WO2007125735A1 - 予混合圧縮着火機関及び予混合圧縮着火機関の吸気制御方法 - Google Patents

予混合圧縮着火機関及び予混合圧縮着火機関の吸気制御方法 Download PDF

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WO2007125735A1
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PCT/JP2007/057560
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Hiroshi Kuzuyama
Masahiro Machida
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Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki
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Definitions

  • the present invention relates to a premixed compression ignition engine and a premixed compression ignition engine intake control method.
  • premixed compression auto-ignition (HCCI) engines with high efficiency and low NOx emissions have attracted attention.
  • SI spark ignition
  • HCCI premixed compression auto-ignition
  • in-cylinder gas the combustion chamber gas
  • EGR gas the combustion chamber gas
  • the operating range in which HC CI combustion can be performed stably is on the low-rotation low-load side in the middle-rotation load. Therefore, at the timing of switching the combustion, the throttle valve in the intake passage is on the closed side, and the negative pressure is from the downstream of the throttle valve to the intake port before the combustion chamber. For this reason, even when the throttle valve is fully opened at the time of switching the combustion, sufficient air-fuel mixture is not supplied to the combustion chamber, and a torque step occurs in a form in which the torque drops.
  • Patent Document 1 in a premixed compression ignition engine equipped with a supercharger, when switching to SI combustion force HCCI combustion, the pressure and temperature in the combustion chamber are increased by the supercharger. It is proposed to switch to HCCI combustion after the conditions for HCCI combustion have been established.
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2004-176688
  • the present invention has been made to solve such problems, and the amount of intake air mixture generated when switching between spark ignition combustion and premixed compression ignition combustion regardless of the presence or absence of a supercharger. It is an object of the present invention to provide a premixed compression ignition engine that can eliminate the excess and deficiency of the engine and an intake control method thereof.
  • a premixed compression ignition engine capable of switching between spark ignition combustion and premixed compression ignition combustion
  • a first branch intake passage and a second branch intake passage having one end communicating with a combustion chamber, and a first branch A common intake passage that communicates with the other ends of the intake passage and the second branch intake passage
  • a fuel supply device that is provided in the common intake passage and generates air-fuel mixture by mixing air and fuel
  • Switching means that operates to connect the common intake passage and at least one of the first branch intake passage or the second branch intake passage, and the first branch intake passage that is provided in the first branch intake passage. It is characterized by comprising: a flow rate adjusting means for controlling the flow rate of the air-fuel mixture; and a control device for operating the switching means when switching between the spark-ignition combustion and the premixed compression ignition combustion.
  • the switching valve operates to allow the air-fuel mixture to flow only through the second branch intake passage.
  • one end communicates with the respective other ends of the first branch intake passage and the second branch intake passage, and the first branch intake passage and the second branch intake passage.
  • Two common intake passages a fuel supply device that generates an air-fuel mixture by mixing air and fuel, and the common intake passage and at least one of the first branch intake passage and the second branch intake passage.
  • a switching means that operates, a flow rate adjusting means that controls the flow rate of the air-fuel mixture that flows through the first branch intake passage, and a control device that operates the switching means, spark ignition combustion power to premixed compression ignition combustion
  • the air-fuel mixture is supplied only to the second branch intake passage, so that the air-fuel mixture is supplied to the combustion chamber without adjusting the flow rate of the air-fuel mixture. Can be prevented.
  • the air-fuel mixture is circulated only through the first branch intake passage that is in a state that can be adjusted to an appropriate air-fuel amount in advance by the flow rate adjusting means.
  • the air-fuel mixture whose flow rate is adjusted is supplied to the combustion chamber, so that an excessive amount of the air-fuel mixture sucked into the combustion chamber can be prevented. Therefore, it is possible to eliminate the excess or deficiency of the intake air-fuel mixture amount that occurs when switching between spark ignition combustion and premixed compression ignition combustion regardless of the presence or absence of a supercharger.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a premixed compression ignition engine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a map showing the relationship between the premixed compression ignition combustion region and the spark ignition combustion region.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a procedure for switching from spark ignition combustion power to premixed compression ignition combustion in the premixed compression ignition engine according to this embodiment.
  • the switching valve switching operation, the throttle valve opening / closing operation, and the internal EGR when switching to the premixed compression ignition combustion from the spark ignition combustion power It is a figure which shows the time passage of implementation or a stop.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a procedure for switching from premixed compression ignition combustion to spark ignition combustion in the premixed compression ignition engine according to this embodiment.
  • FIG. 6 In the premixed compression ignition engine according to this embodiment, when the premixed compression ignition combustion power is switched to spark ignition combustion, the switching valve switching operation, the throttle valve opening / closing operation, and the internal EGR are performed. Or it is a figure which shows the time passage of a stop. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • GHP gas heat pump
  • Combustion chamber 3 defined by cylinder 1 and piston 2 and cylinder head la, two intake ports 4, 14 and one exhaust port 5 formed in cylinder head la and connected to combustion chamber 3, and intake port 4, 14 and the exhaust port 5, and the intake valve 6, 25 and the exhaust valve 7, which communicate with or cut off the combustion chamber 3, and the ignition arranged so as to penetrate from the upper part of the cylinder head la into the combustion chamber 3. It has a plug 21.
  • Each camshaft (not shown) that drives the intake valves 6 and 25 and the exhaust valve 7 includes a known variable valve control mechanism 8 that can control both the operation period and the lift amount of the intake valve 25 and the exhaust valve 7 by each cam. 9 is provided.
  • An intake passage 10 is provided so as to communicate with the combustion chamber 3.
