JP2024051988A - Control method and device for internal combustion engine - Google Patents

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浩平 葛岡
雅之 中津
義和 山田
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【課題】着火性が大きく異なる複数の燃料を単一の内燃機関で燃焼させる。【解決手段】燃焼室に供給される空気と燃料との混合気を圧縮し、圧縮された混合気に含まれる燃料を自着火させる予混合圧縮着火燃焼を行うとともに、前回の燃焼サイクルにおける燃焼室からの排気を燃焼室に還流する内燃機関の制御方法は、コンピュータによりそれぞれ実行される、内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであるか否かを判定する判定ステップS10,S12と、判定ステップS10,S12で内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、燃焼室に供給される混合気を圧縮して点火プラグにより点火し、点火により生じた火炎を伝播させる予混合火炎伝播燃焼を行うように内燃機関を制御する制御ステップS11,S13と、を含む。【選択図】図18[Problem] A single internal combustion engine is used to burn a plurality of fuels with significantly different ignition characteristics. [Solution] A control method for an internal combustion engine that compresses a mixture of air and fuel supplied to a combustion chamber, performs premixed compression ignition combustion by self-igniting the fuel contained in the compressed mixture, and recirculates exhaust gas from the combustion chamber in the previous combustion cycle back to the combustion chamber, includes determination steps S10 and S12, each executed by a computer, for determining whether the combustion cycle is immediately after the start of the internal combustion engine, and control steps S11 and S13 for controlling the internal combustion engine to compress the mixture supplied to the combustion chamber, ignite it with a spark plug, and perform premixed flame propagation combustion by propagating the flame generated by the ignition. [Selected Figure] Fig. 18

Description

本発明は、異なる複数の燃料を燃焼可能な内燃機関の制御方法および内燃機関の制御装置に関する。 The present invention relates to a method for controlling an internal combustion engine capable of burning multiple different fuels and a control device for the internal combustion engine.

従来より、ガソリンとメチルアルコールとの混合燃料を燃焼可能な内燃機関の制御方法が知られている(例えば特許文献1参照)。上記特許文献1記載の装置では、O2センサにより排気ガスの空気過剰率を検出し、検出結果に基づいて空気過剰率が1.0に近付くように、内燃機関に供給されるガソリンとメチルアルコールとの割合を調整する。 A method for controlling an internal combustion engine capable of burning a mixed fuel of gasoline and methyl alcohol has been known (see, for example, Patent Document 1). In the device described in Patent Document 1, an O2 sensor detects the excess air ratio of exhaust gas, and based on the detection result, adjusts the ratio of gasoline and methyl alcohol supplied to the internal combustion engine so that the excess air ratio approaches 1.0.

特開昭58-27834号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-27834

ところで、気候変動の緩和または影響軽減に寄与する観点では、炭素強度の高い化石燃料を太陽光、風力、水力、地熱、あるいはバイオマス等の再生可能エネルギーで代替し、炭素排出量を低減することが望ましい。このような観点から、再生可能エネルギーを利用して製造されるe-fuel、バイオマスから製造されるバイオアルコール、バイオディーゼル等の再生可能燃料が普及しつつあるが、各燃料の着火性は、その原料や製造方法によって大きく異なる。着火性が大きく異なる複数の燃料を単一の内燃機関で燃焼させることは、困難である。 From the perspective of contributing to mitigating or reducing the impact of climate change, it is desirable to replace fossil fuels with high carbon intensity with renewable energy sources such as solar, wind, hydroelectric, geothermal, or biomass, thereby reducing carbon emissions. From this perspective, renewable fuels such as e-fuels produced using renewable energy, bioalcohol produced from biomass, and biodiesel are becoming more widespread, but the ignition characteristics of each fuel vary significantly depending on the raw materials and production method. It is difficult to burn multiple fuels with significantly different ignition characteristics in a single internal combustion engine.

本発明の一態様は、燃焼室に供給される空気と燃料との混合気を圧縮し、圧縮された混合気に含まれる燃料を自着火させる予混合圧縮着火燃焼を行うとともに、前回の燃焼サイクルにおける燃焼室からの排気を燃焼室に還流する内燃機関の制御方法であって、コンピュータによりそれぞれ実行される、内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであるか否かを判定する判定ステップと、判定ステップで内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、燃焼室に供給される混合気を圧縮して点火プラグにより点火し、点火により生じた火炎を伝播させる予混合火炎伝播燃焼を行うように内燃機関を制御する制御ステップと、を含む。 One aspect of the present invention is a control method for an internal combustion engine that compresses a mixture of air and fuel supplied to a combustion chamber, performs premixed compression ignition combustion by self-igniting the fuel contained in the compressed mixture, and recirculates exhaust gas from the combustion chamber in the previous combustion cycle back to the combustion chamber, and includes a determination step, each executed by a computer, for determining whether or not the combustion cycle is immediately after the start of the internal combustion engine, and a control step for controlling the internal combustion engine to compress the mixture supplied to the combustion chamber, ignite it with an ignition plug, and perform premixed flame propagation combustion by propagating the flame generated by the ignition, if the determination step determines that the combustion cycle is immediately after the start of the internal combustion engine.

本発明の別の態様は、燃焼室に供給される空気と燃料との混合気を圧縮し、圧縮された混合気に含まれる燃料を自着火させる予混合圧縮着火燃焼を行うとともに、前回の燃焼サイクルにおける燃焼室からの排気を燃焼室に還流する内燃機関の制御装置であって、演算部と記憶部とを有するコントローラを備える。内燃機関は、点火プラグを有する。演算部は、内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであるか否かを判定し、内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、燃焼室に供給される混合気を圧縮して点火プラグにより点火し、点火により生じた火炎を伝播させる予混合火炎伝播燃焼を行うように内燃機関を制御する。 Another aspect of the present invention is a control device for an internal combustion engine that compresses a mixture of air and fuel supplied to a combustion chamber, performs premixed compression ignition combustion by self-igniting the fuel contained in the compressed mixture, and returns exhaust gas from the combustion chamber in the previous combustion cycle to the combustion chamber, and includes a controller having a calculation unit and a memory unit. The internal combustion engine has an ignition plug. The calculation unit determines whether the combustion cycle is immediately after the start of the internal combustion engine, and if it is determined that the combustion cycle is immediately after the start of the internal combustion engine, controls the internal combustion engine to compress the mixture supplied to the combustion chamber, ignite it with the ignition plug, and perform premixed flame propagation combustion by propagating the flame generated by the ignition.

本発明によれば、着火性が大きく異なる複数の燃料を単一の内燃機関で燃焼させることができる。 The present invention makes it possible to burn multiple fuels with significantly different ignition characteristics in a single internal combustion engine.

本発明の実施形態に係る内燃機関で燃焼させる燃料について説明するための図。FIG. 2 is a diagram for explaining fuel to be combusted in the internal combustion engine according to the embodiment of the present invention. オクタン価の異なる燃料の着火前後における筒内圧力の変化について説明するための図。5 is a diagram for explaining a change in in-cylinder pressure before and after ignition of fuels with different octane numbers. FIG. オクタン価の異なる燃料の着火前後における筒内温度の変化について説明するための図。5 is a diagram for explaining a change in in-cylinder temperature before and after ignition of fuels with different octane numbers. FIG. 燃料のオクタン価と燃料噴射量と発生トルクとの関係について説明するための図。FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between the octane number of fuel, the fuel injection amount, and the generated torque. 燃料のオクタン価と低温酸化反応の発熱割合との関係について説明するための図。FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between the octane number of a fuel and the heat generation rate of a low-temperature oxidation reaction. 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御方法の要部構成の一例を概略的に示すブロック図。1 is a block diagram showing an example of a configuration of a main part of a method for controlling an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention; 図6の排気絞り弁の最適な開度について説明するための図。FIG. 7 is a diagram for explaining an optimal opening degree of the exhaust throttle valve in FIG. 6 . 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御方法による、圧縮着火燃焼時の処理の一例を示すフローチャート。4 is a flowchart showing an example of processing during compression ignition combustion according to a control method for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention. ノッキングが発生するときの、始動時の筒内圧力の変化について説明するための図。5 is a diagram for explaining a change in in-cylinder pressure at start-up when knocking occurs. FIG. ノッキングが発生しないときの、始動時の筒内圧力の変化について説明するための図。5 is a diagram for explaining a change in in-cylinder pressure at start-up when knocking does not occur. FIG. 燃料のオクタン価と空燃比との関係について説明するための図。FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between the octane number of a fuel and the air-fuel ratio. 空燃比を変えたときの、始動時における着火前後の筒内圧力の変化について説明するための図。6 is a diagram for explaining a change in in-cylinder pressure before and after ignition at startup when the air-fuel ratio is changed. FIG. 空燃比と断熱火炎温度との関係について説明するための図。FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between the air-fuel ratio and the adiabatic flame temperature. オクタン価の異なる燃料が給油されたときの、内燃機関に供給される燃料のオクタン価の変化について説明するための図。4 is a diagram for explaining a change in the octane number of fuel supplied to an internal combustion engine when fuels having different octane numbers are refueled. FIG. 空燃比と圧縮開始温度との関係について説明するための図。FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between the air-fuel ratio and the compression start temperature. 空燃比を変えたときの、圧縮着火燃焼時における着火前後の筒内圧力の変化について説明するための図。5 is a diagram for explaining a change in in-cylinder pressure before and after ignition during compression ignition combustion when the air-fuel ratio is changed. FIG. 燃料のオクタン価と最適なスロットル開度との関係について説明するための図。FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between the octane number of fuel and an optimal throttle opening degree. 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御方法による、始動直後の処理の一例を示すフローチャート。4 is a flowchart showing an example of processing immediately after starting according to a control method for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.

以下、図1~図18を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態に係る内燃機関の制御方法は、着火性が大きく異なる複数の燃料を燃焼させる内燃機関を制御する。地球の平均気温は、大気中の温室効果ガスにより、生物に適した温暖な状態に保たれている。具体的には、太陽光で暖められた地表面から宇宙空間へと放射される熱の一部を温室効果ガスが吸収し、地表面へと再放射することで、大気が温暖な状態に保たれている。このような大気中の温室効果ガスの濃度が増加すると、地球の平均気温が上昇する(地球温暖化)。 Below, an embodiment of the present invention will be described with reference to Figs. 1 to 18. A control method for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention controls an internal combustion engine that burns multiple fuels with significantly different ignition characteristics. The average temperature of the Earth is kept warm enough for living things by greenhouse gases in the atmosphere. Specifically, greenhouse gases absorb some of the heat radiated from the Earth's surface, which is warmed by sunlight, into space and re-radiate it back to the Earth's surface, thereby keeping the atmosphere warm. When the concentration of such greenhouse gases in the atmosphere increases, the average temperature of the Earth rises (global warming).

