JP2007211596A - ディーゼルエンジンの燃焼切換制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】拡散燃焼と予混合圧縮着火燃焼との間での移行時に、ＮＯxやパティキュレートの増大、並びにトルク変動や騒音が発生することを防止し得るディーゼルエンジンの燃焼切換制御方法及び装置を提供する。
【解決手段】拡散燃焼から予混合圧縮着火燃焼への移行時に第一の中間燃焼領域を設定し、該第一の中間燃焼領域における燃料噴射時期を、拡散燃焼における燃料噴射時期と予混合圧縮着火燃焼における燃料噴射時期との中間値より遅角側に制御する一方、予混合圧縮着火燃焼から拡散燃焼への移行時に第二の中間燃焼領域を設定し、該第二の中間燃焼領域における燃料噴射時期を、前記中間値より進角側に制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの燃焼切換制御方法及び装置に関するものである。

一般に、直噴式ディーゼルエンジンにおいては、気筒の圧縮上死点（ＴＤＣ）近傍で高温高圧の燃焼室に燃料を噴射して、自着火により燃焼させるようになっており、このとき、燃焼室に噴射された燃料は高密度の空気との衝突によって微細な液滴に分裂（霧化）しながら、略円錐状の燃料噴霧を形成すると共に、前記燃料液滴の表面から気化しつつ燃料噴霧の主に先端側や外周側で周囲の空気を巻き込んで混合気を形成し、該混合気の濃度及び温度が着火に必要な状態になったところで燃焼を開始し、そして、そのようにして着火、即ち燃焼を開始した部分が核となり、周囲の燃料蒸気及び空気を巻き込みながら拡散燃焼すると考えられている。

このような通常のディーゼルエンジンの拡散燃焼の場合、濃度の不均一な燃料噴霧（混合気）の中において空気過剰率λが１に近い部分では急激な熱発生に伴いＮＯx（窒素酸化物）が生成され、又、燃料の過濃な部分では酸素不足によってパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）が生成されることになる。

このため、従来より、自動車のディーゼルエンジン等では、排気側から排出ガスの一部を抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された排出ガスでエンジン内での燃料の燃焼を抑制させて燃焼温度を下げることによりＮＯxの発生を低減するようにした、いわゆる排出ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）を採用することや、パティキュレートの生成を抑制するために燃料の噴射圧力を高めることが行われている。

このようにＥＧＲによって不活性な排出ガスを吸気側に還流させると、燃焼温度が低下してＮＯxの生成が抑えられる一方で、吸気中の酸素が減ることから、多量のＥＧＲはパティキュレートの生成を助長する結果となる。又、燃料噴射圧力を高めることは燃料噴霧の微粒化を促進すると共に、その貫徹力を大きくして空気利用率を向上させることができるので、パティキュレートの生成は抑制されるが、ＮＯxはむしろ生成し易い状況になる。つまり、ディーゼルエンジンの拡散燃焼においては、ＮＯxの低減とパティキュレートの低減とがトレードオフの関係にあり、両者を同時に低減することは難しいのが実情である。

このため、近年においては、通常であれば圧縮上死点近傍で行われるべき燃料噴射を圧縮上死点より早いタイミングで行い（燃料の噴射時期を進角させ）、気筒内への燃料の先行投入により燃料の予混合化を促進してから着火燃焼させて黒煙の発生を抑制するようにした予混合圧縮着火燃焼の採用が検討されている（例えば、特許文献１参照）。尚、予混合圧縮着火燃焼は、低λ燃焼、予混合ディーゼル燃焼、多量ＥＧＲ燃焼等と称されることもある。

このような予混合圧縮着火燃焼のときには、ＥＧＲによって吸気中に還流させる排気の割合（ＥＧＲ率）を上述した拡散燃焼のときよりも高くするのが好ましい。即ち、空気に比べて熱容量の大きい排気を吸気中に多量に混在させ、予混合気中の燃料及び酸素の濃度を低下させることで、着火遅れ時間を延長して予混合気の着火タイミングを圧縮上死点近傍に制御することができ、しかも、その予混合気中では燃料及び酸素の周囲に不活性な排気が略均一に分散し、これが燃焼熱を吸収することになるので、ＮＯxの生成が大幅に抑制されるのである。

