【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノックを検出するノック検出手段と、ＥＧＲ率設定を伴って燃焼室に給気される新気に排ガスを再循環させるＥＧＲ手段と、前記ノック検出手段でノックが検出されたときに前記ＥＧＲ手段により設定される前記ＥＧＲ率を増加させてノックを回避するノック回避制御手段とを備えたエンジン、及びそのノック回避制御方法に関し、特に、前記燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させ燃焼させる予混合圧縮着火エンジン、及びそのノック回避制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの運転領域は、ノックや失火等の発生によって制限される。即ち、エンジン出力の上限界は、ノックが発生する直前の値とされる。また、ノック発生に起因するエンジンの運転領域の拡大のために、燃焼室に給気される新気に、燃焼室から排出される排ガスの一部を再循環させる、所謂ＥＧＲ（排ガス再循環）を行うことが考えられる。即ち、上記ＥＧＲは、排ガス中の比熱の大きなＣＯ２等を新気に再循環させることにより、燃焼室におけるガスの熱容量を増加させ、燃焼室における温度を低下させことができるものであり、主に、ＮＯｘの生成を抑制するための対策として利用されるが、同様に、燃焼室における圧力上昇率を減少させることができるので、ノックを抑制するための対策としても利用できる。
【０００３】
特に、高効率化且つ低ＮＯｘ化を実現可能な予混合圧縮着火エンジンは、燃焼室において希薄予混合気を、高圧縮して自己着火させて燃焼させることから、その予混合気の当量比を高くして、高出力運転を行う場合に、燃焼速度が上昇して、ノックが発生しやすくなる。そこで、かかる予混合圧縮着火エンジンにおいて、上記ＥＧＲを適用することで、高出力運転時における燃焼速度の上昇を抑制してノックの発生を抑制し、予混合圧縮着火エンジンの運転範囲を拡大することが提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００４】
詳しくは、上記特許文献１においては、排ガス中のＮＯｘ濃度と燃焼室における燃焼速度とが相関を有することを利用して、出力を高く設定し、排ガス中のＮＯｘ濃度が増加傾向にある場合には、ＥＧＲ率を増加させて、燃焼室における燃焼速度を低下させ、出力増加によるノックの発生を回避し、燃焼室における燃焼速度を安定したものにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１５２８５３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、エンジンにおいて、運転条件によっては、ＥＧＲを実施しても、十分にノックを回避することができず、特に予混合圧縮着火エンジンにおいて、ＥＧＲの適用により運転範囲の拡大を図ることができない場合があった。
即ち、上記特許文献１においては、排ガス中のＮＯｘ濃度が増加傾向にある場合に、ＥＧＲ率を増加させても、燃焼速度を低下させることができずに、燃焼安定性を確保できない場合があった。
それは、ＥＧＲにより燃焼室に排ガスを再循環して、燃焼室における酸素濃度の低下及び熱容量の増加により燃焼速度の低下を図っても、それ以上に、何らかの要因により、燃焼室における燃焼が促進されていることが考えられる。
【０００７】
従って、本発明の目的は、上記の事情に鑑みて、エンジン、特に、予混合圧縮着火エンジンにおいて、ＥＧＲによる燃焼速度の調整を効果的に実施して、燃焼室における燃焼を安定したものとし、運転範囲の拡大を図ることができる運転制御技術を実現することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係るエンジンの運転制御方法の第一特徴構成は、ノックを検出可能に構成され、ＥＧＲ率調整を伴って燃焼室に給気される新気に排ガスを再循環可能に構成されたエンジンにおいて実行され、前記ノックを検出したときにＥＧＲ率を増加させてノックを回避する運転制御方法であって、
前記ノックを検出したときに、前記排ガスの組成を測定し、前記ＥＧＲ率を、前記排ガスの組成に基づいて決定した増加量分増加させる点にある。
【０００９】
上記本発明に係るエンジンの運転制御方法の第一特徴構成を実施可能で、上記目的を達成するための本発明に係るエンジンの第一特徴構成は、ノックを検出するノック検出手段と、ＥＧＲ率設定を伴って燃焼室に給気される新気に排ガスを再循環させるＥＧＲ手段と、前記ノック検出手段でノックが検出されたときに前記ＥＧＲ手段により設定される前記ＥＧＲ率を増加させてノックを回避するノック回避制御手段とを備えたエンジンであって、
排ガスの前記排ガスの組成を測定する排ガス組成測定手段を備えるともに、
前記ノック回避制御手段が、前記ＥＧＲ率の増加量を、前記排ガス組成測定手段の測定結果に基づいて決定するように構成されている点にある。
【００１０】
