JP2012140917A - 自動車搭載用ディーゼルエンジン - Google Patents
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Abstract
【解決手段】エンジン1は、少なくとも相対的に低負荷かつ低回転である特定運転状態にあるときに、既燃ガスの一部を気筒11a内に存在させるEGR手段を備える。EGR手段は、少なくともその一部がエンジン1内に形成されかつ、通路長が所定長さ以下のEGR通路51とEGR制御弁51aと制御器10とを含んで構成される。特定運転状態にあるときには、エンジン1は、気筒11a内の全ガス重量Gと燃料の重量Fとの関係が、30≦G/F≦60を満足するように運転され、制御器10は、EGR率が、エンジン1の幾何学的圧縮比εに対して、
(10−α)×(15−ε)+20−α≦EGR率≦60[%]
(但しα=0.2×外気温度[℃])を満たすように、EGR制御弁の開度を制御する。
【選択図】図4
Description
(10−α)×(15−ε)+20−α≦EGR率≦60[%] …(1)
を満たすように(但しα=0.2×外気温度[℃])、前記EGR制御弁の開度を制御する。
16×(15−ε)+20≦θ≦80 [BTDC°CA] …(2)
を満たすように、前記排気弁の閉弁タイミングを制御する。
10×(15−ε)+15≦θ≦80[BTDC°CA] …(3)
を満たすように、前記排気弁の閉弁タイミングを制御する、としてもよい。
特に低圧縮比エンジン1では、その運転条件や燃料の性状に拘わらず、燃料の着火性を確実に確保するために、エンジン1の幾何学的圧縮比に応じて、着火性の確保に必要となるEGR率を設定している点が特徴的である。ここで、低負荷かつ低回転側の特定運転状態には、エンジン1の始動時が含まれ、この始動時はまた、エンジン1の始動から、エンジン1が吹き上がって回転が安定し、さらにエンジン1の水温が上昇し始めるまで(水温が40〜50℃程度になるまで)の期間を含む。以下、この特徴的なエンジン1の制御について、図を参照しながら説明する。
y=9×(15−ε)+18 …(4a)
は、既燃ガスをEGR通路を介さずに気筒11a内に残留させる、いわゆる内部EGRを利用すると共に、エンジン1をG/Fが30〜60(つまり、45前後)となるように運転した場合に導出されたEGR率の下限値を示している。この下限値以上となるように、EGR率を設定することによって自着火条件が満足する。ここで、「G」は、気筒内の全ガス重量(既燃ガス+新気)であり、「F」は気筒内に供給する燃料量(重量)である。G/Fは、気筒内温度(燃焼温度)とEGR率とに関連するパラメータの1つであり、このG/Fを30〜60に、つまり、45前後に設定することは、煤やNOx等についての排気エミッション性能等を考慮した場合に、適当な値である。尚、G/Fを45前後に設定することは、空気過剰率λをλ=1.1よりも若干リーンな程度に設定することに相当する。
9×(15−ε)+18≦EGR率≦60[%] …(4)
を満足するようにすれば、当該エンジン1は、低圧縮比であっても自着火条件を満足し、エンジン1の運転状態や燃料の性状に拘わらず、燃料の着火性を確実に確保することが可能になる。
y=12×(15−ε)+22 …(5a)
の式は、図3に示すように、シリンダヘッド12内に、可及的に短いEGR通路51を形成して外部EGRガスを利用する場合に必要となるEGR率の下限値である。この例において、EGR通路51の通路長は200〜250mm程度である。この(5a)の式は、前述した内部EGRを利用する場合の、EGR率(x)と気筒11a内の温度上昇(y)との関係における昇温特性を、所定の傾き(a)の一次式で仮定した場合に(y=ax)、前述した放熱により、気筒11a内の温度上昇が75%低下する(傾きが0.75×aになる)と仮定して算出した値である。式(4a)(5a)の比較から、前述の通り、外部EGRを利用する場合は、内部EGRを利用する場合と比べてEGR率の下限値は高くなり、図3に示すEGR通路51を利用する場合は、
12×(15−ε)+22≦EGR率≦60 [%] …(5)
を満足するように、PCM10がEGR制御弁51aの制御を行うことにより、当該エンジン1は、低圧縮比であっても自着火条件を満足し、エンジン1の運転状態や燃料の性状に拘わらず、燃料の着火性を確実に確保することが可能になる。
y=36×(15−ε)+30 …(6a)
の式は、図3に一点鎖線で示すように、EGR通路52をエンジン1の外側に設けた場合、言い換えると、従来のEGR通路構成を利用した場合の、EGR率の下限値である。この場合、EGR通路52が外部に露出していること、及び、その通路長が800〜1000mm程度で比較的長いことが相俟って放熱量が大きくなり、既燃ガスの温度低下が大きくなる。そこで、この従来のEGR通路構成の式(6a)は、気筒11a内の温度上昇分が放熱により25%に低下する(傾きが0.25×a)と仮定して導出している。従って、従来のEGR通路構成では、
