JP4297288B2 - Control method of ignition timing of premixed compression ignition engine - Google Patents
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Description
本発明は予混合圧縮着火式内燃機関に係り、特に、圧縮着火時期を最適に制御することのできる予混合圧縮着火エンジンの着火時期制御方法に関する。 The present invention relates to a premixed compression ignition type internal combustion engine, and more particularly to an ignition timing control method for a premixed compression ignition engine capable of optimally controlling the compression ignition timing.
近年、均一予混合気を圧縮して自己着火させる燃焼方式を採用した予混合圧縮着火式内燃機関が提案されている。この機関は、従来のガソリンエンジンおよびディーゼル機関でなしえない超希薄領域（空燃比８０以上）の機関運転が可能であり、火炎温度低下および均一混合気による着火燃焼を実現することから、ＮＯｘおよび煤の大幅な同時低減を可能とする機関である。 In recent years, a premixed compression ignition type internal combustion engine that employs a combustion system in which a uniform premixed gas is compressed and self-ignited has been proposed. This engine is capable of engine operation in an extremely lean region (air-fuel ratio of 80 or more) that cannot be achieved by conventional gasoline engines and diesel engines, and realizes ignition combustion by lowering the flame temperature and homogeneous mixture. It is an engine that enables drastic reduction of drought.
一般に予混合気が圧縮されてある温度に到達すると、燃料である炭化水素の脱水素反応を創始反応とする低温酸化反応と称する反応が開始される。この低温酸化反応が進行すると、青炎と呼ばれる素反応を経由し自己着火に至る。この自己着火現象は、混合気中の多点で同時に起こるため、燃焼室内を全体でみた燃焼期間は、従来のガソリン機関における火花点火（一点点火）による燃焼期間、もしくはディーゼル機関における噴霧燃焼の燃焼期間よりもはるかに短い。このことが、火炎温度とその継続時間に依存するＮＯｘ生成を抑制する結果となり、圧縮着火式内燃機関において低ＮＯｘを実現する要因となっている。 In general, when the premixed gas is compressed and reaches a certain temperature, a reaction called a low-temperature oxidation reaction that starts with a dehydrogenation reaction of a hydrocarbon as a fuel is started. As this low-temperature oxidation reaction proceeds, self-ignition occurs through an elementary reaction called blue flame. Since this self-ignition phenomenon occurs simultaneously at multiple points in the air-fuel mixture, the combustion period as a whole in the combustion chamber is the combustion period by spark ignition (single point ignition) in a conventional gasoline engine, or spray combustion in a diesel engine. Much shorter than the burning period. This results in suppressing NOx generation depending on the flame temperature and its duration, and is a factor for realizing low NOx in the compression ignition type internal combustion engine.
従来の火花点火機関の点火プラグの点火によって生じる火炎伝播による燃焼期間は、エンジン回転数の上昇に伴い短くなる傾向がある。これは、エンジンの回転の上昇に伴い燃焼室内に生成される空気流の乱れ強度が強くなり、その結果、火炎面の面積（反応面積）が増加するからである。従って、火花点火機関では、熱発生をしている時間をクランク角度で見た熱発生クランク角は、エンジン回転数によらずほぼ一定に保つことができる。 The combustion period due to flame propagation caused by ignition of a spark plug of a conventional spark ignition engine tends to be shortened as the engine speed increases. This is because the turbulence intensity of the air flow generated in the combustion chamber increases as the engine speed increases, and as a result, the flame surface area (reaction area) increases. Therefore, in the spark ignition engine, the heat generation crank angle obtained by viewing the heat generation time in terms of the crank angle can be kept substantially constant regardless of the engine speed.
これに対し予混合圧縮着火機関においては、自己着火現象が混合気中の多点で同時に起こるため、燃焼期間が火花点火機関に比べ非常に短く、かつエンジン回転数の高低によらずほぼ一定であることが知られている。これは、予混合圧縮着火では、圧縮着火によって燃料が燃焼するもので、燃焼室の全域でほぼ同時に燃焼し、火炎面が存在しないためガス流動の影響を受け難いためである。したがって、予混合圧縮着火機関では、熱発生クランク角がエンジン回転数によって変わることになる。すなわち、エンジンが低回転の場合には、燃焼クランク角が長く、高回転では短くなる。 In contrast, in a premixed compression ignition engine, self-ignition phenomena occur simultaneously at multiple points in the air-fuel mixture, so the combustion period is very short compared to a spark ignition engine and is almost constant regardless of the engine speed. It is known that there is. This is because in premixed compression ignition, fuel is combusted by compression ignition and burns almost simultaneously in the entire combustion chamber, and since there is no flame surface, it is difficult to be affected by gas flow. Therefore, in the premixed compression ignition engine, the heat generation crank angle varies depending on the engine speed. That is, the combustion crank angle is long when the engine is low, and short when the engine is high.
ガソリンエンジンに代表されるオットーサイクルによるレシプロ機関は、熱発生が最大となるクランク角が圧縮上死点付近にあると最も熱効率が高くなる。予混合圧縮着火機関の場合、自己着火現象が混合気中の多点で同時に起こり、燃焼期間がエンジン回転数の高低によらずほぼ一定であることから、エンジン回転数によって熱発生クランク角が変わることになり、エンジン回転数によって熱発生が最大となるクランク角が圧縮上死点付近からずれることになる。このため、予混合圧縮着火機関では、最も熱効率が高くなるように、エンジン回転数毎に圧縮上死点付近に熱発生の最大値が来るように、着火時期を精度良く制御する必要がある。 A reciprocating engine with an Otto cycle represented by a gasoline engine has the highest thermal efficiency when the crank angle at which heat generation is maximum is near the compression top dead center. In the case of a premixed compression ignition engine, self-ignition phenomena occur simultaneously at multiple points in the mixture, and the combustion period is almost constant regardless of the engine speed, so the heat generation crank angle varies depending on the engine speed. In other words, the crank angle at which heat generation is maximum depending on the engine speed deviates from the vicinity of the compression top dead center. For this reason, in the premixed compression ignition engine, it is necessary to accurately control the ignition timing so that the maximum value of heat generation comes near the compression top dead center for each engine speed so that the thermal efficiency becomes the highest.
しかし、予混合圧縮着火機関の場合は、予混合圧縮着火領域では、点火プラグを用いずに、ピストンによって燃焼室内の混合気を圧縮したときに生じる圧縮熱によって自ら着火する自着火現象を利用するため、着火時期を精度良く制御するのは、火花点火機関のように点火プラグへの電力供給を制御して点火時期を制御するものに比較して困難なものとなっている。 However, in the case of a premixed compression ignition engine, in the premixed compression ignition region, a self-ignition phenomenon is used in which ignition is performed by compression heat generated when an air-fuel mixture in a combustion chamber is compressed by a piston without using a spark plug. For this reason, it is difficult to control the ignition timing with high accuracy as compared with a spark ignition engine that controls the ignition timing by controlling the power supply to the spark plug.
このような問題を解決するため、従来、特開２０００−２２０４８２号公報においては、予混合気に混合して気化するときに予混合気の潜熱を奪うことによって圧縮自着火のタイミングを制御することができることから、予混合気の潜熱を奪う液体の混合量の調節を行って予混合気に混合し、圧縮自着火のタイミングを制御する方法が提案されている。 In order to solve such a problem, conventionally, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-220482, the compression ignition timing is controlled by depriving the latent heat of the premixed gas when it is mixed with the premixed gas and vaporized. Therefore, a method has been proposed in which the mixing amount of the liquid that takes away the latent heat of the premixed gas is adjusted to be mixed with the premixed gas and the timing of compression auto-ignition is controlled.
また、特開２０００−２６５８６７号公報においては、エンジン動作サイクルにおける圧縮自着火のタイミングを検出可能、且つ予混合気と比熱比が異なり燃焼室内で反応しないコントロールガスを燃焼室内に供給可能な構造とし、検出された着火タイミングに基づいて、燃焼室内に供給されるコントロールガスの供給量を制御して、圧縮着火のタイミングを制御する方法が提案されている。 Japanese Patent Laid-Open No. 2000-265867 has a structure capable of detecting the timing of compression auto-ignition in the engine operation cycle and supplying a control gas that has a specific heat ratio different from that of the premixed gas and does not react in the combustion chamber. A method of controlling the timing of compression ignition by controlling the supply amount of control gas supplied into the combustion chamber based on the detected ignition timing has been proposed.
また、特開２０００−２２７０２７号公報においては、エンジン動作サイクルにおける圧縮自着火のタイミングを検出可能とし、且つ吸気ポート上流部に吸気温度を制御する手段を設け、検出された着火タイミングに基づいて、燃焼室内に供給される吸気温度を制御することで、圧縮着火のタイミングを制御する方法が提案されている
また、特開平１０−２３８３７４号公報においては、燃焼室内に着火時期に合わせて着火を開始させる着火燃料インジェクタと、燃焼室の容積を可変して圧縮比を可変する圧縮比可変機構と、内燃機関の負荷状態に応じて予混合燃料量及び圧縮比を可変する制御手段を備え、負荷状態に基づく予混合燃料量に応じて圧縮比を可変しつつ、着火時期に合わせて着火燃料を供給して着火を開始する方法が提案されている。
しかしながら、このようなそれぞれの従来例には、次のような問題がある。 However, each of these conventional examples has the following problems.
