JP4201300B2 - 燃焼機関及びその制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼機関の燃焼過程で発生する大気汚染物の窒素酸化物、未燃炭化物及び一酸化炭素の低減、とくに、ノッキング発生の原因となる窒素酸化物の低減技術と低減に際しての安全技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼機関の排気行程では燃焼ガスが完全には排気されず、シリンダ内に未燃炭化水素（ＵＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等が残留することは避けられない。このうち、ノッキング発生の促進効果を有するＮＯｘが、放電によって減少することは知られている。例えば、放電管に模擬排ガスを通して放電すると、該模擬ガス中のＮＯｘが減少することが報告されている（日本機械学会ＮＯ．９４０−２３環境工総合シンポジウム’９４講演論文集参照）。
【０００３】
本出願人は、例えば特願平１１−８７８１８号、特願平１１−９２２３１号、特願平１１−９３１８０号において、内燃機関或いは予混合圧縮自着火機関におけるノッキングの抑制に関する技術を提案している。図１４は、その様な技術の基本的な構成を示しており、図１５は、それを発展させた技術を示している。図１４において、シリンダ１内にピストン２が設けられており、シリンダヘッド４に設けた図示しない吸気弁に吸気管５が連通しており、図示しない排気弁には排気管６が連通している。そして、シリンダヘッド４に、高圧放電用電極を有する放電部７がシリンダ１に向けて放電するよう装着されている。この放電部７によって、排気ガス中のＮＯｘ等が除去され、したがって、残留ガスのＮＯｘは無くなって機関に悪影響を与えるノッキングの発生が防止される。図１５は、排気管６に放電部７を介装させた例を示したもので、シリンダ１から排出された排気ガスを放電によって浄化させ、マフラ〜外気へと放出開放される。
【０００４】
上記の構成と作用は、基本的に効果があるが、放電によって排気ガス中に含まれるＵＨＣやＣＯを所定のタイミング以外で着火させてしまって定常燃焼を乱すことがある。図１４の例では、吸気弁が閉止以前に着火して吸気管バックファイヤとなり、図１５の例では排気管内爆発となる。また、シリンダ１内の燃焼であっても、急激な燃焼によってノッキングを発生させることになる。そして、例えば筒内圧の高いタイミングと重なれば、異常音にとどまらず、異常筒内圧となって、機関損傷や、耐久性低減の原因になる懸念がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した従来技術の問題点に鑑みて提案されたもので、燃焼機関の燃焼過程で発生する大気汚染物質の窒素酸化物、未燃炭化物及び一酸化炭素の低減による排気ガスの浄化、特に、ノッキング発生の原因となる窒素酸化物の低減を目的とし、ノッキングの発生を防止すると共に、窒素酸化物除去を目的として行なわれる放電手段を安全確実にすることが出来る燃焼機関（例えば内燃機関）とその制御方法の提供を目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による燃焼機関によれば、窒素酸化物を除去する機能を有する放電部（７）を燃焼室（１）或いは排気再循環用の管路（ＥＧＲ）内に設け、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度を計測する計測手段（８，９）を排気系統（６）に設け、ノッキングが発生したか否かを検知するノッキング検知手段（１７，１８）を設け、排気行程にあるか否かを検知する排気行程検知手段（２０）を設け、前記計測手段（８，９）、ノッキング検知手段（１７，１８）及び排気行程検知手段（２０）からの検知結果が入力され、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲になく、ノッキングが生じており、且つ内燃機関の排気行程時のみ、放電部（７）が放電する様に制御する機能を有する制御手段（１２）を設けている。
ここで、「燃焼機関」なる文言は、内燃機関（火花点火式内燃機関も、それ以外の内燃機関も含む）や、所謂「予混合圧縮自着火機関」をも包含する意味で使用されている。
【０００７】
排気行程中に残留するＮＯｘによるノッキング促進作用は避けられないので、上記のような構成を具備する本発明によれば、未燃炭化物濃度或いは一酸化炭素濃度が可燃範囲にない限定条件での放電によりＮＯｘが除去されるので、所期以外の燃焼例えばバックファイヤ等が発生しなく安全である。
【０００９】
かかる構成を具備する燃焼機関によれば、ノッキングの発生時のみに放電するので、高電圧供給が少なく放電装置への負荷を少なくでき、したがって放電装置の寿命が延長する。
【００１２】
本発明にかかる別の燃焼機関によれば、窒素酸化物を除去する機能を有する放電部（７）を燃焼室（１）或いは排気再循環用の管路（ＥＧＲ）内に設け、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度を計測する計測手段（８，９）を排気系統（６）に設け、ノッキングが発生したか否かを検知するノッキング検知手段（１７，１８）を設け、排気行程にあるか否かを検知する排気行程検知手段（２０）を設け、放電部（７）に帯電している電荷を消失する短絡手段（２１ａ）を設け、前記計測手段（８，９）、ノッキング検知手段（１７，１８）及び排気行程検知手段（２０）からの検知結果が入力され、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲になく、ノッキングが生じており、且つ内燃機関の排気行程時のみ、放電部（７）が放電する様に制御し、放電部（７）における前記放電が終了した後に短絡手段（２１ａ）より帯電した電荷をアースへ逃す様に制御する制御手段（１４）を設けている。
【００１３】
これによれば、放電後の残留電荷による着火が防止され、当該残留電荷に起因するバックファイヤまたは排気管爆発が防止される。
【００１４】
放電部（７）の電圧を測定する電圧測定装置（２５）を設け、該電圧測定装置（２５）の測定結果を制御手段（１４）に入力し、制御手段（１４）は、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲になければ、放電部（７）が放電する様に制御し、放電電圧が危険な所定値以上であれば電圧を下げ、ノッキングが発生していれば燃焼タイミングを遅角変更し、更にノッキングが発生していれば負荷の低減をする機能を有することが好ましい。
【００１５】
制御手段（１４）は、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲にあり、ノッキングが発生していれば、燃焼タイミングを遅角変更し、更にノッキングが発生していれば、負荷の低減をする機能を有することが好ましい。
【００１６】
前記制御手段（１６）は、噴射時期或いは点火時期を遅角してもノッキングが回避出来ない場合には、負荷を低減する制御を行う様に構成することが好ましい。これによって、運転停止が不可の場合でも運転を継続できる。
【００１７】
本発明による燃焼機関の制御方法によれば、窒素酸化物を除去する機能を有する放電部（７）を燃焼室（１）或いは排気再循環用の管路（ＥＧＲ）内に設けた燃焼機関の制御方法において、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度を計測し（Ｓ１１）、ノッキング検知手段（１７，１８）によりノッキングが発生したか否かを検知し（Ｓ１３）、排気行程検知手段（２０）により排気行程にあるか否かを検知し（Ｓ１５）、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲になく、ノッキングが生じており、且つ内燃機関の排気行程時のみ、放電部（７）が放電する（Ｓ１６）様に制御する。
【００２０】
