JP5756399B2

JP5756399B2 - 圧縮着火内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP5756399B2
Application number: JP2011286795A
Authority: JP
Inventors: 響古賀; 古賀　　響
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2031-12-27
Also published as: JP2013133813A

Description

この発明は圧縮着火内燃機関の制御装置に関し、より詳しくは燃料と空気とを混合して得た予混合気を燃焼室に供給し、これを高圧縮比の下で自着火を行わせ、高い熱効率を得るようにした予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置の改良に関する。

予混合圧縮自着火式内燃機関は、例えば特許文献１に開示されるように、燃焼室に供給される混合気（予混合気）を予混合圧縮着火燃焼させる圧縮着火運転（ＨＣＣＩ（Homogeneous Charge Compression Ignition）運転）と点火プラグを介して混合気を火花点火燃焼させる火花点火運転（ＳＩ（Spark Ignition）運転）のいずれかを行うように構成される。このような内燃機関においては、予混合気を高圧縮比（通常の火花点火式内燃機関の圧縮比より高い）の下で圧縮することで、同時多点的に自着火するため、燃焼室全体への火炎の伝播が早く、燃焼が短時間に完了し、よって熱効率が改善され、低燃費性を良好にしつつＮＯｘの排出量を減少させ得る利点がある。

上記した内燃機関にあっては、始動時には火花点火運転を行い、その後暖機が終了するとき圧縮着火運転に切り替えるように構成される。しかしながら、圧縮着火運転の場合、排気温度が低下するため、排気浄化用触媒の温度も低下して活性状態を維持できず、排気エミッション性能が悪化するという不都合が発生するおそれがあった。

そこで、例えば排気を加熱するヒータなどの付加装置を配置することが考えられる。また、特許文献２に記載される如く、排気浄化用触媒を２分割にして上流側と下流側に配置するように構成し、排気温度が低下した場合であっても、下流側の触媒の活性状態を可能な限り長く維持するようにした技術が提案されている。

特開２００５−６９０９７号公報特開２００７−３０９２５１号公報

しかしながら、ヒータなどの付加装置を設けたり、または特許文献２記載の技術の如く構成すると、付加装置や排気浄化用触媒を２分割した分だけ構造が複雑になると共に、機関全体が大型化するという不具合が生じていた。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、大型化を招くことがないと共に、簡易な構成でありながら火花点火運転と圧縮着火運転の切り替えを適切に制御し、よって排気エミッション性能を向上させるようにした圧縮着火内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記した課題を解決するために、請求項１にあっては、ガス燃料圧縮着火汎用内燃機関の燃焼室に配置される点火手段と、前記機関の運転を前記燃焼室に供給される混合気を予混合圧縮着火燃焼させる圧縮着火運転と前記点火手段を介して前記混合気を火花点火燃焼させる火花点火運転との間で切り替える運転切替手段とを備えたガス燃料圧縮着火汎用内燃機関の制御装置において、前記機関の排気系に配置される排気浄化用触媒と、前記触媒の温度を検出する触媒温度センサと、前記機関の吸気バルブと排気バルブを任意の時期で開閉自在な可変動弁機構とを備え、前記運転切替手段は、前記可変動弁機構の動作を制御することで前記機関の運転を前記火花点火運転と前記圧縮着火運転との間で切り替えるものであって、前記運転切替手段は、前記機関の圧縮着火運転のときに検出される触媒温度が第１所定値未満の場合、前記圧縮着火運転から前記火花点火運転に切り替えると共に、前記機関の火花点火運転のときに検出される触媒温度が、前記第１所定値以上の値に設定される第２所定値より大きい場合、前記火花点火運転から前記圧縮着火運転に切り替える如く構成した。

請求項１に係るガス燃料圧縮着火汎用内燃機関の制御装置にあっては、機関の吸気バルブと排気バルブを任意の時期で開閉自在な可変動弁機構の動作を制御することで機関の運転を火花点火運転と圧縮着火運転との間で切り替えるものであって、機関の排気系に配置される排気浄化用触媒の温度を検出し、機関の圧縮着火運転のときに検出される触媒温度が第１所定値未満の場合、圧縮着火運転から火花点火運転に切り替えると共に、機関の火花点火運転のときに検出される触媒温度が、第１所定値以上の値に設定される第２所定値より大きい場合、火花点火運転から圧縮着火運転に切り替えるように構成、換言すれば、圧縮着火運転のときに触媒温度が低下した場合は圧縮着火運転から火花点火運転に切り替え、火花点火運転のときに触媒温度が上昇した場合は火花点火運転から圧縮着火運転に切り替える（戻す）ように構成したので、簡易な構成でありながら火花点火運転と圧縮着火運転の切り替えを適切に制御でき、よって排気浄化用触媒の温度を比較的高く保持できる、即ち、触媒の活性状態を維持でき、排気エミッション性能を向上させることができる。また、ヒータなどの付加装置や特許文献２記載の技術のような２分割された排気浄化用触媒を不要にすることができるため、機関全体の大型化を招くことがないと共に、コスト的にも有利である。

