JP4836832B2 - 内燃エンジン、特にガソリン式の直接噴射型過給エンジンの燃焼相を制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃エンジンの燃焼相を制御する方法に関する。特に、本発明は、好ましくはガソリン式の火花点火エンジン、特に有利には直接噴射型過給エンジンのための方法に関する。

この種のエンジンは、シリンダーの横方向内壁と、このシリンダー内をスライドするピストンの頂部と、シリンダーヘッドとによって区画された燃焼室を含む、少なくとも１つのシリンダーを有する。一般に、燃料混合物がこの燃焼室内に収容され、圧縮段階が行われ、次に、点火プラグなどの火花点火による燃焼段階が行われる。これらの段階は、以下の説明中では「燃焼段階」という用語でまとめられる。

この燃料混合物は、様々な種類の燃焼が生じることがあり、かつ、これらの燃焼の種類が、それぞれの異なる圧力レベルと、エンジンに重大な損傷を与えるおそれがある場合がある機械応力および／または熱応力の発生源となることが判っている。

通常の燃焼、すなわち正常な燃焼と呼ばれる第１の燃焼は、前のエンジン圧縮段階中に圧縮された燃料混合物の燃焼が伝搬した結果生じる。この燃焼は、通常、プラグの所で発生した火花から炎の前面に伝搬し、これがエンジンを損傷する危険性はない。

他の種類の燃焼は、燃焼室内の望ましくない自己発火の結果生じるノッキング燃焼である。要するに、燃料混合物の圧縮段階の後に、この燃料混合物に点火させるようにプラグが作動させられる。点火プラグによる燃料混合物への点火の結果として生じる炎の前面が接近する前に、ピストンによって生じる圧力と、燃料混合物の燃焼開始によって放出される熱との影響によって、圧縮された燃料混合物の一部が突然かつ局所的に自己発火する。このメカニズムは、エンジンノックと呼ばれ、局所的な圧力を高くし、繰り返し起こる場合には、エンジン、主にピストンの所を破壊するような作用が生じることがある。

最後に、他の種類の燃焼は、点火プラグが燃焼室内に存在する燃料混合物への点火を開始する前の、燃料混合物の事前発火による異常燃焼である。

この異常燃焼は、主として、小型化が行われたエンジンに影響を与える。小型化は、従来のエンジンと同じ出力および／または同じトルクを維持しつつ、エンジンのサイズおよび／または容量を小さくするためのものである。一般に、この種のエンジンは、本質的にはガソリン式であり、過給されるものである。

この異常燃焼は、エンジンノックのために燃料混合物の燃焼のタイミングを最適化できず、高負荷で、全体的にエンジン速度が低い時に生じることが判っている。過給の結果として燃焼室内が到達する高圧および高温のために、異常燃焼は、点火プラグによって燃料混合物への点火が行われるよりもかなり前に、散発的に、または連続的に開始することがある。この燃焼は、第１の炎の伝搬相が生じるのが、通常の燃焼の第１の炎の伝搬相と比べて早過ぎることを特徴とする。この伝搬相は、燃焼室内に存在する燃料混合物の大部分を巻き込む自己発火によって中断することがある。

この異常燃焼が、エンジンサイクル毎に繰り返し起こり、例えばシリンダーのホットスポットから開始する場合、これを「事前発火」と呼ぶ。この燃焼が突然、無秩序かつ散発的に生じる場合、これを「ランブル（rumble）」と呼ぶ。

後者の異常燃焼は、圧力レベルを非常に高くする（１２０バールから２５０バール）とともに、ピストンやピストンロッドのようなエンジンの可動部材を部分的または全体的に破壊するおそれがある、熱の伝達の増大を招く。

そこで、本発明は、エンジンに一般に用いられている装置およびシステムを用いて、「事前発火」型と「ランブル」型の異常燃焼の開始を確認することを目的とする。本発明は、異常燃焼を確認した後に、この異常燃焼が、エンジンサイクル中に、エンジンを破壊するような結果をもたらす程に発達するのを防止できるようにするステップを講じることを目的とする。

