JP2013068204A - Control method of fuel injection device, internal combustion engine, and vehicle mounted with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、背反する熱効率、排出ガス、及び燃焼音を同時に改善する最適噴射形態で燃料を噴射する燃料噴射装置の制御方法、内燃機関、及びそれを搭載した車両に関する。 The present invention relates to a control method for a fuel injection device that injects fuel in an optimal injection mode that simultaneously improves contradictory thermal efficiency, exhaust gas, and combustion noise, an internal combustion engine, and a vehicle equipped with the same.
ディーゼルエンジンの性能改善に対しては、燃料噴射技術の革新が大きく寄与する。一方、市場ニーズとしては、ディーゼルエンジンに対する燃費、排出ガス、及び騒音などの諸性能の一層の改善が求められており、これらの要求に対応するための燃料噴射技術として圧電（ピエゾ）素子により燃料噴射弁を直接駆動する燃料噴射装置（以下、直動ピエゾインジェクタという）が提案されている。ピエゾ素子は応答性に優れ、印加電圧、電流によって素子の伸縮を制御することで、１サイクルあたりの噴射回数、単位時間あたりの噴射量（噴射率）などの燃料噴射形態の調節に関する自由度を向上することができる。 Innovation in fuel injection technology greatly contributes to improving the performance of diesel engines. On the other hand, market needs include further improvements in performance such as fuel consumption, exhaust gas, and noise for diesel engines. As a fuel injection technology to meet these demands, fuel is produced by piezoelectric elements. A fuel injection device that directly drives an injection valve (hereinafter referred to as a direct acting piezo injector) has been proposed. Piezo elements have excellent responsiveness, and control the expansion and contraction of the elements according to applied voltage and current, giving you the freedom to adjust the fuel injection mode, such as the number of injections per cycle and the injection amount (injection rate) per unit time. Can be improved.
排出ガスを改善するには、完全燃焼で発生するＮＯｘ（窒素酸化物）と不完全燃焼で発生するＰＭ（微量粒子）双方の発生を抑えることが必要であり、高圧の燃料を噴射し完全燃焼させることと、噴射を複数回行うことで燃焼室の高温化を防ぐことが有効となる。また、騒音成分のうち燃焼に起因して発生する燃焼音の改善には、燃焼初期の急激なシリンダ内圧力の上昇率を抑制することが有効となる。 In order to improve exhaust gas, it is necessary to suppress both NOx (nitrogen oxide) generated by complete combustion and PM (trace amount particles) generated by incomplete combustion. It is effective to prevent the temperature of the combustion chamber from becoming high by performing the injection several times. In order to improve the combustion noise generated due to combustion among the noise components, it is effective to suppress the rapid increase rate of the cylinder pressure in the early stage of combustion.
よって、直動ピエゾインジェクタを用いて燃費、排出ガス、及び騒音の同時改善を図る場合は、燃料噴射形態として燃料噴射を複数回に分ける多段噴射（以下、マルチ噴射という）や、噴射率を噴射途中で変化させる噴射、所謂ブーツ型噴射（以下、レートシェイプ噴射という）の有効性が知られている。 Therefore, when using a direct-acting piezo injector to simultaneously improve fuel economy, exhaust gas, and noise, the fuel injection mode is divided into multiple injections (hereinafter referred to as “multi-injection”) or an injection rate is injected. The effectiveness of so-called boot-type injection (hereinafter referred to as rate shape injection) that is changed in the middle is known.
レートシェイプ噴射とは、ディーゼルエンジンにおいて噴射期間中の噴射率を制御することである。このレートシェイプ噴射は、直動ピエゾインジェクタの噴射ノズルの開度を調整する方法や、２系統の圧力が異なる燃料回路を途中で切り換える方法などより可能となる。 The rate shape injection is to control the injection rate during the injection period in the diesel engine. This rate shape injection can be performed by a method of adjusting the opening of the injection nozzle of the direct acting piezo injector or a method of switching between two fuel circuits having different pressures.
そこで、そのレートシェイプ噴射を用いて、着火性を向上して排気ガスを低減した装置がある（例えば、特許文献１参照）。ここで、従来のレートシェイプ噴射について、図５を参照しながら説明する。図５の（ａ）に棚付きのブーツ型のレートシェイプ噴射を示し、図５の（ｂ）にスロープ形状のブーツ型のレートシェイプ噴射を示す。 Therefore, there is an apparatus that uses the rate shape injection to improve ignitability and reduce exhaust gas (for example, see Patent Document 1). Here, the conventional rate shape injection will be described with reference to FIG. FIG. 5A shows a boot-type rate shape injection with a shelf, and FIG. 5B shows a slope-type boot-type rate shape injection.
これらのレートシェイプ噴射の狙いは、図５の（ａ）及び（ｂ）に示すように、最初の噴射率（初期噴射率）を低くすることで、急激な燃焼開始を緩和させて燃焼音やＮＯｘ排出を低減し、その後、噴射率を上げることで燃焼速度を向上させて熱効率を改善することにある。 The aim of these rate-shaped injections is to reduce the initial injection rate (initial injection rate) as shown in (a) and (b) of FIG. It is to reduce NOx emission and then increase the injection rate to improve the combustion rate and improve the thermal efficiency.
一方で、マルチ噴射を用いて、燃焼音を低減し、排気ガスを抑制した装置もある（例えば、特許文献参照２、又は３参照）。ここで、従来のマルチ噴射について、図６を参照しながら説明する。このマルチ噴射の噴射率波形３０は、パイロット噴射３１やプレ噴射３２と呼ばれるメイン噴射３３の前に微量の燃料を噴射する手法と、アフター噴射３４やポスト噴射３５と呼ばれるメイン噴射３３の後に燃料を噴射する手法とを組み合わせている。 On the other hand, there is also a device that uses multi-injection to reduce combustion noise and suppress exhaust gas (see, for example, Patent Document 2 or 3). Here, conventional multi-injection will be described with reference to FIG. The injection rate waveform 30 of this multi-injection is a method of injecting a small amount of fuel before the main injection 33 called pilot injection 31 or pre-injection 32, and fuel after the main injection 33 called after-injection 34 or post-injection 35. Combined with spraying technique.
