JP2009085117A - Control device of diesel engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直噴式ディーゼルエンジンの制御装置に関し、特に燃料噴射弁の精密な作動制御による噴射率の可変制御の技術分野に属する。 The present invention relates to a control device for a direct injection diesel engine, and particularly relates to the technical field of variable injection rate control by precise operation control of a fuel injection valve.
従来より一般にディーゼルエンジンは、気筒の圧縮により燃料を自着火させることから、火花点火エンジンに比べて圧縮比が高くなり、燃焼によって上昇する気筒内圧の最高値(Pmax)もかなり高くなる。このため、シリンダブロックやシリンダヘッドはもとよりピストン、コネクティングロッド等についても、その強度及び剛性を確保しようとすれば相対的に大重量になってしまい、車両に搭載した場合に燃費や運動性について不利になることがある。 Conventionally, a diesel engine generally ignites fuel by compression of a cylinder, so that a compression ratio is higher than that of a spark ignition engine, and a maximum value (Pmax) of a cylinder internal pressure that is increased by combustion is considerably high. For this reason, piston blocks and connecting rods as well as cylinder blocks and cylinder heads become relatively heavy when trying to secure their strength and rigidity, which is disadvantageous in terms of fuel consumption and mobility when mounted on a vehicle. May be.
これに対し例えば特許文献1には、気筒の機械的な圧縮比を低下させるとともに、可変動弁機構を組み込んで有効圧縮比(気筒内に充填された空気の実際の圧縮比)を調整可能としたディーゼルエンジンについて記載されている。有効圧縮比を調整することにより、エンジンの始動性を確保したり、低中負荷時の燃焼性を高めることができるとともに、高負荷時には気筒内圧の上昇を抑えて、エンジン各部への負荷を小さくすることができるので、軽量化が可能になる。
しかしながら、前記従来例のものでは、エンジンの高負荷時に気筒内圧の上昇を抑えるために有効圧縮比を低下させることになり、気筒の吸気充填効率の低下によって出力の低下を招くことは避けられない。 However, in the conventional example, the effective compression ratio is reduced in order to suppress an increase in the cylinder internal pressure when the engine is heavily loaded, and it is inevitable that the output is reduced due to a reduction in the intake charge efficiency of the cylinder. .
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、直噴式のディーゼルエンジンにおける気筒内圧の最高値(Pmax)を低下させて、軽量化を可能としながら、これに伴う出力の低下を抑制することにある。 The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to reduce the maximum value (Pmax) of the cylinder internal pressure in a direct injection type diesel engine and to reduce the weight thereof. This is to suppress a decrease in output due to.
前記の目的を達成するために、本発明では、燃焼室へ直接行う燃料噴射の仕方に工夫を凝らし、その燃焼による気筒内圧の上昇が、膨張行程における気筒内容積の拡大によって減殺されるようにし、これにより気筒内圧の最高値(Pmax)を低下させるようにした。 In order to achieve the above-mentioned object, the present invention is devised in the manner of fuel injection directly into the combustion chamber so that the increase in the cylinder pressure due to the combustion is reduced by the expansion of the cylinder volume in the expansion stroke. Thus, the maximum value (Pmax) of the cylinder internal pressure is reduced.
具体的に、請求項1の発明に係るディーゼルエンジンの制御装置は、気筒内の燃焼室に燃料を直接、噴射する燃料噴射弁と、この燃料噴射弁による燃料の噴射パターンを、少なくとも燃料噴射期間の中期において、気筒の膨張行程における燃焼室容積の拡大に連れて燃料噴射率が高くなる尻上がり噴射パターンに設定する噴射パターン設定手段と、この噴射パターン設定手段により設定された尻上がり噴射パターンになるように、前記燃料噴射弁を作動させる噴射制御手段と、を備える構成とする。尚、燃料噴射期間の中期とは、燃料噴射弁から燃料の噴射される期間を前期、中期及び後期に3等分したうちの中期とすればよい。
Specifically, the control device for a diesel engine according to the invention of
前記の構成により、ディーゼルエンジンの運転中に噴射パターン設定手段によって燃料の尻上がり噴射パターンが設定され、この噴射パターンになるように噴射制御手段によって燃料噴射弁が制御されると、これにより燃焼室に直接、噴射される燃料の噴射率は、気筒の膨張行程における燃焼室容積の拡大に連れて高くなり、その燃焼による熱発生率も燃焼室容積の拡大に連れて徐々に高くなる。 With the above configuration, when the fuel injection valve is controlled by the injection control means so that the fuel rising injection pattern is set by the injection pattern setting means during the operation of the diesel engine, The injection rate of the directly injected fuel increases as the combustion chamber volume increases in the expansion stroke of the cylinder, and the heat generation rate due to the combustion also increases gradually as the combustion chamber volume increases.
そのような尻上がりの熱発生パターンによれば、気筒の上死点近傍における気筒内圧の急激な上昇が緩和される一方で、燃焼室容積の拡大による気筒内圧の下降は抑制されることになり、従来一般的な燃焼に比べて気筒内圧がいわば「高止まり」することになるので、その圧力を効率良くクランク軸の回転力に変換することができる。よって、気筒内圧の最高値(Pmax)を低下させながら、これに伴う出力の低下は十分に抑制できる。 According to such a rising heat generation pattern, the rapid increase in the cylinder pressure near the top dead center of the cylinder is alleviated, while the decrease in the cylinder pressure due to the expansion of the combustion chamber volume is suppressed. Compared to conventional general combustion, the cylinder internal pressure is “highly stopped”, so that the pressure can be efficiently converted into the rotational force of the crankshaft. Therefore, while decreasing the maximum value (Pmax) of the cylinder internal pressure, it is possible to sufficiently suppress the decrease in output.
