JP4833786B2

JP4833786B2 - 予混合圧縮自着火エンジンの制御装置及び制御方法

Info

Publication number: JP4833786B2
Application number: JP2006270835A
Authority: JP
Inventors: 守淑田村; 孝弘佐古
Original assignee: Saibu Gas Co Ltd; Osaka Gas Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd; Toho Gas Co Ltd
Current assignee: Saibu Gas Co Ltd; Osaka Gas Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd; Toho Gas Co Ltd
Priority date: 2006-10-02
Filing date: 2006-10-02
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2026-10-02
Also published as: JP2008088899A

Description

この発明は、天然ガスを燃料としたコージェネレーション用のエンジンに係り、空気と燃料を混合してなる混合気を気筒に供給し、その混合気を気筒にて圧縮し、高温高圧化して自着火させる予混合圧縮自着火エンジンの制御装置及び制御方法に関する。

従来より、コージェネレーション設備等への使用が期待される予混合圧縮自着火（以下「ＨＣＣＩ」と言う）エンジンの運転方法に関する技術が、例えば、下記の特許文献１に提案されている。この特許文献１には、エンジンに供給される空気を昇圧させるために、エンジンに過給機が搭載されている。ＨＣＣＩエンジンでは、吸気温がより高く、吸気圧がより高いほうが、混合気を自着火させることができる範囲が広くなる。このため、エンジン負荷が高くなるＨＣＣＩ定格運転では、過給機を使用することで、エンジンに供給される空気が高温高圧となり、安定したＨＣＣＩ定格運転を達成することができる。

特開２０００−２２０４８４号公報

ところが、過給機を搭載したエンジンでは、アイドル運転等の低負荷運転時のような吸気条件下、すなわち空気が低温低圧となる条件下では、混合気を自着火させることができず、ＨＣＣＩ定格運転を行うことができない。そこで、特許文献１に記載の技術では、低負荷運転時には、火花点火により混合気を着火させている。また、冷間始動時にも、火花点火を併用する必要がある。ところが、ＨＣＣＩエンジンの圧縮比は比較的高いことから、火花点火で混合気を着火させようとしても、混合気が早めに自着火してノッキングが発生する懸念があり、安定的な運転が阻害されるおそれがあった。これを回避するために、特許文献１に記載の技術では、過給気を冷却する機構（インタークーラー）や過給気を降圧させる機構（給排気管のバイパス）を設けなければならず、ノッキング回避のための構成機器が増え、構成が複雑化することとなった。また、火花点火による運転からＨＣＣＩによる運転への運転切替についても、ノッキングを回避しながらスムーズに行う必要があるが、特許文献１には、そのような運転切替について有効な技術が開示されていない。