本願の発明者らは、発明が解決しようとする課題の欄に記載したように、エンジンにおいてＥＧＲ率を増加又は減少させても、燃焼室における燃焼速度を十分に低下又は上昇させることができない場合があるのは、燃焼室に再循環された排ガスが酸化剤として働いて燃焼室における燃焼を促進しており、ＥＧＲ率によっては、その燃焼促進の程度が燃焼室の燃焼を緩慢にする程度と同等又はそれ以上となるからであるとの知見得た。即ち、図３のエンジンの燃焼室における熱発生率の状態を示すグラフ図に示すように、ＥＧＲ率を約０％、約１０％、又は、約１５％と比較的低くして、下記の表１のように、排ガス中のＮＯｘ濃度が、ＥＧＲ率０％時に対して同等又は高くなっている場合には、ＥＧＲ率を増加させると、燃焼を緩慢化にして着火時期を遅延化させるどころか、逆に、燃焼が促進されて着火時期が早期化されてしまう。一方、ＥＧＲ率を、約２０％以上の約２５％，又は、約３０％と比較的高くして、下記の表１のように、排ガス中のＮＯｘ濃度が、ＥＧＲ率０％時に対して充分に低くなっている場合には、ＥＧＲ率を増加させると、燃焼を緩慢化にして着火時期を遅延化させることができる。
よって、本願発明者らは、このことを考慮して、ノック回避制御におけるＥＧＲ率の増加量を決定することで、燃焼室における燃焼を一層安定したものとすることができると考え、本発明を完成した。
【００１１】
【表１】
【００１２】
即ち、上記特徴構成によれば、上記ノック回避制御手段により、ノックセンサ等でノックの発生を検出したとき、又は、高出力運転を行ってノックが発生しやすい状態となったときに、上記ＥＧＲ手段により設定されるＥＧＲ率を、上記排ガス組成測定手段で検出された排ガスの組成に基づいて決定したＥＧＲ率の増加量分増加させることで、そのときの排ガスが燃焼に対して酸化剤として強く影響を与える場合でも、ＥＧＲ率の増加量を十分に大きいものに決定して、確実にノックを回避することができる。
よって、本発明に係るエンジン及びその運転制御方法により、ノックを確実に回避して、燃焼安定性及び運転範囲の拡大を図ることができる。
【００１３】
本発明に係るエンジンの運転制御方法の第二特徴構成は、上記エンジンの運転制御方法の第一特徴構成に加えて、前記ＥＧＲ率の増加量を、前記排ガスの組成としての前記排ガス中のＮＯｘ濃度に基づいて決定する点にある。
【００１４】
上記本発明に係るエンジンの運転制御方法の第二特徴構成を実施可能な本発明に係るエンジンの第二特徴構成は、上記エンジンの第一特徴構成に加えて、前記排ガス組成測定手段が、前記排ガスの組成として、前記排ガス中のＮＯｘ濃度を測定する手段である点にある。
【００１５】
ＥＧＲを行った場合に、燃焼室における燃焼が促進されるのは、排ガス中の酸化剤として働くＮＯｘ（窒素酸化物）、特にＮＯ２の存在によるものと考えられる。
よって、上記特徴構成によれば、上記排ガス組成測定手段を、排ガスの組成として排ガス中のＮＯｘ濃度を測定するＮＯｘ濃度センサ等の手段として構成し、その測定結果に基づいて、ＥＧＲ率の増加量を決定することで、そのときの排ガス中の酸化剤として働くＮＯｘ濃度が燃焼に対して酸化剤として強く影響を与える程度であった場合でも、ＥＧＲ率の増加量を十分に大きいものに決定して、確実にノックを回避することができる。
【００１６】
本発明に係るエンジンの運転制御方法の第三特徴構成は、上記エンジンの運転制御方法の第二特徴構成に加えて、前記ＮＯｘ濃度が所定の基準濃度未満である場合には、前記ＥＧＲ率の増加量を第一増加量に決定し、前記ＮＯｘ濃度が前記基準濃度以上である場合には、前記ＥＧＲ率の増加量を前記第一増加量よりも大きい第二増加量に決定する点にある。
【００１７】
上記本発明に係るエンジンの運転制御方法の第三特徴構成を実施可能な本発明に係るエンジンの第三特徴構成は、上記エンジンの第二特徴構成に加えて、前記ノック回避制御手段が、前記ＮＯｘ濃度が所定の基準濃度未満である場合には、前記ＥＧＲ率の増加量を第一増加量に決定し、前記ＮＯｘ濃度が前記基準濃度以上である場合には、前記ＥＧＲ率の増加量を前記第一増加量よりも大きい第二増加量に決定する手段である点にある。
【００１８】
即ち、上記特徴構成によれば、上記ノック回避制御手段により、上記測定された排ガス中のＮＯｘ濃度が所定の基準濃度未満であり、ＥＧＲにより燃焼が促進される程度が、ＥＧＲにより燃焼が緩慢になる程度よりも比較的小さいと判断できる場合には、ＥＧＲ率の増加量を小さめの上記第一増加量に決定して、ノックを回避することができ、逆に、上記測定された排ガス中のＮＯｘ濃度が上記基準濃度以上であり、ＥＧＲにより燃焼が促進される程度が、ＥＧＲにより燃焼が緩慢になる程度よりも大きいと判断できる場合には、ＥＧＲ率の増加量を上記第一増加量よりも大きい上記第二増加量に設定して、燃焼室における酸素濃度低下及び熱容量増加により燃焼を緩慢にする程度を十分に大きくして、ノックを回避することができる。
尚、ＮＯｘ濃度に対応するＥＧＲ率の上記第一増加量及び上記第二増加量は、予めエンジンを用いた検証試験等において、出力等を変化させてＮＯｘ濃度を変化させながら、ノッキングを回避することができるＥＧＲ率の増加量を求め、そのＮＯｘ濃度とＥＧＲ率の増加量とのデータに基づいて決定することができる。
【００１９】
本発明に係るエンジンの第四特徴構成は、上記エンジンの第一乃至第三特徴構成に加えて、前記燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させ燃焼させる予混合圧縮着火エンジンとして構成されている点にある。