温室効果ガスの中でも地球温暖化への寄与が大きい二酸化炭素の大気中における濃度は、植物や化石燃料として地上や地中に固定された炭素と、二酸化炭素として大気中に存在する炭素とのバランスによって決定される。例えば、植物の生育過程での光合成により大気中の二酸化炭素が吸収されると大気中の二酸化炭素濃度が減少し、化石燃料の燃焼により二酸化炭素が大気中に放出されると大気中の二酸化炭素濃度が増加する。地球温暖化を抑制するには、化石燃料を太陽光、風力、水力、地熱、あるいはバイオマス等の再生可能エネルギーで代替し、炭素排出量を低減することが必要となる。 Of all greenhouse gases, carbon dioxide contributes greatly to global warming. Its concentration in the atmosphere is determined by the balance between carbon fixed on the ground or underground as plants and fossil fuels, and carbon present in the atmosphere as carbon dioxide. For example, when carbon dioxide in the atmosphere is absorbed by plants through photosynthesis during growth, the concentration of carbon dioxide in the atmosphere decreases, and when carbon dioxide is released into the atmosphere through the combustion of fossil fuels, the concentration of carbon dioxide in the atmosphere increases. To curb global warming, it is necessary to replace fossil fuels with renewable energy sources such as solar, wind, hydroelectric, geothermal, or biomass, and reduce carbon emissions.

このような観点から、再生可能エネルギーを利用して製造されるe-fuel、バイオマスから製造されるバイオアルコール、バイオディーゼル等の再生可能燃料が普及しつつあるが、各燃料の着火性は、その原料や製造方法によって大きく異なる。そこで、本実施形態では、着火性が大きく異なる複数の燃料を単一の内燃機関で燃焼させる内燃機関の制御方法について説明する。 From this perspective, renewable fuels such as e-fuels produced using renewable energy, bioalcohol produced from biomass, and biodiesel are becoming more widespread, but the ignition properties of each fuel vary greatly depending on the raw materials and production method. Therefore, in this embodiment, a method for controlling an internal combustion engine that burns multiple fuels with significantly different ignition properties in a single internal combustion engine is described.

図1は、本発明の実施形態に係る内燃機関で燃焼させる燃料について説明するための図である。図1に示すように、従来のディーゼルエンジンでは、オクタン価(リサーチ法オクタン価)0~10程度の燃料(軽油)を燃焼可能であり、従来のガソリンエンジンでは、オクタン価90以上の燃料(ガソリン)を燃焼可能である。本発明の実施形態に係る内燃機関は、2ストローク機関または4ストローク機関として構成され、予混合圧縮着火燃焼によりオクタン価0~120程度の燃料を燃焼させる。 Figure 1 is a diagram for explaining the fuel burned in an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention. As shown in Figure 1, a conventional diesel engine can burn fuel (diesel) with an octane number (research octane number) of about 0 to 10, and a conventional gasoline engine can burn fuel (gasoline) with an octane number of 90 or more. The internal combustion engine according to an embodiment of the present invention is configured as a two-stroke or four-stroke engine, and burns fuel with an octane number of about 0 to 120 by homogenous charge compression ignition combustion.

従来のガソリンエンジンのように、空気と燃料の混合気を圧縮して点火し、点火により生じた火炎が伝播することで燃焼が進行する予混合火炎伝播燃焼では、オクタン価が低く着火性の高い燃料が供給されると、ノッキング(異常燃焼)が生じることがある。また、従来のディーゼルエンジンのように、高温圧縮空気中に高圧燃料を噴射し、噴射された燃料が蒸発拡散しながら自着火することで燃焼が進行する拡散燃焼では、オクタン価が高く着火性の低い燃料が供給されると、安定した燃焼と出力を得られないことがある。空気と燃料の混合気を圧縮し、圧縮された混合気中の燃料が自着火することで燃焼が進行する予混合圧縮着火燃焼では、ディーゼルエンジンのように比較的高い熱効率と、ガソリンエンジンのように比較的クリーンな排気ガスを実現することができる。 In a premixed flame propagation combustion system, as in conventional gasoline engines, where the air-fuel mixture is compressed and ignited, and the flame generated by the ignition propagates, knocking (abnormal combustion) can occur when a fuel with a low octane rating and high ignition properties is supplied. In a diffusion combustion system, as in conventional diesel engines, where high-pressure fuel is injected into high-temperature compressed air and the injected fuel evaporates and diffuses and ignites as it evaporates and diffuses, stable combustion and output cannot be obtained when a fuel with a high octane rating and low ignition properties is supplied. In a premixed compression ignition combustion system, where the air-fuel mixture is compressed and the fuel in the compressed mixture ignites as it ignites, it can achieve relatively high thermal efficiency like a diesel engine and relatively clean exhaust gas like a gasoline engine.

図2および図3は、それぞれオクタン価の異なる燃料の着火前後における筒内圧力および筒内温度の変化について説明するための図であり、内燃機関の回転数を2000[rpm]、IMEP(図示平均有効圧力)を200[kPa]としたときの実験結果を示す。図2および図3に示すように、筒内圧力および筒内温度が立ち上がる圧縮着火開始時期は、燃料のオクタン価によらず、ほぼ同時期となり、圧縮着火開始時期の筒内温度も、燃料のオクタン価によらず、ほぼ一定となる。一方、筒内圧力および筒内温度の上昇は、燃料のオクタン価が高いほど緩やかになる。これは、燃料のオクタン価が高く着火性が低いほど圧縮着火開始後の燃焼が緩慢になるためである。 2 and 3 are diagrams for explaining the changes in in-cylinder pressure and in-cylinder temperature before and after ignition of fuels with different octane ratings, and show the experimental results when the internal combustion engine speed is 2000 [rpm] and the IMEP (indicated mean effective pressure) is 200 [kPa]. As shown in Figs. 2 and 3, the compression ignition start timing at which the in-cylinder pressure and in-cylinder temperature rise is almost the same regardless of the octane rating of the fuel, and the in-cylinder temperature at the start of compression ignition is also almost constant regardless of the octane rating of the fuel. On the other hand, the rise in the in-cylinder pressure and in-cylinder temperature is more gradual the higher the octane rating of the fuel. This is because the higher the octane rating of the fuel and the lower the ignition quality, the slower the combustion after the start of compression ignition.

図4は、燃料のオクタン価と燃料噴射量と発生トルクとの関係について説明するための実験結果を示す図である。図4に示すように、燃料のオクタン価が高いほど、燃料噴射量あたりの発生トルクは小さくなる。このような傾向は、燃料噴射量が多い高負荷ほど顕著となる。これは、図2および図3に示すように圧縮着火開始後の燃焼が緩慢になり、圧縮上死点から遅れて燃焼する燃料の割合が増加することで等容度および熱効率が低下するためである。 Figure 4 shows the results of an experiment to explain the relationship between the octane number of the fuel, the amount of fuel injected, and the generated torque. As shown in Figure 4, the higher the octane number of the fuel, the smaller the generated torque per amount of fuel injected. This tendency becomes more pronounced at higher loads where the amount of fuel injected is large. This is because, as shown in Figures 2 and 3, combustion becomes slower after the start of compression ignition, and the proportion of fuel that burns later than the top dead center of compression increases, decreasing the degree of constant volume and thermal efficiency.

圧縮着火開始前は、初期反応として、下式(i),(ii)のような炭化水素(下式の例ではイソオクタン)の酸化反応(低温酸化反応)が進行する。
iC818+OH=iC817+H2O ・・・(i)
iC817+O2(+M)=iC817OO(+M)・・・(ii)
Before the start of compression ignition, an oxidation reaction (low-temperature oxidation reaction) of a hydrocarbon (iso-octane in the example shown in the following formulae (i) and (ii)) proceeds as an initial reaction.
iC8H18 + OH = iC8H17 + H2O ... (i)
iC8H17 + O2 ( + M)= iC8H17OO (+M) ... (ii)

圧縮着火開始時期は、下式(iii)のような低温酸化反応の発熱量に依存する。
低温酸化反応発熱量[J]=燃料噴射量「g/cyc・cyl」
×低位発熱量[J/g]×低温酸化発熱割合[%]・・・(iii)
The timing of the start of compression ignition depends on the amount of heat generated by the low-temperature oxidation reaction as shown in the following formula (iii).
Low-temperature oxidation reaction heat generation amount [J] = fuel injection amount "g/cyc·cyl"
× Lower heating value [J/g] × Low-temperature oxidation heat generation ratio [%] ... (iii)

図5は、燃料のオクタン価と低温酸化反応の発熱割合との関係について説明するための実験結果を示す図である。低温酸化反応の発熱割合は、内燃機関の吸気温度等の圧縮条件に応じて変化する。図5では、一例として、吸気温度30[℃]、吸気圧力[100kPa]の混合気を圧縮比14の内燃機関で圧縮着火させた場合の実験結果を示す。図5に示すように、低温酸化反応の発熱割合[%]は、燃料のオクタン価が低いほど高く、燃料のオクタン価が高いほど低くなる。したがって、式(iii)のような低温酸化反応の発熱量は、燃料のオクタン価が低いほど大きく、燃料のオクタン価が高いほど小さくなる。 Figure 5 shows the results of an experiment to explain the relationship between the octane number of the fuel and the heat generation rate of the low-temperature oxidation reaction. The heat generation rate of the low-temperature oxidation reaction changes depending on the compression conditions of the internal combustion engine, such as the intake temperature. As an example, Figure 5 shows the results of an experiment in which a mixture with an intake temperature of 30 [°C] and an intake pressure of 100 kPa is compressed and ignited in an internal combustion engine with a compression ratio of 14. As shown in Figure 5, the heat generation rate [%] of the low-temperature oxidation reaction is higher as the octane number of the fuel is lower and is lower as the octane number of the fuel is higher. Therefore, the amount of heat generated by the low-temperature oxidation reaction as shown in formula (iii) is higher as the octane number of the fuel is lower and is lower as the octane number of the fuel is higher.

圧縮および低温酸化反応により筒内温度が上昇して所定の活性温度に到達すると、下式(iv)のようなH22の熱分解反応(圧縮着火のトリガ反応)が開始する。なお、圧縮後の上死点温度T2は、下式(v)のような断熱圧縮の熱力学方程式を用い、圧縮前の下死点温度T1、空燃比、圧縮比ε、および比熱比κに基づいて算出することができる。
22(+M)=OH+OH(+M) ・・・(iv)
2=T1×ε(κ-1) ・・・(v)
When the in-cylinder temperature rises due to compression and low-temperature oxidation reactions and reaches a predetermined activation temperature, a thermal decomposition reaction of H2O2 ( trigger reaction of compression ignition) starts as shown in the following formula (iv). The top dead center temperature T2 after compression can be calculated based on the bottom dead center temperature T1 before compression, the air-fuel ratio, the compression ratio ε, and the specific heat ratio κ, using the thermodynamic equation for adiabatic compression as shown in the following formula (v).
H2O2 ( +M)=OH+OH(+M) ...(iv)
T 2 = T 1 × ε ( κ- 1) ... (v)

トリガ反応の活性温度は、燃料のオクタン価によらず、概ね1000K程度である。トリガ反応(式(iv))が開始すると、OHラジカルの濃度が急激に上昇することで発熱量の大きい連鎖反応が促進され、圧縮着火が開始する。すなわち、筒内温度がトリガ反応の活性温度に到達する時期が圧縮着火開始時期となる。圧縮着火開始時期は、燃料のオクタン価が低く、低温酸化反応の発熱量が大きいほど早く、燃料のオクタン価が高く、低温酸化反応の発熱量が小さいほど遅くなる。 The activation temperature of the trigger reaction is generally around 1000K, regardless of the octane number of the fuel. When the trigger reaction (formula (iv)) starts, the concentration of OH radicals rises rapidly, promoting a chain reaction that generates a large amount of heat, and compression ignition begins. In other words, the time when the temperature inside the cylinder reaches the activation temperature of the trigger reaction is the start of compression ignition. The lower the octane number of the fuel is and the greater the amount of heat generated by the low-temperature oxidation reaction, the earlier the start of compression ignition will be, and the higher the octane number of the fuel is and the smaller the amount of heat generated by the low-temperature oxidation reaction, the later the start of compression ignition will be.

