(57)【要約】【課題】  ＮＯｘの低減と共に、燃費及び排気煙の低減を達成できる内燃機関を提供することを目的としている。【解決手段】  給気用又は排気用の機関弁を開閉時期変更自在に駆動する可変動弁装置１０、１１と、過給圧が変更可能な可変容量型過給機１６と、給気流量を測定する給気流量センサー３１と、前記可変容量型過給機１６と前記可変動弁装置１０、１１を制御するコントローラ１５とを備えている。内燃機関の見かけの圧縮比は１４〜１８に設定してある。可変動弁装置１０、１１は、有効圧縮比が膨張比よりも小さくなるように前記コントローラ１５によって制御し、可変容量型過給機１６は、給気流量センサー３１により測定した給気流量に基づき、機関運転全領域で、前記制御後の有効圧縮比における空気過剰率が１．６以上になるように、コントローラ１５によって制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
給気用又は排気用の機関弁を開閉時期変更自在に駆動する可変動弁装置と、過給圧が変更可能な可変容量型過給機と、給気流量を測定する給気流量センサーと、前記可変容量型過給機と前記可変動弁装置を制御するコントローラとを備えた内燃機関において、
内燃機関の見かけの圧縮比を１４〜１８に設定し、
可変動弁装置は、有効圧縮比が膨張比よりも小さくなるように前記コントローラによって制御し、
可変容量型過給機は、給気流量センサーにより測定した給気流量に基づき、機関運転全領域で、前記制御後の有効圧縮比における空気過剰率が１．６以上になるように、コントローラによって制御することを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項２】
ＮＯｘセンサーにより排気ガス中のＮＯｘ濃度を測定し、ＮＯｘ濃度の制限値より低い値に対応する有効圧縮比及び過給圧となるように、コントローラによって、可変動弁装置及び可変容量型過給機を制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御方法。
【請求項３】
前記可変容量型過給機として、排気ターボ式の可変容量型過給機を用いることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の制御方法。
【請求項４】
前記可変容量型過給機として、機械式の可変容量型過給機を用いることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の制御方法。
【請求項５】
可変容量型過給機として、排気ターボ式と機械式の可変容量型過給機を併用していることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の主としてＮＯｘを低減するための制御方法に関し、特に、産業用ディーゼル機関のような高負荷運転されるディーゼル機関のＮＯｘ低減に適した制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、内燃機関のＮＯｘの低減技術としては、発生したＮＯｘを、三元触媒や吸蔵触媒等を利用してＮ2に還元して排出する排煙脱硝（特許文献１等参照）と、窒素含有量が少ない燃料を使用したり、あるいは燃焼条件を変更することにより、ＮＯｘの発生自体を低減する燃料改善及び燃焼改善がある。
【０００３】
燃焼改善に関しては、希薄燃焼方式があり、空気過剰条件で燃焼することにより、燃焼温度を低下させ、ＮＯｘを低減させるようにしている。
【０００４】
また、ディーゼル機関においては、予混合圧縮自着火方式を採用することにより、希薄燃焼を行い、燃焼温度を下げてＮＯｘを低減させ、あるいは上記希薄燃焼に加え、ＥＧＲを利用することにより、燃焼温度を下げ、ＮＯｘをさらに低減している内燃機関もある（特許文献２等参照）。
【特許文献１】特開平９−２０６５８１号公報