このマルチ噴射を用いた装置は、パイロット噴射３１やプレ噴射３２を行うことによっ
て、着火直前に燃料と空気との混合を促進し、また、微量の燃料を燃やす予備的な燃焼により、メイン噴射時の拡散燃料を活発化、燃料を噴射してから着火するまでの着火遅れ時間を短縮することができる。これにより、ＮＯｘの発生を抑制すると共に燃焼音や振動を低減することができる。
This apparatus using multi-injection promotes mixing of fuel and air immediately before ignition by performing pilot injection 31 and pre-injection 32, and also performs pre-combustion to burn a small amount of fuel during main injection. The diffusion delay time from the injection of the fuel to the ignition can be shortened. Thereby, generation | occurrence | production of NOx can be suppressed and a combustion sound and a vibration can be reduced.
また、アフター噴射３４やポスト噴射３５を行うことによって、エンジンから排出される微小粒子（ＰＭ）を大気に放出する前にフィルタで捕集するディーゼルパティキュレートフィルター（以下、ＤＰＦという）のフィルタ温度を昇温させ、堆積したＰＭを再燃焼させて、除去することができる。さらに、エンジンから排出されるＮＯｘをＮ２（窒素）に戻して放出する排出ガス後処理システムのＳＣＲのＮＯｘ吸着触媒の周辺のＯ２（酸素）を極力減らし、燃料を過剰状態にすることができる。 Further, by performing after injection 34 or post injection 35, the filter temperature of a diesel particulate filter (hereinafter referred to as DPF) that collects fine particles (PM) discharged from the engine by a filter before being released to the atmosphere is reduced. The temperature can be raised and the deposited PM can be reburned and removed. Furthermore, it is possible to reduce the O 2 (oxygen) around the NOx adsorption catalyst of the SCR of the exhaust gas aftertreatment system that discharges NOx discharged from the engine back to N 2 (nitrogen) and to make the fuel excessive. it can.
しかしながら、前述のレートシェイプ噴射やマルチ噴射を行う装置などで、燃費（熱効率）、排出ガス（すす排出量）、及び燃焼音の改善を考える場合に、燃焼音を改善するとすす排出量が増加するなど、それぞれが背反する場合がある。また、この同時改善を燃料噴射形態の最適化によって実現する場合、直動ピエゾインジェクタのような噴射形態の自由度が高い燃料噴射装置を採用することが有効であるが、自由度が高い反面、無数に実施が可能である噴射形態の中から最適な噴射形態を見出すことが課題となっている。 However, in the case of improving the fuel consumption (thermal efficiency), exhaust gas (soot emission), and combustion noise in the above-described apparatus that performs rate shape injection and multi-injection, soot emission increases when combustion noise is improved. Etc., each may be contradictory. Moreover, when realizing this simultaneous improvement by optimizing the fuel injection form, it is effective to adopt a fuel injection device having a high degree of freedom of the injection form such as a direct-acting piezo injector, but the degree of freedom is high, Finding the optimum injection form from among the injection forms that can be implemented innumerably has become a problem.
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、マルチ噴射と複数回のレートシェイプ噴射を組み合わせた最適な燃料噴射形態を算出して、燃費、排出ガス、及び燃焼音を同時に改善することができる燃料噴射装置の制御方法、内燃機関、及びそれを搭載した車両を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to calculate an optimal fuel injection mode that combines multi-injection and multiple rate-shape injections, and to calculate fuel consumption, exhaust gas, and combustion noise. It is providing the control method of the fuel-injection apparatus which can improve simultaneously, an internal combustion engine, and a vehicle carrying the same.
上記の目的を解決するための本発明の燃料噴射装置の制御方法は、１燃焼サイクルあたりに複数回噴射し、主噴射より早期に１回以上のパイロット噴射を行い、主噴射より晩期に１回以上のポスト噴射を行う燃料噴射装置の制御方法において、内燃機関の運転条件、気筒内へ吸入される燃料の条件、及び使用燃料の性状に応じて、予め前記パイロット噴射の回数と噴射量、前記主噴射の回数と噴射量、及び、前記ポスト噴射の回数と噴射量を設定して、熱効率を最大、排出ガス成分を最小、及び燃焼音を最小とする最適噴射形態を算出し、前記燃焼噴射装置が、前記最適噴射形態に基づいて、前記主噴射として噴射率を噴射途中で変化させる噴射を２回以上行うことを特徴とする方法である。 In order to solve the above-mentioned object, the control method of the fuel injection device of the present invention injects a plurality of times per combustion cycle, performs one or more pilot injections earlier than the main injection, and once later than the main injection. In the control method of the fuel injection device that performs the post injection described above, the number of pilot injections and the injection amount in advance according to the operating conditions of the internal combustion engine, the conditions of the fuel sucked into the cylinder, and the properties of the fuel used, The number of main injections and the injection amount, and the number of post-injections and the injection amount are set to calculate the optimal injection mode that maximizes thermal efficiency, minimizes exhaust gas components, and minimizes combustion noise. The apparatus is characterized in that, based on the optimum injection mode, the injection is performed twice or more as the main injection to change the injection rate during the injection.
この方法によれば、マルチ噴射と、２回以上のレートシェイプ噴射（噴射率を噴射途中で変化させる噴射）とを組み合わせて算出される最適噴射率形態に基づく燃料噴射を行うことにより、熱効率を最大、排出ガス成分を最小、及び燃料音を最小にすることができる。これまで、マルチ噴射の主噴射として矩形状の噴射率波形を用いることが多かったが、主噴射として、スロープ状のブーツ型の噴射率波形を有するレートシェイプ噴射を複数回行うことで、より熱効率を向上すると共に、主噴射を複数回に分けることで燃焼室の高温化を防ぐことができる。さらに、前述したように、初期の噴射率を低くするレートシェイプ噴射により、急激な燃焼を抑制し、燃焼音を低減し、ＮＯｘの発生を抑制することができる。 According to this method, thermal efficiency is improved by performing fuel injection based on the optimum injection rate form calculated by combining multi-injection and two or more rate shape injections (injections that change the injection rate during the injection). Maximum, exhaust gas components can be minimized, and fuel noise can be minimized. Until now, the rectangular injection rate waveform was often used as the main injection of the multi-injection, but as the main injection, more efficient thermal efficiency can be achieved by performing rate shape injection having a sloped boot-type injection rate waveform multiple times. In addition, it is possible to prevent the combustion chamber from becoming hot by dividing the main injection into a plurality of times. Furthermore, as described above, rapid combustion can be suppressed, combustion noise can be reduced, and generation of NOx can be suppressed by rate shape injection that lowers the initial injection rate.
