JP4775129B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

天然ガスを燃料とする内燃機関では、その燃料性状によりオクタン価（若しくはセタン価）が変化するため、ノッキングが発生することがある。例えばＣＮＧ（圧縮天然ガス）はオクタン価が高いが、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）はそれと比較してオクタン価が低い。一方、ＬＰＧ（液化石油ガス）を燃料とする火花点火機関では、ＬＰＧはオクタン価が高いため、内燃機関の圧縮比を比較的高くできる。このＬＰＧとＤＭＥとは、どちらも常温で気体であるが、６から７気圧程度になると液化する。そして、このＬＰＧとＤＭＥは混合することができる。そのため、ＬＰＧとＤＭＥとは混合して用いられることがある。この混合された燃料中のＬＰＧの比率が高くなるほど混合燃料のオクタン価が高くなりノッキングが発生し難くなる。一方、ＤＭＥの比率が高くなるほど混合燃料のオクタン価が低くなり（セタン価は高くなり）ノッキングが発生しやすくなる。

ここで、天然ガスを燃料とする内燃機関において、燃料のオクタン価が低い場合には点火時期を遅角することによりノッキングの発生を抑制する技術が知られ知られている（例えば、特許文献１参照。）。

しかし、点火時期の遅角量が大きくなると内燃機関の効率の低下を招く。また、遅角量が大きくなると内燃機関の運転状態が不安定となるおそれもある。さらに、点火時期の遅角により排気温度の上昇や燃費の悪化を招くこともある。そのため、点火時期を遅角させる量には限度がある。この限度において点火時期を遅角させると、ノッキングの発生を抑制することが困難となるおそれがある。
特開２００３−２３９８３６号公報 特開２０００−２２０４８４号公報 特開平０８−１５８９０８号公報 特開平０８−１２１２０１号公報 特開２００４−３４６８７６号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の制御装置において、ノッキングの発生をより抑制することができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の制御装置は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による内燃機関の制御装置は、
オクタン価の異なる複数の燃料を混合して用いる内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関へ燃料を供給する燃料供給手段と、
前記内燃機関に供給される燃料のオクタン価と関連する値を検出するオクタン価検出手段と、
前記オクタン価検出手段により検出される値に基づいてオクタン価が所定値以上と判断される場合には火花点火により内燃機関を運転させ、所定値よりも低いと判断される場合には予混合圧縮自着火により内燃機関を運転させる着火方法切替手段と、
を具備することを特徴とする。

前記内燃機関は、複数の燃料を混合したものを混合燃料として使用することができる。ここで、火花点火にて内燃機関を運転しているときにノッキングが発生する運転領域は、該混合燃料に含まれる夫々の燃料におけるオクタン価と、混合燃料中の夫々の燃料の比率と、によって変化する。

そして、火花点火にて内燃機関を運転しているときにノッキングが発生した場合には、点火時期を遅く（遅角）させることにより、気筒内の圧力上昇を抑制する。これにより、ノッキングの発生を抑制することができる。

しかし、オクタン価の低い燃料の比率が高い場合には、点火時期の遅角によってもノッキングの発生を抑制することが困難な場合もある。そこで、着火方法切替手段は、オクタン価が低くノッキングの発生を抑えられない場合には、予混合圧縮自着火に切り替える。すなわち、燃料のオクタン価が低い場合には、セタン価は高いので、予混合圧縮自着火時のノッキングの発生を抑制することができる。

また、オクタン価検出手段は、燃料のオクタン価と相関する値を検出する。これにより、間接的にオクタン価を得ることができる。例えば、ノッキングが発生したときに点火時期を遅角させるフィードバック制御が行われているときの点火時期の遅角量を検出してもよい。

また、供給され得る燃料のオクタン価を予め記憶しておくか燃料供給時に入力し、さらにどの燃料がどのくらい供給されたかを検出し、混合燃料中の各燃料の比率と各燃料のオクタン価とに基づいて混合燃料のオクタン価を得るようにしてもよい。

このようなことから、前記所定値は、内燃機関が火花点火にて運転することのできるオクタン価の下限値、内燃機関の燃費が許容範囲となるオクタン価の下限値、内燃機関の排気の温度が排気系に備わる部材の耐熱温度以内となるオクタン価の下限値、または点火時期の遅角量が許容範囲内となるオクタン価の下限値と定義することができる。

したがって、本発明においては、前記オクタン価検出手段は、
内燃機関で発生するノックを検出するノック検出手段と、
ノック検出手段によりノックが検出された場合には前記火花点火の時期を遅角させる点火時期遅角手段と、
を備え、
前記着火方法切替手段は、火花点火の時期の遅角量が所定量よりも大きい場合に予混合圧縮自着火に切り替えることができる。

