JP2008215263A - 予混合圧縮自着火エンジンの制御方法及び制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価な構成で燃焼状態を監視してノッキングの発生を抑えた安定した燃焼制御を達成すること。
【解決手段】各気筒２Ａ〜２Ｄに空気と燃料からなる混合気を供給し、その混合気を圧縮により自着火させる予混合圧縮自着火エンジン１の制御装置は、燃料供給量を調整する燃料弁１５と、エンジン１の排気温度を検出する排気温度センサ３４と、電子制御装置（ＥＣＵ）３０とを備える。ＥＣＵ３０は、エンジン１の運転時に、検出される排気温度が低下傾向にあると判断したとき、燃料供給量を増大させるために燃料弁１５を制御し、そのときに検出される排気温度の変化に基づいてエンジン１がノッキング傾向か否かを判断する。また、ＥＣＵ３０は、ノッキング傾向と判断されたとき、燃料供給量を減少させるために燃料弁１５を制御することにより、ノッキングを解消する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、天然ガスを燃料としたコージェネレーション用のエンジンに係り、空気と燃料を混合してなる混合気を気筒に供給し、その混合気を気筒にて圧縮し、高温高圧化して自着火させる予混合圧縮自着火エンジンの制御方法及び制御装置に関する。

従来より、コージェネレーション設備等への使用が期待される予混合圧縮自着火エンジン（以下「ＨＣＣＩエンジン」と言う。）は、火花点火エンジン（以下「ＳＩエンジン」と言う。）に比べて高効率で低ＮＯｘなことが特徴として知られている。一方で、ＨＣＣＩエンジンは、ＳＩエンジンに比べてエンジンの燃焼状態が吸気温度、吸気圧力及び燃料組成に大きく影響を受けるので、燃焼制御が難しいとも言われている。

そのため、ＨＣＣＩエンジンでは、燃焼状態を監視し、燃焼状態に応じてエンジンを制御する必要があり、そのために燃焼状態を監視するセンサが必要になる。ここで、ＨＣＣＩエンジンの燃焼監視のために、高価な筒内圧センサを用いたエンジン制御に関する技術が多数提案されており、例えば、下記の特許文献１に記載される技術が挙げられる。

一方、燃焼監視のために高価なセンサを必要としないＨＣＣＩエンジン制御方法として、予め安定な燃焼条件を調べておき、その安定燃焼条件となる範囲内だけで運転を実施する制御方法として、マップ制御を採用した技術が、例えば、下記の特許文献２に提案されている。更に、燃料組成を計測してマップ制御と組み合わせる技術が、例えば、下記の特許文献３に提案されている。

特許３７３６６７０号公報 特開２００５−３０７７５９号公報 特開２００３−３２８８４４号公報

ところが、特許文献１に記載の技術では、筒内圧センサが現状では極めて高価なことから、普及を狙いとした小型の天然ガスコージェネやＧＨＰ（ガスヒートポンプエアコン）において、筒内圧センサのようなコストアップ要因となる技術を採用することは難しい。また、特許文献２に記載の技術では、燃料組成など大幅に運転条件が変わる場合に適用できないという欠点がある。更に、特許文献３に記載の技術では、燃料組成計測装置が現状では極めて高価であることから、普及を狙いとした小型ガスエンジンには適していない。

ここで、ＨＣＣＩ燃焼制御において、燃焼状態として異常燃焼である「ノッキング」を監視することが重要となる。このノッキングは、気筒内のエンドガスの自己着火により発生した圧力波が、気筒内で引き起こす気柱振動と一般に言われている。ＨＣＣＩエンジンのように、圧縮比を上げたエンジンで発生し易いものと言われている。

