JP2007146854A

JP2007146854A - ターボ過給機付き筒内噴射エンジン及びその制御方法

Info

Publication number: JP2007146854A
Application number: JP2007017243A
Authority: JP
Inventors: Takuya Shiraishi; 拓也白石; Toshiji Nogi; 利治野木; Minoru Osuga; 大須賀　　稔; Noboru Tokuyasu; 昇徳安
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2007-01-29
Publication date: 2007-06-14

Abstract

【課題】
ターボ過給機を備えた筒内噴射エンジンにおいて、エンジントルクの高負荷領域での燃焼を改善し燃費を向上するとともに、さらにリーンバーン領域内での負荷が大きい領域でのスモーク発生を抑制する。
【解決手段】
吸気管内圧力，燃焼室内圧力，排気管内圧力の少なくとも１つを用いて、燃焼室内の排気ガスを掃気する掃気促進制御するとともに、吸気行程から圧縮行程中に燃料を２回に分けて噴射する。
【選択図】図１

Description

本発明はターボ過給機を備えた筒内噴射エンジンの制御方法に関するものであり、特に高負荷運転時の燃焼改善し排気を浄化し、燃費を向上するための制御方法に関するものである。

従来よりエンジントルクを向上するためにターボ過給機が使用されている。一般的に、ターボ過給機は高温の排気ガスのエネルギを用いてタービンを回転させ、同軸に結合されているコンプレッサを回転させ空気を圧縮してエンジンに吸入させるものであり、エンジンからみればその排気量以上の空気量を吸入できることから、エンジントルクを向上させるためのものという使い方がされてきた。

一方、筒内噴射エンジンを代表とするリーンバーンエンジンでは、燃費向上を目的としてエンジントルクの低い運転領域で希薄燃焼するが、所望とする燃料量と空燃比から決まる空気量はエンジンの排気量で制限され、そのために希薄燃焼で運転できる範囲はエンジントルクの低い領域に限定されている。例えば、特開平１１−３６８６７号には、吸気増量手段を備え機間運転状態より定まる必要燃料量が所定量を超える時は、吸気増量手段により吸気を増量する筒内噴射エンジンが開示されている。

近年の筒内噴射エンジンでは理論空燃比よりも空気過剰の状態、いわゆるリーン空燃比で内燃機間の運転を行い、燃費の向上を図ることが行われており、さらに前述した公報では過給機を用いて空気量を増加させ、リーン空燃比で運転する領域を拡大するようにしている。このような過給機を備えた筒内噴射エンジンにおいて、エンジントルクの大きい領域では空燃比を理論空燃比よりも燃料過剰の状態、すなわちリッチ空燃比で運転することになる。これは以下のような現象に基づいている。エンジントルクの大きい、高負荷領域ではエンジンの燃焼室内での燃焼温度が上昇し、エンジンにとって好ましくないノッキングが発生しやすくなる。その防止策として通常は点火時期をリタードして、燃焼温度を低下させる手段が用いられるが、この方法では排気温度が上昇してしまうので、これを冷やすために今度は燃料を多く噴射して燃料の気化潜熱で冷却することになる。このため、高負荷領域では必要以上の燃料を消費することになり燃費が悪化することになる。特開2000−２７４２７８号には高回転高負荷時における均質燃焼を良好にするために、ターボ過給機による過給を実施して気筒内流動を強めて、多量に噴射された燃料と吸気を十分に混合させて良好な均質混合気を生成することが記載されているが、高負荷領域での燃費を改善するといった点では不十分である。

したがって、エンジントルクの低負荷運転領域ではリーンバーン運転をして燃費を向上させるものの、高負荷運転領域では燃費が悪化して、実際の走行条件においては燃費が向上しないという問題があった。

さらに、過給機を備えた筒内噴射エンジンにおいて、リーンバーン空燃比を拡大した場合、そのリーンバーン領域内での負荷が大きい領域では燃料が燃焼室内の一部に極度に集中するためにスモークが発生するという問題もあった。

本発明は、上記のような事情を鑑みてなされたものであって、第一の目的はターボ過給機を備えた筒内噴射エンジンにおいて、エンジントルクの高負荷領域での燃焼を改善し燃費を向上することにある。さらに、第二の目的は前記のエンジンにおいて、リーンバーン領域内での負荷が大きい領域でのスモーク発生を抑制することである。

上記の目的は、エンジンの燃焼室に直接燃料を噴射可能な燃料噴射弁と、エンジンの燃焼室に組み合わされる吸気弁と排気弁と、前記吸気弁または排気弁の位相を可変にする可変バルブ機構と、前記エンジンの排気通路に設置され排気ガスにより回転するタービンと、前記エンジンの吸気通路に設置され、前記タービンの回転力で回転するコンプレッサと、前記タービンをバイパスするバイパス通路と、前記バイパス通路への排気ガス流量を調整する制御弁とを備えた筒内噴射エンジンにおいて、吸気管内圧力，燃焼室内圧力，排気管内圧力の少なくとも１つを用いて、燃焼室内の排気ガスを掃気するように制御するとともに、吸気行程から圧縮行程中に燃料を２回に分けて噴射することによって達成される。

