JP4911325B2

JP4911325B2 - エンジンの燃焼制御装置

Info

Publication number: JP4911325B2
Application number: JP2008316288A
Authority: JP
Inventors: 勝彦宮本
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2028-12-11
Also published as: JP2010138818A

Description

本発明は、エンジンの運転状態に応じて混合気の燃焼を制御するエンジンの燃焼制御装置に関する。

ガソリンエンジンでは、一般的に、例えば、点火プラグ等によって筒内の混合気に点火することで混合気を燃焼させている。これに対し、近年、筒内の混合気を圧縮の際に自己着火させて自己着火燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）させるようにしたガソリンエンジンが開発されている。

この自己着火燃焼では、筒内の混合気が複数箇所で自己着火して燃焼反応が起こるため、熱効率が極めて高くなる。したがって、空燃比が極めてリーンであっても混合気を良好に燃焼させることができるため、燃費向上を図ることができると共にＮＯｘ等の有害物質の排出量を大幅に低減することができるという利点がある。

ただし現状では、エンジンの運転状態に拘わらず常に自己着火燃焼させることは難しいため、運転状態に応じて、例えば、点火プラグによる火花点火燃焼運転と自己着火燃焼運転とを切り替えるようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００１−２０８４２号公報

このような自己着火燃焼運転を行うためには、筒内の混合気の温度を上昇させて、混合気に含まれる燃料の低温酸化反応を促進させる必要があり、例えば、高圧縮比化を図ったり、可変動弁機構（ＶＶＴ機構）を採用して内部ＥＧＲ量を増加させること等が行われている。つまり、自己着火燃焼運転をガソリンエンジンにて実施しようとすると、エンジンに特別な装置又はシステムを付加する必要があり、大幅にコストアップしてしまう虞がある。

ここで、特許文献１には、点火プラグに代えてレーザ光照射装置をエネルギ付与装置として用い、自己着火燃焼運転時にレーザ光で混合気を着火燃焼させ、混合気に自己着火燃焼のための補助エネルギを付与する技術が開示されている。

このような技術を採用することで、混合気の温度を上昇させて自己着火燃焼を制御することはできるかもしれない。しかしながら、混合気を着火燃焼させることによって混合気を所定の温度に上昇させるのは非常に難しいという問題がある。つまり混合気を着火燃焼させる際、その燃焼範囲を適正に制御するのは極めて難しいという問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、混合気の自己着火燃焼を比較的容易且つ良好に制御でき、燃費の向上を図ることができると共に有害物質の排気を抑制することができるエンジンの燃焼制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、筒内の混合気をレーザ点火装置によって照射されるレーザ光で点火して燃焼させるレーザ点火燃焼運転モード、及び前記混合気を圧縮による自己着火によって燃焼させる自己着火燃焼運転モードでの運転が可能なエンジンの燃焼制御装置であって、前記エンジンの運転モードを前記レーザ点火燃焼運転モードと前記自己着火燃焼運転モードとの間で切替る切替手段と、前記レーザ点火燃焼運転モードと前記自己着火燃焼運転モードとの切替時に前記レーザ点火装置から前記混合気へと照射される前記レーザ光の照射条件を変更するレーザ照射条件変更手段と、を具備し、該レーザ照射条件変更手段は、前記レーザ点火燃焼運転モードから前記自己着火燃焼運転モードへの切替時に、前記レーザ光の照射領域を前記レーザ点火燃焼運転モード時よりも拡大させることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置にある。

かかる第１の態様では、自己着火燃焼運転モード時に、レーザ光によって混合気を着火燃焼させることなく加熱することで、混合気の温度を適正に制御することができる。したがって、混合気を所定温度まで上昇させて混合気の自己着火燃焼を誘発（アシスト）することができる。また、レーザ点火装置から発振されるレーザ光によって混合気の温度を制御しているため、自己着火燃焼運転モードのための新たな装置やシステムをエンジンに付加する必要がなく、コストアップも抑えられる。

本発明の第２の態様は、前記レーザ照射条件変更手段は、前記レーザ点火燃焼運転モードから前記自己着火燃焼運転モードへの切替時に、前記レーザ光のビーム径を拡大させることを特徴とする第１の態様のエンジンの燃焼制御装置にある。

本発明の第３の態様は、前記レーザ照射条件変更手段は、前記レーザ点火燃焼運転モードから前記自己着火燃焼運転モードへの切替時に、前記レーザ光の強度を低下させると共に、前記レーザ光のビーム数を増加させることを特徴とする第１の態様のエンジンの燃焼制御装置にある。

