JP2002180864A - 過給機付き圧縮自己着火式内燃機関 - Google Patents
過給機付き圧縮自己着火式内燃機関Info
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Abstract
るよう吸気の温度制御を行う。 【解決手段】 吸気冷却を行うと吸気温度が低くなりす
ぎて自己着火運転ができなくなる運転領域で、過給機2
5によって過給された吸気を、インタクーラ27を通さ
ずにバイパス通路29にバイパスさせて吸気温度を上昇
させる。
Description
に過給後の吸気を冷却する冷却器が配置され、ピストン
の圧縮作用により燃焼室の混合気を自己着火して燃焼さ
せる過給機付き圧縮自己着火式内燃機関に関する。
機関として、予混合気を圧縮自己着火燃焼させること
で、リーン燃焼による高効率と低NOxを実現する高圧
縮比の圧縮自己着火式内燃機関が挙げられる。この圧縮
自己着火式内燃機関は、運転可能な負荷範囲が狭く、特
に機関回転数が高く、機関負荷が高い領域を確保するた
めには、過給を用いることによりその運転可能範囲を維
持することが必要である。
る。領域(i)が無過給、領域(ii)が過給、領域(ii
i)が過給後の吸気を着火可能最低温度まで冷却した場
合である。これら各領域を等過給圧において比較した場
合、機関回転数の上昇に伴って運転可能な最大負荷範囲
は下がるが、領域(ii),(iii)は、過給を行うこと
で、無過給の領域(i)に比較して運転可能な最大負荷
範囲が高くなっている。
より制限され、このノッキングは燃料混合気の混合比、
例えば空気量を燃料量で除した値によって規定される。
このため、運転負荷範囲を拡大するためには、過給によ
り上昇した吸気温度を、圧縮自己着火可能な温度にまで
冷却し、燃焼室に導入される空気量を増大させることで
可能となる。
上昇に伴い最大過給圧が上昇し、吸気量が増大するが、
その過給機の最大過給圧を使用した場合の運転可能範囲
は、図19に示すようになる。ここでの領域(i),(i
i),(iii)は、図18の領域(i),(ii),(iii)
にそれぞれ対応している。これによれば、過給を行って
いる領域(ii),(iii)の運転可能な最大負荷範囲が
図1のものに比較して高くなっており、特に過給後の吸
気を冷却している領域(iii)は、温度が高いとA部で
もノッキングが発生してしまう領域(ii)に比べてより
高い負荷範囲での運転が可能となっている。
けでは、吸気温度が低すぎて自己着火運転できない運転
領域があり、改善の余地がある。
ものとして、例えば、特開平11−210477号公報
に記載ものは、過給後の吸気を冷却するインタクーラを
バイパスするバイパス通路を設け、成層運転を行う低負
荷運転時や暖機運転時において、過給後の吸気の全量を
バイパス通路に通して、吸気の温度制御を行っている。
記載のものは、吸気ポートに設置した温度センサにより
燃焼室内の温度を検出して、EGRガス量を制御した
り、吸気弁の開弁時期を制御することで、燃焼室内のガ
ス温度を、点火プラグによりアシスト点火すると自己着
火を生ずる温度に維持するようにしている。
火燃焼の高効率、低エミッションという特性を最大限に
生かして負荷が高い領域まで運転可能範囲を確保するた
めには、そのときの運転条件、すなわち機関回転数と要
求負荷とに応じ、燃焼室に導入される吸気を最適な温度
状態に制御する必要がある。
のは、吸気温度あるいは燃焼室内のガス温度を制御して
いるものの、圧縮自己着火燃焼に必要とする上記した運
転条件に応じた最適な温度状態に制御しておらず、した
がって圧縮自己着火燃焼における運転負荷範囲を拡大す
ることができない。
の運転負荷範囲を拡大するよう吸気の温度制御を行うこ
とを目的としている。
に、請求項1の発明は、過給機の下流側に過給後の吸気
を冷却する冷却器が配置され、ピストンの圧縮作用によ
