JP2005315234A - 内燃機関及び内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃焼温度が高くなる運転条件において、エミッションの悪化及び性能低下を抑制すること。
【解決手段】この内燃機関1は、水噴射弁3を備えるレシプロ式の内燃機関である。そして、水噴射弁3から水を噴射することにより、燃焼室1bへ水を供給する。水噴射弁3から水を噴射する時期は、吸気弁8iが開く時期と、排気弁8eが閉じる時期とがオーバーラップする期間中である。前記オーバーラップ期間中に水噴射弁3から水を噴射することで、内燃機関1の燃焼室1bが冷却されるとともに、噴射された水は内燃機関1の排気系に抜けて排気を冷却する。
【選択図】 図1
【解決手段】この内燃機関1は、水噴射弁3を備えるレシプロ式の内燃機関である。そして、水噴射弁3から水を噴射することにより、燃焼室1bへ水を供給する。水噴射弁3から水を噴射する時期は、吸気弁8iが開く時期と、排気弁8eが閉じる時期とがオーバーラップする期間中である。前記オーバーラップ期間中に水噴射弁3から水を噴射することで、内燃機関1の燃焼室1bが冷却されるとともに、噴射された水は内燃機関1の排気系に抜けて排気を冷却する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、燃焼室内へ水を噴射する内燃機関に関し、さらに詳しくは、燃焼温度が高くなる運転条件において、エミッションの悪化及び性能低下を抑制できる内燃機関及び内燃機関の制御装置に関するものである。
内燃機関の一種であるディーゼルエンジンにおいては、吸気管内に水を噴射することにより燃焼温度を下げて、NOxを除去する技術が用いられている。このような水噴射技術を用いたものとしては、例えば特許文献1に、吸気管内へ補助燃料及び水を噴射し、圧縮行程の主噴射による燃焼を補助燃料により促進してススを低減するとともに、水噴射により燃焼温度を低下させ、NOxを低減する技術が開示されている。
ところで、内燃機関では、高回転、高負荷時においては燃焼温度が高くなるため排気温度が高くなる。また、ノッキングも発生しやすくなる。このため、このような排気温度が高くなりやすい運転条件においては、点火時期を遅角させたり、燃料を増量(空燃火がリッチ)させたりすることにより、排気系の保護やノッキング防止を図っている。
しかし、点火時期の遅角や燃料増量を実行すると、エミッションの悪化を招いたり、内燃機関の性能が本来よりも低下したりする。特許文献1に開示された技術では、スス及びNOxは低減できるが、高回転、高負荷時のように燃焼温度が高くなる運転条件において、エミッション及び性能の悪化を抑制するには改善の余地がある。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高回転、高負荷時のように燃焼温度が高くなる運転条件において、エミッションの悪化及び性能低下を抑制できる内燃機関及び内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る内燃機関は、吸気弁と、排気弁とを備えるレシプロ式の内燃機関であって、前記吸気弁が開く時期と前記排気弁が閉じる時期とがオーバーラップする期間に水を噴射することにより、前記内燃機関の燃焼室へ水を供給する水噴射手段を備えることを特徴とする。
次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記内燃機関の排気温度が予め定めた排気温度の上限値以上の場合に、前記水噴射手段から水を噴射することを特徴とする。
次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記水噴射手段による水噴射中は、前記オーバーラップの期間を増加することを特徴とする。
次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記排気温度に基づき、前記水噴射手段による水の噴射量を変更することを特徴とする。
次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記排気温度に基づき、前記内燃機関に対する燃料噴射量を変更することを特徴とする。
次の本発明に係る内燃機関の制御装置は、吸気弁と、排気弁と、燃焼室へ水を供給する水噴射手段とを備えるレシプロ式の内燃機関を制御するものであり、前記内燃機関の排気温度を判定する排気温度判定部と、前記排気温度が定めた排気温度の上限値以上の場合、前記吸気弁が開く時期と前記排気弁が閉じる時期とがオーバーラップする期間に前記水噴射手段が水を噴射するように、前記水噴射手段の水噴射時期を決定する水噴射時期決定部と、を含んで構成されることを特徴とする。