また、別の発明ではエンジン回転数一定でエンジントルクを増加させたとき図示平均有効圧力（燃焼室内で発生した爆発圧Ｐメガパスカルを燃焼室容積Ｖ立方メートルで除したもの）が略９.５barまでファンクションスモークナンバー（ＦＮＳ）が０.５以下になるよう制御することによって達成できる。

更にまた、図示平均有効圧力が１２bar となる高負荷での燃料消費率が、図示平均有効圧力で８bar となる中負荷での燃料消費率と比較して±５％となるよう制御することによって達成できる。

本発明によれば、シリンダ内の排気ガスをすみやかに掃気できるのでエンジンの高負荷領域での排圧上昇を抑制でき、燃料で冷却する必要がないので燃費の良いターボＤＩシステムが得られる。

また、成層運転領域中で、スモークの発生を抑制できるのでノッキングが生じにくくなる。

本発明を自動車用ガソリンエンジンシステムに具体化した実施例を図面に基づいて説明する。

図１に示すガソリンエンジンシステム１は、エンジンに空気を導入する吸気系とエンジンからの排気ガスを排出する排気系と、その吸気系と排気系の配管内に設置されたターボ過給機を備えている。

吸気系には、図示しないエアクリーナから導入された空気量を計測する空気量センサ２と、導入された空気を加給するコンプレッサ３１と、前記コンプレッサ３１とスロットル弁３を接続する吸気通路４と、前記スロットル弁３を通過した空気を各気筒に分配するインテークマニホールド９と、インテークマニホールドとスロットル弁３の間には吸気脈動を抑制するためのコレクタ５が備えられている。コンプレッサ３１により加給された吸気は温度が上昇してしまうために、通常は吸気通路４の途中にインタークーラ３３を設置し、吸入空気温度を下げるような構成とすることが多い。

エンジンは筒内噴射式であり、燃焼室２２内に直接燃料１５を噴射するための燃料噴射弁１９と、ピストン２３と、吸気バルブ１３，排気バルブ１４，点火プラグ１２，吸気バルブの可変機構７，排気バルブの可変機構８，水温センサ２１と、ノッキングセンサ１６と、クランク機構２４，クランク角度センサ２５，２６を備えている。さらに、吸気系との接続部には燃焼室２２内にタンブル空気流動を生成するための制御弁６と、整流板１０を備えている。

排気系にはエンジンからの排気通路１８に接続されるタービン３２と、その下流の比較的エンジンに近い位置に触媒１１と、車両の床下付近に触媒１７を備えている。さらに、排気通路１８の途中にあって、タービン３２の上流から下流側にバイパスするバイパス通路１１９の流路面積を可変にする制御弁３４を備えている。

エンジン動作は概略以下のようになっている。エンジンのクランク機構２４に連結されたピストン２３の動作により燃焼室２２の容積が変化する。このピストン２３の上下運動によってエンジンに空気が吸入され、燃焼後のガスが排出される。吸入される空気は吸気通路４の配置されたスロットル弁３によって吸入量が制御される。スロットル弁３はアクセルペダルの変化量を電気信号に変換しモータで駆動する電子制御式スロットル弁でも構わない。スロットル弁より上流に設けられた空気量センサ２でエンジンに吸入される空気量を計量する。吸入された空気はコレクタ５に充満する。コレクタ５はインテークマニホールド９内の圧力変動を抑制する効果がある。コレクタ５には後述するＥＧＲ通路が接続される場合もある。吸入空気がタンブル空気流動制御弁６の動作により、燃焼室２２内に空気流動を生成しながら吸入される。

燃料は、図示しない燃料ポンプにより圧力を予め設定された値まで昇圧されてから燃料噴射弁１９に供給される。燃料噴射弁１９から噴射される燃料量は、空気量センサ２で計量された値を基に図示しないコントロールユニット内で予め設定された空燃比になるように噴射パルス幅が計算される。燃料噴射弁１９はコントロールユニットからの噴射信号に従って燃料を噴射する。

エンジンの回転数は、例えばクランク軸２４に取り付けられたクランク角度センサ２５と磁気ピックアップ２６の出力信号を用いて計測できる。

燃焼室２２から排出された排気ガスは排気通路１８の途中に設置されたタービン３２内に導かれ、高温のエネルギをタービンの回転仕事に変換して排出される。タービンと同軸に結合されているコンプレッサ３１はタービン３２が受け取ったエネルギで回転数を高め、新たに導入する空気を加給してエンジンに送りこむことができる。タービン３２から排出された排気ガスは、排気系に取り付けられた触媒１１を通過し、その際に排気ガス中の有害成分（例えばＨＣ，ＮＯｘ，ＣＯ）が除去される。また、触媒１１で浄化しきれなかった成分を除去する触媒１７を追加する場合もある。触媒１１および１７の前後には、図示しない空燃比センサ，排気温度センサ，酸素センサが取り付けられ、排気ガスに関する各種情報をセンシングし、コントロールユニットでの制御に反映させるようにしても良い。

図２にエンジンが高負荷運転時の燃焼室２２内の状態を推定した模式図を示す。燃焼室２２内の混合気が着火し、燃焼室中心から燃焼が開始し、燃焼室周辺に火炎が伝播していく様子を示している。この時、燃焼室の周囲には前のサイクルの排気ガス、いわゆる残留ガス２７や、混合気分布の不均一な部分２８が存在している。火炎伝播している内側の部分は既に燃焼している部分であり、温度圧力が上昇しており、火炎面を通して残留ガス
２７や混合気の不均一部分２８のある未燃部分を圧縮する。その結果、残留ガス２７や混合気の不均一部分２８の温度圧力は急激に上昇して、自着火してしまいノッキングを引き起こすものと考えられる。ノッキングを防止するには、まず残留ガスを少なくすることであり、さらに燃焼室の周囲（シリンダ壁近傍）に混合気を偏在させないことである。

