JP2003161187A - 内燃機関の燃焼制御方法 - Google Patents

内燃機関の燃焼制御方法

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JP2003161187A JP2002282131A JP2002282131A JP2003161187A JP 2003161187 A JP2003161187 A JP 2003161187A JP 2002282131 A JP2002282131 A JP 2002282131A JP 2002282131 A JP2002282131 A JP 2002282131A JP 2003161187 A JP2003161187 A JP 2003161187A
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control method
internal combustion
combustion engine
engine
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Alois Fuerhapter
アロイス・フュールハプター
Eduard Unger
エドゥアルト・ウンガー
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AVL List GmbH
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 均一に自己着火し得る燃料・空気−混合
気で運転される内燃機関において燃焼経過を制御するた
めの簡易な方法を提案する。 【解決手段】 少なくとも１つのエンジン運転領域にお
いて均一に自己着火されて運転され、燃焼経過が燃焼開
始、燃焼時間および燃焼速度のうちの少なくとも１つの
燃焼関連特性量の測定によって監視及び解析され、次の
燃焼のために前記解析結果に基づいて少なくとも１つの
燃焼関連パラメータが制御される内燃機関の燃焼制御方
法において、燃焼を制御するため燃焼室内の乱流レベル
が変更させられ、燃焼を安定化するため乱流レベルが短
時間にわたって高められる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも１つの
エンジン運転領域において均一に自己着火されて運転さ
れる内燃機関の燃焼制御方法であって、燃焼経過が燃焼
開始、燃焼時間および燃焼速度のうちの少なくとも１つ
の燃焼関連特性量の測定によって監視及び解析され、次
の燃焼のために前記解析結果に基づいて少なくとも１つ
の燃焼関連パラメータが制御されるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】自己着火によって着火した希薄な燃料/
空気-混合気の燃焼は混合気の濃度分布ならびに温度分
布が均一であることによりNOxとススとに関してきわめ
て低い排出値が達成されるという利点を有する。この方
式は英語圏では“ＨＣＣＩ方式”(Homogenous Charge C
ompression Ignition[予混合圧縮自己着火燃焼])と称さ
れている。ＨＣＣＩ方式にあってはNOx含有量の低い排
ガスが生じ、したがって、燃焼は多数の着火個所で開始
し、これにより燃焼は相対的に低い燃焼温度で経過す
る。ガソリンはＨＣＣＩ方式にとって、その自己着火性
が非常に低く、沸点範囲も約３０℃〜１９０℃と低いこ
とから、ディーゼル燃料に比較して大きな利点を有す
る。圧縮比はこの場合、ディーゼルエンジンと同様に、
約１５〜１７に引き上げることができる。
【０００３】自己着火運転されるガソリン内燃機関にあ
っては混合気着火時期は火花点火式ガソリン内燃機関の
ようにもはや点火プラグでの本来の点火事象によって開
始することはできず、この運転方式において燃焼開始に
とって重要なのはもっぱらシリンダチャージングと特に
燃焼室内の給気状態たとえば圧力、温度および空燃比λ
である。
【０００４】圧縮着火方式の内燃機関では空気・燃料-
混合気の着火は燃焼室内における温度と圧力との高まり
によって実現される。ただし実際に着火が生ずるために
は、圧縮相の開始時にシリンダ給気が適切にコンディシ
ョニングされていなければならない。この場合、燃焼開
始に大きな影響を及ぼすのは内燃機関の圧縮比εならび
にすべてのガス交換バルブが閉じられて圧縮相が開始す
る時期におけるシリンダ給気の混合温度Tmischである。
高い圧縮比の利点は、最終圧縮体積がより小さくなるた
めにより高い最終温度が達成されるため圧縮行程開始時
