JP2024051988A - 内燃機関の制御方法および内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】着火性が大きく異なる複数の燃料を単一の内燃機関で燃焼させる。【解決手段】燃焼室に供給される空気と燃料との混合気を圧縮し、圧縮された混合気に含まれる燃料を自着火させる予混合圧縮着火燃焼を行うとともに、前回の燃焼サイクルにおける燃焼室からの排気を燃焼室に還流する内燃機関の制御方法は、コンピュータによりそれぞれ実行される、内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであるか否かを判定する判定ステップＳ１０，Ｓ１２と、判定ステップＳ１０，Ｓ１２で内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、燃焼室に供給される混合気を圧縮して点火プラグにより点火し、点火により生じた火炎を伝播させる予混合火炎伝播燃焼を行うように内燃機関を制御する制御ステップＳ１１，Ｓ１３と、を含む。【選択図】図１８

Description

本発明は、異なる複数の燃料を燃焼可能な内燃機関の制御方法および内燃機関の制御装置に関する。

従来より、ガソリンとメチルアルコールとの混合燃料を燃焼可能な内燃機関の制御方法が知られている（例えば特許文献１参照）。上記特許文献１記載の装置では、Ｏ₂センサにより排気ガスの空気過剰率を検出し、検出結果に基づいて空気過剰率が１．０に近付くように、内燃機関に供給されるガソリンとメチルアルコールとの割合を調整する。

特開昭５８－２７８３４号公報

ところで、気候変動の緩和または影響軽減に寄与する観点では、炭素強度の高い化石燃料を太陽光、風力、水力、地熱、あるいはバイオマス等の再生可能エネルギーで代替し、炭素排出量を低減することが望ましい。このような観点から、再生可能エネルギーを利用して製造されるｅ－ｆｕｅｌ、バイオマスから製造されるバイオアルコール、バイオディーゼル等の再生可能燃料が普及しつつあるが、各燃料の着火性は、その原料や製造方法によって大きく異なる。着火性が大きく異なる複数の燃料を単一の内燃機関で燃焼させることは、困難である。

本発明の一態様は、燃焼室に供給される空気と燃料との混合気を圧縮し、圧縮された混合気に含まれる燃料を自着火させる予混合圧縮着火燃焼を行うとともに、前回の燃焼サイクルにおける燃焼室からの排気を燃焼室に還流する内燃機関の制御方法であって、コンピュータによりそれぞれ実行される、内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであるか否かを判定する判定ステップと、判定ステップで内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、燃焼室に供給される混合気を圧縮して点火プラグにより点火し、点火により生じた火炎を伝播させる予混合火炎伝播燃焼を行うように内燃機関を制御する制御ステップと、を含む。

本発明の別の態様は、燃焼室に供給される空気と燃料との混合気を圧縮し、圧縮された混合気に含まれる燃料を自着火させる予混合圧縮着火燃焼を行うとともに、前回の燃焼サイクルにおける燃焼室からの排気を燃焼室に還流する内燃機関の制御装置であって、演算部と記憶部とを有するコントローラを備える。内燃機関は、点火プラグを有する。演算部は、内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであるか否かを判定し、内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、燃焼室に供給される混合気を圧縮して点火プラグにより点火し、点火により生じた火炎を伝播させる予混合火炎伝播燃焼を行うように内燃機関を制御する。

本発明によれば、着火性が大きく異なる複数の燃料を単一の内燃機関で燃焼させることができる。

本発明の実施形態に係る内燃機関で燃焼させる燃料について説明するための図。 オクタン価の異なる燃料の着火前後における筒内圧力の変化について説明するための図。 オクタン価の異なる燃料の着火前後における筒内温度の変化について説明するための図。 燃料のオクタン価と燃料噴射量と発生トルクとの関係について説明するための図。 燃料のオクタン価と低温酸化反応の発熱割合との関係について説明するための図。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御方法の要部構成の一例を概略的に示すブロック図。 図６の排気絞り弁の最適な開度について説明するための図。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御方法による、圧縮着火燃焼時の処理の一例を示すフローチャート。 ノッキングが発生するときの、始動時の筒内圧力の変化について説明するための図。 ノッキングが発生しないときの、始動時の筒内圧力の変化について説明するための図。 燃料のオクタン価と空燃比との関係について説明するための図。 空燃比を変えたときの、始動時における着火前後の筒内圧力の変化について説明するための図。 空燃比と断熱火炎温度との関係について説明するための図。 オクタン価の異なる燃料が給油されたときの、内燃機関に供給される燃料のオクタン価の変化について説明するための図。 空燃比と圧縮開始温度との関係について説明するための図。 空燃比を変えたときの、圧縮着火燃焼時における着火前後の筒内圧力の変化について説明するための図。 燃料のオクタン価と最適なスロットル開度との関係について説明するための図。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御方法による、始動直後の処理の一例を示すフローチャート。

以下、図１～図１８を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態に係る内燃機関の制御方法は、着火性が大きく異なる複数の燃料を燃焼させる内燃機関を制御する。地球の平均気温は、大気中の温室効果ガスにより、生物に適した温暖な状態に保たれている。具体的には、太陽光で暖められた地表面から宇宙空間へと放射される熱の一部を温室効果ガスが吸収し、地表面へと再放射することで、大気が温暖な状態に保たれている。このような大気中の温室効果ガスの濃度が増加すると、地球の平均気温が上昇する（地球温暖化）。

