JP2020112058A - diesel engine - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、燃焼室キャビティが頂部に形成されたピストンを有する直接噴射式のディーゼルエンジンに関する。 The present disclosure relates to a direct injection diesel engine having a piston with a combustion chamber cavity formed at the top.
特許第3751462号公報(特許文献1)には、浅皿状に窪んだ燃焼室キャビティが頂部に形成されたピストンを有する直接噴射式のディーゼルエンジンが開示されている。このディーゼルエンジンにおいては、圧縮上死点近傍において燃焼室キャビティからスキッシュエリアに向かう逆スキッシュ流の速度をVsとし、燃焼室キャビティの開口部近傍での燃料噴霧速度をVspとするとき、速度比Vs/Vspがすべての運転条件で1.25以下となるように燃焼室キャビティの開口径が決められている。これにより、燃焼室キャビティおよびスキッシュエリアにて燃料を均一に分布させ、且つ均一に燃焼させるようにしている。 Japanese Patent No. 3751462 (Patent Document 1) discloses a direct injection diesel engine having a piston having a combustion chamber cavity recessed in a shallow dish shape formed at the top. In this diesel engine, when the velocity of the reverse squish flow from the combustion chamber cavity toward the squish area near the compression top dead center is V s and the fuel spray velocity near the opening of the combustion chamber cavity is V sp , the velocity is The opening diameter of the combustion chamber cavity is determined so that the ratio V s /V sp is 1.25 or less under all operating conditions. As a result, the fuel is uniformly distributed in the combustion chamber cavity and the squish area and is burned uniformly.
一般的に、ディーゼルエンジンは、燃料量に対する空気量の割合を示す空燃比が理論空燃比(ストイキ)よりも大きいリーン状態で運転される。このため、リーン状態で運転されるディーゼルエンジンにおいては、排気ガス中の有害物質、特に窒素酸化物(NOx)を浄化するために、リーン状態でもNOxの浄化率が高い、例えば、尿素添加型の触媒(いわゆる尿素SCR(Selective Catalytic Reduction)が多く用いられている。しかしながら、尿素添加型の触媒を用いるためには、触媒本体に加えて、尿素タンク、添加弁、添加した尿素を排気ガスと混合させるための混合機など、多くの付属装置が必要となるため、後処理(排気浄化処理)にかかるコストが高くなってしまうという課題がある。ディーゼルエンジンの後処理にかかるコストを低減する方法として、本願発明者等は、ガソリンエンジンで多く使用される安価な三元触媒をディーゼルエンジンにも適用することを考えた。 Generally, a diesel engine is operated in a lean state in which an air-fuel ratio indicating a ratio of an air amount to a fuel amount is larger than a stoichiometric air-fuel ratio (Stoichi). For this reason, in a diesel engine operated in a lean state, in order to purify harmful substances in exhaust gas, particularly nitrogen oxides (NOx), the NOx purification rate is high even in a lean state, for example, a urea addition type A catalyst (so-called urea SCR (Selective Catalytic Reduction) is often used. However, in order to use a urea addition type catalyst, in addition to the catalyst body, a urea tank, an addition valve, and the added urea are mixed with exhaust gas. There is a problem that the cost of post-treatment (exhaust gas purification treatment) will be high because many auxiliary devices such as a mixer for performing the treatment will be required. The inventors of the present application considered applying an inexpensive three-way catalyst, which is often used in a gasoline engine, to a diesel engine.
ここで、エンジンの排気を三元触媒で適切に浄化するためには、空燃比が理論空燃比となるストイキ運転を行なう必要がある。ところが、上述のようにディーゼルエンジンはリーン状態で運転されるのが一般的であり、従来構造のディーゼルエンジンでストイキ運転を行なうと許容量を超える多量のスモークが発生するとの背反が生じ得る。 Here, in order to properly purify engine exhaust with a three-way catalyst, it is necessary to perform stoichiometric operation in which the air-fuel ratio becomes the stoichiometric air-fuel ratio. However, as described above, the diesel engine is generally operated in a lean state, and when a stoichiometric operation is performed with a diesel engine having a conventional structure, there is a possibility that a large amount of smoke exceeding an allowable amount is generated.
本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ディーゼルエンジンにおいて、排気に含まれるスモーク量を許容量以下に抑制しつつ、三元触媒による排気浄化を適切に行なうことを可能にすることである。 The present disclosure has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to appropriately control exhaust purification by a three-way catalyst in a diesel engine while suppressing the amount of smoke contained in the exhaust to an allowable amount or less. Is to be able to do.
(1) 本開示によるディーゼルエンジンは、ピストンとシリンダヘッドとシリンダとに囲まれて形成される燃焼室と、燃焼室内に燃料を噴霧するノズルと、燃焼室で燃焼した後の排気を浄化する三元触媒とを備える。ピストンの頂部には、ピストンの頂面の外周部分よりも窪み、シリンダヘッドに対向する側が開口した燃焼室キャビティが形成される。圧縮上死点近傍において燃焼膨張時に燃焼室キャビティからピストンの頂面の外周部分に向かう逆スキッシュ流の最大速度をVsとし、燃焼室キャビティの開口周縁部近傍での燃料噴霧速度をVspとするとき、当量比が0.95以上となる運転条件において速度比Vs/Vspが0.4以下となるという速度比条件を満たすように燃焼室キャビティの開口径およびノズルの噴孔径が決められている。 (1) A diesel engine according to the present disclosure includes a combustion chamber that is formed by being surrounded by a piston, a cylinder head, and a cylinder, a nozzle that sprays fuel into the combustion chamber, and a exhaust gas after combustion in the combustion chamber. And a former catalyst. At the top of the piston, a combustion chamber cavity is formed which is recessed from the outer peripheral portion of the top surface of the piston and is open on the side facing the cylinder head. Let V s be the maximum velocity of the reverse squish flow from the combustion chamber cavity toward the outer peripheral portion of the top surface of the piston at the time of combustion expansion near the compression top dead center, and let V sp be the fuel spray velocity near the opening peripheral edge of the combustion chamber cavity. In this case, the opening diameter of the combustion chamber cavity and the nozzle hole diameter are determined so as to satisfy the speed ratio condition that the speed ratio V s /V sp is 0.4 or less under the operating condition that the equivalence ratio is 0.95 or more. Has been.
上記のディーゼルエンジンにおいては、当量比が0.95以上となる運転条件において速度比Vs/Vspが0.4以下となるという速度比条件を満たすように燃焼室キャビティの開口径およびノズルの噴孔径が決められている。これにより、上記のディーゼルエンジンにおいては、スモーク量を許容量未満に抑制しつつ当量比が0.95以上となる(すなわち実空燃比がほぼ理論空燃比となる)運転領域が確保され、この運転領域においてストイキ運転を行なうことによって、スモーク量を許容量以下に抑制しつつ、三元触媒による排気浄化を適切に行なうことが可能になる。 In the above diesel engine, the opening diameter of the combustion chamber cavity and the nozzle are set so as to satisfy the speed ratio condition that the speed ratio V s /V sp is 0.4 or less under the operating condition where the equivalence ratio is 0.95 or more. The injection hole diameter is fixed. As a result, in the above diesel engine, an operating range in which the equivalence ratio is 0.95 or more (that is, the actual air-fuel ratio is almost the theoretical air-fuel ratio) is secured while suppressing the smoke amount to less than the allowable amount, and this operation is performed. By performing the stoichiometric operation in the region, it becomes possible to appropriately perform exhaust gas purification by the three-way catalyst while suppressing the amount of smoke below the allowable amount.