本発明の第４の態様は、前記レーザ照射条件変更手段は、前記レーザ点火燃焼運転モードから前記自己着火燃焼運転モードへの切替時に、前記レーザ光の照射方向を連続的に変化させることを特徴とする第１〜３の何れか一つの態様のエンジンの燃焼制御装置にある。

かかる第２〜４の態様では、自己着火燃焼運転モード時に、レーザ光によって混合気を着火燃焼させることなく適正に加熱することができる。

本発明の第５の態様は、前記レーザ照射条件変更手段は、前記レーザ点火燃焼運転モードから前記自己着火燃焼運転モードへの切替時に、前記レーザ光の照射状態の一つとして照射時期を調整し、前記エンジンの吸気行程から圧縮行程に亘って連続的に前記混合気に前記レーザ光を照射させることを特徴とする第１〜４の何れか一つの態様のエンジンの燃焼制御装置にある。

かかる第５の態様では、自己着火燃焼運転モード時に、レーザ光によって混合気をさらに適正に加熱することができ、混合気の自己着火燃焼をさらに確実に誘発することができる。

かかる本発明では、レーザ光によって混合気を加熱することで、混合気の温度を適正に制御して、混合気の自己着火燃焼を誘発（アシスト）することができる。したがって、自己着火燃焼運転モードを良好に実施して、燃費の向上及び有害物質の排出を抑制することができる。またレーザ点火装置によって混合気に照射されるレーザ光の照射条件を適宜変更することのみで自己着火燃焼運転モードを実施することができるため、コストの増加を抑えることもできる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る燃焼制御装置を含むエンジンシステムの概略構成を示す図である。

まずは、本発明に係るエンジンの構成について説明する。

本発明に係るエンジン１１は、筒内噴射型のガソリンエンジンである。図１に示すように、エンジン１１は、シリンダヘッド１２とシリンダブロック１３とを有し、シリンダブロック１３の各シリンダ１４内には、ピストン１５が往復移動自在に収容されている。ピストン１５とシリンダ１４とシリンダヘッド１２とで燃焼室１６が形成されている。ピストン１５は、コンロッド１７を介してクランクシャフト１８に接続されている。

シリンダヘッド１２には吸気ポート１９が形成されている。吸気ポート１９には吸気マニホールド２０が接続されている。吸気ポート１９には吸気弁２１が設けられており、吸気弁２１によって燃焼室１６と吸気ポート１９とが連通・遮断されるようになっている。シリンダヘッド１２には、さらに排気ポート２３が形成されている。排気ポート２３には排気マニホールド２４の一端が接続され、排気マニホールド２４の他端には排気管２５が接続されている。なお排気ポート２３には排気弁２６が設けられており、吸気ポート１９における吸気弁２１と同様、燃焼室１６と排気ポート２３とはこの排気弁２６によって連通・遮断されるようになっている。

またシリンダヘッド１２には、例えば、電磁式の燃料噴射弁２２が燃焼室内に燃料を噴射可能に設けられている。燃料噴射弁２２には、図示しないが、燃料パイプ及び燃料ポンプを介して燃料タンクを擁した燃料供給装置が接続されている。

さらにシリンダヘッド１２には、各気筒毎にレーザ点火装置２７が取り付けられている。レーザ点火装置２７は、図示しないが、例えば、レーザ発振器と、複数のレンズで構成されるレンズ群とを具備し、レーザ光の集光位置やビーム系を調整可能に構成されている。所定のタイミングでレーザ点火装置２７から発振されたレーザ光は、レンズ群を通過して燃焼室１６内（筒内）の混合気に照射される。詳しくは後述するが、このレーザ点火装置２７から燃焼室１６内の混合気に照射されるレーザ光の照射状態を適宜調整することで、混合気の燃焼を制御している。

吸気マニホールド２０の上流側にはサージタンク２９が設けられている。サージタンク２９の上流側には吸気量を調整するスロットルバルブ３０が設けられており、併せてスロットルバルブ３０の開度を検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）３１が設けられている。なおスロットルバルブ３０は、図示しないがアクセルペダルの操作に連動して開度が調整される。またスロットルバルブ３０の上流には、吸気量を計測するエアフローセンサ３２が介装されている。

排気マニホールド２４に接続された排気管２５には、排ガス浄化用触媒である三元触媒３３が介装されている。三元触媒３３の下流側には、触媒通過後の排ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ３４が設けられており、三元触媒３３の上流側には、触媒通過前の排ガスの空燃比（排気空燃比）を検出するリニア空燃比センサ（ＬＡＦＳ）３５が設けられている。なお、このＬＡＦＳ３５の替わりにＯ_２センサを用いることもできる。