次の本発明に係る内燃機関の制御装置は、前記内燃機関の制御装置において、さらに、前記水噴射手段による水噴射中は、前記オーバーラップの期間を増加させるように、前記吸気弁が開く時期又は前記排気弁が閉じる時期の少なくとも一方を決定する弁開閉時期決定部を備えることを特徴とする。
次の本発明に係る内燃機関の制御装置は、前記内燃機関の制御装置において、排気温度が上昇傾向に転ずると前記排気温度判定部が判定するまでは、前記水の噴射量を増量させる水噴射量決定部を備えることを特徴とする。
次の本発明に係る内燃機関の制御装置は、前記内燃機関の制御装置において、排気温度が上昇傾向にあると前記排気温度判定部が判定した場合には、前記水の噴射量の増量を停止する水噴射量決定部を備えることを特徴とする。
次の本発明に係る内燃機関の制御装置は、前記内燃機関の制御装置において、前記排気温度が予め定めた目標温度よりも低いと前記排気温度判定部が判定した場合には、前記内燃機関に対する燃料噴射量を減少させる燃料噴射量決定部を備えることを特徴とする。
以上説明したように、この発明に係る内燃機関及び内燃機関の制御装置では、燃焼温度が高くなる運転条件において、エミッションの悪化及び性能低下を抑制できる。
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。また、本発明は、過給装置を備える内燃機関に対して好適に適用でき、特に乗用車やバス、あるいはトラック等の車両に搭載される内燃機関に対して好ましい。
実施例1は、燃焼室へ水を供給する水噴射手段を備える内燃機関であって、排気弁が閉じる時期と吸気弁が開く時期とのオーバーラップ期間中に、前記水噴射手段から水を噴射することにより、燃焼室に水を供給する点に特徴がある。次に、実施例1に係る内燃機関について説明する。図1は、実施例1に係る内燃機関が備える一つの気筒に関する断面図である。まず、図1を用いて、実施例1に係る内燃機関の構成について説明する。
図1に示すように、実施例1に係る内燃機関1は、燃焼室1b内へ水を到達させるための水噴射手段を備えており、気筒1s内をピストン5が往復運動し、クランク軸6によってピストン5の往復運動が回転運動に変換される。この内燃機関1は、乗用車やトラックその他の車両に搭載され、前記車両の動力源となる。実施例1に係る内燃機関1は、1の気筒のみを示すが、本発明が適用できる内燃機関は単気筒、多気筒問わない。また、本発明は、燃焼室1b内へ水を到達させるための水噴射手段を備えていればよい。かかる条件を満たせば、火花点火式、ディーゼル式いずれの内燃機関でも適用でき、また過給機を備えていてもよく、さらには、ロータリー式の内燃機関であってもよい。
以下の実施例で説明する内燃機関1は、レシプロ式の内燃機関であって、点火プラグ7によって燃焼室1b内の混合気に点火する、いわゆる火花点火式の内燃機関である。内燃機関1は、吸気通路を構成する吸気ポート4内に燃料Fを噴射するポート噴射弁2を備える。そして、ポート噴射弁2によって、内燃機関1へ燃料Fを供給する。なお、本発明は、火花点火式であって、かつ燃焼室1b内へ直接燃料を噴射する直噴噴射弁を備える、いわゆる直噴の内燃機関に対しても適用できる。
内燃機関1の吸気系は、吸気通路21と、吸気通路21の途中に設けられるエアクリーナ22と、同じく吸気通路21の途中に設けられる電子スロットル弁70と、吸気通路21と内燃機関1の吸気弁8iとの間に設けられる吸気ポート4とを含んで構成される。内燃機関1の排気系は、排気ポート9と、排気ポート9の下流に設けられる触媒25と、排気ポート9と触媒25、及び触媒25と消音器26とを結ぶ排気通路24とを含んで構成される。ここで、「下流」とは、排気Exの流れ方向下流をいう。
内燃機関1は、吸気通路21に設けられる電子スロットル弁70により、吸入空気量が調整される。電子スロットル弁70は、バタフライバルブ71と、これを駆動するアクチュエータ72と、バタフライバルブ71の開度を検出する開度センサ73とで構成される。エンジンECU30は、アクセル開度センサ42からの出力を取得して、アクチュエータ72に制御信号を送り、開度センサ73からのバタフライバルブ開度のフィードバック信号に基づいて、バタフライバルブ71を適切な開度に制御する。
内燃機関1のシリンダヘッド1hには、吸気弁8iと排気弁8eとが取り付けられており、それぞれ吸気カムシャフト61iの吸気カム62i及び排気カムシャフト61eの排気カム62eとで駆動され、開閉する。吸気弁8iが開くことにより、空気Aとポート噴射弁2から噴射された燃料Fとの混合気が燃焼室1b内へ導入される。その後吸気弁8iが閉じて、ピストン5がTDC(Top Death Center:上死点)へ向かう過程で、燃焼室1b内の混合気が圧縮される。