温室効果ガスの中でも地球温暖化への寄与が大きい二酸化炭素の大気中における濃度は、植物や化石燃料として地上や地中に固定された炭素と、二酸化炭素として大気中に存在する炭素とのバランスによって決定される。例えば、植物の生育過程での光合成により大気中の二酸化炭素が吸収されると大気中の二酸化炭素濃度が減少し、化石燃料の燃焼により二酸化炭素が大気中に放出されると大気中の二酸化炭素濃度が増加する。地球温暖化を抑制するには、化石燃料を太陽光、風力、水力、地熱、あるいはバイオマス等の再生可能エネルギーで代替し、炭素排出量を低減することが必要となる。

このような観点から、再生可能エネルギーを利用して製造されるｅ－ｆｕｅｌ、バイオマスから製造されるバイオアルコール、バイオディーゼル等の再生可能燃料が普及しつつあるが、各燃料の着火性は、その原料や製造方法によって大きく異なる。そこで、本実施形態では、着火性が大きく異なる複数の燃料を単一の内燃機関で燃焼させる内燃機関の制御方法について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関で燃焼させる燃料について説明するための図である。図１に示すように、従来のディーゼルエンジンでは、オクタン価（リサーチ法オクタン価）０～１０程度の燃料（軽油）を燃焼可能であり、従来のガソリンエンジンでは、オクタン価９０以上の燃料（ガソリン）を燃焼可能である。本発明の実施形態に係る内燃機関は、２ストローク機関または４ストローク機関として構成され、予混合圧縮着火燃焼によりオクタン価０～１２０程度の燃料を燃焼させる。

従来のガソリンエンジンのように、空気と燃料の混合気を圧縮して点火し、点火により生じた火炎が伝播することで燃焼が進行する予混合火炎伝播燃焼では、オクタン価が低く着火性の高い燃料が供給されると、ノッキング（異常燃焼）が生じることがある。また、従来のディーゼルエンジンのように、高温圧縮空気中に高圧燃料を噴射し、噴射された燃料が蒸発拡散しながら自着火することで燃焼が進行する拡散燃焼では、オクタン価が高く着火性の低い燃料が供給されると、安定した燃焼と出力を得られないことがある。空気と燃料の混合気を圧縮し、圧縮された混合気中の燃料が自着火することで燃焼が進行する予混合圧縮着火燃焼では、ディーゼルエンジンのように比較的高い熱効率と、ガソリンエンジンのように比較的クリーンな排気ガスを実現することができる。

図２および図３は、それぞれオクタン価の異なる燃料の着火前後における筒内圧力および筒内温度の変化について説明するための図であり、内燃機関の回転数を２０００［ｒｐｍ］、ＩＭＥＰ（図示平均有効圧力）を２００［ｋＰａ］としたときの実験結果を示す。図２および図３に示すように、筒内圧力および筒内温度が立ち上がる圧縮着火開始時期は、燃料のオクタン価によらず、ほぼ同時期となり、圧縮着火開始時期の筒内温度も、燃料のオクタン価によらず、ほぼ一定となる。一方、筒内圧力および筒内温度の上昇は、燃料のオクタン価が高いほど緩やかになる。これは、燃料のオクタン価が高く着火性が低いほど圧縮着火開始後の燃焼が緩慢になるためである。

図４は、燃料のオクタン価と燃料噴射量と発生トルクとの関係について説明するための実験結果を示す図である。図４に示すように、燃料のオクタン価が高いほど、燃料噴射量あたりの発生トルクは小さくなる。このような傾向は、燃料噴射量が多い高負荷ほど顕著となる。これは、図２および図３に示すように圧縮着火開始後の燃焼が緩慢になり、圧縮上死点から遅れて燃焼する燃料の割合が増加することで等容度および熱効率が低下するためである。

圧縮着火開始前は、初期反応として、下式(i)，(ii)のような炭化水素（下式の例ではイソオクタン）の酸化反応（低温酸化反応）が進行する。
ｉＣ₈Ｈ₁₈＋ＯＨ＝ｉＣ₈Ｈ₁₇＋Ｈ₂Ｏ ・・・(i)
ｉＣ₈Ｈ₁₇＋Ｏ₂（＋Ｍ）＝ｉＣ₈Ｈ₁₇ＯＯ（＋Ｍ）・・・(ii)

圧縮着火開始時期は、下式(iii)のような低温酸化反応の発熱量に依存する。
低温酸化反応発熱量［Ｊ］＝燃料噴射量「ｇ／ｃｙｃ・ｃｙｌ」
×低位発熱量［Ｊ／ｇ］×低温酸化発熱割合［％］・・・(iii)

図５は、燃料のオクタン価と低温酸化反応の発熱割合との関係について説明するための実験結果を示す図である。低温酸化反応の発熱割合は、内燃機関の吸気温度等の圧縮条件に応じて変化する。図５では、一例として、吸気温度３０［℃］、吸気圧力［１００ｋＰａ］の混合気を圧縮比１４の内燃機関で圧縮着火させた場合の実験結果を示す。図５に示すように、低温酸化反応の発熱割合［％］は、燃料のオクタン価が低いほど高く、燃料のオクタン価が高いほど低くなる。したがって、式(iii)のような低温酸化反応の発熱量は、燃料のオクタン価が低いほど大きく、燃料のオクタン価が高いほど小さくなる。

圧縮および低温酸化反応により筒内温度が上昇して所定の活性温度に到達すると、下式(iv)のようなＨ₂Ｏ₂の熱分解反応（圧縮着火のトリガ反応）が開始する。なお、圧縮後の上死点温度Ｔ₂は、下式(v)のような断熱圧縮の熱力学方程式を用い、圧縮前の下死点温度Ｔ₁、空燃比、圧縮比ε、および比熱比κに基づいて算出することができる。
Ｈ₂Ｏ₂（＋Ｍ）＝ＯＨ＋ＯＨ（＋Ｍ） ・・・(iv)
Ｔ₂＝Ｔ₁×ε⁽κ-¹⁾ ・・・(v)