この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、過給機を搭載したＨＣＣＩエンジンにおいて、過給機に付随した構成を複雑にすることなく、低負荷運転時には火花点火により安定的な運転を確保すると共に、中高負荷運転時にはＨＣＣＩにより安定的な運転を確保し、火花点火運転からＨＣＣＩ運転への運転切替時には、スムーズな運転切替を可能とした予混合圧縮自着火エンジンの制御装置及び制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、天然ガスを燃料としたコージェネレーション用のエンジンに係り、気筒に空気と燃料からなる混合気を供給し、その混合気を圧縮により自着火させると共に、気筒に供給される空気を過給機により昇圧させる予混合圧縮自着火エンジンの制御装置において、エンジンの運転状態を検出するための運転状態検出手段と、燃料の量を調整するための燃料調整手段と、混合気を火花点火させる点火手段と、エンジンが低負荷状態のとき、火花点火運転を行うために、検出される運転状態に基づき点火手段を制御することにより火花点火の時期を制御すると共に、検出される運転状態に基づき燃料調整手段を制御することにより燃料の量を調整する火花点火運転制御手段と、エンジンが中高負荷状態のとき、予混合圧縮自着火運転を行うために、検出される運転状態に基づき燃料調整手段を制御することにより燃料の量を調整する予混合圧縮自着火運転制御手段と、火花点火運転から予混合圧縮自着火運転への運転切替時には、検出される運転状態の変化に応じて燃料の量を変化させるために燃料調整手段を制御する運転切替制御手段とを備え、運転切替制御手段は、エンジン負荷が所定値より高いときに燃料調整手段を制御することにより燃料の量を所定値だけ一旦微増させ、それをトリガとしてエンジンの出力が若干増加し、エンジンの排気ガス温度が増大して過給機の出力が増加し、吸気圧及び吸気温がそれぞれ上昇し始めることで運転切替を開始し、その後はエンジン負荷が上昇して所定値より高いときに燃料の量を減少させ、更にエンジン負荷が上昇して所定値より高いときに火花点火運転を終了させ、エンジン負荷が所定値となるように燃料の量を調整することを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、エンジンが低負荷状態のとき、火花点火運転制御手段が、エンジンの運転状態に基づき点火手段を制御することにより火花点火の時期を制御すると共に、エンジンの運転状態に基づき燃料調整手段を制御することにより燃料の量を調整することにより、火花点火運転が行われる。従って、圧縮比が高く設定されたエンジンであっても、混合気は早めに自着火することなく火花点火により適正に着火する。一方、エンジンが中高負荷状態のとき、予混合圧縮自着火運転制御手段が、エンジンの運転状態に基づき燃料調整手段を制御することにより燃料の量を調整することにより、混合気が適正に自着火して予混合圧縮自着火運転が行われる。加えて、火花点火運転から予混合圧縮自着火運転への運転切替時には、運転切替制御手段が、エンジンの運転状態の変化に応じて燃料の量を変化させるために燃料調整手段を制御する。従って、運転切替に際して混合気が早めに自着火することがない。また、燃料の量を一旦微増させることをトリガとして火花点火から自着火への切替が開始し、その後に燃料の量が減少するのに伴い自着火への切替が完了する。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、天然ガスを燃料としたコージェネレーション用のエンジンに係り、気筒に空気と燃料からなる混合気を供給し、その混合気を圧縮により自着火させると共に、気筒に供給される空気を過給機により昇圧させる予混合圧縮自着火エンジンの制御装置において、エンジンの運転状態を検出するための運転状態検出手段と、燃料の量を調整するための燃料調整手段と、混合気を火花点火させる点火手段と、エンジンが低負荷状態のとき、火花点火運転を行うために、検出される運転状態に基づき点火手段を制御することにより火花点火の時期を制御すると共に、検出される運転状態に基づき燃料調整手段を制御することにより燃料の量を調整する火花点火運転制御手段と、エンジンが中高負荷状態のとき、予混合圧縮自着火運転を行うために、検出される運転状態に基づき燃料調整手段を制御することにより燃料の量を調整する予混合圧縮自着火運転制御手段と、火花点火運転から予混合圧縮自着火運転への運転切替時には、検出される運転状態の変化に応じて火花点火の時期と燃料の量を変化させるために点火手段と燃料調整手段を制御する運転切替制御手段とを備え、運転切替制御手段は、エンジン負荷が所定値より高いときに点火手段を制御することにより火花点火の時期を一旦進角させ、それをトリガとしてエンジンの出力が若干増加し、エンジンの排気ガス温度が増大して過給機の出力が増加し、吸気圧及び吸気温がそれぞれ上昇し始めることで運転切替を開始し、その後はエンジン負荷が上昇して所定値より高いときに燃料の量を減少させ、更にエンジン負荷が上昇して所定値より高いときに火花点火運転を終了させ、エンジン負荷が所定値となるように燃料の量を調整することを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、エンジンが低負荷状態のとき、火花点火運転制御手段が、エンジンの運転状態に基づき点火手段を制御することにより火花点火の時期を制御すると共に、エンジンの運転状態に基づき燃料調整手段を制御することにより燃料の量を調整することにより、火花点火運転が行われる。従って、圧縮比が高く設定されたエンジンであっても、混合気は早めに自着火することなく火花点火により適正に着火する。一方、エンジンが中高負荷状態のとき、予混合圧縮自着火運転制御手段が、エンジンの運転状態に基づき燃料調整手段を制御することにより燃料の量を調整することにより、混合気が適正に自着火して予混合圧縮自着火運転が行われる。加えて、火花点火運転から予混合圧縮自着火運転への運転切替時には、運転切替制御手段が、エンジンの運転状態の変化に応じて火花点火の時期と燃料の量を変化させるために点火手段と燃料調整手段を制御する。従って、運転切替に際して混合気が早めに自着火することがない。また、火花点火の時期の一旦進角させることをトリガとして火花点火から自着火への切替が開始し、その後は燃料の量を減少させることことに伴い自着火への切替が完了する。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、天然ガスを燃料としたコージェネレーション用のエンジンに係り、気筒に空気と燃料からなる混合気を供給し、その混合気を圧縮により自着火させると共に、気筒に供給される空気を過給機により昇圧させる予混合圧縮自着火エンジンの制御方法において、エンジンが低負荷状態のとき、火花点火運転を行うために、エンジンの運転状態に基づき火花点火の時期を制御すると共に前記燃料の量を調整し、エンジンが中高負荷状態のとき、予混合圧縮自着火運転を行うために、エンジンの運転状態に基づき燃料の量を調整し、火花点火運転から予混合圧縮自着火運転への運転切替時には、エンジン負荷が所定値より高いときに燃料の量を一旦微増させ、それをトリガとしてエンジンの出力が若干増加し、エンジンの排気ガス温度が増大して過給機の出力が増加し、吸気圧及び吸気温がそれぞれ上昇し始めることで運転切替を開始し、その後はエンジン負荷が上昇して所定値より高いときに燃料の量を減少させ、更にエンジン負荷が上昇して所定値より高いときに火花点火運転を終了させ、エンジン負荷が所定値となるように燃料の量を調整することを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、エンジンが低負荷状態のとき、エンジンの運転状態に基づき火花点火の時期を制御すると共に、エンジンの運転状態に基づき燃料の量を調整することにより、火花点火運転が行われる。従って、圧縮比が高く設定されたエンジンであっても、混合気は早めに自着火することなく火花点火により適正に着火する。一方、エンジンが中高負荷状態のとき、エンジンの運転状態に基づき燃料の量を調整することにより、混合気が適正に自着火して予混合圧縮自着火運転が行われる。加えて、火花点火運転から予混合圧縮自着火運転への運転切替時には、エンジンの負荷変化に応じて燃料の量を変化させる。従って、運転切替に際して混合気が早めに自着火することがない。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、天然ガスを燃料としたコージェネレーション用のエンジンに係り、気筒に空気と燃料からなる混合気を供給し、その混合気を圧縮により自着火させると共に、気筒に供給される空気を過給機により昇圧させる予混合圧縮自着火エンジンの制御方法において、エンジンが低負荷状態のとき、火花点火運転を行うために、エンジンの運転状態に基づき混合気の火花点火の時期を制御すると共に燃料の量を調整し、エンジンが中高負荷状態のとき、予混合圧縮自着火運転を行うために、エンジンの運転状態に基づき燃料の量を調整し、火花点火運転から予混合圧縮自着火運転への運転切替時には、エンジン負荷が所定値より高いときに火花点火の時期を一旦進角させ、それをトリガとしてエンジンの出力が若干増加し、エンジンの排気ガス温度が増大して過給機の出力が増加し、吸気圧及び吸気温がそれぞれ上昇し始めることで運転切替を開始し、その後はエンジン負荷が上昇して所定値より高いときに燃料の量を減少させ、更にエンジン負荷が上昇して所定値より高いときに火花点火運転を終了させ、エンジン負荷が所定値となるように燃料の量を調整することを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、エンジンが低負荷状態のとき、エンジンの運転状態に基づき火花点火の時期を制御すると共に、エンジンの運転状態に基づき燃料の量を調整することにより、火花点火運転が行われる。従って、圧縮比が高く設定されたエンジンであっても、混合気は早めに自着火することなく火花点火により適正に着火する。一方、エンジンが中高負荷状態のとき、エンジンの運転状態に基づき燃料の量を調整することにより、混合気が適正に自着火して予混合圧縮自着火運転が行われる。加えて、火花点火運転から予混合圧縮自着火運転への運転切替時には、エンジンの負荷変化に応じて火花点火の時期と燃料の量を変化させる。従って、運転切替に際して混合気が早めに自着火することがない。

