JP4059140B2 - 予混合圧縮着火燃焼内燃機関の再循環排気制御システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内において、燃焼に供される予混合気が形成される予混合圧縮着火燃焼内燃機関に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、内燃機関において、吸気行程中または圧縮行程中に気筒内へ燃料を噴射することで、該燃料と吸気(空気)との予混合気を形成し、該予混合気を燃焼に供することによって、NOxや煙の排出が抑制される予混合圧縮着火燃焼内燃機関の開発が進められている。
【0003】
このような予混合圧縮着火燃焼内燃機関においては、形成された予混合気が気筒内の温度上昇により圧縮行程上死点近傍となる前に着火燃焼する、いわゆる過早着火が発生する虞がある。そこで、燃焼室に導入される再循環排気量を排気中のNOx濃度に基づき制御することで、過早着火の発生を防止する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−152853号公報
【特許文献2】
特開2000−120457号公報
【特許文献1】
特開平10−274104号公報
【特許文献2】
特開平6−229325号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
予混合圧縮着火燃焼内燃機関では、機関が高負荷で運転されているときは、気筒内、特に気筒内中央部の温度が高くなるため過早着火が発生し易くなる。また、気筒内において予混合気は略均一に分布している、即ち気筒内での空気と燃料との濃度分布が略均一であるため、高温では予混合気の燃焼は急激なものとなり燃焼騒音が悪化する虞がある。一方、機関が低負荷で運転されているときや機関の暖機前は、気筒内壁面付近の温度が低く該気筒内壁面付近の予混合気において未燃成分が発生する虞がある。
【0006】
本発明は、上記したような問題に鑑みてなされたものであり、予混合圧縮着火燃焼内燃機関において、より広い運転領域でより好適な予混合圧縮着火燃焼を行うことが可能な技術を提供することを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
即ち、本発明は、予混合圧縮着火燃焼内燃機関の再循環排気制御システムであって、複数の吸気ポートを備えており、少なくとも一の吸気ポートに排気の一部を導入し(以下、吸気ポートに導入される排気をEGRガスと称する)、この吸気ポートに導入されるEGRガスの量を制御することで気筒内のEGRガス率の分布を制御するものである。
【0008】
より詳しくは、本発明に係る予混合圧縮着火燃焼内燃機関の再循環排気制御システムは、
吸気行程中または/および圧縮行程中に、気筒内に燃料と吸気との予混合気が形成され、該予混合気が燃焼に供される予混合圧縮着火燃焼を行う予混合圧縮着火燃焼内燃機関において、
前記気筒内中央部に吸気を導入する第1吸気ポートと、
前記気筒内壁面付近に吸気を導入する第2吸気ポートと、
前記第1吸気ポートと前記第2吸気ポートとの少なくとも一方にEGRガスを導入する排気再循環手段と、
該排気再循環手段によって前記第1吸気ポートまたは/および前記第2吸気ポートに導入されるEGRガスの量を制御する再循環排気量制御手段と、
前記予混合圧縮着火燃焼内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
を備え、
前記運転状態検出手段によって検出された前記予混合圧縮着火燃焼内燃機関の運転状態に応じて、前記第1吸気ポートまたは/および前記第2吸気ポートに導入されるEGRガスの量を制御することよって、前記気筒内の再循環排気率の分布を制御することを特徴とする。
【0009】
ここで、再循環排気率とは、気体(吸気または予混合気)中におけるEGRガス量の割合のことである。以下、この再循環排気率をEGR率と称する。
【0010】
本発明に係る予混合圧縮着火燃焼内燃機関の再循環排気制御システムによれば、機関の運転状態に応じて、気筒内のEGR率の分布が制御される。 予混合気においては、EGR率が高くなると酸素濃度が低下するため該予混合気の着火性は低下し、EGR率が低くなると酸素濃度が高くなるため該予混合気の着火性も高くなる。即ち、EGR率を制御することで予混合気の着火性を制御することが出来る。更に、気筒内において中央部と壁面付近とでは異なったEGR率とすることで予混合気の着火遅れを不均一とし、予混合気の急激な燃焼を防止することが出来る。
【0011】
本発明に係る予混合圧縮着火燃焼内燃機関の再循環排気制御システムにおいては、第1吸気ポートまたは第2吸気ポートのいずれか一方にのみEGRガスを導入する場合であっても、気筒内において、EGRガスが導入された吸気ポートによって吸気が導入された部分のEGR率は高くなるため、気筒内のEGR率の分布を制御することが出来る。
【0012】
また、本発明に係る予混合圧縮着火燃焼内燃機関の再循環排気制御システムにおいては、第1吸気ポートおよび第2吸気ポートにEGRガスを導入し、第1吸気ポートに導入されるEGRガスの量および第2吸気ポートに導入されるEGRガスの量を、機関の運転状態に応じて、それぞれ制御しても良い。