(2) ある形態においては、燃焼室キャビティの開口周縁部には、ピストンの半径方向外側から半径方向内側に向けて徐々に傾斜するテーパー部が形成される。テーパー部の内径と外径との間の値に基づいて算出される逆スキッシュ流の速度Vsが速度比条件を満たすように、テーパー部の形状が決められている。 (2) In one form, a tapered portion that is gradually inclined from the radially outer side to the radially inner side of the piston is formed at the peripheral edge portion of the opening of the combustion chamber cavity. The shape of the taper portion is determined such that the velocity V s of the reverse squish flow calculated based on the value between the inner diameter and the outer diameter of the taper portion satisfies the velocity ratio condition.
逆スキッシュ流の速度(以下、単に「逆スキッシュ速度」ともいう)Vsは燃焼室キャビティの開口径(以下、単に「キャビティ開口径」ともいう)を用いて算出することができることが知られている。しかしながら、燃焼室キャビティの開口周縁部にテーパー部が形成される場合、逆スキッシュ速度Vsの算出に用いるキャビティ開口径をどのような値に設定するのかが問題となることが、本願発明者等の実験等によって新たに判明した。具体的には、仮にキャビティ開口径をテーパー部の内径とすると、逆スキッシュ速度Vsが実際の速度よりも高く算出されてしまうことが判明した。逆に、仮にキャビティ開口径をテーパー部の外径とすると、逆スキッシュ速度Vsが実際の速度よりも低く算出されてしまうことが判明した。 It is known that the velocity (hereinafter, also simply referred to as “reverse squish velocity”) V s of the reverse squish flow can be calculated using the opening diameter of the combustion chamber cavity (hereinafter also simply referred to as “cavity opening diameter”). There is. However, when a taper portion is formed on the peripheral edge of the opening of the combustion chamber cavity, there is a problem of what value to set the cavity opening diameter used to calculate the reverse squish velocity V s. It was newly found by the experiment of. Specifically, it was found that if the cavity opening diameter were to be the inner diameter of the tapered portion, the reverse squish velocity V s would be calculated higher than the actual velocity. On the contrary, if the cavity opening diameter is set to the outer diameter of the tapered portion, the reverse squish velocity V s is calculated to be lower than the actual velocity.
これらの結果に鑑み、上記形態においては、テーパー部の内径と外径との間の値(たとえば内径と外径との平均値)に基づいて逆スキッシュ速度Vsが算出され、その逆スキッシュ速度Vsが速度比条件を満たすように、テーパー部の形状が決められている。これにより、燃焼室キャビティの開口周縁部にテーパー部が形成される場合においても、逆スキッシュ速度Vsをより正確に算出し、その結果を用いて、速度比条件を満たすテーパー部の形状を精度よく決めることができる。 In view of these results, in the above embodiment, the reverse squish speed V s is calculated based on the value between the inner diameter and the outer diameter of the tapered portion (for example, the average value of the inner diameter and the outer diameter), and the reverse squish speed is calculated. The shape of the tapered portion is determined so that V s satisfies the speed ratio condition. As a result, even when the tapered portion is formed at the peripheral edge portion of the opening of the combustion chamber cavity, the reverse squish velocity V s is calculated more accurately, and the result is used to accurately determine the shape of the tapered portion that satisfies the velocity ratio condition. I can make a good decision.
(3) ある形態においては、速度比Vs/Vspが0.4以下となる運転領域でディーゼルエンジンが運転される場合に、燃焼室内の当量比が1となるように、燃焼室に吸入される空気量、およびノズルの燃料噴射量の少なくとも一方が調整される。 (3) In one aspect, when the diesel engine is operated in an operating region where the speed ratio V s /V sp is 0.4 or less, the intake ratio is 1 to the combustion chamber so that the equivalence ratio becomes 1. At least one of the amount of air to be injected and the fuel injection amount of the nozzle is adjusted.
上記形態によれば、速度比Vs/Vspが0.4以下となる運転領域において当量比が1となるように、燃焼室に吸入される空気量(ディーゼルスロットル開度、ノズルベーン開度など)、およびノズルの燃料噴射量(パイロット噴射量、ポスト噴射量など)の少なくとも一方が調整される。そのため、スモーク量を許容量以下に抑制しつつ、三元触媒による排気浄化を適切に行なうことが可能になる。 According to the above embodiment, the amount of air taken into the combustion chamber (diesel throttle opening, nozzle vane opening, etc.) so that the equivalence ratio becomes 1 in the operating region where the speed ratio V s /V sp becomes 0.4 or less. ) And the fuel injection amount of the nozzle (pilot injection amount, post injection amount, etc.) are adjusted. Therefore, it becomes possible to appropriately perform exhaust gas purification by the three-way catalyst while suppressing the smoke amount to be equal to or less than the allowable amount.
本開示によれば、ディーゼルエンジンにおいて、排気に含まれるスモーク量を許容量以下に抑制しつつ、三元触媒による排気浄化を適切に行なうことを可能にすることができる。 According to the present disclosure, it is possible to appropriately perform exhaust gas purification by a three-way catalyst in a diesel engine while suppressing the amount of smoke contained in exhaust gas to an allowable amount or less.
以下、図面を参照しつつ、本開示の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号が付されている。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返されない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. In the following description, the same parts are designated by the same reference numerals. Their names and functions are also the same. Therefore, detailed description thereof will not be repeated.