請求項１乃至４に記載の発明によれば、過給機を搭載したＨＣＣＩエンジンにおいて、過給機に付随した構成を複雑にすることなく、低負荷運転時には火花点火により安定的な運転を確保することができ、中高負荷運転時にはＨＣＣＩにより安定的な運転を確保することができ、火花点火運転からＨＣＣＩ運転への運転切替時には、スムーズな運転切替を行うことができる。

［第１実施形態］
以下、この発明の予混合圧縮自着火エンジンの制御装置及び制御方法を具体化した第１実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。以下において、「予混合圧縮自着火」を「ＨＣＣＩ」と称する。

図１に、この実施形態におけるＨＣＣＩエンジンの制御装置を概略構成図により示す。エンジン１は、４つの気筒２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄを有するレシプロ方式の４サイクル直列４気筒エンジンであり、各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート３ａには、吸気マニホールド４が接続される。吸気マニホールド４には、吸気パイプ５が接続される。これら吸気マニホールド４及び吸気パイプ５により、各気筒２Ａ〜２Ｄに空気を供給する吸気通路が構成される。各気筒２Ａ〜２Ｄの排気ポート３ｂには、排気マニホールド６が接続される。排気マニホールド６には、排気パイプ７が接続される。これら排気マニホールド６及び排気パイプ７により、各気筒２Ａ〜２Ｄから排ガスを排出する排気通路が構成される。

周知のようにレシプロ方式のエンジン１は、各気筒２Ａ〜２Ｄに設けられたピストン８の往復運動をクランクシャフト９の回転運動に変換して動力を得るものである。各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート３ａには、同ポート３ａを開閉するためにクランクシャフト９及びカムシャフト（図示略）の回転に連動して開閉駆動される吸気弁（図示略）が設けられる。同じく、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気ポート３ｂには、同ポート３ｂを開閉するためにクランクシャフト９及びカムシャフトの回転に連動して開閉駆動される排気弁（図示略）が設けられる。各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気弁及び排気弁は、クラックシャフト９の回転角度（クランク角度）及びカムシャフトの回転角度（カム角度）の変化に対応した所定のタイミングで開閉駆動するようになっている。

吸気パイプ５と排気パイプ７との間には、ターボチャージャ１０が設けられる。周知のようにターボチャージャ１０は、同一軸上に一体回転可能に設けられたタービン１０ａとコンプレッサ１０ｂを備える。タービン１０ａが排気パイプ７を流れる排ガスのエネルギー受けて回転することにより、コンプレッサ１０ｂが一体回転して吸気パイプ５を流れる空気を昇圧させる。このターボチャージャ１０は、各気筒２Ａ〜２Ｄに供給される空気を昇圧させるための本発明の過給機に相当する。

吸気パイプ５には、コンプレッサ１０ｂより上流にミキサ１１が設けられ、ミキサ１１の上流には、スロットルバルブ１２が設けられる。ミキサ１１には、燃料パイプ１３を通じて天然ガスが燃料として供給される。燃料パイプ１３には、天然ガスの流量を調整するための燃料弁１４が設けられる。燃料弁１４は、アクチュエータ（図示略）によりその開度が調整されるようになっている。ミキサ１１及び燃料弁１４は、各気筒２Ａ〜２Ｄに供給される燃料量を調整するための本発明の燃料調整手段に相当する。スロットルバルブ１２は、アクチュエータ（図示略）によりその開度が調整されるようになっている。

各気筒２Ａ〜２Ｄには、点火プラグ１５がそれぞれ設けられる。各点火プラグ１５は、各気筒２Ａ〜２Ｄに供給される混合気を火花点火方式により点火させるものである。各点火プラグ１５は、点火装置１６に接続され、点火装置１６から出力される高電圧に基づき動作するようになっている。点火装置１６は、各点火プラグ１５を所要のタイミング（点火時期）で動作させるために制御されるようになっている。各点火プラグ１５及び点火装置１６は、各気筒２Ａ〜２Ｄにて混合気を火花点火させる本発明の点火手段に相当する。

この実施形態で、エンジン１の行程容量は「３．３リットル」であり、圧縮比は比較的高い「２１」であり、ターボチャージャ１０による過給機圧力比は「２．１」であり、過給機効率は「６５％」となっている。

この実施形態で、吸気マニホールド４の入口には、吸気圧Ｐｉｎを検出するための吸気圧センサ３１が設けられる。エンジン１には、クランク角度を検出するためのクランク角度センサ３２が設けられる。また、エンジン１には、カム角度を検出するためのカム角度センサ３３が設けられる。これらセンサ３１〜３３は、本発明の運転状態検出手段に相当する。

