CN101424221A - 柴油发动机的燃烧控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柴油发动机的燃烧控制装置，其可以控制燃料喷射定时，以切换至通常燃烧模式、预混合燃烧模式及二者之间的转换模式，在通常燃烧模式下，在进气氧气浓度小于或等于规定值的情况下，从通常燃烧模式切换为转换模式(10～40)。

Description

柴油发动机的燃烧控制装置

技术领域

本发明涉及一种柴油发动机的燃烧控制装置，具体地说，涉及可以切换为预混合燃烧模式与通常燃烧模式而控制燃料喷射的技术。

背景技术

在柴油发动机的燃烧控制装置中，已知切换为下述模式的技术：通常燃烧模式，其在活塞的压缩上死点附近喷射燃料，在燃料喷射过程中点火；以及预混合燃烧模式，其在燃料自燃点火定时之前完成燃料喷射，然后点火。

在通常燃烧模式中，因为在点火后也追加供给燃料，所以可以增加燃料向缸内的供给量，确保高输出。另一方面，在预混合燃烧模式中，因为在燃料喷射完成后，混合气体被充分稀释、均匀化后再点火，所以可以抑制局部的燃烧温度的上升，减少NOx(氮氧化物)的产生量。因此，通常在低转速、低负载时或怠速时考虑排气性能而选择预混合燃烧模式，在其它情况下考虑输出性能而选择通常燃烧模式，进行燃烧控制。

已知下述技术，其在预混合燃烧模式和通常燃烧模式下，在对应图等中设定燃料喷射定时等控制参数的目标值，在预混合燃烧模式与通常燃烧模式的切换转换时，控制为将与各个模式相对应的2个对应图相连，以逐渐改变控制参数的目标值(参照日本国特开2006—105046号公报)。

但是，在上述公报中所述的燃烧控制中，因为仅控制为将预混合燃烧模式的对应图与通常燃烧模式的对应图相连，所以，例如在带有EGR装置的发动机中，在这两种燃烧模式的切换转换时(转换模式时)，由于EGR装置的动作延迟，难以进行适当的燃料喷射，可能会产生烟、或产生扭矩冲击、或产生NOx。

另一方面，在柴油发动机的排气通路中，大量地设有捕捉排气中的NOx并进行还原去除的排气净化催化剂。但是，在例如刚冷态起动之后，排气净化催化剂为非活性状态的情况下，还存在无法利用排气净化催化剂充分去除NOx而被外部排放的问题。

发明内容

本发明是为了解决这些问题点而提出的，其目的在于提供一种柴油发动机的燃烧控制装置，其可以在预混合燃烧模式和通常燃烧模式的切换转换时，进行适当的燃料喷射，抑制烟的产生，同时，可以抑制扭矩冲击的产生，进行顺利的转换，另外，在排气净化催化剂为非活性状态的情况下，还可以抑制NOx的排出。

为了实现上述目的，本发明涉及的柴油发动机的燃烧控制装置，其控制燃料喷射定时，可以切换为以下任意一种模式：在燃料的喷射期间内点火的通常燃烧模式；在燃料喷射完成后经过预混合期间再点火的预混合燃烧模式；以及在前述通常燃烧模式与预混合燃烧模式之间进行转换的转换模式，其特征在于，具有控制单元，其在前述通常燃烧模式下，在进气氧气浓度小于或等于规定值的情况下，从前述通常燃烧模式切换为前述转换模式。

由此，因为可以根据进气氧气浓度在通常燃烧模式与转换模式间切换而控制燃料喷射定时，所以，在例如设有EGR装置的柴油发动机中，即使EGR装置的响应相对于发动机的运行状态的变化延迟，也可以设定适合于进气状态的燃料喷射定时，抑制烟的产生。

另外，优选前述控制单元，在前述转换模式下，具有多个用于设定与进气氧气浓度相对应的燃料喷射定时的对应图，根据发动机运行状态而选择使用前述对应图中的某一个，控制燃料喷射定时。

由此，在转换模式时，可以根据发动机的运行状态设定适当的燃料喷射定时，进行顺利的转换。

另外，优选在前述控制单元中，作为前述对应图，具有：低排放模式用对应图，其抑制氮氧化物的排放；以及低烟模式用对应图，其抑制烟的排放，同时抑制输出扭矩相对于进气氧气浓度变化的变动。

