JP4596726B2

JP4596726B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4596726B2
Application number: JP2002220786A
Authority: JP
Inventors: 和也長谷川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2022-07-30
Also published as: JP2004060551A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、高回転高負荷のときに最大燃焼圧力を低下させることで運転領域を拡大し、最高出力を効果的に向上できるようにした内燃機関の制御装置に関するものでである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関は、圧縮比を高くすれば最大燃焼圧力が高くなって出力（燃費）を向上させることができるが、最大燃焼圧力が高くなると燃焼室内の熱伝導率が上昇して燃焼室を構成する部品への熱流束が増加することから、これらの部品の温度限界（耐熱限界）によって燃料噴射量が制限され、高負荷領域での運転が不可能となる。
【０００３】
これに対して、温度限界（耐熱限界）を高めるように燃焼室構成部品、特に、ピストン等の動作部品の強度を向上させると、今度は、慣性重量やフリクションが増加して高回転領域での運転が不可能となる。
従って、低負荷低回転領域では、圧縮比を高くして燃費を向上させ、高回転高負荷領域では、圧縮比を低くして運転可能領域を拡大しつつ最高出力を向上させることが望ましく、このように機関の負荷、回転速度に応じて圧縮比を変更可能とした内燃機関として、例えば、特開平９−２２８８５８号公報に記載されたものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、排気浄化の観点から、内燃機関の排気通路に排気を浄化するための排気浄化装置を配設することが一般的になっているが、かかる排気浄化装置を上記従来のものに適用しようとすると、以下のような問題が生じる。
高回転時に圧縮比を低下させて最大燃焼圧力を低下させると、燃焼速度が低下して燃焼期間が延びるため、膨張行程において、ピストンが圧縮上死点から離れたところで燃焼する燃料の割合が増加し、排気中に放出される燃焼エネルギーも増加することから排気温度が上昇することになる。排気温度が上昇し過ぎると排気浄化装置が熱損するおそれがあるので、前記圧縮比の低下（最大燃焼圧力の低下）は、排気温度が前記排気浄化装置に応じて定まる上限温度とならない範囲で行う必要がある。すなわち、最大燃焼圧力の低下（圧縮比の低下）可能な範囲が排気浄化装置によって制限を受けることになるため、高回転高負荷領域において運転できない領域が生じてしまい、この結果、最大燃焼圧力の低下によって得られる最高出力の向上代が低下してしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような問題に対処するためになされたものであり、高回転高負荷のときに、機関の温度限界による制限をなくし、運転可能領域を拡大して最高出力を向上できるようにした内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、排気通路に排気浄化触媒を有する圧縮着火式内燃機関の制御装置であって、
ピストンの圧縮上死点位置を下げて圧縮比を低下する圧縮比可変手段と、
過給圧を可変制御可能な過給機と、
所定の高回転高負荷域において上記圧縮比可変手段により前記圧縮比を低下させるとともに、前記過給機を介して空気過剰率を高める制御手段と、
を備え、
前記空気過剰率は、低負荷域から負荷上昇に伴って徐々に低下していくとともに、上記高回転高負荷域においては、逆に負荷上昇に伴って徐々に上昇していく特性に設定されている、
ことを特徴としている。
