JP2002256872A - エンジンの燃焼制御装置 - Google Patents

エンジンの燃焼制御装置

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JP2002256872A JP2001052491A JP2001052491A JP2002256872A JP 2002256872 A JP2002256872 A JP 2002256872A JP 2001052491 A JP2001052491 A JP 2001052491A JP 2001052491 A JP2001052491 A JP 2001052491A JP 2002256872 A JP2002256872 A JP 2002256872A
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Koji Morikawa
弘二 森川
Makoto Kaneko
誠 金子
Hitoshi Ito
仁 伊藤
Yohei Saishiyu
陽平 最首
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ＮＯｘ低減触媒を用いることなく超リーン領域
での燃焼時におけるＮＯｘの排出量を大幅に削減する。 【解決手段】エンジン回転数とエンジン負荷とに基づき
運転領域を判定し（Ｓ１）、運転領域が低中負荷且つ低
中回転領域である超リーン領域にあるときは、混合気を
圧縮着火燃焼させ（Ｓ２）、それ以外の領域にあるとき
は混合気を通常の火花点火燃焼させる（Ｓ３）。超リー
ン領域の燃焼形態を圧縮着火燃焼とすることで、混合気
をＮＯｘ生成温度以下で燃焼させることができるため、
ＮＯｘ低減触媒が不要となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エンジン運転状態
に応じて燃焼形態を火花点火燃焼と圧縮着火燃焼とに切
換えるエンジンの燃焼制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近のエンジンでは、燃焼室内に燃料を
直接噴射する筒内噴射用インジェクタによる混合気の成
層化や空気流動の強化等によって大幅な空燃比のリーン
化が達成されている。このようなエンジンでは、主に燃
費改善を目的としたリーン空燃比での運転と、空気利用
率の向上を目的とした理論空燃比（ストイキオ）での運
転とを切換えて制御することで、広範な空燃比での運転
を可能としている。
【０００３】一般に、理論空燃比での運転においては排
気ガス中に含まれているＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを三元触媒
による酸化、還元反応によって浄化するようにしてい
る。一方、リーン空燃比での排気ガス浄化に通常の三元
触媒を用いると過剰な酸素の影響からＮＯｘの浄化作用
が不十分となるため、酸素が過剰な雰囲気中でもＮＯｘ
を還元できるリーンＮＯｘ触媒や、空燃比リーン域でＮ
Ｏｘを吸着し、空燃比リッチ域、或いは理論空燃比域で
ＮＯｘを還元させるＮＯｘ吸蔵触媒を、三元触媒と合わ
せて使用している（例えば、特開平２０００−３３７１
３０号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、リーンＮＯｘ
触媒は浄化率が低く性能が不充分である。又、燃料や潤
滑油内には、硫黄が含まれており、この硫黄分が酸化物
として排ガス中に排出されるため、リーンＮＯｘ触媒や
ＮＯｘ吸蔵触媒等のＮＯｘ低減触媒が硫黄酸化物による
被毒（硫黄被毒）を受けて劣化するため、耐久性が三元
触媒に比べて大きく劣るという問題がある。
【０００５】本発明は、上記事情に鑑み、ＮＯｘ低減触
媒を用いることなく超リーン領域での燃焼時におけるＮ
Ｏｘの排出量を大幅に削減し、耐久性、信頼性に優れた
エンジンの燃焼制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、点火プラグと吸排気弁の開閉時期を変更可能
な可変動弁機構とを備え、エンジン運転状態に応じて燃
焼形態を切換えるエンジンの燃焼制御装置において、上
記燃焼形態を低中負荷且つ低中回転領域では圧縮着火燃
焼とし、該低中負荷且つ低中回転領域以外の領域では火
花点火燃焼とすることを特徴とする。
【０００７】このような構成では、運転領域が低中負荷
且つ低中回転領域にあるときは、燃焼形態を圧縮着火燃
焼とすることで、超リーン燃焼であるもに拘わらず燃焼
時のＮＯｘの発生が抑制されるため、ＮＯｘ低減触媒が
不要となる。
【０００８】この場合、好ましくは、１）排気系に三元
触媒と空燃比検出手段とを配設し、上記燃焼形態が上記
