JP2004036500A

JP2004036500A - 内燃機関の燃料供給制御装置

Info

Publication number: JP2004036500A
Application number: JP2002195150A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Kitano; 北野　康司; Kazuji Tsuruya; 鶴谷　和司
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-07-03
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】ＤＭＥのような筒内圧力によって相変化を起こす燃料を用いる場合に安定した燃焼を行うことのできる内燃機関の燃料供給制御装置を提供する。
【解決手段】所定の運転領域でＡＴＤＣ近傍で行われる主たる燃焼の開始に先立って燃料の一部または全部を噴射する予混合噴射を実施することとし、運転条件に応じて該予混合噴射の噴射時期を調整することで領域Ｉにおける気体噴射と領域ＩＩにおける液体噴霧とを使い分ける。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ジメチルエーテル等の常温・常圧では気体で加圧状態で液化する燃料を気筒内に直接噴射して自己着火させる内燃機関における燃料噴射制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料を自己着火させるディーゼルエンジンの軽油に代わる燃料としてジメチルエーテル（ＤＭＥ）が注目されている。ＤＭＥは、軽油と同程度のセタン価を有する一方、硫黄分や窒素分を含まないため、燃料由来の窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）が生成されないほか、浮遊粒子状物質（ＳＰＭ：ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ　ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　ｍａｔｔｅｒ）の発生も全運転領域で抑制できるという利点がある。
【０００３】
このようなＤＭＥを用いた内燃機関およびその燃料供給装置としては特開平１０−２８１０２９号公報、特開２００１−１１５８９９号公報等に記載がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＤＭＥは大気圧における沸点が−２５℃で、常温・常圧では気体である。そのため、液体燃料である軽油とは異なる取り扱いが必要となる。上述した従来技術では、加圧した液体状態での取り扱いを前提としているが、予混合気を形成するためのパイロット噴射や多段噴射を行った場合、筒内圧力の差によりＤＭＥが気体となるため、この相変化による燃料挙動の変化のため、混合気形成、燃焼状態が変化してしまい、意図した燃焼が行われない可能性がある。
【０００５】
そこで本発明は、ＤＭＥのような筒内圧力によって相変化を起こす燃料を用いる場合に安定した燃焼を行うことのできる内燃機関の燃料供給制御装置を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る内燃機関の燃料供給制御装置は、内燃機関の気筒内に常温・常圧では気体で圧縮時の気筒内圧では液体となる燃料を直接噴射して自己着火させる内燃機関の燃料供給制御装置であって、所定の運転領域で主たる燃焼の開始に先立って燃料の一部または全部を噴射する予混合噴射を実施し、運転条件に応じて該予混合噴射の噴射時期を調整することで気体噴射と液滴噴霧を切り替えるものである。
【０００７】
運転条件に応じて積極的に気体噴射と液滴噴霧状態を切り替えることで、いずれの状態においても混合気形成・燃焼状態の正確な予測を可能とし、意図した燃焼を実現することができる。
【０００８】
この切替としては、、軽負荷・低回転時には液滴噴霧を実行し、高負荷・高回転時には気体噴射を実行することが好ましい。軽負荷時には燃料噴射量が少ないため、液滴噴霧を行うことで過拡散を抑制し、ＨＣ／ＣＯの増加を抑制する。高負荷時には、気体噴射を行うことでボアフラッシングを抑制しつつ、燃料噴射量を確保し、良好な予混合気を形成する。
【０００９】
