JP4561685B2 - 予混合圧縮着火機関及び予混合圧縮着火機関の吸気制御方法 - Google Patents
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Description
この問題を解決するために、特許文献1では、過給機を備えた予混合圧縮着火機関において、SI燃焼からHCCI燃焼への切り替え時に、過給機により燃焼室内の圧力及び温度を上昇させ、HCCI燃焼を行うための条件が整った後にHCCI燃焼に切り替えることを提案している。
この実施の形態に係る予混合圧縮着火機関として、ガスヒートポンプ(以下、GHPと称す)用ガスエンジンを例に説明する。図1に示されるように、この実施の形態に係るGHP用ガスエンジンは、シリンダ1と、シリンダ1の内部で上下に移動可能なピストン2と、シリンダ1の内部においてピストン2の上方にシリンダ1及びピストン2及びシリンダヘッド1aにより区画形成される燃焼室3と、シリンダヘッド1a内に形成され燃焼室3に接続される2つの吸気ポート4,14及び1つの排気ポート5と、吸気ポート4,14及び排気ポート5のそれぞれと燃焼室3とを連通または遮断する吸気弁6,25及び排気弁7と、シリンダヘッド1aの上部から燃焼室3内へ貫通するように配置された点火プラグ21とを備えている。吸気弁6,25及び排気弁7を駆動する図示しない各カムシャフトには、各カムによる吸気弁25及び排気弁7の作動期間とリフト量の両方を制御可能な公知の可変バルブ制御機構8,9が設けられている。燃焼室3に連通するように吸気通路10が設けられ、吸気通路10には、一端に吸気ポート4を有する第1分岐吸気通路16と、一端に吸気ポート14を有する第2分岐吸気通路17と、第1分岐吸気通路16及び第2分岐吸気通路17のそれぞれの他端と連通する1つの共通吸気通路19とを備えている。共通吸気通路19には、共通吸気通路19を流通する空気と燃料通路15を流通する燃料の天然ガスとを混合して混合気を生成するための燃料供給装置であるミキサ11が設けられている。なお、ミキサ11に連通する燃料通路15には燃料流量制御弁22が設けられており、気体燃料である都市ガスの流量を制御し、スロットルバルブ12と共に、混合気の空燃比を制御する。また、吸気通路10には、共通吸気通路19と、第1分岐吸気通路16または第2分岐吸気通路17のうちの少なくとも一方とを連通させるための切替手段である切替弁18が設けられている。第1分岐吸気通路16は、第1分岐吸気通路16を流通する混合気の流量を調整するための流量調整手段であるスロットルバルブ12と、スロットルバルブ12の下流に設けられたサージタンク13を含むインテークマニホールドが配置されている。第2分岐吸気通路17は、サージタンク23を含むインテークマニホールドを備えている。さらに、この実施の形態に係るGHP用ガスエンジンは、制御装置であるECU20を備え、可変バルブ制御機構8,9と、スロットルバルブ12と、切替弁18と、点火プラグ21とがECU20に電気的に接続されている。
この実施の形態に係るGHP用ガスエンジンが始動すると、図1に示されるように、共通吸気通路19を流通する空気と燃料通路15を流通する天然ガスとがミキサ11において混合されて混合気となる。GHP用ガスエンジンの始動時には、切替弁18は、共通吸気通路19と第1分岐吸気通路16とを連通するようになっており、混合気はスロットルバルブ12で流量を調整された後、第1分岐吸気通路16を流通してサージタンク13を含むインテークマニホールドに流入し、吸気弁6が開いたときに、吸気ポート4を介して燃焼室3に吸入される。すなわち、第1分岐吸気通路16のみを流通して燃焼室3内に吸入される。燃焼室3内に吸入された混合気は、ピストン2によって圧縮され、適当なタイミングで点火プラグ21により着火されて燃焼する。燃焼後の排気ガスは、排気弁7が開いたときに、排気ポート5へ排出される。
