JP3827102B2

JP3827102B2 - ディーゼルエンジンの燃料噴射制御方法

Info

Publication number: JP3827102B2
Application number: JP14701796A
Authority: JP
Inventors: 剛橋詰
Original assignee: 株式会社新エィシーイー
Priority date: 1996-06-10
Filing date: 1996-06-10
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2016-06-10
Also published as: JPH09324631A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの燃料噴射制御方法に係わり、ＮＯ_X 及びスモークを同時に且つ大幅に低減させるための技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
直接噴射式ディーゼルエンジンにおいて、高圧燃料噴射を基本にノズル噴孔形状を工夫する方式や、複数のインジェクタを取り付け、各々の噴射時期、噴射量を独立に制御する方式により、ＮＯ_X 及びスモークを低減させる試みがなされている。しかしながら、いずれの方式においても、噴霧内部における燃料の濃度分布が非常に不均一であり、かつ、燃料が噴射されてから燃え始めるまでの着火遅れ時間が短いため、燃料と空気の混合が進まない状態で燃え始めてしまい、燃料の高濃度の部分が燃えてスモークが生成され、希薄な部分は空気が多いリーンな状態で燃えるが、高濃度の部分と希薄な部分の中間に燃料と空気とが等量で燃える量論比の領域が存在し、ここで高濃度のＮＯ_X が生成されてしまう。
【０００３】
この問題を解決するために、従来よりかなり早い時期に燃料を筒内に噴射し、十分な混合時間を与えて希薄予混合気を形成し、これを圧縮自己着火させることにより、ＮＯ_X 及びスモークを同時に且つ大幅に低減させることができる希薄予混合ディーゼル燃焼（Premixed Lean Diesel Combustion ，以下、PREDICという）が提案されている（社団法人・日本機械学会，第７３期全国大会講演論文集Ｖｏｌ.III，１９９５年９月１１日〜１３日開催，第１８８頁〜第１８９頁）。これを図６及び図７により説明する。図６において、１はピストン、２はシリンダ、３はシリンダヘッド、４はキャビティを示し、燃焼室６の外周側に斜め下向きに相対向するように２本のサイドインジェクタ９Ａ、９Ｂを配設している。
【０００４】
図７は、従来例とPREDICの試験結果の一例を示し、エンジン回転数１０００ｒｐｍにおけるエンジン性能（燃費率I.S.F.C. g/kWh）と各種排出物の特性を示している。図中、●印は空気過剰率λ＝２．７での従来例を示し、□印、△印、▽印、◇印は、PREDICにおいて空気過剰率λ＝２．５、２．７、３．１、３．７と変化させた場合を示している。
【０００５】
従来例の場合は、上死点近傍で燃焼噴射時期を遅延すると、ＮＯ_X 濃度が低下するが限界があり、さらに遅延すると増加する。これに対してPREDICでは、例えばλ＝２．７の運転条件で上死点前８０゜付近で燃料を噴射すると、希薄予混合気の圧縮自己着火によってエンジンを運転することができ、この時のＮＯ_X 濃度は約２０ppm と従来例の最低値の１／１０以下と大幅に低減させることができる。燃料噴射時期をこれよりも早くすると、燃料が分散しすぎて薄くなり着火しにくく失火するため正常な運転ができず、燃料噴射時期を遅くすると（θ＝−６４゜ATDC）、ＮＯ_X 濃度は増加し従来例の１／２程度のレベルまで増加し、ここまで遅角するとノッキングが激しくなりこれ以上噴射時期を遅くすることはできなかった。燃料噴射量を減少しても（λ＝３．１、３．７）、ＮＯ_X 濃度は同様の傾向を示し、大幅な低減が可能になる。噴射量を増加した場合（λ＝２．５）は、失火とノッキング発生の噴射時期が近づき狭い範囲でしか運転できないが、
ＮＯ_X 濃度は同様に大幅な低減が可能となる。
【０００６】