本発明のポイントは図１に示す構成の筒内噴射エンジンにおいて、高負荷運転時の燃焼室２２内から排気ガスの掃気を促進し残留ガスを少なくするとともに、燃焼室の周囲（シリンダ壁近傍）に混合気を偏在させないことであり、そのための手段について、以下で説明する。

図３はエンジン燃焼室および排気通路の横断面を模式化して示したものである。図１に示した吸気系の大半は省略されており、空気２９は吸気ポート９より燃焼室２２に導入される。排気行程がほぼ終わり、吸気行程が始まるタイミングであり、ピストン２３は上死点に近い位置にあり、吸気バルブ１３と排気バルブ１４が僅かずつ開いている状態である。排気ガスの多くは排気行程で排出されるが、僅かに残っている部分２７が残留ガスとなってしまう。本発明のポイントの１つは排気ガス２７の掃気の促進であり、そのための考え方としては新たに導入される空気２９で排気ガス２７を吹き飛ばすことである。図３に示すようにピストン２３は上死点に近い位置にあり、燃焼室２２の空間は狭くなっており、吸気バルブから入ってくる新気２９で排気ガス２７を吐き出すことは可能であるが、このような状態が成立するのは吸気通路９内の圧力が排気通路１８内の圧力より高い場合である。したがって、そのような状態を作り出すことで排気ガス２７の掃気を促進できることになる。

図４は、図３に示したエンジンの吸気通路９と排気通路１８内の圧力変化の測定結果を示している。測定したエンジンは４気筒エンジンであり、横軸は１番気筒のクランク角度を基準に示している。さらに、図の上方に排気行程にある気筒番号も示した。排気通路
１８の圧力は気筒間の脈動の影響を受けて図のように大きく変動している。１番気筒の排気行程が始まると、１番気筒の燃焼室から高圧の排気ガスが排出されるために、排気管
１８の圧力は上昇する。排気行程中は比較的高い圧力を保ち、排気行程終了時には低下する。しかし、次に３番気筒の排気行程が始まるために再び排気管１８内の圧力は上昇する。一方、吸気管９内の圧力も気筒間の脈動の影響を変動しているが、その平均的な値は排気管１８内の圧力よりは低くなっている。この状態では、吸気管内圧力＞排気管内圧力となるタイミングは排気行程の終了直前の僅かなタイミングしかなく、有効に新気で排気ガスを吐き出すことが不可能である。

そこで、本発明では図３に示すようにタービン３２のバイパス通路１１９に制御弁３４を設けている。このバイパス制御弁３４は、例えば図５に示すような構造になっていて、制御弁３４はモータ３５によって回転するようになっている。制御弁３４を回転させることで、バイパス通路と制御弁との間に開口部が出来て、タービン３２をバイパスして排気ガスが流れ排気通路１８内の圧力が低下する。その時の排気管１８内の圧力変化の測定結果を図６に示す。排気管１８内の圧力を吸気管９内の圧力より下げることができ、吸気管内圧力＞排気管内圧力となり有効に新気で排気ガスを吐き出すことが可能となる。

次に、本発明における別の掃気方法を示す。図１に示した吸気バルブ１３または、排気バルブ１４の可変機構７および８は、図７（ａ）に示すような構造となっている。カムシャフト４１とタイミングベルト４２を接続するカムスプロケット４３の間には可変バルブ機構４４があり、例えば油圧の制御などにより４４のネジ部を移動させることでカムシャフト４１とタイミングベルト４２の回転位相がずれる。図７（ｂ）はその可変機構による効果を吸気バルブを例に示している。排気バルブのリフトカーブは４８で上死点（図中
ＴＤＣ）を少し過ぎた時期に閉弁するようになっている。吸気バルブのリフトカーブは
４５が標準的なタイミングに設定された場合で、上死点の少し前に開弁し、下死点（図中ＢＤＣ）の少し後で閉弁する。その位相を進めた場合は４６のようになり、吸気バルブが開く時期は上死点よりかなり前に移動し、閉弁する時期も前に移動し下死点付近になる。逆に位相を送らせた場合には４７のようになり、上死点付近から開弁し、下死点をかなり過ぎた時期に閉弁する。図７（ａ）に示すような可変バルブ機構を用いることで、吸気バルブ１３の開弁時期を変化させることができるので、それを用いたオーバーラップ期間の制御方法を図８に示す。

