JP2017203403A - Combustion method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エンジンの排気を浄化するLNTのリッチ還元時に空燃比をリッチとしたリッチ燃焼を行う燃焼方法や、DPFのPM再生時にポスト噴射による昇温を行う燃焼方法に関するものである。 The present invention relates to a combustion method that performs rich combustion with rich air-fuel ratio at the time of rich reduction of LNT that purifies engine exhaust, and a combustion method that performs temperature increase by post injection during PM regeneration of DPF.
ディーゼルエンジンの排ガス後処理装置として、DOC(Diesel Oxidation Catalyst;酸化触媒)、NOx吸蔵還元型触媒(LNT:Lean NOx Trap)、DPF(Diesel Particulate Filter;フィルタ)等を、エンジンの排気系に接続して、NOxやPMを除去することが実用化されている。 As exhaust gas aftertreatment devices for diesel engines, DOC (Diesel Oxidation Catalyst), NOx storage reduction catalyst (LNT: Lean NOx Trap), DPF (Diesel Particulate Filter; filter), etc. are connected to the engine exhaust system. Thus, removing NOx and PM has been put into practical use.
LNTは、空燃比をリーン状態(通常燃焼)にしたリーン燃焼で、排ガス中のNOxを吸着又は吸蔵し、空燃比をリッチ状態としたリッチ燃焼で、吸着又は吸蔵されたNOxを、気筒から排ガス中に供給したHC、CO等で還元して無害なガスとする。また、DPFは、排ガス中のPMを捕集し、PM堆積量が一定に達したときに、排ガス中にHCを供給してPMを燃焼させてDPFのPM再生を行う。 LNT is lean combustion with the air-fuel ratio in a lean state (normal combustion), and adsorbs or occludes NOx in the exhaust gas, and in rich combustion with the air-fuel ratio in a rich state, the adsorbed or occluded NOx is exhausted from the cylinder. It is reduced to harmless gas with HC, CO, etc. supplied inside. Further, the DPF collects PM in the exhaust gas, and when the amount of accumulated PM reaches a constant level, the DPF regenerates the DPF by supplying HC into the exhaust gas and burning the PM.
DPFのPM再生や、LNTのリッチ還元のために、排気管へのHC供給手段として、筒内で120°ATDC(After Top Dead Center;上死点後)付近で燃料を噴射するポスト噴射が用いられている。筒内ポスト噴射によりHCを排ガス中に添加する場合、ポスト噴射した燃料は、筒内で各種のHCに分解するものの一部エンジンオイルに混入してオイル希釈を生じる。 Post injection that injects fuel near 120 ° ATDC (after top dead center) in the cylinder is used as HC supply means to the exhaust pipe for PM regeneration of DPF and rich reduction of LNT It has been. When HC is added to exhaust gas by in-cylinder post-injection, the post-injected fuel is decomposed into various HCs in the cylinder but partially mixed with engine oil to cause oil dilution.
ポスト噴射で生じる燃料によるオイル希釈を防止するため、排気管へのHCドージングも使用されている。排気管噴射した燃料は、排気管中の温度で、ある程度分解しHCガス化する。 HC dosing to the exhaust pipe is also used to prevent oil dilution due to fuel generated in post injection. The fuel injected into the exhaust pipe is decomposed to some extent at the temperature in the exhaust pipe and converted to HC gas.
これらポスト噴射や排気管噴射では、纏めると次のような問題がある。 These post injections and exhaust pipe injections have the following problems.
DPFのPM再生ではHCを燃焼させるため、DPFの前にDOCを必要とする。 Since PM regeneration of DPF burns HC, DOC is required before DPF.
また、LNTのリッチ還元では、HCをCOに改質するため、LNTの前にDOCを必要とする。 In addition, LNT rich reduction requires DOC before LNT to reform HC to CO.
120°ATDCでの筒内ポスト噴射は、噴射した燃料の一部がオイルと混ざり、オイルの燃料希釈を生じる問題がある。 In-cylinder post-injection at 120 ° ATDC has a problem that a part of the injected fuel is mixed with oil, resulting in fuel dilution of the oil.
排気管噴射は、HCガス化するためにある程度の温度と時間を必要とする。ガス化が不完全な状態で液滴のまま触媒に到達すると、部分的な酸化が起こりスス(Soot)を生成して触媒閉塞を生じる可能性もある。よって、排気管噴射弁から触媒まで一定の距離を必要とするので、レイアウト的に制約がある。そのため、排気管噴射を使用した場合、その直下に触媒を配置するようなエンジンへの触媒の近接設置は困難である。 Exhaust pipe injection requires a certain amount of temperature and time for HC gasification. When gasification is incomplete and reaches the catalyst in the form of droplets, partial oxidation may occur and soot may be generated, resulting in catalyst clogging. Therefore, since a certain distance is required from the exhaust pipe injection valve to the catalyst, there are restrictions in layout. Therefore, when exhaust pipe injection is used, it is difficult to install the catalyst close to the engine such that the catalyst is disposed immediately below the exhaust pipe injection.
