JP3882454B2 - 内燃機関 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガソリン等の燃料を運転条件に応じて火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とを切り替える内燃機関に係り、特に燃料蒸発ガスを捕捉するキャニスタからのパージ制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリン車の燃料蒸発ガス（炭化水素が主成分で通常エバポガスと呼ばれる）による大気汚染防止のために、キャニスタと呼ばれるエバポガス捕捉装置が燃料系統に設けられている。通常キャニスタには活性炭等の吸着材を備え、燃料タンクの内圧が上昇したとき、キャニスタを通じて蒸発ガス成分を吸着するとともに、膨張した空気を大気へ逃がしている。しかし、吸着剤が吸着する蒸発ガス量には限度があるので、運転状態に支障がない時に、外気を吸着剤に通じて吸気管に取り込み、吸着剤をリフレッシュする動作がキャニスタ・パージ、またはエバポ・パージと称して行われる。
【０００３】
このパージ動作時の流量を制御する手段としてオリフィスやパージコントロールバルブが設けられ、例えばパージコントロールバルブのＯＮ／ＯＦＦデューティ制御により流量制御を行っている。
【０００４】
一方、従来の予混合圧縮着火式機関としては、たとえば特開平７−３３２１４１号公報に開示された技術がある。
【０００５】
この従来技術では、吸気ポートに燃料を噴射するエンジンにおいて、圧縮比を高めることによって圧縮上死点付近のシリンダ内温度・圧力を高め、圧縮自己着火燃焼を実現したものである。これによって火花点火ガソリンエンジンを上回る希薄燃焼限界と低燃費を得ている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の圧縮着火式機関においては、単に圧縮比を高めることにより圧縮着火燃焼を実現しようとしたもので、理論空燃比近傍の混合気で火花点火を行う全負荷運転時では、ノッキング発生に伴う点火進角限界が遅角し、通常の圧縮比の火花点火ガソリンエンジンに比べ、大幅にトルクが低下するという問題点があった。
【０００７】
また、特開平１１−７２０３９号公報、特開平１１−７２０３８号公報に示されているように、圧縮行程中盤での少量の燃料噴射により圧縮上死点までに酸化を促進し、低負荷時の燃焼安定限界を拡大する方法が示されている。しかし、ガソリンのようなセタン価の低い燃料では、圧縮比を大幅に高めるか、吸気を加圧、加熱するような手段を講じない場合、燃料の改質・反応が十分に進まず、希薄燃焼限界が限られ、十分な燃費向上を図れないという問題点があった。
【０００８】
特に、機関低負荷時には空気過剰率大により、予反応が起こりづらくなり、機関高回転時には、予反応開始から圧縮上死点までの実時間が短縮されるため、十分な予反応が行われず、燃焼不安定となり易く、運転可能領域の制限により、十分な燃費向上を図れないことが考えられる。
【０００９】
以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、圧縮比を大幅に高めたり吸気加熱等の特別な手段を講じることなく圧縮自己着火燃焼を適用できる運転領域を拡大するとともに、高負荷時のノッキングを抑制することができる内燃機関を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、燃料タンクからの蒸発ガスであるエバポガスを捕捉するキャニスタと、該キャニスタと吸気通路の間にエバポガスのパージ量を調整可能なパージ流量調整バルブを有し、火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とを運転条件に応じて切り換える内燃機関において、圧縮自己着火燃焼時には、火花点火燃焼時に比較して相対的にエバポガスのパージ量を多くしたことを要旨とする。
【００１１】
一般にガソリン成分のうち９０℃以下の低沸点成分のオクタン価は、ガソリンの全成分のオクタン価に比べ、小さい値となることが知られている。燃料タンクからの蒸発ガスであるエバポガスは、低沸点成分が大部分で構成されるため、そのオクタン価がガソリン全体に比べ低く、着火性が良く、内燃機関において自己着火を引き起こし易い。従って圧縮自己着火燃焼時にキャニスタからエバポガスをパージし、これを燃焼室で燃焼させることにより、広範囲の運転条件で自己着火燃焼を安定的におこなうことができる。
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項２記載の発明は、請求項１記載の内燃機関において、火花点火燃焼時にはエバポガスのパージを停止することを要旨とする。
【００１３】
上記目的を達成するため、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の内燃機関において、前記パージ流量調整バルブによるパージ量が機関運転状態に応じて可変であることを要旨とする。
【００１４】
上記目的を達成するため、請求項４記載の発明は、請求項３記載の内燃機関において、前記パージ流量調整バルブによるパージ量が機関負荷によって可変であり、圧縮自己着火燃焼時に機関負荷が低いほど、パージ量を大とすることを要旨とする。
【００１５】
上記目的を達成するため、請求項５記載の発明は、請求項３記載の内燃機関において、前記パージ流量調整バルブによるパージ量が機関回転数によって可変であり、圧縮自己着火燃焼時に機関回転数が高いほど、パージ量を大とすることを要旨とする。