【特許文献２】特開２００３−２３９７４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現在種々提案されている前記ＮＯｘ低減手段は、主として低負荷で有効であり、高負荷運転される内燃機関に適用した場合、ＮＯｘ低減に伴い、燃料消費量が増大し、また、ＣＯや煤煙が増加するという問題が生じる。
【０００６】
［発明の目的］
本発明の目的は、燃焼改善を行う場合に、燃焼効率を維持しつつ、ＮＯｘを低減し、かつ、燃費の向上及びスモークの低減を達成することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本願請求項１記載の発明は、給気用又は排気用の機関弁を開閉時期変更自在に駆動する可変動弁装置と、過給圧が変更可能な可変容量型過給機と、給気流量を測定する給気流量センサーと、前記可変容量型過給機と前記可変動弁装置を制御するコントローラとを備えた内燃機関において、内燃機関の見かけの圧縮比を１４〜１８に設定し、可変動弁装置は、有効圧縮比が膨張比よりも小さくなるように前記コントローラによって制御し、可変容量型過給機は、給気流量センサーにより測定した給気流量に基づき、機関運転全領域で、前記制御後の有効圧縮比における空気過剰率が１．６以上になるように、コントローラによって制御する。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の内燃機関の制御方法において、ＮＯｘセンサーにより排気ガス中のＮＯｘ濃度を測定し、ＮＯｘ濃度の制限値より低い値に対応する有効圧縮比及び過給圧となるように、コントローラによって、可変動弁装置及び可変容量型過給機を制御する。
【０００９】
請求項３、４及び５記載の発明は、請求項１又は２記載の内燃機関の制御方法において、記可変容量型過給機として、排気ターボ式の可変容量型過給機もしくは機械式の可変容量型過給機を使用し、又は排気ターボ式と機械式の可変容量型過給機を併用する。
【発明の効果】
【００１０】
（１）請求項１記載の発明によると、燃焼サイクルをミラーサイクル化し、有効圧縮比を膨張比よりも小さくすることにより、燃焼前の圧縮端温度を下げるので、ＮＯｘの発生量を低減でき、同時に、過給圧を上げて空気過剰率を１．６以上に大きくすることにより、燃費の悪化とスモークの発生を抑制することができる。
【００１１】
（２）請求項２記載の発明によると、ＮＯｘセンサーを備えることにより、ＮＯｘの発生量に対して直接的なフィードバック制御が可能となり、これにより、たとえば、大気条件や燃料が変更された場合でも、各種条件に応じてＮＯｘを規制値内に収めて運転することが可能となる。
【００１２】
（３）請求項３記載の発明のように、排気ターボ式の可変容量型過給機を備えていると、過給用に特別の動力源を必要としないので、コストを節約できる。
【００１３】
（４）請求４又は５記載の発明のように、排気ターボ過給機の代わりに、あるいは排気ターボ過給機に加えて、たとえばツールブロア、リショルム又はタービンタイプ等の機械式過給機を利用すると、過給圧の上昇を必要最小源に止めるべく、負荷に応じて運転条件を任意に設定でき、エネルギー損失を最小限に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
[内燃機関の概略]
図１は、本発明による制御方法を実施するための圧縮自着火式ディーゼル機関であり、この図１において、シリンダ１内にはピストン２が嵌合すると共に該ピストン２の頂壁とシリンダ１により燃焼室３が形成されており、燃焼室３の天井面には給気孔（給気孔）５と排気孔６が開口すると共に電子制御式の燃料噴射弁７が配置されている。給気孔５と排気孔６にはそれぞれ給気弁８と排気弁９が配置され、両弁８、９はそれぞれ吸気用動弁装置１０と排気用可変型動弁装置１１に連動連結している。このディーゼル機関の見かけの圧縮比、すなわちピストン２の下死点時の燃焼室容積/上死点時の燃焼室容積は、１４〜１８になるように構成されている。
