JP4444280B2

JP4444280B2 - 均質な混合気の圧縮による点火によって動作するピストンエンジンの制御方法及びピストンエンジン

Info

Publication number: JP4444280B2
Application number: JP2006505725A
Authority: JP
Inventors: ジャーン−マルクデュクロウ; ジャキィゲゼ; セドリクセルヴァーン
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: US20070038359A1; EP1601867A2; WO2004083612A3; JP2006519955A; WO2004083612A2; FR2852355B1; FR2852355A1

Description

本発明は、特に燃焼制御に係り、均質な混合気の圧縮による点火によって動作するピストンエンジンの制御方法及びピストンエンジンに関する。

このタイプのエンジンにおいては、空気と燃料の混合気は、シリンダの中を滑動するピストンが上死点に達する充分前にシリンダ内に導入される。混合気の着火は、混合気の圧縮と、その結果である温度上昇によって得られる。これらのエンジンは、粒子状物質と窒素酸化物の排出が少ないことによって特徴付けられる。これらは、英語の略語ＨＣＣＩ（ＨｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓＣｈａｒｇｅＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＩｇｎｉｔｉｏｎ＝均質充填圧縮点火）として知られている。

しかしながら、混合気の燃焼周期、すなわち燃焼の開始と燃焼速度とを同時に制御することに関する問題が課せられる。文献ＷＯ０２／４８５５２には、シリンダ内の圧力センサが圧力の測定信号を発生し、コンピュータがこの測定値を微分して燃焼の第１段階を検出する、ＨＣＣＩエンジンの制御方法が提案されている。コンピュータは、燃焼の第２段階の開始を遅らせるために、シリンダ内への水の噴射を指令する。このようにして、燃焼の第２段階が、燃焼の最適効率を得ることを可能にするように選ばれた周期をもたらす。

このようなエンジンのシリンダ内の圧力センサは、高価である。
ＷＯ０２／４８５５２

従って、本発明は、上記の高価なエンジンのシリンダ内の圧力センサと異なる他のタイプのセンサを使用して燃焼を調節するための、ＨＣＣＩエンジンの従来とは別の制御方法及びピストンエンジンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、エンジンが、シリンダ内における燃焼に関連する、燃焼の情報を供給するセンサを有し、上記燃焼の情報を処理して、燃焼の瞬間を決め、上記燃焼の瞬間を燃焼の瞬間の設定値と比較し、上記燃焼の瞬間と上記燃焼の瞬間の設定値とが一致するように、上記エンジンの動作パラメータに作用を及ぼす、均質な混合気の圧縮による点火によって動作するピストンエンジンの制御方法を提供することを目的とする。本発明によれば、上記センサは、上記シリンダ内に配置され、燃焼の情報としてイオン化電流を発生するイオン化プローブであり、上記燃焼の瞬間は上記シリンダ内の最大圧力の瞬間に対応する。

実際、本発明者は、シリンダ内に配置されたイオン化プローブの信号は、シリンダ内における燃焼の際に変化し、燃焼の発生に関する情報を推定することが可能であるということを確認した。この情報の処理に基づいて、シリンダ内の圧力が最大である瞬間を推定することができる。最大圧力の瞬間の設定値を確定し、測定値が設定値に従うように、少なくとも１つの動作パラメータに作用を及ぼして、エンジンを操作する。

上記動作パラメータは、排気ガスの再循環率を含む。本発明者は、この再循環率の調整は、シリンダ内における燃焼の開始と発展、従って、シリンダ内の圧力が最大圧力に到達する瞬間に対して、有効に作用を及ぼすことを可能にすることを確認した。

これらの動作パラメータは、更に、吸入空気の乱流発生装置によって引き起こされる乱流と、吸気または排気サイクルの変化を含む。これらの全てのパラメータは、シリンダ内における燃焼の展開に影響を及ぼす。

さらに、上記再循環率を定めるアクチュエータを制御するための再循環信号を決定し、再循環信号の設定値が上記エンジンの動作点に応じて決定され、上記燃焼の瞬間と上記燃焼の瞬間の設定値との間の比較に応じて再循環信号の修正値を決定し、上記再循環信号の修正値を再循環信号の設定値に付加して、上記再循環信号を決定する。このようにして、最初に、エンジンの動作点に応じてエンジンの動作パラメータの設定値が決定され、次いで、その設定値の修正を導入する調節を介して設定値を調整して、動作パラメータに作用を及ぼす。

複数の動作パラメータに同時に作用を及ぼすことが有利である。このようにして、そのときにおける燃焼の進展に加えて、シリンダ内において達せられる最大圧力と温度に作用を及ぼすことができ、このことは、燃焼効率、騒音の発生、及び汚染物質の生成に影響を及ぼす。

