JP2007016682A - 圧縮自己着火内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧縮自己着火燃焼を行なう内燃機関において、低負荷領域でのＨＣ排出量を低減でき、該自己着火燃焼運転の領域を拡大して燃費も改善できるようにした。
【解決手段】
排気通路１６からの外部ＥＧＲを過給機４の上流側の吸気通路２に還流させる低温ＥＧＲ通路１７Ａと、高温ＥＧＲ通路１７Ｂを設け、圧縮自己着火燃焼を行う領域の中で、最も低負荷な領域では、過給機４を電動モータ４ａでアシスト運転すると共に、高温ＥＧＲ通路１７Ｂの高温ＥＧＲバルブ２０の開度を制御し、高温な外部ＥＧＲの還流量を制御して、筒内温度を要求値まで上昇させながら自己着火性を高め、高負荷領域では、低温ＥＧＲ通路１７Ａの低温ＥＧＲバルブ１９の開度を制御して、低温な外部ＥＧＲの還流量を制御して、燃焼を緩慢化する構成として、圧縮自己着火燃焼運転領域を拡大できるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧縮自己着火燃焼を行なう内燃機関の制御装置に関する。

特許文献１には、圧縮自己着火燃焼を行う内燃機関において、点火時期の遅角、混合気の増量などによって内部ＥＧＲを昇温することにより、自己着火性を高めるようにすることが開示されている。
特許文献２には、同じく圧縮自己着火燃焼を行なう内燃機関において、新気を加熱し、排気バルブの閉時期により残留ガス（内部ＥＧＲ）量を増量して、自己着火性を高めるようにすることが開示されている。
特開２００４−１１６４４６号公報 特開２００２−２０６４４１号公報

しかしながら、特許文献１、２のように、内部ＥＧＲによって昇温を図ることは、内部ＥＧＲが前サイクルの燃焼状態に依存するので、全気筒を安定的に次サイクルで自己着火燃焼させることができないという問題がある。
外部ＥＧＲを電気ヒーターで加熱することも考えられるが、電力を使用するため、機関のトータルでの熱効率が低下してしまう。

本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、安定した自己着火性能の向上を図れるようにすることを目的とする。

そのため、本発明は、過給機を備え、圧縮自己着火燃焼が可能な内燃機関において、圧縮自己着火燃焼時に、排気の一部を外部ＥＧＲとして過給機上流側の吸気系に還流する構成とした。

圧縮自己着火燃焼時は、熱効率が高いため排気圧力が低くなり、吸・排気差圧で外部ＥＧＲを導入することが難しいが、過給機を備えた内燃機関では、過給機の上流側に負圧を生じるので、該過給機上流側には外部ＥＧＲが導入しやすく、また、高温な外部ＥＧＲを含んで過給機により圧縮させることで吸気温度をより高めることができるため、筒内温度を全気筒で応答良く要求温度まで上昇させることができ、安定した自己着火性能の向上を図れる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、第１実施形態における圧縮自己着火内燃機関のシステム構成図である。
内燃機関１（ガソリンエンジン）には、吸気通路２の上流側から、エアクリーナ３を通過した空気が、過給機４（の吸気コンプレッサ）で過給された後、スロットルバルブ５、吸気バルブ６を介してシリンダ７内に吸引される。前記過給機４は、可変ノズル式排気ターボ過給機であり、可変ノズルの調整によって過給圧を可変に制御できると同時に、電動モータ４Ａによって駆動力をアシストして過給圧を増大する機能を備えている。

前記吸気通路２の途中は、２叉に分岐し、吸気冷却用のインタークーラ８を介装した冷却用通路９と、インタークーラ８をバイパスするバイパス通路１０とが並列接続され、上流分岐端に、これら通路を選択的に開通させる通路切換弁１１が装着されている。
前記シリンダ７内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１２が設けられている。
燃焼室内の混合気は、圧縮自己着火又は点火プラグ１３による火花点火によって着火燃焼し、燃焼排気は、排気バルブ１４を介して排出される。

前記吸気バルブ６及び排気バルブ１４には、バルブリフト量，バルブ作動角及び作動角の中心位相を可変とする可変動弁機構１５が設けられている。
前記可変動弁機構１５は、例えば、特開２００１−０１２２６２号公報に開示される機関バルブのバルブリフト量を作動角と共に連続的に変化させる可変バルブイベント・リフト機構（ＶＥＬ）と、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、バルブ作動角の中心位相を可変とする可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）との組み合わせから構成される。