前記のような作用の得られる尻上がり噴射パターンとして好ましいのは、燃焼によって上昇する気筒内圧の最高値(Pmax)が、圧縮上死点における気筒内圧の予め設定した所定倍を越えないように、燃焼室容積の拡大する割合に対応付けて燃料噴射率の上昇度合いを設定したものであり(請求項2)、その所定倍というのは略1.0倍、即ち気筒内圧の最高値(Pmax)が圧縮上死点における気筒内圧を越えないようにするのが好ましい。 As the rising injection pattern that can obtain the above-described effect, it is preferable that the combustion is performed so that the maximum value (Pmax) of the cylinder pressure that rises due to combustion does not exceed a predetermined multiple of the cylinder pressure at the compression top dead center. The degree of increase in the fuel injection rate is set in association with the rate of expansion of the chamber volume (Claim 2), and the predetermined multiple is approximately 1.0, that is, the maximum value (Pmax) of the cylinder internal pressure is It is preferable not to exceed the cylinder internal pressure at the compression top dead center.
より好ましいのは、圧縮上死点近傍から所定クランク角(例えばATDC30°CAくらい)までの期間に亘って気筒内圧が最高値(Pmax)の略0.9〜1.0倍の範囲に含まれるように、燃焼室容積の拡大割合に対応付けて燃料噴射率の上昇度合いを設定することであり(請求項3)、こうすれば、前記所定クランク角までの期間において気筒内圧が概ね最高値付近に保たれるようになるから、エンジン出力の低下を効果的に抑制できる。
More preferably, the cylinder pressure is included in a range of approximately 0.9 to 1.0 times the maximum value (Pmax) over a period from the vicinity of compression top dead center to a predetermined crank angle (for example, about
ところで、エンジンの負荷があまり高くない運転状態では元々、気筒の吸気充填効率が低くされたり、燃料噴射量が少なくされたりすることから、通常通り燃料噴射弁を一気に開いて燃料を噴射させるようにしても(以下、通常の噴射パターンという)、気筒内圧の最高値(Pmax)は許容上限値に到達しない。 By the way, in an operating state where the engine load is not very high, the intake charge efficiency of the cylinder is originally lowered or the fuel injection amount is reduced. Therefore, the fuel injection valve is opened at a stroke as usual to inject fuel. However, the maximum value (Pmax) of the cylinder pressure does not reach the allowable upper limit value (hereinafter referred to as a normal injection pattern).
そこで、好ましいのは、相対的に高負荷側の運転領域において尻上がり噴射パターンを設定する一方で(請求項4)、相対的に低負荷側の運転領域では、燃料を通常の噴射パターンで噴射させるようにすることである。こうすれば、通常の噴射パターンにより相対的に短い期間で燃料が噴射されることになるので、燃焼期間の短縮により熱効率が向上し、燃費の低減が図られる。 Therefore, it is preferable to set the rising injection pattern in the operation region on the relatively high load side (Claim 4), while injecting the fuel in the normal injection pattern in the operation region on the relatively low load side. Is to do so. By so doing, fuel is injected in a relatively short period of time with a normal injection pattern, so that the thermal efficiency is improved by shortening the combustion period, and fuel consumption is reduced.
また、尻上がり噴射パターンにおける燃料噴射率の上昇度合いは必ずしも一定でなくてもよく、それを例えばエンジンの運転状態(負荷や回転速度等)に応じて変更するようにしてもよい(請求項5)。こうすれば、エンジン出力の低下をより効果的に抑制することも可能である。 Further, the degree of increase in the fuel injection rate in the rising injection pattern is not necessarily constant, and may be changed according to, for example, the operating state (load, rotation speed, etc.) of the engine (claim 5). . By so doing, it is possible to more effectively suppress a decrease in engine output.
ここで、前記のような尻上がりの燃料噴射パターンを実現するためには、例えば燃料噴射弁を、芯弁の開作動による噴口の開放面積が可変調整可能なものとして、その芯弁の作動制御により噴口の開放速度を調整するようにすればよい(請求項6)。すなわち、噴口を最高の開口速度で一気に最大開口面積まで開いて、燃料を一気に噴射させれば、通常の噴射パターンになるところを、意図的に開放速度を遅くして開口面積を所定割合で徐々に増大させるようにすれば、燃料噴射率が徐々に高くなる尻上がり噴射パターンを実現することができる。 Here, in order to realize the fuel injection pattern that rises as described above, for example, the fuel injection valve is assumed to be capable of variably adjusting the opening area of the injection port due to the opening operation of the core valve. The opening speed of the nozzle hole may be adjusted (claim 6). That is, if the nozzle is opened at the maximum opening speed to the maximum opening area and the fuel is injected all at once, the normal injection pattern is obtained, and the opening area is gradually reduced at a predetermined rate by intentionally reducing the opening speed. If the fuel injection rate is increased, a rising injection pattern in which the fuel injection rate gradually increases can be realized.
以上、説明したように、本発明に係る制御装置によると、気筒内の燃焼室に直接、噴射する燃料の噴射態様を、噴射期間中に噴射率が所定の割合で徐々に高くなる尻上がりの噴射パターンとすることにより、燃焼初期の気筒内圧の立ち上がりを抑えながら、燃焼の中期から後期にかけて燃焼室容積の拡大による気筒内圧の下降を抑制でき、気筒内圧を或る程度高い状態に「高止まり」させることができる。よって、気筒内圧の最高値(Pmax)を低下させてエンジンの軽量化を可能としながら、出力の低下は十分に抑制できる。 As described above, according to the control device of the present invention, the injection mode of the fuel that is directly injected into the combustion chamber in the cylinder is changed to the rising injection in which the injection rate gradually increases at a predetermined rate during the injection period. By making the pattern, the rise of the cylinder pressure in the early stage of combustion is suppressed, and the fall of the cylinder pressure due to the expansion of the combustion chamber volume is suppressed from the middle to the later stage of combustion. Can be made. Therefore, the reduction in the output can be sufficiently suppressed while reducing the maximum value (Pmax) of the cylinder internal pressure and making the engine lighter.
