JPWO2017134822A1 - 内燃機関の制御方法及び制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
[0017]
なお、コントローラ100は、中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)及び入出力インタフェース(I/Oインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ100を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。
[0018]
図2は、内燃機関1の一の気筒の断面図である。
[0019]
燃焼室22には吸気通路23と排気通路25が連通している。吸気通路23の燃焼室側の開口部には吸気バルブ24が設けられている。排気通路25の燃焼室側の開口部には排気バルブ26が設けられている。
[0020]
燃焼室22の天井面には、点火プラグ20と燃料噴射弁21とが互いに隣接して配置されている。燃料噴射弁21はマルチホールタイプであり、燃料噴射の際には図示するように複数の噴霧ビームが形成される。複数の噴霧ビームのうち少なくとも一つは、点火プラグ20の放電チャンネルの近傍を通過する。ここでいう「近傍」とは、点火プラグ20をスパークさせた際に、燃料噴霧が点火する程度に近接している範囲を意味する。
[0021]
また、内燃機関1は、圧縮比を可変に制御し得る可変圧縮比機構を備える。可変圧縮比機構としては、例えば、クランクシャフトとピストンとを複数のリンクで連結し、ピストンの上死点位置を変更する機構を用いることができる。なお、シリンダヘッドの位置を可変に制御する機構等、その他の公知の機構を用いることもできる。
[0022]
上記のように構成される内燃機関1は、所定の運転領域(例えば低負荷領域)において、ターボ過給機4による過給をしつつリーン燃焼を行う、いわゆる過給リーン運転を行うことができる。
[0023]
次に、過給リーン運転中の燃料噴射制御及び点火制御について説明する。
[0024]
図3は、過給リーン運転中における燃料噴射タイミング、点火タイミング、及び燃焼室内の熱発生量を示すタイミングチャートである。熱発生量は吸気行程終了時点をゼロとしている。
[0025]
コントローラ100は、吸気行程中のタイミングT1において第1燃料噴
射を行うことにより、燃焼室内に均質混合気を形成する。ここでは、要求負荷を空気過剰率λ=2以上で発生させるために、ターボ過給機4によって混合気の空燃比(A/F)が30程度となるように過給を行う。このとき、コントローラ100は可変圧縮比機構を高圧縮比側に制御する。
[0026]
上記のような高過給、高圧縮比、及び高空気過剰率という条件を揃えるのは、圧縮行程において均質混合気の低温酸化反応を生じさせるためである。低温酸化反応は、温度が高いほど活性化する。そこで、高圧縮比にすることで圧縮行程中に温度上昇し易い状況を作る。また、低温酸化反応は混合気の密度が高いほど活性化する。そこで、ターボ過給機4によって燃焼室内に多量の空気を供給することで筒内圧を高め、混合気の密度を高める。
[0027]
上記条件を満たした状態で圧縮行程に入ると、燃焼室内の混合気はピストンに圧縮されて高温かつ高密度となり、低温酸化反応が生じる。
[0028]
なお、上記各条件の具体的な値は内燃機関1の仕様により異なるので、適合により定めるものとする。
[0029]
圧縮行程中に低温酸化反応による発熱が生じたら、コントローラ100は発熱が生じている期間中のタイミングT2において、第1燃料噴射に比べて少量の燃料を噴射する第2燃料噴射を行う。
[0030]
なお、第1燃料噴射では1サイクルで噴射する燃料量の90%程度を噴射し、第2燃料噴射では残りの10%程度を噴射することとする。また、燃料噴射圧力はより高い方が望ましい。燃料噴射圧力が高いほど燃料噴霧が微粒化されて燃焼し易くなり、その結果、排ガス成分の悪化を抑制できるからである。
[0031]
