(57)【要約】【課題】本発明の目的は、特に、予混合圧縮着火エンジンにおいて、ＥＧＲによる燃焼速度の調整を効果的に実施して、燃焼室における燃焼を安定したものとし、運転範囲の拡大を図ることができる運転制御技術を実現することにある。【解決手段】ノックを検出したときに、ＥＧＲ率を、排ガスの組成、特に、排ガス中のＮＯｘ濃度に基づいて決定した増加量分増加させる。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノックを検出可能に構成され、ＥＧＲ率調整を伴って燃焼室に給気される新気に排ガスを再循環可能に構成されたエンジンにおいて実行され、前記ノックを検出したときにＥＧＲ率を増加させてノックを回避する運転制御方法であって、
前記ノックを検出したときに、前記排ガスの組成を測定し、前記ＥＧＲ率を、前記排ガスの組成に基づいて決定した増加量分増加させることを特徴とするエンジンの運転制御方法。
【請求項２】
前記ＥＧＲ率の増加量を、前記排ガスの組成としての前記排ガス中のＮＯｘ濃度に基づいて決定することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの運転制御方法。
【請求項３】
前記ＮＯｘ濃度が所定の基準濃度未満である場合には、前記ＥＧＲ率の増加量を第一増加量に決定し、前記ＮＯｘ濃度が前記基準濃度以上である場合には、前記ＥＧＲ率の増加量を前記第一増加量よりも大きい第二増加量に決定する請求項２に記載のエンジンの運転制御方法。
【請求項４】
ノックを検出するノック検出手段と、ＥＧＲ率設定を伴って燃焼室に給気される新気に排ガスを再循環させるＥＧＲ手段と、前記ノック検出手段でノックが検出されたときに前記ＥＧＲ手段により設定される前記ＥＧＲ率を増加させてノックを回避するノック回避制御手段とを備えたエンジンであって、
排ガスの前記排ガスの組成を測定する排ガス組成測定手段を備えるともに、
前記ノック回避制御手段が、前記ＥＧＲ率の増加量を、前記排ガス組成測定手段の測定結果に基づいて決定するように構成されているエンジン。
【請求項５】
前記排ガス組成測定手段が、前記排ガスの組成として、前記排ガス中のＮＯｘ濃度を測定する手段である請求項４に記載のエンジン。
【請求項６】
前記ノック回避制御手段が、前記ＮＯｘ濃度が所定の基準濃度未満である場合には、前記ＥＧＲ率の増加量を第一増加量に決定し、前記ＮＯｘ濃度が前記基準濃度以上である場合には、前記ＥＧＲ率の増加量を前記第一増加量よりも大きい第二増加量に決定する手段である請求項５に記載のエンジン。
【請求項７】
前記燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させ燃焼させる予混合圧縮着火エンジンとして構成されている請求項４から６の何れか１項に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノックを検出するノック検出手段と、ＥＧＲ率設定を伴って燃焼室に給気される新気に排ガスを再循環させるＥＧＲ手段と、前記ノック検出手段でノックが検出されたときに前記ＥＧＲ手段により設定される前記ＥＧＲ率を増加させてノックを回避するノック回避制御手段とを備えたエンジン、及びそのノック回避制御方法に関し、特に、前記燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させ燃焼させる予混合圧縮着火エンジン、及びそのノック回避制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの運転領域は、ノックや失火等の発生によって制限される。即ち、エンジン出力の上限界は、ノックが発生する直前の値とされる。