の給気温度はそれほど高くなくてもよいという点にあ
る。
【０００５】燃焼に影響を及ぼすための一つの可能性は
シリンダ内給気温度に大きく影響する吸気温度を変更さ
せることである。両者の関連は、吸気温度が高ければ高
いほど、したがってその結果として圧縮相開始時のシリ
ンダ給気の混合温度も高ければ高いほど、燃焼経過はま
すます着火上死点の方向に移動するということである。
通常の周辺条件下つまり吸気温度が約２５℃〜３０℃の
場合にＨＣＣＩ運転を可能とするためには、シリンダ給
気にとっての適切な燃焼開始条件をつくり出すため５０
％以上のレベルの非常に高い排気還流率が必要である。
【０００６】上述したような、均一に自己着火されて運
転される内燃機関の燃焼制御方式は公知である（例え
ば、特許文献１及び、特許文献２参照。）。
【０００７】
【特許文献１】国際公開第９８／ ０７９７３Ａ１号パ
ンフレット（第１−９頁、第１９−２７頁、第１ａ図）
【０００８】
【特許文献２】国際公開第９８／ １０１７９Ａ２号パ
ンフレット（第１−７頁、第１図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記実状に鑑み、本発
明の課題は、均一に自己着火し得る燃料・空気-混合気
で運転される内燃機関において燃焼経過を制御するため
の簡易な方法を提案することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、少なくとも１つのエンジン運転領域において均一に
自己着火されて生じる燃焼経過が燃焼開始、燃焼時間お
よび燃焼速度のうちの少なくとも１つの燃焼関連特性量
の測定によって監視及び解析され、次の燃焼のために前
記解析結果に基づいて少なくとも１つの燃焼関連パラメ
ータが制御される、本発明による内燃機関の燃焼制御方
法では、燃焼を制御するため燃焼室内の乱流レベルが変
更させられ、燃焼を安定化するため乱流レベルが短時間
にわたって高められる。その際、特に好適な実施形態と
して、乱流レベルを高めるために少なくとも１つの吸気
バルブの開放時期が着火上死点の方向に変位させられ
る。
【００１１】本発明は、吸気バルブの早期開放時には、
その他のすべてのパラメータが不変のままであれば、燃
焼は吸気バルブの遅延開放時よりも大幅に遅れて進行す
るという事実を利用している。乱流レベルを介した燃焼
の安定化は動的運転中にたとえば均質な火花点火運転か
ら均質な自己着火運転への急速な運転ポイント変換を実
施し得るようにするのに特に適している。これを可能と
するために、いずれのエンジンサイクルでも燃焼が生ず
るように保障する燃焼制御器が設けられている。この場
合、直前の燃焼の位置に関する尺度として1つの燃焼関
連特性量、好ましくは５０％燃焼経過点（50%Massenums
atzpunkt）が燃焼制御器に供給され、燃焼を安定化させ
るため先ず吸気バルブの開放時期に影響が及ぼされる。
ただしこれに対する別法として、バルブオーバラップ区
間の変位によるかあるいはまた排気バルブタイミングの
変位によっても当該乱流レベルを達成することが可能で
ある。
【００１２】さらに、乱流レベルを高めるために各シリ
ンダの複数の吸気路のうちの１本を遮断するようにする
こともできる。また、乱流レベルを高めるために吸気路
に設けたスワール調整装置を活性化することも全く同様
に可能である。
【００１３】乱流レベルを短時間にわたって高めること
に加えてさらに、火花点火によって燃焼室内のプレ反応
が進行して燃焼経過状態がずらされることから、火花点
火装置を短時間にわたって好ましくは着火上死点前クラ
ンク角度約５０°〜１０°の範囲で活性化させて燃焼経
過に影響を及ぼすようにすることも可能である。
【００１４】燃焼安定装置によって燃焼制御を可能とす
るためには、それぞれの定常運転ポイントにとって必要
とされる還流排気量と吸入外気量とをそれから読み取る
ことのできる定常運転に関する特性マップをエンジン制
御装置に記録することが必要である。これは、もっとも
簡易な場合にあっては、それぞれの運転ポイントにとっ
てのガス交換バルブパラメータたとえばバルブ開放時期
およびバルブ開放時間が記録されている特性マップでも
よい。これらの特性マップはプレ制御量として利用さ
れ、標準周辺環境条件を基準として定められている。標
準周辺環境温度からの偏倚が生ずる場合には、吸気バル
ブ開放角度に関する温度特性曲線に基づいてプレ制御量
が修正される。その他のすべての外乱たとえば急速な負
荷点変更は燃焼制御器によって補償制御される。
【００１５】燃焼制御器は先ず実際のエンジン回転数と