別の本発明による燃焼機関の制御方法によれば、窒素酸化物を除去する機能を有する放電部（７）を燃焼室（１）或いは排気再循環用の管路（ＥＧＲ）内に設けた燃焼機関の制御方法において、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度を計測し（Ｓ２１）、ノッキング検知手段（１７，１８）によりノッキングが発生したか否かを検知し（Ｓ２３）、排気行程検知手段（２０）により排気行程にあるか否かを検知し（Ｓ２５）、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲になく、ノッキングが生じており、且つ内燃機関の排気行程時のみ、放電部（７）が放電する（Ｓ２６）様に制御し、放電部（７）における前記放電が終了した後に短絡手段（２１ａ）より帯電した電荷をアースへ逃す（Ｓ２８）様に制御する。
【００２１】
別の本発明による燃焼機関の制御方法によれば、放電部（７）の電圧を電圧測定装置（２５）により測定し、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲になければ、放電部（７）が放電する（Ｓ３１）様に制御し、放電電圧が危険な所定値以上であれば電圧を下げ（Ｓ３３）、ノッキングが発生していれば燃焼タイミングを遅角変更し（Ｓ３５）、更にノッキングが発生していれば負荷の低減をする（Ｓ３７）様に制御することが好ましい。
【００２２】
別の本発明による燃焼機関の制御方法によれば、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲にあり、ノッキングが発生していれば、燃焼タイミングを遅角変更し（Ｓ５１）、更にノッキングが発生していれば、負荷の低減をする（Ｓ５３）様に制御することが好ましい。
【００２３】
噴射時期或いは点火時期を遅角してもノッキングが回避出来ない場合には、負荷を低減する制御を行うことが好ましい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃焼機関及びその制御方法の実施形態を図面を参照して説明する。ここで、図面が別であっても、同様な部材は同じ符号を付してある。
【００２５】
図１において、本発明を実施した内燃機関が示されており、燃焼室を構成するシリンダ１内にピストン２が設けられており、ピストン２に設けたピストンロッド３により回転力が取り出される。シリンダヘッド４に設けた図示しない吸気弁に吸気管５が連通しており、図示しない排気弁には排気管６が連通している。そして、シリンダヘッド４に、高圧放電用電極を有する放電部７が燃焼室を構成するシリンダ１に向けて放電するよう装着されている。放電部７は、図示しない正の高圧電源に接続されている。
【００２６】
排気管６に未燃炭化物であるＵＨＣの濃度を計測する計測手段としてのＵＨＣ計測装置８と一酸化炭素であるＣＯの濃度を計測するＣＯ計測装置９が介装されている。そして、ＵＨＣ計測装置８とＣＯ計測装置９は、それぞれ信号線８ａ、９ａによって計測結果を送信し入力させるよう制御手段１２に接続されている。また、制御手段１２は、制御線１２ａによって放電部７に接続されている。制御手段１２は、ＵＨＣ濃度或いはＣＯ濃度が可燃範囲にある場合には、放電部７の放電を作動させないような制御機能を有している。なお、この内燃機関は、圧縮着火または火花点火について明示していないが、何れであっても良い。なお、符号Ｇｘは排気ガスを示している。
【００２７】
上記構成の実施形態の制御を、図２に示す制御フローチャートによって説明する。ステップＳ１において、運転状態にある排気管６を流れる排気ガスＧｘ中のＵＨＣ及びＣＯ濃度を計測する。ＵＨＣ計測装置８の計測結果は信号線８ａによって、ＣＯ計測装置９の計測結果は信号線９ａによって制御装置１２に送信され入力される。ステップＳ２におて、ＵＨＣ濃度及びＣＯ濃度が燃焼可能範囲にあるか否かを判定する。即ち、放電によってＵＨＣまたは、ＣＯが燃焼爆発する危険の有無を判定する。そして、ＵＨＣ濃度、ＣＯ濃度が燃焼範囲にあればＹＥＳを選んで、ステップＳ３に行き放電をさせない。燃焼範囲外で安全であれば、ステップＳ４に行って放電部７からコロナ放電してＮＯｘの除去をする。機関運転を継続する間はこのフローは作動を継続する。
【００３０】
図３及び図４は、排気再循環用配管（ＥＧＲ管）を備えた内燃機関に本発明を適用する形態を示している。
【００３１】
図３において、排気系統を構成する排気管６に放電部７が介装され、放電部７の下流の分岐部６ａから分岐されたＥＧＲ管６ＲにＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０が介装されている。ＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０を介装したＥＧＲ管６Ｒは循環吸入部６ｂに接続されている。制御部は図示されていないが、ＥＧＲガスＧｒ中のＵＨＣ濃度或いはＣＯ濃度が可燃範囲にある場合には、放電部７の放電を作動させないような制御機能を有している。運転時に排気ガスＧｘがＮＯｘを低減され、その１部のＥＧＲガスＧｒが再循環してノッキング発生を防止している。したがって、放電によってノッキング発生防止と外気に放出するＮＯｘの低減とを同時に行っている。
【００３２】
図４においては、排気管６にＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０が介装され、ＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０の下流の分岐部６ａから分岐されたＥＧＲ管６Ｒに放電部７が介装されている。即ち、前記図４の実施形態とはＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０と放電部７の位置が入れ替わった状態になっている。この実施形態では、ＥＧＲガスＧｒ中のＮＯｘを除去することに重点をおいている。したがって、放電容量が図４の場合より少ない構成となっている。
【００３３】
図５及び図６では、ＮＯｘ除去のための放電を特定条件に限定して行う構成、制御を示している。即ち、排気行程でのみ放電し、或いはノッキングが発生する場合にのみ放電して、放電による弊害の発生行程即ち吸気、圧縮、膨張行程をさけ、また、ノッキングしない時の不要時の放電を抑制する構成としている。
【００３４】
図５において、シリンダヘッド４に設けた図示しない吸気弁に吸気管５が連通しており、局部図示した排気弁１９には排気管６が連通している。そして、シリンダヘッド４に、高圧放電用電極を有する放電部７がシリンダ１に向けて放電するよう装着されている。放電部７は、図示しない正の高圧電源に接続されている。排気管６にＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０が介装されている。そして、ＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０は信号線１０ａによって計測結果を送信して入力させるよう制御手段１４に接続されている。
【００３５】
また、シリンダ１の外壁にノッキング検知手段である加速度センサ１７が設けられ、クランク軸１６にロータリーエンコーダー１８が設けられている。加速度センサ１７は振動加速度の検出信号を送信する信号線１７ａで、また、ロータリーエンコーダ１８は回転変動の検出信号を送信する信号線１８ａで、それぞれ制御手段１４に接続されている。なお、加速度センサ１７の装着場所は異常燃焼による振動を検知できる場所、例えばシリンダヘッド４でも良く、またロータリーエンコーダ１８は例えばタイミングギヤその他で回転速度変動が検出できる場所ならどこでも良い。
【００３６】
また、排気弁１９の近傍であるシリンダヘッド４に、排気弁１９の開閉状態を検出するギャップセンサ２０が装着されている。ギャップセンサ２０は、信号線２０ａで制御手段１４に接続されている。
【００３７】
制御手段１４は、制御線１４ａによって放電部７に接続されている。そして、制御手段１４は、加速度センサ１７からの信号によってノッキングの有無を判断し、またロータリーエンコーダ１８からの信号によってノッキングの有無を判断する機能を有し、またＵＨＣ濃度或いはＣＯ濃度が可燃範囲にある場合には、放電部７の放電を作動させないような制御機能を有している。なお、この内燃機関は圧縮着火機関を示していて、符号Ｆは燃料ガスを、符号Ｇｘは排気ガスを示している。
【００３８】
