JP2007162544A - ディーゼルエンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ある燃焼形態から他の燃焼形態へとスムーズに切り替えることができると共に、ＮＯｘ、燃焼音及び煤等の排出を低減させることができるディーゼルエンジンの制御装置を提供する。
【解決手段】第一燃焼形態と第二燃焼形態とを切り替えるとき、前記第一燃焼形態にあった燃料の噴射形態と前記第二燃焼形態にあった燃料の噴射形態との間で燃料の噴射形態Ｆを連続的に移行させる制御手段１３を備え、制御手段１３は、吸入空気量ＭＡＦ或いはＥＧＲ率に基づいて、ＮＯｘ、燃焼音及び煤のうちのいずれもピークとならないように、燃料の噴射形態Ｆを移行させるものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、ある燃焼形態から他の燃焼形態へと切り替える燃焼形態制御を実行するディーゼルエンジンの制御装置に関する。

従来、ディーゼルエンジンでは、ピストンの圧縮上死点近傍で燃料を燃焼室（シリンダ）内に噴射して、燃料の拡散と燃焼とをほぼ同時に行う燃焼形態が一般的であった。この燃焼形態は、燃料の噴射中に燃焼が行われるものであり、一般に拡散燃焼と称されている。

また近年、ＮＯｘの排出量を低減すべく、ピストンの圧縮上死点よりも早期に燃料を燃焼室内に噴射して、予め燃料と燃焼室内のガス（吸入空気）とを混合させてから燃焼を行う燃焼形態が提案されている。この燃焼形態は、燃料の噴射終了後に燃焼が行われるものであり、一般に予混合燃焼（以下ＰＣＩ燃焼という）と称されている。

前記の拡散燃焼及びＰＣＩ燃焼を実行するディーゼルエンジンにおいては、例えばＰＣＩ燃焼から拡散燃焼に切り替える際には、吸入空気量を増量する制御及び燃料の噴射形態を連続的に変更する制御を行う。その際、吸入空気量を増量する制御と燃料噴射形態を連続的に変更する制御とは独立に行われていた。

なお、特許文献１には、ＰＣＩ燃焼形態から拡散燃焼形態へと切り替えるときに、ＮＯｘ、燃焼音及び煤等の低減のための第三の燃焼形態を実行するようにしたディーゼルエンジンの燃焼制御装置が記載されている。特許文献１では、第三の燃焼形態として、ＰＣＩ燃焼から拡散燃焼への遷移とは異なる燃焼形態をもっていた。

特開２００３−２８６８８０号公報

以下、ＰＣＩ燃焼から拡散燃焼への切り替えを図５を用いて説明する。

図５（ａ）から図５（ｃ）はそれぞれ、吸入空気量と燃料の噴射形態との組み合わせによるＮＯｘ、燃焼音及び煤の分布を示すマップである。

図５（ａ）から図５（ｃ）において、各マップの横軸は吸入空気量を表し、縦軸は燃料の噴射形態（図３参照）を表す。また、図５（ａ）から図５（ｃ）において、各マップの左下の点ＰｐがＰＣＩ燃焼を実行している状態を示し、右上の点Ｐｄが拡散燃焼を実行している状態を示す。ＰＣＩ燃焼から拡散燃焼へと切り替えるとき、吸入空気量及び燃料の噴射形態は、マップの左下の点Ｐｐから右上の点Ｐｄまである経路を通って移行することになる。

ここで、ＮＯｘ、燃焼音及び煤のうち、ＮＯｘ及び燃焼音と、煤とは吸入空気量の多少によって互いに相反する分布を示す。そのため、吸入空気量を増量する制御と燃料の噴射形態を連続的に変更する制御とが独立に行われていると、燃料の噴射形態の移行時の経路によっては、各マップ中に線Ａで示すようにＮＯｘの排出が多く且つ燃焼音の大きい領域を通過したり、線Ｂで示すように煤の排出が多い領域を通る可能性がある。したがって、燃焼形態を切り替えるときに、ＮＯｘ、燃焼音或いは煤の排出増大が生じる場合があるといった問題があった。