火花点火燃焼のときは空燃比をフィードバック制御し、
又該燃焼形態が上記圧縮着火燃焼のときは上記三元触媒
を酸化触媒として機能させることを特徴とする。
【０００９】２）上記火花点火燃焼時の運転領域であっ
てＮＯｘ排出量の少ない領域は燃焼形態をリーン燃焼に
設定することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の一
実施の形態を説明する。図１に火花点火式エンジンの全
体構成図を示す。
【００１１】同図の符号１はエンジン本体、２はピスト
ン、３は燃焼室、４は吸気ポート、５は排気ポート、６
は吸気弁、７は排気弁であり、吸気ポート４に連通する
吸気通路８にスロットル弁９が介装されている。このス
ロットル弁９はスロットル開度を電子的に制御する電子
制御スロットル装置（図示せず）に連設されている。
又、燃焼室３の頂面中央に筒内噴射用インジェクタ１１
の噴孔が臨まされており、この筒内噴射用インジェクタ
１１の噴射方向に対設するピストン２の頂面に湾曲凹面
状のピストンキャビティ２ａが形成されている。更に、
燃焼室３の一側（本実施の形態ではスキッシュエリア）
に点火プラグ１２の発火部が臨まされている。尚、符号
１６はノックセンサ、１７は水温センサである。更に、
排気ポート５に連通する排気通路２８に、空燃比検出手
段の一例であるＯ2センサ１８が臨まされ、このＯ2セン
サ１８の下流に、排気ガス中のＣＯ，ＨＣの酸化とＮＯ
ｘの還元を行って浄化する三元触媒２９が介装されてい
る。尚、空燃比検出手段は広域空燃比センサであっても
良い。
【００１２】又、吸気弁６と排気弁７とが、可変動弁機
構１３ａ，１３ｂに各々連設されている。この各可変動
弁機構１３ａ，１３ｂは、本実施の形態では、火花点火
用吸気カム及び圧縮着火用吸気カムと、火花点火用排気
カム及び圧縮着火用排気カムとの２連カムを各々備えて
おり、この各カムは運転領域に応じて選択される。
【００１３】図５（ａ）に示すように、圧縮着火用排気
カムと圧縮着火用吸気カムとのカムプロフィールは、排
気弁７の閉弁時期ＥＶＣと吸気弁６の開弁時期ＩＶＯと
が排気上死点（ＴＤＣ）を挟んでほぼ対称な位置に設定
されるようなバルブタイミングに設定されている。その
結果、この閉弁時期ＥＶＣと開弁時期ＩＶＯとの間に、
両弁６，７が共に閉弁する負のバルブオーバラップ期間
が形成される。
【００１４】又、図５（ｂ）に示すように、火花点火用
吸気カムと火花点火用排気カムとのカムプロフィール
は、吸気弁６の開弁時期ＩＶＯが排気上死点（ＴＤＣ）
を越えて進角され、排気弁７の閉弁時期ＥＶＣが排気上
死点（ＴＤＣ）を越えて遅角され、排気上死点（ＴＤ
Ｃ）の前後に両弁６，７が共に開弁する正のバルブオー
バラップ期間が形成される、通常のバルブタイミングと
なるように設定されている。
【００１５】上述した各センサ類で検出した信号は電子
制御ユニット（ＥＣＵ）２０に入力される。電子制御ユ
ニット（ＥＣＵ）２０は、ＣＰＵ２１、ＲＯＭ２２、Ｒ
ＡＭ２３、入力ポート２４、出力ポート２５等からなる
マイクロコンピュータを中心に構成され、これらが双方
向性バス２６によって相互に接続されている。
【００１６】入力ポート２４には、上述した各センサ以
外に、設定クランク角度毎にクランクパルスを発生する
クランク角センサ３１が接続されていると共に、アクセ
ルペダル３２の踏込み量に比例した出力電圧を発生する
負荷センサ３３がＡ／Ｄ変換器３４を介して接続されて
いる。又、出力ポート２５が吸気弁駆動回路３６ａ、排
気弁駆動回路３６ｂを介して、各可変動弁機構１３ａ，
１３ｂに個別に接続され、点火駆動回路３６ｃを介して
点火プラグ１２に接続され、更に、インジェクタ駆動回
路３６ｄを介して筒内噴射用インジェクタ１１に接続さ
れている。
【００１７】電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０は、クラ
ンク角センサ３１からの信号に基づいて算出したエンジ
ン回転数Ｎｅと、負荷センサ３３からの信号に基づいて
検出したエンジン負荷Ｌｏとに基づき、運転領域が、超
リーン領域にあるか、ストイキオ領域にあるかを調べ、
超リーン領域にあるときは、燃焼形態を圧縮着火燃焼に
設定し、又、ストイキオ領域にあるときは、通常の火花
点火燃焼に設定する。
【００１８】電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０で実行さ
れる燃焼制御は、具体的には、図２に示す燃焼制御ルー
チンに従って処理される。このルーチンでは、先ずステ
ップＳ１でエンジン負荷Ｌｏとエンジン回転数Ｎｅとに
基づき、図４（ａ）或いは（ｂ）に示す運転領域判定マ
ップを補間計算付で参照して、運転領域を調べる。この