圧縮着火開始時期が早く、圧縮上死点に近いほど、上死点近傍で燃焼する燃料の割合が増加してクランク角度あたりの発熱量が大きくなり、等容度および熱効率が向上し、発生トルクが増加する。圧縮着火開始時期が遅く、圧縮上死点から離間するほど、上死点から遅れて燃焼する燃料の割合が増加してクランク角度あたりの発熱量が小さくなり、等容度および熱効率が低下し、発生トルクが低下する。発生トルクは、燃料のオクタン価が低く、低温酸化反応の発熱量が大きく、圧縮着火開始時期が早いほど大きく、燃料のオクタン価が高く、低温酸化反応の発熱量が小さく、圧縮着火開始時期が遅いほど小さくなる。 The earlier the compression ignition starts and the closer it is to the top dead center of compression, the greater the proportion of fuel that burns near the top dead center, the greater the amount of heat generated per crank angle, the greater the degree of constant volume and thermal efficiency, and the greater the generated torque. The later the compression ignition starts and the farther it is from the top dead center of compression, the greater the proportion of fuel that burns later than the top dead center, the smaller the amount of heat generated per crank angle, the lower the degree of constant volume and thermal efficiency, and the lower the generated torque. The generated torque is greater the lower the octane number of the fuel, the greater the amount of heat generated by the low-temperature oxidation reaction, and the earlier the compression ignition starts, and is smaller the higher the octane number of the fuel, the smaller the amount of heat generated by the low-temperature oxidation reaction, and the later the compression ignition starts.

内燃機関ごとの発生トルクは、燃料のオクタン価が低いほど大きく、燃料のオクタン価が高いほど小さくなるとともに、燃料噴射量(総発熱量)に応じて変化する。発生トルク(出力トルク)は、内燃機関の出力軸に設けられた回転トルクメータにより測定することができる。発生トルクは、筒内圧力に対応するため、トルクに代えて、内燃機関の燃焼室に設けられた圧力センサにより燃焼室の圧力(筒内圧力)を測定してもよい。排気温度等、発生トルクに対応する他のパラメータを測定してもよい。内燃機関ごとに燃料のオクタン価と燃料噴射量とを変えて試験を行い、発生トルク(筒内圧力)を測定することで、図4に示すような、燃料のオクタン価と、燃料噴射量と、発生トルクとの関係を表す特性マップを作成することができる。 The torque generated by each internal combustion engine is greater as the octane rating of the fuel is lower, and is smaller as the octane rating of the fuel is higher, and varies according to the fuel injection amount (total heat generation amount). The torque generated (output torque) can be measured by a rotary torque meter attached to the output shaft of the internal combustion engine. Since the torque generated corresponds to the pressure inside the cylinder, the pressure inside the combustion chamber (inside the cylinder pressure) may be measured by a pressure sensor attached to the combustion chamber of the internal combustion engine instead of the torque. Other parameters corresponding to the torque generated, such as exhaust temperature, may also be measured. By conducting tests with different fuel octane ratings and fuel injection amounts for each internal combustion engine and measuring the torque generated (inside the cylinder pressure), a characteristic map showing the relationship between the octane rating of the fuel, the fuel injection amount, and the torque generated can be created, as shown in Figure 4.

図6は、本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置の要部構成の一例を概略的に示すブロック図である。図6に示すように、本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置は、主にコントローラ10を有する。コントローラ10は、CPUなどの演算部11、ROM,RAMなどの記憶部12、およびその周辺回路などを有するコンピュータを含んで構成される。記憶部12には、演算部11が実行するプログラムや設定値等の情報とともに、予め試験により作成された、燃料のオクタン価と燃料噴射量と発生トルク(筒内圧力)との関係を表す特性マップ(図4)が記憶される。 Figure 6 is a block diagram showing an example of the main configuration of a control device for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention. As shown in Figure 6, the control device for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention mainly has a controller 10. The controller 10 is configured to include a computer having a calculation unit 11 such as a CPU, a storage unit 12 such as a ROM and RAM, and peripheral circuits thereof. The storage unit 12 stores information such as programs executed by the calculation unit 11 and set values, as well as a characteristic map (Figure 4) that has been created in advance by testing and shows the relationship between the octane number of the fuel, the amount of fuel injected, and the generated torque (in-cylinder pressure).

コントローラ10には、筒内圧力を検出する筒内圧センサ2が接続される。コントローラ10は、内燃機関の燃焼サイクルごとに、筒内圧センサ2により検出された筒内圧力の情報を取得する。 An in-cylinder pressure sensor 2 that detects the in-cylinder pressure is connected to the controller 10. The controller 10 acquires information on the in-cylinder pressure detected by the in-cylinder pressure sensor 2 for each combustion cycle of the internal combustion engine.

コントローラ10には、内燃機関に対する要求トルクに応じてインジェクタによる燃料噴射を制御する燃料噴射制御装置50が接続される。コントローラ10は、内燃機関の燃焼サイクルごとに、燃料噴射制御装置50から要求トルクの情報と燃料噴射量の情報とを取得する。なお、コントローラ10と燃料噴射制御装置50とを単一の装置として構成してもよい。 The controller 10 is connected to a fuel injection control device 50 that controls fuel injection by the injector according to the torque required for the internal combustion engine. The controller 10 obtains information on the required torque and the fuel injection amount from the fuel injection control device 50 for each combustion cycle of the internal combustion engine. The controller 10 and the fuel injection control device 50 may be configured as a single device.

コントローラ10の演算部11は、取得した燃料噴射量の情報および筒内圧力の情報と、記憶部12に記憶された燃料のオクタン価と燃料噴射量と発生トルク(筒内圧力)との関係を表す特性マップ(図4)とに基づいて、燃料のオクタン価を推定する。演算部11による燃料のオクタン価の推定は、内燃機関が始動されてから停止されるまでの運転中、随時(例えば燃焼サイクルごとに)行われる。 The calculation unit 11 of the controller 10 estimates the octane number of the fuel based on the acquired fuel injection amount information and in-cylinder pressure information, and a characteristic map (Figure 4) stored in the memory unit 12 that shows the relationship between the octane number of the fuel, the fuel injection amount, and the generated torque (in-cylinder pressure). The calculation unit 11 estimates the octane number of the fuel at any time (e.g., for each combustion cycle) during operation from when the internal combustion engine is started to when it is stopped.

演算部11で推定された燃料のオクタン価の情報は、記憶部12に記憶される。演算部11で推定され、記憶部12に記憶される燃料のオクタン価の情報は、時系列の情報として蓄積されてもよく、最新の推定値に更新されてもよい。 The information on the octane number of the fuel estimated by the calculation unit 11 is stored in the memory unit 12. The information on the octane number of the fuel estimated by the calculation unit 11 and stored in the memory unit 12 may be accumulated as time-series information or may be updated to the latest estimated value.

コントローラ10の演算部11で推定された燃料のオクタン価の情報は、燃料噴射制御装置50にも送信される。燃料噴射制御装置50は、コントローラ10から取得した燃料のオクタン価の情報に基づいて、燃料噴射を制御するための特性マップを切り替える。すなわち、要求トルクに対する燃料噴射量は、オクタン価の異なる燃料ごとに予め試験により作成された、要求トルクに対する最適な燃料噴射量の特性マップに基づいて算出される。このような最適な燃料噴射量の特性マップを、コントローラ10から取得した燃料のオクタン価の情報に基づいて切り替えることで、燃料噴射制御装置50による燃料噴射制御を適切に行うことができる。 The information on the octane number of the fuel estimated by the calculation unit 11 of the controller 10 is also transmitted to the fuel injection control device 50. The fuel injection control device 50 switches the characteristic map for controlling the fuel injection based on the information on the octane number of the fuel obtained from the controller 10. In other words, the fuel injection amount for the required torque is calculated based on a characteristic map of the optimal fuel injection amount for the required torque, which was created in advance by testing for each fuel with a different octane number. By switching such characteristic maps of the optimal fuel injection amount based on the information on the octane number of the fuel obtained from the controller 10, the fuel injection control device 50 can appropriately control the fuel injection.

本発明の実施形態に係る内燃機関には、開度に応じて燃焼室からの排気の流量を制限し、前回の燃焼サイクルで生じた排気の一部を燃焼室に還流することで、今回の燃焼サイクルに残存させる排気絞り弁3が設けられる。アクチュエータにより排気絞り弁3の開度を調整することで、排気の還流量を調整することができる。排気絞り弁3は、例えば燃焼室からの排気が通過する排気ポートに設けられる。排気ポートに設けられて排気ポートを開閉する排気バルブを排気絞り弁3として用いてもよい。排気絞り弁3(アクチュエータ)は、コントローラ10に接続され、コントローラ10により制御される。なお、本発明の実施形態に係る内燃機関は、2ストローク機関として構成されてもよく、4ストローク機関として構成されてもよいが、幅広いオクタン価の燃料に対応して排気還流量を大幅に変更する観点では、2ストローク機関として構成することが好ましい。 The internal combustion engine according to the embodiment of the present invention is provided with an exhaust throttle valve 3 that limits the flow rate of exhaust from the combustion chamber according to the opening degree, and recirculates a portion of the exhaust generated in the previous combustion cycle to the combustion chamber, so that the exhaust gas remains in the current combustion cycle. The exhaust throttle valve 3 is provided, for example, in an exhaust port through which exhaust from the combustion chamber passes. An exhaust valve provided in the exhaust port for opening and closing the exhaust port may be used as the exhaust throttle valve 3. The exhaust throttle valve 3 (actuator) is connected to the controller 10 and controlled by the controller 10. The internal combustion engine according to the embodiment of the present invention may be configured as a two-stroke engine or a four-stroke engine, but it is preferable to configure it as a two-stroke engine from the viewpoint of significantly changing the exhaust gas recirculation amount in response to a wide range of octane fuels.