また、上記の燃料噴射装置の制御方法において、前記最適噴射形態を算出する行程が、内燃機関の運転条件、気筒内へ吸入される燃料の条件、及び使用燃料の性状に応じて、前記パイロット噴射の回数と噴射量、前記主噴射の回数と噴射量、及び、前記ポスト噴射の回数と噴射量を設定して、比較用噴射形態を生成する生成工程と、前記比較用噴射形態に従って前記燃料噴射装置が燃料を噴射した場合をシミュレートして、少なくとも熱効率、排出ガス成分、及び燃焼音を目的関数として算出する目的関数算出工程と、前記生成工程と前記目的関数算出工程を繰り返して、前記比較用噴射形態の中から前記熱効率を最大、排出ガス成分を最小、及び燃焼音を最小とする前記最適噴射形態を算出する工程と、を含むことを特徴とする。 Further, in the control method for the fuel injection device described above, the process for calculating the optimum injection mode is performed according to the operation condition of the internal combustion engine, the condition of the fuel sucked into the cylinder, and the property of the used fuel. The number of injections and the injection amount, the number of injections and the number of main injections, and the number of post injections and the injection amount are set to generate a comparison injection form, and the fuel injection according to the comparison injection form An objective function calculation step of simulating the case where the device injects fuel, calculating at least thermal efficiency, exhaust gas components, and combustion noise as an objective function, and repeating the generation step and the objective function calculation step, the comparison Calculating the optimum injection mode that maximizes the thermal efficiency, minimizes the exhaust gas component, and minimizes the combustion noise.
この方法によれば、比較用噴射形態を生成した後、その比較用噴射形態に従った燃量噴射によるシリンダ内の燃焼シミュレーションを行うための温度、圧力などの境界条件の予備計算を行う。その後に燃焼シミュレーションとして、燃料噴霧の分散、化学反応、流体力学についての本計算を実施する。その結果として得られる熱効率、排出ガス成分、燃焼音を目的関数として最適化する。上記の方法をくり返して、その中で、熱効率を最大、排出ガス成分を最小、及び燃焼音を最小となる最適噴射形態を算出することができる。その最適噴射形態に従って、燃料を噴射すると、相反する燃費、排出ガス、及び燃焼音の問題を同時に改善することができる。 According to this method, after the comparison injection form is generated, preliminary calculation of boundary conditions such as temperature and pressure for performing a combustion simulation in the cylinder by the fuel injection according to the comparison injection form is performed. After that, this calculation for dispersion of fuel spray, chemical reaction, and fluid dynamics is performed as a combustion simulation. The resulting thermal efficiency, exhaust gas components, and combustion noise are optimized as objective functions. By repeating the above method, it is possible to calculate the optimum injection mode in which the thermal efficiency is maximized, the exhaust gas component is minimized, and the combustion noise is minimized. When fuel is injected in accordance with the optimum injection mode, conflicting fuel consumption, exhaust gas, and combustion noise problems can be improved at the same time.
また、噴射形態の自由度が高いピエゾインジェクタなどの燃料噴射装置の無数に実施が可能である噴射形態の中から最適な噴射形態を見出すことができる。 Moreover, the optimal injection form can be found out of the injection forms that can be implemented innumerably by fuel injection devices such as a piezo injector having a high degree of freedom in the injection form.
上記の目的を解決するための内燃機関は、１燃焼サイクルあたりに複数回噴射し、主噴射より早期に１回以上のパイロット噴射を行い、主噴射より晩期に１回以上のポスト噴射を行う燃料噴射装置と、該燃料噴射装置を制御する制御装置を備えた内燃機関において、前記制御装置が、内燃機関の運転条件、気筒内へ吸入される燃料の条件、及び使用燃料の性状に応じて、前記パイロット噴射の回数と噴射量、前記主噴射の回数と噴射量、前記ポスト噴射の回数と噴射量を設定して、熱効率を最大、排出ガス成分を最小、及び燃焼音を最小とするように算出された最適噴射形態を予め記憶する手段と、該最適噴射形態に基づいて、前記燃料噴射装置に、前記主噴射として噴射率を噴射途中で変化させる噴射を２回以上行わせる手段を備えて構成される。 An internal combustion engine for solving the above-described object is a fuel that is injected a plurality of times per one combustion cycle, performs one or more pilot injections earlier than the main injection, and performs one or more post injections later than the main injection. In an internal combustion engine comprising an injection device and a control device for controlling the fuel injection device, the control device is responsive to the operating conditions of the internal combustion engine, the conditions of the fuel sucked into the cylinder, and the properties of the fuel used. Set the number of pilot injections and injection quantity, the number of main injections and injection quantity, the number of post injections and injection quantity to maximize thermal efficiency, minimize exhaust gas components, and minimize combustion noise Means for preliminarily storing the calculated optimum injection form, and means for causing the fuel injection device to perform injection for changing the injection rate during the injection two or more times as the main injection based on the optimum injection form. Constitution It is.
この構成によれば、マルチ噴射と複数回の噴射率を噴射途中で変化させるレートシェイプ噴射を組み合わせることで、燃費、排出ガス、燃焼音を同時に改善することができる。 According to this configuration, fuel efficiency, exhaust gas, and combustion noise can be improved at the same time by combining multi-injection and rate-shape injection that changes the injection rate of multiple times during the injection.