【００１６】
上記目的を達成するため、請求項６記載の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の内燃機関において、前記キャニスタと前記パージ流量調整バルブとの間に流量計およびＨＣ濃度計を備え、パージ量を検出することにより、前記エバポガスを含む筒内供給燃料量を調整制御することを要旨とする。
【００１７】
上記目的を達成するため、請求項７記載の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の内燃機関において、前記キャニスタからパージされるエバポガスを吸気通路に押し込むための圧送手段を有し、該圧送手段によりパージ量を調整制御することを要旨とする。
【００１８】
上記目的を達成するため、請求項８記載の発明は、請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の内燃機関において、機関の状態が冷間状態または暖機完了状態のいずれであるかを検出するセンサを有し、圧縮自己着火燃焼時に、前記センサからの情報に基づき機関が冷間状態にあると判断された場合に、エバポガスをパージすることを要旨とする。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、燃料タンクからの蒸発ガスであるエバポガスを捕捉するキャニスタと、該キャニスタと吸気通路の間にエバポガスのパージ量を調整可能なパージ流量調整バルブを有し、火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とを運転条件に応じて切り換える内燃機関において、圧縮自己着火燃焼時には、火花点火燃焼時に比較して相対的にエバポガスのパージ量を多くするようにしたため、圧縮比を大幅に高めることなく、または特別な改質手段を講じなくても、通常の圧縮によって、十分な予反応が起こり、自己着火を意図的に引き起こすことが可能になり、低燃費かつ低排気な燃焼が可能になる。
【００２０】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、火花点火燃焼時にはエバポガスのパージを停止するようにしたので、機関負荷が高く火花点火燃焼を行う場合ノッキングを抑制し、高い出力を得ることが可能になる。したがって、エバポガスのパージＯＮ／ＯＦＦによって、低燃費・低排気と高出力の両立が可能になる。
【００２１】
請求項３の発明によれば、請求項１または請求項２の発明の効果に加えて、前記パージ流量調整バルブによるパージ量が機関運転状態に応じて可変であるようにしたため、運転条件に応じてパージされるエバポガスを有効に利用することができる。
【００２２】
請求項４の発明によれば、請求項３の発明の効果に加えて、前記パージ流量調整バルブによるパージ量が機関負荷によって可変であり、圧縮自己着火燃焼時に機関負荷が低いほど、パージ量を大とすることとしたため、空気過剰率大により、予反応が起こりづらくなる機関低負荷時にも、予反応を生じやすくさせ、安定した圧縮自己着火燃焼を行うことで低燃費かつ低排気な燃焼が可能になる。
【００２３】
請求項５の発明によれば、請求項３の発明の効果に加えて、前記パージ流量調整バルブによるパージ量が機関回転数によって可変であり、圧縮自己着火燃焼時に機関回転数が高いほど、パージ量を大とすることとしたため、圧縮期間中の実時間が短縮され、十分な予反応が起こりづらい機関高回転時におていも安定した圧縮自己着火燃焼を行うことで低燃費かつ低排気な燃焼が可能になる。
【００２４】
請求項６の発明によれば、請求項１ないし請求項５の発明の効果に加えて、前記キャニスタと前記パージ流量調整バルブとの間に流量計およびＨＣ濃度計を備え、パージ量を検出することにより、前記エバポガスを含む筒内供給燃料量を調整制御するようにしたため、エバポガスのパージによる供給燃料を算出することで、筒内供給空燃比が変動することによる負荷変動を抑制し、かつ、必要なエバポパージ量に制御することにより、安定した圧縮自己着火燃焼を行うことが出来る。
【００２５】
請求項７の発明によれば、請求項１ないし請求項６の発明の効果に加えて、前記キャニスタからパージされるエバポガスを吸気通路に押し込むための圧送手段を有し、該圧送手段によりパージ量を調整制御するようにしたため、圧縮自己着火燃焼時に吸気通路内とエバポパージライン上の差圧が小さいときでも、任意の量を吸気通路に供給することが可能になり、かつ、必要なエバポパージ量に制御することにより、安定した圧縮自己着火燃焼を行うことが出来る。
【００２６】
請求項８の発明によれば、請求項１ないし請求項７の発明の効果に加えて、機関の状態が冷間状態または暖機完了状態のいずれであるかを検出するセンサを有し、圧縮自己着火燃焼時に、前記センサからの情報に基づき機関が冷間状態にあると判断された場合に、エバポガスをパージするようにしたため、筒内温度が低く、予反応が起こりづらい冷間運転状態において、速やかに圧縮自己着火燃焼を行うことが可能となるため、冷間時においても低燃費かつ低排気燃焼を達成することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る内燃機関の実施形態の全体を示すシステム構成図である。図１では、燃焼室内に直接燃料噴射を行う筒内直噴機関が図示してあるが、これは本発明を限定するものではなく、吸気系に燃料噴射する内燃機関にも本発明を適用することができる。
【００２８】