また、特許文献１では、切り替え時の燃料の噴射形態の変更が不連続で、燃焼形態の切り替えがスムーズに行われなくなるおそれがあり、燃料の噴射時期（噴射タイミング）や噴射量の補正を行ったりした。

そこで、本発明の目的は、ある燃焼形態から他の燃焼形態へとスムーズに切り替えることができると共に、その切り替え時におけるＮＯｘ、燃焼音及び煤等の排出を低減させることができるディーゼルエンジンの制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、請求項１の発明は、第一燃焼形態と第二燃焼形態とを切り替えるとき、前記第一燃焼形態にあった燃料の噴射形態と前記第二燃焼形態にあった燃料の噴射形態との間で前記燃料の噴射形態を連続的に移行させる制御手段を備え、該制御手段は、吸入空気量或いはＥＧＲ率に基づいて、ＮＯｘ、燃焼音及び煤のうちのいずれもピークとならないように、前記燃料の噴射形態を移行させるものであることを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置である。

請求項２の発明は、前記第一燃焼形態が燃料の噴射中に燃焼が行われる拡散燃焼形態であり、前記第二燃焼形態が燃料の噴射終了後に燃焼が行われる予混合燃焼形態である請求項１記載のディーゼルエンジンの制御装置である。

本発明によれば、ある燃焼形態から他の燃焼形態へとスムーズに切り替えることができると共に、ＮＯｘ、燃焼音及び煤等の排出を低減させることができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの制御装置の概略図である。

本実施形態のディーゼルエンジン（以下エンジンという）は、車両に搭載されるものである。

図１中、１はシリンダブロックとシリンダヘッドとから主に構成されるエンジン本体であり、２はエンジン本体１に接続され吸入空気が流通する吸気通路であり、３はエンジン本体１に接続され排気ガスが流通する排気通路である。

エンジン本体１には、シリンダ（気筒）４、ピストン５、インジェクタ（燃料噴射装置）６等が設けられている。エンジン本体１のシリンダ４内にはピストン５により区画された燃焼室７が形成されており、燃焼室７内に臨んで設けられたインジェクタ６から燃焼室７内に燃料が直接噴射される。

本実施形態のエンジンは、吸気通路２の途中に設けられ、燃焼室７に供給する吸入空気（新気）の流量（吸入空気量）を調節するための吸気絞り弁８を備えている。本実施形態では、吸気絞り弁８は、後述するＥＧＲ通路１０との接続部よりも上流側の吸気通路２に設けられる。

本実施形態のエンジンは、排気通路３内を流れる排気ガスの一部を燃焼室７内に還流するためのＥＧＲ装置９を備えている。ＥＧＲ装置９は、吸気通路２と排気通路３とを結ぶＥＧＲ通路１０と、ＥＧＲ通路１０の途中に設けられ、燃焼室７内に還流するＥＧＲガス（排気ガス）の流量を調節するためのＥＧＲ弁１１と、ＥＧＲ通路１０の途中に設けられ、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ１２とを備える。

エンジンを電子制御するためのＥＣＵ（制御手段）１３が設けられる。ＥＣＵ１３は各種センサ類からエンジンの運転状態を読み取り、そのエンジン運転状態に基づいてインジェクタ６、吸気絞り弁８及びＥＧＲ弁１１等を制御する。前記センサ類としては、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ（図示せず）、エンジンの回転速度を検出するエンジン回転センサ（図示せず）、及び、ＥＧＲ通路１０との接続部よりも上流側の吸気通路２を流れる吸入空気量を検出する吸気量センサ１４等が含まれ、それら各センサの検出値がＥＣＵ１３に入力される。