【００１５】
前記可変動弁装置１０、１１としては、周知の各種構造が適用可能であり、たとえば各弁８、９に対してカム山の形状が異なる複数の駆動カムをそれぞれ備え、それら駆動カムを切り替えることにより、各弁の開閉時期を変更できるようにした構造、あるいはカム軸芯を変位可能に構成し、カム軸芯の位置を変更することにより、各弁の開閉時期を変更できるようにした構造等がある。
【００１６】
本発明の制御方法を実施するために、上記可変動動弁装置１０、１１に加え、コントローラ（燃料の電子制御ユニットを含む）１５、可変容量型過給機１６、給気流量センサー３１、給気温度センサー３２、ＮＯｘセンサー３３、機関回転数センサー３４、負荷センサー（アクセル開度センサー）３４等を備えている。
【００１７】
可変容量型過給機１６としては、図１では排気ターボ式の可変容量型過給機を記載してあり、給気通路２１に接続するコンプレッサ部１６ａと、排気通路２２に接続するタービン部１６ｂを備えており、該タービン部１６ｂ内には、図示しないが、タービンが配置されると共に、タービンの外周側に、ノズルを構成する多数の可変翼が配置され、可変翼の角度を調節することにより、排気ガスの入口となるノズル開口面積を変更し、これによってタービン効率を制御し、給気圧（ブースト圧）及び給気量を変更できるようになっている。たとえばノズルの全開状態がノーマル状態であるとすると、該ノーマル状態から可変翼開度を閉じ方向に制御することにより、過給圧を上昇させることができるようになっている。
【００１８】
上記排気ターボ式の可変容量型過給機１６の代わりに、あるいは併用して、機械式又は電動式の過給機又はアシストを備えることも可能である。
【００１９】
給気流量センサー３１及び給気温度センサー３２は給気通路２１に配置され、ＮＯｘセンサー３３は可変容量型過給機１６のタービン部１６ｂの出口に接続された排気管２５に配置され、機関回転数センサー３４はたとえばクランク軸２６に配置され、負荷センサー３４はたとえばアクセル装置２７に配置されている。各センサー３１、３２、３３、３４、３５はコントローラ１５の入力部に接続し、それぞれ測定した給気流量、給気温度、ＮＯｘ濃度、機関回転数及び負荷（アクセル開度、燃料噴射量）をコントローラ１５に入力するようになっている。コントローラ１５の出力部には、前記可変容量型過給機１６のタービン部１６ｂ、可変動弁装置１０、１１及び燃料噴射弁７が接続し、コントローラ１５からの指令により、可変容量型過給機１６の過給圧（給気流量）と、各弁８、９の開閉時期と、燃料噴射弁７の燃料噴射時期等を、予めコントローラ１５の記憶装置に組み込まれたプログラムに基づいて制御するようになっている。
【００２０】
［コントローラの制御プログラム］
各可変動弁装置１０、１１は、基本的には、燃焼サイクルをいわゆるミラーサイクル化）し、有効圧縮比が膨張比よりも小さい値になるように制御するが、ミラーサイクル化には次のような各種の手段があり、いずれの手段を採用することも可能である。
【００２１】
（１）給気弁の遅閉じ
ピストン２の給気行程（吸気行程）終端の下死点からしばらくの間給気弁８を開き続けることにより、一旦取り入れた給気の一部を圧縮行程初期で排出し、有効圧縮比を小さくする。
【００２２】
（２）給気弁早閉じ
ピストン２の給気行程終端の下死点よりも早く給気弁８を閉じることにより、燃焼室３に供給される給気量を制限し、有効圧縮比を小さくする。
【００２３】
（３）排気弁再啓開
一旦閉じた排気弁９を、ピストン２の給気行程の初期で一時的に開くことにより、給気中の給気の一部を排出し、有効圧縮比を小さくする。
【００２４】