図１において、燃料タンクであるガソリンタンク１の上部は、チェックバルブ２を介してキャニスタ４に連通している。キャニスタ４には、圧送ポンプ３と、吸気コレクタ１０に通じるパージライン７が接続され、パージライン７上には、ＨＣ濃度計５、流量計６、パージ流量を制御するパージバルブ８が設けられている。
【００２９】
吸気コレクタ１０の吸気側にはスロットルバルブ９が設けられるとともに、吸気コレクタ１０は、吸気ポート１１及び図示しない吸気バルブを介して燃焼室２３に接続されている。燃焼室２３の略中央部には、火花点火時に放電する点火プラグ１２と、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１３が配設されている。
【００３０】
また燃焼室２３は、図示しない排気弁を介して排気ポート１４に接続され、排気ポート１４には、排気中の酸素濃度を検出する排気Ｏ2センサ１５が設けられている。
【００３１】
エンジン全体を制御するＥＣＵ２０には、ＨＣ濃度計５、流量計６、アクセル開度センサ１７、水温センサ１８、油温センサ１９、燃料噴射弁駆動部２１、及びクランク角センサ２２がそれぞれ接続され、エンジン各部の状態信号をＥＣＵ２０へ入力している。
【００３２】
また、ＥＣＵ２０は、圧送ポンプ３、パージバルブ８、スロットルバルブ９、点火プラグ１２、及び燃料噴射弁駆動ユニット２１へそれぞれ制御出力信号を出力するようになっている。
【００３３】
次に、本実施の形態の動作を説明する。
ＥＣＵ２０は、水温センサ１８及び油温センサ１９の信号によりエンジンの暖機状態を判定し、アクセル開度センサ１７及びクランク角センサ２２の信号により機関の運転条件を判定する。そして、例えば暖機中であれば火花点火燃焼を選択し、暖機後であれば、運転条件に応じて、点火プラグによる火花点火燃焼と、火花点火によらない圧縮自己着火燃焼を切り替える。
【００３４】
圧縮自己着火燃焼は、火花点火燃焼に比べ、空燃比が大きい（空気過剰率大）領域においても燃焼が可能であり、低燃費かつ低排気での運転が可能である。
【００３５】
一方、ガソリンは元来、ディーゼル機関における軽油と異なり、オクタン価が高くセタン価が低いために自己着火を引き起こしにくく、圧縮比を高めるか、吸気温度を高めるなど、圧縮行程後半における筒内状態を高温、高圧にしないかぎり圧縮自己着火を安定的に起こすことが困難である。
【００３６】
特に、負荷が低く、空気過剰率大の場合、仮に自己着火を部分的に発生させることが出来ても、相隣る燃料への熱の上昇、すなわち反応促進に寄与することが出来にくいため、筒内全体に亘る燃焼を引き起こすに至らずに部分的に失火が生じる可能性がある。
【００３７】
また、機関回転数が高い場合、燃焼の予反応が十分に引き起こされる前に圧縮上死点を通り越し、筒内圧力が下降しはじめるため、予反応から熱炎へと発展することができないため、安定した自己着火が行えないことになる。
【００３８】
ここで、ガソリンタンクから発生する蒸発ガスであるエバポガスのオクタン価について考察する。
【００３９】
図２は、ガソリン成分を沸点範囲別に分けてオクタン価を調べた結果を示す図である。図２によれば、沸点が９０℃以下の低沸点成分は、ガソリン体積の４０％を占め、このオクタン価はガソリントータルのオクタン価を１とした場合（以下、比オクタン価と呼ぶ）０．８５程度である。沸点が９０〜１４５℃の中沸点成分は、ガソリン体積の４５％を占め、この比オクタン価は１．１６程度である。沸点が１４５℃以上の高沸点成分は、ガソリン体積の１５％を占め、この比オクタン価は０．９０程度である。
【００４０】
ガソリン成分は、石油精製業者、販売地域、レギュラーかハイオクかで多少異なるが、ガソリントータルのオクタン価で正規化した図２の一般的傾向は不変であり、ガソリン成分中の低沸点成分は、ガソリンのトータルオクタン価に比べ、１〜２割程度低いオクタン価となっていると考えられる。
【００４１】
ガソリンタンクから発生するエバポガスは、そのときの温度における各沸点成分の蒸気圧にほぼ等しい成分割合からなるので、低沸点成分が大半を占めることになり、ある意味では分留された状態にある。そして、沸点の低い成分は、ガソリンのトータルオクタン価に比べ、１〜２割程度低いオクタン価となっているので、エバポガスは反応性の高い、即ちセタン価の高いガソリン成分で構成されているといえる。
【００４２】
そこで、本発明では、ガソリンタンク１と吸気通路である吸気コレクタ１０間をエバポガスを吸着するキャニスタ４およびパージバルブ８を介して連通し、運転条件に応じて、エバポパージを実行または停止するとともに、パージ量を制御するようにした。
【００４３】
すなわち圧縮着火燃焼時に、キャニスタ４に吸着されたオクタン価の低いエバポガスをパージすることにより、筒内に供給される燃料のトータルのオクタン価を平均より低下させることで、圧縮着火燃焼を安定的に引き起こす。特に、圧縮着火燃焼が不安定になり易い低負荷時および高回転時ほどパージ量を多くするようにパージバルブ８の開度を制御する。
【００４４】
逆に、火花点火燃焼時には、エバポパージを停止させ、低オクタン価のエバポガスを吸気系に吸入しないように制御し、ノッキングを抑制するようにしている。
【００４５】
図３は、本実施形態における負荷−回転数マップ上の運転状態とパージ量の関係を示す図である。図３に示すように、中回転までの部分負荷領域を圧縮自己着火運転領域とし、この領域でエバポパージを行うようにしている。そして、パージ量は、機関負荷の低下または機関回転数の増加に伴って増加させるように、図１のパージバルブ８の開度を増加させるようにＥＣＵ２０が制御している。
【００４６】