第２の実施の形態によれば、複数の上記動作パラメータを定める複数のアクチュエータを制御するための複数の操作信号の設定値を決定し、上記操作信号の設定値は上記エンジンの動作点に応じてあらかじめ定められ、上記燃焼の瞬間と上記燃焼の瞬間の設定値との間の比較に応じて上記操作信号の設定値の修正信号を決定し、上記修正信号を上記操作信号の設定値に付加して、各操作信号を決定する。

また、本発明は、
−シリンダ内における燃焼に関連する、燃焼の情報を供給するセンサと、
−エンジンの動作パラメータに作用を及ぼす少なくとも１つのアクチュエータと、
−上記燃焼の情報を受けて、燃焼の瞬間を決め、燃焼の瞬間の設定値を決め、上記燃焼の瞬間と上記燃焼の瞬間の設定値を比較し、上記燃焼の瞬間と上記燃焼の瞬間の設定値とが一致するように、上記エンジンの動作パラメータに作用を及ぼすために上記アクチュエータを操作するコンピュータと、
を有する、均質な混合気の圧縮による点火によって動作するピストンエンジンにおいて、
上記センサは、上記シリンダ内に配置され、燃焼の情報としてイオン化電流を発生するイオン化プローブであり、上記燃焼の瞬間は上記シリンダ内の最大圧力の瞬間に対応し、
上記動作パラメータは、排気ガスの再循環率を含み、
上記再循環率を定めるアクチュエータを制御するための再循環信号を決定し、再循環信号の設定値が上記エンジンの動作点に応じて決定され、上記燃焼の瞬間と上記燃焼の瞬間の設定値との間の比較に応じて再循環信号の修正値を決定し、上記再循環信号の修正値を再循環信号の設定値に付加して、上記再循環信号を決定することを特徴とする、
均質な混合気の圧縮による点火によって動作するピストンエンジンを提供することを目的とする。

以下の説明を読むことによって本発明はよりよく理解され、その他の特徴及び利点が明らかとなるであろう。本説明においては、本発明によるエンジンのシリンダの軸方向断面図である図１を参照する。

図１において、参照符号１は、空気と軽油のような燃料から構成される均質な混合気の圧縮によって点火する、ＨＣＣＩと呼ばれる内燃エンジンを示す。シリンダヘッド１１とシリンダ１２の一部のみが示されている。ピストン１３がシリンダ１２の中を滑動し、ピストン１３とシリンダヘッド１１とによって燃焼室１４の範囲を定める。燃焼室１４は、燃料噴射装置１５とイオン化プローブ５も有する。ピストン１３は、周知のように、コネクティングロッドを介して図示しないクランクシャフトを回転させる。図示しないセンサが、クランクシャフトの瞬間的な角度位置αを時間の関数として表わす。

シリンダヘッド１１は、燃焼室１４に通じる吸気導管１７を有し、吸気導管１７の開口は、吸気弁９’によって制御される。また、シリンダヘッド１１は、燃焼室１４に通じる排気導管１８も有し、排気導管１８の開口は、排気弁９によって制御される。分配作動装置は、それぞれ吸気弁９’と排気弁９を駆動する、吸気アクチュエータ１０’と排気アクチュエータ１０を有する。吸気導管１７は、アクチュエータ８によって駆動される乱流発生装置７を有する。

また、エンジン１は、排気ガス再循環回路２０を有する。排気ガス再循環回路２０は、排気ガス再循環回路２０を開閉するための再循環アクチュエータ２１によって操作される再循環弁２を有する。このようにして、排気ガス再循環回路２０は、排気導管１８から吸気導管１７へ排気ガスを移送することができる。

エンジン１は、例えばマイクロプロセッサであるエンジンコンピュータ３によって操作される。エンジンコンピュータ３はエンジン１から発生される情報を受けて、エンジン１を制御するアクチュエータ１０、１０’、８、２１を操作する。エンジンコンピュータ３が受ける情報の中には、イオン化プローブ５から発生される時間の関数としての燃焼の情報であるイオン化信号Ｉ（ｔ）と、クランクシャフトの角度位置αがある。エンジンコンピュータ３は、排気アクチュエータ１０、吸気アクチュエータ１０’、乱流発生装置７のアクチュエータ８、燃料噴射装置１５及び再循環アクチュエータ２１を操作する。

エンジン１は、４サイクル、すなわち周知のように、吸気、圧縮、膨張、排気の相次ぐ行程を有する。エンジン１へ向けて、空気は吸入行程中に吸入され、燃料は圧縮行程中、すなわち、ピストン１３が燃焼室１４の容積を減少させながら下死点から上死点へ向けて移行する際に燃焼室１４内へ噴射される。均質な混合気を得るために、燃料は、ピストン１３がまだ下死点の近傍にあるときに噴射される。このようにして、燃料は、圧縮行程の間に大部分気化し、圧縮行程の終わりには概ね均質な混合気を形成する。

