JP6577299B2 - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃焼制御装置に関し、特にノッキングを抑制するための燃焼制御装置に関する。

特許文献１には、燃料と空気の混合気とともに一酸化窒素を内燃機関に供給することによって、ノッキングを抑制する燃焼制御装置が示されている。

特開２０１４−２１４６３１号公報

特許文献１に示されるように一酸化窒素を供給することにって、ノッキングを抑制することが可能であるが、添加剤によってノッキングを抑制する技術を、量産する車両の搭載される内燃機関に適用するためには、ノッキングを抑制可能な他の添加剤を確認しておくことが望まれている。複数の有効な添加剤を確認しておくことによって、添加剤供給のための装置を低コストで実現できる可能性を高めることが可能となる。

本発明は、この点に着目してされたものであり、一酸化窒素以外の他の添加剤を用いてノッキングを抑制することができる内燃機関の燃焼制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、燃焼室内に火花点火手段（７）を備える内燃機関（１）の燃焼制御装置において、前記機関に二酸化窒素を供給する二酸化窒素供給手段（３１〜３３）を含み、前記機関の負荷を示す機関負荷パラメータ（ＰＢＡ）及び前記機関の温度を示す機関温度パラメータ（ＴＷ）を含む機関運転パラメータに応じて予め設定されている量（ＡＮＯ２Ｂ，ＡＮＯ２ＣＭＤ）の二酸化窒素を前記機関に供給することにより、前記機関のノッキングを抑制するノッキング抑制手段を備えることを特徴とする。

この構成によれば、機関負荷パラメータ及び機関温度パラメータを含む機関運転パラメータに応じて予め設定されている量の二酸化窒素を機関に供給することにより、ノッキングが抑制される。すわなち、燃料及び空気の混合気とともに機関に二酸化窒素を供給することにより、ノッキングを抑制することができる。機関の排気中に存在する一酸化窒素は、温度が低下すると二酸化窒素に変化するので、添加剤として二酸化窒素を用いることによってノッキングを抑制可能であることは、量産される機関に本発明を適用する際に機関の排気を利用することを可能とし、添加剤によるノッキング抑制を低コストで実現する可能性を高めることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記機関のノッキングを検出するノッキング検出手段（５，１１）を備え、前記ノッキング抑制手段は、前記ノッキング検出手段によりノッキングが検出されたときは、前記二酸化窒素の供給量（ＡＮＯ２Ｂ，ＡＮＯ２ＣＭＤ）を増量補正する一方、ノッキングが検出されないときは前記二酸化窒素の供給量を減量補正することを特徴する。

この構成によれば、ノッキングが検出されたときは、二酸化窒素の供給量が増量補正される一方、ノッキングが検出されないときは二酸化窒素の供給量が減量補正される。これにより、ノッキングの発生状態に応じて二酸化窒素の供給量を適量、すなわち必要最小限の量に収束させることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記ノッキング検出手段によりノッキングが検出されたときは、前記火花点火手段（７）による点火時期（ＩＧＬＯＧ）を遅角させる点火時期補正手段をさらに備えることを特徴とする。

この構成によれば、ノッキングが検出されたときは、火花点火手段による点火時期が遅角される。例えば二酸化窒素の供給量が補正によって上限値に達したときに、点火時期の遅角を行うことにより、粗悪な燃料が使用された場合でもノッキングを抑制することが可能となる。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 二酸化窒素を添加することによるノッキング抑制効果等を説明するための図である。 二酸化窒素を添加したときの筒内圧（ＰＣＹＬ）の推移を示すタイムチャートである。 二酸化窒素を添加したときの熱発生率（ＨＲＲ）の推移を示すタイムチャートである。 ＮＯ２供給制御処理のフローチャートである。 図５の処理で実行される補正量（ＡＮＯ２ＣＲ）算出処理のフローチャートである。 点火時期制御処理のフローチャートである。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる内燃機関（以下「エンジン」という）及びその制御装置の構成を示す図であり、例えば４気筒のエンジン１の吸気管２の途中にはスロットル弁３が配置されている。スロットル弁３にはスロットル弁開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ４が連結されており、スロットル弁開度センサ４の検出信号は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給される。

燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁３との間かつ吸気管２の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時期（燃料噴射時期）及び開弁時間（燃料噴射時間）が制御される。エンジン１の各気筒には、点火プラグ７が設けられており、点火プラグ７はＥＣＵ５に接続されている。ＥＣＵ５は、点火プラグ７による点火時期を制御する。

スロットル弁３の下流側には吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ８、及び吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ９が設けられている。エンジン１の本体には、エンジン冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ１０及び非共振型のノックセンサ１１が装着されている。センサ８〜１１の検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。ノックセンサ１１としては、例えば５ｋＨｚから２５ｋＨｚまでの周波数帯域の振動を検出可能なものが使用される。

吸気管２のスロットル弁３の上流側には、吸入空気流量ＧＡを検出する吸入空気流量センサ１３が設けられており、その検出信号はＥＣＵ５に供給される。さらに大気圧ＰＡを検出する大気圧センサ１４がＥＣＵ５に接続されており、その検出信号がＥＣＵ５に供給される。

ＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸及びカム軸（図示せず）の回転角度を検出する回転位相センサ１２が接続されており、クランク軸及びカム軸の回転角度に応じた信号がＥＣＵ５に供給される。回転位相センサ１２の出力信号に基づいて、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御、エンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出が行われる。

吸気管２のスロットル弁３の下流側でかつ燃料噴射弁６より少し上流側に、二酸化窒素噴射弁３１が設けられており、二酸化窒素噴射弁３１は通路３３を介して二酸化窒素ボンベ３２に接続されている。二酸化窒素ボンベ３２から通路３３及び二酸化窒素噴射弁３１を介して吸気管２に二酸化窒素が供給される。二酸化窒素噴射弁３１はＥＣＵ５に接続されており、ＥＣＵ５によってその作動が制御される。二酸化窒素噴射弁３１の開弁時間を変更することにより、二酸化窒素の供給量が制御される。

ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、該ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路（メモリ）、燃料噴射弁６、点火プラグ７、及び二酸化窒素噴射弁３１に駆動信号を供給する出力回路等から構成される。

本実施形態では、二酸化窒素をエンジン１に供給することによってノッキングを抑制する制御が行われるので、図２〜図４を参照して、二酸化窒素を添加することによるノッキング抑制効果、及び他の燃焼特性を説明する。図２〜図４に示す測定データは、データ測定の便宜及び測定精度を考慮して、実験用単気筒エンジンを使用して得られたものである。これらの図において実線が二酸化窒素を添加した場合に対応し、破線は一酸化窒素を添加した場合に対応する。

なお、二酸化窒素のみが充填された、実験に使用可能なボンベは入手できなかったため、窒素ガス（Ｎ₂）との混合ガスが充填されたボンベを使用して得られたデータである。混合ガス中の比率は、ＮＯ₂：Ｎ₂＝１：１９（体積比）である。一酸化窒素を添加した場合のデータも、実際には一酸化窒素と窒素ガスとの混合ガス（二酸化窒素／窒素混合ガスと同様に、両者の比率は１：１９）を使用して得られたものである。窒素ガスのみでは、ノッキング抑制効果は得られないことは、窒素ガスのみを添加する実験を別途行うことによって確認されている。また、燃料はオクタン価９０（レギュラーガソリン相当）に調整されたものを使用し、当量比は１．０としている。

図２（ａ）は、添加ガス濃度と、ノック限界角点火時期ＩＧＫＮＫ（圧縮上死点を０度として遅角方向に増加するクランク角度で示す）との関係を示す。ノック限界角点火時期ＩＧＫＮＫは、ノッキングが発生しない、最も進角させた点火時期であり、この値が小さくなるほど、ノッキングの抑制度合が大きいことを示す。二酸化窒素については、１０００ｐｐｍ添加すると無添加のときに比べて、ノック限界角点火時期ＩＧＫＮＫが約１度進角し、ノッキングの抑制効果が得られることが確認できる。なお、一酸化窒素については、１０００ｐｐｍ添加すると、ノック限界角点火時期ＩＧＫＮＫが約４度進角し、二酸化窒素より大きな抑制効果が得られる。