【0013】
このような制御によれば、第1吸気ポートに導入されるEGRガスの量および第2吸気ポートに導入されるEGRガスの量をそれぞれ制御することで、第1吸気ポートによって導入される吸気(以下、第1吸気と称する)のEGR率と第2吸気ポートによって導入される吸気(以下、第2吸気と称する)のEGR率とをそれぞれ制御することが出来る。そのため、気筒内のEGR率の分布を機関の運転状態に応じて制御することが可能となる。
【0014】
そこで、本発明に係る予混合圧縮着火燃焼内燃機関の再循環排気制御システムにおいては、機関の運転状態が低負荷運転領域にある場合、第1吸気ポートに導入されるEGRガスの量よりも第2吸気ポートに導入されるEGRガスの量を多くしても良い。
【0015】
低負荷運転領域においては、燃料噴射量は少ないが、このような制御によれば、気筒内中央部のEGR率は低くなるため該気筒中央部の酸素濃度は高くなるため、該気筒内中央部での予混合気の着火性を確保することが出来る。また、低負荷運転領域においては、気筒内壁面付近の温度は比較的低温となるが、上記のような制御によれば、気筒内壁面付近のEGR率が高くなりEGRガスの熱によって予混合気の温度を上昇させることが出来る。そのため、該気筒内壁面付近の予混合気における未燃成分の発生を抑制することが可能となる。
【0016】
一方、本発明に係る予混合圧縮着火燃焼内燃機関の再循環排気制御システムにおいては、機関の運転状態が高負荷運転領域にある場合、第1吸気ポートに導入されるEGRガスの量よりも第2吸気ポートに導入されるEGRガスの量を少なくしても良い。
【0017】
高負荷運転領域においては、気筒内中央部の温度が高くなり過早着火が発生し易くなるが、このような制御によれば、気筒内中央部のEGR率は高くなるため該気筒中央部の酸素濃度は低くなり、該気筒内中央部での予混合気の着火性を抑制することが出来る。以て過早着火を抑制することが可能となる。尚、高負荷運転領域においては、気筒内の温度は高くなっているため、EGRガスの温度による影響は低負荷時と比較して非常に小さい。また、上記のような制御によれば、気筒内壁面付近のEGR率は気筒内中央部よりも低くなり、気筒内壁面付近の予混合気と気筒内中央部の予混合気との着火遅れは不均一となる。そのため、予混合気の急激な燃焼が抑制され、以て燃焼騒音の悪化を抑制することが可能となる。
【0018】
また、本発明に係る内燃機関が、予混合圧縮着火燃焼と、拡散燃焼とを選択的に切り換える内燃機関であった場合、該内燃機関が拡散燃焼を行うときは、第1吸気ポートに導入されるEGRガスの量と第2吸気ポートに導入されるEGRガスの量とが略同一となるよう制御しても良い。即ち、第1吸気と第2吸気とのEGR率を略同一とすることで気筒内のEGR率の分布を略均一に制御する。
【0019】
内燃機関が拡散燃焼を行うときは、気筒内のEGR率の分布を略均一に制御することで、燃焼を安定させ、ドライバビィリティやエミッションの悪化を抑制することが出来る。従って、予混合圧縮着火燃焼と拡散燃焼とを切り換える内燃機関であっても、両方の燃焼をより好適に行うことが可能となる。
【0020】
本発明に係る予混合圧縮着火燃焼内燃機関の再循環排気制御システムにおいては、第1吸気ポートまたは/および第2吸気ポートに導入されるEGRガスの量を制御すると共に、第1吸気の導入量と第2吸気の導入量とを、機関の運転状態に応じて、それぞれ制御しても良い。
【0021】
本発明に係る第2吸気は気筒内壁面付近に導入されるため、該第2吸気が気筒内に流入されることによって、気筒内において壁面に沿った旋回流が生起される。上記のような構成によれば、第1吸気の導入量と第2吸気の導入量とを制御することで、この旋回流のスワール比を制御し、該スワール比を制御することで、気筒内における第1吸気と第2吸気との分布範囲を制御する。
【0022】
第2吸気の導入量を増加させる、または/および第1吸気の導入量を減少させると、前記旋回流のスワール比が高くなる。該スワール比が高くなると、第2吸気の分布範囲が気筒内壁面付近により集中することになり、それによって第1吸気の分布範囲が気筒内壁面側へ広がることになる。一方、第2吸気の導入量を減少させる、または/および第1吸気の導入量を増加させると、前記旋回流のスワール比が低くなる。該スワール比が低くなると、第2吸気の分布範囲が気筒内中央部側に広がることになり、それによって第1吸気の分布範囲が気筒内中央部により集中することになる。従って、EGR率の異なる第1吸気の導入量と第2吸気の導入量とをそれぞれ制御することによって、気筒内壁面に沿った旋回流のスワール比を制御し、以て気筒内のEGR率分布をより細かく制御することが出来る。
【0023】
