JP2004232577A

JP2004232577A - 圧縮自着火運転が可能なエンジン

Info

Publication number: JP2004232577A
Application number: JP2003023487A
Authority: JP
Inventors: Masaji Katsumata; 正司勝間田; Michitaka Nakano; 道王中野
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2023-01-31
Also published as: JP4168766B2

Abstract

【課題】圧縮自着火運転可能なエンジンの始動時において、排気管から未燃の燃料が外部に排出されてしまうことを防止する。
【解決手段】吸気弁と排気弁は開閉を行うか否かを切換可能であり、エンジンには燃焼が生じているか否かを検出するためのセンサが設けられている。エンジンの始動時には、燃焼室内に燃料が少なくとも１回噴射された後に、吸気弁と排気弁とを閉状態に保つとともに各サイクルで前記点火プラグを点火させる。そして、センサによって燃焼が検出された後に、吸気弁と排気弁の開閉動作を開始する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮自着火運転が可能なエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンエンジンは、点火プラグを用いて火花点火運転を行うのが普通であるが、近年では、ガソリンエンジンに混合気を自着火させる燃焼方式（「予混合自着火燃焼方式」とも呼ばれている）を採用することが検討されている。この自着火燃焼方式は、例えば、ガソリンを吸気と予混合しておき、圧縮によって自着火させるものである。このような自着火燃焼を利用すると、燃費が向上し、また、大気汚染物質（特にＮＯｘ）の排出量も大幅に低減できるという利点がある。
【０００３】
このような圧縮自着火運転可能なエンジンの始動方法として、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１の方法では、エンジンの始動時の数サイクルの間は点火プラグを点火させ、着火したことが確認できた後に圧縮自着火運転を開始している。なお、本明細書において、「エンジンの始動」とは、ピストンの上下動を開始することを意味している。
【０００４】
【特許文献１】特開平２００１−３０３９５７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１の方法では、着火するまでの数サイクルの間に、排気管から未燃の燃料が外部に排出されてしまう可能性があるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、圧縮自着火運転可能なエンジンの始動時において、排気管から未燃の燃料が外部に排出されてしまうことを防止できる技術を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明のエンジンは、圧縮自着火運転が可能なエンジンであって、
シリンダとピストンとで構成される燃焼室と、
前記燃焼室内に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁と、
前記燃焼室に設けられた点火プラグと、
前記燃焼室に設けられた吸気弁および排気弁と、
前記吸気弁と前記排気弁の開閉を行うか否かを切換可能な第１と第２の弁駆動機構と、
前記燃焼室内で燃焼が生じているか否かを検出するためのセンサと、
前記燃料噴射弁と前記点火プラグと前記第１と第２の弁駆動機構とを制御するための制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記エンジンの始動時において前記燃焼室内に燃料が少なくとも１回噴射された後に、前記吸気弁と前記排気弁とを閉状態に保つとともに各サイクルで前記点火プラグを点火させ、前記センサによって燃焼が検出された後に前記吸気弁と前記排気弁の開閉動作を開始する始動モードを有する。