この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、安価な構成で燃焼状態を監視してノッキングの発生を抑えた安定した燃焼制御を達成することを可能とした予混合圧縮自着火エンジンの制御方法及び制御装置を提供することにある。この発明の別の目的は、安価な構成でノッキング傾向を検知することを可能とした予混合圧縮自着火エンジンの制御方法及び制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、気筒に空気と燃料からなる混合気を供給し、その混合気を圧縮により自着火させる予混合圧縮自着火エンジンの制御方法において、エンジンの運転時にエンジンの排気温度が低下傾向にあるとき、燃料の供給量を増大させ、その増大させたときの排気温度の変化に基づいてエンジンがノッキング傾向か否かを判断し、ノッキング傾向と判断したときに燃料の供給量を減少させることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、混合気の燃焼状態を反映した排気温度を監視することにより、排気温度が低下傾向にあること、燃料供給量増大後の排気温度の変化をそれぞれ判断することができる。ここで、排気温度は、熱電対を用いた排気温度センサ等を使用して検出することができ、この種のセンサは安価であり、予混合圧縮自着火エンジンでは従来から使われている。また、上記発明の構成によれば、エンジンがノッキング傾向と判断されたときに燃料の供給量を減少させるので、その後のノッキング傾向が解消される。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、燃料の供給量を減少させたときのエンジンの回転数の変動に応じて空気を加熱することを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、燃料の供給量を減少させ続けるとエンジンが失火傾向となり、エンジンの回転数が大きく変動する。この回転数の変動に応じて空気を加熱することにより、気筒に供給される混合気の燃焼が安定化する。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、気筒に空気と燃料からなる混合気を供給し、その混合気を圧縮により自着火させる予混合圧縮自着火エンジンの制御装置において、燃料の供給量を調整するための燃料調整手段と、エンジンの排気温度を検出するための排気温度検出手段と、エンジンの運転時に、検出される排気温度が低下傾向にあると判断したとき、燃料の供給量を増大させるために燃料調整手段を制御する燃料増量制御手段と、燃料の供給量を増大させたときの、検出される排気温度の変化に基づいてエンジンがノッキング傾向か否かを判断するためのノッキング判断手段とを備えたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、混合気の燃焼状態を反映した排気温度を排気温度検出手段により監視することにより、排気温度が低下傾向にあること、燃料供給量増大後の排気温度の変化をそれぞれ判断することができ、エンジンがノッキング傾向にあることを判断することができる。ここで、排気温度検出手段として、熱電対を用いた排気温度センサ等を使用することができ、この種の検出手段は安価であり、予混合圧縮自着火エンジンでは従来から使われている。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、ノッキング傾向と判断されたとき、燃料の供給量を減少させるために燃料調整手段を制御する燃料減量制御手段を備えたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項３に記載の発明の作用に加え、エンジンがノッキング傾向と判断されたときに、燃料減量制御手段の制御により燃料調整手段による燃料の供給量が減少するので、その後のノッキング傾向が解消される。

上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、気筒に供給される空気を加熱するための空気加熱手段と、エンジンの回転数を検出するための回転数検出手段と、燃料減量制御手段の制御により燃料の供給量が減少するとき、検出される回転数の変動に応じて空気を加熱するために空気加熱手段を制御する加熱制御手段とを備えたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項４に記載の発明の作用に加え、燃料の供給量を減少させ続けるとエンジンが失火傾向となり、エンジンの回転数が大きく変動する。この回転数の変動に応じて加熱制御手段の制御により空気加熱手段が空気を加熱することにより、気筒に供給される混合気の燃焼が安定化する。

上記目的を達成するために、請求項６に記載の発明は、気筒に空気と燃料からなる混合気を供給し、その混合気を圧縮により自着火させる予混合圧縮自着火エンジンのノッキング検知方法において、エンジンの運転時にエンジンの排気温度が低下傾向にあるとき、燃料の供給量を増大させ、その増大させたときの排気温度の変化に基づいてエンジンがノッキング傾向か否かを判断することを趣旨とする。

上記発明の構成によれば 混合気の燃焼状態を反映した排気温度を、例えば、排気温度検出手段により監視することにより、排気温度が低下傾向にあること、燃料供給量増大後の排気温度の変化をそれぞれ判断することができ、エンジンがノッキング傾向にあることを判断することができる。ここで、排気温度検出手段として、熱電対を用いた排気温度センサ等を使用することが考えられ、この種の検出手段は安価であり、予混合圧縮自着火エンジンでは従来から使われている。

請求項１に記載の発明によれば、安価な構成で燃焼状態を監視することができ、ノッキングの発生を抑えた安定した燃焼制御を達成することができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、更に失火を抑えて安定した燃焼制御を達成することができる。