【００２０】
即ち、上記特徴構成によれば、特に運転範囲の拡大が困難な予混合圧縮着火エンジンにおいて、ＥＧＲ率の増加量を排ガスの組成に基づいて決定するようなノック回避制御を実施することで、高出力運転時のノックを良好に回避でき、運転範囲の拡大を図ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明に係るエンジンの実施形態を、図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１に示すエンジン１００は、シリンダ５の内面とピストン３の頂面とで規定される燃焼室２と、燃焼室２に給気弁７を介して接続された給気路１２と、燃焼室２に排気弁８を介して接続された排気路１３とが設けられている。
【００２３】
ピストン３は連結棒４に揺動自在に連結されており、ピストン３の往復動は連結棒４によって１つのクランク軸６の回転運動として得られ、このような構成は通常のエンジンと変わるところが無い。
【００２４】
給気路１２を流通する空気Ａ（新気）は、ミキサ１８において天然ガス系都市ガスの燃料Ｇが供給されて混合気となり、燃焼室２に給気される。
【００２５】
そして、エンジン１００は、燃焼室２に給気された混合気を、ピストン３の上昇により圧縮して発火点まで昇温させることで、混合気が自己着火して燃焼する所謂予混合圧縮着火運転を行って燃料を燃焼させる予混合圧縮着火エンジンとして構成されている。
【００２６】
エンジン１００には、コンピュータからなるエンジン・コントロール・ユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ）３０が設けられ、ＥＣＵ３０は、エンジン１００のノック回避制御等の各種制御を実施するように構成されている。
【００２７】
給気路１２に流通する空気Ａは、適宜過給機により加圧したり、アフタークーラにより加熱しても構わない。
【００２８】
また、ミキサ１８に供給される燃料Ｇは、燃料量調整弁１９により流量調整可能に構成されている。そして、ＥＣＵ３０は、例えば、アクセル開度やクランク角センサ３３で検出されるクランク軸６の回転数等に基づいて目標当量比を決定し、排気路１３に設けられ、排ガスＥの酸素濃度を検出可能な酸素センサ２５の検出結果に基づいて、燃料Ｇの供給量を調整して、燃焼室２における混合気の当量比を、上記目標当量比となるように制御する。
【００２９】
シリンダ５には、過早着火等によって発生するノックを検出するノックセンサ３１（ノック検出手段の一例）が設けられ、ノックセンサ３１はノックを検出したときに、それを認識可能な出力信号をＥＣＵ３０に送出する。
尚、直接ノックの発生を検出する上記ノックセンサ３１をノック検出手段として設ける代わりに、ＥＣＵ３０により、エンジン１００のアクセル開度や回転数から認識される設定出力とそのときのＥＧＲ率等の運転条件とから、ノックが発生し得る状態であるかを検出することができる。即ち、ＥＣＵ３０は、高出力運転を行っているにも関わらずＥＧＲ率が低いときには、ノックが発生し得る状態になっていると判断することができる。
【００３０】
ＥＧＲ率設定を伴って燃焼室に給気される新気に排ガスＥを再循環させるＥＧＲ手段２０として、排気路１３と給気路１２とを接続し、排気路１３の排ガスＥを給気路１２に再循環させるためのＥＧＲ流路２１と、その排ガスＥの再循環量を調整するためのＥＧＲ量調整弁２２とが設けられている。そして、ＥＣＵ３０は、例えば、クランク軸６の回転数により認識可能な燃焼室２への吸入新気量に基づいて、ＥＧＲ量調整弁２２の開度を調整して、新気に対する排ガス再循環量の割合であるＥＧＲ率を所定の目標ＥＧＲ率となるように制御する。
【００３１】
また、排気路１３には、排ガスＥの組成を測定する排ガス組成測定手段として、燃焼室２から排出される排ガスＥ中のＮＯｘ濃度を測定するＮＯｘ濃度センサ３２が設けられており、このＮＯｘ濃度センサ３２は、測定したＮＯｘ濃度を認識可能な出力信号をＥＣＵ３０に送出する。
尚、上記排ガス組成測定手段として、上記ＮＯｘ濃度センサ３２の代わりに、上記ＮＯｘ濃度とトレードオフの関係を有する排ガスＥ中のＣＯ濃度を測定するＣＯ濃度センサを設け、その検出結果と上記ＮＯｘ濃度とＣＯ濃度との関係とからＮＯｘ濃度を推定しても構わない。
【００３２】
このようなエンジン１００は、前述のように、燃焼室２において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を行って燃料Ｇを燃焼させるため、例えば圧縮比を２１程度と高く設定することができるため高効率であり、さらに混合気の当量比を例えば火炎伝播下限以下と希薄状態で燃焼させることができるため低ＮＯｘを実現することができる。
【００３３】
さらに、本発明に係るエンジン１００のＥＣＵ３０は、上記ノックセンサ３１でノックが検出されたときに、上記ＥＧＲ手段２０を働かせて、上記ＥＧＲ率を増加することで、出力増加によるノックの発生を回避するノック回避制御を実行するノック回避制御手段として機能する。
以下に、その詳細な運転制御方法について、図２のフロー図に基づいて説明する。
【００３４】