【０００７】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、高回転高負荷域において、最大燃焼圧力の低下によって機関の燃焼室構成部品の温度を低下させると共に、空気過剰率の増大によって排気温度を低下させることができるので、これらの温度限界によって制限されていた最高出力点を向上させることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧縮着火式エンジンのシステム図である。図１に示すように、本実施形態に係るエンジン本体１は、吸気ポート２、吸気バルブ３、燃料噴射装置４、ピストン５、吸気バルブ６、排気ポート７、過給機８、可変圧縮比機構９及びエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０を備えて構成される。
【０００９】
吸気ポート２の上流側には吸気通路１０が接続され、空気量測定用のエアフロメーター、エアクリーナ（いずれも図示省略）等が配設されている。吸入空気は、吸気バルブ３を介してシリンダ１１内に導入され、燃料噴射装置４からの燃料噴射により混合気が形成される。そして、ピストン５の上昇により混合気を圧縮して着火燃焼させる。燃焼排気は、排気バルブ６、排気ポート７を介して排気通路１２に排出される。
【００１０】
前記過給機８（吸気量可変手段に相当する）は、可変ノズル機構付ターボチャージャー（以下、Ｖ／Ｎターボチャージャーという）であって、吸気通路１０中に配設されるコンプレッサ８１と、排気通路１２中の配設されるタービン８２と、コンプレッサ８１及びタービン８２とを結合する結合シャフト８３と、そのノズルが制御されることで過給圧を可変する可変ノズル機構８４と、を含んで構成される。なお、過給圧を制御しつつ過給できるものであれば他の構成のものであってもよい。
【００１１】
前記可変圧縮比機構９（圧縮比可変手段に相当する）は、ピストン５に揺動可能に連結されるコンロッド９１と、このコンロッド９１とクランクシャフト（の偏心軸）９２とを連結する第１リンク９３と、この第１リンク９３に一端が連結され、他端が偏心シャフト９４に揺動可能に支持される第２リンク９５と、を含んで構成される。なお、圧縮比を可変できれば他の構成のものであってもよい。
【００１２】
前記ＥＣＵ２０は、クランク角センサ１４が検出したエンジン回転速度信号、アクセル開度センサ１５が検出したアクセル開度信号（負荷）等に基づいて運転条件を判定し、燃料噴射量、燃料噴射時期、Ｖ／Ｎターボチャージャー８（の可変ノズル機構８４）のノズル角度を算出する。そして、この算出結果に基づいて、燃料噴射制御部２１は前記燃料噴射装置４を制御し、Ｖ／Ｎターボチャージャー制御部２２は前記可変ノズル機構８４を制御する。また、可変圧縮比制御部２３は前記可変圧縮比機構９の偏心シャフト９４を回転させて第２リンク９５の支持位置を変化させる。この結果、第１リンク９３の傾斜角が変化し、ピストン５の行程（上死点位置）が変化して圧縮比を変更する。
【００１３】
次に、本実施形態の特徴的な動作について説明する。
まず、本実施形態では、高回転・高負荷領域、すなわち、最大出力点付近においては、前記可変圧縮比機構９によりピストン５の圧縮上死点位置を下げることで圧縮比を低下して最大燃焼圧力Ｐｍａｘを低下する。これは、エンジン最高出力を向上させるためである。
【００１４】
すなわち、最大燃焼圧力Ｐｍａｘが上昇するのに伴い、燃焼室内の熱伝達率αが上昇することから（図２参照）、最大燃焼圧力Ｐｍａｘが高くなるにつれて、ピストン５等の燃焼室構成部品への熱流速が増加する。このため、前記燃焼室構成部品の温度限界（耐熱限界）によって高負荷領域での運転が制限され、エンジン最高出力も制限されることになる。そこで、最大燃焼圧力Ｐｍａｘを低下することで、前記燃焼室構成部品の温度がその限界温度とならないようにし、前記燃焼室構成部品の耐熱限界からくる制限をなくし、エンジン最高出力の向上を図るのである。
【００１５】
より具体的に説明すると、図３（最大出力点付近の燃焼室内のガス温度履歴）及び図４（Ｐ−Ｖ線図）に示すように、従来のもの、すなわち、高回転高負荷運転領域で圧縮比を低下させないものに比べて、着火直前のガス温度及び筒内圧力が低くなるため、燃焼による最高温度到達点及び最大燃焼圧力も低下する。そして、最大燃焼圧力が低下すると燃焼ガスから燃焼室構成部品への熱伝達率が低下し、燃焼温度も低下するため熱流速が低下する。この結果、燃焼室構成部品の温度も低下するので、運転可能領域の制限（エンジン最高出力の制限）を解除できるのである。