例えば、(1)機関の運転状態が低負荷運転領域においても比較的低い負荷領域にあるときは、第1吸気ポートに導入されるEGRガス量よりも第2吸気ポートに導入されるEGRガス量を多くする、即ち、第1吸気のEGR率よりも第2吸気のEGR率を高くすると共に、第2吸気の導入量をより増加させる。そして、(2)低負荷運転領域内において機関負荷が大きくなると共に、第1吸気のEGRガス率より第2吸気のEGRガス率を高くした状態で、第2吸気の導入量をより減少させる。このような制御(1)、(2)によれば、気筒内壁面付近の温度がより低いときは気筒内壁面付近のEGR率をより集中的に高くすることが出来、効率的に気筒内壁面付近の予混合気の温度を上昇させることが可能となる。また、気筒内中央部においては、機関負荷が大きくなるにつれて、即ち温度上昇に応じてEGR率の低い範囲を小さくすることで、予混合気の着火性が徐々に抑えられ着火時期をより適正な時期とすることが出来る。
【0024】
一方、(3)機関の運転状態が高負荷運転領域において比較的低い負荷領域にあるときには、第1吸気ポートに導入されるEGRガス量よりも第2吸気ポートに導入されるEGRガス量を少なくする、即ち、第1吸気のEGR率より第2吸気のEGR率を低くすると共に、第2吸気の導入量をより減少させる。そして、(4)機関負荷が大きくなると共に、第1吸気のEGRガス率より第2吸気のEGRガス率を低くした状態で、第2吸気の導入量をより増加させる。このような制御(3)、(4)によれば、気筒内中央部においては、機関負荷が大きくなるにつれて、即ち温度上昇に応じてEGR率の高い範囲を大きくすることで、予混合気の着火性がより抑制され着火時期をより適正な時期とすることが出来る。
【0025】
また、機関の運転状態が低負荷運転領域から高負荷運転領域へと移っていくような過渡運転状態にあっても、上記のような(1)、(2)、(3)、(4)の制御を連続的に行うことによって、気筒内のEGR率の分布を連続的に制御することが出来るため、機関の運転状態に応じて、より好適な予混合圧縮着火燃焼を行うことが可能となる。
【0026】
また、本発明に係る予混合圧縮着火燃焼内燃機関の再循環排気制御システムにおいて、第1吸気ポートまたは/および第2吸気ポートに導入されるEGRガスの量を制御すると共に、第1吸気ポートによる吸気時期と、第2吸気ポートによる吸気時期とを、機関の運転状態に応じて、それぞれ制御しても良い。
【0027】
ここで、吸気時期とは、それぞれの吸気ポートによる吸気の導入が開始される時期および吸気の導入が停止される時期のことである。
【0028】
吸気行程において、最初に第2吸気ポートによって第2吸気を気筒内に導入し、次に第1吸気ポートによって第1吸気を気筒内に導入することによって、第2吸気が気筒内壁面付近により分布し易くなり、第1吸気が気筒内中央部により分布し易くなる。従って、例えば、第1吸気および第2吸気のEGR率をそれぞれ制御すると共に、それぞれの吸気時期を制御することによって、前記のような第1吸気の導入量と第2吸気の導入量とをそれぞれ制御した場合と同様、気筒内のEGR率分布をより細かく制御することが出来る。また、機関の運転状態が低負荷運転領域から高負荷運転領域へと移っていくような過渡運転状態にあっても、気筒内のEGR率の分布を連続的に制御することが出来るため、機関の運転状態に応じて、より好適な予混合圧縮着火燃焼を行うことが可能となる。
【0029】
さらに、第1吸気ポートと第2吸気ポートとの少なくとも一方による吸気導入と吸気導入停止とを吸気行程中に複数回繰り返すよう制御しても良い。
【0030】
このような制御によれば、気筒内において、EGR率の高い予混合気とEGR率の低い予混合気とを多層化することが出来る。そのため、気筒内における予混合気の着火遅れがより不均一となるため、燃焼をより穏やかにすることが出来る。従って、より高い負荷領域で予混合燃焼を行うことが可能となる。
【0031】
また、本発明に係る予混合圧縮着火燃焼内燃機関の再循環排気制御システムでは、これまで説明したように各吸気ポートによる吸気導入箇所を気筒内中央部と気筒内壁面付近とに限定することなく、単に複数の吸気ポートと、少なくとも一の吸気ポートにEGRガスを導入する排気再循環手段と、吸気ポートに導入されるEGRガスの量を制御する再循環排気量制御手段と、吸気時期を吸気ポート毎にそれぞれ制御する吸気時期制御手段と、を備え、機関の運転状態に応じて、吸気ポートに導入されるEGRガスの量と、吸気ポート毎の吸気時期とを制御することによって、前記気筒内の再循環排気率の分布を制御しても良い。
【0032】
吸気行程において、最初に一の吸気ポートにより吸気を気筒内に導入し、次に他の吸気ポートにより吸気を気筒内に導入した場合、最初に導入された吸気は気筒内の下側により分布し易く、次に導入された吸気は気筒内の上側により分布し易くなる。従って、吸気ポート毎の吸気導入箇所が前記第1吸気ポートと前記第2吸気ポートとのように限定されていない場合であっても、EGR率の異なる吸気の吸気時期をそれぞれ制御することによって気筒内のEGR率の分布を制御することが出来る。
【0033】
また、この場合においても、少なくとも一の吸気ポートによる吸気導入と吸気停止とを、吸気行程中に複数回繰り返すよう制御することで、気筒内において、EGR率の高い予混合気とEGR率の低い予混合気とを多層化することが出来る。そのため、気筒内における予混合気の着火遅れがより不均一となるため、燃焼をより穏やかにすることが出来る。従って、より高い負荷領域で予混合燃焼を行うことが可能となる。