１番気筒を例に取り説明する。排気バルブ１４のリフトカーブ４８は変化させずに、吸気バルブ１３のリフトカーブを４５から４６のように変化させた場合、排気バルブ１４と吸気バルブ１３の両方が開いているオーバーラップ期間は矢印で示すように排気行程側に拡大する。１番気筒の排気行程中、ピストン２３が排気ガスを排気通路１８に押し出している途中で、吸気バルブ１３が開き始めるので排気ガスは圧力のより低い吸気通路９の方に流れるために、排気圧力は低下し、吸気圧力は上昇している。この時、吸気管内圧力＞排気管内圧力という状態が作り出されるが、燃焼室周辺のガスの流れは図９のようになっていると思われる。排気行程の途中で吸気バルブ１３が開いたことで、排気ガス２７の一部は吸気通路９のほうに逆流し、新気２９の流入を阻害する。次の瞬間には吸気管内圧力＞排気管内圧力という圧力条件が成立するので、図中に示した矢印の方向に流れ始めるが、吸気通路９から最初に入ってくるのは逆流した排気ガス２７であるために、この排気ガスが燃焼室２２内に再度吸入されることになり、残留ガスとなってしまう。したがって、吸気バルブ１３の位相を排気行程側に進めると、本発明のポイントである残留ガスの掃気促進が出来ないのである。

図７に示した可変バルブ機構は排気バルブ１４にも適用可能であり、次に排気バルブ
１４の位相を吸気行程側に遅らせた場合について図１０に示す。吸気バルブ１３のリフトカーブ４５は変化させずに、排気バルブ１４のリフトカーブを４８から４９のように変化させる。この設定では排気バルブ１４が開き始めるのが下死点付近になり、閉じるのが上死点をかなり過ぎた時期になる。そのため、ピストンが下降を開始して吸気された新気の方が圧力が高くなり、排気ガスを僅かに残った排気ガスを有効に追い出すことが可能となる。その時の燃焼室２２内の様子を模式的に表すと図１１のようになる。排気バルブ１４が上死点過ぎまで開いているので、吸気通路９から導入された新気２９によって排気ガス２７が押し出され、十分な掃気が行われていると考えられる。

本発明の別の実施例として外部ＥＧＲ通路を備えたエンジンシステムの場合について説明する。図１２に外部ＥＧＲ通路３６とＥＧＲ制御弁３７を備えたエンジンシステムの構成を示す。エンジンが高負荷の状態ではターボ過給機による加給のために、吸気管に設けられたコレクタ５の圧力が排気管１８内の圧力より高くなる場合があり、ＥＧＲ通路３６を接続しただけでは、排気側から吸気側に排気ガスを循環させるＥＧＲを機能させることが出来なくなる。そのために図１３に示すようなＥＧＲ制御弁が用いられる。ＥＧＲ通路３６ａは排気通路１８に接続されており、３６ｂは吸気側のコレクタ５に接続されている。ＥＧＲ制御弁３７の構成はリード弁の構造となっており、吸気圧力が排気圧力より高い場合にはリード弁３８が取付抑え３９に密着した状態になり、弁が閉じられる。一方、排気圧力が吸気圧力より高い場合には、リード弁３８が開き排気ガスが吸気側に流入し、
ＥＧＲが可能となる。このリード弁方式のＥＧＲ制御弁は外部からの機械的な動力を必要とせずに動作可能であり、さらに図４に示したような排気管内圧力脈動に応じてリード弁が作動するので、結果的に図６に示したような排気管内の圧力変化を実現でき、排気圧力を低下させ燃焼室内の掃気を促進するのに有効である。

さらに、本発明の別の実施例としてエアアシスト式燃料噴射弁を備えたエンジンシステムに適用する場合について説明する。図１４にエアアシスト式燃料噴射弁の構成を示す。燃料供給口５１から供給された燃料は一時的に混合室５３に蓄えられ、空気供給口５２から供給される空気と混合室５３内で混合された後に燃料噴射弁の先端部５４より燃焼室内に噴射される。このエアアシスト式燃料噴射弁を用いた場合には、燃料を噴射するために使われる空気を残留ガスを掃気するために使うことが出来る。

図１５にそのタイムチャートを示す。排気行程終了後の上死点付近、まだ排気バルブが開いているタイミングで燃料室内にまず空気のみを噴射する。この時の空気の噴射圧力は０.６〜０.８ＭＰａ程度であるため、０.１ＭＰａ程度の排気ガスを掃気するには十分の効果がある。その時の燃焼室内の様子を模式的に表したのが、図１６である。その後に、通常の燃料噴射方式、すわわち下死点付近で燃料を混合室５３に噴射し、圧縮行程中の任意のタイミングで空気を混合室５３に噴射すると混合室５３内に貯まっていた燃料と混合しながら燃料室に噴射される。