【００１６】
また、最大燃焼圧力の低下に伴って動作部品（ピストン５等）の軽量化、簡素化を図ることができるので、エンジンの高回転化が可能となる。つまり、圧縮着火式エンジンに、従来ガソリンエンジンにおいて採用されていた本体系を共用化することも可能であり、更に、フリクションも低下するので燃費向上を図ることもできる。
【００１７】
但し、このように最大燃焼圧力を低下すると、低圧縮化によって燃焼が緩慢となり、排気損失も増大するので排気温度が上昇してしまう。特に、排気通路１２中に排気浄化装置（図示省略）が介装されている場合、排気温度が過度に上昇すると排気浄化装置が熱損してしまうことから、図５において実線で示すように、Ｐｍａｘ０なる最大燃焼圧力は、排気浄化装置に応じて定まる上限温度Ｔｕに対応するＰｍａｘ１までしか低下させることができない。これは、最大燃焼圧力を、例えばＰｍａｘ１よりも低いＰｍａｘ２まで低下させると、排気温度が前記上限温度Ｔｕを超えてしまい、排気浄化装置の熱損を招くことになるからである。
【００１８】
このように、排気浄化装置によって最大燃焼圧力を低下できる領域（最大燃焼圧力低下可能領域）が制限を受けることになるため、高回転・高負荷域で運転できない領域が生じ、これによって、図６に示すように、最高出力の向上代が低下することになる。すなわち、上記最大燃焼圧力低下可能領域の制限により、最大燃焼圧力をＰｍａｘ１までしか低下できないので、最高出力の向上代ａ１を得ることができるが、最大燃焼圧力をＰｍａｘ２まで低下したら得られるであろう向上代ａ２（＞ａ１）を得ることができず、いわば、その分の向上代が低下することになる。
【００１９】
そこで、本実施形態では、圧縮比を低下して最大燃焼圧力を低下すると共に、排気温度を低下させることで上記制限をなくし、前記最高出力の向上代を十分に確保できるようにしている。以下、排気温度の低下について説明する。
まず、エンジン要求出力Ｐｗと空気過剰率λとの関係について説明する。図７において破線で示すように、従来の圧縮着火式エンジンでは、要求出力Ｐｗの増大に伴って空気過剰率λが小さくなり、その下限値としては、黒煙及びＰＭ排出量の限界からλ＝１．２付近を採用している。
【００２０】
次に、排気温度Ｔｅｘｈと空気過剰率λとの関係について説明する。図８に示すように、空気過剰率λを増大させることにより、等燃料噴射時、すなわち、等出力時における排気温度Ｔｅｘｈが低下することが確認されている。なお、このときの排気温度の低下分は実験等により求めるこができるが、本実施形態では、空気過剰率λが０．０５大きくなると排気温度は３０Ｋ程度低下した。
【００２１】
従って、圧縮比を低下（最大燃焼圧力を低下）することにより生じる排気温度の上昇分のうち、前記上限温度Ｔｕを超える分（図５においてｔで示す）を低下させるように、空気過剰率λを増大すれば（すなわち、吸気量を増大すれば）、排気温度Ｔｅｘｈが前記上限温度Ｔｕを超えることを回避でき、上述したような排気浄化装置による制限をなくすことができる。これにより、高回転・高負荷域における運転可能領域を拡大し、最高出力を増大させることができる。
【００２２】
より具体的には、図７において実線で示すように、高負荷域（最大出力点付近）で空気過剰率をλ１からλ２（＞λ１）に増大することで、圧縮比を低下して最大燃焼圧力をＰｍａｘ２まで低下するようにしても、排気温度Ｔｅｘｈが前記上限温度Ｔｕ以下となるので（図５の破線）、上記制限による最高出力の向上代の低下を防止し、最高出力を増大できる（図６参照）。
【００２３】
以上のように、本実施形態では、高回転・高負荷域において、前記圧縮比可変機構９により圧縮比を低下して最大燃焼圧力を低下すると共に、前記Ｖ／Ｎターボチャージャー８によって過給圧を上昇させることにより空気過剰率λを増大（吸気量を増大）することで、圧縮比を低下することで可能となる燃焼室構成部品の温度を低下させること、圧縮比を低下すると上昇してしまう排気温度を低下させること、という従来トレードオフの関係にあったものを両立させることが可能となり、高出力化を実現した圧縮着火式エンジンとすることができるのである。
【００２４】