このように大幅なＮＯ_X 濃度の低減が得られる場合に、PREDICにおけるスモーク（ＢＳＵ）は従来例のレベルとほぼ同等であり、また、燃費率（I.S.F.C.）もほぼ同等、もしくは最大で１５％程度の増加にすぎない。一方、トータルハイドロカーボン（ＴＨＣ）及びＣＯ濃度は大幅に増加して２０００〜５０００ppm 程度となるが、このレベルはガソリンエンジンと同等であり、通常の酸化触媒で低減させれば問題にはならない。
【０００７】
図７の試験結果から、空気過剰率λに対して、ＮＯ_X を大幅に低減させることができる燃料噴射時期を設定することができ、少なくとも、空気過剰率
λ＞２．５、燃料噴射時期θinj をクランク角度−１２５゜〜−２０゜ATDCの範囲で設定すれば、ＮＯ_X 及びスモークを同時に且つ大幅に低減させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の希薄予混合ディーゼル燃焼は、λ＞２．５という部分負荷域でのみ成立し、高負荷域では、燃料噴射量が多いため、混合気を均一化させることは可能であるが、希薄化することはできず、これにより大量のＮＯ_X が生成すると共に、ノッキングが発生するという問題を有している。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題を解決するものであって、全ての負荷域において、スモーク及びＮＯX を同時に且つ大幅に低減させることができるディーゼル機関の燃料噴射制御方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そのために本発明の請求項１記載のディーゼルエンジンの燃料噴射制御方法は、吸気行程の開始直後から圧縮行程の範囲内で燃焼室内に１段目の燃料噴射を行う方法であって、低・中負荷域では１段目の燃料噴射のみを行い、高負荷域では１段目の燃料噴射後に２段目の燃料噴射を行い、燃焼室の中心部に対向してセンターインジェクタを配設し、燃焼室の外周側に斜め下向きに相対向するように２本のサイドインジェクタを配設し、前記サイドインジェクタにより１段目の噴射を行い、前記センターインジェクタにより２段目の噴射を行うことを特徴とし、また、請求項２記載の発明は、請求項１において、負荷に比例して燃料噴射時期を進角させることを特徴とする。
以上
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明に係わるディーゼル機関の燃料噴射制御装置の１実施形態を示す構成図である。
【００１２】
シリンダ２内には、ピストン１が摺動自在に嵌合され、シリンダ２の上部には、シリンダヘッド３が固定されている。ピストン１の頂部には窪み状のキャビティ４が形成され、シリンダ２、ピストン１及びシリンダヘッド３により囲まれる空間に燃焼室６が形成されている。ピストン１はコンロッド５を介してクランク軸７に連結され、シリンダヘッド３には、燃焼室６の略中心部に対向してセンターインジェクタ８が配設され、また、燃焼室の側部に対向して２本のサイドインジェクタ９Ａ、９Ｂが配設されている。
【００１３】
センターインジェクタ８は、アキュムレータ１１を介して高圧燃料発生装置１２に接続され、２本のサイドインジェクタ９Ａ、９Ｂは、アキュムレータ１３を介して高圧燃料発生装置１４に接続されている。センターインジェクタ８用の高圧燃料発生装置１２は、燃料を最大３００ＭＰａの圧力に昇圧可能にされ、サイドインジェクタ９Ａ、９Ｂ用の高圧燃料発生装置１４は、クランク軸７にギヤ１５を介して連結され、燃料を最大１５０ＭＰａの圧力に昇圧可能にされている。なお、一つの高圧燃料発生装置から２つの圧力調整弁によりセンターインジェクタ８およびサイドインジェクタ９Ａ、９Ｂに所定圧の燃料を供給する構成にしてもよい。
【００１４】
制御装置１６には、ピストン２の位置を検出するクランク角度信号、基準信号となる上死点信号、エンジン負荷信号、エンジン回転数信号が入力され、制御装置１６においてメモリに記憶されている燃料噴射時期、噴射量、噴射圧力のデータに基づいて比較、演算、処理が行われ、その出力信号が高圧燃料発生装置１２、１４、センターインジェクタ８及び２本のサイドインジェクタ９Ａ、９Ｂに出力される。
【００１５】