請求項３に記載の発明によれば、安価な構成でノッキング傾向を検知することができる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明の効果に加え、ノッキングの発生を抑えた安定した燃焼制御を達成することができる。

請求項５に記載の発明によれば、請求項４に記載の発明の効果に加え、更に失火を抑えて安定した燃焼制御を達成することができる。

請求項６に記載の発明によれば、安価な構成でノッキング傾向を検知することができる。

以下、この発明の予混合圧縮自着火エンジンの制御方法及び制御装置を具体化した一実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。以下において、「予混合圧縮自着火」を「ＨＣＣＩ」と称する。

図１に、この実施形態におけるＨＣＣＩエンジンの制御装置を概略構成図により示す。エンジン１は、４つの気筒２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄを有するレシプロ方式の４サイクル直列４気筒エンジンであり、各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート３ａには、吸気マニホールド４が接続される。吸気マニホールド４には、吸気パイプ５が接続される。これら吸気マニホールド４及び吸気パイプ５により、各気筒２Ａ〜２Ｄに空気を供給する吸気通路が構成される。各気筒２Ａ〜２Ｄの排気ポート３ｂには、排気マニホールド６が接続される。排気マニホールド６には、排気パイプ７が接続される。これら排気マニホールド６及び排気パイプ７により、各気筒２Ａ〜２Ｄから排ガスを排出する排気通路が構成される。

周知のようにレシプロ方式のエンジン１は、各気筒２Ａ〜２Ｄに設けられたピストン８の往復運動をクランクシャフト９の回転運動に変換して動力を得るものである。各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート３ａには、同ポート３ａを開閉するためにクランクシャフト９及びカムシャフト（図示略）の回転に連動して開閉駆動される吸気弁（図示略）が設けられる。同じく、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気ポート３ｂには、同ポート３ｂを開閉するためにクランクシャフト９及びカムシャフトの回転に連動して開閉駆動される排気弁（図示略）が設けられる。各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気弁及び排気弁は、クラックシャフト９の回転角度（クランク角度）及びカムシャフトの回転角度（カム角度）の変化に対応した所定のタイミングで開閉駆動するようになっている。

吸気パイプ５と排気パイプ７との間には、ＥＧＲパイプ１０が設けられる。ＥＧＲパイプ１０には、ＥＧＲ弁１１が設けられる。周知のようにＥＧＲ通路１０は、排気パイプ７を流れる排気ガスの一部を吸気パイプ５へ再循環させるための通路であり、ＥＧＲ弁１１は、同通路１０を流れる排気ガスの量を調整するためのものである。吸気パイプ５へ排気ガスの一部を再循環させることにより、各気筒２Ａ〜２Ｄに供給される空気（混合気）を加熱することができる。これらＥＧＲパイプ１０及びＥＧＲ弁１１は、各気筒２Ａ〜２Ｄに供給される空気を加熱するための本発明の空気加熱手段に相当する。ＥＧＲ弁１１は、アクチュエータ（図示略）によりその開度が調整されるようになっている。

吸気パイプ５には、ＥＧＲパイプ１０との合流部にミキサ１２が設けられ、ミキサ１２の上流には、スロットルバルブ１３が設けられる。ミキサ１２には、燃料パイプ１４を通じて天然ガスが燃料として供給される。燃料パイプ１４には、天然ガスの流量を調整するための燃料弁１５が設けられる。燃料弁１５は、アクチュエータ（図示略）によりその開度が調整されるようになっている。ミキサ１２及び燃料弁１５は、各気筒２Ａ〜２Ｄに供給される燃料量を調整するための本発明の燃料調整手段に相当する。スロットルバルブ１３は、アクチュエータ（図示略）によりその開度が調整されるようになっている。

各気筒２Ａ〜２Ｄには、点火プラグ１６がそれぞれ設けられる。各点火プラグ１６は、各気筒２Ａ〜２Ｄに供給される混合気を火花点火方式により点火させるものである。各点火プラグ１６は、点火装置１７に接続され、点火装置１７から出力される高電圧に基づき動作するようになっている。点火装置１７は、各点火プラグ１６を所要のタイミング（点火時期）で動作させるために制御されるようになっている。各点火プラグ１６及び点火装置１７は、各気筒２Ａ〜２Ｄにて混合気を火花点火させる点火手段に相当する。ＨＣＣＩ運転は冷間始動ができないことから、始動時に火花点火運転を行うために点火プラグ１６及び点火装置１７が設けられる。

