内燃機関の制御装置
【課題】この発明は、内燃機関の制御装置に関し、６サイクル内燃機関におけるＨＣＣＩ燃焼の着火・燃焼時期を制御できる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】吸気行程、第１圧縮行程、第１膨張行程、第２圧縮行程、第２膨張行程、及び排気行程を順次実行する６サイクル内燃機関において、上記吸気行程から第１膨張行程までの間において火花点火によるＳＩ燃焼を実施し、上記ＳＩ燃焼により発生した既燃ガス中に追加燃料を噴射して、上記第２膨張行程までの間に圧縮自己着火によるＨＣＣＩ燃焼を実施する。また、検出した筒内圧に基づいてＨＣＣＩ燃焼時の燃焼割合が所定割合となる時期を算出し、その算出値が要求値と一致するように、算出値と要求値との比較値をＳＩ燃焼における火花点火時期にフィードバック補正する。
【解決手段】吸気行程、第１圧縮行程、第１膨張行程、第２圧縮行程、第２膨張行程、及び排気行程を順次実行する６サイクル内燃機関において、上記吸気行程から第１膨張行程までの間において火花点火によるＳＩ燃焼を実施し、上記ＳＩ燃焼により発生した既燃ガス中に追加燃料を噴射して、上記第２膨張行程までの間に圧縮自己着火によるＨＣＣＩ燃焼を実施する。また、検出した筒内圧に基づいてＨＣＣＩ燃焼時の燃焼割合が所定割合となる時期を算出し、その算出値が要求値と一致するように、算出値と要求値との比較値をＳＩ燃焼における火花点火時期にフィードバック補正する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、車両に搭載される６サイクル内燃機関の制御を実行するのに好適な内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に開示されるように、吸気行程→第１圧縮行程→第１膨張行程→第２圧縮行程→第２膨張行程→排気行程の計６行程で１回の燃焼周期を完了する６ストローク１サイクル（以下、６サイクルという。）の直噴式エンジンが知られている。また、本公報には、上記の吸気行程→第１圧縮行程→第１膨張行程を経て燃料をリーン空燃比でＳＩ（Spark Ignition）燃焼させる第１燃焼過程が開示されている。さらに、上記の第１燃焼過程で発生した既燃ガス中に追加燃料を噴射すると共に、上記の第２圧縮行程→第２膨張行程を経て上記の追加燃料をＨＣＣＩ（Homogeneous Charge Compression Ignition）燃焼させる第２燃焼過程が開示されている。このような構成によれば、ポンピングロスを伴う吸排気行程を１回ずつ行う間に、出力を発生する燃焼を２回行うことができるため、燃費性能の向上を図ることができる。また、第２燃焼過程において未燃ガスの再反応が促進されるため、排ガス性能を高めることができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３３６４３５号公報
【特許文献２】特開２００２−２７６４４２号公報
【特許文献３】特開２００５−１３９９８５号公報
【特許文献４】特開２００１−３５５４８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した第２燃焼過程のＨＣＣＩ燃焼では、燃料と空気との予混合気が第２圧縮行程を経て自己着火温度に達した各点において着火し燃焼する。しかし、この着火・燃焼時期は、外気温、燃焼室温度、残留ガス温度等の影響をうける。そのため、上記従来の内燃機関においては、ＨＣＣＩ燃焼において自己着火する着火・燃焼時期にばらつきが生じ、ノッキングや失火に伴う燃費性能や排ガス性能の低下を招く可能性がある。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、６サイクル内燃機関におけるＨＣＣＩ燃焼の着火・燃焼時期を制御できる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
吸気行程、第１圧縮行程、第１膨張行程、第２圧縮行程、第２膨張行程、及び排気行程を順次実行する６サイクル内燃機関と、
燃料を噴射する燃料噴射弁と、
噴射燃料に火花点火する点火プラグと、
筒内圧を検出する筒内圧センサと、
前記吸気行程から前記第１膨張行程までの間において、前記燃料噴射弁に燃料を噴射させた後前記点火プラグに火花点火させるＳＩ燃焼手段と、
前記ＳＩ燃焼手段により発生した既燃ガス中に追加燃料を噴射させて、その後、前記第２膨張行程までの間に該追加燃料を圧縮自己着火させるＨＣＣＩ燃焼手段と、
前記筒内圧に基づいて、ＨＣＣＩ燃焼時の燃焼割合が所定割合となる時期を算出する算出手段と、
ＨＣＣＩ燃焼時の燃焼割合が前記所定割合となる時期の要求値を取得する要求値取得手段と、
前記算出手段により算出された算出値が前記要求値と一致するように、該算出値と前記要求値との比較値を前記ＳＩ燃焼手段の火花点火時期にフィードバック補正するフィードバック補正手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
第１の発明によれば、筒内圧からＨＣＣＩ燃焼時の燃焼割合が所定割合となる燃焼時期を算出した算出値が要求値と一致するように、算出値と要求値との比較結果をＳＩ燃焼手段における火花点火時期にフィードバック補正することができる。ＳＩ燃焼手段における火花点火時期をフィードバック補正することで、第２圧縮行程開始温度を調整することができ、ＨＣＣＩ燃焼における着火・燃焼時期を制御することができる。
