JP2012092748A - Apparatus for estimating generation amount of nox in internal combustion engine, and control apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ディーゼルエンジンに代表される圧縮自着火式の内燃機関のNOx発生量推定装置、及び、その推定されたNOx発生量に基づいて燃焼室内での燃料の燃焼状態を制御する内燃機関の制御装置に係る。特に、本発明は、NOx発生量の推定精度を高め、排気エミッションの改善に役立てるための対策に関する。 The present invention relates to a NOx generation amount estimation device for a compression ignition type internal combustion engine represented by a diesel engine, and an internal combustion engine that controls the combustion state of fuel in a combustion chamber based on the estimated NOx generation amount. Related to the control device. In particular, the present invention relates to measures for improving the estimation accuracy of the NOx generation amount and for improving exhaust emission.
ディーゼルエンジン等のように希薄燃焼を行うエンジンでは、高い空燃比(リーン雰囲気)の混合気を燃焼させる運転領域が全運転領域の大部分を占めている。このため、窒素酸化物(以下、NOxという)が比較的多く排出されることが懸念される。 In an engine that performs lean combustion, such as a diesel engine, an operation region in which an air-fuel mixture with a high air-fuel ratio (lean atmosphere) is burned occupies most of the entire operation region. For this reason, there is a concern that a relatively large amount of nitrogen oxides (hereinafter referred to as NOx) is discharged.
また、特許文献1及び特許文献2に開示されているように、上記NOxの発生量は、気筒内での燃焼温度(以下、火炎温度と呼ぶ場合もある)と相関があることが一般に知られている。従って、NOxの発生量を低減するためには、気筒内での火炎温度を適正に制御することが有効である。
Further, as disclosed in
このNOxの発生量を低減するための対策として、排気ガスの一部を吸気通路に還流させる排気還流(EGR:Exhaust Gas Recirculation)装置を備えさせることが知られている。つまり、気筒内に向けて排気ガスを還流させることによって、気筒内の酸素濃度や酸素密度を低下させる。これにより燃焼行程時における燃焼温度(火炎温度)を低下させることでNOxの生成を抑制して、排気エミッションの改善を図るようにしている。 As a measure for reducing the amount of NOx generated, it is known to provide an exhaust gas recirculation (EGR) device that recirculates a part of the exhaust gas to the intake passage. In other words, the exhaust gas is recirculated toward the cylinder to reduce the oxygen concentration and oxygen density in the cylinder. As a result, the combustion temperature (flame temperature) during the combustion stroke is lowered to suppress the generation of NOx, thereby improving exhaust emission.
しかしながら、上記ディーゼルエンジンにあっては、燃焼に影響を与える各種バラツキ(製造バラツキ、燃料性状のバラツキ、燃料噴射量のバラツキ等)によって燃焼室内での燃焼状態が適正に得られず、上記NOx発生量が増大してしまうことがある。例えば規定するセタン価よりも高いセタン価の燃料が使用された場合や、燃料噴射量が適正量よりも多くなった場合には、熱発生率(クランク軸の単位回転角度当たりの熱発生量)の急上昇に伴ってNOx発生量が増大してしまう可能性がある。 However, in the above diesel engine, the combustion state in the combustion chamber cannot be obtained properly due to various variations (manufacturing variation, variation in fuel properties, variation in fuel injection amount, etc.) that affect combustion, and NOx is generated. The amount may increase. For example, when a fuel with a cetane number higher than the specified cetane number is used, or when the fuel injection amount exceeds the appropriate amount, the heat generation rate (heat generation amount per unit rotation angle of the crankshaft) There is a possibility that the amount of NOx generated increases with a rapid increase in the amount of NOx.
これまで、NOx発生量を検出する手段として排気系にNOxセンサを設けることが知られている(例えば上記特許文献3)。 Until now, it has been known that a NOx sensor is provided in the exhaust system as means for detecting the amount of NOx generated (for example, Patent Document 3).
しかしながら、上記NOxセンサを設ける場合、コストの高騰を招いたりセンサ取り付け作業が必要になることから実用性に欠けることになる。 However, when the NOx sensor is provided, the cost increases and sensor mounting work is required, so that practicality is lacking.
また、NOxセンサを使用することなしにNOx発生量を高い精度で推定可能とする技術については未だ提案されていない。つまり、NOxセンサを使用することなしにNOx発生量を高い精度で推定し、その推定されたNOx発生量に適した各種制御パラメータに対する制御量(補正量)を得るといったことは未だ実現されていないのが現状である。 In addition, no technology has yet been proposed that makes it possible to estimate the amount of NOx generated with high accuracy without using a NOx sensor. That is, it has not yet been realized to estimate the NOx generation amount with high accuracy without using the NOx sensor and obtain control amounts (correction amounts) for various control parameters suitable for the estimated NOx generation amount. is the current situation.
このため、現在、上述した各種バラツキが発生したとしてもNOx発生量が許容範囲を超えることがないように制御パラメータに対する制御量に余裕を持たせている。つまり、制御パラメータに対する制御量の値として、NOx発生量を抑制する側に大きく偏倚させているのが実状である。具体的には、EGR量を適正量よりも多めに設定したり、筒内の酸素過剰率が必要以上に高くならないように燃料噴射量を多めに設定したりしている。 For this reason, at present, even if the above-described various variations occur, the control amount with respect to the control parameter has a margin so that the NOx generation amount does not exceed the allowable range. That is, the actual condition is that the control amount value with respect to the control parameter is largely biased toward the side of suppressing the NOx generation amount. Specifically, the EGR amount is set larger than the appropriate amount, or the fuel injection amount is set larger so that the excess oxygen ratio in the cylinder does not become higher than necessary.
ところが、EGR量を多めに設定した場合にはエンジンに十分なトルク(過渡時などにおいて運転者が要求するトルク)が得られなくなる可能性があり、また、燃料噴射量を多めに設定した場合には燃料消費量の増加を招くことになってしまう。これではエンジンの性能及び燃料消費率の面で商品性の低下に繋がってしまうことになる。 However, if the EGR amount is set too large, the engine may not be able to obtain sufficient torque (torque required by the driver during a transition), and if the fuel injection amount is set too large Will lead to an increase in fuel consumption. This leads to a decrease in merchantability in terms of engine performance and fuel consumption rate.
本発明は、か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、燃料の燃焼に伴うNOx発生量を高い精度で推定し、排気エミッションの改善等に役立てることを可能にする内燃機関のNOx発生量推定装置及び内燃機関の制御装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to estimate the amount of NOx generated accompanying the combustion of fuel with high accuracy and to make use of it for improving exhaust emission and the like. An object of the present invention is to provide an engine NOx generation amount estimation device and an internal combustion engine control device.
−課題の解決原理−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、燃焼室内での燃料の燃焼に伴う熱発生率の変化(熱発生率の傾き:例えば熱発生率の微分値(熱発生量の2回微分値等))に基づいて、その燃焼によって発生するNOx発生量を推定するようにしている。
-Principle of solving the problem-
The solution principle of the present invention taken in order to achieve the above object is that the change in the heat generation rate accompanying the combustion of fuel in the combustion chamber (the slope of the heat generation rate: for example, the differential value of the heat generation rate (the amount of heat generation) Based on the second derivative value of the above and the like)), the amount of NOx generated by the combustion is estimated.
−解決手段−
具体的に、本発明は、圧縮自着火式内燃機関の燃焼室内に向けて燃料噴射弁から噴射された燃料が燃焼する際のNOx発生量を推定する装置を前提とする。このNOx発生量推定装置に対し、上記燃料の燃焼による熱発生率の上昇度合いに対して、燃焼室内の状態量に応じた補正を行うことにより、NOx発生量を推定するNOx発生量推定手段を備えさせている。
-Solution-
Specifically, the present invention is premised on an apparatus that estimates the amount of NOx generated when fuel injected from a fuel injection valve burns into a combustion chamber of a compression ignition type internal combustion engine. A NOx generation amount estimating means for estimating the NOx generation amount by performing correction according to the state quantity in the combustion chamber with respect to the degree of increase in the heat generation rate due to the combustion of the fuel. I am preparing.
本発明は、燃料の燃焼による熱発生率の上昇度合いと、その燃焼に伴うNOx発生量とに相関があることを見出し、この熱発生率の上昇度合いに基づいてNOx発生量を高い精度で推定可能とするものである。つまり、NOxセンサを使用することなしに高い精度でNOx発生量を推定可能とするものである。また、熱発生率の上昇度合いが同一であったとしても、燃焼室内の状態量に応じてNOx発生量は異なる可能性があることを考慮し、上記熱発生率の上昇度合いに対して、燃焼室内の状態量に応じた補正を行うことにより、NOx発生量を推定するようにしている。これにより、各種バラツキ(製造バラツキ、燃料性状のバラツキ、噴射量のバラツキ等)が生じている場合であっても、高い精度で推定されたNOx発生量に基づいて内燃機関の制御パラメータを制御し、NOx発生量を許容範囲内に抑えることが可能になる。このため、上記各種バラツキが発生することを考慮して制御パラメータに対する制御量に余裕を持たせる(制御パラメータに対する制御量の値として、NOx発生量を抑制する側に大きく偏倚させておく)といったことは必要なくなり、排気エミッションの改善を図りながらも、内燃機関の性能及び燃料消費率の改善を図ることができる。 The present invention finds that there is a correlation between the degree of increase in the heat generation rate due to the combustion of fuel and the amount of NOx generated due to the combustion, and estimates the amount of NOx generation with high accuracy based on the degree of increase in the heat generation rate. It is possible. That is, the NOx generation amount can be estimated with high accuracy without using a NOx sensor. Also, even if the rate of increase in the heat generation rate is the same, the amount of NOx generated may vary depending on the state quantity in the combustion chamber. The amount of NOx generated is estimated by performing correction according to the state quantity in the room. As a result, even when various variations (manufacturing variation, fuel property variation, injection amount variation, etc.) occur, the control parameters of the internal combustion engine are controlled based on the NOx generation amount estimated with high accuracy. , NOx generation amount can be suppressed within an allowable range. For this reason, taking into account the occurrence of the above-mentioned various variations, there is a margin in the control amount for the control parameter (the value of the control amount for the control parameter is largely biased toward the side that suppresses the NOx generation amount). This eliminates the need to improve the exhaust gas emission and improve the performance and fuel consumption rate of the internal combustion engine.
上記燃焼室内の状態量に応じた補正が行われる上記熱発生率の上昇度合いとして具体的には、燃焼行程時における熱発生率の上昇度合いの最大値が挙げられる。つまり、上記NOx発生量推定手段が、燃焼行程時における熱発生率の上昇度合いの最大値に対して、燃焼室内の状態量に応じた補正を行うことにより、NOx発生量を推定する構成とするものである。 Specific examples of the degree of increase in the heat generation rate that are corrected according to the state quantity in the combustion chamber include the maximum value of the degree of increase in the heat generation rate during the combustion stroke. That is, the NOx generation amount estimation means estimates the NOx generation amount by performing correction according to the state quantity in the combustion chamber with respect to the maximum value of the degree of increase in the heat generation rate during the combustion stroke. Is.
