JP2005098262A - 予混合圧縮自着火エンジンの制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡易かつ安価な構成により精度の良い着火制御の実現を可能とすること。
【解決手段】エンジン本体１の各気筒1a，1bに空気と燃料との混合気を供給し、その混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火エンジンの制御装置は、各気筒1a，1bに燃料を供給するためのインジェクタ10A，10Bと、エンジン本体１における吸気弁の開閉タイミングを検出するクランク角度センサ35及びカム角度センサ37とを備える。コントローラ40は、検出開閉タイミングに応じて燃料噴射時期を変更するために各インジェクタ10A，10Bを制御する。コントローラ40は、ノッキングセンサ33及び筒内圧センサ36A，36Bによりノッキング又は失火が検出されたとき、燃料噴射時期を、検出される開閉タイミングに対して相対的に遅らす又は早めるために各インジェクタ10A，10Bを制御する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、空気と燃料を予め混合した予混合気を気筒に供給し、その予混合気を気筒内にて圧縮・高温化して自着火させる予混合圧縮自着火エンジンに係り、特にそのエンジンの制御装置及び制御方法に関する。

従来より、この種の予混合圧縮自着火エンジンは、燃料を希薄状態にして燃焼することができる。また、このエンジンは、火花点火エンジンに比べて低ＮＯｘであることに加え、ノッキングし難いことから、高圧縮比により燃焼可能であり、エンジンの高効率化に寄与する。

一方、予混合圧縮自着火エンジンは、吸気温度、吸気圧力、空燃比、排気圧（排気ガス残留量）及びエンジン筒内壁温度の５つの要因（燃焼条件）で着火時期が自動的に決定され、火花点火エンジンにおける点火装置のような着火制御手段がないことから、エンジンの着火制御や運転制御が難しいものとなっていた。そのため、予混合圧縮自着火エンジンでは、着火制御の技術を確立することが課題となっていた。

そこで、下記の特許文献１乃至３には、上記のような課題を解決するための種々の制御方法が記載され、提案されている。すなわち、特許文献１には、バーナ等を使用して吸気温度を制御することにより、燃焼を制御する方法が記載される。特許文献２には、吸排気弁の開閉タイミングを制御することにより、燃焼を制御する方法が記載される。特許文献３には、排気通路に設けられる流量調整弁によりエンジンの背圧を制御することにより、燃焼を制御する方法が記載される。

特開２０００−２２７０２７号公報（第７〜８頁、図３，４） 特開２０００−２７４２４６号公報（第２〜８頁、図１〜５） 特開２００１−５９４２１号公報（第２〜７頁、図１，２）

ところが、上記の特許文献１乃至３に記載の制御方法では、吸気温制御、吸排気弁の開閉タイミング制御及び背圧制御のために、それぞれ吸気加熱手段、可変バルブタイミング機構、背圧弁等の機器を別途設けなければならない。このため、着火制御を実現するための構成が複雑化し、コストアップする傾向があった。また、吸気温度制御や背圧制御では、数千分の一秒のオーダで起きる失火等の現象を回避することが困難である。

この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、比較的簡易かつ安価な構成により精度の良い着火制御の実現を可能とした予混合圧縮自着火エンジンの制御装置及び制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、レシプロ方式のエンジン本体に設けられる気筒に空気と燃料との混合気を供給し、その混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火エンジンの制御装置であって、気筒に燃料を供給するための燃料供給手段と、エンジン本体に設けられる吸気弁の開閉タイミングを検出するための開閉タイミング検出手段と、検出される開閉タイミングに応じて燃料供給時期を変更するために燃料供給手段を制御する制御手段とを備えたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、制御手段が、開閉タイミング検出手段により検出される吸気弁の開閉タイミングに応じて燃料供給時期を変更することにより、気筒内に供給される混合気の温度及び燃料濃度は異なった混合状態を示す。すなわち、不均一な混合状態では、気筒内の温度分布及び燃料濃度分布により混合気の着火時期が変わる。例えば、燃料供給時期の変更により気筒内の高温部で燃料濃度の高い混合気が形成されることにより、混合気全体として混合気の着火が早まる。逆に、燃料供給時期の変更により気筒内の低温部で燃料濃度が高い混合気が形成されることにより、混合気全体として着火が遅れる。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、エンジンのノッキングを検出するためのノッキング検出手段を更に備え、制御手段は、ノッキングが検出されたときに、燃料供給時期を、検出される開閉タイミングに対して相対的に遅らすために燃料供給手段を制御することを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、ノッキングが検出されたときに、制御手段が燃料供給手段を制御することにより、燃料供給時期が、検出される開閉タイミングに対して相対的に遅らされる。これにより、気筒内の低温部で燃料濃度が高い混合気が形成され、混合気全体として着火が遅れる。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、気筒における失火を検出するための失火検出手段を更に備え、制御手段は、失火が検出されたときに、燃料供給時期を、検出される開閉タイミングに対して相対的に早めるために燃料供給手段を制御することを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１又は２に記載の発明の作用に加え、失火が検出されたときに、制御手段が燃料供給手段を制御することにより、燃料供給時期が、検出される開閉タイミングに対して相対的に早められる。これにより、気筒内の高温部で燃料濃度が高い混合気が形成され、混合気全体として着火が早まる。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、レシプロ方式のエンジン本体に設けられる気筒に空気と燃料との混合気を供給し、その混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火エンジンの制御方法であって、エンジン本体に設けられる吸気弁の開閉タイミングを検出し、その検出される開閉タイミングに応じて燃料供給時期を変更することを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、検出される吸気弁の開閉タイミングに応じて燃料供給時期を変更することにより、気筒内に供給される混合気の温度及び燃料濃度は異なった混合状態を示す。すなわち、不均一な混合状態では、気筒内の温度分布及び燃料濃度分布により混合気の着火時期が変わる。例えば、燃料供給時期の変更により気筒内の高温部で燃料濃度の高い混合気が形成されることにより、混合気全体として混合気の着火が早まる。逆に、燃料供給時期の変更により気筒内の低温部で燃料濃度が高い混合気が形成されることにより、混合気全体として着火が遅れる。

