JP2006299862A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】適正量の水噴射を行うことができる技術を提供する。
【解決手段】内燃機関の燃焼室内に水を噴射する水噴射装置を備え、水噴射装置は、ＭＢＴからの点火時期の遅角量（ステップＳ１１０）、および予定される点火時期の進角量（ステップＳ１０２）に応じて水の噴射量を設定する（ステップＳ１１１）。ＭＢＴからの点火時期の遅角量と、ＭＢＴまで点火時期を進角させるために必要な水噴射量と、の関係は、実験により得られ、回帰式として表すことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関に関する。

内燃機関の燃焼室内に水を噴射することにより、燃焼室内の温度を低下させることができる。

そして、燃焼室内に水の噴射を行う水噴射装置を備えた内燃機関において、回転数および負荷に対応して水噴射量を設定し、ＮＯxの発生を抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
実開平５−１０７６１号公報 特開平１０−５４３０６号公報 特許２６７５６５５号公報 特開２００２−３１７６２２号公報 特開平９−１４４６０６号公報

ここで、燃焼室内に水噴射を行うと温度低下によりノックの発生が抑制されるので、点火時期を進角させてＭＢＴとし、内燃機関の出力を高めることができる。ここで、ＭＢＴとは、Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｓｐａｒｋ Ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ Ｂｅｓｔ Ｔｏｒｑｕ の略であり、機関発生トルクが最大となる点火時期である。

しかし、車両に搭載できる水の量には限りがあり、水噴射を多用すると水の補充が必要となる。ところが、水を補充しなくても内燃機関の運転は可能であるため、ユーザが水を補充しないおそれもある。そのため、水噴射が可能であるときと、水噴射が可能でないときと、が起こり得る。そして、水噴射をするときとしないときとで内燃機関の運転状態が大きく変わるので、それぞれの運転状態に応じた燃料噴射マップや点火時期マップ等をそれぞれ実験により求める必要があり、これらマップ等を求める手間が二倍になる。

また、機関回転数や機関負荷により、ＭＢＴからの点火時期遅角量が異なるため、点火時期を１度進角させるために必要となる水噴射量が異なる。そして、水噴射量が多すぎると水の補充が早期に必要となり、一方、水の噴射量が少なすぎるとノッキングが発生するおそれがある。

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、内燃機関において、適正量の水噴射を行う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内燃機関は、以下の手段を採用した。すなわち、
内燃機関の燃焼室内に水を噴射する水噴射装置を備え、
前記水噴射装置は、ＭＢＴからの点火時期の遅角量、および予定される点火時期の進角量に応じて水の噴射量を設定することを特徴とする。

ＭＢＴとは、前記したように、機関発生トルクが最大となる点火時期である。

ここで、ノッキング等の発生により点火時期が遅角されたとしても、前記水噴射装置により内燃機関の燃焼室内に水噴射をすれば、燃焼室内の温度が低下するのでノッキングの発生が抑制される。これにより、点火時期をＭＢＴに向けて進角させることができる。そして、現在のＭＢＴからの点火時期の遅角量と、ＭＢＴまで点火時期を進角させるために必要な水噴射量と、の関係は、実験により得られ、回帰式によって表すことができる。この回帰式は、内燃機関の回転数、内燃機関の負荷、および燃料のオクタン価には関係なく同じものを用いることができる。

すなわち、点火時期のＭＢＴからの遅角量に基づいて前記回帰式からＭＢＴとするまでに必要な水噴射量を得ることができる。また、ＭＢＴまで進角させるときに、一度にＭＢＴまで進角させずに段階的に進角させることがある。段階的に進角させる場合、予定される点火時期の進角量だけ進角された後の点火時期からＭＢＴとするまでに必要な水噴射量も前記回帰式から算出することができる。そして、「現時点での点火時期からＭＢＴとするまでに必要な水噴射量」から「予定される点火時期の進角量だけ進角された後の点火時期からＭＢＴとするまでに必要な水噴射量」を減じたものが、予定される点火時期の進角量を進角させるために必要な水噴射量として求められる。