トリガ反応の活性温度は、燃料のオクタン価によらず、概ね１０００Ｋ程度である。トリガ反応（式(iv)）が開始すると、ＯＨラジカルの濃度が急激に上昇することで発熱量の大きい連鎖反応が促進され、圧縮着火が開始する。すなわち、筒内温度がトリガ反応の活性温度に到達する時期が圧縮着火開始時期となる。圧縮着火開始時期は、燃料のオクタン価が低く、低温酸化反応の発熱量が大きいほど早く、燃料のオクタン価が高く、低温酸化反応の発熱量が小さいほど遅くなる。

圧縮着火開始時期が早く、圧縮上死点に近いほど、上死点近傍で燃焼する燃料の割合が増加してクランク角度あたりの発熱量が大きくなり、等容度および熱効率が向上し、発生トルクが増加する。圧縮着火開始時期が遅く、圧縮上死点から離間するほど、上死点から遅れて燃焼する燃料の割合が増加してクランク角度あたりの発熱量が小さくなり、等容度および熱効率が低下し、発生トルクが低下する。発生トルクは、燃料のオクタン価が低く、低温酸化反応の発熱量が大きく、圧縮着火開始時期が早いほど大きく、燃料のオクタン価が高く、低温酸化反応の発熱量が小さく、圧縮着火開始時期が遅いほど小さくなる。

内燃機関ごとの発生トルクは、燃料のオクタン価が低いほど大きく、燃料のオクタン価が高いほど小さくなるとともに、燃料噴射量（総発熱量）に応じて変化する。発生トルク（出力トルク）は、内燃機関の出力軸に設けられた回転トルクメータにより測定することができる。発生トルクは、筒内圧力に対応するため、トルクに代えて、内燃機関の燃焼室に設けられた圧力センサにより燃焼室の圧力（筒内圧力）を測定してもよい。排気温度等、発生トルクに対応する他のパラメータを測定してもよい。内燃機関ごとに燃料のオクタン価と燃料噴射量とを変えて試験を行い、発生トルク（筒内圧力）を測定することで、図４に示すような、燃料のオクタン価と、燃料噴射量と、発生トルクとの関係を表す特性マップを作成することができる。

図６は、本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置の要部構成の一例を概略的に示すブロック図である。図６に示すように、本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置は、主にコントローラ１０を有する。コントローラ１０は、ＣＰＵなどの演算部１１、ＲＯＭ，ＲＡＭなどの記憶部１２、およびその周辺回路などを有するコンピュータを含んで構成される。記憶部１２には、演算部１１が実行するプログラムや設定値等の情報とともに、予め試験により作成された、燃料のオクタン価と燃料噴射量と発生トルク（筒内圧力）との関係を表す特性マップ（図４）が記憶される。

コントローラ１０には、筒内圧力を検出する筒内圧センサ２が接続される。コントローラ１０は、内燃機関の燃焼サイクルごとに、筒内圧センサ２により検出された筒内圧力の情報を取得する。

コントローラ１０には、内燃機関に対する要求トルクに応じてインジェクタによる燃料噴射を制御する燃料噴射制御装置５０が接続される。コントローラ１０は、内燃機関の燃焼サイクルごとに、燃料噴射制御装置５０から要求トルクの情報と燃料噴射量の情報とを取得する。なお、コントローラ１０と燃料噴射制御装置５０とを単一の装置として構成してもよい。

コントローラ１０の演算部１１は、取得した燃料噴射量の情報および筒内圧力の情報と、記憶部１２に記憶された燃料のオクタン価と燃料噴射量と発生トルク（筒内圧力）との関係を表す特性マップ（図４）とに基づいて、燃料のオクタン価を推定する。演算部１１による燃料のオクタン価の推定は、内燃機関が始動されてから停止されるまでの運転中、随時（例えば燃焼サイクルごとに）行われる。

演算部１１で推定された燃料のオクタン価の情報は、記憶部１２に記憶される。演算部１１で推定され、記憶部１２に記憶される燃料のオクタン価の情報は、時系列の情報として蓄積されてもよく、最新の推定値に更新されてもよい。

コントローラ１０の演算部１１で推定された燃料のオクタン価の情報は、燃料噴射制御装置５０にも送信される。燃料噴射制御装置５０は、コントローラ１０から取得した燃料のオクタン価の情報に基づいて、燃料噴射を制御するための特性マップを切り替える。すなわち、要求トルクに対する燃料噴射量は、オクタン価の異なる燃料ごとに予め試験により作成された、要求トルクに対する最適な燃料噴射量の特性マップに基づいて算出される。このような最適な燃料噴射量の特性マップを、コントローラ１０から取得した燃料のオクタン価の情報に基づいて切り替えることで、燃料噴射制御装置５０による燃料噴射制御を適切に行うことができる。

本発明の実施形態に係る内燃機関には、開度に応じて燃焼室からの排気の流量を制限し、前回の燃焼サイクルで生じた排気の一部を燃焼室に還流することで、今回の燃焼サイクルに残存させる排気絞り弁３が設けられる。アクチュエータにより排気絞り弁３の開度を調整することで、排気の還流量を調整することができる。排気絞り弁３は、例えば燃焼室からの排気が通過する排気ポートに設けられる。排気ポートに設けられて排気ポートを開閉する排気バルブを排気絞り弁３として用いてもよい。排気絞り弁３（アクチュエータ）は、コントローラ１０に接続され、コントローラ１０により制御される。なお、本発明の実施形態に係る内燃機関は、２ストローク機関として構成されてもよく、４ストローク機関として構成されてもよいが、幅広いオクタン価の燃料に対応して排気還流量を大幅に変更する観点では、２ストローク機関として構成することが好ましい。