本実施形態のＥＣＵ１３は、エンジンの運転状態に応じて、燃料の噴射終了後に燃焼が行われるＰＣＩ燃焼（予混合燃焼）と、燃料の噴射中に燃焼が行われる拡散燃焼とを切り替えるようになっている。本実施形態では、ＥＣＵ１３は、エンジンの運転状態が低負荷運転状態にあるときはＰＣＩ燃焼を実行し、エンジンの運転状態が高負荷運転状態となったときに拡散燃焼に切り替えるようになっている。

ＰＣＩ燃焼は、着火予定地点（例えば、ピストン５の圧縮上死点近傍）よりも早期に燃料を燃焼室７（シリンダ４）内に噴射して、予め燃料と燃焼室７内のガス（吸入空気）とを混合させてから燃焼を行う燃焼形態である。本実施形態では、ＰＣＩ燃焼を実行する際には、燃料噴射を一回だけ行うようになっている（図３（ｅ）参照）。また、ＰＣＩ燃焼を実行する際には、燃焼時期をできるだけ着火予定地点（ピストン５の圧縮上死点近傍）に近づけるべく、吸気絞り弁８及びＥＧＲ弁１１によって、拡散燃焼に比して吸入空気量を減少させる（ＥＧＲ率を増加させる）ようになっている。

また、拡散燃焼は、着火予定地点（例えば、ピストン５の圧縮上死点近傍）で燃料を燃焼室７（シリンダ４）内に噴射して、燃料の拡散と燃焼とをほぼ同時に行う燃焼形態である。本実施形態では、拡散燃焼を実行する際には、燃料噴射をパイロット噴射（プレ噴射）とメイン噴射との計二回行うようになっている（図３（ａ）参照）。また、拡散燃焼を実行する際には、吸気絞り弁８及びＥＧＲ弁１１によって、ＰＣＩ燃焼に比して吸入空気量を増加させる（ＥＧＲ率を減少させる）ようになっている。

次に、ＰＣＩ燃焼から拡散燃焼への切り替えを図２を用いて説明する。なお、拡散燃焼からＰＣＩ燃焼への切り替えは、ＰＣＩ燃焼から拡散燃焼の場合と逆の手順でほぼ同様に行うことができるのでその説明を省略する。

図２（ａ）から図２（ｃ）はそれぞれ、吸入空気量と燃料噴射形態との組み合わせによるＮＯｘ、燃焼音及び煤の排出量の分布を示すマップである。

図２（ａ）から図２（ｃ）において、各マップの左下の点ＰｐがＰＣＩ燃焼を実行している状態を示し、右上の点Ｐｄが拡散燃焼を実行している状態を示す。

図２（ａ）から図２（ｃ）において、各マップの横軸は吸入空気量ＭＡＦを表し、縦軸は燃料噴射形態Ｆを表す。

本実施形態では、各マップにおける吸入空気量ＭＡＦは、ＰＣＩ燃焼時の吸入空気量を０とし拡散燃焼時の吸入吸気量を１とする変化率として表されている。また本実施形態では、各マップにおける燃料噴射形態Ｆは、ＰＣＩ燃焼時の噴射形態を０とし拡散燃焼時の噴射形態を１とする指標として表されている。

本実施形態の各マップは、各燃料噴射形態Ｆを一定として吸入空気量ＭＡＦを変えて実験を行い、ＮＯｘ、燃焼音及び煤の排出量を測定することで作成されたものである。

まず、ＥＣＵ１３は、ＰＣＩ燃焼から拡散燃焼へと切り替える条件となったとき、つまりエンジン運転状態が高負荷運転状態となったとき、吸入空気量ＭＡＦの目標値をＰＣＩ燃焼実行時に比べて高く設定する。そして、ＥＣＵ１３は、実際の吸入空気量ＭＡＦが目標値となるように吸気絞り弁８及びＥＧＲ弁１１を制御する。