上記構成の実施形態の制御を、図６に示す制御フローチャートによって説明する。ステップＳ１１において、運転状態にある排気管６を流れる排気ガスＧｘ中のＵＨＣ及びＣＯ濃度を計測する。ＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０の計測結果は信号線１０ａによって制御装置１４に送信され入力される。ステップＳ１２において、ＵＨＣ濃度及びＣＯ濃度が燃焼可能範囲にあるか否かを判定する。即ち、放電によってＵＨＣまたは、ＣＯが燃焼爆発する危険の有無を判定する。そして、ＵＨＣ濃度、ＣＯ濃度が燃焼範囲にあれば、放電させないＹＥＳを選んでステップＳ１１に戻る。燃焼範囲外で放電が安全であればＮＯを選んで、ステップＳ１３に行く。
【００３９】
ステップＳ１３では、ノッキングの発生状況を調査検出する。加速度センサ１７が検出する異常振動の検出、ロータリーエンコーダ１８が検出する回転速度変動等からノッキング発生状況を制御手段１４で判断し検出する。ステップＳ１４では、ノッキング発生の有無によって次のステップをきめる。即ち、ノッキングが発生してＹＥＳならばステップＳ１５に行き、ノッキングなしであれば放電の必要がないのでＮＯを選んでステップＳ１１に戻る。
【００４０】
ステップＳ１５では、運転中の機関のサイクルを確認し、排気行程か否かを判定する。即ち、サイクルの吸入、圧縮、膨張の各行程では放電不要なので、排気行程でのみを選択する作業を行う。具体的には、排気弁１９の開弁状態をギャップセンサ２０によって検知して、排気行程にあることを判定する。排気行程以外ではＮＯを選んで放電させないためにステップＳ１５をループする。ＹＥＳであれば、ステップＳ１６で、放電部７から放電してＮＯｘを除去する。そして、ステップＳ１１に戻って運転継続をする。
【００４１】
上記の構成と制御は、ＥＧＲなしの機関について説明したが、ＥＧＲを設けた機関においても前記実施例と同様な構成及び制御によって実質的に同様な機能を有することができる。但し、ＥＧＲ管に取り付けた放電部については、排気行程でのみ放電する制御は不要である。
【００４２】
図７〜図９は、所定時以外の放電をさけるようにした構成と制御を示している。図７は、放電部７を含んだ内燃機関の全体構成を示し、図８は放電部７の局部拡大詳細を示している。
【００４３】
図７において、シリンダヘッド４に放電部７が装着され、その放電部７は図示しない高圧電源に接続されている。また、シリンダヘッド４に放電部７に帯電した電荷を消失させるアース部２１が設けられ、必要に応じて放電部７の帯電荷をシリンダ１Ａに逃がすよう構成されている。放電部７は、図８に示すように、シリンダ１の上部に一部が突出した電極７ａを絶縁材７ｂで被覆し、絶縁材７ｂがシリンダヘッド４に嵌入されている。また、電極７ａに電荷を短絡消失させる短絡手段であるアーススイッチ２１ａが設けられ、そのアーススイッチ２１ａは制御線１４ｃによって排気行程判断装置１４Ａに接続されている。排気行程判断装置１４Ａは、図示しない制御部に判断機能が組み込まれている。上記外の構成は、前記例えば図５と実質的に同じである。
【００４４】
上記構成の実施形態の制御を、図９に示す制御フローチャートによって説明する。ステップＳ２１において、運転状態にある排気管６を流れる排気ガスＧｘ中のＵＨＣ及びＣＯ濃度を計測する。計測結果は制御装置に送信され入力される。ステップＳ２２において、ＵＨＣ濃度及びＣＯ濃度が燃焼可能範囲にあるか否かを判定する。即ち、放電によってＵＨＣまたは、ＣＯが燃焼爆発する危険の有無を判定する。そして、ＵＨＣ濃度、ＣＯ濃度が燃焼可能範囲にあれば、放電させないＹＥＳを選んでステップＳ２１に戻る。燃焼可能範囲外で放電が安全であればＮＯを選んで、ステップＳ２３に行く。
【００４５】
ステップＳ２３では、ノッキングの発生状況を、図５の方法と同様にして、調査検出する。ステップＳ２４では、ノッキング発生の有無によって次のステップをきめる。即ち、ノッキングが発生してＹＥＳならばステップＳ２５に行き、ノッキングなしであれば放電の必要がないので、ＮＯを選んでステップＳ２１に戻る。
【００４６】
ステップＳ２５では、運転中の機関のサイクルを確認し、排気行程か否かを判定する。即ち、サイクルの他行程では放電不要なので、排気行程でのみを選択する作業を行う。具体的には、排気弁の開弁をセンサによって検知して、排気行程にあることを判定する。排気行程以外ではＮＯを選んで放電させないためにステップＳ２５をループする。ＹＥＳであれば、ステップＳ２６で、放電部７からコロナ放電してＮＯｘを除去する。そして、ステップＳ２７に行く。
【００４７】
ステップＳ２７では、排気行程が終了したことを確認する。例えば前記実施形態と同様にして、排気弁が閉状態になったか否かを判断することで行う。排気行程が未了であれば、ステップＳ２６に戻って放電を継続する。排気行程が終了したらステップＳ２８に行く。この段階では、電極７ａには残存した電荷が帯電している。
【００４８】
ステップＳ２８では、電極７ａに帯電した電荷をアーススイッチ２１ａを短絡させて除電する。これによって所期タイミング以外の放電、着火の懸念がなくなる。そして、次のサイクルでの作動のために、制御フローはステップＳ２１に戻る。
【００４９】
上記の構成と制御は、ＥＧＲなしの機関について説明したが、ＥＧＲを設けた機関においても前記実施例と同様な構成及び制御によって実質的に同様な機能を有することができる。但し、ＥＧＲ管に設置した放電部については、排気行程のみ放電する制御と、アースに関する制御は行わない。
【００５０】
図１０は、放電部からの放電電圧が、所定値以上の危険な場合の電圧制御を含んだ実施形態を示している。
【００５１】
シリンダヘッド４に、高圧放電用電極を有する放電部７がシリンダ１に向けて放電するよう装着されている。放電部７は、高圧電力線２７ａによって正の高圧電源２７に接続されている。排気管６にＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０が介装され、ＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０は信号線１０ａによって制御手段１５に接続されている。また、高圧電力線２７ａに電圧測定装置２５が装着され、電圧測定装置２５は信号線２５ａで制御手段１５に接続されている。
【００５２】
制御手段１５は、上記各信号線で接続されていると共に、制御線１５ａによって高圧電源２７に、制御線１５ｂによって放電部７に接続されている。そして、制御手段１５は、ＵＨＣ濃度或いはＣＯ濃度が可燃範囲にある場合には、放電部７の放電を作動させないような機能に加えて放電電圧を所定の適正電圧に制御する機能も併せて有している。その他の構成、機能は前出の実施形態と実質的に同じである。
【００５３】
上記構成の実施形態の制御を、図１１に示す制御フローチャートによって説明する。ステップＳ３１において、運転状態にある排気管６を流れる排気ガスＧｘ中のＵＨＣ及びＣＯ濃度が計測され、ＵＨＣ濃度及びＣＯ濃度が燃焼可能範囲にない安全な場合に放電がされる。ステップＳ３２では、その放電電圧が危険な所定値以上か否かを電圧測定装置２５によって計測確認する。所定値以下であれば、ＮＯを選択し、ステップＳ３１に戻って放電を継続する。所定値以上であれば、ステップＳ３３に行く。ステップＳ３３では、放電部７からの放電電圧をさげる。即ち、高圧電源２７から放電部７に供給する電圧を、制御手段１５の制御によって低下させる。この制御作用によって、電装部品その他が損傷または寿命低下することを防いでいる。
【００５４】
ステップＳ３４以下は、機関から取り出す出力を低減させてノッキングを防止させる手順を示したもので、ここでの詳述は省く。
【００５５】
図１２では、上記の適正放電の各機能に加えて、燃焼タイミングの遅角変更、負荷の低減即ち出力低減による、ノッキング発生防止をはかる実施形態を示している。吸気管５に燃料供給制御による負荷制御装置３６が介装され、その負荷制御装置３６は制御手段である制御部１６に制御線１６ａによって接続されている。また、シリンダ１の外壁にノッキング検知手段である加速度センサ１７が設けられ、信号線１７ａによって、制御部１６に接続されている。ノッキング検知手段としては、図示はないが、クランク軸にロータリーエンコーダーが設けられている。前出の実施形態と同様に、シリンダヘッド４に、高圧放電用電極を有する放電部７がシリンダ１に向けて放電するよう装着されている。放電部７は、図示しない正の高圧電源に接続されている。排気管６にＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０が介装され、そのＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０は信号線１０ａによって制御部１６に接続されている。また、制御部１６は、制御線７ａによって放電部７に接続されている。制御部１６は、ＵＨＣ、ＣＯ濃度が可燃範囲にある場合には、放電部７の放電を作動させないよう、また、加速度センサ１７の信号またはロータリーエンコーダからの信号を判断してノッキングが発生していれば、負荷制御装置３６によって燃料供給量を制御させる機能を有している。その他の形態が前出の実施形態と実質的に同じである。