また、前記可変動弁機構１５を、吸気バルブ６及び排気バルブ１４を電磁石による磁気力で開閉駆動する電磁駆動弁（ＥＭＶ）とすることができる。
前記排気バルブ１４下流の排気通路１６からの排気を、外部ＥＧＲとして過給機４上流の吸気通路２に還流するＥＧＲ通路１７が設けられる。
該ＥＧＲ通路１７は、冷却水槽１８から機関冷却水を循環させて外部ＥＧＲを冷却するＥＧＲクーラ１７ａを介装して低温な外部ＥＧＲを還流させる低温ＥＧＲ通路１７Ａと、通路壁に断熱材を包むなどによって断熱性を持たせて高温に維持された外部ＥＧＲを還流させる高温ＥＧＲ通路１７Ｂと、を並列して設ける。

前記各ＥＧＲ通路１７Ａ，１７Ｂには、それぞれ外部ＥＧＲ量を調整する電磁駆動式の高温ＥＧＲバルブ１９，低温ＥＧＲバルブ２０が介装されている。
前記排気通路１６のＥＧＲ通路１７Ａ，１７Ｂ接続部より下流側には、排気浄化触媒２１、マフラー２２が設けられる。
前記過給機４の電動モータ４Ａ、スロットルバルブ５、燃料噴射弁１２、点火プラグ１３、可変動弁機構１５、通路切換弁１１、ＥＧＲバルブ１９，２０は、マイクロコンピュータを内蔵するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２３によって制御される。

前記エンジンコントロールユニット２３には、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ２４、機関回転速度を検出する回転速度センサ２５、機関の冷却水温度を検出する水温センサ２６、シリンダ内の温度を検出するシリンダ内温度センサ２７、吸気通路２のコレクタ部で吸気圧力を検出する吸気圧力センサ２８および吸気温度を検出する吸気温度センサ２９等からの検出信号が入力される。

図２のフローチャートは、第１実施形態における前記エンジンコントロールユニット２３による制御の様子を示す。
ステップＳ１では、前記アクセル開度センサ２４によって検出されるアクセル開度などに基づいて算出された要求トルクＴ、前記クランク角センサ２５によって検出された機関回転速度Ｎｅを読み込む。

ステップＳ２では、前記要求トルクＴおよび機関回転速度Ｎｅによって検出される運転状態に基づいて、圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼とのいずれの燃焼形態で運転させるかを決定する。
具体的には、要求トルクＴが、自己着火可能最大トルクＴＨよりも小さく、かつ、自己着火可能最小トルクＴＬよりも大きく（ＴＬ＜Ｔ＜ＴＨ）、かつ、機関回転速度Ｎｅ（rpm）が、自己着火可能最大回転速度ＮｅＨよりも小さく、かつ、自己着火可能最小回転速度ＮｅＬよりも大きいときに（ＮｅＬ＜Ｎｅ＜ＮｅＨ）、圧縮自己着火燃焼の可能領域内であると判断し、上記条件を満たさないときには、火花点火燃焼を行なわせる領域内であると判断する。

そして、火花点火燃焼を行なわせる領域内であると判断されると、ステップＳ３へ進み、前記通路切換弁１１を、インタークーラ８を介装した冷却用通路９を開通させる側に駆動して、吸気冷却を行わせ、ステップＳ４で、燃料噴射弁６から噴射される燃料を点火プラグ８による火花点火で燃焼させる火花点火燃焼制御を行なわせる。
一方、圧縮自己着火燃焼の可能領域内であると判断されると、ステップＳ５へ進み、前記通路切換弁１１を、インタークーラ８をバイパスするバイパス通路１０を開通させる側に駆動して、吸気冷却を停止し、ステップＳ６で、吸気弁閉時期を遅らせ点火時期の遅角させるなど、点火時期前に十分な混合気圧縮期間を確保することなどによって圧縮自己着火を可能となる制御を行って、圧縮自己着火燃焼制御を開始する。

ステップＳ７では、前記吸気圧力センサ２８によって検出された吸気圧力Ｐｑを読み込む。
ステップＳ８では、図３に示したマップを参照して前記要求トルクＴと機関回転速度Ｎｅとに基づいて、要求筒内温度ｔｃを算出する。
具体的には、要求負荷が低くなるほど、要求筒内温度ｔｃが高温に設定され、また、機関回転速度Ｎｅが高くなるほど、より高温に設定される。すなわち、圧縮自己着火がしにくい条件になるほど、筒内温度を高くすることによって、圧縮自己着火を可能ならしめるようにする。