図1は、本実施の形態に係るエンジン1およびその制御システムの概略構成を示す図である。エンジン1は、直接噴射式のディーゼルエンジンである。エンジン1は、直列型のエンジンであってもよいし、その他の気筒レイアウト(たとえば、V型あるいは水平型)のエンジンであってもよい。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an
エンジン1は、エンジン本体10と、サプライポンプ17と、コモンレール18と、エアクリーナ20と、インタークーラ26と、吸気マニホールド28と、過給機30と、排気マニホールド50と、排気処理装置55と、EGR装置(排気再循環装置)60と、エンジン回転数センサ102と、エアフローメータ104と、過給圧センサ106と、燃圧センサ108と、制御装置200とを備える。
The
エンジン本体10は、シリンダヘッド11と、シリンダ12と、ピストン14と、インジェクタ16とを含む。シリンダ12は、シリンダヘッド11の下部に配設される。ピストン14は、シリンダ12内に上下往復動可能に介挿される。ピストン14の頂部とシリンダヘッド11とシリンダ12とで囲まれた空間によって燃焼室15が形成される。ピストン14の形状については後に詳述する。
The
インジェクタ16は、シリンダヘッド11に設けられ、燃焼室15に燃料を噴霧する燃料噴射装置である。燃料タンク(図示せず)に貯留された燃料は、サプライポンプ17によって所定圧まで加圧されてコモンレール18へ供給される。コモンレール18に供給された燃料は、インジェクタ16に供給され、インジェクタ16の噴射ノズル16aから所定のタイミングで燃焼室15に噴射される。インジェクタ16は、制御装置200からの制御信号に応じて指令された燃料噴射量を燃焼室15内に供給する。
The
エアクリーナ20は、エンジン1の外部から吸入される空気から異物を除去する。エアクリーナ20には、第1吸気管22の一方端が接続される。
The
第1吸気管22の他方端は、過給機30のコンプレッサ32の吸気流入口に接続される。コンプレッサ32の吸気流出口には、第2吸気管24の一方端が接続される。コンプレッサ32は、第1吸気管22から流通する空気を過給して第2吸気管24に供給する。第2吸気管24の他方端には、インタークーラ26の一方端が接続される。インタークーラ26は、第2吸気管24を流通する空気を冷却する空冷式あるいは水冷式の熱交換器である。
The other end of the
インタークーラ26の他方端には、第3吸気管27の一方端が接続される。第3吸気管27の他方端には、吸気マニホールド28が接続される。吸気マニホールド28は、エンジン本体10の吸気ポートに連結される。第3吸気管27の途中であって、後述するEGR60との分岐点よりもインタークーラ26側には、ディーゼルスロットル25が設けられる。ディーゼルスロットル25は、制御装置200から制御信号に応じて吸気の流量を調整する。
One end of the
排気マニホールド50は、エンジン本体10の排気ポートに連結される。排気マニホールド50には、第1排気管52の一方端が接続される。第1排気管52の他方端は、過給機30のタービン36の排気流入口に接続される。そのため、各気筒の排気ポートから排出される排気は、排気マニホールド50および第1排気管52を経由してタービン36に供給される。
The
タービン36の排気流出口には、第2排気管54の一方端が接続される。第2排気管54の他方端には、三元触媒56と、PM(Particulate Matter)除去フィルタ57と、SCR触媒58とを含む排気処理装置55が接続される。タービン36の排気流出口から排出された排気は、第2排気管54および排気処理装置55を経由して車外に排出される。なお、本実施の形態においては、SCR触媒58を省略するようにしてもよい。
The exhaust outlet of the
三元触媒56は、排気中に含まれる有害物質である炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、窒素酸化物(NOx)を、プラチナ、パラジウム、ロジウムを使用した触媒により酸化および還元することによって同時に除去する。具体的には、三元触媒56は、炭化水素を水と二酸化炭素に酸化し、一酸化炭素を二酸化炭素に酸化し、窒素酸化物を窒素に還元する。
The three-
排気中に含まれる有害物質を三元触媒56で適切に浄化(酸化および還元)するためには、空燃比が理論空燃比となるストイキ状態でエンジン1が運転される必要がある。ディーゼルエンジンでは、空燃比が理論空燃比よりも大きくなるリーン運転となるのが一般的である。しかしながら、リーン運転では、排気を浄化するために高価な後処理装置が必要になりコストがかかる。本実施の形態によるエンジン1は、ディーゼルエンジンでありながら、後処理コスト低減のために、ガソリンエンジンで多く使用されている安価な三元触媒56を採用している。三元触媒56で排気を適切に浄化するために、本実施の形態によるエンジン1においては、後述するように、スモーク量を許容値未満に抑制しつつストイキ運転を行なうための工夫が施されている。
In order to properly purify (oxidize and reduce) the harmful substances contained in the exhaust by the three-
第3吸気管27と排気マニホールド50とは、エンジン本体10の燃焼室15を経由せずにEGR装置60によって接続される。EGR装置60は、EGRバルブ62と、EGR通路66とを含む。EGR通路66は、第3吸気管27と排気マニホールド50とを接続する。EGRバルブ62は、EGR通路66の途中に設けられる。
The
EGRバルブ62は、制御装置200からの制御信号に応じて、EGR通路66を流通するEGRガスの流量を調整する調整弁である。EGRバルブ62の開度を調整することによって、EGR率(エンジン本体に供給される吸気ガス量中に占めるEGRガス量の割合)が調整される。排気マニホールド50内の排気がEGR装置60を経由してEGRガスとして吸気側に戻されることによって燃焼室15内の燃焼温度が低下され、NOxの生成量が低減される。
The
過給機30は、コンプレッサ32と、タービン36と、可変ノズル機構40と、アクチュエータ44とを含む。コンプレッサ32のハウジング内にはコンプレッサホイール34が収納され、タービン36のハウジング内にはタービンホイール38が収納される。コンプレッサホイール34とタービンホイール38とは、連結軸42によって連結され、一体的に回転する。そのため、コンプレッサホイール34は、タービンホイール38に供給される排気の排気エネルギーによって回転駆動される。
The
可変ノズル機構40は、タービンホイール38の回転軸を中心とした周囲の排気流入部に配置され、第1排気管52から供給される排気をタービンホイール38に導く複数のベーンと、複数のベーンの各々を回転させることによって隣接するベーン間の隙間(以下の説明においてこの隙間の大きさを「ベーン開度」ともいう)を変化させるリンク機構とを含む。アクチュエータ44は、制御装置200からの動作指示に応じてリンク機構を動作させることによって、可変ノズル機構40のベーン開度を変化させる。
The
可変ノズル機構40のベーン開度を変化させることによって、タービンホイール38への排気流入部における排気の流路が絞られたり、拡げられたりする。これにより、タービンホイール38に吹き付けられる排気の流速を変化させることができる。
By changing the vane opening degree of the
エンジン回転数センサ102は、エンジン1の出力軸であるクランクシャフトの回転数(回転速度)をエンジン回転数NEとして検出する。エアフローメータ104は、第1吸気管22に導入される新気の流量(吸入空気量)Qinを検出する。過給圧センサ106は、吸気マニホールド28内の圧力を過給圧として検出する。燃圧センサ108は、コモンレール18内の燃料の圧力(以下「コモンレール圧」ともいう)を検出する。これらのセンサは、検出結果を示す信号を制御装置200に出力する。
The engine
制御装置200は、エンジン1の動作を制御する。制御装置200は、各種処理を行なうCPU(Central Processing Unit)201と、プログラムおよびデータを記憶するROM(Read Only Memory)およびCPUの処理結果等を記憶するRAM(Random Access Memory)等を含むメモリ202と、外部との情報のやり取りを行なうための入・出力ポート(図示せず)とを含む。入力ポートには、上述したセンサ類(たとえば、エンジン回転数センサ102、エアフローメータ104、過給圧センサ106、および燃圧センサ108等)が接続される。出力ポートには、制御対象となる機器(たとえば、インジェクタ16、アクチュエータ44、EGRバルブ62、およびサプライポンプ17等)が接続される。
The
制御装置200は、各センサおよび機器からの信号、ならびにメモリに格納されたマップおよびプログラムに基づいて、所定の演算処理を実行する。そして、制御装置200は、演算処理の結果に基づいて、インジェクタ16、アクチュエータ44、EGRバルブ62、およびサプライポンプ17等を制御する。
The
