JP2005083335A - 予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置において、トルク変動の発生を抑制することができる技術を提供する。
【解決手段】揮発性の異なる複数種類の燃料の供給比率を機関状態に応じて制御する予混合圧縮着火式内燃機関１の制御装置９において、燃料の燃焼開始時期を検出する燃焼開始時期検出手段１１を備え、燃焼開始時期検出手段１１により検出された燃焼開始時期が、規定の時期よりも早くなるほど、前回燃料供給時よりも揮発性の高い燃料の供給比率を高くし、一方、規定の時期よりも遅くなるほど、前回燃料供給時よりも揮発性の高い燃料の供給比率を低くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の回転数及び負荷に応じてセタン価の異なる燃料の供給比率を制御して予混合圧縮着火を行う技術（例えば、特許文献１参照。）、筒内圧から燃焼開始時期及び燃焼期間を算出し、これらが目標値になるように点火時期及び燃料噴射量を制御する技術（例えば、特許文献２参照。）、負荷に応じてオクタン価の異なる燃料の混合比率を制御する技術（例えば、特許文献３参照。）、筒内圧を検出して燃焼状態と着火状態を把握し、あらゆる運転状態において安定着火が確保できる最小限のパイロット噴射量を供給する技術（例えば、特許文献４参照。）、パイロット噴射モードとメイン噴射モードとを切り替えるときは燃料噴射時期を除変する技術（例えば、特許文献５参照。）が知られている。
特開２００１−３５５４７１号公報 特開平７−４２６０７号公報 特開２０００−１７９３６８号公報 特開平６−１５９１８２号公報 特開２０００−１８０７７号公報

ところで、複数種類の燃料の供給比率を機関状態に応じて制御する予混合圧縮着火式内燃機関において、予混合圧縮着火及び予混合ではない圧縮着火（拡散燃焼）の少なくとも２つの燃焼モードを有し、機関回転数や負荷に応じてこの燃焼モードを変更する場合には、燃焼モードが変化する過渡運転時に燃料噴射時期や供給燃料量が大きく変化するため、トルク変動を誘発させる虞がある。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置において、トルク変動の発生を抑制することができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置は、以下の手段を採用した。即ち、
揮発性の異なる複数種類の燃料の燃焼室内への供給比率を機関状態に応じて制御する予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置において、
燃料の燃焼開始時期を検出する燃焼開始時期検出手段を備え、
前記燃焼開始時期検出手段により検出された燃焼開始時期が、規定の時期よりも早い場合には、規定の時期となるように前回燃料供給時よりも揮発性の高い燃料の供給比率を高くし、一方、規定の時期よりも遅い場合には、規定の時期となるように前回燃料供給時よりも揮発性の高い燃料の供給比率を低くすることを特徴とする。

本発明の最大の特徴は、燃焼開始時期が規定の時期となるように燃料の供給比率を変え
、以てトルク変動を抑制することにある。
ここで、「規定の時期」とは、内燃機関の運転状態から求まる最適な燃焼開始時期であって、ある程度の幅があっても良い。また、規定の時期はクランクアングルで表しても良い。

燃焼開始時期が変動すると、筒内での最大圧力が変動し、そのためトルク変動が発生する。従って、燃焼開始時期の変動を抑制することによりトルク変動を抑制することができる。ここで、燃焼開始時期が規定の時期よりも早くなった場合には、揮発性の高い燃料を供給することにより、燃焼開始時期を遅くすることができ、トルク変動の発生を抑制することができる。

本発明においては、ピストンの圧縮上死点前で揮発性の低い燃料を供給することで圧縮上死点付近で揮発性の低い燃料の予混合気を形成する運転領域と、ピストンの圧縮上死点付近で揮発性の低い燃料を供給する運転領域と、を切り替える過渡運転時には、揮発性の低い燃料の供給時期を徐々に変化させつつ、前記燃焼開始時期検出手段により検出される燃焼開始時期が規定の時期となるように燃料の供給比率を変更することができる。

