JP4741987B2 - 圧縮自己着火内燃機関の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮自己着火内燃機関の制御方法に関する。

圧縮自己着火を行うガソリン内燃機関（エンジン）において、一般的に圧縮上死点付近の筒内ガス温度が１０００Ｋを超えると自己着火燃焼が発生することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−３２３８２８号公報

しかしながら、圧縮自己着火燃焼では、前サイクルの燃焼状態が次サイクルの燃焼にエネルギーを与えるため、圧縮上死点付近の温度を１０００Ｋとするようにこの内燃機関を制御する必要があり、複数の要素を可変制御しなければならず、そのアルゴリズムは非常に煩雑化してしまう。また、実験的に求めたデータにより各パラメータをマップ化し、このパラメータを使って内燃機関を制御するように構成すると、内燃機関の固体のバラツキや様々な条件を予測して実験を行わなければならず、パラメータの設定に膨大な時間を要してしまう。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、燃焼開始温度と燃焼後のピーク温度との偏差を所定の範囲内に収束させることにより、安定した圧縮自己着火燃焼を行うことができる圧縮自己着火内燃機関の制御方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る圧縮自己着火内燃機関の制御方法は、燃焼室内に任意の量の燃料を供給する燃料噴射機構（例えば、実施形態における燃料噴射装置１８およびＦＩ制御ユニット４１）と、燃焼室内における既燃ガスおよび混合気の割合を可変させる可変バルブ機構（例えば、実施形態における吸気バルブ１４、排気バルブ１５、油圧電磁バルブ駆動装置１６，１７、および、バルブイベント制御ユニット４０）とを有し、燃料を圧縮自己着火燃焼させる圧縮自己着火内燃機関（例えば、実施形態におけるエンジン１）において、燃焼室における燃焼開始温度と燃焼後のピーク温度との偏差を算出し、偏差が目標値より大きい場合は、排気工程と吸気工程の間の圧縮上死点近傍において可変バルブ機構の吸気バルブおよび排気バルブが両方とも閉じるクランクシャフトの角度範囲である負のオーバーラップ量を増加させ、偏差が目標値より小さい場合は、負のオーバーラップ量を減少させることにより、偏差を所定の範囲内に収束させるように制御する。

このような本発明に係る圧縮自己着火内燃機関の制御方法は、既燃ガスが燃焼室内の全ガス量に対して占める割合であるＥＧＲ率と空燃比から偏差を算出することにより、偏差をＥＧＲ率で代替することが好ましい。

このとき、ＥＧＲ率を、燃料噴射量、空燃比、吸気温度、排気温度、筒内圧力、および、機関諸元から算出するように構成することが好ましい。

本発明に係る圧縮自己着火内燃機関の制御方法を以上のように構成すると、この内燃機関における発生熱量および次サイクルに必要な作動ガス（吸気バルブが閉じた状態で燃焼室内にある混合気および残留ガス）の熱容量を燃焼開始温度と燃焼後のピーク温度との偏差で代替させることができ、この偏差を所定の範囲に収束させることで、次サイクルの圧縮自己着火燃焼を安定して発生させ、また、着火後の燃焼を穏やかなものとすることができる。さらに、制御パラメータを可及的に削減できるため、その制御アルゴリズムの簡易化を図ることができる。

また、上記偏差をＥＧＲ率で代替することにより、「このような圧縮自己着火内燃機関においては、燃焼室における燃焼開始温度と燃焼後のピーク温度との偏差をＥＧＲ率で代替することが可能である」という新知見の元に、ＥＧＲ率を制御することで、圧縮自己着火燃焼を安定して発生させることができる。このとき、ＥＧＲ率を、燃料噴射量等から算出するように構成することにより、通常の内燃機関に使用されているセンサ類を用いることができ、この制御のための専用のセンサ類が不要となり、内燃機関に対し、本発明に係る制御方法を適用したときのコストを低減することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて本発明に係る圧縮自己着火内燃機関の制御方法が適用されるエンジン１の構成について説明する。このエンジン１は、シリンダヘッド２、シリンダブロック３、および、クランクケース４から構成されている。このシリンダブロック３の内部には円筒状に延びるシリンダ室５が形成されており、さらに、このシリンダ室５内には、摺動自在にピストン６が配設されている。このピストン６はコンロッド７を介してクランクケース４内に回転自在に保持されるクランクシャフト８に接続されている。シリンダ室５、ピストン６、および、シリンダヘッド２に囲まれて燃焼室９が形成されており、この燃焼室９にはシリンダヘッド２に形成された吸気口１０および排気口１１を介して、それぞれ吸気ポート１２および排気ポート１３が連通している。そして、茸状の吸気バルブ１４および排気バルブ１５が、それぞれ吸気口１０および排気口１１を常時閉じる方向に付勢されている。