  • the intake passage 10 has a first branch intake passage 16 having an intake port 4 at one end and a second branch intake passage 17 having an intake port 14 at one end. And a common intake passage 19 that communicates with the other ends of the first branch intake passage 16 and the second branch intake passage 17.
  • the common intake passage 19 is provided with a mixer 11 which is a fuel supply device for generating an air-fuel mixture by mixing the air flowing through the common intake passage 19 and the natural gas of the fuel flowing through the fuel passage 15. .
  • a fuel flow rate control valve 22 is provided in the fuel passage 15 communicating with the mixer 11 to control the flow rate of city gas, which is gaseous fuel, and to control the air-fuel ratio of the air-fuel mixture together with the throttle valve 12.
  • the intake passage 10 is provided with a switching valve 18 which is a switching means for communicating the common intake passage 19 and at least one of the first branch intake passage 16 or the second branch intake passage 17.
  • the first branch intake passage 16 includes a throttle valve 12 that is a flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the air-fuel mixture flowing through the first branch intake passage 16, and a surge tank 13 provided downstream of the throttle valve 12. Intake bear hold is placed.
  • the second branch intake passage 17 includes an intake bear hold that includes a surge tank 23.
  • the GHP gas engine according to this embodiment includes the ECU 20 as a control device, and the variable valve control mechanisms 8, 9, the throttle valve 12, the switching valve 18, and the spark plug 21 are electrically connected to the ECU 20. It is connected to the.
  • the GHP gas engine according to this embodiment When the GHP gas engine according to this embodiment is started, the air flowing through the common intake passage 19 and the natural gas flowing through the fuel passage 15 are mixed in the mixer 11 as shown in FIG. It becomes a mixture.
  • the switching valve 18 communicates with the common intake passage 19 and the first branch intake passage 16, and the air-fuel mixture is adjusted with the throttle valve 12 and then the flow rate is adjusted.
  • the intake valve 6 When the intake valve 6 is opened after flowing through the one-branch intake passage 16 and into the intake hold including the surge tank 13, it is sucked into the combustion chamber 3 through the intake port 4. That is, only the first branch intake passage 16 is circulated and sucked into the combustion chamber 3.
  • the air-fuel mixture sucked into the combustion chamber 3 is compressed by the piston 2 and ignited by the spark plug 21 at an appropriate timing to burn.
  • the exhaust gas after combustion is discharged to the exhaust port 5 when the exhaust valve 7 is opened.
  • ECU20 When starting a gas engine for GHP, ECU20 is usually not in the HCCI combustion range, that is, the operating state represented by engine speed or engine torque is not suitable for HCCI combustion. Therefore, the switching valve 18 allows the air-fuel mixture to flow only through the first branch intake passage 16, and the spark plug 21 is operated at an appropriate timing. Thereafter, when the ECU 20 receives signals such as the gas engine speed and the target torque and determines that the ECU 20 is in the HCCI combustion region, the ECU 20 switches to the HCCI combustion operation. In the map of the present embodiment shown in FIG. 2, a transition region is set between the HCCI combustion region and the SI combustion region for the convenience of control.
  • the transition region is set so as to surround the outer edge of the HCCI combustion region inside the region where HCCI combustion is possible (HCCI combustible region).
  • HCCI combustion does not cause problems such as pre-ignition and knocking.
  • An operation region in which appropriate combustion and control can be performed is set. For this reason, the type of fuel, the characteristics of the variable valve control mechanism, etc. differ depending on the preconditions for the GHP gas engine. What is shown in FIG. 2 is merely an example in the present embodiment.
  • step Sl it is determined whether or not the GHP gas engine has been warmed up and the HCCI combustion is possible. Specifically, the water temperature and oil temperature of the GHP gas engine are detected by a detection means (not shown), and if either the water temperature or the oil temperature is below a preset threshold, it is not suitable for HCCI combustion. This process is terminated. On the other hand, when both the water temperature and the oil temperature of the GHP gas engine exceed the threshold, the HCCI combustion is possible and the operation region is determined.
  • the ECU 20 determines whether or not the operating state is HCCI combustion region force based on the map shown in FIG. 2 (step S2). If it is determined that the region is not the HCCI combustion region, this process is terminated. On the other hand, if it is determined that the combustion region is in the HC CI combustion region, the ECU 20 operates the switching valve 18 so that the common intake passage 19 and the second branch intake passage 17 communicate with each other. Only the intake passage 17 is circulated (step S3). At the same time, the ECU 20 controls the variable valve control mechanisms 8 and 9 to stop the opening and closing of the intake valve 6 and switch to the control to open and close the intake valve 25. The closing timing of the exhaust valve 7 is set to the top dead center.
  • step S4 the so-called negative overlap is controlled by making the intake valve 25 open earlier than the top dead center (step S4). That is, by closing the exhaust valve 7 during the exhaust process, part of the exhaust gas remains in the combustion chamber 3 (internal EGR). Further, the ECU 20 performs control so as to reduce the opening of the fuel flow control valve 22, and changes the air-fuel ratio of the air-fuel mixture to the lean side (step S5). This is because HCCI combustion has better thermal efficiency than SI combustion, so that there is no torque step. This is the end of the switching procedure. Note that when the SI combustion power is switched to HCCI combustion, the air-fuel mixture no longer flows through the first branch intake passage 16, so It is no longer necessary to adjust the opening of the valve 12.
  • Figure 4 shows the operation of the switching valve 18, the opening / closing operation of the throttle valve 12, and the time elapsed for the implementation or stoppage of the internal EGR.
  • the downstream side of the throttle valve 12 is below atmospheric pressure (negative pressure )It has become.
  • the intake port temporarily changes due to the slow opening / closing operation of the throttle valve 12 due to the characteristics of the actuator.
