JP2006233921A - 圧縮自己着火内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧縮自己着火燃焼を行なう内燃機関において、低負荷領域でのＨＣ排出量を低減でき、該自己着火燃焼運転の領域を拡大して燃費も改善できるようにした。
【解決手段】
２次空気をＥＧＲ通路１２の入口上流側にの排気通路１１部分に供給する２次空気通路１７を設け、その出口付近に２次空気用燃料噴射弁１９を設け、かつ、２次空気による噴射燃料および排気中未燃ＨＣの酸化反応（燃焼）を促進するためのグロープラグ２０が設け、低負荷領域で、２次空気と燃料の供給によって燃焼加熱された排気を外部ＥＧＲとして吸気系に還流する構成とし、筒内温度を上昇させて自己着火性を高めるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧縮自己着火燃焼を行なう内燃機関の燃料噴射装置に関する。

特許文献１には、圧縮自己着火燃焼を行う内燃機関において、点火時期の遅角、混合気の増量などによって内部ＥＧＲを昇温することにより、自己着火性を高めるようにすることが開示されている。
特許文献２には、同じく圧縮自己着火燃焼を行なう内燃機関において、新気を加熱し、排気バルブの閉時期により残留ガス（内部ＥＧＲ）量を増量して、自己着火性を高めるようにすることが開示されている。
特開２００４−１１６４４６号公報 特開２００２−２０６４４１号公報

しかしながら、特許文献１、２のように、内部ＥＧＲによって昇温を図ることは、内部ＥＧＲが前サイクルの燃焼状態に依存するので、全気筒を安定的に次サイクルで自己着火燃焼させることができないという問題がある。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、安定した自己着火性能の向上を図れるようにすることを目的とする。

そのため、本発明は、圧縮自己着火燃焼を行なう内燃機関において、燃焼により加熱した排気を、外部ＥＧＲとして吸気系に還流する構成とした。

かかる構成によると、燃焼加熱された外部ＥＧＲによって筒内温度を全気筒で応答良く要求温度まで上昇させることができ、安定した自己着火性能の向上を図れる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、第１実施形態における圧縮自己着火内燃機関のシステム構成図である。
内燃機関１（ガソリンエンジン）には、吸気通路２の上流側から、エアクリーナ３を通過した空気が、過給機４で過給された後、吸気バルブ５を介してシリンダ６内に吸引される。

前記シリンダ６内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁７が設けられている。
燃焼室内の混合気は、圧縮自己着火又は点火プラグ８による火花点火によって着火燃焼し、燃焼排気は、排気バルブ９を介して排出される。
前記吸気バルブ４及び排気バルブ９には、バルブリフト量，バルブ作動角及び作動角の中心位相を可変とする可変動弁機構１０が設けられている。

前記可変動弁機構１０は、例えば、特開２００１−０１２２６２号公報に開示される機関バルブのバルブリフト量を作動角と共に連続的に変化させる可変バルブイベント・リフト機構（ＶＥＬ）と、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を変化させることで、バルブ作動角の中心位相を可変とする可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）との組み合わせから構成される。

また、前記可変動弁機構１０を、吸気バルブ５及び排気バルブ９を電磁石による磁気力で開閉駆動する電磁駆動弁（ＥＭＶ）とすることができる。
前記排気バルブ９下流の排気通路１１からの排気を、外部ＥＧＲとして過給機４下流の吸気通路２に還流するＥＧＲ通路１２が設けられる。
前記ＥＧＲ通路１２の途中に、ＥＧＲクーラ１３を介装したバイパス通路１４が並列に接続され、該バイパス通路１４の入口部分に、ＥＧＲ通路１２とバイパス通路１４とを選択的に開閉する通路切換弁１５が設けられ、ＥＧＲ通路１２の出口部は、外部ＥＧＲ量を制御するＥＧＲバルブ１６が設けられる。

前記過給機４出口とＥＧＲ通路１２出口との間から取り入れた２次空気を、前記ＥＧＲ通路１２の入口上流側に近接した排気通路１１部分に供給する２次空気通路１７が設けられ、該２次空気通路１７内の入口付近に２次空気ポンプ１８が設けられ、出口付近に燃料を噴射供給する２次空気用燃料噴射弁１９が設けられる。
前記２次空気通路１７出口と、ＥＧＲ通路１２入口との間の排気通路１１壁に、２次空気による噴射燃料および排気中未燃ＨＣの酸化反応（燃焼）を促進するためのグロープラグ２０が設けられる。

