内燃机的燃烧控制装置及均质稀薄混合气的燃烧方法

摘要

提供内燃机的燃烧控制装置及均质稀薄混合气的燃烧方法，能够在广泛区域内运转并且NOx排出量较少。在本发明的均质稀薄混合气的燃烧方法中，在发动机的汽缸内形成均质稀薄混合气之后，通过火花点火来燃烧该均质稀薄混合气。在本发明的燃烧方法中，将在与压缩上止点对应的压力条件下使缸内温度变化时层流燃烧速度产生剧变的温度定义为拐点温度，在燃烧均质稀薄混合气时，使汽缸内的压缩上止点处的缸内温度高于拐点温度。

说明书

技术领域

本发明涉及内燃机的燃烧控制装置及均质稀薄混合气的燃烧方法。更具体而言， 涉及在内燃机的汽缸内形成均质稀薄混合气，通过火花点火来燃烧该均质稀薄混合气 的内燃机的燃烧控制装置及均质稀薄混合气的燃烧方法。

背景技术

作为提高汽油发动机效率的有效手段，提出了使混合气的空燃比比理论空燃比稀 薄的稀薄燃烧。由于稀薄燃烧的废气中的NOx不能利用三元催化剂来净化，因此在 稀薄燃烧发动机中，降低从发动机排出的NOx量自身，即提高燃烧极限空燃比（以 下，也称作“稀薄极限”）很重要。

作为提高稀薄极限的技术中的一种，提出了如下技术：通过在设置于缸内的火花 塞的附近分层配置较浓的混合气，使缸内整体的稀薄混合气稳定地燃烧（例如，专利 文献1、2）。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平10-122015号公报

专利文献2：日本特开2002-256927号公报

发明内容

但是，在该技术中，由于在燃烧前半程中较浓的混合气进行燃烧，因此，即使提 高了稀薄极限，也无法降低与此对应的NOx排出量。另一方面，虽然提出了在汽缸 内形成均质且稀薄的预混合气并使其自点火的被称作HCCI燃烧的燃烧方法，但是， 存在能够稳定燃烧的运转区域较窄、对环境变动的控制性困难等问题。

本发明是鉴于以上问题而完成的，其目的在于，提供能够在广泛区域运转并且NOx 排出量较少的内燃机的燃烧控制装置及均质稀薄混合气的燃烧方法。

（1）本发明是内燃机的燃烧控制装置，该内燃机的燃烧控制装置具有：在内燃 机的汽缸内形成均质稀薄混合气的混合气形成单元；和设置于所述汽缸内的火花点火 单元，该燃烧控制装置通过所述火花点火单元将由所述混合气形成单元形成的均质稀 薄混合气点燃而燃烧，其特征在于，将在与压缩上止点对应的压力条件下使缸内温度 变化时层流燃烧速度产生剧变的温度定义为拐点温度，使燃烧所述均质稀薄混合气时 的所述汽缸内的压缩上止点处的缸内温度高于所述拐点温度。

（2）在该情况下，优选的是，所述拐点温度处的层流燃烧速度的剧变是通过H₂O₂的分解反应而产生的。

（3）在该情况下，优选的是，燃烧所述均质稀薄混合气时的所述汽缸内的压缩 上止点的缸内温度为约1000［K］以上。

（4）在该情况下，优选的是，所述内燃机的压缩比被设定在12以上15以下的 范围内，所述混合气形成单元将所述均质稀薄混合气的空燃比设为25［A/F］以上。

（5）在该情况下，优选的是，在燃烧所述均质稀薄混合气时，停止废气朝所述 汽缸内的回流。

（6）在该情况下，优选的是，还具有对被导入到所述汽缸内之前的进气进行加 热的进气加热单元。

（7）在该情况下，优选的是，所述火花点火单元在到达压缩上止点之前进行2 次以上的多次点火。

（8）本发明是均质稀薄混合气的燃烧方法，在内燃机的汽缸内形成均质稀薄混 合气之后，通过火花点火来燃烧该均质稀薄混合气，其特征在于，将在与压缩上止点 对应的压力条件下使缸内温度变化时层流燃烧速度产生剧变的温度定义为拐点温度， 在燃烧所述均质稀薄混合气时，使所述汽缸内的压缩上止点处的缸内温度高于所述拐 点温度。