このように構成された予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置では、燃焼モードの切り替え時に、燃料の供給時期が変化する。即ち、ピストンの圧縮上死点前で揮発性の低い燃料を供給することで圧縮上死点付近で揮発性の低い燃料の予混合気を形成する運転領域、すなわち予混合圧縮着火を行う燃焼モードでは、空気と燃料とを予め混合させるために燃料の供給時期を圧縮上死点よりも早くすることが必要となる。一方、ピストンの圧縮上死点付近で揮発性の低い燃料を供給する運転領域、すなわち拡散燃焼を行う燃焼モードでは、予め燃料を混合させる必要はなく、そのため圧縮行程終期に燃料を供給するので、予混合圧縮着火の場合と比較して燃料の供給時期が遅い。ここで、燃焼モード切り替え時に燃料の供給時期が急激に変化すると、トルク変動が発生する虞がある。しかし、燃料の供給時期を徐々に変化させても、変化の途中で燃料が燃焼しない場合や消炎する場合があり、やはりトルク変動が発生する虞がある。このようにトルク変動が発生している場合には、燃焼開始時期も変動する。従って、燃焼開始時期が変動している場合には、トルク変動が発生しているとすることができる。また、燃焼開始時期が規定の時期となっていない場合には、機関発生トルクの過不足が生じている場合である。ここで、揮発性の高い燃料を供給、若しくは供給比率を高めると、燃焼開始時期が遅れる。そこで、揮発性の低い燃料の供給時期を徐々に変化させる場合であって、燃焼開始時期が規定の時期よりも早くなった場合には、揮発性の高い燃料の供給比率を高め、遅くなった場合には揮発性の高い燃料の供給比率を低めることにより、燃焼開始時期を規定の時期とすることができ、トルク変動の発生を抑制することができる。

また、揮発性の高い燃料は、予混合気を形成しやすいため、この揮発性の高い燃料の供給比率を高めことは、燃焼速度を速くするのに効果的である。
本発明においては、揮発性が高いほうの燃料を内燃機関の吸気通路から供給し、揮発性が低いほうの燃料を筒内に直接噴射することができる。

本発明に係る予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置では、燃料の燃焼状態に基づいて揮発性の異なる複数の燃料の供給比率を変更し、トルク変動を抑制することができる。

以下、本発明による予混合圧縮着火式内燃機関の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明による予混合圧縮着火式内燃機関を車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。

図１は、本実施例によるエンジン１及びその吸排気系の概略構成を示す図である。
図１に示すエンジン１は、気筒２を有し、予混合燃焼及び拡散燃焼により運転が可能な内燃機関である。

エンジン１には、気筒２内へ軽油を噴射する筒内燃料噴射弁３が備えられている。
また、エンジン１には、吸気通路４が接続されている。この吸気通路４には、該吸気通路４内を流通する吸気中にガソリンを噴射する吸気内燃料噴射弁５が設けられている。

尚、ガソリンは軽油よりも揮発性が高く、従って、本実施例では、揮発性の高い燃料としてガソリンを使用し、揮発性の低い燃料として軽油を使用する。
一方、エンジン１には、排気通路６が接続されている。排気通路６の途中には、排気中の有害物質を浄化する排気浄化触媒７が備えられている。この排気浄化触媒７の下流の排気通路６には、該排気通路６を流通する排気の温度に応じた信号を出力する排気温度センサ８が備えられている。

ここで、筒内燃料噴射弁３に駆動電流が印加されると、筒内燃料噴射弁３が開弁し、その結果、筒内燃料噴射弁３から気筒２内へ軽油が噴射される。一方、吸気内燃料噴射弁５に駆動電流が印加されると、吸気内燃料噴射弁５が開弁し、その結果、吸気内燃料噴射弁５から吸気通路４内へガソリンが噴射される。吸気通路４内へ噴射されたガソリンは、空気とともに混合気を形成して気筒２へ吸入される。これにより、予混合燃焼が可能となる。一方、吸気行程中に筒内燃料噴射弁３から軽油を噴射させることによっても予混合燃焼を行うことが可能である。また、筒内燃料噴射弁３及び吸気内燃料噴射弁５から噴射される燃料の量や供給比率は、エンジン回転数と負荷とからマップにより算出される。更に、燃料噴射時期もエンジン回転数とエンジン負荷とからマップにより算出される。これらのマップは、予め実験等により求めておく。

