JP2010127086A - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの燃焼モードの切り替え等にも適切に対応した燃焼制御を行うことで、スモークの排出を抑制し、排ガス性能を向上させることのできる内燃機関の燃焼制御装置を提供すること。
【解決手段】急加速時等で予混合燃焼モードから通常燃焼モードへと燃焼モードが切り替わるときには、ＥＧＲバルブ開度指令値θ_Ｅを通常燃焼モードにおけるＥＧＲ開度よりも小さい所定の急閉弁角度θ_Ｅａまで瞬時に閉弁する。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の燃焼制御装置に係り、詳しくは急加速時における燃焼を制御する技術に関する。

内燃機関は、運転状態に応じて複数の燃焼モードを有しており、例えばディーゼルエンジンでは、筒内の圧縮された空気に燃料を噴射し、当該燃料噴射中に自発着火によって燃焼させる所謂ディーゼル燃焼モード（通常燃焼モード）がある。また、燃料の噴射時期を進角側とし、予め燃料と空気とを混合させてから燃焼を生起させる予混合燃焼モードがある。

当該予混合燃焼モードでは、ＥＧＲガスを多量に導入する等してＮＯｘ及びスモークの発生を抑えることが可能となる。
ただし、予混合燃焼モードはエンジンの運転が低負荷低回転速度である領域に限られており、高負荷高回転速度領域では通常燃焼モードに切り替える必要がある。
このように燃焼モードを切り替える際には、燃料噴射や吸気状態を変更することになるが、吸気状態の変化には遅れが発生し、燃焼が不安定となるおそれがある。

例えば、予混合燃焼モードから通常燃焼モードへ移行させる場合、燃料噴射量が増加するのに対し、吸気圧力増加の遅れやＥＧＲガス減少の遅れ等から酸素量が不足し、燃料過多となってスモークが発生するという問題がある。
そこで、予混合燃焼モードから通常燃焼モードへ移行する際には、通常燃焼モードにおける目標ＥＧＲガス量に変更するようＥＧＲ弁に対して指令が出された後、第一所定期間は、予混合燃焼モードにおける燃料噴射制御を維持し、第一所定期間経過時点から、変更されるＥＧＲガス量に応じて、通常燃焼モードにおいて行われる燃料噴射制御に変更する技術が開示されている（特許文献１参照）。
特開２００７−１００６７８号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術は、ＥＧＲガス量の遅れに対応するため燃料噴射制御の予混合燃焼モードの燃料噴射制御維持しているため、通常燃焼モードへの移行が遅くなるという問題がある。
また、上記特許文献１では通常燃焼モード時にはＥＧＲ弁の開度指令０として全閉状態としているが、これではＥＧＲガスの慣性を遮断してしまい、通常燃焼モードで再度ＥＧＲガスを導入する際や、通常燃焼モードから予混合燃焼モードへ移行する際等、ＥＧＲ弁を開弁する際のＥＧＲガスの応答性をより悪化させることとなり、好ましくない。一方、通常燃焼モードでＥＧＲガスを導入する場合に、燃焼モード移行時に当該通常燃焼モードに対応した開度にまで閉弁した場合、ＥＧＲガスが導入され過ぎて、スモークが排出されることとなる。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃焼モード移行等の過渡時において、ＥＧＲガスの応答性を極力速くし、且つ吸気状態に応じた燃焼噴射を行うことで、燃焼モード切替を素早くすることができるとともに、過渡時におけるスモークの排出を抑制し、排ガス性能を向上させることのできる内燃機関の燃焼制御装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の内燃機関の燃焼制御装置では、燃焼モードとして、第１の燃焼モードと、該第１の燃焼モードよりも進角側で燃料が噴射され、ＥＧＲガスの還流量が多く設定された第２の燃焼モードとを有した内燃機関と、前記内燃機関の排気通路及び吸気通路とを連通し排気の一部を前記ＥＧＲガスとして該吸気通路へ還流させるＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲガスの還流量を調整するＥＧＲ弁と、筒内の吸気状態を目標とする吸気状態となるよう、フィードバック制御により少なくとも前記ＥＧＲ弁の開度を制御する吸気状態制御手段と、を備えた内燃機関の燃焼制御装置において、前記第１の燃焼モードで設定されるＥＧＲ弁の開度は、前記第２の燃焼モードで設定されるＥＧＲ弁の開度よりも小さく、前記吸気状態制御手段は、前記第２の燃焼モードから第１の燃焼モードへ切り替わる場合に、前記フィードバック制御からオープン制御とし、前記ＥＧＲ弁の開度を前記第１の燃焼モードで設定されるＥＧＲ弁開度よりも小さい所定の急閉弁開度まで閉弁する急閉弁制御を行うことを特徴としている。

