JP2007263065A - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料を主噴射と予噴射の２回に分けて噴射し、先に噴射した予噴射の燃料の一部を自着火により燃焼させる火花点火式内燃機関において、振動、騒音を低減する。
【解決手段】内燃機関１０のトルク変動と燃焼音を、トルク変動センサ２８および燃焼音センサ３０により検出する。トルク変動が大きい場合には、主噴射および点火の時期を進角させ、これで解消しない場合には、さらに予噴射の噴射時期も進角させる。燃焼音が大きい場合には、主噴射および点火の時期を遅角させ、これで解消しない場合には、さらに予噴射の噴射時期も遅角させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料を直接気筒内に噴射する火花点火式内燃機関に関し、特にその燃焼の制御に関する。

気筒内にガソリン等の燃料を噴射し、これに点火し燃焼させる直噴式の火花点火式内燃機関が実用化されている。この直噴式内燃機関は、成層燃焼運転を行うことが可能であり、全体として混合気を希薄として、ポンピング損失を低減することができる。成層燃焼時、適切な混合比、濃度分布を持った混合気を形成するために、下記特許文献１には、燃料を複数回に分けて噴射する技術が開示されている。

また、下記特許文献２には、燃料を２回に分けて噴射し、後から噴射した燃料に点火して、火炎伝播による燃焼を起こし、この膨張による圧力で先に噴射した燃料を圧縮し、自着火させる技術が開示されている。この技術によれば、燃焼時間を短縮することができ、熱効率の向上が可能となる。

特開２００３−１２０２９９号公報 特開２００１−２５４６６０号公報

前記特許文献１に記載の技術のように燃料噴射を複数回に分けるだけであると、先に噴射した燃料により形成された希薄な混合気の燃焼が安定しない場合があり、火炎伝播不良による未燃ガスの発生や、出力トルクの変動が生じるなどの問題がある。

また、前記特許文献２に記載の技術のように、先行して噴射された燃料を自着火させて燃焼させる場合、燃焼による騒音が大きくなる場合がある。

本発明は、燃料噴射を複数回行い、先に噴射した燃料を自着火により燃焼させる内燃機関において、燃焼を安定させ、振動、騒音を低減することを目的とする。

本発明の火花点火式内燃機関は、燃料の主噴射に先立って予噴射を行い、主噴射された燃料に着火し、この燃焼による膨脹によって、予噴射された燃料を圧縮し自着火させるものであり、出力トルクの変動に基づき、主噴射および予噴射の少なくとも一方の噴射時期と、点火時期とを制御する。出力トルクの変動は、機関回転速度の変動に基づき算出することができる。また、出力軸にトルクセンサを設け、直接出力トルクの変動を算出するようにしてもよい。

さらに、燃焼音に基づき、主噴射および予噴射の少なくとも一方の噴射時期と、点火時期とを制御するようにできる。燃焼音は、車室内またはエンジンルーム内で集音するようにでき、特に注目すべき周波数帯を抽出し、この騒音レベルに基づき、制御を行うようにできる。特に、打音と呼ばれる燃焼音は、２，３ｋＨｚの周波数帯に表れ、これに着目する場合には、２−３ｋＨｚの帯域または、この帯域を含む例えば１−６ｋＨｚの帯域フィルタにより抽出することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、本実施形態に係る火花点火式内燃機関１０（以下、内燃機関１０と記す。）の要部構成を示す図である。図においては、一つの気筒１２のみ示し、他の気筒およびクランク等については省略している。気筒内にはピストン１４が摺動可能に配置され、このピストン１４の上面と、気筒１２の頂部、いわゆるシリンダヘッド１６の壁面によって燃焼室１８が形成されている。シリンダヘッド１６には、吸気弁２０、排気弁２２が設けられ、さらに燃焼室１８の頂部に相当する部分に燃料噴射弁２４が設けられている。点火栓２６は、燃料噴射弁２４に近接して配置される。

内燃機関１０の運転状況を検出するために、各種センサが設けられている。トルク変動センサ２８は、出力トルクの変動を検出するセンサであり、クランク軸の回転速度の変動に基づきトルク変動を検出するものである。また、実際にクランク軸のトルクを検出し、その変動を算出するセンサとすることもできる。燃焼音センサ３０は、車室内またはエンジンルーム内に配置されたマイクおよび帯域フィルタを含む。帯域フィルタは、注目する音に関する周波数を抽出するためのフィルタである。自着火などにより燃料を急速に燃焼させる場合に生じる燃焼音は、打音などと呼ばれ、数ｋＨｚの周波数成分を多く含む。本実施形態においては、この周波数帯域を良好に抽出できる、例えば３−６ｋＨｚのバンド幅の帯域フィルタを用いている。