ピストン5がTDC(点火上死点)に到達する前後のタイミングで、内燃機関1のシリンダヘッド1hに取り付けられる点火プラグ7が放電し、燃焼室1b内へ導入された混合気に点火し、火炎伝播により燃焼させる。混合気の燃焼圧力はピストン5に伝えられ、ピストン5を往復運動させる。ピストン5の往復運動はコネテクティングロッド6cを介してクランク軸6に伝えられ、ここで回転運動に変換される。クランク軸6は、ピストン5の往復運動を内燃機関1の出力として取り出す。
燃焼後の混合気は排気Exとなる。排気Exは、排気弁8eが開くことにより燃焼室から排気ポート9へ排出される。この排気Exは、内燃機関1の排気系を構成する排気通路24を通って触媒25へ導かれ、ここで浄化される。排気ポート9と触媒25との間には、排気温度センサ46が取り付けられており、排気Exの温度をモニタして、水噴射の制御に用いたり、触媒25が許容温度内で用いられているか否かを判定したりする。触媒25で浄化された排気Exは、排気通路24を通って消音器26へ導かれて騒音を低減されてから大気中へ放出される。
実施例1に係る内燃機関1のシリンダヘッド1hには、燃焼室1bへ水を供給するための水噴射手段である水噴射弁3が取り付けられている。この水噴射弁3から水を噴射することにより、実施例1に係る内燃機関1は、燃焼室1b内へ直接水を供給することができる。直接燃焼室1b内へ水を噴射することで、燃焼室1b内の温度を速やかに低下させることができるので、高回転、高負荷時のように燃焼温度が高くなる運転条件において、内燃機関1の性能低下及びエミッション悪化の抑制に効果的である。なお、水噴射弁3は、内燃機関1の吸気ポート4に取り付けて、吸気ポート内へ水Wを噴射してもよい。この水噴射弁3により、燃焼室1b内へ水Wを噴射する。なお、水噴射弁3から水Wを噴射する時期は、内燃機関1の運転条件に応じて決定する。
図2−1は、水噴射弁への水供給系を示す説明図である。図2−2は、水噴射弁の構造例を示す断面図である。水タンク50に貯えられる水Wは、フィードポンプ51により水供給配管52へ送られる。水噴射弁3は、水供給配管52に取り付けられており、水供給配管52から水Wが供給される。この水Wは、水噴射弁3の内面3iとニードル弁3nとの間に形成される水通路3r内に満たされる。水供給配管52には、リリーフ弁54が取り付けられており、余剰の水Wを水タンク50へ戻して、水供給配管52内の圧力を一定に保つ。ここで、水供給配管52内の圧力は数百kPaに維持される。
水噴射弁3へエンジンECU30から水噴射指令が与えられると、水噴射弁3に取り付けられているソレノイドコイル3cに通電される。そして、ソレノイドコイル3cに発生する電磁力によって、ばね3sにより弁座3bに負勢されているニードル弁3nが、水噴射孔3pとは反対方向(図2−2中矢印A方向)に移動する。これにより、水噴射弁3内の水通路3rと水噴射孔3pとが連通し、水通路3r内の水Wが水噴射孔3pから噴射される。
内燃機関1のクランク軸6には、クランク角センサ41が取り付けられている。そして、クランク角センサ41の出力をエンジンECU(Engine Control Unit)30が取得して、水噴射弁3が水Wを噴射する時期やポート噴射弁2が燃料Fを噴射する時期を制御するために使用する。また、クランク角センサ41の信号に基づいて、内燃機関1の機関回転数を求めることもできる。さらにエンジンECU30は、クランク角センサ41、アクセル開度センサ42、エアフローセンサ43、吸気温度センサ44、水温センサ45、排気温度センサ46その他の各種センサ類からの出力を取得して、内燃機関1の運転を制御する。
図3−1、図3−2は、水噴射の時期を示す説明図である。実施例1に係る内燃機関1は、吸気弁8iの開弁時期IVO(Intake Valve Open:図3−1中のθ1)と、排気弁8eの閉弁時期EVC(Exhaust Valve Close:図3−1中のθ2)とがオーバーラップする期間(以下オーバーラップ期間:図3−1中のθo1)に、水噴射弁3から水Wを噴射する。オーバーラップ期間は、図3−2中斜線で示した部分である。これにより、水噴射弁3から噴射した水Wにより燃焼室1b内を冷却できるので、吸入空気量を増加させることができる。その結果、体積効率を向上させて、内燃機関1の性能を向上させることができる。また、内燃機関1を冷却できるので、冷却のための燃料増量を抑制して、燃料消費を抑制できる。
さらに、オーバーラップ期間中に水噴射弁3から噴射された水Wは、排気弁8eを通って内燃機関1の排気系へ吹き抜けるので、排気Exを冷却することができる。これにより、エミッションを改善することができる。特に、高回転、高負荷運転時のように、排気温度が高い運転領域において、水噴射により体積効率を改善できるとともに、排気を冷却できる。これにより、このような運転領域において、内燃機関1の性能低下及びエミッションの悪化を効果的に抑制できる。