図４は、本実施形態における制御の流れを説明するフローチャートである。 まず、ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ１７に基づくエンジン負荷、クランク角センサ２２に基づくエンジン回転数をそれぞれ読み込み、火花点火燃焼か圧縮自己着火燃焼のどちらを行うかをＥＣＵ２０内の運転領域マップを元に判断する（ステップ１０、以下ステップをＳと略す）。
【００４７】
火花点火燃焼が選択された場合（Ｓ１２）、圧縮着火燃焼時のパージ量以下となるようにパージバルブ８の開度を調整、またはパージバルブ８は閉とし、エバポパージは行わない（Ｓ１４）。圧縮着火燃焼が選択された場合（Ｓ１６）、前記エンジン負荷、エンジン回転数および水温センサ１８、油温センサ１９により検出されたエンジン油水温に基づき、エバポパージを行うかどうかを判定するとともに、エバポパージ量と要求空燃比を算出する（Ｓ１８）。
【００４８】
エバポパージを行うと判断した場合、目標空燃比を算出し（Ｓ２０）、パージバルブ８を微少に開け（Ｓ２２）、キャニスタ４から吸気通路間のパージライン７のガス流量を流量計６で検出して読み込み（Ｓ２４）、同ＨＣ濃度をＨＣ濃度計５で検出して読み込み、ＨＣ濃度、ガス流量からエバポガスによる燃料供給量を検出し、目標空燃比に対する必要パージバルブ開度、および燃料噴射弁による噴射量を算出する（Ｓ２６）。ここで、燃料噴射弁による噴射量は、目標空燃比に必要な燃料量からエバポガスによる燃料供給量を減じた残りの燃料量として算出される。
【００４９】
次いで、ＨＣ濃度が０か否かを判定し（Ｓ２８）、ＨＣ濃度が０であれば、キャニスタ４の吸着量を使い果たしてパージが完了したのでパージバルブ８を閉じて（Ｓ３２）、速やかに燃料噴射弁１３からの燃料を増量するか、火花点火燃焼に切り替えるようにして、処理を終了する。
【００５０】
ＨＣ濃度が０でなければ、排気通路に設けたＯ2センサ１４により、排気中の酸素濃度、即ち目標空燃比に対するずれを調べ（Ｓ３０）、目標空燃比になっていなければＳ２２へ戻り常に目標空燃比となるよう制御し、目標空燃比になっていれば、処理を終了する。
【００５１】
Ｓ１８でエバポパージしないと判断したとき、パージバルブ８を閉じて、燃料噴射弁１３からのみ燃料供給するとして処理を終了する（Ｓ４０）。
【００５２】
ここで、圧縮自己着火燃焼を引き起こし、かつポンピングロスを低減するために、スロットルバルブ９は全開となっている場合、キャニスタ４から効果的にエバポガスをパージするために、キャニスタ４から吸気コレクタ１０などの吸気通路に至るパージライン７を吸気側に加圧する圧送ポンプ３などの圧送手段を設けることが有効と考えられる。
【００５３】
また、キャニスタのサイズを大きくすれば、吸着できるエバポガスを増やすことが可能だが、車両レイアウト上の制約等でむやみに大きくすることは必ずしも出来ない。そこで、エンジン始動時等のエンジン油水温が低い場合のように、筒内温度が低く、圧縮着火を起こしづらい場合のみエバポガスを筒内に供給するために、エンジンの状態が冷間状態または暖機状態の何れであるかを検出するセンサ、例えば水温センサ又は油温センサを有し、圧縮自己着火燃焼時に、前記センサからの情報に基づきエンジンが冷間状態にあると判断された場合に、エバポガスをパージすれば、キャニスタサイズを大きくすることなく、効果的にエバポガスを有効利用することができる。
【００５４】
以上説明した本実施形態では、筒内直噴エンジンについて説明したが、吸気ポート噴射エンジンでも本発明は同様な効果を持つことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の実施形態の全体を示すシステム構成図である。
【図２】ガソリンの沸点成分毎の比オクタン価を示すグラフである。
【図３】本発明の運転領域マップ上の燃焼形態とエバポパージ量を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態の制御フローである。
【符号の説明】
１ ガソリンタンク
２ チェックバルブ
３ 圧送ポンプ
４ キャニスタ
５ ＨＣ濃度計
６ 流量計
７ パージライン
８ パージバルブ
９ スロットルバルブ
１０ 吸気コレクタ
１１ 吸気ポート
１２ 点火プラグ
１３ 燃料噴射弁
１４ 排気ポート
１５ 排気Ｏ2センサ
１６ ピストン
１７ アクセル開度センサ
１８ 水温センサ
１９ 油温センサ
２０ ＥＣＵ
２１ 燃料噴射弁駆動ユニット
２２ クランク角センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガソリン等の燃料を運転条件に応じて火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とを切り替える内燃機関に係り、特に燃料蒸発ガスを捕捉するキャニスタからのパージ制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリン車の燃料蒸発ガス（炭化水素が主成分で通常エバポガスと呼ばれる）による大気汚染防止のために、キャニスタと呼ばれるエバポガス捕捉装置が燃料系統に設けられている。通常キャニスタには活性炭等の吸着材を備え、燃料タンクの内圧が上昇したとき、キャニスタを通じて蒸発ガス成分を吸着するとともに、膨張した空気を大気へ逃がしている。しかし、吸着剤が吸着する蒸発ガス量には限度があるので、運転状態に支障がない時に、外気を吸着剤に通じて吸気管に取り込み、吸着剤をリフレッシュする動作がキャニスタ・パージ、またはエバポ・パージと称して行われる。
【０００３】