特開２０００−２２０４８２号公報にあっては、混合気に蒸発潜熱を奪う液体を混合して圧縮自着火のタイミングを制御するものであるため、従来のエンジンに加え、液体を注入するためのポンプや、その液体を蓄えるタンク、また液体注入量を制御するための制御弁などを設ける必要があり、コストの上昇や、これら機器の取付スペースの確保、定期的な液体の供給が煩雑となるという問題がある。 In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-220482, a liquid for injecting liquid in addition to a conventional engine is provided because the mixture is mixed with a liquid that takes away latent heat of vaporization to control the timing of compression auto-ignition. In addition, it is necessary to provide a tank for storing the liquid and a control valve for controlling the liquid injection amount, which increases costs, secures a mounting space for these devices, and regularly supplies the liquid. There's a problem.
また、特開２０００−２６５８６７号公報にあっては、混合気にコントロールガスを混合して圧縮自着火のタイミングを制御するものであるため、従来のエンジンに加え、コントロールガスを注入するためのポンプや、そのガスを蓄えるタンク、またコントロールガス量を制御するための制御弁などを設ける必要があり、コストの上昇や、これら機器の取付スペースの確保、定期的なコントロールガスの供給が煩雑となるという問題がある。 In JP 2000-265867 A, a control gas is mixed with an air-fuel mixture to control the timing of compression self-ignition, and therefore, a pump for injecting a control gas in addition to a conventional engine. In addition, it is necessary to provide a tank for storing the gas and a control valve for controlling the amount of control gas, which increases the cost, secures the installation space for these devices, and supplies the control gas regularly. There is a problem.
また、特開２０００−２２７０２７号公報にあっては、燃焼室内に供給される吸気温度を制御して圧縮着火のタイミングを制御するものであるため、従来のエンジンに加え、吸気温度を制御する手段を設ける必要があり、コストの上昇や、これら機器の取付スペースの確保が問題となる。また、吸気ポートに吸気を加熱または冷却する手段を設けるため、吸気温度の応答遅れによって自着火タイミングを高精度に制御するのが困難になるという問題がある。 Japanese Patent Laid-Open No. 2000-227027 controls the timing of compression ignition by controlling the temperature of the intake air supplied into the combustion chamber, and therefore means for controlling the intake air temperature in addition to the conventional engine. Therefore, there is a problem in increasing the cost and securing the mounting space for these devices. Further, since a means for heating or cooling the intake air is provided in the intake port, there is a problem that it is difficult to control the self-ignition timing with high accuracy due to a response delay of the intake air temperature.
さらに、特開平１０−２３８３７４号公報にあっては、負荷状態に基づく予混合燃料量に応じて圧縮比を可変しつつ、着火時期に合わせて着火燃料を供給して圧縮着火のタイミングを制御するものであるため、燃焼室の圧縮比を可変にする構造が複雑となり、信頼性の低下を来たし、コストが上昇するという問題がある。 Further, in Japanese Patent Laid-Open No. 10-238374, the compression ratio is varied according to the amount of premixed fuel based on the load state, and the ignition fuel is supplied in accordance with the ignition timing to control the timing of the compression ignition. Therefore, there is a problem that the structure for changing the compression ratio of the combustion chamber is complicated, the reliability is lowered, and the cost is increased.
本発明の目的は、予混合圧縮着火エンジンにおいて、装置を複雑にすることなく、低コストで、エンジンの運転条件に合わせて圧縮着火時期を最適に制御することのできる予混合圧縮着火エンジンの着火時期制御方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a premixed compression ignition engine that is capable of optimally controlling the compression ignition timing according to the engine operating conditions at low cost without complicating the apparatus. It is to provide a timing control method.
本発明の特徴は、ピストン圧縮によって予混合気を自己着火させる予混合圧縮着火式内燃機関において、圧縮着火運転領域で、エンジン回転数が低回転から高回転に変化するに伴い、噴霧燃料の燃焼室内壁面への衝突量を連続的又は段階的に増加するようにしたものである。 A feature of the present invention is that in a premixed compression ignition type internal combustion engine in which premixed gas is self-ignited by piston compression, combustion of sprayed fuel occurs as the engine speed changes from low to high in the compression ignition operation region. The amount of collision with the indoor wall surface is increased continuously or stepwise.
本発明の他の特徴は、ピストン圧縮によって予混合気を自己着火させる予混合圧縮着火式内燃機関において、燃焼室内に空気を供給する吸気ポート内に燃料を噴射する燃料インジェクタを備え、圧縮着火運転領域で、エンジン回転数が低回転から高回転に変化するに伴い、前記燃料インジェクタから前記吸気ポート内に噴射する噴霧燃料の噴射時期を吸気行程噴射から排気行程噴射へ連続的又は段階的に進角させるようにしたものである。 Another feature of the present invention is a premixed compression ignition type internal combustion engine that self-ignites premixed gas by piston compression, and includes a fuel injector that injects fuel into an intake port that supplies air into the combustion chamber, and compression ignition operation In this region, as the engine speed changes from low to high, the injection timing of the sprayed fuel injected from the fuel injector into the intake port advances continuously or stepwise from intake stroke injection to exhaust stroke injection. It is made to horn.
本発明のさらに他の特徴は、ピストン圧縮によって予混合気を自己着火させる予混合圧縮着火式内燃機関において、燃焼室内の圧力を検出する圧力センサと、クランク軸の回転角度を検出するクランク角センサとを設け、圧縮着火運転領域で、前記圧力センサによって検出された燃焼室内の圧力の最大値が圧縮上死点後１０〜１５°の範囲になるように着火時期を制御するようにしたものである。 Still another feature of the present invention is that in a premixed compression ignition internal combustion engine that self-ignites premixed gas by piston compression, a pressure sensor that detects the pressure in the combustion chamber, and a crank angle sensor that detects the rotation angle of the crankshaft In the compression ignition operation region, the ignition timing is controlled so that the maximum value of the pressure in the combustion chamber detected by the pressure sensor is in the range of 10 to 15 ° after the compression top dead center. is there.
本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの着火時期制御方法によれば、燃料の気化潜熱を利用した混合気温度制御によって、圧縮着火式内燃機関における圧縮着火運転時の着火時期をエンジンの運転条件に合わせて最適に制御することができる。 According to the ignition timing control method for a premixed compression ignition engine according to the present invention, the ignition timing at the time of the compression ignition operation in the compression ignition type internal combustion engine is made the engine operating condition by the mixture temperature control using the vaporization latent heat of the fuel. It can be optimally controlled.
また、本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの着火時期制御方法によれば、筒内圧力の最大値となるクランク角度が、熱効率が最も高くなるようにフィードバック制御により着火時期を設定することによって、外気温や、冷却水温の変化などの外乱が入っても、常に熱効率の高い燃焼を行うことができる。 Further, according to the ignition timing control method of the premixed compression ignition engine according to the present invention, by setting the ignition timing by feedback control so that the crank angle that is the maximum value of the in-cylinder pressure has the highest thermal efficiency, Even with disturbances such as changes in the outside air temperature and cooling water temperature, combustion with high thermal efficiency can always be performed.
さらに、本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの着火時期制御方法によれば、極めてＮＯｘ排出の少なく、熱効率の高い圧縮着火式内燃機関を低コストで実現することができる。 Furthermore, according to the ignition timing control method for a premixed compression ignition engine according to the present invention, a compression ignition type internal combustion engine with extremely low NOx emission and high thermal efficiency can be realized at low cost.
以下、本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
図１には、本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの着火時期制御方法の一実施の形態を示す圧縮着火式内燃機関の構成図である。 FIG. 1 is a configuration diagram of a compression ignition type internal combustion engine showing an embodiment of a method for controlling the ignition timing of a premixed compression ignition engine according to the present invention.