ＥＣＵ（電子コントロールユニット）３６は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えている。そしてこのＥＣＵ３６により、エンジン１１の総合的な制御が行われる。ＥＣＵ３６の入力側には、上述したＴＰＳ３１、エアフローセンサ３２、ＮＯｘセンサ３４、リニア空燃比センサ（ＬＡＦＳ）３５の他、エンジン１１のクランク角を検出するクランク角センサ３７等の各種センサ類が接続されており、これら各種センサ類からの検出情報が入力される。

一方、ＥＣＵ３６の出力側には、上述の燃料噴射弁２２、レーザ点火装置２７、スロットルバルブ３０等の各種出力デバイスが接続されており、これらの各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づきＥＣＵ３６で演算された情報が出力される。

ここで、上述したようにエンジン１１は、レーザ点火装置２７から発振されたレーザ光によって燃焼室１６内（筒内）の混合気を点火して燃焼させるレーザ点火燃焼運転モードでの運転が可能なものであるが、さらに、燃焼室１６内の混合気を圧縮により自己着火させて燃焼させる自己着火燃焼運転モードでの運転が可能に構成されている。すなわちエンジン１１は、運転モードをレーザ点火燃焼運転モードと自己着火燃焼運転モードとの間で切り替えられるように構成されている。

自己着火燃焼運転モード時には、圧縮による自己着火により混合気を燃焼させているため、レーザ点火燃焼運転モード時とは異なり混合気に点火する必要はないが、混合気の温度を十分に高める必要がある。

本発明では、以下に説明するように、燃焼室１６内の混合気にレーザ点火装置２７から所定条件でレーザ光を照射することで混合気を十分に加熱することで、混合気の自己着火燃焼を誘発（アシスト）している。

本実施形態に係るエンジンの燃焼制御装置１０は、レーザ点火装置２７とＥＣＵ３６とを有する。そして、エンジン１１の運転モードがレーザ点火燃焼運転モード又は自己着火燃焼運転モードの何れの運転モードであるかによって、燃焼室１６内の混合気へのレーザ光の照射条件を適宜変更し、これにより燃焼室１６内の混合気の燃焼を制御している。

具体的には、本実施形態に係るエンジンの燃焼制御装置１０として、モード切替手段５１と、レーザ照射条件変更手段５２とをＥＣＵ３６に備える。

モード切替手段５１は、例えば、エンジン１１の運転状態（回転数、負荷等）に応じて、レーザ点火燃焼運転モード又は自己着火燃焼運転モードの何れかの運転モードを選択し、必要に応じて運転モードを切り替える。具体的には、モード切替手段５１は、例えば、図２に示すようなエンジン回転数及び負荷と運転領域との関係を示すマップを参照し、現状の運転領域に対応した運転モードを選択し、選択した運転モードが現在の運転モードと異なる場合に運転モードを切り替える。なおエンジン１１の運転モードは、必ずしも運転状態に応じて切り替える必要はなく、勿論、その他の条件に応じて適宜切り替えるようにしてもよい。

レーザ照射条件変更手段５２は、運転モードに応じてレーザ点火装置２７を制御して燃焼室１６内の混合気に対するレーザ光の照射条件を適宜変更する。レーザ光の照射条件には、例えば、レーザ光の強度やレーザ光の集光位置等、レーザ発振器及びレンズ群で構成されるレーザ点火装置２７で制御可能な全ての条件が含まれ、レーザ照射条件変更手段５２が必要に応じて所定の照射条件を変更する。本発明では、レーザ照射条件変更手段５２は、燃焼室１６内の混合気に照射されるレーザ光の領域（照射領域）を少なくとも変更する。具体的には、レーザ照射条件変更手段５２は、モード切替手段５１によって運転モードがレーザ点火燃焼運転モードから自己着火燃焼運転モードに切り替えられる際に、レーザ光の照射領域を、レーザ点火燃焼運転モード時よりも拡大させる。

レーザ光の照射領域を変更する方法は特に限定されないが、本実施形態では、レーザ光のビーム径を変更する。例えば、図３（ａ）に示すように、レーザ点火燃焼運転モード中である場合には、レーザ照射条件変更手段５２によって、レーザ光１００の集光位置が燃焼室１６内、つまり混合気中に位置するように設定される。これにより、燃焼室１６内の混合気はこのレーザ光１００によって良好に着火燃焼される。なおレーザ光１００の集光位置は、例えば、レーザ点火装置２７を構成するレンズ群を操作することで変更する。

