JP2007198135A - 予混合圧縮自着火燃焼機関の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】吸気温度が変動しても安定した自着火燃焼を行うことができる予混合圧縮自着火燃焼機関の制御装置を提供する。
【解決手段】吸気温度が所定の常温域よりも高い高温時には、ＥＣＵ２５は、排気弁９の閉じ時期が遅角側に調整されるように可変バルブタイミング機構２４を制御することにより、高温の内部ＥＧＲガス量を減少させて過早着火を回避する。ＥＣＵ２５は、中負荷時及び高負荷時は、低負荷時よりも排気弁９の閉じ時期の遅角量を大きくして内部ＥＧＲガス量を減少させ、中負荷時で且つ中回転領域及び高回転領域では、電動モータ１６の回転速度を増大させて過給機１７による過給圧を上昇させる。高負荷時で且つ高回転領域では、温度センサ２６で検出された吸気温度が高いほど過給圧が上昇し且つ外部ＥＧＲガス量が増加するように過給機１７の電動モータ１６及びＥＧＲ制御弁２２を制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は、予混合圧縮自着火燃焼機関の制御装置に係り、特に過給機と外部ＥＧＲ（排気ガス再循環）機構を備えた予混合圧縮自着火燃焼機関の制御装置に関する。
近年、混合気を圧縮自着火させる予混合圧縮自着火燃焼方式の内燃機関が注目されている。この予混合圧縮自着火燃焼方式にすると、燃費の向上及びＮＯｘの低減等の点で従来の拡散燃焼方式や火炎伝播燃焼方式の内燃機関に比べて優れた性能を発揮することが知られている。
予混合圧縮自着火燃焼方式を採用した従来の内燃機関が、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１に記載された内燃機関では、負荷−回転数マップに示される如く、低回転低負荷側では予混合圧縮自着火燃焼を、高回転高負荷側では火花点火燃焼を行なうように選択している。予混合圧縮自着火燃焼時には、排気上死点の前後に吸気弁と排気弁の双方が共に閉じる密閉期間を設けて燃焼室内に既燃ガスを残留させる内部ＥＧＲを行い、外部環境の変化に対して吸気弁及び排気弁の開閉タイミングを調整することにより、安定した自着火燃焼を行わせようとしている。例えば、吸気温度が低いほど、密閉期間を大きくとって排気上死点付近での燃焼室内温度の低下を防止している。また、密閉期間中に燃焼室内に燃料を噴射し、着火性の高い改質種を生成することも提案されている。
特開２００２−１２９９９１号公報
特許文献１のように、吸気弁及び排気弁の開閉タイミングの調整及び密閉期間中の燃料噴射を用いただけでは、高回転高負荷側にて安定した自着火燃焼を行うことが困難となるため、火花点火燃焼への切替えは必須であり、予混合圧縮自着火燃焼を行なえる運転領域が制限される。特許文献１の実施例では、ガソリン機関を前提としているが、燃料に着火性の悪い都市ガス等を用いた場合は、着火温度が高いために、この傾向は更に顕著になり、安定した予混合圧縮自着火燃焼が可能な運転領域が、狭く制限されることとなる。
特許文献１に記載された内部ＥＧＲ及び密閉期間中の燃料噴射によれば、燃焼室内の着火性を改善することができる。したがって、内部ＥＧＲ量及び改質種の生成量を調節することで、低回転低負荷側における着火時期等を制御することが可能となる。しかし、中回転中負荷から高回転高負荷の領域では、燃料の供給量が増えることにより、内部ＥＧＲを減らしても十分な着火性が得られるようになる。また、負荷に応じて燃料の供給量を増やす必要があり、反比例して利用可能な内部ＥＧＲ量は減少する。このため、前述の手段のみでは、高回転高負荷側にて次第に制御の幅が狭まり、外部環境に応じた制御が困難となる。更に、燃料の供給量が増える高回転高負荷側では、吸気温の上昇により燃焼室内温度が上昇し、急激な燃焼により燃焼騒音が増大しやすいという問題も生じる。しかし、特許文献１に記載された構成ではこの様な問題は解決出来ず、予混合圧縮自着火燃焼が可能な領域を狭く制限する結果となっている。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、高回転高負荷側に予混合自着火燃焼が可能な運転領域を広げることができる予混合圧縮自着火燃焼機関の制御装置を提供することを目的とする。