圧縮着火開始時期が上死点近傍の最適着火時期に比して早すぎると、燃焼騒音が生じ、ＮＯ_x排出量が増大する。また、最適着火時期に比して遅すぎると、熱効率が低下（燃費が悪化）し、ＴＨＣ排出量が増大する。高温の排気を還流することで、圧縮着火開始時期における筒内温度が高まり、低温酸化反応による発熱量が減少する。排気絞り弁３を開放側に調整し、排気還流量を制限することで、圧縮着火開始時期の筒内温度を低下させ、圧縮着火開始時期を遅く、すなわち遅角側に調整することができる。また、排気絞り弁３を閉鎖側に調整し、排気還流量を増大することで、圧縮着火開始時期の筒内温度を上昇させ、圧縮着火開始時期を早く、すなわち進角側に調整することができる。

コントローラ１０の演算部１１は、推定された燃料のオクタン価に基づいて、排気絞り弁３の開度が最適な開度となるように、排気絞り弁３を制御する。例えば、推定された燃料のオクタン価が高く、燃料の着火性が低い場合には、排気絞り弁３を閉鎖側に調整することで、圧縮着火開始時期を進角側に調整する。これにより、燃料のオクタン価によらず、最適な圧縮着火開始時期に調整し、安定した出力を得ることができる。

図７は、排気絞り弁３の最適な開度について説明するための図であり、予め試験により作成され、コントローラ１０の記憶部１２に記憶された特性の一例を示す。演算部１１は、記憶部１２に記憶された排気絞り弁３の最適な開度の特性に基づいて、要求負荷（要求トルク）および推定された燃料のオクタン価に対応する排気絞り弁３の開度を決定し、決定された開度となるように排気絞り弁３（アクチュエータ）を制御する。演算部１１は、燃料噴射制御装置５０から取得した要求負荷（要求トルク）と、筒内圧センサ２から取得した筒内圧力（発生トルク）とに基づいて、発生トルクが要求トルクとなるように排気絞り弁３（アクチュエータ）をフィードバック制御してもよい。

図８は、本発明の実施形態に係る内燃機関の制御方法による、圧縮着火燃焼時の処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、コントローラ１０の演算部１１により、例えば内燃機関の燃焼サイクルごとに実行される。

図８に示すように、先ずステップＳ１で、筒内圧センサ２から筒内圧力（発生トルク）の情報を取得する。次いでステップＳ２で、燃料噴射制御装置５０から燃料噴射量の情報を取得する。次いでステップＳ３で、ステップＳ１，Ｓ２で取得した情報および記憶部１２に記憶された燃料のオクタン価と燃料噴射量と発生トルク（筒内圧力）との関係を表す特性マップ（図４）とに基づいて、燃料のオクタン価を推定する。ステップＳ３で推定された燃料のオクタン価の情報は、記憶部１２に記憶される。ステップＳ３で推定された燃料のオクタン価の情報は、燃料噴射制御装置５０にも送信され、これにより、燃料のオクタン価に応じた燃料噴射を制御するための特性マップに基づいて、次回の燃焼サイクルでの燃料噴射制御が適切に行われる。

次いでステップＳ４で、燃料噴射制御装置５０から要求トルクの情報を取得する。次いでステップＳ５で、ステップＳ３で推定された燃料のオクタン価と、ステップＳ４で取得された要求トルク（要求負荷）と、記憶部１２に記憶された排気絞り弁３の最適な開度の特性（図７）とに基づいて、排気絞り弁３の開度を決定する。また、決定された開度となるように排気絞り弁３（アクチュエータ）を制御する。

本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）内燃機関の制御方法は、燃焼室に供給される空気と燃料との混合気を圧縮し、圧縮された混合気に含まれる燃料を自着火させる予混合圧縮着火燃焼を行う内燃機関を制御する。内燃機関の制御方法は、コンピュータによりそれぞれ実行される、内燃機関の燃焼サイクルごとに燃料噴射量の情報および発生トルクの情報を取得する情報取得ステップＳ１，Ｓ２と、予め定められた燃料噴射量と発生トルクと燃料の着火性との関係を示す特性マップ（図４）と、情報取得ステップＳ１，Ｓ２で取得された燃料噴射量の情報および発生トルクの情報と、に基づいて、燃料の着火性を推定する燃料推定ステップＳ３と、燃料推定ステップＳ３で推定された燃料の着火性に基づいて内燃機関を制御する制御ステップと、を含む（図８）。このように、供給されている燃料の着火性を随時推定し、推定された燃料の着火性に応じて燃料噴射量等を制御することで、着火性が大きく異なる複数の燃料を単一の内燃機関で燃焼させることができる。

（２）燃料推定ステップＳ３では、燃料の着火性を表す数値として、燃料のオクタン価を推定する（図４）。着火性をオクタン価として数値化することで、燃料噴射量と発生トルクと燃料の着火性との関係を示す汎用的な特性マップを作成することができる。

（３）内燃機関は、開度に応じて燃焼室からの排気の燃焼室への還流量を調整する排気絞り弁３を有する（図６）。情報取得ステップＳ４では、内燃機関の要求トルクの情報を取得する（図８）。内燃機関の制御方法は、コンピュータによりそれぞれ実行される、情報取得ステップＳ４で取得された内燃機関の要求トルクの情報と、燃料推定ステップＳ３で推定された燃料の着火性と、に基づいて、排気絞り弁３の開度を決定する還流量決定ステップＳ５をさらに含む（図８）。制御ステップＳ５では、さらに、還流量決定ステップＳ５で決定された排気絞り弁３の開度に基づいて内燃機関を制御する。

このように、要求トルクと燃料の着火性とに応じて排気絞り弁３の開度を決定することで、筒内温度を調整し、着火時期を最適に調整し、燃料の着火性によらず、安定した出力（発生トルク）を得ることができる。発生トルクが要求トルクとなるように排気絞り弁３の開度をフィードバック制御してもよい。