図２（ｂ）は、添加ガス濃度と、図示熱効率ηiとの関係を示し、図２（ｃ）は、添加ガス濃度と、燃焼重心位置ＭＢＦ５０（圧縮上死点を０度として遅角方向に増加するクランク角度で示す）との関係を示す。二酸化窒素の添加によって、図示熱効率ηiが増加し、燃焼重心位置ＭＢＦ５０が進角することが確認できる。

図３は、筒内圧ＰＣＹＬの推移（圧縮上死点を「０」度とし、クランク角ＣＡが−６０度から６０度の範囲）を示す。この図で一点鎖線は、添加ガス濃度が「０」である場合に対応する。二酸化窒素（実線）及び一酸化窒素（破線）の何れの場合も、添加しない場合に比べて筒内圧ＰＣＹＬの最大値が上昇することが確認できる。このことは、筒内最大温度の上昇を意味しており、より高い温度までノッキングの発生を抑制していると推察できる。

図４は、熱発生率ＨＲＲの推移（圧縮上死点を「０」度とし、クランク角ＣＡが−２０度から２０度の範囲）を示す。この図で一点鎖線は、添加ガス濃度が「０」である場合に対応する。二酸化窒素（実線）及び一酸化窒素（破線）の何れの場合も、添加しない場合に比べて圧縮上死点より進角側で熱発生率ＨＲＲが低下することが確認できる。圧縮上死点近傍の熱発生率ＨＲＲは、低温酸化反応の発生度合を示すと考えられており、圧縮上死点近傍の熱発生率ＨＲＲの低下は低温酸化反応が抑制されていることを示す。このことから、二酸化窒素（一酸化窒素）の添加によって、低温酸化反応が抑制され、ノッキングが抑制されることが確認できる。

図５は、本実施形態におけるＮＯ２供給制御処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ５において例えば所定時間ごとに実行される。なお、以下の説明では、二酸化窒素の「ＮＯ２」と記載する。

ステップＳ１１では、エンジン運転パラメータ、具体的にはエンジン回転数ＮＥ、吸気圧ＰＢＡ、及びエンジン冷却水温ＴＷに応じて予め設定されているＮＯ２量マップを用いて、基本ＮＯ２供給量ＡＮＯ２Ｂ及び上限量ＡＮＯ２ＭＡＸを算出する。ＮＯ２量マップは、吸気圧ＰＢＡが増加するほど基本ＮＯ２供給量ＡＮＯ２Ｂが増加し、エンジン冷却水温ＴＷが高くなるほど基本ＮＯ２供給量ＡＮＯ２Ｂが増加するように設定されており、上限量ＡＮＯ２ＭＡＸも同様に設定されたマップを用いて算出される。また、エンジン回転数ＮＥが低下するほど、低温酸化反応が起きやすくなるので、基本ＮＯ２供給量ＡＮＯ２Ｂは、エンジン回転数ＮＥが低下するほど吸入混合気中のＮＯ２濃度が高くなるように設定される。

ステップＳ１２では、図６に示すＡＮＯ２ＣＲ算出処理を実行し、補正量ＡＮＯ２ＣＲを算出する。

図６のステップＳ２１では、ノッキング検出フラグＦＫＮＯＣＫが「１」であるか否かを判別する。ノッキング検出フラグＦＫＮＯＣＫは、図示しないノッキング判定処理において、ノックセンサ１１の出力に基づいてノッキングが発生したと判定されると「１」に設定され、発生していないと判定されたときは「０」に設定される。

ステップＳ２１の答が肯定（ＹＥＳ）であってノッキングが発生したときは、下記式（１）により、補正量ＡＮＯ２ＣＲを増加方向に更新する（ステップＳ２２）一方、ステップＳ２１の答が否定（ＮＯ）であるときは、下記式（２）により、補正量ＡＮＯ２ＣＲを減少方向に更新する（ステップＳ２３）。これらの式のＤＡＮＯ２は、比較的小さな値に設定される所定更新量である。補正量ＡＮＯ２ＣＲは、イグニッションスイッチオフ後も保持され、次にイグニッションスイッチがオンされたときに、初期値として使用される。
ＡＮＯ２ＣＲ＝ＡＮＯ２ＣＲ＋ＤＡＮＯ２ （１）
ＡＮＯ２ＣＲ＝ＡＮＯ２ＣＲ−ＤＡＮＯ２ （２）