【0034】
【発明の実施の形態】
<第1の実施の形態>
以下、本発明に係る予混合圧縮着火燃焼内燃機関の再循環排気制御システムの具体的な実施の形態について図面に基づいて説明する。
【0035】
図1および図2は、本実施の形態に係る内燃機関とその再循環排気制御システムの概略構成を示す図である。
【0036】
図1に示す内燃機関1は、4つの気筒2(1つの気筒のみ図示)を有する多気筒ディーゼル機関である。気筒2の略中心部には燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁10が備えられている。また、気筒2には第1吸気ポート3と第2吸気ポート4と2つの排気ポート5が備えられている。
【0037】
第1吸気ポート3と第2吸気ポート4とは、インテークマニホルド12と連通されており、インテークマニホルド12は、吸気通路11に接続されている。また、2つの排気ポート5はエキゾーストマニホルド13と連通されており、エキゾーストマニホルド13は排気通路14に接続されている。
【0038】
第1吸気ポート3は、気筒2の軸方向下向きに形成され、且つ該第1吸気ポート3の気筒2への開口部は第2吸気ポート4の気筒2への開口部よりも気筒2の中心により近くなるように設置されている。一方、第2吸気ポート4は、該第2吸気ポートによって導入される吸気によって気筒2の内壁面に沿って横方向旋回流が生起されるよう気筒2に対して接線方向に設置されている。このような構成によって、第1吸気ポート3によって導入される吸気(以下、第1吸気と称する)は気筒2内中央部に導入され、第2吸気ポート4によって導入される吸気(以下、第2吸気と称する)は気筒2内壁面部付近に導入される。
【0039】
また、2つの排気ポート5には、図示しない排気弁がそれぞれ設けられており、第1吸気ポート3と第2吸気ポート4とには、図2に示すとおり、それぞれ第1吸気弁6と第2吸気弁7とが設けられている。第1吸気弁6と第2吸気弁7とには、各吸気弁6,7の開閉時期やリフト量をそれぞれ制御する第1可変動弁機構8と第2可変動弁機構9とがそれぞれ設けられている。可変動弁機構としては電磁駆動弁等が例示出来る。
【0040】
また、本実施の形態に係る内燃機関1には、該内燃機関1から排出された排気の一部を吸気系へ再循環させる排気再循環装置20が備えられている。該排気再循環装置20は、エキゾーストマニホルド13と連通されている主排気再循環通路21と、該主排気再循環通路21と第1吸気ポート3とを連通する第1EGR通路22と、該主排気再循環通路21と第2吸気ポート4とを連通する第2EGR通路23と、を備えている。また、第1EGR通路22と第2EGR通路23とには、電磁弁等からなり印加電圧の大きさに応じて第1EGR通路22もしくは第2EGR通路23内を流れる排気(以下、EGRガスと称する)の流量を調整する第1EGR弁24と第2EGR弁25とがそれぞれ設けられている。
【0041】
このように構成された排気再循環装置20では、第1EGR弁24または第2EGR弁25が開弁されると、内燃機関1から排出された排気の一部(EGRガス)がエキゾーストマニホルド13を介して主排気再循環通路21へ流入し、該主排気再循環通路21を流通するEGRガスが、第1EGR通路22または第2EGR通路23を通って、第1吸気ポート3または第2吸気ポート4へ導入される。各吸気ポート3,4に導入されたEGRガスは新気(空気)と混ざり合って吸気を形成し、該吸気が気筒2内へ導入される。また、第1EGR弁24と第2EGR弁25によって各吸気ポート3,4に導入されるEGRガス量を制御することで、第1吸気と第2吸気とのEGR率がそれぞれ制御される。
【0042】
ここで、各吸気のおいてEGR率が高くなると酸素濃度が低くなり、EGR率が低くなると酸素濃度は高くなる。そのため、気筒内において、EGR率の高い吸気が導入された部分では予混合気の着火性は抑制され、EGR率の低い吸気が導入された部分では予混合気の着火性は向上する。また、EGRガスの温度は吸気通路11から導入される新気(空気)の温度よりもかなり高いため、EGR率の高い吸気の温度は高くなる。そのため、機関の運転状態が低負荷運転領域にあるときのように気筒2内の温度が低いときは、EGR率の高い吸気が導入された部分の予混合気の温度は高くなる。機関の運転状態が高負荷運転領域となると気筒2内の温度はかなり高くなっているため、EGRガスの温度による影響は小さくなる。
【0043】
以上述べたように構成された内燃機関1には、該内燃機関1を制御するための電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)30が併設されている。このECU30は、内燃機関1の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関1の運転状態を制御するユニットである。
【0044】
ECU30は、内燃機関1の出力軸の回転角に応じた信号を出力するクランクポジションセンサ31や、アクセル開度に応じた信号を出力するアクセル開度センサ32等の各種センサと電気的に接続されており、これらセンサの出力信号がECU30に入力される。