クランク軸には、クランク軸の回転角を検出するクランク角センサ３２が設けられている。点火時期、燃料噴射時期は、このクランク角センサ３２により検出されたクランク軸の回転角（クランク角）に従って制御されている。また、クランク角センサ３２により検出される回転角に基づき、クランク軸の回転速度を算出することができる。よって、前述のトルク変動センサ２８は、このクランク角センサ３２と兼用することも可能である。さらに、当該内燃機関１０の負荷を検出する負荷センサ３４が設けられている。負荷センサ３４は例えばクランク軸に作用するトルクを検出するトルクセンサとすることができる。前述のようにトルク変動センサ２８をクランク軸のトルクに基づき検出するものとする場合、この負荷センサと共用することが可能である。

これらのセンサの出力は、制御部３６へ送られ、ここでは、これらの出力値に基づき燃料の噴射時期、噴射量、点火時期が算出され、それに応じて燃料噴射弁２４、点火栓２６が制御される。

本実施形態の内燃機関１０においては、成層燃焼を行う際には、窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素（ＨＣ）およびスモーク、微粒子状物（ＰＭ）を低減するために、排気再循環（ＥＧＲ）を行う。また、このとき燃料を複数回に分けて噴射する。後の回に噴射した燃料に対し、火花により着火を行い、これより以前に噴射した燃料は、火花着火した燃料の燃焼による膨脹により圧縮され、自着火して燃焼する。以降、後の燃料噴射を「主噴射」、それ以前の燃料噴射を「予噴射」と記す。予噴射を行うことで、後に噴射する燃料を少なくして、混合気に濃い部分ができることを防止できる。また、予噴射した燃料を自己着火させることができれば、ＥＧＲにおける排気導入割合を増加しても、燃焼を安定させることができる。この結果、ＮＯｘの更なる低減が図れ、スモークおよびＰＭ生成を抑制することができる。

主噴射は、圧縮行程の終わりに行い、この直後に点火栓により点火を行う。この点火により燃焼が開始され、主に、主噴射により形成された混合気が、点火された火炎核より火炎が伝播して燃焼、膨脹が起こる。この膨脹により、主に予噴射により形成された混合気が圧縮され、自着火が起こり燃焼する。自着火燃焼が生じなければ、予噴射により形成された混合気は、空気との混合が進んで希薄となっており、主噴射による混合気の火炎が伝播しにくくなり、未燃ガスが生じ、ＨＣの増加に繋がる。また、自着火が起きず、完全燃焼をしなかったサイクルでは、所定のトルクが発生しないため、他の気筒、他のサイクルで発生するトルクの差が大きくなり、トルク変動が大きくなる。一方、自着火により燃焼する燃料の割合が増加すると、燃焼圧力の急激な増加により打音、ノックなどの燃焼に起因する騒音（燃焼音）が大きくなる。

本実施形態においては、自着火を適切に制御して、トルク変動による振動を抑制し、また燃焼音による騒音を低減する。自着火の制御を適切に行うために、トルク変動センサ２８と燃焼音センサ３０によりトルク変動と燃焼音を検出し、これに基づき制御部３６にて燃料の噴射量、点火時期を適切に調整して、制御を行う。具体的には、トルク変動が大きいときは、自着火が起こっていないサイクルが生じていると考えられ、主噴射時期、点火時期の進角、または予噴射時期の進角により対応する。これらの進角により、自着火が生じやすくなり、トルク変動が減少する。また、燃焼音が大きいときには、自着火が過大になっていると考えられ、主噴射時期、点火時期の遅角、または予噴射時期の遅角により対応する。これらの対応によっても改善されない場合は、主噴射と予噴射の噴射量の割合を変化させる。具体的には主噴射の燃料を増やして、予噴射を減らす。

図２に、より具体的な制御処理に関するフローチャートを示す。まず、運転者等の要求するトルクおよび現在の機関回転速度の読み込みを行う（Ｓ１００）。読み込まれた要求トルク、回転速度に基づき、基準となる噴射時期、噴射量、点火時期の設定を行う（Ｓ１０２）。これは、要求トルクおよび回転速度に対応した燃料噴射時期、噴射量、点火時期をあらかじめ制御部３６内の記憶部に記憶しておき、これを読み出して設定が行われる。このあらかじめ記憶されていた設定値で運転を行い、トルク変動、燃焼音につき監視を行う。