【０００８】
このエンジンでは、始動時に燃料が噴射された後は、着火するまで吸気弁と排気弁とが閉状態に保たれるので、自着火燃焼が困難な低温始動時においても、排気管から未燃の燃料が外部に排出されてしまうことを防止できる。
【０００９】
なお、前記制御部は、前記エンジンの始動直後において前記吸気弁を開くタイミングでは前記吸気弁を開いて新気を前記燃焼室内に導入し、その後、前記吸気弁と前記排気弁とを閉状態に保つようにしてもよい。
【００１０】
この構成によれば、始動時に新気を燃焼室内に導入できるので、始動を行い易くすることができる。
【００１１】
また、前記制御部は、前記エンジンの始動直後において前記吸気弁の開弁タイミングの前に前記排気弁を開くようにしてもよい。
【００１２】
この構成によれば、停止中に燃焼室内に残存していたガスを排出できるので、燃焼室内に新気を十分に導入することができ、始動をより行い易くすることができる。
【００１３】
前記制御部は、前記センサによって燃焼が検出される前の各サイクルにおいて前記燃料噴射弁から燃料を噴射させるようにしてもよい。
【００１４】
この構成によれば、比較的少量の燃料が各サイクルで噴射されるので、燃焼室内で燃料を気化・混合し易い。
【００１５】
なお、前記センサによって燃焼が検出される前の各サイクルにおいて前記燃焼室内に噴射される燃料の量は、前記エンジンが圧縮自着火運転が可能な量に設定されることが好ましい。
【００１６】
この構成によれば、始動時の着火後に圧縮自着火運転にスムーズに移行することができる。
【００１７】
前記制御部は、前記エンジンの始動後の最初の燃料噴射において、前記センサによって燃焼が検出される後の各サイクルで噴射される燃料の２回分以上の燃料を前記燃料噴射弁から噴射させるとともに、前記最初の燃料噴射以降は前記センサによって燃焼が検出されるまで前記燃料噴射弁による燃料噴射を行わないものとしてもよい。
【００１８】
この構成によれば、最初に比較的多量の燃料を噴射した後に、サイクルが進行するに従って燃焼室内の燃料が気化・混合して火炎伝播可能な濃度に達成するので、火花点火による始動がより容易になる。
【００１９】
前記センサとしては、前記燃焼室内の圧力を検出するセンサと、前記エンジンの回転数を検出するセンサのいずれかを採用することができる。
【００２０】
この構成によれば、燃焼室内の圧力変化または回転数の変化に応じて、燃焼室内で燃焼が発生したか否かを判定することが可能である。
【００２１】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、エンジンや、エンジンの制御方法または装置、それらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の態様で実現することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
Ａ．第１実施例：
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施例としてのガソリンエンジン１００の構成を概念的に示した説明図である。図１には、ガソリンエンジン１００の燃焼室の中心で断面を取ったときの燃焼室の構造が表示されている。
【００２３】
このガソリンエンジン１００の燃焼室は、シリンダブロック１４０内に設けられた中空円筒形のシリンダ１４２と、シリンダ１４２内を上下に摺動するピストン１４４と、シリンダブロック１４０の上部に設けられたシリンダヘッド１３０によって形成されている。なお、シリンダブロック１４０とシリンダヘッド１３０の両方で構成される筒状体を、広義の「シリンダ」と呼ぶ。各燃焼室には、燃焼室の内圧（「筒内圧」とも呼ばれる）を測定するための筒内圧センサ３６（「燃焼圧センサ」とも呼ぶ）が設けられている。
【００２４】