この実施形態で、吸気マニホールド４の入口には、各気筒２Ａ〜２Ｄに吸入される空気の温度（吸気温度）Ｔｉを検出するための吸気温度センサ３１が設けられる。エンジン１には、クランク角度を検出するためのクランク角度センサ３２が設けられる。クランク角度センサ３２は、エンジン１の回転数（エンジン回転数）Ｎｅを検出するための本発明の回転数検出手段に相当する。また、エンジン１には、カム角度を検出するためのカム角度センサ３３が設けられる。更に、排気マニホールド６の出口には、各気筒２Ａ〜２Ｄから排出される排気ガスの温度（排気温度）Ｔｅを検出するための排気温度センサ３４が設けられる。排気温度センサ３４は、熱電対を使用したものであり、本発明の排気温度検出手段に相当する。これらセンサ３１〜３４は、エンジン１の運転状態を検出する運転状態検出手段に相当する。

この実施形態では、エンジン１の運転を制御するために電子制御装置（ＥＣＵ）３０が設けられる。ＥＣＵ３０には、ＥＧＲ弁１１、スロットルバルブ１３、燃料弁１５及び点火装置１７がそれぞれ接続される。また、ＥＣＵ３０には、吸気温度センサ３１、クランク角度センサ３２、カム角度センサ３３及び排気温度センサ３４がそれぞれ接続される。ＥＣＵ３０には、エンジン１の運転を制御するための制御プログラムが予め格納される。ＥＣＵ３０は、この制御プログラムに基づきＥＧＲ弁１１、スロットルバルブ１３、燃料弁１５及び点火装置１７を制御するようになっている。ＥＣＵ３０は、本発明の燃料増量制御手段、ノッキング判断手段、燃料減量制御手段及び加熱制御手段に相当する。

ここで、エンジン１を制御するための運転状態の指標となるのは、エンジン回転数Ｎｅ、吸気温度Ｔｉ及び排気温度Ｔｅ等である。ＥＣＵ３０は、クランク角度センサ３２により検出される信号をエンジン回転数Ｎｅとして読み込む。また、ＥＣＵ３０は、エンジン１を制御するための物理量を決定する。この実施形態で、ＥＣＵ３０は、ＥＧＲ弁１１の開度（ＥＧＲ弁開度）、スロットルバルブ１３の開度（スロットル開度）、燃料弁１５の開度（燃料弁開度）、各気筒２Ａ〜２Ｄの点火時期（各気筒点火時期）を決定する。ＥＣＵ３０は、エンジン１のアイドル運転、火花点火−ＨＣＣＩ運転切替及びＨＣＣＩ定格運転に係る物理量（ＥＧＲ弁開度、スロットル開度、燃料弁開度及び各気筒点火時期）を制御するためのロジックを、制御プログラムとして予め記憶している。特に、この実施形態では、上記制御プログラムの中に、ノッキング及び失火を対策するためのプログラムが含まれる。

ここで、ノッキング及び失火を対策するためにＥＣＵ３０により実行されるＨＣＣＩ制御の内容を、図２に示すフローチャートを参照して説明する。図２のフローチャートは、エンジン始動後における制御内容を示すものである。

処理がステップ１００へ移行すると、ＥＣＵ３０は、排気温度センサ３４により検出される排気温度Ｔｅを読み込む。ＥＣＵ３０は、この排気温度Ｔｅを、所定時間間隔毎に読み込む。この実施形態では、例えば「１０秒」間隔毎に排気温度Ｔｅを読み込むようになっている。

次に、ステップ１１０で、ＥＣＵ３０は、排気温度差ΔＴｅを算出する。すなわち、下記の式（１）に示すように、ＥＣＵ３０は、今回読み込まれた排気温度Ｔｅと、所定時間前に読み込まれた排気温度ＴｅＯとの差を排気温度差ΔＴｅとして求める。
ΔＴｅ＝Ｔｅ−ＴｅＯ …（１）