（1）在本发明中，利用火花点火单元将通过混合气形成单元在汽缸内形成的均 质稀薄混合气点燃而燃烧。此时，在本发明中，通过使压缩上止点处的缸内温度高于 预定的拐点温度，能够使混合气的空燃比充分稀薄（例如，24［A/F］以上），并且提 高能够进行稳定燃烧程度的层流燃烧速度。更具体而言，现有的均质稀薄燃烧中的稀 薄极限为18［A/F］左右，而根据本发明，能够将其提高到至少30［A/F］左右。此 外，通过燃烧均质的混合气，能够与空燃比变稀薄相对应地降低NOx排出量。此外， 通过利用火花点火单元，能够在与HCCI燃烧不同的广泛运转区域内稳定燃烧。

（2）根据本发明，通过使压缩上止点处的缸内温度高于拐点温度，能够利用由H₂O₂的分解反应生成的OH自由基，将层流燃烧速度提高到即使是均质稀薄混合气也能够 稳定燃烧的程度。

（3）根据本发明，通过将压缩上止点的缸内温度设为约1000［K］以上，能够 可靠地使缸内温度高于拐点温度，能够使均质稀薄混合气稳定地燃烧。

（4）根据本发明，通过将压缩比设定在12以上15以下的范围内，能够将压缩 上止点处的缸内温度提高到不产生敲缸的程度。因此，能够容易地使压缩上止点处的 缸内温度高于拐点温度。