したがって、本発明は、燃料供給手段と、吸気弁を備えた吸気手段と、排気弁を備えた排気手段とを有する少なくとも１つのシリンダーを含み、シリンダーは、内部で圧縮段階が実施され、その後に火花点火手段による燃料混合物の燃焼段階が実施される燃焼室を有する、内燃エンジン、特にガソリン式の直接噴射型過給エンジンの燃焼を制御する方法において、圧縮段階中および燃焼段階中に、燃料混合物の状態を表す少なくとも１つのパラメータに関する量を測定することと、測定された量の大きさによって決まる値を求めることと、圧縮段階中および燃焼段階中に、求められた値を、燃料混合物の通常の状態に対応するパラメータに関する量に相当する少なくとも１つのしきい値と比較することと、求められた値がしきい値を越え、点火手段が作動していないときに、異常燃焼の開始を検出することと、燃焼室で検出された異常燃焼の進行を規制することとを含むことを特徴とする方法に関する。

この方法は、異常燃焼の開始が検出されたクランク角度の後の５°から１０°の間の範囲のクランク角度のときに、異常燃焼を規制してもよい。

この方法は、異常燃焼を規制することを目的とする薬剤を燃焼室内に送り込むことを含んでいてもよい。

この薬剤は、燃料および／または水および／または二酸化炭素を含んでいてもよい。

この方法は、異常燃焼を規制するために燃焼室内の圧力を低下させることを含んでいてもよい。

この方法は、燃焼室内の圧力を低下させるために、少なくとも１つの追加の弁を開くことを含んでいてもよい。

この方法は、燃焼室内の圧力を低下させるために、吸気弁と排気弁の少なくとも一方を開くことを含んでいてもよい。

この量は、燃焼室内の燃料混合物の圧力に対応するものであってもよい。

この量は、燃焼室内の燃料混合物の電離電流に対応するものであってもよい。

この量は、燃焼室内の燃料混合物によって発生する振動に対応するものであってもよい。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して以下の説明を読むことによって明らかになるであろう。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、ガソリン式火花点火過給内燃エンジン１０の一例を示す。もちろん、例えばＶＮＧやＬＰＧなどのガスで走行するエンジンのような、他の任意の種類の火花点火エンジンを用いることもできる。このエンジンは、概ね、シリンダーの内壁と、シリンダーヘッドのピストンと向かい合う部分と、ピストンの頂部とによって区画されている燃焼室１４を備えた、少なくとも１つのシリンダー１２を含む。特に、この燃焼室１４内では、空気、好ましくは過給された空気と、ここではガソリンである燃料との混合物の燃焼が起こる。

シリンダー１２は、例えば、燃焼室１４内に開口し、弁２０によって制御される燃焼噴射ノズル１８の形態の、加圧された燃料を供給する少なくとも１つの手段１６を有している。このシリンダー１２は、吸気管２６に付属する弁２４を備えた少なくとも１つの給気手段２２と、弁３０および排気管３２を備えた少なくとも１つの燃焼ガス排出手段２８と、燃焼室１４内に存在する燃料混合物に点火し得る１つまたは複数の火花を発生可能にする、点火プラグなどの少なくとも１つの点火手段３４も有している。

このエンジンの排出手段２８の排気管３２は、排気配管３８に接続された排気用多岐管３６に接続されている。ターボチャージャーまたは容積式圧縮機などの過給装置（図示せず）は、加圧された吸気（すなわち過給された空気）を、吸気管２６を通して燃焼室１４内に送り込めるようにする。

このエンジンは、燃焼室１４内の燃料混合物の燃焼相（燃焼段階が後に続く圧縮段階）に関する少なくとも１つの量を測定する手段４０を有している。特に、このエンジンは、圧縮段階および燃焼段階中の燃料混合物の状態を表すパラメータに関する少なくとも１つの量を測定する手段を有している。