すなわち、点火時期を遅角させるほどノッキングが発生し難くなるので、点火時期とノッキングの発生とには相関関係がある。また、オクタン価が高くなるほどノッキングが発生し難くなる。そのため、点火時期が遅角されるほど、そのときの燃料はノッキングが発生しやすく、オクタン価が低いと判断できる。

そして、点火時期の遅角量が所定量よりも大きくなった場合には、オクタン価が前記所定値よりも低いということになる。すなわち、ここでいう所定量とは、遅角量の許容範囲の上限値である。

なお、「点火時期の遅角量」は、基本となる点火時期からの遅角量としてもよい。この値は、オクタン価が低くなるほど、大きくなる。

本発明においては、過給器をさらに備え、予混合圧縮自着火により内燃機関を運転させる場合には、火花点火により内燃機関を運転させるときよりも過給圧を高くすることができる。

予混合圧縮自着火を行なう場合には、火花点火のときよりも気筒内の圧力をより高くしなければならない。すなわち、圧縮行程における温度上昇値を大きくしなければならない。ここで、過給圧を高くすることにより、気筒内の圧力を上昇させることができるので、圧縮行程時の温度上昇を大きくすることができる。これにより、予混合圧縮自着火を容易に行なうことができる。

本発明においては、前記燃料供給手段は、火花点火と予混合圧縮自着火とを切り替える前後で機関発生トルクが同じとなるように燃料供給量を補正することができる。

過給器により過給圧が高くされると機関発生トルクが増加する。したがって、過給圧を上昇させつつ予混合圧縮自着火に切り替えたときに燃料供給量を補正しないと、機関発生トルクが増加する。そして、機関発生トルクが変化することによりドライバビリティが悪化してしまう。これに対し、機関発生トルクの変化分を打ち消すように燃料供給量を補正すれば、機関発生トルクの変化を抑制することができる。

本発明によれば、ノッキングの発生をより抑制することができる。

以下、本発明に係る内燃機関の制御装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関の制御装置を適用する内燃機関１、並びにその吸気系および排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、水冷式の４サイクルエンジンである。内燃機関１は、ＬＰＧ（液化石油ガス）およびＤＭＥ（ジメチルエーテル）を任意の割合で混合した混合燃料を用いることができる。なお、他の気体燃料を混合してもよい。

内燃機関１には、燃焼室２へ通じる吸気通路３が接続されている。この吸気通路３の途中には、内燃機関１の吸入空気量を測定するエアフローメータ４が取り付けられている。また、エアフローメータ４よりも内燃機関１側の吸気通路３には、スロットル５が設けられている。このスロットル５には、該スロットル５の開度に応じた信号を出力するスロットル開度センサ５１が取り付けられている。このスロットル開度センサ５１の出力信号により内燃機関１の負荷を検出することができる。

スロットル５よりも内燃機関１側の吸気通路３には、該吸気通路３内に燃料を噴射する燃料噴射弁６が取り付けられている。なお、本実施例では燃料噴射弁６が、本発明における燃料供給手段に相当する。燃料噴射弁６には、燃料供給管６１が接続され該燃料供給管６１内には混合燃料が流れている。

一方、内燃機関１には、燃焼室２へ通じる排気通路７が接続されている。

エアフローメータ４とスロットル５との間の吸気通路３の途中には、排気のエネルギを駆動源として作動するターボチャージャ９のコンプレッサ９１が設けられている。一方、排気通路７の途中には、ターボチャージャ９のタービン９２が設けられている。また排気
通路７には、タービン９２よりも上流側と下流側とを接続するバイパス通路９３が設けられている。バイパス通路９３の途中には、排気を流通または遮断させるウェイストゲートバルブ９４が備えられている。このウェイストゲートバルブ９４を開閉させることにより、タービン９２を通過する排気の量を調節することができるので、過給圧を調節することができる。なお、本実施例ではターボチャージャ９が、本発明における過給器に相当する。

また、内燃機関１には、燃焼室２内に火花を発生させる点火プラグ１１が取り付けられている。また、内燃機関１には、ノッキングを検出するノックセンサ１２が取り付けられている。なお、本実施例ではノックセンサ１２が、本発明におけるノック検出手段に相当する。さらに、スロットル５よりも下流の吸気通路３には、該吸気通路３内の圧力を検出する吸気圧力センサ１３が取り付けられている。この吸気圧力センサ１３により過給圧が検出される。

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であるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０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。