このように、筒内で120°ATDC付近で燃料を噴射するポスト噴射、排気管噴射は、両方共にDOCでHCを燃焼させて昇温するコンセプトのため、DOCを必要とする。また筒内ポスト噴射は、燃料の一部がライナーを伝わりオイルに落下してオイルの燃料希釈が生じた。それを避けるため排気管噴射が開発されたが、触媒の近接配置レイアウトとは両立しない問題がある。 Thus, both post injection and exhaust pipe injection, in which fuel is injected in the vicinity of 120 ° ATDC in the cylinder, is a concept of increasing the temperature by burning HC with DOC, and thus requires DOC. In the cylinder post-injection, part of the fuel traveled down the liner and dropped into the oil, resulting in fuel dilution of the oil. Exhaust pipe injection has been developed to avoid this, but there is a problem incompatible with the close layout of the catalyst.
そこで、本発明の目的は、上記課題の少なくとも一つを解決することにあり、特に、燃料によるオイル希釈を抑制し、燃料分解のためのDOCを不要にし、併せて近接配置を可能にするリッチ燃焼方法やPM再生時の燃焼方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to solve at least one of the above-mentioned problems, and in particular, a rich that suppresses oil dilution by fuel, eliminates the need for DOC for fuel decomposition, and enables close arrangement. It is to provide a combustion method and a combustion method during PM regeneration.
上記目的を達成するために本発明は、エンジンの排気系にNOx吸蔵還元型触媒及びフィルタを備えた排ガス後処理装置が接続され、前記NOx吸蔵還元型触媒のリッチ還元又は前記フィルタのPM再生を行うに際して、前記エンジンの複数の気筒の内、少なくとも1つの気筒で、40−50°ATDCのタイミングで、ポスト噴射を行うことを特徴とする燃焼方法である。 In order to achieve the above object, according to the present invention, an exhaust gas aftertreatment device including a NOx storage reduction catalyst and a filter is connected to an exhaust system of an engine to perform rich reduction of the NOx storage reduction catalyst or PM regeneration of the filter. In performing the combustion, post-injection is performed at a timing of 40-50 ° ATDC in at least one of the plurality of cylinders of the engine.
本発明は、リッチ燃焼やPM再生を行う際に、少なくとも1つの気筒に40−50°ATDCのタイミングで、ポスト噴射を行うことで、燃料によるオイル希釈を抑制し、燃料分解のためのDOCを不要にし、併せて近接配置を可能にできるという優れた効果を発揮する。 In the present invention, when rich combustion or PM regeneration is performed, post-injection is performed on at least one cylinder at a timing of 40-50 ° ATDC, so that oil dilution by fuel is suppressed and DOC for fuel decomposition is reduced. It has an excellent effect of making it unnecessary and enabling close placement.
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。 A preferred embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明で、リッチ燃焼やPM再生を行う際の多気筒ディーゼルエンジン10と、エンジン10の排気系に接続される排ガス後処理装置20の概略を示したものである。
FIG. 1 shows an outline of a multi-cylinder diesel engine 10 when performing rich combustion and PM regeneration and an exhaust
図1において、エンジン10のシリンダブロック11には、気筒11c毎に、クランク軸12とコンロッド13を介して連結されて上下動するピストン14が設けられる。シリンダブロック11上のシリンダヘッド15には、各気筒11c毎に燃料を噴射する燃料インジェクタ16が設けられると共に吸気弁17と排気弁18とが設けられる。また燃料インジェクタ16の近傍には始動時の燃料の着火を促進するためのグロープラグ19が設けられる。
In FIG. 1, a
燃料インジェクタ16には、コモンレール(図示せず)からの高圧の燃料が供給され、ECU(エンジンコントロールユニット)30にて、燃料インジェクタ16が開閉制御されるようになっている。
The
