JP3997722B2

JP3997722B2 - 自己着火式多気筒エンジン

Info

Publication number: JP3997722B2
Application number: JP2001115201A
Authority: JP
Inventors: 輝行伊東; 保憲岩切; 章彦角方
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-04-13
Filing date: 2001-04-13
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2021-04-13
Also published as: JP2002309939A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自己着火式多気筒エンジンに関し、詳しくは、自己着火促進剤の供給制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、オゾンなどの自己着火促進剤を吸気に添加することで、自己着火燃焼を促進させる構成の自己着火式エンジンとしては、特開２０００−１７９３６９号公報に開示されるようなものがあった。前記特開２０００−１７９３６９号公報に開示される自己着火式エンジンは、燃料ガスと吸入空気を予め混合させた予混合気を、高圧縮比のピストンで自己着火させて運転するエンジンであって、吸気通路に配置した自己着火促進剤添加手段からの自己着火促進剤の供給量を燃焼状態に応じて調節する構成である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記特開２０００−１７９３６９号公報に開示される自己着火式エンジンでは、各気筒に共通の自己着火促進剤添加手段が吸気通路に配置され、該自己着火促進剤添加手段によって全気筒に一括して自己着火促進剤を供給する構成である。
【０００４】
しかし、多気筒エンジンにおいては、気筒間に燃焼状態のばらつきがあり、ある気筒で自己着火促進剤の供給が要求される燃焼状態であっても、他の気筒では自己着火促進剤の供給が不要な場合があり、このような状態で全気筒に一括して自己着火促進剤が供給されると、自己着火促進剤が不要な気筒でノッキングのような急激な圧力上昇を引き起こしてしまう可能性があった。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、各気筒に共通のものとして１つだけ設けられる自己着火促進剤添加手段により、各気筒に対してオゾンなどの自己着火促進剤を分離供給できる自己着火式多気筒エンジンを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そのため、請求項１記載の発明では、各気筒に共通の自己着火促進剤添加手段を吸気通路に備えてなる自己着火式多気筒エンジンにおいて、自己着火促進剤を要求される１気筒のみに吸引させるように、前記自己着火促進剤添加手段を、全気筒を燃焼順に見て不連続かつ不等時間間隔で稼動させると共に、前記自己着火促進剤添加手段の稼動時期を、前記自己着火促進剤添加手段から各気筒までの距離とエンジン回転速度とに応じて決定する構成とした。かかる構成によると、吸気通路に配置される自己着火促進剤添加手段から各気筒（具体的には各気筒の吸気バルブ）までの空間的距離、及び、自己着火促進剤を輸送する吸気の流速に相関するエンジン回転速度から、自己着火促進剤添加手段から各気筒までの自己着火促進剤の到達時間が分かるので、この各気筒毎の到達時間に基づいて自己着火促進剤添加手段の稼動時期を決定し、自己着火促進剤を要求される１気筒のみに吸引させるようにすることで、自己着火促進剤を添加する手段を、全気筒を燃焼順に見て不連続かつ不等時間間隔に稼動させる。
【０００７】