り燃焼室の混合気を自己着火して燃焼させる過給機付き
圧縮自己着火式内燃機関において、圧縮自己着火燃焼を
行う運転領域のうち、ある特定の運転領域に、冷却器を
通過直後の吸気の温度よりも燃焼室に流入する吸気の温
度を高めるよう制御する温度制御手段を設けた構成とし
てある。
において、温度制御手段は、冷却器をバイパスするバイ
パス通路と、このバイパス通路に流れる吸気量を調整す
る流量調整手段とから構成してある。
において、機関回転数が所定値以上でかつ機関負荷が所
定値以下のときに、流量調整手段は吸気の全量をバイパ
ス通路に流す構成としてある。
明の記載において、機関回転数が所定値未満でかつ機関
負荷が所定値以下のときに、流量調整手段はバイパス通
路に吸気の一部を流すよう流量調整する構成としてあ
る。
ずれかの発明の構成において、過給機をバイパスする過
給機バイパス通路を設けるとともに、この過給機バイパ
ス通路に流れる吸気量を運転条件に応じて調整する過給
機バイパス流量調整手段を設けた構成としてある。
において、流量調整手段は、機関回転数が低くかつ機関
負荷が高いときに、バイパス通路に流れる吸気量を少な
くするよう調整する一方、機関回転数が高くかつ機関負
荷が低いときに、バイパス通路に流れる吸気量を多くす
るよう調整するとともに、過給機バイパス流量調整手段
は、機関回転数が高くかつ機関負荷が高いときに、過給
機バイパス通路に流れる吸気量を少なくするよう調整す
る一方、機関回転数が低くかつ機関負荷が低いときに、
過給機バイパス通路に流れる吸気量を多くするよう調整
する構成としてある。
ずれかの発明の構成において、流量調整手段は、大気温
度が高いときにバイパス通路に流れる吸気量を少なくす
る構成としてある。
ずれかの発明の構成において、過給機バイパス流量調整
手段は、大気圧が低いときに過給機バイパス通路に流れ
る吸気量を少なくする構成としてある。
を冷却する冷却器を備えた過給機付き圧縮自己着火式内
燃機関において、圧縮自己着火燃焼を行う運転領域のう
ち、ある特定の運転領域に、冷却器を通過直後の吸気の
温度よりも燃焼室に流入する吸気の温度を高めるよう制
御する温度制御手段を設けたので、高温の吸気が必要と
なる運転領域での運転が可能となり、高効率で、低エミ
ッションの圧縮自己着火燃焼による運転負荷範囲を拡大
することができる。
より、過給後の吸気が冷却器をバイパスすることになる
ので、吸気温度が高まり、高温が必要となる運転領域で
の運転が可能となり、高効率で、低エミッションの圧縮
自己着火燃焼による運転負荷範囲を拡大することができ
る。
高温が必要とされる機関回転数が高く、かつ機関負荷が
ある領域より低くなったときに、流量調整手段により吸
気の全量をバイパス通路に流通させるようにしたので、
燃焼室に導入される吸気温度が高くなり、この運転領域
での圧縮自己着火燃焼が可能となる。
定値未満でかつ機関負荷が所定値以下のときに、流量調
整手段によりバイパス通路に流れる吸気量を調整するよ
うにしたので、吸気冷却がなされないと運転できない領
域にて、吸気の過度な冷却を避けつつ温度をある程度高
く維持でき、未燃燃料の発生を抑制した圧縮自己着火燃
焼が可能となる。
制御に加え、過給圧も運転条件に応じて最適に制御する
ので、高効率で、低エミッションの圧縮自己着火燃焼に
よる運転負荷範囲を確実に拡大することができる。
は、機関回転数が低くかつ機関負荷が高いときに、バイ
パス通路に流れる吸気量を少なくするよう調整する一
方、機関回転数が高くかつ機関負荷が低いときに、バイ
パス通路に流れる吸気量を多くするよう調整し、過給機
バイパス流量調整手段は、機関回転数が高くかつ機関負
荷が高いときに、過給機バイパス通路に流れる吸気量を
少なくするよう調整する一方、機関回転数が低くかつ機
関負荷が低いときに、過給機バイパス通路に流れる吸気