【００５６】
上記構成の実施形態の制御を、図１３に示す制御フローチャートによって、前出の実施形態と異なるところを主体に説明する。ステップＳ４１において、運転状態にある排気ガスＧｘ中のＵＨＣ及びＣＯ濃度を計測する。ステップＳ４２において、ＵＨＣ濃度及びＣＯ濃度が燃焼可能範囲にあるか否かを判定する。そして、ＵＨＣ濃度、ＣＯ濃度が燃焼可能範囲にあれば、ＹＥＳを選んでステップＳ４９に行く。燃焼可能範囲外であればＮＯを選んで、ステップＳ４３に行く。
【００５７】
ステップＳ４３では、ノッキングの発生状況を、図５の方法と同様にして、調査検出する。ステップＳ４４では、ノッキング発生の有無によって次のステップをきめる。即ち、ノッキングが発生してＹＥＳならばステップＳ４５に行き、ノッキングなしであれば放電の必要がないので、ＮＯを選んでステップＳ４１に戻る。
【００５８】
ステップＳ４５では、運転中の機関のサイクルを確認し、排気行程か否かを判定する。即ち、サイクルの他行程では放電不要なので、排気行程でのみを選択する作業を行う。排気行程以外ではＮＯを選んで放電させないためにループする。ＹＥＳであれば、ステップＳ４６で、放電部７からコロナ放電してＮＯｘを除去する。そして、ステップＳ４７に行く。
【００５９】
ステップＳ４７では、排気行程が終了したことを確認する。排気行程が終了したらステップＳ４８に行く。この段階では、電極には残存した電気が帯電している。ステップＳ４８では、電極に帯電した電気をアーススイッチを短絡させて除電する。これによって所期外の放電、着火の懸念がなくなる。そして、次のサイクルでの作動のために制御フローはステップＳ４１に戻る。
【００６０】
ステップＳ４２でＹＥＳを選択した場合には、例えばノッキングの弊害はあっても運転停止ができない場合等ではステップＳ４９で加速度センサ１７により加速度を検出する。そして、ステップＳ５０で、検出した加速度からノッキングの発生状況を確認する。ここで、ノッキング発生が確認できなければ、異常なしでステップＳ４１に戻って運転を継続する。ノッキング発生が確認されたら、ステップＳ５１に行く。ステップＳ５１では、燃焼着火タイミングを遅らせる。例えば燃料噴射式であれば、噴射タイミングを遅らせ、火花点火式であればスパークタイミングを遅らせる。
【００６１】
つぎにステップＳ５２に行く。ステップＳ５２では、上記の着火タイミング遅延、変更による操作によってノッキング発生に変化があったか否かを確認する。着火タイミング遅角によって、ノッキングがなくなればＮＯを選んでステップＳ４１に戻り運転継続をする。ノッキング発生が継続であれば、ステップＳ５３に行く。ステップＳ５３では、負荷を減少してノッキング発生を防ぐようにする。即ち、機関に供給する燃料を減少して負荷を低減させる。運転停止が不可の場合等の応急措置である。そして、ステップＳ４１に戻って運転を継続する。
【００６２】
上記の構成と制御は、ＥＧＲなしの機関について説明したが、ＥＧＲを設けた機関においても前記実施例と同様な構成及び制御によって実質的に同様な機能を有することができる。但し、ＥＧＲ管に設置した放電部については、排気行程のみ放電する制御と、アースに関する制御は不要である。ＥＧＲ管に設けた放電部は、ノッキングを生じ且つ放電による着火の危険が無い時に、常に放電を行う。
【００６３】
【発明の効果】
本発明の作用効果を、以下に列挙する。
（１） 未燃炭化物濃度或いは一酸化炭素濃度が可燃範囲にない限定条件での放電によりＮＯｘが除去されるので、所期以外の着火燃焼例えばバックファイヤ等が発生しなく安全である。
（２） 未燃炭化物濃度或いは一酸化炭素濃度の情報を採取し精度のよい放電条件を設定できる。
（３） 放電部を燃焼室内に設けた場合、放電をノッキング発生時のみに限定でき、安全と共に供給電力を効率的に使用できる。また、放電装置の寿命の延長がはかれる。
（４） 放電部を燃焼室内に設けた場合、放電を排気行程のみに限定でき、バックファイヤ等は発生しなく安全である。
（５） 放電部を燃焼室内に設けた場合、放電後は放電電極から帯電した電荷を消失する短絡手段によりアースするので、誤放電がなく安全である。
（６） 放電部の放電電圧が所定値以上であれば放電部への供給電圧を低減するので、電圧過多による損傷等がない。
（７） 未燃炭化水素濃度或いは一酸化炭素濃度が可燃範囲にあり、ノッキングの発生が消えぬときは、噴射時期或いは点火時期を遅角させるので一層のノッキング発生抑制ができる。
（８） 上記でもまだノッキングの発生が消えぬときは、負荷を低減する制御を行うので、運転停止が不可の場合でも運転を継続できる。
（９） 上記を組み合わせることにより放電条件を限定できるので、安全が保証される。
（１０） 上記手段はＥＧＲの有無に係わらず実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態を示す説明図。
【図２】図１の実施形態の制御フローチャートを示す図。
【図３】本発明の別の実施形態を示す説明図。
【図４】本発明の別の実施形態を示す説明図。
【図５】本発明の別の実施形態を示す説明図。
【図６】図５の実施形態の制御フローチャートを示す図。
【図７】本発明の別の実施形態を示す説明図。
【図８】図７の局部Ｚの説明拡大図。
【図９】図７の実施形態の制御フローチャートを示す図。
【図１０】本発明の別の実施形態を示す説明図。
【図１１】図１０の実施形態の制御フローチャートを示す図。
【図１２】本発明の別の実施形態を示す説明図。
【図１３】図１２の実施形態の制御フローチャートを示す図。
【図１４】従来の実施形態を示す説明図。
【図１５】従来の実施形態を示す説明図。
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼機関の燃焼過程で発生する大気汚染物の窒素酸化物、未燃炭化物及び一酸化炭素の低減、とくに、ノッキング発生の原因となる窒素酸化物の低減技術と低減に際しての安全技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼機関の排気行程では燃焼ガスが完全には排気されず、シリンダ内に未燃炭化水素（ＵＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等が残留することは避けられない。このうち、ノッキング発生の促進効果を有するＮＯｘが、放電によって減少することは知られている。例えば、放電管に模擬排ガスを通して放電すると、該模擬ガス中のＮＯｘが減少することが報告されている（日本機械学会ＮＯ．９４０−２３環境工総合シンポジウム’９４講演論文集参照）。
【０００３】
本出願人は、例えば特願平１１−８７８１８号、特願平１１−９２２３１号、特願平１１−９３１８０号において、内燃機関或いは予混合圧縮自着火機関におけるノッキングの抑制に関する技術を提案している。図１４は、その様な技術の基本的な構成を示しており、図１５は、それを発展させた技術を示している。図１４において、シリンダ１内にピストン２が設けられており、シリンダヘッド４に設けた図示しない吸気弁に吸気管５が連通しており、図示しない排気弁には排気管６が連通している。そして、シリンダヘッド４に、高圧放電用電極を有する放電部７がシリンダ１に向けて放電するよう装着されている。この放電部７によって、排気ガス中のＮＯｘ等が除去され、したがって、残留ガスのＮＯｘは無くなって機関に悪影響を与えるノッキングの発生が防止される。図１５は、排気管６に放電部７を介装させた例を示したもので、シリンダ１から排出された排気ガスを放電によって浄化させ、マフラ〜外気へと放出開放される。
【０００４】