図９は、以上説明した圧縮比低下制御（すなわち、最大燃焼圧力の低下制御）及び排気温度低下制御（すなわち、空気過剰率λの増大制御）のフローチャートである。図９において、ステップ１（図では、Ｓ１と記す。以下同じ）では、エンジンの回転速度Ｎｅ及び負荷Ｔを検出する。
ステップ２では、圧縮比を低下する領域（圧縮比低下制御領域）であるか否かを判断する。この判断は、エンジン運転条件が高回転高負荷領域に設定された圧縮比低下制御領域であるか否かを判断するものであり、具体的には、ステップ１で検出した回転速度Ｎｅ及び負荷Ｔに基づいて、図１０に示すマップを参照することにより行う。そして、圧縮比低下制御領域であればステップ３に進み、圧縮比低下制御領域でなければ終了する。
【００２５】
ステップ３では、圧縮比の低下制御を実行する。かかる制御は、上述したように、可変圧縮比機構９によってピストン５の圧縮上死点位置を下げることにより行う。
ステップ４では、空気過剰率λの増大制御を実行する。かかる制御は、上述したように、Ｖ／Ｎターボチャージャー８のノズル制御によって過給圧を上昇させることにより行う。
【００２６】
以上説明した実施形態（第１実施形態）では、以下のような効果を有する。
（１）可変圧縮比機構９によって圧縮比を低下することで最大燃焼圧力を低下することができ、Ｖ／Ｎターボチャージャー８のノズル制御によって過給圧を上昇させることで空気過剰率（吸気量）を増大できるので、高回転高負荷において、前記可変圧縮機構９及びＶ／Ｎターボチャージャー８の駆動を制御することにより、エンジンの燃焼室構成部品の温度と排気温度とを同時に低下させることができる。なお、前記可変圧縮比機構９は圧縮比を可変できるので、上記のように、高回転高負荷では圧縮比を低下させる一方、それ以外の領域では高い圧縮比を保つようにすることで、広い運転領域において燃費向上を図ることができる。
（２）また、排気温度が排気浄化装置に応じて定まる限界温度以下となるように空気過剰率（吸気量）を増大させるので、最大燃焼圧力を低下した場合であっても、排気浄化装置の熱損を確実に回避できると共に、かかる排気浄化装置の熱損を回避するために制限されていた領域での運転も可能となる。これにより、最大燃焼圧力を低下することによって得られる最高出力の向上代を、運転領域の制限により低下させることなく、そのまま享受できる。
（３）可変圧縮比機構９は、ピストンの上死点位置を変更することで容易に圧縮比を可変できるので、高回転高負荷域において、容易かつ速やかに圧縮比を低下させることができることができる。
（４）Ｖ／Ｎターボチャージャー８のノズル制御によって過給圧を増大させて空気過剰率を増大するので、高出力時であっても確実に空気過剰率を増大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るシステム構成図である。
【図２】最大燃焼圧力Ｐｍａｘと燃焼室内熱伝導率αとの関係を示す図である。
【図３】本実施形態における燃焼室内ガス温度履歴と従来の機関における燃焼室内ガス温度履歴とを比較説明する図である。
【図４】本実施形態におけるＰ−Ｖ線図と従来の機関におけるＰ−Ｖ線図とを比較説明する図である。
【図５】最大燃焼圧力Ｐｍａｘの変化に対する排気温度Ｔｅｘｈの変化を説明する図である。
【図６】最大燃焼圧力Ｐｍａｘの変化に対する最高出力の変化（最高出力の向上代）を説明する図である。
【図７】出力Ｐｗに対する空気過剰率λの変化を説明する図である。
【図８】出力Ｐｗと排気温度Ｔｅｘｈの関係を説明する図である。
【図９】実施形態における圧縮比低下制御及び排気温度低下制御を示すフローチャートである。
【図１０】圧縮比低下制御（及び排気温度低下制御）を行う領域を説明する図である。

Claims

排気通路に排気浄化触媒を有する圧縮着火式内燃機関の制御装置であって、
ピストンの圧縮上死点位置を下げて圧縮比を低下する圧縮比可変手段と、
過給圧を可変制御可能な過給機と、
所定の高回転高負荷域において上記圧縮比可変手段により前記圧縮比を低下させるとともに、前記過給機を介して空気過剰率を高める制御手段と、
を備え、
前記空気過剰率は、低負荷域から負荷上昇に伴って徐々に低下していくとともに、上記高回転高負荷域においては、逆に負荷上昇に伴って徐々に上昇していく特性に設定されている、
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。