JP2016108972A - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高負荷運転状態であっても燃焼音を増大させることなく、排気空燃比をストイキもしくはリッチ雰囲気にしてＮＯｘパージを行う。
【解決手段】 ＮＯｘパージを実施するため、燃焼室５内でストイキもしくはリッチ燃焼を実施する際に、ピストンの圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも進角側に燃焼重心が位置するメイン燃焼（拡散燃焼）が行われるように、メイン噴射時期を設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の燃焼制御装置に関する。

内燃機関（エンジン）の排気通路にＮＯｘ浄化用のＮＯｘ触媒を搭載された車両が実用化されている。近年は、酸素過剰雰囲気であってもＮＯｘを浄化できるＮＯｘ触媒（吸蔵型ＮＯｘ触媒）が開発され、特に、燃焼がリーン空燃比で実施されるディーゼルエンジンでは、排気通路に吸蔵型ＮＯｘ触媒を設けることが知られている（特許文献１参照）。

吸蔵型ＮＯｘ触媒は、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸蔵し、吸蔵したＮＯｘを還元雰囲気でＮ_２として放出する特性を有している。ディーゼルエンジンでは、燃焼がリーン空燃比で実施されるため、吸蔵したＮＯｘを定期的に放出する再生制御（ＮＯｘパージ）が実施される。ＮＯｘパージは、吸蔵型ＮＯｘ触媒をストイキもしくはリッチ雰囲気（Ｏ_２がない状態）にするため、排気中に燃料を添加することが一般的に行われている。

ＮＯｘの浄化性能を向上させるため、エンジンの直後に吸蔵型ＮＯｘ触媒を設置することが行われている。この場合、酸化触媒でＯ_２を消費することができないため、ＮＯｘパージを行うためには、エンジンの筒内でＯ_２を消費するリッチ燃焼を実施することが望ましい。ディーゼルエンジンでリッチ燃焼を実施する場合、燃料を早期にポスト噴射して筒内で燃焼を生じさせる早期ポスト噴射運転が考えられる。また、予混合燃焼によりリッチ燃焼させる予混合燃焼運転が考えられる。

しかし、早期ポスト噴射運転では、スモークが出やすく、排気温度が高くなり、触媒温度が高くなってＮＯｘが放出されやすくなり、特に、高負荷運転状態でのＮＯｘパージの適用が困難である。また、予混合燃焼運転では、長い着火遅れを伴う燃焼になるため、燃焼制御が困難であり、熱発生率が急激に高くなる燃焼であるため、高負荷運転状態でのＮＯｘパージの適用が困難である。更に、予混合燃焼運転は、燃焼音が増大する問題もあった。

特開２００６−２７４９８４号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、高負荷運転状態であっても燃焼音を増大させることなく、排気空燃比をストイキもしくはリッチ雰囲気にして運転を行うことができる内燃機関の燃焼制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の内燃機関の燃焼制御装置は、内燃機関の燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射手段と、前記燃料噴射手段の燃料の噴射時期を設定する制御手段を備え、前記制御手段は、前記燃焼室内でストイキもしくはリッチ燃焼を行う際に、ピストンの圧縮上死点よりも進角側に燃焼重心が位置する進角燃焼を行わせるように、燃料の噴射時期を設定することを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、ピストンの圧縮上死点よりも進角側に燃焼重心が位置する進角燃焼を行わせるように、燃料の噴射時期を設定するので、進角燃焼は、熱発生率のピークが圧縮上死点の前になり、燃料の噴射が終了する前に燃焼が開始される拡散燃焼となり、熱発生率の立ち上がりが緩やかで低い燃焼音とすることができる。

そして、燃焼室の容積が小さいところでの燃焼となるため、筒内の圧力・温度が高くなり、スモークの発生を抑制することができる。また、エンジンとしては負の仕事になるが、トルクを発生させるために燃料噴射量を増やす制御となり、リッチ雰囲気を作りやすくなる。