但し、ＥＧＲによって吸気中の排気の還流割合が多くなるということは、その分、空気の量が少なくなるということなので、予混合圧縮着火燃焼をエンジンの高負荷側で実現することは困難であると考えられている。このため、従来は、低負荷側の運転領域では前述の如く予混合圧縮着火燃焼とし、該予混合圧縮着火燃焼を行う際におけるＥＧＲ率は比較的高い設定値以上に制御する一方、高負荷側の運転領域では燃料の噴射態様を切り換えて拡散燃焼となるように圧縮上死点近傍で燃料を噴射させるようにし、該拡散燃焼を行う際におけるＥＧＲ率は、パティキュレートの増大を回避すべく前記設定値よりも小さい設定値以下に制御するようにしている。
特開平１１−１０７７９２号公報

しかしながら、前述の如くディーゼルエンジンの燃焼形態を予混合圧縮着火燃焼と拡散燃焼との間で切り換えるようにした場合、その切り換えの際に過渡的に排気の状態が悪化したり、或いは大きな騒音を発生するという問題があった。

即ち、例えば、拡散燃焼から予混合圧縮着火燃焼に切り換えるときに、吸気中の還流排気の割合が充分に高くない状態で燃料噴射態様だけを早期噴射に切り換えると、燃焼室に形成された予混合気が過早なタイミングで一斉に着火してしまい、燃焼音が極めて大きくなると共に、図４に示される如く、ＮＯxの生成量が急増することになる。

又、反対に予混合圧縮着火燃焼から拡散燃焼に切り換えるときには、ＥＧＲによる排気の還流量を減少させてＥＧＲ率が低く設定変更されるのであるが、この排気還流量の調節にはある程度の時間が必要なので、仮に燃料の噴射態様だけを直ちに拡散燃焼のためのＴＤＣ近傍での噴射に切り換えると、ＥＧＲ率が過大な状態で燃焼が行われ、図４に示される如く、パティキュレートの生成が著しく増大すると共に、トルク変動が生じることになる。

本発明は、斯かる実情に鑑み、拡散燃焼と予混合圧縮着火燃焼との間での移行時に、ＮＯxやパティキュレートの増大、並びにトルク変動や騒音が発生することを防止し得るディーゼルエンジンの燃焼切換制御方法及び装置を提供しようとするものである。

本発明は、拡散燃焼と予混合圧縮着火燃焼とを切り換えて運転を行うディーゼルエンジンの燃焼切換制御方法において、
拡散燃焼から予混合圧縮着火燃焼への移行時に第一の中間燃焼領域を設定し、該第一の中間燃焼領域における燃料噴射時期を、拡散燃焼における燃料噴射時期と予混合圧縮着火燃焼における燃料噴射時期との中間値より遅角側に制御する一方、
予混合圧縮着火燃焼から拡散燃焼への移行時に第二の中間燃焼領域を設定し、該第二の中間燃焼領域における燃料噴射時期を、前記中間値より進角側に制御することを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼切換制御方法にかかるものである。

又、本発明は、拡散燃焼と予混合圧縮着火燃焼とを切り換えて運転を行うディーゼルエンジンの燃焼切換制御装置において、
燃料を燃焼室内に噴射する燃料噴射装置と、
拡散燃焼から予混合圧縮着火燃焼への移行時に第一の中間燃焼領域を設定し、該第一の中間燃焼領域における燃料噴射時期を、拡散燃焼における燃料噴射時期と予混合圧縮着火燃焼における燃料噴射時期との中間値より遅角側に制御するよう、前記燃料噴射装置へ燃料噴射指令を出力する一方、予混合圧縮着火燃焼から拡散燃焼への移行時に第二の中間燃焼領域を設定し、該第二の中間燃焼領域における燃料噴射時期を、前記中間値より進角側に制御するよう、前記燃料噴射装置へ燃料噴射指令を出力する制御装置と
を備えたことを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼切換制御装置にかかるものである。

上記手段によれば、以下のような作用が得られる。

例えば、拡散燃焼から予混合圧縮着火燃焼に切り換えるときには、設定された第一の中間燃焼領域において、燃料噴射時期が、拡散燃焼における燃料噴射時期と予混合圧縮着火燃焼における燃料噴射時期との中間値より遅角側に制御されるため、吸入空気中の還流排気の割合が充分に高くない状態で燃料噴射態様だけが早期噴射に切り換えられることがなくなり、燃焼室に形成された予混合気が過早なタイミングで一斉に着火してしまうことが避けられ、燃焼音が小さくなると共に、ＮＯxの生成量が急増しなくなる。