請求項２の内燃機関の燃焼制御装置では、請求項１において、前記内燃機関に作用する負荷を検出する負荷検出手段を備え、前記吸気状態制御手段は、前記負荷検出手段により検出される負荷の変化率が所定値以上である場合に前記急閉弁制御を行うことを特徴としている。
請求項３の内燃機関の燃焼制御装置では、請求項２において、前記内燃機関の吸気を過給する過給機と、該過給機による過給圧を検出する過給圧検出手段とを有しており、前記吸気状態制御手段は、前記急閉弁制御における所定の急閉弁開度を、前記過給圧検出手段により検出された過給圧と、前記負荷検出手段により検出された負荷とに基づき設定することを特徴としている。

請求項４の内燃機関の燃焼制御装置では、請求項１から３のいずれかにおいて、前記吸気状態制御手段は、燃料量に対する空気量がスモークの発生する所定の閾値未満となると、前記内燃機関の燃料噴射量を制限することを特徴としている。
請求項５の内燃機関の燃焼制御装置では、請求項１から４のいずれかにおいて、前記内燃機関はディーゼルエンジンであって、前記第１の燃焼モードは、燃料噴射中に燃焼を生起させる拡散燃焼による運転を行う通常運転モードであり、前記第２の燃焼モードは、噴射した燃料と空気とを予め混合させた後に燃焼を生起させる予混合燃焼モードであることを特徴としている。

上記手段を用いる本発明の請求項１の内燃機関の燃焼制御装置によれば、第１の燃焼モードと、進角側で燃料が噴射され、ＥＧＲガスの還流量が多く設定された第２の燃焼モードとを有した内燃機関において、通常はフィードバック制御により少なくともＥＧＲ弁の開度を制御して目標とする吸気状態とし、第２の燃焼モードから第１の燃焼モードへと切り替わる場合には、フィードバック制御からオープン制御とし、ＥＧＲ弁の開度を第１の燃焼モードで設定されるよりも小さい所定の急閉弁角度まで閉弁する急閉弁制御を行う。

つまり、第２の燃焼モードから第１の燃焼モードへと切り替わるような場合には、ＥＧＲ弁の開度を燃焼モード切替後の第１の燃焼モードのＥＧＲ弁開度よりも閉じることで、ＥＧＲガスの応答性を上げることができる。
このように、燃焼モード切替等の過渡時において、ＥＧＲガスの応答性を極力速くすることができることで、燃焼モードの切替を迅速に行うことができるとともに、当該過渡時におけるスモークの排出を抑制し、排ガス性能を向上させることができる。

請求項２に係る内燃機関の燃焼制御装置によれば、内燃機関の負荷の変化率が所定値以上であるような場合に急閉弁制御を行う。
つまり、急加速で燃焼モードが切り替わるとき等の運転状態が大きく変動する際に急閉弁制御によりＥＧＲガスの応答性を上げることで、燃焼モード切替の迅速化やスモークの低減を効果的に行うことができる。