上記ノック回避制御を行うノック回避制御手段として構成されたＥＣＵ３０は、ノックセンサ３１、又は、エンジン１００の運転条件により、ノックの発生したこと又はノックが発生し得る状態となったことを認識した（ステップ１０１）ときに、ＮＯｘ濃度センサ３２から、ノックが発生を認識した時点における排ガスＥの組成としての排ガスＥ中のＮＯｘ濃度を取得する。
【００３５】
そして、その取得した排ガスＥ中のＮＯｘ濃度が、所定の基準濃度未満であるか否かを判断し（ステップ１０３）、基準濃度未満であれば下記のステップ１０４を実行し、基準濃度以上であれば下記のステップ１０５を実行する。
【００３６】
上記排ガスＥ中のＮＯｘ濃度が上記基準濃度未満であるときには、排ガスＥ中の酸化剤として働くＮＯｘを燃焼室２に供給することにより燃焼室２における燃焼が促進される程度が、ＥＧＲにより燃焼が緩慢になる程度よりも小さいと判断でき、ＥＧＲ率を少し増加させるだけで、燃焼室２における燃焼が緩慢となると考えられる。よって、ＥＣＵ３０は、ステップ１０４において、ノックを回避するためのＥＧＲ率の増加量を、比較的小さめの第一増加量Ａに決定し、ＥＧＲ手段２０によりＥＧＲ率を第一増加量Ａ分増加させる（ステップ１０６）。
【００３７】
一方、上記排ガスＥ中のＮＯｘ濃度が上記基準濃度以上であるときには、排ガスＥ中の酸化剤として働くＮＯｘを燃焼室２に供給することにより燃焼室２における燃焼が促進される程度が、ＥＧＲにより燃焼が緩慢になる程度よりも大きく、ＥＧＲ率を少し増加させただけでは、燃焼室２における燃焼を緩慢にすることができないと考えられる。
そこで、ＥＣＵ３０は、上記ステップ１０５において、ノックを回避するためのＥＧＲ率の増加量を、上記第一増加量Ａよりも十分に大きい第二増加量Ｂに決定し、燃焼室２における酸素濃度低下及び熱容量増加により燃焼を緩慢にする程度を十分に大きくして、ＥＧＲ手段２０によりＥＧＲ率を第二増加量Ｂ分増加させる（ステップ１０６）。
【００３８】
上記実施の形態では、排ガスＥの組成としてのＮＯｘ濃度に基づいて上記ＥＧＲ率増加量を決定するに、ＮＯｘ濃度の基準濃度に対する大小により、上記ＥＧＲ率増加量を上記第一増加量Ａと第二増加量Ｂとに切り替える構成を説明したが、別に、上記ＮＯｘ濃度から上記ＥＧＲ率増加量を導出するための関係式を予め準備しておき、上記ＥＧＲ率増加量を、測定したＮＯｘ濃度をその関係式に代入して得たＥＧＲ率増加量に決定しても構わない。また、上記第一増加量Ａと第二増加量Ｂ、及び、上記ＮＯｘ濃度から上記ＥＧＲ率増加量を導出するための関係式は、エンジン出力によって変更しても構わない。
【００３９】
上記実施の形態では、予混合圧縮着火エンジンについて説明したが、本発明に係るエンジンは、上記予混合圧縮着火エンジン以外の、例えば、火花点火エンジン又はディーゼルエンジン等として構成しても、前述の作用効果を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの実施形態を示す概略構成図
【図２】本発明に係る運転制御方法の実施の形態を示すフロー図
【図３】燃焼室における熱発生率の状態を示すグラフ図
【符号の説明】
２：燃焼室
３：ピストン
５：シリンダ
６：クランク軸
７：給気弁
８：排気弁
１２：給気路
１３：排気路
１８：ミキサ
１９：燃料量調整弁
２０：ＥＧＲ手段
２１：ＥＧＲ流路
２２：ＥＧＲ量調整弁
２５：酸素センサ
３０：ＥＣＵ
３１：ノックセンサ（ノック検出手段）
３２：ＮＯｘ濃度センサ（排ガス組成測定手段）
１００：エンジン
Ａ：空気
Ｅ：排ガス
Ｇ：燃料[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a knock detecting means for detecting knock, an EGR means for recirculating exhaust gas to fresh air supplied to a combustion chamber with an EGR rate setting, and a knock detecting means for detecting knock. The present invention relates to an engine provided with a knock avoidance control means for avoiding knock by increasing the EGR rate set by the EGR means and a knock avoidance control method, and more particularly, to self-ignition by compressing an air-fuel mixture in the combustion chamber. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a homogeneous charge compression ignition engine that burns and burns, and a knock avoidance control method thereof.