ここで、吸気絞り弁８及びＥＧＲ弁１１の制御を開始してから実際の吸入空気量ＭＡＦが目標値に達するまでには遅れが生じる。そのため吸気絞り弁８及びＥＧＲ弁１１の制御開始とほぼ同時に、燃料噴射形態ＦをＰＣＩ燃焼時の噴射形態（図３（ｅ）参照）から拡散燃焼時の噴射形態（図３（ａ）参照）へと変更すると、空気不足状態で拡散燃焼が行われることになり、煤の排出量が増大するおそれがある。

そこで本実施形態では、ＥＣＵ１３は、ＰＣＩ燃焼と拡散燃焼とを切り替えるときには、吸気量センサ１４により検出される吸入空気量ＭＡＦの検出値に応じて、燃料噴射形態ＦをＰＣＩ燃焼時の噴射形態（図３（ｅ）参照）から拡散燃焼時の噴射形態（図３（ａ）参照）まで連続的に変更するようになっている。

本実施形態では、燃料噴射形態Ｆは、図３（ｅ）に示すＰＣＩ燃焼時に実行される単発の噴射形態から、図３（ｄ）、（ｃ）、（ｂ）に示すように噴射回数を増やすと共にメイン噴射の噴射時期を徐々に遅角させることで、図３（ａ）に示す拡散燃焼時に実行される噴射形態まで連続的に変更される。最終的に、燃料噴射形態Ｆを拡散燃焼時の噴射形態とすると共に、実際の吸入空気量ＭＡＦが目標値に達したときに、燃焼形態が拡散燃焼形態となる。

例えば、本実施形態のＥＣＵ１３は、燃料噴射形態Ｆの指標が０であるときには、図３（ｅ）に示す噴射形態を実行するようになっている。またＥＣＵ１３は、燃料噴射形態Ｆの指標が０．２５であるときには、図３（ｄ）に示すようにＦの指標が０．５のときと０のときとの中間の噴射量を噴射する噴射形態を実行するようになっている。またＥＣＵ１３は、燃料噴射形態Ｆの指標が０．５であるときには、図３（ｃ）に示すようにＦの指標が１のときと０のときとの中間の噴射量を噴射する噴射形態を実行するようになっている。またＥＣＵ１３は、燃料噴射形態Ｆの指標が０．７５であるときには、図３（ｂ）に示すようにＦの指標が１のときと０．５のときとの中間の噴射量を噴射する噴射形態を実行するようになっている。またＥＣＵ１３は、燃料噴射形態Ｆの指標が１であるときには、図３（ａ）に示す噴射形態を実行するようになっている。

上述した数値以外の指標でも同様である。つまり本実施形態において、燃料噴射形態はＦの指標が０から１へ、もしくは１から０へと変化するにつれてアナログ的に連続した形態で変更されるように設定されている。ここで連続的とは、図３に示すように、Ｆ＝１のときとＦ＝０のときのパルスの立ち上がりを結んだ直線を表す関数上に中間のパルスの立ち上がりが位置し、Ｆ＝１のときとＦ＝０のときのパルスの立ち下がりを結んだ直線を表す関数上に中間のパルスの立ち下がりが位置することである。

ＰＣＩ燃焼から拡散燃焼へと切り替える途中で吸入空気量ＭＡＦが減少した場合には、ＥＣＵ１３は、その吸入空気量ＭＡＦに基づいた燃料噴射形態Ｆに変更するようになっている。

ここでＥＣＵ１３は、吸入空気量ＭＡＦに基づいて、ＮＯｘ、燃焼音及び煤の排出量のうちのいずれもピーク（最大値）とならないように、燃料噴射形態Ｆを移行させるようになっている。

本実施形態では、ＰＣＩ燃焼から拡散燃焼へと切り替える際の吸入空気量ＭＡＦに対応する燃料噴射形態Ｆは、その移行時の経路が図２（ａ）から図２（ｃ）に示す各マップ中におけるＮＯｘ、燃焼音及び煤の排出量のピーク（最大値）を避けるように予め設定されている。

本実施形態では、前記の経路には屈曲点Ｐｃが一箇所定められている。この屈曲点Ｐｃは、前記の経路が各マップ中におけるＮＯｘ、燃焼音及び煤の排出量のバランスのよい部分を通過するように決められている。