この発明に係る予混合圧縮自着火燃焼機関の制御装置は、燃焼室内で燃料と酸素含有ガスとの混合気を圧縮して自着火燃焼させると共に排気上死点の前後に吸気弁と排気弁の双方が共に閉じる密閉期間を設けて燃焼室内に既燃ガスを内部ＥＧＲガスとして残留させる予混合圧縮自着火燃焼機関の制御装置において、吸気温度を検出する温度センサと、吸気通路に配置される過給圧可変型の過給機と、排気通路の排気ガスの一部を外部ＥＧＲガスとして過給機より上流側の吸気通路に還流する外部ＥＧＲ機構と、過給機及び外部ＥＧＲ機構を制御する制御手段とを備えており、高回転数・高負荷運転時に温度センサで検出された吸気温度が高いほど過給圧が上昇し且つ外部ＥＧＲガスの量が増加するように制御手段が過給機及び外部ＥＧＲ機構を制御するものである。
好ましくは、排気弁の開閉タイミングを調整する可変バルブタイミング機構を備え、温度センサで検出された吸気温度が常温より低いときには排気弁の閉じ時期が進角側に調整されるように、常温より高いときには排気弁の閉じ時期が遅角側に調整されるように、制御手段が可変バルブタイミング機構を制御する。
なお、温度センサで検出された吸気温度が常温より低い場合に、排気弁の閉じ時期の進角量を中負荷運転時よりも低負荷運転時の方が小さくなるように、制御手段が可変バルブタイミング機構を制御するように構成することができる。
また、温度センサで検出された吸気温度が常温より低く且つ高負荷運転時に、外部ＥＧＲガスの量が減少するように、制御手段が外部ＥＧＲ機構を制御してもよい。
さらに、温度センサで検出された吸気温度が常温より高い場合に、排気弁の閉じ時期の遅角量を低負荷運転時よりも中負荷運転時の方が大きくなるように、制御手段が可変バルブタイミング機構を制御するように構成することができる。
この発明によれば、高回転高負荷側に予混合自着火燃焼が可能な運転領域を広げることができる。
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
この発明の実施の形態に係る予混合圧縮自着火燃焼機関の制御装置の構成を図１に示す。エンジン１はシリンダブロック２を有し、シリンダブロック２の内部にシリンダボア３が形成され、シリンダボア３内にピストン４が往復摺動自在に配置されている。シリンダブロック２の上部には吸気ポート６と排気ポート８が形成されたシリンダヘッド５が固定されており、このシリンダヘッド５に吸気ポート６を開閉する吸気弁７及び排気ポート８を開閉する排気弁９が装着されている。シリンダボア３とピストン４の上面とシリンダヘッド５により燃焼室１０が区画形成されている。また、吸気ポート６には吸気通路１１が接続され、排気ポート８には排気通路１２が接続されている。
吸気通路１１の内部にはスロットルバルブ１３が配置され、このスロットルバルブ１３より上流側に形成されたベンチュリ部１４に燃料供給通路１５が連結されている。ベンチュリ部１４より上流側の吸気通路１１には、電動モータ１６によって駆動される過給圧可変型の過給機１７が配置され、過給機１７よりさらに上流の吸気通路１１にはエアクリーナ１８が接続されている。また、吸気通路１１には、過給機１７の上流側と下流側を相互に連通するようにバイパス経路１９が形成されており、このバイパス経路１９上にバイパス経路１９を開閉するためのバイパス制御弁２０が配置されている。
排気通路１２の途中に排気ガス還流のためのＥＧＲ通路２１の一端が接続され、ＥＧＲ通路２１の他端が過給機１７より上流の吸気通路１１に接続されている。また、ＥＧＲ通路２１にはＥＧＲ制御弁２２が配置されている。
エンジン１の吸気弁７及び排気弁９には、それぞれの開閉タイミングを独立して変更可能な可変バルブタイミング機構２３及び２４が連結されている。これらの可変バルブタイミング機構２３及び２４にＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）２５が接続され、ＥＣＵ２５が可変バルブタイミング機構２３及び２４を制御することにより、排気上死点の前後に吸気弁７と排気弁９の双方が共に閉じる密閉期間を設けて燃焼室１０内に既燃ガスを内部ＥＧＲガスとして残留させる内部ＥＧＲが行われるように構成されている。