次に、ステップ１２０で、ＥＣＵ３０は、排気温度差ΔＴｅが所定値ΔＴ１（例えば「−２℃」）より小さいか否かを判断する。この判断結果が否定の場合、ＥＣＵ３０は、処理をステップ１００へ戻す。この判断結果が肯定の場合、ＥＣＵ３０は、処理をステップ１３０へ移行する。

ステップ１３０で、ＥＣＵ３０は、ミキサ１２に供給される燃料流量Ｍｆを所定量δだけ増大させるために燃料弁１５の開度Ｆｖａを増大させる。

その後、ステップ１４０で、ＥＣＵ３０は、燃料流量増大前後の排気温度増加率ＲＴｅ１を算出する。すなわち、下記の式（２）に示すように、ＥＣＵ３０は、燃料流量Ｍｆを所定量δだけ増大させた後の排気温度Ｔｅ(Mf+δ)と、燃料流量Ｍｆを増大させる前の排気温度Ｔｅ(Mf)との差を燃料流量Ｍｆの増量分（所定量δ）で除した値を排気温度増加率ＲＴｅ１として求める。
ＲＴｅ１＝（Ｔｅ(Mf+δ)−Ｔｅ(Mf)）／δ …（２）

次に、ステップ１５０で、ＥＣＵ３０は、今回算出された排気温度増加率ＲＴｅ１が「０」より小さいか否か、すなわち、マイナスかプラスかを判断する。ＨＣＣＩエンジン１では、通常、燃料と空気との混合気の空気過剰率が減少することで燃料濃度が濃くなり、エンジン１の負荷が増大するほど排気温度Ｔｅが高くなる。しかし、ＨＣＣＩエンジン１がノッキング状態になると、負荷増大（空気過剰率の減少）によってノッキング強度が増大し、それと同時に排気温度Ｔｅがより低くなる。そこで、この実施形態では、ミキサ１２に供給される燃料流量Ｍｆを増大させたときの排気温度増加率ＲＴｅ１を算出し、その増加率ＲＴｅ１が「マイナス」となるときを、ノッキング傾向となるときと判断するようにしている。従って、ステップ１５０の判断結果が肯定の場合、ＥＣＵ３０は、エンジン１がノッキング傾向にあるものと判断して、ステップ１６０〜２２０の処理を実行する。

すなわち、ステップ１６０で、ＥＣＵ３０は、ミキサ１２に供給される燃料流量Ｍｆを所定量δだけ減少させるために燃料弁１５の開度Ｆｖａを減少させる。これにより、エンジン１の空気過剰率が大きくなる。

次に、ステップ１７０で、ＥＣＵ３０は、カム角度センサ３３により検出されるエンジン回転数Ｎｅを読み込む。ＥＣＵ３０は、このエンジン回転数Ｎｅを、所定時間間隔毎に読み込む。

次に、ステップ１８０で、ＥＣＵ３０は、回転数変動ΔＮｅを算出する。すなわち、ＥＣＵ３０は、今回読み込まれたエンジン回転数Ｎｅと、所定時間前に読み込まれたエンジン回転数ＮｅＯとの差を回転数変動ΔＮｅとして求める。

次に、ステップ１９０で、ＥＣＵ３０は、回転数変動ΔＮｅが所定値ΔＮ１（例えば「５０ｒｐｍ」）より大きいか否かを判断する。ステップ１６０にて燃料弁１５の開度Ｆｖａの減少し続けると、エンジン１が失火状態となり、エンジン回転数Ｎｅの変動が大きくなる。そこで、ステップ１７０〜１９０では、エンジン回転数Ｎｅの変動を求め、その回転数変動ΔＮｅが過大か否かを判断している。そして、ステップ１９０の判断結果が肯定の場合、回転数変動ΔＮｅが過大となり、吸気温度Ｔｉが運転下限温度に達したものとして、ＥＣＵ３０は、処理をステップ２００へ移行する。そして、ステップ２００で、ＥＣＵ３０は、吸気温度Ｔｉを上昇させるべく、ＥＧＲ流量を増大させるために、ＥＧＲ弁１１の開度Ｅｖａを増大させる。その後、ＥＣＵ３０は、ステップ１００の処理へ戻る。