【０００８】
具体的には、算出値が要求値よりも大きい（即ち、算出された燃焼時期の方が遅い）場合には、ＳＩ燃焼における火花点火時期を遅角することで、その後、第２圧縮行程開始までの期間を短くすることができ、第２圧縮行程開始温度を高めることができる。第２圧縮行程開始温度を高めることで、追加燃料は多点で圧縮自己着火し易くなり、ＨＣＣＩ燃焼における燃焼時期を早めることができる。一方、算出値が要求値よりも小さい（即ち、算出された燃焼時期の方が早い）場合には、ＳＩ燃焼における火花点火時期を進角することで、その後、第２圧縮行程開始までの期間を長くすることができ、第２圧縮行程開始温度を低くすることができる。第２圧縮行程開始温度が低くすることで、追加燃料は圧縮自己着火し難くなり、ＨＣＣＩ燃焼における燃焼時期を遅らせることができる。このように、本発明によれば、算出値と要求値の比較結果を、ＳＩ燃焼における火花点火時期にフィードバックすることで、ＨＣＣＩ燃焼における着火・燃焼時期を最適に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。本実施の形態１のシステムは、車両に搭載される内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は複数の気筒を有しており、図１にはそのうちの一つの気筒の断面が示されている。各気筒に設けられたピストンは、クランク機構を介してクランクシャフトに接続されている。クランクシャフトの近傍には、クランク角度ＣＡを検出するクランク角センサ１２が設けられている。また、各気筒内には、燃焼室１４が形成されている。燃焼室１４内には、点火プラグ１６と筒内圧センサ１８と筒内噴射用のインジェクタ２０とが配置されている。また、燃焼室１４には、吸気通路２２と排気通路２４とが接続されている。
【００１０】
吸気通路２２の上流には、エアフロメータ２６が配置されている。エアフロメータ２６の下流には、スロットルバルブ２８が配置されている。スロットルバルブ２８の下流には、サージタンク３０が設けられている。また、吸気通路２２の下流端には、吸気通路２２を燃焼室１４に対して開閉する電磁駆動式の吸気バルブ３２が設けられている。
【００１１】
排気通路２４の上流端には、排気通路２４を燃焼室１４に対して開閉する電磁駆動式の排気バルブ３４が設けられている。さらに、排気バルブ３４の下流には排気浄化触媒（図示略）が設けられている。
【００１２】
本実施の形態のシステムはＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力側には、前述のクランク角センサ１２、筒内圧センサ１８、エアフロメータ２６等が接続されている。ＥＣＵ５０の出力側には、前述の点火プラグ１６、インジェクタ２０、電磁駆動式の吸気バルブ３２及び排気バルブ３４等が接続されている。また、ＥＣＵ５０は、クランク角度ＣＡに基づきエンジン回転数ＮＥを算出する。
【００１３】
また、ＥＣＵ５０は、点火プラグ１６、インジェクタ２０、電磁駆動式の吸気バルブ３２及び排気バルブ３４を制御することにより、ＳＩ（Spark Ignition）運転モードとＳＩ＋ＨＣＣＩ（Homogeneous Charge Compression Ignition）運転モードとを実現するための制御ルーチンを記憶している。ＳＩ運転モードでは、１サイクルを吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の４行程によって行う一般的な４ストローク１サイクル（以下、４サイクルという。）運転を実施する。一方、ＳＩ＋ＨＣＣＩ運転モードでは、詳細は後述するが、１サイクルの間に圧縮行程、膨張行程をそれぞれ２回ずつ行う６ストローク１サイクル（以下、６サイクルという。）運転を実施する。
【００１４】
本実施形態の６サイクル運転について詳説する。図２は、実施の形態１におけるＳＩ＋ＨＣＣＩ６サイクル運転における動作を示すタイムチャートである。本実施形態の６サイクル運転では、図２に示すとおり、（ａ）吸気行程、（ｂ）第１圧縮行程、（ｃ）第１膨張行程、（ｄ）第２圧縮行程、（ｅ）第２膨張行程、（ｆ）排気行程の６行程を順次実行することとしている。また、本実施形態の６サイクル運転では、層状燃焼を主体とした火花点火による第１燃焼過程と、均一燃焼を主体とした圧縮自己着火による第２燃焼過程との２つの燃焼過程を１サイクル内で行っている。
【００１５】
まず、第１燃焼過程では、（ａ）吸気行程から（ｃ）第１膨張行程までの間において、インジェクタ２０に燃料を噴射させた後、点火プラグ１６に火花点火させることで噴射燃料のＳＩ燃焼を実現している。具体的には、上述した第１燃焼過程では、図２に示すように、（ｂ）第１圧縮行程中においてインジェクタ２０に第１燃料噴射を実施させる。そして、第１燃料噴射後、（ｂ）第１圧縮行程の上死点直前に点火プラグ１６に火花点火を実施させる。その結果、噴射燃料がＳＩ燃焼し筒内圧が上昇することとなる。その後、（ｃ）第１膨張行程の後半にかけてＳＩ燃焼がおさまるに従い筒内圧は低下する。なお、第１燃料噴射は（ａ）吸気行程中に行うこととしても良く、火花点火は（ｃ）第１膨張行程で行うこととしても良い。
【００１６】