運転領域判定マップは、低中負荷且つ低中回転領域を超
リーン領域と設定し、それ以外の領域である高負荷領
域、及び高回転領域をストイキオ領域と設定されてい
る。
【００１９】そして、運転領域が超リーン領域にあると
きは、ステップＳ２へ進み、圧縮着火燃焼制御を実行し
てルーチンを抜ける。又、ストイキオ領域にあるときは
ステップＳ３へ進み、火花点火燃焼制御を実行してルー
チンを抜ける。
【００２０】ステップＳ２で実行される圧縮着火燃焼制
御は、図３に示す圧縮着火燃焼制御ルーチンに従って処
理される。このルーチンでは、先ず、ステップＳ１１で
スロットル弁９を全開動作させ、続くステップＳ１２
で、可変動弁機構１３ａ，１３ｂに対して圧縮着火用吸
気カム、及び圧縮着火用排気カムを選択する信号を出力
する。
【００２１】すると、図５（ａ）に示すように、吸気弁
６及び排気弁７が、排気上死点（ＴＤＣ）の前後で共に
閉弁する負のバルブオーバラップ期間が形成されるバル
ブタイミングで開閉動作される。その結果、負のバルブ
オーバラップ期間では、燃焼室３内に残留ガスが閉じ込
められ、この残留ガスの熱エネルギにより吸気行程時に
燃焼室３に吸入される新気が加熱され、圧縮行程時にお
いて燃焼室３内の混合気を圧縮着火可能温度まで上昇さ
せる。
【００２２】次いで、ステップＳ１３へ進み、圧縮着火
燃料噴射制御を実行して、ルーチンを抜ける。この圧縮
着火燃料噴射制御は、燃料噴射量と燃料噴射タイミング
とを可変設定する処理が行なわれる。
【００２３】燃料噴射量は、エンジン回転数Ｎｅとエン
ジン負荷Ｌｏとに基づき設定し、エンジン回転数Ｎｅ及
びエンジン負荷Ｌｏが低下するに従い空燃比を次第にリ
ーン化する制御が行なわれる。一方、燃料噴射タイミン
グは、エンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷Ｌｏとに基づ
き、例えば運転領域が低負荷且つ低中回転域では、圧縮
行程後半の比較的遅い時期に設定し、一方中負荷且つ低
中回転では排気弁７が閉弁したとき（負のバルブオーバ
ラップ期間開始時）から圧縮行程前半にかけての、比較
的早い時期に設定する。
【００２４】圧縮行程後半の比較的遅い時期に筒内噴射
用インジェクタ１１から燃焼室３に燃料を噴射すること
で、圧縮着火燃焼可能なガス温度に到達しつつある燃焼
室３内に成層化された混合気が局所的に生成され、超リ
ーンな混合気での成層圧縮着火燃焼が可能となる。一
方、燃料噴射タイミングを排気弁７が閉弁後の比較的早
期に設定することで、燃焼室３のガス温度が自発火可能
温度に達する前に均一混合気を生成させることができ、
混合気温度が発火温度に達したとき、この混合気が一斉
に発火して火炎が伝播しない燃焼、いわば無限数の点火
プラグを配したような多点発火燃焼（均一圧縮着火燃
焼）が実現される。
【００２５】ところで、超リーン領域で実行される圧縮
着火燃焼は、ＮＯｘ生成温度以下で燃焼させることがで
きるため、ＮＯｘがほとんど発生せず、又、空気過剰率
が高いため、三元触媒２９は、排気ガス中のＣＯとＨＣ
とを酸化反応により浄化する、酸化触媒として機能す
る。『そ』の結果、超リーン領域で圧縮着火燃焼を行な
わせることで、空燃比フィードバック制御を行なわなく
ても、全超リーン領域においてクリーンな排気ガスが大
気中に放出されることになる。
【００２６】又、図２のステップＳ１で運転領域がスト
イキオ領域にあると判定されてステップＳ３へ進むと、
通常の火花点火による燃焼制御が実行される。この通常
火花点火燃焼制御では、先ず、可変動弁機構１３ａ，１
３ｂに対し、火花点火用吸気カム及び火花点火用排気カ
ムに切換える信号を出力する。その結果、吸気弁６及び
排気弁７が通常の火花点火時のバルブタイミング、すな
わち排気行程終期から吸気行程初期にかけて共に開弁す
る正のバルブオーバラップ期間（図５（ｂ）参照）で動
作される。尚、火花点火用吸気カム及び火花点火用排気
カムのカムプロフィールは体積効率が最大となる形状に
設定されている。
【００２７】同時に、スロットル弁９をアクセルペダル
３２に連動させた動作に戻し、更に、燃料噴射量、燃料
噴射時期、及び点火時期等を通常の火花点火制御に戻
し、燃料噴射制御においては、Ｏ2センサ１８で検出し
た空燃比に基づき、混合気がストイキオ燃焼するように
空燃比フィードバック制御を行なう。そして、排気ガス
中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘは、三元触媒２９の酸化還元反
応により浄化され、大気中に放出される。
【００２８】このように、本実施の形態によれば超リー
ン領域の燃焼形態を圧縮着火燃焼とすることで、ＮＯｘ
生成温度以下での燃焼が可能となり、その結果、超リー
ン燃焼でありながら、リーンＮＯｘ触媒やＮＯｘ吸蔵触