実施例1に係る内燃機関1は、吸気弁8i又は排気弁8eのうち、少なくとも一方の開閉時期を変更できることが好ましい。図4は、吸気弁、排気弁の開閉時期を変更する機構の一例を示す説明図である。なお、図4では、吸気側は遅角状態に、排気側は進角状態を表している。吸気弁8i、排気弁8eの開閉時期は、図4に示す機構により変更することができる。この機構について簡単に説明する。吸気側ハウジング64iは吸気側ドリブンギヤ63iに固定されており、排気側ハウジング64eは排気側ドリブンギヤ63eに固定されている。また、吸気側ベーン部65iは吸気カムシャフト61iに固定されており、排気側ベーン部65eは排気カムシャフト61eに固定されている。
吸気側ハウジング64iと吸気側ベーン部65iとの間の空間、及び排気側ハウジング64eと排気側ベーン部65eとの間の空間には、吸気側進角室66i、吸気側遅角室67i、及び排気側進角室66e、排気側遅角室67eが形成される。吸気側進角室66i、排気側進角室66e等にはカム作動油が供給され、進角室、遅角室に作用するカム作動油の油圧を制御することにより、吸気側ベーン部65iあるいは排気側ベーン部65eを回転させ、吸気カムシャフト61iあるいは排気カムシャフト61eの位相を連続的に変化させる。
上記機構を実施例1に係る内燃機関1が備える場合、水噴射弁3からオーバーラップ期間中に水噴射するときには、IVO又はEVCの時期を変更することにより、オーバーラップ期間を増加させることが好ましい。これは、水噴射により排気の温度が低下し、排気圧力が低下するので、オーバーラップ期間を増加させた方が、体積効率を向上できるからである。なお、オーバーラップ期間を増加させる際には、オーバーラップ期間を増加させる前と同じ負荷に対して、IVO又はEVCの時期を変更する。
オーバーラップ期間を増加させるにあたっては、吸気弁8iの開弁時期IVOをTDCよりも進角側に移行させることにより、前記オーバーラップ期間を増加させることが好ましい(図3−1の点線参照)。これは、次の理由による。すなわち、オーバーラップ期間中に水噴射することにより、燃焼室1b内の温度を低下させて、燃焼室1b内の圧力を速やかに低下させることができる。その結果、より早く吸気弁8iを開くことによりオーバーラップ期間を長くして、より多くの空気を燃焼室1b内へ導入し、内燃機関1の性能低下を効率的に抑制できるからである。
ここで、排気弁8eの閉弁時期EVCをTDCよりも遅角側に移行させる、すなわち、図3−1の二点鎖線に示すように、EVCの時期を遅らせることにより、前記オーバーラップ期間を増加させてもよい。これにより、内燃機関1の排気系へ吹き抜ける水Wの量が多くなるので、排気Exをより冷却して、エミッションの悪化をより効果的に抑制できる。また、吸気弁8iのIVOの時期を進角側に移行させるとともに、排気弁8eのEVCの時期を遅角側に移行させることにより、前記オーバーラップ期間を増加させてもよい(図3−1のθo2)。これにより、燃焼室1b内へ導入する空気量を増加させるとともに、排気温度を低下させることができる。ここで、オーバーラップ期間の増加量は、クランク角CAで10度〜20度程度である。
次に、実施例1に係る内燃機関の制御について説明する。図5は、実施例1に係る内燃機関の制御装置の構成を示す説明図である。実施例1に係る内燃機関の制御方法は、実施例1に係る内燃機関の制御装置10によって実現できる。内燃機関の制御装置10は、エンジンECU30に組み込まれて構成されている。なお、エンジンECU30とは別個に、この実施例1に係る内燃機関の制御装置10を用意し、これをエンジンECU30に接続してもよい。そして、この実施例1に係る内燃機関の制御方法を実現するにあたっては、エンジンECU30が備える内燃機関1の制御機能を、前記内燃機関の制御装置10が利用できるように構成してもよい。
内燃機関の制御装置10は、排気温度判定部11と、水噴射量決定部12と、水噴射時期決定部13と、弁開閉時期決定部14と、水噴射制御部15と、を含んで構成される。これらが、この実施例1に係る内燃機関の制御方法を実行する部分となる。排気温度判定部11と、水噴射量決定部12と、水噴射時期決定部13と、弁開閉時期決定部14と、水噴射制御部15とは、内燃機関の制御装置10の入出力ポート(I/O)19を介して接続される。これにより、排気温度判定部11と、水噴射量決定部12と、水噴射時期決定部13と、弁開閉時期決定部14と、水噴射制御部15とは、それぞれ双方向でデータをやり取りできるように構成される。なお、装置構成上の必要に応じて片方向でデータを送受信するように構成してもよい(以下同様)。