また、ノック発生に起因するエンジンの運転領域の拡大のために、燃焼室に給気される新気に、燃焼室から排出される排ガスの一部を再循環させる、所謂ＥＧＲ（排ガス再循環）を行うことが考えられる。即ち、上記ＥＧＲは、排ガス中の比熱の大きなＣＯ２等を新気に再循環させることにより、燃焼室におけるガスの熱容量を増加させ、燃焼室における温度を低下させことができるものであり、主に、ＮＯｘの生成を抑制するための対策として利用されるが、同様に、燃焼室における圧力上昇率を減少させることができるので、ノックを抑制するための対策としても利用できる。
【０００３】
特に、高効率化且つ低ＮＯｘ化を実現可能な予混合圧縮着火エンジンは、燃焼室において希薄予混合気を、高圧縮して自己着火させて燃焼させることから、その予混合気の当量比を高くして、高出力運転を行う場合に、燃焼速度が上昇して、ノックが発生しやすくなる。そこで、かかる予混合圧縮着火エンジンにおいて、上記ＥＧＲを適用することで、高出力運転時における燃焼速度の上昇を抑制してノックの発生を抑制し、予混合圧縮着火エンジンの運転範囲を拡大することが提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００４】
詳しくは、上記特許文献１においては、排ガス中のＮＯｘ濃度と燃焼室における燃焼速度とが相関を有することを利用して、出力を高く設定し、排ガス中のＮＯｘ濃度が増加傾向にある場合には、ＥＧＲ率を増加させて、燃焼室における燃焼速度を低下させ、出力増加によるノックの発生を回避し、燃焼室における燃焼速度を安定したものにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１５２８５３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、エンジンにおいて、運転条件によっては、ＥＧＲを実施しても、十分にノックを回避することができず、特に予混合圧縮着火エンジンにおいて、ＥＧＲの適用により運転範囲の拡大を図ることができない場合があった。
即ち、上記特許文献１においては、排ガス中のＮＯｘ濃度が増加傾向にある場合に、ＥＧＲ率を増加させても、燃焼速度を低下させることができずに、燃焼安定性を確保できない場合があった。
それは、ＥＧＲにより燃焼室に排ガスを再循環して、燃焼室における酸素濃度の低下及び熱容量の増加により燃焼速度の低下を図っても、それ以上に、何らかの要因により、燃焼室における燃焼が促進されていることが考えられる。
【０００７】
従って、本発明の目的は、上記の事情に鑑みて、エンジン、特に、予混合圧縮着火エンジンにおいて、ＥＧＲによる燃焼速度の調整を効果的に実施して、燃焼室における燃焼を安定したものとし、運転範囲の拡大を図ることができる運転制御技術を実現することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係るエンジンの運転制御方法の第一特徴構成は、ノックを検出可能に構成され、ＥＧＲ率調整を伴って燃焼室に給気される新気に排ガスを再循環可能に構成されたエンジンにおいて実行され、前記ノックを検出したときにＥＧＲ率を増加させてノックを回避する運転制御方法であって、
前記ノックを検出したときに、前記排ガスの組成を測定し、前記ＥＧＲ率を、前記排ガスの組成に基づいて決定した増加量分増加させる点にある。
【０００９】
上記本発明に係るエンジンの運転制御方法の第一特徴構成を実施可能で、上記目的を達成するための本発明に係るエンジンの第一特徴構成は、ノックを検出するノック検出手段と、ＥＧＲ率設定を伴って燃焼室に給気される新気に排ガスを再循環させるＥＧＲ手段と、前記ノック検出手段でノックが検出されたときに前記ＥＧＲ手段により設定される前記ＥＧＲ率を増加させてノックを回避するノック回避制御手段とを備えたエンジンであって、