量を多くするよう調整するので、吸気温度の最適制御に
加え、過給圧も運転条件に応じて最適に制御され、高効
率で、低エミッションの圧縮自己着火燃焼による運転負
荷範囲を確実に拡大することができる。
は、大気温度が高いときにバイパス通路に流れる吸気量
を少なくするようにしたので、冷却器を流れる吸気量が
多くなり、大気温度が高い状態であっても吸気の温度を
適正に確保することができる。
流量調整手段は、大気圧が低いときに過給機バイパス通
路に流れる吸気量を少なくするようにしたので、過給機
に流れる吸気量が多くなり、大気圧が低い状態であって
も過給圧を適正に確保することができる。
面に基づき説明する。
圧縮自己着火式内燃機関の全体構成図で、シリンダブロ
ック1に形成されているシリンダ3内にピストン5が上
下動可能に収容され、シリンダ3とピストン5とシリン
ダヘッド7との間に燃焼室9が形成されている。シリン
ダヘッド7には、燃焼室9に連通する吸気ポート11お
よび排気ポート13が形成されるとともに、これら各ポ
ート11,13を開閉する吸気バルブ15および排気バ
ルブ17がそれぞれ設けられている。
され、燃焼室9に臨むシリンダヘッド7のほぼ中央には
点火プラグ21が設置されている。
23には、過給機25が設置され、過給機25の下流に
は、過給後の吸気を冷却する冷却器としてインタクーラ
27が設置されている。吸気通路23には、インタクー
ラ27をバイパスするバイパス通路29が接続され、バ
イパス通路29には流量調整手段としての流量調整バル
ブ31が設けられている。上記したバイパス通路29お
よび流量調整バルブ31により、インタクーラ27を通
過直後の吸気の温度よりも燃焼室に流入する吸気の温度
が高くなるよう制御する温度制御手段を構成している。
3によって開閉駆動され、アクチュエータ33の動作
は、マイクロコンピュータで構成される電子制御ユニッ
ト35によって制御される。電子制御ユニット35は、
過給機25の上流に設けたエアフローメータ37が検出
する吸気量信号、アクセル開度センサ39が検出する負
荷信号および、クランク角センサ41が検出する機関回
転数信号の入力をそれぞれ受け、これらの入力信号に基
づいて、前記したアクチュエータ33、燃料噴射弁19
および点火プラグ21に駆動制御信号を出力する。
ている時期、すなわち吸気行程ではない時期に燃料を噴
射する。噴射された燃料は、吸気バルブ15の傘部に直
撃するよう指向し、燃焼室9内を伝わる熱により充分熱
せられた吸気バルブ15により気化が促進される。
9内に直接燃料を噴射する位置に設置してもよい。
着火式内燃機関の作用を、図2に示した電子制御ユニッ
ト35の制御動作に基づき説明する。
入される吸気行程において、燃料噴射弁19から噴射さ
れた燃料は、充分に新気と混合され、燃焼室19の全体
に拡がる。続いて圧縮行程に移行し、ピストン5の上昇
により燃焼室19内の混合気は圧縮加熱され、自己着火
に至る。このときアクセル開度センサ39からの出力が
電子制御ユニット35に入力され、要求負荷が算出され
る(ステップ301)。また、クランク角センサ41か
らの出力が電子制御ユニット35に入力されて機関回転
数が算出される(ステップ303)。
ーメータ37の出力を受けて吸気量を算出し、この算出
した吸気量から要求負荷に見合った燃料量を算出すると
ともに(ステップ305)、前記算出した要求負荷およ
び機関回転数を、電子制御ユニット35にあらかじめ記
憶してある図3に示す運転領域マップと照合し(ステッ
プ307)、現在の運転領域が、領域(I),領域(I
I),領域(III),領域(IV)のいずれであるか
どうかを判定する(ステップ309)。ここで、領域
(I),領域(II),領域(III)は自己着火燃焼
領域で、領域(IV)は点火プラグ21を用いた火花点
火燃焼領域である。
しくは(III)の場合には、流量調整バルブ31を全