本発明においては、前記水噴射装置により水が噴射される前に前記内燃機関がリッチ空燃比で運転されている場合において、
点火時期を進角することによる排気温度の低下量を推定する排気温度低下量推定手段と、
前記排気温度低下量推定手段により推定される排気温度の低下量に基づいて、空燃比の変更可能値を算出する空燃比変更可能値算出手段と、
をさらに備えることができる。

ここで、点火時期がＭＢＴのときにノッキングが発生した場合には、点火時期が遅角される。この場合、機関発生トルクが減少し、その分が排気温度の上昇となって現れる。このようにして排気温度が上昇すると、触媒の熱劣化が顕著となるので、燃料供給量の増加により排気温度を低下させる。すなわち、ストイキ空燃比を目標として内燃機関が運転されていた場合には、リッチ空燃比で運転されるようになる。そして、燃料の気化潜熱の増加により排気温度が低下する。

一方、水噴射により点火時期の進角が可能となると、排気温度が低下するため、燃料供給量を減少させることが可能となる。ここで、ＭＢＴへ向かう点火時期の進角量と、排気温度の低下量との間には相関がある。この相関は、内燃機関の回転数、内燃機関の負荷、および燃料のオクタン価に関わらず同じである。そのため、予定される点火時期の進角量が分かれば、排気温度の低下量も分かる。

ここで、空燃比変更可能値算出手段は、排気温度の低下量および内燃機関の運転状態から、どれだけ空燃比を変更することが可能であるか算出する。ここでは、点火時期の進角による排気温度の低下量と、空燃比を高めることによる排気温度の上昇量と、が等しくなるように空燃比の変更可能値を算出するようにしてもよい。

本発明においては、現時点の空燃比に前記空燃比変更可能値算出手段により算出された空燃比の変更可能値を加えると変更後の空燃比がリーン空燃比となる場合には、変更後の空燃比がストイキ空燃比となるように燃料供給量を変更することができる。

燃料供給量を減少させた結果、リーン空燃比となってしまうとＮＯxが発生する。これに対し、変更後の空燃比がリーン空燃比となり得る場合には、ストイキ空燃比となるように燃料供給量を調整することにより、ＮＯxの排出量を減少させることができる。

本発明においては、現時点の空燃比に前記空燃比変更可能値算出手段により算出された空燃比の変更可能値を加えると変更後の空燃比がリーン空燃比となる場合には、点火時期を進角させるときに空燃比を変化させないことができる。

前述のように、燃料供給量を減少させた結果、リーン空燃比となってしまうとＮＯxが発生する。これに対し、変更後の空燃比がリーン空燃比となり得る場合には、燃料供給量を変更しないようにして空燃比を変化させなければ、ＮＯxの排出を抑制することができる。

本発明においては、前記水噴射装置は、水を貯留するためのタンクを備え、このタンク内に貯留されている水の量に基づいて水噴射時の点火時期の進角量が決定されてもよい。

すなわち、ユーザが水を補充しなければタンク内の水はその内無くなるので、水噴射が不可能になる。しかし、タンク内に貯留されている水の量が少なくなった場合には、予定される点火時期の進角量を小さくすることにより、水噴射量を減少させることができ、水噴射を行うことのできる期間を延ばすことができる。

本発明に係る内燃機関では、適正量の水噴射を行うことができる。

以下、本発明に係る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。

図１は、本実施例に係る内燃機関を適用する内燃機関１の概略構成を示す図である。

内燃機関１には、４つの気筒２が備わり、各気筒２には、点火プラグ３が備えられている。

また、各気筒２には、燃料であるガソリンを該気筒２内に噴射する燃料噴射弁４および水を該気筒２内に噴射する水噴射弁５が取り付けられている。

水噴射弁５は、水供給管６を介して水タンク７に接続されている。この水タンク７には、該水タンク７内に貯留されている水の残量を検出する残量センサ８が取り付けられている。また、水タンク７内には、水供給管６へ水を吐出するポンプ９が設置されている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