請求項２記載の発明では、各気筒に共通の自己着火促進剤添加手段を吸気通路に備えてなる自己着火式多気筒エンジンにおいて、自己着火促進剤を要求される１気筒のみに吸引させるように、前記自己着火促進剤添加手段を、全気筒を燃焼順に見て不連続かつ不等時間間隔で稼動させると共に、前記自己着火促進剤添加手段の稼動において、特定時間以上の稼動間隔時間となるように、前記自己着火促進剤添加手段における単位時間当たりの自己着火促進剤の添加量を増大変化させて１回毎の稼動時間を短縮させる構成とした。かかる構成によると、自己着火促進剤を要求される１気筒のみに吸引させるように、前記自己着火促進剤添加手段を、全気筒を燃焼順に見て不連続かつ不等時間間隔で稼動させるが、エンジン回転速度の増大などによって、稼動時間間隔が狭くなる場合には、単位時間当たりの添加量を増大させることで、１回の稼動時間を長くすることなく、必要な自己着火促進剤を添加させることができるようにして、最低限の稼動時間間隔を確保する。
【０００８】
請求項３記載の発明では、自己着火促進剤添加手段の１回毎の稼動時間を、各気筒の自己着火燃焼状態に応じて決定する構成とした。かかる構成によると、各気筒の自己着火燃焼状態（換言すれば、自己着火促進剤の要求度合い）から、自己着火促進剤添加手段を不連続に稼動させるときの１回毎の稼動時間、即ち、自己着火促進剤の供給量を決定する。
【０００９】
請求項４記載の発明では、各気筒の自己着火燃焼状態を、各気筒毎の燃焼室圧力の測定結果に基づいて判定する構成とした。かかる構成によると、各気筒毎に燃焼室圧力を測定し、該測定結果から自己着火燃焼状態を判定し、以って、添加手段の１回毎の稼動時間を決定する。請求項５記載の発明では、吸気バルブの最大リフト時期を含む特定開期間を進角・遅角変化させる可変バルブタイミング機構を備え、この可変バルブタイミング機構による前記特定開期間の進角・遅角変化に応じて自己着火促進剤添加手段の稼動時期を進角・遅角変化させる構成とした。
【００１０】
かかる構成によると、自己着火促進剤の吸入が効果的に作用する吸気バルブの最大リフト時期を含む特定開期間が進角又は遅角変化すると、これに合わせて自己着火促進剤添加手段の稼動時期を進角・遅角変化させる。
【００１１】
請求項６記載の発明では、自己着火促進剤添加手段が、自己着火促進剤としてのオゾンを添加する手段である構成とした。
【００１２】
かかる構成によると、自己着火促進剤添加手段を不連続かつ不等時間間隔で稼動させ、１回毎にオゾンを生成させて吸気に添加する。請求項７記載の発明では、自己着火促進剤添加手段が、電気的に自己着火促進剤を生成して吸気に添加する構成であって、自己着火促進剤添加手段における消費電力を、車両における発電量及び／又は蓄電力に応じて制限する構成とした。
【００１３】
かかる構成によると、車両の持つ電力に応じて、自己着火促進剤添加手段の消費電力を制限する。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によると、自己着火促進剤添加手段から各気筒までの空間的な距離と、自己着火促進剤の輸送速度に相関するエンジン回転速度から推定される到達時間に基づいて、自己着火促進剤を各気筒に対して確実に分離供給することができるという効果がある。請求項２記載の発明によると、稼動時間間隔が短くなる高回転域においても、自己着火促進剤を各気筒に分離して供給させることが可能になるという効果がある。
【００１５】
請求項３記載の発明によると、気筒間の燃焼状態の違いに応じて、各気筒毎に異なる量の自己着火促進剤を供給させることができるという効果がある。
請求項４記載の発明によると、気筒毎の燃焼状態を燃焼室圧力から精度良く判定でき、以って、各気筒それぞれの自己着火促進剤の要求量を高精度に判断できるという効果がある。
【００１６】