第2燃料噴射を行うタイミングは、低温酸化反応による発熱が生じるタイミングをシミュレーション等により求め、これに基づいて設定する。なお、燃焼室内の温度変化をモニターし、低温酸化反応による発熱を検知したら第2燃料噴射を開始するようにしてもよい。
[0032]
そして、第2燃料噴射を行った後、第2燃料噴射で噴射された燃料噴霧が点火プラグ20の放電チャンネルを通過し切ってしまう前のタイミングT3
において、コントローラ100は点火プラグ20による火花点火を行う。タイミングT3は、換言すれば第2燃料噴射で噴射された燃料に点火プラグの火花が届くタイミングである。
[0033]
上記の燃料噴射及び火花点火を行なった場合の熱発生量は、図3に示すようになる。圧縮行程の中盤まで熱発生量が徐々に増大しているのは、混合気がピストンによって圧縮されたことによる。この発熱は、低温酸化反応を利用しない一般的な内燃機関でも生じるものである。タイミングT2の直前に熱発生量の増大が急峻になっているのは、低温酸化反応が始まったことによるものである。タイミングT3以降に熱発生量がさらに増大しているのは、火花点火による燃焼が開始したことによるものである。このように、低温酸化反応を利用する本実施形態の制御では、熱発生量が2段階で増大することになる。
[0034]
上記の制御により、空気過剰率λ=2以上でも安定した燃焼が可能となる。そのメカニズムは下記のように推察される。
[0035]
図4、図5はいずれも燃焼室22を上面から見た模式図である。図4は火花点火を行なっている状態を示している。図5は火花点火後の状態を示している。図5の丸印は自己着火が発生していることを示している。
[0036]
上述したように、第2燃料噴射を行うタイミングにおいては、低温酸化反応が生じている。低温酸化反応は、600[K]−800[K]の温度範囲で生じるガソリン中の燃料分子の酸化反応であり、主に燃焼室22の中央部付近(図4の破線内)で生じる。つまり、低温酸化反応によって、理論空燃比よりもリーンな均質混合気(以下、「均質リーン混合気」ともいう)中にはラジカルが生成される。そして、ラジカルが存在する燃焼室22へ第2燃料噴射を行うことで、ガソリンの自己着火が促進される。
[0037]
また、第2燃料噴射を行なうと燃焼室22にガスの乱れが生じるので、火花点火後の火炎伝播が促進される。なお、図5においては、簡単のため噴霧ビームはガスの乱れが無い状態となっている。
[0038]
本実施形態によれば、上述したように自己着火が生じつつ火花点火による
Ox排出量)を低減する必要がある。NOxは、燃焼室内の窒素が酸化したものであり、この酸化反応は筒内温度が高いほど促進される。また、本実施形態のように第2燃料噴射で点火プラグ周りに混合気を形成する構成では、噴射した燃料があまり拡散せずに燃焼する。このため、空燃比が同一であれば、燃焼室内に均質なリーン混合気を形成する構成に比べてNOx排出量は増加する。しかし、本実施形態のように第2燃料噴射で点火プラグ周りに混合気を形成する構成では、燃焼室全体としての空燃比をよりリーンにすることができ、空燃比がリーンになれば図示するようにNOx排出量は減少する。したがって、燃焼安定度を確保しつつ燃焼室全体の空燃比をリーン化すれば、NOx排出量の増加を抑制できる。
[0048]
図9は、HC排出量と空燃比との関係を示す図である。HCは未燃燃料と燃焼による中間生物とからなり、その多くは燃焼室壁面内の境界層内で発生する。従来から知られている制御によれば、空燃比がリッチであればこれらが酸素と結びつけないためにHC排出量が多くなり、空燃比がある程度以上リーンの場合にも、燃焼温度低下や燃焼緩慢化によって壁面近傍での消炎が発生することによりHC排出量が多くなる。本実施形態によればリーン空燃比においても燃料噴射によって燃焼を活性化させることができるので、図9に示すように従来から知られている制御に比べてHC排出量を抑制することができる。
[0049]
図10は、CO発生量と空燃比との関係を示す図である。
[0050]