図１において、圧縮着火式内燃機関は、燃焼室１を有しており、この燃焼室１では、ピストン２の下降動によって吸気ポート３から空気と燃料の混合気を吸入し、吸入した混合気をピストン２の上昇動によって圧縮して爆発させてピストン２を急激に押し下げる動作が行われる。この燃焼室１には、図２に示す如く、吸気ポート３および排気ポート４が連通されている。また、吸気ポート３では、吸気弁５によって、排気ポート４では排気弁６によってそれぞれ燃焼室との通路開閉を行っており、吸気弁５、排気弁６がそれぞれ燃焼室との通路開閉手段として用いられている。
In FIG. 1, the compression ignition internal combustion engine has a
また、燃焼室１内には、燃料噴射弁７と、点火プラグ８が配置されている。この燃料噴射弁７は、燃焼室１内に直接燃料を噴射するよう燃焼室１の上部に設置されており、噴射ノズルがピストン２に対向して設けられている。なお、燃料噴射弁７を吸気ポート３の分岐部の間に配置し、噴射ノズルがピストン２の表面に対し、斜めになるような筒内噴射方式であっても構わない。
Further, a
また、この点火プラグ８は、エンジンコントロールユニット９（以下、ＥＣＵと記す）から火花点火燃焼を指示された場合に、火花放電するためのものである。このＥＣＵ９には、アクセル開度検出装置１０の出力値、ブレーキ踏力検出装置１１の出力値、車速検出装置１２の出力値が入力するようになっている。このアクセル開度検出装置１０は、アクセルに設けられており、このアクセル開度検出装置１０は、エンジン負荷の検出を行っている。また、ブレーキ踏力検出装置１１は、ブレーキに設けられており、ブレーキの踏力の検出を行っている。このアクセル開度検出装置１０とブレーキ踏力検出装置１１は、車両を運転するドライバの意図を検出するドライバ意図検出手段を構成している。すなわち、このドライバ意図検出手段は、どういう負荷が要求されているかをエンジン側で判断するものである。また、車速検出装置１２は、自動車の車速を検出するもので、車両走行状態を検出する車両走行状態検出手段を構成している。
The
さらに、吸気ポート３には、吸入空気量調整装置（スロットルバルブ）１３が設けられており、吸気ポート３内に供給される空気量を調整するものである。この吸気ポート３の吸入空気量調整装置１３の上流側には、エアフローセンサ１４が設けられている。このエアフローセンサ１４は、吸気ポート３内に供給される空気の温度を検出するものである。また、燃焼室１内近傍には、シリンダブロック１５の周囲に配設されるウォータジャケットを流れ、エンジンを冷却する冷却水の温度を検出する機関冷却水温センサ１６が設けられている。
Further, the
また、排気ポート４には、空燃比センサ１７が設けられている。この空燃比センサ１７は、排気ポート４から排気される排気ガスの空燃比を検出するものである。また、この排気ポート４の空燃比センサ１７の下流側には、触媒１８が設置されており、この触媒１８の下流側には、触媒後排温センサ１９が設置されている。また、燃焼室１には、圧力センサ２０が設けられている。この圧力センサ２０は、燃焼室１内の圧力を測定するもので、機関が予め設定されている圧縮着火運転モードでの最高エンジン回転数においても、燃焼室１内の圧力ピーク時のクランク角度を１°以内で検出できる応答性を有するものである。また、ピストン２には、コンロッド２１が取り付けられており、このコンロッド２１は、クランク軸２２に回転自在に取り付けられている。このクランク軸２２の近傍には、機関のクランク角を検出するクランク角センサ２３が設けられている。
An air-
この機関運転条件を検出するエアフローセンサ１４、機関冷却水温センサ１６、空燃比センサ１７、触媒１８の後ろに設置されている触媒後排温センサ１９、燃焼室１内の圧力を測定する圧力センサ２０およびクランク角センサ２３からの出力値は、ＥＣＵ９に逐次取り込まれる。
An
本機関の圧縮比は、燃焼室１内の混合気が自着火に至る温度に達するよう１５〜２０程度に設定されている。
The compression ratio of the engine is set to about 15 to 20 so that the air-fuel mixture in the
本実施の形態において、エンジン負荷はアクセル開度検出装置１０の出力値により演算される。したがって、機関負荷検出手段は、アクセル開度検出装置１０である。この圧縮着火式内燃機関を搭載した車両の加速度を把握する手段としては、本発明では車両に取り付けられた車速検出装置（車速センサ）１２の微分値を用いているが、この車両に加速度センサを設置し、その出力値を用いてもよい。
In the present embodiment, the engine load is calculated from the output value of the accelerator
また、ブレーキ踏力検出装置１１の出力値は、ドライバがブレーキペダルを踏んだかどうかを判定するＯＮ・ＯＦＦ信号を用いているが、ブレーキペダル後ろにブレーキ踏力センサを設置してその出力値を用いることも可能であり、またブレーキの油圧配管中に油圧センサを設けることによってドライバのブレーキ踏力を把握してもよい。 The output value of the brake pedal force detection device 11 uses an ON / OFF signal that determines whether or not the driver has pressed the brake pedal. The brake pedal force sensor is installed behind the brake pedal and the output value is used. In addition, the brake pedal force of the driver may be grasped by providing a hydraulic pressure sensor in the hydraulic piping of the brake.
また、図１に示すように、吸入空気量調整装置１３の下流側の吸気ポート３には、吸気圧センサ２４を設置してもよい。この吸気圧センサ２４は、吸入空気量調整装置１３の下流側の吸気ポート３を通過する吸入空気の圧力を検出するものである。
なお、図１において、２５は、吸気弁５の可変バルブ機構で、２６は、排気弁６の可変バルブ機構である。
Further, as shown in FIG. 1, an
In FIG. 1, 25 is a variable valve mechanism for the
本機関では、圧縮着火と火花点火を、各センサの検出値によって切り替える。 図３は、エンジン回転数と負荷に対して、圧縮着火の運転領域と火花点火による運転領域の一例を示したものである。 In this engine, compression ignition and spark ignition are switched according to the detection value of each sensor. FIG. 3 shows an example of the compression ignition operation region and the spark ignition operation region with respect to the engine speed and load.
この図３に図示の例では、エンジン回転数がＮｃ以下、かつ負荷がＬｃ以下の場合には、予混合圧縮着火によって運転され、それ以上のエンジン回転数及び負荷では火花点火によって運転される。したがって、エンジン回転数がＮｃ以下で負荷がＬｃより大きい場合は、火花点火によって運転され、エンジン回転数がＮｃ以上の場合は、負荷がＬｃ以下であっても火花点火によって運転されるということである。これは、エンジン回転数Ｎが高速（Ｎ＞Ｎｃ）の場合には、負荷Ｌが低負荷（Ｌ＜Ｌｃ）であっても、燃焼室１内での燃料の化学反応時間が短くなるため自着火に至らず、また、エンジン回転数Ｎが低速（Ｎ＜Ｎｃ）てあっても、負荷Ｌが高負荷（Ｌ＞Ｌｃ）領域での自着火運転ではノッキングが発生するためである。
In the example shown in FIG. 3, when the engine speed is Nc or less and the load is Lc or less, the engine is operated by premixed compression ignition, and at an engine speed and load higher than that, it is operated by spark ignition. Therefore, when the engine speed is Nc or less and the load is larger than Lc, the engine is operated by spark ignition. When the engine speed is Nc or more, the engine is operated by spark ignition even if the load is Lc or less. is there. This is because when the engine speed N is high (N> Nc), even if the load L is low (L <Lc), the chemical reaction time of the fuel in the
圧縮着火運転と火花点火運転との切替えは、あらかじめ圧縮着火燃焼による運転を行なう条件と火花点火燃焼による運転を行なう条件に基づいて行われる。この運転の切替えの条件は、アクセル開度検出装置１０の検出値であるアクセル開度、空燃比センサ１７の検出値である空燃比（Ａ／Ｆ）、車速検出装置１２の検出値である車速、クランク角センサ２３の出力値の検出値であるエンジン回転数Ｎ、エアフローセンサ１４の検出値である吸気温度、機関冷却水温センサ１６の検出値である機関冷却水温、触媒後排温センサ１９のそれぞれがマップとしてＥＣＵ９に書き込まれている。
Switching between the compression ignition operation and the spark ignition operation is performed in advance based on conditions for performing operation by compression ignition combustion and conditions for performing operation by spark ignition combustion. The conditions for switching the operation are as follows: an accelerator opening that is a detected value of the accelerator
図４には、圧縮着火による燃焼方法か、火花点火による燃焼方法かを決定する制御フローチャートが示されている。 FIG. 4 shows a control flowchart for determining a combustion method by compression ignition or a combustion method by spark ignition.
図４において、まず、ステップ３０において、アクセル開度検出装置１０の検出値であるアクセル開度と、ブレーキ踏力検出装置１１の検出値であるブレーキ踏力の読み込みを行う。このステップ３０においてアクセル開度とブレーキ踏力の読み込みを行うと、ステップ３２において、車速検出装置１２の検出値である車速とクランク角センサ２３の出力値の検出値であるエンジン回転数Ｎの読み込みを行い、エンジン（機関）負荷の演算を行う。このステップ３２においてエンジン（機関）負荷の演算を行うと、ステップ３４において、機関冷却水温センサ１６の検出値である機関冷却水温の読み込みを行い、ステップ３６において、触媒後排温センサ１９の検出値の読み込みを行い、ステップ３８において、エアフローセンサ１４の検出値である吸気温度の読み込みを行う。これらの検出値の読み込みを行うと、ステップ４０において、これらの読み込んだ検出値を比較、判断し、圧縮着火燃焼モード（圧縮着火による燃焼方法）か否かを判定する。このステップ４０において圧縮着火燃焼モード（圧縮着火による燃焼方法）であると判定すると、ステップ４２において、図３の圧縮着火燃焼モード（圧縮着火による燃焼方法）を選択する。また、このステップ４０において火花点火燃焼モード（火花点火による燃焼方法）であると判定すると、ステップ４４において、図３の火花点火燃焼モード（火花点火による燃焼方法）を選択する。
In FIG. 4, first, at
次に、図４における判定結果により、圧縮着火燃焼モード（圧縮着火による燃焼方法）が選択されている（圧縮着火燃焼による運転が指示されている）場合について説明する。 Next, the case where the compression ignition combustion mode (combustion method by compression ignition) is selected (operation by compression ignition combustion is instructed) based on the determination result in FIG. 4 will be described.