また、エンジン１には、該エンジン１の冷却水温度を測定する水温センサ１０及び気筒２内の圧力を測定する筒内圧センサ１１が取り付けられている。この筒内圧センサ１１により、気筒２内における燃料の燃焼開始時期を得ることができる。この燃焼開始時期については、後述する。

以上述べたように構成されたエンジン１には、該エンジン１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）９が併設されている。このＥＣＵ９は、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御するユニットである。

また、ＥＣＵ９には、各種センサが電気配線を介して接続され、各種センサの出力信号が入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ９には、筒内燃料噴射弁３、吸気内燃料噴射弁５等が電気配線を介して接続され、これらを制御することが可能になっている。また、前記ＥＣＵ９は、各種アプリケーションプログラム及び各種制御マップを記憶している。

ところで、筒内燃料噴射弁３から予混合可能な時期（例えば、クランクアングルで上死点前６０度から９０度）に軽油を噴射させる予混合圧縮着火では、エンジン回転数及びエンジン負荷が増加すると、通常の着火時期よりも早い時期に着火する過早着火が起こりやすくなり、高回転高負荷領域では予混合圧縮着火による運転が困難となる。この過早着火を抑制するために、エンジン回転数及びエンジン負荷が低い運転領域では予混合圧縮着火を行う燃焼モードにてエンジンの運転を行い、エンジン回転数及びエンジン負荷が高い運
転領域では通常の圧縮着火、即ち拡散燃焼行う燃焼モードにてエンジンの運転を行っている。

ここで、図２は、エンジン回転数とエンジン発生トルクと燃焼モードとの関係を示した図である。
エンジン回転数が低く且つエンジン発生トルクが小さい運転領域（１）では、軽油だけをエンジン１に供給し、且つ、軽油の噴射時期を例えばクランクアングルで上死点前６０度から９０度までの間とする。ここでは、気筒２内への軽油の供給時期を通常よりも早くし、軽油で予混合気を形成させている。即ち、運転領域（１）は、軽油による予混合燃焼を行う燃焼モードが選択される。

また、エンジン回転数及びエンジン発生トルクが中程度の運転領域（２）では、軽油の他にガソリンも供給し、且つ、エンジン回転数が高くなるほど、若しくはエンジン発生トルクが大きくなるほどガソリンの供給量を増加させる。また、軽油の噴射時期を例えばクランクアングルで上死点前６０度から９０度までの間とする。ガソリンは、吸気行程中に噴射される。この運転領域でも、気筒２内への軽油の供給時期を通常よりも早くし、軽油及びガソリンで予混合気を形成させている。即ち、運転領域（２）は、軽油及びガソリンによる予混合燃焼を行う燃焼モードが選択される。

更に、エンジン回転数が高く且つエンジン発生トルクが大きい運転領域（３）では、ガソリン及び軽油を供給し、且つ、軽油の噴射時期を例えばクランクアングルで上死点前３０度から上死点後１０度までの間とする。ガソリンは、吸気行程中に噴射される。この運転領域（３）では、主に軽油によりエンジン１の運転が行われるが、軽油が着火した後の火炎伝播を良好なものとするため、さらには燃焼速度を高めるためにガソリンも供給されている。即ち、運転領域（３）は、主に軽油による拡散燃焼を行う燃焼モードが選択される。

従来では、運転領域（１）から運転領域（３）へ切り替えるとき、若しくは、運転領域（３）から運転領域（１）へ切り替えるときには、運転領域（２）を経ていた。そのため、運転領域（２）と（３）との境界で、軽油の供給時期が大きく変わって燃料の燃焼状態が変化し、トルクショックやトルク変動が発生することがある。このようなトルクショック等をガソリンの供給比率を変更することにより吸収させることも考えられる。ここで、トルクショック等と燃料の燃焼開始時期とには密接な関係があり、トルクショック等が発生している場合には燃焼開始時期が最適な時期から進角若しくは遅角している。