エンジン10への吸気は、ターボチャージャ22のコンプレッサで昇圧され、吸気管23からインタークーラ(図示せず)を通り、吸気スロットルバルブ25で吸気量が調整され、吸気マニホールド26から吸気弁17を介して気筒11cに吸気される。各気筒11cからの排気は、排気弁18を介して排気マニホールド27に排気された後、排気系としての排気管28を通してターボチャージャ22のターボを駆動した後、NOx吸蔵還元型触媒(LNT)とフィルタ(DPF)等からなる排ガス後処理装置20に導入され、そこで排気中のNOxとPM(パティキュレートマター)が除去された後、排気ブレーキバルブ29を通して大気に排気される。
The intake air to the engine 10 is boosted by the compressor of the
また排気マニホールド27の排気の一部は、EGR管31、EGRクーラ(図示せず)、EGR弁32を介して吸気マニホールド26に再循環されるようになっている。
A part of the exhaust gas from the
ECU30には、クランク軸12の回転を検出する回転センサ34の検出値や排気管28に設けられたλセンサ35の検出値が入力される。
The ECU 30 receives the detection value of the rotation sensor 34 that detects the rotation of the
ECU30は、回転センサ34やλセンサ35の検出値やその他のセンサ情報を基に燃料インジェクタ16を制御する。
The ECU 30 controls the
特にECU30は、DPFのPM再生や、LNTのリッチ還元時に、筒内ポスト噴射制御を行うポスト噴射手段を備える。ポスト噴射手段による筒内ポスト噴射は、図示しない差圧センサにより検出されたDPFの前後の差圧に基づいて推定されるDPF内のPM堆積量が設定値に達したとき、或いは推定値であるLNTでのNOx吸蔵量が所定量となったときに行う。
In particular, the
この際、ECU30は、エンジン10の複数の気筒11cの内少なくとも1つの気筒11cでポスト噴射を行う際に、ピストン14のATDC(上死点後)40−50°のクランク角でポスト噴射を行う。
At this time, the ECU 30 performs post injection at a crank angle of 40-50 ° of ATDC (after top dead center) of the
この時、ECU30は、EGR弁32を閉じ(EGRカットし)、吸気スロットルバルブ25の開度を減らして、λセンサ35の検出値を基に吸気量を減らすと共に、燃料インジェクタ16による噴射時期を、吸気量に応じて補正する。この際、回転センサ34の検出値や図示していない筒内圧センサの検出値を使用してポスト噴射時期を補正するのが好ましい。
At this time, the
吸気量が少ない状態でかつ、メイン燃焼が終了した後にポスト噴射することで、筒内の酸素量は少なく、筒内温度も低い雰囲気下で、ポスト噴射燃料が燃焼し、緩慢な低温燃焼状態となり、ススやNOxの排出は抑制されて、未燃ガス成分として一酸化炭素(CO)が主に生成される。 By post-injecting after the main combustion is completed with the intake air amount being small, the post-injected fuel burns in an atmosphere where the amount of oxygen in the cylinder is low and the temperature in the cylinder is low, resulting in a slow low-temperature combustion state. Soot and NOx emissions are suppressed, and carbon monoxide (CO) is mainly produced as an unburned gas component.
このように、PM再生時又はリッチ還元時でのリッチ燃焼は、膨張行程の燃焼となるので、燃焼エネルギーは殆どが排熱となり、排気温度が上昇し、トルクへの影響も少ない。いわば排ガス温度昇温とCOの生成用のポスト噴射となる。ポスト噴射する気筒は、必ずしも全気筒行う必要はなく、1気筒だけ、或いは2気筒で実施し、その他の気筒は通常制御とすることができる。 As described above, rich combustion during PM regeneration or rich reduction becomes combustion in the expansion stroke, so most of the combustion energy becomes exhaust heat, the exhaust temperature rises, and the influence on torque is small. In other words, it becomes post-injection for raising the exhaust gas temperature and generating CO. The cylinders to be post-injected are not necessarily all cylinders, and only one cylinder or two cylinders are used, and the other cylinders can be normally controlled.
リッチ燃焼やPM再生の際のプレ(Pre)〜メイン(Main)噴射は、噴射タイミングと噴射量を調整して、通常運転時と同一トルクで同一の熱発生タイミングとする。こうすることでトルク変動や燃焼温度の変化を抑えることができる。 In the pre- (Pre) to main (Main) injection in the rich combustion and PM regeneration, the injection timing and the injection amount are adjusted to have the same heat generation timing with the same torque as in the normal operation. By doing so, torque fluctuations and changes in combustion temperature can be suppressed.