排ガスの前記排ガスの組成を測定する排ガス組成測定手段を備えるともに、
前記ノック回避制御手段が、前記ＥＧＲ率の増加量を、前記排ガス組成測定手段の測定結果に基づいて決定するように構成されている点にある。
【００１０】
本願の発明者らは、発明が解決しようとする課題の欄に記載したように、エンジンにおいてＥＧＲ率を増加又は減少させても、燃焼室における燃焼速度を十分に低下又は上昇させることができない場合があるのは、燃焼室に再循環された排ガスが酸化剤として働いて燃焼室における燃焼を促進しており、ＥＧＲ率によっては、その燃焼促進の程度が燃焼室の燃焼を緩慢にする程度と同等又はそれ以上となるからであるとの知見得た。即ち、図３のエンジンの燃焼室における熱発生率の状態を示すグラフ図に示すように、ＥＧＲ率を約０％、約１０％、又は、約１５％と比較的低くして、下記の表１のように、排ガス中のＮＯｘ濃度が、ＥＧＲ率０％時に対して同等又は高くなっている場合には、ＥＧＲ率を増加させると、燃焼を緩慢化にして着火時期を遅延化させるどころか、逆に、燃焼が促進されて着火時期が早期化されてしまう。一方、ＥＧＲ率を、約２０％以上の約２５％，又は、約３０％と比較的高くして、下記の表１のように、排ガス中のＮＯｘ濃度が、ＥＧＲ率０％時に対して充分に低くなっている場合には、ＥＧＲ率を増加させると、燃焼を緩慢化にして着火時期を遅延化させることができる。
よって、本願発明者らは、このことを考慮して、ノック回避制御におけるＥＧＲ率の増加量を決定することで、燃焼室における燃焼を一層安定したものとすることができると考え、本発明を完成した。
【００１１】
【表１】
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【００１２】
即ち、上記特徴構成によれば、上記ノック回避制御手段により、ノックセンサ等でノックの発生を検出したとき、又は、高出力運転を行ってノックが発生しやすい状態となったときに、上記ＥＧＲ手段により設定されるＥＧＲ率を、上記排ガス組成測定手段で検出された排ガスの組成に基づいて決定したＥＧＲ率の増加量分増加させることで、そのときの排ガスが燃焼に対して酸化剤として強く影響を与える場合でも、ＥＧＲ率の増加量を十分に大きいものに決定して、確実にノックを回避することができる。
よって、本発明に係るエンジン及びその運転制御方法により、ノックを確実に回避して、燃焼安定性及び運転範囲の拡大を図ることができる。
【００１３】
本発明に係るエンジンの運転制御方法の第二特徴構成は、上記エンジンの運転制御方法の第一特徴構成に加えて、前記ＥＧＲ率の増加量を、前記排ガスの組成としての前記排ガス中のＮＯｘ濃度に基づいて決定する点にある。
【００１４】
上記本発明に係るエンジンの運転制御方法の第二特徴構成を実施可能な本発明に係るエンジンの第二特徴構成は、上記エンジンの第一特徴構成に加えて、前記排ガス組成測定手段が、前記排ガスの組成として、前記排ガス中のＮＯｘ濃度を測定する手段である点にある。
【００１５】
ＥＧＲを行った場合に、燃焼室における燃焼が促進されるのは、排ガス中の酸化剤として働くＮＯｘ（窒素酸化物）、特にＮＯ２の存在によるものと考えられる。
よって、上記特徴構成によれば、上記排ガス組成測定手段を、排ガスの組成として排ガス中のＮＯｘ濃度を測定するＮＯｘ濃度センサ等の手段として構成し、その測定結果に基づいて、ＥＧＲ率の増加量を決定することで、そのときの排ガス中の酸化剤として働くＮＯｘ濃度が燃焼に対して酸化剤として強く影響を与える程度であった場合でも、ＥＧＲ率の増加量を十分に大きいものに決定して、確実にノックを回避することができる。