ＥＣＵ１０には、前記センサが電気配線を介して接続され、これらセンサの出力信号が入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ１０には、スロットル５と、燃料噴射弁６と、ウェイストゲートバルブ９４とが電気配線を介して接続され、燃料噴射弁６からの燃料噴射量、スロットル５の開度、ウェイストゲートバルブ９４の開閉がＥＣＵ１０により制御される。

そして、本実施例では、点火プラグ１１から火花を発生させる時期（以下、点火時期という。）をノックセンサ１２の出力信号に基づいてフィードバック制御している。すなわち、ノックセンサ１２によりノッキングが検出された場合には、点火時期を所定時期だけ遅らせる（「遅角させる」ともいう。）。そして、ノッキングが検出されなくなるまで繰り返し点火時期を遅角させる。

ここで、混合燃料中のＬＰＧの比率が比較的高い場合には、それに応じて混合燃料のオクタン価が高くなるため、ノッキングが発生し難い。すなわち、点火時期のフィードバック制御では、点火時期を遅角させる量が小さい。

一方、混合燃料中のＤＭＥの比率が高くなると、それに応じて混合燃料のオクタン価が低くなるため、ノッキングが発生しやすい。すなわち、点火時期のフィードバック制御では、点火時期を遅角させる量が大きい。そして、ＤＭＥの比率が高くなりすぎると、点火時期の遅角量が大きくなりすぎ、遅角量の許容値を超えるおそれがある。また、遅角量の許容値を超えないように点火時期の遅角を制限すると、ノッキングが発生することになる。

そのため、本実施例では、点火時期の遅角量が許容値を超える場合には、ＤＭＥの比率が高い、すなわちオクタン価が低いとして火花点火から予混合圧縮自着火に切り替える。ここで、ＤＭＥはセタン価が高いため、混合燃料中のＤＭＥの比率が高くなると予混合圧縮自着火による内燃機関１の運転が容易になる。これにより、ノッキングの発生を抑制できる。

なお、予混合圧縮自着火には、高い温度が要求されるため、火花点火から予混合圧縮自着火に切り替えるときに、同時に過給圧を上昇させる。これにより、燃焼室２内の温度をより高くすることができるので、より容易に予混合圧縮自着火での運転が可能となる。

次に、本実施例に係る点火方法を切り替えるフローについて説明する。図２は、本実施例に係る点火方法を切り替えるフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、点火時期Ｔが入力される。基本となる点火時期（以下、基本点火時期という。）は、機関回転数および機関負荷等に基づいて決定される。

ステップＳ１０２では、ノッキングが発生しているか否か判定される。すなわちノックセンサ１２によりノッキングが検出されているか否か判定される。ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進み、一方否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。

ステップＳ１０３では、点火時期が遅角されるとともに、遅角量が積算される。すなわち、以下の処理が行なわれる。
Ｔ←Ｔ−ΔＴ０
τ＝ΣΔＴ０
ただし、Ｔは点火時期、ΔＴ０は遅角量、τは遅角量の積算値である。すなわち、現在の点火時期から遅角量を減じた値が、新たな点火時期とされる。また、遅角量の積算値τは、基本点火時期からの遅角量としてもよい。この遅角量の積算値τはオクタン価に応じて変わる。すなわち、本実施例ではステップＳ１０３を処理するＥＣＵ１０が、本発明におけるオクタン価検出手段に相当する。また、本実施例ではステップＳ１０３で点火時期を遅角させるＥＣＵ１０が、本発明における点火時期遅角手段に相当する。

ステップＳ１０４では、遅角量の積算値τが許容値τ０よりも大きいか否か判定される。許容値τ０は、火花点火により内燃機関１の運転が行い得る値である。この値は、出力の低減、排気温度の上昇または燃費の悪化等を考慮して設定してもよい。この許容値τ０よりも遅角量の積算値τが大きい場合には、オクタン価が所定値よりも低いと判断されて予混合圧縮自着火に切り替えられる。

ここで、点火時期を遅角すると出力が低下する。そして、出力の低下を抑制するためには、より多くの燃料が必要となる。つまり点火時期を遅角することにより燃費が悪化する。また、点火時期を遅角すると、燃焼ガスがピストンを押し下げるときの仕事が少なくなるため、その分、排気の温度が上昇する。

すなわち、許容値τ０は、内燃機関が火花点火にて運転することのできる積算値の下限値、内燃機関の燃費が許容範囲となる積算値の下限値、内燃機関の排気の温度が排気系に備わる部材の耐熱温度以内となる積算値の下限値、または点火時期の遅角量の積算値が許容範囲内と値となるときの下限値と定義することができる。なお、ある程度の余裕を考慮して許容値τ０を設定してもよい。