前記排気通路１１のＥＧＲ通路１２接続部より下流側には、排気浄化触媒３１が設けられる。
前記燃料噴射弁６、点火プラグ８、可変動弁機構１０、通路切換弁１５、ＥＧＲバルブ１６、２次空気ポンプ１８、２次空気用燃料噴射弁１９、グロープラグ２０は、マイクロコンピュータを内蔵するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２１によって制御される。

前記エンジンコントロールユニット２１には、機関回転数を検出する回転数センサ２２、機関の冷却水温度を検出する水温センサ２３、シリンダ内の温度を検出するシリンダ内温度センサ２４、排気温度を検出する排気温度センサ２５等からの検出信号が入力される。
図２、図３のフローチャートは、第１実施形態における前記エンジンコントロールユニット２１による外部ＥＧＲ昇温制御の様子を示す。

ステップＳ１では、アクセル開度などによって算出された要求トルクＴ、前記回転数センサ２０によって検出された機関回転数Ｎｅを読み込む。
ステップＳ２では、前記要求トルクＴおよび機関回転数Ｎｅによって検出される運転状態に基づいて、圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼とのいずれの燃焼形態で運転させるかを決定する。

具体的には、機関トルクＴが、自己着火可能最大トルクＴＨよりも小さく、かつ、自己着火可能最小トルクＴＬよりも大きく（ＴＬ＜Ｔ＜ＴＨ）、かつ、機関回転数Ｎｅ（rpm）が、自己着火可能最大回転数ＮｅＨよりも小さく、かつ、自己着火可能最小回転数ＮｅＬよりも大きいときに（ＮｅＬ＜Ｎｅ＜ＮｅＨ）、圧縮自己着火燃焼の可能領域内であると判断し、上記条件を満たさないときには、火花点火燃焼を行なわせる領域内であると判断する。

そして、圧縮自己着火燃焼の可能領域内であると判断されると、ステップＳ４以降に進み、火花点火燃焼を行なわせる領域内であると判断されると、ステップＳ３進む。
ステップＳ２では、燃料噴射弁６から噴射される燃料を点火プラグ８による火花点火で燃焼させる火花点火燃焼制御を行なわせる。
一方、ステップＳ４では、本発明に係る圧縮自己着火燃焼制御を開始する。

ステップＳ５では、前記排気温度センサ２３によって検出された排気温度ｔｘを読み込む。
ステップＳ６では、図４に示したマップを参照して前記要求トルクＴが所定以上の高負荷領域であるかを判定し、該高負荷領域と判定されたときは、ステップＳ７へ進んで、前記通路切換弁１５を、バイパス通路１４開側に制御して、外部ＥＧＲをいるクーラ１３によって冷却する。
なお、高負荷領域においても、負荷が高くなるほど通路切換弁１５をバイパス通路１４側の開度が大きくなるようにして、冷却量を増大制御する。
また、前記２次空気ポンプ１８による２次空気の供給および２次空気用燃料噴射弁１９からの燃料噴射は停止する。

ステップＳ６で、要求トルクＴが所定未満の領域と判定された場合は、ステップＳ８へ進んで、前記通路切換弁１５を、バイパス通路１４閉（ＥＧＲ通路１２の主通路開）側に制御して、外部ＥＧＲのクーラ１３による冷却を停止する。
ステップＳ９では、前記要求トルクＴおよび機関回転数Ｎｅに基づき、図５に示したマップを参照して、要求筒内温度ｔｃを算出する。

具体的には、負荷が高くなるほど、また、機関回転数Ｎｅが高くなるほど要求筒内温度ｔｃが高温に設定される。
ステップＳ１０では、前記排気温度センサ２３で検出された排気温度ｔｘと、前記要求筒内温度ｔｃとに基づいて、図６に示したマップを参照して、要求２次空気量Ｑ２を算出する。

具体的には、要求筒内温度ｔｃが得られるように２次空気量が設定されるが、排気温度ｔｘが低いときほど、低負荷でＨＣ排出量が増大するので、要求筒内温度ｔｃが高くなるほど、また、排気温度ｔｘが低くなるほど要求２次空気量Ｑ２が大きく設定される。
前記要求２次空気量Ｑ２が得られるように、前記２次空気ポンプ１８の駆動量が制御される。