エンジン筒内温度を推定することで液滴噴霧と気体噴射の境界クランク角度を設定し、設定した境界クランク角度を基に噴射時期の設定を行えばよい。これにより、環境状態の変化によらずに正確な切替が可能となる。
【００１０】
あるいは、本発明に係る内燃機関の燃料供給制御装置は、この内燃機関が吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を有しており、触媒に吸蔵されたＮＯｘの還元時に、圧縮上死点後の燃料の気体噴射が可能な領域で早期に燃料噴射を実行するものである。
【００１１】
気体としてポスト燃料噴射を行うことで、ボアフラッシングを抑制しつつ、噴射量を確保できる。さらに、圧縮点上死点後の早期にポスト燃料噴射を実施することで、筒内ガス温度が高い時点で燃料を噴射して燃料の熱分解を促し、ＮＯｘ還元剤として好ましい状態に変成させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
【００１３】
図１は、本発明に係る燃料供給制御装置を備えるディーゼルエンジン１の概略構成図である。このディーゼルエンジン１は、シリンダ１０内に往復移動するピストン１１が配置され、ピストン１１はコンロッド１２を介してクランク軸１３に接続され、往復移動を回転移動に変換して出力する。エンジン１はまた、クランク軸１３の角度位置を検出するクランク角度センサ１７とエンジン冷却水温センサ１８を備えている。ピストン１１とシリンダ１０によって画定される燃焼室１４は吸気弁１５を介して吸気管３０と、排気弁１６を介して排気管４０がそれぞれ接続されている。燃焼室１４にはピストン１１に対向して燃料インジェクタ２０が配置されており、この燃料インジェクタ２０は、加圧燃料タンク２１に接続されている。この加圧燃料タンク２１にはＤＭＥが液体状態で貯蔵されている。そして、燃料系には燃料温度計２２が配置されている。
【００１４】
吸気管３０と排気管４０にはそれぞれターボチャージャー５０のコンプレッサー、タービンが配置される。また、排気管４０から吸気弁１５の直上に排ガス再循環（ＥＧＲ）流路６０が設けられ、開閉を制御するＥＧＲバルブ６１が配置されている。
【００１５】
吸気管３０には、ターボチャージャー５０の下流側で分岐流路３１が設けられ、分岐された主流路と分岐流路３１のそれぞれにメインスロットル３２とサブスロットル３３が配置される。そして吸気温センサ３５がターボチャージャー５０より上流側に、吸気圧センサ３４が吸気弁１５の直上に配置される。
【００１６】
一方、排気管４０にはターボチャージャー５０をバイパスするパイパス流路４１が設けられ、その開閉を制御するバイパスバルブ４３が配置される。その下流側には、吸蔵還元型のＮＯｘ触媒４２が配置されており、触媒温度センサ４４が配置されている。
【００１７】
エンジン１の作動を制御するエンジンＥＣＵ７０には、上述したクランク角度センサ１７、エンジン冷却水温センサ１８、燃料温度計２２、吸気圧センサ３４、吸気温センサ３５、触媒温度センサ４４の出力信号のほか、アクセル開度センサ７１、車速センサ７２の出力信号が入力される。そして、燃料インジェクタ２０、メインスロットル３２、サブスロットル３３、バイパスバルブ４３、ＥＧＲバルブ６１の作動を制御する。つまり、エンジンＥＣＵ７０が本発明にかかる内燃機関の燃料供給制御装置の制御部を構成する。
【００１８】
このエンジン１では、アクセル開度センサ７１の出力に応じてメインスロットル３２を調整する（メインスロットル３２をアクセルペダルに機械的に直結してもよい。）ことで吸気量を調整する。特に、アイドル時の回転数を一定に保つため、メインスロットル３２の全閉時には吸気温センサ３５、吸気圧センサ３４の出力を基にサブスロットル３１が操作される。
【００１９】
そして、圧縮行程の後期に燃料インジェクタ２０により燃焼室１４内に燃料の大半を噴射するメイン噴射を行うことで自己着火させて燃焼させ、その燃焼エネルギーによってピストン１１を駆動することで、クランク軸１３の回転出力を得る。軽負荷時にはバイパスバルブ４３を開くことで排気をバイパス流路４１を介して排出するため、ターボチャージャー５０は停止している。バイパスバルブ４３を閉じると、排気ガスがターボチャージャー５０のタービンを回すことで、直結している吸気管３０側のコンプレッサーを回転させて、エンジン１への給気量を増大することができ、出力が増大する。
【００２０】
また、バルブ６１の開度を調整して、排気ガスの一部を燃焼室１４へと戻すことで、燃焼速度を低下させて燃焼温度を下げることでＮＯｘの生成を抑制する。バルブ６１の開度は運転条件に基づいてエンジンＥＣＵ７０が制御する。