ＥＣＵ９には、アクセル開度検出装置１０、およびエンジン回転数Ｎを検出する手段としてクランク角センサ２３の出力値が取り込まれており、この出力値より、このエンジンの出力トルクが定まり、燃料噴射弁７からの燃料噴射量および吸入空気量を決定する。
The ECU 9 receives the output value of the
一方、燃焼室１内において混合気の圧縮着火時期は、燃焼室１温度履歴および圧力履歴、また混合気の空燃比に依存することがわかっている。そこで図１中の各センサ出力値によって、吸気弁５の可変バルブ機構２５よび排気弁６の可変バルブ機構２６、さらに吸入空気量調整装置１３を制御する。この吸入空気量調整装置１３は、本実施の形態においては、スロットルバルブである。このときの吸入空気量調整装置１３は、電子制御式スロットルであることが望ましいが、アクセルペダルとワイヤ連結された方式のスロットルを用いてもよい。
On the other hand, it is known that the compression ignition timing of the air-fuel mixture in the
図５には、ドライバ意図、車両走行状態、機関運転条件および各センサ出力値に応じて定まるエンジンの出力トルクに対し、燃料噴射量が予めＥＣＵ９に書き込まれている場合の制御フローチャートが示されている。 FIG. 5 shows a control flowchart in the case where the fuel injection amount is written in the ECU 9 in advance with respect to the engine output torque determined in accordance with the driver intention, the vehicle running state, the engine operating condition, and each sensor output value. Yes.
まず、ステップ５０において、ＥＣＵ９にドライバ意図としてアクセル開度検出装置１０の検出値およびブレーキ踏力検出装置１１の出力値を読み込む。このステップ５０においてそれぞれのドライバ意図検出値を読み込むと、ステップ５２において、車両走行状態および機関運転条件として、アクセル開度検出装置１０の検出値、空燃比センサ１７の検出値、クランク角センサ２３の検出値、エアフローセンサ１４の検出値およびそれに搭載された吸気温度センサの検出値、機関冷却水温センサ２４の検出値、触媒後排温センサ１９の検出値の各出力値をＥＣＵ９に読み込む。このステップ５２において車両走行状態および機関運転条件の読み込みを行うと、ステップ５４において、これらの検出値に基づいて、ＥＣＵ９内に記憶されている燃料噴射量マップおよび目標空燃比マップによって、燃料噴射量および目標空燃比の検索を行う。このステップ５４において燃料噴射量および目標空燃比の検索を行うと、ステップ５６において、この検索した燃料噴射量および目標空燃比の２つの目標値より、目標となる空気量の演算を行い、目標空気量を求める。
First, in
このステップ５６において目標空気量を求めると、ステップ５８において、エアフローセンサ１４の出力値、エアフローセンサ１４内の吸気温度センサの出力値、およびクランク角センサ２３の出力値に応じて、吸入空気量調整装置（スロットルバルブ）１３、吸気弁５の可変バルブ機構２５、排気弁６の可変バルブ機構２６の操作量を決定する。このステップ５８において操作量を決定すると、ステップ６０において、吸入空気量調整装置（スロットルバルブ）１３、吸気弁５の可変バルブ機構２５、排気弁６の可変バルブ機構２６を操作する。そして、ステップ６２において、目標空気量になったか否かを判定し、このステップ６２において目標空気量になっていないと判定すると、ステップ５８に戻り、このステップ６２において目標空気量になったと判定すると、ステップ５０に戻る。
When the target air amount is obtained in
次に、図６に基づいて、本実施の形態において用いる燃料噴霧の形態について説明する。 Next, the form of fuel spray used in the present embodiment will be described based on FIG.
燃料噴射弁７には、燃料ポンプ１０１によって概ね３〜１２ＭＰａの圧力の燃料が供給され、燃料噴射弁７の先端の弁がＥＣＵ９からの開弁信号２０１によって決められた期間、開かれることによって所定量の燃料が燃料噴射弁７から燃焼室１内に噴射される。このとき、燃料の気化を充分に行うために、噴射される燃料噴霧１００の平均粒径は概ね３０μm以下になるよう燃料噴射弁７の構造及び燃料圧力が決められている。なお、燃料ポンプ１０１の圧力はＥＣＵ９からの燃圧設定信号２０２により設定される。この燃料噴射弁７のノズル先端から噴霧される燃料噴霧１００は、図６に示すように、燃料噴射弁７のノズル先端を頂点とした円錐形状となる。このとき、噴霧断面内の流量分布（単位面積当たり流量）は図７のＡに示すような均一な分布であることが望ましい。これは、空気と燃料との接触面積を増やして、燃料の気化を良くするためと、燃料噴霧がピストンに衝突した時に、ピストン上にできるだけ均一かつ厚みの薄い液膜を形成するためである。図７のＢに示すように、流量分布が大きい噴霧では、流量の多い部分で気化が不充分となったり、噴霧がピストンに衝突したときに、ピストン上に局所的に厚い液膜ができやすく、すすや未燃ＨＣの増加につながる。
The
また、図６に図示の燃料噴射弁７から燃料を噴射したときの燃料噴霧１００の到達距離Ｌｐ（ペネトレーション）は、図８に示すように大気圧、常温条件下で、自着火運転の最大負荷に相当する量の燃料を、静止空気中に噴射したときの最大ペネトレーションＬｐｍａｘがピストンストローク長の概ね７０％〜９０％の範囲にあることが望ましい。これは下死点近傍で燃料を噴射したときには、噴霧をピストンにほとんど当てることなく、燃焼室中で気化させ、吸気行程前半で噴射した場合には、燃料の少なくとも一部をピストンに衝突させるためである。噴霧ペネトレーションは、燃料ポンプによる燃料圧力を可変とし、圧縮着火運転時に上記条件となるように燃料圧力をＥＣＵ９によって設定する。または、燃料噴射弁７を自着火運転時の燃料圧力を一定圧力とし、その燃料圧力でのペネトレーションが、最大ペネトレーションＬｐｍａｘがピストンストローク長の概ね７０％〜９０％の範囲となるような構造としてもよい。
Further, the reach distance Lp (penetration) of the
一方、図６に図示の燃料噴射弁７から燃料を噴射したときの燃料噴霧１００の噴霧角θは噴霧ペネトレーションがピストンストローク長の７０〜９０％の時に、燃料噴霧１００の噴霧の幅Ｌｗが燃焼室１ボア直径の９０〜１００％であるように設定されることが望ましい。
On the other hand, the spray angle θ of the
この燃料噴霧１００の噴霧の幅Ｌｗがこれより広い噴霧角をもって燃料噴射弁７から燃料が噴射される場合には、下死点近傍で燃料を噴射すると、燃料噴霧１００の一部が燃焼室１のボア壁に付着し、オイル希釈や未燃ＨＣの増加につながる。また、燃料噴射弁７から燃料を噴射したときの燃料噴霧１００の噴霧角θが燃料噴霧１００の噴霧の幅Ｌｗよりも狭い噴霧角で燃料噴射弁７から燃料が噴射される場合には、燃料噴射弁７から噴射される燃料の噴霧の集中度が増すため、燃料の気化が悪化してしまう。
In the case where fuel is injected from the
図９〜図１３には、本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの着火時期制御方法を適用する圧縮着火式内燃機関における自着火運転時の燃料噴霧と混合気形成の方法の動作工程が示されている。図９は、吸気行程、図１０は、圧縮行程、図１１は、自着火行程、図１２は、膨張行程、図１３は、排気行程をそれぞれ示している。 9 to 13 show the operation steps of the method of fuel spray and mixture formation during self-ignition operation in a compression ignition internal combustion engine to which the ignition timing control method for a premixed compression ignition engine according to the present invention is applied. ing. 9 shows an intake stroke, FIG. 10 shows a compression stroke, FIG. 11 shows a self-ignition stroke, FIG. 12 shows an expansion stroke, and FIG. 13 shows an exhaust stroke.