  • the state of atmospheric pressure below 4 (negative pressure) in 4 is not sufficiently eliminated and the amount of air-fuel mixture sucked into the combustion chamber 3 is insufficient.
  • HCCI combustion is continued if the operating condition is in the HCCI combustion region.
  • the variable valve control mechanisms 8, 9 are controlled to change the internal EGR amount or adjust the opening of the fuel flow control valve.
  • HCCI combustion can be continued stably. If the operating condition is no longer in the HCCI combustion region, the ECU 20 Switch to SI combustion, which activates the spark plug 21 at the appropriate point before or after the point. More specifically, switching to SI combustion is performed when the operating state shifts to the transition region from the inside of the transition region within the HCCI combustible region.
  • a transition region is set inside the HCCI combustible region and outside the HCCI combustion region. Therefore, the width of the transition region is set so that when the operating state of the gas engine for GHP shifts from the HCCI combustion region to the SI combustion region, it does not shift without being detected as being in the transition region.
  • the ECU 20 When the gas engine for GHP is performing HCCI combustion, the ECU 20 periodically determines whether or not to shift to SI combustion based on the operating region and operating conditions, and the operating state shifts to the transition region. If there is a high possibility of shifting to combustion, switch to SI combustion. When this process is started, it is determined whether or not the operating condition is a transition region based on the map shown in FIG. 2 (step S11). If it is determined that the region is not a transition region, HCCI combustion is continued and this processing is terminated. On the other hand, when it is determined that the vehicle is in the transition region, the ECU 20 adjusts the opening degree of the throttle valve 12 to an opening degree that is commensurate with the air-fuel mixture amount during SI combustion.
  • the air-fuel mixture is adjusted in advance to an appropriate flow rate by the throttle valve 12.
  • the opening of the fuel flow control valve 22 is controlled to increase, and the air-fuel ratio is changed to the rich side so as to be suitable for SI combustion (step S13).
  • the ECU 20 operates the switching valve 18 to connect the common intake passage 19 and the first branch intake passage 16, thereby Only the first branch intake passage 16 is allowed to flow (step S14).
  • the ECU 20 controls the variable valve control mechanisms 8 and 9 simultaneously with the operation of the switching valve 18 to stop the opening and closing of the intake valve 25 and to switch to the control to open and close the intake valve 6, thereby preventing negative overlap.
  • the internal EGR is stopped (step S15). This is the end of the switching procedure.
  • GHP gas engine As the output of the engine increases, the required air-fuel mixture increases.
  • the ECU 20 operates the switching valve 18 to connect the common intake passage 19 with both the first branch intake passage 16 and the second branch intake passage 17, so that the air-fuel mixture becomes the first branch intake passage 16 and the second branch intake passage 16. Circulate both branch intake passages 17.
  • Figure 6 shows the operation of the switching valve 18, the opening and closing operation of the throttle valve 12, and the passage of time to implement or stop the internal EGR.
  • the air-fuel mixture is switched to SI combustion while flowing through the second branch intake passage 17, the pressure difference between the intake port 14 and the combustion chamber 3 increases due to the stop of the internal EGR. In addition, an air-fuel mixture exceeding the amount required for SI combustion is sucked into the combustion chamber 3 and a torque step may occur on the increase side.
  • the opening of the throttle valve 12 is adjusted to an appropriate flow rate by the throttle valve 12 in advance by operating the switching valve 18. After the adjusted state is reached, the internal EGR is stopped and the air-fuel mixture flows into the first branch intake passage 16. This prevents a temporary excess of the air-fuel amount sucked into the combustion chamber 3. Therefore, abnormal combustion, that is, increase in torque is prevented.
  • first branch intake passage 16 and the second branch intake passage 17 having one end communicating with the combustion chamber 3, and the other ends of the first branch intake passage 16 and the second branch intake passage 17, respectively.
  • a switching valve 18 for switching to communicate with one side, a throttle valve 12 for adjusting the flow rate of the air-fuel mixture flowing through the first branch intake passage 16, and an ECU 20 for operating the switching valve 18 are provided, and a spark is provided.
  • the ECU 20 When the ignition combustion power is also switched to premixed compression ignition combustion, the ECU 20 operates the switching valve 18 so that the air-fuel mixture flows only through the second branch intake passage 17, so that the flow rate of the air-fuel mixture is not adjusted. Because the air-fuel mixture is supplied to combustion chamber 3, The lack of air-fuel mixture amount sucked into the 3 can be prevented.
  • ECU 20 adjusts the opening of throttle valve 12 to an opening corresponding to the amount of air-fuel mixture during SI combustion, and then ECU 20 activates switching valve 18. To allow the air-fuel mixture to flow only through the first branch intake passage 16.
  • the air-fuel mixture whose flow rate is adjusted is supplied to the combustion chamber 3, so that an excessive amount of the air-fuel mixture sucked into the combustion chamber 3 can be prevented. Therefore, it is possible to eliminate the excess / deficiency of the intake air-fuel mixture amount that occurs when switching between spark ignition combustion and premixed compression ignition combustion.
  • a structure in which only one side of the intake valves 6 and 25 is driven by the variable valve control mechanism 8 during SI combustion or HCCI combustion is adopted, but this is not necessarily essential.
  • the present invention since the first branch intake passage 16 and the second branch intake passage 17 are switched, the present invention can be implemented even in a structure in which both the intake valves 6 and 25 are always driven. is there.
  • city gas is used as fuel, but the present invention is not limited to this. Any fuel may be used as long as it is a gas fuel such as natural gas.
  • the GHP gas engine is described as an example of the premixed compression ignition engine.