上記の構成と作用は、基本的に効果があるが、放電によって排気ガス中に含まれるＵＨＣやＣＯを所定のタイミング以外で着火させてしまって定常燃焼を乱すことがある。図１４の例では、吸気弁が閉止以前に着火して吸気管バックファイヤとなり、図１５の例では排気管内爆発となる。また、シリンダ１内の燃焼であっても、急激な燃焼によってノッキングを発生させることになる。そして、例えば筒内圧の高いタイミングと重なれば、異常音にとどまらず、異常筒内圧となって、機関損傷や、耐久性低減の原因になる懸念がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した従来技術の問題点に鑑みて提案されたもので、燃焼機関の燃焼過程で発生する大気汚染物質の窒素酸化物、未燃炭化物及び一酸化炭素の低減による排気ガスの浄化、特に、ノッキング発生の原因となる窒素酸化物の低減を目的とし、ノッキングの発生を防止すると共に、窒素酸化物除去を目的として行なわれる放電手段を安全確実にすることが出来る燃焼機関（例えば内燃機関）とその制御方法の提供を目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による燃焼機関によれば、窒素酸化物を除去する機能を有する放電部（７）を燃焼室（１）或いは排気再循環用の管路（ＥＧＲ）内に設け、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度を計測する計測手段（８，９）を排気系統（６）に設け、ノッキングが発生したか否かを検知するノッキング検知手段（１７，１８）を設け、排気行程にあるか否かを検知する排気行程検知手段（２０）を設け、前記計測手段（８，９）、ノッキング検知手段（１７，１８）及び排気行程検知手段（２０）からの検知結果が入力され、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲になく、ノッキングが生じており、且つ内燃機関の排気行程時のみ、放電部（７）が放電する様に制御する機能を有する制御手段（１２）を設けている。
ここで、「燃焼機関」なる文言は、内燃機関（火花点火式内燃機関も、それ以外の内燃機関も含む）や、所謂「予混合圧縮自着火機関」をも包含する意味で使用されている。
【０００７】
排気行程中に残留するＮＯｘによるノッキング促進作用は避けられないので、上記のような構成を具備する本発明によれば、未燃炭化物濃度或いは一酸化炭素濃度が可燃範囲にない限定条件での放電によりＮＯｘが除去されるので、所期以外の燃焼例えばバックファイヤ等が発生しなく安全である。
【０００９】
かかる構成を具備する燃焼機関によれば、ノッキングの発生時のみに放電するので、高電圧供給が少なく放電装置への負荷を少なくでき、したがって放電装置の寿命が延長する。
【００１２】
本発明にかかる別の燃焼機関によれば、窒素酸化物を除去する機能を有する放電部（７）を燃焼室（１）或いは排気再循環用の管路（ＥＧＲ）内に設け、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度を計測する計測手段（８，９）を排気系統（６）に設け、ノッキングが発生したか否かを検知するノッキング検知手段（１７，１８）を設け、排気行程にあるか否かを検知する排気行程検知手段（２０）を設け、放電部（７）に帯電している電荷を消失する短絡手段（２１ａ）を設け、前記計測手段（８，９）、ノッキング検知手段（１７，１８）及び排気行程検知手段（２０）からの検知結果が入力され、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲になく、ノッキングが生じており、且つ内燃機関の排気行程時のみ、放電部（７）が放電する様に制御し、放電部（７）における前記放電が終了した後に短絡手段（２１ａ）より帯電した電荷をアースへ逃す様に制御する制御手段（１４）を設けている。
【００１３】
これによれば、放電後の残留電荷による着火が防止され、当該残留電荷に起因するバックファイヤまたは排気管爆発が防止される。
【００１４】
放電部（７）の電圧を測定する電圧測定装置（２５）を設け、該電圧測定装置（２５）の測定結果を制御手段（１４）に入力し、制御手段（１４）は、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲になければ、放電部（７）が放電する様に制御し、放電電圧が危険な所定値以上であれば電圧を下げ、ノッキングが発生していれば燃焼タイミングを遅角変更し、更にノッキングが発生していれば負荷の低減をする機能を有することが好ましい。
【００１５】
制御手段（１４）は、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲にあり、ノッキングが発生していれば、燃焼タイミングを遅角変更し、更にノッキングが発生していれば、負荷の低減をする機能を有することが好ましい。
【００１６】
前記制御手段（１６）は、噴射時期或いは点火時期を遅角してもノッキングが回避出来ない場合には、負荷を低減する制御を行う様に構成することが好ましい。これによって、運転停止が不可の場合でも運転を継続できる。
【００１７】
本発明による燃焼機関の制御方法によれば、窒素酸化物を除去する機能を有する放電部（７）を燃焼室（１）或いは排気再循環用の管路（ＥＧＲ）内に設けた燃焼機関の制御方法において、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度を計測し（Ｓ１１）、ノッキング検知手段（１７，１８）によりノッキングが発生したか否かを検知し（Ｓ１３）、排気行程検知手段（２０）により排気行程にあるか否かを検知し（Ｓ１５）、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲になく、ノッキングが生じており、且つ内燃機関の排気行程時のみ、放電部（７）が放電する（Ｓ１６）様に制御する。
【００２０】
別の本発明による燃焼機関の制御方法によれば、窒素酸化物を除去する機能を有する放電部（７）を燃焼室（１）或いは排気再循環用の管路（ＥＧＲ）内に設けた燃焼機関の制御方法において、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度を計測し（Ｓ２１）、ノッキング検知手段（１７，１８）によりノッキングが発生したか否かを検知し（Ｓ２３）、排気行程検知手段（２０）により排気行程にあるか否かを検知し（Ｓ２５）、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲になく、ノッキングが生じており、且つ内燃機関の排気行程時のみ、放電部（７）が放電する（Ｓ２６）様に制御し、放電部（７）における前記放電が終了した後に短絡手段（２１ａ）より帯電した電荷をアースへ逃す（Ｓ２８）様に制御する。
【００２１】
別の本発明による燃焼機関の制御方法によれば、放電部（７）の電圧を電圧測定装置（２５）により測定し、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲になければ、放電部（７）が放電する（Ｓ３１）様に制御し、放電電圧が危険な所定値以上であれば電圧を下げ（Ｓ３３）、ノッキングが発生していれば燃焼タイミングを遅角変更し（Ｓ３５）、更にノッキングが発生していれば負荷の低減をする（Ｓ３７）様に制御することが好ましい。
【００２２】
別の本発明による燃焼機関の制御方法によれば、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲にあり、ノッキングが発生していれば、燃焼タイミングを遅角変更し（Ｓ５１）、更にノッキングが発生していれば、負荷の低減をする（Ｓ５３）様に制御することが好ましい。
【００２３】
噴射時期或いは点火時期を遅角してもノッキングが回避出来ない場合には、負荷を低減する制御を行うことが好ましい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃焼機関及びその制御方法の実施形態を図面を参照して説明する。ここで、図面が別であっても、同様な部材は同じ符号を付してある。
【００２５】
図１において、本発明を実施した内燃機関が示されており、燃焼室を構成するシリンダ１内にピストン２が設けられており、ピストン２に設けたピストンロッド３により回転力が取り出される。シリンダヘッド４に設けた図示しない吸気弁に吸気管５が連通しており、図示しない排気弁には排気管６が連通している。そして、シリンダヘッド４に、高圧放電用電極を有する放電部７が燃焼室を構成するシリンダ１に向けて放電するよう装着されている。放電部７は、図示しない正の高圧電源に接続されている。
【００２６】