また、吸気ポート６の近傍に位置する吸気通路１１に吸気温度を検出するための温度センサ２６が取り付けられている。さらに、エンジン１には、エンジン１の回転数を検出する回転数センサ（クランク角センサ）２７、エンジン１の運転状況を検知して負荷信号として出力する負荷センサ２８が接続されている。そして、ＥＣＵ２５に、温度センサ２６、回転数センサ２７及び負荷センサ２８と、過給機１７の電動モータ１６、バイパス制御弁２０及びＥＧＲ制御弁２２がそれぞれ接続されている。
次に、この実施の形態の動作について説明する。ＥＣＵ２５の制御によりエンジン１が始動すると、燃料供給通路１５の上流に配置された図示しない燃料弁が開弁されるとともに、吸気通路１１のベンチュリ部１４を流れる空気によって燃料供給通路１５から都市ガス等のガス燃料が吸気通路１１内に吸入され、空気とガス燃料との混合気がエンジン１に供給される。ピストン４が上死点から下降を開始すると、吸気弁７が開いて吸気ポート６から燃焼室１０内に混合気が吸入される。ピストン４が下死点から上昇に転じると吸気弁７が閉じ、ピストン４の上昇に伴って燃焼室１０内における混合気の圧力及び温度が上昇する。混合気の温度が所定値にまで上昇すると、それによって燃料が自着火し、燃焼室１０内で燃焼が起こる。この燃焼によってピストン４が下方に押し下げられ、ピストン４が下死点から上昇を開始すると、排気弁９が開き、燃焼室１０内の燃焼ガスが排気ポート８を介して排気通路１２へ排出される。
ピストン４のこのような往復運動が図示しないコンロッドを介してクランクシャフトの回転運動に変換され、エンジン１から出力が得られる。
ここで、ＥＣＵ２５は、所定時間毎に回転数センサ２７及び負荷センサ２８からの信号に基づき、現在のエンジン回転数と要求されている負荷を算出する。ＥＣＵ２５は、例えば図２に示されるような制御マップを予め記憶しており、算出されたエンジン回転数と負荷をこの制御マップと照合して、（Ａ）内部ＥＧＲガスの供給のみを行うか、（Ｂ）内部ＥＧＲガスの供給と過給を併せて行うか、（Ｃ）内部ＥＧＲガス及び外部ＥＧＲガスの供給と過給を行うかを決定する。なお、制御マップを用いずに、予め記憶された判定式にエンジン回転数と負荷を当てはめて、上記（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）のいずれを行うかを決定してもよい。
（Ａ）低負荷時で内部ＥＧＲガスの供給のみを行う場合は、ＥＣＵ２５は、要求される負荷に応じて可変バルブタイミング機構２４により排気弁９の閉じ時期（ＥＶＣ）を制御することで内部ＥＧＲガス量を調整する。なお、ここでは過給を行わないため、電動モータ１６は停止状態に制御されると共にバイパス制御弁２０が開かれてバイパス経路１９が開放され、新気がこのバイパス経路１９を通過して燃焼室１０へ供給される。また、ＥＣＵ２５によりＥＧＲ制御弁２２が全閉状態とされ、ＥＧＲ通路２１を通した外部ＥＧＲガスの吸気側への供給は行われない。
排気上死点の前後に吸気弁７と排気弁９の双方が共に閉じる密閉期間を設けることにより、燃焼室１０内に高温の既燃ガスが内部ＥＧＲガスとして残留するため、この内部ＥＧＲガスにより吸気ポート６から供給された空気とガス燃料との混合気が加熱され、着火性が向上されることになる。
排気弁９の閉じ時期（ＥＶＣ）は、図３（ａ）に示されるように、負荷が低くなるほど進角し、逆に負荷が高くなったときは遅角するように制御される。このようにすることにより、低負荷時には高温の内部ＥＧＲガス量が増大するため、リーン（希薄）な混合気に対しても十分な圧縮着火燃焼が安定的に得られ、燃費を向上できると共にＮＯｘ排出量を低減することができる。一方、負荷が高くなるほど高温の内部ＥＧＲガス量が減少するため、ノッキングの発生を抑制することが可能になる。
（Ｂ）中負荷時で内部ＥＧＲガスの供給に加えて過給を行う場合は、ＥＣＵ２５は、バイパス制御弁２０を閉じてバイパス経路１９を遮断させると共に電動モータ１６を回転駆動して過給機１７による過給を行う。なお、ここでは外部ＥＧＲガスの供給を行わないため、ＥＧＲ制御弁２５は全閉状態となるように制御される。