請求項３に係る内燃機関の燃焼制御装置によれば、ＥＧＲ弁の急閉弁制御における所定の急閉弁開度は過給圧と負荷に基づき設定する。
このように、ＥＧＲガスの還流に影響する過給圧と負荷に基づきＥＧＲ弁の急閉弁開度を設定することで、適切なＥＧＲ弁開度に制御することができ、より確実にＥＧＲガスの応答性を向上させることができる。

請求項４に係る内燃機関の燃焼制御装置によれば、燃料噴射量に対する空気量がスモークの発生する所定の閾値未満となると、燃料噴射量を制限する。
つまり、ＥＧＲガスの応答性を上げても、燃料噴射量に対して空気量が少なくなりスモークが発生するような場合には、燃料噴射量を制限してスモークの発生を防止する。
これにより、燃焼モード切替時におけるスモークの発生を確実に防止することができる。

請求項５に係る内燃機関の燃焼制御装置によれば、内燃機関を、第１の燃焼モードを拡散燃焼を行う通常燃焼モード、第２の燃焼モードを予混合燃焼モードとしたディーゼルエンジンとする。
ＥＧＲガスを多量に導入可能なディーゼルエンジンにおいて予混合燃焼モードから通常燃焼モードへの切替時にＥＧＲ弁の急閉弁制御を行うことで、燃焼モード切替の迅速化やスモークの低減を効果的に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１を参照すると本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置の概略構成図が示されており、以下、同図に基づき説明する。
図１に示すエンジン１（内燃機関）は、図示しないコモンレールに蓄圧された高圧燃料を各気筒２内に直接噴射する４気筒コモンレール式ディーゼルエンジンである。なお、図１には４気筒のうちの１つの気筒の断面が示されている。

エンジン１は、複数の気筒２が形成されたシリンダブロック４の上部に、シリンダヘッド６が載置されて構成されている。
各気筒２には上下摺動可能にピストン８が設けられおり、当該ピストン８の頂面と気筒２の内壁、及びシリンダヘッド６下面に囲まれて燃焼室１０が形成されている。
シリンダヘッド６には、燃焼室１０内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１２、及び当該燃焼室１０内の圧力、即ち筒内圧を検出する筒内圧センサ１４が、それぞれ燃焼室１０内に臨むように設けられている。

また、シリンダヘッド６には、燃焼室１０と連通しエンジン１の幅方向一側に延びた吸気ポート１６及び燃焼室１０と連通しエンジン１の幅方向他側に延びた排気ポート１８が形成されている。さらに、当該シリンダヘッド６には、吸気ポート１６及び排気ポート１８に対応して、当該各ポート１６、１８と燃焼室１０との連通及び遮断を行う吸気バルブ２０及び排気バルブ２２がそれぞれ設けられている。なお、当該吸気ポート１６及び排気ポート１８は１気筒につきそれぞれ２箇所設けられており、それに対応して吸気バルブ２０及び排気バルブ２２はそれぞれ２本設けられている。

そして、エンジン１の幅方向一側には、吸気ポート１６と連通する吸気管２４が接続されている。
当該吸気管２４には、吸気上流側に図示しないエアクリーナが設けられており、その吸気下流側にはエンジン１に吸気量を検出するエアフローセンサ２６が設けられている。また、当該吸気管２４には、エアフローセンサ２６より吸気下流側に、吸気を過給するターボチャージャ２８のコンプレッサ２８ａ、過給された吸気を冷却するインタークーラ３０、吸気量を調整するスロットルバルブ３２が順に設けられている。

一方、エンジン１の幅方向他側には排気ポート１８と連通する排気管３４が接続されている。
当該排気管３４には、上記ターボチャージャ２８のコンプレッサ２８ａと回転軸が連結され排気流により回転するタービン２８ｂが設けられている。
また、当該排気管３４の排気上流側部分と、吸気管２４の吸気下流側部分とは、ＥＧＲ通路３６を介して連通されており、排気を吸気系に還流可能に構成されている。当該ＥＧＲ通路３６には、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３８及び吸気系へ還流させるＥＧＲガス量を調整するＥＧＲバルブ４０（ＥＧＲ弁）が設けられている。