（４）内燃機関は、燃焼室の圧力を検出する筒内圧センサ２を有する。情報取得ステップＳ１では、発生トルクの情報として、筒内圧センサ２により検出された燃焼室の圧力の情報を取得する。この場合、筒内圧力に基づいて精度よく発生トルクを推定することができる。

（５）内燃機関の制御装置は、燃焼室に供給される空気と燃料との混合気を圧縮し、圧縮された混合気に含まれる燃料を自着火させる予混合圧縮着火燃焼を行う内燃機関を制御する。内燃機関の制御装置は、演算部１１と記憶部１２とを有するコントローラ１０を備える（図６）。内燃機関は、燃焼サイクルごとに発生トルク（筒内圧力）を検出する筒内圧センサ２を有する（図６）。記憶部１２は、予め定められた燃料噴射量と発生トルクと燃料の着火性との関係を示す特性マップ（図４）を記憶するように構成される。演算部１１は、内燃機関の燃焼サイクルごとに燃料噴射量の情報および筒内圧センサ２により検出された発生トルク（筒内圧力）の情報を取得し、記憶部１２に記憶された特性マップと、取得された燃料噴射量の情報および発生トルクの情報と、に基づいて、燃料の着火性を推定し、推定された燃料の着火性に基づいて内燃機関を制御するように構成される。

以上では、排気の還流により圧縮着火開始時期を調整し、適切な燃焼を行うための内燃機関の制御方法について説明したが、前回の燃焼サイクルによる高温の排気を利用する排気還流は、内燃機関の始動直後（初爆時）には行うことができない。そこで、本実施形態では、さらに、始動直後は混合気に点火する火炎伝播燃焼を行うことで、着火性の低い燃料でも初爆時の燃焼を適切に行うための内燃機関の制御方法について説明する。

図６に示すように、本発明の実施形態に係る内燃機関には、燃焼室に点火プラグ４が設けられる。一定の熱容量を有して筒内を加熱するグロープラグは、応答性が低いため、筒内温度を昇温しすぎることがあり、特に着火性の高い燃料では過早着火に至り、ノッキングが生じることがある。点火プラグ４を用いて火花により混合気に点火する場合は、燃料の着火性が高い場合であっても過剰な熱量により過早着火に至ることがない。点火プラグ４（アクチュエータ）は、コントローラ１０に接続され、コントローラ１０により制御される。

図９および図１０は、始動時の筒内圧力の変化について説明するための図である。図９は、燃焼が適切に行われず、ノッキングが発生するときの筒内圧力の変化を示し、図１０は、燃焼が適切に行われ、ノッキングが発生しないときの筒内圧力の変化を示す。また、図１１は、燃料のオクタン価と空燃比との関係について説明するための図である。

図１１に示すように、混合気の空燃比Ａ／Ｆを燃料のオクタン価に応じた適正範囲（通常火炎伝播燃焼領域）内にすることで、図１０のような適切な火炎伝播燃焼を行うことができる。混合気の空燃比Ａ／Ｆが適正範囲を超えて大きくなり、混合気が過剰に希薄になると、点火により生じた火炎が伝播することなく失火（消炎）する可能性が高まる（失火領域）。混合気の空燃比Ａ／Ｆが適正範囲を超えて大きくなり、混合気が過剰に濃くなると、図９のようにノッキングが生じる可能性が高まる（ノッキング領域）。

図１２は、空燃比を変えたときの、始動時における着火（点火）前後の筒内圧力の変化について説明するための図であり、実験結果を示す。図１２に示すように、混合気の空燃比Ａ／Ｆが１５のときは、ノッキングが生じ、筒内圧力の振動が観測される。混合気の空燃比Ａ／Ｆが２３のときは、失火（消炎）が生じ、筒内圧力の急激な上昇が観測されない。一方、混合気の空燃比Ａ／Ｆが２０のときは、適切な燃焼が行われ、筒内圧力が振動することなく急激に上昇する。図１１に示すように、混合気の空燃比Ａ／Ｆの適正範囲は燃料のオクタン価に応じて変化するが、図１１に破線で示すような、幅広いオクタン価で適切な燃焼を行うことができる空燃比Ａ／Ｆの適正範囲は、１６～２０程度となる。

ノッキングは、酸化発熱反応である燃焼反応の反応速度（下式(vi)）が高まり、発熱が過剰となることで生じる急激な自己着火燃焼である。下式(vi)において、Ａはプリエクスポネンシャルファクタ、Ｅは活性化エネルギー、Ｒは気体定数、Ｔは筒内温度であり、燃料濃度および酸素濃度の単位は［ｍｏｌ／ｍ³］である。
反応速度＝Ａ・ｅｘｐ（－Ｅ／ＲＴ）（燃料濃度）（酸素濃度）・・・(vi)

式(vi)に示す燃焼反応の反応速度は、空燃比が大きく、混合気が希薄な状態から、量論空燃比に向けて空燃比が小さく、混合気が濃くなるほど速くなる。混合気を量論空燃比よりも希薄にして過剰な酸素の熱容量により筒内温度の上昇を抑制し、反応速度を低下させることで、ノッキングを生じ難くすることができる。ノッキングが生じると、内燃機関（燃焼室）の構成部品が損傷したり、燃焼騒音により内燃機関の商品性が損なわれたりする。図１１の適正範囲の下限値であるノッキング限界の空燃比は、内燃機関（燃焼室）の強度や、許容される騒音レベル等に応じて変化する。また、ノッキング限界の空燃比は、圧縮比やバルブタイミング等に依存するため、内燃機関ごとに異なる。内燃機関ごとのノッキング限界を表す特性（図１１の適正範囲の下限値）は、予め試験により決定され、コントローラ１０の記憶部１２に記憶される。