請求項５記載の発明によると、吸気バルブの開閉特性が変化しても、自己着火促進剤を効果的に吸気させることができる吸気バルブの最大リフト時期に自己着火促進剤を到達させることができるという効果がある。
【００１７】
請求項６記載の発明によると、自己着火促進剤としてのオゾンを、各気筒に対して分離供給することができるという効果がある。請求項７記載の発明によると、自己着火促進剤の生成によって車両のもつ電力が必要以上に消費されることが回避され、以って、車両の自走を維持することができるという効果がある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は実施形態における車両用の自己着火式多気筒エンジンを示す。
図１に示すエンジン１は直列４気筒エンジンであり、シリンダ列方向に長い吸気コレクタ２が、シリンダ列に対して略平行に配置される。
【００１９】
各気筒＃１〜＃４の吸気ポートと前記吸気コレクタ２とは、気筒毎に吸気ブランチ３ａ〜３ｄによって連結される。
尚、前記吸気ブランチ３ａ〜３ｄは等長であるものとする。
前記吸気コレクタ２のシリンダ列方向の一方端は、吸気管４を介してスロットルチャンバ５に連結されており、スロットルチャンバ５で流量調整される吸気が、前記吸気コレクタ２に流入した後、吸気ブランチ３ａ〜３ｄによって各気筒に分配されるようになっている。
【００２０】
前記吸気コレクタ２とスロットルチャンバ５とを連結する吸気管４には、自己着火促進剤生成装置６（自己着火促進剤添加手段）が配置される。前記自己着火促進剤生成装置６は、自己着火促進剤としてのオゾンを電気的に生成して吸気に添加する装置である。また、エンジン１の吸気バルブ（図示省略）の開閉タイミングを進角・遅角変化させる可変バルブタイミング機構７が設けられている。
【００２１】
前記可変バルブタイミング機構７は、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を変化させることで、吸気バルブの開閉タイミングを作動角一定のまま進角・遅角変化させる機構であり、吸気バルブの最大リフト時期ＩＶＦＬも前記開閉タイミングの変化に伴って変化する（図２参照）。
但し、可変バルブタイミング機構７を上記構成の機構に限定するものではない。
【００２２】
制御ユニット１０は、マイクロコンピュータを含んで構成され、各種センサからの検出信号に基づく演算処理によって、前記自己着火促進剤生成装置６及び可変バルブタイミング機構７を制御する。
前記各種センサとしては、エンジン１の吸入空気量を検出するエアフローメータ１１、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ１２、エンジン１の冷却水温度を検出する水温センサ１３、各気筒それぞれに設けられ各気筒の燃焼室圧力を検出する筒内圧センサ１４ａ〜１４ｄなどが設けられている。
【００２３】
尚、前記クランク角センサ１２からの検出信号に基づいて、エンジン回転速度が算出される。
前記制御ユニット１０は、エンジン１の負荷・回転速度及び冷却水温度などに基づいて、自己着火燃焼と図示省略した点火プラグによる火花点火燃焼とのいずれかの燃焼形態を選択し、該選択した燃焼形態に従ってエンジン１の運転を制御すると共に、自己着火燃焼を行わせる運転条件において、前記自己着火促進剤生成装置６を稼動制御して、吸気にオゾン（自己着火促進剤）を添加する。
【００２４】
ここで、前記自己着火促進剤生成装置６の稼動制御の詳細を、図３のフローチャートに従って説明する。
まず、ステップＳ１では、エンジン１の負荷・回転速度及び冷却水温度、更に、吸気バルブの開閉タイミングなどの運転条件を読み込む。
ステップＳ２では、前記読み込んだ負荷・回転速度及び冷却水温度などから、現在の運転条件が自己着火燃焼を行わせる条件であるか否かを判別する。
【００２５】
そして、自己着火燃焼を行わせる条件であるときには、ステップＳ３へ進み、各気筒に設けられる筒内圧センサ１４ａ〜１４ｄの検出信号に基づき、気筒別に燃焼状態の判別を行う。