シリンダヘッド１３０には、吸入空気が流入する吸気ポートの開口部を開閉する吸気弁１３２と、排気ガスが流出する排気ポートの開口部を開閉する排気弁１３４と、点火プラグ１３６と、燃焼室内に燃料噴霧を噴射する燃料噴射弁１４とが設けられている。吸気弁１３２および排気弁１３４は、それぞれ電動アクチュエータ１６２，１６４で駆動されている。電動アクチュエータ１６２，１６４は、任意のタイミングでそれぞれの吸気弁１３２および排気弁１３４を開閉することが可能である。なお、電動アクチュエータの代わりに、油圧アクチュエータやカム機構によって吸気弁１３２および排気弁１３４を駆動しても良い。但し、これらの弁１３２，１３４の駆動機構としては、弁の開閉動作を行うか否かを切り換えられる機能を有しているものが使用される。
【００２５】
吸気ポートには吸入空気を導く吸気通路１２が接続され、排気ポートには排気ガスが通過する排気通路１６が接続されている。排気通路１６の下流には、排気ガスに含まれる大気汚染物質を浄化するための触媒２６と、過給器５０のタービン５２とが設けられている。排気通路１６内を通過する排気ガスはタービン５２を回転させた後、大気に放出される。また、吸気通路１２には、過給器５０のコンプレッサ５４が設けられている。コンプレッサ５４は、シャフト５６を介してタービン５２に接続されており、排気ガスによってタービン５２が回転するとコンプレッサ５４も回転する。その結果、コンプレッサ５４はエアクリーナ２０から吸い込んだ空気を加圧した後、吸気ポートに向かって圧送する。
【００２６】
コンプレッサ５４で加圧すると空気温度が上昇するので、吸入空気を冷却するために、コンプレッサ５４の下流側にはインタークーラ６２が設けられている。また、吸気通路１２内にはサージタンク６０や、スロットル弁２２も設けられている。サージタンク６０は、燃焼室が空気を吸い込んだときに生じる圧力波を緩和させる作用を有しており、またスロットル弁２２は電動アクチュエータ２４によって適切な開度に設定されて、吸入空気量を調整する機能を有している。
【００２７】
ピストン１４４は、コネクティングロッド１４６を介してクランクシャフト１４８に接続されており、クランクシャフト１４８には、クランク角度を検出するクランク角センサ３２が取り付けられている。
【００２８】
このガソリンエンジン１００の動作は、エンジン制御用ユニット（以下、ＥＣＵ）３０によって制御されている。ＥＣＵ３０は、エンジン回転速度Ｎｅやアクセル開度θａｃを検出し、これらに基づいてスロットル弁２２の開度の制御や、点火プラグ１３６の点火タイミング制御、燃料噴射弁１４の制御を実行する。エンジン回転速度Ｎｅはクランク角センサ３２によって検出され、アクセル開度θａｃはアクセルペダルに内蔵されたアクセル開度センサ３４によって検出される。
【００２９】
ＥＣＵ３０は、筒内圧センサ３６で測定された各燃焼室の内圧の変化から、各燃焼室内で燃焼が生じているか否かを判定する機能を有している。なお、このエンジン１００は、バルブタイミングや燃料噴射タイミングなどを調整することによって、２サイクル運転と４サイクル運転とを切り換えて実行することが可能である。
【００３０】
図２は、第１実施例におけるエンジンの始動方法を示す説明図である。ここでは、運転者がイグニッションキーを操作してエンジン１００を始動してからの６サイクルに関して、シリンダ内の空気および既燃ガスの量と、シリンダ内の燃料の量と、吸気弁１３２および排気弁１３４の開閉動作の有無と、点火プラグ１３６の点火の有無とが示されている。また、この例では４サイクル運転を行っており、７２０°のクランク角度で１サイクルが構成されている。なお、空気と既燃ガスと燃料の量は正確ではなく、説明の便宜上、簡略化して描かれている。
【００３１】
エンジン１００の始動直後の１サイクル目では、吸気弁１３２が開いてシリンダ内に新たな空気が供給され、燃料噴射弁１４から燃料が噴射される。但し、排気弁１３４は閉じたままである。１サイクルで噴射される燃料の量は、圧縮自着火運転が可能な量に設定されることが好ましい。１サイクル目では点火プラグ１３６が点火するが、シリンダ内の混合気は着火していない。この理由は、始動時にはシリンダの温度が低く、また、シリンダ内の燃料も十分に空気と混合していないためである。