【００２１】
本実施形態では、さらに圧縮上死点前後の主たる燃焼の開始に先立って圧縮行程中に燃料の一部または全部を噴射するパイロット噴射を実施する。このパイロット噴射によって燃焼室１４内に混合気を形成し、主たる燃焼の開始に先立って混合気の燃焼を開始させることで燃焼時間を長期化し、燃焼温度を低下させてＮＯｘの生成を抑制するとともに、振動の軽減を図る。
【００２２】
ここで、燃焼室１４内の圧力（筒内圧力）は、圧縮・膨張行程の進行につれて図２に示されるように変化する。ＤＭＥは加圧燃料タンク２１からＳ量インジェクタ２０までは加圧状態であるため液体であるが、燃焼室１４内の圧力が飽和蒸気圧ｐ_ｓ以下の場合には気体となる。燃焼室１４内におけるＤＭＥの飽和蒸気圧ｐ_ｓは燃焼室１４内の温度（筒内温度）によって変化する。そして、筒内圧力がこの飽和蒸気圧ｐ_ｓに一致するクランク角度（以下、これを気液境界クランク角度θｂと呼ぶ。）に到達する前（領域Ｉ）に燃料を噴射した場合には燃料インジェクタ２０からの燃料噴射は気体噴射となる。一方、この気液境界クランク角度θｂ到達以降（領域ＩＩ）に燃料を噴射すると液滴噴霧となる。
【００２３】
本実施形態では、さらにエンジン１の運転条件（エンジン負荷と回転数）に応じてパイロット噴射の時期を調整して、気体噴射と液滴噴霧の切替を行う。以下、噴射制御の実施形態のいくつかを説明する。
【００２４】
図３は第１の制御形態におけるエンジン負荷・回転数に対する噴射制御マップである。この制御形態では、高回転または高負荷領域では図４（ａ）に示されるように領域Ｉにおいてパイロット噴射を行うことで、気体噴射を行う。燃料が気体であるため、液滴の場合に比べて燃料のペネトレーションが低下するため、燃料の到達距離が短くなり、シリンダ１０壁面に到達することがなく、ボアフラッシングを抑制しつつ、燃料増量を図ることができる。また、気体であるため、気流との混合性が向上し、良好な混合気を形成することができる。
【００２５】
一方、低回転・低負荷領域では、図４（ｂ）に示されるように領域ＩＩにおいてパイロット噴射を行うことで、液滴噴霧を行う。この場合にはパイロット噴射量は高回転または高負荷領域に比べて少ないので、液滴で噴霧を行うことで燃料の過拡散によるオーバーリーンを抑制し、筒内にリッチ混合気を偏在させることでＨＣ／ＣＯ等の未燃排出物の生成を抑制する。
【００２６】
このように運転条件に応じて燃料噴射領域を切り替えることでいずれの噴射領域においても燃料が予測しない挙動を示すことがなく、安定した燃焼を行うことができる。したがって、運転条件の変化によってエミッションや燃焼状態の悪化が発生するのを防止することができ、過渡運転時の燃焼状態の安定性が向上する。
【００２７】
ここで、切替に際しては、吸気温度、エンジン冷却水温度、燃料温度、吸入空気量、過給圧、燃料噴射量を基に筒内温度を推定し、この推定値を基にして気液境界クランク角度θｂを補正し、補正したθｂに応じて噴射時期を設定することが好ましい。システムを簡略化する場合には、筒内温度の変化分の余裕をみて気体噴射はθｂが最も早くなると予想される時点よりピストン下死点側で、液体噴射はθｂが最も遅くなると予想される時点よりピストン上死点側で行うようにしてもよい。
【００２８】
また、吸気弁１５が開いている状態で燃料インジェクタ２０からの気体噴射を行うと燃料の膨張により、吸入空気量自体が減少するおそれがある。そこで、この燃料噴射は吸気弁１５が閉じた後に実行することが好ましい。
【００２９】
ここでは、パイロット噴射では燃料の一部のみを噴射する場合を例に説明したが、燃料の全量を主たる燃焼の開始に先立って噴射してもよい。この場合の噴射時期は上記パイロット噴射の噴射時期と同様に設定すればよい。
【００３０】
図５は第２の制御形態におけるエンジン負荷・回転数に対する噴射制御マップである。この制御形態では、中負荷・中回転領域で気体噴射と液体噴霧を併用する（図６参照）点が第１の実施形態と相違する。図７は負荷またはエンジン回転数に対する噴射量変化を示す図である。この併用領域では、負荷または回転数が大きくなるほど気体噴射量を増やし、液滴噴霧量を減少させる。これにより、燃料噴射をスムースに切り替えることができ、過渡運転時の燃焼状態の安定性をさらに向上させることができる。
【００３１】