GHP用ガスエンジンがSI燃焼を行っている場合、定期的に、GHP用ガスエンジンの運転領域と運転条件とに基づき、HCCI燃焼が可能かどうか判定を行い、HCCI燃焼が可能の場合には、HCCI燃焼への切替えを行なう。この処理が開始されると、まず、GHP用ガスエンジンの暖機が終了し、HCCI燃焼が可能な状態となっているかどうか判定を行う(ステップS1)。具体的には、図示しない検出手段により、GHP用ガスエンジンの水温及び油温を検出し、水温または油温のどちらかが、予め設定された閾値を下回る場合には、HCCI燃焼に不適として、この処理を終了させる。一方、GHP用ガスエンジンの水温及び油温の両方が閾値を上回る場合には、HCCI燃焼が可能な状態として、運転領域の判定を行なう。具体的には、ECU20は、運転状態が図2に示されるマップに基づいてHCCI燃焼領域か否かを判定する(ステップS2)。HCCI燃焼領域でないと判定された場合には、この処理を終了させる。一方、HCCI燃焼領域であると判定された場合には、ECU20は切替弁18を作動させて、共通吸気通路19と第2分岐吸気通路17とを連通することにより、混合気が第2分岐吸気通路17のみを流通するようにする(ステップS3)。これと同時に、ECU20は、可変バルブ制御機構8,9を制御して、吸気弁6の開閉を停止すると共に、吸気弁25を開閉する制御に切り替え、排気弁7の閉時期を上死点よりも早くすると共に吸気弁25の開時期を上死点よりも遅くすることにより、いわゆる負のオーバーラップの制御を行う(ステップS4)。すなわち、排気弁7を排気工程の途中で閉じることにより排気ガスの一部を燃焼室3に残留させる(内部EGR)。また、ECU20は、燃料流量制御弁22の開度を低下するように制御して、混合気の空燃比をリーン側に変更する(ステップS5)。これは、HCCI燃焼はSI燃焼と比較して熱効率が良いので、トルク段差が生じないようにするためである。以上で、切り替えの手順を終了する。尚、SI燃焼からHCCI燃焼への切り替えにおいて、第1分岐吸気通路16には混合気が流通しなくなるので、スロットルバルブ12の開度を調整する必要がなくなる。切替弁18の作動動作、スロットルバルブ12の開閉動作、及び内部EGRの実施または停止の時間経過を、図4に示した。
また、従来は、HCCI燃焼への切替え直後は、燃焼室3へ吸入される混合気が不足するおそれがあった。内部EGRのために負のオーバーラップを行なうことで、吸気行程において混合気を燃焼室に吸入可能な期間は変化し、実質的に可変バルブ制御機構で、燃焼室内に入る混合気量も制御することになる。ただし、HCCI燃焼では、SI燃焼と比較し筒内ガス量を増やす必要があるため、スロットルバルブ12を全開とすることで、混合気が過度に不足することを補うこととしている。しかし、HCCI燃焼領域が低回転低負荷から中回転中負荷の領域にあり、燃焼の切替え前に、スロットルバルブ12の開度が低いため、スロットルバルブ12の下流側は大気圧以下(負圧)になっている。さらに、SI燃焼からHCCI燃焼への切り替え時に混合気を第1分岐吸気通路16に流通させたままでは、アクチュエータの特性に起因し、スロットルバルブ12の開閉動作が遅いことにより、一時的に吸気ポート4内の大気圧以下(負圧)の状態が十分に解消されず、燃焼室3へ吸入される混合気量が不足するおそれがある。しかしながら、切替弁18によって混合気が第2分岐吸気通路17のみを流通することにより、スロットルバルブ12によって流量を調整されない混合気が吸気ポート14内を流通するので、吸気ポート14内の負圧は速やかに解消され、燃焼室3へ吸入される混合気量の不足が防止される。これにより、トルクの低下が防止される。