また、元々、気筒内圧の最高値(Pmax)があまり高くならない低負荷側の運転領域では、通常通り燃料噴射弁を一気に開いて燃料を噴射させることで、燃焼期間の短縮により燃費の低減が図られる。 Also, in the low load side operation region where the maximum value (Pmax) of the cylinder internal pressure does not become so high, the fuel injection valve is opened at once to inject fuel as usual, thereby reducing fuel consumption by shortening the combustion period. It is done.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. It should be noted that the following description of the preferred embodiment is merely illustrative in nature, and is not intended to limit the present invention, its application, or its use.
図1は、本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの制御装置Aの一例を示し、符号1は車両に搭載されたディーゼルエンジンである。このエンジン1は複数の気筒2,2,…(1つのみ図示する)を有し、その各気筒2内には各々嵌挿されたピストン3の上方に
燃焼室4が区画されている。この燃焼室4の容積はピストン3の往復動によって変化し、それが上死点にあるときと下死点にあるときとの容積比が機械的な圧縮比になる。
FIG. 1 shows an example of a diesel engine control device A according to an embodiment of the present invention.
エンジン1のシリンダヘッドには各気筒2毎にインジェクタ5(燃料噴射弁)が配設され、燃焼室4内に燃料を直接、噴射するようになっている。このインジェクタ5は、詳細は図示しないが、ピエゾ・アクチュエータによって芯弁をリフトさせるものであり、先端の噴口を燃焼室4の天井部に臨ませて配設されている。ピエゾ・アクチュエータは、印加される電圧に応じて芯弁の駆動量(リフト量)が変化するもので、この芯弁による噴口の開放面積を変更することができる。
The cylinder head of the
また、前記インジェクタ5は、全気筒2,2,…に共通のコモンレール(図示省略)に接続されていて、そこに蓄えられている高圧の燃料を任意のタイミングで噴射することができる。コモンレールには、その内部の燃料の平均的な圧力(コモンレール圧)を検出するセンサが備えられ、このセンサの信号が後述するECU30に入力されて、これに応じてコモンレール圧の制御が行われるようになっている。
The injector 5 is connected to a common rail (not shown) common to all the cylinders 2, 2,..., And can inject high-pressure fuel stored therein at an arbitrary timing. The common rail is provided with a sensor that detects an average pressure (common rail pressure) of the fuel inside the common rail, and a signal from this sensor is input to an
また、エンジン1のシリンダヘッドには各気筒2毎に吸気ポート6及び排気ポート7が形成されて、それぞれ燃焼室4の天井部に開口している。吸気ポート6及び排気ポート7の開口端には個々に吸気弁8及び排気弁9が配設されており、図示は省略するが、カムシャフト等の動弁機構によって駆動され、吸気ポート6及び排気ポート7をそれぞれ所定タイミングで開閉するようになっている。
In addition, an
そうして一端が燃焼室4に開口する吸気ポート6の他端は、エンジン1のシリンダヘッドの一側(図の右側)に開口して、吸気通路10に連通している。吸気通路10は、各気筒2の燃焼室4に空気(新気)を供給するためのものであり、後述するタービン16により駆動されて吸気を圧縮するコンプレッサ11と、このコンプレッサ11により圧縮された吸気を冷却するインタークーラ12と、バタフライバルブからなる吸気絞り弁13とが、上流側から順に配設されている。
Thus, the other end of the
一方、エンジン1の反対側(図の左側)には、各気筒2の燃焼室4から既燃ガスを排出するための排気通路15が接続されている。この排気通路15の上流端部は、各気筒2毎に分岐してそれぞれ排気ポート7に連通する排気マニホルドであり、その下流には、排気流を受けて回転されるタービン16と、排気中の有害成分(HC、CO、煤等)を浄化可能なディーゼル酸化触媒17と、キャタライズドDPF(Diesel Particulate Filter)18と、が上流側から順に配設されている。
On the other hand, an exhaust passage 15 for discharging burned gas from the combustion chamber 4 of each cylinder 2 is connected to the opposite side (left side in the figure) of the
前記タービン16及びコンプレッサ11は機械的に接続されてターボ過給機20を構成しており、この実施形態では、可動式のフラップ21,21,…によりタービン16への排気の通路断面積を変化させる可変ターボ過給機(Variable Geometry Turbosupercharger:以下VGTという)が用いられている。
The
また、排気通路15には、排気マニホールドの集合部にに臨んで開口し、排気の一部を吸気側に還流させる排気還流通路22(以下EGR通路という)の上流端が接続されている。このEGR通路22の下流端は吸気絞り弁13よりも下流側で吸気通路10に接続されていて、還流する排気(以下EGRガスという)を吸気通路10に導入するようになっている。EGR通路22の途中にはEGRガスの流量を調節するための電磁弁23(以下EGR弁という)が配設されている。
Further, the exhaust passage 15 is connected to an upstream end of an exhaust recirculation passage 22 (hereinafter referred to as an EGR passage) that opens toward a collecting portion of the exhaust manifold and recirculates a part of the exhaust to the intake side. The downstream end of the
そして、前記インジェクタ5、吸気絞り弁13、VGT20、EGR弁23等は、いずれもコントロールユニット(Electronic Control Unit:以下ECUという)30からの制御信号を受けて作動するようになっている。このECU30には、少なくとも、クランク角センサ31、エアフローセンサ32、吸気圧センサ33、吸気温センサ34等からの信号が入力され、さらに、排気中の酸素濃度を検出するリニアO2センサ35と、図示しないアクセルペダルの踏み操作量(アクセル開度)を検出するアクセル開度センサ36と、からの信号もそれぞれ入力される。
The injector 5, the
(エンジンの燃焼制御)
ECU30によるエンジン1の基本的な制御は、主にアクセル開度に基づいて目標トルク(目標となる負荷)を決定し、これに対応する燃料の噴射量や噴射時期等をインジェクタ5の作動制御によって実現するものである。また、吸気絞り弁13やEGR弁23の開度の制御によって燃焼室4への排気の還流割合(EGR率)を制御し、VGT20のフラップ21,21,…の制御によって吸気の過給効率を高めるようにしている。
(Engine combustion control)
The basic control of the
さらに、本発明の特徴として、この実施形態では前記インジェクタ5の作動制御を特に精密なものとし、1回の噴射期間における燃料の噴射率を可変制御するようにしている。すなわち、相対的に低負荷側の運転領域では芯弁を一気に開いて燃料を噴射させる通常の噴射パターンとする一方、相対的に高負荷側の運転領域では芯弁の開放速度を意図的に遅くして、燃料の噴射率が徐々に高くなる尻上がりの噴射パターンとするものである。 Further, as a feature of the present invention, in this embodiment, the operation control of the injector 5 is made particularly precise, and the fuel injection rate in one injection period is variably controlled. That is, in the operation region on the relatively low load side, the normal injection pattern in which the core valve is opened at once to inject fuel is used, whereas in the operation region on the relatively high load side, the opening speed of the core valve is intentionally slow. Thus, a rising injection pattern in which the fuel injection rate gradually increases is obtained.