この吸気バルブ１４および排気バルブ１５の端部には、バルブイベント制御ユニット４０からの指令信号に応じて吸気バルブ１４および排気バルブ１５を上下動させて吸気口１０若しくは排気口１１を開閉させる油圧電磁バルブ駆動装置１６，１７が配設されている。すなわち、このエンジン１において、吸気バルブ１４および排気バルブ１５の開閉タイミングは、バルブイベント制御ユニット４０により自由に設定することができる。また、シリンダヘッド２には、ＦＩ制御ユニット４１からの指令信号に応じて、燃焼室９内に燃料を噴射する燃料噴射装置１８が配設されており、燃料噴射量およびタイミングは、ＦＩ制御ユニット４１により自由に設定することができる。

また、エンジン１には、このエンジン１の状態を検出するために、吸気温度を検出する吸気温センサ３０、排気温度を検出する排気温センサ３１、燃焼室９内（筒内）の圧力を検出する絶対圧センサ３２、クランクシャフト８の回転角度を検出するクランクタイミングセンサ３３、スロットルバルブ１９の開度を検出するスロットル開度センサ３４が取り付けられている。ＦＩ制御ユニット４１には、燃料噴射量と噴射タイミングを決定するために、吸気温センサ３０により検出される吸気温度、スロットル開度センサ３４で検出されるスロットル開度、および、クランクタイミングセンサ３３で検出されるクランクシャフト８の回転角度が入力され、バルブイベント制御ユニット４０には、吸気バルブ１４および排気バルブ１５の開閉タイミングを決定するために、クランクタイミングセンサ３３で検出されるクランクシャフト８の回転角度、および、ＦＩ制御ユニット４１で決定された空燃比が入力されるように構成されている。

このように構成されたエンジン１において、圧縮自己着火運転を行うときは、図２に示すように、ピストン６が圧縮上死点（ＴＤＣ）を過ぎたところで吸気バルブ（ＩＶ）１４を開く。すると、吸気管２０および吸気ポート１２を通ってスロットルバルブ１９で流入量が調整された空気が、前サイクルの既燃ガス（残留ガス）が残る燃焼室９内に流れ込む。ピストン６が圧縮下死点（ＢＤＣ）を過ぎると吸気バルブ１４が閉じられ、燃焼室９内の空気および残留ガスが圧縮され、圧縮上死点付近で燃料噴射装置１８から燃料が燃焼室９内に噴射される。このとき、筒内ガス温度が１０００Ｋを超えると、前サイクルの残留ガスの熱により燃料が自己着火して燃焼し、ピストン６を押し下げる力となり、コンロッド７を介してクランクシャフト８の回転エネルギーに変換される。最後に、ピストン６が圧縮下死点に到達する前に排気バルブ（ＥＶ）１５を開いて既燃ガスの一部を排気ポート１３から排気管２１およびマフラー２２を介して外部に排出し、ピストン６が圧縮上死点に到達する前に排気バルブ１５を閉じて、１サイクルを終了する。

通常の火花点火運転においては、排気行程と吸気行程との間である圧縮上死点の近傍で、吸気バルブ１４と排気バルブ１５とが同時に開いた状態（バルブオーバラップ）を有するが、以上の説明のように、圧縮自己着火運転においては、残留ガスを燃焼室９内に留めるために、排気行程と吸気行程の間の圧縮上死点近傍では吸気バルブ１４も排気バルブ１５も閉じた状態であり、以降の説明において、排気バルブ１５が閉じて吸気バルブ１４が開くまでのクランクシャフト８の角度を「負のオーバラップ量」と呼ぶ。

なお、このような圧縮自己着火運転が可能なエンジン１は、運転状況に応じて、火花点火運転と圧縮自己着火運転とを切り換え可能に構成されている。そのため、図１には図示しないが、エンジン１には、燃焼室９内の燃料に点火するための点火プラグが設けられている。