このパージ動作時の流量を制御する手段としてオリフィスやパージコントロールバルブが設けられ、例えばパージコントロールバルブのＯＮ／ＯＦＦデューティ制御により流量制御を行っている。
【０００４】
一方、従来の予混合圧縮着火式機関としては、たとえば特開平７−３３２１４１号公報に開示された技術がある。
【０００５】
この従来技術では、吸気ポートに燃料を噴射するエンジンにおいて、圧縮比を高めることによって圧縮上死点付近のシリンダ内温度・圧力を高め、圧縮自己着火燃焼を実現したものである。これによって火花点火ガソリンエンジンを上回る希薄燃焼限界と低燃費を得ている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の圧縮着火式機関においては、単に圧縮比を高めることにより圧縮着火燃焼を実現しようとしたもので、理論空燃比近傍の混合気で火花点火を行う全負荷運転時では、ノッキング発生に伴う点火進角限界が遅角し、通常の圧縮比の火花点火ガソリンエンジンに比べ、大幅にトルクが低下するという問題点があった。
【０００７】
また、特開平１１−７２０３９号公報、特開平１１−７２０３８号公報に示されているように、圧縮行程中盤での少量の燃料噴射により圧縮上死点までに酸化を促進し、低負荷時の燃焼安定限界を拡大する方法が示されている。しかし、ガソリンのようなセタン価の低い燃料では、圧縮比を大幅に高めるか、吸気を加圧、加熱するような手段を講じない場合、燃料の改質・反応が十分に進まず、希薄燃焼限界が限られ、十分な燃費向上を図れないという問題点があった。
【０００８】
特に、機関低負荷時には空気過剰率大により、予反応が起こりづらくなり、機関高回転時には、予反応開始から圧縮上死点までの実時間が短縮されるため、十分な予反応が行われず、燃焼不安定となり易く、運転可能領域の制限により、十分な燃費向上を図れないことが考えられる。
【０００９】
以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、圧縮比を大幅に高めたり吸気加熱等の特別な手段を講じることなく圧縮自己着火燃焼を適用できる運転領域を拡大するとともに、高負荷時のノッキングを抑制することができる内燃機関を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、燃料タンクからの蒸発ガスであるエバポガスを捕捉するキャニスタと、該キャニスタと吸気通路の間にエバポガスのパージ量を調整可能なパージ流量調整バルブを有し、火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とを運転条件に応じて切り換える内燃機関において、圧縮自己着火燃焼時には、火花点火燃焼時に比較して相対的にエバポガスのパージ量を多くしたことを要旨とする。
【００１１】
一般にガソリン成分のうち９０℃以下の低沸点成分のオクタン価は、ガソリンの全成分のオクタン価に比べ、小さい値となることが知られている。燃料タンクからの蒸発ガスであるエバポガスは、低沸点成分が大部分で構成されるため、そのオクタン価がガソリン全体に比べ低く、着火性が良く、内燃機関において自己着火を引き起こし易い。従って圧縮自己着火燃焼時にキャニスタからエバポガスをパージし、これを燃焼室で燃焼させることにより、広範囲の運転条件で自己着火燃焼を安定的におこなうことができる。
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項２記載の発明は、請求項１記載の内燃機関において、火花点火燃焼時にはエバポガスのパージを停止することを要旨とする。
【００１３】
上記目的を達成するため、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の内燃機関において、前記パージ流量調整バルブによるパージ量が機関運転状態に応じて可変であることを要旨とする。
【００１４】
上記目的を達成するため、請求項４記載の発明は、請求項３記載の内燃機関において、前記パージ流量調整バルブによるパージ量が機関負荷によって可変であり、圧縮自己着火燃焼時に機関負荷が低いほど、パージ量を大とすることを要旨とする。
【００１５】
上記目的を達成するため、請求項５記載の発明は、請求項３記載の内燃機関において、前記パージ流量調整バルブによるパージ量が機関回転数によって可変であり、圧縮自己着火燃焼時に機関回転数が高いほど、パージ量を大とすることを要旨とする。
【００１６】
上記目的を達成するため、請求項６記載の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の内燃機関において、前記キャニスタと前記パージ流量調整バルブとの間に流量計およびＨＣ濃度計を備え、パージ量を検出することにより、前記エバポガスを含む筒内供給燃料量を調整制御することを要旨とする。
【００１７】
上記目的を達成するため、請求項７記載の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の内燃機関において、前記キャニスタからパージされるエバポガスを吸気通路に押し込むための圧送手段を有し、該圧送手段によりパージ量を調整制御することを要旨とする。
【００１８】