また、第２燃焼過程では、第１燃焼過程により発生した既燃ガス中に追加燃料を噴射させて、その後、（ｅ）第２膨張行程までの間に追加燃料を圧縮自己着火させることでＨＣＣＩ燃焼を実現している。具体的には、上述した第２燃焼過程では、図２に示すように、（ｃ）第１膨張行程中において追加燃料の噴射（以下、第２燃料噴射という。）を実施させる。その後、点火プラグ１６に火花点火を実施させることなく、（ｄ）第２圧縮行程を経て（ｅ）第２膨張行程までの間に、追加燃料及び未燃ガスを圧縮自己着火させる。その結果、追加燃料及び未燃燃料がＨＣＣＩ燃焼し筒内圧は大きく上昇する。その後、（ｅ）第２膨張行程の後半にかけてＨＣＣＩ燃焼がおさまるに従い筒内圧は低下する。なお、第２燃料噴射は（ｄ）第２圧縮行程中に行うこととしても良い。
【００１７】
ここで、上述した第１燃料噴射と第２燃料噴射における噴射燃料の総和量は、吸気行程で吸入された吸入空気量ＧＡに対して燃料噴射量の総和が制御（例えば、理論空燃比に制御）されている。本実施形態では、第１燃料噴射で１／２の量の燃料を噴射し(即ち、筒内当量比を０．５とし)、第２燃料噴射で残りの１／２の量の燃料を噴射し(即ち、筒内当量比を１．０とし)て、６サイクル運転を実施することとしている。このような噴射制御によれば、本実施形態の第１燃焼過程においては、燃料をリーン空燃比でＳＩ燃焼させることとなる。
【００１８】
［実施の形態１における特徴的制御］
ところで、上述した第２燃焼過程のＨＣＣＩ燃焼では、燃料と空気との予混合気が（ｄ）第２圧縮行程を経て自己着火温度に達した各点において自己着火し燃焼する。しかし、この着火・燃焼時期は、外気温、燃焼室温度、残留ガス温度等の影響をうける。そのため、上述したＳＩ＋ＨＣＣＩ６サイクル運転において、エンジン負荷とエンジン回転数とに対応する火花点火時期を定めた運転マップを用いてオープン制御するだけでは、特に過渡状態において着火・燃焼時期にばらつきが生じる。着火・燃焼時期のばらつきはノッキングや失火の原因となるため、燃費性能や排ガス性能の低下を招く可能性がある。そのため、ＨＣＣＩ燃焼における燃焼時期を最適に制御することが、燃費性能や排ガス性能の向上のために望ましい。
【００１９】
そこで、本実施形態のシステムでは、ＨＣＣＩ燃焼における燃焼時期を最適に制御するために、ＳＩ燃焼における火花点火時期をフィードバック（ＰＩＤ）制御により補正することとした。
【００２０】
より具体的な制御の概要について図３を用いて説明する。図３は、実施の形態１において用いられるフィードバック制御を説明するためのブロック図である。尚、図３に示す「エンジン６０」は図１の内燃機関１０（特に、燃焼室１４と点火プラグ１６を示す。）に、「筒内圧センサ６２」は図１の筒内圧センサ１８に対応している。
【００２１】
ＥＣＵ５０は、エンジン回転数ＮＥとエンジン負荷とに応じた基準火花点火時期を定めた運転マップ６４を記憶している。この運転マップ６４を用いたオープン制御により「基準火花点火時期６６」が選択される。その後、選択された「基準火花点火時期６６」に後述する「フィードバック補正値６８」を加えて「新たな火花点火時期７０」を定める。そして、内燃機関１０において上述した第１燃料噴射を実施した後、「新たな火花点火時期７０」に従って点火プラグ１６に火花点火させて噴射燃料をＳＩ燃焼させる。その後、上述した第２燃料噴射を実施した後、圧縮自己着火させて追加燃料と未燃ガスとをＨＣＣＩ燃焼させる。
【００２２】
ＨＣＣＩ燃焼による筒内圧の変化は、クランク角ＣＡに同期した筒内圧センサ１８により検出される。ＥＣＵ５０は、検出された筒内圧からＨＣＣＩ燃焼時の燃焼割合が所定割合（ここでは、５０％とする。）となる時期（以下、「ＨＣＣＩ燃焼時期算出値７２」という。）を算出する。
【００２３】
一方、ＥＣＵ５０は、ＨＣＣＩ燃焼時の燃焼割合が所定割合（ここでは、５０％とする。）となる時期の制御要求値（以下、「ＨＣＣＩ燃焼時期制御要求値７４」という。）を取得する。なお、ＥＣＵ５０は、エンジン回転数ＮＥやエンジン負荷等に応じたＨＣＣＩ燃焼時期制御要求値を定めた制御要求マップを記憶している。
【００２４】
そして、ＥＣＵ５０は、上述した「ＨＣＣＩ燃焼時期算出値７２」が「ＨＣＣＩ燃焼時期制御要求値７４」と一致するように、「ＨＣＣＩ燃焼時期算出値７２」と「ＨＣＣＩ燃焼時期制御要求値７４」との比較を行い、その誤差を「フィードバック補正値６８」として算出する。そして、次の「基準火花点火時期６６」に、算出した「フィードバック補正値６８」を加えて「新たな火花点火時期７０」とするフィードバック制御を実現する。その後、内燃機関１０は「新たな火花点火時期７０」に従って運転される。
【００２５】
図４は、上述の動作を実現するために、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。図４に示すルーチンでは、まず、ステップ１００において、ＥＣＵ５０は取得したエンジン回転数ＮＥとエンジン負荷とに基づいて、要求される運転領域がＳＩ４サイクル運転領域であるかＳＩ＋ＨＣＣＩ６サイクル運転領域であるかを判断する。ここで、ＥＣＵ５０は、エンジン回転数ＮＥとエンジン負荷とに応じてＳＩ４サイクル運転領域とＳＩ＋ＨＣＣＩ６サイクル運転領域とを定めた運転領域マップを記憶している。ＳＩ４サイクル運転領域にあると判断される場合には、ステップ１１０において、ＳＩ４サイクル運転を実施し、その後本ルーチンを終了する。
【００２６】
一方、上述したステップ１００において、ＳＩ＋ＨＣＣＩ６サイクル運転領域であると判断される場合には、次に、ステップ１２０において、上述の図２に示すＳＩ＋ＨＣＣＩ６サイクル運転を実施する。