たとえば、制御装置200は、エンジン1を作動させる場合、各気筒への1サイクルの燃料噴射としてパイロット噴射とメイン噴射とを行なう。具体的には、制御装置200は、要求パワーに応じたメイン噴射指令を所定のタイミングでインジェクタ16に出力する。これにより、メイン噴射指令に応じた燃料がインジェクタ16から噴射される「メイン噴射」が行なわれる。また、制御装置200は、燃焼騒音を低減したり排気を浄化したりするために、メイン噴射指令に先立って極少量の燃料を噴射させるためのパイロット噴射指令をインジェクタ16に出力する。これにより、メイン噴射に先立って、パイロット噴射指令に応じた極少量の燃料がインジェクタ16から噴射される「パイロット噴射」が行なわれる。なお、各気筒への1サイクルの燃料噴射としてパイロット噴射およびメイン噴射以外の噴射(たとえばメイン噴射後のポスト噴射)が行なわれるようにしてもよい。
For example, when operating
<ピストンの形状>
図2は、ピストン14の詳細形状を示す図である。ピストン14の頂部(上部)には、最上面14aと、燃焼室キャビティ14bとが形成されている。
<Shape of piston>
FIG. 2 is a diagram showing a detailed shape of the
ピストン14の最上面14aは、ピストン14の頂面の外周部分に位置し、シリンダヘッド11の下面と略平行となるように形成される。以下、ピストン14の最上面14aとシリンダヘッド11の下面とに挟まれた空間をスキッシュエリア15aとも記載する。
The
燃焼室キャビティ14bは、最上面14aよりも下側に窪み、シリンダヘッド11の下面に対向する側が開口した浅皿状の形状を有する。燃焼室キャビティ14bの開口周縁部には、噴霧火炎によるエンジン筒内の冷却損失を低減する目的から、ピストン14の半径方向外側から半径方向内側に向けて徐々に下側に傾斜するテーパー部Tが形成される。テーパー部Tの半径方向内側の先端部分には、半径方向内側に向けて僅かに張り出すリップ部Lが形成されている。このような形状を有する燃焼室キャビティ14bに向けて、インジェクタ16の噴射ノズル16aから燃料が噴霧される。
The
以下では、圧縮上死点近傍におけるリップ部L近傍での代表的な燃料噴霧速度を「噴霧速度Vsp」と定義し、燃焼膨張時に燃焼室キャビティ14bからスキッシュエリア15aに向かう逆スキッシュ流の代表的な流速を「逆スキッシュ速度Vs」と定義する。さらに、噴霧速度Vspの大きさに対する逆スキッシュ速度Vsの大きさの比を「速度比Vs/Vsp」と定義する。
Hereinafter, a representative fuel spray velocity near the lip L near the compression top dead center is defined as “spray velocity V sp ”, which represents a reverse squish flow from the
本実施の形態によるエンジン1は、速度比Vs/Vspが基準値Rref未満となるエンジン運転領域が存在するように、燃焼室キャビティ14bの開口径(以下「キャビティ開口径dc」ともいう)および噴射ノズル16aの噴孔径(以下「ノズル噴孔径d0」ともいう)が決められている。以下、この点について詳細に説明する。
In the
まず、キャビティ開口径dcおよびノズル噴孔径d0を決定するパラメータとなる、逆スキッシュ速度Vsおよび噴霧速度Vspの算出方法について説明する。逆スキッシュ速度Vsは、キャビティ開口径dcを用いて下記の式(1)で表されることが知られている。 First, a method of calculating the reverse squish velocity V s and the spray velocity V sp , which are parameters for determining the cavity opening diameter d c and the nozzle injection hole diameter d 0 , will be described. It is known that the reverse squish velocity V s is expressed by the following equation (1) using the cavity opening diameter d c .
式(1)において、「x」は、クランク角度θにおける、シリンダヘッド11の下面からピストン14の最上面14aまでの距離である。「Vk」は、燃焼室容積である。「D」は、ピストン14の直径である。「dx/dt」は、下記の式(2)で表される。
In Expression (1), “x” is the distance from the lower surface of the
式(2)に用いられる記号の意味は以下のとおりである。
θ:クランク角度
r:ストローク/2
ω:2π・NE/60
ρ:r/コンロッド長さ
なお、「NE」は、上述したようにエンジン回転数(単位:rpm)である。
The meanings of the symbols used in formula (2) are as follows.
θ: Crank angle r: Stroke/2
ω: 2π・NE/60
ρ: r/connecting rod length “NE” is the engine speed (unit: rpm) as described above.
上記の式(1)および式(2)から理解されるように、逆スキッシュ速度Vsは、キャビティ開口径dcによって変化し得る。本実施の形態においては、テーパー部Tを設けてキャビティ開口径dcを大きくすることで、逆スキッシュ速度Vsを低下させている。 As can be understood from the above equations (1) and (2), the reverse squish velocity V s can change depending on the cavity opening diameter d c . In the present embodiment, the inverse squish velocity V s is reduced by providing the tapered portion T and increasing the cavity opening diameter d c .
図3は、逆スキッシュ速度Vsの算出に用いるキャビティ開口径dcの設定手法を説明するための図である。上述のように、本実施の形態によるピストン14においては、燃焼室キャビティ14bの開口周縁部(噴霧衝突部)に、テーパー部Tが設けられている。
FIG. 3 is a diagram for explaining a method of setting the cavity opening diameter d c used to calculate the reverse squish velocity V s . As described above, in the
このようなテーパー部Tを有するピストン14においては、逆スキッシュ速度Vsの算出に用いるキャビティ開口径dcをどのような値に設定するのかが問題となることが、発明者等の実験等によって新たに判明した。具体的には、仮にキャビティ開口径dcをテーパー部Tの最も内周側の内径dinとすると、逆スキッシュ速度Vsが実際の速度よりも高く算出されてしまうことが判明した。逆に、仮にキャビティ開口径dcをテーパー部Tの最も外周側の外径dOUTとすると、逆スキッシュ速度Vsが実際の速度よりも低く算出されてしまうことが判明した。これらの結果から、燃焼室内の代表的な逆スキッシュ速度Vsを算出するためには、キャビティ開口径dcをテーパー部Tの内径dinと外径dOUTとの間の値に設定することが望ましいと考えられる。
In the
そこで、本実施の形態においては、逆スキッシュ速度Vsの算出に用いるキャビティ開口径dcとして、テーパー部Tの中央部分の径、すなわち内径dinと外径dOUTとの平均値(=(din+dOUT)/2)が用いられる。これにより、逆スキッシュ速度Vsをより正確に算出することができる。なお、逆スキッシュ速度Vsの算出に用いるパラメータは、テーパー部Tの内径dinと外径dOUTとの間の値であればよく、必ずしも内径dinと外径dOUTとの平均値であることに限定されない。 Therefore, in the present embodiment, as the cavity opening diameter d c used to calculate the reverse squish velocity V s , the diameter of the central portion of the taper portion T, that is, the average value (=(the inner diameter d in and the outer diameter d OUT. d in +d OUT )/2) is used. Thereby, the reverse squish velocity V s can be calculated more accurately. The parameter used to calculate the reverse squish velocity V s may be a value between the inner diameter d in and the outer diameter d OUT of the tapered portion T, and is not necessarily the average value of the inner diameter d in and the outer diameter d OUT. It is not limited to being.