（5）在本发明中，在燃烧均质稀薄混合气时，通过停止废气朝汽缸内的回流， 能够防止缸内温度下降。

（6）在本发明中，通过利用进气加热单元来对被导入到汽缸内之前的进气进行 加热，能够在各种环境下稳定地使压缩上止点处的缸内温度高于拐点温度，进而提高 稀薄极限。

（7）在本发明中，通过在到达压缩上止点之前进行多次点火，能够使压缩上止 点处的缸内温度高于拐点温度，进而提高稀薄极限。

（8）根据本发明，得到与上述（1）相同的效果。

附图说明

图1是示出本发明的第1实施方式的试验机（组合例1～4）中的混合气的空燃 比与指示平均有效压力的变动率之间的关系的曲线图。

图2是示出上述实施方式的试验机（组合例1～4）中的混合气的空燃比与刚从 发动机排出的废气的NOx浓度之间的关系的曲线图。

图3是示出上述实施方式的试验机（组合例1～4）中的混合气的空燃比与压缩 上止点处的缸内温度的平均值之间的关系的曲线图。

图4是示出上述实施方式的试验机（组合例1）中的曲轴角度与缸内温度之间的 关系的图。

图5是示出上述实施方式的试验机（组合例2）中的曲轴角度与缸内温度之间的 关系的图。

图6是示出上述实施方式的试验机（组合例3）中的曲轴角度与缸内温度之间的 关系的图。

图7是示出上述实施方式的试验机（组合例4）中的曲轴角度与缸内温度之间的 关系的图。

图8是示出通过反应计算得到的初始缸内温度与层流燃烧速度之间的关系的图。

图9是示出在初始缸内温度低于拐点温度的情况下（900［K］）对层流燃烧速度 有贡献的基元反应中，灵敏度的绝对值靠前的4个基元反应的图。

图10是示出在初始缸内温度拐点温度高的情况下（1000［K］）对层流燃烧速度 有贡献的基元反应中，灵敏度的绝对值靠前的4个基元反应的图。

图11是示意性示出被认为在高于拐点温度的区域中进行的H₂O₂反应循环的图。

图12是示出本发明的第2实施方式的量产机中的混合气的空燃比与指示平均有 效压力的变动率之间的关系的曲线图。

图13是示出上述实施方式的量产机中的混合气的空燃比与刚从发动机排出的废 气的NOx浓度之间的关系的曲线图。

图14是示出上述实施方式的量产机中的混合气的空燃比与指示燃油消耗率之间 的关系的曲线图。

图15是示出上述实施方式的量产机中的曲轴角度与缸内温度之间的关系的图。

具体实施方式

＜第1实施方式＞

以下，参照附图，对本发明的均质稀薄混合气的燃烧方法和应用该燃烧方法而构 成的内燃机（以下，简单称作“发动机”）的燃烧控制装置的第1实施方式进行说明。

本实施方式的单汽缸发动机及其燃烧控制装置的规格如下表1所示。此外，本实 施方式的发动机和其燃烧控制装置对应于为了明确本发明的均质稀薄混合气的燃烧 方法的概念而构成的试验机。关于通过该试验机而明确的本发明的燃烧方法在量产机 中的应用，后面作为第2实施方式进行详细说明。

[表1]

在本实施方式的试验机中，作为在汽缸内形成均质稀薄混合气的混合气形成单 元，在距离发动机的进气门约1.5［m］的上游位置设置有量产机的燃料喷射器。这 样，在距离进气门足够远的上游侧的位置，从燃料喷射器喷射燃料，由此，能够在利 用燃料喷射器喷射的位置到进气门之间，使燃料与空气混合，因此能够在汽缸内形成 充分均质稀薄混合气。

在本实施方式的试验机中，作为对被导入到汽缸内之前的进气进行加热的进气加 热单元，在进气通路设置有对进气进行加热的进气加热器。在该试验机中，通过利用 进气加热器来对进气进行加热，能够使进气温度乃至压缩上止点处的缸内温度高于后 述的拐点温度，从而能够使均质稀薄混合气稳定地燃烧。

对发动机的压缩比进行说明。压缩比越大则压缩上止点处的缸内温度越高，但是， 在压缩比过大时容易产生敲缸。因此，为了能够使压缩上止点处的缸内温度高于后述 的拐点温度并且不产生敲缸，优选将发动机的压缩比设定在12.0以上且15.0以下的 范围内。在第1实施方式的试验机中，作为该范围内的压缩比，准备了12.4和13.2 这2个压缩比。

表2示出组合例1～4的发动机的燃烧控制装置。

在组合例1中，在压缩比为12.4的试验机中，通过进气加热器将进气温度加热 到50℃。

在组合例2中，在压缩比为12.4的试验机中，通过进气加热器将进气温度加热 到100℃。

在组合例3中，在压缩比为13.2的试验机中，通过进气加热器将进气温度加热 到50℃。

在组合例4中，在压缩比为13.2的试验机中，通过进气加热器将进气温度加热 到100℃。

[表2]

  压缩比 进气温度 组合例1 12.4 50℃ 组合例2 12.4 100℃ 组合例3 13.2 50℃ 组合例4 13.2 100℃

接下来，在各个组合例1～4中，通过在比理论空燃比（约15［A/F］）充分稀薄 的区域中改变混合气的空燃比，来验证各个空燃比与稀薄极限和NOx排出量（刚从 发动机排出的废气的NOx浓度）的下限之间的关系。

图1是示出各个组合例1～4中的混合气的空燃比与指示平均有效压力（IMEP： Indicated Mean Effective Pressure）的变动率之间的关系的曲线图。在本发明中，将 IMEP变动率作为表示发动机的燃烧不稳定性的指标，将IMEP变动率为6［％］以 下定义为发动机的燃烧稳定性的基准。此外，在图1中，在各个组合例1～4中，用 空白标记示出满足上述燃烧稳定性基准的情况，用涂黑标记示出不满足燃烧稳定性基 准的情况。

如图1所示，在任意组合例中，空燃比越稀薄，燃烧越不稳定。此外，能够使IMEP 变动率为6［％］以下的空燃比的最大值、即稀薄极限根据各个组合例1～4而不同。 更具体而言，组合例1的稀薄极限为约25.3［A/F］，组合例3的稀薄极限为约26.4［A/F］， 组合例2的稀薄极限为约27.1［A/F］，组合例4的稀薄极限为约28.1［A/F］。此外， 根据该图1所示的结果，压缩比和进气温度两者都高的组合例4的稀薄极限最大。因 此，可以说提高缸内温度有利于提高稀薄极限。