まず、トルク変動が許容範囲の上限値未満であるかが判断される（Ｓ１０４）。トルク変動が所定の上限値以上となっている場合は、熱発生率が図３に示すように、後半の燃焼が緩慢になり燃焼期間が長期化してくると考えられる。これは、自着火が生じず、予噴射された燃料が燃え切らなかったと考えられる。このような、自着火が生じないサイクルが生じると、自着火が生じる正常な燃焼を行ったサイクルとの間に発生トルクの差が生じ、トルク変動が生じる。自着火を起こしやすくするために、主噴射時期、点火時期を早める。これらの時期を進角する（早める）ことによって、ピストンが上死点付近にあり、燃焼室内圧力が高いときに、主噴射された燃料の燃焼、膨脹が起こり、予噴射された燃料が十分圧縮、加熱されて自着火が生じやすくなる。また、圧縮上死点前で、主噴射された燃料の燃焼、膨脹を生じさせるようにすれば、ピストンの上昇による圧縮とあわせて、燃焼室内の圧力を高めることができ、自着火がより生じやすくなる。

ステップＳ１０４でトルク変動が大きいと判断され、さらに燃焼音は許容範囲の上限値未満（Ｓ１０６）であった場合に、上記の主噴射時期および点火時期が所定角だけ進角がされる（Ｓ１０８）。なお、主噴射された燃料は、点火栓により火花を飛ばして点火されるものであるので、噴射時期と点火時期は同じように変更される。次に、変更された主噴射時期、点火時期が、所定の範囲に収まっているかが判断される（Ｓ１１０）。範囲内であれば、ステップＳ１０４に戻り、トルク変動が大きい状態が解消されない限り、点火時期等がさらに進角されていく。

ステップＳ１１０で主噴射時期、点火時期が所定範囲外であるとされた場合、これ以上、主噴射時期、点火時期による対応はとれないので、予噴射時期を進角させる（Ｓ１１２）。図４は、予噴射の時期を進角した状態を示している。早期に予噴射が行われると、このとき噴射された燃料は、気筒内に滞在する時間が長くなり、より加熱され、また空気とより混合されて比熱比が増加するため、圧縮行程末期における温度が、予噴射が遅いときに比べ高くなる。これにより、予噴射を早期に行うと、自着火を起こしやすくすることができる。この予噴射時期についても所定範囲が設定されており、この範囲内で、変更が行われる（Ｓ１１４）。

一方、トルク変動が上限値未満であると（Ｓ１０４）、燃焼音が上限値未満であるかが判断される（Ｓ１１６）。燃焼音が大きい場合は、図５に示すように、自着火による燃焼が急激に起こり、熱発生率が過大なピークを形成するようになっていると考えられる。これにより打音やノックが生じる。したがって、自着火を抑制する必要があり、前述のトルク変動を小さくする場合とは逆に、主噴射時期と点火時期を所定角だけ遅角させる（Ｓ１１８）。この制御を行うことにより、図６のように熱発生率のピークを抑える。ステップＳ１１０と同様、主噴射時期、点火時期が所定範囲内にあれば（Ｓ１２０）、ステップＳ１０４に戻り、燃焼音が解消されるまで、遅角が行われる。

ステップＳ１２０で主噴射時期、点火時期が所定範囲外であるとされた場合、これ以上、主噴射時期、点火時期による対応は採れないので、予噴射時期を遅角させる（Ｓ１２２）。これは、ステップＳ１１２の場合と逆であり、予噴射された燃料が加熱されず、また空気との混合も進まないうちに、主噴射、点火が実行されるようにするものである。この予噴射の遅角についても所定範囲内にある限り順次遅角される。

ステップＳ１１４において、予噴射時期が所定範囲外となった場合、すなわち主噴射時期、点火時期、予噴射時期の調整によってはトルク変動が抑えられなかった場合もステップＳ１２６に移行する。トルク変動が抑えられなかった理由としては、主噴射の燃料が少なく、これが燃焼しても、燃焼室内の圧力、温度が十分に高まらず、自着火を生じていないことが考えられる。そこで、主噴射の燃料を増量して、主噴射された燃料による圧力、温度上昇を大きくして、予噴射した燃料の自着火を促進する。なお、主噴射を増量した分、予噴射の燃料を減少させて、１サイクル当たりの噴射燃料の総量は変動しないようにする。