  • the present invention is not limited to this. It may be a diesel engine fueled with light oil or a gasoline engine. Also, it is not limited to an engine having a single cylinder, and may be any type of engine such as an inline 4-cylinder engine or a V-type 8-cylinder engine.

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Abstract

 燃焼室3に連通する吸気通路10は、一端に吸気ポート4を有すると共にサージタンク13を含むインテークマニホールドを有する第1分岐吸気通路16と、一端に吸気ポート14を有すると共にサージタンク23を含むインテークマニホールドを有する第2分岐吸気通路17と、第1分岐吸気通路16及び第2分岐吸気通路17のそれぞれの端部と連通する共通吸気通路19とを備えている。共通吸気通路19には、混合気を生成するためのミキサ11が設けられている。吸気通路10には、共通吸気通路19と、第1分岐吸気通路16または第2分岐吸気通路17の少なくとも一方とを連通させる切替弁18が設けられている。

Description

明 細 書
予混合圧縮着火機関及び予混合圧縮着火機関の吸気制御方法 技術分野
[0001] この発明は、予混合圧縮着火機関及び予混合圧縮着火機関の吸気制御方法に関 する。
背景技術
[0002] 近年、高効率かつ低 NOx排出の予混合圧縮自着火 (HCCI)機関が注目されて 、 る。予混合圧縮自着火 (HCCI)燃焼は、火花点火 (SI)燃焼と比較し、希薄な混合気 での運転が可能であるため、熱効率の向上と、最高燃焼温度の抑制に有利である。 一方で、着火時期の制御が難しぐ内部 EGRを利用した着火時期制御等提案され ているが、安定した燃焼が行なえる運転領域は、未だ、限られている。そこで、運転 領域に応じ、 HCCI燃焼と SI燃焼を切替え、運転する機関が提案されている。この様 な機関の一例が、特許文献 1に記載されている。 HCCI燃焼と SI燃焼では、燃焼室 内にて必要とする混合気の量、 EGRガス量、等諸条件が異なる。例えば、 SI燃焼より HCCI燃焼への切換えを行なう場合、混合気及び EGRガスよりなる燃焼室内ガス ( 以降、筒内ガスと呼称)について、筒内ガス量を増カロさせる必要がある。一方で、 HC CI燃焼を安定して行なえる運転領域は、中回転中負荷力も低回転低負荷側にある。 よって、燃焼の切換えを行なうタイミングでは、吸気通路中のスロットルノ レブは閉ま り側にあり、スロットル弁下流より燃焼室手前の吸気ポートまでは、負圧となっている。 このため、燃焼の切換時、スロットル弁の全開制御を行なっても、燃焼室に十分な混 合気が供給されず、トルクが落ち込む形で、トルク段差が発生する。
この問題を解決するために、特許文献 1では、過給機を備えた予混合圧縮着火機 関において、 SI燃焼力 HCCI燃焼への切り替え時に、過給機により燃焼室内の圧 力及び温度を上昇させ、 HCCI燃焼を行うための条件が整った後に HCCI燃焼に切 り替えることを提案している。
[0003] 特許文献 1 :特開 2004— 176688号公報
発明の開示 発明が解決しょうとする課題
[0004] しかしながら、特許文献 1における予混合圧縮着火機関では過給機が必須要件と なっているため、過給機のない予混合圧縮着火機関には適用できず、 SI燃焼と HC CI燃焼との切り替え時において生じる吸入混合気量の過不足については解決でき な!、と!/、つた問題点があった。
[0005] この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、過給機の有無に関 係なぐ火花点火燃焼と予混合圧縮着火燃焼との切り替え時において生じる吸入混 合気量の過不足を解消できる予混合圧縮着火機関及びその吸気制御方法を提供 することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0006] 火花点火燃焼と予混合圧縮着火燃焼とを切り替え可能な予混合圧縮着火機関に おいて、一端が燃焼室に連通する、第 1分岐吸気通路及び第 2分岐吸気通路と、第 1分岐吸気通路及び第 2分岐吸気通路のそれぞれの他端と連通する 1つの共通吸 気通路と、共通吸気通路に設けられ、空気と燃料とを混合して混合気を生成する燃 料供給装置と、共通吸気通路と第 1分岐吸気通路または第 2分岐吸気通路のうちの 少なくとも一方とを連通させるように作動する切替手段と、第 1分岐吸気通路に設けら れ、第 1分岐吸気通路を流通する混合気の流量を制御する流量調整手段と、火花点 火燃焼と予混合圧縮着火燃焼との切り替え時に、切替手段を作動させる制御装置と を備えることを特徴とする。
[0007] 燃焼室に連通する第 1分岐吸気通路及び第 2分岐吸気通路と、第 1分岐吸気通路 または第 2分岐吸気通路のうちの少なくとも一方に混合気が流通するように作動する 切替弁と、第 1分岐吸気通路に設けられたスロットルバルブとを備え、火花点火燃焼 と予混合圧縮着火燃焼とを切り替え可能な予混合圧縮着火機関の吸気制御方法に おいて、火花点火燃焼から予混合圧縮着火燃焼への切り替え後には、切替弁は第 2 分岐吸気通路のみに混合気を流通させるように作動することを特徴とする。