閉にし(ステップ311)、過給機25によって過給さ
れた吸気の全量をインタクーラ27に通して冷却する。
これは、領域(I)は、吸気冷却を行わないと、そもそ
も運転できない領域であり、領域(III)は、特にノ
ッキングが発生しやすい低回転側は吸気冷却が必要な領
域であることによる。
場合には、流量調整バルブ31を全開にし(ステップ3
13)、過給された吸気のほぼ全量をバイパス通路29
に流して吸気温度の過冷却を防止すべく温度制御する。
これは、領域(II)は、吸気冷却を行うと吸気温度が
低すぎて、自己着火燃焼運転ができない領域であること
による。
(I),(II),(III)以外の領域(IV)の場
合には、運転方式を自己着火燃焼から点火プラグ21に
よる火花点火燃焼に切り替える(ステップ315)。
をインタクーラ27に通過させないようにすることで、
吸気の過度の冷却を回避でき、吸気冷却を行うと吸気温
度が低すぎて運転できないような領域であっても、自己
着火運転が可能となり、高効率で、低エミッションの圧
縮自己着火運転可能な運転負荷範囲を拡大することがで
きる。
電子制御ユニット35の制御動作を示すフローチャート
である。この制御動作は、図2のフローチャートのステ
ップ309、すなわち現在の運転領域が、図3における
領域(I),(II),(III),(IV)のいずれ
であるかどうかを判定する動作までが、第1の実施形態
と同じである。
領域(I)の場合は流量調整バルブ31を全閉にし(ス
テップ311)、領域(II)の場合は流量調整バルブ
31を全開にし(ステップ313)、領域(IV)の場
合は火花点火燃焼とし(ステップ315)、これら各運
転領域での制御は、前記第1の実施形態と同じである。
は、電子制御ユニット35にあらかじめ記憶してある図
5に示す、機関回転数と流量調整バルブ31の開度との
関係を示すマップに基づいて、回転数N1以下の場合
に、流量調整バルブ31の開度調整を行う(ステップ4
01)。すなわち、回転数が高くなるほど、吸気温度を
高くする必要があるので、流量調整バルブ31の開度を
大きくしてバイパス通路29に流す吸気量を多くする。
これにより、吸気冷却がなされないとノッキングの発生
が懸念される特に低回転側の運転領域にて、吸気の過度
な冷却を避けつつ温度をある程度高く維持でき、未燃燃
料の発生を抑制した圧縮自己着火燃焼が可能となる。
圧縮自己着火式内燃機関の全体構成図で、前記図1に示
した構成に、以下の構成を付加したものである。すなわ
ち、過給機25をバイパスする過給機バイパス通路4
3、過給機バイパス通路43を開閉してバイパス流量を
調整する過給機バイパス流量調整手段としての過給圧調
整バルブ45、過給圧調整バルブ45を開閉駆動し電子
制御ユニット35により制御される過給圧制御アクチュ
エータ47、吸気ポート11に設置されて検出信号が電
子制御ユニット35に入力される、吸気温度センサ49
および過給圧センサ51を、それぞれ付加している。
度との組合せによる圧縮自己着火燃焼可能な範囲は図7
に示すようになる。この圧縮自己着火燃焼可能な範囲に
おいて、過給圧が低く吸気温度が低いほど燃料消費率が
向上しており、この燃料消費率が最良となる組合せ(曲
線Fで示す)における吸気温度および過給圧を、図8お
よび図9に、機関回転数と機関負荷との関係における等
温線および等過給圧線として示している。上記した組合
せの最適化を採用したのが、第3の実施形態である。
る電子制御ユニット35の制御動作を示すフローチャー
トである。これによれば、図3における運転領域が領域
(I),(II),(III),(IV)のいずれであ
るかどうかを判定するステップ309の動作までは、前
記した第1の実施形態における図2のフローチャートの
ステップ309までと同じである。ここで、現在の運転
領域が領域(IV)の場合には、第1の侍実施形態と同