【００２７】
続いて、ステップ１３０において、クランク角ＣＡに同期する筒内圧センサ１８によって各サイクルにおけるＨＣＣＩ燃焼時の筒内圧を検出する。そして、過去の筒内圧からＨＣＣＩ燃焼時の燃焼割合が５０％となる時期である上述の図３に示す「ＨＣＣＩ燃焼時期算出値７２」を算出する。
【００２８】
さらに、ステップ１４０において、上述の図３に示す「ＨＣＣＩ燃焼時期算出値７２」が、「ＨＣＣＩ燃焼時期制御要求値７４」と一致するように、「ＨＣＣＩ燃焼時期算出値７２」と「ＨＣＣＩ燃焼時期制御要求値７４」との誤差を、次の火花点火時期にフィードバック補正（ＰＩＤ制御）するための「フィードバック補正値６８」を算出する。そして、運転マップ６４を用いたオープン制御により定めた次の「基準火花点火時期６６」に、算出した「フィードバック補正値６８」を加えて、次のＳＩ燃焼における「新たな火花点火時期７０」を定めるフィードバック制御を実施する。
【００２９】
以上説明したように、図４に示すルーチンによれば、筒内圧から算出される「ＨＣＣＩ燃焼時期算出値７２」と、「ＨＣＣＩ燃焼時期制御要求値７４」とを一致させるように、その比較結果をＳＩ燃焼における火花点火時期にフィードバック補正することができる。図５は、ＳＩ燃焼における火花点火時期と第２圧縮行程開始温度（実線）とＨＣＣＩ５０％燃焼時期（破線）との関係を示す関係図である。本実施形態のシステムによれば、図５に示すように、ＳＩ燃焼における火花点火時期をフィードバック補正により進角・遅角することで、第２圧縮行程開始温度を調整することができ、その結果、ＨＣＣＩ燃焼における着火・燃焼時期を制御要求値と一致させるように制御することができる。
【００３０】
具体的には、「ＨＣＣＩ燃焼時期算出値７２」が「ＨＣＣＩ燃焼時期制御要求値７４」よりも大きい（即ち、算出された燃焼時期の方が遅い）場合には、図５に示すとおり、ＳＩ燃焼における火花点火時期を遅角させることで、その後、第２圧縮行程開始までの期間を短くすることができ、第２圧縮行程開始温度を高めることができる。第２圧縮行程開始温度を高めることで、追加燃料は多点で圧縮自己着火し易くなり、ＨＣＣＩ燃焼における燃焼時期を早めることができる。
【００３１】
一方、「ＨＣＣＩ燃焼時期算出値７２」が「ＨＣＣＩ燃焼時期制御要求値７４」よりも小さい（即ち、算出された燃焼時期の方が早い）場合には、図５に示すとおり、ＳＩ燃焼における火花点火時期を進角させることで、その後、第２圧縮行程開始までの期間を長くすることができ、第２圧縮行程開始温度を低くすることができる。第２圧縮行程開始温度を低くすることで、追加燃料は圧縮自己着火し難くなり、ＨＣＣＩ燃焼における燃焼時期を遅らせることができる。
【００３２】
このように、本実施形態のシステムによれば、６サイクル運転において、ＳＩ燃焼における火花点火時期をフィードバック制御することで、ＨＣＣＩ燃焼における着火・燃焼時期を制御要求値と一致させることができ、良好な燃費性能や排ガス性能を実現することができる。
【００３３】
尚、上述した実施の形態１においては、インジェクタ２０が前記第１の発明における「燃料噴射弁」に、点火プラグ１６が前記第１の発明における「点火プラグ」に、筒内圧センサ１８が前記第１の発明における「筒内圧センサ」に、それぞれ相当している。
また、ここでは、ＥＣＵ５０が、上記第１燃焼過程を実施することにより前記第１の発明における「ＳＩ燃焼手段」が、上記第２燃焼過程を実施することにより前記第１の発明における「ＨＣＣＩ燃焼手段」が、上記ステップ１３０の処理を実行することにより前記第１の発明における「算出手段」が、上記ステップ１４０の処理を実行することにより前記第１の発明における「要求値取得手段」と「フィードバック補正手段」とが、それぞれ実現されている。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。
【図２】実施の形態１におけるＳＩ＋ＨＣＣＩ６サイクル運転における動作を示すタイムチャートである。
【図３】実施の形態１において用いられるフィードバック制御を説明するためのブロック図である。
【図４】実施の形態１においてＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。
【図５】実施の形態１における、ＳＩ燃焼の火花点火時期と第２圧縮行程開始温度とＨＣＣＩ５０％燃焼時期との関係を示す関係図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０ 内燃機関
１２ クランク角センサ
１６ 点火プラグ
１８ 筒内圧センサ
２０ インジェクタ
２２、２４ 吸気通路、排気通路
３２、３４ 吸気バルブ、排気バルブ
５０ ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、車両に搭載される６サイクル内燃機関の制御を実行するのに好適な内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に開示されるように、吸気行程→第１圧縮行程→第１膨張行程→第２圧縮行程→第２膨張行程→排気行程の計６行程で１回の燃焼周期を完了する６ストローク１サイクル（以下、６サイクルという。）の直噴式エンジンが知られている。また、本公報には、上記の吸気行程→第１圧縮行程→第１膨張行程を経て燃料をリーン空燃比でＳＩ（Spark Ignition）燃焼させる第１燃焼過程が開示されている。さらに、上記の第１燃焼過程で発生した既燃ガス中に追加燃料を噴射すると共に、上記の第２圧縮行程→第２膨張行程を経て上記の追加燃料をＨＣＣＩ（Homogeneous Charge Compression Ignition）燃焼させる第２燃焼過程が開示されている。このような構成によれば、ポンピングロスを伴う吸排気行程を１回ずつ行う間に、出力を発生する燃焼を２回行うことができるため、燃費性能の向上を図ることができる。また、第２燃焼過程において未燃ガスの再反応が促進されるため、排ガス性能を高めることができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３３６４３５号公報