噴霧速度Vspは、特許文献1に記載されているように、信頼性の高い実験式である「広安」の式に基づき算出される。まず、噴射開始後の時間tにおける噴霧到達距離Sは、下記の式(3)で表される。
The spraying speed V sp is calculated based on the “Kouan” formula, which is a highly reliable empirical formula, as described in
式(3)において、「ΔP」は、噴射圧とガス圧との圧力差である。ここで、噴射圧は、本実施の形態においてはコモンレール圧に相当する。ガス圧は燃料噴射開始時の筒内ガス圧力をもって代表させることができる。なお、1サイクル中に複数回(パイロット噴射、メイン噴射など)に分けて燃料を噴射する場合、上死点に最も近い時期での噴射であるメイン噴射の開始時期での筒内ガス圧力をもって代表させる。「ρa」は、雰囲気密度である。「ρa」は燃料噴射開始時の筒内雰囲気密度をもって代表させることができる。おな、本実施の形態においては、上死点に最も近い時期での噴射であるメイン噴射の開始時期での筒内雰囲気密度をもって代表させる。「d0」は、インジェクタ16の噴射ノズル16aの噴孔径である。
In Expression (3), “ΔP” is the pressure difference between the injection pressure and the gas pressure. Here, the injection pressure corresponds to the common rail pressure in the present embodiment. The gas pressure can be represented by the cylinder gas pressure at the start of fuel injection. In addition, when injecting fuel multiple times (pilot injection, main injection, etc.) during one cycle, the cylinder gas pressure at the start timing of the main injection, which is the injection at the timing closest to top dead center, is representative. Let “Ρ a ”is the atmosphere density. “Ρ a ”can be represented by the in-cylinder atmosphere density at the start of fuel injection. Incidentally, in the present embodiment, the in-cylinder atmosphere density at the start timing of the main injection, which is the injection closest to the top dead center, is represented. “D 0 ”is the injection hole diameter of the
上記の式(3)より、噴霧速度Vspは、噴霧到達距離Sの関数として、下記の式(4)で表される。 From the above equation (3), the spray velocity V sp is expressed by the following equation (4) as a function of the spray reach distance S.
上記の式(4)において、「C」は下記の式(5)で表される。 In the above formula (4), “C” is represented by the following formula (5).
以上から、噴霧速度Vspは、噴霧到達距離Sをテーパー部Tの中央部分の径(dc=(din+dOUT)/2)とした場合の噴霧速度dS/dtとし、上記の式(3)〜式(5)に従い算出される。 From the above, the spray velocity V sp is the spray velocity dS/dt when the spray arrival distance S is the diameter (dc=(d in +d OUT )/2) of the central portion of the tapered portion T, and the above formula (3) is used. )-Equation (5).
このようにして逆スキッシュ速度Vsおよび噴霧速度Vspが算出され、それらの速度比Vs/Vspが基準値Rref未満となるエンジン運転領域が存在するように、キャビティ開口径dcおよびノズル噴孔径d0が決定される。 In this way, the reverse squish velocity V s and the spray velocity V sp are calculated, and the cavity opening diameter d c and the cavity opening diameter d c are set so that there exists an engine operating region in which their velocity ratio V s /V sp is less than the reference value R ref. The nozzle hole diameter d 0 is determined.
次に、速度比Vs/Vspが満たすべき条件として用いられる「基準値Rref」の設定手法について説明する。本実施の形態によるエンジン1においては、上述のように、ディーゼルエンジンでありながら、後処理コスト低減のために、安価な三元触媒56を採用している。三元触媒56で排気を適切に浄化するためには、空燃比が理論空燃比となるストイキ状態でエンジン1が運転される必要がある。ところが、ディーゼルエンジンはリーン状態で運転されるのが一般的であり、従来構造のディーゼルエンジンでストイキ運転を行なうと予め定められた許容量(以下「スモーク限界閾値」ともいう)を超える多量のスモークが発生するとの背反が生じ得る。
Next, a method of setting the “reference value R ref ”used as a condition that the speed ratio V s /V sp should satisfy will be described. In the
このような問題の対策を検討するために、本願発明者等が実験を重ねて調査した結果、エンジン1の排気に含まれるスモーク量がスモーク限界閾値となるときの当量比Φ(実空燃比に対する理論空燃比の割合)を「限界当量比Φlim」としたとき、限界当量比Φlimと速度比Vs/Vspと間に高い相関があることが判明した。
As a result of repeated experiments conducted by the inventors of the present application in order to examine measures against such a problem, as a result, the equivalent ratio Φ (with respect to the actual air-fuel ratio) when the smoke amount contained in the exhaust gas of the
図4は、速度比Vs/Vspと限界当量比Φlimとの対応関係を示す図である。図4において、横軸は速度比Vs/Vspを示し、縦軸は限界当量比Φlimを示す。なお、図4および後述の図5において、横軸の「速度比Vs/Vsp」に用いられる「逆スキッシュ速度Vs」は、上述の式(1)で表されるように時間の関数であり、時間の経過によって変化する。そこで、本願発明者等は、図4および後述の図5において、逆スキッシュ速度Vsとして、逆スキッシュ速度Vsの最大流速(絶対値として最大になるもの)を用いることにした。 FIG. 4 is a diagram showing a correspondence relationship between the speed ratio V s /V sp and the limit equivalent ratio Φ lim . In FIG. 4, the horizontal axis represents the speed ratio V s /V sp , and the vertical axis represents the limit equivalent ratio Φ lim . In FIG. 4 and FIG. 5 to be described later, the “reverse squish velocity V s ”used for the “velocity ratio V s /V sp ” on the horizontal axis is a function of time as expressed by the above equation (1). And changes over time. Accordingly, the present inventors have 5 of FIG. 4 and described below, as a reverse squish velocity V s, it was decided to use the maximum flow rate of the reverse squish velocity V s (maximum becomes one as an absolute value).
本願発明者等は、一定の燃料量に対して空気量を減少させていき、スモーク量がスモーク限界閾値となったときの当量比Φを限界当量比Φlimとして測定する実験を、複数の速度比Vs/Vspごとに行った。図4に示す「◇」(菱形印)は、その実験結果をプロットした点である。速度比Vs/Vspと限界当量比Φlimとの対応関係は、図4に示すように、実験結果を近似した直線L1で表わすことができる。すなわち、速度比Vs/Vspと限界当量比Φlimとの間には負の相関関係があり、限界当量比Φlimは速度比Vs/Vspに対して単調減少する特性を有することが理解できる。 The inventors of the present application reduced the amount of air with respect to a certain amount of fuel, and measured the equivalence ratio Φ when the amount of smoke became a smoke limit threshold as a limit equivalence ratio Φ lim , and conducted an experiment at a plurality of speeds. This was done for each ratio V s /V sp . "◇" (diamond mark) shown in FIG. 4 is a point where the experimental result is plotted. The correspondence relationship between the speed ratio V s /V sp and the limit equivalent ratio Φ lim can be represented by a straight line L1 that approximates the experimental result, as shown in FIG. That is, there is a negative correlation between the speed ratio V s /V sp and the limit equivalent ratio Φ lim, and the limit equivalent ratio Φ lim has a characteristic of monotonically decreasing with respect to the speed ratio V s /V sp . Can understand.