様にして火花点火燃焼を行う(ステップ315)。
I),(III)のいずれかであるか、すなわち自己着
火燃焼領域である場合には、吸気温度センサ49が検出
した吸気温度を取り込むとともに(ステップ100
1)、過給圧センサ51が検出した過給圧を取り込む
(ステップ1003)。
が、電子制御ユニット35にあらかじめ記憶してある図
8の機関回転数と機関負荷との相関における温度マップ
に対応するように、流量調整バルブ31の開度制御を行
う(ステップ1005)。例えば、運転領域が、自己着
火成立範囲内の運転領域で、低回転時の負荷の高い側の
場合は、ノッキングが発生するので、吸気温度を低く設
定し、高回転で負荷があまり高くない領域では、圧縮自
己着火燃焼による運転領域を確保するために高い温度が
必要となるため、図8に示すような等温線マップに沿っ
た温度制御を行う。このとき制御する吸気温度に対する
流量調整バルブ31の開度は、図11に示すように、要
求される吸気温度が高くなるほど大きくし、インタクー
ラ27を流れる吸気量を少なくする。
圧が、電子制御ユニット35にあらかじめ記憶してある
図9の回転数と負荷との相関における過給圧マップに対
応するように、過給圧調整バルブ45の開度制御を行う
(ステップ1007)。すなわち、高回転かつ負荷が高
い領域では、過給圧を高くし、低回転で低負荷な領域で
は、過給仕事を減らすために過給圧を低く設定する必要
があるため、図9に示すような等過給圧線マップに沿っ
た過給圧制御を行う。このとき制御する過給圧に対する
過給圧調整バルブ45の開度は、図12に示すように、
要求される過給圧が高くなるほど小さくし、過給機25
を流れる吸気量を多くする。
は、燃料消費率を考慮した吸気温度と過給圧との最良の
組合せに基づいて、吸気温度および過給圧を運転条件に
応じてそれぞれ最適に制御することで、燃料消費率を高
めつつ圧縮自己着火燃焼の運転負荷範囲を拡大すること
ができる。
す圧縮自己着火式内燃機関の全体構成図で、前記図6に
示した第3の実施形態の構成に対し、大気温センサ53
および大気圧センサ55を、エアフローメータ37に隣
接した吸気通路23に設置している。大気温センサ53
および大気圧センサ55の検出値を、図14のフローチ
ャートに示すように、電子制御ユニット35がそれぞれ
取り込み(ステップ1401,1403)、電子制御ユ
ニット35に記憶されている図15に示したマップによ
り、大気温に応じた流量調整バルブ31の開度補正係数
αを照合するとともに(ステップ1405)、電子制御
ユニット35に記憶されている図16に示したマップに
より、大気圧に応じた過給圧調整バルブ45の開度補正
係数βを照合する(ステップ1407)。
以下では吸気温度が低くなりすぎるので、開度補正係数
αは1より大きい値(1<α)であり、流量調整バルブ
31の開度が大きくなるよう補正し、吸気温度を高める
方向に補正する。一方、温度T2(例えば40℃)以上
では吸気温度が高くなりすぎるので、開度補正係数αは
1より小さい値(0<α<1)であり、流量調整バルブ
31の開度が小さく大きくなるよう補正し、吸気温度を
低くする方向に補正する。また、図16において、大気
圧P1(例えば970hPa)以下では大気圧が低くな
りすぎるので、開度補正係数βは負の値であり、過給圧
調整バルブ45の開度が小さくなるよう補正し、過給圧
を高める方向に補正する。大気圧がP1を超えても、開
度補正は行わない。
チャートに示すように、流量調整バルブ31の開度制御
を行う際に(ステップ1005)、上記のようにして決
定した開度補正係数αを用いて開度補正を行うとともに
(ステップ1501)、過給圧調整バルブ45の開度制
御を行う際にも(ステップ1007)、上記のようにし
て決定した開度補正係数βを用いて開度補正を行う(ス
テップ1503)。その他の制御動作は、図10のフロ
ーチャートで示した第3の実施形態と同様である。