この解決手段は、NOx発生量は燃焼行程時における熱発生率の上昇度合いの最大値との相関が特に高いことを見出し、この熱発生率の上昇度合いの最大値を利用すると共に、燃焼室内の状態量に応じた補正を行うことにより、NOx発生量を推定するようにしたものである。この場合、燃焼行程時における熱発生率の上昇度合いの最大値を取得した後の情報処理動作としては、燃焼行程の全域における熱発生率の上昇度合いを扱う必要が無くなり、熱発生率の上昇度合いに関する情報として、上記上昇度合いの最大値のみを扱うことで済む。このため、燃焼行程の全域における熱発生率の上昇度合いを扱う場合に比べて、情報量の大幅な削減を図ることができ、演算装置(CPU)における処理能力の負荷軽減を図ることが可能になる。 This solution finds that the NOx generation amount has a particularly high correlation with the maximum value of the degree of increase in the heat generation rate during the combustion stroke, uses the maximum value of the degree of increase in the heat generation rate, The NOx generation amount is estimated by performing correction according to the state quantity. In this case, as the information processing operation after obtaining the maximum value of the degree of increase in the heat generation rate during the combustion stroke, it is not necessary to deal with the degree of increase in the heat generation rate throughout the combustion stroke, and the degree of increase in the heat generation rate It is only necessary to handle only the maximum value of the above-mentioned rise degree as information regarding. For this reason, compared with the case where the increase rate of the heat release rate in the whole combustion stroke is handled, the amount of information can be greatly reduced, and the processing capacity of the arithmetic unit (CPU) can be reduced. Become.
上述の如く燃焼行程時における熱発生率の上昇度合いの最大値に対して、燃焼室内の状態量に応じた補正を行ってNOx発生量を推定する場合のより具体的な構成としては以下のものが挙げられる。つまり、燃焼行程時における所定期間を複数の分割燃焼行程期間に分割し、各分割燃焼行程期間で求められた複数の熱発生率の上昇度合いの平均値のうち最も高い熱発生率の上昇度合いの平均値を熱発生率の上昇度合いの最大値とするものである。つまり、上記NOx発生量推定手段が、燃焼行程時における所定期間を複数の分割燃焼行程期間に分割し、各分割燃焼行程期間で求められた複数の熱発生率の平均値のうち最も高い熱発生率の上昇度合いの平均値を熱発生率の上昇度合いの最大値として抽出し、その熱発生率の上昇度合いの最大値に対して、燃焼室内の状態量に応じた補正を行うことにより、NOx発生量を推定する構成とするものである。 As described above, a more specific configuration for estimating the NOx generation amount by correcting the maximum value of the degree of increase in the heat generation rate during the combustion stroke according to the state quantity in the combustion chamber is as follows. Is mentioned. That is, the predetermined period at the time of the combustion stroke is divided into a plurality of divided combustion stroke periods, and among the average values of the plurality of heat generation rate increases obtained in each divided combustion stroke period, the highest heat generation rate increase degree is obtained. The average value is the maximum value of the degree of increase in the heat release rate. That is, the NOx generation amount estimation means divides the predetermined period during the combustion stroke into a plurality of divided combustion stroke periods, and the highest heat generation among the average values of the plurality of heat generation rates obtained in each divided combustion stroke period. The average value of the rate of increase in the rate of heat is extracted as the maximum value of the rate of increase in the rate of heat release, and the maximum value of the rate of increase in the rate of heat release is corrected according to the state quantity in the combustion chamber. The generation amount is estimated.
この構成によれば、一時的な外乱によって熱発生率の上昇度合いが急変したとしても、抽出される熱発生率の上昇度合いの最大値としては、上記分割燃焼行程期間で求められた複数の熱発生率の上昇度合いの平均値であるため、この外乱による影響を緩和することができ、熱発生率の上昇度合いの最大値を燃焼状態を正確に反映したものとして取得できる。その結果、高い精度でNOx発生量を推定でき、その推定されたNOx発生量に基づいて内燃機関の制御パラメータを制御することが可能になって、排気エミッションの改善を図ることができる。 According to this configuration, even if the degree of increase in the heat generation rate suddenly changes due to a temporary disturbance, the maximum value of the degree of increase in the heat generation rate to be extracted is the plurality of heats obtained in the divided combustion stroke period. Since this is the average value of the rate of increase in the rate of occurrence, the influence of this disturbance can be mitigated, and the maximum value of the rate of increase in the rate of heat generation can be obtained as an accurate reflection of the combustion state. As a result, the NOx generation amount can be estimated with high accuracy, and the control parameters of the internal combustion engine can be controlled based on the estimated NOx generation amount, so that the exhaust emission can be improved.
また、上記燃焼室内の状態量に応じた補正が行われる上記熱発生率の上昇度合いとしては、燃焼行程時における所定期間における熱発生率の上昇度合いの平均値としてもよい。つまり、上記NOx発生量推定手段が、燃焼行程時における所定期間における熱発生率の上昇度合いの平均値に対して、燃焼室内の状態量に応じた補正を行うことにより、NOx発生量を推定する構成とするものである。 The degree of increase in the heat generation rate that is corrected according to the state quantity in the combustion chamber may be an average value of the degree of increase in the heat generation rate during a predetermined period during the combustion stroke. That is, the NOx generation amount estimation means estimates the NOx generation amount by correcting the average value of the degree of increase in the heat generation rate during a predetermined period during the combustion stroke according to the state quantity in the combustion chamber. It is to be configured.
この場合にも、一時的な外乱の影響を緩和し、熱発生率の上昇度合いの最大値を燃焼状態を正確に反映したものとして取得できる。このため、高い精度でNOx発生量を推定でき、その推定されたNOx発生量に基づいて内燃機関の制御パラメータを制御することが可能になって、排気エミッションの改善を図ることができる。 Also in this case, the influence of temporary disturbance can be mitigated and the maximum value of the degree of increase in the heat generation rate can be acquired as accurately reflecting the combustion state. For this reason, the amount of NOx generated can be estimated with high accuracy, and the control parameters of the internal combustion engine can be controlled based on the estimated amount of NOx generated, so that exhaust emission can be improved.
上記燃料の燃焼による熱発生率の上昇度合いに対して補正を行う燃焼室内の状態量としては、燃料着火時点での燃焼場温度、燃焼室内の酸素濃度、燃焼室内の充填ガス量、燃料の着火時期を少なくとも含んでいる。 The state quantity in the combustion chamber that corrects the degree of increase in the heat generation rate due to the combustion of the fuel includes the combustion field temperature at the time of fuel ignition, the oxygen concentration in the combustion chamber, the amount of charged gas in the combustion chamber, and the ignition of the fuel. Includes at least the time.
上述したNOx発生量推定装置によって推定されたNOx発生量に基づいて燃料の燃焼を制御する装置として具体的には以下のものが挙げられる。つまり、上記推定されたNOx発生量が、予め設定されたNOx許容量以下となるように燃焼室内の酸素濃度を制御する酸素濃度制御手段を備えさせるものである。 Specific examples of the device that controls the combustion of fuel based on the NOx generation amount estimated by the NOx generation amount estimation device described above include the following. That is, an oxygen concentration control means for controlling the oxygen concentration in the combustion chamber is provided so that the estimated NOx generation amount is equal to or less than a preset NOx allowable amount.
具体的に、この酸素濃度制御手段としては、上記推定されたNOx発生量がNOx許容量を超えている場合には燃焼室内の酸素濃度を低下させる制御を実行する構成とされたものである。 Specifically, the oxygen concentration control means is configured to execute control for reducing the oxygen concentration in the combustion chamber when the estimated NOx generation amount exceeds the NOx allowable amount.
例えば、排気系に排出された排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気還流装置による排気還流量を増量することが挙げられる。このように燃焼室内の酸素濃度を低下させることにより、燃焼室内での燃焼温度を低下させることができNOx発生量の抑制を図ることができる。そして、この動作を、上記推定されるNOx発生量がNOx許容量以下に達するまで継続することで排気エミッションの改善を図ることができる。 For example, the exhaust gas recirculation amount may be increased by an exhaust gas recirculation device that recirculates a part of the exhaust gas discharged to the exhaust system to the intake system. Thus, by reducing the oxygen concentration in the combustion chamber, the combustion temperature in the combustion chamber can be reduced, and the amount of NOx generated can be suppressed. The exhaust emission can be improved by continuing this operation until the estimated NOx generation amount reaches the NOx allowable amount or less.
本発明では、燃焼室内での燃料の燃焼に伴う熱発生率の変化に基づいて、その燃焼によって発生するNOx発生量を推定するようにしている。このため、各種バラツキ(製造バラツキ、燃料性状のバラツキ、噴射量のバラツキ等)が生じている場合であっても、NOxセンサを使用することなしに高い精度で推定されたNOx発生量に基づいて内燃機関の制御パラメータを制御し、NOx発生量を許容範囲内に抑えることが可能になる。 In the present invention, the amount of NOx generated by the combustion is estimated based on the change in the heat generation rate accompanying the combustion of the fuel in the combustion chamber. For this reason, even if various variations (manufacturing variation, variation in fuel properties, variation in injection amount, etc.) occur, the NOx generation amount estimated with high accuracy without using a NOx sensor is used. It becomes possible to control the control parameters of the internal combustion engine and suppress the NOx generation amount within an allowable range.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車に搭載されたコモンレール式筒内直噴型多気筒(例えば直列4気筒)ディーゼルエンジン(圧縮自着火式内燃機関)に本発明を適用した場合について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, a case where the present invention is applied to a common rail in-cylinder direct injection multi-cylinder (for example, in-line 4-cylinder) diesel engine (compression self-ignition internal combustion engine) mounted on an automobile will be described.