ステップＳ１１では、前記排気温度ｔｘ、要求筒内温度ｔｃとに基づいて、図７に示したマップを参照して、要求２次空気用燃料噴射量Ｔｉ２を算出する。具体的には、要求筒内温度ｔｃが得られるように、２次空気による酸化反応（燃焼）を促進するため、オーバーリッチ状態となるように設定される。
前記要求２次空気用燃料噴射量Ｔｉ２が得られるように、前記２次空気用燃料噴射弁１９の通電量（開弁時間）が制御される。

ステップＳ１２では、２次空気量（実測値または要求値Ｑ２）から、図８に示したテーブルを参照して、排気温度の上昇率αを算出する。２次空気量が増大するほど、２次空気による酸化反応が促進されて温度上昇率αが増大するように設定されている。
ステップＳ１３では、前記排気温度ｔｘ、２次空気量Ｑ２、温度上昇率αを用いて、次式により、２次空気による酸化反応（燃焼）後の排気温度ｔｘ２を算出する。

ｔｘ２＝ｔｘ＋Ｑ２×α・・・(1)
ステップＳ１４では、前記酸化反応後の排気温度ｔｘ２と、要求筒内温度ｔｃとに基づいて、図９に示したマップを参照して、要求グロープラグ発熱量ｔｇを算出する。
すなわち、要求筒内温度ｔｃを得るため、２次空気による酸化反応が促進されるように、グロープラグ２０によって、雰囲気温度を上昇させ、２次空気だけでは要求筒内温度ｔｃが得られない領域で外部熱を供給してアシストする。