また、より簡易な構成で火花点火運転と圧縮着火運転の切り替えを行うことができる。

また、第２所定値を第１所定値と相違する値、具体的には第１所定値より大きい値に設定することも可能となり、よって検出された触媒温度に応じて火花点火運転と圧縮着火運転とが頻繁に切り替わる（ハンチングが生じる）のを防止することができる。

この発明の実施例に係る圧縮着火内燃機関の制御装置を全体的に示す概略図である。図１に示す装置の可変動弁機構によって切り換えられる（設定される）２つのバルブタイミング（およびリフト量）特性を示すグラフである。図１に示す電子制御ユニットによる、火花点火運転と圧縮着火運転との間で切り替える切替制御動作を示すフロー・チャートである。

以下、添付図面に即してこの発明に係る圧縮着火内燃機関の制御装置を実施するための形態について説明する。

図１は、この発明の実施例に係る圧縮着火内燃機関の制御装置を全体的に示す概略図である。

図１において、符号１０は、都市ガス（あるいはＬＰガス。以下、単に「ガス」という）を燃料とする水冷４サイクルの単気筒ＯＨＶ型の圧縮着火内燃機関（予混合圧縮自着火式内燃機関。以下「エンジン」という）を示す。エンジン１０は、例えば発電機、農業機械、コージェネレーション装置の駆動源等として使用される汎用内燃機関であり、例えば１６３ｃｃの排気量を備える。

エンジン１０において、エアクリーナ（図示せず）から吸入されて吸気管（吸気系）１２を通る空気はスロットルバルブ１４で流量を調節され、吸気バルブ１６が開弁されるとき、燃焼室２０に流入する。

吸気バルブ１６の手前の吸気ポート付近にはインジェクタ（ガスインジェクタ）２２が配置される。インジェクタ２２には、燃料供給源から燃料供給管（共に図示せず）を介してガス燃料が圧送されると共に、駆動回路２４を通じて電子制御ユニット（Electronic Control Unit。以下「ＥＣＵ」という）２６に接続される。ＥＣＵ２６から開弁時間を示す駆動信号が駆動回路２４に供給されると、インジェクタ２２は開弁し、開弁時間に応じたガス燃料を吸気ポートに噴射する。噴射されたガス燃料は流入した空気と混合して混合気（予混合気）を形成しつつ、燃焼室２０に流入する。

燃焼室２０の付近には点火プラグ（点火手段）２８が配置される。点火プラグ２８はイグナイタなどからなる点火装置３０を介してＥＣＵ２６に接続され、ＥＣＵ２６から点火信号が点火装置３０に供給されると、燃焼室２０に臨む電極間に火花放電を生じる。混合気はそれによって着火されて燃焼し、気筒３２に摺動可能に収容されたピストン３４を下方に駆動する。

尚、混合気は圧縮着火によっても燃焼させられる。即ち、エンジン１０は、運転状態に応じて混合気を予混合圧縮着火燃焼させる圧縮着火運転と点火プラグ２８を介して混合気を火花点火で燃焼させる火花点火運転のいずれかを行う、換言すれば、運転を圧縮着火運転と火花点火運転との間で切り換える（予混合）圧縮着火内燃機関として構成される。具体的には、例えばエンジン１０の始動時や暖機時には火花点火運転を行う一方、エンジン１０の暖機後には圧縮着火運転を行うように構成される。尚、圧縮着火運転を開始した後の運転の切り替えについては後に詳説する。

燃焼によって生じた排気ガスは、排気バルブ３６が開弁するとき、排気管（排気系）４０を流れる。排気管４０の途中には、排気浄化用の触媒（具体的には酸化触媒）からなる触媒装置４２が配置される。排気は、触媒装置４２が活性状態にあるとき、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）などの有害成分が除去されて浄化され、エンジン外の大気に放出される。