また、上記の内燃機関において、前記最適噴射形態を算出する手段が、内燃機関の運転条件、気筒内へ吸入される燃料の条件、及び使用燃料の性状に応じて、前記パイロット噴射の回数と噴射量、前記主噴射の回数と噴射量、及び、前記ポスト噴射の回数と噴射量を設定して、比較用噴射形態を生成する生成手段と、前記比較用噴射形態に従って前記燃料噴射装置が燃料を噴射した場合をシミュレートして、少なくとも熱効率、排出ガス成分、及び燃焼音を目的関数として算出する目的関数算出手段と、前記生成手段と前記目的関数算出手段を繰り返して、前記比較用噴射形態の中から前記熱効率を最大、排出ガスを最小、及び燃焼音を最小とする前記最適噴射形態を算出する手段と、を含む。 Further, in the internal combustion engine, the means for calculating the optimum injection mode may include the number of pilot injections and the injection depending on the operating conditions of the internal combustion engine, the conditions of the fuel sucked into the cylinder, and the properties of the fuel used. Generating means for generating a comparative injection mode by setting the amount, the number of main injections and the injection amount, and the number of post-injections and the injection amount, and the fuel injection device supplies fuel according to the comparative injection mode. An objective function calculation means for simulating the case of injection and calculating at least thermal efficiency, exhaust gas component, and combustion sound as an objective function, the generation means and the objective function calculation means are repeated, and the comparison injection mode Means for calculating the optimum injection mode from which the thermal efficiency is maximized, the exhaust gas is minimized, and the combustion noise is minimized.
この構成によれば、最適噴射形態を最適化する場合に、無数に実施が可能である噴射形態の中から最適な噴射形態を見出すことができる。 According to this configuration, when optimizing the optimum injection form, it is possible to find the optimum injection form from among the injection forms that can be implemented innumerably.
上記の問題を解決するための車両は、上記に記載の内燃機関を搭載して構成される。こ
の構成によれば、燃費を向上し、すす排出量を低減し、及び燃焼音を低減することができる。
A vehicle for solving the above problem is configured by mounting the internal combustion engine described above. According to this configuration, fuel consumption can be improved, soot emission can be reduced, and combustion noise can be reduced.
本発明によれば、マルチ噴射と複数回のレートシェイプ噴射を組み合わせた最適な最適噴射形態を算出して、燃費、排出ガス、及び燃焼音を同時に改善することができる。また、マルチ噴射と複数回のレートシェイプ噴射を組み合わせることで、無数に実施が可能である噴射形態の中から最適な噴射形態を選択することができる。 According to the present invention, it is possible to calculate an optimum optimum injection mode combining multi-injection and a plurality of rate-shape injections, and to simultaneously improve fuel consumption, exhaust gas, and combustion noise. Further, by combining multi-injection and a plurality of rate-shape injections, it is possible to select an optimal injection form from among a number of possible injection forms.
以下、本発明に係る実施の形態の燃料噴射装置の制御方法、内燃機関、及びそれを搭載した車両について、図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態では内燃機関を周知の技術のディーゼルエンジンを例に説明する。 Hereinafter, a control method for a fuel injection device, an internal combustion engine, and a vehicle equipped with the same according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the embodiment, an internal combustion engine will be described using a diesel engine of a well-known technology as an example.
まず、本発明に係る実施の形態の内燃機関の燃焼噴射装置について、図１を参照しながら説明する。図１に示すように、ディーゼルエンジン（内燃機関）のコモンレールシステム１は、燃料タンク２、コモンレール３、高圧ポンプ４、高圧管５、ＥＣＵ（制御装置）６、及び各インジェクタ（燃料噴射装置）ｉ１〜ｉ４を備える。 First, a combustion injection apparatus for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, a common rail system 1 of a diesel engine (internal combustion engine) includes a fuel tank 2, a common rail 3, a high pressure pump 4, a high pressure pipe 5, an ECU (control device) 6, and each injector (fuel injection device) i1. To i4.
このコモンレールシステム１は、燃料タンク２の燃料（軽油）を高圧ポンプ４で高圧化し、その高圧化した軽油を、高圧管５を通してコモンレール３に移送する。そして、ＥＣＵ６により制御された直動ピエゾインジェクタで形成されたインジェクタｉ１〜ｉ４から各気筒に噴射するシステムである。 In the common rail system 1, fuel (light oil) in a fuel tank 2 is increased in pressure by a high-pressure pump 4, and the increased light oil is transferred to a common rail 3 through a high-pressure pipe 5. And it is a system which injects to each cylinder from the injectors i1-i4 formed with the linear motion piezo injector controlled by ECU6.
インジェクタｉ１〜ｉ４は、噴射期間中の噴射率を制御することができるインジェクタであればよく、間接式ピエゾインジェクタやソレノイドインジェクタ、またそれに類するインジェクタのうち、レートシェイプ噴射が可能なインジェクタが好ましい。 The injectors i1 to i4 may be injectors that can control the injection rate during the injection period, and among the indirect piezo injectors, solenoid injectors, and similar injectors, injectors capable of rate shape injection are preferable.
次に、インジェクタｉ１〜ｉ４から噴射される燃料の噴射率波形を示した本発明に係る実施の形態の内燃機関の最適噴射形態１０について、図２を参照しながら説明する。最適噴射形態１０は、パイロット噴射１１ａと１１ｂ、レートシェイプ噴射（主噴射）１２ａと１２ｂ、及びポスト噴射１３を備える。 Next, an optimum injection form 10 of the internal combustion engine according to the embodiment showing the injection rate waveform of the fuel injected from the injectors i1 to i4 will be described with reference to FIG. The optimum injection form 10 includes pilot injections 11 a and 11 b, rate shape injection (main injection) 12 a and 12 b, and a post injection 13.
パイロット噴射１１ａと１１ｂは、レートシェイプ噴射１２ａと１２ｂより早期に行われる燃料噴射である。このパイロット噴射１１ａと１１ｂの総量は５ｍｍ３以下の微量な噴射量とする。図２によると、この噴射量は噴射率を時間で積分した値であり、本発明では、パイロット噴射１１ａと１１ｂ分の積算値が５ｍｍ３以下になるように設定すればよい。ここでは、２回のパイロット噴射１１ａと１１ｂで説明するが、積算値が５ｍｍ３以下であれば、その回数は限定しない。 The pilot injections 11a and 11b are fuel injections performed earlier than the rate shape injections 12a and 12b. The total amount of the pilot injections 11a and 11b is a very small injection amount of 5 mm 3 or less. According to FIG. 2, this injection amount is a value obtained by integrating the injection rate with time, and in the present invention, the integrated value for the pilot injections 11a and 11b may be set to be 5 mm 3 or less. Here, two pilot injections 11a and 11b will be described, but the number of times is not limited as long as the integrated value is 5 mm 3 or less.