この圧縮の際に、燃焼室１４内に含まれる空気と燃料の混合気は、ピストン１３が上死点の近傍にあるときに、少なくとも部分的に自然着火温度に達するまで圧縮によって温度上昇する。燃焼は混合気全体へ漸進的に伝播し、燃焼室１４内の圧力は最大値まで上昇する。ピストン１３が上死点を越えると燃焼室１４の容積は増加し、膨張行程が開始する。一般に、最大圧力はこの時期に達せられる。ガスは、引き続く燃焼中に、ピストン１３に作用を及ぼしながら膨張する。次いで、排気行程が行われ、新しいサイクルが繰り返される。

イオン化プローブ５から供給されるイオン化信号Ｉ（ｔ）は、クランクシャフトの位置の形で表される最大圧力の瞬間αＰｍａｘを決めるために、エンジンコンピュータ３によって処理される。本特許出願の出願人は、イオン化プローブ５から供給されるイオン化信号Ｉ（ｔ）から、最大圧力の瞬間αＰｍａｘを決定する方法を既に開発した。この方法は、公報ＦＲ２８１３９２０に開示されており、ここでは再度記載しない。この方法は、ここに同様に適用することができる。

エンジンコンピュータ３は、メモリ内に、分配作動装置の排気アクチュエータ１０、吸気アクチュエータ１０’、乱流発生装置７のアクチュエータ８、燃料噴射装置１５のアクチュエータまたは再循環アクチュエータ２１等の、エンジン１のアクチュエータのための操作信号の設定値の表を有する。操作信号の設定値は、エンジン１の動作点に応じて決定される。それらは、燃料消費と、窒素酸化物、不完全燃焼炭化水素、煤等の汚染性物質の排出と、騒音発生との間の妥協に対応する。操作信号の設定値の表は、エンジンの開発の際に決定される。

また、エンジンコンピュータ３は、メモリ内に、最大圧力の瞬間の設定値αＰｍａｘＣの表を有する。最大圧力の瞬間の設定値αＰｍａｘＣは、エンジンコンピュータ３が受けた情報に基づいて、エンジン１の動作点に応じて決定される。最大圧力の瞬間の設定値αＰｍａｘＣは、クランクシャフトの位置の形で表されるが、クランクシャフトの位置をクランクシャフトの回転速度に関連付けしたときには、時間で表すことと同等である。最大圧力の瞬間の設定値αＰｍａｘＣと最大圧力の瞬間αＰｍａｘは、比較アルゴリズムに入力され、比較アルゴリズムは、エンジン１のアクチュエータの操作の修正信号を発生する。これらの修正信号は操作信号に付加され、このようにして、最大圧縮の瞬間を、閉ループで調整することを可能にする。

第１の実施の形態においては、比較アルゴリズムは、再循環信号Ｔｅｇｒを発生することによって、排気ガスの再循環に対してのみ作用することができる。これは、例えばエンジン１が可変分配装置と乱流発生装置７を有しない場合である。再循環弁２の位置操作の修正信号ＣｏｒｒＴｅｇｒを、再循環弁２の操作の設定信号ＴｅｇｒＣに付加して、再循環弁２の操作の操作信号Ｔｅｇｒを決定する。この修正信号ＣｏｒｒＴｅｇｒは、例えば最大圧縮の瞬間の設定値αＰｍａｘＣと最大圧縮の瞬間αＰｍａｘとの差に比例する。このようにして、再循環弁２の操作の設定値は、最大圧縮の瞬間αＰｍａｘが、最大圧縮の瞬間の設定値αＰｍａｘＣによって定義された最適値に合致するように修正される。

第２の実施の形態においては、比較アルゴリズムは、様々なアクチュエータへ送られる複数の修正信号を発生する。このようにして、複数のパラメータが同時に作用して、最大圧縮の瞬間αＰｍａｘを修正する。修正値の分布が同じく表の中にメモリされ、エンジン１の動作点に応じて決定される。この表は、エンジン１の開発の際に設定され、各動作点について設定された妥協を混乱させないことを目的とする。

本発明は、例としてのみ記載された実施の形態に限定されるものではない。エンジン１は、例えばターボコンプレッサや複数の燃料噴射装置を有することができ、本発明はこれらのものにも適用することができる。燃料は、天然ガスまたはガソリンのような任意の性質のものであり得る。修正信号は、他の制御アルゴリズムによって決定することができる。