ＥＣＵ１０には、残量センサ８のほか、アクセル開度すなわち機関負荷に応じた信号を出力するアクセル開度センサ１１、内燃機関１の回転数に応じた信号を出力するクランクポジションセンサ１２、内燃機関１の吸入空気量に応じた信号を出力するエアフローメータ１３が電気配線を介して接続され、これらセンサの出力信号がＥＣＵ１０に入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ１０には、点火プラグ３、燃料噴射弁４および水噴射弁５が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ１０はこれらの部材を制御する。

そして、本実施例においては、点火プラグ３の点火時期がＭＢＴとなるように、水噴射弁５から水噴射が行われる。

なお、本実施例においては、水噴射を行わない状態を基準とした点火時期、燃料噴射量等のマップ（以下、基準マップという。）がＥＣＵ１０に記憶されており、水噴射を行っていないときには該マップに基づいて内燃機関１が運転されている。そして、現時点でのＭＢＴからの点火時期の遅角量、および予定される点火時期の進角量に応じて水の噴射量を設定する。この際、燃料噴射量が補正される。これにより、水噴射を行う場合であっても基準マップを用いることができる。

次に、本実施例による水噴射制御について説明する。

図２は、本実施例による水噴射制御のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、水タンク７内に貯留されている水の残量が読み込まれる。水の残量は、残量センサ８により得られる。

ステップＳ１０２では、水タンク７内に貯留されている水の残量に基づいて、点火時期の進角量Ｂが算出される。この進角量Ｂは、水噴射を行う前であって、現時点での点火時期からの進角量である。

ここで、図３は、水タンク７内に貯留されている水の残量と、点火時期の進角量との関係を示した図である。水の残量が１００％のときは、水タンク７が水で満たされていることを示している。また点火時期の進角量Ｂが０のときには進角が行われないことを示している。

そして、本実施例においては、水タンク７内の水の残量が少なくなるにしたがって、段階的に点火時期の進角量Ｂが小さくされる。これは、水タンク７内の水がなくなった場合に、その前後で点火時期の進角量Ｂが大きく変わると、内燃機関１の出力が大きく変わり、ドライバビリティに影響するためである。また、水噴射を行うことができる期間を可及的に長くしようとするためである。そして、水の残量が０となる前であっても点火時期の進角を行わないようにしている。これは、水タンク７内の水が全てなくなってしまうと、水供給管６内に空気が入り込み、次回水を補充した後であっても水供給管６内の空気が除去されるまでは水の噴射を行うことができなくなるので、これを防止するためである。

図３に示すマップは予め実験等により求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。

ステップＳ１０３では、基準マップから求まる空燃比がストイキ空燃比よりも小さいか、すなわちリッチ空燃比であるか否か判定される。

すなわち、点火時期の遅角による排気温度の上昇を抑制するために、燃料噴射量が増量され、リッチ空燃比となっている場合には、点火時期の進角と共に燃料噴射量を減量させることができるので、まず本ステップにおいて進角前の空燃比がリッチ空燃比であるか否か判定される。ストイキ空燃比若しくはリーン空燃比である場合には、燃料噴射量をさらに減量させる必要はない。

ステップＳ１０３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１１０へ進む。

ステップＳ１０４では、ステップＳ１０２で得られた点火時期の進角量に基づいて排気温度の低下量ΔＴが算出される。すなわち、点火時期が進角されると、燃料の燃焼状態がより良くなるため、機関出力が上昇し、その分排気温度が低下する。この低下した分の排気温度を高めるように燃料噴射量を減量しても、触媒の熱劣化等は避けられる。また、燃料噴射量の減量により、燃費の向上および排気中の有害物質の低減を図ることができる。

ここで、図４はＭＢＴからの遅角量と排気温度の低下量ΔＴとの関係を示した図である。同じ図形で示される点は、機関回転数および機関負荷が同一の運転状態であることを示している。