内燃機関の制御装置10とエンジンECU30の処理部30pと記憶部30mとは、エンジンECU30に備えられる入出力ポート(I/O)19を介して接続されており、これらの間で相互にデータをやり取りすることができる。これにより、内燃機関の制御装置10はエンジンECU30が有する内燃機関1等の負荷や機関回転数その他の内燃機関の運転制御データを取得したり、内燃機関の制御装置10の制御をエンジンECU30の内燃機関の運転制御ルーチンに割り込ませたりすることができる。
また、入出力ポート(I/O)19には、クランク角センサ41、アクセル開度センサ42、排気温度センサ46その他の、内燃機関1の運転状態に関する情報を取得する各種センサ類が接続されている。これにより、エンジンECU30や内燃機関の制御装置10は、内燃機関1等の運転制御に必要な情報を取得することができる。また、入出力ポート(I/O)19には、水噴射弁3や弁開閉時期制御機構60その他の制御対象が接続されており、内燃機関の制御装置10の水噴射時期決定部13、水噴射制御部15やエンジンECU30の処理部30pからの制御信号によりこれらの動作を制御できるように構成されている。
記憶部30mには、実施例1に係る内燃機関の制御方法の処理手順を含むコンピュータプログラムや、内燃機関1の運転制御に用いる燃料噴射量のデータマップ等が格納されている。ここで、記憶部30mは、RAM(Random Access Memory)のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。また、内燃機関の制御装置10やエンジンECU30の処理部30pは、メモリ及びCPUにより構成することができる。
上記コンピュータプログラムは、水噴射時期決定部13や水噴射制御部15等へすでに記録されているコンピュータプログラムとの組み合わせによって、この実施例1に係る内燃機関の制御方法の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この内燃機関の制御装置10は、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、水噴射時期決定部13や水噴射制御部15等の機能を実現するものであってもよい。次に、この内燃機関の制御装置10を用いて、実施例1に係る内燃機関の制御方法を実現する手順を説明する。なお、次の説明にあたっては、適宜図1〜図5を参照されたい。
図6は、実施例1に係る内燃機関の制御方法の手順を示すフローチャートである。実施例1に係る内燃機関の制御方法を実行するにあたり、内燃機関の制御装置10が備える排気温度判定部11は、排気温度センサ46から現在の排気温度Teを取得する(ステップS101)。そして、取得した現在の排気温度Teと、予め定めた排気温度の上限値Telとを比較する(ステップS102)。その結果、Te≧Telである場合には(ステップS102;Yes)、内燃機関1は高回転、高負荷で運転されており、エミッション、性能が悪化している状態であると判断できる。このため、オーバーラップ期間に水噴射弁3から燃焼室1b内へ水を噴射して、燃焼室1b及び排気の温度を低下させる。排気温度の上限値Telは、点火遅角や燃料増量により内燃機関1のエミッション、性能を低下させる程度の温度である。この上限値Telは、過給機の有無等、内燃機関1の仕様によっても異なるが、過給をしない火花点火式のガソリン機関では、900℃程度である。
水噴射量決定部12は、排気温度Teや内燃機関1の冷却水温度等に基づいて、水噴射量Qwを決定する(ステップS103)。同時に、水噴射時期決定部13は、内燃機関1の機関回転数や負荷その他の情報からオーバーラップ期間を算出し、オーバーラップ期間中に水噴射するように水噴射時期θwを決定する(ステップS103)。水噴射量Qw及び水噴射時期θwを決定したら、弁開閉時期決定部14は、オーバーラップ期間の増加量を決定する(ステップS104)。オーバーラップ期間の増加量は、例えば、水噴射量Qwに応じて変化させることができる。
水噴射制御部15は、決定した水噴射量Qw及び水噴射時期θwで、水噴射弁3から水Wを噴射させる(ステップS105)。Te<Telである場合には(ステップS102;No)、内燃機関の制御装置10は、内燃機関1の排気温度Teを監視する。