より厳密には、以下の説明で検討される燃料混合物の状態を表すパラメータは、シリンダーの内部圧力のパラメータである。したがって、図１に示されている例では、これらの測定手段は、燃焼室と向かい合って配置され、燃焼室内を占める圧力の変化を測定できるようにする圧力検出器４２を含んでいる。

もちろん、本発明の範囲から逸脱することなく、燃焼中の燃料混合物の電離電流を表す信号を生成する電離プローブ、または光学検出器のような、他の任意の手段を用いることもできる。一例としては、これらの手段は、振動波を表す信号を生成できるようにする加速度計のような、通常はエンジンのシリンダーのケーシングに配置されるノック検出手段を有していてもよい。

公知のように、エンジンは、エンジンコンピュータと呼ばれ、このエンジンの走行を制御できるようにする計算および制御ユニット４４を有している。特に、このエンジンコンピュータは、エンジンに備えられた様々な検出器、プローブおよび／または検出手段に直接的に、または導体によって間接的に接続されており、水の温度、オイルの温度、または燃焼室内の圧力などの、検出器などから発せられる信号を受け取ることができる。これらの信号は計算によって処理され、次に、この計算および制御ユニット４４は、エンジンが円滑に走行するのを確実にするように、制御線を通してこのエンジンの構成部材を制御する。

したがって、図１に示されている例の場合、点火プラグ３４は、燃料混合物の点火時間を制御するために、制御線４６によってエンジンコンピュータに接続されており、噴射ノズル１８を制御する弁２０は、噴射される燃料の量や噴射時間のような、燃焼室内への燃料噴射のパラメータを制御するために、制御線４８によってエンジンコンピュータ４４に接続されている。圧力検出器４２は、燃焼室内を占める圧力を表す信号をエンジンコンピュータに送るために、導体５０によってこのエンジンコンピュータに接続されている。

このエンジンコンピュータは、運転者が必要とするエンジン速度や出力のような、エンジンの様々な走行条件に応じて、エンジンの動作に必要なパラメータを求められるようにするマッピングまたはデータチャートも有している。したがって、これらのマッピングには、これらの様々な走行条件に応じて、より一般的にはシリンダー圧力と呼ばれる、シリンダー内を占める圧力に関する量のような、燃焼相中の燃料混合物の状態を表す少なくとも１つのパラメータに関する量の変化を表にしたものがある。

図２を見るとよりよく判るように、曲線Ｃ（実線）は、限定するものではないが一例として、通常の燃焼相中のクランク角度（゜ＣＡ）に応じた、燃焼室内の圧力（バール単位）の通常の変化を示している。

この通常の燃焼相中に、ピストンは、圧縮下死点（約１８０゜ＣＡであるＰＭＢｃ）と圧縮上死点（約３６０゜ＣＡであるＰＭＨｃ）の近傍との間で、燃焼室内に存在する燃料混合物を圧縮する。（上死点ＰＭＨに対して数度高いまたは数度低い）上死点ＰＭＨの近傍では、燃焼を開始させるためにプラグの所で火花Ｅが発生する。この燃焼開始によって、３８０°ＣＡ（点Ａ１）の所を見れば判るように、シリンダー圧力が上昇に移行する。この燃焼によって放出された熱は、燃焼室内の圧力が大気圧に近い膨張下死点ＰＭＢｄまでの燃焼段階の間、仕事に変換される。

