス通路９に比較して小さく設定してある。したがって、ＶＳＶ１１を全開にした状態であっても、アイドル運転を制御する場合のような大量の空気がサージタンク６から外部に放出されたり、あるいはその逆に燃焼室に供給されることはない。

これに対して、ターボ過給機１のコンプレッサ１ｃ側においては、コンプレッサ１ｃを迂回する過給圧迂回機構１３が設けてある。この過給圧迂回機構１３は、コンプレッサ１ｃの上流と下流とを連通可能にする吸気バイパス通路１３ｂと、その吸気バイパス通路１３ｂを開閉する吸気バイパス弁たるＡＢＶ（エアバイパスバルブ）１３ｖとからなる。このＡＢＶ１３ｖは、電子制御装置ＥＣＵにより開閉制御されるもので、開くことにより圧力迂回路１３ｂによりコンプレッサ１ｃ上流とコンプレッサ１ｃ下流とが連通して、スロットル弁８とコンプレッサ１ｃとの間の吸気通路７の圧力を大気に解放して過給圧の制御するつまり過給圧を下げるものである。

可変動弁装置ＶＴは、可変バルブタイミング機構と可変バルブリフト機構とを備えるもので、電子制御装置ＥＣＵと協働して、吸気弁２と排気弁３とのそれぞれの開閉時期及びバルブリフト量を独立して制御できるものである。すなわち、電子制御装置ＥＣＵが出力する信号により、作動油が制御されて作動するものである可変バルブタイミング機構は、吸気弁２及び排気弁３を全開にする作動中心を進角及び遅角するとともに、吸気弁２及び排気弁３の作動角度を制御するものである。可変バルブタイミング機構は、火花着火の際には吸気弁２と排気弁３との開成期間が重なり合うように吸気弁２と排気弁３とを制御し、予混合圧縮着火の際には、排気行程から吸気行程に移行する間に、ピストンが排気上死点近傍に位置する所定期間、吸気弁２と排気弁３とを閉じるように制御する。以下の説明において、前述の所定期間を負のオーバーラップ期間と称する。可変バルブリフト機構は、吸気弁２のバルブリフト量と排気弁３のバルブリフト量とを独立して個別に調整するものである。

エンジンＥＧの運転を制御する電子制御装置ＥＣＵは、中央演算装置Ｅ１と、記憶装置Ｅ２と、入力インターフェースＥ３と、出力インターフェースＥ４とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。図２に示すように、電子制御装置ＥＣＵの入力インターフェースＥ３には、エンジン回転数を検出するための回転数センサ１５から出力される回転数信号ｂ、サージタンク６に取り付けられる吸気圧センサ１６から出力される吸気圧信号ｍ、可変バルブタイミング機構のタイミングセンサ１７から出力される吸気カム信号ｎ、アクセルペダルの操作量を検出するためのアクセルセンサ１８から出力される操作量信号ｄ、Ｏ₂ センサ１９から出力される電圧信号ｈ等が入力される。一方、出力インターフェースＥ４からは、燃焼室１４の天井に取り付けられるインジェクタ２０に対して燃料噴射信号ｆが、また火花着火の実施に際して点火プラグ２１に対して点火信号たる通電信号ｇが出力されるとともに、ＩＳＣＶ１０、ＶＳＶ１１、ＡＢＶ１３ｖなどが出力インターフェースに電気的に接続してある。

電子制御装置ＥＣＵには、エンジン回転数とアクセルペダルの操作量とに基づいて燃料噴射量や点火時期を制御する基本的なプログラムが格納してあると共に、運転領域に応じて予混合圧縮着火と火花点火とを切り替えて実施するように、可変動弁装置ＶＴにより排気上死点近傍において排気弁３と吸気弁２との両方が閉じる負のオーバーラップ期間を形成し、かつ過給圧の低下を抑制しながら過給圧調整手段を構成するＡＢＶ１３ｖ又はウェイストゲートバルブ１ｗを制御して予混合圧縮着火を実施し、負のオーバーラップ期間を多くとも予混合圧縮着火の場合より短く形成して火花点火を実施するように構成された制御プログラムが格納してある。そして、その制御プログラムはさらに、予混合圧縮着火による運転領域から火花点火による運転領域に移る場合は、負のオーバーラップ期間を短縮し、吸気圧センサ１６により検出した吸気圧に基づいてノックの発生を抑制し得る過給圧の範囲内で過給圧を低下させるようにＡＢＶ１３ｖを制御するように構成してある。