内部ＥＧＲガスの導入分だけ燃焼室１０への混合気の供給量が制限されることになるが、過給により吸気圧を上昇させることによって、吸気ポート６から燃焼室１０内に供給される空気量及び燃料量が増大し、着火性が向上する。
図４（ａ）に示されるように、負荷が高くなるほど、電動モータ１６の回転速度を増大させて過給圧が増大するように制御される。
（Ｃ）高負荷時で内部ＥＧＲガスの供給及び過給に加えてさらに外部ＥＧＲガスの供給を行う場合は、ＥＣＵ２５はＥＧＲ制御弁２２を開くように制御する。これにより、温度の比較的低い外部ＥＧＲガスがＥＧＲ通路２１を介して吸気側に導入され、内部ＥＧＲガスの供給及び過給により良好になり過ぎた着火性が緩慢化され、過早着火や燃焼不安定などの異常燃焼が回避される。
外部ＥＧＲガス量は、図５（ａ）に示されるように、負荷が高くなるほど増大するように制御される。
このようにして低負荷時、中負荷時、高負荷時における運転が行われるが、ＥＣＵ２５は温度センサ２６で検出された吸気温度を監視し、吸気温度が所定の常温域よりも低い低温時、及び所定の常温域よりも高い高温時に、それぞれ次のようにエンジン１の運転を調整する。
まず、吸気温度が所定の常温域よりも低い低温時には、図３（ｂ）に示されるように、排気弁９の閉じ時期（ＥＶＣ）が進角側に調整されるように、可変バルブタイミング機構２４が制御される。これにより、高温の内部ＥＧＲガス量が増大し、燃焼室１０内の温度低下が防止され、安定した自着火燃焼が行われる。
ただし、低負荷時は、新気量を確保するため、過給を行う中負荷時よりも排気弁９の閉じ時期（ＥＶＣ）の進角量を小さくする。さらに、低負荷で且つエンジン回転数が高い高回転領域の場合には、排気弁９の閉じ時期（ＥＶＣ）を常温時における進角量と同等にして新気量の確保を行う。
また、内部ＥＧＲガスの供給及び過給に加えてさらに外部ＥＧＲガスの供給を行う高負荷時の高回転領域では、着火性確保のために排気弁９の閉じ時期（ＥＶＣ）を進角側に調整して内部ＥＧＲガス量を増大させる。高負荷時の低回転領域においては、トルク確保のために、外部ＥＧＲガス量が減少するようにＥＧＲ制御弁２２の開度が制御される。
一方、吸気温度が所定の常温域よりも高い高温時には、図３（ｃ）に示されるように、排気弁９の閉じ時期（ＥＶＣ）が遅角側に調整されるように、可変バルブタイミング機構２４が制御される。これにより、高温の内部ＥＧＲガス量が減少し、過早着火が回避される。
ただし、中負荷時は、高い吸気温度による体積効率の低下を補うため、低負荷時よりも排気弁９の閉じ時期（ＥＶＣ）の遅角量を大きくして内部ＥＧＲガス量を減少させる。さらに、中負荷時で且つエンジン回転数が高くなる中回転領域及び高回転領域では、図４（ｂ）に示されるように、電動モータ１６の回転速度を増大させて過給圧を上昇させることにより、密度増加による着火性の確保を図ると共に燃焼を緩慢化させて空気量増加に伴う熱容量の増加に起因した燃焼騒音を抑制する。
高負荷時は、中負荷時とほぼ同様に排気弁９の閉じ時期（ＥＶＣ）の遅角量を大きくすると共に中回転領域及び高回転領域において過給圧を上昇させるように制御される。ただし、燃焼騒音が厳しい高回転領域においては、着火性と燃焼緩慢化の両立を図るため、図５（ｃ）に示されるように、外部ＥＧＲガス量が増大するようにＥＧＲ制御弁２２の開度が制御される。すなわち、高回転数・高負荷運転時には、温度センサ２６で検出された吸気温度が高いほど過給圧が上昇し且つ外部ＥＧＲガス量が増加するように過給機１７の電動モータ１６及びＥＧＲ制御弁２２が制御される。
以上のように、この発明においては、過給機と内部ＥＧＲを併用することで、負荷に応じた燃料の供給量を確保しつつ、内部ＥＧＲを利用可能な運転領域、つまり、内部ＥＧＲにて制御可能な運転領域を拡大することが可能となる。また、燃焼を緩慢化させる外部ＥＧＲを用いることで、高回転高負荷領域にて、燃焼騒音を抑制することができる。特に、高回転高負荷領域における吸気温度の変化に対しては、これらの手段を組み合わせることにより、着火性と燃焼緩慢化の両立、つまり、適切な着火時期を維持しつつ燃焼騒音を抑制することが可能となる。
よって、中回転中負荷から高回転高負荷側の運転領域においても、安定した予混合圧縮自着火燃焼、或いは、吸気温に応じた予混合圧縮自着火燃焼の制御、が可能となり、予混合圧縮自着火燃焼が可能な運転領域を拡大することができる。