−エンジンの構成−
先ず、本実施形態に係るディーゼルエンジン(以下、単にエンジンという)の概略構成について説明する。図1は本実施形態に係るエンジン1及びその制御系統の概略構成図である。また、図2は、ディーゼルエンジンの燃焼室3及びその周辺部を示す断面図である。
-Engine configuration-
First, a schematic configuration of a diesel engine (hereinafter simply referred to as an engine) according to the present embodiment will be described. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an
図1に示すように、本実施形態に係るエンジン1は、燃料供給系2、燃焼室3、吸気系6、排気系7等を主要部とするディーゼルエンジンシステムとして構成されている。
As shown in FIG. 1, the
燃料供給系2は、サプライポンプ21、コモンレール22、インジェクタ(燃料噴射弁)23、遮断弁24、燃料添加弁26、機関燃料通路27、添加燃料通路28等を備えて構成されている。
The
上記サプライポンプ21は、燃料タンクから燃料を汲み上げ、この汲み上げた燃料を高圧にした後、機関燃料通路27を介してコモンレール22に供給する。コモンレール22は、サプライポンプ21から供給された高圧燃料を所定圧力に保持(蓄圧)する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各インジェクタ23に分配する。インジェクタ23は、その内部に圧電素子(ピエゾ素子)を備え、適宜開弁して燃焼室3内に燃料を噴射供給するピエゾインジェクタにより構成されている。このインジェクタ23からの燃料噴射制御の詳細については後述する。
The
また、上記サプライポンプ21は、燃料タンクから汲み上げた燃料の一部を、添加燃料通路28を介して燃料添加弁26に供給する。添加燃料通路28には、緊急時において添加燃料通路28を遮断して燃料添加を停止するための上記遮断弁24が備えられている。
The
また、上記燃料添加弁26は、ECU100による添加制御動作によって排気系7への燃料添加量が目標添加量(排気A/Fが目標A/Fとなるような添加量)となるように、また、燃料添加タイミングが所定タイミングとなるように開弁時期が制御される電子制御式の開閉弁により構成されている。つまり、この燃料添加弁26から所望の燃料が適宜のタイミングで排気系7(排気ポート71から排気マニホールド72)に噴射供給される構成となっている。
Further, the
吸気系6は、シリンダヘッド15(図2参照)に形成された吸気ポート15aに接続される吸気マニホールド63を備え、この吸気マニホールド63に、吸気通路を構成する吸気管64が接続されている。また、この吸気通路には、上流側から順にエアクリーナ65、エアフローメータ43、スロットルバルブ(吸気絞り弁)62が配設されている。上記エアフローメータ43は、エアクリーナ65を介して吸気通路に流入される空気量に応じた電気信号を出力するようになっている。
The
また、この吸気系6には、燃焼室3内でのスワール流(水平方向の旋回流)を可変とするためのスワールコントロールバルブ(スワール速度可変機構)66が備えられている(図2参照)。具体的に、上記吸気ポート15aとしては、ノーマルポート及びスワールポートの2系統が各気筒毎に備えられており、そのうち図2に示されているノーマルポート15aに、開度調整可能なバタフライバルブで成るスワールコントロールバルブ66が配置されている。このスワールコントロールバルブ66には図示しないアクチュエータが連繋されており、このアクチュエータの駆動によって調整されるスワールコントロールバルブ66の開度に応じてノーマルポート15aを通過する空気の流量が変更できるようになっている。そして、スワールコントロールバルブ66の開度が大きいほど、ノーマルポート15aから気筒内に吸入される空気量が増加する。このため、スワールポート(図2では図示省略)により発生したスワールは相対的に弱まり、気筒内は低スワール(スワール速度が低い状態)となる。逆に、スワールコントロールバルブ66の開度が小さいほど、ノーマルポート15aから気筒内に吸入される空気量が減少する。このため、スワールポートにより発生したスワールは相対的に強められ、気筒内は高スワール(スワール速度が高い状態)となる。
Further, the
排気系7は、シリンダヘッド15に形成された上記排気ポート71に接続される排気マニホールド72を備え、この排気マニホールド72に対して、排気通路を構成する排気管73,74が接続されている。また、この排気通路には、NOx吸蔵触媒(NSR触媒:NOx Storage Reduction触媒)75及びDPNR触媒(Diesel Paticulate−NOx Reduction触媒)76を備えたマニバータ(排気浄化装置)77が配設されている。以下、これらNSR触媒75及びDPNR触媒76について説明する。
The exhaust system 7 includes an
NSR触媒75は、吸蔵還元型NOx触媒であって、例えばアルミナ(Al2O3)を担体とし、この担体上に例えばカリウム(K)、ナトリウム(Na)、リチウム(Li)、セシウム(Cs)のようなアルカリ金属、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca)のようなアルカリ土類、ランタン(La)、イットリウム(Y)のような希土類と、白金(Pt)のような貴金属とが担持された構成となっている。
The
このNSR触媒75は、排気中に多量の酸素が存在している状態においてはNOxを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低く、かつ還元成分(例えば燃料の未燃成分(HC))が多量に存在している状態においてはNOxをNO2若しくはNOに還元して放出する。NO2やNOとして放出されたNOxは、排気中のHCやCOと速やかに反応することによってさらに還元されてN2となる。また、HCやCOは、NO2やNOを還元することで、自身は酸化されてH2OやCO2となる。即ち、NSR触媒75に導入される排気中の酸素濃度やHC成分を適宜調整することにより、排気中のHC、CO、NOxを浄化することができるようになっている。本実施形態のものでは、この排気中の酸素濃度やHC成分の調整を上記燃料添加弁26からの燃料添加動作によって行うことが可能となっている。
The
一方、DPNR触媒76は、例えば多孔質セラミック構造体にNOx吸蔵還元型触媒を担持させたものであり、排気ガス中のPMは多孔質の壁を通過する際に捕集される。また、排気ガスの空燃比がリーンの場合、排気ガス中のNOxはNOx吸蔵還元型触媒に吸蔵され、空燃比がリッチになると、吸蔵したNOxは還元・放出される。さらに、DPNR触媒76には、捕集したPMを酸化・燃焼する触媒(例えば白金等の貴金属を主成分とする酸化触媒)が担持されている。
On the other hand, the
ここで、ディーゼルエンジンの燃焼室3及びその周辺部の構成について、図2を用いて説明する。この図2に示すように、エンジン本体の一部を構成するシリンダブロック11には、各気筒(4気筒)毎に円筒状のシリンダボア12が形成されており、各シリンダボア12の内部にはピストン13が上下方向に摺動可能に収容されている。
Here, the structure of the
ピストン13の頂面13aの上側には上記燃焼室3が形成されている。つまり、この燃焼室3は、シリンダブロック11の上部にガスケット14を介して取り付けられたシリンダヘッド15の下面と、シリンダボア12の内壁面と、ピストン13の頂面13aとにより区画形成されている。そして、ピストン13の頂面13aの略中央部には、キャビティ(凹陥部)13bが凹設されており、このキャビティ13bも燃焼室3の一部を構成している。
The
尚、このキャビティ13bの形状としては、その中央部分(シリンダ中心線P上)では凹陥寸法が小さく、外周側に向かうに従って凹陥寸法が大きくなっている。つまり、図2に示すようにピストン13が圧縮上死点付近にある際、このキャビティ13bによって形成される燃焼室3としては、中央部分では比較的容積の小さい狭小空間とされ、外周側に向かって次第に空間が拡大される(拡大空間とされる)構成となっている。
As for the shape of the
上記ピストン13は、コネクティングロッド18の小端部18aがピストンピン13cにより連結されており、このコネクティングロッド18の大端部はエンジン出力軸であるクランクシャフトに連結されている。これにより、シリンダボア12内でのピストン13の往復移動がコネクティングロッド18を介してクランクシャフトに伝達され、このクランクシャフトが回転することでエンジン出力が得られるようになっている。また、燃焼室3に向けてグロープラグ19が配設されている。このグロープラグ19は、エンジン1の始動直前に電流が流されることにより赤熱し、これに燃料噴霧の一部が吹きつけられることで着火・燃焼が促進される始動補助装置として機能する。
The
上記シリンダヘッド15には、燃焼室3へ空気を導入する上記吸気ポート15aと、燃焼室3から排気ガスを排出する上記排気ポート71とがそれぞれ形成されていると共に、吸気ポート15aを開閉する吸気バルブ16及び排気ポート71を開閉する排気バルブ17が配設されている。これら吸気バルブ16及び排気バルブ17はシリンダ中心線Pを挟んで対向配置されている。つまり、本エンジン1はクロスフロータイプとして構成されている。また、シリンダヘッド15には、燃焼室3の内部へ直接的に燃料を噴射する上記インジェクタ23が取り付けられている。このインジェクタ23は、シリンダ中心線Pに沿う起立姿勢で燃焼室3の略中央上部に配設されており、上記コモンレール22から導入される燃料を燃焼室3に向けて所定のタイミングで噴射するようになっている。
The
更に、図1に示す如く、このエンジン1には、過給機(ターボチャージャ)5が設けられている。このターボチャージャ5は、タービンシャフト51を介して連結されたタービンホイール52及びコンプレッサホイール53を備えている。コンプレッサホイール53は吸気管64内部に臨んで配置され、タービンホイール52は排気管73内部に臨んで配置されている。このためターボチャージャ5は、タービンホイール52が受ける排気流(排気圧)を利用してコンプレッサホイール53を回転させ、吸気圧を高めるといった所謂過給動作を行うようになっている。本実施形態におけるターボチャージャ5は、可変ノズル式ターボチャージャであって、タービンホイール52側に可変ノズルベーン機構(図示省略)が設けられており、この可変ノズルベーン機構の開度を調整することにより、エンジン1の過給圧を調整することができる。
Furthermore, as shown in FIG. 1, the
吸気系6の吸気管64には、ターボチャージャ5での過給によって昇温した吸入空気を強制冷却するためのインタークーラ61が設けられている。
An
このインタークーラ61よりも更に下流側に設けられた上記スロットルバルブ62は、その開度を無段階に調整することができる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を絞り、この吸入空気の供給量を調整(低減)する機能を有している。
The
また、エンジン1には、吸気系6と排気系7とを接続する排気還流通路(EGR通路)8が設けられている。このEGR通路8は、排気の一部を適宜吸気系6に還流させて燃焼室3へ再度供給することにより燃焼温度を低下させ、これによってNOx発生量を低減させるものである。また、このEGR通路8には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気流量を自在に調整することができるEGRバルブ81と、EGR通路8を通過(還流)する排気を冷却するためのEGRクーラ82とが設けられている。これらEGR通路8、EGRバルブ81、EGRクーラ82等によってEGR装置(排気還流装置)が構成されている。
Further, the
−センサ類−
エンジン1の各部位には、各種センサが取り付けられており、それぞれの部位の環境条件や、エンジン1の運転状態に関する信号を出力する。
-Sensors-
Various sensors are attached to each part of the
例えば、上記エアフローメータ43は、吸気系6内のスロットルバルブ62上流において吸入空気の流量(吸入空気量)に応じた検出信号を出力する。吸気温センサ49は、吸気マニホールド63に配置され、吸入空気の温度に応じた検出信号を出力する。吸気圧センサ48は、吸気マニホールド63に配置され、吸入空気圧力に応じた検出信号を出力する。A/F(空燃比)センサ44は、排気系7のマニバータ77の下流において排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。排気温センサ45は、同じく排気系7のマニバータ77の下流において排気ガスの温度(排気温度)に応じた検出信号を出力する。レール圧センサ41はコモンレール22内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。スロットル開度センサ42はスロットルバルブ62の開度を検出する。
For example, the
−ECU−
ECU100は、図3に示すように、CPU101、ROM102、RAM103及びバックアップRAM104などを備えている。ROM102は、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。CPU101は、ROM102に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。RAM103は、CPU101での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリである。バックアップRAM104は、例えばエンジン1の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。
-ECU-
As shown in FIG. 3, the
以上のCPU101、ROM102、RAM103及びバックアップRAM104は、バス107を介して互いに接続されるとともに、入力インターフェース105及び出力インターフェース106と接続されている。
The
入力インターフェース105には、上記レール圧センサ41、スロットル開度センサ42、エアフローメータ43、A/Fセンサ44、排気温センサ45、吸気圧センサ48、吸気温センサ49が接続されている。さらに、この入力インターフェース105には、エンジン1の冷却水温に応じた検出信号を出力する水温センサ46、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ47、エンジン1の出力軸(クランクシャフト)が一定角度回転する毎に検出信号(パルス)を出力するクランクポジションセンサ40、及び、筒内圧力を検出する筒内圧センサ4Aなどが接続されている。
The
一方、出力インターフェース106には、上記サプライポンプ21、インジェクタ23、燃料添加弁26、スロットルバルブ62、スワールコントロールバルブ66、及び、EGRバルブ81などが接続されている。また、出力インターフェース106には、その他に、上記ターボチャージャ5の可変ノズルベーン機構に備えられたアクチュエータ(図示省略)も接続されている。
On the other hand, the
そして、ECU100は、上記した各種センサからの出力、その出力値を利用する演算式により求められた演算値、または、上記ROM102に記憶された各種マップに基づいて、エンジン1の各種制御を実行する。
Then, the
例えば、ECU100は、インジェクタ23の燃料噴射制御として、パイロット噴射(副噴射)とメイン噴射(主噴射)とを実行する。
For example, the
上記パイロット噴射は、インジェクタ23からのメイン噴射に先立ち、予め少量の燃料を噴射する動作である。また、このパイロット噴射は、メイン噴射による燃料の着火遅れを抑制し、安定した拡散燃焼に導くための噴射動作であって、副噴射とも呼ばれる。また、本実施形態におけるパイロット噴射は、上述したメイン噴射による初期燃焼速度を抑制する機能ばかりでなく、気筒内温度を高める予熱機能をも有するものとなっている。つまり、このパイロット噴射の実行後、燃料噴射を一旦中断し、メイン噴射が開始されるまでの間に圧縮ガス温度(気筒内温度)を十分に高めて燃料の自着火温度(例えば1000K)に到達させるようにし、これによってメイン噴射で噴射される燃料の着火性を良好に確保するようにしている。