[0002]
[Prior art]
The operating range of the engine is limited by the occurrence of knock, misfire, and the like. That is, the upper limit of the engine output is a value immediately before knock occurs. In addition, so-called EGR (exhaust gas recirculation) that recirculates a part of the exhaust gas discharged from the combustion chamber into fresh air supplied to the combustion chamber in order to expand the operating range of the engine caused by knocking. It is possible to do. In other words, the EGR can increase the heat capacity of the gas in the combustion chamber and reduce the temperature in the combustion chamber by recirculating CO 2 or the like having a large specific heat in the exhaust gas to fresh air. In addition, although it is used as a measure for suppressing the generation of NOx, similarly, since the pressure rise rate in the combustion chamber can be reduced, it can also be used as a measure for suppressing knock.
[0003]
In particular, a premixed compression ignition engine capable of realizing high efficiency and low NOx reduction is characterized in that the lean premixed gas is highly compressed, self-ignited and burned in the combustion chamber. When the power is increased and the high-output operation is performed, the combustion speed increases, and knock is more likely to occur. Therefore, in such a homogeneous charge compression ignition engine, by applying the EGR described above, it is possible to suppress an increase in combustion speed during high-power operation, suppress knocking, and expand the operating range of the homogeneous charge compression ignition engine. Has been proposed (for example, see Patent Document 1).
[0004]
In detail, in Patent Document 1, the output is set high by utilizing the fact that the NOx concentration in the exhaust gas and the combustion speed in the combustion chamber have a correlation, and when the NOx concentration in the exhaust gas tends to increase. The technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-157572 increases the EGR rate to reduce the combustion speed in the combustion chamber, avoids knock due to an increase in output, and stabilizes the combustion speed in the combustion chamber.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2001-152853 A
[Problems to be solved by the invention]
However, depending on the operating conditions of the engine, even if EGR is performed, knocking cannot be sufficiently avoided, and especially in a homogeneous charge compression ignition engine, the operating range cannot be expanded by applying EGR. was there.
That is, in Patent Document 1, when the NOx concentration in the exhaust gas tends to increase, even if the EGR rate is increased, the combustion speed cannot be reduced and the combustion stability may not be ensured. Was.
That is, even if the exhaust gas is recirculated to the combustion chamber by the EGR and the combustion speed is reduced by a decrease in the oxygen concentration and an increase in the heat capacity in the combustion chamber, the combustion in the combustion chamber is further promoted by any factor. It is thought that it is.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an engine, in particular, a homogeneous charge compression ignition engine, in which, in view of the above circumstances, the combustion speed is effectively adjusted by EGR to stabilize combustion in a combustion chamber, An object of the present invention is to realize an operation control technique capable of expanding an operation range.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
A first characteristic configuration of an engine operation control method according to the present invention for achieving the above object is configured to be able to detect a knock, and to recycle exhaust gas to fresh air supplied to a combustion chamber with EGR rate adjustment. An operation control method that is executed in an engine configured to be capable of circulation and that increases an EGR rate to avoid knocking when the knock is detected,
When the knock is detected, the composition of the exhaust gas is measured, and the EGR rate is increased by an increase determined based on the composition of the exhaust gas.
[0009]
The first feature configuration of the engine operation control method according to the present invention can be implemented, and the first feature configuration of the engine according to the present invention for achieving the above object includes a knock detection means for detecting knock, an EGR rate EGR means for recirculating exhaust gas to fresh air supplied to the combustion chamber with setting, and knocking by increasing the EGR rate set by the EGR means when knock is detected by the knock detecting means. And a knock avoiding control means for avoiding
Equipped with exhaust gas composition measuring means for measuring the composition of the exhaust gas of the exhaust gas,
The knock avoiding control means is configured to determine the amount of increase in the EGR rate based on the measurement result of the exhaust gas composition measuring means.