排ガス中のCOは炭素(C)が酸素不足により不完全燃焼したものである。リーン燃焼の場合には、ガソリンに対して十分な酸素が存在するため排出量が少なくなることが知られている。ただし、空燃比(A/F)が30を超える領域では、図10に示すように徐々に排出量が増加する。これは、空燃比がリーン化するほど燃焼温度が低下するため、COが酸化してCO2に至る反応速度が低下し、COに留まる割合が高まるためである。
[0051]
上述した燃焼安定度、燃費性能、及び排ガス成分を総合的に勘案すると、本実施形態の過給リーン燃焼は、空燃比(A/F)が45程度、つまり空気
過剰率λ=3程度を上限とする。
[0052]
次に、一般に知られている多段噴射と本実施形態との違いについて説明する。
[0053]
図11は、空気過剰率λ=1の場合の燃料噴射タイミング、点火タイミング、及び燃焼室内の熱発生量について、図3と同様に示すタイミングチャートである。
[0054]
吸気行程中のタイミングT21において、燃焼室内に均質混合気を形成するための燃料噴射を行なう。ここでは、要求負荷を空気過剰率λ=1で発生させるので、燃焼室22に供給される空気量は、燃料噴射量を1としたときに14.7程度である。このため、圧縮行程中の燃焼室内は本実施形態のような高温かつ高密度にはならないので、低温酸化反応は生じない。
[0055]
低温酸化反応が生じないので、圧縮行程中のタイミングT22で2回目の燃料噴射を行ない、その後のタイミングT23で火花点火を行ったとしても、熱発生量の履歴は本実施形態とは全く異なるものになる。仮にタイミングT22がタイミングT23の直前であったとしても、低温酸化反応による発熱が生じていないので、本実施形態のように自己着火と火炎伝播とが並行して生じることはない。
[0056]
図12は、点火タイミングを圧縮上死点以降まで遅角させ、点火の直前に点火プラグ周辺に少量の燃料を噴射する場合の燃料噴射タイミング、点火タイミング、及び燃焼室内の熱発生量について、図3と同様に示すタイミングチャートである。このような制御は、冷間始動時等に排気触媒の昇温を促進するために行われる。
[0057]
吸気行程中のタイミングT31においで、燃焼室内に均質混合気を形成するための燃料噴射を行なう。図11の場合と同様に、燃焼室22に供給される空気量は、燃料噴射量を1としたときに14.7程度なので、低温酸化反応は生じない。
[0058]
したがって、2回目の燃料噴射を行なうタイミングT32が点火タイミングT33の直前であっても、本実施形態のように自己着火と火炎伝播とが並
行して生じることはない。
[0059]
また、図12に示す制御が実行されるのは冷間始動後のアイドリング中に限られるので、この制御中に過給が行われることがない。つまり、仮に1回目の燃料噴射により形成する混合気の空燃比を理論空燃比よりリーンにしようとしても、本実施形態のような多量の空気を供給することはできない。したがって、図12に示す制御では低温酸化反応による発熱を生じることはない。
[0060]
図13は、いわゆる成層リーン燃焼を行う場合の燃料噴射タイミング、点火タイミング、及び燃焼室内の熱発生量について、図3と同様に示すタイミングチャートである。
[0061]
成層リーン燃焼とは、吸気行程中(タイミングT41)の燃料噴射によって均質な混合気を形成し、圧縮行程中(タイミングT42、T43)の燃料噴射によって点火プラグ周りに成層混合気を形成し、燃焼室全体としては理論空燃比よりもリーンな空燃比で行われる燃焼形態である。点火プラグ20による火花点火は、3回目の燃料噴射タイミングT43の直後(タイミングT44)に行われる。なお、成層リーン燃焼においては負荷を成層度合でコントロールする。また、成層リーン燃焼は低負荷領域で行われるものであり、基本的には非過給状態である。
[0062]
成層リーン燃焼では要求負荷を弱リーン(空気過剰率λ=1.2−1.3程度)で発生させるので、燃焼室22に供給される空気量は1回目の燃料噴射量を1としたときに20程度である。つまり、本実施形態に比べると燃焼室内の空気量は少ない。
[0063]