【００１６】
本発明に係るエンジンの運転制御方法の第三特徴構成は、上記エンジンの運転制御方法の第二特徴構成に加えて、前記ＮＯｘ濃度が所定の基準濃度未満である場合には、前記ＥＧＲ率の増加量を第一増加量に決定し、前記ＮＯｘ濃度が前記基準濃度以上である場合には、前記ＥＧＲ率の増加量を前記第一増加量よりも大きい第二増加量に決定する点にある。
【００１７】
上記本発明に係るエンジンの運転制御方法の第三特徴構成を実施可能な本発明に係るエンジンの第三特徴構成は、上記エンジンの第二特徴構成に加えて、前記ノック回避制御手段が、前記ＮＯｘ濃度が所定の基準濃度未満である場合には、前記ＥＧＲ率の増加量を第一増加量に決定し、前記ＮＯｘ濃度が前記基準濃度以上である場合には、前記ＥＧＲ率の増加量を前記第一増加量よりも大きい第二増加量に決定する手段である点にある。
【００１８】
即ち、上記特徴構成によれば、上記ノック回避制御手段により、上記測定された排ガス中のＮＯｘ濃度が所定の基準濃度未満であり、ＥＧＲにより燃焼が促進される程度が、ＥＧＲにより燃焼が緩慢になる程度よりも比較的小さいと判断できる場合には、ＥＧＲ率の増加量を小さめの上記第一増加量に決定して、ノックを回避することができ、逆に、上記測定された排ガス中のＮＯｘ濃度が上記基準濃度以上であり、ＥＧＲにより燃焼が促進される程度が、ＥＧＲにより燃焼が緩慢になる程度よりも大きいと判断できる場合には、ＥＧＲ率の増加量を上記第一増加量よりも大きい上記第二増加量に設定して、燃焼室における酸素濃度低下及び熱容量増加により燃焼を緩慢にする程度を十分に大きくして、ノックを回避することができる。
尚、ＮＯｘ濃度に対応するＥＧＲ率の上記第一増加量及び上記第二増加量は、予めエンジンを用いた検証試験等において、出力等を変化させてＮＯｘ濃度を変化させながら、ノッキングを回避することができるＥＧＲ率の増加量を求め、そのＮＯｘ濃度とＥＧＲ率の増加量とのデータに基づいて決定することができる。
【００１９】
本発明に係るエンジンの第四特徴構成は、上記エンジンの第一乃至第三特徴構成に加えて、前記燃焼室において混合気を圧縮して自己着火させ燃焼させる予混合圧縮着火エンジンとして構成されている点にある。
【００２０】
即ち、上記特徴構成によれば、特に運転範囲の拡大が困難な予混合圧縮着火エンジンにおいて、ＥＧＲ率の増加量を排ガスの組成に基づいて決定するようなノック回避制御を実施することで、高出力運転時のノックを良好に回避でき、運転範囲の拡大を図ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明に係るエンジンの実施形態を、図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１に示すエンジン１００は、シリンダ５の内面とピストン３の頂面とで規定される燃焼室２と、燃焼室２に給気弁７を介して接続された給気路１２と、燃焼室２に排気弁８を介して接続された排気路１３とが設けられている。
【００２３】
ピストン３は連結棒４に揺動自在に連結されており、ピストン３の往復動は連結棒４によって１つのクランク軸６の回転運動として得られ、このような構成は通常のエンジンと変わるところが無い。
【００２４】
給気路１２を流通する空気Ａ（新気）は、ミキサ１８において天然ガス系都市ガスの燃料Ｇが供給されて混合気となり、燃焼室２に給気される。
【００２５】
そして、エンジン１００は、燃焼室２に給気された混合気を、ピストン３の上昇により圧縮して発火点まで昇温させることで、混合気が自己着火して燃焼する所謂予混合圧縮着火運転を行って燃料を燃焼させる予混合圧縮着火エンジンとして構成されている。
【００２６】