発明の効果
[0008] この発明によれば、一端が燃焼室に連通する、第 1分岐吸気通路及び第 2分岐吸 気通路と、第 1分岐吸気通路及び第 2分岐吸気通路のそれぞれの他端と連通する 1 つの共通吸気通路と、空気と燃料とを混合して混合気を生成する燃料供給装置と、 共通吸気通路と第 1分岐吸気通路または第 2分岐吸気通路のうちの少なくとも一方と を連通させるように作動する切替手段と、第 1分岐吸気通路を流通する混合気の流 量を制御する流量調整手段と、切替手段を作動させる制御装置とを備えることにより 、火花点火燃焼力 予混合圧縮着火燃焼への切り替え時には、第 2分岐吸気通路 のみに混合気を流通させることにより、混合気の流量を調整しないで燃焼室に混合 気が供給されるので、燃焼室へ吸入される混合気量の不足を防止できる。また、予混 合圧縮着火燃焼カゝら火花点火燃焼への切り替え時には、流量調整手段によって予 め適切な混合気量に調整できる状態になっている第 1分岐吸気通路のみに混合気 を流通させることにより、流量を調整した混合気が燃焼室に供給されるので、燃焼室 へ吸入される混合気量の過量を防止できる。したがって、過給機の有無に関係なぐ 火花点火燃焼と予混合圧縮着火燃焼との切り替え時において生じる吸入混合気量 の過不足を解消することができる。
図面の簡単な説明
[0009] [図 1]この発明の実施の形態に係る予混合圧縮着火機関の構成を表す図である。
[図 2]予混合圧縮着火燃焼領域と火花点火燃焼領域との関係を表すマップである。
[図 3]この実施の形態に係る予混合圧縮着火機関において、火花点火燃焼力ゝら予混 合圧縮着火燃焼へ切り替える手順を説明するフローチャートである。
圆 4]この実施の形態に係る予混合圧縮着火機関において、火花点火燃焼力ゝら予混 合圧縮着火燃焼への切り替え時における、切替弁の切り替え動作、スロットルバルブ の開閉動作、及び内部 EGRの実施または停止の時間経過を示す図である。
[図 5]この実施の形態に係る予混合圧縮着火機関において、予混合圧縮着燃焼から 火火花点火燃焼へ切り替える手順を説明するフローチャートである。
[図 6]この実施の形態に係る予混合圧縮着火機関において、予混合圧縮着火燃焼 力も火花点火燃焼への切り替え時における、切替弁の切り替え動作、スロットルバル ブの開閉動作、及び内部 EGRの実施または停止の時間経過を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
[0010] 以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。 この実施の形態に係る予混合圧縮着火機関として、ガスヒートポンプ (以下、 GHP と称す)用ガスエンジンを例に説明する。図 1に示されるように、この実施の形態に係 る GHP用ガスエンジンは、シリンダ 1と、シリンダ 1の内部で上下に移動可能なピスト ン 2と、シリンダ 1の内部においてピストン 2の上方にシリンダ 1及びピストン 2及びシリ ンダヘッド laにより区画形成される燃焼室 3と、シリンダヘッド la内に形成され燃焼室 3に接続される 2つの吸気ポート 4, 14及び 1つの排気ポート 5と、吸気ポート 4, 14及 び排気ポート 5のそれぞれと燃焼室 3とを連通または遮断する吸気弁 6, 25及び排気 弁 7と、シリンダヘッド laの上部から燃焼室 3内へ貫通するように配置された点火ブラ グ 21とを備えている。吸気弁 6, 25及び排気弁 7を駆動する図示しない各カムシャフ トには、各カムによる吸気弁 25及び排気弁 7の作動期間とリフト量の両方を制御可能 な公知の可変バルブ制御機構 8, 9が設けられている。燃焼室 3に連通するように吸 気通路 10が設けられ、吸気通路 10には、一端に吸気ポート 4を有する第 1分岐吸気 通路 16と、一端に吸気ポート 14を有する第 2分岐吸気通路 17と、第 1分岐吸気通路 16及び第 2分岐吸気通路 17のそれぞれの他端と連通する 1つの共通吸気通路 19と を備えている。共通吸気通路 19には、共通吸気通路 19を流通する空気と燃料通路 15を流通する燃料の天然ガスとを混合して混合気を生成するための燃料供給装置 であるミキサ 11が設けられている。なお、ミキサ 11に連通する燃料通路 15には燃料 流量制御弁 22が設けられており、気体燃料である都市ガスの流量を制御し、スロット ルバルブ 12と共に、混合気の空燃比を制御する。また、吸気通路 10には、共通吸気 通路 19と、第 1分岐吸気通路 16または第 2分岐吸気通路 17のうちの少なくとも一方 とを連通させるための切替手段である切替弁 18が設けられている。第 1分岐吸気通 路 16は、第 1分岐吸気通路 16を流通する混合気の流量を調整するための流量調整 手段であるスロットルバルブ 12と、スロットルバルブ 12の下流に設けられたサージタ ンク 13を含むインテークマ-ホールドが配置されている。第 2分岐吸気通路 17は、サ ージタンク 23を含むインテークマ-ホールドを備えている。さらに、この実施の形態に 係る GHP用ガスエンジンは、制御装置である ECU20を備え、可変バルブ制御機構 8, 9と、スロットルバルブ 12と、切替弁 18と、点火プラグ 21とが ECU20に電気的に 接続されている。 [0011] 次に、この実施の形態に係る予混合圧縮着火機関の動作について説明する。 この実施の形態に係る GHP用ガスエンジンが始動すると、図 1に示されるように、共 通吸気通路 19を流通する空気と燃料通路 15を流通する天然ガスとがミキサ 11にお いて混合されて混合気となる。 GHP用ガスエンジンの始動時には、切替弁 18は、共 通吸気通路 19と第 1分岐吸気通路 16とを連通するようになっており、混合気はスロッ トルバルブ 12で流量を調整された後、第 1分岐吸気通路 16を流通してサージタンク 13を含むインテークマ-ホールドに流入し、吸気弁 6が開いたときに、吸気ポート 4を 介して燃焼室 3に吸入される。すなわち、第 1分岐吸気通路 16のみを流通して燃焼 室 3内に吸入される。燃焼室 3内に吸入された混合気は、ピストン 2によって圧縮され 、適当なタイミングで点火プラグ 21により着火されて燃焼する。燃焼後の排気ガスは 、排気弁 7が開いたときに、排気ポート 5へ排出される。