Claims

エンジン（１）が、シリンダ（１２）内における燃焼に関連する、燃焼の情報（Ｉ（ｔ））を供給するセンサ（５）を有し：
−上記燃焼の情報（Ｉ（ｔ））を処理して、燃焼の瞬間（αＰｍａｘ）を決め、
−上記燃焼の瞬間（αＰｍａｘ）を燃焼の瞬間の設定値（αＰｍａｘＣ）と比較し、
−上記燃焼の瞬間（αＰｍａｘ）と上記燃焼の瞬間の設定値（αＰｍａｘＣ）とが一致するように、上記エンジンの少なくとも１つの動作パラメータに作用を及ぼす、
均質な混合気の圧縮による点火によって動作するピストンエンジンの制御方法において、
上記センサは、上記シリンダ（１２）内に配置され、燃焼の情報としてイオン化電流（Ｉ（ｔ））を発生するイオン化プローブ（５）であり、上記燃焼の瞬間は上記シリンダ内の最大圧力の瞬間（αＰｍａｘ）に対応し、
上記動作パラメータは、排気ガスの再循環率を含み、
上記再循環率を定めるアクチュエータ（２１）を制御するための再循環信号Ｔｅｇｒを決定し、再循環信号の設定値ＴｅｇｒＣが上記エンジンの動作点に応じて決定され、上記燃焼の瞬間（αＰｍａｘ）と上記燃焼の瞬間の設定値（αＰｍａｘＣ）との間の比較に応じて再循環信号の修正値ＣｏｒｒＴｅｇｒを決定し、上記再循環信号の修正値ＣｏｒｒＴｅｇｒを再循環信号の設定値ＴｅｇｒＣに付加して、上記再循環信号Ｔｅｇｒを決定することを特徴とする、均質な混合気の圧縮による点火によって動作するピストンエンジンの制御方法。
上記動作パラメータは、更に、吸入空気の乱流発生装置（７）によって引き起こされる乱流と、吸気または排気サイクルの変化を含むことを特徴とする、請求項１に記載の均質な混合気の圧縮による点火によって動作するピストンエンジンの制御方法。
複数の動作パラメータに同時に作用を及ぼすことを特徴とする、請求項１に記載の均質な混合気の圧縮による点火によって動作するピストンエンジンの制御方法。
上記動作パラメータを定めるアクチュエータを制御するための操作信号の設定値を決定し、上記操作信号の設定値は上記エンジンの動作点に応じてあらかじめ定められ、上記燃焼の瞬間と上記燃焼の瞬間の設定値との間の比較に応じて上記操作信号の設定値の修正信号を決定し、上記修正信号を上記操作信号の設定値に付加して、各操作信号を決定することを特徴とする、請求項３に記載の均質な混合気の圧縮による点火によって動作するピストンエンジンの制御方法。
−シリンダ（１２）内における燃焼に関連する、燃焼の情報（Ｉ（ｔ））を供給するセンサ（５）と、
−エンジンの動作パラメータに作用を及ぼす少なくとも１つのアクチュエータ（８、２１、１０、１０’）と、
−上記燃焼の情報（Ｉ（ｔ））を受けて、燃焼の瞬間（αＰｍａｘ）を決め、燃焼の瞬間の設定値（αＰｍａｘＣ）を決め、上記燃焼の瞬間（αＰｍａｘ）と上記燃焼の瞬間の設定値（αＰｍａｘＣ）を比較し、上記燃焼の瞬間（αＰｍａｘ）と上記燃焼の瞬間の設定値（αＰｍａｘＣ）とが一致するように、上記エンジンの動作パラメータに作用を及ぼすために上記アクチュエータ（８、２１、１０、１０’）を操作するコンピュータ（３）と、
を有する、均質な混合気の圧縮による点火によって動作するピストンエンジンにおいて、上記センサ（５）は、上記シリンダ（１２）内に配置され、燃焼の情報としてイオン化電流（Ｉ（ｔ））を発生するイオン化プローブ（５）であり、上記燃焼の瞬間は上記シリンダ内の最大圧力の瞬間（αＰｍａｘ）に対応し、
上記動作パラメータは、排気ガスの再循環率を含み、
上記再循環率を定めるアクチュエータ（２１）を制御するための再循環信号Ｔｅｇｒを決定し、再循環信号の設定値ＴｅｇｒＣが上記エンジンの動作点に応じて決定され、上記燃焼の瞬間（αＰｍａｘ）と上記燃焼の瞬間の設定値（αＰｍａｘＣ）との間の比較に応じて再循環信号の修正値ＣｏｒｒＴｅｇｒを決定し、上記再循環信号の修正値ＣｏｒｒＴｅｇｒを再循環信号の設定値ＴｅｇｒＣに付加して、上記再循環信号Ｔｅｇｒを決定することを特徴とする、均質な混合気の圧縮による点火によって動作するピストンエンジン。