機関回転数および機関負荷が同一の場合には、ある点火時期から点火時期が進角されると、「ＭＢＴからの遅角量」は進角前と比較して小さくなる。図４において、点火時期の進角後のΔＴの値から進角前のΔＴの値を減じて得られる値が、点火時期の進角による排気温度の低下量ΔＴである。

この「ＭＢＴからの遅角量」が小さくなった値（すなわち、進角量Ｂ）と、排気温度の低下量ΔＴとには相関ある。そして、排気温度の低下量ΔＴとの関係は例えば以下の回帰式により示される。

ΔＴ＝９×点火時期の進角量Ｂ
すなわち、ステップＳ１０２で得られた点火時期の進角量Ｂに９を乗じて排気温度の低下量ΔＴを得ることができる。

ステップＳ１０５では、排気温度の低下量ΔＴに基づいて空燃比の変更量ΔＡ／Ｆが算出される。すなわち、排気温度の低下により空燃比を大きくすることができるので、このときに空燃比をどれだけ大きくすることができるか算出される。

ここで、内燃機関１の吸入空気量が等しいとした場合には、空燃比と、排気温度の低下量ΔＴとには相関関係がある。この関係は実験的に求めることができ、空燃比変化量ΔＡ／Ｆと排気温度の低下量ΔＴとの関係は例えば以下の回帰式で示される。

ΔＡ／Ｆ＝０．０４３５×ΔＴ
ステップＳ１０６では、水噴射を行わない状態での空燃比を、基準マップから求める。このときに用いられる基準マップは、吸入空気量、機関回転数、および機関負荷をパラメータとする燃料噴射量マップである。このマップは、予め実験等により求められＥＣＵ１０に記憶されている。

ステップＳ１０７では、ステップＳ１０６で得られた空燃比にステップＳ１０５で得られた空燃比の変更量ΔＡ／Ｆを加えた値が、リーン空燃比であるか否か判定される。

ステップＳ１０７で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０８へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１１０へ進む。

ステップＳ１０８では、補正後の空燃比がストイキ空燃比となるように燃料噴射量の補正値を算出する。これにより、空燃比を触媒の浄化可能領域内とすることができ、触媒の浄化性能を向上させることができる。

なお、ステップＳ１０７において変更後の空燃比がリーン空燃比となると判定された場合には、燃料噴射量の補正を行わないようにしても良い。すなわち、ステップＳ１０８において燃料噴射量の補正値を、燃料噴射量が変わらない値としてもよい。

ステップＳ１０９では、補正後の空燃比に基づいて燃料噴射量の補正値を算出する。すなわち、吸入空気量、機関回転数、機関負荷、変更後の空燃比に基づいて、燃料噴射量の補正値を算出する。

ステップＳ１１０では、現在のＭＢＴからの点火時期の遅角量を読み込む。この遅角量は予め記憶されたマップに基づいて定められている。このマップは、機関回転数および機関負荷から、ノックの発生を抑制するために必要となる遅角量を求めるマップであり、予め実験等により求めＥＣＵ１０に記憶させておく。

ステップＳ１１１では、水噴射量を算出する。

図５は、ＭＢＴからの遅角量とＭＢＴとするまでに必要な水噴射量との関係を示した図である。図５は、機関回転数若しくは機関負荷が異なる七つの運転状態において実験を行ったときに得られた図である。機関回転数を四条件変化させ、さらに、この四条件のうちの低いほうから二番目の機関回転数において機関負荷を四条件変化させて実験を行った。

そして、図５によれば、機関回転数および機関負荷に関わらず、ＭＢＴからの遅角量とＭＢＴとするまでに必要な水噴射量との関係を、例えば以下に示す回帰式により表すことができる。