図５に戻り、ステップＳ１３では、基本ＮＯ２供給量ＡＮＯ２Ｂ及び補正量ＡＮＯ２ＣＲを下記式（３）に適用し、ＮＯ２供給指令量ＡＮＯ２ＣＭＤを算出する。
ＡＮＯ２ＣＭＤ＝ＡＮＯ２Ｂ＋ＡＮＯ２ＣＲ （３）

ステップＳ１４では、ＮＯ２供給指令量ＡＮＯ２ＣＭＤが上限量ＡＮＯ２ＭＡＸより大きいか否かを判別し、この答が否定（ＮＯ）であるときは、ＮＯ２量上限フラグＦＮＯ２ＭＡＸを「０」に設定し（ステップＳ１６）、ステップＳ１７に進む。ステップＳ１４の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、ＮＯ２供給指令量ＡＮＯ２ＣＭＤを上限量ＡＮＯ２ＭＡＸに設定するとともに、ＮＯ２量上限フラグＦＮＯ２ＭＡＸを「１」に設定する（ステップＳ１５）。

ステップＳ１７では、ＮＯ２供給指令量ＡＮＯ２ＣＭＤに応じてＮＯ２噴射弁３１の開弁時間（噴射時間）ＴＩＮＯ２を算出する。算出された開弁時間ＴＩＮＯ２に亘ってＮＯ２噴射弁３１を開弁させる駆動信号がＮＯ２噴射弁３１に供給される。

図７は点火プラグ７による点火時期を制御する処理のフローチャートである。この処理は、回転位相センサ１２から出力されるＴＤＣパルスに同期して実行される。ＴＤＣパルスは、エンジン１のクランク軸が１８０度回転する毎に出力される。

ステップＳ３１では、エンジン運転状態に応じて最適点火時期ＩＧＭＢＴを算出する。最適点火時期ＩＧＭＢＴは、エンジン１の出力トルクを最大とする点火時期であり、具体的にはエンジン回転数ＮＥ及び吸気圧ＰＢＡに応じて設定されたマップを検索することにより算出される。

ステップＳ３２では、吸気温ＴＡ、エンジン冷却水温ＴＷ、及び大気圧ＰＡに応じて環境補正値ＩＧＣＲを算出する。ステップＳ３３では、ＮＯ２量上限フラグＦＮＯ２ＭＡＸが「１」であるか否かを判別し、その答が否定（ＮＯ）であるときは、ノッキング補正値ＩＧＫＮＯＣＫを「０」に設定し（ステップＳ３５）、ステップＳ３６に進む。

ステップＳ３３の答が肯定（ＹＥＳ）であって、ＮＯ２供給指令量ＡＮＯ２ＣＭＤが上限量ＡＮＯ２ＭＡＸに設定されているときは、ステップＳ３４において、ノッキング補正値ＩＧＫＮＯＣＫを算出し、ステップＳ３６に進む。ノッキング補正値ＩＧＫＮＯＣＫの算出には公知の手法が適用され、ノッキング検出フラグＦＫＮＯＣＫが「１」であるときは増加方向に更新する一方、ノッキング検出フラグＦＫＮＯＣＫが「０」であるときは減少方向に更新することによって、ノッキング補正値ＩＧＫＮＯＣＫが算出される。

ステップＳ３６では、下記式（４）に最適点火時期ＩＧＭＢＴ、環境補正値ＩＧＣＲ、及びノッキング補正値ＩＧＫＮＯＣＫを適用し、点火時期ＩＧＬＯＧを算出する。
ＩＧＬＯＧ＝ＩＧＭＢＴ＋ＩＧＣＲ−ＩＧＫＮＯＣＫ （４）
点火時期ＩＧＬＯＧは圧縮上死点からの進角量として定義され、ノッキング補正値ＩＧＫＮＯＣＫが増加するほど、点火時期ＩＧＬＯＧは遅角される。

以上のように本実施形態では、吸気圧ＰＢＡ、エンジン冷却水温ＴＷ、及びエンジン回転数ＮＥに応じて予め設定されている量のＮＯ２をエンジン１に供給することにより、ノッキングが抑制される。燃料及び空気の混合気とともにエンジン１にＮＯ２を供給することにより、ノッキングを抑制することができる。エンジンの排気中に存在するＮＯは、温度が低下するとＮＯ２に変化するので、添加剤としてＮＯ２を用いることによってノッキングを抑制可能であることは、量産されるエンジンにＮＯ２を供給する際にエンジンの排気を利用することを可能とし、添加剤によるノッキング抑制を低コストで実現する可能性を高めることができる。