上記目的を達成するため、請求項８記載の発明は、請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の内燃機関において、機関の状態が冷間状態または暖機完了状態のいずれであるかを検出するセンサを有し、圧縮自己着火燃焼時に、前記センサからの情報に基づき機関が冷間状態にあると判断された場合に、エバポガスをパージすることを要旨とする。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、燃料タンクからの蒸発ガスであるエバポガスを捕捉するキャニスタと、該キャニスタと吸気通路の間にエバポガスのパージ量を調整可能なパージ流量調整バルブを有し、火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とを運転条件に応じて切り換える内燃機関において、圧縮自己着火燃焼時には、火花点火燃焼時に比較して相対的にエバポガスのパージ量を多くするようにしたため、圧縮比を大幅に高めることなく、または特別な改質手段を講じなくても、通常の圧縮によって、十分な予反応が起こり、自己着火を意図的に引き起こすことが可能になり、低燃費かつ低排気な燃焼が可能になる。
【００２０】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、火花点火燃焼時にはエバポガスのパージを停止するようにしたので、機関負荷が高く火花点火燃焼を行う場合ノッキングを抑制し、高い出力を得ることが可能になる。したがって、エバポガスのパージＯＮ／ＯＦＦによって、低燃費・低排気と高出力の両立が可能になる。
【００２１】
請求項３の発明によれば、請求項１または請求項２の発明の効果に加えて、前記パージ流量調整バルブによるパージ量が機関運転状態に応じて可変であるようにしたため、運転条件に応じてパージされるエバポガスを有効に利用することができる。
【００２２】
請求項４の発明によれば、請求項３の発明の効果に加えて、前記パージ流量調整バルブによるパージ量が機関負荷によって可変であり、圧縮自己着火燃焼時に機関負荷が低いほど、パージ量を大とすることとしたため、空気過剰率大により、予反応が起こりづらくなる機関低負荷時にも、予反応を生じやすくさせ、安定した圧縮自己着火燃焼を行うことで低燃費かつ低排気な燃焼が可能になる。
【００２３】
請求項５の発明によれば、請求項３の発明の効果に加えて、前記パージ流量調整バルブによるパージ量が機関回転数によって可変であり、圧縮自己着火燃焼時に機関回転数が高いほど、パージ量を大とすることとしたため、圧縮期間中の実時間が短縮され、十分な予反応が起こりづらい機関高回転時におていも安定した圧縮自己着火燃焼を行うことで低燃費かつ低排気な燃焼が可能になる。
【００２４】
請求項６の発明によれば、請求項１ないし請求項５の発明の効果に加えて、前記キャニスタと前記パージ流量調整バルブとの間に流量計およびＨＣ濃度計を備え、パージ量を検出することにより、前記エバポガスを含む筒内供給燃料量を調整制御するようにしたため、エバポガスのパージによる供給燃料を算出することで、筒内供給空燃比が変動することによる負荷変動を抑制し、かつ、必要なエバポパージ量に制御することにより、安定した圧縮自己着火燃焼を行うことが出来る。
【００２５】
請求項７の発明によれば、請求項１ないし請求項６の発明の効果に加えて、前記キャニスタからパージされるエバポガスを吸気通路に押し込むための圧送手段を有し、該圧送手段によりパージ量を調整制御するようにしたため、圧縮自己着火燃焼時に吸気通路内とエバポパージライン上の差圧が小さいときでも、任意の量を吸気通路に供給することが可能になり、かつ、必要なエバポパージ量に制御することにより、安定した圧縮自己着火燃焼を行うことが出来る。
【００２６】
請求項８の発明によれば、請求項１ないし請求項７の発明の効果に加えて、機関の状態が冷間状態または暖機完了状態のいずれであるかを検出するセンサを有し、圧縮自己着火燃焼時に、前記センサからの情報に基づき機関が冷間状態にあると判断された場合に、エバポガスをパージするようにしたため、筒内温度が低く、予反応が起こりづらい冷間運転状態において、速やかに圧縮自己着火燃焼を行うことが可能となるため、冷間時においても低燃費かつ低排気燃焼を達成することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る内燃機関の実施形態の全体を示すシステム構成図である。図１では、燃焼室内に直接燃料噴射を行う筒内直噴機関が図示してあるが、これは本発明を限定するものではなく、吸気系に燃料噴射する内燃機関にも本発明を適用することができる。
【００２８】
図１において、燃料タンクであるガソリンタンク１の上部は、チェックバルブ２を介してキャニスタ４に連通している。キャニスタ４には、圧送ポンプ３と、吸気コレクタ１０に通じるパージライン７が接続され、パージライン７上には、ＨＣ濃度計５、流量計６、パージ流量を制御するパージバルブ８が設けられている。
【００２９】
吸気コレクタ１０の吸気側にはスロットルバルブ９が設けられるとともに、吸気コレクタ１０は、吸気ポート１１及び図示しない吸気バルブを介して燃焼室２３に接続されている。燃焼室２３の略中央部には、火花点火時に放電する点火プラグ１２と、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１３が配設されている。
【００３０】
また燃焼室２３は、図示しない排気弁を介して排気ポート１４に接続され、排気ポート１４には、排気中の酸素濃度を検出する排気Ｏ2センサ１５が設けられている。
【００３１】
エンジン全体を制御するＥＣＵ２０には、ＨＣ濃度計５、流量計６、アクセル開度センサ１７、水温センサ１８、油温センサ１９、燃料噴射弁駆動部２１、及びクランク角センサ２２がそれぞれ接続され、エンジン各部の状態信号をＥＣＵ２０へ入力している。
【００３２】
また、ＥＣＵ２０は、圧送ポンプ３、パージバルブ８、スロットルバルブ９、点火プラグ１２、及び燃料噴射弁駆動ユニット２１へそれぞれ制御出力信号を出力するようになっている。