図３を交えて、この実施形態における点火方法を切り替える際の制御手順を説明する。なお、この切替制御を実行するにあたっては、予混合圧縮着火による運転（燃焼）と火花点火による運転（燃焼）とが同一トルクで両立することを前提としている。

まず、ステップＳ１において、アクセルセンサ１８から出力される操作量信号ｄに基づいてアクセルペダルの操作量を検出し、エンジン回転数ＮＥを回転数センサ１４から出力される回転数信号ｂに基づいて検出して、ガソリンエンジン１００の運転状態つまりどの運転領域において運転しているかを検出する。次に、ステップＳ２において、予混合圧縮着火の運転領域から火花点火の運転領域への移行か否かを判定する。すなわち、予混合圧縮着火は、エンジン回転数が中回転数で、かつスロットル開度（負荷）が中程度の運転領域に対して適用するものであり、高回転数高負荷運転領域にあっては点火プラグ２１による火花点火を実施する。

ステップＳ２において、予混合圧縮着火から火花点火へ運転領域が移行することを判定した場合は、ステップＳ３において、吸気弁２と排気弁３とを可変動弁装置ＶＴを制御して、負のオーバーラップ期間を短縮する。すなわち、可変動弁装置ＶＴは、排気弁３の閉じタイミングを遅くするとともに吸気バルブ２の開きタイミングを早くするものである。この負のオーバーラップ期間の短縮は、一度の制御で火花点火を実施する場合の期間にするものではなく、点火時期がくる毎に所定量だけ短くするものである。このように、徐々に負のオーバーラップ期間を短縮することにより、排気弁３と吸気弁２との開閉タイミングが短時間内に激変することを抑制し、シリンダの温度の急激な変化を抑制する。よって、内部ＥＧＲによる高温ガス（排気ガス）量の変化も漸減するものとなる。

ステップＳ４では、吸気圧センサ１６が出力する吸気圧信号ｍに基づいて、ノックの発生を抑制し得る過給圧の範囲内で過給圧を低下させる。すなわち、予混合圧縮着火による運転（燃焼）を実施している場合、ターボ過給機１により過給空気が供給されるもので、この結果、吸入吸気量が増加している。そして、ターボ過給機１のコンプレッサ１ｃにより吸入空気を圧縮することにより過給空気の温度が上昇してノックやプレイグニッションを起こしやすい運転状態になっているので、ＡＢＶ１３ｖを開いて過給空気を、圧力迂回路１ｂを介してコンプレッサ１ｃの上流に逃がして過給圧を低下させるものである。

ステップＳ５では、燃料を噴射して点火する。燃料は、過給圧により空燃比がリーンにならないよう、予混合圧縮着火による運転時より増量するものである。また、この場合、噴射する燃料量は、予混合圧縮着火による運転から切替制御を開始した時点に最も多く増量し、時間経過と共に増量する燃料量を減量するものである。一方、点火時期は、予混合圧縮着火による運転から切替制御を開始した時点に最も遅角させ、時間の経過と共に進角させるものである。そして、増量した燃料及び遅角した点火時期は、火花点火を実施するタイミングになった時点で、通常の火花点火における燃料量及び点火時期となるように制御するものである。

この後、ステップＳ６において、火花点火が可能なバルブタイミングになったか否かを判定する。バルブタイミングは、ステップＳ３において、負のオーバーラップ期間を短縮することにより、予混合圧縮着火を実施している場合に比較して、排気弁３の弁閉タイミングと吸気弁２の弁開タイミングが接近するように変化している。火花点火が可能なバルブタイミングとは、負のオーバーラップ期間が全くない状態か、もしくは負のオーバーラップ期間が予混合圧縮着火を実施している場合の負のオーバーラップ期間よりも短い期間である状態となるバルブタイミングを指すものである。

ステップＳ６において、火花点火可能なバルブタイミングでないと判定した場合は、ステップＳ３に戻り、再度負のオーバーラップ期間を短縮し、その後、ステップＳ４〜ステップＳ６を実行する。これに対して、火花点火可能なバルブタイミングであると判定した場合は、ステップＳ７において、通常の火花点火すなわち均質燃焼となる火花点火を実施する。