排気管６に未燃炭化物であるＵＨＣの濃度を計測する計測手段としてのＵＨＣ計測装置８と一酸化炭素であるＣＯの濃度を計測するＣＯ計測装置９が介装されている。そして、ＵＨＣ計測装置８とＣＯ計測装置９は、それぞれ信号線８ａ、９ａによって計測結果を送信し入力させるよう制御手段１２に接続されている。また、制御手段１２は、制御線１２ａによって放電部７に接続されている。制御手段１２は、ＵＨＣ濃度或いはＣＯ濃度が可燃範囲にある場合には、放電部７の放電を作動させないような制御機能を有している。なお、この内燃機関は、圧縮着火または火花点火について明示していないが、何れであっても良い。なお、符号Ｇｘは排気ガスを示している。
【００２７】
上記構成の実施形態の制御を、図２に示す制御フローチャートによって説明する。ステップＳ１において、運転状態にある排気管６を流れる排気ガスＧｘ中のＵＨＣ及びＣＯ濃度を計測する。ＵＨＣ計測装置８の計測結果は信号線８ａによって、ＣＯ計測装置９の計測結果は信号線９ａによって制御装置１２に送信され入力される。ステップＳ２におて、ＵＨＣ濃度及びＣＯ濃度が燃焼可能範囲にあるか否かを判定する。即ち、放電によってＵＨＣまたは、ＣＯが燃焼爆発する危険の有無を判定する。そして、ＵＨＣ濃度、ＣＯ濃度が燃焼範囲にあればＹＥＳを選んで、ステップＳ３に行き放電をさせない。燃焼範囲外で安全であれば、ステップＳ４に行って放電部７からコロナ放電してＮＯｘの除去をする。機関運転を継続する間はこのフローは作動を継続する。
【００３０】
図３及び図４は、排気再循環用配管（ＥＧＲ管）を備えた内燃機関に本発明を適用する形態を示している。
【００３１】
図３において、排気系統を構成する排気管６に放電部７が介装され、放電部７の下流の分岐部６ａから分岐されたＥＧＲ管６ＲにＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０が介装されている。ＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０を介装したＥＧＲ管６Ｒは循環吸入部６ｂに接続されている。制御部は図示されていないが、ＥＧＲガスＧｒ中のＵＨＣ濃度或いはＣＯ濃度が可燃範囲にある場合には、放電部７の放電を作動させないような制御機能を有している。運転時に排気ガスＧｘがＮＯｘを低減され、その１部のＥＧＲガスＧｒが再循環してノッキング発生を防止している。したがって、放電によってノッキング発生防止と外気に放出するＮＯｘの低減とを同時に行っている。
【００３２】
図４においては、排気管６にＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０が介装され、ＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０の下流の分岐部６ａから分岐されたＥＧＲ管６Ｒに放電部７が介装されている。即ち、前記図４の実施形態とはＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０と放電部７の位置が入れ替わった状態になっている。この実施形態では、ＥＧＲガスＧｒ中のＮＯｘを除去することに重点をおいている。したがって、放電容量が図４の場合より少ない構成となっている。
【００３３】
図５及び図６では、ＮＯｘ除去のための放電を特定条件に限定して行う構成、制御を示している。即ち、排気行程でのみ放電し、或いはノッキングが発生する場合にのみ放電して、放電による弊害の発生行程即ち吸気、圧縮、膨張行程をさけ、また、ノッキングしない時の不要時の放電を抑制する構成としている。
【００３４】
図５において、シリンダヘッド４に設けた図示しない吸気弁に吸気管５が連通しており、局部図示した排気弁１９には排気管６が連通している。そして、シリンダヘッド４に、高圧放電用電極を有する放電部７がシリンダ１に向けて放電するよう装着されている。放電部７は、図示しない正の高圧電源に接続されている。排気管６にＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０が介装されている。そして、ＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０は信号線１０ａによって計測結果を送信して入力させるよう制御手段１４に接続されている。
【００３５】
また、シリンダ１の外壁にノッキング検知手段である加速度センサ１７が設けられ、クランク軸１６にロータリーエンコーダー１８が設けられている。加速度センサ１７は振動加速度の検出信号を送信する信号線１７ａで、また、ロータリーエンコーダ１８は回転変動の検出信号を送信する信号線１８ａで、それぞれ制御手段１４に接続されている。なお、加速度センサ１７の装着場所は異常燃焼による振動を検知できる場所、例えばシリンダヘッド４でも良く、またロータリーエンコーダ１８は例えばタイミングギヤその他で回転速度変動が検出できる場所ならどこでも良い。
【００３６】
また、排気弁１９の近傍であるシリンダヘッド４に、排気弁１９の開閉状態を検出するギャップセンサ２０が装着されている。ギャップセンサ２０は、信号線２０ａで制御手段１４に接続されている。
【００３７】
制御手段１４は、制御線１４ａによって放電部７に接続されている。そして、制御手段１４は、加速度センサ１７からの信号によってノッキングの有無を判断し、またロータリーエンコーダ１８からの信号によってノッキングの有無を判断する機能を有し、またＵＨＣ濃度或いはＣＯ濃度が可燃範囲にある場合には、放電部７の放電を作動させないような制御機能を有している。なお、この内燃機関は圧縮着火機関を示していて、符号Ｆは燃料ガスを、符号Ｇｘは排気ガスを示している。
【００３８】
上記構成の実施形態の制御を、図６に示す制御フローチャートによって説明する。ステップＳ１１において、運転状態にある排気管６を流れる排気ガスＧｘ中のＵＨＣ及びＣＯ濃度を計測する。ＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０の計測結果は信号線１０ａによって制御装置１４に送信され入力される。ステップＳ１２において、ＵＨＣ濃度及びＣＯ濃度が燃焼可能範囲にあるか否かを判定する。即ち、放電によってＵＨＣまたは、ＣＯが燃焼爆発する危険の有無を判定する。そして、ＵＨＣ濃度、ＣＯ濃度が燃焼範囲にあれば、放電させないＹＥＳを選んでステップＳ１１に戻る。燃焼範囲外で放電が安全であればＮＯを選んで、ステップＳ１３に行く。
【００３９】
ステップＳ１３では、ノッキングの発生状況を調査検出する。加速度センサ１７が検出する異常振動の検出、ロータリーエンコーダ１８が検出する回転速度変動等からノッキング発生状況を制御手段１４で判断し検出する。ステップＳ１４では、ノッキング発生の有無によって次のステップをきめる。即ち、ノッキングが発生してＹＥＳならばステップＳ１５に行き、ノッキングなしであれば放電の必要がないのでＮＯを選んでステップＳ１１に戻る。
【００４０】
ステップＳ１５では、運転中の機関のサイクルを確認し、排気行程か否かを判定する。即ち、サイクルの吸入、圧縮、膨張の各行程では放電不要なので、排気行程でのみを選択する作業を行う。具体的には、排気弁１９の開弁状態をギャップセンサ２０によって検知して、排気行程にあることを判定する。排気行程以外ではＮＯを選んで放電させないためにステップＳ１５をループする。ＹＥＳであれば、ステップＳ１６で、放電部７から放電してＮＯｘを除去する。そして、ステップＳ１１に戻って運転継続をする。
【００４１】
上記の構成と制御は、ＥＧＲなしの機関について説明したが、ＥＧＲを設けた機関においても前記実施例と同様な構成及び制御によって実質的に同様な機能を有することができる。但し、ＥＧＲ管に取り付けた放電部については、排気行程でのみ放電する制御は不要である。
【００４２】
図７〜図９は、所定時以外の放電をさけるようにした構成と制御を示している。図７は、放電部７を含んだ内燃機関の全体構成を示し、図８は放電部７の局部拡大詳細を示している。
【００４３】
図７において、シリンダヘッド４に放電部７が装着され、その放電部７は図示しない高圧電源に接続されている。また、シリンダヘッド４に放電部７に帯電した電荷を消失させるアース部２１が設けられ、必要に応じて放電部７の帯電荷をシリンダ１Ａに逃がすよう構成されている。放電部７は、図８に示すように、シリンダ１の上部に一部が突出した電極７ａを絶縁材７ｂで被覆し、絶縁材７ｂがシリンダヘッド４に嵌入されている。また、電極７ａに電荷を短絡消失させる短絡手段であるアーススイッチ２１ａが設けられ、そのアーススイッチ２１ａは制御線１４ｃによって排気行程判断装置１４Ａに接続されている。排気行程判断装置１４Ａは、図示しない制御部に判断機能が組み込まれている。上記外の構成は、前記例えば図５と実質的に同じである。