ステップＳ９では、前記要求負荷Ｔと要求筒内温度ｔｃとに基づいて、図４に示したマップを参照して、要求過給圧Ｐａを算出する。この要求過給圧（目標過給圧）Ｐａに基づいて、前記過給機４の可変ノズルを制御する。
具体的には、要求負荷Ｔが低く、要求筒内温度ｔｃが高いときほど、要求過給圧Ｐａを高圧に設定して、圧縮自己着火しやすくする。
次に、ステップＳ１０では、前記要求負荷Ｔと機関回転速度Ｎｅとに基づいて、図５に示す領域マップを参照して、前記電動モータ４Ａによる過給機４のアシスト運転が必要な運転領域Ａであるか否かを判定する。具体的には、要求負荷Ｔが最も低い領域では高回転域まで、要求過給圧Ｐａが高く設定されると同時に排気圧力が低く排気エネルギによって過給圧を確保することが難しいので、アシスト運転を行う運転領域Ａに設定されている。
ステップＳ１０で、前記アシスト運転が必要と判定された場合は、ステップＳ１１へ進み、要求過給圧Ｐａと前記吸気圧力センサ２８で検出される実際の吸気圧力Ｐｑとの圧力差ΔＰ（＝Ｐａ−Ｐｑ）に応じて、図６に示した特性マップを参照して、電動モータ４Ａのアシスト電流値ｉａを算出する。具体的には、圧力差ΔＰが正の値で大きくなるほどアシスト電流値ｉａが大きくなるように設定する。
ステップＳ１２では、冷却ＥＧＲ通路１７Ａの低温ＥＧＲバルブ１９を全閉として、外部ＥＧＲの冷却を停止すると共に、要求負荷Ｔに基づいて図７に示した特性マップを参照して高温ＥＧＲ通路１７Ｂの高温ＥＧＲバルブ２０の開度Ｖｅｈを設定して非冷却の高温な外部ＥＧＲの還流量を調整する。具体的には、要求負荷Ｔが小さいときほど圧縮自己着火しにくい条件であるので、高温ＥＧＲバルブ２０の開度Ｖｅｈを大きくして、高温な外部ＥＧＲの還流量を増大することにより、筒内圧縮温度、圧力を高めて自己着火しやすくする。特に、このアシスト運転を行う領域は、全運転領域中、最も低負荷な運転領域であるので、高温な外部ＥＧＲ量の還流量を最も増大させるように、高温ＥＧＲバルブ２０の開度Ｖｅｈは、最も大きく設定されることとなる。
ステップＳ１３では、前記吸気温度センサ２９で検出された吸気温度ｔａを読み込む。
ステップＳ１４では、前記吸気温度ｔａに応じて、前記スロットルバルブ５の開度（スロットル開度）ＴＶＯを調整する。具体的には、スロットル開度ＴＶＯによって新気量とＥＧＲ量とを加算した過給機４への吸気量が制御され、かつ、この吸気量によって過給機４で圧縮したときの吸気温度、さらには、筒内温度が変化するので、前記要求筒内温度ｔｃを満たす吸気温度とするように該吸気温度の検出値ｔａに基づいてスロットル開度ＴＶＯをフィードバック制御する。

ステップＳ１５では、要求負荷Ｔに応じて燃料噴射量Ｔｉを算出する。具体的には、要求負荷Ｔが増大するほど燃料噴射量Ｔｉが増大して算出される。
一方、前記ステップＳ１０で電動モータ４Ａによる過給機４のアシスト運転が不要と判定されたときは、ステップＳ１６へ進んで、前記要求負荷Ｔと機関回転速度Ｎｅとに基づいて、図５に示す領域マップを参照して、高温な外部ＥＧＲを還流する必要がある運転領域（図５の領域Ｂ，Ｃに示す中負荷・中回転領域）であるかを、判定する。