この実施形態では、エンジン１の運転を制御するために電子制御装置（ＥＣＵ）３０が設けられる。ＥＣＵ３０には、スロットルバルブ１２、燃料弁１４及び点火装置１６がそれぞれ接続される。また、ＥＣＵ３０には、吸気圧センサ３１、クランク角度センサ３２及びカム角度センサ３３がそれぞれ接続される。ＥＣＵ３０には、エンジン１の運転を制御するための制御プログラムが予め格納される。ＥＣＵ３０は、この制御プログラムに基づきスロットルバルブ１２、燃料弁１４及び点火装置１６を制御するようになっている。ＥＣＵ３０は、本発明の火花点火運転制御手段、予混合圧縮自着火運転制御手段及び運転切替制御手段に相当する。

ここで、エンジン１を制御するための運転状態の指標となるのは、エンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷であり、ＥＣＵ３０は、エンジン回転数Ｎｅとしてクランク角度センサ３２により検出されるクランク角度を使用し、エンジン負荷として、吸気圧センサ３１により検出される吸気圧Ｐｉｎを使用する。また、ＥＣＵ３０は、エンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷を制御するための物理量を決定する。この実施形態で、ＥＣＵ３０は、スロットルバルブ１２の開度（スロットル開度）、燃料弁１４の開度（燃料弁開度）、各気筒２Ａ〜２Ｄの点火時期（各気筒点火時期）を決定する。ＥＣＵ３０は、エンジン１のアイドル運転、火花点火−ＨＣＣＩ運転切替及びＨＣＣＩ定格運転に係る物理量（スロットル開度、燃料弁開度及び各気筒点火時期）を制御するためのロジックを、制御プログラムとして予め記憶している。

ここで、ＥＣＵ３０が実行するエンジン制御の内容を、図２に示すフローチャートを参照して説明する。図２のフローチャートは、エンジン始動後における制御内容を示す。

処理がステップ１００へ移行すると、ＥＣＵ３０は、アイドル運転の処理を実行する。すなわち、ＥＣＵ３０は、エンジン回転数Ｎｅ、各気筒２Ａ〜２Ｄにおけるピストン８の位置（各気筒ピストン位置）及びエンジン負荷に係る情報として、吸気圧センサ３１（エンジン負荷を検出するために使用される。）、クランク角度センサ３２（エンジン回転数Ｎｅ、各気筒ピストン位置及びエンジン負荷を検出するために使用される。）及びカム角度センサ３３（各気筒ピストン位置を検出するために使用される。）からの信号を読み込む。そして、ＥＣＵ３０は、これらの信号からエンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷を算出し、その算出結果からスロットル開度、燃料弁開度及び各気筒点火時期に係る制御量を算出する。ここで、ＥＣＵ３０は、図３〜５に示すスロットル開度のマップ、燃料弁開度のマップ、並びに、点火時期のマップを参照することにより、各種制御量を算出する。各種マップによれば、スロットル開度、燃料弁開度及び各気筒点火時期は、それぞれエンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷（吸気圧Ｐｉｎ）をパラメータとして決定される。ＥＣＵ３０は、吸気圧センサ３１とクランク角度センサ３２からの信号に基づき、各種マップを参照することにより、スロットル開度、燃料弁開度及び各気筒点火時期に係る制御量を補間計算する。そして、ＥＣＵ３０は、求められた各種制御量に基づきスロットルバルブ１２、燃料弁１４及び点火装置１６を制御することにより、スロットル開度、燃料弁開度及び各気筒点火時期をそれぞれ制御する。これにより、エンジン１の各気筒２Ａ〜２Ｄに供給される混合気を火花点火方式により点火させて着火燃焼させ、アイドル運転を制御する。このような一連の処理を、ＥＣＵ３０は、周期的に繰り返す。これらの処理を、ＥＣＵ３０は、予め記憶された制御プログラムに基づき実行する。

次に、ＥＣＵ３０、ステップ２００〜２４０で、火花点火方式からＨＣＣＩへ切り替えるための火花点火−ＨＣＣＩ運転切替の制御を実行する。

すなわち、ステップ２００で、ＥＣＵ３０は、運転の切替開始判定を行う。そのために、ＥＣＵ３０は、吸気圧センサ３１により検出される吸気圧Ｐｉｎが所定の圧力Ｐ１（例えば、「１．７６ｂａｒ」）より高いか否かを判断する。この判断結果が否定の場合、運転の切替を開始することなく、ＥＣＵ３０は処理をステップ１００へ戻す。一方、上記判断結果が肯定の場合、運転の切替を開始するために、ＥＣＵ３０は、処理をステップ２１０へ移行する。

ステップ２１０で、ＥＣＵ３０は、燃料流量を一旦微増させる。例えば、アイドル運転に比べ燃料流量を「１０２％」に一旦微増させるために、ＥＣＵ３０は、燃料弁１４を制御する。この間、ＥＣＵ３０は、アイドル運転と同様にスロットル開度及び各気筒点火時期も制御する。

その後、ステップ２２０で、ＥＣＵ３０は、燃料減量判定を行う。そのために、ＥＣＵ３０は、吸気圧センサ３１により検出される吸気圧Ｐｉｎが所定の圧力Ｐ２（例えば、「１．９ｂａｒ」）より高いか否かを判断する。この判断結果が否定の場合、燃料を減量させることなく、ＥＣＵ３０は処理をステップ２１０へ戻す。一方、上記判断結果が肯定の場合、燃料を減量させるために、ＥＣＵ３０は、処理をステップ２３０へ移行する。

ステップ２３０で、ＥＣＵ３０は、燃料流量を減少させる。例えば、吸気圧Ｐｉｎの変化分に比例した流量だけ燃料流量を減少させるために、ＥＣＵ３０は、燃料弁１４を制御する。この間、ＥＣＵ３０は、アイドル運転と同様にスロットル開度及び各気筒点火時期も制御する。