自着火運転時、吸気行程においては、図９に示す如く、吸気弁５が開き、吸気ポート３からは、吸入空気量調整装置（スロットルバルブ）１３によって所定の空気流量になるように調整された空気が燃焼室１内に導入される。そして、燃料噴射弁７からは、図９に示す如く、ＥＣＵ９によって決められた所定量の燃料が、ＥＣＵ９によって決められた時期に燃焼室１内に噴射される。この図９は、吸気行程の中期に燃料が噴射された例を示しており、平均粒径が３０μｍ以下に微粒化された燃料噴霧１００は、燃焼室１内の空気と熱交換することで蒸発する。また、燃料噴射弁７から噴射された燃料の一部はピストン２の冠面に衝突し、ピストン２から熱を受けて蒸発する。
During the self-ignition operation, in the intake stroke, as shown in FIG. 9, the
これらの蒸発した燃料は、図９に示される吸気行程で生成される空気流動によって燃焼室１内で空気と混合し、図１０に示す如く、混合気１０３を形成する。図１０に示される圧縮行程では、吸気弁５が閉じられ、ピストン２が上昇する。このピストン２が上昇することで、燃焼室１内は、圧力、温度が上昇し、低温酸化反応が進行する。そして、ピストン２がさらに上昇し続け、やがて、上死点付近にまで上昇すると、図１１に示す如く、燃焼室１内の混合気１０３は、青炎反応を経由し自己着火に至る。このように燃焼室１内の混合気１０３が青炎反応を起こし自己着火すると、燃焼室１内の温度、圧力が急激に上昇し、燃焼室１内は、急激に膨張する。
These evaporated fuels are mixed with air in the
この燃焼室１内の温度、圧力が急激に上昇する図１２に示す如き膨張行程では、ピストン２が下方に押し下げられ、クランク軸２１を回転させ動力を得る。この図１２に示す如き膨張行程でピストン２が下方に押し下げられ下死点にきた後、再び上昇し始める。このピストン２が上方に押し上げられる図１３に示す如き排気行程では、排気弁６が開き、燃焼ガス１０４が排気ポート４を通って、触媒１８に供給される。この触媒１８では、排気ガス中のＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯなどの有害成分が浄化される。この触媒１８において有害成分の浄化がされた排気ガスは、消音器（図示しない）を通って、大気中に排出される。
In the expansion stroke as shown in FIG. 12 in which the temperature and pressure in the
なお、本実施の形態において、図３０に示すようにピストン２の冠面２Ａをピストン２本体より熱容量の大きな部材、例えばセラミック等で構成すると、ピストン２の冠面２Ａの温度が上昇するため、ピストン２に付着した燃料を速やかに気化させることができる。
In the present embodiment, if the crown surface 2A of the
次に、本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの着火時期制御方法の一実施の形態について説明する。本実施の形態においては、この圧縮着火運転時の自着火時期を適正にするために、エンジン回転速度に応じて燃料噴射時期を制御している。 Next, an embodiment of an ignition timing control method for a premixed compression ignition engine according to the present invention will be described. In the present embodiment, the fuel injection timing is controlled in accordance with the engine rotational speed in order to make the self-ignition timing during the compression ignition operation appropriate.
まず、自着火運転における着火時期制御の必要性について説明する。 First, the necessity of ignition timing control in the self-ignition operation will be described.
図１４には、圧縮着火運転時の自着火におけるクランク角に対する熱発生率が示されている。 FIG. 14 shows the heat generation rate with respect to the crank angle in the self-ignition during the compression ignition operation.
この図１４では、自着火の着火時期を一定とし、エンジン回転数を変えたときに熱発生率がクランク角でどのように変化するかを示したものである。圧縮着火運転時の自着火においては、エンジン回転数に関わらず絶対時間で見たときの熱発生期間が殆ど変化しないという特性がある。図１４に示す如く、エンジン回転が最適回転の時は、圧縮上死点付近で熱発生が最大となる。しかし、自着火の着火時期が一定である場合、エンジン回転が低回転においては、熱発生が最大となるクランク角度が進角し（図１４で圧縮上死点より左側に移動した位置になる）、エンジン回転が高回転においては、熱発生が最大となるクランク角度が遅角する（図１４で圧縮上死点より右側に移動した位置になる）。すなわち、圧縮着火運転時の自着火においては、エンジン回転数に関わらず絶対時間で見たときの熱発生期間が殆ど変化しないため、エンジン回転が低回転の場合は、青炎反応を経由し自着火してからピストン２の上昇速度が自着火燃焼速度よりも遅く、圧縮上死点にくる前に熱発生の最大となるピークがきてしまい、圧縮上死点付近より早い時期に熱発生が最大となってしまう。また、エンジン回転が高回転の場合は、青炎反応を経由し自着火してからピストン２の上昇速度が自着火燃焼速度よりも速く、ピストン２が圧縮上死点にきても熱発生の最大となるピークが来ない状態で、ピストン２が圧縮上死点付近を通過した後の時期に熱発生の最大となるピークがきてしまい、ピストン２が圧縮上死点を通過した後に熱発生が最大となってしまう。
FIG. 14 shows how the heat generation rate varies with the crank angle when the ignition timing of self-ignition is constant and the engine speed is changed. In the self-ignition during the compression ignition operation, there is a characteristic that the heat generation period when viewed in absolute time hardly changes regardless of the engine speed. As shown in FIG. 14, when the engine rotation is the optimum rotation, heat generation is maximized near the compression top dead center. However, when the ignition timing of self-ignition is constant, when the engine rotation is low, the crank angle at which heat generation is maximum advances (the position moves to the left side from the compression top dead center in FIG. 14). When the engine speed is high, the crank angle at which heat generation is maximum is retarded (the position is moved to the right from the compression top dead center in FIG. 14). In other words, in the self-ignition during the compression ignition operation, the heat generation period when viewed in absolute time hardly changes regardless of the engine speed. Therefore, when the engine speed is low, the self-ignition occurs through the blue flame reaction. Since the ignition speed of the
したがって、ピストン２が圧縮上死点付近で熱発生が最大となる場合が最も熱効率が良くなることから、エンジン回転が低回転の場合も、エンジン回転が高回転の場合も、ピストン２が圧縮上死点にきたときに熱発生の最大となるピークがくるように制御すれば熱効率が最も良くなる。そのためには、エンジン回転数によって着火時期を適切に制御する必要がある。具体的には、低回転時には着火時期を遅角し、高回転で進角させることで、熱発生時期を最適化できる。
Therefore, since the heat efficiency is best when the
一方、自着火の着火時期と混合気の温度との間には非常に強い相関があることが知られている。図１５には、この混合気温度と着火遅れ時間との関係が示されている。 On the other hand, it is known that there is a very strong correlation between the ignition timing of self-ignition and the temperature of the air-fuel mixture. FIG. 15 shows the relationship between the mixture temperature and the ignition delay time.
図１５において、縦軸には、着火時期が、横軸には、混合気温度の逆数が採ってある。このように図１５の横軸に混合気温度の逆数を採ってあるため、横軸の左側にいくほど混合気温度が高いことを示している。また、図１５の縦軸の着火遅れ時間は、対数軸で示してある。この図１５に示される特性から明らかなように、混合気の温度が高くなるにしたがって、着火遅れ時間は、急速に短くなっていく。すなわち、圧縮着火では、混合気の温度を少し変えるだけで、着火時期を大きく変化させることができることがわかる。 In FIG. 15, the vertical axis represents the ignition timing, and the horizontal axis represents the reciprocal of the mixture temperature. Thus, since the reciprocal of the mixture temperature is taken on the horizontal axis of FIG. 15, the mixture temperature is higher toward the left side of the horizontal axis. Further, the ignition delay time on the vertical axis in FIG. 15 is indicated by a logarithmic axis. As is apparent from the characteristics shown in FIG. 15, the ignition delay time decreases rapidly as the temperature of the mixture increases. That is, in compression ignition, it can be seen that the ignition timing can be greatly changed by slightly changing the temperature of the air-fuel mixture.
そこで、本実施の形態においては、燃料噴霧１００の気化潜熱を利用して、混合気温度を最適な着火時期となるように制御している。
Therefore, in the present embodiment, the mixture temperature is controlled using the latent heat of vaporization of the
低回転で圧縮着火運転を行う時には、図１６に示す如く、燃焼室１内に吸気下死点近傍で燃料噴射弁７から燃料を噴射する。燃料噴射弁７から噴射された燃料噴霧１００のペネトレーションはピストンストローク長さの概ね７０〜９０％になるように、燃料圧力及び燃料噴射弁７の構造が決められているため、燃料噴霧１００の殆どは、ピストン２に当たることなく、燃焼室１の空気中で気化することになる。この燃焼室１内に燃料噴射弁７から燃料が噴射されると、燃焼室１内の空気から気化潜熱を奪うため、燃焼室１内に生成される混合気の温度は低くなる。このため、着火遅れ時間が長くなり、着火時期は遅角する。
When the compression ignition operation is performed at low speed, fuel is injected from the
一方、高回転で圧縮着火運転を行う時には、図１７に示す如く、燃焼室１内に吸気行程の前半で燃料噴射弁７から燃料を噴射する。このときの燃料噴射弁７のノズルとピストン２との距離は、燃料噴射弁７から噴射された燃料噴霧１００のペネトレーションに比べ充分短いため、燃料噴霧１００の多くはピストン２の冠面２Ａに衝突し、ピストン２上に液膜が形成される。この燃料噴射弁７から噴射された燃料噴霧１００の断面内の流量分布は、均一であるため、このとき生成される液膜は一様な厚さとなる。このピストン２の冠面２Ａに衝突して生じたピストン２上の液膜は、ピストン２から熱を受けて気化するため、燃焼室１内の空気から奪う気化潜熱は少なく、生成される混合気の温度が低回転時より高くなる。これにより、着火遅れ時間は短く、着火時期を低回転時に比べ進角させることができる。
On the other hand, when the compression ignition operation is performed at high speed, as shown in FIG. 17, fuel is injected from the
図１８には、本実施の形態における、圧縮着火運転時のエンジン回転数と燃料噴射時期の関係が示されている。このようなエンジン回転数と燃料噴射時期の関係が、ＥＣＵ９のマップに予め格納されており、クランク角センサ２３によって検出したエンジン回転数Ｎに基づき、燃料の噴射時期が決定される。