图2是示出各个组合例1～4中的混合气的空燃比与刚从发动机排出的废气的NOx 浓度［ppm］之间的关系的曲线图。此外，与图2相同地，在各个组合例1～4中， 用空白标记示出满足上述燃烧稳定性基准的情况，用涂黑标记示出不满足燃烧稳定性 基准的情况。

如图2所示，在任意组合例中，由于向汽缸内导入了充分均质的混合气，因此， 混合气越稀薄则NOx排出量越小。因此，如图2中虚线所示，验证出：稀薄极限越大， 则此时的废气的NOx浓度越小。尤其是，在稀薄极限为约28.1［A/F］的组合例4中， 能够将NOx浓度降低到20［ppm］以下。

图3是示出各个组合例1～4中的混合气的空燃比与压缩上止点处的缸内温度的 平均值（以下，称作“平均缸内温度”）T_TDC［K］之间的关系的曲线图。具体而言， 在下面的说明中，缸内温度是根据由设置于汽缸的压电传感器测量出的缸内压力计算 出的。此外，图3的平均缸内温度T_TDC是压缩上止点处的缸内温度的200个循环 的平均值。此外，图3也与图1、2相同地，在各个组合例1～4中，用空白标记示出 满足上述燃烧稳定性基准的情况，用涂黑标记示出不满足燃烧稳定性基准的情况。

如图3中虚线所示，在各个组合例1～4中，在混合气的空燃比为约24.0［A/F］ 以上的区域中，平均缸内温度具有随着稀薄化而下降的趋势。此外，尤其是，无论稀 薄极限的大小如何，在任意组合例1～4中，在平均缸内温度成为约1150［K］以下 时，燃烧都变得不稳定。即，该图3的曲线图表明：在燃烧均质稀薄混合气时，压缩 上止点处的缸内温度是与燃烧的稳定性即稀薄极限直接相关的参数。接下来，根据缸 内温度的历史，更详细分析压缩上止点处的缸内温度与稀薄极限之间的关联性。

图4、图5、图6和图7分别是示出组合例1、组合例2、组合例3和组合例4 中的曲轴角度CA［度］（设压缩上止点为0［度］）与缸内温度T［K］之间的关系的 图。更具体而言，图4～7分别示出经过200个循环，描绘各曲轴角度处的缸内温度 而得到的曲线图。此外，在各个图4～7中，左侧的曲线图（a）分别是IMEP变动率 小于6［％］的稳定燃烧时的图，右侧的曲线图（b）分别是IMEP变动率大于6［％］ 的不稳定燃烧时的图。

如图4～7的左侧的曲线图（a）所示，在任意组合例1～4中，在稳定燃烧时， 压缩上止点的缸内温度始终大于约1000［K］。

与此相对，如图4～7的右侧的曲线图（b）所示，在任意组合例1～4中，在燃 烧变得不稳定时，产生压缩上止点的缸内温度低于约1000［K］的循环。更具体而言， 验证出：在产生压缩上止点的缸内温度未达到约1000［K］的循环时，随后，热产生 量会减小，这成为使IMEP变动率增大的原因。即，验证出：通过使汽缸内的压缩上 止点处的缸内温度为比后述的拐点温度高的约1000［K］以上，能够使均质稀薄混合 气稳定地燃烧。

接下来，对为了明确在将压缩上止点处的缸内温度设为约1000［K］以上时能够 使均质稀薄混合气稳定燃烧的原因而进行的仿真的结果进行说明。更具体而言，在上 述试验机的压缩上止点处的缸内压力条件下，通过反应计算来计算每一初始缸内温度 的层流燃烧速度。仿真的条件如以下所示。

使用解析软件：CHemkin Pro

使用反应模型：汽油替代品（gasoline surrogate）反应模型（参照：桥本公太郎， 越光男，三好明，村上能规，小口达夫，酒井康行，安东弘光，土屋健太郎，「ガソ リン燃焼反応モデルの構築」，汽车技术会学術講演会前刷集，NO.29～12，P21～24 （2012））