この特性を用いれば、限界当量比Φlimが1または1よりも僅かに小さい所定値Φuとなるときの速度比Vs/Vspを「基準値Rref」として予め実験等によって求めることによって、スモーク量をスモーク限界閾値以下に抑制しつつストイキ燃焼を実現するためのキャビティ開口径dc、ノズル噴孔径d0、コモンレール圧を簡単に算出することが可能となる。たとえば、制御可能なコモンレール圧の最大値が決まっているエンジンにおいてスモーク量をスモーク限界閾値以下に抑制しつつストイキ燃焼を実現したい場合、速度比Vs/Vspが基準値Rref未満となるようにキャビティ開口径dcおよびノズル噴孔径d0を一意に決定することができる。また、たとえば、キャビティ開口径dcおよびノズル噴孔径d0が既に決まったエンジンにおいてスモーク量をスモーク限界閾値以下に抑制しつつストイキ燃焼を実現したい場合、速度比Vs/Vspが基準値Rref未満となるようにコモンレール圧を一意的に決めることができる。 If this characteristic is used, the speed ratio V s /V sp when the limit equivalent ratio Φ lim becomes a predetermined value Φ u which is 1 or slightly smaller than 1 is obtained as a “reference value R ref ”by experiments or the like in advance. , It is possible to easily calculate the cavity opening diameter d c , the nozzle injection hole diameter d 0 , and the common rail pressure for realizing stoichiometric combustion while suppressing the amount of smoke below the smoke limit threshold value. For example, when it is desired to realize stoichiometric combustion while suppressing the amount of smoke to the smoke limit threshold value or less in an engine in which the maximum controllable common rail pressure is determined, the speed ratio V s /V sp is set to be less than the reference value R ref. In addition, the cavity opening diameter d c and the nozzle injection hole diameter d 0 can be uniquely determined. Further, for example, in an engine in which the cavity opening diameter d c and the nozzle injection hole diameter d 0 have already been determined, when it is desired to realize stoichiometric combustion while suppressing the smoke amount below the smoke limit threshold value, the speed ratio V s /V sp is set to the reference value R The common rail pressure can be uniquely determined so as to be less than ref .
図5は、当量比Φが「0.95」かつEGR率が「0%」である状態でエンジン1を運転した時における、速度比Vs/Vspとスモーク量との対応関係を示す図である。図5において、横軸は速度比Vs/Vspを示し、縦軸はスモーク量を示す。なお、スモーク量の単位は「FSN(Filter Smoke Number)」である。
FIG. 5 is a diagram showing a correspondence relationship between the speed ratio V s /V sp and the amount of smoke when the
本願発明者等は、当量比Φが0.95かつEGR率が0%である状態でエンジン1を運転したときにエンジン1が排出するスモーク量を測定する実験を、複数の速度比Vs/Vspごとに行った。図5に示す「○」(丸印)は、その実験結果をプロットした点である。速度比Vs/Vspとスモーク量との対応関係は、図5に示すように、実験結果を近似した曲線L2で表わすことができる。すなわち、速度比Vs/Vspとスモーク量との間には正の相関関係があり、スモーク量は速度比Vs/Vspに対して単調増加する特性を有することが理解できる。
The inventors of the present application conducted an experiment to measure the amount of smoke discharged by the
さらに、図5の実験結果から、当量比Φが「0.95」である状態でスモーク量がスモーク限界閾値(たとえば2FSN)となる時の速度比Vs/Vspが「0.4」となることが理解できる。これは、上述の図4において、限界当量比Φlimを1よりも小さい所定値Φuに設定し、その所定値Φuが「0.95」である時の基準値Rrefが「0.4」であることを意味する。 Further, from the experimental result of FIG. 5, the speed ratio V s /V sp when the smoke amount becomes the smoke limit threshold value (for example, 2 FSN) in the state where the equivalence ratio Φ is “0.95” is “0.4”. I can understand. This is because in FIG. 4 described above, the limit equivalent ratio Φ lim is set to a predetermined value Φ u smaller than 1, and the reference value R ref when the predetermined value Φ u is “0.95” is “0. 4”.
この実験結果を踏まえ、本実施の形態においては、当量比Φが0.95以上である運転条件において速度比Vs/Vspが0.4以下となるという条件(以下「速度比条件」ともいう)を満たすように、キャビティ開口径dcおよびノズル噴孔径d0が決められている。 Based on this experimental result, in the present embodiment, the condition that the speed ratio V s /V sp is 0.4 or less under the operating condition where the equivalence ratio Φ is 0.95 or more (hereinafter also referred to as “speed ratio condition”). The cavity opening diameter d c and the nozzle injection hole diameter d 0 are determined so as to satisfy the above.
ここで、上述の速度比条件に用いられる当量比Φを「1」(ストイキ)ではなく、「0.95」に設定した理由について説明する。三元触媒で窒素酸化物(NOx)を浄化するためには、触媒入口のガス組成として、酸素を残さないことが必要である。このためにシンプルな方法は、燃焼でストイキ(当量比Φ=1)を実現し、排気ポートから出た排気ガスをそのまま触媒入口に導く方法である。 Here, the reason why the equivalence ratio Φ used for the above speed ratio condition is set to “0.95” instead of “1” (stoichiometric) will be described. In order to purify nitrogen oxides (NOx) with a three-way catalyst, it is necessary to leave no oxygen as the gas composition at the catalyst inlet. For this reason, a simple method is to realize stoichiometry (equivalent ratio Φ=1) by combustion and guide the exhaust gas discharged from the exhaust port to the catalyst inlet as it is.
一方で、ディーゼルエンジンでは、短時間で燃料を空気と混合させるため混合不足の領域が生じてスモークが発生するというディーゼル燃焼固有の課題を有しており、燃焼時の当量比Φを「1」(ストイキ)にした状態でスモークを抑制することは非常に難しい。このため、本願発明者等は、燃焼時には当量比Φを1にはせずに0.95程度とし、不足分については排気管(たとえばタービンホイール38の出口付近)に設置された燃料添加弁(図示せず)から追加燃料を噴射して高温の排気ガスによって炭化水素(HC)と、一酸化炭素(CO)を生成することにより、三元触媒の入口におけるガス組成の当量比Φを「1」(ストイキ)にする方法が有効であると考えた。このような排気管への燃料添加で当量比を制御する方法を採用すると、過渡運転時など、過給機30のレスポンスなどの影響で、燃焼時の当量比Φ(空燃比)がねらい値からずれた場合にも、三元触媒の入口でストイキを実現できるというメリットがある。
On the other hand, the diesel engine has a problem peculiar to diesel combustion in that the fuel is mixed with air in a short time, resulting in an insufficient mixing region and causing smoke, and the equivalence ratio Φ during combustion is set to “1”. It is very difficult to suppress smoke in the (stoic) state. For this reason, the inventors of the present application set the equivalence ratio Φ to about 0.95 during combustion, and set the equivalence ratio Φ to about 0.95, and for the shortage, a fuel addition valve (for example, near the outlet of the turbine wheel 38) installed in the exhaust pipe. An equivalent fuel ratio Φ of the gas composition at the inlet of the three-way catalyst is set to "1" by injecting additional fuel from (not shown) to generate hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) by the high-temperature exhaust gas. (Stoiki) was considered effective. If such a method of controlling the equivalence ratio by adding fuel to the exhaust pipe is adopted, the equivalence ratio Φ (air-fuel ratio) at the time of combustion is changed from the aimed value due to the influence of the response of the
また、燃焼では従来通りリーン状態で運転して、排気管への燃料添加によって三元触媒の入口におけるガス組成の当量比Φを「1」(ストイキ)にする方法では、燃費が悪化したり、触媒温度が過度に高くなったりしてしまうなどのデメリットが発生し得る。 Further, in the combustion, as in the conventional case, the fuel consumption is deteriorated by the method of operating in the lean state as in the conventional case and adding the fuel to the exhaust pipe to set the equivalence ratio Φ of the gas composition at the inlet of the three-way catalyst to “1” (stoichiometric). There may be disadvantages such as the catalyst temperature becoming excessively high.