【0045】
一方、ECU30は、燃料噴射弁10、第1可変動弁機構8、第2可変動弁機構9、第1EGR弁24、第2EGR弁25等と電気的に接続されており、上記各部がECU30によって制御される。
【0046】
ECU30は、CPU、ROM、RAM等を備えており、例えば、クランクポジションセンサ31がパルス信号を出力する時間的な間隔等に基づき機関回転数を算出し、アクセル開度センサ32の出力信号等に基づき機関負荷を算出する。また、ECU30は機関回転数と機関負荷とから内燃機関1の運転状態を判断する。
【0047】
また、本実施の形態に係る内燃機関1は、吸気行程中または圧縮行程中に燃料噴射弁10により気筒2内へ燃料を噴射することで、燃料と吸気との予混合気が形成され、該予混合気が燃焼に供される、いわゆる予混合圧縮着火燃焼を行う内燃機関である。
【0048】
次に、本実施の形態に係る再循環排気システムによる気筒内のEGRガス率の分布制御について説明する。
【0049】
図3および4は、本実施の形態に係る気筒2内のEGR率の分布を示す図である。図3および4の一点鎖線はEGR率分布を示している。
【0050】
本実施の形態に係る再循環排気システムにおいては、内燃機関1が低負荷運転領域で運転されているときは、第1EGR弁24の開度は第2EGR弁25の開度よりも小さくなるよう制御される。即ち、第1吸気ポート3に導入されるEGRガス量が第2吸気ポートに導入されるEGRガス量よりも少なくなるよう制御される。このため、第1吸気のEGR率が第2吸気のEGR率よりも低くなる。
【0051】
本実施の形態に係る内燃機関1においては、上述したように、第1吸気は気筒2内中央部に導入され、第2吸気は気筒2内壁面付近に導入される。従って、第1吸気のEGR率が第2吸気のEGR率よりも低くなると、気筒2内におけるEGR率の分布は、図3に示すように、中央部のEGR率が低く、壁面付近のEGR率が高くなる。
【0052】
低負荷運転領域においては、燃料噴射量は少ないが、このような制御によれば、気筒2内中央部のEGR率は低くなる、即ち気筒2内中央部の酸素濃度は比較的高くなるため、該気筒2内中央部での予混合気の着火性を確保することが出来る。また、低負荷運転領域においては、気筒2内壁面付近の温度は比較的低温となるが、上記のような制御によれば、気筒2内壁面付近のEGR率が高くなるため、EGRガスの熱によって内壁面付近の予混合気の温度を上昇させることが出来る。そのため、該気筒2内壁面付近の予混合気における未燃成分の発生を抑制することが可能となる。
【0053】
一方、本実施の形態に係る再循環排気制御システムにおいては、内燃機関1が高負荷運転領域で運転されているときは、第1EGR弁24の開度は第2EGR弁25の開度よりも大きくなるよう制御される。即ち、第1吸気ポート3に導入されるEGRガス量が第2吸気ポートに導入されるEGRガス量よりも多くなるよう制御される。このため、第1吸気のEGR率が第2吸気のEGR率よりも高くなる。
【0054】
第1吸気のEGR率が第2吸気のEGR率よりも高くなると、気筒2内におけるEGR率の分布は、図4に示すように、中央部のEGR率が高く、壁面付近のEGR率が低くなる。
【0055】
高負荷運転領域においては、気筒2内中央部の温度が高くなり過早着火が発生し易くなるが、このような制御によれば、気筒2内中央部のEGR率は高くなる、即ち気筒2内中央部の酸素濃度は低くなるため、該気筒2内中央部での予混合気の着火性を抑制することが出来、以て過早着火を抑制することが可能となる。また、上記のような制御によれば、気筒2内壁面付近のEGR率は気筒2内中央部よりも低くなる、即ち気筒2内の酸素分布は不均一となるため、気筒2内壁面付近の予混合気と気筒2内中央部の予混合気との着火遅れは不均一となる。そのため、予混合気の急激な燃焼が抑制され、以て燃焼騒音の悪化を抑制することが可能となる。
【0056】
尚、第1吸気ポート3と第2吸気ポート4とのいずれか一方にのみEGRガスを導入することで、気筒2内のEGR率の分布を制御しても良い。また、第1EGR通路22と第2EGR通路23とのいずれか一方が設けられていない構成とした場合であっても、第1吸気ポート3と第2吸気ポート4とのいずれか一方にのみ導入されるEGRガスの量を制御することで、気筒2内のEGR率の分布を制御することが出来る。
【0057】
また、本実施の形態に係る内燃機関1を、予混合圧縮着火燃焼と、拡散燃焼とを選択的に切り換える内燃機関とした場合、内燃機関1が拡散燃焼を行うときは、第1吸気ポート3に導入されるEGRガスの量と第2吸気ポー4トに導入されるEGRガスの量とが略同一となるよう制御される。即ち、第1吸気と第2吸気とのEGR率を略同一とすることで気筒2内のEGR率の分布を略均一に制御する。
【0058】
拡散燃焼時は、気筒2内のEGR率の分布を略均一に制御することで、燃焼を安定させ、ドライバビィリティやエミッションの悪化を抑制することが出来る。従って、予混合圧縮着火燃焼と拡散燃焼とを切り換える内燃機関であっても、両方の燃焼をより好適に行うことが可能となる。
【0059】
<第2の実施の形態>