以上の構成において、エンジンＥＧは、設定された運転領域に対応する運転状態になった場合に、その運転領域の点火方式により運転されるものである。すなわち、例えば低中負荷、低中エンジン回転の運転領域では、予混合圧縮着火により運転し、それ以外の運転領域では火花点火に運転するものである。そして、予混合圧縮着火による運転領域にて運転している状態から、エンジン回転数を上昇させて火花点火による運転領域に移行した場合、点火方式を変更するために、ステップＳ１、ステップＳ２を実行し、移行の判定の後、ステップＳ３〜ステップＳ５を実行して、過給圧を低下させ、空燃比がリッチになるように増量し、かつ点火時期を遅角させる。この場合に、負のオーバーラップ期間を徐々に短縮するので、排気弁３及び吸気弁２のバルブタイミングは予混合圧縮着火におけるものから変化していく。そして、バルブタイミングが火花点火可能なタイミングになったことを判定すると（ステップＳ６にて「Ｙｅｓ」）、その時の運転状態に応じた通常の点火時期において火花点火を実施する。

このように、予混合圧縮着火による運転から火花点火による運転に切り替える場合に、負のオーバーラップ期間を短縮して過給圧を低下させることにより、ノック、プレイグニッションを起こすことを防止して、負荷が同一の状態で予混合圧縮着火による運転から火花点火による運転に切り替えることができる。しかも、切替期間中においては、空燃比がリーンにならないように燃料を増量して、失火の発生及び燃焼変動の増加によるトルク変動を抑制することができる。これにより、エンジンＥＧを車両に搭載した場合に、車両の乗り心地が低下することを防止することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

上述の実施形態においては、過給圧を低下させるのにＡＢＶ１３ｖを開くように制御したが、ＶＳＶ１１を閉じてウェイストゲートバルブ１ｗをほぼ全開にすることにより、過給圧の低下を制御するものであってもよい。あるいは、ＡＢＶ１３ｖ、ウェイストゲートバルブ１ｗを制御する代わりに、スロットルバルブ８をアクセルペダルの操作量に関係なく全閉にして、過給圧を実質的に低下させるものであってもよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の実施形態におけるガソリンエンジンの概略構成を示す構成説明図。 同実施形態の電気制御系の構成を示すブロック図。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。

符号の説明

１…ターボ過給機
１ａ…アクチュエータ
１ｗ…ウェイストゲートバルブ
２…吸気弁
３…排気弁
１１…ＶＳＶ
１２…過給圧調整通路
１３…過給圧迂回機構
１３ｂ…圧力迂回路
１３ｖ…ＡＢＶ
１６…吸気圧センサ
ＶＴ…可変動弁装置
ＥＣＵ…電子制御装置

Claims (3)

1. ターボ過給機と、ターボ過給機による過給圧を調整する過給圧調整手段と、吸気圧を検出する吸気圧センサと、吸気弁と排気弁との開弁タイミングと閉弁タイミングとリフト量とを連続的に変更する可変動弁装置とを備え、運転領域に応じて予混合圧縮着火と火花点火とを切り替えて実施するガソリンエンジンにおいて、可変動弁装置により排気上死点近傍において排気弁と吸気弁との両方が閉じる負のオーバーラップ期間を形成し、かつ過給圧の低下を抑制しながら過給圧調整手段を制御して予混合圧縮着火を実施し、負のオーバーラップ期間を多くとも予混合圧縮着火の場合より短く形成して火花点火を実施するようにガソリンエンジンの運転を制御するガソリンエンジンの運転制御方法であって、
   予混合圧縮着火による運転領域から火花点火による運転領域に移る場合は、
   負のオーバーラップ期間を短縮し、
   吸気圧センサにより検出した吸気圧に基づいてノックの発生を抑制し得る過給圧の範囲内で過給圧を低下させるように過給圧調整手段を制御するガソリンエンジンの運転制御方法。
2. 過給圧制御手段をさらに、予混合圧縮着火による運転領域から火花点火による運転領域への移行時の所定期間において、火花点火を実施する場合に最適な排気弁の閉弁タイミングと吸気弁の開弁タイミングとリフト量とになるように制御し、
   吸気圧センサが検出した吸気圧に基づいてノックの発生を抑制し得る過給圧で、かつ失火を阻止し得る空燃比の範囲で過給圧を低下させるように制御する請求項１記載のガソリンエンジンの運転制御方法。
3. 予混合圧縮着火による運転領域から火花点火による運転領域に移る場合において、予混合圧縮着火を実施している間は燃料の噴射量を増量する請求項１又は２記載のガソリンエンジンの運転制御方法。

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