こうした状況を踏まえ、本実施の形態においては、燃焼時における当量比Φを0.95程度とし、不足分については排気管へ燃料を添加することで三元触媒の入口付近の当量比Φを「1」(ストイキ)にしている。これにより、スモーク量をスモーク限界閾値以下に抑制しつつ、当量比Φが0.95以上となる(すなわち実空燃比がほぼ理論空燃比となる)ストイキ運転を実行可能な運転領域(以下「ストイキ運転可能領域A」ともいう)を確保することができる。 In consideration of such a situation, in the present embodiment, the equivalence ratio Φ at the time of combustion is set to about 0.95, and for the shortage, fuel is added to the exhaust pipe to set the equivalence ratio Φ near the inlet of the three-way catalyst to “ 1” (stoiki). As a result, while suppressing the smoke amount to be equal to or less than the smoke limit threshold value, the equivalence ratio Φ becomes 0.95 or more (that is, the actual air-fuel ratio becomes substantially the stoichiometric air-fuel ratio). It is possible to secure a drivable area A”).
図6は、本実施の形態によるエンジン1におけるストイキ運転可能領域Aを模式的に示す図である。図6において、横軸はエンジン回転数NEを示し、縦軸はエンジン負荷(エンジントルク)を示す。エンジン1においては、図6に示す全負荷ラインよりも低トルク側の領域で運転可能であるところ、その大部分がストイキ運転可能領域Aとなっている。なお、図6に示す全負荷ラインよりも低トルク側の全領域がストイキ運転可能領域Aとなるように、エンジンを設計するようにしてもよい。
FIG. 6 is a diagram schematically showing stoichiometric operation possible region A in
<エンジンの制御>
本実施の形態による制御装置200のメモリ202には、上述のストイキ運転可能領域Aが予め記憶されている。そして、制御装置200は、エンジン1の運転領域がストイキ運転可能領域Aに含まれる場合に、当量比Φが0.95となる(すなわち実空燃比がほぼ理論空燃比となる)ストイキ運転を行なう。これにより、スモーク量をスモーク限界閾値以下に抑制しつつ、三元触媒56による排気浄化を適切に行なうことが可能となる。
<Engine control>
In the
図7は、制御装置200の処理手順の一例を示すフローチャートである。制御装置200は、現在のエンジン1の運転領域がストイキ運転可能領域Aに含まれるか否かを判定する(ステップS10)。
FIG. 7 is a flowchart showing an example of the processing procedure of the
現在のエンジン1の運転領域がストイキ運転可能領域Aに含まれる場合(ステップS10においてYES)、制御装置200は、エンジン1の運転モードをストイキ運転モードに設定する(ステップS20)。
When the current operating region of
図8は、制御装置200がストイキ運転モード中に行なう処理手順の概要の一例を示すフローチャートである。
FIG. 8 is a flowchart showing an example of an outline of a processing procedure performed by the
制御装置200は、上述の式(1)〜式(5)を参照して、現在のエンジン回転数NEおよびコモンレール圧に対応する速度比Vs/Vspを算出する(ステップS21)。
The
次いで、制御装置200は、ステップS21で算出された速度比Vs/Vspが基準値Rref(=0.4)以下となるようにコモンレール圧を調整する(ステップS22)。
Next, the
次いで、制御装置200は、ユーザの要求トルクに対応する目標メイン噴射量を算出する(ステップS23)。
Next, the
次いで、制御装置200は、目標メイン噴射量に理論空燃比を乗じた値を0.95で割った値を、目標空気量に設定する(ステップS24)。これにより、当量比Φが0.95になるように目標空気量が設定されることになる。
Next, the
次いで、制御装置200は、メイン噴射量が目標メイン噴射量となるようにインジェクタ16を制御する(ステップS25)。
Next, the
次いで、制御装置200は、燃焼室15に吸入される空気量が目標空気量となるように、ディーゼルスロットル25の開度および可変ノズル機構40のベーン開度の少なくとも一方を制御する(ステップS26)。これにより、当量比Φが0.95に制御される。
Next, the
以上のような制御によって、エンジン1の運転領域がストイキ運転可能領域Aに含まれる場合にストイキ運転が行なわれる。これにより、スモーク量をスモーク限界閾値以下に抑制しつつ、三元触媒56による排気浄化を適切に行なうことが可能となる。
By the control as described above, the stoichiometric operation is performed when the operation area of the
図7に戻って、現在のエンジン1の運転領域がストイキ運転可能領域Aに含まれない場合(ステップS10においてNO)、制御装置200は、エンジン1の運転モードを通常モードに設定する(ステップS30)。通常モードでは、制御装置200は、メイン噴射量がユーザの要求トルクに対応する目標メイン噴射量となるようにインジェクタ16を制御するが、ストイキ運転を行なうための処理は行なわない。すなわち、通常モードでは、制御装置200は、ストイキ運転モード中に行なわれる図8のステップS21,S22(速度比Vs/Vspが基準値Rref(=0.4)以下未満となるようにコモンレール圧を調整する処理)、ステップS24(目標メイン噴射量に理論空燃比を乗じた値を目標空気量に設定する処理)、ステップS26(吸入空気量が目標空気量となるようにスロットル開度およびベーン開度の少なくとも一方を制御する処理)を行なわない。その結果、通常モードでは、空燃比は成り行きの値となり、一般的には従来と同様にリーン運転が行われることになる。
Returning to FIG. 7, when the current operation area of
以上のように、本実施の形態によるエンジン1においては、圧縮上死点近傍において燃焼膨張時に燃焼室キャビティ14bからスキッシュエリア15a(ピストン頂面の外周部分)に向かう逆スキッシュ流の最大速度をVsとし、燃焼室キャビティ14bの開口周縁部近傍での燃料噴霧速度をVspとするとき、当量比Φが0.95以上である運転条件において速度比Vs/Vspが0.4以下となるという速度比条件を満たすように、キャビティ開口径dcおよびノズル噴孔径d0が決定されている。これにより、スモーク量をスモーク限界閾値以下に抑制しつつストイキ運転を実行可能なストイキ運転可能領域Aを確保することができる。
As described above, in the
さらに、本実施の形態によるエンジン1においては、燃焼室キャビティ14bの開口周縁部にテーパー部Tが形成されている。そして、テーパー部Tの内径dinと外径dOUTとの平均値に基づいて逆スキッシュ速度Vsが算出され、算出された逆スキッシュ速度Vsが上述の速度比条件を満たすように、テーパー部Tの形状が決められている。これにより、燃焼室キャビティ14bの開口周縁部にテーパー部Tが形成されるエンジン1においても、逆スキッシュ速度Vsをより正確に算出し、その結果を用いて速度比条件を満たすテーパー部Tの形状を精度よく決めることができる。
Further, in the
さらに、本実施の形態によるエンジン1においては、ストイキ運転可能領域Aでエンジン1が運転される場合に、燃焼室15内の当量比Φが1となるように(すなわち空燃比が理論空燃比となるように)、燃焼室15に吸入される空気量(スロットル開度、ベーン開度)が調整される。そのため、スモーク量をスモーク限界閾値以下に抑制しつつ、三元触媒56による排気浄化を適切に行なうことが可能になる。
Further, in the
<変形例1>
上述の実施の形態においては、速度比条件に用いられる「基準値Rref」を、スモーク量がスモーク限界閾値となる時の速度比Vs/Vspである「0.4」に設定した。
<
In the above-described embodiment, the “reference value R ref ”used for the speed ratio condition is set to “0.4” which is the speed ratio V s /V sp when the smoke amount becomes the smoke limit threshold value.