媒等のＮＯｘ低減触媒を用いる必要が無くなり、耐久性
が向上し、高い信頼性を得ることができると共に、コス
トの低減を図ることができる。
【００２９】しかも空気過剰率の高い超リーン領域で
は、三元触媒を酸化触媒として機能させることができる
ため、空燃比フィードバック制御が不要となり、良好な
空燃比制御性を得ることができる。
【００３０】尚、本発明は、上述した実施の形態に限る
ものではなく、例えば吸排気系に排気ガス再循環（ＥＧ
Ｒ）装置を設け、圧縮着火燃焼時に、燃焼室３へ供給す
るＥＧＲ量を制御することで、燃焼室３内の温度上昇を
制御するようにしても良い。
【００３１】更に、ストイキオ領域においてＮＯｘ排出
量が極めて少ない領域では、燃焼形態を成層燃焼等によ
るリーン燃焼とし、それ以外の領域をストイキオ燃焼に
設定するようにしても良い。
【００３２】
【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
超リーン領域では燃焼形態を圧縮着火燃焼とすること
で、燃焼時におけるＮＯｘの発生を大幅に削減すること
ができ、ＮＯｘ低減触媒が不要となり、耐久性が向上
し、高い信頼性を得ることができる。更に、ＮＯｘ低減
触媒を不要とすることでコストの低減を図ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】火花点火式エンジンの全体構成図
【図２】燃焼制御ルーチンを示すフローチャート
【図３】圧縮着火燃焼制御ルーチンを示すフローチャー
ト
【図４】運転領域判定マップの説明図
【図５】運転領域毎の吸気弁と排気弁のバルブタイミン
グとを示す説明図で（ａ）は超リーン領域、（ｂ）はス
トイキオ領域を示す
【図６】圧縮着火燃焼制御時のバルブタイミングと筒内
圧特性との関係を示す説明図
【符号の説明】
３ 燃焼室 ６ 吸気弁 ７ 排気弁 １１ 筒内噴射用インジェクタ １２ 点火プラグ １３ａ，１３ｂ 可変動弁機構 １８ Ｏ2センサ（空燃比検出手段） ２９ 三元触媒
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１ Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１Ｔ (72)発明者 伊藤 仁 東京都三鷹市大沢３丁目９番６号 株式会 社スバル研究所内 (72)発明者 最首 陽平 東京都三鷹市大沢３丁目９番６号 株式会 社スバル研究所内 Ｆターム(参考） 3G023 AA05 AB03 AB06 AC05 AD01 AD29 AG02 AG03 AG05 3G084 AA04 BA05 BA13 BA15 BA16 BA23 CA09 DA02 DA10 DA38 EB12 FA10 FA20 FA25 FA29 FA38 3G092 AA01 AA02 AA06 AA09 AA11 AA12 AB02 BA08 BB01 DA08 DA12 DG07 EA11 EC01 EC03 FA15 FA17 FA24 HA06Z HA11Z HA13Z HB01Z HB02Z HC05Z HD05Z HE03Z HE08Z HF08Z 3G301 HA01 HA04 HA15 HA19 JA02 JA08 JA22 JA25 LA01 LB04 LC01 MA11 NA08 ND01 NE15 PA11Z PA17Z PC08Z PD02Z PE01Z PE03Z PE08Z

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】点火プラグと吸排気弁の開閉時期を変更可
    能な可変動弁機構とを備え、 エンジン運転状態に応じて燃焼形態を切換えるエンジン
    の燃焼制御装置において、 上記燃焼形態を低中負荷且つ低中回転領域では圧縮着火
    燃焼とし、該低中負荷且つ低中回転領域以外の領域では
    火花点火燃焼とすることを特徴とするエンジンの燃焼制
    御装置。
  2. 【請求項２】排気系に三元触媒と空燃比検出手段とを配
    設し、 上記燃焼形態が上記火花点火燃焼のときは空燃比をフィ
    ードバック制御し、又該燃焼形態が上記圧縮着火燃焼の
    ときは上記三元触媒を酸化触媒として機能させることを
    特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
  3. 【請求項３】上記火花点火燃焼時の運転領域であってＮ
    Ｏｘ排出量の少ない領域は燃焼形態をリーン燃焼に設定
    することを特徴とする請求項２記載のエンジンの燃焼制
    御装置。
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