因みに、特許第５１２６４２１号公報には、燃料噴射時期を進角させる点が開示されている。しかし、特許公報に開示された技術は、予混合燃焼領域の２つの噴射のうちの一つを進角させて予混合燃焼量を変化させ、排気性能を向上させた技術であり、熱発生率の波形の重心である燃焼重心は、ピストンの圧縮上死点よりも遅角側に位置する燃焼の技術となっているため、本願発明とは異なる技術である。

このため、高負荷運転状態であっても燃焼音を増大させることなく、排気空燃比をストイキもしくはリッチ雰囲気にして運転を行うことが可能になる。

そして、請求項２に係る本発明の内燃機関の燃焼制御装置は、請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記制御手段は、前記進角燃焼の終了が、ピストンの圧縮上死点よりも遅角側になるように、燃料の噴射時期を設定することを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、進角燃焼の終了がピストンの圧縮上死点よりも遅角側になるようにしているので、圧縮上死点をまたいで燃焼が実施され、意図しない運転になることがない。

また、請求項３に係る本発明の内燃機関の燃焼制御装置は、請求項１もしくは請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記制御手段は、前記進角燃焼を行うための燃料の噴射に先立ち、第１噴射を行う第１噴射時期を設定することを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、進角燃焼に先立って第１噴射による燃焼が実施されるため、進角燃焼の拡散燃焼が確実になる。

また、請求項４に係る本発明の内燃機関の燃焼制御装置は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記内燃機関には、排気を吸気系に循環させる排気循環手段が備えられ、前記制御手段は、前記燃焼室内でストイキもしくはリッチ燃焼を行う際に、前記排気循環手段による排気の循環を停止させることを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、燃焼室内でストイキもしくはリッチ燃焼を行う際に、排気循環手段による排気の循環を停止させるので、新気量を減らす場合に燃焼室内の排気成分が増加することがなく、スモークの発生の虞がない。

また、請求項５に係る本発明の内燃機関の燃焼制御装置は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記制御手段は、前記燃焼室内でストイキもしくはリッチ燃焼を行う際に、新気の導入量を減少させることを特徴とする。

請求項５に係る本発明では、燃焼室内でストイキもしくはリッチ燃焼を行う際に、新気の導入量を減少させるので、ストイキもしくはリッチ燃焼を容易に実施することができる。

また、請求項６に係る本発明の内燃機関の燃焼制御装置は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記内燃機関は、圧縮着火機関であり、前記進角燃焼は、主燃料を噴射することによる燃焼であることを特徴とする。

請求項６に係る本発明では、圧縮着火機関で主燃料を噴射することにより、燃焼室内でストイキもしくはリッチ燃焼を行うことができる。

また、請求項７に係る本発明の内燃機関の燃焼制御装置は、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記内燃機関には排気浄化触媒が備えられ、前記制御手段の制御による、前記燃焼室内でのストイキもしくはリッチ燃焼は、前記排気浄化触媒を再生するための運転であることを特徴とする。

請求項７に係る本発明では、排気浄化触媒を再生するために、燃焼室内でのストイキもしくはリッチ燃焼を行うことができる。

例えば、吸蔵型ＮＯｘ触媒が備えられ、吸蔵したＮＯｘを定期的に放出する再生制御（ＮＯｘパージ）を実施するときに、燃焼室内でストイキもしくはリッチ燃焼を行う運転を行うようになっている。ＮＯｘパージの他に、燃焼室内でストイキもしくはリッチ燃焼を行う運転は、排気浄化触媒を昇温させて硫黄成分の放出運転を行う場合に適用することも可能である。

本発明の内燃機関の燃焼制御装置は、高負荷運転状態であっても燃焼音を増大させることなく、排気空燃比をストイキもしくはリッチ雰囲気にして運転を行うことが可能になる。

本発明の一実施例に係る燃焼制御装置を備えた内燃機関の系統を表す概略構成図である。 燃焼状況の経時変化を説明するグラフである。

図１、図２に基づいて本発明の一実施例を説明する。
図１には本発明の一実施例に係る燃焼制御装置を備えた内燃機関の系統を表す概略構成を示してある。また、図２には燃焼状況の経時変化を示してあり、図２（ａ）は燃料噴射信号の経時変化、図２（ｂ）は熱発生率の経時変化、図２（ｃ）は筒内圧力の経時変化を示してある。