前記要求グロープラグ発熱量ｔｇが得られるように、前記グロープラグ２０の通電量を制御する。
ステップＳ１５では、機関回転数Ｎｅとグロープラグ２０による温度上昇代とに基づいて、図１０に示したマップを参照して、グロープラグ２０の発熱量に対する温度上昇の感度係数Ａを算出する。
ここで、グロープラグ２０による温度上昇代Δｔｘｇとは、要求外部ＥＧＲ温度ｔｅｒｔと前記２次空気による酸化反応（燃焼）後の排気温度ｔｘ２との温度差（Δｔｘｇ＝ｔｅｒｔ−ｔｘ２）として算出され、該温度上昇代Δｔｘｇが高いときほど発熱量に対する温度上昇が大きいので感度係数Ａは大きくなるように設定されるが、機関回転数Ｎｅが高くなるほど排気流速が大きくなって温度上昇しにくくなるので、感度係数Ａは小さくなるように設定されている。
ステップＳ１６では、前記グロープラグ発熱量ｔｇ、感度係数Ａ、酸化反応後の排気温度ｔｘ２とに基づいて、図１１に示したマップを参照して、要求外部ＥＧＲ量に見合った要求ＥＧＲバルブ開度θを算出する。
前記要求ＥＧＲバルブ開度が得られるように、ＥＧＲバルブ１６が制御される。
図１２は、圧縮自己着火燃焼運転での領域毎の制御内容を示し、最も低負荷な領域Ａでは、２次空気量、２次空気用燃料噴射量およびグロープラグ発熱量のレベルを大とし、領域Ａより負荷の大きな領域Ｂでは、２次空気量、２次空気用燃料噴射量およびグロープラグ発熱量のレベルを中とし、領域Ｂより高負荷な領域Ｃでは、２次空気量および２次空気用燃料噴射量のレベルを小とし、グロープラグの通電は停止する。なお、領域Ａ〜ＣではＥＧＲクーラによる外部ＥＧＲの冷却は停止されている。
最も高負荷な領域Ｄでは、上述したように２次空気ポンプ１８による２次空気の供給および２次空気用燃料噴射弁１９からの燃料噴射は停止し、外部ＥＧＲの冷却を冷却する。
図１３は、上記領域Ａ〜Ｄ毎の各種状態量および制御量を、２次空気供給有り（これに付随する２次空気用燃料噴射、グロープラグによる発熱を含む）と無しの場合を比較して示す。
本実施形態のように領域Ａ〜Ｃでは、２次空気供給等を行って燃焼加熱することにより、外部ＥＧＲが温度上昇し、筒内温度上昇によって安定した自己着火性を確保できる。
これにより、燃焼室からのＨＣ排出量を低減でき、かつ、吸入空気量の多い自己着火燃焼では低温な排気の温度を上昇させることにより排気浄化触媒の活性を早められることの相乗効果によって、特に低負荷領域でのＨＣ排出量を大幅に低減できる。
また、上記のように安定した自己着火性の確保によって自己着火燃焼運転領域を拡大でき（特に低負荷で高回転側へ拡大できる）でき、燃費も改善できる。
一方、高負荷領域Ｄでは、外部ＥＧＲを冷却することによって筒内温度の上昇を抑制することにより燃焼速度が過大となることを抑制して緩慢な燃焼を得ることができ、自己着火燃焼運転領域を高負荷側へ拡大でき、燃費を改善できる。
図１３では、高負荷領域で２次空気供給をしたときに、ＨＣが低減しているが、実際には、高負荷領域で外部ＥＧＲを加熱して筒内温度を上昇させると、燃焼速度が過大となってノッキング等の異常燃焼を発生しやすくなるので、自己着火燃焼が可能な負荷領域が低負荷側に大きく制約されてしまう。したがって、実質的には、高負荷側に自己着火燃焼運転領域が拡大されることにより、火花着火運転を行った場合と比較して燃費を低減できる。
図１４は、機関回転数Ｎｅの変化に応じた各種状態量の変化を示す。
図示のように、２次空気供給により外部ＥＧＲの加熱を行うことにより、特に低回転側で触媒温度の早期活性化が図れ、これに伴い、ＨＣ排出量を十分に低減できる。
図１５は、図１３、図１４で示した以外の本実施形態の要因別の効果を示す。
図１５（Ａ）は、上記特許文献１，２に示したような内部ＥＧＲによる自己着火性向上を図った場合と、外部ＥＧＲの温度上昇による場合とを自己着火性向上を図った場合と比較したもので、内部ＥＧＲによる場合は、筒内圧力変動率の気筒間でのバラツキが大きいのに対し、外部ＥＧＲによる場合は、筒内圧力変動率の気筒間でのバラツキを小さく抑制できる。
図１５（Ｂ）は、２次空気による外部ＥＧＲ温度上昇により自己着火燃焼運転領域が、高回転側および低負荷側に拡大することを示している。
図１５（Ｃ）は、外部ＥＧＲの冷却により、高負荷限界が拡大することを示している。
図１５（Ｄ）は、グロープラグの発熱により、２次空気供給のみの場合に比較して外部ＥＧＲをより温度上昇させて、自己着火燃焼運転領域が、さらに低負荷側および高回転側に拡大することを示している。
このように、本実施形態では、自己着火燃焼運転で問題となる低負荷でのＨＣを十分に低減しながら、該自己着火燃焼運転領域を拡大できることによって、燃費を向上できる。
なお、本実施形態では、２次空気用の燃料を供給し、グロープラグによる発熱も行っているので、２次空気の供給だけでは排気中の未燃ＨＣを酸化燃焼させることが難しい場合でも確実に燃焼させて浄化することができる。
また、これら２次空気用燃料の供給、グロープラグの発熱に伴う燃費の損失はあるが、温度上昇によって自己着火燃焼運転領域を拡大できることによりトータルとして燃費を低減できるように燃料噴射量、発熱量を制御することができる。なお、外部ＥＧＲを電気ヒーターで加熱する方式も考えられるが、この方式では、温度上昇効率が低いため消費電力が大きくなり、また、排気温度を上昇させるものではないので、排気中の未燃ＨＣを燃焼させることができず、かつ、排気浄化触媒の活性を早める効果も有しないので、ＨＣ浄化性能を十分向上できるものではない。
図１６は、本発明の別の実施形態を示す。
本実施形態では、ＥＧＲ通路１２’の入口（外部ＥＧＲ導入口）を、ＨＣの酸化反応による浄化機能を有する排気浄化触媒３１の下流側に接続すると共に、ＥＧＲクーラ１３’を介装したバイパス通路１４’の入口を、前記排気浄化触媒３１の上流側に接続し、該バイパス通路１４’の出口をＥＧＲ通路１２’の下流側に合流させて接続し、該合流点にバイパス通路１４’と主通路とを選択的に開閉する通路切換弁１５’を設けた構成とする。
そして、自己着火燃焼運転する領域において、所定以上の高負荷領域(第１実施形態での領域Ｄ)では、前記バイパス通路１４’を開として外部ＥＧＲをＥＧＲクーラ１３’によって冷却する。
上記高負荷領域以外の領域では、バイパス通路１４’を閉として外部ＥＧＲの冷却を停止すると共に、前記排気浄化触媒１３で排気中の未燃ＨＣが酸化反応したとき発生した熱で温度上昇した排気を外部ＥＧＲとすることで、筒内温度を上昇させ、低負荷でのＨＣ排出量を低減しながら自己着火燃焼運転領域を拡大することができる。