【００３２】
２サイクル目では、吸気弁１３２と排気弁１３４が閉じたままに維持され、燃料噴射弁１４からは燃料が噴射される。本実施例では、各サイクルで噴射される燃料の量は同一であるものとしているが、この代わりに、１サイクル目の燃料噴射量を２サイクル目以降の噴射量よりもやや多く設定してもよい。
【００３３】
２サイクル目のシリンダ内には、１サイクル目で供給された空気と、２サイクル分の燃料とが収容される。この例では、２サイクル目で点火プラグ１３６が点火しても混合気が着火していない。３サイクル目、４サイクル目においても、同様に、吸気弁１３２と排気弁１３４が閉じたままに保たれており、燃料噴射弁１４から追加の燃料が噴射される。従って、サイクルが進むに従ってシリンダ内の燃料が次第に増加してゆく。また、各サイクルではシリンダ内の混合気が圧縮・膨張しているので、燃料の予混合と昇温が進んで次第に燃焼し易くなる傾向にある。図２の例では、４サイクル目において、点火プラグ１３６の点火に応じて混合気が着火している。
【００３４】
ＥＣＵ３０は、筒内圧センサ３６の出力信号に応じてシリンダ内で燃焼が発生したことを検知し、この検知に応じて排気弁１３４と吸気弁１３２の動作を開始する。従って、着火が発生した４サイクル目における排気動作以降は、吸気弁１３２と排気弁１３４とがそれぞれ開閉動作を実行する。このときのバルブタイミングは、吸気弁１３２と排気弁１３４の開弁期間がオーバーラップしないように（すなわち、いわゆる「負のオーバーラップ」を有するように）設定されることが好ましい。こうすれば、シリンダ内にかなりの量の既燃ガス（内部ＥＧＲガス）を残存させることができる。既燃ガスは、シリンダ内の混合気の平均温度を高めるので、自着火燃焼を発生し易いという効果を有している。図２の５サイクル目では、シリンダ内には新規に供給された空気と、既燃ガスと、新規に供給された燃料とが収容される。
【００３５】
着火以降のサイクルでは、自着火運転に適したバルブタイミングおよび燃料噴射が各サイクル毎に行われて、自着火運転が実行される。なお、本実施例では、着火前の各サイクルの燃料噴射量も、自着火運転に適した量に設定されているので、着火後に自着火運転にスムーズに移行することができる。
【００３６】
なお、自着火運転が始まった後のサイクルにおいても、点火プラグ１３６を点火させることによって、失火をより確実に防止するようにしてもよい。但し、この場合の点火のタイミングは、自着火が起こらなかった場合に着火させるためのものなので、通常の火花点火運転の点火タイミング（上死点よりも約１０°進角側）よりも遅角側のタイミングに設定されることが好ましい。
【００３７】
このように、図２の例では、始動後の１サイクル目に吸気弁１３２が開いた後は吸気弁１３２と排気弁１３４が共に閉じた状態を保たれているので、始動時に着火しない場合にも、未燃の燃料が燃焼室の外に排出されることを防止することが可能である。
【００３８】
図３は、２サイクル運転でエンジンを始動する方法を示す説明図である。図２との主な違いは、吸気弁１３２と排気弁１３４の開弁タイミングである。よく知られているように、２サイクル運転では１サイクルのほぼ中間において吸気弁１３２と排気弁１３４とが共に開状態となって、いわゆる掃気が行われる。
【００３９】
図３の例においても、始動後の最初の吸気弁１３２の開弁タイミングにおいて吸気弁１３２が開き、新規の吸気がシリンダ内に供給される。そして、各サイクルにおいて、燃料噴射と、点火プラグ１３６による点火とが行われるが、吸気弁１３２と排気弁１３４は閉じたままである。また、１サイクルで噴射される燃料の量は、エンジン１００が圧縮自着火運転が可能な量に設定されている。そして、混合気が着火すると、その以降のサイクルで自着火運転が実行される。
【００４０】
このように、２サイクル運転を行う場合にも、４サイクル運転の場合と同様に、始動後の１サイクル目に吸気弁１３２が開いた後に吸気弁１３２と排気弁１３４とを共に閉じた状態を保つことによって、始動時に点火しない場合に未燃の燃料が燃焼室の外に排出されることを防止できる。