上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、レシプロ方式のエンジン本体に設けられる気筒に空気と燃料との混合気を供給し、その混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火エンジンの制御方法であって、エンジン本体に設けられる吸気弁の開閉タイミングを検出するとともに、エンジンのノッキングを監視し、ノッキングが検出されたときに、燃料供給時期を、検出される開閉タイミングに対して相対的に遅らすことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、ノッキングが検出されたときに、検出される開閉タイミングに対して燃料供給時期が相対的に遅らされる。これにより、気筒内の低温部で燃料濃度が高い混合気が形成され、混合気全体として着火が遅れる。

上記目的を達成するために、請求項６に記載の発明は、レシプロ方式のエンジン本体に設けられる気筒に空気と燃料との混合気を供給し、その混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火エンジンの制御方法であって、エンジン本体に設けられる吸気弁の開閉タイミングを検出するとともに、気筒における失火を監視し、失火が検出されたときに、燃料供給時期を、検出される開閉タイミングに対して相対的に早めることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、失火が検出されたときに、検出される開閉タイミングに対して燃料供給時期が相対的に早められる。これにより、気筒内の高温部で燃料濃度が高い混合気が形成され、混合気全体として着火が早まる。

請求項１に記載の発明によれば、比較的簡易かつ安価な構成により精度の良い着火制御を実現することができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、エンジンのノッキングに対処して着火を制御することができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明の効果に加え、気筒における失火に対処して着火を制御することができる。

請求項４に記載の発明によれば、比較的簡易かつ安価な構成により精度の良い着火制御を実現することができる。

請求項５に記載の発明によれば、比較的簡易かつ安価な構成により精度の良い着火制御を実現することができ、エンジンのノッキングに対処して着火を制御することができる。

請求項６に記載の発明によれば、比較的簡易かつ安価な構成により精度の良い着火制御を実現することができ、気筒における失火に対処して着火を制御することができる。

以下、本発明の予混合圧縮自着火エンジンの制御装置及び制御方法を具体化した一実施形態を図面を参照して詳細に説明する。

図１に、この実施形態における予混合圧縮自着火エンジンの制御装置を概略構成図に示す。エンジン本体１は、二つの気筒１ａ，１ｂを有するレシプロ方式のものであり、各気筒１ａ，１ｂの吸気ポートには、吸気マニホールド２が接続される。吸気マニホールド２には、吸気パイプ３が接続される。これら吸気マニホールド２及び吸気パイプ３により各気筒１ａ，１ｂに空気を供給するための本発明の吸気通路が構成される。各気筒１ａ，１ｂの排気ポートには、排気マニホールド３が接続される。排気マニホールド４には、排気パイプ５が接続される。これら排気マニホールド４及び排気パイプ５により、各気筒１ａ，１ｂから排気を排出するための本発明の排気通路が構成される。