一方、ステップ１９０の判断結果が否定の場合、回転数変動ΔＮｅが過大ではなく、吸気温度Ｔｉが運転下限温度に達していないことから、ステップ２１０で、ＥＣＵ３０は、燃料流量減少前後の排気温度減少率ＲＴｅ２を算出する。すなわち、下記の式（３）に示すように、ＥＣＵ３０は、燃料流量Ｍｆを減少させた後の排気温度Ｔｅ(Mf-δ)と、燃料流量Ｍｆを減少させる前の排気温度Ｔｅ(Mf)との差を燃料流量Ｍｆの減量分（所定量−δ）で除した値を排気温度減少率ＲＴｅ２として求める。
ＲＴｅ２＝（Ｔｅ(Mf-δ)−Ｔｅ(Mf)）／（−δ） …（３）

そして、ステップ２２０で、ＥＣＵ３０は、今回算出された排気温度減少率ＲＴｅ２の絶対値が所定値Ｒ１より小さいか否かを判断する。この判断結果が肯定の場合、ＥＣＵ３０は、エンジン１のノッキング傾向が解消したものとして、ステップ１００の処理へ戻る。一方、この判断結果が否定の場合は、ノッキング傾向を解消させるために、ステップ１６０の処理へ戻る。

一方、ステップ１５０の判断結果が否定の場合、ＥＣＵ３０は、エンジン１が失火傾向にあるものとして、ステップ２３０〜２５０の処理を実行する。

すなわち、ステップ２３０で、ＥＣＵ３０は、ミキサ１２に供給される燃料流量Ｍｆを所定量δだけ増大させるために燃料弁１５の開度Ｆｖａを増大させる。

次に、ステップ２４０で、ＥＣＵ３０は、燃料流量増大前後の排気温度増加率ＲＴｅ３を算出する。すなわち、下記の式（４）に示すように、ＥＣＵ３０は、燃料流量Ｍｆを増大させた後の排気温度Ｔｅ(Mf+δ)と、燃料流量Ｍｆを増大させる前の排気温度Ｔｅ(Mf)との差を燃料流量Ｍｆの増量分（所定量δ）で除した値を排気温度増加率ＲＴｅ３として求める。
ＲＴｅ３＝（Ｔｅ(Mf+δ)−Ｔｅ(Mf)）／δ …（４）

そして、ステップ２５０で、ＥＣＵ３０は、今回算出された排気温度増加率ＲＴｅ３の絶対値が所定値Ｒ１より小さいか否かを判断する。この判断結果が肯定の場合、ＥＣＵ３０は、エンジン１の失火傾向が解消したものとして、ステップ１００の処理へ戻る。この判断結果が否定の場合は、失火傾向を解消するために、ステップ２３０の処理へ戻る。

上記したＨＣＣＩ制御では、エンジン１の定格運転時に、排気温度センサ３４により検出される排気温度Ｔｅが低下傾向にあるとき、燃料弁１５を制御することで各気筒２Ａ〜２Ｄに対する燃料の供給量を増大させ、その増大させたときの、検出される排気温度Ｔｅの変化に基づいてエンジン１がノッキング傾向か否かを判断し、ノッキング傾向と判断したときに燃料弁１５を制御することで各気筒２Ａ〜２Ｄに対する燃料の供給量を減少させるような制御方法を採用している。また、上記したＨＣＣＩ制御では、燃料の供給量を減少させたときに、クランク角度センサ３２により検出されるエンジン回転数Ｎｅの変動に応じてＥＧＲ弁１１を制御することで、吸気パイプ５に再循環する排気ガス流量を調整して、各気筒２Ａ〜２Ｄに供給される空気を加熱するような制御方法を更に採用している。

ここで、図３に、２気筒エンジンにつき、空気過剰率λに対するノッキング強度（ＫＩ）及び排気温度（Ｔｅ）との関係をグラフにより示す。吸気温度Ｔｉが「６０℃」の場合、空気過剰率λの減少に伴いノッキング強度ＫＩが増加するのに対し、排気温度Ｔｅは極大値（ピーク値）を持って変化する。一方、吸気温度Ｔｉが「５５℃」の場合、空気過剰率λの減少に伴いノッキング強度ＫＩが増加するのに対し、排気ガス温度Ｔｅは低下する傾向がある。燃料を増量し、空気過剰率λを減少させ、排気温度Ｔｅが低下した場合は、ノッキング状態にあり、それ以外の場合は、ノッキングしていないことが分かる。外乱によって排気温度Ｔｅが低下した場合、燃料を増減させて排気温度Ｔｅの傾向を知ることで、ノッキング傾向を検知することが可能となる。また、ノッキングが発生している場合は、混合気の燃料濃度を減少させるが、吸気温度Ｔｉを上昇させることで、ノッキングの無い通常運転が可能となる。このグラフの特徴から、上記したＨＣＣＩ制御の内容を裏付けることができる。