The pilot injection is an operation for injecting a small amount of fuel in advance prior to the main injection from the
上記メイン噴射は、エンジン1のトルク発生のための噴射動作(トルク発生用燃料の供給動作)である。このメイン噴射での噴射量は、基本的には、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等の運転状態に応じ、要求トルクが得られるように決定される。例えば、エンジン回転数(クランクポジションセンサ40の検出値に基づいて算出されるエンジン回転数)が高いほど、また、アクセル操作量(アクセル開度センサ47により検出されるアクセルペダルの踏み込み量)が大きいほど(アクセル開度が大きいほど)エンジン1のトルク要求値としては高く得られ、それに応じてメイン噴射での燃料噴射量としても多く設定されることになる。また、上記パイロット噴射によって気筒内の予熱が十分に行われている場合には、メイン噴射で噴射された燃料は、直ちに自着火温度以上の温度環境下に晒されて熱分解が進み、噴射後は直ちに燃焼が開始されることになる。
The main injection is an injection operation (torque generation fuel supply operation) for generating torque of the
具体的に、ディーゼルエンジンにおける燃料の着火遅れとしては、物理的遅れと化学的遅れとがある。物理的遅れは、燃料液滴の蒸発・混合に要する時間であり、燃焼場のガス温度に左右される。一方、化学的遅れは、燃料蒸気の化学的結合・分解かつ酸化発熱に要する時間である。そして、上述した如く気筒内の予熱が十分になされている状況では上記物理的遅れを最小限に抑えることができ、その結果、着火遅れも最小限に抑えられることになる。従って、メイン噴射によって噴射された燃料の燃焼形態としては、予混合燃焼が殆ど行われないことになり、大部分が拡散燃焼となる。その結果、メイン噴射の噴射タイミングを制御することがそのまま拡散燃焼の開始タイミングを制御することに略等しくなり、燃焼の制御性を大幅に改善することができる。つまり、メイン噴射で噴射された燃料の予混合燃焼の割合を最小限に抑えることで、メイン噴射での燃料噴射タイミング及び燃料噴射量を制御する(噴射率波形を制御する)ことによる熱発生率波形(着火時期及び熱発生量)の制御によって燃焼の制御性を大幅に改善することが可能になる。 Specifically, the fuel ignition delay in a diesel engine includes a physical delay and a chemical delay. The physical delay is the time required for evaporation / mixing of the fuel droplets and depends on the gas temperature of the combustion field. On the other hand, the chemical delay is the time required for chemical bonding / decomposition of fuel vapor and oxidation heat generation. As described above, in the situation where the cylinder is sufficiently preheated, the physical delay can be minimized, and as a result, the ignition delay can be minimized. Therefore, as a combustion mode of the fuel injected by the main injection, premixed combustion is hardly performed, and most of it is diffusion combustion. As a result, controlling the injection timing of the main injection is substantially equivalent to controlling the start timing of diffusion combustion as it is, and the controllability of combustion can be greatly improved. That is, the rate of heat generation by controlling the fuel injection timing and the fuel injection amount in the main injection (controlling the injection rate waveform) by minimizing the ratio of the premixed combustion of the fuel injected in the main injection. Control of the waveform (ignition timing and heat generation amount) can greatly improve the controllability of combustion.
尚、上述したパイロット噴射及びメイン噴射の他に、アフタ噴射やポスト噴射が必要に応じて行われる。アフタ噴射は、排気ガス温度を上昇させるための噴射動作である。具体的には、供給された燃料の燃焼エネルギがエンジン1のトルクに変換されることなく、その大部分が排気の熱エネルギとして得られるタイミングでアフタ噴射は実行される。また、ポスト噴射は、排気系7に燃料を直接的に導入して上記マニバータ77の昇温を図るための噴射動作である。例えば、DPNR触媒76に捕集されているPMの堆積量が所定量を超えた場合(例えばマニバータ77の前後の差圧を検出することにより検知)、ポスト噴射が実行されるようになっている。
In addition to the pilot injection and main injection described above, after injection and post injection are performed as necessary. After injection is an injection operation for increasing the exhaust gas temperature. Specifically, after injection is performed at a timing at which most of the combustion energy of the supplied fuel is obtained as thermal energy of the exhaust gas without being converted into torque of the
また、ECU100は、エンジン1の運転状態に応じてEGRバルブ81の開度を制御し、吸気マニホールド63に向けての排気還流量(EGR量)を調整する。このEGR量は、上記ROM102に予め記憶されたEGRマップに従って設定される。具体的に、このEGRマップは、エンジン回転数及びエンジン負荷をパラメータとしてEGR量(EGR率)を決定するためのマップである。尚、このEGRマップは、予め実験やシミュレーション等によって作成されたものとなっている。つまり、上記クランクポジションセンサ40の検出値に基づいて算出されたエンジン回転数及びスロットル開度センサ42によって検出されたスロットルバルブ62の開度(エンジン負荷に相当)とをEGRマップに当て嵌めることでEGR量(EGRバルブ81の開度)が得られるようになっている。
Further, the
更に、ECU100は、上記スワールコントロールバルブ66の開度制御を実行する。このスワールコントロールバルブ66の開度制御としては、燃焼室3内に噴射された燃料の噴霧の単位時間当たり(または単位クランク回転角度当たり)における気筒内の周方向の移動量を変更するように行われる。
Further, the
−燃料噴射圧−
燃料噴射を実行する際の燃料噴射圧は、コモンレール22の内圧により決定される。このコモンレール内圧として、一般に、コモンレール22からインジェクタ23へ供給される燃料圧力の目標値、即ち目標レール圧は、エンジン負荷(機関負荷)が高くなるほど、及び、エンジン回転数(機関回転数)が高くなるほど高いものとされる。即ち、エンジン負荷が高い場合には燃焼室3内に吸入される空気量が多いため、インジェクタ23から燃焼室3内に向けて多量の燃料を噴射しなければならず、よってインジェクタ23からの噴射圧力を高いものとする必要がある。また、エンジン回転数が高い場合には噴射可能な期間が短いため、単位時間当たりに噴射される燃料量を多くしなければならず、よってインジェクタ23からの噴射圧力を高いものとする必要がある。このように、目標レール圧は一般にエンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて設定される。尚、この目標レール圧は例えば上記ROM102に記憶された燃圧設定マップに従って設定される。つまり、この燃圧設定マップに従って燃料圧力を決定することで、インジェクタ23の開弁期間(噴射率波形)が制御され、その開弁期間中における燃料噴射量を規定することが可能になる。
-Fuel injection pressure-
The fuel injection pressure when executing the fuel injection is determined by the internal pressure of the
尚、本実施形態では、エンジン負荷等に応じて燃料圧力が30MPa〜200MPaの間で調整されるようになっている。 In the present embodiment, the fuel pressure is adjusted between 30 MPa and 200 MPa according to the engine load and the like.
上記パイロット噴射やメイン噴射などの燃料噴射パラメータについて、その最適値はエンジン1や吸入空気等の温度条件によって異なるものとなる。
Regarding the fuel injection parameters such as the pilot injection and the main injection, the optimum values differ depending on the temperature conditions of the
例えば、上記ECU100は、コモンレール圧がエンジン運転状態に基づいて設定される目標レール圧と等しくなるように、即ち燃料噴射圧が目標噴射圧と一致するように、サプライポンプ21の燃料吐出量を調量する。また、ECU100はエンジン運転状態に基づいて燃料噴射量及び燃料噴射形態を決定する。具体的には、ECU100は、クランクポジションセンサ40の検出値に基づいてエンジン回転速度を算出するとともに、アクセル開度センサ47の検出値に基づいてアクセルペダルの踏み込み量(アクセル開度)を求め、このエンジン回転速度及びアクセル開度に基づいて総燃料噴射量(パイロット噴射での噴射量とメイン噴射での噴射量との和)を決定する。
For example, the
−目標燃料圧力の設定−
次に、上記目標燃料圧力の設定手法について説明する。ディーゼルエンジン1においては、NOx発生量やスモーク発生量を削減することによる排気エミッションの改善、燃焼行程時の燃焼音の低減、エンジントルクの十分な確保といった各要求を連立することが重要である。これら要求を連立するための手法として、燃焼行程時における気筒内での熱発生率の変化状態(熱発生率波形で表される変化状態)を適切にコントロールすることが有効である。
-Setting of target fuel pressure-
Next, a method for setting the target fuel pressure will be described. In the
図4の上段に示す波形のうちの実線は、横軸をクランク角度、縦軸を熱発生率とし、パイロット噴射及びメイン噴射で噴射された燃料の燃焼に係る理想的な熱発生率波形を示している。図中のTDCはピストン13の圧縮上死点に対応したクランク角度位置を示している。また、図4の下段に示す波形は、インジェクタ23から噴射される燃料の噴射率(クランク軸の単位回転角度当たりの燃料噴射量)波形を示している。
The solid line of the waveforms shown in the upper part of FIG. 4 shows an ideal heat generation rate waveform related to the combustion of fuel injected in pilot injection and main injection, with the horizontal axis representing the crank angle and the vertical axis representing the heat generation rate. ing. TDC in the figure indicates the crank angle position corresponding to the compression top dead center of the
上記熱発生率波形としては、例えば、ピストン13の圧縮上死点(TDC)付近からメイン噴射で噴射された燃料の燃焼が開始され、ピストン13の圧縮上死点後の所定ピストン位置(例えば、圧縮上死点後10度(ATDC10°)の時点)で熱発生率が極大値(ピーク値)に達し、更に、圧縮上死点後の所定ピストン位置(例えば、圧縮上死点後25度(ATDC25°)の時点)で上記メイン噴射において噴射された燃料の燃焼が終了するようになっている。このような熱発生率の変化状態で混合気の燃焼を行わせるようにすれば、例えば圧縮上死点後10度(ATDC10°)の時点で気筒内の混合気のうちの50%が燃焼を完了した状況となる。つまり、圧縮上死点後10度(ATDC10°)の時点が燃焼重心となって、膨張行程における総熱発生量の約50%がATDC10°までに発生し、高い熱効率でエンジン1を運転させることが可能となる。
As the heat release rate waveform, for example, combustion of fuel injected by main injection is started from the vicinity of the compression top dead center (TDC) of the
また、この燃焼重心に到達した時点でのクランク角度と燃料噴射率波形との関係としては、インジェクタ23に対して燃料噴射停止信号を送信した時点から燃料噴射が完全に停止するまでの期間(図4における期間T1)に燃焼重心が位置することになる。
The relationship between the crank angle and the fuel injection rate waveform when the combustion center of gravity is reached is the period from when the fuel injection stop signal is transmitted to the
このような理想的な熱発生率波形による燃焼が行われる状況にあっては、パイロット噴射によって気筒内の予熱が十分に行われ、この予熱により、メイン噴射で噴射された燃料は、直ちに自着火温度以上の温度環境下に晒されて熱分解が進み、噴射後は直ちに燃焼が開始されることになる。 In such a situation in which combustion with an ideal heat generation rate waveform is performed, the cylinder is sufficiently preheated by pilot injection, and the fuel injected in the main injection is immediately self-ignited by this preheating. The thermal decomposition proceeds due to exposure to a temperature environment higher than the temperature, and combustion starts immediately after injection.