以下に本発明の特徴である尻上がりの燃料噴射パターンと、これにより気筒内圧の最高値(Pmax)が比較的低くなる燃焼(以下、低Pmax燃焼ともいう)の状態と、について、通常の噴射パターンと対比しながら説明する。 In the following, a normal fuel injection pattern and a fuel injection pattern which is a feature of the present invention, and a combustion state in which the maximum value (Pmax) of the cylinder pressure is relatively low (hereinafter also referred to as low Pmax combustion) will be described. This will be explained in comparison with the above.
まず、一般に直噴式のディーゼルエンジンでは、圧縮行程の終盤に高温、高圧となった気筒内の燃焼室に上死点(TDC)近傍から膨張行程にかけて燃料を噴射する。そうすると、初期に噴射された燃料噴霧が僅かな時間遅れの後に着火し、これにより形成される火炎核に周囲の空気や燃料噴霧が巻き込まれるようにして次々に供給され、いわゆる拡散燃焼の状態になる。 First, in general, in a direct injection type diesel engine, fuel is injected from the vicinity of top dead center (TDC) to the expansion stroke into the combustion chamber in the cylinder that has become high temperature and high pressure at the end of the compression stroke. Then, the fuel spray injected in the initial stage is ignited after a slight time delay, and it is supplied one after another so that surrounding air and fuel spray are caught in the flame kernel formed thereby, so that a state of so-called diffusion combustion is achieved. Become.
そのように拡散燃焼が主体のディーゼル燃焼を良好なものとするために、従来より一般的な通常の噴射パターンとしては、所定の噴射タイミングでインジェクタの噴口を一気に開いて燃料を噴射させるものであり、この場合の燃料噴射率は、図2(a)に破線で示すように最高値まで一気に立ち上がった後に略一定となり、必要な噴射量に対応する噴射期間(クランク角期間)の経過後に再び一気に低下する、という矩形状のグラフを描く。 In order to improve the diesel combustion mainly composed of diffusion combustion, the normal injection pattern that is more general than the conventional one is to open the injector nozzle at a predetermined injection timing and inject fuel at a predetermined injection timing. The fuel injection rate in this case becomes substantially constant after suddenly rising to the maximum value as shown by the broken line in FIG. 2 (a), and once again after the injection period (crank angle period) corresponding to the required injection amount elapses. Draw a rectangular graph that falls.
このような通常の噴射パターンでは、着火遅れ後の初期の予混合燃焼が激しくなることから、同図(b)に破線で示すように、TDC直後に熱発生率も急峻に立ち上がり、それに拡散燃焼による熱発生が加わって気筒内圧を急激に上昇させるようになる。すなわち、同図(c)に示すように、気筒内圧は、気筒の圧縮によるピーク(TDC近傍)からさらに立ち上がって最高値(Pmax)を迎え、その後、気筒の膨張行程における燃焼室容積の拡大に伴い速やかに低下するようになる。 In such a normal injection pattern, the initial premixed combustion after the ignition delay becomes intense, so that the heat generation rate rises sharply immediately after TDC as shown by the broken line in FIG. Due to the heat generation due to this, the cylinder internal pressure suddenly increases. That is, as shown in FIG. 3C, the cylinder internal pressure rises further from the peak due to cylinder compression (near TDC) and reaches the maximum value (Pmax), and then the combustion chamber volume increases in the expansion stroke of the cylinder. Along with this, it begins to decrease quickly.