上記のように、成層リーン燃焼では、燃焼室内の空気量が少なく、かつ、過給も行われていないので、低温酸化反応は生じない。したがって、図13に示す成層リーン燃焼は、燃焼室内に均質なリーン混合気を形成し、圧縮上死点付近で点火プラグ周りに燃料を噴射し、その直後に火花点火を行なっているが、低温酸化反応を利用していない点で本実施形態の燃焼形態とは全く異なるものである。
[0064]
上述したように、本実施形態に係る燃焼形態は、従来から知られている燃焼形態とは異なるものである。そして、本実施形態によれば、従来から知られている燃焼形態においてリーン限界とされていた空燃比よりも、さらにリーンな空燃比で安定した運転が可能となる。
[0065]
図14は、本実施形態によって排ガス成分の悪化が抑制されることを説明するための図である。縦軸は当量比、横軸は燃焼中の筒内ガス温度である。また、図中の斜線を引いた領域は、それぞれPM(Particulate Matter)が発生する領域とNOxが発生する領域を示している。図中の破線で囲まれた領域は、本実施形態を実行した場合の領域を示している。
[0066]
図示するように、PMは中高温かつ当量比が2よりも、大きい領域で発生し、NOxは高温かつ当量比が0−2.5程度までの領域で発生する。上述した従来から知られている燃焼形態では、図中のNOx発生領域に入る。当量比が1であれば燃焼温度は当然高くなるし、当量比が1より小さくても、混合気が燃焼することにより温度上昇するからである。これに対して本実施形態では、上述したように過給によって燃焼室内に多量の空気を供給するので、燃焼室内のガスの熱容量が大きくなり、混合気が燃焼した場合の温度上昇が抑制される。その結果、本実施形態を実行した場合の領域は図中に破線で囲まれた領域になる。つまり、本実施形態によれば、従来はリーン限界とされていた当量比よりもリーンな当量比で安定した燃焼が可能になるだけでなく、PM及びNOxの排出量を抑制することもできる。
[0067]
なお、上記の説明においては、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁21を一本だけ備える構成を用いたが、これに限られるわけではない。例えば、吸気通路23に燃料を噴射するポート噴射弁をさらに有し、第1燃料噴射をポート噴射弁により行う構成であっても構わない。
[0068]
また、噴霧ビームの少なくとも一部は点火プラグ20の放電チャンネル傍を通過するのであれば、燃料噴射弁21が燃焼室22の側壁に配置される構成であってもよい。
Claims (4)
- 第1燃料噴射により筒内に理論空燃比よりもリーンな混合気を形成し、
前記混合気が圧縮行程において低温酸化反応を起こしている期間中に、点火プラグの放電チャンネル近傍に向けて燃料を噴射する第2燃料噴射を行い、
前記第2燃料噴射の後、前記第2燃料噴射で噴射された燃料に前記点火プラグの火花が届くタイミングで前記点火プラグによる火花点火を行う内燃機関の制御方法。 - 請求項1に記載の内燃機関の制御方法において、
前記内燃機関は過給機を備え、
前記低温酸化反応が生じるように前記過給機による過給を行う内燃機関の制御方法。 - 請求項1または2に記載の内燃機関の制御方法において、
前記内燃機関は可変圧縮比機構を備え、
前記低温酸化反応が生じるように前記可変圧縮比機構により圧縮比を上昇させる内燃機関の制御方法。 - 筒内に燃料を供給する燃料噴射弁と、
筒内の混合気に火花点火する点化プラグと、
燃料噴射タイミングと点火タイミングとを制御するコントローラと、
を備える内燃機関の制御装置において、
前記コントローラは、
筒内に理論空燃比よりもリーンな混合気を形成するための第1燃料噴射と、
前記混合気が圧縮行程において低温酸化反応を起こしている期間中に、前記点火プラグの放電チャンネル近傍に向けて燃料を噴射する第2燃料噴射と、
前記第2燃料噴射の後、前記第2燃料噴射で噴射された燃料に前記点火プラグの火花が届くタイミングで行う前記点火プラグによる火花点火と、
を実行する内燃機関の制御装置。
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