【特許文献２】特開２００２−２７６４４２号公報
【特許文献３】特開２００５−１３９９８５号公報
【特許文献４】特開２００１−３５５４８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した第２燃焼過程のＨＣＣＩ燃焼では、燃料と空気との予混合気が第２圧縮行程を経て自己着火温度に達した各点において着火し燃焼する。しかし、この着火・燃焼時期は、外気温、燃焼室温度、残留ガス温度等の影響をうける。そのため、上記従来の内燃機関においては、ＨＣＣＩ燃焼において自己着火する着火・燃焼時期にばらつきが生じ、ノッキングや失火に伴う燃費性能や排ガス性能の低下を招く可能性がある。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、６サイクル内燃機関におけるＨＣＣＩ燃焼の着火・燃焼時期を制御できる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
吸気行程、第１圧縮行程、第１膨張行程、第２圧縮行程、第２膨張行程、及び排気行程を順次実行する６サイクル内燃機関と、
燃料を噴射する燃料噴射弁と、
噴射燃料に火花点火する点火プラグと、
筒内圧を検出する筒内圧センサと、
前記吸気行程から前記第１膨張行程までの間において、前記燃料噴射弁に燃料を噴射させた後前記点火プラグに火花点火させるＳＩ燃焼手段と、
前記ＳＩ燃焼手段により発生した既燃ガス中に追加燃料を噴射させて、その後、前記第２膨張行程までの間に該追加燃料を圧縮自己着火させるＨＣＣＩ燃焼手段と、
前記筒内圧に基づいて、ＨＣＣＩ燃焼時の燃焼割合が所定割合となる時期を算出する算出手段と、
ＨＣＣＩ燃焼時の燃焼割合が前記所定割合となる時期の要求値を取得する要求値取得手段と、
前記算出手段により算出された算出値が前記要求値と一致するように、該算出値と前記要求値との比較値を前記ＳＩ燃焼手段の火花点火時期にフィードバック補正するフィードバック補正手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
第１の発明によれば、筒内圧からＨＣＣＩ燃焼時の燃焼割合が所定割合となる燃焼時期を算出した算出値が要求値と一致するように、算出値と要求値との比較結果をＳＩ燃焼手段における火花点火時期にフィードバック補正することができる。ＳＩ燃焼手段における火花点火時期をフィードバック補正することで、第２圧縮行程開始温度を調整することができ、ＨＣＣＩ燃焼における着火・燃焼時期を制御することができる。
【０００８】
具体的には、算出値が要求値よりも大きい（即ち、算出された燃焼時期の方が遅い）場合には、ＳＩ燃焼における火花点火時期を遅角することで、その後、第２圧縮行程開始までの期間を短くすることができ、第２圧縮行程開始温度を高めることができる。第２圧縮行程開始温度を高めることで、追加燃料は多点で圧縮自己着火し易くなり、ＨＣＣＩ燃焼における燃焼時期を早めることができる。一方、算出値が要求値よりも小さい（即ち、算出された燃焼時期の方が早い）場合には、ＳＩ燃焼における火花点火時期を進角することで、その後、第２圧縮行程開始までの期間を長くすることができ、第２圧縮行程開始温度を低くすることができる。第２圧縮行程開始温度が低くすることで、追加燃料は圧縮自己着火し難くなり、ＨＣＣＩ燃焼における燃焼時期を遅らせることができる。このように、本発明によれば、算出値と要求値の比較結果を、ＳＩ燃焼における火花点火時期にフィードバックすることで、ＨＣＣＩ燃焼における着火・燃焼時期を最適に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。本実施の形態１のシステムは、車両に搭載される内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は複数の気筒を有しており、図１にはそのうちの一つの気筒の断面が示されている。各気筒に設けられたピストンは、クランク機構を介してクランクシャフトに接続されている。クランクシャフトの近傍には、クランク角度ＣＡを検出するクランク角センサ１２が設けられている。また、各気筒内には、燃焼室１４が形成されている。燃焼室１４内には、点火プラグ１６と筒内圧センサ１８と筒内噴射用のインジェクタ２０とが配置されている。また、燃焼室１４には、吸気通路２２と排気通路２４とが接続されている。
【００１０】
吸気通路２２の上流には、エアフロメータ２６が配置されている。エアフロメータ２６の下流には、スロットルバルブ２８が配置されている。スロットルバルブ２８の下流には、サージタンク３０が設けられている。また、吸気通路２２の下流端には、吸気通路２２を燃焼室１４に対して開閉する電磁駆動式の吸気バルブ３２が設けられている。