燃焼室９内で、圧縮自己着火が起るのは、筒内ガス温度が高温酸化反応の連鎖開始温度に達するためであり、この燃焼方式によると、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出が低くなるが、これは、作動ガスが窒素酸化物発生開始温度（≒１８００Ｋ）を超える時間が短いためだと考えられる。ここで、筒内ガス温度が１０００Ｋに達し、規定量の燃料が等容的に完全燃焼したとき、燃焼後の筒内ガス温度が何度になるかを、燃料の燃焼による燃焼室９内の温度上昇の熱力学的見積りにより行う。まず、熱力学的見積りを行う仮定としては、筒内ガスは、等容的に完全燃焼し、燃焼による発熱は全て筒内ガス温度上昇に使われるものとし、熱乖離は起らないものとする。また、筒内ガスは理想気体であり昇温行程の平均比熱が適用され、筒内ガス温度は均一とする。このような仮定の下、このエンジンの排気量をＶとし、圧縮比をεとし、充填効率をηcとし、空気密度をρとし、ＥＧＲ率（燃焼後の既燃ガス（これを「ＥＧＲ」と呼ぶ）が筒内全ガス量に対して占める割合）をξとし、当量比（燃料と空気の質量混合割合（燃空比）を燃料と空気が過不足なく混合された場合の燃空比（理論混合比）で割ったもの）をΦとし、燃料の低発熱量をＨuとし、燃料の理論混合比をαとすると、空気質量Ｇaは次式（１）で表わされ、燃料質量Ｇfは次式（２）で表わされ、混合気質量Ｇuは次式（３）で表わされ、残留ガス質量Ｇrは次式（４）で表わされ、燃料発熱量Ｑは次式（５）で表わされる。

以上の結果を熱力学の第一法則に適用すると、次式（６）として表わされ、結果として、自己着火開始から完全燃焼後の昇温（燃焼開始温度と燃焼後のピーク温度の偏差）ΔＴは次式（７）として表わされる。なお、式（６）および（７）において、Ｃvfは混合気の定積比熱を表わし、Ｃvrは残留ガスの定積比熱を表わす。

この式（６）で示すように、筒内ガスが完全燃焼した時、この筒内ガスの到達温度は、燃料の発熱量Ｑに対する作動ガスの熱容量（定積比熱Ｃvf，Ｃvrと作動ガスの質量Ｇf，Ｇrの積）で一義的に定まる。すなわち、同じ熱量であっても、熱容量の違いにより燃焼速度に影響を与える。そして、式（７）に示すように、自己着火開始温度からの昇温（以下、「偏差」と呼ぶ）ΔＴは、空燃比Φ／αと、ＥＧＲ率ξで決定されるため、この空燃比Φ／αとＥＧＲ率ξが判れば、偏差ΔＴは、エンジンの排気量や運転負荷の如何に拘わらず決定される。上述のように、ＦＩ制御ユニット４１により、燃料噴射量が制御されるエンジン１においては、運転状態に応じて当量比Φが既知であるため、ＥＧＲ率ξのみを検知すれば、偏差ΔＴを算出することができる。以上のように、この自己着火開始温度と燃焼後のピーク温度との偏差ΔＴは発生熱量Ｑを代替するパラメータであり、このパラメータにより、燃焼速度そのものを制御することができる。そのため、この偏差ΔＴが常に適切な値の範囲に収まるような方向にそれぞれの調整要素を制御すれば、燃焼温度は安定した高温酸化反応持続最低温度と窒素酸化物発生温度との間に保たれ、かつ、安定した圧縮自己着火燃焼を行うことができる。

このように、圧縮自己着火燃焼の実用化のための制御要素は次の２点である。第１に、発生時期の制御であり、圧縮上死点で筒内ガス温度を１０００Ｋより高くすることが必要である。また、第２に、着火後の熱発生の制御であり、偏差ΔＴを所定の範囲に収束させることが必要である。圧縮上死点で筒内ガス温度が１０００Ｋより高くならないと、圧縮自己着火燃焼を起こすことができず、一方、偏差ΔＴを所定の範囲に収束させないと、着火後失火するか、若しくは、ノッキングが発生してしまう。

さらに、式（７）等から明らかなように、この偏差ΔＴはＥＧＲ率ξにて置き換え可能であるため、このＥＧＲ率ξを制御することにより、発生熱量Ｑを制御して理想的な圧縮自己着火燃焼を実現することができ、また、偏差ΔＴの制御パラメータをＥＧＲ率ξに可及的に削減できるため、その制御アルゴリズムの簡易化を図ることができる。