上記（１）〜（３）のいずれかの手段により有効圧縮比を膨張比よりも小さくするが、具体的には、機関回転数センサー３４で測定した機関回転数及び負荷センサー３５で測定した負荷から、それら機関回転数及び負荷に適した基本噴射量を算出し、基本噴射量と、給気流量センサー３１で測定して給気流量と、給気温度センサー３２で測定した給気温度から、ＮＯｘ濃度を制限値より低い値に収め得る圧縮端温度となる目標有効圧縮比となるように、給気弁８の早閉じ、給気弁８の遅閉じ又は排気弁９の再啓開の時期を制御するようにプログラムされている。
【００２５】
可変容量型過給機１６に対しては、給気流量センサー３１で測定した給気流量及びＮＯｘセンサー３３で測定したＮＯｘ濃度に基づき、ＮＯｘ濃度が制限値より低い値となるように、給気流量及び過給圧を算出し、ノズル開口面積を変更する。
【００２６】
［制御の流れ］
図２は、機械式可変容量型過給機を備えた場合の制御の一例を示すフロー図であり、ステップＳ１において、まず、図１の機関回転数センサー３４及び負荷センサー３５で測定した機関回転数及び負荷（燃料噴射量）をコントローラ１５に入力し、図２のステップＳ２及びステップＳ３において、コントローラ１５により、予め作成した基本噴射弁量マップ及び有効圧縮比マップに基づいて、前記測定した機関回転数及び負荷に適した基本噴射量及び目標有効圧縮比を順次算出する。この時、算出される目標有効圧縮比は、膨張比よりも小さく、かつ、通常の燃焼サイクル時の有効圧縮比よりも小さい値であって、圧縮端温度を、燃焼時のＮＯｘ発生量が制限値より十分に低い値に抑制されうる温度まで下げることができる値である。
【００２７】
次に、図２のステップＳ４に進み、上記算出された目標有効圧縮比に対して、燃費及び排気煙（スモーク）を十分に抑制できる目標Ｇair（単位時間当たりの給気量）を算出し、ステップＳ５において、前記目標Ｇairに必要な目標過給圧（ブースト圧）を決定する。
【００２８】
次にステップＳ６に進み、上記目標過給圧が、可変容量型過給機１６の許容過給圧より小さいか否か比較し、目標過給圧≧許容過給圧の場合、すなわちＮＯの場合は、目標過給圧が大き過ぎると判断して、ステップＳ８に進み、たとえば機械式可変容量型過給機の負荷を増加し、ステップＳ５に戻り、再度目標過給圧を設定する。一方、目標過給圧＜許容過給圧の場合は、すなわちＹＥＳの場合は、許容過給圧の範囲内と判断して、ステップＳ７に進み、今度は、前記図２のＮＯｘセンサー３３で測定したＮＯｘ濃度と、予め設定したＮＯｘ濃度の限界値とを比較する。該ステップＳ７において、測定ＮＯｘ濃度≧ＮＯｘ限界の場合、すなわち、ＹＥＳの場合は、ＮＯｘがまだ多いので、ステップＳ９に進み、可変動弁装置１０、１１に目標有効圧縮比をさらに低下させる指令を出し、目標有効圧縮比を一定値だけさらに低下させた後、ステップＳ４に戻る。一方、ステップＳ７において、測定ＮＯｘ濃度＜ＮＯｘ限界値の場合、すなわち、ＮＯの場合は、ＮＯｘ濃度が規制値より少ないと判断し、ステップ１０に進み、最終的に過給圧及び目標有効圧縮比を確定する。
【００２９】
［実施の形態の効果］
（１）図３は、内燃機関の見かけの圧縮比と熱効率の関係を示す図であり、見かけの圧縮比が１４〜１８の範囲では、熱効率は略一定に保たれ、見かけの圧縮比が１４より小さくなると、熱効率も低下する関係となっている。本実施の形態（請求項１の発明）では、見かけの圧縮比を１４〜１８に設定しているので、熱効率を高く保つことができる。なお、本実施の形態では、有効圧縮比を下げることにより、圧縮端温度を下げ、ＮＯｘの発生量を抑制しており、見かけの圧縮比がたとえば１４程度である場合には、有効圧縮比を８〜９程度に下げることになるが、膨張比（見かけの圧縮比）が１４程度であれば、有効圧縮比が８〜９程度に低下しても、熱効率の低下は殆どなく、高い熱効率を維持することができる。
【００３０】