そして、モード切替手段５１が、運転状態の変化に応じて運転モードをレーザ点火燃焼運転モードから自己着火燃焼運転モードに切り替える際、レーザ照射条件変更手段５２は、例えば、レーザ点火装置２７のレンズ群を操作することによって、図３（ｂ）に示すように、レーザ光１００のビーム径を徐々に拡大させる。すなわちレーザ光１００のビーム径がレーザ点火装置２７から離れるほど大きくなるようにする。なおレーザ点火装置２７のレンズ群の具体的構成は、上記のようにビーム径を変更可能な構成であれば、特に限定されるものではない。

また本実施形態では、モード切替手段５１がレーザ点火燃焼運転モードと自己着火燃焼運転モードとを切り替える際、レーザ照射条件変更手段５２は、レーザ光１００のビーム径と共に、レーザ光１００を照射するタイミングも変更している。本実施形態では、図４に示すように、レーザ点火燃焼運転モード中は、圧縮行程（上死点付近）で瞬間的にレーザ光１００が混合気に照射されるのに対し、自己着火燃焼運転モード中には、吸気行程から圧縮行程に渡って連続的にレーザ光１００が混合気に照射されるようにしている。このように比較的長い期間レーザ光を混合気に照射することで、混合気をレーザ光１００によってより確実に加熱することができる。

なお実際には、モード切替手段５１がレーザ点火燃焼運転モードと自己着火燃焼運転モードとを切り替える際には、レーザ光の照射条件だけでなく、燃料を噴射するタイミングや、燃料噴射量（燃料噴射時間）等も適宜変更される。

以上説明したように、自己着火燃焼運転モードへの切替時に、燃焼室１６内の混合気に照射されるレーザ光のビーム径を拡大させて、レーザ光の照射領域を拡大させることで、レーザ光によって混合気が着火燃焼することなく良好に加熱され、自己着火燃焼が誘発（アシスト）される。すなわち、混合気がレーザ光によって加熱されることで、燃料の低温酸化反応や熱分解が進み、炭素ラジカル、アルデヒド、水素などの自己着火を促進する活性物質に分解される。そして、この活性物質を十分に含む混合気を圧縮することで、混合気を良好に自己着火燃焼させることができる。

なおレーザ光のビーム径を拡大させることで、レーザ点火燃焼運転モード時と同一の強度としてもエネルギ密度は低下するため、混合気を着火燃焼させることなく加熱することができる。勿論、レーザ光の強度は必要に応じて適宜変更されていてもよい。

またレーザ光の照射領域を拡大させることで、混合気の一部を局所的に加熱するのではなく混合気の広い範囲を加熱することができる。したがって、混合気全体の温度がより均一化され、混合気をさらに良好に自己着火燃焼させることができる。

（実施形態２）
図５は、実施形態２に係るレーザ光の照射状態を示す概略図である。

本実施形態は、レーザ照射条件変更手段５２が、自己着火燃焼運転モードへの切替時にレーザ光の照射領域を拡大させる方法の他の例である。

すなわち本実施形態では、レーザ照射条件変更手段５２が、自己着火燃焼運転モードへの切替時に、ビーム径を拡大する替わりに、レーザ光の強度を低下させると共にレーザ光のビーム数を増加させるようにしている。具体的には、図５（ａ）に示すように、レーザ点火燃焼運転モード中には、単一のレーザ光１００を所定強度で燃焼室１６内の混合気に照射する。そしてモード切替手段５１によって運転モードが自己着火燃焼運転モードに切り替えられる際には、レーザ照射条件変更手段５２が、図５（ｂ）に示すように、レーザ光１００の強度を弱めると共にレーザ光１００のビーム数を複数本（例えば、３本）に増加させる。なお本実施形態では、燃焼室１６内の混合気に照射するレーザ光１００は集光させることなく平行光としている。

このように複数本のレーザ光を混合気に照射させる方法は、特に限定されず、例えば、レーザ照射装置（レンズ群）２７を構成する各レンズの配置によって実現できる。勿論、レーザ点火装置２７が複数のレーザ照射器を具備していてもよいし、例えば、光ファイバを利用することでも実現することができる。

このようにビーム数を増加させることによってもレーザ光の照射範囲が拡大され、上述の実施形態と同様に、自己着火燃焼運転モード時に混合気がレーザ光によって着火燃焼されることなく良好に加熱され、自己着火燃焼が誘発（アシスト）される。またレーザ光の照射領域が広がることで混合気全体の温度がより均一化され、混合気をさらに良好に自己着火燃焼させることができる。