次に本発明の２つ目のポイントである燃焼室の周囲（シリンダ壁近傍）に混合気を偏在させない混合気形成方法について説明する。本発明の効果が現れるのは、図１７に示すように、エンジン回転数とトルクで表した場合に、全開トルクを得る領域６０と成層運転領域内の比較的高負荷の領域６１である。領域６０では要求されるトルクが大きいために、燃焼室に噴射される燃料量が多量となる。噴射する燃料量が多くなると、燃焼室に吸入される空気との混合が良好に行われなくなり、意図した空燃比に均一に混合した領域と、そうではなく不均一に混合した領域が形成されてしまう。不均一に混合した領域では空燃比が大きくなったり小さくなっているために、ノッキングである自着火が起こりやすくなる。そこで図１８に示すように、吸気行程と圧縮行程に分割して噴射する。一度に噴射する量を減少させ、吸入空気との混合を良好にしリーン混合気を燃焼室全体に形成させる。圧縮行程でその残りの燃料量を噴射して点火プラグ周辺にリッチ混合気を形成させる。このような混合気の状態においては、リッチ混合気に着火し火炎伝播して燃え広がっても燃焼室の周辺（シリンダ壁近傍）には過度に燃料が多い（空燃比の濃い）場所はなく、また本発明のポイントの一つである残量ガスの掃気を十分に行っているのでノッキングが起こりにくくなっている。また、１回噴射では燃料がピストン頂面やシリンダ壁面に付着し易くスモークの発生の発生要因とも考えられる混合気の偏在を生じやすい。図１９に図示平均有効圧で表したエンジントルクとスモークの関係を示す。この図はエンジン回転数を一定としてエンジントルクを増加させていった時のスモーク発生量を測定した結果で、１回噴射の場合はＩＭＥＰが約６.５barを過ぎたところからスモークが急激に増加している。さらにノッキング発生のために最大トルクが約７barに制限されていることが判る。一方、２回噴射ではノッキングが起こりにくいために加給によるトルク向上効果が大きく出ており最大トルクは約９.５barと大幅に向上しており、スモークが増加する傾向が見られない。

次に成層運転領域内の比較的高負荷の領域６１で、燃焼室の周囲（シリンダ壁近傍）に混合気を偏在させない混合気形成方法について説明する。この領域は成層燃焼領域であるため、燃料噴射は圧縮行程の後半に行われるが、成層領域内でも比較的負荷が高いために、噴射燃料量が多くなり、スモークが発生し易い状況にある。そのため、この領域では圧縮行程後半のタイミングに短い間隔での２回噴射（近接２回噴射と呼ぶ）が有効である。図２０に燃焼室２２内の混合気状態を模式的に示す。成層燃焼であるため、燃焼室２２内の大部分は空気のみが存在しており、圧縮行程の後半になって点火プラグ周囲に燃料が集中するように噴射される。１回目に噴射された燃料は燃焼室内の圧力が比較的低い時に噴射されるために燃焼室の中心付近に拡散して混合気１５ａを形成する。２回目の噴射では、燃焼室内の圧力が１回目の時より高くなっていることから、噴射された燃料は燃焼室に広く拡散はせずに、点火プラグの周辺に混合気１５ｂを形成する。図２１はエンジンの燃焼室を横方向から見た模式図であり、混合気１５ｂは混合気１５ａの生成した空気の流れに誘導されて点火プラグ１２の周囲まで運ばれてくる。このように燃焼室中央部に混合気の濃淡を形成することで、ノッキングの要因になるシリンダ壁近傍の混合気の偏在を防止できるとともに、１回噴射の時よりも混合気の分散が進んでいるために、スモークの発生が抑えられる。

さらに、同じような混合気形成のメカニズムを別の手法で実施する方法について説明する。図２３は燃料噴射弁１９から噴射された燃料噴霧１５の形状を示している。図示していないが、加圧された燃料が燃料噴射弁の燃料供給口５１から供給され、開弁信号がコネクタ５５に印加されると燃料噴射弁１９のノズル５４の先端形状により、燃料噴霧１５の形状が形成される。この噴霧形状は１５ｃのような貫通力の大きい、すなわちペネトレーションの長い成分と、反対側は貫通力が小さくペネトレーションが短くなっていることが特徴である。ＡＡ断面からは１５ｄの一部は部分的に噴霧が切れており、１５ｃの部分は噴霧濃度が高くなっていることが判る。このような特徴を持った燃料噴射弁をエンジンに装着するときには１５ｃの部分を点火プラグ方向にすると燃焼性能が良くなることを確認している。

その時の混合気形成の過程を図２４〜図２６で説明する。図２４では成層燃焼を実現するために、圧縮行程の後期に燃料噴射を開始したタイミングを示している。燃料噴射弁
１９から噴射された燃料噴霧１５は貫通力の大きい成分１５ｃと小さい成分１５ｄに分かれて、それぞれ点火プラグ方向とピストン方向に噴射されていく。燃焼室２２を上から見た模式図では、貫通力の大きい１５ｃの成分は燃焼室中心を通り過ぎており、貫通力の小さい１５ｄの成分は燃料噴射弁１９に近いところで漂っている。

図２５は点火時期より少し前のタイミングで、貫通力の大きいの燃料噴霧１５ｃの位置は僅かに排気側に移動している。貫通力の小さい燃料噴霧１５ｄは徐々に気化しており、その周囲には混合気が形成されている。燃料噴霧１５ｃの早い動きによって燃焼室内に矢印で示したような空気流動が生成し、その流動により１５ｄの周囲に形成されていた混合気が点火プラグ方向に誘導される。

図２６は点火時期のタイミングで、貫通力の大きい燃料噴霧１５ｃは排気バルブ１４付近で気化し混合気１５ａを形成し、貫通力の小さい燃料噴霧１５ｄから気化した成分は燃焼室内の空気流動によって搬送され、点火プラグ周囲で混合気１５ｂを形成する。このような混合気形成方法をスプレーリードと呼ぶことにする。スプレーリードでは貫通力の大きい成分を点火プラグ方向に、貫通力の小さい成分をピストン方向に噴射することで、燃料が一個所に集中することを防止してスモーク発生を抑えている。