また、図4に二点鎖線αで示す波形は、燃料噴射圧力が、適正値よりも高く設定された場合の熱発生率波形であり、燃焼速度及び熱発生率のピーク値が共に高くなりすぎており、燃焼音の増大やNOx発生量の増加が懸念される状態である。一方、図4に二点鎖線βで示す波形は、燃料噴射圧力が、適正値よりも低く設定された場合の熱発生率波形であり、燃焼速度が低く且つ熱発生率のピークの現れるタイミングが大きく遅角側に移行していることで十分なエンジントルクが確保できないことが懸念される状態である。 The waveform indicated by the two-dot chain line α in FIG. 4 is a heat generation rate waveform when the fuel injection pressure is set higher than the appropriate value, and both the combustion rate and the peak value of the heat generation rate are too high. Therefore, there is a concern about an increase in combustion noise and an increase in the amount of NOx generated. On the other hand, a waveform indicated by a two-dot chain line β in FIG. 4 is a heat generation rate waveform when the fuel injection pressure is set lower than an appropriate value, and the timing at which the combustion rate is low and the peak of the heat generation rate appears. There is a concern that sufficient engine torque cannot be secured due to the large shift to the retard side.
−燃焼形態の概略説明−
次に、本実施形態に係るエンジン1における燃焼室3内での燃焼形態の概略について説明する。
-Outline of combustion mode-
Next, the outline of the combustion mode in the
図5は、エンジン1の一つの気筒に対して吸気マニホールド63及び吸気ポート15aを経てガス(空気)が吸入され、燃焼室3内へインジェクタ23からの燃料噴射によって燃焼が行われると共に、その燃焼後のガスが排気ポート71を経て排気マニホールド72へ排出される様子を模式的に示した図である。
In FIG. 5, gas (air) is sucked into one cylinder of the
この図5に示すように、気筒内に吸入されるガスには、吸気管64からスロットルバルブ62を介して吸入された新気と、上記EGRバルブ81が開弁された場合にEGR通路8から吸入されるEGRガスとが含まれる。吸入される新気量(質量)と吸入されるEGRガス量(質量)との和に対するEGRガス量の割合(即ち、EGR率)は、運転状態に応じて上記ECU100により適宜制御されるEGRバルブ81の開度に応じて変化する。
As shown in FIG. 5, the gas sucked into the cylinder includes fresh air sucked from the
このようにして気筒内に吸入された新気及びEGRガスは、吸気行程において開弁している吸気バルブ16を介し、ピストン13(図5では図示省略)の下降に伴って気筒内に吸入されて筒内ガスとなる。この筒内ガスは、エンジン1の運転状態に応じて決定されるバルブ閉弁時にて吸気バルブ16が閉弁することにより筒内に密閉され(筒内ガスの閉じ込め状態)、その後の圧縮行程においてピストン13の上昇に伴って圧縮される。そして、ピストン13が上死点近傍に達すると、上述したECU100による噴射量制御によって所定時間だけインジェクタ23が開弁されることで燃料を燃焼室3内に直接噴射する。具体的には、ピストン13が上死点に達する前に上記パイロット噴射が実行され、燃料噴射が一旦停止された後、所定のインターバルを経て、ピストン13が上死点近傍に達した時点で上記メイン噴射が実行されることになる。
The fresh air and EGR gas sucked into the cylinder in this way are sucked into the cylinder as the piston 13 (not shown in FIG. 5) is lowered through the
図6は、この燃料噴射時における燃焼室3及びその周辺部を示す断面図であり、図7は、この燃料噴射時における燃焼室3の平面図(ピストン13の上面を示す図)である。図7に示すように、本実施形態に係るエンジン1のインジェクタ23には、周方向に亘って等間隔に8個の噴孔が設けられており、これら噴孔からそれぞれ均等に燃料が噴射されるようになっている。尚、この噴孔数としては8個に限るものではない。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the
そして、この各噴孔から噴射された燃料の噴霧A,A,…は略円錐状に拡散していく。また、各噴孔からの燃料噴射(上記パイロット噴射やメイン噴射)は、ピストン13が圧縮上死点近傍に達した時点で行われるため、図6に示すように、各燃料の噴霧A,A,…は上記キャビティ13b内で拡散していくことになる。
The fuel sprays A, A,... Injected from the nozzle holes diffuse in a substantially conical shape. Further, since fuel injection from each nozzle hole (the pilot injection and the main injection) is performed when the
このように、インジェクタ23に形成されている各噴孔から噴射された燃料の噴霧A,A,…は、時間の経過に伴って筒内ガスと混ざり合いながら混合気となって筒内においてそれぞれ円錐状に拡散していき、自己着火によって燃焼する。つまり、この各燃料の噴霧A,A,…は、それぞれ筒内ガスと共に略円錐状の燃焼場を形成し、その燃焼場(本実施形態では8箇所の燃焼場)でそれぞれ燃焼が開始されることになる。
As described above, the fuel sprays A, A,... Injected from the respective injection holes formed in the
そして、この燃焼により発生したエネルギは、ピストン13を下死点に向かって押し下げるための運動エネルギ(エンジン出力となるエネルギ)、燃焼室3内を温度上昇させる熱エネルギ、シリンダブロック11やシリンダヘッド15を経て外部(例えば冷却水)に放熱される熱エネルギとなる。
The energy generated by this combustion is kinetic energy for pushing down the
そして、燃焼後の筒内ガスは、排気行程において開弁する排気バルブ17を介し、ピストン13の上昇に伴って排気ポート71及び排気マニホールド72へ排出されて排ガスとなる。
The in-cylinder gas after combustion is discharged to the
−NOx発生量推定動作−
本実施形態の特徴は、上記燃焼室3内での燃料の燃焼(主にメイン噴射で噴射された燃料の燃焼)によって発生するNOx発生量を推定する動作にある。このNOx発生量推定動作によって推定されたNOx発生量(1回の燃焼行程で発生するNOxの発生量:以下、「NOx発生総量」と呼ぶ場合もある)は、NOx発生量を予め設定された許容量(NOx規制量)以下に抑えるための制御パラメータ(EGR量や燃料噴射タイミング等)の制御に利用される。以下、NOx発生量推定動作について具体的に説明する。
-NOx generation amount estimation operation-
The feature of this embodiment is the operation of estimating the amount of NOx generated by the combustion of fuel in the combustion chamber 3 (mainly the combustion of fuel injected by main injection). The NOx generation amount estimated by this NOx generation amount estimation operation (NOx generation amount generated in one combustion stroke: hereinafter sometimes referred to as “NOx generation total amount”) is set in advance as the NOx generation amount. This is used for control of control parameters (EGR amount, fuel injection timing, etc.) for suppressing the amount to an allowable amount (NOx restriction amount) or less. Hereinafter, the NOx generation amount estimation operation will be specifically described.
このNOx発生量推定動作としては、「熱発生率最大傾き」の算出動作、及び、「NOx発生総量」の算出動作が順に行われる。 As the NOx generation amount estimation operation, a “heat generation rate maximum slope” calculation operation and a “NOx generation total amount” calculation operation are sequentially performed.
<熱発生率最大傾きの算出動作>
先ず、熱発生率最大傾きの算出動作について説明する。
<Calculation of maximum slope of heat release rate>
First, the calculation operation of the maximum heat release rate gradient will be described.
この算出動作では、燃焼行程の所定期間中における熱発生率を所定間隔で(クランクシャフトが所定角度だけ回転する毎に)算出していき、その期間中における熱発生率の上昇度合い(傾き)の最大値を抽出する。 In this calculation operation, the heat generation rate during a predetermined period of the combustion stroke is calculated at predetermined intervals (each time the crankshaft rotates by a predetermined angle), and the degree of increase (slope) of the heat generation rate during that period is calculated. Extract the maximum value.