図１に示すように、車両に搭載される内燃機関としての多気筒ディーゼルエンジン（エンジン）１のシリンダブロック２のボア内にはピストン３が往復動自在に備えられ、ピストン３とシリンダヘッド４との間で燃焼室５が形成されている。ピストン３はコンロッド６を介してクランクシャフト７に接続され、ピストン３の往復運動によってクランクシャフト７が駆動される。

シリンダヘッド４には吸気ポートを介して吸気マニホールド１１を含む吸気管１２が接続されている。吸気ポートは吸気バルブにより開閉される。また、シリンダヘッド４には排気ポートを介して排気マニホールド１３を含む排気管１４が接続されている。排気ポートは排気バルブにより開閉される。

シリンダヘッド４には各気筒の燃焼室５に燃料を直接噴射する電子制御式の燃料噴射弁１０が設けられ、燃料噴射弁１０には図示しないコモンレールから燃料が供給される。コモンレールでは燃料が所定の燃圧に調整され、燃料噴射弁１０には所定の燃圧に制御された高圧燃料が供給される。

吸気管１２及び排気管１４の途中部にはターボチャージャ１５が設けられ、ターボチャージャ１５は排気管１４側にタービンが備えられ、タービンに連結されたコンプレッサが吸気管１２側に備えられている。エンジン１の排気ガスが排気管１４からターボチャージャ１５に送られると、排気ガスの流れによりタービンが回転し、タービンの回転に伴ってコンプレッサが回転して吸気管１２内の吸気が過給される。

ターボチャージャ１５の下流側の吸気管１２にはインタークーラ１６が配され、過給された吸気はインタークーラ１６で冷却されて燃焼室５に送られる。インタークーラ１６の下流側の吸気管１２には、吸気管１２を開閉するスロットルバルブ１７が設けられている。図示は省略したが、スロットルバルブ１７の下流側の吸気管１２には、吸気の温度を検出する吸気温度センサ、吸気マニホールド１１内の圧力を検出するインマニ圧センサが備えられている。

ターボチャージャ１５の上流側の排気管１４にはＥＧＲ管２１の一端が接続され、ＥＧＲ管２１の他端はスロットルバルブ１７の下流側（ターボチャージャ１５の下流側）の吸気管１２に連通している。ＥＧＲ管２１には図示しないＥＧＲクーラが設けられ、ＥＧＲ管２１の吸気管１２との接続部にはＥＧＲバルブ２２が設けられている（排気循環手段）。

ＥＧＲバルブ２２を開くことで、ターボチャージャ１５の上流側の排気管１４を流れる排気ガスの一部がＥＧＲ管２１に導入され、ＥＧＲ管２１に導入された排気ガスはターボチャージャ１５の下流側の吸気管１２に供給される。排気ガスの一部を吸気に還流させることで、エンジン１の燃焼室５内の燃焼温度を低下させ、ＮＯｘの排出量を低減させることができる。

ターボチャージャ１５の下流側の排気管１４には、エンジン１に近接する排気浄化触媒としてＮＯｘ触媒２５が配され、ＮＯｘ触媒２５の下流側には、ディーゼル微粒子捕集フィルター２６が配されている。ディーゼル微粒子捕集フィルター２６には排気管１４が接続され、車両の床下に配される排気管１４には、排気浄化触媒としてＮＯｘ触媒２７が配されている。

車両の床下に配されるＮＯｘ触媒２７に加え、ディーゼル微粒子捕集フィルター２６の上流側に、エンジン１に近接するＮＯｘ触媒２５を備えたので、ＮＯｘの浄化性能を向上させることができる。

ＮＯｘ触媒２５、２７は、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを浄化できるＮＯｘ触媒（吸蔵型ＮＯｘ触媒）であり、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸蔵し、吸蔵したＮＯｘを還元雰囲気でＮ_２として放出する特性を有している。エンジン１はディーゼルエンジンであるため、燃焼がリーン空燃比で実施される。このため、吸蔵したＮＯｘを定期的に放出する再生制御（ＮＯｘパージ）が実施される。ＮＯｘパージは、燃焼室５内でストイキもしくはリッチ燃焼を行うことで実施される。