【００１１】
排気通路２４の上流端には、排気通路２４を燃焼室１４に対して開閉する電磁駆動式の排気バルブ３４が設けられている。さらに、排気バルブ３４の下流には排気浄化触媒（図示略）が設けられている。
【００１２】
本実施の形態のシステムはＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力側には、前述のクランク角センサ１２、筒内圧センサ１８、エアフロメータ２６等が接続されている。ＥＣＵ５０の出力側には、前述の点火プラグ１６、インジェクタ２０、電磁駆動式の吸気バルブ３２及び排気バルブ３４等が接続されている。また、ＥＣＵ５０は、クランク角度ＣＡに基づきエンジン回転数ＮＥを算出する。
【００１３】
また、ＥＣＵ５０は、点火プラグ１６、インジェクタ２０、電磁駆動式の吸気バルブ３２及び排気バルブ３４を制御することにより、ＳＩ（Spark Ignition）運転モードとＳＩ＋ＨＣＣＩ（Homogeneous Charge Compression Ignition）運転モードとを実現するための制御ルーチンを記憶している。ＳＩ運転モードでは、１サイクルを吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の４行程によって行う一般的な４ストローク１サイクル（以下、４サイクルという。）運転を実施する。一方、ＳＩ＋ＨＣＣＩ運転モードでは、詳細は後述するが、１サイクルの間に圧縮行程、膨張行程をそれぞれ２回ずつ行う６ストローク１サイクル（以下、６サイクルという。）運転を実施する。
【００１４】
本実施形態の６サイクル運転について詳説する。図２は、実施の形態１におけるＳＩ＋ＨＣＣＩ６サイクル運転における動作を示すタイムチャートである。本実施形態の６サイクル運転では、図２に示すとおり、（ａ）吸気行程、（ｂ）第１圧縮行程、（ｃ）第１膨張行程、（ｄ）第２圧縮行程、（ｅ）第２膨張行程、（ｆ）排気行程の６行程を順次実行することとしている。また、本実施形態の６サイクル運転では、層状燃焼を主体とした火花点火による第１燃焼過程と、均一燃焼を主体とした圧縮自己着火による第２燃焼過程との２つの燃焼過程を１サイクル内で行っている。
【００１５】
まず、第１燃焼過程では、（ａ）吸気行程から（ｃ）第１膨張行程までの間において、インジェクタ２０に燃料を噴射させた後、点火プラグ１６に火花点火させることで噴射燃料のＳＩ燃焼を実現している。具体的には、上述した第１燃焼過程では、図２に示すように、（ｂ）第１圧縮行程中においてインジェクタ２０に第１燃料噴射を実施させる。そして、第１燃料噴射後、（ｂ）第１圧縮行程の上死点直前に点火プラグ１６に火花点火を実施させる。その結果、噴射燃料がＳＩ燃焼し筒内圧が上昇することとなる。その後、（ｃ）第１膨張行程の後半にかけてＳＩ燃焼がおさまるに従い筒内圧は低下する。なお、第１燃料噴射は（ａ）吸気行程中に行うこととしても良く、火花点火は（ｃ）第１膨張行程で行うこととしても良い。
【００１６】
また、第２燃焼過程では、第１燃焼過程により発生した既燃ガス中に追加燃料を噴射させて、その後、（ｅ）第２膨張行程までの間に追加燃料を圧縮自己着火させることでＨＣＣＩ燃焼を実現している。具体的には、上述した第２燃焼過程では、図２に示すように、（ｃ）第１膨張行程中において追加燃料の噴射（以下、第２燃料噴射という。）を実施させる。その後、点火プラグ１６に火花点火を実施させることなく、（ｄ）第２圧縮行程を経て（ｅ）第２膨張行程までの間に、追加燃料及び未燃ガスを圧縮自己着火させる。その結果、追加燃料及び未燃燃料がＨＣＣＩ燃焼し筒内圧は大きく上昇する。その後、（ｅ）第２膨張行程の後半にかけてＨＣＣＩ燃焼がおさまるに従い筒内圧は低下する。なお、第２燃料噴射は（ｄ）第２圧縮行程中に行うこととしても良い。
【００１７】
ここで、上述した第１燃料噴射と第２燃料噴射における噴射燃料の総和量は、吸気行程で吸入された吸入空気量ＧＡに対して燃料噴射量の総和が制御（例えば、理論空燃比に制御）されている。本実施形態では、第１燃料噴射で１／２の量の燃料を噴射し(即ち、筒内当量比を０．５とし)、第２燃料噴射で残りの１／２の量の燃料を噴射し(即ち、筒内当量比を１．０とし)て、６サイクル運転を実施することとしている。このような噴射制御によれば、本実施形態の第１燃焼過程においては、燃料をリーン空燃比でＳＩ燃焼させることとなる。
【００１８】
［実施の形態１における特徴的制御］
ところで、上述した第２燃焼過程のＨＣＣＩ燃焼では、燃料と空気との予混合気が（ｄ）第２圧縮行程を経て自己着火温度に達した各点において自己着火し燃焼する。しかし、この着火・燃焼時期は、外気温、燃焼室温度、残留ガス温度等の影響をうける。そのため、上述したＳＩ＋ＨＣＣＩ６サイクル運転において、エンジン負荷とエンジン回転数とに対応する火花点火時期を定めた運転マップを用いてオープン制御するだけでは、特に過渡状態において着火・燃焼時期にばらつきが生じる。着火・燃焼時期のばらつきはノッキングや失火の原因となるため、燃費性能や排ガス性能の低下を招く可能性がある。そのため、ＨＣＣＩ燃焼における燃焼時期を最適に制御することが、燃費性能や排ガス性能の向上のために望ましい。
【００１９】
そこで、本実施形態のシステムでは、ＨＣＣＩ燃焼における燃焼時期を最適に制御するために、ＳＩ燃焼における火花点火時期をフィードバック（ＰＩＤ）制御により補正することとした。
【００２０】