ここで、燃焼開始時期について説明する。
図３は、燃料が燃焼したときの気筒内の圧力変化、及び燃料が燃焼しなかったときの気筒２内の圧力変化を、横軸をクランクアングル、縦軸を気筒内圧力として示した図である。

ここで、燃料が燃焼したときの気筒２内の圧力（以下、燃焼圧力とする。）を実線で示し、燃料が燃焼しなかったときの気筒２内の圧力（以下、非燃焼筒内圧力とする。）を破線で示している。そして、本実例では、筒内圧センサ１１により検出される気筒内の圧力が非燃焼筒内圧力よりも高くなった時（図３中Ａ点）を燃焼開始時期としている。つまり、
筒内圧力＞非燃焼筒内圧力
となったクランクアングルが燃焼開始時期である。

ここで、非燃焼筒内圧力は、計算値であり、吸気通路４内の圧力及びエンジン１の圧縮比から算出される値である。
尚、イオン電流や光測定等により燃焼開始時期を得るようにしても良い。

そして、ガソリンの供給比率を低くすると、燃焼開始時期を早くすることができる。また、ガソリンの供給比率を高くすると、燃焼開始時期を遅らせることができる。このように、ガソリンの供給比率を変更することによりトルクショック等を抑制することもできる。しかし、ガソリンは吸気通路４で噴射されるため、気筒２に吸入されるまでに時間がかかり、その間はトルクショックが発生する虞がある。また、トルクショックを抑制しようとして軽油の供給時期を徐々に変化させると、変化の途中で軽油に着火しない場合があったり、着火したとしても消炎する場合があったりしてやはりトルク変動が発生する虞がある。

その点、本実施例では、運転領域（１）から運転領域（３）へ切り替わる過渡運転時、若しくは、運転領域（３）から運転領域（１）へ切り替わる過渡運転時には、運転領域（２）において、軽油の供給時期を徐々に変化させつつ、筒内圧センサ１１の出力信号から燃焼開始時期を求め、この燃焼開始時期が最適な時期よりも早くなった場合にはガソリンの供給比率を高める。また、最適な時期よりも遅くなった場合にはガソリンの供給比率を低めても良い。即ち、前記したような、エンジン回転数や発生トルクが大きくなるほどガソリンの供給量を増加させ、且つ、軽油の噴射時期を例えばクランクアングルで上死点前６０度から９０度までの間とする運転は行わない。

尚、本実施例では、燃焼開始時期が規定のクランクアングルの時となるようにガソリンの供給比率をフィードバック制御する。この規定のクランクアングルは、トルク変動が許容範囲内となるような燃焼開始時期であって、予め実験等により求めておく。そして、筒内圧センサ１１により検出される燃焼開始時期が、規定のクランクアングルよりも早い場合にはガソリンの供給比率を高め、また、規定のクランクアングルよりも遅い場合にはガソリンの供給比率を低めるフィードバック制御を行う。そして、燃焼開始時期を規定のクランクアングルとする。

このように、軽油の供給時期を徐々に変化させることにより、燃焼状態が急激に変化することなく、且つ、燃焼開始時期を規定のクランクアングルとすることにより、エンジン１のトルクショックやトルク変動を抑制することができる。