このような従来一般的な燃焼状態においてエンジンの出力(トルク)を高めようとすれば、充填効率を高めたり、燃料噴射量を増量したりすることになるが、こうすると、前記図(c)において気筒内圧波形全体が高くなり、その最高値(Pmax)も高くなってしまうので、これに耐え得るようにシリンダブロックやシリンダヘッド、さらにはピストン3、コネクティングロッド等についても強度や剛性を高くしなくてはならず、重量増を招くことは避けられない。
If it is attempted to increase the engine output (torque) in such a conventional combustion state, the charging efficiency will be increased or the fuel injection amount will be increased. Since the entire cylinder internal pressure waveform increases and the maximum value (Pmax) also increases, the strength and rigidity of the cylinder block, cylinder head,
これに対し、本発明の特徴である尻上がりの燃料噴射パターンでは、インジェクタの芯弁を意図的にゆっくりと開作動させ、TDC近傍から所定クランク角までの期間に亘って所定の割合で徐々に開口面積が増大するようにする。こうすると燃料噴射率は、図2(a)に実線で示すように、TDC近傍から緩やかに立ち上がり、燃焼室容積の拡大に対応する所定の割合で尻上がりに高まった後に一気に低下する、三角形状のグラフを描く。 On the other hand, in the fuel injection pattern that rises as a feature of the present invention, the core valve of the injector is intentionally slowly opened and gradually opened at a predetermined rate over a period from the vicinity of TDC to a predetermined crank angle. Increase the area. In this way, as shown by the solid line in FIG. 2 (a), the fuel injection rate gradually rises from the vicinity of the TDC, rises upward at a predetermined rate corresponding to the expansion of the combustion chamber volume, and then decreases at a stretch. Draw a graph.
このような尻上がりの噴射パターンでも前記通常の噴射パターンと同様に、燃料噴霧は着火遅れの後に予混合燃焼を開始するようになるが、そうして初期燃焼する燃料が非常に少ないことから、同図(b)に実線で示すように熱発生率の立ち上がりが非常に緩やかになる。そして、前記のように燃料噴射率が高くなるのに連れて、燃焼による熱発生率も尻上がりに高くなってゆく。 Even in such a rising injection pattern, as in the normal injection pattern, the fuel spray starts premixed combustion after the ignition delay, but the initial combustion is very little, so As shown by the solid line in Fig. (B), the rise of the heat generation rate becomes very gradual. As described above, as the fuel injection rate increases, the heat generation rate due to combustion also increases.
特に、この実施形態では、前記した尻上がりの噴射パターンにおける燃料噴射率の上昇度合いが、気筒の膨張行程において燃焼室容積の拡大する割合に対応付けて、予め実験等により最適値に設定されている。すなわち、気筒の膨張行程では燃焼室容積の拡大によって気筒内圧は徐々に減少する傾向にあるが、この実施形態では、前記のように熱発生率が尻上がりに高くなる燃焼とすることで、燃焼室容積の拡大による影響を打ち消すようにしている。 In particular, in this embodiment, the degree of increase in the fuel injection rate in the above-described rising injection pattern is set to an optimum value in advance by experiments or the like in association with the rate of expansion of the combustion chamber volume in the cylinder expansion stroke. . That is, in the expansion stroke of the cylinder, the cylinder internal pressure tends to gradually decrease due to the expansion of the combustion chamber volume. In this embodiment, as described above, the combustion chamber has a heat generation rate that rises upward. The effect of expanding the volume is counteracted.
このため、同図(c)に実線で示すように気筒内圧は、通常の噴射パターンのように気筒の圧縮によるピーク(TDC近傍)から立ち上がることなく、TDC近傍から所定クランク角(図の例ではATDC30°CAくらい)までの期間に亘って概ね一定に保たれるようになる。換言すれば、尻上がりの噴射パターンによる燃焼では、気筒内圧が通常の噴射パターンのような燃焼によるピークを迎えることがなく、その最高値(Pmax)は概ね圧縮によるピーク値と同じになるのである。
For this reason, as shown by the solid line in FIG. 3C, the cylinder pressure does not rise from the peak due to cylinder compression (near TDC) as in the normal injection pattern, but from a predetermined crank angle (in the example shown in the figure) from the vicinity of TDC. Over a period up to about
こうして気筒内圧の最高値(Pmax)が従来一般的なディーゼル燃焼に比べて低くなる一方で、この実施形態の低Pmax燃焼では、気筒内圧が或る程度以上、高い状態に保たれる(高止まりする)期間が長くなるので、その圧力を効率良くクランク軸の回転力に変換することができ、出力の低下を効果的に抑制できる。尚、図(c)では、2つのグラフを比較し易いように、通常の燃焼(破線のグラフ)における充填効率をやや高めに設定している。 In this way, the maximum value (Pmax) of the cylinder internal pressure becomes lower than that of the conventional general diesel combustion, while in the low Pmax combustion of this embodiment, the cylinder internal pressure is kept at a high level to some extent (highly stopped). Since the period becomes longer, the pressure can be efficiently converted into the rotational force of the crankshaft, and the decrease in output can be effectively suppressed. In FIG. 2C, the charging efficiency in normal combustion (broken line graph) is set slightly higher so that the two graphs can be easily compared.