エンジン１００には、コンピュータからなるエンジン・コントロール・ユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ）３０が設けられ、ＥＣＵ３０は、エンジン１００のノック回避制御等の各種制御を実施するように構成されている。
【００２７】
給気路１２に流通する空気Ａは、適宜過給機により加圧したり、アフタークーラにより加熱しても構わない。
【００２８】
また、ミキサ１８に供給される燃料Ｇは、燃料量調整弁１９により流量調整可能に構成されている。そして、ＥＣＵ３０は、例えば、アクセル開度やクランク角センサ３３で検出されるクランク軸６の回転数等に基づいて目標当量比を決定し、排気路１３に設けられ、排ガスＥの酸素濃度を検出可能な酸素センサ２５の検出結果に基づいて、燃料Ｇの供給量を調整して、燃焼室２における混合気の当量比を、上記目標当量比となるように制御する。
【００２９】
シリンダ５には、過早着火等によって発生するノックを検出するノックセンサ３１（ノック検出手段の一例）が設けられ、ノックセンサ３１はノックを検出したときに、それを認識可能な出力信号をＥＣＵ３０に送出する。
尚、直接ノックの発生を検出する上記ノックセンサ３１をノック検出手段として設ける代わりに、ＥＣＵ３０により、エンジン１００のアクセル開度や回転数から認識される設定出力とそのときのＥＧＲ率等の運転条件とから、ノックが発生し得る状態であるかを検出することができる。即ち、ＥＣＵ３０は、高出力運転を行っているにも関わらずＥＧＲ率が低いときには、ノックが発生し得る状態になっていると判断することができる。
【００３０】
ＥＧＲ率設定を伴って燃焼室に給気される新気に排ガスＥを再循環させるＥＧＲ手段２０として、排気路１３と給気路１２とを接続し、排気路１３の排ガスＥを給気路１２に再循環させるためのＥＧＲ流路２１と、その排ガスＥの再循環量を調整するためのＥＧＲ量調整弁２２とが設けられている。そして、ＥＣＵ３０は、例えば、クランク軸６の回転数により認識可能な燃焼室２への吸入新気量に基づいて、ＥＧＲ量調整弁２２の開度を調整して、新気に対する排ガス再循環量の割合であるＥＧＲ率を所定の目標ＥＧＲ率となるように制御する。
【００３１】
また、排気路１３には、排ガスＥの組成を測定する排ガス組成測定手段として、燃焼室２から排出される排ガスＥ中のＮＯｘ濃度を測定するＮＯｘ濃度センサ３２が設けられており、このＮＯｘ濃度センサ３２は、測定したＮＯｘ濃度を認識可能な出力信号をＥＣＵ３０に送出する。
尚、上記排ガス組成測定手段として、上記ＮＯｘ濃度センサ３２の代わりに、上記ＮＯｘ濃度とトレードオフの関係を有する排ガスＥ中のＣＯ濃度を測定するＣＯ濃度センサを設け、その検出結果と上記ＮＯｘ濃度とＣＯ濃度との関係とからＮＯｘ濃度を推定しても構わない。
【００３２】
このようなエンジン１００は、前述のように、燃焼室２において混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を行って燃料Ｇを燃焼させるため、例えば圧縮比を２１程度と高く設定することができるため高効率であり、さらに混合気の当量比を例えば火炎伝播下限以下と希薄状態で燃焼させることができるため低ＮＯｘを実現することができる。
【００３３】
さらに、本発明に係るエンジン１００のＥＣＵ３０は、上記ノックセンサ３１でノックが検出されたときに、上記ＥＧＲ手段２０を働かせて、上記ＥＧＲ率を増加することで、出力増加によるノックの発生を回避するノック回避制御を実行するノック回避制御手段として機能する。
以下に、その詳細な運転制御方法について、図２のフロー図に基づいて説明する。
【００３４】