この発明の趣旨に沿う範囲で、上記実施の形態を変更することが可能である。例えば、上記実施の形態では、燃料を都市ガスとしたが、ＬＰＧやＣＮＧ等他のガス燃料を採用してもよく、また、軽油やガソリン等液体燃料を使用することも可能である。ガス燃料を吸気通路内に供給する手段としても、ベンチュリ部の他に、燃料噴射ノズル等を適宜選択することが可能である。また、過給圧可変型の過給機としては、電動モータにより駆動される過給機に限定されず、例えば、タービンに衝突する排気流を制御することで回転数を制御する、いわゆる可変ベーン式ターボを用いることも可能である。
この発明の実施の形態に係る予混合圧縮自着火燃焼機関の制御装置を示すブロック図である。 制御マップを示す図である。 常温時、低温時、高温時における排気弁の閉じ時期の進角量を示すグラフである。 常温時、低温時、高温時における過給圧を示すグラフである。 常温時、低温時、高温時における外部ＥＧＲガス量を示すグラフである。
符号の説明
１ エンジン、２ シリンダブロック、３ シリンダボア、４ ピストン、５ シリンダヘッド、６ 吸気ポート、７ 吸気弁、８ 排気ポート、９ 排気弁、１０ 燃焼室、１１ 吸気通路、１２ 排気通路、１３ スロットルバルブ、１４ ベンチュリ部、１５ 燃料供給通路、１６ 電動モータ、１７ 過給機、１８ エアクリーナ、１９ バイパス経路、２０ バイパス制御弁、２１ ＥＧＲ通路、２２ ＥＧＲ制御弁、２３，２４ 可変バルブタイミング機構、２５ ＥＣＵ、２６ 温度センサ、２７ 回転数センサ、２８ 負荷センサ。

Claims (5)

  1. 燃焼室内で燃料と酸素含有ガスとの混合気を圧縮して自着火燃焼させると共に排気上死点の前後に吸気弁と排気弁の双方が共に閉じる密閉期間を設けて燃焼室内に既燃ガスを内部ＥＧＲガスとして残留させる予混合圧縮自着火燃焼機関の制御装置において、
    吸気温度を検出する温度センサと、
    吸気通路に配置される過給圧可変型の過給機と、
    排気通路の排気ガスの一部を外部ＥＧＲガスとして前記過給機より上流側の前記吸気通路に還流する外部ＥＧＲ機構と、
    高回転数・高負荷運転時に前記温度センサで検出された吸気温度が高いほど過給圧が上昇し且つ外部ＥＧＲガスの量が増加するように前記過給機及び前記外部ＥＧＲ機構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燃焼機関の制御装置。
  2. 前記排気弁の開閉タイミングを調整する可変バルブタイミング機構を備え、
    前記制御手段は、前記温度センサで検出された吸気温度が常温より低いときには前記排気弁の閉じ時期が進角側に調整されるように、常温より高いときには前記排気弁の閉じ時期が遅角側に調整されるように前記可変バルブタイミング機構を制御する請求項１に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関の制御装置。
  3. 前記制御手段は、前記温度センサで検出された吸気温度が常温より低い場合に、前記排気弁の閉じ時期の進角量を中負荷運転時よりも低負荷運転時の方が小さくなるように前記可変バルブタイミング機構を制御する請求項２に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関の制御装置。
  4. 前記制御手段は、前記温度センサで検出された吸気温度が常温より低く且つ高負荷運転時に、外部ＥＧＲガスの量が減少するように前記外部ＥＧＲ機構を制御する請求項１〜３のいずれか一項に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関の制御装置。
  5. 前記制御手段は、前記温度センサで検出された吸気温度が常温より高い場合に、前記排気弁の閉じ時期の遅角量を低負荷運転時よりも中負荷運転時の方が大きくなるように前記可変バルブタイミング機構を制御する請求項２〜４のいずれか一項に記載の予混合圧縮自着火燃焼機関の制御装置。
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