【００４１】
Ｂ．第２実施例：
図４は、第２実施例におけるエンジンの始動方法（２サイクル運転）を示す説明図である。図３との違いは、始動後の１サイクル目において排気弁１３４を開いている点だけであり、他の点は図３と同一である。
【００４２】
このように、１サイクル目に排気弁１３４を開くようにすれば、停止中にシリンダ内に残存していたガスを排出して、新規な空気をより多量にシリンダ内に導入することができる。この結果、始動をより容易に行うことができるという効果がある。なお、始動時に４サイクル運転を行う場合にも、２サイクル運転の場合と同様に、吸気弁１３２の開弁タイミングの前に排気弁１３４を開くことが好ましい。
【００４３】
Ｃ．第３実施例：
図５は、第３実施例におけるエンジンの始動方法（２サイクル運転）を示す説明図である。図３との違いは、始動後の１サイクル目において４サイクル分の燃料を噴射し、２サイクル目以降は着火が発生するまで燃料噴射を行わない点だけであり、他の点は図３と同一である。
【００４４】
１サイクル目に複数サイクル分の燃料を噴射すると、最初のうちは燃料が十分に気化・混合していないので着火しないが、数サイクル経過すると気化・混合が進行して火炎伝播可能な混合気濃度に達するので点火プラグ１３６の点火に応じて着火する。一般には、１サイクル目に２サイクル分以上の燃料を噴射することによって、その後の燃料の気化・混合をより早めることができる可能性がある点で好ましい。
【００４５】
但し、燃料噴射弁１４の噴射特性によっては、過度に大量の燃料を１サイクルに噴射すると、燃料が十分な噴霧状態で噴射されなくなるので、却って燃料の気化・混合が遅くなる場合もある。このような燃料噴射弁１４を用いる場合には、図３の例のように、各サイクルにおいて燃料を噴射する方が好ましい。
【００４６】
なお、４サイクル運転においても同様に、１サイクル目に２サイクル分以上の燃料を噴射するようにしてもよい。また、第３実施例において、図４の第２実施例のように、１サイクル目で吸気弁１３２が開くよりも前のタイミングで排気弁１３４を開くようにしてもよい。
【００４７】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４８】
Ｄ１．変形例１：
燃焼室内で燃焼が起こっているか否かを検出するためのセンサとしては、筒内圧センサ以外の他の種類のセンサを用いてもよい。例えば、燃焼が起こるとエンジン回転数が上昇する。従って、エンジンの回転数を検出する回転数センサを用い、エンジン回転数が上昇したか否かに応じて燃焼室内で燃焼が起こっているか否かを検出することも可能である。
【００４９】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、２サイクル運転と４サイクル運転とを切り換えることが可能なエンジンについて説明したが、本発明は、２サイクル運転のみを行うエンジンや、４サイクル運転のみを行うエンジンにも適用可能である。
【００５０】
Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、多気筒エンジンの各気筒で同じ始動方法を採用するものとしていたが、多気筒エンジンのうちの一部の気筒のみに関して上記実施例の始動方法を採用し、他の気筒に関しては、着火前も吸気弁と排気弁の開閉動作を行なうようにしてもよい。但し、すべての気筒に上記実施例の始動方法を適用すれば、各燃焼室から外部への未燃燃料の排出量をより低減できるという利点がある。
【００５１】
Ｄ４．変形例４：
上述した第１ないし第３実施例から理解できるように、本発明では、エンジンの始動時において燃焼室内に燃料が少なくとも１回噴射された後に、吸気弁と排気弁とを閉状態に保つとともに各サイクルで点火プラグを点火させ、センサによって燃焼が検出された後に、吸気弁と排気弁の開閉動作を開始する始動モードを有することが好ましい。このような始動モードを採用することによって、エンジンの始動時において排気管から未燃の燃料が外部に排出されてしまうことを防止することが可能である。
【００５２】