このパイロット噴射１１ａと１１ｂによれば、着火直前に燃料の軽油と空気との混合を
促進することができ、また、予備的な燃焼による熱発生より燃焼を緩慢にし、レートシェイプ噴射１２ａと１２ｂの拡散燃料を活発化して、燃料を噴射してから着火するまでの着火遅れ時間を短縮することができる。
According to the pilot injections 11a and 11b, the mixing of the fuel gas oil and the air can be promoted immediately before the ignition, and the combustion is made slower than the heat generation by the preliminary combustion, and the rate-shaped injections 12a and 12b By activating the diffusion fuel, it is possible to shorten the ignition delay time from when the fuel is injected to when the fuel is ignited.
主噴射であるレートシェイプ噴射１２ａと１２ｂの着火が遅れると、シリンダ内に噴射されながら燃えていなかった燃料に、あるタイミングで一気に火が付き、燃焼温度が上昇してしまう。この結果、ＮＯｘの排出が増加し、燃焼音や振動も大きくなってしまう。よって、レートシェイプ噴射１２ａと１２ｂより早期に５ｍｍ３以下の微量な噴射であるパイロット噴射１１ａと１１ｂを行うことで、着火遅れ時間を短縮することができ、ＮＯｘの発生を抑制すると共に、燃焼音や振動を低減することができる。さらに、エンジンが低回転、高負荷時にパイロット噴射１１ａと１１ｂの時期を早めると最大トルクをアップすることもできる。 If the ignition of the rate shape injections 12a and 12b, which is the main injection, is delayed, the fuel that has not been burned while being injected into the cylinder is ignited at a certain timing and the combustion temperature rises. As a result, NOx emissions increase and combustion noise and vibration increase. Therefore, by performing pilot injections 11a and 11b, which are minute injections of 5 mm 3 or less earlier than the rate shape injections 12a and 12b, the ignition delay time can be shortened, generation of NOx is suppressed, and combustion noise is reduced. And vibration can be reduced. Further, the maximum torque can be increased by advancing the timing of the pilot injections 11a and 11b when the engine is running at low speed and high load.
レートシェイプ噴射１２ａと１２ｂは、噴射期間中に噴射率を変化させる噴射率可変噴射であり、最適噴射形態１０の中で、一番噴射量の多い主噴射である。このレートシェイプ噴射１２ａと１２ｂは、前述した通り、初期の噴射率を低くし、その後、噴射率を上げる燃料の噴射である。実施の形態では、２回のレートシェイプ噴射を例に説明するが、２回以上であれば、その回数は限定しない。 The rate shape injections 12 a and 12 b are injection rate variable injections that change the injection rate during the injection period, and are the main injections with the largest injection amount in the optimal injection mode 10. As described above, the rate shape injections 12a and 12b are fuel injections that lower the initial injection rate and then increase the injection rate. In the embodiment, two rate shape injections will be described as an example, but the number of times is not limited as long as it is two times or more.
このレートシェイプ噴射１２ａと１２ｂによれば、最初の噴射率を低くすることで急激な燃焼開始を緩和させて、ＮＯｘ排出や燃焼音を低減し、その後、噴射率を上げることで燃焼速度を向上させて熱効率を向上することができる。また、主噴射であるレートシェイプ噴射を２回に分けて行うことで、急激な燃焼を緩和させて、燃焼速度を向上させることができる。さらに、主噴射を複数回に分割することで、燃焼室の高温化も抑制することができる。これによりＮＯｘの発生を抑制することができる。 According to these rate shape injections 12a and 12b, by reducing the initial injection rate, the rapid start of combustion is mitigated, NOx emission and combustion noise are reduced, and then the injection rate is increased to increase the combustion rate. Heat efficiency can be improved. Further, by performing the rate-shape injection that is the main injection in two steps, rapid combustion can be mitigated and the combustion speed can be improved. Furthermore, by dividing the main injection into a plurality of times, the combustion chamber can be prevented from becoming hot. Thereby, generation | occurrence | production of NOx can be suppressed.
また、レートシェイプ噴射１２ｂは、従来のアフター噴射の役割も果たしている。レートシェイプ噴射１２ａによる燃焼で発生したすすやＣＯを再燃焼することができる。よって、このレートシェイプ噴射１２ｂはレートシェイプ噴射１２ａに近接させることが好ましい。 Further, the rate shape injection 12b also plays a role of conventional after injection. Soot and CO generated by the combustion by the rate shape injection 12a can be recombusted. Therefore, it is preferable that the rate shape injection 12b be close to the rate shape injection 12a.
上記のレートシェイプ噴射１２ａと１２ｂとは、ブーツ型の噴射率波形であればその噴射率波形は限定しないが、好ましくは、前述の図５の（ｂ）に示すスロープ状のブーツ型の噴射率波形が好ましい。つまり図５の（ａ）に示す棚付きブーツ型の噴射率波形の場合では、レートシェイプ噴射１２ａにより筒内温度が上がって、その後の噴射が即着火するような状態であるため、直ぐに着火し急激な燃焼が起きてしまう。そのような状態を回避するため、図５の（ｂ）に示すスロープ状のブーツ型の噴射率波形が好ましい。また、同様の理由から、レートシェイプ噴射１２ａと１２ｂとでは、レートシェイプ噴射１２ｂの方が、レートシェイプ噴射１２ａに比べて、噴射率を低くする時間を長くするとよい。 The rate shape injections 12a and 12b are not limited as long as the injection rate waveform is a boot type injection rate waveform, but preferably the slope type boot type injection rate shown in FIG. A waveform is preferred. That is, in the case of the boot-type injection rate waveform with shelves shown in FIG. 5A, the in-cylinder temperature is increased by the rate shape injection 12a, and the subsequent injection is immediately ignited. Rapid combustion occurs. In order to avoid such a state, a slope-shaped boot-type injection rate waveform shown in FIG. 5B is preferable. For the same reason, in the rate shape injections 12a and 12b, the rate shape injection 12b may have a longer time for lowering the injection rate than the rate shape injection 12a.