FIG. 18 shows the relationship between the engine speed and the fuel injection timing during the compression ignition operation in the present embodiment. Such a relationship between the engine speed and the fuel injection timing is stored in advance in the map of the ECU 9, and the fuel injection timing is determined based on the engine speed N detected by the
エンジンの回転数Ｎが最も低い場合には、吸気下死点で燃料を噴射し、エンジンの回転上昇に伴い、噴射時期を吸気上死点に向けて連続的に進角させていく。燃料噴射時期の進角と共に、ピストン２に衝突する噴霧量が増えるため、ピストン熱による気化割合が増え、相対的に気化潜熱による冷却分が減少し、混合気温度が高くなる。これによって、着火時期が進角し、高回転でも熱効率の高い燃焼が可能となる。
When the engine speed N is the lowest, fuel is injected at the intake bottom dead center, and the injection timing is continuously advanced toward the intake top dead center as the engine speed increases. As the fuel injection timing advances, the amount of spray that collides with the
なお、エンジンに吸気される空気の温度は、外気温やエンジン水温、排気ガス再循環量（ＥＧＲ量）などによっても変わるため、これらの影響を補正する制御を組み合わせるとさらに精度の高い着火時期制御が可能となる。外気温度は、図１に示すエアフローセンサ１４によって検出され、また、冷却水温は機関冷却水温センサ１６によって検出される。
Note that the temperature of the air taken into the engine varies depending on the outside air temperature, the engine water temperature, the exhaust gas recirculation amount (EGR amount), and so on. Is possible. The outside air temperature is detected by the
また、ＥＧＲ量は、吸気弁５の可変バルブ機構２５、排気弁６の可変バルブ機構２６の弁動作タイミングに応じて、予めＥＣＵ９内にマップとして格納されている。また、本実施の形態には図示していないが、外部ＥＧＲを用いる場合には、ＥＧＲ量がＥＧＲ量を制御する弁の開度、エンジン回転数、エンジン負荷によって予めマップとしてＥＣＵ９に書き込まれており、このマップを参照することでＥＧＲ量が判る。これらの検出値を用いて、エンジン回転数Ｎに対する燃料噴射時期を図１９のように補正する。すなわち、空気温度の上昇、水温の上昇、ＥＧＲ量の増加に伴い、混合気温度が上昇し着火時期が進角する方向になるため、これを遅角させるよう、高回転側での燃料噴射時期を遅角させるよう、噴射時期マップを補正する。
Further, the EGR amount is stored in advance in the ECU 9 as a map in accordance with the valve operation timings of the
また、着火時期を制御する方法には、図２０に示す如く、燃料噴射時期を一定にして燃料噴射圧力を変えることによって行う方法がある。
エンジン回転数が低い場合には、図２１に示す如く、ＥＣＵ９から燃料ポンプ１０１に送られる燃圧設定信号２０２によって燃料圧力が低く設定され、燃焼室内に燃料噴射弁７から噴射される燃料噴霧１００のペネトレーションが短くなる。これによって、ピストン２に衝突する燃料量が減り、燃焼室１内の混合気温度は、燃料の気化潜熱によって下がる。この結果、着火時期が遅角する。
As a method of controlling the ignition timing, there is a method of changing the fuel injection pressure while keeping the fuel injection timing constant as shown in FIG.
When the engine speed is low, as shown in FIG. 21, the fuel pressure is set low by the fuel
一方、エンジン回転数が高い場合には、図２２に示す如く、ＥＣＵ９から燃料ポンプ１０１に送られる燃圧設定信号２０２によって燃料圧力が高く設定され、燃焼室１内に燃料噴射弁７から噴射される燃料噴霧１００のペネトレーションが長くなる。これによって、ピストン２に衝突する燃料量が増え、燃焼室１内の混合気温度の低下は少なくなり、着火時期が進角する。
On the other hand, when the engine speed is high, the fuel pressure is set high by the fuel
また、着火時期を制御する方法には、燃料噴射時期を一定にして１サイクルあたりの燃料噴射回数を変えることによって行う方法がある。
図２３に示す如く、燃料圧力を一定にして、エンジン回転数の低下に伴い、吸気行程に燃焼室１内に直接噴射する噴射回数を増やしていく。この場合、エンジンの要求負荷が一定とすると燃料噴射量は、一定となるため、噴射回数が増えるに従い、１噴射あたりの噴射期間は短くなる。ここで噴射量、燃料圧力が一定の場合、噴霧のペネトレーションは、図２４に示すように、噴射回数の増加に伴い短くなる。これは、噴射回数が増えるに従い、トータルの噴射期間（最初の噴射開始から、最後の噴射が終わるまでの期間）が長くなるため、噴霧の平均速度が下がるためである。
As a method for controlling the ignition timing, there is a method in which the fuel injection timing is made constant and the number of fuel injections per cycle is changed.
As shown in FIG. 23, the fuel pressure is kept constant, and the number of injections directly injected into the
このように低回転側で噴射回数を増やすことで噴霧のペネトレーションが短くなり、ピストンへの噴霧衝突量が減少する。この結果、気化潜熱による混合気の温度低下が大きくなり、着火時期を遅角できる。逆に高回転では、噴射回数を減らすことで噴霧のペネトレーションが長くなり、ピストンへの噴霧衝突量が増加する。この結果、気化潜熱による混合気の温度低下が小さくなり、着火時期を進角できる。 Thus, by increasing the number of injections on the low rotation side, the penetration of the spray is shortened, and the amount of spray collision with the piston is reduced. As a result, the temperature drop of the air-fuel mixture due to the latent heat of vaporization increases, and the ignition timing can be retarded. On the other hand, at high rotation, the penetration of the spray becomes longer by reducing the number of injections, and the amount of spray collision with the piston increases. As a result, the temperature drop of the air-fuel mixture due to vaporization latent heat is reduced, and the ignition timing can be advanced.
また、ポート噴射式エンジンにおいても、燃料噴射時期によって着火時期を制御することができる。
この場合には、図２５に示すように圧縮着火運転の低回転時には、吸気ポート３に取り付けられた燃料噴射弁７から吸気行程で燃料が噴射される。燃料は、吸気ポート３の壁面に付着することなく、燃焼室１内で気化する。吸気行程で噴射された燃料の一部は吸気弁に衝突するが、大部分は吸気弁５に付着することなく再飛散し、吸気流動に乗って燃焼室１内に入り気化する。このため、燃焼室１内の混合気は気化潜熱によって冷却され、着火時期が遅角する。
Also in the port injection engine, the ignition timing can be controlled by the fuel injection timing.
In this case, as shown in FIG. 25, at the time of low rotation of the compression ignition operation, fuel is injected from the
一方高回転時には、図２６に示す如く、燃料は燃料噴射弁７から排気行程に噴射される。この場合には、吸気弁５が閉じているため、燃料は吸気弁５に付着して液膜を形成し、吸気弁５からの伝熱によって吸気ポート３内で気化する。このようにして混合気は燃料の気化潜熱によって冷却されることがなく、着火時期が進角する。
On the other hand, at the time of high rotation, as shown in FIG. 26, the fuel is injected from the
図２７に図示のグラフから、エンジン回転数Ｎの上昇に伴い、燃料噴射時期を吸気行程から排気行程に連続的に変えると、吸気弁、吸気ポート壁面の伝熱で気化する燃料の割合と、燃焼室内で気化する燃料の割合を連続的に変えることができるため、きめの細かい着火時期制御が可能となる。 From the graph shown in FIG. 27, when the fuel injection timing is continuously changed from the intake stroke to the exhaust stroke as the engine speed N increases, the ratio of fuel vaporized by heat transfer on the intake valve and the intake port wall surface, Since the ratio of fuel vaporized in the combustion chamber can be continuously changed, fine ignition timing control becomes possible.
次にフィードバック制御を取り入れた、着火時期の最適化制御の実施の形態について説明する。
図２８には、圧縮着火燃焼時の筒内圧力の時間変化が示されている。
図２８に示す如き燃焼室１内の圧力の変化は、図１に示した筒内圧力センサ２０によって検出される。燃焼室１の筒内圧は、燃料の燃焼に伴い上昇するが、着火時期の違いにより、筒内圧のピーク位置に違いが出てくる。すなわち、着火が早いＡでは、筒内圧のピークは圧縮上死点（ＴＤＣ）直後に現れ、また着火が遅いＣでは、上死点から大きく遅れて圧力のピークが現れ、その絶対値も低くなる。一般に筒内圧のピーク位置は圧縮上死点後１０〜１５°となると熱効率が最も高くなることが知られていることから、Ｂのような圧力波形を得るように着火時期を制御すれば熱効率の高い燃焼が可能となる。
Next, an embodiment of ignition timing optimization control incorporating feedback control will be described.
FIG. 28 shows the change over time in the in-cylinder pressure during compression ignition combustion.
The change in the pressure in the
そこで本実施の形態においては、図１に示す筒内圧センサ４９の圧力検出値とクランク角センサ２３のクランク角検出値より、圧力が最大となるクランク角度Θｐｍａｘを求める。Θｐｍａｘが圧縮上死点後１０〜１５°より進角している場合には、着火時期が早すぎるため、着火時期を遅らせるべく、燃料噴射時期を現在の設定時期よりも吸気下死点側にずらす。これによって燃料噴霧のピストン２への衝突が減るため、燃料の気化潜熱による混合気の温度低下幅が増え、着火時期を遅角できる。逆に、Θｐｍａｘが圧縮上死点後１０〜１５°より遅角している場合には、着火時期が遅すぎるため、着火時期を早めるべく、燃料噴射時期を現在の設定時期よりも吸気上死点側へずらす。これによって燃料噴霧のピストン衝突が増えるため、燃料の気化潜熱による混合気の温度低下幅が減り、着火時期を進角できる。
Therefore, in the present embodiment, the crank angle Θpmax at which the pressure becomes maximum is obtained from the pressure detection value of the in-cylinder pressure sensor 49 and the crank angle detection value of the
このような方法を用いれば、エンジン回転数Ｎや外気温、水温、ＥＧＲ量の変化による着火時期の変動も一括して、適正時期に補正できるため、より精度の高い着火時期制御が可能となる。 If such a method is used, fluctuations in the ignition timing due to changes in the engine speed N, the outside air temperature, the water temperature, and the EGR amount can be collectively corrected to an appropriate time, so that ignition timing control with higher accuracy can be performed. .