以上のように、偏差ΔＴは、エンジン１の運転負荷や速度に依らず、ＥＧＲ率で一義的に決定することができる。図３において、白丸のシンボルは、運転負荷や速度を変えた状態で圧縮自己着火燃焼を行い、そのときのＥＧＲ率と偏差ΔＴとの関係を測定した結果である（黒三角は、火花点火燃焼の測定結果を示す）。また、この図３において、実線は、上記式（７）から導き出される理論計算値を示す。このように、式（７）で導き出される理論計算値は、実験値にほぼ一致していることが判る。なお、ＥＧＲ率が低い領域（通常は火花点火燃焼による運転を行う領域）において、実験値が理論値より低くなっているのは、熱乖離の影響と考えられる。しかし、圧縮自己着火燃焼が起るＥＧＲ率の範囲では、このＥＧＲ率は十分に偏差ΔＴのパラメータとすることができる。

一般的に、ＥＧＲ率が２０％近辺は、ノッキングが発生し、窒素酸化物の増加面から限界となる。また、ＥＧＲ率が８０％近辺は、ミスファイアが発生するとともに、炭化水素（ＨＣ）の増加面から限界となる。この図３から明らかなように、ＥＧＲ率が４０〜５０％のとき、すなわち、偏差ΔＴをおよそ１０００Ｋに収束するように制御すると、理想的な圧縮自己着火燃焼が行われる。なお、この図３に示す実験例は、一例に過ぎず、ＥＧＲ率と偏差ΔＴとの関係は、エンジン形態、使用するセンサ精度と計測位置等により変化する。

ところで、ＥＧＲには、ＥＧＲライン（図１においては図示せず）を通り吸気に戻される外部ＥＧＲと、前サイクルの燃焼後のガスが排気ポートに排気されずに筒内に残留した既燃ガスからなる内部ＥＧＲとから構成されるが、ここでは、上述のＥＧＲ率ξとして、内部ＥＧＲの割合（内部ＥＧＲ率）を用いる場合について説明する。

内部ＥＧＲ率を算出するためには、まず、混合気と残留ガスのエンタルピ保存則、および、吸気行程終了時の状態方程式より、残留ガス質量Ｇrを算出する。ここで、残留ガス質量Ｇrを算出するためには、上述の吸気温センサ３０で検出される吸気温度Ｔu、排気温センサ３１で検出される排気温度Ｔr、吸気バルブ１４が閉じられたときに絶対圧センサ３２で検出される筒内圧力Ｐivc、このときの燃焼室９の体積Ｖivc、混合気質量Ｇu、空気質量Ｇa、および、ガス定数Ｒを用いる。なお、エンジン１において、ＥＧＲラインが設けられている場合は、外部ＥＧＲガス質量Ｇegreをさらに用いる。

混合気質量Ｇfは、ＦＩ制御ユニット４１で制御される燃料噴射量若しくは燃費計等により既知の値であり、また、空気質量Ｇaは空燃比と燃料質量Ｇfから算出可能である。また、吸気バルブ１４が閉じられたときの燃焼室９の体積Ｖivcは、クランクタイミングセンサ３３で検出されるクランクシャフト８の回転角度と、エンジン１の機関諸元（ボア×ストローク、コンロッド長、圧縮比、オフセット量等）から算出可能である。ここで、外部ＥＧＲガス質量Ｇegreは、次式（８）に示す外部ＥＧＲ率ＥＧＲ_e［％］から算出が可能である。

そして、以上のようにして算出された新気質量Ｇa、混合気質量Ｇf、および、残留ガス質量Ｇrから、内部ＥＧＲ率ｙ_egrは、次式（９）により求めることができる。

図１に示すように、本実施例においてはこのエンジン１に、ＥＧＲ率演算ユニット４２を設け、吸気温センサ３０、排気温センサ３１、絶対圧センサ３２、および、クランクタイミングセンサ３３の検出値から上述の式（８），（９）により、ＥＧＲ率（内部ＥＧＲ率ｙ_egr）を算出して、このＥＧＲ率を圧縮自己着火燃焼運転の制御に用いる、すなわち、偏差ΔＴの制御に用いるように構成されている。

本実施例においては、ＥＧＲ率（内部ＥＧＲ率ｙ_egr）を用いたフィードバック制御として、バルブイベント制御ユニット４０により負のオーバラップ量を変えて偏差ΔＴを制御する場合について説明する。まず、図２および図４を用いて負のオーバラップ量とＥＧＲ率の関係について説明する。図４に示すＰ−Ｖ線図において、Ｖ₀は、ピストン６が圧縮上死点にあるときの燃焼室９の体積を示し、Ｖ₂は、ピストン６が圧縮下死点にあるときの燃焼室９の体積を示し、Ｖ₁は、排気行程から吸気行程における排気バルブ１５が閉じるとき、および、吸気バルブ１４が開くとき（すなわち、負のオーバラップのとき）の燃焼室９の体積を示している。そのため、バルブイベント制御ユニット４０により、負のオーバラップ量を増加させると、体積Ｖ₁が大きくなり、その結果、残留ガス質量Ｇrが増加し、混合気質量Ｇuが減少するため、式（９）より、ＥＧＲ率は増加する。反対に、負のオーバラップ量を減少させると、体積Ｖ₁が小さくなり、ＥＧＲ率も減少する。