【００４４】
上記構成の実施形態の制御を、図９に示す制御フローチャートによって説明する。ステップＳ２１において、運転状態にある排気管６を流れる排気ガスＧｘ中のＵＨＣ及びＣＯ濃度を計測する。計測結果は制御装置に送信され入力される。ステップＳ２２において、ＵＨＣ濃度及びＣＯ濃度が燃焼可能範囲にあるか否かを判定する。即ち、放電によってＵＨＣまたは、ＣＯが燃焼爆発する危険の有無を判定する。そして、ＵＨＣ濃度、ＣＯ濃度が燃焼可能範囲にあれば、放電させないＹＥＳを選んでステップＳ２１に戻る。燃焼可能範囲外で放電が安全であればＮＯを選んで、ステップＳ２３に行く。
【００４５】
ステップＳ２３では、ノッキングの発生状況を、図５の方法と同様にして、調査検出する。ステップＳ２４では、ノッキング発生の有無によって次のステップをきめる。即ち、ノッキングが発生してＹＥＳならばステップＳ２５に行き、ノッキングなしであれば放電の必要がないので、ＮＯを選んでステップＳ２１に戻る。
【００４６】
ステップＳ２５では、運転中の機関のサイクルを確認し、排気行程か否かを判定する。即ち、サイクルの他行程では放電不要なので、排気行程でのみを選択する作業を行う。具体的には、排気弁の開弁をセンサによって検知して、排気行程にあることを判定する。排気行程以外ではＮＯを選んで放電させないためにステップＳ２５をループする。ＹＥＳであれば、ステップＳ２６で、放電部７からコロナ放電してＮＯｘを除去する。そして、ステップＳ２７に行く。
【００４７】
ステップＳ２７では、排気行程が終了したことを確認する。例えば前記実施形態と同様にして、排気弁が閉状態になったか否かを判断することで行う。排気行程が未了であれば、ステップＳ２６に戻って放電を継続する。排気行程が終了したらステップＳ２８に行く。この段階では、電極７ａには残存した電荷が帯電している。
【００４８】
ステップＳ２８では、電極７ａに帯電した電荷をアーススイッチ２１ａを短絡させて除電する。これによって所期タイミング以外の放電、着火の懸念がなくなる。そして、次のサイクルでの作動のために、制御フローはステップＳ２１に戻る。
【００４９】
上記の構成と制御は、ＥＧＲなしの機関について説明したが、ＥＧＲを設けた機関においても前記実施例と同様な構成及び制御によって実質的に同様な機能を有することができる。但し、ＥＧＲ管に設置した放電部については、排気行程のみ放電する制御と、アースに関する制御は行わない。
【００５０】
図１０は、放電部からの放電電圧が、所定値以上の危険な場合の電圧制御を含んだ実施形態を示している。
【００５１】
シリンダヘッド４に、高圧放電用電極を有する放電部７がシリンダ１に向けて放電するよう装着されている。放電部７は、高圧電力線２７ａによって正の高圧電源２７に接続されている。排気管６にＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０が介装され、ＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０は信号線１０ａによって制御手段１５に接続されている。また、高圧電力線２７ａに電圧測定装置２５が装着され、電圧測定装置２５は信号線２５ａで制御手段１５に接続されている。
【００５２】
制御手段１５は、上記各信号線で接続されていると共に、制御線１５ａによって高圧電源２７に、制御線１５ｂによって放電部７に接続されている。そして、制御手段１５は、ＵＨＣ濃度或いはＣＯ濃度が可燃範囲にある場合には、放電部７の放電を作動させないような機能に加えて放電電圧を所定の適正電圧に制御する機能も併せて有している。その他の構成、機能は前出の実施形態と実質的に同じである。
【００５３】
上記構成の実施形態の制御を、図１１に示す制御フローチャートによって説明する。ステップＳ３１において、運転状態にある排気管６を流れる排気ガスＧｘ中のＵＨＣ及びＣＯ濃度が計測され、ＵＨＣ濃度及びＣＯ濃度が燃焼可能範囲にない安全な場合に放電がされる。ステップＳ３２では、その放電電圧が危険な所定値以上か否かを電圧測定装置２５によって計測確認する。所定値以下であれば、ＮＯを選択し、ステップＳ３１に戻って放電を継続する。所定値以上であれば、ステップＳ３３に行く。ステップＳ３３では、放電部７からの放電電圧をさげる。即ち、高圧電源２７から放電部７に供給する電圧を、制御手段１５の制御によって低下させる。この制御作用によって、電装部品その他が損傷または寿命低下することを防いでいる。
【００５４】
ステップＳ３４以下は、機関から取り出す出力を低減させてノッキングを防止させる手順を示したもので、ここでの詳述は省く。
【００５５】
図１２では、上記の適正放電の各機能に加えて、燃焼タイミングの遅角変更、負荷の低減即ち出力低減による、ノッキング発生防止をはかる実施形態を示している。吸気管５に燃料供給制御による負荷制御装置３６が介装され、その負荷制御装置３６は制御手段である制御部１６に制御線１６ａによって接続されている。また、シリンダ１の外壁にノッキング検知手段である加速度センサ１７が設けられ、信号線１７ａによって、制御部１６に接続されている。ノッキング検知手段としては、図示はないが、クランク軸にロータリーエンコーダーが設けられている。前出の実施形態と同様に、シリンダヘッド４に、高圧放電用電極を有する放電部７がシリンダ１に向けて放電するよう装着されている。放電部７は、図示しない正の高圧電源に接続されている。排気管６にＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０が介装され、そのＵＨＣ、ＣＯ計測装置１０は信号線１０ａによって制御部１６に接続されている。また、制御部１６は、制御線７ａによって放電部７に接続されている。制御部１６は、ＵＨＣ、ＣＯ濃度が可燃範囲にある場合には、放電部７の放電を作動させないよう、また、加速度センサ１７の信号またはロータリーエンコーダからの信号を判断してノッキングが発生していれば、負荷制御装置３６によって燃料供給量を制御させる機能を有している。その他の形態が前出の実施形態と実質的に同じである。
【００５６】
上記構成の実施形態の制御を、図１３に示す制御フローチャートによって、前出の実施形態と異なるところを主体に説明する。ステップＳ４１において、運転状態にある排気ガスＧｘ中のＵＨＣ及びＣＯ濃度を計測する。ステップＳ４２において、ＵＨＣ濃度及びＣＯ濃度が燃焼可能範囲にあるか否かを判定する。そして、ＵＨＣ濃度、ＣＯ濃度が燃焼可能範囲にあれば、ＹＥＳを選んでステップＳ４９に行く。燃焼可能範囲外であればＮＯを選んで、ステップＳ４３に行く。
【００５７】
ステップＳ４３では、ノッキングの発生状況を、図５の方法と同様にして、調査検出する。ステップＳ４４では、ノッキング発生の有無によって次のステップをきめる。即ち、ノッキングが発生してＹＥＳならばステップＳ４５に行き、ノッキングなしであれば放電の必要がないので、ＮＯを選んでステップＳ４１に戻る。
【００５８】
ステップＳ４５では、運転中の機関のサイクルを確認し、排気行程か否かを判定する。即ち、サイクルの他行程では放電不要なので、排気行程でのみを選択する作業を行う。排気行程以外ではＮＯを選んで放電させないためにループする。ＹＥＳであれば、ステップＳ４６で、放電部７からコロナ放電してＮＯｘを除去する。そして、ステップＳ４７に行く。
【００５９】
ステップＳ４７では、排気行程が終了したことを確認する。排気行程が終了したらステップＳ４８に行く。この段階では、電極には残存した電気が帯電している。ステップＳ４８では、電極に帯電した電気をアーススイッチを短絡させて除電する。これによって所期外の放電、着火の懸念がなくなる。そして、次のサイクルでの作動のために制御フローはステップＳ４１に戻る。
【００６０】
ステップＳ４２でＹＥＳを選択した場合には、例えばノッキングの弊害はあっても運転停止ができない場合等ではステップＳ４９で加速度センサ１７により加速度を検出する。そして、ステップＳ５０で、検出した加速度からノッキングの発生状況を確認する。ここで、ノッキング発生が確認できなければ、異常なしでステップＳ４１に戻って運転を継続する。ノッキング発生が確認されたら、ステップＳ５１に行く。ステップＳ５１では、燃焼着火タイミングを遅らせる。例えば燃料噴射式であれば、噴射タイミングを遅らせ、火花点火式であればスパークタイミングを遅らせる。