但し、エンジンのＥＣＵ（制御部）は、他の始動モードを有するようにしてもよい。例えば、シリンダ温度が十分に高い状態では、１サイクル目から吸気弁１３２と排気弁１３４の開閉動作を開始するようにしてもよい。なお、低温始動時には特に圧縮自着火が困難なので、上述した実施例のような始動方法を採用することによって、未燃燃料の排出を防止する効果が顕著である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例としてのガソリンエンジン１００の構成を概念的に示した説明図。
【図２】第１実施例におけるエンジンの始動方法（４サイクル運転）を示す説明図。
【図３】第１実施例におけるエンジンの始動方法（２サイクル運転）を示す説明図。
【図４】第２実施例におけるエンジンの始動方法（２サイクル運転）を示す説明図。
【図５】第３実施例におけるエンジンの始動方法（２サイクル運転）を示す説明図。
【符号の説明】
１２…吸気通路
１４…燃料噴射弁
１６…排気通路
２０…エアクリーナ
２２…スロットル弁
２４…電動アクチュエータ
２６…触媒
３０…ＥＣＵ
３２…クランク角センサ
３４…アクセル開度センサ
３６…筒内圧センサ
５０…過給器
５２…タービン
５４…コンプレッサ
５６…シャフト
６０…サージタンク
６２…インタークーラ
１００…ガソリンエンジン
１３０…シリンダヘッド
１３２…吸気弁
１３４…排気弁
１３６…点火プラグ
１４０…シリンダブロック
１４２…シリンダ
１４４…ピストン
１４６…コネクティングロッド
１４８…クランクシャフト
１６２，１６４…電動アクチュエータ

Claims

圧縮自着火運転が可能なエンジンであって、
シリンダとピストンとで構成される燃焼室と、
前記燃焼室内に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁と、
前記燃焼室に設けられた点火プラグと、
前記燃焼室に設けられた吸気弁および排気弁と、
前記吸気弁と前記排気弁の開閉を行うか否かを切換可能な第１と第２の弁駆動機構と、
前記燃焼室内で燃焼が生じているか否かを検出するためのセンサと、
前記燃料噴射弁と前記点火プラグと前記第１と第２の弁駆動機構とを制御するための制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記エンジンの始動時において前記燃焼室内に燃料が少なくとも１回噴射された後に、前記吸気弁と前記排気弁とを閉状態に保つとともに各サイクルで前記点火プラグを点火させ、前記センサによって燃焼が検出された後に前記吸気弁と前記排気弁の開閉動作を開始する始動モードを有する、エンジン。
請求項１記載のエンジンであって、
前記制御部は、前記エンジンの始動直後において前記吸気弁を開くタイミングでは前記吸気弁を開いて新気を前記燃焼室内に導入し、その後、前記吸気弁と前記排気弁とを閉状態に保つ、エンジン。
請求項２記載のエンジンであって、
前記制御部は、前記エンジンの始動直後において前記吸気弁の開弁タイミングの前に前記排気弁を開く、エンジン。
請求項１ないし３のいずれかに記載のエンジンであって、
前記制御部は、前記センサによって燃焼が検出される前の各サイクルにおいて前記燃料噴射弁から燃料を噴射させる、エンジン。
請求項４記載のエンジンであって、
前記センサによって燃焼が検出される前の各サイクルにおいて前記燃焼室内に噴射される燃料の量は、前記エンジンが圧縮自着火運転が可能な量に設定される、エンジン。
請求項１ないし３のいずれかに記載のエンジンであって、
前記制御部は、前記エンジンの始動後の最初の燃料噴射において、前記センサによって燃焼が検出される後の各サイクルで噴射される燃料の２回分以上の燃料を前記燃料噴射弁から噴射させるとともに、前記最初の燃料噴射以降は前記センサによって燃焼が検出されるまで前記燃料噴射弁による燃料噴射を行わない、エンジン。
請求項１ないし６のいずれかに記載のエンジンであって、
前記センサは、前記燃焼室内の圧力を検出するセンサと、前記エンジンの回転数を検出するセンサのいずれかである、エンジン。