エンジン１０のクランク軸（図示せず）の付近にはクランク角センサ（図で「ＥＮＧ回転数センサ」と示す）４４が配置され、ＴＤＣ（上死点）あるいはその付近のクランク角度を示すＴＤＣ信号と、ＴＤＣ信号を細分してなるクランク角度信号とを出力する。それらの出力はＥＣＵ２６に入力される。

ＥＣＵ２６はマイクロ・コンピュータからなり、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどを備える。ＥＣＵ２６は入力信号のうち、クランク角度信号をカウントしてエンジン回転数ＮＥを算出（検出）する。

前記したスロットルバルブ１４は、電動モータ（例えばステッピングモータ。アクチュエータ）４６に接続される。電動モータ４６はＥＣＵ２６に接続される。ＥＣＵ２６は、入力される各センサの出力に基づいて電動モータ４６を駆動し、スロットルバルブ１４の開度ＴＨを制御する。即ち、スロットルバルブ１４の動作は、ＤＢＷ（Drive By Wire）方式で制御される。

スロットルバルブ１４の付近にはスロットル開度センサ５０が配置され、スロットル開度ＴＨを示す出力を生じる。また、吸気管１２においてスロットルバルブ１４の下流側には吸気温度センサ５２が設けられる。吸気温度センサ５２は、スロットルバルブ１４の下流側を流れる吸気の温度（即ち、エンジン１０の吸気温度）Ｔinを示す信号を出力する。

排気管４０において触媒装置４２の上流側には広域空燃比センサ５６が配置されると共に、触媒装置４２の下流にはＮＯｘセンサ６０が配置される。広域空燃比センサ５６は排気の酸素濃度（即ち、空燃比）に比例する信号を出力し、ＮＯｘセンサ６０は排気中のＮＯｘ量（正確にはＮＯｘ濃度）を示す信号を出力する。また、触媒装置４２には触媒温度センサ（触媒温度検出手段）６２が設けられ、排気浄化用触媒の温度Ｔc［℃］を示す出力を生じる。これらセンサ群の出力もＥＣＵ２６に入力される。

前記した吸気バルブ１６と排気バルブ３６は可変動弁機構６４に接続される。可変動弁機構６４は詳細な図示は省略するが、例えば本出願人が先に提案した特開２０１０−６５５６５号公報に開示される構造を備える。具体的には、動弁カム軸（カムシャフト）上に第１、第２吸気カムと第１、第２排気カムの４個のカムが隣接して配置され、第１、第２吸気カムには吸気リフタが、第１、第２排気カムには排気リフタが摺接される。吸気リフタと排気リフタはそれぞれプッシュロッドを介してロッカアームに接続される。

エンジン１０の火花点火運転のときは、各カムに接続される電磁アクチュエータや制御ロッドなどの動作を適宜に制御することで、第１吸気カムの回転動作によって吸気リフタ、吸気側のプッシュロッドおよびロッカアームを動作させ、第１吸気カムで決定されるバルブタイミング（およびリフト量）特性で吸気バルブ１６を駆動する。

他方、エンジン１０の圧縮着火運転のときは、第２吸気カムの回転動作によって吸気リフタ、吸気側のプッシュロッドおよびロッカアームを動作させ、第２吸気カムで決定されるバルブタイミング（およびリフト量）特性で吸気バルブ１６を駆動する。また、排気バルブ３６に関しても同様に動作するように構成される。

図２にその特性を実線で示す（吸気バルブ１６のそれを１６、排気バルブ３６のそれを３６と表示する）。圧縮着火運転のとき、バルブタイミング（およびリフト量）は図２に実線で示す特性に設定される。具体的には、排気バルブ３６の閉弁時期を進角させると共に、吸気バルブ１６の開弁時期を遅角させる（クランク角度において）。それによって、気筒内に所定量の排ガスを残留させて混合気の温度（筒内ガス温度）を高めて圧縮着火運転を可能とする。

一方、火花点火運転のとき、バルブタイミング（およびリフト量）は、図２に破線で示す特性に設定される。具体的には、排気バルブ３６の閉弁時期と吸気バルブ１６の開弁時期を共にピストン上死点付近に変更させる。それによって、排気バルブ３６の閉弁が遅角されて燃焼室内のガスの排出量が増加する一方、吸気バルブ１６の開弁が進角されて吸入空気の流入が早められることから、排ガスは燃焼室に残留することなく、排気系に送り出される。