圧縮着火開始時期が上死点近傍の最適着火時期に比して早すぎると、燃焼騒音が生じ、NOx排出量が増大する。また、最適着火時期に比して遅すぎると、熱効率が低下(燃費が悪化)し、THC排出量が増大する。高温の排気を還流することで、圧縮着火開始時期における筒内温度が高まり、低温酸化反応による発熱量が減少する。排気絞り弁3を開放側に調整し、排気還流量を制限することで、圧縮着火開始時期の筒内温度を低下させ、圧縮着火開始時期を遅く、すなわち遅角側に調整することができる。また、排気絞り弁3を閉鎖側に調整し、排気還流量を増大することで、圧縮着火開始時期の筒内温度を上昇させ、圧縮着火開始時期を早く、すなわち進角側に調整することができる。 If the compression ignition start timing is too early compared to the optimal ignition timing near the top dead center, combustion noise occurs and NOx emissions increase. Also, if it is too late compared to the optimal ignition timing, thermal efficiency decreases (fuel consumption worsens) and THC emissions increase. By recirculating high-temperature exhaust gas, the temperature inside the cylinder at the compression ignition start timing increases and the amount of heat generated by the low-temperature oxidation reaction decreases. By adjusting the exhaust throttle valve 3 to the open side and limiting the amount of exhaust gas recirculation, the temperature inside the cylinder at the compression ignition start timing can be lowered and the compression ignition start timing can be adjusted to be later, i.e., to the retard side. Also, by adjusting the exhaust throttle valve 3 to the closed side and increasing the amount of exhaust gas recirculation, the temperature inside the cylinder at the compression ignition start timing can be raised and the compression ignition start timing can be adjusted to be earlier, i.e., to the advance side.

コントローラ10の演算部11は、推定された燃料のオクタン価に基づいて、排気絞り弁3の開度が最適な開度となるように、排気絞り弁3を制御する。例えば、推定された燃料のオクタン価が高く、燃料の着火性が低い場合には、排気絞り弁3を閉鎖側に調整することで、圧縮着火開始時期を進角側に調整する。これにより、燃料のオクタン価によらず、最適な圧縮着火開始時期に調整し、安定した出力を得ることができる。 The calculation unit 11 of the controller 10 controls the exhaust throttle valve 3 so that the opening degree of the exhaust throttle valve 3 is optimal based on the estimated octane number of the fuel. For example, if the estimated octane number of the fuel is high and the ignition quality of the fuel is low, the exhaust throttle valve 3 is adjusted to the closed side, thereby advancing the compression ignition start timing. This makes it possible to adjust the compression ignition start timing to the optimal value regardless of the octane number of the fuel, and obtain a stable output.

図7は、排気絞り弁3の最適な開度について説明するための図であり、予め試験により作成され、コントローラ10の記憶部12に記憶された特性の一例を示す。演算部11は、記憶部12に記憶された排気絞り弁3の最適な開度の特性に基づいて、要求負荷(要求トルク)および推定された燃料のオクタン価に対応する排気絞り弁3の開度を決定し、決定された開度となるように排気絞り弁3(アクチュエータ)を制御する。演算部11は、燃料噴射制御装置50から取得した要求負荷(要求トルク)と、筒内圧センサ2から取得した筒内圧力(発生トルク)とに基づいて、発生トルクが要求トルクとなるように排気絞り弁3(アクチュエータ)をフィードバック制御してもよい。 Figure 7 is a diagram for explaining the optimal opening of the exhaust throttle valve 3, and shows an example of characteristics that have been created in advance by testing and stored in the memory unit 12 of the controller 10. The calculation unit 11 determines the opening of the exhaust throttle valve 3 corresponding to the required load (required torque) and the estimated octane number of the fuel based on the characteristics of the optimal opening of the exhaust throttle valve 3 stored in the memory unit 12, and controls the exhaust throttle valve 3 (actuator) to achieve the determined opening. The calculation unit 11 may feedback control the exhaust throttle valve 3 (actuator) based on the required load (required torque) obtained from the fuel injection control device 50 and the in-cylinder pressure (generated torque) obtained from the in-cylinder pressure sensor 2 so that the generated torque becomes the required torque.

図8は、本発明の実施形態に係る内燃機関の制御方法による、圧縮着火燃焼時の処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、コントローラ10の演算部11により、例えば内燃機関の燃焼サイクルごとに実行される。 Figure 8 is a flowchart showing an example of processing during compression ignition combustion according to an internal combustion engine control method according to an embodiment of the present invention. The processing shown in this flowchart is executed by the calculation unit 11 of the controller 10, for example, for each combustion cycle of the internal combustion engine.

図8に示すように、先ずステップS1で、筒内圧センサ2から筒内圧力(発生トルク)の情報を取得する。次いでステップS2で、燃料噴射制御装置50から燃料噴射量の情報を取得する。次いでステップS3で、ステップS1,S2で取得した情報および記憶部12に記憶された燃料のオクタン価と燃料噴射量と発生トルク(筒内圧力)との関係を表す特性マップ(図4)とに基づいて、燃料のオクタン価を推定する。ステップS3で推定された燃料のオクタン価の情報は、記憶部12に記憶される。ステップS3で推定された燃料のオクタン価の情報は、燃料噴射制御装置50にも送信され、これにより、燃料のオクタン価に応じた燃料噴射を制御するための特性マップに基づいて、次回の燃焼サイクルでの燃料噴射制御が適切に行われる。 As shown in FIG. 8, first, in step S1, information on the in-cylinder pressure (generated torque) is obtained from the in-cylinder pressure sensor 2. Next, in step S2, information on the fuel injection amount is obtained from the fuel injection control device 50. Next, in step S3, the octane number of the fuel is estimated based on the information obtained in steps S1 and S2 and a characteristic map (FIG. 4) stored in the memory unit 12 that shows the relationship between the octane number of the fuel, the fuel injection amount, and the generated torque (in-cylinder pressure). The information on the octane number of the fuel estimated in step S3 is stored in the memory unit 12. The information on the octane number of the fuel estimated in step S3 is also transmitted to the fuel injection control device 50, and thus, fuel injection control in the next combustion cycle is appropriately performed based on the characteristic map for controlling fuel injection according to the octane number of the fuel.

次いでステップS4で、燃料噴射制御装置50から要求トルクの情報を取得する。次いでステップS5で、ステップS3で推定された燃料のオクタン価と、ステップS4で取得された要求トルク(要求負荷)と、記憶部12に記憶された排気絞り弁3の最適な開度の特性(図7)とに基づいて、排気絞り弁3の開度を決定する。また、決定された開度となるように排気絞り弁3(アクチュエータ)を制御する。 Next, in step S4, information on the required torque is obtained from the fuel injection control device 50. Next, in step S5, the opening degree of the exhaust throttle valve 3 is determined based on the octane number of the fuel estimated in step S3, the required torque (required load) obtained in step S4, and the optimal opening degree characteristics of the exhaust throttle valve 3 stored in the memory unit 12 (Figure 7). In addition, the exhaust throttle valve 3 (actuator) is controlled to achieve the determined opening degree.

本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
(1)内燃機関の制御方法は、燃焼室に供給される空気と燃料との混合気を圧縮し、圧縮された混合気に含まれる燃料を自着火させる予混合圧縮着火燃焼を行う内燃機関を制御する。内燃機関の制御方法は、コンピュータによりそれぞれ実行される、内燃機関の燃焼サイクルごとに燃料噴射量の情報および発生トルクの情報を取得する情報取得ステップS1,S2と、予め定められた燃料噴射量と発生トルクと燃料の着火性との関係を示す特性マップ(図4)と、情報取得ステップS1,S2で取得された燃料噴射量の情報および発生トルクの情報と、に基づいて、燃料の着火性を推定する燃料推定ステップS3と、燃料推定ステップS3で推定された燃料の着火性に基づいて内燃機関を制御する制御ステップと、を含む(図8)。このように、供給されている燃料の着火性を随時推定し、推定された燃料の着火性に応じて燃料噴射量等を制御することで、着火性が大きく異なる複数の燃料を単一の内燃機関で燃焼させることができる。
According to this embodiment, the following advantageous effects can be obtained.
(1) A method for controlling an internal combustion engine includes a method for controlling an internal combustion engine that performs homogenous charge compression ignition combustion by compressing a mixture of air and fuel supplied to a combustion chamber and self-igniting the fuel contained in the compressed mixture. The method for controlling an internal combustion engine includes information acquisition steps S1 and S2, which are each executed by a computer, for acquiring information on a fuel injection amount and information on a generated torque for each combustion cycle of the internal combustion engine, a characteristic map (FIG. 4) showing the relationship between a predetermined fuel injection amount, generated torque, and ignition property of the fuel, a fuel estimation step S3 for estimating the ignition property of the fuel based on the information on the fuel injection amount and the information on the generated torque acquired in the information acquisition steps S1 and S2, and a control step for controlling the internal combustion engine based on the ignition property of the fuel estimated in the fuel estimation step S3 (FIG. 8). In this way, by estimating the ignition property of the supplied fuel at any time and controlling the fuel injection amount, etc. according to the estimated ignition property of the fuel, a single internal combustion engine can burn a plurality of fuels with significantly different ignition properties.

(2)燃料推定ステップS3では、燃料の着火性を表す数値として、燃料のオクタン価を推定する(図4)。着火性をオクタン価として数値化することで、燃料噴射量と発生トルクと燃料の着火性との関係を示す汎用的な特性マップを作成することができる。 (2) In the fuel estimation step S3, the octane number of the fuel is estimated as a numerical value representing the ignition quality of the fuel (Figure 4). By quantifying the ignition quality as an octane number, a general-purpose characteristic map showing the relationship between the fuel injection amount, generated torque, and the ignition quality of the fuel can be created.

(3)内燃機関は、開度に応じて燃焼室からの排気の燃焼室への還流量を調整する排気絞り弁3を有する(図6)。情報取得ステップS4では、内燃機関の要求トルクの情報を取得する(図8)。内燃機関の制御方法は、コンピュータによりそれぞれ実行される、情報取得ステップS4で取得された内燃機関の要求トルクの情報と、燃料推定ステップS3で推定された燃料の着火性と、に基づいて、排気絞り弁3の開度を決定する還流量決定ステップS5をさらに含む(図8)。制御ステップS5では、さらに、還流量決定ステップS5で決定された排気絞り弁3の開度に基づいて内燃機関を制御する。 (3) The internal combustion engine has an exhaust throttle valve 3 that adjusts the amount of exhaust gas recirculated from the combustion chamber to the combustion chamber depending on its opening (Figure 6). In the information acquisition step S4, information on the torque required by the internal combustion engine is acquired (Figure 8). The control method for the internal combustion engine further includes a recirculation amount determination step S5 that determines the opening amount of the exhaust throttle valve 3 based on the information on the torque required by the internal combustion engine acquired in the information acquisition step S4 and the ignition quality of the fuel estimated in the fuel estimation step S3, both of which are executed by a computer (Figure 8). In the control step S5, the internal combustion engine is further controlled based on the opening amount of the exhaust throttle valve 3 determined in the recirculation amount determination step S5.

このように、要求トルクと燃料の着火性とに応じて排気絞り弁3の開度を決定することで、筒内温度を調整し、着火時期を最適に調整し、燃料の着火性によらず、安定した出力(発生トルク)を得ることができる。発生トルクが要求トルクとなるように排気絞り弁3の開度をフィードバック制御してもよい。 In this way, by determining the opening degree of the exhaust throttle valve 3 according to the required torque and the ignition quality of the fuel, the temperature inside the cylinder can be adjusted, the ignition timing can be optimally adjusted, and a stable output (generated torque) can be obtained regardless of the ignition quality of the fuel. The opening degree of the exhaust throttle valve 3 can be feedback controlled so that the generated torque becomes the required torque.