測定されて求められた平均圧力とを介して内燃機関の実
際の運転ポイントを把握し、次のステップで燃焼経過状
態に関する目標値を決定する。この目標値は全運転領域
にとって不変の値であってよく、あるいはまた運転ポイ
ントに応じて異なった値をとってもよい。続いて定常条
件下における所望の運転ポイントでの吸気バルブの開放
角度が特性マップから読み取られる。この角度値は続い
て温度依存特性曲線を経て修正され、次いで燃焼制御器
にプレ制御値として供される。定常運転に関する標準燃
焼経過状態とｎ回作業サイクルから平均化されて得られ
た５０％燃焼経過点値（この場合、ｎは１から１０まで
の間の値をとることができる）とを用いて制御偏差が形
成されて制御器に供給される。この制御偏差に基づいて
燃焼室内の乱流レベルが適切に高められる。さらなるス
テップにおいて、燃焼安定化が実現された後、乱流レベ
ルは再びそれぞれの定常エンジン運転ポイントに適合し
た値に戻される。本発明によるその他の特徴及び利点
は、以下図面を用いた実施形態の説明により明らかにな
るだろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】図１は――着火上死点前クランク
角度で測定した――燃焼経過状態つまりここでは５０％
燃焼経過点：ＭＦＢ５０％のそれと吸気温度Tとの相関
性を示したものである。ＭＦＢ５０％は、圧力経過から
算定される５０％のエネルギ交換を示しており、「50%
Mass Fraction Burned」の略語である。例えば、クラン
ク角度をθとするとθ50%MFBは、シリンダーチャージの
５０％が燃焼した際のクランク角度として定義され、前
述した５０％燃焼経過点と類似する用語である。同図か
ら、吸気温度Tが高ければ高いほど、したがってその結
果として圧縮相開始時のシリンダ給気の混合温度Tmisch
も高ければ高いほど、燃焼経過状態はますます着火上死
点OTの方向に移動することが明らかである。
【００１７】本発明による方法は給気運動ないし乱流は
燃焼経過を促進するという事実を利用する。燃焼室内の
乱流レベルに影響を及ぼすための一つの非常に効果的な
対策はガス交換バルブの開放時期を適宜調整することで
ある。
【００１８】図２は開放開始クランク角度αIOが燃焼経
過点ＭＦＢ５０％に及ぼす基本的影響を示したものであ
る。同図から吸気バルブの早期開放時には、他のすべて
のパラメータが不変のままであれば、燃焼は吸気バルブ
の遅延開放時よりも大幅に遅れて進行することが明らか
である。したがって吸気開始をずらすことにより燃焼経
過状態と共に内燃機関の効率にも影響を与えることがで
きる。乱流を高めるための吸気開始調整を燃焼安定化の
ための短時間の制御対策としてのみ利用する場合には給
排気交換仕事に対する負の効果を回避することができ
る。
【００１９】図５には標準化されたバルブ行程がクラン
ク角度αと相関させて表わされている。吸気バルブのバ
ルブリフト量：ｈの様子はIで示され、排気バルブのそ
れはEで示されている。２７０°〜１８０°の間の排気
バルブの２回目のリフト量は排気還流に利用される。吸
入開始時期ＩＯは通例、着火上死点前クランク角度３８
０°〜３６０°に位置している。吸気バルブ開放開始時
期ＩＯが短時間にわたって矢印Aに応じて着火上死点OT
の方向にずらされると、燃焼室内の乱流レベルは短時間
にわたって高められると共に、その結果として、燃焼経
過点ＭＦＢ５０％を早め方向にずらすことができ、これ
によって燃焼を安定化させることができる。安定化が実
現された後、吸気開始時期ＩＯは再び当該運転ポイント
にとって必要な値に復帰させられる。
【００２０】吸気バルブ開放時期ＩＯの調整に際しては
給気も影響を受けるため、吸入外気量も吸気バルブ開放
時間を介して修正されなければならない。図３は一例と
して吸気バルブ開放時間が不変の場合の吸気バルブ開放
角度αIOと相関した外気吸入量mLを示したものである。
吸気バルブ開放角度αIOと相関して表わされたすべての
図にあっては、記載された角度は制御パラメータである
ことが注記される。したがって実際の開放角度はそれら
の記載角度とは相違している。
【００２１】燃焼安定装置が作動し得るようにするに
は、それぞれの定常運転ポイントにとって必要とされる
還流排気量と吸入外気量mLとをそれから読み取ることの
できる定常エンジン運転のための特性マップが記録され
ていることが必要である。これは、もっとも簡易な場合
にあっては、それぞれの運転ポイントにとってのガス交
換バルブパラメータたとえばバルブ開放時期およびバル
ブ開放時間が記録されている特性マップでもよい。これ