車両には、制御手段として電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１が備えられ、ＥＣＵ３１には入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置、中央処理装置及びタイマやカウンタ類が備えられている。ＥＣＵ３１にはセンサ類からの情報が入力され、センサ類の情報に基づいて排気循環手段を含むエンジン１の総合的な制御がＥＣＵにより行われる。

そして、ＥＣＵ３１の指令により、ＮＯｘ触媒２５、２７に吸蔵したＮＯｘを定期的に放出する再生制御（ＮＯｘパージ）が実施されるようになっている。即ち、ＥＣＵ３１には、ＮＯｘパージのために、燃焼室５内でストイキもしくはリッチ燃焼を行う状態に燃料噴射時期を設定する機能が備えられている。

ＮＯｘパージの実施のために、燃焼室５内でストイキもしくはリッチ燃焼を行う状態に燃料噴射時期を設定する場合、同時に、新気量を減らすように制御される。新気量を減らす手法として、排気循環手段により排気ガスを吸気系に循環させることが考えられるが、排気ガスを再循環させると、スモークが発生する懸念がある。

このため、新気量を減らすための制御として、ＥＣＵ３１の指令により、ＥＧＲバルブ２２が閉じられると共に、スロットルバルブ１７が絞り制御され、新気量を減らすようにしている。つまり、燃焼室５内でストイキもしくはリッチ燃焼を行う際に、排気循環手段による排気の循環が停止され、新気の導入量が減少される。

上述した燃焼制御装置を備えた内燃機関では、所定の周期でＮＯｘパージを実施するため、燃焼室５内でストイキもしくはリッチ燃焼が実施される。ストイキもしくはリッチ燃焼を実施する際には、ピストン３の圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも進角側に燃焼重心が位置するメイン燃焼（進角燃焼）が行われるように、燃料の噴射時期が設定される。

そして、新気を減少させるため、ＥＧＲバルブ２２が閉じられると共に、スロットルバルブ１７が絞り制御される。

図２を参照してＮＯｘパージの状況を説明する。
図２（ａ）に示すように、ピストン３の圧縮上死点（ＴＤＣ）の近傍でのメイン燃焼に先立って、第１噴射としてプレ噴射が行われる第１噴射時期の信号が立ち上がる。図２（ｂ）に示すように、プレ噴射により予混合燃焼が実施され熱発生率が高くなる。図２（ｃ）に示すように、燃焼室５の筒内圧力が高くなり始める。

その後、図２（ａ）に示すように、ピストン３の圧縮上死点（ＴＤＣ）の近傍で、メイン噴射が行われるメイン噴射時期（燃料の噴射時期）の信号が立ち上がる。図２（ｂ）に示すように、着火遅れが小さく燃料の噴射が終了する前に燃焼が開始する進角燃焼（拡散燃焼）が実施され、熱発生率が高くなる。

熱発生率のピークはピストン３の圧縮上死点（ＴＤＣ）の前になり、進角燃焼（拡散燃焼）の終了、即ち、熱発生率がゼロになる時期は、ピストン３の圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも遅角側になっている。つまり、進角燃焼は、終了がピストン３の圧縮上死点（ＴＤＣ）をまたいで燃焼が実施される。このため、ピストン３の往復移動が適切に行われ、ピストン３が意図しない動きをする虞がない。

上述した進角燃焼（拡散燃焼）は、ピストン３の圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも進角側に燃焼重心が位置するように制御され、メイン噴射時期（燃料の噴射時期）は、進角燃焼（拡散燃焼）が、ピストン３の圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも進角側に燃焼重心が位置するように、燃料の噴射時期が設定されている。

そして、図２（ｃ）に示すように、ピストン３の圧縮上死点（ＴＤＣ）に向かって燃焼室５の筒内圧力が高くなり、圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも遅角側で燃焼室５の筒内圧力がピークとなる。

上述したように、ＮＯｘパージのために、燃焼室５内でストイキもしくはリッチ燃焼を行う際の進角燃焼（拡散燃焼）が、ピストン３の圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも進角側に燃焼重心が位置するように制御されている。