また、Θｐｍａｘを検出して着火時期を制御するパラメータは燃料噴射時期以外にも考えられる。例えば、可変バルブ機構または外部ＥＧＲによるＥＧＲ量、吸気を加熱装置する装置を設けた場合にはその加熱量、燃料圧力を可変する機構を設けた場合には、燃料圧力の設定値、１サイクルあたりの燃料の噴射回数、圧縮比を可変する機構を設けた場合には圧縮比の設定値をそれぞれΘｐｍａｘが圧縮上死点後１０〜１５°になるように制御することで、熱効率の高い圧縮着火運転が可能である。なお、圧縮比を可変する機構は、図２９に示すように燃焼室１に連通する副室１０５を設け、この副室１０５の容積を副室ピストン１０４の移動により変えることで実現できる。副室ピストン１０４は、油圧、空気圧、電磁力などを用いて任意の位置に移動できる。
In addition to the fuel injection timing, a parameter for controlling the ignition timing by detecting Θpmax may be considered. For example, if a variable valve mechanism or an EGR amount by an external EGR, or a device that heats intake air is provided, the heating amount or fuel pressure may be varied. When a mechanism for varying the number of fuel injections and the compression ratio is provided, the compression ratio setting value is controlled so that Θpmax is 10 ° to 15 ° after compression top dead center, so that compression ignition with high thermal efficiency is achieved. Driving is possible. The mechanism for changing the compression ratio can be realized by providing a
また、吸気ポート噴射式エンジンにもフィードバックを用いた着火時期制御は適用可能であり、前述した噴射時期制御によって、Θｐｍａｘが圧縮上死点後１０〜１５°になるように着火時期を制御できる。すなわちΘｐｍａｘが圧縮上死点後１０〜１５°より進角している場合には、着火時期が早すぎるため、着火時期を遅らせるべく、燃料噴射時期を現在の設定時期よりも吸気行程側へずらす。またΘｐｍａｘが圧縮上死点後１０〜１５°より遅角している場合には、着火時期が遅すぎるため、着火時期を早めるべく、燃料噴射時期を現在の設定時期よりも排気行程側へずらすことで、最適な着火時期を得ることができる。 Also, the ignition timing control using feedback can be applied to the intake port injection type engine, and the ignition timing can be controlled by the above-described injection timing control so that Θpmax becomes 10 to 15 ° after compression top dead center. That is, when Θpmax is advanced from 10 to 15 ° after compression top dead center, the ignition timing is too early, so that the fuel injection timing is shifted to the intake stroke side from the current set timing in order to delay the ignition timing. . When Θpmax is retarded from 10 to 15 ° after compression top dead center, the ignition timing is too late, so that the fuel injection timing is shifted to the exhaust stroke side from the current set timing in order to advance the ignition timing. Thus, the optimal ignition timing can be obtained.
このように圧縮着火運転時に、エンジンが低回転から高回転になるに伴い、燃料噴霧１００の燃焼室１の壁面への衝突量を増やすことで、低回転では燃焼室１内の混合気を気化潜熱によって冷却するため、着火時期を遅角でき、高回転では、燃料気化が燃焼室１の壁面からの伝熱によってなされるため燃焼室１内の混合気温度の気化冷却が減り、着火時期が進角する。
As described above, during the compression ignition operation, as the engine changes from a low speed to a high speed, the amount of collision of the
燃料噴霧１００の図３０に示すピストン２の冠面２Ａへの衝突量を変える手段の１つは、燃料噴射時期であって、燃焼室１内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁７を備えた予混合圧縮着火式内燃機関において、圧縮着火運転時に、エンジンが低回転時には、吸気下死点近傍で燃料を噴射することで、ピストン２への燃料付着を減少し、エンジンが高回転時には、吸気上死点近傍で燃料を噴射することで、ピストン２への燃料付着を増加できる。
One means for changing the amount of collision of the
燃料噴霧１００の図３０に示すピストン２の冠面２Ａへの衝突量を変える手段の１つは、燃料噴射時期であって、燃焼室１内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁７を備えた予混合圧縮着火式内燃機関において、圧縮着火運転時に、エンジンが低回転から高回転になるに伴い、燃料噴射時期を、吸気行程の後期から吸気行程の前期に向けて進角させることで、低回転から高回転に向けて連続的に燃料のピストン２への付着量を増やすことで、着火時期をきめ細かく制御することができる。
One means for changing the amount of collision of the
燃料噴霧１００の図３０に示すピストン２の冠面２Ａへの衝突量を変える手段の１つは、燃料噴射圧力であって燃焼室１内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁７を備えた予混合圧縮着火式内燃機関において、圧縮着火運転時に、エンジンが低回転から高回転になるに伴い、燃料噴射圧力を高めることで、低回転では噴霧ペネトレーションが短いためピストン２の冠面２Ａへの燃料付着が減り、高回転では噴霧ペネトレーションが長いためピストン２の冠面２Ａへの燃料付着が増える。
One means for changing the amount of collision of the
燃料噴霧１００の図３０に示すピストン２の冠面２Ａへの衝突量を変える手段の１つは、燃料噴射回数であって、燃焼室１内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁７を備えた予混合圧縮着火式内燃機関において、圧縮着火運転時に、エンジンが低回転から高回転になるに伴い、１サイクルあたりの燃料噴射回数を減らすことで噴霧ペネトレーションが長くなり高回転域での燃料のピストン２の冠面２Ａへの燃料付着量が増加する。
One means for changing the amount of collision of the
また、吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射弁７を設け、圧縮着火運転時に、エンジンが低回転から高回転になるに伴い、燃料噴霧１００の噴射時期を吸気行程噴射から排気行程噴射へ進角させることで、低回転では燃料噴霧１００が燃焼室１内で気化するため、気化潜熱によって混合気温度が下がり、高回転では、排気行程噴射のため、噴霧は吸気弁５または吸気ポート３の壁面からの伝熱で気化するため、混合気温度は下がらない。これによって低回転では着火を遅角し、高回転では進角させることができる。
In addition, a
また圧縮着火運転時の筒内圧力の最大値が圧縮上死点後、１０〜１５°の範囲になるように着火時期を制御することで、最も高い熱効率を得ることができる。 Moreover, the highest thermal efficiency can be obtained by controlling the ignition timing so that the maximum value of the in-cylinder pressure during the compression ignition operation is in the range of 10 to 15 ° after the compression top dead center.