図２７にスプレーリードの１回噴射と前述した２回噴射の結果を示す。図示平均有効圧で示したエンジントルクが約９bar付近までスモークの排出が抑制されており、燃料消費率のカーブもほぼ同様な傾向となっており、２回噴射の混合気形成メカニズムとスプレーリードの混合気形成メカニズムが同じような役割をしていることが判る。

図２８に本発明の効果を示す。従来のターボエンジンはエンジントルクの大きさに関係なく均質燃焼を基本としており、空燃比を１４.７に制御しており、高負荷時には前述した理由により空燃比をリッチ化していた。一方、本発明を適用したＤＩターボではエンジントルクが小さい領域では空燃比４０程度の成層燃焼で燃料消費率を低減でき、均質燃焼に切り替える高負荷領域では残留ガスの掃気促進と混合気の制御により空燃比をリッチ化せずに運転することができ、高負荷領域での燃料消費率を約１５％低下することが可能である。

図２９に別の実施例を示す。近年、燃費規制とともに排気規制も強化されてきており、触媒１１の浄化率を最大限に引き出すことが重要になっている。そのために、触媒１１の上流側に温度センサ６１を設け、触媒に流入する排気ガスの温度を元にして、触媒の浄化効率が最大になるようにエンジンおよびターボを制御する。図３０は触媒１１の入口温度と浄化効率の関係を示したもので、一般的に触媒には排気ガスを浄化するための最適な温度範囲があり、それより高くても低くても浄化効率は低下する。本実施例の構成においては、排気ガス量が少ない時や、排気ガス温度が低い時は、排気ガスの持っている熱エネルギを有効に触媒に伝える必要があるが、排気ガスがタービン３２を通過するとタービンハウジングや羽根車に熱を奪われてしまい、触媒に到達するまでに温度が低下してしまう。
そこで、バイパス制御弁３４を開放し、タービン３２を通過させずに触媒に導くことで、タービンへの無駄な放熱を防止し、触媒の温度を上昇させることができる。一方、エンジン負荷が大きくなると排気ガス温度も上昇することから、触媒１１の温度が最適温度範囲を超えてしまう可能性がある時は、バイパス制御弁３４を閉じて、全ての排気ガスがタービン３２を通過するようにして、タービンで仕事をさせて熱を吸収させて、触媒の温度を抑制するように制御する。以上のようにバイパス弁を制御することでタービン３２と触媒１１への排気ガス量をコントロールすることが出来、触媒温度を浄化効率の高い範囲に収めることが可能となる。

本発明を採用した筒内噴射エンジンのシステム図。本発明におけるノッキング発生の原理を説明する図。本発明における残留ガスの掃気方法を説明する図。吸気管と排気管内の圧力変動を示す図。バイパス制御弁の一例を示す図。バイパス制御弁を用いた時の吸気管と排気管内の圧力変動を示す図。位相式可変バルブ機構の一例を示す図。吸気バルブを進角した時の吸気管と排気管内の圧力変動を示す図。吸気バルブを進角した時の燃焼室内の模式図。排気バルブをリタードした時の吸気管と排気管内の圧力変動を示す図。排気バルブをリタードした時の燃焼室内の模式図。外部ＥＧＲを備えた筒内噴射エンジンのシステム図。ＥＧＲ制御弁の一例を示す図。エアアシスト式インジェクタの構成を説明する図。エアアシスト式インジェクタによる噴射制御を説明する図。エアアシスト式インジェクタを用いた時の燃焼室内の模式図。本発明の適用範囲を示す図。２回噴射による混合気形成を説明する図。均質燃焼時の２回噴射の効果を説明する図。近接２回噴射による混合気形成を説明する図。近接２回噴射による混合気形成を説明する図。成層燃焼時の近接２回噴射の効果を説明する図。スプレーリードを実現するための噴霧形状を説明する図。スプレーリードを説明する図。スプレーリードを説明する図。スプレーリードを説明する図。成層燃焼時のスプレーリードの効果を説明する図。本発明の効果を説明する図。触媒上流に温度センサを備えた筒内噴射エンジンシステムの構成図。触媒温度制御を説明する図。

符号の説明

１…ターボ過給機付き筒内噴射エンジン、２…エアフローセンサ、３…スロットル弁、６…空気流動制御弁、７…吸気バルブ用可変機構、８…排気バルブ用可変機構、１０…仕切り板、１１…触媒、１２…点火プラグ、１３…吸気バルブ、１４…排気バルブ、１５…燃料噴霧、１６…ノックセンサ、１７…床下触媒、１９…燃料噴射弁、２１…水温センサ、２２…燃焼室、２３…ピストン、３１…コンプレッサ、３２…タービン、３３…インタークーラ、３４…バイパス制御弁、３６…ＥＧＲ通路、３７…ＥＧＲ制御弁。