次に、本発明に係る予混合圧縮着火燃焼内燃機関の再循環排気制御システムの第2の実施の形態について図面に基づいて説明する。本実施の形態に係る内燃機関と再循環排気制御システムのハード構成は、上述した第1の実施の形態と同様であるため説明を割愛し、本実施の形態に係る再循環排気制御システムによる気筒内のEGRガス率の分布制御について以下に説明する。
【0060】
図5〜8は、本実施の形態に係る気筒2内のEGR率の分布を示す図である。図5〜8の一点鎖線はEGR率分布を示している。一点鎖線の間隔が小さい程EGR率分布が密になっていることを示し、一点鎖線の間隔が大きい程EGR率分布が疎になっていることを示している。
【0061】
本実施の形態に係る再循環排気制御システムにおいては、上述した第1の実施の形態と同様、内燃機関1の運転状態に応じて、第1EGR弁24と第2EGR弁25との開度を制御することで、第1吸気と第2吸気とのEGR率をそれぞれ制御すると共に、吸気行程における第1吸気弁6と第2吸気弁7との閉弁時期を第1可変動弁機構8と第2可変動弁機構9とによってそれぞれ制御することで、気筒2内壁面に沿った旋回流のスワール比を制御する。
【0062】
本実施の形態に係る第2吸気ポートの配置によれば、第2吸気が気筒2内に導入されると、気筒2内において壁面に沿った旋回流が生起される。この旋回流のスワール比を制御することで、気筒内における第1吸気と第2吸気との分布範囲を制御することが出来る。
【0063】
第2吸気弁7の閉弁時期を遅角させる、または/および第1吸気弁6の閉弁時期を進角させると、第2吸気の気筒2内への導入量が相対的に増加する。第2吸気の導入量が増加すると、気筒2内壁面に沿った旋回流のスワール比が高くなる。該スワール比が高くなると、第2吸気の分布範囲が気筒2内壁面付近により集中することになり、それによって第1吸気の分布範囲が気筒2内壁面側へ広がることになる。一方、第1吸気弁6の閉弁時期を遅角させる、または/および第2吸気弁7の閉弁時期を進角させると、第2吸気の気筒2内への導入量が相対的に減少する。第2吸気の導入量が減少すると、気筒2内壁面に沿った旋回流のスワール比が低くなる。該スワール比が低くなると、第2吸気の分布範囲が気筒2内中央部側に広がることになり、それによって第1吸気の分布範囲が気筒2内中央部により集中することになる。
【0064】
そこで、本実施の形態に係る再循環排気制御システムにおいては、(1)内燃機関1の運転状態が低負荷運転領域においても比較的低い負荷領域にあるときは、第1吸気のEGR率よりも第2吸気のEGR率を高くすると共に、第2吸気弁7の閉弁時期を遅角させる。そして、(2)低負荷運転領域内において内燃機関1の機関負荷が大きくなると共に、第1吸気のEGRガス率より第2吸気のEGRガス率を高くした状態で、第2吸気弁7の閉弁時期を進角させる。
【0065】
このような制御(1)、(2)によれば、気筒2内壁面付近の温度がより低いときは、図5に示すように、気筒2内壁面付近のEGR率をより集中的に高くすることが出来、効率的に気筒2内壁面付近の予混合気の温度を上昇させることが可能となる。また、気筒2内中央部においては、機関負荷が大きくなると、即ち温度が上昇すると、図6に示すように、EGR率の低い範囲を小さくすることで、予混合気の着火性が徐々に抑えられ着火時期をより適正な時期とすることが出来る。
【0066】
一方、(3)内燃機関1の運転状態が高負荷運転領域において比較的低い負荷領域にあるときには、第1吸気のEGR率より第2吸気のEGR率を低くすると共に、第2吸気弁7の閉弁時期を進角させる。そして、(4)内燃機関1の機関負荷が大きくなると共に、第1吸気のEGRガス率より第2吸気のEGRガス率を低くした状態で、第2吸気弁7の閉弁時期を遅角させる。このような制御(3)、(4)によれば、機関負荷が比較的小さいときは、図7に示すように、気筒2内中央部におけるEGR率の高い範囲を小さくし、機関負荷が大きくなるにつれて、即ち温度上昇に応じて、図8に示すように、EGR率の高い範囲を大きくすることで、予混合気の着火性がより好適に抑制され着火時期をより適正な時期とすることが出来る。
【0067】
上記のように、本実施の形態に係る再循環排気制御システムによれば、気筒内のEGR率分布をより細かく制御することが出来るため、より広い運転領域でより好適な予混合圧縮着火燃焼を行うことが可能となる。
【0068】
また、本実施の形態に係る再循環排気制御システムにおいては、内燃機関1の運転状態が低負荷運転領域から高負荷運転領域へと移っていくような過渡運転状態にある場合、上記のような(1)、(2)、(3)、(4)の制御を連続的に行うことによって、気筒2内のEGR率の分布を連続的に制御することが出来るため、内燃機関1の運転状態に応じて、より好適な予混合圧縮着火燃焼を行うことが可能となる。
【0069】
尚、本実施の形態に係る再循環排気制御システムにおいては、吸気行程における第1吸気弁6と第2吸気弁7とのバルブリフト量を第1可変動弁機構8と第2可変動弁機構9とによってそれぞれ制御することで、第1吸気と第2吸気との気筒2内への導入量をそれぞれ制御し、気筒2内のスワール比を制御しても良い。
【0070】