【００６１】
つぎにステップＳ５２に行く。ステップＳ５２では、上記の着火タイミング遅延、変更による操作によってノッキング発生に変化があったか否かを確認する。着火タイミング遅角によって、ノッキングがなくなればＮＯを選んでステップＳ４１に戻り運転継続をする。ノッキング発生が継続であれば、ステップＳ５３に行く。ステップＳ５３では、負荷を減少してノッキング発生を防ぐようにする。即ち、機関に供給する燃料を減少して負荷を低減させる。運転停止が不可の場合等の応急措置である。そして、ステップＳ４１に戻って運転を継続する。
【００６２】
上記の構成と制御は、ＥＧＲなしの機関について説明したが、ＥＧＲを設けた機関においても前記実施例と同様な構成及び制御によって実質的に同様な機能を有することができる。但し、ＥＧＲ管に設置した放電部については、排気行程のみ放電する制御と、アースに関する制御は不要である。ＥＧＲ管に設けた放電部は、ノッキングを生じ且つ放電による着火の危険が無い時に、常に放電を行う。
【００６３】
【発明の効果】
本発明の作用効果を、以下に列挙する。
（１） 未燃炭化物濃度或いは一酸化炭素濃度が可燃範囲にない限定条件での放電によりＮＯｘが除去されるので、所期以外の着火燃焼例えばバックファイヤ等が発生しなく安全である。
（２） 未燃炭化物濃度或いは一酸化炭素濃度の情報を採取し精度のよい放電条件を設定できる。
（３） 放電部を燃焼室内に設けた場合、放電をノッキング発生時のみに限定でき、安全と共に供給電力を効率的に使用できる。また、放電装置の寿命の延長がはかれる。
（４） 放電部を燃焼室内に設けた場合、放電を排気行程のみに限定でき、バックファイヤ等は発生しなく安全である。
（５） 放電部を燃焼室内に設けた場合、放電後は放電電極から帯電した電荷を消失する短絡手段によりアースするので、誤放電がなく安全である。
（６） 放電部の放電電圧が所定値以上であれば放電部への供給電圧を低減するので、電圧過多による損傷等がない。
（７） 未燃炭化水素濃度或いは一酸化炭素濃度が可燃範囲にあり、ノッキングの発生が消えぬときは、噴射時期或いは点火時期を遅角させるので一層のノッキング発生抑制ができる。
（８） 上記でもまだノッキングの発生が消えぬときは、負荷を低減する制御を行うので、運転停止が不可の場合でも運転を継続できる。
（９） 上記を組み合わせることにより放電条件を限定できるので、安全が保証される。
（１０） 上記手段はＥＧＲの有無に係わらず実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態を示す説明図。
【図２】図１の実施形態の制御フローチャートを示す図。
【図３】本発明の別の実施形態を示す説明図。
【図４】本発明の別の実施形態を示す説明図。
【図５】本発明の別の実施形態を示す説明図。
【図６】図５の実施形態の制御フローチャートを示す図。
【図７】本発明の別の実施形態を示す説明図。
【図８】図７の局部Ｚの説明拡大図。
【図９】図７の実施形態の制御フローチャートを示す図。
【図１０】本発明の別の実施形態を示す説明図。
【図１１】図１０の実施形態の制御フローチャートを示す図。
【図１２】本発明の別の実施形態を示す説明図。
【図１３】図１２の実施形態の制御フローチャートを示す図。
【図１４】従来の実施形態を示す説明図。
【図１５】従来の実施形態を示す説明図。
Claims (8)
- 窒素酸化物を除去する機能を有する放電部を燃焼室或いは排気再循環用の管路内に設け、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度を計測する計測手段を排気系統に設け、ノッキングが発生したか否かを検知するノッキング検知手段を設け、排気行程にあるか否かを検知する排気行程検知手段を設け、前記計測手段、ノッキング検知手段及び排気行程検知手段からの検知結果が入力され、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲になく、ノッキングが生じており、且つ内燃機関の排気行程時のみ、放電部が放電する様に制御する機能を有する制御手段を設けていることを特徴とする燃焼機関。
- 窒素酸化物を除去する機能を有する放電部を燃焼室或いは排気再循環用の管路内に設け、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度を計測する計測手段を排気系統に設け、ノッキングが発生したか否かを検知するノッキング検知手段を設け、排気行程にあるか否かを検知する排気行程検知手段を設け、放電部に帯電している電荷を消失する短絡手段を設け、前記計測手段、ノッキング検知手段及び排気行程検知手段からの検知結果が入力され、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲になく、ノッキングが生じており、且つ内燃機関の排気行程時のみ、放電部が放電する様に制御し、放電部における前記放電が終了した後に短絡手段より帯電した電荷をアースへ逃す様に制御する制御手段を設けていることを特徴とする燃焼機関。
- 放電部の電圧を測定する電圧測定装置を設け、該電圧測定装置の測定結果を制御手段に入力し、制御手段は、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲になければ、放電部が放電する様に制御し、放電電圧が危険な所定値以上であれば電圧を下げ、ノッキングが発生していれば燃焼タイミングを遅角変更し、更にノッキングが発生していれば負荷の低減をする機能を有することを特徴とする請求項１の燃焼機関。
- 制御手段は、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲にあり、ノッキングが発生していれば、燃焼タイミングを遅角変更し、更にノッキングが発生していれば、負荷の低減をする機能を有することを特徴とする請求項３の燃焼機関。
- 窒素酸化物を除去する機能を有する放電部を燃焼室或いは排気再循環用の管路内に設けた燃焼機関の制御方法において、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度を計測し、ノッキング検知手段によりノッキングが発生したか否かを検知し、排気行程検知手段により排気行程にあるか否かを検知し、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲になく、ノッキングが生じており、且つ内燃機関の排気行程時のみ、放電部が放電する様に制御することを特徴とする燃焼機関の制御方法。
- 窒素酸化物を除去する機能を有する放電部を燃焼室或いは排気再循環用の管路内に設けた燃焼機関の制御方法において、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度を計測し、ノッキング検知手段によりノッキングが発生したか否かを検知し、排気行程検知手段により排気行程にあるか否かを検知し、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲になく、ノッキングが生じており、且つ内燃機関の排気行程時のみ、放電部が放電する様に制御し、放電部における前記放電が終了した後に短絡手段より帯電した電荷をアースへ逃す様に制御することを特徴とする燃焼機関の制御方法。
- 放電部の電圧を電圧測定装置により測定し、未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲になければ、放電部が放電する様に制御し、放電電圧が危険な所定値以上であれば電圧を下げ、ノッキングが発生していれば燃焼タイミングを遅角変更し、更にノッキングが発生していれば負荷の低減をする様に制御することを特徴とする請求項５の燃焼機関の制御方法。
- 未燃炭化物或いは一酸化炭素の濃度が可燃範囲にあり、ノッキングが発生していれば、燃焼タイミングを遅角変更し、更にノッキングが発生していれば、負荷の低減をする様に制御することを特徴とする請求項７の燃焼機関の制御方法。
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