従って、上記したＨＣＣＩ制御によれば、図４に示すように、時刻ｔ１で、エンジン１にて外乱によるノッキングが発生すると、排気温度差ΔＴｅからノッキング傾向か否かの判断が行われる。その後、時刻ｔ２で、ノッキングが検知されると、燃料流量Ｍｆの減少が開始される。そして、時刻ｔ３で、ノッキングが回避されると、燃料流量Ｍｆの減少が終了する。このようにしてノッキングを回避することができる。図４は、運転下限吸気温度以外において、排気温度Ｔｅの時間変化とノッキングの発生及び回避との関係をタイムチャートにより示すものである。

一方、上記したＨＣＣＩ制御によれば、図５に示すように、時刻ｔ１で、エンジン１にて外乱による失火が発生すると、排気温度差ΔＴｅから失火か否かの判断が行われる。その後、時刻ｔ２で、失火が検知されると、燃料流量Ｍｆの増大が開始される。そして、時刻ｔ３で、失火が回避されると、燃料流量Ｍｆの増大が終了する。このようにして失火を回避することができる。図５は、運転下限吸気温度以外において、排気温度Ｔｅの時間変化と失火の発生及び回避との関係をタイムチャートにより示すものである。

更に、上記したＨＣＣＩ制御によれば、図６に示すように、時刻ｔ１で、エンジン１にて外乱によるノッキングが発生すると、排気温度差ΔＴｅからノッキング傾向か否かの判断が行われる。このとき、エンジン回転数Ｎｅに大きな変動はない。その後、時刻ｔ２で、ノッキングが検知されると、燃料流量Ｍｆが減少し始める。時刻ｔ２の後では、燃料流量Ｍｆを減少させたことでエンジン回転数Ｎｅに変動が始まる。そして、時刻ｔ３で、回転数変動ΔＮｅが所定値Ｎ１に達すると、燃料流量Ｍｆの減少が終了し、これと同時に排気ガスの再循環（ＥＧＲ）により、吸気温度Ｔｉが上昇し始める。その後、吸気温度Ｔｉが上昇することで、排気温度Ｔｅが時刻ｔ１の時点よりも若干低下して安定する。このようにしてノッキングと失火を回避することができる。図６は、運転下限吸気温度において、ノッキング回避中に失火した場合の排気温度Ｔｅ及びエンジン回転数Ｎｅの時間変化をタイムチャートにより示すものである。

以上説明したこの実施形態のＨＣＣＩエンジン１の制御装置によれば、混合気の燃焼状態を反映した排気温度Ｔｅを排気温度センサ３４により監視することにより、排気温度Ｔｅが低下傾向にあること、燃料弁１５の制御により各気筒２Ａ〜２Ｄに供給される燃料流量Ｍｆを増大させた後の排気温度Ｔｅの変化をそれぞれ判断することができる。これにより、エンジン１がノッキング傾向にあることを判断することができる。この実施形態では、排気温度センサ３４として、熱電対を用いたセンサを使用している。この種の排気温度センサ３４は、安価で、ＨＣＣＩエンジン１では従来から使われているものである。このため、極めて高価な筒内圧センサ等を使用することなく、排気温度センサ３４という安価な構成でノッキング傾向を検知することができる。

また、この実施形態のＨＣＣＩエンジン１の制御装置及び制御方法によれば、エンジン１がノッキング傾向と判断されたときに、ＥＣＵ３０が燃料弁１５を制御することで燃料流量Ｍｆを減少させるので、その後のノッキング傾向が解消される。このため、ノッキングの発生を抑えた安定した燃焼制御を達成することができる。