次に、第３の制御形態について説明する。この実施形態では、図８、図９に示されるように、主たる燃焼の終了後、つまりメイン噴射の終了後に燃料噴射を行うポスト噴射を実施する。本制御形態では、このポスト噴射を膨張行程後期の筒内圧力が燃料の飽和蒸気圧ｐ_ｓ以下になった時点（この時点のクランク角度＝気液境界クランク角度をθｂ１で表し、圧縮行程における気液境界クランク角度をθｂ０で表す）で行うことにより、気体として燃料を噴射する。このとき、できるだけ圧縮上死点側、つまり、θｂ１に近い時点でポスト噴射を行うことにより、高い筒内ガス温度によってＤＭＥをＣＯとＨＣに熱分解するとともに、リッチ混合気として燃焼させることで未燃ＨＣの排出を促す。これらＨＣとＣＯを大量に含む排ガスをＮＯｘ触媒４２へと導くことで、吸蔵していたＮＯｘをＨＣ、ＣＯで還元する。このポスト噴射は運転状態にかかわらず行うことができ、ボアフラッシングのおそれがないため、ＮＯｘ触媒４２で吸蔵したＮＯｘを効率よく還元することができるため、触媒の運転効率が向上し、吸蔵限界に達するのを予防できるので、エミッションの悪化を抑制することができる。
【００３２】
ここでは、燃料としてＤＭＥを用いる場合を例に説明したが、その他の筒内圧力によって気体、液体いずれの状態にもなりうる燃料を用いる内燃機関においても本発明は好適である。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、運転状態に応じてパイロット噴射を行う時期を切り替えて気体噴射と液体噴霧を使い分けることで、燃焼安定性を向上させ、燃焼状態の変化によるエミッションの悪化を抑制できる。
【００３４】
また、主たる燃焼後のポスト噴射を気体噴射として行うことで、吸蔵還元型のＮＯｘ触媒で吸蔵したＮＯｘの還元を促進できるため、触媒の運転効率を向上させてエミッションの劣化を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料供給制御装置を備えるディーゼルエンジンの概略構成図である。
【図２】図１のエンジンにおける筒内圧力変化を示す図である。
【図３】第１の制御形態におけるエンジン負荷・回転数に対する噴射制御マップである。
【図４】第１の制御形態における燃料噴射時期（（ａ）が高回転または高負荷領域、（ｂ）が低回転・低負荷領域）を示すタイムチャートである。
【図５】第２の制御形態におけるエンジン負荷・回転数に対する噴射制御マップである。
【図６】第２の制御形態の中回転・中負荷領域における燃料噴射時期を示すタイムチャートである。
【図７】第２の制御形態におけるパイロット噴射量を示すグラフである。
【図８】第３の制御形態における筒内圧力の変化を示すグラフである。
【図９】第３の制御形態における燃料噴射時期を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１…ディーゼルエンジン、１０…シリンダ、１１…ピストン、１３…クランク軸、１４…燃焼室、１７…クランク角度センサ、１８…エンジン冷却水温センサ、２０…燃料インジェクタ、４２…ＮＯｘ触媒、７０…エンジンＥＣＵ。

Claims

内燃機関の気筒内に常温・常圧では気体で圧縮時の気筒内圧では液体となる燃料を直接噴射して自己着火させる内燃機関の燃料供給制御装置であって、
所定の運転領域で主たる燃焼の開始に先立って燃料の一部または全部を噴射する予混合噴射を実施し、運転条件に応じて該予混合噴射の噴射時期を調整することで気体噴射と液滴噴霧を切り替える内燃機関の燃料供給制御装置。
前記予混合噴射として軽負荷・低回転時には液滴噴霧を実行し、高負荷・高回転時には気体噴射を実行する請求項１記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
エンジン筒内温度を推定することで液滴噴霧と気体噴射の境界クランク角度を設定し、設定した境界クランク角度を基に前記予混合噴射の噴射時期の設定を行う請求項１または２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
内燃機関の気筒内に常温・常圧では気体で圧縮時の気筒内圧では液体となる燃料を直接噴射して自己着火させる内燃機関の燃料供給制御装置であって、
前記内燃機関は吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を有しており、前記触媒に吸蔵されたＮＯｘの還元時に、圧縮上死点後の燃料の気体噴射が可能な領域で早期に燃料噴射を実行する内燃機関の燃料噴射制御装置。