また、当該エンジン１を搭載した車両には、エンジン１の運転制御等をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置としてＥＣＵ４２（吸気状態制御手段）が設けられている。当該ＥＣＵ４２は、ＣＰＵ、メモリ、タイマカウンタなどから構成され、様々な制御量の演算を行うとともに、その制御量に基づき各種デバイスの制御を行っている。
例えば、ＥＣＵ４２の入力側には、上記筒内圧センサ１４、エアフローセンサ２６、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ４４、アクセルの踏み込み度合いを検出するアクセル開度センサ４６（負荷検出手段）、吸気ポート１６に臨んでおりブースト圧（過給圧）を検出するブースト圧センサ４８（過給圧検出手段）等の各種センサ類が接続されており、これらの検出値から、燃焼噴射量に対する空気量の割合に相当する空気過剰率、アクセル開度に応じたエンジン１に作用する負荷、エンジン回転速度、ブースト圧等が算出可能である。また、ＥＣＵ４２の出力側には各気筒の燃料噴射弁１２、スロットルバルブ３２、ＥＧＲバルブ４０などの各種デバイス類が接続されている。

そして、ＥＣＵ４２は、上記各種センサ類から取得される情報に基づき、エンジン１の燃焼モードの切替制御や各気筒における燃焼制御を行う。
具体的にはＥＣＵ４２によるエンジン１の燃焼モードの切替制御では、ＥＣＵ４２はエンジン１に作用する負荷及びエンジン回転速度に応じて、予め設定された燃焼モードの切り替えを行う。

例えば、運転状態が低負荷低回転速度領域にある場合には、比較的進角側に燃料噴射時期を設定し、予め空気と燃料とを混合した後に自発着火による燃焼を生起させる予混合燃焼モード（第２の燃焼モード）とする。なお、当該予混合燃焼モードでは、ＥＧＲガスの還流量を増加させることで低温化を図り、ＮＯｘの発生を抑制させる。
上記予混合燃焼モードが成立する低負荷低回転速度領域外の運転状態である場合には、比較的遅角側に燃料噴射時期を設定し、燃料噴射中に燃焼を生起させる拡散燃焼を行う通常燃焼モード（第１の燃焼モード）とする。

これら、予混合燃焼モード及び通常燃焼モードの定常運転時では、例えば空気過剰率に基づくＥＧＲバルブ４０の開度やスロットルバルブ３２の開度等のフィードバック制御を行っている。
ここで、急加速等により、予混合燃焼モードから通常燃焼モードへと切り替える過渡時には、ＥＣＵ４２は、フィードバック制御からオープン制御に切り替えてＥＧＲバルブ４０の開度を急閉弁するとともに、スロットルバルブ３２を全開に制御する。

詳しくは、図２に本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置による過渡時の燃焼制御ルーチンがフローチャートにより示されており、図３には当該燃焼制御を行った場合の各運転状態を示すタイムチャート、図４には急閉弁開度の制御マップがそれぞれ示され、図３、４を参照しつつ図２フローチャートに沿って過渡時の燃焼制御について説明する。なお、図３に示す破線は、本制御における燃料噴射制限を行わなかった場合の運転状態を示している。

まず、ＥＣＵ４２はステップＳ１として、急加速か否かを判別する。これはアクセル開度の変化率ΔＡが所定値ΔＡａ以上の変化率であるか、すなわちエンジン１に所定以上の負荷がかかっているか否かを判別することで行う。当該判別結果が偽（Ｎｏ）である場合、つまり負荷の少ない定常運転時である場合は、ステップＳ２進む。
ステップＳ２では、空気過剰率λに基づきＥＧＲバルブ４０、スロットルバルブ３２、及び燃料噴射量のフィードバック制御を行い、当該ルーチンを抜ける。