[0012] 通常、 GHP用ガスエンジンの始動時は、このような火花点火(SI)燃焼を行う。本実 施形態の予混合圧縮着火 (HCCI)燃焼では、着火時期制御を、後述する内部 EGR も利用し、燃焼室 3内のガス温を制御することにより行なう。このため、暖機が完了し、 エンジン温度が安定するまでは、着火制御がエンジン温度の影響を大きく受けるた め、 HCCI燃焼が実質的に困難な運転条件下にある。また、図 2に示されるような SI 燃焼領域と予混合圧縮着火 (HCCI)燃焼との関係を表すマップ力 ¾CU20に組み 込まれている。 GHP用ガスエンジンの始動時は通常、 HCCI燃焼領域の条件とはな つていない、つまり、エンジン回転数やエンジントルクで表される運転状態が HCCI 燃焼に適していないため、 ECU20は SI燃焼領域にあると判定して、切替弁 18によ つて混合気が第 1分岐吸気通路 16のみを流通するようにすると共に、適当なタイミン グで点火プラグ 21を作動させる。その後、 ECU20がガスエンジン回転数や目標トル ク等の信号を受信し、 HCCI燃焼領域にあると判定した場合には、 ECU20は HCCI 燃焼運転に切り替える。なお、図 2に示す本実施形態のマップでは、制御の都合上、 HCCI燃焼領域と SI燃焼領域の間に、遷移領域を設定している。遷移領域は、 HC CI燃焼が可能な領域 (HCCI燃焼可能領域)の内側にて、 HCCI燃焼領域の外縁を 囲むように設定される。遷移領域を設定する理由は後述する。また、 HCCI燃焼が可 能な領域は、 HCCI燃焼を行なっても、過早着火やノッキングなどの不具合を生じず 、適切な燃焼及び制御が可能な運転領域が設定される。このため、燃料の種類、可 変バルブ制御機構の特性等、 GHP用ガスエンジンの前提となる条件毎に異なったも のとなる。図 2に示したものは、あくまで、本実施形態における一例である。
次に、この実施の形態に係る予混合圧縮着火機関において、 SI燃焼カゝら HCCI燃 焼へ切り替える手順を、図 3のフローチャートに基づいて説明する。
GHP用ガスエンジンが SI燃焼を行っている場合、定期的に、 GHP用ガスエンジン の運転領域と運転条件とに基づき、 HCCI燃焼が可能かどうか判定を行い、 HCCI 燃焼が可能の場合には、 HCCI燃焼への切替えを行なう。この処理が開始されると、 まず、 GHP用ガスエンジンの暖機が終了し、 HCCI燃焼が可能な状態となっている 力どうか判定を行う(ステップ Sl)。具体的には、図示しない検出手段により、 GHP用 ガスエンジンの水温及び油温を検出し、水温または油温のどちら力が、予め設定さ れた閾値を下回る場合には、 HCCI燃焼に不適として、この処理を終了させる。一方 、 GHP用ガスエンジンの水温及び油温の両方が閾値を上回る場合には、 HCCI燃 焼が可能な状態として、運転領域の判定を行なう。具体的には、 ECU20は、運転状 態が図 2に示されるマップに基づ 、て HCCI燃焼領域力否かを判定する(ステップ S2 )。 HCCI燃焼領域でないと判定された場合には、この処理を終了させる。一方、 HC CI燃焼領域であると判定された場合には、 ECU20は切替弁 18を作動させて、共通 吸気通路 19と第 2分岐吸気通路 17とを連通することにより、混合気が第 2分岐吸気 通路 17のみを流通するようにする(ステップ S3)。これと同時に、 ECU20は、可変バ ルブ制御機構 8, 9を制御して、吸気弁 6の開閉を停止すると共に、吸気弁 25を開閉 する制御に切り替え、排気弁 7の閉時期を上死点よりも早くすると共に吸気弁 25の開 時期を上死点よりも遅くすることにより、いわゆる負のオーバーラップの制御を行う (ス テツプ S4)。すなわち、排気弁 7を排気工程の途中で閉じることにより排気ガスの一部 を燃焼室 3に残留させる(内部 EGR)。また、 ECU20は、燃料流量制御弁 22の開度 を低下するように制御して、混合気の空燃比をリーン側に変更する (ステップ S5)。こ れは、 HCCI燃焼は SI燃焼と比較して熱効率が良いので、トルク段差が生じないよう にするためである。以上で、切り替えの手順を終了する。尚、 SI燃焼力も HCCI燃焼 への切り替えにおいて、第 1分岐吸気通路 16には混合気が流通しなくなるので、スロ ットルバルブ 12の開度を調整する必要がなくなる。切替弁 18の作動動作、スロットル バルブ 12の開閉動作、及び内部 EGRの実施または停止の時間経過を、図 4に示し た。
[0014] 内部 EGRにより、燃焼室 3内に吸入された混合気が、燃焼室 3内に残留する高温 の排気ガスと混合されるため、燃焼室 3内のガス温が上昇する。このため、圧縮上死 点付近での燃焼室 3内の温度も高くなるので、圧縮自己着火が安定的に起こるように なる。