Claims

エンジンのシリンダに直接燃料を噴射すると共に、過給された空気をシリンダに供給する過給機付き筒内噴射エンジンの制御方法において、
エンジントルクの比較的低い領域で過給機を駆動して希薄燃焼運転すると共に、エンジントルクの比較的高い領域で過給機を駆動して理論空燃比近傍で均質燃焼運転する過給機付き筒内噴射エンジンの制御方法。
エンジンのシリンダに直接燃料を噴射すると共に、過給された空気をシリンダに供給する過給機付き筒内噴射エンジンであって、前記過給機を駆動するためのタービンを備え、且つ当該タービンの下流に触媒を備えた筒内噴射エンジンの制御方法において、
エンジントルクの比較的低い領域で過給機を駆動して希薄混合気による成層燃焼運転すると共に、エンジントルクの比較的高い領域で過給機を駆動して理論空燃比近傍で均質燃焼運転し、且つ機関の低温始動時には前記タービンをバイパスして排気ガスを前記触媒へ直接供給する過給機付き筒内噴射エンジンの制御方法。
エンジンの燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
エンジンの燃焼室の入り口と出口に設けられた吸気弁と排気弁と、
前記吸気弁または排気弁の開閉弁位相を制御する可変バルブ機構と、
前記エンジンの排気通路に設置され排気ガスにより回転するタービンと、
前記エンジンの吸気通路に設置され、前記タービンの回転力で回転するコンプレッサと、
前記タービンをバイパスするバイパス通路と、
前記バイパス通路への排気ガス流量を調整する制御弁と、
を備えた筒内噴射エンジンの制御方法において、
吸気管内圧力，燃焼室内圧力，排気管内圧力の少なくとも１つを用いて前記可変バルブ機構もしくは前記制御弁を制御することによって前記燃焼室内の排気ガスの掃気を促進すると共に、
前記排気バルブが閉弁した後に燃料を噴射する
筒内噴射エンジンの制御方法。
エンジンの燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
エンジンの燃焼室の入り口と出口に設けられた吸気弁と排気弁と、
前記吸気弁または排気弁の開閉弁位相を制御する可変バルブ機構と、
前記エンジンの排気通路に設置され排気ガスにより回転するタービンと、
前記エンジンの吸気通路に設置され、前記タービンの回転力で回転するコンプレッサと、
前記タービンをバイパスするバイパス通路と、
前記バイパス通路への排気ガス流量を調整する制御弁と、
を備えた筒内噴射エンジンの制御方法において、
吸気管内圧力，燃焼室内圧力，排気管内圧力の少なくとも１つを用いて、前記可変バルブ機構もしくは前記制御弁を制御することによって前記燃焼室内の排気ガスの掃気を促進すると共に、
吸気行程から圧縮行程中に燃料を２回に分けて噴射する
筒内噴射エンジンの制御方法。
エンジンの燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
エンジンの燃焼室の入り口と出口に設けられた吸気弁と排気弁と、
前記吸気弁または排気弁の開閉弁位相を制御する可変バルブ機構と、
前記エンジンの排気通路に設置され排気ガスにより回転するタービンと、
前記エンジンの吸気通路に設置され、前記タービンの回転力で回転するコンプレッサと、
前記タービンをバイパスするバイパス通路と、
前記バイパス通路への排気ガス流量を調整する制御弁と、
を備えた筒内噴射エンジンの制御方法において、
吸気管内圧力，燃焼室内圧力，排気管内圧力の少なくとも１つを用いて、前記可変バルブ機構もしくは前記制御弁を制御することによって前記燃焼室内の排気ガスの掃気を促進すると共に、
貫通力の異なる成分を持つ燃料噴霧を圧縮行程中に噴射する
筒内噴射エンジンの制御方法。
請求項３乃至５に記載のものにおいて、
前記排気ガスの掃気促進制御は排気通路の圧力が吸気通路の圧力より低くなるようにバイパス制御弁の開度を制御するものである筒内噴射エンジンの制御方法。
請求項３乃至５に記載のものにおいて、
前記排気ガスの掃気促進制御は前記吸気バルブと排気バルブの両方が同時に開いているオーバーラップ期間が上死点より遅れた側で長くなるように可変バルブ機構を制御するものである筒内噴射エンジンの制御方法。
請求項３乃至５に記載のものにおいて、
前記排気ガスの掃気促進制御は前記燃料噴射弁としてエアアシスト式燃料噴射弁を用い、
燃焼室内の圧力が排気通路の圧力より高くなるように前記エアアシスト式燃料噴射弁から燃焼室内に空気を噴射するものである筒内噴射エンジンの制御方法。
請求項３乃至８に記載のものにおいて、
エンジン回転数一定でエンジントルクを増加させたとき図示平均有効圧力（燃焼室内で発生した爆発圧Ｐメガパスカルを燃焼室容積Ｖ立方メートルで除したもの）が略９.５barまでファンクションスモークナンバー（ＦＮＳ）が０.５以下になるよう制御される筒内噴射エンジンの制御方法。
請求項３乃至８に記載のものにおいて、
図示平均有効圧力が１２bar となる高負荷での燃料消費率が、
図示平均有効圧力で８bar となる中負荷での燃料消費率と比較して±５％となるよう制御される筒内噴射エンジンの制御方法。
エンジンの燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
エンジンの燃焼室の入り口と出口に設けられた吸気弁と排気弁と、
前記吸気弁または排気弁の開閉弁位相を制御する可変バルブ機構と、
前記エンジンの排気通路に設置され排気ガスにより回転するタービンと、