[0010]
As described in the section of the problem to be solved by the present invention, the inventors of the present application have found that even if the EGR rate is increased or decreased in the engine, the combustion speed in the combustion chamber cannot be sufficiently reduced or increased. The reason is that the exhaust gas recirculated to the combustion chamber works as an oxidizing agent to promote combustion in the combustion chamber, and depending on the EGR rate, the degree of the combustion promotion is such that the combustion in the combustion chamber becomes slow. It was found that it is equivalent or higher. That is, as shown in a graph showing the state of the heat release rate in the combustion chamber of the engine in FIG. 3, the EGR rate is set to a relatively low level of about 0%, about 10%, or about 15%. If the NOx concentration in the exhaust gas is equal to or higher than that at the time of the EGR rate of 0% as in 1, increasing the EGR rate, instead of slowing down the combustion and delaying the ignition timing, Conversely, combustion is promoted and the ignition timing is advanced. On the other hand, by making the EGR rate relatively high, about 20% or more, about 25%, or about 30%, as shown in Table 1 below, the NOx concentration in the exhaust gas is sufficiently higher than when the EGR rate is 0%. When the EGR rate is increased, the combustion is slowed down and the ignition timing can be delayed.
Therefore, the inventors of the present invention consider that this can be considered and determine the amount of increase of the EGR rate in the knock avoidance control, so that the combustion in the combustion chamber can be made more stable. completed.
[0011]
[Table 1]
[0012]
That is, according to the characteristic configuration, when the knock avoidance control means detects the occurrence of knock with a knock sensor or the like, or when the high output operation is performed and the knock is likely to occur, the EGR is performed. By increasing the EGR rate set by the means by an increase amount of the EGR rate determined based on the composition of the exhaust gas detected by the exhaust gas composition measuring means, the exhaust gas at that time is strongly used as an oxidant against combustion. Even when the influence is exerted, it is possible to determine the amount of increase in the EGR rate to be sufficiently large to reliably avoid knocking.
Therefore, by the engine and the operation control method according to the present invention, knocking can be reliably avoided, and the combustion stability and the operation range can be expanded.
[0013]
A second characteristic configuration of the engine operation control method according to the present invention includes, in addition to the first characteristic configuration of the engine operation control method, an amount of increase in the EGR rate, the NOx in the exhaust gas as a composition of the exhaust gas. The point is that it is determined based on the density.
[0014]
The second characteristic configuration of the engine according to the present invention, which is capable of performing the second characteristic configuration of the operation control method for the engine according to the present invention, includes the first characteristic configuration of the engine, The composition of the exhaust gas is a means for measuring the NOx concentration in the exhaust gas.
[0015]
When performing EGR, the the combustion in the combustion chamber is promoted, NOx (nitrogen oxides) which acts as an oxidizing agent in the exhaust gas, in particular believed to be due to the presence of NO 2.
Therefore, according to the characteristic configuration, the exhaust gas composition measuring means is configured as a NOx concentration sensor or the like for measuring the NOx concentration in the exhaust gas as the composition of the exhaust gas, and the amount of increase in the EGR rate is determined based on the measurement result. Is determined, the increase in the EGR rate is determined to be sufficiently large even when the NOx concentration acting as an oxidant in the exhaust gas at that time is such that the oxidant is strongly affected by the combustion. As a result, knock can be reliably avoided.
[0016]
A third characteristic configuration of the engine operation control method according to the present invention includes, in addition to the second characteristic configuration of the engine operation control method, when the NOx concentration is less than a predetermined reference concentration, The increase amount is determined as a first increase amount, and when the NOx concentration is equal to or higher than the reference concentration, the increase amount of the EGR rate is determined as a second increase amount larger than the first increase amount. .
[0017]
The third characteristic configuration of the engine according to the present invention, which can implement the third characteristic configuration of the operation control method for the engine according to the present invention, is characterized in that, in addition to the second characteristic configuration of the engine, When the NOx concentration is less than the predetermined reference concentration, the amount of increase in the EGR rate is determined as a first increase amount, and when the NOx concentration is equal to or more than the reference concentration, the amount of increase in the EGR rate is determined. This is a means for determining the second increase amount larger than the first increase amount.
[0018]
That is, according to the characteristic configuration, by the knock avoidance control means, the measured NOx concentration in the exhaust gas is lower than the predetermined reference concentration, and the degree to which the combustion is promoted by the EGR is the degree to which the combustion is slowly performed by the EGR. If it can be determined that the EGR rate is relatively smaller than a certain degree, the increase in the EGR rate is determined to be a smaller first increase, and knocking can be avoided. If the NOx concentration is equal to or higher than the reference concentration and it can be determined that the extent to which the combustion is promoted by the EGR is greater than the extent to which the combustion becomes slow due to the EGR, the amount of increase in the EGR rate is made smaller than the first amount of increase. By setting the second increase amount to be large, the degree of slowing down the combustion due to the decrease in the oxygen concentration in the combustion chamber and the increase in the heat capacity can be made sufficiently large to avoid knocking.