又、反対に予混合圧縮着火燃焼から拡散燃焼に切り換えるときには、設定された第二の中間燃焼領域において、燃料噴射時期が、前記中間値より進角側に制御されるため、ＥＧＲによる排出ガスの還流量が充分に減少する前に燃料の噴射態様だけが直ちに拡散燃焼のためのＴＤＣ近傍での噴射に切り換えられることがなくなり、ＥＧＲ率が過大な状態で燃焼が行われることが避けられ、パティキュレートの生成が著しく増大しなくなると共に、トルク変動も生じなくなる。

本発明のディーゼルエンジンの燃焼切換制御方法及び装置によれば、拡散燃焼と予混合圧縮着火燃焼との間での移行時に、ＮＯxやパティキュレートの増大、並びにトルク変動や騒音が発生することを防止し得るという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１及び図２は本発明を実施する形態の一例であって、図示しているディーゼルエンジン１においては、排出ガス２が流通する排気管３の途中からＥＧＲパイプ６を分岐させ、該ＥＧＲパイプ６により排気管３と吸気管７との間が接続されており、前記ＥＧＲパイプ６の途中に備えたＥＧＲバルブ８を介し排出ガス２の一部を吸入空気９と一緒に再循環させてディーゼルエンジン１の気筒内における燃焼室１８に送り込み、該気筒内での燃焼温度を下げてＮＯxの低減化を図るようにしてある。

前記ディーゼルエンジン１の各気筒の頂部には、燃料（軽油）を燃焼室１８内に噴射する燃料噴射装置としてのインジェクタ１０が装備されており、該インジェクタ１０の噴射作動については、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１１からの燃料噴射指令１０ａにより制御されるようになっており、低負荷側の運転領域では、圧縮行程後期の圧縮上死点より早いタイミングで前記インジェクタ１０に燃料噴射指令１０ａを出力して燃料を噴射せしめる予混合圧縮着火燃焼とし、該予混合圧縮着火燃焼を行う際におけるＥＧＲ率は比較的高い設定値以上に制御する一方、高負荷側の運転領域では燃料の噴射態様を切り換えて圧縮上死点近傍で前記インジェクタ１０に燃料噴射指令１０ａを出力して燃料を噴射せしめる拡散燃焼とし、該拡散燃焼を行う際におけるＥＧＲ率は、パティキュレートの増大を回避すべく前記設定値よりも小さい設定値以下に制御するようにしてある。

尚、前記制御装置１１には、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ１２（負荷センサ）からのアクセル開度信号１２ａや、ディーゼルエンジン１の機関回転数を検出する回転センサ１３からの回転数信号１３ａ等が入力されており、各種のエンジン制御を実行すべくディーゼルエンジン１の運転状態が常に監視されるようになっている。

又、図１中、１４はピストン、１５はクランクシャフト、１６はピストン１４とクランクシャフト１５とをつなぐコンロッドを示し、更に、１９は排気ポート、２０は排気弁、２１は吸気ポート、２２は吸気弁を示しており、該吸気弁２２及び前記排気弁２０は、図示していないエンジン駆動のカムシャフトに設けられたカムによりプッシュロッドやロッカーアームを介して各気筒毎の行程に応じた適切なタイミングで開弁操作されるようになっている。

そして、本図示例の場合、図２に示す如く、拡散燃焼から予混合圧縮着火燃焼への移行時に第一の中間燃焼領域を設定し、該第一の中間燃焼領域における燃料噴射時期を、拡散燃焼における燃料噴射時期と予混合圧縮着火燃焼における燃料噴射時期との中間値より遅角側に制御する一方、予混合圧縮着火燃焼から拡散燃焼への移行時に第二の中間燃焼領域を設定し、該第二の中間燃焼領域における燃料噴射時期を、前記中間値より進角側に制御するようにしてある。

ここで、圧縮上死点におけるクランク角が０°であって、例えば、予混合圧縮着火燃焼における燃料噴射時期をクランク角で１５°とし、拡散燃焼における燃料噴射時期をクランク角で−２°とした場合、両者の中間値はおよそ８°となるため、前記第一の中間燃焼領域における燃料噴射時期は、中間値となる８°より遅角側の６°程度に制御すれば良く、又、前記第二の中間燃焼領域における燃料噴射時期は、中間値となる８°より進角側の１０°程度に制御すれば良い。尚、中間値、中間値からの遅角度合い、進角度合いは、ＥＧＲ率、ＥＧＲガスの入り方、抜け方により依存し、これらは、実験及び計算で求められる。