尚、本実施例では、規定のクランクアングルでの筒内圧が、許容される圧力以下の場合にはガソリンの供給比率を低め、一方、許容される圧力よりも大きくなった場合にはガソリンの供給比率を高めるフィードバック制御を行っても良い。ここで、許容される圧力は、エンジン回転数及びエンジン負荷と関係付けて予め実験等により求めマップ化しておく。また、気筒内の最大圧力が許容される圧力以下の場合にはガソリンの供給比率を低め、一方、許容される圧力よりも大きくなった場合にはガソリンの供給比率を高めるフィードバック制御を行っても良い。更には、気筒内の最大圧力の発生時期が許容される時期よりも早い場合にはガソリンの供給比率を低め、一方、遅い場合にはガソリンの供給比率を高めるフィードバック制御を行っても良い。これらの基準となる許容される圧力や許容される時期も、エンジン回転数及びエンジン負荷と関係付けて予め実験等により求めマップ化しておくことができる。

また、本実施例においては、揮発性の高い燃料としてガソリンを、揮発性の低い燃料として軽油を採用して説明したが、これに代えて、揮発性の高い燃料として軽質軽油を、揮発性の低い燃料として重質軽油を採用しても良い。また、揮発性の高い燃料は、吸気通路４への噴射に代えて、気筒２内に直接噴射するものでも良い。

更に、本実施例においては、燃焼モードの切り替え時について説明したが、燃焼モード
切り替え時に限らず、定常運転中であっても、また、燃焼モードが切り替わらない範囲内での過渡運転中であっても適用することができる。即ち、燃焼開始時期が最適な時期よりも早くなった場合に、ガソリンを供給し若しくはガソリンの供給比率を高め、一方、遅くなった場合に、ガソリンの供給を停止し若しくはガソリンの供給比率を低めても良い。前記したように、ガソリンの供給比率を高めると燃焼開始時期を遅らせることができ、一方、ガソリンの供給比率を低めると燃焼開始時期を早めることができる。これにより、全ての運転領域において燃焼開始時期を最適な時期とすることができ、トルク変動を抑制することが可能となる。

以上説明したように、本実施例によれば、燃焼領域を切り替えるときに揮発性の低い燃料である軽油の供給時期を徐々に変化させて、大きなトルクショック等を抑制し、このときの燃焼開始時期に変動があった場合にはガソリンの供給比率を変更して、トルク変動を抑制することができる。

本願発明の実施例によるエンジン及びその吸排気系の概略構成を示す図である。 エンジン回転数とエンジン発生トルクと燃焼モードとの関係を示した図である。 燃料が燃焼したときの気筒内の圧力変化、及び燃料が燃焼しなかったときの気筒内の圧力変化を、横軸をクランクアングル、縦軸を気筒内圧力として示した図である。

符号の説明

１ エンジン
２ 気筒
３ 筒内燃料噴射弁
４ 吸気通路
５ 吸気内燃料噴射弁
６ 排気通路
７ 排気浄化触媒
８ 排気温度センサ
９ ＥＣＵ
１０ 水温センサ
１１ 筒内圧センサ

Claims (3)

1. 揮発性の異なる複数種類の燃料の燃焼室内への供給比率を機関状態に応じて制御する予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置において、
   燃料の燃焼開始時期を検出する燃焼開始時期検出手段を備え、
   前記燃焼開始時期検出手段により検出された燃焼開始時期が、規定の時期よりも早い場合には、規定の時期となるように前回燃料供給時よりも揮発性の高い燃料の供給比率を高くし、一方、規定の時期よりも遅い場合には、規定の時期となるように前回燃料供給時よりも揮発性の高い燃料の供給比率を低くすることを特徴とする予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置。
2. ピストンの圧縮上死点前で揮発性の低い燃料を供給することで圧縮上死点付近で揮発性の低い燃料の予混合気を形成する運転領域と、ピストンの圧縮上死点付近で揮発性の低い燃料を供給する運転領域と、を切り替える過渡運転時には、揮発性の低い燃料の供給時期を徐々に変化させつつ、前記燃焼開始時期検出手段により検出される燃焼開始時期が規定の時期となるように燃料の供給比率を変更することを特徴とする請求項１に記載の予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置。
3. 揮発性が高いほうの燃料を内燃機関の吸気通路から供給し、揮発性が低いほうの燃料を筒内に直接噴射することを特徴とする請求項１または２に記載の予混合圧縮着火式内燃機関の制御装置。

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