以上、実施例1では、オーバーラップ期間中に、水噴射手段から水を噴射する。これにより、燃焼室内を冷却できるので、吸入空気量を増加させることができる。その結果、体積効率を向上させることができるので、高回転、高負荷時のように燃焼温度が高くなる運転条件において、内燃機関の性能低下を抑制させることができる。また、オーバーラップ期間中に噴射した水は、排気弁を通って内燃機関の排気系へ吹き抜けるので、排気を冷却することができる。これにより、エミッションを改善することができる。さらに、燃焼温度の低下、燃焼室の冷却により、点火時期の遅角及び燃料増量を抑制できるので、性能低下及びエミッションの悪化を抑制できる。なお、実施例1で開示した構成は、以下の実施例においても適宜適用できる。また、実施例1と同一の構成を備える以上、実施例1と同様の作用、効果を奏する。
実施例2は、実施例1と略同様の構成であるが、内燃機関の排気温度に応じて水噴射量を調整する点が異なる。他の構成は実施例1と同様なのでその説明を省略するとともに、同一の構成には同一の符号を付す。図7は、実施例2に係る内燃機関の制御方法の手順を示すフローチャートである。なお、実施例2に係る内燃機関の制御方法は、実施例1に係る内燃機関の制御装置10により実現できる。
実施例2に係る内燃機関の制御方法を実行するにあたり、内燃機関の制御装置10が備える排気温度判定部11は、排気温度センサ46から現在の排気温度Teを取得する(ステップS201)。そして、取得した現在の排気温度Teと、予め定めた排気温度の上限値Telとを比較する(ステップS202)。その結果、Te<Telである場合には(ステップS202;No)、内燃機関の制御装置10は、内燃機関1の排気温度Teを監視する。Te≧Telである場合には(ステップS202;Yes)、内燃機関1は高回転、高負荷で運転されており、エミッション、性能が悪化している状態であると判断できる。このため、オーバーラップ期間に水噴射弁3から燃焼室1b内へ水を噴射して、燃焼室1b及び排気の温度を低下させる。
水噴射量決定部12は、排気温度Teや内燃機関1の冷却水温度等に基づいて、基本水噴射量Qwbを決定する(ステップS203)。同時に、水噴射時期決定部13は、内燃機関1の機関回転数や負荷その他の情報からオーバーラップ期間を算出し、オーバーラップ期間中に水噴射するように水噴射時期θwを決定する(ステップS203)。基本水噴射量Qwb及び水噴射時期θwを決定したら、弁開閉時期決定部14は、オーバーラップ期間の増加量を決定する(ステップS204)。
水噴射制御部15は、決定した水噴射量Qw及び水噴射時期θwで、水噴射弁3から水Wを噴射させる(ステップS205)。次に、排気温度判定部11は排気温度センサ46から現在の排気温度Tenを取得する(ステップS206)。そして、取得した現在の排気温度Tenと、直前に取得した排気温度Ten−1とを比較する(ステップS207)。その結果、Ten≦Ten−1である場合(ステップS207;No)、排気温度は下降あるいは一定に維持される傾向にあり、内燃機関1の燃焼状態は良好であると判定できる。
この場合、まだ水噴射量を増量させて、内燃機関1の燃焼室1b内における温度、及び排気温度を低下させて、内燃機関1の性能及びエミッションの悪化を抑制できる余地がある。このため、水噴射量決定部12は水噴射増量値ΔQw(≠0)を算出し、新たな水噴射量Qwを、Qw+ΔQwとする(ステップS208)。そして、水噴射制御部15は、決定した水噴射量Qw(=Qw+ΔQw)で水噴射弁3から水Wを噴射させる(ステップS209)。これにより、内燃機関1の燃焼室1b内における温度、及び排気温度を低下させることができるので、高回転、高負荷時のように燃焼温度が高くなる運転条件において、内燃機関1の性能低下及びエミッション悪化を抑制できる。
次に、排気温度判定部11は、排気温度センサ46から現在の排気温度Tenを取得する(ステップS210)。そして、取得した現在の排気温度Tenと、予め定めた排気温度の上限値Telとを比較する(ステップS211)。その結果、Ten≧Telである場合には(ステップS211;Yes)、内燃機関1は高回転、高負荷で運転されており、エミッション、性能が悪化している状態であると判断できる。このため、上記ステップS207〜S211を繰り返す。Ten<Telである場合には(ステップS211;No)、内燃機関の制御装置10はSTARTに戻り、内燃機関1の排気温度Teを監視する。
Ten>Ten−1である場合(ステップS207;Yes)、すなわち、内燃機関1の排気温度が上昇傾向にある場合は、水噴射量が多すぎるため内燃機関1の燃焼が悪化した結果、排気温度が上昇傾向にあると判定できる。したがって、これ以上水噴射量を増量すると、さらに燃焼状態が悪化して内燃機関の性能及びエミッションが悪化するおそれがある。このため、水噴射量決定部12は水噴射増量値ΔQw=0として(ステップS212)、新たな水噴射量Qwを、Qw+ΔQwとする(ステップS208)。そして、水噴射制御部15は、決定した水噴射量Qw(=Qw+ΔQw)で水噴射弁3から水Wを噴射させる(ステップS209)。これにより、高回転、高負荷時のように燃焼温度が高くなる運転条件において、内燃機関1の性能低下及びエミッションがこれ以上悪化することを抑制できる。