なお、屈曲点Ｐｃは一箇所に限定されるものではなく、ＮＯｘ、燃焼音及び煤等の発生分布によっては複数箇所設けることも可能である。本実施形態では、屈曲点Ｐｃが一箇所であるため、制御の負担が軽くなるようになっている。

本実施形態では、屈曲点Ｐｃは、吸入吸気量ＭＡＦの変化率が所定の値Ｌ１ｔｈ（本実施形態では、Ｌ１ｔｈ＝０．８５）に到達すると共に、燃料の噴射形態Ｆの指標が所定の値Ｌ２ｔｈ（本実施形態では、０．３７５）に到達した地点としている。

本実施形態では、前記の経路は、各マップの左下の点Ｐｐから屈曲点Ｐｃまでの部分は関数ｆ１により定義され、さらに屈曲点Ｐｃから右上の点Ｐｄの部分までは関数ｆ２により定義されている。

本実施形態では、関数ｆ１は以下のように表される。

ｆ１＝Ｌ２ｔｈ／Ｌ１ｔｈ＊（ＭＡＦｃ−ＭＡＦｐ）／（ＭＡＦｄ−ＭＡＦｐ）
＝０．３７５／０．８５＊（ＭＡＦｃ−ＭＡＦｐ）／（ＭＡＦｄ−ＭＡＦｐ）
ここで、ＭＡＦｃは吸入空気量ＭＡＦの検出値であり、ＭＡＦｐがＰＣＩ燃焼時の吸入空気量ＭＡＦの目標値であり、ＭＡＦｄが拡散燃焼時の吸入空気量ＭＡＦの目標値である。

本実施形態では、関数ｆ２は以下のように表される。

ｆ２＝Ｌ２ｔｈ＋（１−Ｌ２ｔｈ）／（１−Ｌ１ｔｈ）＊｛（ＭＡＦｃ−ＭＡＦｐ）／（ＭＡＦｄ−ＭＡＦｐ）−Ｌ１ｔｈ｝
＝０．３７５＋（１−０．３７５）／（１−０．８５）＊｛（ＭＡＦｃ−ＭＡＦｐ）／（ＭＡＦｄ−ＭＡＦｐ）−０．８５｝
図４のフローチャートを用いて具体的な制御方法を説明する。このフローチャートは、エンジン運転状態がＰＣＩ燃焼から拡散燃焼へ移行する条件となったとき、ＥＣＵ１３により実行されるものである。

まずステップＳ１において、ＥＣＵ１３は、吸入空気量ＭＡＦの目標値をＰＣＩ燃焼時の目標値ＭＡＦｐから拡散燃焼時の目標値ＭＡＦｄへと変更する。

次にステップＳ２において、ＥＣＵ１３は、吸気量センサ１４により吸入空気量ＭＡＦを検出し、その検出値ＭＡＦｃに応じた燃料噴射形態Ｆを関数ｆ１により決定する。

次にステップＳ３において、ＥＣＵ１３は、屈曲点Ｐｃに到達したか、つまり、ステップＳ２において検出した吸入空気量の検出値ＭＡＦｃが所定の閾値ＭＡＦｔｈ（＝Ｌ１ｔｈ＊ＭＡＦｄ）よりも大きいかを判定する（ＭＡＦｃ＞ＭＡＦｔｈ）。

吸入空気量の検出値ＭＡＦｃが閾値ＭＡＦｔｈよりも大きければ、ステップＳ４に進み、ＥＣＵ１３は、吸気量センサ１４により吸入空気量ＭＡＦを検出し、その検出値ＭＡＦｃに応じた燃料噴射形態Ｆを関数ｆ２により決定する。