【００３３】
次に、本実施の形態の動作を説明する。
ＥＣＵ２０は、水温センサ１８及び油温センサ１９の信号によりエンジンの暖機状態を判定し、アクセル開度センサ１７及びクランク角センサ２２の信号により機関の運転条件を判定する。そして、例えば暖機中であれば火花点火燃焼を選択し、暖機後であれば、運転条件に応じて、点火プラグによる火花点火燃焼と、火花点火によらない圧縮自己着火燃焼を切り替える。
【００３４】
圧縮自己着火燃焼は、火花点火燃焼に比べ、空燃比が大きい（空気過剰率大）領域においても燃焼が可能であり、低燃費かつ低排気での運転が可能である。
【００３５】
一方、ガソリンは元来、ディーゼル機関における軽油と異なり、オクタン価が高くセタン価が低いために自己着火を引き起こしにくく、圧縮比を高めるか、吸気温度を高めるなど、圧縮行程後半における筒内状態を高温、高圧にしないかぎり圧縮自己着火を安定的に起こすことが困難である。
【００３６】
特に、負荷が低く、空気過剰率大の場合、仮に自己着火を部分的に発生させることが出来ても、相隣る燃料への熱の上昇、すなわち反応促進に寄与することが出来にくいため、筒内全体に亘る燃焼を引き起こすに至らずに部分的に失火が生じる可能性がある。
【００３７】
また、機関回転数が高い場合、燃焼の予反応が十分に引き起こされる前に圧縮上死点を通り越し、筒内圧力が下降しはじめるため、予反応から熱炎へと発展することができないため、安定した自己着火が行えないことになる。
【００３８】
ここで、ガソリンタンクから発生する蒸発ガスであるエバポガスのオクタン価について考察する。
【００３９】
図２は、ガソリン成分を沸点範囲別に分けてオクタン価を調べた結果を示す図である。図２によれば、沸点が９０℃以下の低沸点成分は、ガソリン体積の４０％を占め、このオクタン価はガソリントータルのオクタン価を１とした場合（以下、比オクタン価と呼ぶ）０．８５程度である。沸点が９０〜１４５℃の中沸点成分は、ガソリン体積の４５％を占め、この比オクタン価は１．１６程度である。沸点が１４５℃以上の高沸点成分は、ガソリン体積の１５％を占め、この比オクタン価は０．９０程度である。
【００４０】
ガソリン成分は、石油精製業者、販売地域、レギュラーかハイオクかで多少異なるが、ガソリントータルのオクタン価で正規化した図２の一般的傾向は不変であり、ガソリン成分中の低沸点成分は、ガソリンのトータルオクタン価に比べ、１〜２割程度低いオクタン価となっていると考えられる。
【００４１】
ガソリンタンクから発生するエバポガスは、そのときの温度における各沸点成分の蒸気圧にほぼ等しい成分割合からなるので、低沸点成分が大半を占めることになり、ある意味では分留された状態にある。そして、沸点の低い成分は、ガソリンのトータルオクタン価に比べ、１〜２割程度低いオクタン価となっているので、エバポガスは反応性の高い、即ちセタン価の高いガソリン成分で構成されているといえる。
【００４２】
そこで、本発明では、ガソリンタンク１と吸気通路である吸気コレクタ１０間をエバポガスを吸着するキャニスタ４およびパージバルブ８を介して連通し、運転条件に応じて、エバポパージを実行または停止するとともに、パージ量を制御するようにした。
【００４３】
すなわち圧縮着火燃焼時に、キャニスタ４に吸着されたオクタン価の低いエバポガスをパージすることにより、筒内に供給される燃料のトータルのオクタン価を平均より低下させることで、圧縮着火燃焼を安定的に引き起こす。特に、圧縮着火燃焼が不安定になり易い低負荷時および高回転時ほどパージ量を多くするようにパージバルブ８の開度を制御する。
【００４４】
逆に、火花点火燃焼時には、エバポパージを停止させ、低オクタン価のエバポガスを吸気系に吸入しないように制御し、ノッキングを抑制するようにしている。
【００４５】
図３は、本実施形態における負荷−回転数マップ上の運転状態とパージ量の関係を示す図である。図３に示すように、中回転までの部分負荷領域を圧縮自己着火運転領域とし、この領域でエバポパージを行うようにしている。そして、パージ量は、機関負荷の低下または機関回転数の増加に伴って増加させるように、図１のパージバルブ８の開度を増加させるようにＥＣＵ２０が制御している。
【００４６】
図４は、本実施形態における制御の流れを説明するフローチャートである。 まず、ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ１７に基づくエンジン負荷、クランク角センサ２２に基づくエンジン回転数をそれぞれ読み込み、火花点火燃焼か圧縮自己着火燃焼のどちらを行うかをＥＣＵ２０内の運転領域マップを元に判断する（ステップ１０、以下ステップをＳと略す）。
【００４７】
火花点火燃焼が選択された場合（Ｓ１２）、圧縮着火燃焼時のパージ量以下となるようにパージバルブ８の開度を調整、またはパージバルブ８は閉とし、エバポパージは行わない（Ｓ１４）。圧縮着火燃焼が選択された場合（Ｓ１６）、前記エンジン負荷、エンジン回転数および水温センサ１８、油温センサ１９により検出されたエンジン油水温に基づき、エバポパージを行うかどうかを判定するとともに、エバポパージ量と要求空燃比を算出する（Ｓ１８）。
【００４８】
エバポパージを行うと判断した場合、目標空燃比を算出し（Ｓ２０）、パージバルブ８を微少に開け（Ｓ２２）、キャニスタ４から吸気通路間のパージライン７のガス流量を流量計６で検出して読み込み（Ｓ２４）、同ＨＣ濃度をＨＣ濃度計５で検出して読み込み、ＨＣ濃度、ガス流量からエバポガスによる燃料供給量を検出し、目標空燃比に対する必要パージバルブ開度、および燃料噴射弁による噴射量を算出する（Ｓ２６）。ここで、燃料噴射弁による噴射量は、目標空燃比に必要な燃料量からエバポガスによる燃料供給量を減じた残りの燃料量として算出される。