压力条件：3MPa（相当于试验机的压缩上止点处的缸内压力）

当量比：0.5（换算成空燃比，为约30［A/F］）

使用燃料：PRF90

图8是示出通过上述反应计算得到的初始缸内温度［K］与层流燃烧速度［cm/s］ 之间的关系的图。

如图8所示，表明：初始缸内温度越高，则层流燃烧速度越大，但是在约960［K］ 处产生剧变。在本发明中，将在与压缩上止点对应的压力条件下改变缸内温度时层流 燃烧速度产生剧变的温度定义为拐点温度。

图9和图10分别示出：在初始缸内温度为比上述拐点温度低的900［K］的情况 下和初始缸内温度为比上述拐点温度高的1000［K］的情况下，对层流燃烧速度有贡 献的基元反应中，灵敏度的绝对值靠前的4个基元反应。

如图9所示，在初始缸内温度低于拐点温度的情况下，主要是氧/氢反应和一氧 化碳基元反应对层流燃烧速度有积极贡献。这与通常的燃烧反应相同。

另一方面，如图10所示，在初始缸内温度超过拐点温度时，发生H₂O₂的分解反 应，这对层流燃烧速度有积极贡献。即，考虑当提高缸内温度时，从拐点温度的附近 起产生H₂O₂的分解反应，由此生成的OH自由基对层流燃烧速度的增加有较大的贡 献。更具体而言，考虑进行如下的H₂O₂反应循环（参照图11）来增大层流燃烧速度： 在缸内温度超过拐点温度时，通过H₂O₂发生分解生成OH自由基，然后，进一步通 过发热反应再产生H₂O₂。此外，图11的H₂O₂反应循环总体如下述式那样，是甲醛 被氧化而发热的反应。

2CH₂O＋O₂→2H₂O＋2CO＋473［kJ］

总结上述，在本发明中，通过将压缩上止点处的缸内温度设为高于拐点温度的温 度而发生H₂O₂的分解反应，能够充分提高层流燃烧速度，从而即使是均质稀薄混合 气也能够稳定地燃烧。

此外，图8～10所示的结果是基于当量比为0.5以下的反应计算而得到的，但是， 即使改变了当量比，上述拐点温度也被认为不会较大地变化。因此，本实施方式的试 验机的组合例4的稀薄极限为约28.1［A/F］（参照图1），但是，可以考虑例如通过 进气加热器将进气加热到更高温度，提高发动机压缩比等，由此能够进一步提高稀薄 极限。

＜第2实施方式＞

接下来，参照附图，对本发明的第2实施方式进行说明。

在上述第1实施方式的试验机中，作为用于提高缸内温度的单元，使用了对被导 入到汽缸内之前的进气进行加热的进气加热器。但是，对于行驶中的车辆，技术上难 以准确地控制进气温度而不适于量产机。因此在第2实施方式中，对使用了进气加热 器以外的单元作为用于提高缸内温度的单元而更适于量产机的技术进行说明。

本实施方式的单汽缸发动机及其燃烧控制装置的规格如下表3所示。

[表3]

在本实施方式的量产机中，作为在汽缸内形成均质稀薄混合气的混合气形成单 元，在汽缸外的进气口设置有具有微粒化喷嘴的燃料喷射器。与第1实施方式的试验 机相比，从喷射燃料的位置起到汽缸为止的距离变短，但是通过利用具有微粒化喷嘴 的燃料喷射器，能够在汽缸内形成充分均质的混合气。

在本实施方式的量产机中，作为提高缸内温度的单元，替代第1实施方式中说明的 进气加热器而使用了多重点火式的点火装置。即，通过在到达压缩上止点之前进行2次 以上的多次点火，即使不使用进气加热器，也能够使压缩上止点处的缸内温度上升到 约1000［K］。