また、この実施形態のＨＣＣＩエンジン１の制御装置及び制御方法によれば、燃料弁１５を制御することで燃料流量Ｍｆを減少させ続けるとエンジン１が失火傾向となり、エンジン回転数Ｎｅが大きく変動する。このエンジン回転数Ｎｅの半藤に応じてＥＣＵ３０がＥＧＲ弁１１を制御してＥＧＲを行い空気を加熱することにより、各気筒２Ａ〜２Ｄに供給される混合気の燃焼が安定化する。この意味で、ノッキングの回避に加えて、更に失火を抑えて安定した燃焼制御を達成することができる。

尚、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜に変更して実施することもできる。

ＨＣＣＩエンジンの制御装置を示す概略構成図。 ＨＣＣＩ制御内容を示すフローチャート。 空気過剰率に対するノッキング強度及び排気温度との関係を示すグラフ。 排気温度とノッキングの発生及び回避との関係を示すタイムチャート。 排気温度と失火の発生及び回避との関係を示すタイムチャート。 排気温度及びエンジン回転数の時間変化を示すタイムチャート。

符号の説明

１ エンジン
２Ａ〜２Ｄ 気筒
１０ ＥＧＲパイプ（空気加熱手段）
１１ ＥＧＲ弁（空気加熱手段）
１５ 燃料弁（燃料調整手段）
３０ ＥＣＵ（燃料増量制御手段、ノッキング判断手段、燃料減量制御手段及び加熱制御手段）
３２ クランク角度センサ（回転数検出手段）
３４ 排気温度センサ（排気温度検出手段）
Ｔｅ 排気温度
ΔＴｅ 排気温度差
Ｎｅ エンジン回転数
ΔＮｅ 回転数変動

Claims (6)

1. 気筒に空気と燃料からなる混合気を供給し、その混合気を圧縮により自着火させる予混合圧縮自着火エンジンの制御方法において、
   前記エンジンの運転時に前記エンジンの排気温度が低下傾向にあるとき、前記燃料の供給量を増大させ、その増大させたときの前記排気温度の変化に基づいて前記エンジンがノッキング傾向か否かを判断し、前記ノッキング傾向と判断したときに前記燃料の供給量を減少させることを特徴とする予混合圧縮自着火エンジンの制御方法。
2. 前記燃料の供給量を減少させたときの前記エンジンの回転数の変動に応じて前記空気を加熱することを特徴とする請求項１に記載の予混合圧縮自着火エンジンの制御方法。
3. 気筒に空気と燃料からなる混合気を供給し、その混合気を圧縮により自着火させる予混合圧縮自着火エンジンの制御装置において、
   前記燃料の供給量を調整するための燃料調整手段と、
   前記エンジンの排気温度を検出するための排気温度検出手段と、
   前記エンジンの運転時に、前記検出される排気温度が低下傾向にあると判断したとき、前記燃料の供給量を増大させるために前記燃料調整手段を制御する燃料増量制御手段と、
   前記燃料の供給量を増大させたときの、前記検出される排気温度の変化に基づいて前記エンジンがノッキング傾向か否かを判断するためのノッキング判断手段と
   を備えたことを特徴とする予混合圧縮自着火エンジンの制御装置。
4. 前記ノッキング傾向と判断されたとき、前記燃料の供給量を減少させるために前記燃料調整手段を制御する燃料減量制御手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載の予混合圧縮自着火エンジンの制御装置。
5. 前記気筒に供給される空気を加熱するための空気加熱手段と、
   前記エンジンの回転数を検出するための回転数検出手段と、
   前記燃料減量制御手段の制御により前記燃料の供給量が減少するとき、前記検出される回転数の変動に応じて前記空気を加熱するために前記空気加熱手段を制御する加熱制御手段と
   を備えたことを特徴とする請求項４に記載の予混合圧縮自着火エンジンの制御装置。
6. 気筒に空気と燃料からなる混合気を供給し、その混合気を圧縮により自着火させる予混合圧縮自着火エンジンのノッキング検知方法において、
   前記エンジンの運転時に前記エンジンの排気温度が低下傾向にあるとき、前記燃料の供給量を増大させ、その増大させたときの前記排気温度の変化に基づいて前記エンジンがノッキング傾向か否かを判断することを特徴とする予混合圧縮自着火エンジンのノッキング検知方法。

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