【００４９】
次いで、ＨＣ濃度が０か否かを判定し（Ｓ２８）、ＨＣ濃度が０であれば、キャニスタ４の吸着量を使い果たしてパージが完了したのでパージバルブ８を閉じて（Ｓ３２）、速やかに燃料噴射弁１３からの燃料を増量するか、火花点火燃焼に切り替えるようにして、処理を終了する。
【００５０】
ＨＣ濃度が０でなければ、排気通路に設けたＯ2センサ１４により、排気中の酸素濃度、即ち目標空燃比に対するずれを調べ（Ｓ３０）、目標空燃比になっていなければＳ２２へ戻り常に目標空燃比となるよう制御し、目標空燃比になっていれば、処理を終了する。
【００５１】
Ｓ１８でエバポパージしないと判断したとき、パージバルブ８を閉じて、燃料噴射弁１３からのみ燃料供給するとして処理を終了する（Ｓ４０）。
【００５２】
ここで、圧縮自己着火燃焼を引き起こし、かつポンピングロスを低減するために、スロットルバルブ９は全開となっている場合、キャニスタ４から効果的にエバポガスをパージするために、キャニスタ４から吸気コレクタ１０などの吸気通路に至るパージライン７を吸気側に加圧する圧送ポンプ３などの圧送手段を設けることが有効と考えられる。
【００５３】
また、キャニスタのサイズを大きくすれば、吸着できるエバポガスを増やすことが可能だが、車両レイアウト上の制約等でむやみに大きくすることは必ずしも出来ない。そこで、エンジン始動時等のエンジン油水温が低い場合のように、筒内温度が低く、圧縮着火を起こしづらい場合のみエバポガスを筒内に供給するために、エンジンの状態が冷間状態または暖機状態の何れであるかを検出するセンサ、例えば水温センサ又は油温センサを有し、圧縮自己着火燃焼時に、前記センサからの情報に基づきエンジンが冷間状態にあると判断された場合に、エバポガスをパージすれば、キャニスタサイズを大きくすることなく、効果的にエバポガスを有効利用することができる。
【００５４】
以上説明した本実施形態では、筒内直噴エンジンについて説明したが、吸気ポート噴射エンジンでも本発明は同様な効果を持つことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の実施形態の全体を示すシステム構成図である。
【図２】ガソリンの沸点成分毎の比オクタン価を示すグラフである。
【図３】本発明の運転領域マップ上の燃焼形態とエバポパージ量を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態の制御フローである。
【符号の説明】
１ ガソリンタンク
２ チェックバルブ
３ 圧送ポンプ
４ キャニスタ
５ ＨＣ濃度計
６ 流量計
７ パージライン
８ パージバルブ
９ スロットルバルブ
１０ 吸気コレクタ
１１ 吸気ポート
１２ 点火プラグ
１３ 燃料噴射弁
１４ 排気ポート
１５ 排気Ｏ2センサ
１６ ピストン
１７ アクセル開度センサ
１８ 水温センサ
１９ 油温センサ
２０ ＥＣＵ
２１ 燃料噴射弁駆動ユニット
２２ クランク角センサ
Claims (8)
- 燃料タンクからの蒸発ガスであるエバポガスを捕捉するキャニスタと、該キャニスタと吸気通路の間にエバポガスのパージ量を調整可能なパージ流量調整バルブを有し、火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とを運転条件に応じて切り換える内燃機関において、
圧縮自己着火燃焼時には、火花点火燃焼時に比較して相対的にエバポガスのパージ量を多くしたことを特徴とする内燃機関。 - 火花点火燃焼時にはエバポガスのパージを停止することを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
- 前記パージ流量調整バルブによるパージ量が機関運転状態に応じて可変であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の内燃機関。
- 前記パージ流量調整バルブによるパージ量が機関負荷によって可変であり、圧縮自己着火燃焼時に機関負荷が低いほど、パージ量を大とすることを特徴とする請求項３記載の内燃機関。
- 前記パージ流量調整バルブによるパージ量が機関回転数によって可変であり、圧縮自己着火燃焼時に機関回転数が高いほど、パージ量を大とすることを特徴とする請求項３記載の内燃機関。
- 前記キャニスタと前記パージ流量調整バルブとの間に流量計およびＨＣ濃度計を備え、パージ量を検出することにより、前記エバポガスを含む筒内供給燃料量を調整制御することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の内燃機関。
- 前記キャニスタからパージされるエバポガスを吸気通路に押し込むための圧送手段を有し、該圧送手段によりパージ量を調整制御することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の内燃機関。
- 機関の状態が冷間状態または暖機完了状態のいずれであるかを検出するセンサを有し、圧縮自己着火燃焼時に、前記センサからの情報に基づき機関が冷間状態にあると判断された場合に、エバポガスをパージすることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の内燃機関。
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