由此，通过在转换模式时，根据发动机的运行状态切换至低排放模式及低烟模式，从而可以实现氮氧化物的排放抑制与烟的排放及输出扭矩变化的抑制的并存。

另外，优选前述低烟模式用对应图中的燃料喷射定时，在相同的进气氧气浓度下，与前述低排放模式用对应图相比设定在超前角侧。

由此，在低烟模式下，可以相对于低排放模式，将输出扭矩维持得较高。

另外，优选具有催化剂状态推定单元，其用于推定去除前述柴油发动机的排气中的氮氧化物的排气净化催化剂是否为非活性状态，前述控制单元，在由前述催化剂状态推定单元推定排气净化催化剂为非活性状态的情况下，选择前述低排放模式用对应图。

由此，即使是例如刚冷态起动之后的排气净化催化剂为非活性状态，也可以抑制氮氧化物的排放。

另外，优选还具有限制单元，其在由前述催化剂状态推定单元推定前述排气净化催化剂为非活性状态的情况下，限制加速器开度，以使得在前述控制单元中根据发动机运行状态选择低排放模式。

由此，可以抑制进气状态的急剧变化，可靠地抑制以燃料喷射延迟为主要原因的氮氧化物的产生。

另外，前述控制单元根据作为前述发动机运行状态的加速器开度变化率、进气氧气浓度变化率及排气净化催化剂的催化剂温度，选择前述低排放模式用对应图及低烟模式用对应图中的某一个。

由此，可以准确地实现转换模式时的氮氧化物的排放的抑制与烟的排放及输出扭矩变化的抑制的并存。

附图说明

通过下文结合附图进行的详细说明，可以更完全地理解本发明，这些附图和详细说明仅为例示之用，并不用于限制本发明。附图中：

图1是表示本发明的第1实施例涉及的燃烧控制装置中的燃烧模式的切换判定顺序的流程图。

图2是燃烧模式判定用的对应图。

图3是表示第1实施例涉及的转换模式时的燃料喷射定时的计算要点的框图。

图4是低烟模式时的燃料喷射定时运算用的对应图。

图5是低排放模式时的燃料喷射定时运算用的对应图。

图6是表示燃料喷射定时与进气氧气浓度的关系，表示低烟模式和低排放模式下的燃料喷射定时的转换路径的差异的参考图。

图7是表示燃料喷射定时及进气氧气浓度与排气中的烟浓度的关系的曲线图。

图8是表示燃料喷射定时及进气氧气浓度与排气中的NOx浓度的关系的曲线图。

图9是表示燃料喷射定时及进气氧气浓度与发动机输出扭矩的关系的曲线图。

图10是表示本发明的第2实施例涉及的燃烧控制装置的燃烧模式的切换判定顺序的流程图。

图11是表示第2实施例涉及的转换模式的燃料喷射定时及加速器开度的计算要点的框图。

图12是校正加速器开度运算用的对应图。

具体实施方式

下面，根据附图对本发明的实施方式进行说明。

首先，说明第1实施例。

在具有本发明的第1实施例涉及的燃烧控制装置的柴油发动机(以下简称发动机)的排气通路中，设置捕捉排气中的NOx(氮氧化物)并将其还原净化为无害物质的NOx催化剂(排气净化催化剂)。另外，在发动机中具有EGR系统及公用油轨系统。EGR系统具有连通排气通路与进气通路的EGR通路，其通过对安装在EGR通路中的EGR阀门进行开闭控制而具有下述功能，即，通过使排气中的一部分回流至进气中而使燃烧温度降低，从而抑制NOx。

公用油轨系统将利用燃料泵实现高压化的燃料蓄积在公用油轨中，从公用油轨向对各个气缸设置的喷射器供给高压燃料，并向缸内喷射。公用油轨内的压力可以通过对燃料泵进行动作控制而进行调整。各个喷射器利用燃烧控制装置进行动作控制，控制向缸内的燃料喷射量、燃料喷射定时。