その後、ステップ２４０で、ＥＣＵ３０は、運転の切替終了判定を行う。そのために、ＥＣＵ３０は、吸気圧センサ３１により検出される吸気圧Ｐｉｎが所定の圧力Ｐ３（例えば、「２．３ｂａｒ」）より高いか否かを判断する。この判断結果が否定の場合、運転の切替が終了しないものとして、ＥＣＵ３０は処理をステップ２３０へ戻す。一方、上記判断結果が肯定の場合、運転の切替が終了したものとして、ＥＣＵ３０は、処理をステップ３００へ移行する。

この実施形態では、火花点火−ＨＣＣＩ運転切替において、吸気圧Ｐｉｎが、例えば、「１．７６ｂａｒ」となるときに燃料流量を、例えば、「２％」だけ一旦微増させるようになっている。このとき、エンジン出力（トルク）が若干増加し、排ガス温度も高くなるので、ターボチャージャ１０の出力も増加し、吸気圧Ｐｉｎ、吸気温がそれぞれ上昇し始める。このように燃料流量を一旦微増させることをトリガとして、運転切替を開始する。そして、例えば、「７ｄｅｇＡＴＤＣ」になるように、各気筒点火時期を制御する。その後、吸気圧Ｐｉｎが、例えば、「１．９ｂａｒ」を超えると、燃料流量を減少させる。ＨＣＣＩの運転条件は、燃料希薄な条件となるため、空気過剰率は火花点火方式に比べて大きいものとなる。その後、吸気圧Ｐｉｎが、例えば、「２．１ｂａｒ」を超えると、火花点火を終了する。そして、吸気圧Ｐｉｎが、例えば、「２．３ｂａｒ」になるように、燃料流量を調整して、ＨＣＣＩ定格運転に切り替える。

上記のようにして火花点火−ＨＣＣＩ運転切替を行い、ステップ３００で、ＥＣＵ３０は、ＨＣＣＩ定格運転を実行する。すなわち、ＥＣＵ３０は、エンジン回転数Ｎｅ、各気筒ピストン位置及びエンジン負荷に係る情報として、吸気圧センサ３１、クランク角度センサ３２及びカム角度センサ３３からの信号を読み込む。そして、ＥＣＵ３０は、これらの信号からエンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷を算出し、その算出結果からスロットル開度及び燃料弁開度に係る各種制御量を算出する。ここで、ＥＣＵ３０は、図３，４に示すスロットル開度のマップ及び燃料弁開度のマップを参照することにより、燃料流量の制御と吸気量の制御を実行する。ＥＣＵ３０は、吸気圧センサ３１とクランク角度センサ３２からの信号に基づき、上記マップを参照することにより、スロットル開度及び燃料弁開度に係る制御量を補間計算する。そして、求められた制御量に基づきスロットルバルブ１２及び燃料弁１４を制御することにより、スロットル開度及び燃料弁開度をそれぞれ調整する。これにより、エンジン１の各気筒２Ａ〜２Ｄに供給される混合気をＨＣＣＩにより着火させて燃焼させ、ＨＣＣＩ定格運転を制御する。このような一連の処理を、ＥＣＵ３０は周期的に繰り返す。

この実施形態では、エンジン１の運転条件として、エンジン回転数Ｎｅが「１８００ｒｐｍ」と一定になるように設定され、エンジン負荷が「０〜２５．４ｋＷ」（トルクでは「０〜１３５Ｎｍ」）となるように設定される。

つまり、この実施形態では、各気筒２Ａ〜２Ｄに空気と燃料からなる混合気を供給し、その混合気を圧縮により自着火させると共に、各気筒２Ａ〜２Ｄに供給される空気をターボチャージャ１０により昇圧させるＨＣＣＩエンジンの制御方法において、エンジン１が低負荷状態となるときは、火花点火運転を行うために、エンジン１の運転状態に基づき火花点火の時期を制御すると共に各気筒２Ａ〜２Ｄへの燃料流量を調整し、エンジン１が中高負荷状態となるときは、ＨＣＣＩ運転を行うために、エンジン１の運転状態に基づき各気筒２Ａ〜２Ｄへの燃料流量を調整し、火花点火運転からＨＣＣＩ運転への運転切替時には、エンジン１の負荷変化に応じて各気筒２Ａ〜２Ｄへの燃料流量を変化させることを特徴とするＨＣＣＩエンジン１の制御方法を実行している。

以上説明したこの実施形態のエンジンの制御装置によれば、エンジン１が低負荷状態となるとき、すなわちアイドル運転のときは、ＥＣＵ３０が、吸気圧Ｐｉｎ及びエンジン回転数Ｎｅに基づき点火プラグ１５及び点火装置１６を制御することにより、火花点火方式による点火時期を制御すると共に、同じく吸気圧Ｐｉｎ及びエンジン回転数Ｎｅに基づき燃料弁１４を制御することにより、燃料流量が調整されて火花点火運転が行われる。従って、圧縮比が高く設定されたエンジン１であっても、混合気は早めに自着火することなく火花点火により適正に着火することとなる。一方、エンジン１が中高負荷状態となるときは、ＥＣＵ３０が、吸気圧Ｐｉｎ及びエンジン回転数Ｎｅに基づき燃料弁１４を制御することにより、燃料流量が調整され、各気筒２Ａ〜２Ｄにて混合気が適正に自着火してＨＣＣＩ運転が行われる。加えて、火花点火運転からＨＣＣＩ運転への運転切替時には、ＥＣＵ３０が、吸気圧Ｐｉｎの変化、すなわちエンジン負荷の変化に応じて燃料流量を変化させるために燃料弁１４を制御する。従って、運転切替に際して混合気が早めに自着火することがない。