周知のようにレシプロ方式のエンジン本体１は、各気筒１ａ，１ｂに設けられたピストンの往復運動を、コンロッドを介してクランクシャフト２０の回転運動に変換して動力を得るものである。各気筒１ａ，１ｂの吸気ポート（図示略）のそれぞれには、同ポートを開閉するためにクランクシャフト２０及びカムシャフト（図示略）の回転に連動して開閉駆動される吸気弁（図示略）が設けられる。同じく、各気筒１ａ，１ｂの排気ポート（図示略）のそれぞれには、同ポートを開閉するためにクランクシャフト２０及びカムシャフトの回転に連動して開閉駆動される排気弁（図示略）が設けられる。各気筒１ａ，１ｂの吸気弁及び排気弁は、クラックシャフト２０の回転角度（クランク角度）及びカムシャフトの回転角度（カム角度）の変化に応じた所定のタイミングで開閉する。

吸気パイプ３と排気パイプ５との間には、ターボチャージャ６が設けられる。周知のように、ターボチャージャ６は、同一軸上に一体回転可能に設けられたタービン６ａとコンプレッサ６ｂを備える。タービン６ａが排気パイプ５を流れる排気エネルギー受けて回転することにより、コンプレッサ６ｂが一体回転して吸気パイプ３を流れる空気を昇圧させる。このターボチャージャ６により、各気筒１ａ，１ｂに供給される空気を昇圧するための過給手段が構成される。

また、吸気パイプ３と排気パイプ５との間には、熱交換器７が設けられる。この熱交換器７は、排気パイプ５を流れる排気と、吸気パイプ３を流れる空気との間で熱交換させるものであり、各気筒１ａ，１ｂに供給される空気を加熱するための加熱手段に相当する。

熱交換器７より下流の吸気パイプ３には、ヒータ８及び減圧弁９が設けられる。ヒータ８は、各気筒１ａ，１ｂに供給される空気を更に加熱するためのものであり、電気的に駆動される。減圧弁９は、各気筒１ａ，１ｂに供給される空気を減圧させるためのものである。

吸気マニホールド２には、各気筒１ａ，１ｂに燃料を供給するための本発明の燃料供給手段としての一対のインジェクタ１０Ａ，１０Ｂが、各気筒１ａ，１ｂのそれぞれに対応して設けられる。各インジェクタ１０Ａ，１０Ｂは、電気的に開弁される電磁弁より構成される。各インジェクタ１０Ａ，１０Ｂは、所定の燃料貯蔵器から圧送される天然ガスなどの燃料を吸気マニホールド２の中へ噴射する。各インジェクタ１０Ａ，１０Ｂの開弁時期及び開弁期間を制御することにより、各インジェクタ１０Ａ，１０Ｂから噴射される燃料噴射時期及び燃料噴射量が制御される。

この実施形態で、吸気パイプ３には、各気筒１ａ，１ｂに吸入される空気の温度（吸気温）を検出するための吸気温センサ３１が設けられる。同じく、吸気パイプ３には、各気筒１ａ，１ｂに吸入される空気の圧力（吸気圧）を検出するための吸気圧センサ３２が設けられる。エンジン本体１には、エンジンのノッキングを検出するための本発明のノッキング検出手段としてのノッキングセンサ３３が設けられる。排気パイプ５には、各気筒１ａ，１ｂから排出される排気中の酸素濃度を検出するための酸素センサ３４が設けられる。また、エンジン本体１には、クランク角度ＣＡを検出するためのクランク角度センサ３５が設けられる。また、エンジン本体１には、カム角度を検出するためのカム角度センサ３７が設けられる（エンジンが２気筒以上の場合にカム角度センサが必要になる。）。吸気弁及び排気弁の開閉タイミングは、クランク角度の変化に対応するように予め設定される。従って、クランク角度センサ３５及びカム角度センサ３７は、吸気弁の開閉タイミングを検出するための本発明の開閉タイミング検出手段に相当する。また、エンジン本体１には、各気筒１ａ，１ｂには、それらの内圧を検出するための筒内圧センサ３６Ａ，３６Ｂが設けられる。これら筒内圧センサ３６Ａ，３６Ｂは、各気筒１ａ，１ｂ内における失火を検出するための本発明の失火検出手段に相当する。

この実施形態では、各インジェクタ１０Ａ，１０Ｂを使用した燃料噴射制御を実行するコントローラ４０が設けられる。コントローラ４０には、各インジェクタ１０Ａ，１０Ｂ及び各センサ３１〜３５，３６Ａ，３６Ｂが接続される。コントローラ４０は、燃料噴射時期及び燃料噴射量の制御に関するプログラムを格納し、そのプログラムに基づいて各インジェクタ１０Ａ，１０Ｂを制御する。この実施形態で、コントローラ４０は、クランク角度センサ３５により検出される吸気弁の開閉タイミングに応じて燃料供給時期としての燃料噴射時期を変更するために各インジェクタ１０Ａ，１０Ｂを制御する本発明の制御手段に相当する。