燃焼室内で起こるあらゆる異常燃焼を規制するために、燃焼室１４内の圧力を測定する手段、ここでは圧力検出器４２が、ＰＭＢｃとＰＭＢｄとの間の燃焼相（燃焼段階が後に続く圧縮段階）の間、燃焼室内の燃料混合物の圧力を測定する。この圧力情報は、線５０を通してエンジンコンピュータ４４に送られる。エンジンコンピュータ４４は、一般に計算によって、測定された圧力の大きさによって決まる値を求める。一例に過ぎないが、このエンジンコンピュータ４４は、シリンダーの容積の決まりに関連する、クランク角度に応じた圧力信号を用いる。より厳密には、この値は、圧力と、容積に関連する容積導関数と、燃焼室内に収容された燃料混合物のエネルギー放出が判るようにする圧力導関数とを考慮した計算によって求められる。この値は、次に、通常の燃焼相についての燃料混合物の状態に対応する少なくとも１つのパラメータの変化に相当するしきい値と比較される。有利には、このしきい値はエンジンコンピュータのデータチャートに入れられている。また、このしきい値は、シリンダーの容積の決まりに関連する、クランク角度に応じた圧力信号を考慮することによって、事前に算出されチャート内に記憶される。これによって、エンジンコンピュータは、一方では、求められた値がしきい値を超え、燃焼が生じたことが示されたときであって、他方では、このようにしきい値を超えることが、サイクルの早い時期、すなわち、プラグの所で火花が生じる前に起こったときに、燃焼室内の「ランブル（rumble）」または「事前発火」型の異常燃焼の開始を検出することができる。したがって、燃焼が生じていて、この燃焼が、点火プラグによって燃料混合物に点火される前に起こったときに、異常燃焼が検出される。

異常燃焼の進行とその規制を示す図２に点線の曲線で示されているように、燃料混合物の燃焼の開始と燃料混合物の自己発火との間に、図面ではＲ１およびＲ２によって示されている、５°ＣＡと１０°ＣＡの間の数度の炎伝搬相が存在する。この間に、エンジンコンピュータは、燃焼の開始と、火花の発生に対して早い時期に燃焼が生じていることとを検出することができる。異常燃焼の場合、このエンジンコンピュータは、次に、このような燃焼が継続するのを防止しつつ、この燃焼の規制に必要な処置を開始する。

異常燃焼の規制と呼ばれるのは、圧力が急激かつ破壊的に上昇するのを防止するためにこの燃焼の進行を規制できるようにすることだけでなく、たとえば、消火によってこのような燃焼を完全に停止させることである場合もある。

この燃焼の規制は、クランク角度Ｒ２においてノズル１８を通して燃料を再噴射することによって行われることが好ましい。より厳密には、エンジンコンピュータは弁２０を、関連するシリンダーの噴射ノズルがある量の燃料を液体の形態で燃焼室内に送り込むことができるように制御する。再噴射される燃料の量は、エンジンの構成によって決まり、最初にこの燃焼室内に送り込まれた燃料の量の１０％から２００％の範囲であってよい。したがって、再噴射された燃料は、異常燃焼の場合に広がり始める炎を抑制するのに用いられる。この再噴射は、炎を吹き消すか、または燃料混合物の燃料／空気比を高くすることによって炎を消火するのを可能にする。さらに、液体の形態で噴射された燃料は、この炎の周りに存在する熱を用いて蒸発し、炎の周りの温度条件によって、燃料混合物の燃焼、特に燃料混合物の自己発火を弱くし、遅らせる。

この燃料噴射の後、シリンダー内の圧力は高くなるが、それほど急激に高くなるわけではない。その圧力は、次に、曲線Ｃに繋がり、通常の燃焼の圧力レベルと同等のレベルに達するまで低下する。

したがって、燃焼速度が速く圧力が高い異常燃焼の発達が防止される。

もちろん、異常燃焼を規制する手段は、このような燃焼がエンジンコンピュータによって検出される各サイクルに用いられる。

上述の方法の処置を、スロットルブレードを閉じることなどの、他のより低速の処置と組み合わせて、燃焼室内の圧力条件によって次のサイクル中に異常燃焼が促進されるのを防止することができる。

本発明は、上述の例に限定されず、様々な変形例および均等なものを包む。

特に、本発明の範囲から逸脱することなく、異常燃焼を停止させることを目的とする他の薬剤を燃焼室内に送り込むことができる。したがって、これらの薬剤は、蒸気または液体の形態の水、あるいは二酸化炭素であってよい。この場合、エンジンは、専用循環路（ポンプやタンクなど）に付属する、これらの薬剤を導入するための特定の追加のノズルを有する。