また、従来は、 HCCI燃焼への切替え直後は、燃焼室 3へ吸入される混合気が不 足するおそれがあった。内部 EGRのために負のオーバーラップを行なうことで、吸気 行程において混合気を燃焼室に吸入可能な期間は変化し、実質的に可変バルブ制 御機構で、燃焼室内に入る混合気量も制御することになる。ただし、 HCCI燃焼では 、 SI燃焼と比較し筒内ガス量を増やす必要があるため、スロットルバルブ 12を全開と することで、混合気が過度に不足することを補うこととしている。しかし、 HCCI燃焼領 域が低回転低負荷力 中回転中負荷の領域にあり、燃焼の切替え前に、スロットル バルブ 12の開度が低いため、スロットルバルブ 12の下流側は大気圧以下 (負圧)に なっている。さらに、 SI燃焼力 HCCI燃焼への切り替え時に混合気を第 1分岐吸気 通路 16に流通させたままでは、ァクチユエータの特性に起因し、スロットルバルブ 12 の開閉動作が遅いことにより、一時的に吸気ポート 4内の大気圧以下 (負圧)の状態 が十分に解消されず、燃焼室 3へ吸入される混合気量が不足するおそれがある。し 力しながら、切替弁 18によって混合気が第 2分岐吸気通路 17のみを流通することに より、スロットルバルブ 12によって流量を調整されない混合気が吸気ポート 14内を流 通するので、吸気ポート 14内の負圧は速やかに解消され、燃焼室 3へ吸入される混 合気量の不足が防止される。これにより、トルクの低下が防止される。
[0015] このような手順で SI燃焼力 HCCI燃焼に切り替わった後、運転条件が HCCI燃焼 領域にある場合には HCCI燃焼を継続する。 HCCI燃焼領域内にて、運転状態が変 動した場合は、可変バルブ制御機構 8, 9を制御し内部 EGR量を変更する力、あるい は燃料流量制御弁を開度を調整することにより、 HCCI燃焼を安定的に継続すること ができる。運転条件が HCCI燃焼領域でなくなった場合には、 ECU20は、圧縮上死 点またはその前後の適当なタイミングで点火プラグ 21を作動させる SI燃焼に切り替 える。より具体的には、運転状態が、 HCCI燃焼可能領域内にて、遷移領域の内側 より、遷移領域に移行した時点で SI燃焼への切り替えを行なう。これは、運転状態が HCCI燃焼可能領域の外側に移行した後に切り替えを行なうこととすると、制御が手 遅れとなり、エンスト等不具合を生じるおそれがある。この様な不具合を回避するため に、 HCCI燃焼可能領域の内側にて、 HCCI燃焼領域の外側に遷移領域を設定す る。よって、遷移領域は、 GHP用ガスエンジンの運転状態が HCCI燃焼領域から SI 燃焼領域へ移行する際に、遷移領域にあることが検出されずに移行することのないよ うに、その幅が設定される。
次に、この実施の形態に係る予混合圧縮着火機関において、 HCCI燃焼力も SI燃 焼へ切り替える手順を、図 5のフローチャートに基づいて説明する。
GHP用ガスエンジンが HCCI燃焼を行っている場合、 ECU20は、定期的に、運転 領域と運転条件とに基づき SI燃焼に移行すべきかどうか判定を行い、運転状態が遷 移領域に移行し、 SI燃焼に移行する可能性が高い場合には、 SI燃焼への切替えを 行なう。この処理が開始されると、運転条件が図 2に示されるマップに基づいて遷移 領域か否かを判定する (ステップ S 11)。遷移領域でないと判定された場合には、 HC CI燃焼を継続することとし、この処理を終了させる。一方、遷移領域にあると判定され た場合には、 ECU20は、スロットルバルブ 12の開度を、 SI燃焼時における混合気量 に見合った開度に調整する。すなわち、スロットルバルブ 12によって、予め混合気が 適切な流量に調整される状態にする。(ステップ S12)。また、燃料流量制御弁 22の 開度を増加するように制御し、空燃比を SI燃焼に適するようにリッチ側に変更する (ス テツプ S13)。スロットルバルブ 12の開度の調整動作及び空燃比の変更が終了した ら、 ECU20は切替弁 18を作動させて、共通吸気通路 19と第 1分岐吸気通路 16とを 連通することにより、混合気が第 1分岐吸気通路 16のみを流通するようにする (ステツ プ S14)。 ECU20は、切替弁 18の作動と同時に、可変バルブ制御機構 8, 9を制御 して、吸気弁 25の開閉を停止すると共に、吸気弁 6を開閉する制御へ切り替えること により、負のオーバーラップを解除する。すなわち、内部 EGRを停止する (ステップ S 15)。以上で、切り替えの手順を終了する。その後、 SI燃焼中に、 GHP用ガスェンジ ンの出力が上昇すると必要な混合気量が増加するが、この場合には、必要に応じて
、 ECU20は切替弁 18を作動させて、共通吸気通路 19と第 1分岐吸気通路 16及び 第 2分岐吸気通路 17の両方とを連通することにより、混合気が第 1分岐吸気通路 16 及び第 2分岐吸気通路 17の両方を流通するようにする。切替弁 18の作動動作、スロ ットルバルブ 12の開閉動作、及び内部 EGRの実施または停止の時間経過を、図 6 に示した。
[0017] 混合気が第 2分岐吸気通路 17を流通する状態のまま SI燃焼へ切り替わると、内部 EGRの停止により、吸気ポート 14内と燃焼室 3内との差圧が大きくなるため、一時的 に SI燃焼に必要な混合気量以上の混合気が燃焼室 3内へ吸入されてしまい、増加 側でトルク段差が生じるおそれがある。し力しながら、スロットルバルブ 12の開度を、 S I燃焼時における混合気量に見合った開度に調整した後に切替弁 18を作動すること により、スロットルバルブ 12によって予め混合気が適切な流量に調整される状態にし た後に、内部 EGRを停止して、混合気が第 1分岐吸気通路 16に流通するようになる ので、燃焼室 3内へ吸入される混合気量の一時的な過量が防止され、異常燃焼、す なわちトルクの上昇が防止される。