具体的には、上記メイン噴射が実行された後の所定のクランクシャフト回転角度位置から、このクランクシャフト回転角度が所定回転角度位置に達するまでの期間中、所定クランク角度毎に上記筒内圧センサ4Aによって筒内圧力(燃焼室3内の圧力)を検出していく。つまり、この所定期間中の筒内圧力の変化に基づき所定クランク角度毎の熱発生率(クランク軸の単位回転角度当たりの熱発生量)を算出する。即ち、筒内圧力と熱発生率とは相関があるため、これを利用して、筒内圧力に基づいてクランク角度毎の熱発生率を求めるようにしている。
Specifically, during the period from the predetermined crankshaft rotation angle position after the main injection is executed until the crankshaft rotation angle reaches the predetermined rotation angle position, the in-
例えば、メイン噴射が開始され、クランクシャフトの回転角度が5°CA進んだ時点から筒内圧センサ4Aによる筒内圧力の検出を開始し、クランクシャフトの回転角度が0.5°CA進む毎に、筒内圧センサ4Aによって検出された筒内圧力をモニタする。これにより、このクランクシャフトの回転角度が0.5°CA進む毎の熱発生率を算出する。
For example, when the main injection is started and the in-
尚、上記筒内圧センサ4Aによって筒内圧力を検出する期間の終了時点としては、熱発生率が極大値(ピーク値)に達した時点(図4で示した熱発生率波形にあっては圧縮上死点後10°(ATDC10°)の時点)としたり、メイン噴射が開始されてから、クランクシャフトの回転角度が15°CA進んだ時点とすることも可能である。これら値はこれに限定されるものではなく適宜設定される。
The end point of the period during which the in-cylinder pressure is detected by the in-
図8は、筒内圧センサ4Aによって検出された筒内圧力に基づいて求められた熱発生率波形(メイン噴射で噴射された燃料の燃焼が開始されてから熱発生率がピーク値に達するまでの期間の熱発生率波形)の一例を示す図である。この場合、メイン噴射が実行された後、クランクシャフトの回転角度が5°CA進んだ時点(図8におけるタイミングt1)から筒内圧センサ4Aによる筒内圧力の検出が開始される。この図8に示す波形では、このタイミングt1は、クランクシャフトの回転角度が圧縮上死点後2.5°(ATDC2.5°)に達した時点となっている。
FIG. 8 shows a heat generation rate waveform obtained based on the in-cylinder pressure detected by the in-
このタイミングt1から、熱発生率が極大値(ピーク値)に達した時点(図8におけるタイミングt6)までの期間中、筒内圧センサ4Aによる筒内圧力の検出を、クランク角度が0.5°CA進む毎に実行し、この0.5°CA進む毎の筒内圧力から熱発生率を算出する。尚、熱発生率が極大値(ピーク値)に達した時点を求める動作として具体的には、上記筒内圧センサ4Aによって検出されている筒内圧力の変化割合が正から負に変化した時点を熱発生率が極大値(ピーク値)に達した時点であるとして求めるようにしている。
During the period from this timing t1 until the time when the heat generation rate reaches the maximum value (peak value) (timing t6 in FIG. 8), the in-cylinder pressure is detected by the in-
そして、上述した筒内圧力検出期間(図8におけるタイミングt1からt6までの期間)を複数の熱発生率傾き算出期間(本発明でいう分割燃焼行程期間)に分割し、各熱発生率傾き算出期間それぞれにおける熱発生率の傾きを算出する。具体的に、図8に示すものでは5つの期間s1〜s5に分割されている。ここでは、上記タイミングt1からタイミングt2の期間を第1の熱発生率傾き算出期間s1、上記タイミングt2からタイミングt3の期間を第2の熱発生率傾き算出期間s2、上記タイミングt3からタイミングt4の期間を第3の熱発生率傾き算出期間s3、上記タイミングt4からタイミングt5の期間を第4の熱発生率傾き算出期間s4、上記タイミングt5からタイミングt6の期間を第5の熱発生率傾き算出期間s5とそれぞれ呼ぶ。また、上述した如く筒内圧センサ4Aによる筒内圧力の検出期間は、圧縮上死点後2.5°(ATDC2.5°)から圧縮上死点後10°(ATDC10°)までの期間であるため、第1〜第5の各熱発生率傾き算出期間s1〜s5それぞれはクランクシャフトの回転角度で1.5°CAの期間となっている。また、上述した如く、クランク角度が0.5°CA進む毎に、筒内圧センサ4Aによって筒内圧力が検出されるため、第1〜第5の各熱発生率傾き算出期間s1〜s5それぞれでは、3回の筒内圧力の検出が行われ、これら筒内圧力から求められる熱発生率の傾きの平均値をその熱発生率傾き算出期間s1〜s5における熱発生率傾きの平均値とする。これにより、各期間s1〜s5それぞれにおいて熱発生率傾きの平均値が算出されることになる。尚、熱発生率傾きの具体的な算出手法としては、取得した熱発生量に対して2回微分を行うことで熱発生率傾きが求められる。または、求められた熱発生率に対して1回微分を行うことで熱発生率傾きが求められる。この算出手法としては、これに限定されるものではない。
Then, the above-described in-cylinder pressure detection period (period from timing t1 to t6 in FIG. 8) is divided into a plurality of heat generation rate inclination calculation periods (divided combustion stroke period in the present invention), and each heat generation rate inclination calculation is performed. The slope of the heat release rate in each period is calculated. Specifically, in the example shown in FIG. 8, the period is divided into five periods s1 to s5. Here, the period from the timing t1 to the timing t2 is the first heat generation rate inclination calculation period s1, the period from the timing t2 to the timing t3 is the second heat generation rate inclination calculation period s2, and the period from the timing t3 to the timing t4. The period is the third heat generation rate inclination calculation period s3, the period from the timing t4 to the timing t5 is the fourth heat generation rate inclination calculation period s4, and the period from the timing t5 to the timing t6 is the fifth heat generation rate inclination calculation. Each is called a period s5. Further, as described above, the in-cylinder pressure detection period by the in-
本実施形態では、上述の如く算出された複数の熱発生率傾きの平均値(第1の熱発生率傾き算出期間s1〜第5の熱発生率傾き算出期間s5それぞれで求められた熱発生率傾きの平均値)のうち、最も熱発生率傾きの平均値の大きなものを「熱発生率最大傾き」として抽出して以下のNOx発生総量の算出動作を行うようにしている。図8に示すものでは、第4の熱発生率傾き算出期間s4における熱発生率傾きの平均値が、他の熱発生率傾き算出期間s1,s2,s3,s5における熱発生率傾きの平均値よりも大きくなっているため、この第4の熱発生率傾き算出期間s4における熱発生率傾きの平均値が熱発生率最大傾きとして得られることになる(図8に破線で示す熱発生率の傾きを参照)。 In this embodiment, the average value of the plurality of heat release rate slopes calculated as described above (the heat release rates obtained in each of the first heat release rate slope calculation period s1 to the fifth heat release rate slope calculation period s5). The average value of the slope of the heat generation rate is extracted as the “maximum slope of heat generation rate”, and the following operation for calculating the total NOx generation amount is performed. In the example shown in FIG. 8, the average value of the heat generation rate gradient in the fourth heat generation rate inclination calculation period s4 is the average value of the heat generation rate inclination in the other heat generation rate inclination calculation periods s1, s2, s3, and s5. Therefore, the average value of the heat generation rate gradient in the fourth heat generation rate inclination calculation period s4 is obtained as the maximum heat generation rate inclination (the heat generation rate indicated by the broken line in FIG. 8). See Tilt).
尚、この図8を用いて説明した上記各値はこれに限定されるものではなく適宜設定される。 Note that each of the values described with reference to FIG. 8 is not limited to this value, and is set as appropriate.
上述の如く、複数の熱発生率の傾きの平均値をその熱発生率傾き算出期間s1〜s5における熱発生率傾きの平均値とすることにより、一時的な外乱によって熱発生率の上昇度合いが急変したとしても、この外乱による影響を緩和することができ、熱発生率最大傾きを正確に求めることが可能になる。 As described above, by setting the average value of the slopes of the plurality of heat generation rates as the average value of the heat generation rate slopes in the heat generation rate slope calculation periods s1 to s5, the degree of increase in the heat generation rate due to temporary disturbance can be increased. Even if there is a sudden change, the influence of this disturbance can be mitigated, and the maximum slope of heat generation rate can be obtained accurately.
<NOx発生総量の算出動作>
以上のようにして熱発生率最大傾きが算出された後、下記の式(1)によってNOx発生総量が算出される(NOx発生量推定手段によるNOx発生量の推定動作)。このNOx発生総量とは、対象とする燃焼行程での燃料の燃焼によって排気ガス中に含まれるNOx発生量の全体量である。自動車の排気エミッション規制(Euro6等)による規定では、このNOx発生総量を、予め規定された許容量以下に抑えることが必要である。
<Operation for calculating the total amount of NOx generated>
After the maximum heat release rate slope is calculated as described above, the total NOx generation amount is calculated by the following equation (1) (NOx generation amount estimation operation by the NOx generation amount estimation means). This total NOx generation amount is the total amount of NOx generation contained in the exhaust gas due to fuel combustion in the target combustion stroke. According to regulations according to automobile exhaust emission regulations (
この式(1)に示すように、「Tig(燃料着火時点での燃焼場温度)補正値」、「O2濃度補正値(酸素濃度による補正値)」、「充填ガス量(充填空気量)補正値」、「着火時期補正値」を変数とする関数「f」を、上記熱発生率最大傾きに乗算することにより、NOx発生総量が算出される。つまり、上記熱発生率最大傾きとNOx発生総量とには相関があり、また、同一熱発生率最大傾きであったとしても、Tig、O2濃度、充填ガス量、着火時期に応じてNOx発生総量は変化するため、これらTig、O2濃度、充填ガス量、着火時期に基づく補正値である上記「Tig補正値」、「O2補正値」、「充填ガス量補正値」、「着火時期補正値」を変数とする関数「f」を、上記熱発生率最大傾きに乗算することにより、NOx発生総量が高い精度で算出されることになる。 As shown in this equation (1), “Tig (combustion field temperature at the time of fuel ignition) correction value”, “O 2 concentration correction value (correction value based on oxygen concentration)”, “charging gas amount (charging air amount)” The NOx generation total amount is calculated by multiplying the maximum slope of the heat generation rate by a function “f” having “correction value” and “ignition timing correction value” as variables. In other words, there is a correlation between the maximum slope of heat generation rate and the total amount of NOx generation. Even if the maximum slope of heat generation rate is the same, NOx is generated according to the Tig, O 2 concentration, amount of charged gas, and ignition timing. Since the total amount changes, the above “Tig correction value”, “O 2 correction value”, “filling gas amount correction value”, “ignition timing” which are correction values based on these Tig, O 2 concentration, charging gas amount, and ignition timing. By multiplying the function “f” having the “correction value” as a variable by the maximum slope of the heat generation rate, the total NOx generation amount is calculated with high accuracy.
尚、上述の如く「Tig補正値」、「O2補正値」、「充填ガス量補正値」、「着火時期補正値」がNOx発生量に影響を及ぼすことは、周知の「拡大ドルゼビッチ機構」により知られている。以下、参考のために「拡大ドルゼビッチ機構」の演算式を提示する。 As described above, the “Tig correction value”, “O 2 correction value”, “filling gas amount correction value”, and “ignition timing correction value” affect the NOx generation amount. Is known by. In the following, the calculation formula of the “enlarged Dorzevic mechanism” is presented for reference.