このため、ＮＯｘパージのための運転が、熱発生率の立ち上がりが緩やかな拡散燃焼により実施される。このため、高負荷運転時であっても、低い燃焼音でのＮＯｘパージが可能になる。また、圧縮上死点（ＴＤＣ）付近での燃焼であるため、燃焼時期を遅らせるストイキもしくはリッチ燃焼方法よりも、燃費悪化を抑制できる。

ＮＯｘパージを実施する場合、エンジン１としては負の仕事になるが、トルクを発生させるために燃料噴射量を増やす制御となり、リッチ雰囲気を作りやすくなり、燃焼室５内でストイキもしくはリッチ燃焼を行うには好適となる。そして、燃焼室５の容積が小さいところでの燃焼となるため、筒内の圧力・温度が高くなり、スモークの発生を抑制することができる。

従って、高負荷運転状態であっても燃焼音を増大させることなく、排気空燃比をストイキもしくはリッチ雰囲気にしてＮＯｘパージを行うことが可能になる。

そして、燃焼室５内でストイキもしくはリッチ燃焼を行う際に、ＥＧＲバルブ２２が閉じられると共に、スロットルバルブ１７が絞り制御されて、新気を減らしているため、排気成分が増加せずにスモークの発生の虞がなく、新気の導入量の減少を容易に実施することができる。

尚、上述した実施例は、燃焼室５内でストイキもしくはリッチ燃焼を行う状態に燃料噴射時期を設定する制御として、ＮＯｘパージを例に挙げて説明したが、排気浄化触媒を昇温させて硫黄成分の除去を行う制御に適用することも可能である。

上述した内燃機関の燃焼制御装置では、燃費を悪化させずにスモークの少ない運転で、燃焼室５内でストイキもしくはリッチ燃焼を行うことができる。

本発明は、燃焼室内でストイキもしくはリッチ燃焼を行う内燃機関の燃焼制御装置の産業分野で利用することができる。

１ 多気筒ディーゼルエンジン（エンジン）
２ シリンダブロック
３ ピストン
４ シリンダヘッド
５ 燃焼室
６ コンロッド
７ クランクシャフト
１０ 燃料噴射弁
１１ 吸気マニホールド
１２ 吸気管
１３ 排気マニホールド
１４ 排気管
１５ ターボチャージャ
１６ インタークーラ
１７ スロットルバルブ
２１ ＥＧＲ管
２２ ＥＧＲバルブ
２５、２７ ＮＯｘ触媒
２６ ディーゼル微粒子捕集フィルター
３１ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (7)

1. 内燃機関の燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射手段と、
   前記燃料噴射手段の燃料の噴射時期を設定する制御手段を備え、
   前記制御手段は、
   前記燃焼室内でストイキもしくはリッチ燃焼を行う際に、ピストンの圧縮上死点よりも進角側に燃焼重心が位置する進角燃焼を行わせるように、燃料の噴射時期を設定する
   ことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
   前記制御手段は、
   前記進角燃焼の終了が、ピストンの圧縮上死点よりも遅角側になるように、燃料の噴射時期を設定する
   ことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
3. 請求項１もしくは請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
   前記制御手段は、
   前記進角燃焼を行うための燃料の噴射に先立ち、第１噴射を行う第１噴射時期を設定する
   ことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
   前記内燃機関には、排気を吸気系に循環させる排気循環手段が備えられ、
   前記制御手段は、
   前記燃焼室内でストイキもしくはリッチ燃焼を行う際に、前記排気循環手段による排気の循環を停止させる
   ことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
   前記制御手段は、
   前記燃焼室内でストイキもしくはリッチ燃焼を行う際に、新気の導入量を減少させる
   ことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
   前記内燃機関は、圧縮着火機関であり、
   前記進角燃焼は、主燃料を噴射することによる燃焼である
   ことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
   前記内燃機関には排気浄化触媒が備えられ、
   前記制御手段の制御による、前記燃焼室内でのストイキもしくはリッチ燃焼は、前記排気浄化触媒を再生するための運転である
   ことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
   

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