図１３は、空燃比と断熱火炎温度との関係について説明するための図である。図１３に示すように、炭化水素の断熱火炎温度は、空燃比Ａ／Ｆに応じて変化する。混合気が過剰に希薄になると、炭化水素の断熱火炎温度（図１３）および層流燃焼速度（下式(vii)）が低下することで、火炎を維持、伝播することが困難となり、失火（消炎）に至る。これは、火炎からの放熱と発熱とのバランスが崩れて熱を維持できなくなるためである。下式(vii)において、αは熱拡散率、Ｐは筒内圧力、Ｅは活性化エネルギー、Ｒは気体定数、Ｔ_adは断熱火炎温度である。
層流燃焼速度∝α×Ｐ^n-2（－Ｅ／ＲＴ_ad） ・・・(vii)

火炎伝播限界の空燃比は、圧縮比やバルブタイミング等に依存するため、内燃機関ごとに異なるが、一般的なガソリンエンジンの火炎伝播限界の空燃比は２０程度となる。内燃機関ごとの火炎伝播限界を表す特性（図１１の適正範囲の上限値）は、予め試験により決定され、コントローラ１０の記憶部１２に記憶される。

コントローラ１０の演算部１１は、今回の燃焼サイクルが内燃機関の始動直後の最初の燃焼サイクル（初爆時）であるか否かを判定し、初爆時であると判定されると、目標空燃比を決定するとともに、火炎伝播燃焼を行うように点火プラグ４を含む内燃機関を制御する。初爆時の目標空燃比は、記憶部１２に記憶されたノッキング限界を表す特性と燃料のオクタン価とに基づいて、ノッキングを生じない限界付近の値（１６～２０程度）に決定される。コントローラ１０の演算部１１で決定された目標空燃比の情報は、燃料噴射制御装置５０に送信され、燃料噴射制御装置５０により目標空燃比に応じた燃料噴射制御が行われる。

図１４は、オクタン価の異なる燃料が給油されたときの、内燃機関に供給される燃料のオクタン価の変化について説明するための図である。図１４の横軸は、内燃機関の運転時間を示す。時刻ｔ１では、内燃機関が停止、始動され、停止から始動までの間に、燃料タンクに貯留されている燃料よりもオクタン価の低い燃料が給油される。時刻ｔ３では、内燃機関が停止、始動され、停止から始動までの間に、燃料タンクに貯留されている燃料よりもオクタン価の高い燃料が給油される。

内燃機関の始動直後の数サイクル分（図１４の時刻ｔ１～ｔ２，ｔ３～ｔ４）の燃料は、内燃機関の停止前にすでに燃料タンクから燃料配管内に汲み上げられていた燃料でまかなわれる。このため、たとえ内燃機関の停止から始動までの間に給油が行われ、燃料タンク内の燃料のオクタン価が変化したとしても、始動直後の数サイクルで燃焼室に供給される燃料のオクタン価は、内燃機関の停止前に推定されたオクタン価と一致する。よって、内燃機関の停止前に推定された燃料のオクタン価に基づいて、初爆時の目標空燃比を適切に決定することができる。

図１５は、空燃比と圧縮開始温度との関係について説明するための図であり、初爆後、数回（図では初爆（１回目）から５回目まで）の燃焼サイクルにおける最適な空燃比の一例を示す。図１５に示すように、２回目以降の燃焼サイクル（以下、「移行サイクル」と称することがある）では、前回の燃焼サイクルの排気が還流されることで筒内温度（圧縮開始温度および上死点近傍での温度）が徐々に高まる。このため、初爆時に決定された混合気の空燃比Ａ／Ｆをそのまま維持するとノッキングが発生することがある。２回目以降の燃焼サイクルでは、初爆時に決定された空燃比Ａ／Ｆを徐々に大きくし、混合気を徐々に希薄にすることで、ノッキングを生じることなく安定した火炎伝播燃焼を継続することができる。

初爆後、数回目（図では５回目）の燃焼サイクルで圧縮開始温度が、排気の還流により圧縮着火開始時期を調整することで安定して圧縮着火燃焼が可能な温度域に到達すると、点火プラグ４による点火を要しない圧縮着火燃焼に移行することができる。

図１６は、空燃比を変えたときの、圧縮着火燃焼時における着火前後の筒内圧力の変化について説明するための図であり、実験結果を示す。図１６に示すように、混合気の空燃比Ａ／Ｆが１９のときは、筒内圧力のピークがほぼ圧縮上死点に一致し、着火時期が早すぎるため、圧力上昇率が過大となる。この場合、内燃機関（燃焼室）の構成部品が損傷したり、燃焼騒音により内燃機関の商品性が損なわれたりする可能性が高まる。混合気の空燃比Ａ／Ｆが２４のときは、着火時期が遅すぎることで膨張行程の温度降下によって失火が生じ、筒内圧力の急激な上昇が観測されない。

一方、混合気の空燃比Ａ／Ｆが２１，２２のときは、適切な燃焼が行われ、筒内圧力のピークが圧縮上死点よりやや遅れた適当な時期に現れる。したがって、圧縮着火燃焼に移行後、適切な燃焼を行うことができる空燃比Ａ／Ｆの適正範囲は、２０～２２程度となる。圧縮着火燃焼中の適切な空燃比は、圧縮比や吸気温度等に依存するため、内燃機関ごとに異なる。内燃機関ごとの圧縮着火燃焼中の適切な空燃比は、予め試験により決定され、コントローラ１０の記憶部１２に記憶される。