燃烧控制装置具有下述功能，即，输入发动机的各种运行状态，将由喷射器进行的燃料喷射，切换至通常燃烧模式或预混合燃烧模式。

在通常燃烧模式中，控制为在活塞的压缩上死点附近进行燃料喷射，因为在点火后也追加供给燃料，所以向缸内的燃料供给量增加，可以获得高输出。在预混合燃烧模式中，控制为在燃料自燃点火定时之前完成燃料喷射，由于在燃料喷射完成后，混合气体充分稀释、均匀化之后点火，所以可以抑制局部的燃烧温度的上升，减少NOx产生量。另外，在通常燃烧模式与预混合燃烧模式之间，设置这两种模式之间的转换期间即转换模式。

图1是表示第1实施例涉及的燃烧模式的切换判定顺序的流程图。该程序在发动机的动作中重复执行。

如图1所示，首先在步骤S10中，输入发动机转速Ne及负载L(例如燃料喷射量)，根据图2所示的预先存储的燃烧模式判定对应图，判断是否为适于预混合燃烧模式的运行状态。在判定为适于预混合燃烧模式的运行状态的情况下，进入步骤S20。在该对应图中设定为，在低转速低负载时选择预混合燃烧(PCI)模式，而在其它区域选择通常燃烧(Conventional)模式。此外，预混合燃烧模式与通常燃烧模式之间的区域相当于转换模式。

在步骤S20中，选择预混合燃烧模式。并且，使该程序返回。

在步骤S10中，在判断发动机的运行条件不适合预混合燃烧模式的情况下，进入步骤S30。

在步骤S30中，判定进气氧气浓度是否大于规定值。在大于规定值的情况下，进入步骤S40。该规定值只要设定为例如可以进行通常燃烧的下限值即可。

在步骤S40中，选择通常燃烧模式。然后，使该程序返回。

在步骤S30中，判定进气氧气浓度低于规定值的情况下，进入步骤S50。

在步骤S50中选择转换模式。然后，使本程序返回。

下面，使用第1实施例涉及的图3的框图，说明转换模式时的燃料喷射定时的计算要点。

燃烧控制装置根据进气氧气浓度，设定转换模式时的燃料喷射定时。具体地说，用于设定与进气氧气浓度相对应的燃料喷射定时的对应图有2种，根据发动机的运行状态对这2种对应图进行切换控制(控制单元)。

如图3所示，第1喷射定时运算部10被输入进气氧气浓度及发动机转速，运算低烟模式时的燃料喷射定时。低烟模式时的燃料喷射定时，使用图4所示的对应图而进行。另一方面，第2喷射定时运算部20被输入进气氧气浓度及发动机转速，运算低排放模式时的燃料喷射定时。低排放模式时的燃料喷射定时，使用图5所示的对应图进行。在图4及图5中均设定为，随着进气氧气浓度增加而燃料喷射定时延迟，另外，因发动机转速的变化而燃料喷射定时变化。

模式选择部30输入加速器开度变化率、进气氧气浓度变化率、作为NOx催化剂状态的例如NOx催化剂的催化剂温度，选择或判断低排放模式及低烟模式中的某一个。在这里可以设定为，在加速器开度或进气氧气浓度的变化率减小，催化剂温度低而NOx催化剂为非活性状态的情况下选择低排放模式，在加速器开度或进气氧气浓度变化量较大，NOx催化剂为活性状态的情况下选择低烟模式。

切换部40输出与由模式选择部30选择的模式相当的由喷射定时运算部10或20运算的值，作为最终的燃料喷射定时。

图6是表示进气氧气浓度与燃料喷射定时的关系的曲线图，是表示低排放模式与低烟模式的转换路径的差异的参考图。此外，在图中，作为参考，用等高线表示烟浓度，在图中中央部烟浓度高。图7是表示进气氧气浓度、燃料喷射定时与烟浓度的关系的曲线图，图中的数字越大，则烟浓度越高。图8是表示进气氧气浓度、燃料喷射定时与NOx浓度间的关系的曲线图，图中数字越大，则NOx浓度越高。图9是表示进气氧气浓度及燃料喷射定时与输出扭矩间的关系的曲线图，图中数字越大，则输出扭矩越大。