尚、前述の如く、予混合圧縮着火燃焼と拡散燃焼との間に中間燃焼領域を設定した場合のエンジン回転数とトルクとの関係を示すマップは、例えば、図３に示すようになるが、この中間燃焼領域における中間燃焼マップを二枚、即ち、拡散燃焼から予混合圧縮着火燃焼への移行時における第一の中間燃焼マップと、予混合圧縮着火燃焼から拡散燃焼への移行時における第二の中間燃焼マップとを用意し、それらを移行に合わせて使い分けるようにすることも可能である。

次に、上記図示例の作用を説明する。

例えば、拡散燃焼から予混合圧縮着火燃焼に切り換えるときには、設定された第一の中間燃焼領域において、燃料噴射時期が、拡散燃焼における燃料噴射時期と予混合圧縮着火燃焼における燃料噴射時期との中間値より遅角側に制御されるため、吸入空気９中の還流排気の割合が充分に高くない状態で燃料噴射態様だけが早期噴射に切り換えられることがなくなり、燃焼室１８に形成された予混合気が過早なタイミングで一斉に着火してしまうことが避けられ、燃焼音が小さくなると共に、図２に示す如く、ＮＯxの生成量が急増しなくなる。

又、反対に予混合圧縮着火燃焼から拡散燃焼に切り換えるときには、設定された第二の中間燃焼領域において、燃料噴射時期が、前記中間値より進角側に制御されるため、ＥＧＲによる排出ガス２の還流量が充分に減少する前に燃料の噴射態様だけが直ちに拡散燃焼のためのＴＤＣ近傍での噴射に切り換えられることがなくなり、ＥＧＲ率が過大な状態で燃焼が行われることが避けられ、図２に示す如く、パティキュレートの生成が著しく増大しなくなると共に、トルク変動も生じなくなる。

こうして、拡散燃焼と予混合圧縮着火燃焼との間での移行時に、ＮＯxやパティキュレートの増大、並びにトルク変動や騒音が発生することを防止し得る。

尚、本発明のディーゼルエンジンの燃焼切換制御方法及び装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 本発明を実施する形態の一例において、燃焼形態を拡散燃焼から第一の中間燃焼領域を経て予混合圧縮着火燃焼へ、又、予混合圧縮着火燃焼から第二の中間燃焼領域を経て拡散燃焼へそれぞれ切り換えた際のトルク、ＮＯx、Ｓｍｏｋｅの状態を示す線図である。 本発明を実施する形態の一例において、予混合圧縮着火燃焼と拡散燃焼との間に中間燃焼領域を設定した場合のエンジン回転数とトルクとの関係を示すマップである。 燃焼形態を拡散燃焼から予混合圧縮着火燃焼へ、又、予混合圧縮着火燃焼から拡散燃焼へそれぞれ切り換えた際のトルク、ＮＯx、Ｓｍｏｋｅ、吸気量の状態を示す線図である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン
２ 排出ガス
３ 排気管
６ ＥＧＲパイプ
７ 吸気管
８ ＥＧＲバルブ
９ 吸入空気
１０ インジェクタ（燃料噴射装置）
１０ａ 燃料噴射指令
１１ 制御装置
１８ 燃焼室

Claims (2)

1. 拡散燃焼と予混合圧縮着火燃焼とを切り換えて運転を行うディーゼルエンジンの燃焼切換制御方法において、
   拡散燃焼から予混合圧縮着火燃焼への移行時に第一の中間燃焼領域を設定し、該第一の中間燃焼領域における燃料噴射時期を、拡散燃焼における燃料噴射時期と予混合圧縮着火燃焼における燃料噴射時期との中間値より遅角側に制御する一方、
   予混合圧縮着火燃焼から拡散燃焼への移行時に第二の中間燃焼領域を設定し、該第二の中間燃焼領域における燃料噴射時期を、前記中間値より進角側に制御することを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼切換制御方法。
2. 拡散燃焼と予混合圧縮着火燃焼とを切り換えて運転を行うディーゼルエンジンの燃焼切換制御装置において、
   燃料を燃焼室内に噴射する燃料噴射装置と、
   拡散燃焼から予混合圧縮着火燃焼への移行時に第一の中間燃焼領域を設定し、該第一の中間燃焼領域における燃料噴射時期を、拡散燃焼における燃料噴射時期と予混合圧縮着火燃焼における燃料噴射時期との中間値より遅角側に制御するよう、前記燃料噴射装置へ燃料噴射指令を出力する一方、予混合圧縮着火燃焼から拡散燃焼への移行時に第二の中間燃焼領域を設定し、該第二の中間燃焼領域における燃料噴射時期を、前記中間値より進角側に制御するよう、前記燃料噴射装置へ燃料噴射指令を出力する制御装置と
   を備えたことを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼切換制御装置。

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