Ｙ＝０．２６３１０６１Ａ²＋２．３６５５７０４Ａ−０．５１０１８７７
ここで、ＡはＭＢＴからの遅角量、ＹはＭＢＴとするまでに必要な水噴射量である。

一方、点火時期の進角量Ｂだけ進角させた後の「ＭＢＴからの遅角量」は、（Ａ−Ｂ）で表されるので、この（Ａ−Ｂ）に対応した「ＭＢＴとするまでに必要な水噴射量」は例えば次式により示される。

Ｙ＝０．２６３１０６１（Ａ−Ｂ）²＋２．３６５５７０４（Ａ−Ｂ）−０．５１０１８７７
そして、進角前の「ＭＢＴとするまでに必要な水噴射量」から進角後の「ＭＢＴとするまでに必要な水噴射量」を減じた値が、進角量Ｂだけ進角させるために必要な水噴射量となる。すなわち、ステップＳ１０２で求められた点火時期の進角量Ｂを得るために必要な水噴射量は、例えば次式により示すことができる。

Ｚ＝０．２６３１０６１×（Ａ−（Ａ−Ｂ））²＋２．３６５５７０４Ｂ
ここで、Ｚは点火時期の進角量Ｂを進角させるために必要な水噴射量、ＡはＭＢＴからの遅角量、Ｂは点火時期の進角量である。

ステップＳ１１２では、水噴射弁５の駆動時間が算出される。水噴射弁５の駆動時間と水噴射量との関係を予め実験等により求めマップ化してＥＣＵ１０に記憶させておく。そして、ステップＳ１１１で得られた水噴射量をマップに代入して水噴射弁５の駆動時間が算出される。

このようにして得られた水噴射弁５の駆動時間分水噴射が行われ、同時に燃料噴射量が補正される。

以上説明したように、本実施例によれば、点火時期をＭＢＴに向けて進角されるときに必要な水噴射量を正確に求めることができる。これにより、ノッキングの発生を抑制することができ、機関発生トルクを増加させることができる。

また、排気温度の低下と共に燃料供給量を減少させることにより、燃費の向上や排気中の有害物質の低減を図ることができる。

実施例に係る内燃機関を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。 実施例による水噴射制御のフローを示したフローチャートである。 実施例による水タンク内に貯留されている水の残量と、点火時期の進角量との関係を示した図である。 実施例によるＭＢＴからの遅角量と排気温度の低下量ΔＴとの関係を示した図である。 実施例によるＭＢＴからの遅角量とＭＢＴとするまでに必要な水噴射量との関係を示した図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 気筒
３ 点火プラグ
４ 燃料噴射弁
５ 水噴射弁
６ 水供給管
７ 水タンク
８ 残量センサ
９ ポンプ
１０ ＥＣＵ
１１ アクセル開度センサ
１２ クランクポジションセンサ
１３ エアフローメータ

Claims (5)

1. 内燃機関の燃焼室内に水を噴射する水噴射装置を備え、
   前記水噴射装置は、ＭＢＴからの点火時期の遅角量、および予定される点火時期の進角量に応じて水の噴射量を設定することを特徴とする内燃機関。
2. 前記水噴射装置により水が噴射される前に前記内燃機関がリッチ空燃比で運転されている場合において、
   点火時期を進角することによる排気温度の低下量を推定する排気温度低下量推定手段と、
   前記排気温度低下量推定手段により推定される排気温度の低下量に基づいて、空燃比の変更可能値を算出する空燃比変更可能値算出手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 現時点の空燃比に前記空燃比変更可能値算出手段により算出された空燃比の変更可能値を加えると変更後の空燃比がリーン空燃比となる場合には、変更後の空燃比がストイキ空燃比となるように燃料供給量を変更することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 現時点の空燃比に前記空燃比変更可能値算出手段により算出された空燃比の変更可能値を加えると変更後の空燃比がリーン空燃比となる場合には、点火時期を進角させるときに空燃比を変化させないことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
5. 前記水噴射装置は、水を貯留するためのタンクを備え、このタンク内に貯留されている水の量に基づいて水噴射時の点火時期の進角量が決定されることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の内燃機関。

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