次に、排気温度判定部11は、排気温度センサ46から現在の排気温度Tenを取得する(ステップS210)。そして、取得した現在の排気温度Tenと、予め定めた排気温度の上限値Telとを比較する(ステップS211)。その結果、Ten≧Telである場合には(ステップS211;Yes)、内燃機関1は高回転、高負荷で運転されており、エミッション、性能が悪化している状態であると判断できる。このため、上記ステップS207〜S211を繰り返す。Ten<Telである場合には(ステップS211;No)、内燃機関の制御装置10は、内燃機関1の排気温度Teを監視する。
以上、実施例2によれば、内燃機関の排気温度に応じて水噴射量を決定するので、燃焼悪化に陥らない範囲で水噴射量を増量して、高回転、高負荷時のように燃焼温度が高くなる運転条件において、内燃機関の性能低下及びエミッション悪化を抑制できる。また、燃焼温度の低下、燃焼室の冷却により、点火時期の遅角及び燃料増量を抑制できるので、性能低下及びエミッションの悪化を抑制できる。なお、実施例2で開示した構成は、以下の実施例においても適宜適用できる。また、実施例2と同一の構成を備える以上、実施例3と同様の作用、効果を奏する。
実施例3は、実施例1と略同様の構成であるが、内燃機関の排気温度に応じて燃料噴射量を調整することにより、空燃比A/Fを補正する点が異なる。他の構成は実施例1と同様なのでその説明を省略するとともに、同一の構成には同一の符号を付す。図8は、実施例3に係る内燃機関の制御装置を示す説明図である。実施例3に係る内燃機関の制御装置10aは、実施例1に係る内燃機関の制御装置10と略同様の構成であるが、燃料噴射量決定部16を備える点が異なる。実施例3に係る内燃機関の制御方法は、前記内燃機関の制御装置10aにより実現できる。図9は、実施例3に係る内燃機関の制御方法の手順を示すフローチャートである。
実施例3に係る内燃機関の制御方法を実行するにあたり、内燃機関の制御装置10aが備える排気温度判定部11は、排気温度センサ46から現在の排気温度Teを取得する(ステップS301)。そして、取得した現在の排気温度Teと、予め定めた排気温度の上限値Telとを比較する(ステップS302)。その結果、Te<Telである場合には(ステップS302;No)、内燃機関の制御装置10は、内燃機関1の排気温度Teを監視する。Te≧Telである場合には(ステップS302;Yes)、内燃機関1は高回転、高負荷で運転されており、エミッション、性能が悪化している状態であると判断できる。このため、オーバーラップ期間に水噴射弁3から燃焼室1b内へ水を噴射して、燃焼室1b及び排気の温度を低下させる。
水噴射量決定部12は、排気温度Teや内燃機関1の冷却水温度等に基づいて、基本水噴射量Qwbを決定する(ステップS303)。同時に、水噴射時期決定部13は、内燃機関1の機関回転数や負荷その他の情報からオーバーラップ期間を算出し、オーバーラップ期間中に水噴射するように水噴射時期θwを決定する(ステップS303)。基本水噴射量Qwb及び水噴射時期θwを決定したら、弁開閉時期決定部14は、オーバーラップ期間の増加量を決定する(ステップS304)。
水噴射制御部15は、決定した水噴射量Qw及び水噴射時期θwで、水噴射弁3から水Wを噴射させる(ステップS305)。次に、排気温度判定部11は排気温度センサ46から現在の排気温度Tenを取得する(ステップS306)。そして、取得した現在の排気温度Tenと、目標排気温度Tepとを比較する(ステップS307)。その結果、Ten≧Tepである場合(ステップS307;No)、これ以上燃料を減量すると、内燃機関1の燃焼が悪化するおそれがあるので、燃料噴射量を減量せずに、内燃機関の制御装置10aは、内燃機関1の排気温度の監視を継続する。ここで、目標排気温度Tepは、内燃機関1の仕様等によって変更されるが、排気温度の上限値Telより小さい値である。
Ten<Tepである場合(ステップS307;Yes)、内燃機関1は良好な冷却状態で運転されていると判断できる。このため、燃料噴射量Qfを低減して空燃比A/Fをリーン側で運転することができる。このため、燃料噴射量決定部16は、燃料噴射量Qfを減量し、エンジンECU30は、減量した燃料噴射量で内燃機関1を運転する(ステップS308)。そして、Ten≧Tepになるまで水噴射を併用しながら燃料の減量を継続し(ステップS308)、Ten≧Tepとなったら(ステップS307;No)、燃料噴射量を減量せずに、内燃機関の制御装置10aは、内燃機関1の排気温度の監視を継続する。