36×(15−ε)+30≦EGR率≦60 [%] …(6)
を満足するようにEGR率を設定しなければならない。ここで、図4において明らかなように、幾何学的圧縮比が14以下のエンジン1では、EGR率をどのように設定しようとも着火性を確保し得ない。つまり、従来の外部EGR通路構成は、幾何学的圧縮比が比較的低いエンジン1においては、着火性の確保のために利用することができない。このことは、図3に示すEGR通路51のように、EGR通路の少なくとも一部をエンジン1の内部に形成する構成、及び/又は、EGR通路の通路長を短くすることによって既燃ガスの温度低下を抑制し、熱い既燃ガスを気筒11a内に導入するようにした構成は、比較的低圧縮比のディーゼルエンジン1において、低負荷かつ低回転の特定運転状態にあるときの着火性の確保に、有効に利用することが可能である、と言い換えることができる。
y=(10−α)×(15−ε)+20−α …(5b)
に書き換えられる。但しα=0.2×T[℃]である。従って、図3に示すEGR通路51を利用する場合には、EGR率が、
(10−α)×(15−ε)+20−α≦EGR率≦60[%] …(1)
を満足するように、EGR制御弁51aを設定することにより、低圧縮比エンジン1において、外気温度の高低に拘わらず、着火性を確実に確保することが可能になる。
実施形態1では、EGR通路51,53を介して既燃ガスを気筒11a内に導入することで所望のEGR率を達成し、その着火性を確保するようにしていたが、これとは異なり、内部EGRガスによって所望のEGR率を達成し着火性を確保することも可能である。内部EGRの実現に際しては種々な方法を採用し得るが、ここでは、排気弁22の早閉じによって内部EGRを実現する。つまり、排気行程乃至吸気行程において吸気弁21及び排気弁22の双方を閉じるネガティブオーバーラップ期間を設けて、既燃ガスを気筒11a内に残留させる。
y=16×(15−ε)+20 …(2a)
の式は排気弁22の閉弁タイミングの下限値を示している。この下限値は、スロットル弁36を絞らずかつ、排気シャッターバルブ43を閉じない条件下での下限値である。スロットル弁36を絞らないことにより吸気負圧が減るため、EGR通路52を介して気筒11a内の導入される外部EGRガス量は相対的に少なくなるから、要求されるEGR率を達成するために内部EGRガス量を増やさなければならない。また、排気シャッターバルブ43を閉じない条件下では、エンジン1の背圧が低いため、排気弁22の閉弁タイミングを早めないと必要量の既燃ガスを気筒11a内に残存させることができなくなる。従って、スロットル弁36を絞らずかつ、排気シャッターバルブ43を閉じない条件下では、排気弁22の閉弁タイミングは比較的早く設定されることになる。
y=6×(15−ε)+10 …(7)
の式は、排気側の圧力を、理論上の臨界圧力と仮定した場合の、排気弁22の閉弁タイミングの下限値である。これに対し、実用的な場合として、排気シャッターバルブ43を、排気が漏れる程度に閉じたとき(排気シャッターバルブ43を部分的に開いているときと言い換えることも可能であり、この状態を以下においては単に、排気シャッターバルブ43を閉じたとき、という)の閉弁タイミングの下限値は、図7において、
y=10×(15−ε)+15 …(3a)
で示される。式(2a)と式(3a)との比較より、排気シャッターバルブ43を閉じてエンジン1の背圧を高めることにより、排気弁22の閉弁タイミングが同じであっても気筒内に残存する既燃ガスの量は増加するから、排気シャッターバルブ43を閉じたときは、排気シャッターバルブ43を開いているときと比較して、排気弁22の閉弁タイミングの下限値を遅くし得ることになる。このことは特に、エンジン1の幾何学的圧縮比が低くなるほどEGR率を高める必要があるため、有利になる。つまり、吸気側及び排気側のVVT71の機構上の制約により、排気弁22の、進角側の閉弁タイミングは、所定のタイミングに規制されると共に、シリンダヘッド12の底面形状やピストン14の頂面形状によって規定される燃焼室の形状に基づき、排気弁22とピストン14との干渉を回避するためにも、排気弁22の、進角側の閉弁タイミングは、所定のタイミングに規制される。ここで、排気弁22の閉弁タイミングの限界が、例えば40BTDC°CAであると仮定する。この場合において、幾何学的圧縮比εが例えば14のエンジンでは、式(2a)の下限値は、40BTDC°CA以下になるため、排気シャッターバルブ43を閉じなくても(又は、排気シャッターバルブ43が無くても)、排気弁22の閉弁タイミングの制御のみで所望の圧縮端温度を達成して、着火性を確保することが可能になる。これに対し、幾何学的圧縮比εが例えば13のエンジンでは、式(2a)の下限値は、40BTDC°CAを超えるため、排気弁22の閉弁タイミングの制御のみでは、所望の圧縮端温度を達成することができない。この場合、排気シャッターバルブ43を閉じて、要求される閉弁タイミングの下限値を下げることは、着火性を確保すること上で、極めて有効である。すなわち、排気シャッターバルブ43の制御と、排気弁22の閉弁タイミングの制御との組み合わせは、特に幾何学的圧縮比が低いエンジン1において、低負荷かつ低回転の特定運転状態での着火性を確保する上で、有効である。