ても、吸気温度が最適に制御されるとともに、大気圧に
大きな変化があっても、特に高所などで低圧となった場
合でも、過給圧が最適に制御され、安定した自己着火燃
焼が可能となる。
式内燃機関の全体構成図である。
御ユニットの制御動作を示すフローチャートである。
御ユニットに記憶してある運転領域マップである。
式内燃機関における電子制御ユニットの制御動作を示す
フローチャートである。
御ユニットに記憶してある機関回転数と流量調整バルブ
の開度との関係を示すマップである。
式内燃機関の全体構成図である。
による圧縮自己着火燃焼可能な範囲を示す説明図であ
る。
おける機関回転数と機関負荷との関係における等温線図
である。
おける機関回転数と機関負荷との関係における等過給圧
線図である。
制御動作を示すフローチャートである。
開度との相関図である。
開度との相関図である。
火式内燃機関の全体構成図である。
バルブ開度補正係数を決定する制御動作を示すフローチ
ャートである。
の相関図である。
の相関図である。
制御動作を示すフローチャートである。
領域を示す説明図である。
運転領域を示す説明図である。
段)
Claims (8)
- 【請求項1】 過給機の下流側に過給後の吸気を冷却す
る冷却器が配置され、ピストンの圧縮作用により燃焼室
の混合気を自己着火して燃焼させる過給機付き圧縮自己
着火式内燃機関において、圧縮自己着火燃焼を行う運転
領域のうち、ある特定の運転領域に、冷却器を通過直後
の吸気の温度よりも燃焼室に流入する吸気の温度を高め
るよう制御する温度制御手段を設けたことを特徴とする
過給機付き圧縮自己着火式内燃機関。 - 【請求項2】 温度制御手段は、冷却器をバイパスする
バイパス通路と、このバイパス通路に流れる吸気量を調
整する流量調整手段とから構成されていることを特徴と
する請求項1記載の過給機付き圧縮自己着火式内燃機
関。 - 【請求項3】 機関回転数が所定値以上でかつ機関負荷
が所定値以下のときに、流量調整手段は吸気の全量をバ
イパス通路に流すことを特徴とする請求項2記載の過給
機付き圧縮自己着火式内燃機関。 - 【請求項4】 機関回転数が所定値未満でかつ機関負荷
が所定値以下のときに、流量調整手段はバイパス通路に
吸気の一部を流すよう流量調整することを特徴とする請
求項2または3記載の過給機付き圧縮自己着火式内燃機
関。 - 【請求項5】 過給機をバイパスする過給機バイパス通
路を設けるとともに、この過給機バイパス通路に流れる
吸気量を運転条件に応じて調整する過給機バイパス流量
調整手段を設けたことを特徴とする請求項1ないし4の
いずれかに記載の過給機付き圧縮自己着火式内燃機関。 - 【請求項6】 流量調整手段は、機関回転数が低くかつ
機関負荷が高いときに、バイパス通路に流れる吸気量を
少なくするよう調整する一方、機関回転数が高くかつ機
関負荷が低いときに、バイパス通路に流れる吸気量を多
くするよう調整するとともに、過給機バイパス流量調整
手段は、機関回転数が高くかつ機関負荷が高いときに、
過給機バイパス通路に流れる吸気量を少なくするよう調
整する一方、機関回転数が低くかつ機関負荷が低いとき
に、過給機バイパス通路に流れる吸気量を多くするよう
調整することを特徴とする請求項5記載の過給機付き圧
縮自己着火式内燃機関。 - 【請求項7】 流量調整手段は、大気温度が高いときに
バイパス通路に流れる吸気量を少なくすることを特徴と
する請求項2ないし6のいずれかに記載の過給機付き圧
縮自己着火式内燃機関。 - 【請求項8】 過給機バイパス流量調整手段は、大気圧
が低いときに過給機バイパス通路に流れる吸気量を少な
くすることを特徴とする請求項5ないし7のいずれかに
記載の過給機付き圧縮自己着火式内燃機関。
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