上記のようにこの実施形態では、エンジン１にターボチャージャ１０を搭載しているにもかかわらず、アイドル運転のようにエンジン１が低負荷状態となる吸気条件では、火花点火により混合気を着火させることから、混合気が自着火可能な温度や圧力に達していなくても、安定的なアイドル運転を達成することができる。また、エンジン１が中高負荷状態となるときは、火花点火運転に代わってＨＣＣＩ定格運転を実行すると共に、ターボチャージャ１０を有効に機能させて空気を昇圧させることができる。このため、各気筒２Ａ〜２Ｄにて混合気が高温高圧となり、圧縮により混合気が自着火できる範囲が広くなり、安定的なＨＣＣＩ運転を達成することができる。

更に、この実施形態では、火花点火運転からＨＣＣＩ定格運転への運転切替を、エンジン１の運転状態の変化に応じて、燃料弁１４を制御することにより、燃料流量を変化させることにより行っている。詳細には、燃料弁１４を制御することにより、各気筒２Ａ〜２Ｄに対する燃料流量を一旦微増させ、それをトリガとしてＨＣＣＩ定格運転への運転切替を開始し、その後は燃料流量を減少させるようにしている。このため、圧縮比が比較的高いエンジン１であるにもかかわらず、混合気を安定的に燃焼させることができ、ノッキングの発生を抑えることができる。このため、ノッキングを回避するために、ターボチャージャ１０に付随して、インタークーラーや給排気管のバイパスを設ける必要がなく、ノッキング回避のための構成を簡略化することができる。更に、ノッキングを回避するために、あえて点火時期を制御する必要がないので、制御プログラムが複雑化することがない。このように、この実施形態では、ターボチャージャ１０を搭載したＨＣＣＩエンジン１において、ターボチャージャ１０に付随した構成を複雑なものにすることなく、低負荷運転時には火花点火により安定的な運転を確保することができ、中高負荷運転時にはＨＣＣＩにより安定的な運転を確保することができ、火花点火運転からＨＣＣＩ運転への運転切替時には、ノッキングのないスムーズな運転切替を行うことができる。

図６に、火花点火運転からＨＣＣＩ運転への切替に係り、各種パラメータの挙動をタイムチャートにより示す。図６において、「Ｔｉｎ」は吸気温を意味し、「ｍｆ」は燃料流量を意味する。時刻ｔ１にて、燃料流量ｍｆを一旦微増させることをトリガーとして、火花点火運転からＨＣＣＩ運転への切替が開始され、時刻ｔ２にて、その切替が終了する。そして、時刻ｔ２以降は、ＨＣＣＩ運転が行われる。このタイムチャートから分かるように、運転切替が開始すると、吸気温Ｔｉｎ、エンジン１のトルク、吸気圧Ｐｉｎがそれぞれ上昇する。また、運転切替が終了すると、吸気温Ｔｉｎ、トルク及び吸気圧Ｐｉｎともそれぞれ高い状態で変動することになる。

［第２実施形態］
次に、この発明のＨＣＣＩエンジンの制御装置及び制御方法を具体化した第２実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図７に、この実施形態におけるＨＣＣＩエンジンの制御装置を概略構成図により示す。この第２実施形態では、各気筒２Ａ〜２Ｄを個別に制御する点で第１実施形態と構成が異なる。具体的には、各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート３ａに対応して、吸気マニホールド４の各分岐管には、各気筒２Ａ〜２Ｄに個別に燃料を噴射供給するために、インジェクタ１７がそれぞれ設けられる。各インジェクタ１７には、燃料パイプ１３から燃料が供給されるようになっている。各インジェクタ１７は、噴射装置１８を介してＥＣＵ３０に接続される。また、各気筒２Ａ〜２Ｄには、筒内圧Ｐｓｉを個別に検出するための筒内圧センサ３４がそれぞれ設けられる。各筒内圧センサ３４は、それぞれＥＣＵ３０に接続される。

この実施形態で、エンジン１の運転状態として、吸気圧Ｐｉｎ、クランク角度及びカム角度の他に、各筒内圧センサ３４で検出される筒内圧Ｐｓｉが加わる。また、制御される物理量として、スロットル開度、燃料弁開度及び各気筒点火時期の他に、各気筒２Ａ〜２Ｄに対する燃料の噴射時期及び噴射時間が加われる。また、制御プログラムの制御ロジックも、ＥＣＵ３０は、クランク角度ごとに筒内圧Ｐｓｉからクランク角度ごとの燃料消費量や熱発生率を計算し、その指標に基づき各種機器を制御するようになっている。例えば、熱発生率が最大となるクランク時期を指標として、低負荷状態であるアイドル運転時（火花点火運転時）には、熱発生率最大時期を「１５ｄｅｇＡＴＤＣ」となるように各種機器を制御し、火花点火運転からＨＣＣＩ運転への運転切替時及びＨＣＣＩ運転時には、熱発生率最大時期を「７ｄｅｇＡＴＤＣ」となるように各種機器を制御するようになっている。

この実施形態で、ＥＣＵ３０は、各制御周期毎に図２にフローチャートで示す処理を実行する。また、エンジン１の運転状態が変化するときには、図８に示すフローチャートの処理を実行するようになっている。

すなわち、図８のステップ４００で、ＥＣＵ３０は、各気筒２Ａ〜２Ｄの筒内圧Ｐｓｉを各筒内圧センサ３４から読み込むと共に、クランク角度をクランク角度センサ３２から読み込む。

次に、ステップ４１０で、ＥＣＵ３０は、読み込まれた筒内圧Ｐｓｉ及びクランク角度から、クランク角度ごとの熱発生率を計算し、各気筒２Ａ〜２Ｄの熱発生率最大時期θｉｍａｘを算出する。

次に、ステップ４２０で、ＥＣＵ３０は、算出された熱発生率最大時期θｉｍａｘが所定値αであるか否かを判断する。ここで、所定値αは、低負荷状態であるアイドル運転時（火花点火運転時）には「１５ｄｅｇＡＴＤＣ」となり、それ以外の運転時には「７ｄｅｇＡＴＤＣ」となる。この判断結果が肯定である場合、ＥＣＵ３０は、処理をステップ４００に戻す。判断結果が否定である場合、ＥＣＵ３０は、処理をステップ４３０へ移行する。