図１７は、燃料のオクタン価と最適なスロットル開度との関係について説明するための図である。低温酸化反応の発熱量は、燃料噴射量が多いほど大きくなる（式(iii)）。このため、より早期、すなわち初爆後、より少ない回数の燃焼サイクルで火炎伝播燃焼から圧縮着火燃焼へと移行するためには、スロットル開度を開放側に調整し、より多くの混合気が燃焼室に供給されるようにしてもよい。ただし、オクタン価が低く、ノッキングが生じる可能性の高い燃料ほど、スロットル開度が制限される。

コントローラ１０の演算部１１は、今回の燃焼サイクルが内燃機関の始動後、２回目以降の燃焼サイクル（移行サイクル）であるか否かを判定する。そして、移行サイクルであると判定されると、混合気が徐々に希薄となるように目標空燃比を決定するとともに、火炎伝播燃焼を行うように点火プラグ４を含む内燃機関を制御する。コントローラ１０の演算部１１で決定された目標空燃比の情報は、燃料噴射制御装置５０に送信され、燃料噴射制御装置５０により目標空燃比に応じた燃料噴射制御が行われる。移行サイクルの目標空燃比は、前回の燃焼サイクルの目標空燃比、記憶部１２に記憶された燃料のオクタン価、ノッキング限界および火炎伝播限界を表す特性、および内燃機関ごとの圧縮着火燃焼中の適切な空燃比に基づいて、徐々に希薄となるように決定される。

図１８は、本発明の実施形態に係る内燃機関の制御方法による、始動直後の処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、コントローラ１０の演算部１１により、例えば内燃機関の燃焼サイクルごとに実行される。

図１８に示すように、先ずステップＳ１０で、今回の燃焼サイクルが内燃機関の始動直後の最初の燃焼サイクル（初爆時）であるか否かを判定する。ステップＳ１０で肯定されると、ステップＳ１１に進み、記憶部１２に記憶されたノッキング限界を表す特性と燃料のオクタン価とに基づいて目標空燃比を決定するとともに、火炎伝播燃焼を行うように点火プラグ４を含む内燃機関を制御する。一方、ステップＳ１０で否定されると、ステップＳ１２に進み、今回の燃焼サイクルが内燃機関の始動後、２回目以降の燃焼サイクル（移行サイクル）であるか否かを判定する。ステップＳ１２で肯定されると、ステップＳ１３に進み、混合気が徐々に希薄となるように目標空燃比を決定するとともに、火炎伝播燃焼を行うように点火プラグ４を含む内燃機関を制御する。一方、ステップＳ１２で否定されると、ステップＳ１４に進み、圧縮着火燃焼を行うように内燃機関を制御する。

本実施形態によれば、さらに以下のような作用効果を奏することができる。

（６）内燃機関の制御方法は、燃焼室に供給される空気と燃料との混合気を圧縮し、圧縮された混合気に含まれる燃料を自着火させる予混合圧縮着火燃焼を行うとともに、前回の燃焼サイクルにおける燃焼室からの排気を燃焼室に還流する内燃機関を制御する。内燃機関の制御方法は、コンピュータによりそれぞれ実行される、内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであるか否かを判定する判定ステップＳ１０，Ｓ１２と、判定ステップＳ１０，Ｓ１２で内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、燃焼室に供給される混合気を圧縮して点火プラグにより点火し、点火により生じた火炎を伝播させる予混合火炎伝播燃焼を行うように内燃機関を制御する制御ステップＳ１１，Ｓ１３と、を含む。

通常運転時は予混合圧縮着火燃焼を行い、排気還流により筒内温度を調整し、着火時期を調整する内燃機関において、始動直後は混合気に点火し、火炎伝播燃焼を行うことで、着火性の低い燃料でも初爆時の燃焼を適切に行うことができる。このとき、熱容量の大きいグロープラグではなく点火プラグを用いて火花により混合気に点火するため、過剰な熱量により過早着火に至ることがない。これにより、着火性が大きく異なる複数の燃料を単一の内燃機関で燃焼させることができる。

（７）内燃機関の制御方法は、コンピュータによりそれぞれ実行される、内燃機関の燃焼サイクルごとに、燃料噴射量の情報および発生トルクの情報を取得する情報取得ステップＳ１，Ｓ２と、予め定められた燃料噴射量と発生トルクと燃料のオクタン価との関係を示す特性マップ（図４）と、情報取得ステップＳ１，Ｓ２で取得された燃料噴射量の情報および発生トルクの情報と、に基づいて、燃料のオクタン価を推定する燃料推定ステップＳ３と、判定ステップＳ１０，Ｓ１２で内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、燃料推定ステップＳ３で内燃機関の停止前に推定された燃料のオクタン価に基づいて、混合気の目標空燃比（図１１）を決定する空燃比決定ステップＳ１１，Ｓ１３と、をさらに含む（図１８）。制御ステップＳ１１，Ｓ１３では、空燃比決定ステップＳ１１，Ｓ１３で決定された目標空燃比に基づいて内燃機関を制御する。

内燃機関の始動直後の数サイクル分の燃料は、内燃機関の停止前にすでに燃料タンクから燃料配管内に汲み上げられていた燃料でまかなわれる。このため、たとえ内燃機関の停止から始動までの間に給油が行われ、燃料タンク内の燃料のオクタン価が変化したとしても、始動直後の数サイクルで燃焼室に供給される燃料のオクタン価は、内燃機関の停止前に推定されたオクタン価と一致する（図１６）。よって、内燃機関の停止前に推定された燃料のオクタン価に基づいて、始動直後の混合気の目標空燃比を適切に決定することができる。