(具体的な制御手順)
次に、ECU30による燃料噴射制御の手順について、図3に示すフローチャートを参照してより具体的に説明する。
(Specific control procedure)
Next, the procedure of fuel injection control by the
まず、スタート後のステップS1では、各種センサ31〜36等からの信号を入力し、続くステップS2では目標トルク及びエンジン回転速度を演算する。エンジン回転速度はクランク角センサ31からの信号に基づいて演算され、目標トルクは、エンジン回転速度とアクセル開度とに基づいて、予めECU30に記憶されているマップ(図示省略)から読み込まれる。尚、そのマップには、アクセル開度が大きいほど、またエンジン回転速度が高いほど、目標トルクが大きくなるように設定されている。
First, in step S1 after the start, signals from
ステップS3では、前記ステップS2で求めた目標トルク及びエンジン回転速度に基づいて、図4に一例を示すような制御マップから、エンジン1の運転状態が相対的に低負荷側の第1領域(I)にあるか否か判定する。この制御マップは、エンジン1の運転領域を相対的に低負荷側で通常燃焼とする第1領域(I)と、相対的に高負荷側で低Pmax燃焼等する第2領域(II)とに分けたものであり、エンジン1の運転状態が第2領域(II)にあれば判定がNOで後述のステップS7に進む一方、第1領域(I)にあれば判定はYESで、ステップS4に進む。
In step S3, based on the target torque and engine rotation speed obtained in step S2, the first state (I ). This control map is divided into a first region (I) in which the operating region of the
ここで、前記制御マップにおいて第1領域(I)にはエンジン1の負荷状態(目標トルク)及び回転速度に対応付けて燃料の目標噴射量及び噴射タイミングが設定されているとともに、通常の噴射パターンとしてインジェクタ5の駆動パルス信号が、図の右側下段に模式的に示すような矩形波とされている。一方、第2領域(II)には、目標噴射量及び噴射タイミングの情報を含めて燃料の尻上がり噴射パターン、即ち、噴射期間中において噴射率が所定割合で徐々に高くなるように芯弁の開放速度を設定した三角形状の駆動パルス波形が、エンジン1の負荷状態及び回転速度に対応付けて設定されている。
Here, in the control map, in the first region (I), a target fuel injection amount and injection timing are set in association with the load state (target torque) and the rotational speed of the
詳しくは、第2領域(II)においても特に全負荷域(破線よりも上の領域)では、図の右側上段に示すように尻上がりのパターンで燃料を一括して噴射する一方、圧縮による気筒内圧のピークがあまり高くならない全負荷域以外(破線よりも下)では、右側中段に示すようにTDC前に少量の燃料をプレ噴射して、その燃焼により気筒内圧を予め高くした上で、尻上がりパターンのメイン噴射を行うようにする。尚、第1領域(I)及び第2領域(II)の境界は、エンジン1の過給状態や排気浄化性能等も考慮して、図示のように低速側で高速側よりも高負荷側になるように設定されている。
Specifically, even in the second region (II), particularly in the full load region (region above the broken line), fuel is injected in a lump pattern as shown in the upper right side of the figure, while the cylinder internal pressure due to compression is injected. Except for the full load range where the peak of the engine does not become so high (below the broken line), a small amount of fuel is pre-injected before the TDC as shown in the middle stage on the right side, and the cylinder pressure is increased by the combustion in advance, and the rising pattern The main injection is performed. Note that the boundary between the first region (I) and the second region (II) is on the low speed side and on the higher load side than the high speed side as shown in the drawing in consideration of the supercharging state and exhaust purification performance of the
そして、エンジンが第1領域(I)にあるYESと判定して進んだステップS4では、前記ステップS2で求めた目標トルク及びエンジン回転速度に基づいて、前記制御マップからインジェクタ5による燃料の目標噴射量及び噴射タイミングをそれぞれ読み込んで設定する。このときには、通常の噴射パターンでインジェクタ5の駆動パルス信号は矩形波になり、燃料噴射率の目標値が最高値であるともいえる。パルス巾は、必要な噴射量に対応する長さ(クランク角期間)になる。 Then, in step S4, which proceeds with the determination that the engine is in the first region (I), the target injection of fuel by the injector 5 from the control map is performed based on the target torque and engine speed determined in step S2. The quantity and the injection timing are read and set, respectively. At this time, it can be said that the drive pulse signal of the injector 5 becomes a rectangular wave in the normal injection pattern, and the target value of the fuel injection rate is the maximum value. The pulse width becomes a length (crank angle period) corresponding to the required injection amount.
続くステップS5では、クランク角信号に基づいて、前記ステップS4にて設定した噴射タイミングになったかどうか判定し、この判定がNOで噴射タイミングでなければ待機する一方、噴射タイミングになれば判定がYESになってステップS6に進み、矩形波の駆動パルス信号を出力してインジェクタ5を作動させる。即ち、インジェクタ5に所定の最大電圧を印加して芯弁を最高速度で開作動させ、噴口から燃料を一気に噴射させて、しかる後にリターンする。 In the following step S5, it is determined whether or not the injection timing set in step S4 has been reached based on the crank angle signal. If this determination is NO and the injection timing is not reached, the process waits. If the injection timing is reached, the determination is YES. In step S6, a rectangular-wave drive pulse signal is output to operate the injector 5. That is, a predetermined maximum voltage is applied to the injector 5 to open the core valve at the maximum speed, fuel is injected from the injection port at once, and then the process returns.
つまり、元々、気筒内圧の最高値(Pmax)があまり高くならない低負荷側の第1領域(I)では、従来一般的な通常の噴射パターンとし、インジェクタ5の噴口を一気に開いて燃料を噴射させることで、相対的に短い噴射期間で燃料を噴き切ることができ、燃焼期間の短縮により熱効率が向上して、燃費の低減が図られる。 In other words, in the first region (I) on the low load side where the maximum value (Pmax) of the cylinder internal pressure does not become so high, the conventional normal injection pattern is used, and the injection port of the injector 5 is opened at once to inject fuel. As a result, the fuel can be blown out in a relatively short injection period, the thermal efficiency is improved by shortening the combustion period, and fuel consumption is reduced.
一方、前記ステップS3においてエンジン1が第2領域(II)にある(NO)と判定して進んだステップS7では、前記ステップS2で求めた目標トルク及びエンジン回転速度に基づいて、図4の制御マップからインジェクタ5による尻上がりの燃料噴射のパターン、即ち、噴射期間中に所定割合で徐々に燃料噴射率が高くなるような三角形状の駆動パルス信号を読み込む(目標噴射パターンの設定)。
On the other hand, in step S7, which has proceeded after determining that the
続いてステップS8において、クランク角信号に基づいて、前記ステップS7にて設定した噴射タイミングになったかどうか判定し、この判定がNOで噴射タイミングでなければ待機する一方、噴射タイミングになれば判定がYESになってステップS9に進み、前記尻上がりの噴射パターンになるよう、三角形状の駆動パルス信号を出力してインジェクタ5を作動させ、しかる後にリターンする。 Subsequently, in step S8, based on the crank angle signal, it is determined whether or not the injection timing set in step S7 has been reached. If this determination is NO and the injection timing is not reached, the process waits. The process proceeds to step S9, and a triangular drive pulse signal is output to operate the injector 5 so that the rising injection pattern is obtained, and then the process returns.