一方、上記ステップＳ１の判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合、即ちアクセル開度の変化率ΔＡが所定値ΔＡａ以上の急加速であるときにはステップＳ３に進む。
ステップＳ３では、図３のＥＧＲバルブ開度指令値θ_Ｅに示すように、ＥＧＲバルブ開度指令値θ_Ｅを全閉近傍の所定の開度である急閉弁開度θ_Ｅａまで閉弁するようＥＧＲバルブ開度指令値θ_Ｅを瞬時に下げる急閉弁制御を行う。なお、当該急閉弁角度θ_Ｅａは通常燃焼モードの定常運転時におけるＥＧＲバルブ開度指令値θ_Ｅよりも小さくなるよう設定されている。

また、当該ＥＧＲバルブ４０の急閉弁制御と同時にスロットル開度θ_Ｔを全開とする。
続くステップＳ４では、ＥＧＲバルブ４０の急閉弁開度θ_Ｅａを、図４に示すアクセル開度変化率ΔＡ及びブースト圧Ｂに基づくマップによりオープン制御する。当該図４のマップは、アクセル開度変化率ΔＡが大きいほど、ブースト圧Ｂが小さいほど、急閉弁時のＥＧＲ開度θ_Ｅを小さくするよう設定されている。

そして、ステップＳ５では、空気過剰率λがスモーク発生ラインである閾値λａ未満であるか否かを判別する。当該判別結果が偽（Ｎｏ）である場合、即ち空気過剰率λがスモーク発生ラインには達しておらず、スモークの発生のおそれがない場合には、当該ルーチンを抜ける。
一方、ステップＳ５の判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合、即ちスモークの発生するおそれがある場合にはステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、空気過剰率λが閾値λａ未満とならない燃料噴射量の減少量ΔＧを演算する。
当該燃料噴射量減少量ΔＧは下記式（１）により算出する。なお、Ｇは指示燃料噴射量である。
ΔＧ＝Ｇ×（１−λ／λａ） ・・・ （１）
そしてステップＳ７において、図３の燃料噴射量ｑに示すように、上記ステップＳ６で算出されたΔＧを指示噴射量Ｇから差し引いた減量噴射量による燃料噴射を行い（燃料噴射減量制御）、当該ルーチンを抜ける。

以上のように、当該燃焼制御では、急加速等で燃焼モードが切り替わる過渡時には、ＥＧＲバルブ４０を燃焼モード切替後の通常燃焼モードで設定される開度よりも小さく全閉近傍の所定の急閉弁角度まで瞬時に閉弁するよう指示する。このように瞬時にＥＧＲバルブ４０を急閉弁開度まで閉弁させることで、ＥＧＲガスが排気系から吸気系へ還流させるまでの遅れを低減し、ＥＧＲガスの応答性を向上させることができる。

当該急閉弁開度は、ＥＧＲガスの還流に影響するブースト圧Ｂとアクセル開度の変化率ΔＡに基づきＥＧＲバルブ４０の急閉弁開度を設定することで、適切なＥＧＲバルブ開度に制御することができる。さらに、急閉弁角度を全閉状態とはしないことでＥＧＲガスの慣性を遮断するのを防止し、ＥＧＲ弁が開弁する際のＥＧＲガスの応答性を維持することができる。

また、このときスロットルバルブ３２を全開とすることで、吸気の流通を促進させ、ひいてはＥＧＲガスの還流も促進させることができる。
そして、ＥＧＲガスの応答性を上げても、空気過剰率λがスモークの発生する閾値λａ未満となるような場合には、当該閾値未満とならないよう燃料噴射減少量ΔＧを演算して燃料噴射量ｑを減少させることで、確実にスモークの発生を防止することができる。

以上のことから、本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置によれば、ＥＧＲガスを多量に導入可能なディーゼルエンジンにおいて、燃焼モード切替等の過渡時において、ＥＧＲガスの応答性を極力速くし、且つ吸気状態に応じた燃焼噴射を行うことで、燃焼モードの切替を迅速に行うことができるとともに、当該過渡時におけるスモークの排出を抑制し、排ガス性能を向上させることができる。