燃焼室１の筒内圧力の最大値が圧縮上死点後、１０〜１５°の範囲になるように制御するには、燃焼室１の壁面への燃料付着量の増減、または吸気加熱手段の吸気加熱量の増減、または、ＥＧＲ量の増減によって混合気温度を変える方法がある。
In order to control the maximum value of the in-cylinder pressure of the
燃焼室１内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁７を備えた予混合圧縮着火式内燃機関において、圧縮運転時の燃焼室１の筒内圧力が最大となるクランク角が圧縮上死点後、１０〜１５°よりも早い場合には、吸気行程での燃料噴射時期を遅角させることで燃料のピストン２の冠面２Ａへの付着が減り、気化冷却によって混合気温度が下がることで着火時期を遅角できる。また、圧縮運転時の筒内圧力が最大となるクランク角が圧縮上死点後、１０〜１５°よりも遅い場合には、吸気行程での燃料噴射時期を進角させることで、気化冷却効果を減らし混合気温度を上げることで着火時期を進角できる。
In a premixed compression ignition internal combustion engine having a
吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射弁７を備えた予混合圧縮着火式内燃機関において、圧縮運転時の筒内圧力が最大となるクランク角が圧縮上死点後、１０〜１５°よりも早い場合には、吸気行程での燃料噴射割合を増やすことで、気化冷却によって混合気温度が下がることで着火時期を遅角できる。また圧縮運転時の燃焼室１の筒内圧力が最大となるクランク角が圧縮上死点後、１０〜１５°よりも遅い場合には、排気行程での燃料噴射割合を増やすことで気化冷却効果を減らし混合気温度を上げることで着火時期を進角できる。
In a premixed compression ignition internal combustion engine provided with a
燃焼室１内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁７を備えた予混合圧縮着火式内燃機関において、圧縮運転時の燃焼室１の筒内圧力が最大となるクランク角が圧縮上死点後、１０〜１５°よりも早い場合には、燃料噴射圧力を低くすることで噴霧ペネトレーションが短くなり燃料のピストン２の冠面２Ａへの付着が減って、混合気の気化冷却により着火時期を遅角できる。また、圧縮運転時の燃焼室１の筒内圧力が最大となるクランク角が圧縮上死点後、１０〜１５°よりも遅い場合には、吸気行程での燃料噴射圧力を高くすることで噴霧ペネトレーションが長くなり、燃料のピストン２の冠面２Ａへの付着が増え、混合気の気化冷却が減り、着火時期を進角できる。
In a premixed compression ignition internal combustion engine having a
燃焼室１内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁７を備えた予混合圧縮着火式内燃機関において、圧縮運転時の燃焼室１の筒内圧力が最大となるクランク角が圧縮上死点後、１０〜１５°よりも早い場合には、１サイクルあたりの燃料噴射回数を増やすことで噴霧ペネトレーションが短くなり燃料のピストン２の冠面２Ａへの付着が減って、混合気の気化冷却により着火時期を遅角できる。また圧縮運転時の燃焼室１の筒内圧力が最大となるクランク角が圧縮上死点後、１０〜１５°よりも遅い場合には、１サイクルあたりの燃料噴射回数を減らすことで、噴霧ペネトレーションが長くなり、燃料のピストン２の冠面２Ａへの付着が増え、混合気の気化冷却が減り、着火時期を進角できる。
In a premixed compression ignition internal combustion engine having a
吸気ポート３の上流部に吸気加熱装置を備えた予混合圧縮着火式内燃機関において、圧縮運転時の燃焼室１の筒内圧力が最大となるクランク角が圧縮上死点後、１０〜１５°よりも早い場合には、吸気加熱装置の加熱量を減らすことで、混合気温度が下がり着火時期を遅角できる。また、圧縮運転時の筒内圧力が最大となるクランク角が圧縮上死点後、１０〜１５°よりも遅い場合には、吸気加熱装置の加熱量を増やすことで、混合気温度が上がり着火時期を進角できる。
In a premixed compression ignition internal combustion engine equipped with an intake air heating device upstream of the
外部ＥＧＲ供給手段または吸排弁可変タイミング手段を備えた予混合圧縮着火式内燃機関において、圧縮運転時の燃焼室１の筒内圧力が最大となるクランク角が圧縮上死点後、１０〜１５°よりも早い場合には、外部ＥＧＲ供給手段または吸排弁可変タイミング手段によるＥＧＲ量を減らすことで、混合気温度が下がり着火時期を遅角できる。また、圧縮運転時の燃焼室１の筒内圧力が最大となるクランク角が圧縮上死点後、１０〜１５°よりも遅い場合には、外部ＥＧＲ供給手段または吸排弁可変タイミング手段によるＥＧＲ量を増やすことで、混合気温度が上がり着火時期を進角できる。
In a premixed compression ignition type internal combustion engine having external EGR supply means or intake / exhaust valve variable timing means, the crank angle at which the in-cylinder pressure of the
圧縮比を可変とする手段を備えた予混合圧縮着火式内燃機関において、圧縮運転時の燃焼室１の筒内圧力が最大となるクランク角が圧縮上死点後、１０〜１５°よりも早い場合には、圧縮比可変手段により、圧縮比を下げることにより圧縮行程での混合気温度が下がるため着火時期を遅角できる。また、圧縮運転時の燃焼室１の筒内圧力が最大となるクランク角が圧縮上死点後、１０〜１５°よりも遅い場合には、圧縮比可変手段により、圧縮比を上げることにより圧縮行程での混合気温度が上がるため着火時期を進角できる。
In a premixed compression ignition type internal combustion engine having means for varying the compression ratio, the crank angle at which the in-cylinder pressure in the
燃料噴射弁７から圧縮着火噴射時と同じ、空気圧力、空気温度、燃料圧力、燃料噴射量の条件のもとで、自由空間中に噴射される噴霧の最大ペネトレーションがピストンストローク長の７０〜９０％とすることによって、吸気行程の下死点付近で燃焼室１に噴射された燃料は、ピストン２の冠面２Ａに衝突することなく、燃料の気化潜熱による混合気の冷却効果を最大限に利用できる。また、吸気行程前半で燃料噴射した場合は、噴霧の少なくとも一部がピストンに衝突することで、気化冷却効果を減らして、混合気温度を上げることができる。
The maximum penetration of spray injected into the free space under the conditions of air pressure, air temperature, fuel pressure, and fuel injection amount, which is the same as that during compression ignition injection from the
燃料噴射弁７から圧縮着火噴射時と同じ、空気圧力、空気温度、燃料圧力、燃料噴射量の条件のもとで、自由空間中に噴射される噴霧のペネトレーションがピストンストローク長の７０〜９０％であるとき、噴霧の横幅がボア直径の９０〜１００％とすることで、吸気行程下死点近傍で燃料を燃焼室１内へ噴射した場合に、燃料のボア壁面への付着を防止でき、オイル希釈や未燃ＨＣ排出を防ぐことができる。また、燃料がピストンに衝突した場合に、ピストン２の冠面２Ａの広い面積に燃料が付着するため、液膜厚さが薄くなり、すすや未燃ＨＣの排出、燃料の気化の悪化を防止できる。
Under the same conditions of air pressure, air temperature, fuel pressure, and fuel injection amount as during compression ignition injection from the
吸気温度、機関冷却水温度、ＥＧＲ量が上昇するに伴い、圧縮着火運転時の高回転域での燃料噴射時期を吸気下死点方向にずらす補正をすることで、高回転時の着火時期が前記条件の変化によって最適着火時期より進角するのを防ぐことができる。 As the intake air temperature, engine coolant temperature, and EGR amount increase, the fuel injection timing in the high engine speed range during compression ignition operation is shifted in the intake bottom dead center direction, so that the ignition timing at high engine speed can be reduced. It is possible to prevent the advance from the optimum ignition timing due to the change in the condition.
吸気温度、機関冷却水温度、ＥＧＲ量が上昇するに伴い、圧縮着火運転時の高回転域での燃料噴射圧力を下げる補正をすることで条件の変化によって最適着火時期より進角するのを防ぐことができる。 As the intake air temperature, engine coolant temperature, and EGR amount increase, the fuel injection pressure in the high engine speed range during compression ignition operation is corrected to prevent the advance from the optimal ignition timing due to changes in conditions. be able to.
ピストン２の冠面２Ａをピストン２本体より熱容量の大きな材料で構成することによって、ピストン２の冠面２Ａの温度が高くなるため、圧縮着火運転時にピストン２の冠面２Ａに付着した燃料を確実に気化させることができる。
By configuring the crown surface 2A of the
１……………燃焼室
２……………ピストン
２Ａ…………冠面
３……………吸気ポート
４……………排気ポート
５……………吸気弁
６……………排気弁
７……………燃料噴射弁
８……………点火プラグ
９……………エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１０…………アクセル開度検出装置
１１…………ブレーキ踏力検出装置
１２…………車速検出装置
１３…………吸入空気量調整装置（スロットルバルブ）
１４…………エアフローセンサ
１６…………機関冷却水温センサ
１７…………空燃比センサ
１９…………触媒後排温センサ
２０…………圧力センサ
２３…………クランク角センサ
１００………燃料噴霧
１０１………燃料ポンプ
１０２………燃料タンク
1 ……………
10 ………… Accelerator opening detection device 11 ………… Brake pedal force detection device 12 ………… Vehicle
14 …………
Claims (6)
エンジン回転数が低回転時から高回転時に変化するに伴い、燃料の噴射圧力を連続的又は段階的に高くすることを特徴とする予混合圧縮着火式内燃機関の着火時期制御方法。 A method of controlling a premixed compression ignition type internal combustion engine itself is himself ignited by the premixed gas containing a fuel is directly injected into the combustion chamber in the piston compression,
Engine speed due to changes at high rotation from the time of low rotation, the ignition timing control method for a premixed compression ignition type internal combustion engine, characterized in that to increase the injection pressure of the fuel continuously or stepwise.
エンジン回転数が低回転から高回転に変化するに伴い、１サイクル当たりの燃料噴射回数を連続的又は段階的に減少することを特徴とする予混合圧縮着火式内燃機関の着火時期制御方法。 In a control method of a premixed compression ignition type internal combustion engine in which a premixed gas containing fuel directly injected into a combustion chamber is self-ignited by piston compression,
An ignition timing control method for a premixed compression ignition type internal combustion engine, wherein the number of fuel injections per cycle is decreased continuously or stepwise as the engine speed changes from low to high .
前記予混合圧縮着火式内燃機関には、吸気温度または機関冷却水温度またはＥＧＲ量を検出または予測する手段が設けられ、
前記検出または予測する手段によって検出された吸気温度、機関冷却水温度、ＥＧＲ量が上昇するに伴い、前記圧縮着火運転領域の高回転領域での燃料噴射時期を吸気下死点方向に移動する補正をすることを特徴とする予混合圧縮着火式内燃機関の着火時期制御方法。 In a control method of a premixed compression ignition type internal combustion engine in which a premixed gas containing fuel directly injected into a combustion chamber is self-ignited by piston compression,
The premixed compression ignition type internal combustion engine is provided with means for detecting or predicting an intake air temperature, an engine coolant temperature or an EGR amount,
Correction for moving the fuel injection timing in the high rotation region of the compression ignition operation region toward the intake bottom dead center as the intake air temperature, engine coolant temperature, and EGR amount detected by the detecting or predicting unit increase ignition timing control method for a premixed compression ignition type internal combustion engine, which comprises a.
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