そうして三角形状の駆動パルス信号を受けたインジェクタ5では、印加される電圧が徐々に高くなるのに対応してピエゾ・アクチュエータの変形量が漸増し、これにより芯弁が駆動されて噴口の開放面積が所定の割合で徐々に大きくなることから、図2を参照して上述したように尻上がりの燃料噴射パターンになり、本発明の特徴的な低Pmax燃焼状態になる。 Thus, in the injector 5 that has received the triangular drive pulse signal, the deformation amount of the piezo actuator gradually increases in response to the gradually increasing applied voltage, thereby driving the core valve and driving the nozzle hole. Since the open area gradually increases at a predetermined rate, the fuel injection pattern rises as described above with reference to FIG. 2, and the characteristic low Pmax combustion state of the present invention is achieved.
つまり、高負荷側の第2領域(II)においては通常の噴射パターンでは気筒内圧の最高値(Pmax)が高くなり過ぎて、エンジン1の各部に過大な負荷がかかる虞れがあるので、このときには尻上がりの噴射パターンによる低Pmax燃焼状態として、出力の低下を抑制しながら、エンジン各部の信頼性を確保するようにしている。
That is, in the second region (II) on the high load side, the maximum value (Pmax) of the cylinder internal pressure becomes too high in the normal injection pattern, and there is a possibility that an excessive load is applied to each part of the
前記フローのステップS4,S7によって、エンジン1の運転状態が相対的に高負荷側の第2領域(II)にあるとき、インジェクタ5による燃料の噴射パターンを、少なくとも燃料噴射期間の中期において、気筒2の膨張行程における燃焼室容積の拡大に連れて燃料噴射率が高くなる尻上がりの噴射パターンに設定する噴射パターン設定手段30aが構成されている。
When the operating state of the
その尻上がりの噴射パターンは、気筒2の膨張行程において燃焼室容積が拡大する一方で、燃焼による熱発生率が尻上がりに高くなることによって、TDC近傍から所定クランク角までの期間に亘って気筒内圧が略一定に維持されるように、前記燃焼室容積の拡大割合に対応する所定の割合で徐々に噴射率を高くするように設定したものである。また、前記噴射パターン設定手段30aは、相対的に高負荷側の第1領域(I)では通常の噴射パターンを設定する。 The rising injection pattern is that the combustion chamber volume expands in the expansion stroke of the cylinder 2, while the heat generation rate due to combustion increases in a rising manner, so that the cylinder internal pressure is increased over a period from the vicinity of the TDC to a predetermined crank angle. The injection rate is set to be gradually increased at a predetermined rate corresponding to the expansion rate of the combustion chamber volume so as to be maintained substantially constant. The injection pattern setting means 30a sets a normal injection pattern in the first region (I) on the relatively high load side.
さらに、前記フローのステップS8,9によって、前記のように設定された尻上がりの噴射パターンになるようにインジェクタ5を作動させる噴射制御手段30bが構成されている。この噴射制御手段30bは、ピエゾ式インジェクタ5の芯弁の作動制御により噴口の開放速度を調整して、前記尻上がりの噴射パターンを実現するものである。 Further, the steps S8 and S9 of the flow constitute the injection control means 30b that operates the injector 5 so as to have the rising injection pattern set as described above. The injection control means 30b adjusts the opening speed of the injection port by controlling the operation of the core valve of the piezo injector 5 to realize the upward injection pattern.
前記噴射パターン設定手段30a、噴射制御手段30bの機能は、いずれもECU30のCPUが図3のフローに示すような制御プログラムを実行することによって実現される。この意味で、ECU30がソフトウエアプログラムの形態で前記各手段を備えているということができる。
The functions of the injection pattern setting means 30a and the injection control means 30b are realized by the CPU of the
したがって、この実施形態に係るディーゼルエンジンの制御装置Aによると、相対的に高負荷側の運転領域(第1領域(I))においてインジェクタ5により燃料を、本発明の特徴的な尻上がりの噴射パターンで噴射することにより、初期燃焼の急激な立ち上がりを抑えて気筒内圧の最高値(Pmax)を従来よりも低くするとともに、燃焼の中期から後期にかけて燃焼室容積の拡大による気筒内圧の下降を抑制して、気筒内圧を「高止まり」させることができ、これによりエンジン1の出力低下を抑制できる。
Therefore, according to the control apparatus A for a diesel engine according to this embodiment, fuel is injected by the injector 5 in the relatively high-load operation region (first region (I)), and the characteristic rising injection pattern of the present invention. By suppressing the sudden rise of the initial combustion and lowering the maximum value (Pmax) of the cylinder pressure from the conventional level, the decrease in the cylinder pressure due to the expansion of the combustion chamber volume is suppressed from the middle to the latter half of the combustion. Thus, the cylinder internal pressure can be “highly stopped”, and thereby a decrease in the output of the
特にこの実施形態では、前記尻上がり噴射パターンにおける噴射率の上昇度合いを、気筒2の膨張行程において燃焼室4の容積が拡大する割合に対応付けて最適に設定しており、これにより、気筒内圧がTDC近傍から所定クランク角までの期間に亘って略一定に維持されるようになるので、気筒内圧を効率良くクランク軸の回転トルクに変換することができ、エンジン1の出力低下を効果的に抑制できる。
In particular, in this embodiment, the degree of increase in the injection rate in the rising injection pattern is optimally set in association with the rate at which the volume of the combustion chamber 4 expands in the expansion stroke of the cylinder 2, so that the cylinder pressure is increased. Since it is maintained substantially constant over a period from the vicinity of the TDC to a predetermined crank angle, the cylinder internal pressure can be efficiently converted into the rotational torque of the crankshaft, and the output reduction of the
そうして高負荷域における気筒内圧の最高値(Pmax)を低下させることができれば、エンジン1のシリンダブロックやシリンダヘッド、さらにはピストン3やコネクティングロッド等についても、あまり強度及び剛性を高くしなくても済むようになり、エンジン1の軽量化が可能になる。
If the maximum value (Pmax) of the cylinder internal pressure in the high load range can be reduced, the strength and rigidity of the cylinder block and cylinder head of the
(他の実施形態)
尚、本発明に係るディーゼルエンジンの制御装置は、前記した実施形態に限定されず、その他の種々の構成をも包含する。すなわち、例えば前記の実施形態では尻上がりの燃料噴射パターンとして、TDC近傍から所定クランク角までの期間に亘って気筒内圧が略一定になるように、燃料噴射率の上昇度合いを設定しているが、これに限らず、例えば前記の期間において気筒内圧が最高値(Pmax)の略0.9〜1.0倍くらいの範囲に含まれるようにするだけでもよい。
(Other embodiments)
In addition, the control apparatus of the diesel engine which concerns on this invention is not limited to above-described embodiment, It includes other various structures. That is, for example, in the above embodiment, as the fuel injection pattern that rises, the degree of increase in the fuel injection rate is set so that the cylinder internal pressure becomes substantially constant over a period from the vicinity of TDC to a predetermined crank angle. For example, the in-cylinder pressure may be included in the range of about 0.9 to 1.0 times the maximum value (Pmax) in the above period.