図9は、燃焼室3内の各種状態量とNOx発生量との相関を示す図であって、図9(a)は燃料着火時点での燃焼場温度(Tig)とNOx発生量との相関を、図9(b)は燃焼室3内の酸素濃度とNOx発生量との相関を、図9(c)は燃焼室3内の充填ガス量とNOx発生量との相関を、図9(d)は燃料の着火時期とNOx発生量との相関をそれぞれ示している。
FIG. 9 is a diagram showing the correlation between various state quantities in the
これら各図に示すように、燃料着火時点での燃焼場温度(Tig)、燃焼室3内の酸素濃度、燃焼室3内の充填ガス量、燃料の着火時期は、それぞれNOx発生量との相関を有している。例えば、燃料着火時点での燃焼場温度(Tig)が高いほどNOx発生量は増大し、燃焼室3内の酸素濃度が高いほどNOx発生量は増大し、燃焼室3内の充填ガス量が多いほどNOx発生量は減少し、燃料の着火時期が進角側にあるほどNOx発生量は減少することになる。
As shown in these figures, the combustion field temperature (Tig) at the time of fuel ignition, the oxygen concentration in the
尚、上述したTig、O2濃度、充填ガス量、着火時期それぞれの変化に対するNOx発生総量の変化量(各種状態量それぞれのNOx発生総量に対する影響度合い)はエンジン1の機種毎に異なる。このため、上記「Tig補正値」、「O2補正値」、「充填ガス量補正値」、「着火時期補正値」も、エンジン1の機種毎に異なった値として設定されることになる。例えば、燃料着火時点での燃焼場温度が同一であっても、この燃料着火時点での燃焼場温度の変化によるNOx発生総量の変化が大きくなるエンジン1にあっては、この「Tig補正値」としては大きな値として設定され、この燃料着火時点での燃焼場温度の変化によるNOx発生総量の変化が小さいエンジン1にあっては、この「Tig補正値」としては小さな値として設定されることになる。他の補正値においても同様である。これらエンジン1の機種毎に与えられる「Tig補正値」、「O2補正値」、「充填ガス量補正値」、「着火時期補正値」は、予め実験やシミュレーション等によって設定されている。
It should be noted that the amount of change in the total amount of NOx generated (the degree of influence of each state quantity on the total amount of NOx generated) with respect to changes in the above-described Tig, O 2 concentration, charge gas amount, and ignition timing differs depending on the
図10は、燃焼室3内の状態量変化に伴う、熱発生率最大傾きとNOx発生総量との関係を説明するための図である。例えば、ある機種のエンジン1において、上述した燃焼室3内の状態量(Tig、酸素濃度、充填ガス量、着火時期)に応じた補正(NOx発生量の補正)を行わなかった場合における熱発生率最大傾きとNOx発生総量との関係は、図中の実線で示すものである。これに対し、上記燃焼室3内の状態量に応じたNOx発生量の補正を行うことにより、熱発生率最大傾きとNOx発生総量との関係が正確に求められることになる。例えば、図8における破線Xは、燃焼室3内の状態量に応じた補正を行うことにより、熱発生率最大傾きが大きくなることに伴ってNOx発生総量の増加量割合も大きくなる場合の特性変化を示しており、破線Yは、燃焼室3内の状態量に応じた補正を行うことにより、熱発生率最大傾きが大きくなることに伴うNOx発生総量の増加量割合が比較的小さい場合の特性変化を示している。
FIG. 10 is a diagram for explaining the relationship between the maximum slope of heat generation rate and the total amount of NOx generation that accompanies a change in the state quantity in the
このように、燃焼室3内の状態量変化に伴ってNOx発生総量も変化することになる。このことを上記式(3)の燃焼場温度Tで表現する演算式としては、例えば下記の式(4)が挙げられる。
In this way, the total amount of NOx generated also changes as the state quantity in the
−制御パラメータの制御動作−
次に、上述の如く推定されたNOx発生総量に基づく制御パラメータの制御動作について説明する。尚、以下に示す制御パラメータの制御動作では、上記推定されたNOx発生総量に基づいてNOx発生量を許容量以下にするための制御動作と、推定されたsmoke発生総量に基づいてsmoke発生量を許容量以下にするための制御動作とが並行される場合について説明する。
-Control parameter control action-
Next, the control operation of the control parameter based on the total NOx generation amount estimated as described above will be described. In the control operation of the control parameters shown below, the control operation for setting the NOx generation amount below the allowable amount based on the estimated total NOx generation amount, and the smoke generation amount based on the estimated smoke generation total amount. A case where the control operation for making the amount less than the allowable amount is performed in parallel will be described.
図11は、この制御パラメータの制御動作の手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、エンジン1の始動後、燃焼行程が実行される度に(例えば4気筒エンジンの場合にはクランクシャフトが180°回転する度に)実行される。
FIG. 11 is a flowchart showing the procedure of the control operation of this control parameter. This flowchart is executed every time the combustion stroke is executed after the
先ず、ステップST1で、上述した推定動作により求められたNOx発生総量を取得すると共に、smoke発生総量を取得する。このsmoke発生総量を取得するための動作としては従来より公知の手法が採用可能である。例えば、上記エアフローメータ43によって検出される吸入空気量、上記レール圧センサ41によって検出されるコモンレール22の内圧(燃料噴射圧に相当)、吸気温センサ49によって検出される吸入空気の温度等に基づき、予め上記ROM102に記憶されたsmoke発生総量マップや所定の演算式によってsmoke発生総量が求められる。
First, in step ST1, the total NOx generation amount obtained by the estimation operation described above is acquired, and the total smoke generation amount is acquired. As an operation for obtaining the total amount of smoke generation, a conventionally known method can be employed. For example, based on the amount of intake air detected by the
これらNOx発生総量及びsmoke発生総量を取得した後、ステップST2に移り、NOx発生総量が、予め設定されたNOx許容量以下であるか否かを判定する。このNOx許容量は、自動車の排気エミッション規制(Euro6等)により規定された値、またはそれ以下の値として設定されている。
After obtaining the total NOx generation amount and the total smoke generation amount, the process proceeds to step ST2, and it is determined whether or not the total NOx generation amount is equal to or less than a preset NOx allowable amount. This allowable NOx amount is set as a value defined by an automobile exhaust emission regulation (
NOx発生総量がNOx許容量を超えており、ステップST2でNO判定された場合には、ステップST3に移り、smoke発生総量が、予め設定されたsmoke許容量以下であるか否かを判定する。このsmoke許容量も、自動車の排気エミッション規制(Euro6等)により規定された値、またはそれ以下の値として設定されている。
If the NOx generation total amount exceeds the NOx allowable amount and NO is determined in step ST2, the process proceeds to step ST3, and it is determined whether or not the smoke generation total amount is equal to or smaller than a preset smoke allowable amount. This allowable smoke amount is also set as a value defined by an automobile exhaust emission regulation (
smoke発生総量がsmoke許容量以下であり、ステップST3でYES判定された場合、つまり、NOx発生総量がNOx許容量を超えており、smoke発生総量がsmoke許容量以下である場合には、ステップST4に移り、O2濃度低下制御を実行する(酸素濃度制御手段による燃焼室内の酸素濃度の制御動作)。つまり、次に燃焼行程を迎える気筒での燃焼行程時におけるO2濃度を低下させる制御を実行し、NOx発生総量が減少するように制御する。具体的にはEGR量の増量補正を行うことで燃焼室3内のO2濃度を低下させることになる。この場合のO2濃度の低下量(EGRの増加量)としては、予め規定された一定値であってもよいし、上記NOx発生総量とNOx許容量との偏差(NOx発生総量からNOx許容量を減算した値)に応じて変更するようにしてもよい。図12は、このNOx発生総量とNOx許容量との偏差に応じてO2濃度の低下量を設定するためのO2濃度低下量マップを示している。このO2濃度低下量マップにより、NOx発生総量とNOx許容量との偏差が大きいほどO2濃度の低下量を大きく設定することになる。このO2濃度低下量マップは、予め実験やシミュレーション等によって作成されたものであり、上記ROM102に記憶されている。
If the total amount of smoke generated is equal to or less than the allowable amount of smoke and the determination in step ST3 is YES, that is, if the total amount of generated NOx exceeds the allowable amount of NOx and the total amount of generated smoke is equal to or less than the allowable amount of smoke, step ST4 Then, the control of lowering the O 2 concentration is executed (control operation of the oxygen concentration in the combustion chamber by the oxygen concentration control means). That is, control is performed to reduce the O 2 concentration during the combustion stroke in the cylinder that will reach the next combustion stroke, and control is performed so that the total amount of NOx generation decreases. Specifically, the O 2 concentration in the
上記NOx発生総量がNOx許容量以下であってステップST2でYES判定された場合にはステップST5に移り、上記ステップST3の場合と同様に、smoke発生総量が、予め設定されたsmoke許容量以下であるか否かを判定する。 If the total NOx generation amount is equal to or less than the NOx allowable amount and YES is determined in step ST2, the process proceeds to step ST5, and the smoke generation total amount is equal to or less than the preset allowable smoke amount as in step ST3. It is determined whether or not there is.
smoke発生総量がsmoke許容量を超えており、ステップST5でNO判定された場合、つまり、NOx発生総量がNOx許容量以下であり、smoke発生総量がsmoke許容量を超えている場合には、ステップST6に移り、着火時期遅角制御を実行する。つまり、次に燃焼行程を迎える気筒での燃焼行程時における燃料着火時期を遅角させる制御を実行し、smoke発生総量が減少するように制御する。具体的にはメイン噴射の噴射開始タイミングを遅角側に補正することで燃料着火時期を遅角させることになる。この場合の遅角補正量としては、予め規定された一定値であってもよいし、上記smoke発生総量とsmoke許容量との偏差(smoke発生総量からsmoke許容量を減算した値)に応じて変更するようにしてもよい。図13は、このsmoke発生総量とsmoke許容量との偏差に応じて燃料着火時期の遅角量を設定するための燃料着火時期遅角量マップを示している。この燃料着火時期遅角量マップにより、smoke発生総量とsmoke許容量との偏差が大きいほど燃料着火時期遅角量を大きく設定することになる。この燃料着火時期遅角量マップも、予め実験やシミュレーション等によって作成されたものであり、上記ROM102に記憶されている。
If the total amount of smoke generated exceeds the allowable amount of smoke and it is determined NO in step ST5, that is, if the total amount of generated NOx is equal to or less than the allowable amount of NOx and the total amount of generated smoke exceeds the allowable amount of smoke, step Moving to ST6, ignition timing retardation control is executed. That is, control is performed to retard the fuel ignition timing during the combustion stroke in the cylinder that will reach the next combustion stroke, and control is performed so that the total amount of smoke generation is reduced. Specifically, the fuel ignition timing is retarded by correcting the injection start timing of the main injection to the retard side. The retardation correction amount in this case may be a predetermined constant value or according to the deviation between the total amount of smoke generated and the allowable amount of smoke (a value obtained by subtracting the allowable amount of smoke from the total amount of generated smoke). It may be changed. FIG. 13 shows a fuel ignition timing retard amount map for setting the retard amount of the fuel ignition timing in accordance with the deviation between the total amount of smoke generated and the allowable smoke. From this fuel ignition timing retard amount map, the larger the deviation between the smoke generation total amount and the smoke allowable amount, the larger the fuel ignition timing retard amount is set. This fuel ignition timing retard amount map is also created in advance by experiments, simulations, etc., and is stored in the
また、上記ステップST3でNO判定された場合、つまり、NOx発生総量がNOx許容量を超えており且つsmoke発生総量がsmoke許容量を超えている場合には、ステップST7に移り、上述したO2濃度低下制御を実行すると共に着火時期遅角制御を実行する。これにより、NOx発生量及びsmoke発生量が共に減量されるように制御する。 If NO is determined in step ST3, that is, if the total NOx generation amount exceeds the allowable NOx amount and the total smoke generation amount exceeds the allowable smoke amount, the process proceeds to step ST7, and the above-described O 2. The concentration reduction control is executed and the ignition timing retard control is executed. Thereby, control is performed so that both the NOx generation amount and the smoke generation amount are reduced.