らの特性マップ値はプレ制御量として利用され、標準周
辺環境条件を基準として定められている。標準周辺環境
温度からの偏倚が生ずる場合には、プレ制御量は図１に
示した特性曲線に基づいて修正される。その他のすべて
の外乱たとえば急速な負荷点変更は制御器Rによって補
償制御される。図４はこの燃焼制御器のフローチャート
を示したものである。
【００２２】燃焼制御器Rはまずステップ１で測定され
た実際のエンジン回転数nと測定されて求められた平均
圧力Piとに基づいて内燃機関の実際の運転ポイントを算
定し、次のステップ２で燃焼経過点ＭＦＢ５０％の目標
値を決定する。この目標値は全運転領域にとって不変の
値であってよく、あるいはまた運転ポイントに応じて異
なった値をとってもよい。続いてステップ３で定常条件
下における所望の運転ポイントでの吸気バルブの開放角
度αIOが特性マップから読み取られる。この角度値は続
いてステップ４で温度依存特性曲線を経て修正される。
ステップ２で得られた目標値とともにステップ４で修正
された値はプレ制御値として制御器Rに与えられて制御
器Rの処理に用いられる（ステップＲ）。このプレ制御
値はステップ５でバルブ制御装置に利用される。ステッ
プ６では燃焼が行われた後の燃焼関連特性量が用いられ
ステップ７でｎ回作業サイクルを経て平均化される。定
常運転に関する標準燃焼経過状態とｎ回作業サイクルか
ら平均化されて得られたＭＦＢ ５０％値（この場合、
ｎは１から１０までの間の値をとることができる）とを
用いて制御偏差が算定されて制御器R（つまりステップ
Ｒ）にフィードバックされる。制御器出力は操作量信号
に基準化することができるため、吸気バルブ開放角度α
IOの定常プレ制御値は制御器出力で調整される。
【００２３】図６は図示シリンダ内圧力Piが回転数nと
相関させて表わされたエンジン特性マップの一例を示し
たものである。均一な自己着火運転ＨＣＣＩは下側部分
負荷域で行われる。中央および上側の部分負荷域ならび
に全負荷時には内燃機関は均一に火花点火されて運転さ
れる。この運転領域はSIで表わされている。曲線G2,G3,
G4, G5は種々の変速比を示唆したものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】吸気温度と燃焼経過状態との相関性を示した図
【図２】吸気バルブ開放角度と燃焼経過状態との相関性
を示した図
【図３】吸気バルブ開放角度と外気質量流量との相関性
を示した図
【図４】本発明による燃焼制御器の制御フローを図解し
た図
【図５】ＨＣＣＩ運転中のガス交換バルブの基本的な行
程経過を示した図
【図６】異なった運転領域を擁した特性マップを示した
図
───────────────────────────────────────────────────── 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 13/02 Ｆ０２Ｄ 13/02 Ｊ 21/08 ３０１ 21/08 ３０１Ａ 41/04 ３７０ 41/04 ３７０ 43/00 ３０１ 43/00 ３０１Ｂ ３０１Ｕ ３０１Ｚ 45/00 ３０１ 45/00 ３０１Ｆ ３０１Ｊ ３６８ ３６８Ｓ Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｂ (72)発明者 アロイス・フュールハプター オーストリア アー‐8020 グラーツ カ ール・フリッシュ・ガッセ 12／イー／４ (72)発明者 エドゥアルト・ウンガー オーストリア アー‐8430 ライプニッツ アルテンマルクト 55 Ｆターム(参考） 3G022 AA10 CA08 CA09 GA01 3G084 AA00 AA04 BA05 BA17 BA20 BA21 BA23 CA05 DA13 EB08 EB11 EC01 EC03 FA21 FA33 FA38 3G092 AA01 AA06 AA10 AA11 AA17 AB02 BA09 DA01 DA02 DA03 DA12 DC05 DC06 DC08 EA04 EA11 EC09 FA06 FA22 HC01Z HE01Z HE03Z 3G301 HA01 HA04 HA13 HA17 HA19 JA00 LA00 LA05 LA07 NC02 ND02 PC01Z PD15Z PE01Z PE03Z

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも１つのエンジン運転領域にお
    いて均一に自己着火されて運転される内燃機関の燃焼制