以上、実施例3によれば、排気温度に応じて燃料噴射量を調整するので、水噴射により排気温度が低下した場合には、燃料噴射量を低減することができる。これにより、高回転、高負荷時のように燃焼温度が高くなる運転条件において、内燃機関1の性能及びエミッションの悪化を抑制できるとともに、燃料消費も抑制できる。なお、実施例3と同一の構成を備える以上、実施例3と同様の作用、効果を奏する。
以上のように、本発明に係る内燃機関及び内燃機関の制御装置は、水噴射手段を備える内燃機関に有用であり、特に、エミッションの悪化及び性能低下を抑制することに適している。
1 内燃機関
1b 燃焼室
1h シリンダヘッド
1s 気筒
2 ポート噴射弁
3 水噴射弁
10、10a 内燃機関の制御装置
11 排気温度判定部
12 水噴射量決定部
13 水噴射時期決定部
14 弁開閉時期決定部
15 水噴射制御部
16 燃料噴射量決定部
30 エンジンECU
50 水タンク
60 弁開閉時期制御機構
1b 燃焼室
1h シリンダヘッド
1s 気筒
2 ポート噴射弁
3 水噴射弁
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11 排気温度判定部
12 水噴射量決定部
13 水噴射時期決定部
14 弁開閉時期決定部
15 水噴射制御部
16 燃料噴射量決定部
30 エンジンECU
50 水タンク
60 弁開閉時期制御機構
Claims (10)
- 吸気弁と、排気弁とを備えるレシプロ式の内燃機関であって、
前記吸気弁が開く時期と前記排気弁が閉じる時期とがオーバーラップする期間に水を噴射することにより、前記内燃機関の燃焼室へ水を供給する水噴射手段を備えることを特徴とする内燃機関。 - 前記内燃機関の排気温度が予め定めた排気温度の上限値以上の場合に、前記水噴射手段から水を噴射することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。
- 前記水噴射手段による水噴射中は、前記オーバーラップの期間を増加することを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関。
- 前記排気温度に基づき、前記水噴射手段による水の噴射量を変更することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の内燃機関。
- 前記排気温度に基づき、前記内燃機関に対する燃料噴射量を変更することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の内燃機関。
- 吸気弁と、排気弁と、燃焼室へ水を供給する水噴射手段とを備えるレシプロ式の内燃機関を制御するものであり、
前記内燃機関の排気温度を判定する排気温度判定部と、
前記排気温度が定めた排気温度の上限値以上の場合、前記吸気弁が開く時期と前記排気弁が閉じる時期とがオーバーラップする期間に前記水噴射手段が水を噴射するように、前記水噴射手段の水噴射時期を決定する水噴射時期決定部と、
を含んで構成されることを特徴とする内燃機関の制御装置。 - さらに、前記水噴射手段による水噴射中は、前記オーバーラップの期間を増加させるように、前記吸気弁が開く時期又は前記排気弁が閉じる時期の少なくとも一方を決定する弁開閉時期決定部を備えることを特徴とする請求項6に記載の内燃機関の制御装置。
- 排気温度が上昇傾向に転ずると前記排気温度判定部が判定するまでは、前記水の噴射量を増量させる水噴射量決定部を備えることを特徴とする請求項6又は7に記載の内燃機関の制御装置。
- 排気温度が上昇傾向にあると前記排気温度判定部が判定した場合には、前記水の噴射量の増量を停止する水噴射量決定部を備えることを特徴とする請求項8に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記排気温度が予め定めた目標温度よりも低いと前記排気温度判定部が判定した場合には、前記内燃機関に対する燃料噴射量を減少させる燃料噴射量決定部を備えることを特徴とする請求項6又は7に記載の内燃機関の制御装置。
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JP2004136669A JP2005315234A (ja) | 2004-04-30 | 2004-04-30 | 内燃機関及び内燃機関の制御装置 |
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- 2004-04-30 JP JP2004136669A patent/JP2005315234A/ja not_active Withdrawn
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