<第3の実施の形態>
次に、本発明に係る予混合圧縮着火燃焼内燃機関の再循環排気制御システムの第3の実施の形態について図面に基づいて説明する。本実施の形態に係る内燃機関と再循環排気制御システムのハード構成は、上述した第1の実施の形態と同様であるため説明を割愛し、本実施の形態に係る再循環排気システムによる気筒内のEGRガス率の分布制御について以下に説明する。
【0071】
本実施の形態に係る再循環排気制御システムにおいては、上述した第1の実施の形態と同様、内燃機関1の運転状態に応じて、第1EGR弁24と第2EGR弁25との開度を制御することで、第1吸気と第2吸気とのEGR率をそれぞれ制御すると共に、吸気行程における第1吸気弁6と第2吸気弁7との開弁時期および閉弁時期を第1可変動弁機構8と第2可変動弁機構9とによってそれぞれ制御することで、第1吸気と第2吸気との気筒2内への吸気時期をそれぞれ制御する。
【0072】
図9は、本実施の形態に係る第1吸気弁6と第2吸気弁7との吸気行程における開弁時期および閉弁時期を示すバルブプロフィールの一例である。点線は吸気行程を示し、実線は開弁時期および閉弁時期を示す。
【0073】
本実施の形態に係る再循環排気制御システムにおいては、例えば、図9に示すように、吸気行程において、第1吸気弁6の開閉時期を第2吸気弁7の開閉時期よりも遅角させる。このような制御によって、最初に第2吸気が気筒2内導入され、次に第1吸気が気筒2内に導入されるため、第2吸気が気筒2内壁面付近により分布し易くなり、第1吸気が気筒2内中央部により分布し易くなる。
【0074】
従って、本実施の形態に係る再循環排気制御システムによれば、内燃機関1の運転状態に応じて、第1吸気のEGR率と第2吸気のEGR率とをそれぞれ制御すると共に、第1吸気の吸気時期と第2吸気の吸気時期とをそれぞれ制御することによって、上述した第2の実施の形態と同様、気筒2内のEGR率分布をより細かく制御することが出来る。そのため、より広い運転領域でより好適な予混合圧縮着火燃焼を行うことが可能となる。
【0075】
また、機関の運転状態が低負荷運転領域から高負荷運転領域へと移っていくような過渡運転状態にあっても、上述した第2の実施の形態と同様、気筒内のEGR率の分布を連続的に制御することが出来るため、運転状態に応じて、より好適な予混合圧縮着火燃焼を行うことが可能となる。
【0076】
さらに、本実施の形態に係る再循環排気制御システムにおいては、第1吸気と第2吸気のEGR率をそれぞれ制御すると共に、第1吸気弁6と第2吸気弁7との少なくとも一方の開弁と閉弁とが吸気行程において複数回繰り返されるよう制御しても良い。
【0077】
図10は、このような制御を行った場合の気筒2内のEGR率の分布の一例を示す図である。図10の一点鎖線はEGR率分布を示している。
【0078】
このような制御によれば、図10に示すように、気筒2内のEGR率の分布を多層化することが出来る。そのため、予混合気の着火遅れがより不均一となり、燃焼をより穏やかにすることが出来る。従って、より高い負荷領域で予混合燃焼を行うことが可能となる。
【0079】
尚、本実施の形態に係る再循環排気制御システムのように、内燃機関1の運転状態に応じて、第1吸気のEGR率と第2吸気のEGR率とをそれぞれ制御すると共に、第1吸気と第2吸気との気筒2内への吸気時期をそれぞれ制御することによって、気筒2内のEGR率分布を制御する場合、第1吸気ポート3と第2吸気ポート4との配置が上述したような配置(即ち、第1吸気は気筒2内中央部に導入され、第2吸気は気筒2内壁面付近に導入されるような配置)となっていなくても、吸気行程において最初に導入された吸気は気筒2内下側により分布し易く、次に導入された吸気は気筒2内上側により分布し易くなるため、気筒2内のEGR率の分布を制御することが出来る。
【0080】
また、第1吸気ポート3と第2吸気ポート4との配置を上述したような配置に限定しなくても、第1吸気弁6と第2吸気弁7との少なくともいずれか一方の開弁と閉弁とが吸気行程において複数回繰り返されるよう制御することによって、気筒2内のEGR率の分布を多層化することが出来る。
【0081】
【発明の効果】
本発明に係る予混合圧縮着火燃焼内燃機関の再循環排気制御システムによれば、低負荷運転領域においては、着火性を確保しつつ未燃成分の排出を抑制出来、また、高負荷運転領域においては、過早着火や燃焼騒音の悪化を抑制出来るため、より広い運転領域でより好適な予混合圧縮着火燃焼を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る内燃機関とその再循環排気制御システムの概略構成を示す第1の図
【図2】 本発明に係る内燃機関とその再循環排気制御システムの概略構成を示す第2の図
【図3】 第1の実施の形態に係る気筒内のEGR率分布を示す第1の図
【図4】 第1の実施の形態に係る気筒内のEGR率分布を示す第2の図
【図5】 第2の実施の形態に係る気筒内のEGR率分布を示す第1の図
【図6】 第2の実施の形態に係る気筒内のEGR率分布を示す第2の図
【図7】 第2の実施の形態に係る気筒内のEGR率分布を示す第3の図