16×(15−ε)+20≦θ≦80 [BTDC°CA] …(2)
を満たすように、排気弁22の閉弁タイミングを制御すればよい。これに対し、排気シャッターバルブ43を閉じている条件下では、式(3a)から
10×(15−ε)+15≦θ≦80 [BTDC°CA] …(3)
を満たすように、排気弁22の閉弁タイミングを制御すればよい。
10 PCM(制御器)
11a 気筒
12 シリンダヘッド
17 排気ポート(排気通路)
22 排気弁
30 吸気通路
34 吸気マニホールド(吸気通路)
37 排気マニホールド(排気通路)
43 排気シャッターバルブ(排気絞り弁)
51 EGR通路
51a EGR制御弁
53 EGR通路
Claims (6)
- 自動車に搭載されかつ軽油を主成分とした燃料が供給される気筒を有すると共に、当該気筒の幾何学的圧縮比εが12以上15以下に設定されたエンジン本体と、
前記エンジン本体が少なくとも相対的に低負荷かつ低回転である特定運転状態にあるときに、既燃ガスの一部を、前記エンジン本体の気筒内に存在させるEGR手段と、を備え、
前記EGR手段は、少なくともその一部が前記エンジン本体の内部に形成されて、排気通路内の既燃ガスの一部を吸気通路に還流させると共に、その通路長が所定長さ以下に設定されたEGR通路と、該EGR通路の途中に介設されかつ、当該EGR通路の既燃ガス流量を調整するEGR制御弁と、該EGR制御弁の開度を制御する制御器と、を含んで構成され、
前記エンジン本体は、前記特定運転状態にあるときには、前記気筒内の全ガス重量Gと前記気筒内に供給される燃料の重量Fとの関係G/Fが、30≦G/F≦60を満足するように運転され、
前記制御器は、前記エンジン本体が前記特定運転状態にあるときには、前記気筒内の全ガスに対する既燃ガスの体積比(既燃ガス量/気筒内の全ガス量)で定義したEGR率[%]が、前記エンジン本体の幾何学的圧縮比εに対して、
(10−α)×(15−ε)+20−α≦EGR率≦60 [%] (但しα=0.2×外気温度[℃])
を満たすように、前記EGR制御弁の開度を制御する自動車搭載用ディーゼルエンジン。 - 請求項1に記載の自動車搭載用ディーゼルエンジンにおいて、
前記EGR率は、
EGR率=吸気中のCO2濃度/排気中のCO2濃度×100 [%]
によって算出される自動車搭載用ディーゼルエンジン。 - 請求項1又は2に記載の自動車搭載用ディーゼルエンジンにおいて、
前記排気通路の一部は、前記エンジン本体の内部に形成されており、
前記EGR通路は、前記エンジン本体内に形成された前記排気通路に接続されている自動車搭載用ディーゼルエンジン。 - 請求項3に記載の自動車搭載用ディーゼルエンジンにおいて、
前記エンジン本体は、気筒列方向に並んだ複数の気筒を有しており、
前記EGR通路の通路長は、前記エンジン本体の前記気筒列方向の長さ以下に設定されている自動車搭載用ディーゼルエンジン。 - 自動車に搭載されかつ軽油を主成分とした燃料が供給される気筒を有すると共に、当該気筒の幾何学的圧縮比εが12以上15以下に設定されたエンジン本体と、
前記エンジン本体が少なくとも相対的に低負荷かつ低回転である特定運転状態にあるときに、既燃ガスの一部を、前記エンジン本体の気筒内に存在させるEGR手段と、を備え、
前記EGR手段は、排気通路と前記気筒との間に介設された排気弁と、前記排気弁の開閉タイミングを制御する制御器と、を含みかつ、当該制御器が、前記排気弁の閉弁タイミングを、上死点よりも所定のクランク角だけ前の排気行程の途中に設定することで、既燃ガスの一部を前記気筒内に残留させるように構成され、
前記エンジン本体は、前記特定運転状態にあるときには、前記気筒内の全ガス重量Gと前記気筒内に供給される燃料の重量Fとの関係G/Fが、30≦G/F≦60を満足するように運転され、
前記制御器は、前記エンジン本体が前記特定運転状態にあるときには、前記排気弁の閉弁タイミングθ[BTDC°CA]が、前記エンジン本体の幾何学的圧縮比εに対して、
16×(15−ε)+20≦θ≦80 [BTDC°CA]
を満たすように、前記排気弁の閉弁タイミングを制御する自動車搭載用ディーゼルエンジン。 - 請求項5に記載の自動車搭載用ディーゼルエンジンにおいて、
前記排気通路には、排気絞り弁が配設されており、
前記制御器は、前記エンジン本体が前記特定運転状態にあって、前記排気絞り弁を所定開度に閉じたときには、前記排気弁の閉弁タイミングθ[BTDC°CA]が、前記エンジン本体の幾何学的圧縮比εに対して、
10×(15−ε)+15≦θ≦80 [BTDC°CA]
を満たすように、前記排気弁の閉弁タイミングを制御する自動車搭載用ディーゼルエンジン。
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