本実施形態では、第１実施形態ほど外部ＥＧＲを十分に温度上昇させることは難しく、排気浄化触媒の早期活性化も図れないが、特別な温度上昇手段を設けることなく、簡易な構成で済む。

第１実施形態における内燃機関のシステム構成図。 第１実施形態における外部ＥＧＲ昇温制御（前段）を示すフローチャート。 同上外部ＥＧＲ昇温制御（後段）を示すフローチャート。 同上実施形態におけるＥＧＲ冷却領域を判定するためのマップ。 同じく要求筒内温度を算出するためのマップ。 同じく要求２次空気量を算出するためのマップ。 同じく要求２次空気用燃料噴射量を算出するためのマップ。 同じく２次空気量に対する排気の温度上昇率を算出するためのマップ。 同じく要求グロープラグ発熱量を算出するためのマップ。 同じくグロープラグ発熱量に対する排気温度上昇の感度係数を算出するためのマップ。 同じく要求ＥＧＲバルブ開度を算出するためのマップ。 同じく圧縮自己着火燃焼運転での制御内容が異なる領域区分を示す図と、該領域毎の制御内容を示すテーブル。 同じく上記領域毎の各種状態量を示すタイムチャート。 同じく同上制御における機関回転数に対する各種状態量を示す図。 同じく同上制御における各種効果を示す図。 第２実施形態における内燃機関のシステム構成図。

符号の説明

１…内燃機関、７…燃料噴射弁、８…点火プラグ、１０…可変動弁機構、１１…排気通路、１２，１２’…ＥＧＲ通路、１３、１３’…ＥＧＲクーラ、１４、１４’…バイパス通路、１５、１５’…通路切換弁、１６…ＥＧＲバルブ、１７…２次空気通路、１８…２次空気ポンプ、１９…２次空気用燃料噴射弁、２０…グロープラグ、２１…エンジンコントロールユニット、２２…回転数センサ、２３…水温センサ、２５…排気温度センサ、３１…排気浄化触媒

Claims (10)

1. 燃焼により加熱した排気を、外部ＥＧＲとして吸気系に還流することを特徴とする圧縮自己着火内燃機関のＥＧＲ装置。
2. 前記燃焼を、排気への２次空気の供給によって行うことを特徴とする請求項１に記載の圧縮自己着火内燃機関のＥＧＲ装置。
3. 機関の要求負荷に応じて前記２次空気の供給量を調整することを特徴とする請求項２に記載の圧縮自己着火内燃機関のＥＧＲ装置。
4. 前記２次空気と共に燃料を供給することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の圧縮自己着火内燃機関のＥＧＲ装置。
5. 機関の要求負荷に応じて前記２次空気の供給量と比例的に燃料供給量を調整することを特徴とする請求項４に記載の圧縮自己着火内燃機関のＥＧＲ装置。
6. ２次空気の供給量を、要求負荷が低いときは増大し、要求負荷が高いときは減少することを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか１つに記載の圧縮自己着火内燃機関のＥＧＲ装置。
7. 要求負荷が所定以上高いときは、２次空気の供給を停止し、外部ＥＧＲを冷却することを特徴とする請求項３〜請求項６のいずれか１つに記載の圧縮自己着火内燃機関のＥＧＲ装置。
8. 要求負荷が低いときに、２次空気供給部に外部熱供給手段を設けたことを特徴とする請求項２~請求項７のいずれか１つに記載の圧縮自己着火内燃機関のＥＧＲ装置。
9. 前記排気浄化触媒で排気中の未燃燃料の酸化反応（燃焼）熱によって加熱された排気を、外部ＥＧＲとすることを特徴とする請求項１に記載の圧縮自己着火内燃機関のＥＧＲ装置。
10. 要求負荷が所定以上では、排気浄化触媒上流から外部ＥＧＲを取り出して冷却し、要求負荷が所定未満のときは、排気浄化触媒下流から外部ＥＧＲを取り出すことを特徴とする請求項９に記載の圧縮自己着火内燃機関のＥＧＲ装置。

Images