如图6所示，在转换模式时，在图中下部的预混合燃烧模式的区域和图中右上部的通常燃烧模式的区域之间进行转换，但其转换路径在低排放模式和低烟模式时不同。在低烟模式下，鉴于图7所示的烟浓度的特性，设定为以大致直线连结预混合燃烧模式的区域与通常燃烧模式的区域，以避开烟浓度高的区域。在低排放模式下，鉴于图8所示的NOx浓度的特性，设定为尽量在NOx浓度低的区域进行转换。另外，如图9所示，发动机的输出扭矩的特性为，在预混合燃烧模式与通常燃烧模式之间，几乎不受进气氧气浓度的影响，而是对应于燃料喷射定时而变化。因此，在图中所示的低烟模式下，与低排放模式相比，将斜率(燃料喷射定时/进气氧气浓度)设定得较小，从而相对于进气氧气浓度的变化，燃料喷射定时的变化减小，因此，可输出扭矩的变化也减小。另外，如图9所示，发动机的输出扭矩的特性为，如果燃料喷射定时早(为超前角侧)则其增大，因为在相同的进气氧气浓度下，低烟模式的燃料喷射定时设定为早于低排放模式，所以当在预混合燃烧模式与通常燃烧模式间的转换时，可以将发动机的输出扭矩维持得较高。

如上所述，在本实施方式中，因为根据进气氧气浓度，设定通常燃烧模式与转换模式的切换，进而设定转换模式时的燃料喷射定时，所以即使例如EGR装置的响应延迟，也可以设定适合于进气状态的燃料喷射定时，抑制烟的产生。

另外，作为设定该燃料喷射定时时使用的对应图，具有低排放模式及低烟模式这两个对应图，当加速器开度急剧变化、或NOx催化剂的催化剂温度充分上升时，选择低烟模式而抑制烟的产生，同时抑制输出扭矩变化而可以顺利地进行转换。另一方面，因为在加速器开度或进气氧气浓度变化较小的情况下，不易产生烟且输出扭矩不易变化，所以通过如上所述选择低排放模式而抑制NOx的产生。也就是说，在本实施方式中，在转换模式下，可以对应于各种运行条件设定燃料喷射定时，抑制烟的产生及输出扭矩的变化，同时还抑制NOx的产生。

下面，说明第2实施例。

在本发明的第2实施例的燃烧控制装置中，与上述第1实施例的不同点在于，对应于NOx催化剂是否为非活性状态而选择低排放模式与低烟模式，以及在NOx催化剂为非活性状态的情况下，限制加速器开度以选择低排放模式，下面，以与第1实施例不同的部分为中心进行说明。

图10是表示第2实施例涉及的燃烧模式的切换判定顺序的流程图。在该流程图中，直至步骤S10～S40与上述第1实施方式相同，省略说明。

在步骤S50’中，判断NOx催化剂是否为活性状态。在其为活性状态的情况下，进入步骤S60。

在步骤S60中，在转换模式中选择通常转换模式。然后，使本程序返回。

在步骤S50’中，判定NOx催化剂不是活性状态的情况下，即其为非活性状态的情况下，进入步骤S70。

在步骤S70中，在转换模式中选择限制转换模式。然后，使本程序返回。

下面，使用图11的框图说明转换模式时的燃料喷射定时及加速器开度的计算要点。在该框图中，对于第1喷射定时运算部10及第2喷射定时运算部20，与上述第1实施例相同，省略说明。

在NOx催化剂判定部50(催化剂状态推定单元)中，输入NOx催化剂判定信息而判断NOx催化剂是否为活性状态。NOx催化剂判定信息只要是可以推定NOx催化剂是否为非活性状态的信息即可，例如是NOx催化剂的催化剂温度、或还原剂向NOx催化剂供给的状态。

在模式选择部30中，由NOx催化剂活性状态判定部50输入NOx催化剂的催化剂状态的判定结果，同时，输入加速器开度变化率、进气氧气浓度变化率，判断选择低排放模式及低烟模式中的某一种。在这里可以设定为，在加速器开度或进气氧气浓度的变化率较小，NOx催化剂为非活性状态的情况下选择低排放模式，在加速器开度或进气氧气浓度的变化率较大，NOx催化剂为活性状态的情况下选择低烟模式。