図１の説明に戻ると、可変動弁機構６４は制御回路６６を介してＥＣＵ２６に接続される。ＥＣＵ２６は、制御回路６６を通じて可変動弁機構６４（正確には電磁アクチュエータ）の動作を制御し、吸気バルブ１６と排気バルブ３６のバルブタイミング（およびリフト量）を上記した２つの特性のいずれかに設定（変更）する。

このように、エンジン１０の吸気バルブ１６と排気バルブ３６は、可変動弁機構６４によって任意の時期（バルブタイミングおよびリフト量）で開閉自在とされると共に、エンジン１０の運転は、可変動弁機構６４の動作を制御することで火花点火運転と圧縮着火運転との間で切り替えられる。

次いで、本実施例に係るエンジン１０の制御装置の動作を説明する。

図３は、ＥＣＵ２６の動作のうち、エンジン１０の暖機が終了して圧縮着火運転が行われているとき、運転を火花点火運転と圧縮着火運転との間で切り替える切替制御動作を示すフロー・チャートである。

図３に示す如く、先ずＳ（ステップ）１０において、エンジン１０の暖機が終了して火花点火運転から圧縮着火運転に切り替えられたか否か判断する。Ｓ１０で否定されるときは以降の処理をスキップする一方、肯定されるときはＳ１２に進み、触媒温度センサ６２の出力に基づき排気浄化用触媒（触媒装置４２）の温度Ｔcを検出する。

次いでＳ１４に進み、検出された触媒温度Ｔcが第１所定値Ｔc1未満か否か判断する。この第１所定値Ｔc1は、排気浄化用触媒の温度が比較的高く、触媒の活性状態を維持できる下限値、例えば４００［℃］に設定される。

Ｓ１４で否定されるときはＳ１６に進み、圧縮着火運転を継続する一方、肯定されるときはＳ１８に進んで圧縮着火運転から火花点火運転に切り替える。具体的にＳ１８では、可変動弁機構６４（正確には電磁アクチュエータ）の動作を制御し、圧縮着火運転用の第２吸（排）気カムから火花点火運転用の第１吸（排）気カムに切り替える。

これにより、吸気バルブ１６と排気バルブ３６は、第１吸（排）気カムで決定されるバルブタイミング（およびリフト量）特性で駆動され、火花点火運転が実行される。火花点火運転が行われると、排気温度が上昇するため、触媒温度Ｔcも上昇して活性状態が確実に維持される（再活性化される）こととなる。

次いでＳ２０に進み、触媒温度Ｔcを再度検出すると共に、Ｓ２２に進み、Ｓ２０で検出された触媒温度Ｔcが第２所定値Ｔc2より大きいか否か判断する。第２所定値Ｔc2は、触媒温度Ｔcがそれより大きいとき火花点火運転から圧縮着火運転に戻しても（圧縮着火運転を再開しても）触媒の活性状態を維持可能と判断できるような値、具体的には前述した第１所定値Ｔc1以上の値、正確には第１所定値Ｔc1より大きい値（例えば４５０［℃］）に設定される。

Ｓ２２で否定されるときはＳ２４に進んで火花点火運転を継続する一方、肯定されるときはＳ２６に進み、火花点火運転から圧縮着火運転に切り替える。具体的にＳ２６では、可変動弁機構６４の動作を制御し、火花点火運転用の第１吸（排）気カムから圧縮着火運転用の第２吸（排）気カムに切り替える。これにより、吸気バルブ１６と排気バルブ３６は、第２吸（排）気カムで決定されるバルブタイミング（およびリフト量）特性で駆動され、圧縮着火運転が実行される（再開される）。