(4)内燃機関は、燃焼室の圧力を検出する筒内圧センサ2を有する。情報取得ステップS1では、発生トルクの情報として、筒内圧センサ2により検出された燃焼室の圧力の情報を取得する。この場合、筒内圧力に基づいて精度よく発生トルクを推定することができる。 (4) The internal combustion engine has an in-cylinder pressure sensor 2 that detects the pressure in the combustion chamber. In the information acquisition step S1, information on the pressure in the combustion chamber detected by the in-cylinder pressure sensor 2 is acquired as information on the generated torque. In this case, the generated torque can be estimated with high accuracy based on the in-cylinder pressure.

(5)内燃機関の制御装置は、燃焼室に供給される空気と燃料との混合気を圧縮し、圧縮された混合気に含まれる燃料を自着火させる予混合圧縮着火燃焼を行う内燃機関を制御する。内燃機関の制御装置は、演算部11と記憶部12とを有するコントローラ10を備える(図6)。内燃機関は、燃焼サイクルごとに発生トルク(筒内圧力)を検出する筒内圧センサ2を有する(図6)。記憶部12は、予め定められた燃料噴射量と発生トルクと燃料の着火性との関係を示す特性マップ(図4)を記憶するように構成される。演算部11は、内燃機関の燃焼サイクルごとに燃料噴射量の情報および筒内圧センサ2により検出された発生トルク(筒内圧力)の情報を取得し、記憶部12に記憶された特性マップと、取得された燃料噴射量の情報および発生トルクの情報と、に基づいて、燃料の着火性を推定し、推定された燃料の着火性に基づいて内燃機関を制御するように構成される。 (5) The control device of the internal combustion engine controls the internal combustion engine that compresses a mixture of air and fuel supplied to a combustion chamber and performs homogenous charge compression ignition combustion by self-igniting the fuel contained in the compressed mixture. The control device of the internal combustion engine includes a controller 10 having a calculation unit 11 and a memory unit 12 (FIG. 6). The internal combustion engine has an in-cylinder pressure sensor 2 that detects the generated torque (in-cylinder pressure) for each combustion cycle (FIG. 6). The memory unit 12 is configured to store a characteristic map (FIG. 4) that shows the relationship between a predetermined fuel injection amount, generated torque, and ignition of the fuel. The calculation unit 11 is configured to acquire information on the fuel injection amount and information on the generated torque (in-cylinder pressure) detected by the in-cylinder pressure sensor 2 for each combustion cycle of the internal combustion engine, estimate the ignition of the fuel based on the characteristic map stored in the memory unit 12 and the acquired information on the fuel injection amount and generated torque, and control the internal combustion engine based on the estimated ignition of the fuel.

以上では、排気の還流により圧縮着火開始時期を調整し、適切な燃焼を行うための内燃機関の制御方法について説明したが、前回の燃焼サイクルによる高温の排気を利用する排気還流は、内燃機関の始動直後(初爆時)には行うことができない。そこで、本実施形態では、さらに、始動直後は混合気に点火する火炎伝播燃焼を行うことで、着火性の低い燃料でも初爆時の燃焼を適切に行うための内燃機関の制御方法について説明する。 The above describes a method of controlling an internal combustion engine to adjust the compression ignition start timing by exhaust gas recirculation and perform appropriate combustion, but exhaust gas recirculation using high-temperature exhaust gas from the previous combustion cycle cannot be performed immediately after starting the internal combustion engine (at the time of the first explosion). Therefore, in this embodiment, a method of controlling an internal combustion engine is described that performs flame propagation combustion to ignite the air-fuel mixture immediately after starting, thereby performing appropriate combustion at the time of the first explosion even with fuels that have low ignition properties.

図6に示すように、本発明の実施形態に係る内燃機関には、燃焼室に点火プラグ4が設けられる。一定の熱容量を有して筒内を加熱するグロープラグは、応答性が低いため、筒内温度を昇温しすぎることがあり、特に着火性の高い燃料では過早着火に至り、ノッキングが生じることがある。点火プラグ4を用いて火花により混合気に点火する場合は、燃料の着火性が高い場合であっても過剰な熱量により過早着火に至ることがない。点火プラグ4(アクチュエータ)は、コントローラ10に接続され、コントローラ10により制御される。 As shown in FIG. 6, an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention has an ignition plug 4 in the combustion chamber. A glow plug, which has a certain heat capacity and heats the inside of a cylinder, has low responsiveness and may raise the temperature inside the cylinder too much, which may lead to pre-ignition and knocking, especially with highly ignitable fuels. When the air-fuel mixture is ignited by a spark using the ignition plug 4, pre-ignition due to excessive heat is not achieved even when the fuel is highly ignitable. The ignition plug 4 (actuator) is connected to and controlled by the controller 10.

図9および図10は、始動時の筒内圧力の変化について説明するための図である。図9は、燃焼が適切に行われず、ノッキングが発生するときの筒内圧力の変化を示し、図10は、燃焼が適切に行われ、ノッキングが発生しないときの筒内圧力の変化を示す。また、図11は、燃料のオクタン価と空燃比との関係について説明するための図である。 Figures 9 and 10 are diagrams for explaining the change in cylinder pressure during startup. Figure 9 shows the change in cylinder pressure when combustion is not performed properly and knocking occurs, and Figure 10 shows the change in cylinder pressure when combustion is performed properly and knocking does not occur. Also, Figure 11 is a diagram for explaining the relationship between the octane number of the fuel and the air-fuel ratio.

図11に示すように、混合気の空燃比A/Fを燃料のオクタン価に応じた適正範囲(通常火炎伝播燃焼領域)内にすることで、図10のような適切な火炎伝播燃焼を行うことができる。混合気の空燃比A/Fが適正範囲を超えて大きくなり、混合気が過剰に希薄になると、点火により生じた火炎が伝播することなく失火(消炎)する可能性が高まる(失火領域)。混合気の空燃比A/Fが適正範囲を超えて大きくなり、混合気が過剰に濃くなると、図9のようにノッキングが生じる可能性が高まる(ノッキング領域)。 As shown in Figure 11, by setting the air-fuel ratio A/F of the mixture within the appropriate range (normal flame propagation combustion region) according to the octane number of the fuel, appropriate flame propagation combustion as shown in Figure 10 can be achieved. If the air-fuel ratio A/F of the mixture exceeds the appropriate range and the mixture becomes excessively lean, there is a high possibility that the flame generated by ignition will not propagate and will misfire (extinguish) (misfire region). If the air-fuel ratio A/F of the mixture exceeds the appropriate range and the mixture becomes excessively rich, there is a high possibility that knocking will occur as shown in Figure 9 (knocking region).

図12は、空燃比を変えたときの、始動時における着火(点火)前後の筒内圧力の変化について説明するための図であり、実験結果を示す。図12に示すように、混合気の空燃比A/Fが15のときは、ノッキングが生じ、筒内圧力の振動が観測される。混合気の空燃比A/Fが23のときは、失火(消炎)が生じ、筒内圧力の急激な上昇が観測されない。一方、混合気の空燃比A/Fが20のときは、適切な燃焼が行われ、筒内圧力が振動することなく急激に上昇する。図11に示すように、混合気の空燃比A/Fの適正範囲は燃料のオクタン価に応じて変化するが、図11に破線で示すような、幅広いオクタン価で適切な燃焼を行うことができる空燃比A/Fの適正範囲は、16~20程度となる。 Figure 12 is a diagram for explaining the change in cylinder pressure before and after ignition (ignition) at start-up when the air-fuel ratio is changed, and shows the results of an experiment. As shown in Figure 12, when the air-fuel ratio A/F of the mixture is 15, knocking occurs and oscillations in the cylinder pressure are observed. When the air-fuel ratio A/F of the mixture is 23, misfire (flame quenching) occurs and no sudden increase in the cylinder pressure is observed. On the other hand, when the air-fuel ratio A/F of the mixture is 20, proper combustion occurs and the cylinder pressure rises rapidly without oscillation. As shown in Figure 11, the appropriate range of the air-fuel ratio A/F of the mixture changes depending on the octane number of the fuel, but the appropriate range of the air-fuel ratio A/F that can perform proper combustion over a wide range of octane numbers, as shown by the dashed line in Figure 11, is about 16 to 20.

ノッキングは、酸化発熱反応である燃焼反応の反応速度(下式(vi))が高まり、発熱が過剰となることで生じる急激な自己着火燃焼である。下式(vi)において、Aはプリエクスポネンシャルファクタ、Eは活性化エネルギー、Rは気体定数、Tは筒内温度であり、燃料濃度および酸素濃度の単位は[mol/m3]である。
反応速度=A・exp(-E/RT)(燃料濃度)(酸素濃度)・・・(vi)
Knocking is a sudden self-ignition combustion caused by an increase in the reaction rate of the combustion reaction, which is an exothermic oxidation reaction (equation (vi) below), resulting in excessive heat generation. In equation (vi) below, A is the pre-exponential factor, E is the activation energy, R is the gas constant, T is the in-cylinder temperature, and the units of fuel concentration and oxygen concentration are [mol/ m3 ].
Reaction rate = A exp(-E/RT)(fuel concentration)(oxygen concentration) ... (vi)

式(vi)に示す燃焼反応の反応速度は、空燃比が大きく、混合気が希薄な状態から、量論空燃比に向けて空燃比が小さく、混合気が濃くなるほど速くなる。混合気を量論空燃比よりも希薄にして過剰な酸素の熱容量により筒内温度の上昇を抑制し、反応速度を低下させることで、ノッキングを生じ難くすることができる。ノッキングが生じると、内燃機関(燃焼室)の構成部品が損傷したり、燃焼騒音により内燃機関の商品性が損なわれたりする。図11の適正範囲の下限値であるノッキング限界の空燃比は、内燃機関(燃焼室)の強度や、許容される騒音レベル等に応じて変化する。また、ノッキング限界の空燃比は、圧縮比やバルブタイミング等に依存するため、内燃機関ごとに異なる。内燃機関ごとのノッキング限界を表す特性(図11の適正範囲の下限値)は、予め試験により決定され、コントローラ10の記憶部12に記憶される。 The reaction rate of the combustion reaction shown in formula (vi) becomes faster as the air-fuel ratio becomes larger and the mixture becomes leaner toward the stoichiometric air-fuel ratio, and the mixture becomes richer. By making the mixture leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, the heat capacity of the excess oxygen suppresses the rise in the cylinder temperature and reduces the reaction rate, making it difficult for knocking to occur. If knocking occurs, the components of the internal combustion engine (combustion chamber) may be damaged, or the marketability of the internal combustion engine may be impaired due to combustion noise. The air-fuel ratio at the knocking limit, which is the lower limit of the appropriate range in FIG. 11, varies depending on the strength of the internal combustion engine (combustion chamber) and the allowable noise level. In addition, the air-fuel ratio at the knocking limit depends on the compression ratio, valve timing, etc., and therefore differs for each internal combustion engine. The characteristic representing the knocking limit for each internal combustion engine (the lower limit of the appropriate range in FIG. 11) is determined in advance by testing and stored in the memory unit 12 of the controller 10.