ポスト噴射１３は、レートシェイプ噴射１２ａと１２ｂより晩期に行われる噴射である。このポスト噴射１３の総量、及び回数は限定しない。ただし、ポスト噴射１３で噴射される燃料は車両走行には使用されないため、噴射量が多いと燃費が悪くなるため、ＰＭの堆積量を検知して、無駄に排気ガスを高温にしないように最適化する。 The post injection 13 is an injection performed later than the rate shape injections 12a and 12b. The total amount and number of post injections 13 are not limited. However, since the fuel injected by the post-injection 13 is not used for running the vehicle, the fuel consumption deteriorates when the injection amount is large. Therefore, it is optimal to detect the amount of PM accumulation and not wastefully raise the exhaust gas. Turn into.
このポスト噴射１３によれば、高温の排気ガスをＤＰＦへ送ることができ、その高温の排気ガスによってＤＰＦが捕集したＰＭを燃焼し、除去することができる。ポスト噴射１３を複数回行うことで、排出ガスの温度の制御も可能になる。また、エンジンから排出されるＮＯｘをＮ２に戻して放出するＳＣＲのＮＯｘ吸着触媒の周辺のＯ２を極力減らし、燃料を過剰状態にすることができる。 According to the post injection 13, high-temperature exhaust gas can be sent to the DPF, and PM collected by the DPF can be burned and removed by the high-temperature exhaust gas. By performing the post injection 13 a plurality of times, the temperature of the exhaust gas can be controlled. Further, O2 around the NOx adsorption catalyst of the SCR that releases NOx discharged from the engine back to N2 can be reduced as much as possible to make the fuel excessive.
この最適噴射形態１０によれば、背反する熱効率、排出ガス成分、及び燃焼音を同時に改善することができる。 According to this optimum injection mode 10, it is possible to simultaneously improve the contradictory thermal efficiency, exhaust gas components, and combustion noise.
次に、上記の最適噴射形態１０の算出方法について、図３に示すフローチャートを参照しながら説明する。この算出方法は、ＥＣＵ６にプログラムとして組み込んでもよく、また、車外のコンピュータなどで算出し、算出された最適噴射形態１０をＥＣＵ６に記憶させてもよい。 Next, the calculation method of the optimal injection mode 10 will be described with reference to the flowchart shown in FIG. This calculation method may be incorporated in the ECU 6 as a program, or may be calculated by a computer outside the vehicle, and the calculated optimal injection form 10 may be stored in the ECU 6.
最適噴射形態１０の算出方法Ｓ１０は、ディーゼルエンジンの運転条件、気筒内へ吸入される燃料の条件、及び使用燃料の性状に応じて、パイロット噴射の回数と噴射量（５ｍｍ３以下）、レートシェイプ噴射の回数（２回以上）と噴射量と噴射期間中の噴射率、及び、ポスト噴射の回数と噴射量を設定して、比較用噴射形態を生成するステップＳ１１（生成工程）を行う。このステップＳ１１では、予め実験などにより、用意された噴射率波形を組み合わせたものを用いてもよい。 The calculation method S10 for the optimal injection mode 10 is based on the number of pilot injections, the injection amount (5 mm 3 or less), the rate shape, depending on the operating conditions of the diesel engine, the conditions of the fuel sucked into the cylinder, and the properties of the fuel used. Step S11 (generation process) is performed in which the number of injections (two or more), the injection amount, the injection rate during the injection period, the number of post injections, and the injection amount are set, and a comparative injection form is generated. In step S11, a combination of prepared injection rate waveforms may be used through experiments or the like.
次に、初期条件を計算するステップＳ１２を行う。ここでいう初期条件とは、シリンダ内の燃焼シミュレーションを行うための温度、圧力などの境界条件の予備計算であり、吸気弁が閉じた時の筒内圧力と温度、及びパイロット噴射などの各噴射が開始される時の筒内ガス密度などを計算する。 Next, step S12 for calculating initial conditions is performed. The initial conditions mentioned here are preliminary calculations of boundary conditions such as temperature and pressure for simulating combustion in the cylinder. In-cylinder pressure and temperature when the intake valve is closed and each injection such as pilot injection In-cylinder gas density etc. is calculated when starting.
次に、ステップＳ１２で計算された初期条件を基に、シリンダ内の燃焼シミュレーションを行うステップＳ１３を行う。このステップＳ１３では、様々な燃焼シミュレーションを行うことができる。例えば、燃料噴霧の分散のシミュレーションとして、流体噴流の微粒化過程をモデル化して計算する工程、化学反応のシミュレーションとして、燃料である軽油の酸化反応をモデル化して計算する工程、または、流体力学のシミュレーションとして、筒内のガス流動及び燃料液滴の運動をモデル化して計算する工程がある。 Next, based on the initial condition calculated in step S12, step S13 for performing a combustion simulation in the cylinder is performed. In this step S13, various combustion simulations can be performed. For example, a process of modeling and calculating the atomization process of a fluid jet as a simulation of dispersion of fuel spray, a process of modeling and calculating an oxidation reaction of light oil as a fuel, or a fluid dynamics simulation as a simulation of a chemical reaction As the simulation, there is a process of modeling and calculating the gas flow in the cylinder and the movement of the fuel droplet.
次に、ステップＳ１３の結果から、熱効率、排出ガス成分、及び燃焼音を目的関数として算出するステップＳ１４（目的関数算出工程）を行う。このステップＳ１４では、熱効率を、供給された燃料に対し、ステップＳ１３の燃焼シミュレーションで発生した有効仕事の割合を計算し、算出する。また、排出ガス成分を、ステップＳ１３の燃焼シミュレーションで計算された排出ガス成分毎の生成モデルを用いて算出する。さらに、燃焼音を、ステップＳ１３の燃焼シミュレーションでの筒内圧を周波数分析し、筒内圧と燃焼音との伝達関数を用いて算出する。 Next, step S14 (objective function calculating step) is performed in which the thermal efficiency, the exhaust gas component, and the combustion sound are calculated as objective functions from the result of step S13. In step S14, the thermal efficiency is calculated by calculating the ratio of the effective work generated in the combustion simulation in step S13 to the supplied fuel. Further, the exhaust gas component is calculated using the generation model for each exhaust gas component calculated in the combustion simulation in step S13. Further, the combustion sound is calculated by frequency analysis of the in-cylinder pressure in the combustion simulation in step S13 and using a transfer function between the in-cylinder pressure and the combustion sound.