この実施形態で、吸気マニホールド２は、各気筒１ａ，１ｂ間における混合気の燃焼条件（吸気温、吸気圧、空燃比、排気圧及びエンジン気筒内壁温度）のバラツキを抑制するための燃焼条件バラツキ抑制構造を有する。具体的には、吸気マニホールド２における入口から二つの気筒１ａ，１ｂまでの流路長さが互いに同一で、その吸気マニホールド２内の各気筒１ａ，１ｂに対応する各流路の断面積が互いに同一であるように設定される。

図２〜４に、実際に使用される吸気マニホールド２を示す。図２に、吸気マニホールド２の側面図を示す。図３に、図２のＡ−Ａ線断面図を示す。図４に、図２のＢ−Ｂ線断面図を示す。図３に示すように、吸気マニホールド２は、各気筒１ａ，１ｂに対応して左右対称に形成される。吸気マニホールド２は、その上流側に位置する一つのサージタンク２１と、サージタンク２１から平行に延びる一対の支管２２Ａ，２２Ｂと、両支管２２Ａ，２２Ｂの下流側をエンジン本体１に接続するための接続ブロック２３とを含む。サージタンク２１の上流側中央には、吸気パイプ３に接続される一つの上流ポート２１ａが形成される。二つの支管２２Ａ，２２Ｂは、互いに同一形状・同一寸法をなし、その流路２２ａの長さ及び断面積は互いに同一寸法となっている。各支管２２Ａ，２２Ｂには、燃料としての天然ガスを導入するための導入パイプ２４が設けられる。この導入パイプ２４には、前述した各インジェクタ１０Ａ，１０Ｂが接続される。接続ブロック２３には、各支管２２Ａ，２２Ｂの流路２２ａに連通する一対の下流ポート２３ａ，２３ｂが形成される。これら下流ポート２３ａ，２３ｂの流路長さ及び断面積も互いに同一寸法となっている。

この実施形態で、排気通路を構成する排気マニホールド４も、各気筒１ａ，１ｂ間における混合気の燃焼条件（吸気温、吸気圧、空燃比、排気圧及びエンジン筒内壁温度）のバラツキを抑制するための燃焼条件バラツキ抑制構造を有する。具体的には、排気マニホールド４における出口から各気筒１ａ，１ｂまでの流路長さが互いに同一で、その排気マニホールド４内の各気筒１ａ，１ｂに対応する各流路の断面積が互いに同一であるように設定される。具体的には、排気マニホールド４は、図２〜４に示す吸気マニホールド２に準ずる構造を有する。

この実施形態で、エンジン本体１は、各気筒１ａ，１ｂ間における混合の燃焼条件（吸気温、吸気圧、空燃比、排気圧及びエンジン気筒内壁温度）のバラツキを抑制するための燃焼条件バラツキ抑制構造を有する。具体的には、エンジン本体１の燃焼条件バラツキ抑制構造は、図５に断面図に示すように、エンジン本体１内において各気筒１ａ，１ｂに対応して設けられる一対の冷却水通路１１Ａ，１１Ｂを含む。各冷却水通路１１Ａ，１１Ｂは、各気筒１ａ，１ｂに対応して流れる冷却水の温度を互いに均一にするよう各気筒１ａ，１ｂに対応してエンジン本体１に対し左右対称に形成される。

上記した予混合圧縮自着火エンジンによれば、ターボチャージャ６により昇圧された空気がエンジン本体１の二つの気筒１ａ，１ｂに供給される。従って、各気筒１ａ，１ｂの内圧が上昇し、混合気の着火範囲が拡大して、各気筒１ａ，１ｂの間の燃焼条件のバラツキの影響が少なくなる。また、各気筒１ａ，１ｂ内へ空気を導く吸気マニホールド２が、燃焼条件バラツキ抑制構造を有する。すなわち、吸気マニホールド２における入口から各気筒１ａ，１ｂまでの流路長さが互いに同一に形成され、それら流路断面積が互いに同一に形成される。従って、各気筒１ａ，１ｂ間における混合気の燃焼条件バラツキが抑制される。このため、二つの気筒１ａ，１ｂを有する予混合圧縮自着火エンジンにつき、従来例とは異なり、各気筒１ａ，１ｂのそれぞれに燃焼条件検知手段や燃焼条件調整手段を付加することなく、シンプルかつ安価な構成により安定運転を実現することができる。

また、この実施の形態の予混合圧縮自着火エンジンでは、各気筒１ａ，１ｂに供給される空気を加熱するための熱交換器７及びヒータ８が設けられる。従って、各気筒１ａ，１ｂに供給される空気の温度が上昇し、各気筒１ａ，１ｂで混合気が更に着火し易くなる。このため、空気を加熱しない場合に比べ、予混合圧縮自着火エンジンにつき、より安定した運転を実現することができる。