本実施の形態では、上記の条件でポスト噴射燃料を筒内で確実に燃焼させるために、補助手段を用いている。この補助手段として、グロープラグ19を通電して噴霧への着火を補助することが考えられる。また、排気弁18に可変バルブ機構がある場合は、図3に示すように、吸気弁17での吸気期間に排気弁18を一時的に開けて、排ガスを気筒11c内に取り込む手法(内部EGR)により筒内温度を上昇させて、ポスト噴射の着火を補助することが考えられる。
In the present embodiment, auxiliary means are used to reliably burn the post-injected fuel in the cylinder under the above conditions. As this auxiliary means, it is conceivable to energize the glow plug 19 to assist ignition of the spray. Further, when the
図2は、LNTでNOx還元を行っていないときの通常燃焼時(リーン燃焼時)とNOx還元を行っている(NOx還元時)ときにおける、圧縮上死点(TDC)前後のクランク角度に対する筒内へのインジェクタでの燃料噴射タイミングと、熱発生率及び燃焼圧の変化とを示したものである。 FIG. 2 shows the cylinder with respect to the crank angle before and after the compression top dead center (TDC) during normal combustion (during lean combustion) when NOx is not being reduced by LNT and when NOx is being reduced (during NOx reduction). The fuel injection timing in the injector to the inside, and the change in heat generation rate and combustion pressure are shown.
還元を行っていない時には、点線で示すように圧縮上死点前に、燃料インジェクタで、パイロット(Pilot)噴射が行われ、圧縮上死点でメイン(Main)噴射が行われることで、点線で示したように筒内圧力が上昇し、通常時熱発生率も瞬時に上昇し、これがエンジンの駆動力となる。 When the reduction is not performed, pilot injection is performed by the fuel injector before the compression top dead center as shown by the dotted line, and main injection is performed at the compression top dead center by the dotted line. As shown, the in-cylinder pressure rises, and the normal heat generation rate also rises instantaneously, which becomes the driving force of the engine.
NOx還元を行っているときには、実線で示すように上死点前に、燃料インジェクタで、プレ(Pre)噴射(85〜55°ВTDC)、パイロット(Pilot)噴射(55〜25°ВTDC)が行われ、上死点でメイン(Main)噴射(15°BTDC〜15°ATDC)が行われるが、この際、吸気量を少なくするよう制御されるため、実線で示すように筒内圧力、熱発生率の上昇が少なく、上死点から40°過ぎたときにポスト(Post)噴射(40〜50°ATDC)を行うことで、排気直前での気筒内での熱発生率が上昇し、これにより、排気系にHCガスを供給し、LNTでのNOxのリッチ還元を行うことができる。 When NOx reduction is performed, pre-injection (85-55 ° TDC) and pilot injection (55-25 ° TDC) are performed by the fuel injector before the top dead center as shown by the solid line. Main injection (15 ° BTDC to 15 ° ATDC) is performed at the top dead center. At this time, since the intake air amount is controlled to be reduced, in-cylinder pressure and heat generation are shown as shown by the solid line. The rate of heat increase is small, and when 40 ° has passed from top dead center, post injection (40-50 ° ATDC) increases the heat generation rate in the cylinder just before exhaust, , HC gas can be supplied to the exhaust system and NOx rich reduction can be performed in the LNT.
このように、LNTのリッチ還元時に、HCを供給すると共にCOを発生させ、このCOを還元剤とすることができるので、HCの部分分解用のDOCを不要とすることができる。 Thus, during rich reduction of LNT, HC can be supplied and CO can be generated, and this CO can be used as a reducing agent, so that a DOC for partial decomposition of HC can be eliminated.
また、DPFのPM再生時にエンジン出口の排気ガス温度を昇温できるので、従来のようにポスト噴射後の燃料を燃焼させて温度を昇温するためのDOCを不要とすることができる。 Further, since the exhaust gas temperature at the engine outlet can be raised during PM regeneration of the DPF, a DOC for raising the temperature by burning the post-injected fuel can be made unnecessary as in the prior art.
以上より、DOCが廃止できるので、コストメリットが大きい。また、LNTのリッチ還元時に、エンジン出口の排気ガス温度を昇温できるので、LNTのNOx還元効率を上昇させることができる。 As described above, since the DOC can be abolished, the cost merit is great. Moreover, since the exhaust gas temperature at the engine outlet can be raised during the rich reduction of LNT, the NOx reduction efficiency of LNT can be increased.
このように本実施の形態では、筒内で40−50°ATDC付近で燃料を噴射するポスト噴射とするので、燃料の大部分は燃焼してガス化するので、従来の120°ATDC付近で噴射するポスト噴射に比べてオイルの燃料希釈も軽減できる。また、排気管噴射を使用しないため、触媒のエンジンへの近接配置も可能となる。 As described above, in this embodiment, since the fuel is post-injected in the vicinity of 40-50 ° ATDC in the cylinder, most of the fuel is burned and gasified, so that the fuel is injected in the vicinity of the conventional 120 ° ATDC. Compared to post injection, oil dilution of oil can be reduced. Further, since exhaust pipe injection is not used, it is possible to place the catalyst close to the engine.
10 エンジン
11c 気筒
16 燃料インジェクタ
20 排ガス後処理装置
28 排気管
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Claims (5)
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