次に、ステップＳ１３のシミュレーションが１回目か否かを判断するステップＳ１５を行う。比較用噴射形態であれば、次の噴射率波形を変更するステップＳ１６へと進む。このステップＳ１６では、比較用噴射形態の噴射率波形を基に、パイロット噴射の回数と噴射量（５ｍｍ３以下）、レートシェイプ噴射の回数（２回以上）と噴射量と噴射期間中の噴射率、及び、ポスト噴射の回数と噴射量を変更する。 Next, step S15 for determining whether or not the simulation in step S13 is the first time is performed. If it is the comparative injection mode, the process proceeds to step S16 where the next injection rate waveform is changed. In this step S16, the number of pilot injections and the injection amount (5 mm 3 or less), the number of rate shape injections (two or more), the injection amount, and the injection rate during the injection period based on the injection rate waveform of the comparative injection mode. And the number of post injections and the injection amount are changed.
変更された噴射形態を用いてステップＳ１２、ステップＳ１３、及びステップＳ１４を行う。そして、次に、熱効率が前回までの結果の中で最大か否かを判断するステップＳ１７を行う。否であれば、ステップＳ１６へ戻る。 Step S12, step S13, and step S14 are performed using the changed injection form. And next, step S17 which judges whether thermal efficiency is the maximum in the result until the last time is performed. If not, the process returns to step S16.
熱効率が前回までの結果の中で最大と判断されると、次に、排出ガス成分が前回までの結果の中で最小か否かを判断するステップＳ１８を行う。否であれば、ステップＳ１６へ戻る。排出ガス成分が前回までの結果の中で最小と判断されると、次に、燃焼音が前回までの結果の中で最小か否かを判断するステップＳ１９を行う。否であれば、ステップＳ１
６へ戻る。
If it is determined that the thermal efficiency is the maximum among the results up to the previous time, then step S18 is performed to determine whether or not the exhaust gas component is the minimum among the results up to the previous time. If not, the process returns to step S16. If it is determined that the exhaust gas component is the minimum among the results up to the previous time, then step S19 is performed to determine whether or not the combustion sound is the minimum among the results up to the previous time. If not, step S1
Return to 6.
上記のように、ステップＳ１３の燃焼シミュレーションを行い、ステップＳ１４で算出される熱効率、排出ガス成分、及び燃焼音の目的関数を前回までの結果と比較していき、熱効率が最大、排出ガス成分が最小、及び燃焼音が最小となると完了する。この算出方法Ｓ１０により、算出された波形が最適燃焼波形１０となる。 As described above, the combustion simulation in step S13 is performed, and the objective function of the thermal efficiency, exhaust gas component, and combustion sound calculated in step S14 is compared with the previous results. It is completed when the minimum and combustion noise are minimized. By this calculation method S10, the calculated waveform becomes the optimum combustion waveform 10.
上記の算出方法Ｓ１０によれば、マルチ噴射と複数回のレートシェイプ噴射とを組み合わせることで、無数に実施が可能である噴射形態の中から、熱効率が最大、排出ガス成分が最小、及び燃焼音が最小となる最適な燃料噴射形態を算出することができる。また、運転条件や燃料の性状などの使用条件が変わっても、その条件に合わせて最適な燃料噴射形態を算出することができる。加えて、算出方法Ｓ１０を、ＥＣＵ６にプログラムとして組み込むと、常に、最適な燃料噴射形態で燃料を噴射することができる。 According to the calculation method S10 described above, the thermal efficiency is the maximum, the exhaust gas component is the minimum, and the combustion noise from among the injection modes that can be implemented innumerably by combining the multi-injection and the plurality of rate-shape injections. It is possible to calculate an optimal fuel injection mode that minimizes. Even if operating conditions and usage conditions such as fuel properties change, an optimal fuel injection mode can be calculated in accordance with the conditions. In addition, when the calculation method S10 is incorporated into the ECU 6 as a program, it is always possible to inject fuel in an optimal fuel injection mode.
次に、本発明の実施の形態の内燃機関の燃料噴射装置の制御方法について説明する。ＥＣＵ６は、インジェクタｉ１〜ｉ４を上記の算出方法Ｓ１０で算出された最適噴射形態１０に基づいて制御して、各気筒へ燃料を噴射する。これにより、燃費を向上し、すす排出量を低減し、及び燃焼音を低減することができる。 Next, the control method of the fuel injection device for the internal combustion engine according to the embodiment of the present invention will be described. The ECU 6 controls the injectors i1 to i4 based on the optimal injection mode 10 calculated by the calculation method S10, and injects fuel into each cylinder. Thereby, fuel consumption can be improved, soot emission can be reduced, and combustion noise can be reduced.
上記の最適燃料噴射率波形１０に基づいて燃料を噴射するディーゼルエンジンを搭載した車両の熱効率、すす排出量（ＮＯｘ排出量とＰＭ排出量を含む）、及び燃焼音の結果を従来のものと比較した表を、図５に示す。従来のものに比べて、熱効率は、１．８％向上し、すす排出量は、９１％削減し、燃焼音は、２．８ｄＢ低減している。 Compared to the conventional one, thermal efficiency, soot emissions (including NOx emissions and PM emissions), and combustion noise of vehicles equipped with diesel engines that inject fuel based on the optimal fuel injection rate waveform 10 above The table is shown in FIG. Compared with the conventional one, thermal efficiency is improved by 1.8%, soot emission is reduced by 91%, and combustion noise is reduced by 2.8 dB.
本発明の内燃機関は、熱効率が最大、排出ガス成分が最小、及び燃焼音が最小になる最適噴射形態に基づいて、各気筒に燃料を噴射し、燃費を向上し、また、すす排出量と燃焼音を低減することができるため、特にディーゼルエンジンを搭載した車両に利用することができる。 The internal combustion engine of the present invention injects fuel into each cylinder on the basis of an optimal injection mode in which the thermal efficiency is maximum, the exhaust gas component is minimum, and the combustion noise is minimum, so that fuel consumption is improved, and soot emission amount Since combustion noise can be reduced, it can be used particularly for vehicles equipped with diesel engines.