この実施形態の予混合圧縮自着火エンジンでは、エンジン本体１が燃焼条件バラツキ抑制構造を有する。すなわち、エンジン本体１の内部に設けられる冷却水通路１１Ａ，１１Ｂが、各気筒１ａ，１ｂに対応して流れる冷却水の温度を互いに均一にするよう各気筒１ａ，１ｂに対応して個別に同一形状・同一寸法により形成される。従って、二つの気筒１ａ，１ｂ間における混合気の燃焼条件バラツキが更に抑制される。このため、二つの気筒１ａ，１ｂを有する予混合圧縮自着火エンジンにつき、混合気の着火を更に確実なものにすることができ、より安定した運転を実現することができる。

この実施形態の予混合圧縮自着火エンジンでは、排気マニホールド４を吸気マニホールド２に準ずる燃焼条件バラツキ抑制構造としている。従って、各気筒１ａ，１ｂ間における混合気の燃焼条件バラツキが更に抑制される。このため、二つの気筒１ａ，１ｂを有する予混合圧縮自着火エンジンにつき、混合気の着火を更に確実なものにすることができ、より安定した運転を実現することができる。

ここで、この実施形態の予混合圧縮自着火エンジンに関する着火運転条件試験について説明する。この試験の運転条件を以下に記載する。すなわち、２気筒４サイクルエンジンの各気筒のボア内径及びピストンストロークは、それぞれ「８０mm」及び「７２mm」であり、排気量は「７２４cc」であった。エンジンの圧縮比は「１９．８」であり、エンジン回転速度は「１８００rpm」であった。吸気圧は「１１０，１６０，２１０(kPa)」であった。吸気温は最大で「２２０℃」であり、冷却水温度は「８０℃」であった。空燃比は「２．１０〜３．２５」であった。

図６に、上記試験結果をグラフに示す。このグラフは、横軸に吸気圧を、縦軸に吸気温を示す。グラフ中の「○」は、着火運転可能なポイントを示し、「×」は、不着火のポイントを示す。グラフ中の「ＮＡ」は、過給を行わない場合を示す。このグラフから、吸気圧が「１００(kPa)」では、「２００，１９０（℃）」の吸気温で着火運転可能となり、吸気圧が「１６０(kPa)」では、「１７０，１６０，１５０（℃）」の吸気温で着火運転可能となり、吸気圧が「２１０(kPa)」では、「１４０，１３０（℃）」の吸気温で着火運転可能となることが分かる。すなわち、吸気圧が「１００〜２１０(kPa)」の範囲で上昇するに連れて、着火運転可能な吸気温は「２００〜１３０（℃）」の範囲で下がり、着火し易くなることが分かる。

次に、この実施形態における予混合圧縮自着火エンジンの性能試験について説明する。図７に試験設備の構成をブロック図により示す。エンジンの圧縮比は「１９．８」であった。エンジンには、コンプレッサで昇圧された空気が空気ヒータにより加熱されて混合器に流れる。ここで、混合器として、上記した吸気マニホールド２が使用される。また、混合器には、天然ガス（１３Ａ）が導入される。空気と天然ガスが混合器で混合されてエンジンの各気筒に供給される。エンジンの駆動力及び出力はダイナモにより計測された。エンジンのクランク角度及び燃焼圧力は各種センサにより計測され、その計測結果に基づいて燃焼解析装置により解析された。エンジンの排気ガスは適宜採取され、ＮＯｘ，ＣＯ，ＣＯ₂，ＨＣが排気ガス分析計により解析された。

この性能試験は、次の手順により実施した。先ず、ダイナモの動力でエンジンを駆動し、空気コンプレッサで昇圧した乾燥空気を空気ヒータで昇温してエンジンの混合器に導入した。冷却水温やエンジン油温が所定温度になるまで、エンジンは一定の回転速度で運転した。所定条件になったところで、燃料をマスフローコントローラで徐々に導入し、エンジン燃焼が生じた段階で、出力等の性能データの取得を行った。排気ガス分析は、エンジン排気パイプから排気ガスを採取し、約２００℃に保ったサンプリング管により排気ガスを排気ガス分析計に導いて行った。