（実施形態３）
図６は、実施形態３に係るレーザ光の照射状態を示す概略図である。

すなわち本実施形態では、レーザ照射条件変更手段５２が、自己着火燃焼運転モードへの切替時に、レーザ光の照射方向を連続的に変化させるようにした例である。具体的には、図６（ａ）に示すように、レーザ点火燃焼運転モード中には、レーザ光１００が混合気の所定位置に照射されている。つまりレーザ光１００の照射方向は固定されている。これに対し、自己着火燃焼運転モードに切り替えられる際には、レーザ照射条件変更手段５２が、図６（ｂ）に示すように、レーザ光１００の照射方向を連続的に変化させる。本実施形態では、レーザ光の軌跡が略円形を描くように、レーザ光１００の照射方向を変化させている。

このようにレーザ光１００の照射方向を連続的に変更する方法は、特に限定されないが、例えば、レーザ点火装置２７を構成するレンズ群を、レーザ照射中に移動させることで実現することができる。

このようにレーザ光１００の照射方向を変化させることによってもレーザ光の照射範囲が拡大され、上述の実施形態と同様に、自己着火燃焼運転モード時に混合気がレーザ光によって着火燃焼されることなく良好に加熱され、自己着火燃焼が誘発（アシスト）される。またレーザ光の照射領域が広がることで混合気全体の温度がより均一化され、混合気をさらに良好に自己着火燃焼させることができる。

なおレーザ光１００の出力は適宜調整されてもよいが、必ずしも調整する必要はない。すなわち、自己着火燃焼運転モード時にレーザ光の強度を変化させなくても、レーザ光１００の照射方向を変化させることで、上述のようにレーザ光による着火燃焼を抑制することができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることは言うまでもない。例えば、上述の実施形態では、筒内噴射型のガソリンエンジンを例示して本発明を説明したが、勿論、本発明は、吸気管噴射型のガソリンエンジン等、他のタイプのエンジンにも採用することができる。

本発明の実施形態１に係るエンジンシステムの概略構成図である。回転数及び負荷と運転モード領域との関係を示すグラフである。本発明の実施形態１に係るレーザ光の照射状態を示す概略図である。レーザ照射期間及び燃焼期間を示す図である。本発明の実施形態２に係るレーザ光の照射状態を示す概略図である。本発明の実施形態３に係るレーザ光の照射状態を示す概略図である。

符号の説明

１０燃焼制御装置
１１エンジン
１４シリンダ
１５ピストン
１６燃焼室
１９吸気ポート
２０吸気マニホールド
２１吸気弁
２２燃料噴射弁
２３排気ポート
２４排気マニホールド
２５排気管
２６排気弁
２７レーザ点火装置

Claims

筒内の混合気をレーザ点火装置によって照射されるレーザ光で点火して燃焼させるレーザ点火燃焼運転モード、及び前記混合気を圧縮による自己着火によって燃焼させる自己着火燃焼運転モードでの運転が可能なエンジンの燃焼制御装置であって、
前記エンジンの運転モードを前記レーザ点火燃焼運転モードと前記自己着火燃焼運転モードとの間で切替る切替手段と、
前記レーザ点火燃焼運転モードと前記自己着火燃焼運転モードとの切替時に前記レーザ点火装置から前記混合気へと照射される前記レーザ光の照射条件を変更するレーザ照射条件変更手段と、
を具備し、
該レーザ照射条件変更手段は、前記レーザ点火燃焼運転モードから前記自己着火燃焼運転モードへの切替時に、前記レーザ光の照射領域を前記レーザ点火燃焼運転モード時よりも拡大させることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
前記レーザ照射条件変更手段は、前記レーザ点火燃焼運転モードから前記自己着火燃焼運転モードへの切替時に、前記レーザ光のビーム径を拡大させることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃焼制御装置。
前記レーザ照射条件変更手段は、前記レーザ点火燃焼運転モードから前記自己着火燃焼運転モードへの切替時に、前記レーザ光の強度を低下させると共に、前記レーザ光のビーム数を増加させることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃焼制御装置。
前記レーザ照射条件変更手段は、前記レーザ点火燃焼運転モードから前記自己着火燃焼運転モードへの切替時に、前記レーザ光の照射方向を連続的に変化させることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のエンジンの燃焼制御装置。
前記レーザ照射条件変更手段は、前記レーザ点火燃焼運転モードから前記自己着火燃焼運転モードへの切替時に、前記レーザ光の照射状態の一つとして照射時期を調整し、前記エンジンの吸気行程から圧縮行程に亘って連続的に前記混合気に前記レーザ光を照射させることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のエンジンの燃焼制御装置。