図13は、空燃比と断熱火炎温度との関係について説明するための図である。図13に示すように、炭化水素の断熱火炎温度は、空燃比A/Fに応じて変化する。混合気が過剰に希薄になると、炭化水素の断熱火炎温度(図13)および層流燃焼速度(下式(vii))が低下することで、火炎を維持、伝播することが困難となり、失火(消炎)に至る。これは、火炎からの放熱と発熱とのバランスが崩れて熱を維持できなくなるためである。下式(vii)において、αは熱拡散率、Pは筒内圧力、Eは活性化エネルギー、Rは気体定数、Tadは断熱火炎温度である。
層流燃焼速度∝α×Pn-2(-E/RTad) ・・・(vii)
FIG. 13 is a diagram for explaining the relationship between the air-fuel ratio and the adiabatic flame temperature. As shown in FIG. 13, the adiabatic flame temperature of hydrocarbons changes depending on the air-fuel ratio A/F. When the mixture becomes excessively lean, the adiabatic flame temperature of hydrocarbons (FIG. 13) and the laminar burning velocity (formula (vii) below) decrease, making it difficult to maintain and propagate the flame, leading to misfire (extinction). This is because the balance between heat radiation and heat generation from the flame is lost and heat cannot be maintained. In formula (vii) below, α is the thermal diffusivity, P is the cylinder pressure, E is the activation energy, R is the gas constant, and T ad is the adiabatic flame temperature.
Laminar burning velocity ∝α×P n-2 (−E/RT ad ) ...(vii)

火炎伝播限界の空燃比は、圧縮比やバルブタイミング等に依存するため、内燃機関ごとに異なるが、一般的なガソリンエンジンの火炎伝播限界の空燃比は20程度となる。内燃機関ごとの火炎伝播限界を表す特性(図11の適正範囲の上限値)は、予め試験により決定され、コントローラ10の記憶部12に記憶される。 The air-fuel ratio at the flame propagation limit varies from one internal combustion engine to another because it depends on the compression ratio, valve timing, etc., but the air-fuel ratio at the flame propagation limit for a typical gasoline engine is about 20. The characteristics representing the flame propagation limit for each internal combustion engine (the upper limit of the appropriate range in Figure 11) are determined in advance by testing and stored in the memory unit 12 of the controller 10.

コントローラ10の演算部11は、今回の燃焼サイクルが内燃機関の始動直後の最初の燃焼サイクル(初爆時)であるか否かを判定し、初爆時であると判定されると、目標空燃比を決定するとともに、火炎伝播燃焼を行うように点火プラグ4を含む内燃機関を制御する。初爆時の目標空燃比は、記憶部12に記憶されたノッキング限界を表す特性と燃料のオクタン価とに基づいて、ノッキングを生じない限界付近の値(16~20程度)に決定される。コントローラ10の演算部11で決定された目標空燃比の情報は、燃料噴射制御装置50に送信され、燃料噴射制御装置50により目標空燃比に応じた燃料噴射制御が行われる。 The calculation unit 11 of the controller 10 determines whether the current combustion cycle is the first combustion cycle (initial explosion) immediately after starting the internal combustion engine, and if it is determined that it is the initial explosion, it determines the target air-fuel ratio and controls the internal combustion engine including the spark plug 4 to perform flame propagation combustion. The target air-fuel ratio at the initial explosion is determined to a value near the limit at which knocking does not occur (approximately 16 to 20) based on the characteristics representing the knocking limit stored in the memory unit 12 and the octane number of the fuel. Information on the target air-fuel ratio determined by the calculation unit 11 of the controller 10 is sent to the fuel injection control device 50, which controls the fuel injection according to the target air-fuel ratio.

図14は、オクタン価の異なる燃料が給油されたときの、内燃機関に供給される燃料のオクタン価の変化について説明するための図である。図14の横軸は、内燃機関の運転時間を示す。時刻t1では、内燃機関が停止、始動され、停止から始動までの間に、燃料タンクに貯留されている燃料よりもオクタン価の低い燃料が給油される。時刻t3では、内燃機関が停止、始動され、停止から始動までの間に、燃料タンクに貯留されている燃料よりもオクタン価の高い燃料が給油される。 Figure 14 is a diagram for explaining the change in the octane number of fuel supplied to an internal combustion engine when fuels with different octane numbers are refueled. The horizontal axis of Figure 14 indicates the operating time of the internal combustion engine. At time t1, the internal combustion engine is stopped and started, and fuel with a lower octane number than the fuel stored in the fuel tank is refueled between the time of stopping and starting. At time t3, the internal combustion engine is stopped and started, and fuel with a higher octane number than the fuel stored in the fuel tank is refueled between the time of stopping and starting.

内燃機関の始動直後の数サイクル分(図14の時刻t1~t2,t3~t4)の燃料は、内燃機関の停止前にすでに燃料タンクから燃料配管内に汲み上げられていた燃料でまかなわれる。このため、たとえ内燃機関の停止から始動までの間に給油が行われ、燃料タンク内の燃料のオクタン価が変化したとしても、始動直後の数サイクルで燃焼室に供給される燃料のオクタン価は、内燃機関の停止前に推定されたオクタン価と一致する。よって、内燃機関の停止前に推定された燃料のオクタン価に基づいて、初爆時の目標空燃比を適切に決定することができる。 The fuel for several cycles immediately after the internal combustion engine is started (times t1 to t2 and t3 to t4 in Figure 14) is supplied by the fuel that has already been pumped from the fuel tank into the fuel pipe before the internal combustion engine is stopped. Therefore, even if refueling occurs between the time the internal combustion engine is stopped and the time it is started, and the octane rating of the fuel in the fuel tank changes, the octane rating of the fuel supplied to the combustion chamber in the several cycles immediately after starting will match the octane rating estimated before the internal combustion engine was stopped. Therefore, the target air-fuel ratio at the time of first combustion can be appropriately determined based on the octane rating of the fuel estimated before the internal combustion engine was stopped.

図15は、空燃比と圧縮開始温度との関係について説明するための図であり、初爆後、数回(図では初爆(1回目)から5回目まで)の燃焼サイクルにおける最適な空燃比の一例を示す。図15に示すように、2回目以降の燃焼サイクル(以下、「移行サイクル」と称することがある)では、前回の燃焼サイクルの排気が還流されることで筒内温度(圧縮開始温度および上死点近傍での温度)が徐々に高まる。このため、初爆時に決定された混合気の空燃比A/Fをそのまま維持するとノッキングが発生することがある。2回目以降の燃焼サイクルでは、初爆時に決定された空燃比A/Fを徐々に大きくし、混合気を徐々に希薄にすることで、ノッキングを生じることなく安定した火炎伝播燃焼を継続することができる。 Figure 15 is a diagram for explaining the relationship between the air-fuel ratio and the compression start temperature, and shows an example of the optimal air-fuel ratio in several combustion cycles (from the first explosion (first explosion) to the fifth explosion in the figure) after the first explosion. As shown in Figure 15, in the second and subsequent combustion cycles (hereinafter sometimes referred to as the "transition cycle"), the exhaust gas from the previous combustion cycle is recirculated, gradually increasing the in-cylinder temperature (compression start temperature and temperature near top dead center). For this reason, if the air-fuel ratio A/F of the mixture determined at the time of the first explosion is maintained as it is, knocking may occur. In the second and subsequent combustion cycles, the air-fuel ratio A/F determined at the time of the first explosion is gradually increased and the mixture is gradually leaned, allowing stable flame propagation combustion to continue without knocking.

初爆後、数回目(図では5回目)の燃焼サイクルで圧縮開始温度が、排気の還流により圧縮着火開始時期を調整することで安定して圧縮着火燃焼が可能な温度域に到達すると、点火プラグ4による点火を要しない圧縮着火燃焼に移行することができる。 After the initial explosion, the compression start temperature reaches a temperature range where stable compression ignition combustion is possible in several combustion cycles (the fifth in the figure) by adjusting the compression ignition start timing through exhaust gas recirculation, and then it is possible to transition to compression ignition combustion that does not require ignition by the spark plug 4.

図16は、空燃比を変えたときの、圧縮着火燃焼時における着火前後の筒内圧力の変化について説明するための図であり、実験結果を示す。図16に示すように、混合気の空燃比A/Fが19のときは、筒内圧力のピークがほぼ圧縮上死点に一致し、着火時期が早すぎるため、圧力上昇率が過大となる。この場合、内燃機関(燃焼室)の構成部品が損傷したり、燃焼騒音により内燃機関の商品性が損なわれたりする可能性が高まる。混合気の空燃比A/Fが24のときは、着火時期が遅すぎることで膨張行程の温度降下によって失火が生じ、筒内圧力の急激な上昇が観測されない。 Figure 16 is a diagram illustrating the change in cylinder pressure before and after ignition during compression ignition combustion when the air-fuel ratio is changed, and shows the results of an experiment. As shown in Figure 16, when the air-fuel ratio A/F of the mixture is 19, the peak of the cylinder pressure almost coincides with the compression top dead center, and the ignition timing is too early, resulting in an excessive pressure rise rate. In this case, there is an increased possibility that components of the internal combustion engine (combustion chamber) will be damaged, and the marketability of the internal combustion engine will be impaired due to combustion noise. When the air-fuel ratio A/F of the mixture is 24, the ignition timing is too late, causing misfires due to the temperature drop during the expansion stroke, and no sudden rise in cylinder pressure is observed.

一方、混合気の空燃比A/Fが21,22のときは、適切な燃焼が行われ、筒内圧力のピークが圧縮上死点よりやや遅れた適当な時期に現れる。したがって、圧縮着火燃焼に移行後、適切な燃焼を行うことができる空燃比A/Fの適正範囲は、20~22程度となる。圧縮着火燃焼中の適切な空燃比は、圧縮比や吸気温度等に依存するため、内燃機関ごとに異なる。内燃機関ごとの圧縮着火燃焼中の適切な空燃比は、予め試験により決定され、コントローラ10の記憶部12に記憶される。 On the other hand, when the air-fuel ratio A/F of the mixture is 21 or 22, proper combustion occurs, and the peak of the cylinder pressure occurs at an appropriate time slightly later than the top dead center of compression. Therefore, the appropriate range of the air-fuel ratio A/F for proper combustion after transition to compression ignition combustion is approximately 20 to 22. The appropriate air-fuel ratio during compression ignition combustion depends on the compression ratio and intake temperature, etc., and therefore differs for each internal combustion engine. The appropriate air-fuel ratio during compression ignition combustion for each internal combustion engine is determined in advance by testing and stored in the memory unit 12 of the controller 10.