以上の如く、この発明の実施例にあっては、ガス燃料圧縮着火汎用内燃機関（エンジン）１０の燃焼室２０に配置される点火手段（点火プラグ）２８と、前記機関１０の運転を前記燃焼室に供給される混合気を予混合圧縮着火燃焼させる圧縮着火運転と前記点火手段を介して前記混合気を火花点火燃焼させる火花点火運転との間で切り替える運転切替手段（ＥＣＵ２６）とを備えたガス燃料圧縮着火汎用内燃機関の制御装置において、前記機関１０の排気系（排気管）４０に配置される排気浄化用触媒（触媒装置）４２と、前記触媒の温度Ｔcを検出する触媒温度検出手段（触媒温度センサ６２，ＥＣＵ２６。Ｓ１２，Ｓ２０）と、前記機関１０の吸気バルブ１６と排気バルブ３６を任意の時期で開閉自在な可変動弁機構６４とを備え、前記運転切替手段は、前記可変動弁機構６４の動作を制御することで前記機関１０の運転を前記火花点火運転と前記圧縮着火運転との間で切り替えるものであって（Ｓ１８，Ｓ２６）、前記運転切替手段は、前記機関１０の圧縮着火運転のときに検出される触媒温度Ｔcが第１所定値Ｔc1未満の場合、前記圧縮着火運転から前記火花点火運転に切り替えると共に（Ｓ１４，Ｓ１８）、前記機関の火花点火運転のときに検出される触媒温度Ｔcが、前記第１所定値Ｔc1以上の値に設定される第２所定値Ｔc2より大きい場合、前記火花点火運転から前記圧縮着火運転に切り替える如く構成した（Ｓ２２，Ｓ２６）。

これにより、簡易な構成でありながら火花点火運転と圧縮着火運転の切り替えを適切に制御でき、よって排気浄化用触媒（触媒装置）４２の温度を比較的高く保持できる、即ち、触媒の活性状態を維持でき、排気エミッション性能を向上させることができる。また、ヒータなどの付加装置や特許文献２記載の技術のような２分割された排気浄化用触媒を不要にすることができるため、エンジン全体の大型化を招くことがないと共に、コスト的にも有利である。

また、前記機関（エンジン）１０の吸気バルブ１６と排気バルブ３６を任意の時期で開閉自在な可変動弁機構６４を備えると共に、前記運転切替手段は、前記可変動弁機構６４の動作を制御することで前記機関１０の運転を前記火花点火運転と前記圧縮着火運転との間で切り替えるように構成したので（Ｓ１８，Ｓ２６）、より簡易な構成で火花点火運転と圧縮着火運転の切り替えを行うことができる。

また、前記第２所定値Ｔc2は前記第１所定値Ｔc1以上の値に設定されるように構成したので、第２所定値Ｔc2を第１所定値Ｔc1と相違する値、具体的には第１所定値Ｔc1より大きい値に設定することも可能となり、よって検出された触媒温度Ｔcに応じて火花点火運転と圧縮着火運転とが頻繁に切り替わる（ハンチングが生じる）のを防止することができる。

尚、上記においては、触媒温度Ｔcを触媒温度センサ６２を用いて検出するようにしたが、それに限られるものではなく、他の手法によって検出するように構成しても良い。また、第１、第２所定値やエンジン１０の排気量などを具体的な値で示したが、それらは例示であって限定されるものではない。

１０エンジン（圧縮着火内燃機関）、１６吸気バルブ、２０燃焼室、２８点火プラグ（点火手段）、２６ＥＣＵ（電子制御ユニット）、３６排気バルブ、４０排気管（排気系）、４２触媒装置（排気浄化用触媒）、６２触媒温度センサ（触媒温度検出手段）、６４可変動弁機構

Claims

ガス燃料圧縮着火汎用内燃機関の燃焼室に配置される点火手段と、前記機関の運転を前記燃焼室に供給される混合気を予混合圧縮着火燃焼させる圧縮着火運転と前記点火手段を介して前記混合気を火花点火燃焼させる火花点火運転との間で切り替える運転切替手段とを備えたガス燃料圧縮着火汎用内燃機関の制御装置において、前記機関の排気系に配置される排気浄化用触媒と、前記触媒の温度を検出する触媒温度センサと、前記機関の吸気バルブと排気バルブを任意の時期で開閉自在な可変動弁機構とを備え、前記運転切替手段は、前記可変動弁機構の動作を制御することで前記機関の運転を前記火花点火運転と前記圧縮着火運転との間で切り替えるものであって、前記運転切替手段は、前記機関の圧縮着火運転のときに検出される触媒温度が第１所定値未満の場合、前記圧縮着火運転から前記火花点火運転に切り替えると共に、前記機関の火花点火運転のときに検出される触媒温度が、前記第１所定値以上の値に設定される第２所定値より大きい場合、前記火花点火運転から前記圧縮着火運転に切り替えることを特徴とするガス燃料圧縮着火汎用内燃機関の制御装置。