次にステップＳ５において、ＥＣＵ１３は、吸気量センサ１４により吸入空気量ＭＡＦを検出し、検出した吸入空気量の検出値ＭＡＦｃが所定の閾値ＭＡＦｔｈ（＝Ｌ１ｔｈ＊ＭＡＦｄ）よりも大きいかを判定する（ＭＡＦｃ＞ＭＡＦｔｈ）。

吸入空気量の検出値ＭＡＦｃが閾値ＭＡＦｔｈよりも大きければ、ステップＳ６に進み、ＥＣＵ１３は、ステップＳ５において検出した吸入空気量の検出値ＭＡＦｃが拡散燃焼時の目標値ＭＡＦｄ以上であるかを判定する（ＭＡＦｃ≧ＭＡＦｄ）。

吸入空気量の検出値ＭＡＦｃが拡散燃焼時の目標値ＭＡＦｄ以上であれば、ＥＣＵ１３は本処理を終了する。

一方、ステップＳ３で、吸入空気量の検出値ＭＡＦｃが閾値ＭＡＦｔｈ以下であると判定した場合には、ＥＣＵ１３はステップＳ２に戻る。

また、ステップＳ５で、吸入空気量の検出値ＭＡＦｃが閾値ＭＡＦｔｈ以下であると判定した場合には、ＥＣＵ１３はステップＳ２に戻る。

また、ステップＳ６で、吸入空気量の検出値ＭＡＦｃが拡散燃焼時の目標値ＭＡＦｄより小さいと判定した場合には、ＥＣＵ１３はステップＳ４に戻る。

以上要するに本実施形態によれば、拡散燃焼形態とＰＣＩ燃焼形態とを切り替えるとき、燃料噴射形態Ｆを連続的に移行させると共に、その燃料噴射形態Ｆを、吸入空気量ＭＡＦに基づいて、ＮＯｘ、燃焼音及び煤のうちのいずれもピークとならないように移行させるようにしたため、燃焼形態をスムーズに切り替えることができると共に、ＮＯｘ、燃焼音及び煤等の排出を低減させることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

例えば、ＥＣＵ１３が、ＮＯｘ、燃焼音及び煤の排出量のうちのいずれもピークとならないように、ＥＧＲ率又は吸気酸素濃度に基づいて燃料の噴射形態を移行させるものであっても良い。

本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの制御装置の概略図である。 （ａ）は吸入空気量と燃料噴射形態との組み合わせによるＮＯｘの分布の一例を示すマップであり、（ｂ）は吸入空気量と燃料噴射形態との組み合わせによる燃焼音の分布の一例を示すマップであり、（ｃ）は吸入空気量と燃料噴射形態との組み合わせによる煤の分布の一例を示すマップである。 （ａ）から（ｅ）は燃料噴射形態の一例を示す図である。 ＥＣＵによる処理フローチャートである。 （ａ）は吸入空気量と燃料噴射形態との組み合わせによるＮＯｘの分布の一例を示すマップであり、（ｂ）は吸入空気量と燃料噴射形態との組み合わせによる燃焼音の分布の一例を示すマップであり、（ｃ）は吸入空気量と燃料噴射形態との組み合わせによる煤の分布の一例を示すマップである。

符号の説明

１３ ＥＣＵ（制御手段）
Ｆ 燃料の噴射形態
ＭＡＦ 吸入空気量

Claims (2)

1. 第一燃焼形態と第二燃焼形態とを切り替えるとき、前記第一燃焼形態にあった燃料の噴射形態と前記第二燃焼形態にあった燃料の噴射形態との間で前記燃料の噴射形態を連続的に移行させる制御手段を備え、該制御手段は、吸入空気量或いはＥＧＲ率に基づいて、ＮＯｘ、燃焼音及び煤のうちのいずれもピークとならないように、前記燃料の噴射形態を移行させるものであることを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。
2. 前記第一燃焼形態が燃料の噴射中に燃焼が行われる拡散燃焼形態であり、前記第二燃焼形態が燃料の噴射終了後に燃焼が行われる予混合燃焼形態である請求項１記載のディーゼルエンジンの制御装置。

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