図17は、燃料のオクタン価と最適なスロットル開度との関係について説明するための図である。低温酸化反応の発熱量は、燃料噴射量が多いほど大きくなる(式(iii))。このため、より早期、すなわち初爆後、より少ない回数の燃焼サイクルで火炎伝播燃焼から圧縮着火燃焼へと移行するためには、スロットル開度を開放側に調整し、より多くの混合気が燃焼室に供給されるようにしてもよい。ただし、オクタン価が低く、ノッキングが生じる可能性の高い燃料ほど、スロットル開度が制限される。 Figure 17 is a diagram for explaining the relationship between the octane number of fuel and the optimal throttle opening. The heat generation amount of the low-temperature oxidation reaction increases as the fuel injection amount increases (equation (iii)). Therefore, in order to transition from flame propagation combustion to compression ignition combustion earlier, i.e., after the initial explosion and with fewer combustion cycles, the throttle opening may be adjusted to the open side so that more air-fuel mixture is supplied to the combustion chamber. However, the lower the octane number of the fuel and the higher the possibility of knocking, the more the throttle opening is restricted.

コントローラ10の演算部11は、今回の燃焼サイクルが内燃機関の始動後、2回目以降の燃焼サイクル(移行サイクル)であるか否かを判定する。そして、移行サイクルであると判定されると、混合気が徐々に希薄となるように目標空燃比を決定するとともに、火炎伝播燃焼を行うように点火プラグ4を含む内燃機関を制御する。コントローラ10の演算部11で決定された目標空燃比の情報は、燃料噴射制御装置50に送信され、燃料噴射制御装置50により目標空燃比に応じた燃料噴射制御が行われる。移行サイクルの目標空燃比は、前回の燃焼サイクルの目標空燃比、記憶部12に記憶された燃料のオクタン価、ノッキング限界および火炎伝播限界を表す特性、および内燃機関ごとの圧縮着火燃焼中の適切な空燃比に基づいて、徐々に希薄となるように決定される。 The calculation unit 11 of the controller 10 judges whether the current combustion cycle is the second or subsequent combustion cycle (transition cycle) after the start of the internal combustion engine. If it is judged to be a transition cycle, the target air-fuel ratio is determined so that the mixture gradually becomes leaner, and the internal combustion engine including the ignition plug 4 is controlled to perform flame propagation combustion. Information on the target air-fuel ratio determined by the calculation unit 11 of the controller 10 is transmitted to the fuel injection control device 50, which performs fuel injection control according to the target air-fuel ratio. The target air-fuel ratio of the transition cycle is determined so as to gradually become leaner based on the target air-fuel ratio of the previous combustion cycle, the octane number of the fuel stored in the memory unit 12, the characteristics representing the knocking limit and the flame propagation limit, and the appropriate air-fuel ratio during compression ignition combustion for each internal combustion engine.

図18は、本発明の実施形態に係る内燃機関の制御方法による、始動直後の処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、コントローラ10の演算部11により、例えば内燃機関の燃焼サイクルごとに実行される。 Figure 18 is a flowchart showing an example of processing immediately after starting according to a control method for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention. The processing shown in this flowchart is executed by the calculation unit 11 of the controller 10, for example, for each combustion cycle of the internal combustion engine.

図18に示すように、先ずステップS10で、今回の燃焼サイクルが内燃機関の始動直後の最初の燃焼サイクル(初爆時)であるか否かを判定する。ステップS10で肯定されると、ステップS11に進み、記憶部12に記憶されたノッキング限界を表す特性と燃料のオクタン価とに基づいて目標空燃比を決定するとともに、火炎伝播燃焼を行うように点火プラグ4を含む内燃機関を制御する。一方、ステップS10で否定されると、ステップS12に進み、今回の燃焼サイクルが内燃機関の始動後、2回目以降の燃焼サイクル(移行サイクル)であるか否かを判定する。ステップS12で肯定されると、ステップS13に進み、混合気が徐々に希薄となるように目標空燃比を決定するとともに、火炎伝播燃焼を行うように点火プラグ4を含む内燃機関を制御する。一方、ステップS12で否定されると、ステップS14に進み、圧縮着火燃焼を行うように内燃機関を制御する。 As shown in FIG. 18, first, in step S10, it is determined whether the current combustion cycle is the first combustion cycle (initial explosion) immediately after the start of the internal combustion engine. If the result in step S10 is positive, the process proceeds to step S11, where a target air-fuel ratio is determined based on the characteristics representing the knocking limit stored in the memory unit 12 and the octane number of the fuel, and the internal combustion engine including the spark plug 4 is controlled to perform flame propagation combustion. On the other hand, if the result in step S10 is negative, the process proceeds to step S12, where it is determined whether the current combustion cycle is the second or subsequent combustion cycle (transition cycle) after the start of the internal combustion engine. If the result in step S12 is positive, the process proceeds to step S13, where a target air-fuel ratio is determined so that the mixture becomes gradually leaner, and the internal combustion engine including the spark plug 4 is controlled to perform flame propagation combustion. On the other hand, if the result in step S12 is negative, the process proceeds to step S14, where the internal combustion engine is controlled to perform compression ignition combustion.

本実施形態によれば、さらに以下のような作用効果を奏することができる。 This embodiment also provides the following advantages:

(6)内燃機関の制御方法は、燃焼室に供給される空気と燃料との混合気を圧縮し、圧縮された混合気に含まれる燃料を自着火させる予混合圧縮着火燃焼を行うとともに、前回の燃焼サイクルにおける燃焼室からの排気を燃焼室に還流する内燃機関を制御する。内燃機関の制御方法は、コンピュータによりそれぞれ実行される、内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであるか否かを判定する判定ステップS10,S12と、判定ステップS10,S12で内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、燃焼室に供給される混合気を圧縮して点火プラグにより点火し、点火により生じた火炎を伝播させる予混合火炎伝播燃焼を行うように内燃機関を制御する制御ステップS11,S13と、を含む。 (6) A method for controlling an internal combustion engine includes controlling an internal combustion engine that compresses a mixture of air and fuel supplied to a combustion chamber, performs premixed compression ignition combustion by self-igniting the fuel contained in the compressed mixture, and returns exhaust gas from the combustion chamber in the previous combustion cycle to the combustion chamber. The method for controlling an internal combustion engine includes judgment steps S10 and S12, each executed by a computer, for judging whether the combustion cycle is immediately after the start of the internal combustion engine, and control steps S11 and S13, each executed by a computer, for controlling the internal combustion engine to compress the mixture supplied to the combustion chamber, ignite it with an ignition plug, and perform premixed flame propagation combustion by propagating the flame generated by the ignition.

通常運転時は予混合圧縮着火燃焼を行い、排気還流により筒内温度を調整し、着火時期を調整する内燃機関において、始動直後は混合気に点火し、火炎伝播燃焼を行うことで、着火性の低い燃料でも初爆時の燃焼を適切に行うことができる。このとき、熱容量の大きいグロープラグではなく点火プラグを用いて火花により混合気に点火するため、過剰な熱量により過早着火に至ることがない。これにより、着火性が大きく異なる複数の燃料を単一の内燃機関で燃焼させることができる。 In an internal combustion engine that performs homogeneous charge compression ignition combustion during normal operation and adjusts the in-cylinder temperature and ignition timing using exhaust gas recirculation, the air-fuel mixture is ignited immediately after starting and flame propagation combustion is performed, allowing proper combustion at the time of initial explosion even with fuels with low ignition characteristics. In this case, the air-fuel mixture is ignited by a spark using an ignition plug rather than a glow plug with a large heat capacity, so pre-ignition due to excessive heat is not achieved. This makes it possible to burn multiple fuels with significantly different ignition characteristics in a single internal combustion engine.

(7)内燃機関の制御方法は、コンピュータによりそれぞれ実行される、内燃機関の燃焼サイクルごとに、燃料噴射量の情報および発生トルクの情報を取得する情報取得ステップS1,S2と、予め定められた燃料噴射量と発生トルクと燃料のオクタン価との関係を示す特性マップ(図4)と、情報取得ステップS1,S2で取得された燃料噴射量の情報および発生トルクの情報と、に基づいて、燃料のオクタン価を推定する燃料推定ステップS3と、判定ステップS10,S12で内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、燃料推定ステップS3で内燃機関の停止前に推定された燃料のオクタン価に基づいて、混合気の目標空燃比(図11)を決定する空燃比決定ステップS11,S13と、をさらに含む(図18)。制御ステップS11,S13では、空燃比決定ステップS11,S13で決定された目標空燃比に基づいて内燃機関を制御する。 (7) The method for controlling an internal combustion engine further includes information acquisition steps S1 and S2, which are each executed by a computer, for acquiring information on the fuel injection amount and information on the generated torque for each combustion cycle of the internal combustion engine, a fuel estimation step S3 for estimating the octane number of the fuel based on a characteristic map (FIG. 4) showing the relationship between a predetermined fuel injection amount, generated torque, and the octane number of the fuel, and the information on the fuel injection amount and the generated torque acquired in the information acquisition steps S1 and S2, and an air-fuel ratio determination step S11 and S13 for determining a target air-fuel ratio of the mixture (FIG. 11) based on the octane number of the fuel estimated in the fuel estimation step S3 before the internal combustion engine is stopped (FIG. 18) when it is determined in the determination steps S10 and S12 that the combustion cycle is immediately after the start of the internal combustion engine. In the control steps S11 and S13, the internal combustion engine is controlled based on the target air-fuel ratio determined in the air-fuel ratio determination steps S11 and S13.

内燃機関の始動直後の数サイクル分の燃料は、内燃機関の停止前にすでに燃料タンクから燃料配管内に汲み上げられていた燃料でまかなわれる。このため、たとえ内燃機関の停止から始動までの間に給油が行われ、燃料タンク内の燃料のオクタン価が変化したとしても、始動直後の数サイクルで燃焼室に供給される燃料のオクタン価は、内燃機関の停止前に推定されたオクタン価と一致する(図16)。よって、内燃機関の停止前に推定された燃料のオクタン価に基づいて、始動直後の混合気の目標空燃比を適切に決定することができる。 The fuel for the few cycles immediately after starting the internal combustion engine is supplied by the fuel that has already been pumped from the fuel tank into the fuel pipe before the internal combustion engine is stopped. Therefore, even if refueling occurs between the time the internal combustion engine is stopped and the time it is started, and the octane rating of the fuel in the fuel tank changes, the octane rating of the fuel supplied to the combustion chamber in the few cycles immediately after starting will match the octane rating estimated before the internal combustion engine was stopped (Figure 16). Therefore, the target air-fuel ratio of the mixture immediately after starting can be appropriately determined based on the octane rating of the fuel estimated before the internal combustion engine was stopped.