図８，９に、上記試験結果をグラフに示す。図８に示すグラフは、横軸に正味出力を、縦軸に正味効率を示す。グラフ中の各印は、吸気圧と吸気温の条件が異なる場合を示す。このグラフから、吸気圧が比較的低い「１１０(kPa)」では、「２００，１９０（℃）」の比較的高い吸気温を要し、正味出力は「３〜４（kW）」と低く、正味効率は「３０％」前後と相対的に低くなった。これに対し、吸気圧が比較的高い「２１０(kPa)」では、「１４０，１３０（℃）」の比較的低い吸気温でもよく、正味出力は「７〜１０（kW）」と比較的高く、正味効率も「３８％」と比較的高くなった。このことから、ターボチャージャ６による空気の昇圧が、着火の容易化に寄与していることが分かる。

図９に示すグラフは、横軸に正味出力を、縦軸にＮＯｘ濃度を示す。グラフ中の各印は、吸気圧と吸気温の条件が異なる場合を示す。このグラフから、吸気圧が比較的低い「１１０(kPa)」で、吸気温が比較的高い「２００，１９０（℃）」の場合は、正味出力は「３〜４（kW）」と低く、ＮＯｘ濃度は「１００(ppm)」をゆうに上回る「３５０〜４５０（ppm）」となる場合があった。これに対し、吸気圧が比較的高い「２００(kPa)」で、吸気温が比較的低い「１４０，１３０（℃）」の場合は、正味出力は「７〜１０（kW）」と比較的高く、ＮＯｘ濃度はほとんど「０（ppm）」となった。このことから、ターボチャージャ６による空気の昇圧が、ＮＯｘ濃度の低減に寄与していることが分かる。

次に、コントローラ４０により実行される燃料噴射制御について説明する。図１０に、その制御プログラムをフローチャートに示す。コントローラ４０は、このフローチャートに係るルーチンを所定間隔毎に周期的に実行する。

すなわち、ステップ１００で、コントローラ４０は、ノッキングセンサ３３の検出信号に基づき、エンジンにノッキングが発生したか否かを判断する。この判断結果が肯定である場合、コントローラ４０は、ステップ１１０で、燃料噴射時期を遅く（遅角）するために、各インジェクタ１０Ａ，１０Ｂを制御して処理をステップ１００に戻る。

ステップ１００の判断結果が否定である場合、コントローラ４０は、ステップ１２０で、各失火センサ３６Ａ，３６Ｂの検出信号に基づき、各気筒１ａ，１ｂに失火が発生したか否かを判断する。この判断結果が肯定である場合、コントローラ４０は、ステップ１３０で、燃料噴射時期を早く（進角）するために、各インジェクタ１０Ａ，１０Ｂを制御して処理をステップ１２０へ戻る。上記判断結果が否定である場合、コントローラ４０は、その後の処理を一旦終了する。

ここで、上記ステップ１１０，１３０の処理内容を詳しく説明する。図１１には、燃料噴射時期に対応するクランク角度と吸気弁リフト量及び吸気圧との関係をグラフに示す。図１１において、下側の曲線は、吸気弁のリフト量の変化（吸気弁の開閉挙動）を示す。このリフト量曲線が下がるに連れて吸気弁開度が増えることを意味する。上側の曲線は、吸気圧の変化を示す。吸気圧は、吸気弁のリフト量変化に追随して変化することが分かる。この実施形態では、「６９０degBTDC」から所定角度（進角側）、「６３０degBTDC」から所定角度、「５７０degBTDC」から所定角度（遅角側）の３つの範囲で各インジェクタ１０Ａ，１０Ｂからの燃料噴射時期を変更可能になっている。従って、上記ステップ１１０では、燃料噴射時期を遅くすることから、「５７０degBTDC」から所定角度（遅角側）のタイミングが、燃料噴射時期として選択される。一方、上記ステップ１３０では、燃料噴射時期を早くすることから、「６９０degBTDC」から所定角度（進角側）のタイミングが、燃料噴射時期として選択される。

つまりこの実施形態では、レシプロ方式のエンジン本体１に設けられる各気筒１ａ，１ｂに空気と燃料との混合気を供給し、その混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火エンジンにおいて、エンジン本体１に設けられる吸気弁の開閉タイミングをクランク角度センサ３５及びカム角度センサ３７により検出し、その検出される開閉タイミングに応じて燃料供給時期としての燃料噴射時期を変更するようにしている。また、この実施形態では、エンジン本体１に設けられる吸気弁の開閉タイミングをクランク角度センサ３５及びカム角度センサ３７により検出するとともに、エンジンのノッキングをノッキングセンサ３３により監視し、そのノッキングが検出されたときに、燃料供給時期としての燃料噴射時期を、検出される開閉タイミングに対して相対的に遅くするようにしている。更に、この実施形態では、エンジン本体１に設けられる吸気弁の開閉タイミングをクランク角度センサ３５及びカム角度センサ３７により検出するとともに、各気筒１ａ，１ｂにおける失火を失火センサ３６ａ，３６Ｂにより監視し、失火が検出されたときに、燃料供給時期としての燃料噴射時期を、検出される開閉タイミングに対して相対的に早くするようにしている。