さらには、燃焼によって上昇する気筒内圧の最高値(Pmax)が、圧縮による気筒内圧のピーク値(TDCにおける値)の所定倍を越えないように、燃料噴射率の上昇度合いを設定するだけでもよい。所定倍というのは、例えば1.1倍等、エンジンの仕様によって設定すればよいが、より好ましいのは略1.0倍に設定し、最高値(Pmax)がTDCにおける気筒内圧を越えないようにすることである。 Furthermore, it is only necessary to set the degree of increase in the fuel injection rate so that the maximum value (Pmax) of the cylinder pressure that rises due to combustion does not exceed a predetermined multiple of the peak value (value at TDC) of the cylinder pressure due to compression. . The predetermined multiple may be set according to the engine specifications, for example, 1.1 times, but is preferably set to approximately 1.0 times so that the maximum value (Pmax) does not exceed the cylinder pressure at TDC. Is to do.
また、前記の実施形態では、尻上がりの燃料噴射パターンにおける噴射率の上昇度合いをエンジン1の負荷や回転速度等、運転状態に応じて変更するようにしているが、これに限るものではない。
Further, in the above-described embodiment, the degree of increase in the injection rate in the fuel injection pattern that rises is changed according to the operating state such as the load and rotation speed of the
さらに、前記の実施形態において尻上がりの燃料噴射パターンとしない低負荷側の運転領域(第1領域(I))では、気筒2の吸気乃至圧縮行程で燃料を噴射し、予め混合した後に圧縮着火させる(いわゆるHCCI、PCCI)ようにしてもよい。 Furthermore, in the low load side operation region (first region (I)) that does not have a rising fuel injection pattern in the above-described embodiment, fuel is injected in the intake or compression stroke of the cylinder 2, and after premixing, compression ignition is performed. (So-called HCCI, PCCI) may be used.
加えて、本発明を適用可能なディーゼルエンジン1の構成は前記実施形態のものに限定されず、例えば、ターボ過給機20を備えないものにも適用することができる。
In addition, the configuration of the
以上、説明したように、本発明は、直噴式ディーゼルエンジンの最高出力をあまり低下させることなく、軽量化が可能になるので、例えば自動車等に搭載する場合に特に好適である。 As described above, the present invention can be reduced in weight without significantly reducing the maximum output of the direct injection diesel engine, and thus is particularly suitable for mounting in an automobile, for example.
A ディーゼルエンジンの制御装置
1 エンジン
2 気筒
4 燃焼室
5 インジェクタ(燃料噴射弁)
30 コントローラ
30a 噴射パターン設定手段
30b 噴射制御手段
A Diesel
30
Claims (6)
前記燃料噴射弁による燃料の噴射パターンを、少なくとも燃料噴射期間の中期において、気筒の膨張行程における燃焼室容積の拡大に連れて燃料噴射率が高くなる尻上がり噴射パターンに設定する噴射パターン設定手段と、
前記噴射パターン設定手段により設定された尻上がり噴射パターンになるように、前記燃料噴射弁を作動させる噴射制御手段と、
を備えることを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。 A fuel injection valve that directly injects fuel into the combustion chamber in the cylinder;
An injection pattern setting means for setting the fuel injection pattern by the fuel injection valve to a rising injection pattern in which the fuel injection rate increases as the combustion chamber volume increases in the expansion stroke of the cylinder, at least in the middle of the fuel injection period;
Injection control means for operating the fuel injection valve so as to have a rising injection pattern set by the injection pattern setting means;
A control device for a diesel engine, comprising:
噴射制御手段は、前記芯弁の作動制御により噴口の開放速度を調整して、噴射パターン設定手段により設定された尻上がり噴射パターンを実現するものである、請求項1〜5のいずれか1つのディーゼルエンジンの制御装置。 The fuel injection valve can variably adjust the opening area of the nozzle hole due to the opening operation of the core valve.
6. The diesel engine according to claim 1, wherein the injection control means adjusts the opening speed of the injection hole by controlling the operation of the core valve to realize a rising injection pattern set by the injection pattern setting means. Engine control device.
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