前記エンジンの吸気通路に設置され、前記タービンの回転力で回転するコンプレッサと、
前記タービンをバイパスするバイパス通路と、
前記バイパス通路への排気ガス流量を調整する制御弁と、
を備えた筒内噴射エンジンにおいて、
吸気管内圧力，燃焼室内圧力，排気管内圧力の少なくとも１つに基づいて前記可変バルブ機構もしくは制御弁を制御して掃気促進制御する制御信号と、
前記排気バルブが閉弁した後に燃料を噴射する燃料噴射信号とを出力する制御装置を備えた筒内噴射エンジン。
エンジンの燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
エンジンの燃焼室の入り口と出口に設けられた吸気弁と排気弁と、
前記吸気弁または排気弁の開閉弁位相を制御する可変バルブ機構と、
前記エンジンの排気通路に設置され排気ガスにより回転するタービンと、
前記エンジンの吸気通路に設置され、前記タービンの回転力で回転するコンプレッサと、
前記タービンをバイパスするバイパス通路と、
前記バイパス通路への排気ガス流量を調整する制御弁と、
を備えた筒内噴射エンジンにおいて、
吸気管内圧力，燃焼室内圧力，排気管内圧力の少なくとも１つに基づいて前記可変バルブ機構もしくは制御弁を制御して掃気促進制御する制御信号と、
吸気行程から圧縮行程中に燃料を２回に分けて噴射する燃料噴射信号とを出力する制御装置を備えた筒内噴射エンジン。
エンジンの燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
エンジンの燃焼室の入り口と出口に設けられた吸気弁と排気弁と、
前記吸気弁または排気弁の開閉弁位相を制御する可変バルブ機構と、
前記エンジンの排気通路に設置され排気ガスにより回転するタービンと、
前記エンジンの吸気通路に設置され、前記タービンの回転力で回転するコンプレッサと、
前記タービンをバイパスするバイパス通路と、
前記バイパス通路への排気ガス流量を調整する制御弁と、
を備えた筒内噴射エンジンにおいて、
前記燃料噴射弁として貫通力の異なる成分を持つ燃料噴霧を呈する燃料噴射弁を用い、且つ、
吸気管内圧力，燃焼室内圧力，排気管内圧力の少なくとも１つに基づいて前記可変バルブ機構もしくは制御弁を制御して掃気促進制御する制御信号と、
更に前記燃料噴射弁に対してエンジンの圧縮行程中に燃料噴射信号を供給する制御装置を設けた筒内噴射エンジン。
エンジンの燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
エンジンの燃焼室の入り口と出口に設けられた吸気弁と排気弁と、
前記吸気弁または排気弁の開閉弁位相を制御する可変バルブ機構と、
前記エンジンの排気通路に設置され排気ガスにより回転するタービンと、
前記エンジンの吸気通路に設置され、前記タービンの回転力で回転するコンプレッサと、
前記タービンをバイパスするバイパス通路と、
前記バイパス通路への排気ガス流量を調整する制御弁と、
を備えた筒内噴射エンジンにおいて、
吸気管内圧力，燃焼室内圧力，排気管内圧力の少なくとも１つに基づいて前記可変バルブ機構もしくは制御弁を制御して掃気を促進する掃気促進制御機構
を備えた筒内噴射エンジン。
請求項１４において、
前記排気ガスの掃気促進制御機構は、排気通路の圧力が吸気通路の圧力より低くなるように開度が制御される前記バイパス制御弁を含んで構成される筒内噴射エンジン。
請求項１４において、
前記排気ガスの掃気促進制御機構は、前記吸気バルブと排気バルブの両方が同時に開いているオーバーラップ期間がエンジンの上死点より遅れた側で長くなるように制御される前記可変バルブ機構を含んで構成される筒内噴射エンジン。
請求項１４において、
前記排気ガスの掃気促進制御機構は、前記噴射弁としてエアアシスト式燃料噴射弁を用い、
燃焼室内の圧力が排気通路の圧力より高くなるように燃焼室内に当該燃料噴射弁からエアアシスト用空気を噴射する筒内噴射エンジン。
エンジンの燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
エンジンの燃焼室の入り口と出口にもうけられた吸気弁と排気弁と、
前記吸気弁または排気弁の開閉弁位相を制御する可変バルブ機構と、
前記エンジンの排気通路に設置され排気ガスにより回転するタービンと、
前記エンジンの吸気通路に設置され、前記タービンの回転力で回転するコンプレッサと、
前記タービンをバイパスするバイパス通路と、
前記バイパス通路への排気ガス流量を制御する制御弁と、
前記タービンより下流に設置され、排気ガス中の有害物質を浄化する触媒と、前記触媒より上流に設置され、前記触媒へ流入する排気ガスの温度を測定する温度センサと、
を備えた筒内噴射エンジンの制御方法において、
前記温度センサの出力値が所定値より小さい場合には、前記バイパス制御弁を開放し、
前記温度センサの出力値が所定値より大きい場合には、前記バイパス制御弁を閉じること、
を特徴とする筒内噴射エンジンの制御方法。
エンジン回転数一定でエンジントルクを増加させたとき図示平均有効圧力（燃焼室内で発生した爆発圧Ｐメガパスカルを燃焼室容積Ｖ立方メートルで除したもの）が略９.５barまでファンクションスモークナンバー（ＦＮＳ）が０.５以下になるよう制御される筒内噴射エンジンの制御方法。
図示平均有効圧力が１２bar となる高負荷での燃料消費率が、
図示平均有効圧力で８bar となる中負荷での燃料消費率と比較して±５％となるよう制御される筒内噴射エンジンの制御方法。