より具体的な制御の概要について図３を用いて説明する。図３は、実施の形態１において用いられるフィードバック制御を説明するためのブロック図である。尚、図３に示す「エンジン６０」は図１の内燃機関１０（特に、燃焼室１４と点火プラグ１６を示す。）に、「筒内圧センサ６２」は図１の筒内圧センサ１８に対応している。
【００２１】
ＥＣＵ５０は、エンジン回転数ＮＥとエンジン負荷とに応じた基準火花点火時期を定めた運転マップ６４を記憶している。この運転マップ６４を用いたオープン制御により「基準火花点火時期６６」が選択される。その後、選択された「基準火花点火時期６６」に後述する「フィードバック補正値６８」を加えて「新たな火花点火時期７０」を定める。そして、内燃機関１０において上述した第１燃料噴射を実施した後、「新たな火花点火時期７０」に従って点火プラグ１６に火花点火させて噴射燃料をＳＩ燃焼させる。その後、上述した第２燃料噴射を実施した後、圧縮自己着火させて追加燃料と未燃ガスとをＨＣＣＩ燃焼させる。
【００２２】
ＨＣＣＩ燃焼による筒内圧の変化は、クランク角ＣＡに同期した筒内圧センサ１８により検出される。ＥＣＵ５０は、検出された筒内圧からＨＣＣＩ燃焼時の燃焼割合が所定割合（ここでは、５０％とする。）となる時期（以下、「ＨＣＣＩ燃焼時期算出値７２」という。）を算出する。
【００２３】
一方、ＥＣＵ５０は、ＨＣＣＩ燃焼時の燃焼割合が所定割合（ここでは、５０％とする。）となる時期の制御要求値（以下、「ＨＣＣＩ燃焼時期制御要求値７４」という。）を取得する。なお、ＥＣＵ５０は、エンジン回転数ＮＥやエンジン負荷等に応じたＨＣＣＩ燃焼時期制御要求値を定めた制御要求マップを記憶している。
【００２４】
そして、ＥＣＵ５０は、上述した「ＨＣＣＩ燃焼時期算出値７２」が「ＨＣＣＩ燃焼時期制御要求値７４」と一致するように、「ＨＣＣＩ燃焼時期算出値７２」と「ＨＣＣＩ燃焼時期制御要求値７４」との比較を行い、その誤差を「フィードバック補正値６８」として算出する。そして、次の「基準火花点火時期６６」に、算出した「フィードバック補正値６８」を加えて「新たな火花点火時期７０」とするフィードバック制御を実現する。その後、内燃機関１０は「新たな火花点火時期７０」に従って運転される。
【００２５】
図４は、上述の動作を実現するために、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。図４に示すルーチンでは、まず、ステップ１００において、ＥＣＵ５０は取得したエンジン回転数ＮＥとエンジン負荷とに基づいて、要求される運転領域がＳＩ４サイクル運転領域であるかＳＩ＋ＨＣＣＩ６サイクル運転領域であるかを判断する。ここで、ＥＣＵ５０は、エンジン回転数ＮＥとエンジン負荷とに応じてＳＩ４サイクル運転領域とＳＩ＋ＨＣＣＩ６サイクル運転領域とを定めた運転領域マップを記憶している。ＳＩ４サイクル運転領域にあると判断される場合には、ステップ１１０において、ＳＩ４サイクル運転を実施し、その後本ルーチンを終了する。
【００２６】
一方、上述したステップ１００において、ＳＩ＋ＨＣＣＩ６サイクル運転領域であると判断される場合には、次に、ステップ１２０において、上述の図２に示すＳＩ＋ＨＣＣＩ６サイクル運転を実施する。
【００２７】
続いて、ステップ１３０において、クランク角ＣＡに同期する筒内圧センサ１８によって各サイクルにおけるＨＣＣＩ燃焼時の筒内圧を検出する。そして、過去の筒内圧からＨＣＣＩ燃焼時の燃焼割合が５０％となる時期である上述の図３に示す「ＨＣＣＩ燃焼時期算出値７２」を算出する。
【００２８】
さらに、ステップ１４０において、上述の図３に示す「ＨＣＣＩ燃焼時期算出値７２」が、「ＨＣＣＩ燃焼時期制御要求値７４」と一致するように、「ＨＣＣＩ燃焼時期算出値７２」と「ＨＣＣＩ燃焼時期制御要求値７４」との誤差を、次の火花点火時期にフィードバック補正（ＰＩＤ制御）するための「フィードバック補正値６８」を算出する。そして、運転マップ６４を用いたオープン制御により定めた次の「基準火花点火時期６６」に、算出した「フィードバック補正値６８」を加えて、次のＳＩ燃焼における「新たな火花点火時期７０」を定めるフィードバック制御を実施する。
【００２９】
以上説明したように、図４に示すルーチンによれば、筒内圧から算出される「ＨＣＣＩ燃焼時期算出値７２」と、「ＨＣＣＩ燃焼時期制御要求値７４」とを一致させるように、その比較結果をＳＩ燃焼における火花点火時期にフィードバック補正することができる。図５は、ＳＩ燃焼における火花点火時期と第２圧縮行程開始温度（実線）とＨＣＣＩ５０％燃焼時期（破線）との関係を示す関係図である。本実施形態のシステムによれば、図５に示すように、ＳＩ燃焼における火花点火時期をフィードバック補正により進角・遅角することで、第２圧縮行程開始温度を調整することができ、その結果、ＨＣＣＩ燃焼における着火・燃焼時期を制御要求値と一致させるように制御することができる。
【００３０】
具体的には、「ＨＣＣＩ燃焼時期算出値７２」が「ＨＣＣＩ燃焼時期制御要求値７４」よりも大きい（即ち、算出された燃焼時期の方が遅い）場合には、図５に示すとおり、ＳＩ燃焼における火花点火時期を遅角させることで、その後、第２圧縮行程開始までの期間を短くすることができ、第２圧縮行程開始温度を高めることができる。第２圧縮行程開始温度を高めることで、追加燃料は多点で圧縮自己着火し易くなり、ＨＣＣＩ燃焼における燃焼時期を早めることができる。
【００３１】