上記ノック回避制御を行うノック回避制御手段として構成されたＥＣＵ３０は、ノックセンサ３１、又は、エンジン１００の運転条件により、ノックの発生したこと又はノックが発生し得る状態となったことを認識した（ステップ１０１）ときに、ＮＯｘ濃度センサ３２から、ノックが発生を認識した時点における排ガスＥの組成としての排ガスＥ中のＮＯｘ濃度を取得する。
【００３５】
そして、その取得した排ガスＥ中のＮＯｘ濃度が、所定の基準濃度未満であるか否かを判断し（ステップ１０３）、基準濃度未満であれば下記のステップ１０４を実行し、基準濃度以上であれば下記のステップ１０５を実行する。
【００３６】
上記排ガスＥ中のＮＯｘ濃度が上記基準濃度未満であるときには、排ガスＥ中の酸化剤として働くＮＯｘを燃焼室２に供給することにより燃焼室２における燃焼が促進される程度が、ＥＧＲにより燃焼が緩慢になる程度よりも小さいと判断でき、ＥＧＲ率を少し増加させるだけで、燃焼室２における燃焼が緩慢となると考えられる。よって、ＥＣＵ３０は、ステップ１０４において、ノックを回避するためのＥＧＲ率の増加量を、比較的小さめの第一増加量Ａに決定し、ＥＧＲ手段２０によりＥＧＲ率を第一増加量Ａ分増加させる（ステップ１０６）。
【００３７】
一方、上記排ガスＥ中のＮＯｘ濃度が上記基準濃度以上であるときには、排ガスＥ中の酸化剤として働くＮＯｘを燃焼室２に供給することにより燃焼室２における燃焼が促進される程度が、ＥＧＲにより燃焼が緩慢になる程度よりも大きく、ＥＧＲ率を少し増加させただけでは、燃焼室２における燃焼を緩慢にすることができないと考えられる。
そこで、ＥＣＵ３０は、上記ステップ１０５において、ノックを回避するためのＥＧＲ率の増加量を、上記第一増加量Ａよりも十分に大きい第二増加量Ｂに決定し、燃焼室２における酸素濃度低下及び熱容量増加により燃焼を緩慢にする程度を十分に大きくして、ＥＧＲ手段２０によりＥＧＲ率を第二増加量Ｂ分増加させる（ステップ１０６）。
【００３８】
上記実施の形態では、排ガスＥの組成としてのＮＯｘ濃度に基づいて上記ＥＧＲ率増加量を決定するに、ＮＯｘ濃度の基準濃度に対する大小により、上記ＥＧＲ率増加量を上記第一増加量Ａと第二増加量Ｂとに切り替える構成を説明したが、別に、上記ＮＯｘ濃度から上記ＥＧＲ率増加量を導出するための関係式を予め準備しておき、上記ＥＧＲ率増加量を、測定したＮＯｘ濃度をその関係式に代入して得たＥＧＲ率増加量に決定しても構わない。また、上記第一増加量Ａと第二増加量Ｂ、及び、上記ＮＯｘ濃度から上記ＥＧＲ率増加量を導出するための関係式は、エンジン出力によって変更しても構わない。
【００３９】
上記実施の形態では、予混合圧縮着火エンジンについて説明したが、本発明に係るエンジンは、上記予混合圧縮着火エンジン以外の、例えば、火花点火エンジン又はディーゼルエンジン等として構成しても、前述の作用効果を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る予混合圧縮着火エンジンの実施形態を示す概略構成図
【図２】本発明に係る運転制御方法の実施の形態を示すフロー図
【図３】燃焼室における熱発生率の状態を示すグラフ図
【符号の説明】
２：燃焼室
３：ピストン
５：シリンダ
６：クランク軸
７：給気弁
８：排気弁
１２：給気路
１３：排気路
１８：ミキサ
１９：燃料量調整弁
２０：ＥＧＲ手段
２１：ＥＧＲ流路
２２：ＥＧＲ量調整弁
２５：酸素センサ
３０：ＥＣＵ
３１：ノックセンサ（ノック検出手段）
３２：ＮＯｘ濃度センサ（排ガス組成測定手段）
１００：エンジン
Ａ：空気
Ｅ：排ガス
Ｇ：燃料
【図１】
2004263666.tif 000004
【図２】
2004263666.tif 000005
【図３】
2004263666.tif 000006