そして、高温な外部ＥＧＲを還流する必要がある運転領域と判定された場合は、ステップＳ１７〜ステップＳ２０へ進み、前記過給機のアシスト運転時のステップＳ１２〜ステップＳ１５と同様にして、低温ＥＧＲバルブ１９を全閉とし、高温ＥＧＲバルブ２０の開度Ｖｅｈの算出、吸気温度ｔａに基づくスロットル開度ＴＶＯのフィードバック制御、燃料噴射量Ｔｉの算出を順次行う。
この運転領域（Ｂ，Ｃ）では、過給機４のアシスト運転時より、要求負荷Ｔが増大するにしたがって、外部ＥＧＲの還流量、燃料噴射量は小さく設定される（Ｂ領域よりＣ領域の方が小）。
また、ステップＳ１６で高温な外部ＥＧＲを還流する必要がなく、冷却された低温の外部ＥＧＲを運転する方が好ましい、圧縮自己着火燃焼では最も高負荷かつ低回転な運転領域（図５のＤ）と判定された場合は、ステップＳ２１へ進む。
ステップＳ２１では、高温ＥＧＲバルブ２０を全閉とし、要求負荷Ｔに基づいて、図８に示す特性マップを参照して低温ＥＧＲバルブ１９の開度Ｖｅｌを算出する。
具体的には、該高負荷領域では、筒内温度を高くすると過早着火によるノッキング等の異常燃焼を引き起こしやすくなるので、該異常燃焼を抑制して緩慢燃焼となるように要求負荷Ｔの増大に応じて冷却された低温の外部ＥＧＲ量を増大するように算出される。
以下、ステップＳ２２〜ステップＳ２４では、上記他の領域と同様に、吸気温度ｔａに基づくスロットル開度ＴＶＯのフィードバック制御、燃料噴射量Ｔｉの算出を順次行う。
図９は、上記領域Ａ〜Ｄ毎の各種状態量および制御量を、示す。
本実施形態のように領域Ａ〜Ｃでは、圧縮自己着火しにくくなる低負荷ほど過給圧を高くし、外部ＥＧＲの還流量を増大すると共に高温な外部ＥＧＲを過給機４による圧縮でさらに温度上昇させて、筒内温度を上昇させることにより、安定した自己着火性を確保できる。
これにより、燃焼室からのＨＣ排出量を低減でき、かつ、吸入空気量の多い自己着火燃焼では低温な排気の温度を上昇させることにより排気浄化触媒の活性を早められることの相乗効果によって、特に低負荷領域でのＨＣ排出量を大幅に低減できる。
また、図１０に示すように、上記のように安定した自己着火性の確保によって圧縮自己着火燃焼運転領域を拡大でき、特に低負荷域で外部ＥＧＲの過給効果および過給機のアシスト運転による効果によって、より低負荷側および高回転側へ拡大でき、燃費も改善できる。
一方、高負荷領域Ｄでは、外部ＥＧＲを冷却することによって筒内温度の上昇を抑制することにより燃焼速度が過大となることを抑制して燃焼を緩慢化でき、その結果、燃料噴射量の増大が可能となって、自己着火燃焼運転領域を高負荷側へ拡大でき、さらに燃費を改善できる。
図１１は、上記特許文献１，２に示したような内部ＥＧＲによる自己着火性向上を図った場合と、外部ＥＧＲの温度上昇による場合とを自己着火性向上を図った場合と比較したもので、内部ＥＧＲによる場合は、筒内圧力変動率の気筒間でのバラツキが大きいのに対し、外部ＥＧＲによる場合は、筒内圧力変動率の気筒間でのバラツキを小さく抑制できる。
図１２（Ａ），（Ｂ）は、外部ＥＧＲの冷却により、燃焼が緩慢化し、高負荷限界が拡大することを示している。
図１３は、本発明の別の実施形態を示す。
本実施形態で第１の実施形態と異なるのは、高温ＥＧＲ通路１７Ｂ’の入口（外部ＥＧＲ導入口）を、ＨＣの酸化反応による浄化機能を有する排気浄化触媒２１の下流側に接続した構成とした点である。
そして、第１の実施形態同様に、自己着火燃焼運転する領域の中で高負荷領域Ｄ以外の領域Ａ〜Ｃでは、低温ＥＧＲ通路１７Ａを閉として外部ＥＧＲの冷却を停止し、高温ＥＧＲ通路１７Ｂ’を開通し、高温ＥＧＲバルブ２０の開度を調整する。
このようにすれば、図１４に示すように、前記排気浄化触媒２１で排気中の未燃ＨＣが酸化反応したとき発生した熱で外部ＥＧＲの温度を上昇させ、その結果、図１５に示すように自己着火燃焼運転領域を、より高回転側に拡大することができ、また、図１６に示すように、外部ＥＧＲ温度の上昇によって要求過給圧を引き下げることができるので、モータアシスト電流値ｉａを減少でき、さらに燃費を改善できる。