The first increase amount and the second increase amount of the EGR rate corresponding to the NOx concentration are used to avoid knocking while changing the NOx concentration by changing the output or the like in a verification test using an engine in advance. A possible increase in the EGR rate is obtained, and the determination can be made based on the data of the NOx concentration and the increase in the EGR rate.
[0019]
A fourth characteristic configuration of the engine according to the present invention is configured as a premix compression ignition engine that compresses the air-fuel mixture in the combustion chamber to self-ignite and burn in addition to the first to third characteristic configurations of the engine. It is in the point.
[0020]
In other words, according to the above-described characteristic configuration, particularly in a premixed compression ignition engine in which it is difficult to expand the operating range, the knock avoidance control that determines the amount of increase in the EGR rate based on the composition of the exhaust gas is performed. Knock during output operation can be satisfactorily avoided, and the operating range can be expanded.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of an engine according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0022]
The engine 100 shown in FIG. 1 includes a combustion chamber 2 defined by an inner surface of a cylinder 5 and a top surface of a piston 3, an air supply passage 12 connected to the combustion chamber 2 via an air supply valve 7, and a combustion chamber. 2 is provided with an exhaust path 13 connected via an exhaust valve 8.
[0023]
The piston 3 is swingably connected to the connecting rod 4, and the reciprocating motion of the piston 3 is obtained by the connecting rod 4 as a rotational movement of one crankshaft 6, and such a configuration is no different from a normal engine. .
[0024]
Air A (fresh air) flowing through the air supply path 12 is supplied with a natural gas-based city gas fuel G in a mixer 18 to become an air-fuel mixture, and is supplied to the combustion chamber 2.
[0025]
The engine 100 compresses the air-fuel mixture supplied to the combustion chamber 2 by raising the piston 3 and raises the temperature to the ignition point, so that the air-fuel mixture self-ignites and burns, that is, a so-called premix compression ignition operation. The engine is configured as a premixed compression ignition engine that performs fuel combustion.
[0026]
The engine 100 is provided with an engine control unit (hereinafter, referred to as an ECU) 30 including a computer. The ECU 30 is configured to perform various controls such as a knock avoidance control of the engine 100.
[0027]
The air A flowing through the air supply passage 12 may be appropriately pressurized by a supercharger or heated by an aftercooler.
[0028]
The flow rate of the fuel G supplied to the mixer 18 can be adjusted by a fuel amount adjusting valve 19. The ECU 30 determines the target equivalence ratio based on, for example, the accelerator opening and the rotation speed of the crankshaft 6 detected by the crank angle sensor 33, and is provided in the exhaust passage 13 to detect the oxygen concentration of the exhaust gas E. The supply amount of the fuel G is adjusted based on the detection result of the possible oxygen sensor 25, and the equivalent ratio of the air-fuel mixture in the combustion chamber 2 is controlled so as to be the target equivalent ratio.
[0029]
The cylinder 5 is provided with a knock sensor 31 (an example of a knock detection unit) that detects a knock generated due to premature ignition or the like. When the knock sensor 31 detects a knock, the knock sensor 31 outputs an output signal capable of recognizing the knock. To send to.
Note that instead of providing the knock sensor 31 for directly detecting the occurrence of knock as a knock detection means, the ECU 30 allows the ECU 30 to set a setting output recognized from the accelerator opening and the number of revolutions of the engine 100 and operating conditions such as an EGR rate at that time. Thus, it can be detected whether or not knocking can occur. That is, when the EGR rate is low despite the high output operation, the ECU 30 can determine that knock is likely to occur.
[0030]
As an EGR means 20 for recirculating the exhaust gas E to the fresh air supplied to the combustion chamber with the setting of the EGR rate, the exhaust path 13 and the supply path 12 are connected, and the exhaust gas E in the exhaust path 13 is supplied to the supply path. An EGR flow path 21 for recirculating the exhaust gas 12 and an EGR amount adjustment valve 22 for adjusting the recirculation amount of the exhaust gas E are provided. Then, the ECU 30 adjusts the opening degree of the EGR amount adjustment valve 22 based on, for example, the amount of fresh air taken into the combustion chamber 2 that can be recognized from the number of revolutions of the crankshaft 6, so that the exhaust gas recirculation amount with respect to the fresh air Is controlled such that the EGR rate, which is a ratio of the EGR rate, becomes a predetermined target EGR rate.
[0031]
The exhaust passage 13 is provided with a NOx concentration sensor 32 for measuring the NOx concentration in the exhaust gas E discharged from the combustion chamber 2 as an exhaust gas composition measuring means for measuring the composition of the exhaust gas E. The sensor 32 sends an output signal capable of recognizing the measured NOx concentration to the ECU 30.