また、ステップＳ１２４において、予噴射時期が所定範囲外となった場合、すなわち主噴射時期、点火時期、予噴射時期の調整によっては燃焼音が抑えられなかった場合もステップＳ１２６に移行する。燃焼音が抑えられない理由としては、予噴射による燃料が多く、自着火が過大に生じて、燃焼音が大きくなっている場合があり、予噴射の燃料を減少させて対応する。その分主噴射の燃料を増加する。主噴射の割合が上限値以下であれば（Ｓ１２８）、ステップＳ１０４に戻り、上限値に達してしまえば（Ｓ１２８）、成層燃焼を取り止める。

なお、トルク変動および燃焼音が共に上限値以上である場合には、主噴射時期、点火時期、予噴射時期による自着火の制御はできないと判断して、ステップＳ１２６に移行する。

ステップＳ１２８において、主噴射による燃料の上限値を設けるのは、点火直前に噴射される燃料量を制限することで、過濃混合気の生成を避け、ＥＧＲによる燃焼悪化やスモーク、ＰＭの生成を抑制するためである。また、図２に示した手順により噴射時期等の設定を行うのも、同様の理由から、なるべく主噴射される燃料を増やさないで、トルク変動、燃焼音の抑制するのが好ましい。

予噴射時期を所定の範囲に収めているのは、予噴射時期を進角しすぎた場合、希薄混合気の増加におるＨＣの増大や燃焼効率の低下を避けるためであり、遅角側は過濃混合気の増加による燃焼効率の悪化やスモーク、ＰＭの生成を避けるためである。主燃料噴射、点火時期は、燃焼開始時期を支配する重要な因子であり、これらに制限値を設けるのは、熱効率の低下を防止するためである。

以上、本実施形態においては、主噴射時期と点火時期の変更により対応し、これでも適切に制御できなかったときに、予噴射時期の変更を行っているが、この順序については適宜変更できる。予噴射時期を変更後、主噴射時期および点火時期の変更を行ってもよく、また交互に変更してもよい。また、燃料を２回に分けて噴射する場合について説明したが、３回以上に分けることも可能である。好ましくは、予噴射を２回に分けることができる。

本実施形態の要部構成を示す図である。 本実施形態の制御の流れを示すフローチャートである。 点火時期、燃料噴射時期と、熱発生率の関係を示す図である。 点火時期、燃料噴射時期と、熱発生率の関係を示す図である。 点火時期、燃料噴射時期と、熱発生率の関係を示す図である。 点火時期、燃料噴射時期と、熱発生率の関係を示す図である。

符号の説明

１０ 火花点火式内燃機関、１２ 気筒、１８ 燃焼室、２４ 燃料噴射弁、２６ 点火栓、２８ トルク変動センサ、３０ 燃焼音センサ。

Claims (6)

1. 燃料の主噴射の前に予噴射を行い、主噴射された燃料に着火して、予噴射された燃料を自着火させる、火花点火式内燃機関であって、
   当該内燃機関の出力トルク変動を検出するトルク変動検出手段と、
   検出された出力トルク変動に基づき、少なくとも主噴射の噴射時期および点火時期と、予噴射の噴射時期との一方を制御する制御手段と、
   を有する火花点火式内燃機関。
2. 請求項１に記載の火花点火式内燃機関であって、
   さらに燃焼音を検出する燃焼音検出手段を有し、
   前記制御手段は、検出された燃焼音に基づき、少なくとも主噴射の噴射時期および点火時期と、予噴射の噴射時期との一方を制御する、
   火花点火式内燃機関。
3. 請求項１または２に記載の火花点火式内燃機関であって、
   出力トルク変動が所定のしきい値より大きい場合は、前記少なくとも主噴射の噴射時期および点火時期と、予噴射の噴射時期との一方を進角する、
   火花点火式内燃機関。
4. 請求項２または３に記載の火花点火式内燃機関であって、
   燃焼音が所定のしきい値より大きい場合は、前記少なくとも主噴射の噴射時期および点火時期と、予噴射の噴射時期との一方を遅角する、
   火花点火式内燃機関。
5. 請求項１に記載の火花点火式内燃機関であって、
   前記制御手段は、検出された出力トルク変動に基づき、主噴射と、予噴射により噴射される燃料量の割合を制御する、
   火花点火式内燃機関。
6. 請求項２から４のいずれか１項に記載の火花点火式内燃機関であって、
   前記制御手段は、検出された出力トルク変動と検出された燃焼音に基づき、主噴射と、予噴射により噴射される燃料の割合を制御する、
   火花点火式内燃機関。
   

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