GHP用ガスエンジンがHCCI燃焼を行っている場合、ECU20は、定期的に、運転領域と運転条件とに基づきSI燃焼に移行すべきかどうか判定を行い、運転状態が遷移領域に移行し、SI燃焼に移行する可能性が高い場合には、SI燃焼への切替えを行なう。この処理が開始されると、運転条件が図2に示されるマップに基づいて遷移領域か否かを判定する(ステップS11)。遷移領域でないと判定された場合には、HCCI燃焼を継続することとし、この処理を終了させる。一方、遷移領域にあると判定された場合には、ECU20は、スロットルバルブ12の開度を、SI燃焼時における混合気量に見合った開度に調整する。すなわち、スロットルバルブ12によって、予め混合気が適切な流量に調整される状態にする。(ステップS12)。また、燃料流量制御弁22の開度を増加するように制御し、空燃比をSI燃焼に適するようにリッチ側に変更する(ステップS13)。スロットルバルブ12の開度の調整動作及び空燃比の変更が終了したら、ECU20は切替弁18を作動させて、共通吸気通路19と第1分岐吸気通路16とを連通することにより、混合気が第1分岐吸気通路16のみを流通するようにする(ステップS14)。ECU20は、切替弁18の作動と同時に、可変バルブ制御機構8,9を制御して、吸気弁25の開閉を停止すると共に、吸気弁6を開閉する制御へ切り替えることにより、負のオーバーラップを解除する。すなわち、内部EGRを停止する(ステップS15)。以上で、切り替えの手順を終了する。その後、SI燃焼中に、GHP用ガスエンジンの出力が上昇すると必要な混合気量が増加するが、この場合には、必要に応じて、ECU20は切替弁18を作動させて、共通吸気通路19と第1分岐吸気通路16及び第2分岐吸気通路17の両方とを連通することにより、混合気が第1分岐吸気通路16及び第2分岐吸気通路17の両方を流通するようにする。切替弁18の作動動作、スロットルバルブ12の開閉動作、及び内部EGRの実施または停止の時間経過を、図6に示した。
また、この実施の形態では、燃料に都市ガスを使用したがこれに限定するものではない。天然ガス等、ガス燃料であればどのような燃料を用いてもよい。
また、この実施の形態では、予混合圧縮着火機関としてGHP用ガスエンジンを例にして説明したが、これに限定するものではない。軽油を燃料とするディーゼルエンジン、又は、ガソリンエンジンであってもよい。また、1つの気筒を有するエンジンであることに限定するものでもなく、直列4気筒エンジンやV型8気筒エンジン等、あらゆる形態のエンジンであってもよい。
Claims (2)
- 火花点火燃焼と予混合圧縮着火燃焼とを切り替え可能な予混合圧縮着火機関において、
一端が燃焼室に連通する、第1分岐吸気通路及び第2分岐吸気通路と、
前記第1分岐吸気通路及び前記第2分岐吸気通路のそれぞれの他端と連通する1つの共通吸気通路と、
前記共通吸気通路に設けられ、空気と燃料とを混合して混合気を生成する燃料供給装置と、
前記共通吸気通路と前記第1分岐吸気通路または前記第2分岐吸気通路のうちの少なくとも一方とを連通させるように作動する切替手段と、
前記第1分岐吸気通路に設けられ、前記第1分岐吸気通路を流通する混合気の流量を制御する流量調整手段と、
火花点火燃焼と予混合圧縮着火燃焼との切り替え時に、前記切替手段を作動させる制御装置と
を備えることを特徴とする予混合圧縮着火機関。 - 燃焼室に連通する第1分岐吸気通路及び第2分岐吸気通路と、前記第1分岐吸気通路または前記第2分岐吸気通路のうちの少なくとも一方に混合気が流通するように作動する切替弁と、前記第1分岐吸気通路に設けられたスロットルバルブとを備え、火花点火燃焼と予混合圧縮着火燃焼とを切り替え可能な予混合圧縮着火機関の吸気制御方法において、
火花点火燃焼から予混合圧縮着火燃焼への切り替え時には、前記切替弁は前記第2分岐吸気通路のみに前記混合気を流通させるように作動し、
予混合圧縮着火燃焼から火花点火燃焼への切り替え時には、前記スロットルバルブの開度を火花点火燃焼時における混合気量に見合った開度に調整し、前記スロットルバルブの開度の調整動作が終了した後に、前記切替弁は前記第1分岐吸気通路のみに前記混合気を流通させるように作動する
ことを特徴とする方法。
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