しかしながら、基準値Rrefは、スモーク量がスモーク限界閾値以下となる時の速度比Vs/Vspであればよい。すなわち、基準値Rrefは、0.4以下であってもよい。 However, the reference value R ref may be the speed ratio V s /V sp when the smoke amount becomes equal to or less than the smoke limit threshold value. That is, the reference value R ref may be 0.4 or less.
<変形例2>
上述の実施の形態においては、ストイキ運転可能領域Aにおいて、当量比Φが1となるように(すなわち空燃比が理論空燃比となるように)、吸入空気量(スロットル開度、ベーン開度)を調整した。
<
In the above-described embodiment, the intake air amount (throttle opening, vane opening) so that the equivalence ratio Φ becomes 1 (that is, the air-fuel ratio becomes the stoichiometric air-fuel ratio) in the stoichiometric operation possible region A. Was adjusted.
しかしながら、ストイキ運転可能領域Aにおいて当量比Φが1となるように調整される対象は、吸入空気量に限定されるものではなく、燃料噴射量であってもよい。1サイクル中の燃料噴射量のうち、メイン噴射量はユーザの要求トルクによって決まるため、メイン噴射量以外のパイロット噴射量あるいはポスト噴射量を調整することによって当量比Φが1となるようにしてもよい。 However, the target to be adjusted so that the equivalence ratio Φ becomes 1 in the stoichiometric operation area A is not limited to the intake air amount, and may be the fuel injection amount. Since the main injection amount of the fuel injection amount in one cycle is determined by the torque required by the user, the equivalence ratio Φ becomes 1 by adjusting the pilot injection amount or the post injection amount other than the main injection amount. Good.
たとえば、当量比Φが1よりも小さい場合には、酸素過剰な状態であるため、パイロット噴射量あるいはポスト噴射量を増量するように補正すればよい。また、当量比Φが1よりも大きい場合には、燃料過剰であるため、パイロット噴射量あるいはポスト噴射量を減量するように補正すればよい。 For example, when the equivalence ratio Φ is smaller than 1, it means that there is an excess of oxygen, so the pilot injection amount or the post injection amount may be corrected to be increased. Further, when the equivalence ratio Φ is larger than 1, it means that the fuel is excessive, and therefore the pilot injection amount or the post injection amount may be corrected so as to be reduced.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed this time are to be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present disclosure is shown not by the above description but by the claims, and is intended to include meanings equivalent to the claims and all modifications within the scope.
1 エンジン、10 エンジン本体、11 シリンダヘッド、12 シリンダ、14 ピストン、14a 最上面、14b 燃焼室キャビティ、15 燃焼室、15a スキッシュエリア、16 インジェクタ、16a 噴射ノズル、17 サプライポンプ、18 コモンレール、20 エアクリーナ、22 第1吸気管、24 第2吸気管、25 ディーゼルスロットル、26 インタークーラ、27 第3吸気管、28 吸気マニホールド、30 過給機、32 コンプレッサ、34 コンプレッサホイール、36 タービン、38 タービンホイール、40 可変ノズル機構、42 連結軸、44 アクチュエータ、50 排気マニホールド、52 第1排気管、54 第2排気管、55 排気処理装置、56 三元触媒、57 PM除去フィルタ、58 SCR触媒、60 EGR装置、62 EGRバルブ、66 EGR通路、102 エンジン回転数センサ、104 エアフローメータ、106 過給圧センサ、108 燃圧センサ、200 制御装置、201 CPU、202 メモリ、L リップ部、T テーパー部。 1 engine, 10 engine body, 11 cylinder head, 12 cylinder, 14 piston, 14a top surface, 14b combustion chamber cavity, 15 combustion chamber, 15a squish area, 16 injector, 16a injection nozzle, 17 supply pump, 18 common rail, 20 air cleaner , 22 first intake pipe, 24 second intake pipe, 25 diesel throttle, 26 intercooler, 27 third intake pipe, 28 intake manifold, 30 supercharger, 32 compressor, 34 compressor wheel, 36 turbine, 38 turbine wheel, 40 variable nozzle mechanism, 42 connecting shaft, 44 actuator, 50 exhaust manifold, 52 first exhaust pipe, 54 second exhaust pipe, 55 exhaust treatment device, 56 three-way catalyst, 57 PM removal filter, 58 SCR catalyst, 60 EGR device , 62 EGR valve, 66 EGR passage, 102 engine speed sensor, 104 air flow meter, 106 supercharging pressure sensor, 108 fuel pressure sensor, 200 control device, 201 CPU, 202 memory, L lip portion, T taper portion.
Claims (3)
前記燃焼室内に燃料を噴霧するノズルと、
前記燃焼室で燃焼した後の排気を浄化する三元触媒とを備え、
前記ピストンの頂部には、前記ピストンの頂面の外周部分よりも窪み、前記シリンダヘッドに対向する側が開口した燃焼室キャビティが形成され、
圧縮上死点近傍において燃焼膨張時に前記燃焼室キャビティから前記ピストンの頂面の外周部分に向かう逆スキッシュ流の最大速度をVsとし、前記燃焼室キャビティの開口周縁部近傍での燃料噴霧速度をVspとするとき、当量比が0.95以上となる運転条件において速度比Vs/Vspが0.4以下となるという速度比条件を満たすように前記燃焼室キャビティの開口径および前記ノズルの噴孔径が決められている、ディーゼルエンジン。 A combustion chamber formed by being surrounded by a piston, a cylinder head, and a cylinder,
A nozzle for spraying fuel into the combustion chamber,
A three-way catalyst for purifying exhaust gas after combustion in the combustion chamber,
A combustion chamber cavity, which is recessed from the outer peripheral portion of the top surface of the piston and has an opening on the side facing the cylinder head, is formed at the top of the piston.
Let V s be the maximum velocity of the reverse squish flow from the combustion chamber cavity toward the outer peripheral portion of the top surface of the piston at the time of combustion expansion near the compression top dead center, and let V s be the fuel spray velocity in the vicinity of the opening peripheral edge of the combustion chamber cavity. When V sp is set, the opening diameter of the combustion chamber cavity and the nozzle are set so as to satisfy the speed ratio condition that the speed ratio V s /V sp becomes 0.4 or less under the operating condition where the equivalence ratio is 0.95 or more. A diesel engine with a fixed injection hole diameter.
前記テーパー部の内径と外径との間の値に基づいて算出される前記逆スキッシュ流の速度Vsが前記速度比条件を満たすように、前記テーパー部の形状が決められている、請求項1に記載のディーゼルエンジン。 A taper portion that is gradually inclined from a radial outer side to a radial inner side of the piston is formed on the opening peripheral edge portion of the combustion chamber cavity,
The shape of the tapered portion is determined so that the velocity V s of the reverse squish flow calculated based on a value between the inner diameter and the outer diameter of the tapered portion satisfies the velocity ratio condition. 1. The diesel engine according to 1.
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