一方、「ＨＣＣＩ燃焼時期算出値７２」が「ＨＣＣＩ燃焼時期制御要求値７４」よりも小さい（即ち、算出された燃焼時期の方が早い）場合には、図５に示すとおり、ＳＩ燃焼における火花点火時期を進角させることで、その後、第２圧縮行程開始までの期間を長くすることができ、第２圧縮行程開始温度を低くすることができる。第２圧縮行程開始温度を低くすることで、追加燃料は圧縮自己着火し難くなり、ＨＣＣＩ燃焼における燃焼時期を遅らせることができる。
【００３２】
このように、本実施形態のシステムによれば、６サイクル運転において、ＳＩ燃焼における火花点火時期をフィードバック制御することで、ＨＣＣＩ燃焼における着火・燃焼時期を制御要求値と一致させることができ、良好な燃費性能や排ガス性能を実現することができる。
【００３３】
尚、上述した実施の形態１においては、インジェクタ２０が前記第１の発明における「燃料噴射弁」に、点火プラグ１６が前記第１の発明における「点火プラグ」に、筒内圧センサ１８が前記第１の発明における「筒内圧センサ」に、それぞれ相当している。
また、ここでは、ＥＣＵ５０が、上記第１燃焼過程を実施することにより前記第１の発明における「ＳＩ燃焼手段」が、上記第２燃焼過程を実施することにより前記第１の発明における「ＨＣＣＩ燃焼手段」が、上記ステップ１３０の処理を実行することにより前記第１の発明における「算出手段」が、上記ステップ１４０の処理を実行することにより前記第１の発明における「要求値取得手段」と「フィードバック補正手段」とが、それぞれ実現されている。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。
【図２】実施の形態１におけるＳＩ＋ＨＣＣＩ６サイクル運転における動作を示すタイムチャートである。
【図３】実施の形態１において用いられるフィードバック制御を説明するためのブロック図である。
【図４】実施の形態１においてＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。
【図５】実施の形態１における、ＳＩ燃焼の火花点火時期と第２圧縮行程開始温度とＨＣＣＩ５０％燃焼時期との関係を示す関係図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０ 内燃機関
１２ クランク角センサ
１６ 点火プラグ
１８ 筒内圧センサ
２０ インジェクタ
２２、２４ 吸気通路、排気通路
３２、３４ 吸気バルブ、排気バルブ
５０ ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気行程、第１圧縮行程、第１膨張行程、第２圧縮行程、第２膨張行程、及び排気行程を順次実行する６サイクル内燃機関と、
燃料を噴射する燃料噴射弁と、
噴射燃料に火花点火する点火プラグと、
筒内圧を検出する筒内圧センサと、
前記吸気行程から前記第１膨張行程までの間において、前記燃料噴射弁に燃料を噴射させた後前記点火プラグに火花点火させるＳＩ燃焼手段と、
前記ＳＩ燃焼手段により発生した既燃ガス中に追加燃料を噴射させて、その後、前記第２膨張行程までの間に該追加燃料を圧縮自己着火させるＨＣＣＩ燃焼手段と、
前記筒内圧に基づいて、ＨＣＣＩ燃焼時の燃焼割合が所定割合となる時期を算出する算出手段と、
ＨＣＣＩ燃焼時の燃焼割合が前記所定割合となる時期の要求値を取得する要求値取得手段と、
前記算出手段により算出された算出値が前記要求値と一致するように、該算出値と前記要求値との比較値を前記ＳＩ燃焼手段の火花点火時期にフィードバック補正するフィードバック補正手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項１】
吸気行程、第１圧縮行程、第１膨張行程、第２圧縮行程、第２膨張行程、及び排気行程を順次実行する６サイクル内燃機関と、
燃料を噴射する燃料噴射弁と、
噴射燃料に火花点火する点火プラグと、
筒内圧を検出する筒内圧センサと、
前記吸気行程から前記第１膨張行程までの間において、前記燃料噴射弁に燃料を噴射させた後前記点火プラグに火花点火させるＳＩ燃焼手段と、
前記ＳＩ燃焼手段により発生した既燃ガス中に追加燃料を噴射させて、その後、前記第２膨張行程までの間に該追加燃料を圧縮自己着火させるＨＣＣＩ燃焼手段と、
前記筒内圧に基づいて、ＨＣＣＩ燃焼時の燃焼割合が所定割合となる時期を算出する算出手段と、
ＨＣＣＩ燃焼時の燃焼割合が前記所定割合となる時期の要求値を取得する要求値取得手段と、
前記算出手段により算出された算出値が前記要求値と一致するように、該算出値と前記要求値との比較値を前記ＳＩ燃焼手段の火花点火時期にフィードバック補正するフィードバック補正手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１３３２８３（Ｐ２０１０−１３３２８３Ａ）
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３０７８２１（Ｐ２００８−３０７８２１）
【出願日】平成２０年１２月２日（２００８．１２．２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２日（２００８．１２．２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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