図１２，１３に、燃料噴射時期制御に関する性能試験結果を示す。この性能試験は、エンジン回転数が「１８００rpm」、吸気圧が「１１０kPa」、吸気温が「２２０℃」の条件下で行われた。図１２に、空燃比λ（横軸）と着火時期（縦軸）との関係をグラフに示す。グラフ中の各印は、各インジェクタ１０Ａ，１０Ｂによる燃料噴射時期が異なる場合を示す。このグラフからも分かるように、「５７０，６３０，６９０（degBTDC）」という燃料噴射時期の違いにより着火時期が異なることが分かる。また、燃料噴射時期が進角されるほど着火時期が早くなることが分かる。図１３には、空燃比λ（横軸）と正味効率（縦軸）との関係をグラフに示す。グラフ中の各印は、各インジェクタ１０Ａ，１０Ｂによる燃料噴射時期が異なる場合を示す。このグラフからも分かるように、連続的に燃料を供給する場合（連続ＩＮＪ）よりも、「５７０，６３０，６９０（degBTDC）」という燃料噴射時期で間欠的に燃料を噴射する場合の方が、正味効率が向上し、燃焼可能な空燃比λの範囲も拡大することが分かる。

上記した予混合圧縮自着火エンジンの制御装置及び制御方法によれば、コントローラ４０が、クランク角度センサ３５及びカム角度センサ３７により検出される吸気弁の開閉タイミングに応じて燃料噴射時期を変更している。これにより、各気筒１ａ，１ｂ内に供給される混合気の温度及び燃料濃度が異なった混合状態を示す。すなわち、不均一な混合状態では、各気筒１ａ，１ｂ内の温度分布及び燃料濃度分布により混合気の着火時期が変わる。例えば、燃料噴射時期の変更により各気筒１ａ，１ｂ内の高温部で燃料濃度の高い混合気が形成されることにより、混合気全体として混合気の着火が早まる。逆に、燃料噴射時期の変更により各気筒１ａ，１ｂ内の低温部で燃料濃度が高い混合気が形成されることにより、混合気全体として着火が遅れる。従って、この実施形態では、クランク角度センサ３５及びカム角度センサ３７により検出される吸気弁の開閉タイミングに応じて各インジェクタ１０Ａ，１０Ｂからの燃料噴射時期を変更するので、比較的簡易かつ安価な構成により精度の良い着火制御を実現することができる。つまり、この実施形態では、従来から燃料噴射制御に一般的に使用されるインジェクタ１０Ａ，１０Ｂが燃料供給手段として使用されることから、比較的安価な構成とすることができる。また、インジェクタ１０Ａ，１０Ｂは、数千分の一秒単位で動作を指定できることから、失火等の速い現象に対処して着火を制御することができる。

また、この実施形態では、各インジェクタ１０Ａ，１０Ｂにより、各気筒１ａ，１ｂに対し、所定期間だけ間欠的に燃料を供給することになるので、各気筒に連続的に燃料を供給して均一な混合状態の混合気を形成する場合に比べ、図１２，１３に示すように、燃焼可能な空燃比λの範囲を拡大することができ、エンジンで最適な燃焼を実現することができる。

この実施形態では、ノッキングセンサ３３によりノッキングが検出されたときに、コントローラ４０が各インジェクタ１０Ａ，１０Ｂを制御することにより、燃料噴射時期が、クランク角度センサ３５及びカム角度センサ３７により検出される開閉タイミングに対して相対的に遅らされる。これにより、各気筒１ａ，１ｂ内の低温部で燃料濃度が高い混合気が形成され、混合気全体として着火が遅れる。この結果、エンジンのノッキングに対処して着火を制御することができる。つまり、エンジンのノッキングを防止することができる。

この実施形態では、失火センサ３６Ａ，３６Ｂにより失火が検出されたときに、コントローラ４０が各インジェクタ１０Ａ，１０Ｂを制御することにより、燃料噴射時期が、クランク角度センサ３５及びカム角度センサ３７により検出される開閉タイミングに対して相対的に早められる。これにより、各気筒１ａ，１ｂ内の高温部で燃料濃度が高い混合気が形成され、混合気全体として着火が早まる。この結果、各気筒１ａ，１ｂにおける失火に対処して着火を制御することができる。つまり、各気筒１ａ，１ｂにおける失火を防止することができる。

尚、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜に変更して以下のように実施することもできる。

（１）前記実施形態では、本発明を二つの気筒１ａ，１ｂを有するエンジン本体１に具体化したが、一つの気筒を有するエンジン本体や三つ以上の気筒を有するエンジン本体に具体化することもできる。