ステップ４３０で、ＥＣＵ３０は、各気筒２Ａ〜２Ｄに対する燃料流量を調整する。すなわち、ＥＣＵ３０は、各インジェクタ１７による燃料の噴射時期及び噴射時間を個別に制御することにより、気筒２Ａ〜２Ｄに対する燃料流量を調整する。

従って、この実施形態では、火花点火運転とＨＣＣＩ運転との間で運転状態が変化するときに、図８のフローチャートに示すように、各気筒２Ａ〜２Ｄに対する燃料流量が個別に制御されることから、第１実施形態のように各気筒２Ａ〜２Ｄに対する燃料流量を燃料弁１４のみにより総合的に制御した場合に比べ、混合気の着火をより精密に制御することができ、ノッキングの発生をより精度良く防止することができる。この結果、火花点火運転からＨＣＣＩ運転への運転切替をよりスムーズに行うことができる。

［第３実施形態］
次に、この発明のＨＣＣＩエンジンの制御装置及び制御方法を具体化した第３実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

この実施形態では、図９に示すフローチャートの点で、第１及び第２の実施形態における図２のフローチャートと処理内容が異なる。すなわち、第１及び第２の実施形態では、火花点火運転からＨＣＣＩ運転への運転切替のときに、燃料弁１４を制御することで各気筒２Ａ〜２Ｄに対する燃料流量を調整したが、この実施形態では、同じく運転切替のときに、点火プラグ１５を制御することで各気筒２Ａ〜２Ｄにおける点火時期を制御するようになっている。図９に、図２のフローチャートに準ずるフローチャートを示す。このフローチャートでは、ステップ２１５の点で、図２のフローチャートのステップ２１０と処理内容が異なる。

すなわち、図９のフローチャートにおいて、ステップ２００における切替開始判定の判断結果が肯定となる場合、ステップ２１５で、ＥＣＵ３０は、点火時期を一旦進角させる。例えば、アイドル運転に比べ点火時期を「４ｄｅｇＢＴＤＣ」だけ一旦進角させるために、ＥＣＵ３０は、点火装置１６を介して各点火プラグ１５を制御する。この間、ＥＣＵ３０は、アイドル運転と同様にスロットル開度及び燃料弁開度も制御する。

つまり、ＥＣＵ３０は、点火装置１６を介して各点火プラグ１５を制御することにより火花点火の時期（点火時期）を一旦進角させ、それをトリガとして火花点火運転からＨＣＣＩ運転への運転切替を開始し、その後は燃料の量を減少させることにより、ＨＣＣＩ運転への切替を終了するようにしている。

その後、図２のフローチャートと同様に、ＥＣＵ３０は、ステップ２２０〜３００の処理を実行する。

つまり、この実施形態では、各気筒２Ａ〜２Ｄに空気と燃料からなる混合気を供給し、その混合気を圧縮により自着火させると共に、各気筒２Ａ〜２Ｄに供給される空気をターボチャージャ１０により昇圧させるＨＣＣＩエンジンの制御方法において、エンジン１が低負荷状態となるときは、火花点火運転を行うために、エンジン１の運転状態に基づき火花点火の時期を制御すると共に各気筒２Ａ〜２Ｄへの燃料流量を調整し、エンジン１が中高負荷状態となるときには、ＨＣＣＩ運転を行うために、エンジン１の運転状態に基づき各気筒２Ａ〜２Ｄへの燃料流量を調整し、火花点火運転からＨＣＣＩ運転への運転切替時には、エンジン１の負荷変化に応じて各気筒２Ａ〜２Ｄにおける火花点火の時期（点火時期）と各気筒２Ａ〜２Ｄへの燃料流量を変化させることを特徴とするＨＣＣＩエンジンの制御方法を実現している。

従って、この実施形態でも、運転切替時の制御対象は異なるものの、第１及び第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

尚、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜に変更して実施することもできる。

ＨＣＣＩエンジンの制御装置を示す概略構成図。エンジン制御内容を示すフローチャート。スロットル開度のマップを示す表。燃料弁開度のマップを示す表。点火時期のマップを示す表。各種パラメータの挙動を示すタイムチャート。ＨＣＣＩエンジンの制御装置を示す概略構成図。エンジン制御内容を示すフローチャート。エンジン制御内容を示すフローチャート。

１エンジン
２Ａ〜２Ｄ気筒
１０ターボチャージャ（過給機）
１１ミキサ（燃料調整手段）
１４燃料弁（燃料調整手段）
１５点火プラグ（点火手段）
１６点火装置（点火手段）
１７インジェクタ（燃料調整手段）
３０ＥＣＵ（火花点火運転制御手段、予混合圧縮自着火制御手段、運転切替制御手段）３１吸気圧センサ（運転状態検出手段）
３２クランク角度センサ（運転状態検出手段）
３３カム角度センサ（運転状態検出手段）
３４筒内圧センサ（運転状態検出手段）