圧力解放弁を開くことによる圧力解放によって燃焼室の内部圧力を低下させることで、異常燃焼を規制することも可能である。この弁は、追加の弁、あるいは吸気弁２４および／または排気弁３０であってよい。

さらに、本発明は、間接噴射型の火花点火エンジンに関連していてもよい。この場合、異常燃焼の進行は、上述したように特定のノズル（燃料、水、ＣＯ₂）によって、または弁を開くことによって規制される。

本発明による燃焼相の制御方法を用いるエンジンを示す図である。 通常の燃焼相と異常燃焼の圧力曲線を示す図である。

符号の説明

１０ 内燃エンジン
１２ シリンダー
１４ 燃焼室
１６ 燃料を供給する手段
１８ 燃焼噴射ノズル
２０ 弁
２２ 給気手段
２４ 吸気弁
２６ 吸気管
２８ 燃焼ガス排出手段
３０ 排気弁
３２ 排気管
３４ 点火手段（点火プラグ）
３６ 排気用多岐管
３８ 排気配管
４０ 測定する手段
４２ 圧力検出器
４４ 計算および制御ユニット（エンジンコンピュータ）
４６ 制御線
４８ 制御線
５０ 導体

Claims (11)

1. 燃料供給手段（１６）と、吸気弁（２４）を備えた吸気手段（２２）と、排気弁（３０）を備えた排気手段（２８）とを有する少なくとも１つのシリンダー（１２）を含み、前記シリンダーは、内部で圧縮段階が実施され、その後に火花点火手段（３４）による燃料混合物の燃焼段階が実施される燃焼室（１４）を有する、ガソリン式の直接噴射型過給エンジンである内燃エンジンの燃焼を制御する方法において、
   前記圧縮段階中および前記燃焼段階中に、前記燃料混合物の状態を表す少なくとも１つのパラメータに関する量を測定することと、
   測定された前記量の大きさによって決まる値を求めることと、
   前記圧縮段階中および前記燃焼段階中に、求められた前記値を、前記燃料混合物の通常の状態に対応する前記パラメータに関する前記量に相当する少なくとも１つのしきい値と比較することと、
   求められた前記値が前記しきい値を越え、前記点火手段が作動していないときに、異常燃焼の開始を検出することと、
   前記燃焼室で検出された前記異常燃焼の発達を規制することと
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記異常燃焼の発達を規制することを目的とする薬剤を前記燃焼室内に送り込むことを含む、請求項１に記載の燃焼制御方法。
3. 前記異常燃焼の発達を規制するために、燃料を含む薬剤を前記燃焼室内に送り込む、請求項２に記載の燃焼制御方法。
4. 前記異常燃焼の発達を規制するために、水を含む薬剤を前記燃焼室（１４）内に送り込む、請求項２に記載の燃焼制御方法。
5. 前記異常燃焼の発達を規制するために、二酸化炭素を含む薬剤を前記燃焼室（１４）内に送り込む、請求項２に記載の燃焼制御方法。
6. 前記異常燃焼の発達を規制するために前記燃焼室（１４）内の圧力を低下させることを含む、請求項１に記載の燃焼制御方法。
7. 前記燃焼室（１４）内の前記圧力を低下させるために、少なくとも１つの追加の弁を開くことを含む、請求項６に記載の燃焼制御方法。
8. 前記燃焼室（１４）内の前記圧力を低下させるために、前記吸気弁（２４）と前記排気弁（３０）の少なくとも一方を開くことを含む、請求項６に記載の燃焼制御方法。
9. 前記量は、前記燃焼室内の前記燃料混合物の圧力に対応する、請求項１に記載の燃焼制御方法。
10. 前記量は、前記燃焼室内の前記燃料混合物の電離電流に対応する、請求項１に記載の燃焼制御方法。
11. 前記量は、前記燃焼室内の前記燃料混合物によって発生する振動に対応する、請求項１に記載の燃焼制御方法。

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