（８）空燃比決定ステップＳ１３では、判定ステップＳ１０，Ｓ１２で内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、内燃機関の燃焼サイクルごとに徐々に希薄となるように混合気の目標空燃比を決定する（図１２）。初爆後、２回目以降の燃焼サイクルでは、前回の燃焼サイクルで生じた高温の排気が還流されることで、燃焼サイクルが進むごとに圧縮開始温度が上昇し、ノッキングが生じる可能性が高まる。初爆後、２回目以降の燃焼サイクルでは、圧縮開始温度が安定して圧縮着火可能な温度域に達するまで徐々に空燃比を希薄にする過渡制御を行うことで、ノッキングを生じることなく、火炎伝播燃焼から圧縮着火燃焼へと適切に移行することができる。

（９）内燃機関の制御方法は、コンピュータによりそれぞれ実行される、判定ステップＳ１０で内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、燃料推定ステップＳ３で内燃機関の停止前に推定された燃料のオクタン価と、空燃比決定ステップＳ１１で決定された目標空燃比と、に基づいて、燃料推定ステップＳ３で内燃機関の停止前に推定された燃料のオクタン価が高いほど燃焼室への吸気量を調整するスロットル開度を大きい開度に決定する吸気量決定ステップＳ１１をさらに含む（図１８）。制御ステップＳ１１では、さらに、吸気量決定ステップＳ１１で決定されたスロットル開度に基づいて内燃機関を制御する。すなわち、オクタン価が高く、ノッキングが生じる可能性の低い燃料の場合には、スロットルを開放側にして吸気量を増加することで、排気温度および圧縮着火開始温度を高め、より早期に圧縮着火燃焼に移行することができる。

（１０）内燃機関の制御装置は、燃焼室に供給される空気と燃料との混合気を圧縮し、圧縮された混合気に含まれる燃料を自着火させる予混合圧縮着火燃焼を行うとともに、前回の燃焼サイクルにおける燃焼室からの排気を燃焼室に還流する内燃機関を制御する。内燃機関の制御装置は、演算部１１と記憶部１２とを有するコントローラ１０を備える（図６）。内燃機関は、点火プラグ４を有する（図６）。演算部１１は、内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであるか否かを判定し、内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、燃焼室に供給される混合気を圧縮して点火プラグ４により点火し、点火により生じた火炎を伝播させる予混合火炎伝播燃焼を行うように内燃機関を制御するように構成される。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。

２ 筒内圧センサ、３ 排気絞り弁、４ 点火プラグ、１０ コントローラ、１１ 演算部、１２ 記憶部、５０ 燃料噴射制御装置

Claims (5)

1. 燃焼室に供給される空気と燃料との混合気を圧縮し、圧縮された前記混合気に含まれる前記燃料を自着火させる予混合圧縮着火燃焼を行うとともに、前回の燃焼サイクルにおける前記燃焼室からの排気を前記燃焼室に還流する内燃機関の制御方法であって、
   コンピュータによりそれぞれ実行される、
   前記内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであるか否かを判定する判定ステップと、
   前記判定ステップで前記内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、前記燃焼室に供給される前記混合気を圧縮して点火プラグにより点火し、点火により生じた火炎を伝播させる予混合火炎伝播燃焼を行うように前記内燃機関を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とする内燃機関の制御方法。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御方法において、
   コンピュータによりそれぞれ実行される、
   前記内燃機関の燃焼サイクルごとに、燃料噴射量の情報および発生トルクの情報を取得する情報取得ステップと、
   予め定められた前記燃料噴射量と前記発生トルクと前記燃料のオクタン価との関係を示す特性マップと、前記情報取得ステップで取得された前記燃料噴射量の情報および前記発生トルクの情報と、に基づいて、前記燃料のオクタン価を推定する燃料推定ステップと、
   前記判定ステップで前記内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、前記燃料推定ステップで前記内燃機関の停止前に推定された前記燃料のオクタン価に基づいて、前記混合気の目標空燃比を決定する空燃比決定ステップと、をさらに含み、
   前記制御ステップでは、前記空燃比決定ステップで決定された目標空燃比に基づいて前記内燃機関を制御することを特徴とする内燃機関の制御方法。
3. 請求項１に記載の内燃機関の制御方法において、
   前記空燃比決定ステップでは、前記判定ステップで前記内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、前記内燃機関の燃焼サイクルごとに徐々に希薄となるように前記混合気の目標空燃比を決定することを特徴とする内燃機関の制御方法。
4. 請求項３に記載の内燃機関の制御方法において、
   コンピュータによりそれぞれ実行される、
   前記判定ステップで前記内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、前記燃料推定ステップで前記内燃機関の停止前に推定された前記燃料のオクタン価と、前記空燃比決定ステップで決定された目標空燃比と、に基づいて、前記燃料推定ステップで前記内燃機関の停止前に推定された前記燃料のオクタン価が高いほど前記燃焼室への吸気量を調整する吸気調整弁の開度を大きい開度に決定する吸気量決定ステップをさらに含み、
   前記制御ステップでは、さらに、前記吸気量決定ステップで決定された前記吸気調整弁の開度に基づいて前記内燃機関を制御することを特徴とする内燃機関の制御方法。
5. 燃焼室に供給される空気と燃料との混合気を圧縮し、圧縮された前記混合気に含まれる前記燃料を自着火させる予混合圧縮着火燃焼を行うとともに、前回の燃焼サイクルにおける前記燃焼室からの排気を前記燃焼室に還流する内燃機関の制御装置であって、
   演算部と記憶部とを有するコントローラを備え、
   前記内燃機関は、点火プラグを有し、
   前記演算部は、
   前記内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであるか否かを判定し、
   前記内燃機関の始動直後の燃焼サイクルであると判定されると、前記燃焼室に供給される前記混合気を圧縮して前記点火プラグにより点火し、点火により生じた火炎を伝播させる予混合火炎伝播燃焼を行うように前記内燃機関を制御するように構成されることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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