Claims

天然ガスを燃料としたコージェネレーション用のエンジンに係り、気筒に空気と燃料からなる混合気を供給し、その混合気を圧縮により自着火させると共に、前記気筒に供給される空気を過給機により昇圧させる予混合圧縮自着火エンジンの制御装置において、
前記エンジンの運転状態を検出するための運転状態検出手段と、
前記燃料の量を調整するための燃料調整手段と、
前記混合気を火花点火させる点火手段と、
前記エンジンが低負荷状態のとき、火花点火運転を行うために、前記検出される運転状態に基づき前記点火手段を制御することにより前記火花点火の時期を制御すると共に、前記検出される運転状態に基づき前記燃料調整手段を制御することにより前記燃料の量を調整する火花点火運転制御手段と、
前記エンジンが中高負荷状態のとき、予混合圧縮自着火運転を行うために、前記検出される運転状態に基づき前記燃料調整手段を制御することにより前記燃料の量を調整する予混合圧縮自着火運転制御手段と、
前記火花点火運転から前記予混合圧縮自着火運転への運転切替時には、前記検出される運転状態の変化に応じて前記燃料の量を変化させるために前記燃料調整手段を制御する運転切替制御手段と
を備え、前記運転切替制御手段は、前記エンジン負荷が所定値より高いときに前記燃料調整手段を制御することにより前記燃料の量を所定値だけ一旦微増させ、それをトリガとして前記エンジンの出力が若干増加し、前記エンジンの排気ガス温度が増大して前記過給機の出力が増加し、前記吸気圧及び吸気温がそれぞれ上昇し始めることで運転切替を開始し、その後は前記エンジン負荷が上昇して所定値より高いときに前記燃料の量を減少させ、更に前記エンジン負荷が上昇して所定値より高いときに前記火花点火運転を終了させ、前記エンジン負荷が所定値となるように前記燃料の量を調整することを特徴とする予混合圧縮自着火エンジンの制御装置。
天然ガスを燃料としたコージェネレーション用のエンジンに係り、気筒に空気と燃料からなる混合気を供給し、その混合気を圧縮により自着火させると共に、前記気筒に供給される空気を過給機により昇圧させる予混合圧縮自着火エンジンの制御装置において、
前記エンジンの運転状態を検出するための運転状態検出手段と、
前記燃料の量を調整するための燃料調整手段と、
前記混合気を火花点火させる点火手段と、
前記エンジンが低負荷状態のとき、火花点火運転を行うために、前記検出される運転状態に基づき前記点火手段を制御することにより前記火花点火の時期を制御すると共に、前記検出される運転状態に基づき前記燃料調整手段を制御することにより前記燃料の量を調整する火花点火運転制御手段と、
前記エンジンが中高負荷状態のとき、予混合圧縮自着火運転を行うために、前記検出される運転状態に基づき前記燃料調整手段を制御することにより前記燃料の量を調整する予混合圧縮自着火運転制御手段と、
前記火花点火運転から前記予混合圧縮自着火運転への運転切替時には、前記検出される運転状態の変化に応じて前記火花点火の時期と前記燃料の量を変化させるために前記点火手段と前記燃料調整手段を制御する運転切替制御手段と
を備え、前記運転切替制御手段は、前記エンジン負荷が所定値より高いときに前記点火手段を制御することにより前記火花点火の時期を一旦進角させ、それをトリガとして前記エンジンの出力が若干増加し、前記エンジンの排気ガス温度が増大して前記過給機の出力が増加し、前記吸気圧及び吸気温がそれぞれ上昇し始めることで運転切替を開始し、その後は前記エンジン負荷が上昇して所定値より高いときに前記燃料の量を減少させ、更に前記エンジン負荷が上昇して所定値より高いときに前記火花点火運転を終了させ、前記エンジン負荷が所定値となるように前記燃料の量を調整することを特徴とする予混合圧縮自着火エンジンの制御装置。
天然ガスを燃料としたコージェネレーション用のエンジンに係り、気筒に空気と燃料からなる混合気を供給し、その混合気を圧縮により自着火させると共に、前記気筒に供給される空気を過給機により昇圧させる予混合圧縮自着火エンジンの制御方法において、
前記エンジンが低負荷状態のとき、火花点火運転を行うために、前記エンジンの運転状態に基づき前記火花点火の時期を制御すると共に前記燃料の量を調整し、
前記エンジンが中高負荷状態のとき、予混合圧縮自着火運転を行うために、前記エンジンの運転状態に基づき前記燃料の量を調整し、
前記火花点火運転から前記予混合圧縮自着火運転への運転切替時には、前記エンジン負荷が所定値より高いときに前記燃料の量を一旦微増させ、それをトリガとして前記エンジンの出力が若干増加し、前記エンジンの排気ガス温度が増大して前記過給機の出力が増加し、前記吸気圧及び吸気温がそれぞれ上昇し始めることで運転切替を開始し、その後は前記エンジン負荷が上昇して所定値より高いときに前記燃料の量を減少させ、更に前記エンジン負荷が上昇して所定値より高いときに前記火花点火運転を終了させ、前記エンジン負荷が所定値となるように前記燃料の量を調整することを特徴とする予混合圧縮自着火エンジンの制御方法。
天然ガスを燃料としたコージェネレーション用のエンジンに係り、気筒に空気と燃料からなる混合気を供給し、その混合気を圧縮により自着火させると共に、前記気筒に供給される空気を過給機により昇圧させる予混合圧縮自着火エンジンの制御方法において、
前記エンジンが低負荷状態のとき、火花点火運転を行うために、前記エンジンの運転状態に基づき前記混合気の火花点火の時期を制御すると共に前記燃料の量を調整し、
前記エンジンが中高負荷状態のとき、予混合圧縮自着火運転を行うために、前記エンジンの運転状態に基づき前記燃料の量を調整し、
前記火花点火運転から前記予混合圧縮自着火運転への運転切替時には、前記エンジン負荷が所定値より高いときに前記火花点火の時期を一旦進角させ、それをトリガとして前記エンジンの出力が若干増加し、前記エンジンの排気ガス温度が増大して前記過給機の出力が増加し、前記吸気圧及び吸気温がそれぞれ上昇し始めることで運転切替を開始し、その後は前記エンジン負荷が上昇して所定値より高いときに前記燃料の量を減少させ、更に前記エンジン負荷が上昇して所定値より高いときに前記火花点火運転を終了させ、前記エンジン負荷が所定値となるように前記燃料の量を調整することを特徴とする予混合圧縮自着火エンジンの制御方法。