(8)空燃比決定ステップS13では、判定ステップS10,S12で内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、内燃機関の燃焼サイクルごとに徐々に希薄となるように混合気の目標空燃比を決定する(図12)。初爆後、2回目以降の燃焼サイクルでは、前回の燃焼サイクルで生じた高温の排気が還流されることで、燃焼サイクルが進むごとに圧縮開始温度が上昇し、ノッキングが生じる可能性が高まる。初爆後、2回目以降の燃焼サイクルでは、圧縮開始温度が安定して圧縮着火可能な温度域に達するまで徐々に空燃比を希薄にする過渡制御を行うことで、ノッキングを生じることなく、火炎伝播燃焼から圧縮着火燃焼へと適切に移行することができる。 (8) In the air-fuel ratio determination step S13, if it is determined in the determination steps S10 and S12 that the combustion cycle is immediately after the start of the internal combustion engine, the target air-fuel ratio of the mixture is determined so that it gradually becomes leaner with each combustion cycle of the internal combustion engine (FIG. 12). In the second and subsequent combustion cycles after the first explosion, the high-temperature exhaust gas generated in the previous combustion cycle is recirculated, so that the compression start temperature rises with each combustion cycle, increasing the possibility of knocking. In the second and subsequent combustion cycles after the first explosion, transient control is performed to gradually lean the air-fuel ratio until the compression start temperature stabilizes and reaches a temperature range where compression ignition is possible, allowing an appropriate transition from flame propagation combustion to compression ignition combustion without knocking.

(9)内燃機関の制御方法は、コンピュータによりそれぞれ実行される、判定ステップS10で内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、燃料推定ステップS3で内燃機関の停止前に推定された燃料のオクタン価と、空燃比決定ステップS11で決定された目標空燃比と、に基づいて、燃料推定ステップS3で内燃機関の停止前に推定された燃料のオクタン価が高いほど燃焼室への吸気量を調整するスロットル開度を大きい開度に決定する吸気量決定ステップS11をさらに含む(図18)。制御ステップS11では、さらに、吸気量決定ステップS11で決定されたスロットル開度に基づいて内燃機関を制御する。すなわち、オクタン価が高く、ノッキングが生じる可能性の低い燃料の場合には、スロットルを開放側にして吸気量を増加することで、排気温度および圧縮着火開始温度を高め、より早期に圧縮着火燃焼に移行することができる。 (9) The control method for an internal combustion engine further includes an intake amount determination step S11, which is executed by a computer, and when it is determined in the determination step S10 that the combustion cycle is immediately after the start of the internal combustion engine, the intake amount determination step S11 determines the throttle opening for adjusting the intake amount to the combustion chamber to be larger as the octane number of the fuel estimated in the fuel estimation step S3 before the internal combustion engine is stopped is higher, based on the octane number of the fuel estimated in the fuel estimation step S3 before the internal combustion engine is stopped and the target air-fuel ratio determined in the air-fuel ratio determination step S11 (FIG. 18). In the control step S11, the internal combustion engine is further controlled based on the throttle opening determined in the intake amount determination step S11. In other words, in the case of a fuel with a high octane number and low possibility of knocking, the throttle is opened to increase the intake amount, thereby increasing the exhaust temperature and the compression ignition start temperature, and the transition to compression ignition combustion can be made earlier.

(10)内燃機関の制御装置は、燃焼室に供給される空気と燃料との混合気を圧縮し、圧縮された混合気に含まれる燃料を自着火させる予混合圧縮着火燃焼を行うとともに、前回の燃焼サイクルにおける燃焼室からの排気を燃焼室に還流する内燃機関を制御する。内燃機関の制御装置は、演算部11と記憶部12とを有するコントローラ10を備える(図6)。内燃機関は、点火プラグ4を有する(図6)。演算部11は、内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであるか否かを判定し、内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、燃焼室に供給される混合気を圧縮して点火プラグ4により点火し、点火により生じた火炎を伝播させる予混合火炎伝播燃焼を行うように内燃機関を制御するように構成される。 (10) The control device for an internal combustion engine compresses a mixture of air and fuel supplied to a combustion chamber, performs premixed compression ignition combustion by self-igniting the fuel contained in the compressed mixture, and controls the internal combustion engine to return exhaust gas from the combustion chamber in the previous combustion cycle to the combustion chamber. The control device for an internal combustion engine includes a controller 10 having a calculation unit 11 and a memory unit 12 (FIG. 6). The internal combustion engine has an ignition plug 4 (FIG. 6). The calculation unit 11 is configured to determine whether the combustion cycle is immediately after the start of the internal combustion engine, and when it is determined that the combustion cycle is immediately after the start of the internal combustion engine, to control the internal combustion engine to compress the mixture supplied to the combustion chamber, ignite it with the ignition plug 4, and perform premixed flame propagation combustion by propagating the flame generated by the ignition.

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の1つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。 The above description is merely an example, and the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment and modifications, as long as the characteristics of the present invention are not impaired. It is also possible to arbitrarily combine one or more of the above-mentioned embodiment and modifications, and it is also possible to combine modifications together.

2 筒内圧センサ、3 排気絞り弁、4 点火プラグ、10 コントローラ、11 演算部、12 記憶部、50 燃料噴射制御装置 2 Cylinder pressure sensor, 3 Exhaust throttle valve, 4 Spark plug, 10 Controller, 11 Calculation unit, 12 Memory unit, 50 Fuel injection control device

Claims (5)

燃焼室に供給される空気と燃料との混合気を圧縮し、圧縮された前記混合気に含まれる前記燃料を自着火させる予混合圧縮着火燃焼を行うとともに、前回の燃焼サイクルにおける前記燃焼室からの排気を前記燃焼室に還流する内燃機関の制御方法であって、
コンピュータによりそれぞれ実行される、
前記内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであるか否かを判定する判定ステップと、
前記判定ステップで前記内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、前記燃焼室に供給される前記混合気を圧縮して点火プラグにより点火し、点火により生じた火炎を伝播させる予混合火炎伝播燃焼を行うように前記内燃機関を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とする内燃機関の制御方法。
A control method for an internal combustion engine, which performs homogeneous charge compression ignition combustion by compressing a mixture of air and fuel supplied to a combustion chamber and self-igniting the fuel contained in the compressed mixture, and returns exhaust gas from the combustion chamber in a previous combustion cycle to the combustion chamber, comprising:
Each of the methods is executed by a computer.
a determination step of determining whether or not the combustion cycle is immediately after starting the internal combustion engine;
and a control step of controlling the internal combustion engine so that, when it is determined in the determination step that the combustion cycle is immediately after the start of the internal combustion engine, the mixture supplied to the combustion chamber is compressed, ignited by an ignition plug, and a premixed flame propagation combustion is performed in which the flame generated by the ignition propagates.
請求項1に記載の内燃機関の制御方法において、
コンピュータによりそれぞれ実行される、
前記内燃機関の燃焼サイクルごとに、燃料噴射量の情報および発生トルクの情報を取得する情報取得ステップと、
予め定められた前記燃料噴射量と前記発生トルクと前記燃料のオクタン価との関係を示す特性マップと、前記情報取得ステップで取得された前記燃料噴射量の情報および前記発生トルクの情報と、に基づいて、前記燃料のオクタン価を推定する燃料推定ステップと、
前記判定ステップで前記内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、前記燃料推定ステップで前記内燃機関の停止前に推定された前記燃料のオクタン価に基づいて、前記混合気の目標空燃比を決定する空燃比決定ステップと、をさらに含み、
前記制御ステップでは、前記空燃比決定ステップで決定された目標空燃比に基づいて前記内燃機関を制御することを特徴とする内燃機関の制御方法。
2. The method for controlling an internal combustion engine according to claim 1,
Each of the methods is executed by a computer.
an information acquisition step of acquiring information on a fuel injection amount and information on a generated torque for each combustion cycle of the internal combustion engine;
a fuel estimation step of estimating an octane number of the fuel based on a characteristic map indicating a relationship between a predetermined fuel injection amount, the generated torque, and an octane number of the fuel, and on information on the fuel injection amount and information on the generated torque acquired in the information acquisition step;
and an air-fuel ratio determination step of determining a target air-fuel ratio of the mixture based on the octane number of the fuel estimated in the fuel estimation step before the internal combustion engine is stopped, when the determination step determines that the combustion cycle is immediately after the start of the internal combustion engine,
In the control step, the internal combustion engine is controlled based on the target air-fuel ratio determined in the air-fuel ratio determination step.
請求項1に記載の内燃機関の制御方法において、
前記空燃比決定ステップでは、前記判定ステップで前記内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、前記内燃機関の燃焼サイクルごとに徐々に希薄となるように前記混合気の目標空燃比を決定することを特徴とする内燃機関の制御方法。
2. The method for controlling an internal combustion engine according to claim 1,
a control method for an internal combustion engine, characterized in that, in the air-fuel ratio determination step, when it is determined in the determination step that the combustion cycle is immediately after start-up of the internal combustion engine, a target air-fuel ratio of the mixture is determined so as to gradually become leaner for each combustion cycle of the internal combustion engine.
請求項3に記載の内燃機関の制御方法において、
コンピュータによりそれぞれ実行される、
前記判定ステップで前記内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、前記燃料推定ステップで前記内燃機関の停止前に推定された前記燃料のオクタン価と、前記空燃比決定ステップで決定された目標空燃比と、に基づいて、前記燃料推定ステップで前記内燃機関の停止前に推定された前記燃料のオクタン価が高いほど前記燃焼室への吸気量を調整する吸気調整弁の開度を大きい開度に決定する吸気量決定ステップをさらに含み、
前記制御ステップでは、さらに、前記吸気量決定ステップで決定された前記吸気調整弁の開度に基づいて前記内燃機関を制御することを特徴とする内燃機関の制御方法。
4. The method for controlling an internal combustion engine according to claim 3,
Each of the methods is executed by a computer.
and an intake amount determination step of determining, when it is determined in the determination step that the combustion cycle is immediately after the start of the internal combustion engine, an opening degree of an intake control valve for adjusting the amount of intake air into the combustion chamber to be larger as the octane number of the fuel estimated in the fuel estimation step before the internal combustion engine is stopped and a target air-fuel ratio determined in the air-fuel ratio determination step are higher,
The control step further comprises controlling the internal combustion engine based on an opening degree of the intake regulating valve determined in the intake amount determining step.
燃焼室に供給される空気と燃料との混合気を圧縮し、圧縮された前記混合気に含まれる前記燃料を自着火させる予混合圧縮着火燃焼を行うとともに、前回の燃焼サイクルにおける前記燃焼室からの排気を前記燃焼室に還流する内燃機関の制御装置であって、
演算部と記憶部とを有するコントローラを備え、
前記内燃機関は、点火プラグを有し、
前記演算部は、
前記内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであるか否かを判定し、
前記内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、前記燃焼室に供給される前記混合気を圧縮して前記点火プラグにより点火し、点火により生じた火炎を伝播させる予混合火炎伝播燃焼を行うように前記内燃機関を制御するように構成されることを特徴とする内燃機関の制御装置。
A control device for an internal combustion engine, which performs homogeneous charge compression ignition combustion by compressing a mixture of air and fuel supplied to a combustion chamber and self-igniting the fuel contained in the compressed mixture, and returns exhaust gas from the combustion chamber in a previous combustion cycle to the combustion chamber,
A controller having a calculation unit and a storage unit,
The internal combustion engine has a spark plug.
The calculation unit is
determining whether or not the combustion cycle is immediately after starting the internal combustion engine;
A control device for an internal combustion engine, characterized in that, when it is determined that the internal combustion engine is in a combustion cycle immediately after startup, the control device controls the internal combustion engine so as to perform premixed flame propagation combustion, compressing the mixture supplied to the combustion chamber, igniting it by the spark plug, and propagating the flame generated by the ignition.
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