（２）前記実施形態では、吸気パイプ３と排気パイプ５との間に熱交換器７を設けたが、この熱交換器を省略してもよい。

（３）前記実施形態では、排気マニホールド４を吸気マニホールド２の燃焼条件バラツキ抑制構造に準ずる構造としたが、排気マニホールドに係る燃焼条件バラツキ抑制構造を省略してもよい。

（４）前記実施形態では、エンジン本体１を、冷却水通路１１Ａ，１１Ｂにより燃焼条件バラツキ抑制構造としたが、この燃焼条件バラツキ抑制構造を省略してもよい。

（５）前記実施形態では、筒内圧センサ３６Ａ，３６Ｂを失火検出手段として設けたが、クランク角度センサ３５又は酸素センサ３４を失火検出手段として設けてもよい。すなわち、クランク角度センサ３５の検出信号の変化に基づいて失火を検出してもよい。また、酸素センサ３４の検出信号の変化に基づいて失火を検出してもよい。

予混合圧縮自着火エンジンの制御装置を示す概略構成図。 吸気マニホールドの側面図を示す。 図２のＡ−Ａ線断面図。 図２のＢ−Ｂ線断面図。 エンジン本体の平断面図。 着火運転条件に関する試験結果を示すグラフ。 試験設備の構成を示すブロック図。 正味出力と正味効率との関係を示すグラフ。 正味出力とＮＯｘ濃度との関係を示すグラフ。 制御プログラムを示すフローチャート。 クランク角度と吸気弁リフト量及び吸気圧との関係を示すグラフ。 空燃比と着火時期との関係を示すグラフ。 空燃比と正味効率との関係を示すグラフ。

符号の説明

１ エンジン本体
１ａ 気筒
１ｂ 気筒
１０Ａ インジェクタ（燃料供給手段）
１０Ｂ インジェクタ（燃料供給手段）
３３ ノッキングセンサ
３５ クランク角度センサ
３６Ａ 筒内圧センサ（失火検出手段）
３６Ｂ 筒内圧センサ（失火検出手段）
３７ カム角度センサ
（３５，３７は開閉タイミング検出手段を構成する。）
４０ コントローラ（制御手段）

Claims (6)

1. レシプロ方式のエンジン本体に設けられる気筒に空気と燃料との混合気を供給し、その混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火エンジンの制御装置であって、
   前記気筒に燃料を供給するための燃料供給手段と、
   前記エンジン本体に設けられる吸気弁の開閉タイミングを検出するための開閉タイミング検出手段と、
   前記検出される開閉タイミングに応じて燃料供給時期を変更するために前記燃料供給手段を制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする予混合圧縮自着火エンジンの制御装置。
2. エンジンのノッキングを検出するためのノッキング検出手段を更に備え、前記制御手段は、前記ノッキングが検出されたときに、前記燃料供給時期を、前記検出される開閉タイミングに対して相対的に遅らすために前記燃料供給手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の予混合圧縮自着火エンジンの制御装置。
3. 前記気筒における失火を検出するための失火検出手段を更に備え、前記制御手段は、前記失火が検出されたときに、前記燃料供給時期を、前記検出される開閉タイミングに対して相対的に早めるために前記燃料供給手段を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の予混合圧縮自着火エンジンの制御装置。
4. レシプロ方式のエンジン本体に設けられる気筒に空気と燃料との混合気を供給し、その混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火エンジンの制御方法であって、
   前記エンジン本体に設けられる吸気弁の開閉タイミングを検出し、その検出される開閉タイミングに応じて燃料供給時期を変更することを特徴とする予混合圧縮自着火エンジンの制御方法。
5. レシプロ方式のエンジン本体に設けられる気筒に空気と燃料との混合気を供給し、その混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火エンジンの制御方法であって、
   前記エンジン本体に設けられる吸気弁の開閉タイミングを検出するとともに、エンジンのノッキングを監視し、前記ノッキングが検出されたときに、燃料供給時期を、前記検出される開閉タイミングに対して相対的に遅らすことを特徴とする予混合圧縮自着火エンジンの制御方法。
6. レシプロ方式のエンジン本体に設けられる気筒に空気と燃料との混合気を供給し、その混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮自着火エンジンの制御方法であって、
   前記エンジン本体に設けられる吸気弁の開閉タイミングを検出するとともに、前記気筒における失火を監視し、前記失火が検出されたときに、燃料供給時期を、前記検出される開閉タイミングに対して相対的に早めることを特徴とする予混合圧縮自着火エンジンの制御方法。

Images