前記燃焼状態の判別は、筒内圧センサ１４ａ〜１４ｄで検出される燃焼室圧力の上昇速度や最大値、更には、特定クランク角位置における燃焼室圧力、特定クランク角期間における燃焼室圧力の積分値などに基づいて行われる。
【００２６】
尚、燃焼状態の判別は、燃焼室圧力の他、例えばエンジン回転速度に基づいて行わせることが可能であるが、筒内圧センサ１４ａ〜１４ｄで検出される燃焼室圧力を用いる構成が高精度に燃焼状態を判別でき、好ましい。
そして、ステップＳ４では自己着火不良の気筒が存在するか否かを判別し、自己着火不良の気筒が存在する場合には、ステップＳ５へ進む。
【００２７】
ステップＳ５では、自己着火促進剤の稼動条件が成立しているか否かを判別する。
前記稼動条件として、車両の発電電力及び／又は蓄電力に対して、前記自己着火促進剤生成装置６の消費電力が特定割合以上になると想定される場合に、前記自己着火促進剤生成装置６を稼動できない条件であると判断し、前記自己着火促進剤生成装置６が車両のもつ電力を必要以上に消費して、車両の自走が不能になることを回避する。
【００２８】
尚、車両の発電電力及び／又は蓄電力に対して、前記自己着火促進剤生成装置６の消費電力が特定割合以上になると想定される場合に、稼動を完全に停止させる代わりに、前記自己着火促進剤生成装置６の消費電力が前記特定割合以上にならないように、自己着火促進剤生成装置６の稼動時間や稼動電圧を少なくして稼動させるようにしても良い。
【００２９】
また、特定気筒においては自己着火燃焼が円滑に行われており、自己着火促進剤の供給が必要ない場合にも、前記自己着火促進剤生成装置６を稼動しない条件として判断させても良い。
ステップＳ５で、前記自己着火促進剤生成装置６を稼動させる条件が成立していると判断されると、ステップＳ６へ進み、自己着火促進剤生成装置６を不連続かつ不等時間間隔で稼動させるタイミングを決定する。
【００３０】
そして、ステップＳ７では、前記決定したタイミングで自己着火促進剤生成装置６を不連続かつ不等時間間隔で稼動させる。
本実施形態では、前記自己着火促進剤生成装置６を不連続に稼動させることで、１回の稼動で生成されたオゾン（自己着火促進剤）を、対応させる１気筒のみに吸引させるようにして、各気筒にオゾン（自己着火促進剤）を分離供給する。
【００３１】
ここで、各気筒に共通の自己着火促進剤生成装置６から各気筒の吸気バルブまでの距離は同じではなく、前記自己着火促進剤生成装置６から最も近い＃１気筒のブランチ３ａの入口までにオゾンが到達するまでの時間をｔ１、隣接するブランチ３ａ〜３ｄの入口間におけるオゾンの到達時間をｔ２、ブランチ３ａ〜３ｄの入口から吸気バルブまでにオゾンが到達する時間をｔ３とする。
【００３２】
前記自己着火促進剤生成装置６から各気筒の吸気バルブまでオゾンが到達するのに要する時間Ｔ＃１〜Ｔ＃４（オゾンの搬送時間）は、上記ｔ１，ｔ２，ｔ３を用いて以下のように示される。
Ｔ＃１＝ｔ１＋ｔ３
Ｔ＃２＝ｔ１＋ｔ２＋ｔ３
Ｔ＃３＝ｔ１＋２×ｔ２＋ｔ３
Ｔ＃４＝ｔ１＋３×ｔ２＋ｔ３
また、オゾンを吸気バルブに到達させる時期としては、吸気バルブの最大リフト時期ＩＶＦＬ（最大リフト時期ＩＶＦＬを含む特定開期間）とすることが最も好ましく、最大リフト時期ＩＶＦＬと前記オゾンの到達時間Ｔ＃１〜Ｔ＃４とから、各気筒にオゾンを供給するための自己着火促進剤生成装置６の稼動タイミングが決定されることになる（図４参照）。
【００３３】
即ち、各気筒において吸気バルブの最大リフト時期ＩＶＦＬにオゾンを到達させるためには、＃１気筒では、＃１気筒の吸気バルブの最大リフト時期ＩＶＦＬから時間Ｔ＃１（Ｔ＃１＝ｔ１＋ｔ３）だけ前に、＃２気筒では、＃２気筒の吸気バルブの最大リフト時期ＩＶＦＬから時間Ｔ＃２（Ｔ＃２＝ｔ１＋ｔ２＋ｔ３）だけ前に、＃３気筒では、＃３気筒の吸気バルブの最大リフト時期ＩＶＦＬから時間Ｔ＃３（Ｔ＃３＝ｔ１＋２×ｔ２＋ｔ３）だけ前に、＃４気筒では、＃４気筒の吸気バルブの最大リフト時期ＩＶＦＬから時間Ｔ＃４（Ｔ＃４＝ｔ１＋３×ｔ２＋ｔ３）だけ前に、前記自己着火促進剤生成装置６を稼動させれば良いことになる。