１ コモンレールシステム
２ 燃料タンク
３ コモンレール
４ 高圧ポンプ
５ 高圧管
６ ＥＣＵ（制御装置）
ｉ１〜ｉ４ インジェクタ（燃料噴射装置）
１０ 最適噴射形態
１１ａ、１１ｂ パイロット噴射
１２ａ、１２ｂ レートシェイプ噴射（主噴射）
１３ ポスト噴射
1 common rail system 2 fuel tank 3 common rail 4 high pressure pump 5 high pressure pipe 6 ECU (control device)
i1 to i4 injectors (fuel injection devices)
10 Optimal injection modes 11a, 11b Pilot injection 12a, 12b Rate-shaped injection (main injection)
13 Post injection
Claims (5)
内燃機関の運転条件、気筒内へ吸入される燃料の条件、及び使用燃料の性状に応じて、予め前記パイロット噴射の回数と噴射量、前記主噴射の回数と噴射量、及び、前記ポスト噴射の回数と噴射量を設定して、熱効率を最大、排出ガス成分を最小、及び燃焼音を最小とする最適噴射形態を算出し、
前記燃焼噴射装置が、前記最適噴射形態に基づいて、前記主噴射として噴射率を噴射途中で変化させる噴射を２回以上行うことを特徴とする燃料噴射装置の制御方法。 In a control method of a fuel injection device that injects a plurality of times per combustion cycle, performs one or more pilot injections earlier than the main injection, and performs one or more post injections later than the main injection,
Depending on the operating conditions of the internal combustion engine, the conditions of the fuel sucked into the cylinder, and the properties of the fuel used, the number of pilot injections and the injection amount, the number of main injections and the injection amount, and the post injection Set the number of times and the injection amount to calculate the optimal injection mode that maximizes thermal efficiency, minimizes exhaust gas components, and minimizes combustion noise,
A control method for a fuel injection device, wherein the combustion injection device performs injection two or more times as the main injection to change an injection rate during the injection based on the optimum injection mode.
内燃機関の運転条件、気筒内へ吸入される燃料の条件、及び使用燃料の性状に応じて、前記パイロット噴射の回数と噴射量、前記主噴射の回数と噴射量、及び、前記ポスト噴射の回数と噴射量を設定して、比較用噴射形態を生成する生成工程と、
前記比較用噴射形態に従って前記燃料噴射装置が燃料を噴射した場合をシミュレートして、少なくとも熱効率、排出ガス成分、及び燃焼音を目的関数として算出する目的関数算出工程と、
前記生成工程と前記目的関数算出工程を繰り返して、前記比較用噴射形態の中から前記熱効率を最大、排出ガス成分を最小、及び燃焼音を最小とする前記最適噴射形態を算出する工程と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置の制御方法。 The process of calculating the optimum injection mode is:
The number of pilot injections and injection amount, the number of main injections and injection amount, and the number of post injections depending on the operating conditions of the internal combustion engine, the conditions of the fuel sucked into the cylinder, and the properties of the fuel used And a generation step of setting the injection amount and generating a comparative injection form,
An objective function calculation step of simulating the case where the fuel injection device injects fuel according to the comparative injection mode, and calculating at least thermal efficiency, exhaust gas components, and combustion noise as an objective function;
Repeating the generating step and the objective function calculating step to calculate the optimum injection mode that maximizes the thermal efficiency, minimizes exhaust gas components, and minimizes combustion noise from the comparative injection modes. The control method of the fuel-injection apparatus of Claim 1 characterized by the above-mentioned.
前記制御装置が、内燃機関の運転条件、気筒内へ吸入される燃料の条件、及び使用燃料の性状に応じて、前記パイロット噴射の回数と噴射量、前記主噴射の回数と噴射量、前記ポスト噴射の回数と噴射量を設定して、熱効率を最大、排出ガス成分を最小、及び燃焼音を最小とするように算出された最適噴射形態を予め記憶する手段と、該最適噴射形態に基づいて、前記燃料噴射装置に、前記主噴射として噴射率を噴射途中で変化させる噴射を２回以上行わせる手段を備えることを特徴とする内燃機関。 A fuel injection device that performs multiple injections per combustion cycle, performs one or more pilot injections earlier than the main injection, and performs one or more post injections later than the main injection, and a control for controlling the fuel injection device In an internal combustion engine equipped with a device,
The control device determines the number of pilot injections and the injection amount, the number of main injections and the injection amount, the post according to the operating conditions of the internal combustion engine, the conditions of the fuel sucked into the cylinder, and the properties of the fuel used. Based on the optimum injection mode, means for preliminarily storing the optimum injection mode calculated so as to set the number of injections and the injection amount, maximize the thermal efficiency, minimize the exhaust gas component, and minimize the combustion noise An internal combustion engine comprising: means for causing the fuel injection device to perform injection twice or more in which the injection rate is changed during the injection as the main injection.
内燃機関の運転条件、気筒内へ吸入される燃料の条件、及び使用燃料の性状に応じて、前記パイロット噴射の回数と噴射量、前記主噴射の回数と噴射量、及び、前記ポスト噴射の回数と噴射量を設定して、比較用噴射形態を生成する生成手段と、
前記比較用噴射形態に従って前記燃料噴射装置が燃料を噴射した場合をシミュレートして、少なくとも熱効率、排出ガス成分、及び燃焼音を目的関数として算出する目的関数算出手段と、
前記生成手段と前記目的関数算出手段を繰り返して、前記比較用噴射形態の中から前記熱効率を最大、排出ガスを最小、及び燃焼音を最小とする前記最適噴射形態を算出する手段と、を含むことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。 The means for calculating the optimum injection mode is:
The number of pilot injections and injection amount, the number of main injections and injection amount, and the number of post injections depending on the operating conditions of the internal combustion engine, the conditions of the fuel sucked into the cylinder, and the properties of the fuel used Generating means for generating a comparison injection form,
Objective function calculation means for simulating the case where the fuel injection device injects fuel according to the comparative injection mode, and calculating at least thermal efficiency, exhaust gas components, and combustion noise as an objective function;
Means for repeating said generating means and said objective function calculating means to calculate said optimum injection form that maximizes said thermal efficiency, minimizes exhaust gas, and minimizes combustion noise from among said comparative injection forms. The internal combustion engine according to claim 3.
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