As the exhaust gas composition measuring means, a CO concentration sensor for measuring the CO concentration in the exhaust gas E having a trade-off relationship with the NOx concentration is provided instead of the NOx concentration sensor 32. The detection result and the NOx concentration The NOx concentration may be estimated from the relationship between the NOx concentration and the CO concentration.
[0032]
As described above, since the engine 100 performs the premixed compression ignition operation of compressing the air-fuel mixture in the combustion chamber 2 and self-igniting to burn the fuel G as described above, the compression ratio is set as high as, for example, about 21. Therefore, it is possible to achieve high efficiency, and further, it is possible to achieve a low NOx since the mixture can be burned in a lean state with the equivalent ratio of the air-fuel mixture being, for example, lower than the lower limit of flame propagation.
[0033]
Further, when knock is detected by the knock sensor 31, the ECU 30 of the engine 100 according to the present invention activates the EGR means 20 to increase the EGR rate, thereby avoiding the occurrence of knock due to an increase in output. It functions as a knock avoidance control unit that executes knock avoidance control.
Hereinafter, the detailed operation control method will be described based on the flowchart of FIG.
[0034]
The ECU 30 configured as a knock avoidance control unit that performs the knock avoidance control recognizes that knock has occurred or knock has occurred in a state where knock can occur depending on the operating conditions of the knock sensor 31 or the engine 100 ( At step 101), the NOx concentration in the exhaust gas E as the composition of the exhaust gas E at the time when knocking is recognized is acquired from the NOx concentration sensor 32.
[0035]
Then, it is determined whether or not the obtained NOx concentration in the exhaust gas E is less than a predetermined reference concentration (step 103). If the NOx concentration is less than the reference concentration, the following step 104 is executed. If so, the following step 105 is executed.
[0036]
When the NOx concentration in the exhaust gas E is lower than the reference concentration, the degree to which the combustion in the combustion chamber 2 is promoted by supplying NOx serving as an oxidant in the exhaust gas E to the combustion chamber 2 is determined by the EGR. It can be determined that it is smaller than the degree of slowing down, and it is considered that combustion in the combustion chamber 2 becomes slower only by slightly increasing the EGR rate. Therefore, in step 104, the ECU 30 determines the increase amount of the EGR rate for avoiding knock to the relatively small first increase amount A, and increases the EGR rate by the first increase amount A by the EGR means 20. (Step 106).
[0037]
On the other hand, when the NOx concentration in the exhaust gas E is equal to or higher than the reference concentration, the extent to which combustion in the combustion chamber 2 is promoted by supplying NOx acting as an oxidant in the exhaust gas E to the combustion chamber 2 is determined by EGR. It is considered that the combustion in the combustion chamber 2 cannot be slowed down just by slightly increasing the EGR rate, which is larger than the degree at which the combustion slows down.
Therefore, in step 105, the ECU 30 determines the amount of increase in the EGR rate for avoiding knock to be the second increase B, which is sufficiently larger than the first increase A, and decreases the oxygen concentration in the combustion chamber 2. The degree of slowing down the combustion by increasing the heat capacity is made sufficiently large, and the EGR means 20 increases the EGR rate by the second increase amount B (step 106).
[0038]
In the above embodiment, when determining the EGR rate increase amount based on the NOx concentration as the composition of the exhaust gas E, the EGR rate increase amount is determined by the first increase amount A and the first increase amount A according to the magnitude of the NOx concentration with respect to the reference concentration. The configuration for switching to the second increase amount B has been described. Separately, a relational expression for deriving the EGR rate increase amount from the NOx concentration is prepared in advance, and the EGR rate increase amount is determined by measuring the measured NOx concentration. The EGR rate increase obtained by substituting into the relational expression may be determined. Further, the relational expression for deriving the EGR rate increase amount from the first increase amount A and the second increase amount B and the NOx concentration may be changed according to the engine output.
[0039]
In the above-described embodiment, the homogeneous charge compression ignition engine is described. The effect can be exhibited.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a homogeneous charge compression ignition engine according to the present invention. FIG. 2 is a flowchart showing an embodiment of an operation control method according to the present invention. FIG. 3 is a heat generation rate in a combustion chamber. Graph diagram showing the state of [Description of reference numerals]
2: Combustion chamber 3: Piston 5: Cylinder 6: Crankshaft 7: Supply valve 8: Exhaust valve 12: Supply path 13: Exhaust path 18: Mixer 19: Fuel amount adjusting valve 20: EGR means 21: EGR flow path 22: EGR amount adjustment valve 25: oxygen sensor 30: ECU
31: Knock sensor (knock detection means)
32: NOx concentration sensor (exhaust gas composition measuring means)
100: Engine A: Air E: Exhaust gas G: Fuel