【００３４】
本実施形態における各気筒の燃焼順は、＃１気筒→＃３気筒→＃４気筒→＃２気筒であるから、上記各気筒に対応する稼動タイミングは、図５に示すようになり、到達時間Ｔ＃１〜Ｔ＃４の違いによる不等時間間隔で、前記自己着火促進剤生成装置６を不連続に稼動させることで、各気筒に対してオゾンを分離供給できることになり、気筒別に自己着火促進剤の供給量を制御できるようになる。
【００３５】
ここで、例えば各気筒の排気上死点ＴＤＣを基準位置として前記自己着火促進剤生成装置６の稼動タイミングを制御する場合、各気筒の排気上死点ＴＤＣから吸気バルブの最大リフト時期ＩＶＦＬまでの時間をｔ４とすると、例えば＃１気筒では、排気上死点ＴＤＣから時間ｔ１＋ｔ３−ｔ４だけ前の時点で自己着火促進剤生成装置６を稼動させれば良いことになる。
【００３６】
但し、１回毎の自己着火促進剤生成装置６の稼動時間が必要であり、稼動時間をｔ５とすると、＃１気筒では、排気上死点ＴＤＣから時間ｔ１＋ｔ３−ｔ４＋ｔ５／２だけ前の時点から時間ｔ５だけ自己着火促進剤生成装置６を稼動させれば、最大リフト時期ＩＶＦＬを中心として、＃１気筒の吸気バルブにオゾンが到達することになる。
【００３７】
前記時間ｔ１〜ｔ４は、吸気流速に相関するエンジン回転速度に応じて変化するので、予めエンジン回転速度毎に前記ｔ１〜ｔ４を記憶させておく。
また、本実施形態のように、可変バルブタイミング機構７によって吸気バルブの開閉タイミング（最大リフト時期ＩＶＦＬ）が変更される構成では、時間ｔ４は、吸気バルブの最大リフト時期ＩＶＦＬの変更によっても変化するので、ｔ４については、吸気バルブの開閉特性とエンジン回転速度とに対応させて記憶させておく。
【００３８】
尚、可変バルブタイミング機構７が、図６に示すように、最大リフト時期ＩＶＦＬを変化させずに、リフト量だけを変化させる機構である場合には、時間ｔ４は、エンジン回転速度のみによって変化することになる。
そして、そのときの時間ｔ１〜ｔ４をエンジン回転速度等に基づいて特定すると、これら時間ｔ１〜ｔ４及び稼動時間ｔ５に基づいて、排気上死点ＴＤＣからどれだけの時間Ｔ遡って自己着火促進剤生成装置６を稼動させるかを演算する。
【００３９】
次いで、該時間Ｔをそのときのエンジン回転速度に基づいてクランク角度θに換算し、排気上死点ＴＤＣから前記クランク角度θだけ前のクランク角位置を、自己着火促進剤生成装置６の稼動タイミングとする。
尚、１回毎の稼動時間である前記時間ｔ５（オゾンの生成量）を、各気筒における自己着火燃焼状態、換言すれば、自己着火促進剤の要求量に応じて異ならせても良い。
【００４０】
前記時間ｔ５の各気筒別の設定には、特定気筒でオゾンの供給が不要であると判断されるときには、その気筒に対応する稼動を停止させることが含まれ、この場合には、不連続な稼動が間引かれることになる。
また、本実施形態の場合、＃１気筒に対応する稼動タイミングと＃３気筒に対応する稼動タイミングとの時間間隔Ｔ１３が最も短くなり、エンジン回転速度が高いときに、＃１気筒に対応する稼動に連続して＃３気筒に対応する稼動が開始され、＃１気筒と＃３気筒とにオゾンを分離供給できなくなってしまう可能性がある。
【００４１】
そこで、前記時間間隔Ｔ１３が１回の稼動時間ｔ５未満になる場合には、稼動時間ｔ５を短くして、＃１気筒に対応する稼動の終了後に特定時間以上の間隔を空けて次の＃３気筒に対応する稼動が開始されるようにすると共に、稼動時間ｔ５の短縮によるオゾン生成量の減少は、電圧の増大による単位時間当たりのオゾン生成量の増大によって補うようにする。
【００４２】