在第1切换部40’中，输出与由模式选择部30选择的模式相当的由喷射定时运算部10或20运算出的值，作为最终的燃料喷射定时。

在加速器开度限制值运算部60中，输入加速器开度及发动机转速，运算校正加速器开度。校正加速器开度使用图12所示的对应图求出。在图12中，为了在模式选择部30中选择低排放模式，设定基于发动机转速的加速器开度的上限值。

在第2切换部70中，经由模式选择部30而从NOx催化剂状态判定部50输入NOx催化剂的催化剂状态的判定结果，在NOx催化剂为活性状态的情况下，不校正加速器开度而直接作为最终的加速器开度输出。在判定为NOx催化剂为非活性状态的情况下，输出由加速器开度限制值运算部60运算出的校正加速器开度，作为最终的加速器开度。

这样，根据该第2实施例，特别地，在转换模式时NOx催化剂为非活性状态的情况下，强制地选择低排放模式。因此，在与上述第1实施例同样的作用效果的基础上，因为可以抑制发动机中NOx的产生，所以在NOx催化剂处于非活性状态向，可以抑制NOx的排放。此外，在转换模式时NOx催化剂为非活性状态的情况下，因为抑制加速器开度以维持低排放模式，所以可以抑制进气状态的急剧变化，可靠地抑制氮氧化物的产生，该氮氧化物的产生的主要原因，是最佳喷射定时相对于进气氧气浓度的偏移。

此外，在上述第2实施例中，在排气净化催化剂为非活性状态的情况下，实施强制的向低排放模式的切换和加速器开度的限制这两者，但本发明不限于此，也可以实施二者中的某一个。

另外，在上述第2实施方式中，在模式选择部30中，根据加速器开度变化率、进气氧气浓度变化率及作为NOx催化剂状态的催化剂温度，选择低排放模式用对应图或低烟模式用对应图，但本发明不限于此，只要根据可以推定发动机是否为过渡运行状态或NOx催化剂是否为活性状态的信息适当选择即可。

Claims (7)

1.一种柴油发动机的燃烧控制装置，其切换为下述某一种模式而控制燃料喷射定时：在燃料的喷射期间内点火的通常燃烧模式；在燃料喷射完成后经过预混合期间再点火的预混合燃烧模式；以及在前述通常燃烧模式与预混合燃烧模式之间进行转换的转换模式，

其特征在于，

具有控制单元(10～40)，其在前述通常燃烧模式下，在进气氧气浓度小于或等于规定值的情况下，从前述通常燃烧模式切换为前述转换模式。

2.如权利要求1所述的柴油发动机的燃烧控制装置，其特征在于，

前述控制单元，在前述转换模式下，具有多个用于设定与进气氧气浓度相对应的燃料喷射定时的对应图，根据发动机运行状态而选择使用前述对应图中的某一个，控制燃料喷射定时。

3.如权利要求2所述的柴油发动机的燃烧控制装置，其特征在于，

在前述控制单元中，作为前述对应图，具有：低排放模式用对应图，其抑制氮氧化物的排放；以及低烟模式用对应图，其抑制烟的排放，同时抑制相对于进气氧气浓度变化的输出扭矩的变动。

4.如权利要求3所述的柴油发动机的燃烧控制装置，其特征在于，

前述低烟模式用对应图中的燃料喷射定时，在相同的进气氧气浓度下，与前述低排放模式用对应图相比设定在超前角侧。

5.如权利要求3或4所述的柴油发动机的燃烧控制装置，其特征在于，

具有催化剂状态推定单元(50)，其推定用于去除前述柴油发动机的排气中的氮氧化物的排气净化催化剂是否为非活性状态，

前述控制单元，在由前述催化剂状态推定单元推定排气净化催化剂为非活性状态的情况下，选择前述低排放模式用对应图。

6.如权利要求5所述的柴油发动机的燃烧控制装置，其特征在于，

还具有限制单元，其在由前述催化剂状态推定单元推定前述排气净化催化剂为非活性状态的情况下，限制加速器开度，以使得在前述控制单元中根据发动机运行状态选择低排放模式。

7.如权利要求3至6中的任意一项所述的柴油发动机的燃烧控制装置，其特征在于，

前述控制单元根据作为前述发动机运行状态的加速器开度变化率、进气氧气浓度变化率及排气净化催化剂的催化剂温度，选择前述低排放模式用对应图及低烟模式用对应图中的某一个。

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