【図8】 第2の実施の形態に係る気筒内のEGR率分布を示す第4の図
【図9】 第3の実施の形態に係る第1吸気弁と第2吸気弁との吸気行程における開弁時期および閉弁時期を示すバルブプロフィール
【図10】 第3実施の形態に係る気筒内のEGR率分布を示す図
【符号の説明】
1・・・内燃機関
2・・・気筒
3・・・第1吸気ポート
4・・・第2吸気ポート
5・・・排気ポート
6・・・第1吸気弁
7・・・第2吸気弁
8・・・第1可変動弁機構
9・・・第2可変動弁機構
10・・燃料噴射弁
11・・吸気通路
12・・インテークマニホルド
13・・エキゾーストマニホルド
14・・排気通路
20・・排気再循環装置
21・・主排気再循環通路
22・・第1EGR通路
23・・第2EGR通路
24・・第1EGR弁
25・・第2EGR弁
30・・ECU
31・・クランクポジションセンサ
32・・アクセル開度センサ
Claims (7)
- 吸気行程中または/および圧縮行程中に、気筒内に燃料と吸気との予混合気が形成され、該予混合気が燃焼に供される予混合圧縮着火燃焼を行う予混合圧縮着火燃焼内燃機関において、
前記気筒内中央部に吸気を導入する第1吸気ポートと、
前記気筒内壁面付近に吸気を導入する第2吸気ポートと、
前記第1吸気ポートおよび前記第2吸気ポートに排気の一部を導入する排気再循環手段と、
該排気再循環手段によって前記第1吸気ポートおよび前記第2吸気ポートに導入される排気の量を制御する再循環排気量制御手段と、
前記予混合圧縮着火燃焼内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
を備え、
前記運転状態検出手段によって検出された前記予混合圧縮着火燃焼内燃機関の運転状態が低負荷運転領域にある場合、前記再循環排気量制御手段は、前記第1吸気ポートに導入される排気の量よりも前記第2吸気ポートに導入される排気の量を多くすることを特徴とする予混合圧縮着火燃焼内燃機関の再循環排気制御システム。 - 前記運転状態検出手段によって検出された前記予混合圧縮着火燃焼内燃機関の運転状態が高負荷運転領域にある場合、前記再循環排気量制御手段は、前記第1吸気ポートに導入される排気の量よりも前記第2吸気ポートに導入される排気の量を少なくすることを特徴とする請求項1記載の予混合圧縮着火燃焼内燃機関の再循環排気制御システム。
- 吸気行程中または/および圧縮行程中に、気筒内に燃料と吸気との予混合気が形成され、該予混合気が燃焼に供される予混合圧縮着火燃焼を行う予混合圧縮着火燃焼内燃機関において、
前記気筒内中央部に吸気を導入する第1吸気ポートと、
前記気筒内壁面付近に吸気を導入する第2吸気ポートと、
前記第1吸気ポートおよび前記第2吸気ポートに排気の一部を導入する排気再循環手段と、
該排気再循環手段によって前記第1吸気ポートおよび前記第2吸気ポートに導入される排気の量を制御する再循環排気量制御手段と、
前記予混合圧縮着火燃焼内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
を備え、
前記運転状態検出手段によって検出された前記予混合圧縮着火燃焼内燃機関の運転状態が高負荷運転領域にある場合、前記再循環排気量制御手段は、前記第1吸気ポートに導入される排気の量よりも前記第2吸気ポートに導入される排気の量を少なくすることを特徴とする予混合圧縮着火燃焼内燃機関の再循環排気制御システム。 - 前記予混合圧縮着火燃焼内燃機関は、前記予混合圧縮着火燃焼と拡散燃焼とを選択的に切り換える予混合圧縮着火燃焼内燃機関であって、
前記拡散燃焼が行われる場合、前記再循環排気量制御手段は、前記第1吸気ポートに導入される排気の量と前記第2吸気ポートに導入される排気の量とを略同一とすることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の予混合圧縮着火燃焼内燃機関の再循環排気制御システム。 - 前記運転状態検出手段によって検出された前記予混合圧縮着火燃焼内燃機関の運転状態に応じて、前記第1吸気ポートによって導入される吸気量と前記第2吸気ポートによって導入される吸気量とをそれぞれ制御する吸気量制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の予混合圧縮着火燃焼内燃機関の再循環排気制御システム。
- 前記運転状態検出手段によって検出された前記予混合圧縮着火燃焼内燃機関の運転状態に応じて、前記第1吸気ポートによる吸気時期と前記第2吸気ポートによる吸気時期とをそれぞれ制御する吸気時期制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項1、2、3および5のうちいずれか1項に記載の予混合圧縮着火燃焼内燃機関の再循環排気制御システム。
- 前記吸気時期制御手段によって、前記第1吸気ポートと前記第2吸気ポートとの少なくとも一方による吸気導入と吸気導入停止とが吸気行程中に複数回繰り返されるよう制御することを特徴とする請求項6記載の予混合圧縮着火燃焼内燃機関の再循環排気制御システム。
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