[0018] このように、一端が燃焼室 3に連通する、第 1分岐吸気通路 16及び第 2分岐吸気通 路 17と、第 1分岐吸気通路 16及び第 2分岐吸気通路 17それぞれの他端と連通する 1つの共通吸気通路 19と、空気と燃料とを混合して混合気を生成するミキサ 11と、共 通吸気通路 19と第 1分岐吸気通路 16または第 2分岐吸気通路 17のうちの少なくとも 一方とを連通するように切り替えるための切替弁 18と、第 1分岐吸気通路 16を流通 する混合気の流量を調整するためのスロットルバルブ 12と、切替弁 18を作動させる ECU20とを設け、火花点火燃焼カも予混合圧縮着火燃焼への切り替え時には、 E CU20が切替弁 18を作動させて混合気が第 2分岐吸気通路 17のみを流通するよう にすることにより、混合気の流量を調整しないで燃焼室 3に混合気が供給されるので 、燃焼室 3へ吸入される混合気量の不足を防止することができる。また、予混合圧縮 着火燃焼から火花点火燃焼への切り替え時には、 ECU20がスロットルバルブ 12の 開度を SI燃焼時における混合気量に見合った開度に調整した後に、 ECU20が切 替弁 18を作動させて混合気が第 1分岐吸気通路 16のみを流通するようにすることに より、流量を調整した混合気が燃焼室 3に供給されるので、燃焼室 3へ吸入される混 合気量の過量を防止することができる。したがって、火花点火燃焼と予混合圧縮着火 燃焼との切り替え時において生じる吸入混合気量の過不足を解消することができる。 この実施の形態では、 SI燃焼時又は HCCI燃焼時に、可変バルブ制御機構 8によ り、吸気弁 6, 25の片側のみ駆動する構造を採用しているが、これは、必ずしも必須 ではない。本発明では、第 1分岐吸気通路 16と第 2分岐吸気通路 17とを切替える構 造のため、吸気弁 6, 25が常に両方とも駆動される構造においても、本発明を実施 することは可能である。ただし、混合気が供給されない側の吸気弁を停止させた場合 は、フリクション低減等の観点で有利である。なお、 HCCI燃焼時にはスロットルバル ブ 12を用いずに、内部 EGR量の変更により運転を制御するため、吸気弁 25の開閉 時期を変更する機能は、可変バルブ制御機構 8に必要である。
また、この実施の形態では、燃料に都市ガスを使用したがこれに限定するものでは ない。天然ガス等、ガス燃料であればどのような燃料を用いてもよい。
また、この実施の形態では、予混合圧縮着火機関として GHP用ガスエンジンを例 にして説明したが、これに限定するものではない。軽油を燃料とするディーゼルェン ジン、又は、ガソリンエンジンであってもよい。また、 1つの気筒を有するエンジンであ ることに限定するものでもなく、直列 4気筒エンジンや V型 8気筒エンジン等、あらゆる 形態のエンジンであってもよ 、。

Claims

請求の範囲
[1] 火花点火燃焼と予混合圧縮着火燃焼とを切り替え可能な予混合圧縮着火機関に おいて、
一端が燃焼室に連通する、第 1分岐吸気通路及び第 2分岐吸気通路と、 前記第 1分岐吸気通路及び前記第 2分岐吸気通路のそれぞれの他端と連通する 1 つの共通吸気通路と、
前記共通吸気通路に設けられ、空気と燃料とを混合して混合気を生成する燃料供 給装置と、
前記共通吸気通路と前記第 1分岐吸気通路または前記第 2分岐吸気通路のうちの 少なくとも一方とを連通させるように作動する切替手段と、
前記第 1分岐吸気通路に設けられ、前記第 1分岐吸気通路を流通する混合気の流 量を制御する流量調整手段と、
火花点火燃焼と予混合圧縮着火燃焼との切り替え時に、前記切替手段を作動させ る制御装置と
を備えることを特徴とする予混合圧縮着火機関。
[2] 予混合圧縮着火燃焼時には、前記切替手段により、前記共通吸気通路は前記第 2 分岐吸気通路とのみ連通する、請求項 1に記載の予混合圧縮着火機関。
[3] 火花点火燃焼時には、前記切替手段により、前記共通吸気通路は前記第 1分岐吸 気通路とのみ連通する、請求項 1に記載の予混合圧縮着火機関。
[4] 燃焼室に連通する第 1分岐吸気通路及び第 2分岐吸気通路と、前記第 1分岐吸気 通路または前記第 2分岐吸気通路のうちの少なくとも一方に混合気が流通するように 作動する切替弁と、前記第 1分岐吸気通路に設けられたスロットルバルブとを備え、 火花点火燃焼と予混合圧縮着火燃焼とを切り替え可能な予混合圧縮着火機関の吸 気制御方法において、
火花点火燃焼から予混合圧縮着火燃焼への切り替え後には、前記切替弁は前記 第 2分岐吸気通路のみに前記混合気を流通させるように作動することを特徴とする予 混合圧縮着火機関の吸気制御方法。
[5] 予混合圧縮着火燃焼カゝら火花点火燃焼への切り替え時には、前記スロットルバル ブの開度を火花点火燃焼時における混合気量に見合った開度に調整し、前記スロッ トルバルブの開度の調整動作が終了した後に、前記切替弁は前記第 1分岐吸気通 路のみに前記混合気を流通させるように作動することを特徴とする、請求項 4に記載 の予混合圧縮着火機関の吸気制御方法。
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