図１に示すように、ＥＧＲ率演算ユニット４２で演算されたＥＧＲ率は、バルブイベント制御ユニット４０に入力される。このバルブイベント制御ユニット４０は、図５に示すように、エンジン１の燃焼サイクル毎に、ＥＧＲ率演算ユニット４２からＥＧＲ率を読込み、また、ＦＩ制御ユニット４１から空燃費を読み込み（ステップＳ１００）、これらの値から式（７）により偏差ΔＴを演算する（ステップＳ１０１）。そして、この偏差ΔＴが目標値（図３に示すエンジンでは、１０００Ｋ）より大きいか否かを判断し（ステップＳ１０２）、偏差ΔＴが目標値より大きい場合は、負のオーバラップ量を増加させ（ステップＳ１０３）、目標値より小さい場合は、負のオーバラップ量を減少させて（ステップＳ１０４）、偏差ΔＴを目標値に収束させる。

このように、ＥＧＲ率により、例えば負のオーバラップ量を変化させて、偏差ΔＴを所望の値に収束させるように構成すると、次サイクルの圧縮自己着火燃焼を安定して発生させ、また、着火後の燃焼を穏やかなものとすることができるので、良好な圧縮自己着火燃焼を行うことができる。また、ＥＧＲ率で偏差ΔＴを制御することにより、圧縮自己着火燃焼エンジン１の制御が非常に簡単になり、予期せぬ事象に対する制御の確実性を飛躍的に向上させることができる。このとき、ＥＧＲ率を算出するために用いた、機関諸元はエンジン１の設計時点で既知の値であり、また、燃料噴射量、空燃比、吸気温度、排気温度、および、筒内圧力は、エンジン１において通常使用されているセンサ類から取得することができるため、専用のセンサ等を設ける必要がなくエンジン１のコストを低減することができる。

本発明に係るエンジンの構成を示すブロック図である。 圧縮自己着火運転におけるバルブタイミング・ダイアグラムである。 ＥＧＲ率と偏差ΔＴの関係を示すグラフである。 圧縮自己着火運転におけるＰ−Ｖ線図である。 バルブイベント制御ユニットにおいて、負のオーバラップ量を決定する処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ エンジン（圧縮自己着火内燃機関）
９ 燃焼室
１４ 吸気バルブ（可変バルブ機構）
１５ 排気バルブ（可変バルブ機構）
１６，１７ 油圧電磁バルブ駆動装置（可変バルブ機構）
１８ 燃料噴射装置（燃料噴射機構）
４０ バルブイベント制御ユニット（可変バルブ機構）
４１ ＦＩ制御ユニット（燃料噴射機構）

Claims (3)

1. 燃焼室（９）内に任意の量の燃料を供給する燃料噴射機構（１８）と、前記燃焼室（９）内における既燃ガスおよび混合気の割合を可変させる可変バルブ機構（１４，１５，１６，１７）とを有し、前記燃料を圧縮自己着火燃焼させる圧縮自己着火内燃機関において、
   前記燃焼室（９）における燃焼開始温度と燃焼後のピーク温度との偏差を算出し、
   前記偏差が目標値より大きい場合は、排気工程と吸気工程の間の圧縮上死点近傍において前記可変バルブ機構（１４，１５，１６，１７）の吸気バルブ（１４）および排気バルブ（１５）が両方とも閉じるクランクシャフト（８）の角度範囲である負のオーバーラップ量を増加させ、前記偏差が前記目標値より小さい場合は、前記負のオーバーラップ量を減少させることにより、前記偏差を所定の範囲内に収束させるように制御する圧縮自己着火内燃機関の制御方法。
2. 前記既燃ガスが前記燃焼室（９）内の全ガス量に対して占める割合であるＥＧＲ率と空燃比から前記偏差を算出することにより、前記偏差を前記ＥＧＲ率で代替する請求項１に記載の圧縮自己着火内燃機関の制御方法。
3. 前記ＥＧＲ率を、燃料噴射量、空燃比、吸気温度、排気温度、筒内圧力、および、機関諸元から算出するように構成された請求項２に記載の圧縮自己着火内燃機関の制御方法。

Images