以上のような制御が継続され、上記ステップST5でYES判定された場合、つまり、NOx発生総量がNOx許容量以下となり且つsmoke発生総量がsmoke許容量以下となった場合には、上記O2濃度低下制御及び着火時期遅角制御を非実行としてリターンされる。 When the above control is continued and YES is determined in step ST5, that is, when the total NOx generation amount is less than the NOx allowable amount and the smoke generation total amount is less than the smoke allowable amount, the O 2 concentration The reduction control and the ignition timing retard control are returned as non-execution.
以上説明したように、本実施形態では、各種バラツキ(製造バラツキ、燃料性状のバラツキ、噴射量のバラツキ等)が生じている場合であっても、高い精度で推定されたNOx発生総量に基づいてエンジン1の制御パラメータ(EGR量や燃料噴射タイミング等)を制御し、NOx発生総量を許容範囲内に抑えることが可能になる。このため、上記各種バラツキが発生することを考慮して制御パラメータに対する制御量に余裕を持たせる(制御パラメータに対する制御量の値として、NOx発生量を抑制する側に大きく偏倚させておく)といったことは必要なくなり、エンジン1の性能及び燃料消費率の改善を図ることができる。
As described above, in the present embodiment, even when various variations (manufacturing variation, variation in fuel properties, variation in injection amount, etc.) occur, based on the total NOx generation amount estimated with high accuracy. It is possible to control the control parameters (EGR amount, fuel injection timing, etc.) of the
また、本実施形態では、燃焼行程時における熱発生率最大傾きを取得した後の情報処理動作としては、燃焼行程の全域における熱発生率の傾きの情報を扱う必要が無くなり、熱発生率の上昇度合いに関する情報として上記熱発生率最大傾きのみを扱うことで済む。このため、燃焼行程の全域における熱発生率の上昇度合いの情報を扱う場合に比べて、情報量の大幅な削減を図ることができ、上記CPU101に対する負荷の軽減を図ることが可能になる。
In the present embodiment, as the information processing operation after acquiring the maximum heat release rate gradient during the combustion stroke, it is not necessary to handle information on the slope of the heat release rate throughout the combustion stroke, and the heat release rate increases. It is sufficient to handle only the maximum slope of the heat generation rate as information on the degree. For this reason, compared with the case where the information of the increase degree of the heat release rate in the whole combustion stroke is handled, the amount of information can be greatly reduced, and the load on the
−他の実施形態−
以上説明した実施形態では、自動車に搭載される直列4気筒ディーゼルエンジンに本発明を適用した場合について説明した。本発明は、自動車用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンにも適用可能である。また、気筒数やエンジン形式(直列型エンジン、V型エンジン、水平対向型エンジン等の別)についても特に限定されるものではない。
-Other embodiments-
In the embodiment described above, the case where the present invention is applied to an in-line four-cylinder diesel engine mounted on an automobile has been described. The present invention is applicable not only to automobiles but also to engines used for other purposes. Further, the number of cylinders and the engine type (separate type engine, V-type engine, horizontally opposed engine, etc.) are not particularly limited.
また、上述した実施形態では、燃焼行程期間を複数の熱発生率傾き算出期間に分割し、それぞれの熱発生率傾き算出期間における熱発生率の傾きの平均値を求めるようにした。本発明はこれに限らず、燃焼行程期間中の所定期間(例えばメイン噴射が実行された後、クランクシャフトの回転角度が10°CA進んだ時点から15°CAに達した時点までの期間中)の熱発生率の傾きの平均値を求め、これを上述した熱発生率最大傾きとして扱ってNOx発生総量の算出を行うようにしてもよい。 In the above-described embodiment, the combustion stroke period is divided into a plurality of heat generation rate inclination calculation periods, and the average value of the heat generation rate inclinations in each heat generation rate inclination calculation period is obtained. The present invention is not limited to this, and a predetermined period during the combustion stroke period (for example, during a period from when the crankshaft rotation angle has advanced by 10 ° CA to when it reaches 15 ° CA after main injection is performed). The average value of the slope of the heat generation rate may be obtained, and this may be treated as the above-described maximum slope of heat generation rate to calculate the total NOx generation amount.
また、上述した実施形態では、通電期間においてのみ全開の開弁状態となることにより燃料噴射率を変更するピエゾインジェクタ23を適用したエンジンについて説明したが、本発明は、可変噴射率インジェクタを適用したエンジンへの適用も可能である。
Further, in the above-described embodiment, the engine to which the
加えて、上記実施形態では、マニバータ77として、NSR触媒75及びDPNR触媒76を備えたものとしたが、NSR触媒75及びDPF(Diesel Paticulate Filter)を備えたものとしてもよい。
In addition, although the
本発明は、自動車に搭載されるコモンレール式筒内直噴型多気筒ディーゼルエンジンにおいて、NOx発生量を高い精度で推定し、そのNOx発生量を許容量以下に抑えるための制御に適用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to control for estimating the NOx generation amount with high accuracy and suppressing the NOx generation amount below an allowable amount in a common rail in-cylinder direct injection multi-cylinder diesel engine mounted on an automobile. .
1 エンジン(内燃機関)
3 燃焼室
23 インジェクタ(燃料噴射弁)
4A 筒内圧センサ
8 EGR通路
81 EGRバルブ
Tig 燃料着火時点での燃焼場温度
Gcyl 燃焼室内の充填ガス量
1 engine (internal combustion engine)
3
4A In-
Claims (8)
上記燃料の燃焼による熱発生率の上昇度合いに対して、燃焼室内の状態量に応じた補正を行うことにより、NOx発生量を推定するNOx発生量推定手段を備えていることを特徴とする内燃機関のNOx発生量推定装置。 An apparatus for estimating the amount of NOx generated when fuel injected from a fuel injection valve burns into a combustion chamber of a compression ignition type internal combustion engine,
An internal combustion engine characterized by comprising NOx generation amount estimation means for estimating the NOx generation amount by performing correction according to the state quantity in the combustion chamber with respect to the degree of increase in the heat generation rate due to the combustion of the fuel. Engine NOx generation amount estimation device.
上記NOx発生量推定手段は、燃焼行程時における熱発生率の上昇度合いの最大値に対して、燃焼室内の状態量に応じた補正を行うことにより、NOx発生量を推定する構成とされていることを特徴とする内燃機関のNOx発生量推定装置。 In the internal combustion engine NOx generation amount estimation device according to claim 1,
The NOx generation amount estimating means is configured to estimate the NOx generation amount by performing correction according to the state quantity in the combustion chamber with respect to the maximum value of the degree of increase in the heat generation rate during the combustion stroke. An NOx generation amount estimation apparatus for an internal combustion engine characterized by the above.
上記NOx発生量推定手段は、燃焼行程時における所定期間を複数の分割燃焼行程期間に分割し、各分割燃焼行程期間で求められた複数の熱発生率の上昇度合いの平均値のうち最も高い熱発生率の上昇度合いの平均値を熱発生率の上昇度合いの最大値として抽出し、その熱発生率の上昇度合いの最大値に対して、燃焼室内の状態量に応じた補正を行うことにより、NOx発生量を推定する構成とされていることを特徴とする内燃機関のNOx発生量推定装置。 In the internal combustion engine NOx generation amount estimation device according to claim 2,
The NOx generation amount estimation means divides a predetermined period at the time of the combustion stroke into a plurality of divided combustion stroke periods, and the highest heat among the average values of the increase degrees of the plurality of heat generation rates obtained in each divided combustion stroke period. By extracting the average value of the rate of increase in the rate of occurrence as the maximum value of the rate of increase in the rate of heat release, and correcting the maximum value of the rate of increase in the rate of heat release according to the state quantity in the combustion chamber, A NOx generation amount estimation device for an internal combustion engine, characterized in that the NOx generation amount is estimated.
上記NOx発生量推定手段は、燃焼行程時における所定期間における熱発生率の上昇度合いの平均値に対して、燃焼室内の状態量に応じた補正を行うことにより、NOx発生量を推定する構成とされていることを特徴とする内燃機関のNOx発生量推定装置。 In the internal combustion engine NOx generation amount estimation device according to claim 1,
The NOx generation amount estimation means estimates the NOx generation amount by performing correction according to the state quantity in the combustion chamber with respect to the average value of the degree of increase in the heat generation rate during a predetermined period during the combustion stroke. An NOx generation amount estimating apparatus for an internal combustion engine, characterized in that:
上記燃料の燃焼による熱発生率の上昇度合いに対して補正を行う燃焼室内の状態量は、燃料着火時点での燃焼場温度、燃焼室内の酸素濃度、燃焼室内の充填ガス量、燃料の着火時期を少なくとも含んでいることを特徴とする内燃機関のNOx発生量推定装置。 In the internal combustion engine NOx generation amount estimation device according to any one of claims 1 to 4,
The amount of state in the combustion chamber that is corrected for the degree of increase in the heat release rate due to the combustion of the fuel is the combustion field temperature at the time of fuel ignition, the oxygen concentration in the combustion chamber, the amount of charged gas in the combustion chamber, and the timing of fuel ignition An NOx generation amount estimation device for an internal combustion engine characterized by comprising:
上記推定されたNOx発生量が、予め設定されたNOx許容量以下となるように燃焼室内の酸素濃度を制御する酸素濃度制御手段を備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。 An apparatus for controlling the combustion of fuel based on the NOx generation amount estimated by the NOx generation amount estimation device for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5,
An internal combustion engine control apparatus comprising oxygen concentration control means for controlling the oxygen concentration in the combustion chamber so that the estimated NOx generation amount is equal to or less than a preset NOx allowable amount.
上記酸素濃度制御手段は、上記推定されたNOx発生量がNOx許容量を超えている場合には燃焼室内の酸素濃度を低下させる制御を実行する構成とされていることを特徴とする内燃機関の制御装置。 The control apparatus for an internal combustion engine according to claim 6,
The oxygen concentration control means is configured to execute control to reduce the oxygen concentration in the combustion chamber when the estimated NOx generation amount exceeds the NOx allowable amount. Control device.
上記酸素濃度調整手段は、排気系に排出された排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気還流装置による排気還流量を増量するものであることを特徴とする内燃機関の制御装置。 The control apparatus for an internal combustion engine according to claim 6 or 7,
The control apparatus for an internal combustion engine, wherein the oxygen concentration adjusting means increases an exhaust gas recirculation amount by an exhaust gas recirculation device that recirculates a part of the exhaust gas discharged to the exhaust system to the intake system.
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