接下来，在以上这样的量产机中，通过在比理论空燃比充分稀薄的区域中改变混 合气的空燃比，对空燃比与稀薄极限以及NOx排出量的下限之间的关系进行验证。

图12是示出本实施方式的量产机中的混合气的空燃比与IMEP的变动率之间的 关系的曲线图。

图13是示出本实施方式的量产机中的混合气的空燃比与刚从发动机排出的废气 的NOx浓度之间的关系的曲线图。

图14是本实施方式的量产机中的混合气的空燃比与指示燃油消耗率（ISFC： Indicated Specific Fuel Consumption）之间的关系的曲线图。

此外，被导入到汽缸之前的进气的温度为50℃。此外，在这些图12～14中，在 上述量产机中，用空白标记示出满足燃烧稳定性基准的情况，用涂黑标记示出不满足 燃烧稳定性基准的情况。

如图12所示，根据本实施方式的量产机，稀薄极限为约30.0［A/F］。此外，如 图13所示，由于在汽缸内导入了充分稀薄的混合气，因此，与第1实施方式相同地， 空燃比越稀薄，则NOx排出量越小。此外，如图14所示，根据本实施方式的量产机， 能够在不使指示燃油消耗率恶化的情况下使空燃比变稀薄。

图15是示出本实施方式的量产机中的曲轴角度CA［度］与缸内温度T［K］之 间的关系的图。更具体而言，图15是示出经过200循环，描绘各曲轴角度处的缸内 温度而得到的曲线图。此外，图15的左侧的曲线图（a）是IMEP变动率低于6［％］ 的空燃比为30.0［A/F］时的曲线图，右侧的曲线图（b）为IMEP变动率大于6［％］ 的空燃比为30.5［A/F］时的曲线图。

如图15的（a）所示，与第1实施方式相同，稳定燃烧时的压缩上止点处的缸内 温度始终大于约1000［K］。

与此相对，如图15的（b）所示，在燃烧变得不稳定时，产生压缩上止点的缸内 温度低于约1000［K］的循环。因此，验证出：在表3所示的量产机中，通过使汽缸 内的压缩上止点处的缸内温度高于拐点温度而为约1000［K］以上，能够使均质稀薄 混合气稳定地燃烧。

以上，对本发明的两个实施方式进行了说明，但是本发明不限于此。

例如，在上述实施方式中，对使用单汽缸的发动机的情况进行了说明，但是本发 明的燃烧方法能够应用于任何汽缸数的发动机。此外，在上述实施方式中，关于发动 机运转条件，对设发动机旋转速度为1500［rpm］、设指示平均有效压力为300［kPa］ 的情况进行了说明，但是，本发明不限于此而能够适用于任意运转区域。

此外，图8～10所示的仿真结果是基于当量比为0.5以下的反应计算而得到的， 但是例如即使改变了当量比，上述拐点温度的大小也被认为不会较大地变化。因此， 第1实施方式的试验机的稀薄极限为约28.1［A/F］，第2实施方式的量产机的稀薄极 限为约30.0［A/F］，但是，这些稀薄极限例如能够通过提高压缩上止点处的缸内温度 而进一步提高。

此外，为了在汽缸内形成均质混合气，在第1实施方式中，从充分离开进气口的 位置喷射燃料，在第2实施方式中，利用具有微粒化喷嘴的燃料喷射器来喷射燃料， 但是，在本发明中，在汽缸内形成均质混合气的手段不限于这些。例如，即使在将燃 料喷射器设置于汽缸内的情况下，也能够在进气过程中等设置提前喷射燃料而进行预 混合的期间，从而在汽缸内形成充分均质的混合气。

此外，为了将压缩上止点处的缸内温度设为高于拐点温度的温度，在第1实施方 式中，提高压缩比并使用了进气加热器，在第2实施方式中，提高压缩比并使用了多 重点火方式的点火装置，但是，在本发明中，提高缸内温度的手段不限于这些。例如， 由于缸内流动加强时火焰面面积变大，因而能够借此来提高缸内温度。

此外，优选的是，在通过本发明的燃烧方法来燃烧均质稀薄混合气时，停止废气 朝汽缸内的回流，使得缸内温度不下降。