    御方法であって、燃焼経過が燃焼開始、燃焼時間および
    燃焼速度のうちの少なくとも１つの燃焼関連特性量の測
    定によって監視及び解析され、次の燃焼のために前記解
    析結果に基づいて少なくとも１つの燃焼関連パラメータ
    が制御されるものにおいて、 燃焼を制御するため燃焼室内の乱流レベルが変更させら
    れ、燃焼を安定化するため乱流レベルが短時間にわたっ
    て高められることを特徴とする内燃機関の燃焼制御方
    法。
  2. 【請求項２】 乱流レベルを高めるために少なくとも１
    つの吸気バルブの開放時期が着火上死点の方向に変位さ
    せられることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の
    燃焼制御方法。
  3. 【請求項３】 乱流レベルを高めるために各シリンダの
    複数の吸気路のうちの１本が吸気行程中遮断されること
    を特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の燃焼
    制御方法。
  4. 【請求項４】 乱流レベルを高めるために少なくとも１
    つの吸気路のスワール調整装置が作動することを特徴と
    する請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の燃
    焼制御方法。
  5. 【請求項５】 乱流レベルは排気バルブ開と吸気バルブ
    開とのバルブオーバラップを変位させることによって変
    更させられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか
    １項に記載の内燃機関の燃焼制御方法。
  6. 【請求項６】 吸気行程中に少なくとも１つの排気バル
    ブが開放される請求項１〜５のいずれか１項に記載の内
    燃機関の燃焼制御方法において、 乱流レベルは吸気行程中の排気バルブタイミングの変位
    によって変更させられることを特徴とする内燃機関の燃
    焼制御方法。
  7. 【請求項７】 火花点火装置が着火上死点前クランク角
    度約５０°〜１０°の範囲で短時間にわたって作動する
    ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の
    内燃機関の燃焼制御方法。
  8. 【請求項８】 燃焼関連特性量として５０%燃焼経過点
    が把握されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか
    １項に記載の内燃機関の燃焼制御方法。
  9. 【請求項９】 燃焼経過は実時間シリンダ内圧力解析に
    よって監視されることを特徴とする請求項１〜８のいず
    れか１項に記載の内燃機関の燃焼制御方法。
  10. 【請求項１０】 定常エンジン運転のための還流排気量
    と吸入外気量に関する特性マップがエンジン制御装置に
    格納され、燃焼制御器により実際のエンジン回転数と測
    定されて求められた平均圧力とが用いられ、内燃機関の
    実際の運転ポイントが決定され、前記の実際の運転ポイ
    ントを基礎として定常エンジン運転のための特性マップ
    との比較によって燃焼経過状態の目標値が決定されると
    共に該燃焼経過状態から少なくとも１つの吸気バルブの
    開放角度の目標値が決定され、吸気バルブ開放角度の前
    記目標値は温度依存特性曲線を経て修正され、温度補償
    された該開放角度目標値がバルブ操作のプレ制御値とし
    て使用されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか
    １項に記載の内燃機関の燃焼制御方法。
  11. 【請求項１１】 あらかじめ定められた数の作業サイク
    ルにわたる実際の燃焼経過状態が平均化されて、特性マ
    ップに記録された定常運転時の標準燃焼経過状態と比較
    され、前記制御偏差に基づいて燃焼室内の乱流レベルが
    適切に調整されることを特徴とする請求項１０に記載の
    内燃機関の燃焼制御方法。
  12. 【請求項１２】 燃焼安定化が実現された後、乱流レベ
    ルは再びそれぞれの定常エンジン運転ポイントに適合し
    た値に低下させられることを特徴とする請求項１１に記
    載の内燃機関の燃焼制御方法。
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