ここで、遅角量の積算値τが大きくなるのは、点火時期の遅角が多く行なわれたということなので、オクタン価が低い燃料の比率が高いと考えられる。すなわち、本ステップでは、混合燃料中のオクタン価が低い燃料の比率が高いか否か判定されている。これは、混合燃料自体のオクタン価が低くなっているか否か判定していることになる。

ステップＳ１０４で肯定判定がなされた場合には予混合圧縮自着火に切り替えるためにステップＳ１０５へ進み、一方否定判定がなされた場合には火花点火を続けるためにステップＳ１０２へ戻る。そして、ノッキングが発生しなくなるまでステップＳ１０２からステップＳ１０４までの処理が繰り返し実行される。なお、本実施例ではステップＳ１０４
を処理するＥＣＵ１０が、本発明における着火方法切替手段に相当する。

ステップＳ１０５では、過給圧が上昇される。本実施例では、吸気圧力センサ１３により得られる過給圧に基づいて、ウェイストゲートバルブ９４が開閉される。すなわち、過給圧が閾値よりも高い場合にウェイストゲートバルブ９４を開弁させて、過給圧が閾値以下となるように制御される。そして、過給圧を上昇させるために、本ステップでは、過給圧の閾値が火花点火のときよりも高くされる。この閾値は、予め実験等により最適な値を求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。これにより、過給圧の上限値が高くなる。

ステップＳ１０６では、火花点火から予混合圧縮自着火に切り替えられる。すなわち、点火プラグ１１からの火花点火が停止される。そして、ステップＳ１０５により過給圧が上昇されると、機関発生トルクが上昇してしまうので、火花点火から予混合圧縮自着火に切り替えるときに、発生トルクが変化しないように燃料供給量が変更される。これは、火花点火と予混合圧縮自着火とで夫々燃料供給量のマップを備えていても良く、火花点火の燃料供給量のマップを供え該マップを補正して用いても良い。これらのマップは予め実験等により求めておく。

このようにして、混合燃料中のＤＭＥの比率が高いために火花点火ではノッキングが発生するような場合に、予混合圧縮自着火に切り替えることにより、ノッキングの発生を抑制できる。また、予混合圧縮自着火に切り替えることにより、燃焼温度のピーク値を下げることができるので、ＮＯxの発生を抑制することもできる。

さらに、予混合圧縮自着火に切り替えるときには、過給圧を上昇させるので、予混合圧縮自着火による運転をより容易に行なうことができる。

また、予混合圧縮自着火に切り替えるときには、燃料供給量を変更するので、発生トルクの変化を抑制することができる。

実施例に係る内燃機関の制御装置を適用する内燃機関、並びにその吸気系および排気系の概略構成を示す図である。 実施例に係る点火方法を切り替えるフローを示したフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 燃焼室
３ 吸気通路
４ エアフローメータ
５ スロットル
６ 燃料噴射弁
７ 排気通路
９ ターボチャージャ
１０ ＥＣＵ
１１ 点火プラグ
１２ ノックセンサ
１３ 吸気圧力センサ
５１ スロットル開度センサ
５２ アクチュエータ
６１ 燃料供給管
９１ コンプレッサ
９２ タービン
９３ バイパス通路
９４ ウェイストゲートバルブ

Claims (3)

1. オクタン価の異なる複数の燃料を混合して用いる内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関へ燃料を供給する燃料供給手段と、
   前記内燃機関に供給される燃料のオクタン価と関連する値を検出するオクタン価検出手段と、
   前記オクタン価検出手段により検出される値に基づいてオクタン価が所定値以上と判断される場合には火花点火により内燃機関を運転させ、所定値よりも低いと判断される場合には予混合圧縮自着火により内燃機関を運転させる着火方法切替手段と、
   を具備し、
   前記オクタン価検出手段は、
   内燃機関で発生するノックを検出するノック検出手段と、
   ノック検出手段によりノックが検出された場合には前記火花点火の時期を遅角させる点火時期遅角手段と、
   を備え、
   前記着火方法切替手段は、火花点火の時期の遅角量が所定量よりも大きい場合に予混合圧縮自着火に切り替えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 過給器をさらに備え、予混合圧縮自着火により内燃機関を運転させる場合には、火花点火により内燃機関を運転させるときよりも過給圧を高くすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記燃料供給手段は、火花点火と予混合圧縮自着火とを切り替える前後で機関発生トルクが同じとなるように燃料供給量を補正することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。

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