またノッキングの検出結果を示すノッキング検出フラグＦＫＮＯＣＫに応じて補正量ＡＮＯ２ＣＲが算出され、補正量ＡＮＯ２ＣＲによって基本ＮＯ２供給量ＡＮＯ２Ｂが補正されるので、ノッキングの発生状態に応じた適量のＮＯ２をエンジン１に供給することができる。

より具体的には、ノッキングが検出されたときは、補正量ＡＮＯ２ＣＲが増加方向に更新される一方、ノッキングが検出されないときは補正量ＡＮＯ２ＣＲが減少方向に更新されるので、ノッキングの発生状態に応じてＮＯ２供給量を供給量を適量、すなわち必要最小限の量に収束させることができる。

またＮＯ２供給指令量ＡＮＯ２ＣＭＤが上限量ＡＮＯ２ＭＡＸに達した状態でもノッキングが発生するときは、点火時期ＩＧＬＯＧの遅角補正が行われるので、例えば粗悪な燃料が使用された場合でもノッキングを抑制することが可能となる。

本実施形態では、点火プラグ７が火花点火手段に相当し、二酸化窒素ボンベ３２、通路３３、二酸化窒素噴射弁３１、及びＥＣＵ５が二酸化窒素供給手段を含むノッキング抑制手段を構成し、ノックセンサ１１及びＥＣＵ５がノッキング検出手段を構成する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば上述した実施形態では、吸気圧ＰＢＡが増加するほど基本ＮＯ２供給量ＡＮＯ２Ｂを増加させ、エンジン冷却水温ＴＷが上昇するほど基本ＮＯ２供給量ＡＮＯ２Ｂを増加させるように設定したが、吸気圧ＰＢＡ及びエンジン冷却水温ＴＷの何れか一方または両方が変化しても基本ＮＯ２供給量ＡＮＯ２Ｂを一定値に維持するようにしてもよい。

またエンジン１の負荷を示す負荷パラメータとしては、吸気圧ＰＢＡに代えて、スロットル弁開度ＴＨ、吸入空気流量ＧＡなどを用いてもよく、またエンジン１の潤滑油温度ＴＯＩＬを検出し、潤滑油温度ＴＯＩＬを、エンジン冷却水温ＴＷに代えて機関温度パラメータとして用いてもよい。
また特許文献１及び図２〜４に示されるように、一酸化窒素を供給するが有効であることも確認されているので、二酸化窒素と一酸化窒素の混合ガスをエンジン１に供給するようにしてもよい。

１ 内燃機関
２ 吸気管
５ 電子制御ユニット（ノッキング抑制手段、ノッキング検出手段）
６ 燃料噴射弁
７ 点火プラグ（火花点火手段）
８ 吸気圧センサ
１０ エンジン冷却水温センサ
１１ ノックセンサ（ノッキング検出手段）
１２ 回転位相センサ
３１ 二酸化窒素噴射弁（二酸化窒素供給手段）
３２ 二酸化窒素ボンベ（二酸化窒素供給手段）

Claims (3)

1. 燃焼室内に火花点火手段を備える内燃機関の燃焼制御装置において、
   前記機関に二酸化窒素を供給する二酸化窒素供給手段を含み、前記機関の負荷を示す機関負荷パラメータ及び前記機関の温度を示す機関温度パラメータを含む機関運転パラメータに応じて予め設定されている量の二酸化窒素を前記機関に供給することにより、前記機関のノッキングを抑制するノッキング抑制手段を備えることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
2. 前記機関のノッキングを検出するノッキング検出手段を備え、
   前記ノッキング抑制手段は、前記ノッキング検出手段によりノッキングが検出されたときは、前記二酸化窒素の供給量を増量補正する一方、ノッキングが検出されないときは前記二酸化窒素の供給量を減量補正することを特徴する請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
3. 前記ノッキング検出手段によりノッキングが検出されたときは、前記火花点火手段による点火時期を遅角させる点火時期補正手段をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置。

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