（２）図４は、見かけの圧縮比と圧縮端温度（燃焼直前温度）の関係を示す図であり、見かけの圧縮比の低下に伴い、圧縮端温度が低下することを示しており、圧縮端温度が低下することにより、ＮＯｘの低減を達成できる。
【００３１】
（３）図５は過給圧とＮＯｘ濃度との関係、図６は過給圧と排気煙濃度との関係、図７は過給圧と燃費との関係をそれぞれ示しており、白抜きの四角で示すグラフＸ１は、本実施の形態にしたがって有効圧縮比を８〜９程度に低下させた場合の変化を示し、黒丸のグラフＸ2は、有効圧縮比が見かけの圧縮比に極めて近い高い有効圧縮比における変化を示している。また、Ｐ1は、空気過剰率λが１．６の時の過給圧を示している。
【００３２】
図５において、有効圧縮比を小さくした本実施の形態の場合（グラフＸ１）には、有効圧縮比を小さくすることにより一旦下げたＮＯｘ濃度が、過給圧の増加により徐々に上昇してゆくが、有効圧縮比が高い場合（グラフＸ2)と比較すると、遙かにＮＯｘ濃度が低い値で止められていることが理解できる。すなわち、空気過剰率λ＝１．６に相当する過給圧Ｐ1以上に過給圧を上昇させた場合でも、ＮＯｘ濃度を十分に低い値に抑えられることが理解できる。
【００３３】
図６において、有効圧縮比を小さくした本実施の形態の場合（グラフＸ１）には、有効圧縮比を小さくすることにより、排気煙濃度が上昇しているが、過給圧を上昇させることにより、前記増加した排気煙が低減され、過給圧Ｐ1以上になると、有効圧縮比が高い場合（グラフＸ2）の排気煙濃度と殆ど同程度まで低減できることが理解できる。
【００３４】
図７において、有効圧縮比を小さくした本実施の形態の場合（グラフＸ１）には、有効圧縮比を小さくすることにより、燃費が上昇しているが、過給圧を上昇させることにより、前記増加した燃費が低減され、過給圧Ｐ1以上になると、従来の有効圧縮比が高い場合（グラフＸ2）の燃費と同程度まで低減できることが理解できる。
【００３５】
（４）また、図１のＮＯｘセンサー３３により、排気ガスのＮＯｘ濃度を測定しているので、直接的なフィードバック制御が可能となり、これにより、たとえば、大気条件や燃料が変化した場合でも、ＮＯｘ発生量を確実に規制値内に収めて運転することが可能となる。
【００３６】
［可変容量型過給機の変形例］
（１）機械式の可変容量型過給機としては、ルーツブロアやリショルム又はタービンタイプのいずれも利用することが可能であり、その駆動方式も、ベルトによる直接駆動、クラッチ付きカップリングを利用してクランク軸に連結したもの、または、一旦電力に変換し、インバータモータによって駆動する方式とすることも可能である。いずれにしても、機械式過給機は、エネルギーを必要最小限に止めるべく、負荷に応じて運転条件を設定する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による制御方法を実施するための予混合圧縮自着火式ディーゼル機関の概略図である。
【図２】機械式可変容量型過給機を備えた場合の制御の流れを示すフロー図である。
【図３】見かけの圧縮比と熱効率の関係を示す図である。
【図４】見かけの圧縮比と圧縮端温度の関係を示す図である。
【図５】過給圧とＮＯｘ濃度の関係を示す図である。
【図６】過給圧と排気煙濃度の関係を示す図である。
【図７】過給圧と燃費の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  シリンダ
２  ピストン
５  給気孔（吸気孔）
６  排気孔
８  給気弁（吸気弁）
９  排気弁
１０、１１  可変動弁装置
２１  吸気通路
２２  排気通路
１６  可変容量型過給機
１６ａ  コンプレッサ部
１６ｂ  タービン部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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