第１実施形態における内燃機関のシステム構成図。 第１実施形態における制御を示すフローチャート。 同じく要求筒内温度を算出するためのマップ。 同じく要求過給圧を算出するためのマップ。 同じく圧縮自己着火燃焼運転での制御内容が異なる領域区分を示すマップ。 同じく過給機の電動モータによるアシスト電流値を算出するためのマップ。 同じく高温ＥＧＲバルブの開度を算出するためのマップ。 同じく低温ＥＧＲバルブの開度を算出するためのマップ。 同じく上記領域毎の各種状態量を示すタイムチャート。 同じく同上制御における圧縮自己着火燃焼運転の拡大効果を示す図。 同じく同上制御における気筒間の筒内圧力変動率改善効果を示す図。 同じく外部ＥＧＲ冷却による燃焼緩慢化と、それによる圧縮自己着火燃焼運転の高負荷側への拡大効果を示す図。 第２実施形態における内燃機関のシステム構成図。 第２実施形態における外部ＥＧＲ温度上昇効果を示す図。 第２実施形態における圧縮自己着火燃焼運転の高回転側への拡大効果を示す図。 第２実施形態における過給機の電動モータによるアシスト電流値を低減できる効果を示す図。

符号の説明

１…内燃機関、２…吸気通路、４…過給機、４Ａ…電動モータ、５…スロットルバルブ、１２…燃料噴射弁、１３…点火プラグ、１５…可変動弁機構、１６…排気通路、１７Ａ…低温ＥＧＲ通路、１７Ｂ…高温ＥＧＲ通路、１７ａ…ＥＧＲクーラ、１９…低温ＥＧＲバルブ、２０…高温ＥＧＲバルブ、２１…排気浄化触媒、２３…エンジンコントロールユニット、２４…アクセル開度センサ、２５…回転速度センサ、２６…水温センサ、２７…シリンダ温度センサ、２８…吸気圧力センサ、２９…吸気温度センサ

Claims (10)

1. 過給機を備え、圧縮自己着火燃焼が可能な内燃機関において、圧縮自己着火燃焼時に、排気の一部を外部ＥＧＲとして過給機上流側の吸気系に還流することを特徴とする圧縮自己着火内燃機関の制御装置。
2. 前記外部ＥＧＲの還流量を、該外部ＥＧＲを還流するＥＧＲ通路に設けたＥＧＲバルブによって調整することを特徴とする請求項１に記載の圧縮自己着火内燃機関の制御装置。
3. 前記外部ＥＧＲの還流量を、機関の要求負荷に応じて調整することを特徴とする請求項２に記載の圧縮自己着火内燃機関の制御装置。
4. 前記外部ＥＧＲの還流量を、機関の要求負荷が低いときは増大することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の圧縮自己着火内燃機関の制御装置。
5. 前記外部ＥＧＲの還流量を、機関の要求負荷に加えて回転速度にも基づいて調整することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の圧縮自己着火内燃機関の制御装置。
6. 機関の要求負荷と回転速度に基づいて要求筒内温度を算出し、該要求筒内温度と要求負荷とに基づいて、要求過給圧および要求外部ＥＧＲ量を算出して過給圧および外部ＥＧＲ量を調整することを特徴とする請求項５に記載の圧縮自己着火内燃機関の制御装置。
7. 外部ＥＧＲを過給機上流の吸気系に還流するＥＧＲ通路を、冷却部を設けて冷却した低温な外部ＥＧＲを還流する低温ＥＧＲ通路と、高温な外部ＥＧＲを還流する高温ＥＧＲ通路との２系統設け、高負荷域では、低温ＥＧＲ通路から低温な外部ＥＧＲを還流し、低負荷域では、高温ＥＧＲ通路から高温な外部ＥＧＲを還流する構成としたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の圧縮自己着火内燃機関の制御装置。
8. 前記高温ＥＧＲ通路は、排気浄化触媒での酸化反応によって加熱された排気を外部ＥＧＲとすることを特徴とする請求項７に記載の圧縮自己着火内燃機関の制御装置。
9. 前記過給機は、電動モータによるアシスト運転が可能であり、要求負荷が最も低いときには、前記アシスト運転を行うことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の圧縮自己着火内燃機関の制御装置。
10. 吸気系に吸気冷却用のインタークーラおよびそのバイパス通路を備え、圧縮自己着火燃焼時は、前記インタークーラをバイパスして吸気冷却を停止することを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の圧縮自己着火内燃機関の制御装置。

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