上記構成とすれば、たとえ高回転域であっても、気筒別に自己着火促進剤を分離供給でき、以って、自己着火促進剤の気筒別の供給量に過不足が発生することを防止でき、ノッキングなどを生じさせることなく、安定した自己着燃焼を行わせることができる。
尚、吸気バルブの最大リフト時期ＩＶＦＬは殆ど変わらないが、例えば、所定以上のリフト量となる吸気バルブの開期間を進角・遅角変化させるような可変バルブタイミング機構を備える場合には、前記開期間の進角・遅角変化に応じて、前記自己着火促進剤生成装置６の稼動タイミングを進角・遅角変化させると良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】エンジンのシステム構成図。
【図２】吸気バルブの開閉特性の変化を示す図。
【図３】自己着火促進剤生成装置の稼動制御を示すフローチャート。
【図４】自己着火促進剤生成装置の稼動タイミングと吸気バルブの開時期との相関を示す図。
【図５】各気筒毎の自己着火促進剤生成装置の稼動タイミングを示すタイムチャート。
【図６】最大リフト時期を変化させずにリフト量だけを変化させる場合の吸気バルブの開特性図。
【符号の説明】
１…エンジン
２…吸気コレクタ
３ａ〜３ｄ…ブランチ
４…吸気管
５…スロットルチャンバ
６…自己着火促進剤生成装置
７…可変バルブタイミング機構
１０…制御ユニット
１１…エアフローメータ
１２…クランク角センサ
１３…水温センサ
１４ａ〜１４ｄ…筒内圧センサ

Claims

各気筒に共通の自己着火促進剤添加手段を吸気通路に備えてなる自己着火式多気筒エンジンにおいて、
自己着火促進剤を要求される１気筒のみに吸引させるように、前記自己着火促進剤添加手段を、全気筒を燃焼順に見て不連続かつ不等時間間隔で稼動させると共に、前記自己着火促進剤添加手段の稼動時期を、前記自己着火促進剤添加手段から各気筒までの距離とエンジン回転速度とに応じて決定することを特徴とする自己着火式多気筒エンジン。
各気筒に共通の自己着火促進剤添加手段を吸気通路に備えてなる自己着火式多気筒エンジンにおいて、
自己着火促進剤を要求される１気筒のみに吸引させるように、前記自己着火促進剤添加手段を、全気筒を燃焼順に見て不連続かつ不等時間間隔で稼動させると共に、前記自己着火促進剤添加手段の稼動において、特定時間以上の稼動間隔時間となるように、前記自己着火促進剤添加手段における単位時間当たりの自己着火促進剤の添加量を増大変化させて１回毎の稼動時間を短縮させることを特徴とする自己着火式多気筒エンジン。
前記自己着火促進剤添加手段の１回毎の稼動時間を、各気筒の自己着火燃焼状態に応じて決定することを特徴とする１又は２記載の自己着火式多気筒エンジン。
各気筒の自己着火燃焼状態を、各気筒毎の燃焼室圧力の測定結果に基づいて判定することを特徴とする請求項３記載の自己着火式多気筒エンジン。
吸気バルブの最大リフト時期を含む特定開期間を進角・遅角変化させる可変バルブタイミング機構を備え、該可変バルブタイミング機構による前記特定開期間の進角・遅角変化に応じて前記自己着火促進剤添加手段の稼動時期を進角・遅角変化させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の自己着火式多気筒エンジン。
前記自己着火促進剤添加手段が、自己着火促進剤としてのオゾンを添加する手段であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の自己着火式多気筒エンジン。
前記自己着火促進剤添加手段が、電気的に自己着火促進剤を生成して吸気に添加する構成であって、該自己着火促進剤添加手段における消費電力を、車両における発電量及び／又は蓄電力に応じて制限することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の自己着火式多気筒エンジン。