以上で本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では、エンジン１は４気筒コモンレール式ディーゼルエンジンだが、当該構成のエンジンに限るものではなく、他の構成のディーゼルエンジンであっても構わない。

上記実施形態では、予混合燃焼モード及び通常燃焼モードの定常運転時では、空気過剰率に基づくＥＧＲバルブ４０やスロットルバルブ３２等のフィードバック制御を行っているが、当該フィードバック制御は空気過剰率に基づくものに限られず、燃料噴射量に対する空気量に相当する値であればよく、例えば吸気の酸素（Ｏ_２）濃度に基づくフィードバック制御としても構わない。

本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置の概略構成図である。 本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置による燃焼制御ルーチンを示すフローチャートである。 本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置による燃焼制御を行った場合の各種運転状態の変化を示したタイムチャートである。 急閉弁開度の制御マップである。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
２ 気筒
１２ 燃料噴射弁
１４ 筒内圧センサ
３２ スロットルバルブ
３６ ＥＧＲ通路
４０ ＥＧＲバルブ（ＥＧＲ弁）
４２ ＥＣＵ（吸気状態制御手段）
４６ アクセル開度センサ（負荷検出手段）
４８ ブースト圧センサ（過給圧検出手段）

Claims (5)

1. 燃焼モードとして、第１の燃焼モードと、該第１の燃焼モードよりも進角側で燃料が噴射され、ＥＧＲガスの還流量が多く設定された第２の燃焼モードとを有した内燃機関と、
   前記内燃機関の排気通路及び吸気通路とを連通し排気の一部を前記ＥＧＲガスとして該吸気通路へ還流させるＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲガスの還流量を調整するＥＧＲ弁と、
   筒内の吸気状態を目標とする吸気状態となるよう、フィードバック制御により少なくとも前記ＥＧＲ弁の開度を制御する吸気状態制御手段と、を備えた内燃機関の燃焼制御装置において、
   前記第１の燃焼モードで設定されるＥＧＲ弁の開度は、前記第２の燃焼モードで設定されるＥＧＲ弁の開度よりも小さく、
   前記吸気状態制御手段は、前記第２の燃焼モードから第１の燃焼モードへ切り替わる場合に、前記フィードバック制御からオープン制御とし、前記ＥＧＲ弁の開度を前記第１の燃焼モードで設定されるＥＧＲ弁開度よりも小さい所定の急閉弁開度まで閉弁する急閉弁制御を行うことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
2. 前記内燃機関に作用する負荷を検出する負荷検出手段を備え、
   前記吸気状態制御手段は、前記負荷検出手段により検出される負荷の変化率が所定値以上である場合に前記急閉弁制御を行うことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃焼制御装置。
3. 前記内燃機関の吸気を過給する過給機と、
   該過給機による過給圧を検出する過給圧検出手段とを有しており、
   前記吸気状態制御手段は、前記急閉弁制御における所定の急閉弁開度を、前記過給圧検出手段により検出された過給圧と、前記負荷検出手段により検出された負荷とに基づき設定することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の燃焼制御装置。
4. 前記吸気状態制御手段は、燃料量に対する空気量がスモークの発生する所定の閾値未満となると、前記内燃機関の燃料噴射量を制限することを特徴とする請求項１から３のいずれか記載の内燃機関の燃焼制御装置。
5. 前記内燃機関はディーゼルエンジンであって、
   前記第１の燃焼モードは、燃料噴射中に燃焼を生起させる拡散燃焼での運転を行う通常燃焼モードであり、
   前記第２の燃焼モードは、噴射した燃料と空気とを予め混合させた後に燃焼を生起させて運転を行う予混合燃焼モードであることを特徴とする請求項１から４のいずれか記載の内燃機関の燃焼制御装置。

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