図２は、図１におけるセンターインジェクタの配置例を示し、図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は断面図である。センターインジェクタ８は、ホールノズルであり、６本の噴孔を有し隣接する噴孔の角度を均等にし、垂直面視での相対する噴霧の角度を１５５゜とし、燃焼室６の中心に配置している。図６は、２本のサイドインジェクタ９Ａ、９Ｂの配置例を示し、図６（Ａ）は平面図、図６（Ｂ）は断面図である。サイドインジェクタ９Ａ、９Ｂは、図示しない給排気弁との干渉しない範囲で垂直線から外側に傾斜（例えば３１゜）させ、噴霧がシリンダ２の中心部の位置Ｐに向かうように配設している。サイドインジェクタ９Ａ、９Ｂの噴孔は、サイドインジェクタ９Ａ、９Ｂの軸を対称として２本とし、平面視での２本の噴霧Ｆの中心角度をα＝３０゜、垂直面視での水平線からの噴霧Ｆの中心角度をβ＝３０゜としている。なお、噴孔の数及びα、βの値はこれに限定されるものではない。
【００１６】
次に、図３〜図５により、本発明の特徴である燃料噴射制御方法について説明する。図３は、燃料噴射制御の処理の流れを示す図、図４は、燃料噴射時期のマップデータを説明するための図、図５は、燃料噴射制御の具体例を示す図である。なお、以下の説明で、１段目噴射は、図６のサイドインジェクタ９Ａ、９Ｂによる噴射であり、２段目噴射とは、図２のセンターインジェクタ８による噴射である。
【００１７】
図３において、先ずステップＳ１でエンジン回転数及び負荷を読み込み、ステップＳ２で、１段目燃料噴射量及び噴射時期を設定する。燃料噴射量は、エンジン負荷と回転数に応じて周知の方法により設定し、噴射時期は、図４（Ａ）に示すマップデータにより設定する。すなわち、中負荷（＜Ｌ_A）〜低負荷の範囲では、負荷が大きくなるに従い噴射量が多くなり噴霧拡散に時間がかかるため、噴射時期を進角する。この場合、エンジン高速回転では、噴霧拡散に必要な時間は同様にかかるがクランク角度の進みが大きいため、噴射時期を早くしなければならない。また、高負荷（＞Ｌ_A）では、１段目噴射時期は変化させない。次に、ステップＳ３でエンジン負荷の高低を判定し、エンジン負荷が中・低負荷であれば、ステップＳ４でサイドインジェクタ９Ａ、９Ｂ（図６）による１段目噴射を行わせる。この１段目噴射の噴射時期は、吸気行程の開始直後から圧縮行程の範囲内で設定し、比較的早い時期に燃料をシリンダに噴射し、十分な混合時間を与えて希薄予混合気を形成しこれを圧縮自己着火させるもので、図７で説明したように、中、低負荷域において、ＮＯ_X 及びスモークを同時に且つ大幅に低減させることができる。
【００１８】
ステップＳ３で、エンジン負荷が高負荷であれば、ステップＳ５で２段目燃料噴射量及び噴射時期を設定する。燃料噴射量は、エンジン負荷と回転数に応じて周知の方法により設定し、噴射時期は、図４（Ｂ）に示すマップデータにより設定する。すなわち、エンジン高回転では１段目燃焼の終了が遅れるため噴射時期を遅角し、負荷が大きくなるに従い噴射量が多くなり２段目燃焼の終了が遅れるため、噴射時期を進角する。次に、ステップＳ６でサイドインジェクタ９Ａ、９Ｂ（図６）による１段目噴射により希薄予混合燃焼を行わせた後、ステップＳ７でセンターインジェクタ８による噴射を行わせる。この２段目噴射による燃焼は、１段目燃焼が終わった以降であるため、燃焼室内は低Ｏ₂、高ＣＯ₂、高Ｈ₂Ｏの雰囲気となっており、高ＥＧＲ燃焼と同等の効果をもち低ＮＯ_X 燃焼が実現できる。この場合、高ＥＧＲ燃焼によるスモークの増加が懸念されるが、インジェクタの微小噴孔径化、燃料噴射の高圧化に噴霧の微粒化、ガス導入促進により改善可能である。
【００１９】
図５は、負荷が変化した場合における燃料噴射制御の具体例を示し、１段目噴射と２段目噴射の噴射時期、噴射量及び熱発生率を示している。低負荷（Ｄ）では１段目のみ少量噴射し、中負荷（Ｃ）までは１段目の噴射量を増量すると共に進角させていく。中負荷以上（Ｂ）では、１段目に続いて２段目の噴射を行い、高負荷（Ａ）になるにつれて噴射量を増量させると共に進角させていく。２段目噴射を行っている間は１段目噴射量及び噴射時期を変化させない。
【００２０】
次に、本発明における２段噴射と従来のパイロット噴射との相違点について説明する。従来のパイロット噴射は、１段目噴射量を極小にして２段目に残りの主燃料を噴射し、１段目噴射による局所高温部と２段目のメイン噴霧が接触し着火遅れを短縮させるものであるが、１段目噴射による局所高温部でＮＯ_X が生成され、１段目噴射量を増量するとＮＯ_X が更に増大する。また、１段目噴射時期を進角しすぎると熱発生がなくなり着火遅れ短縮効果がなくなる。また、２段目燃焼においては噴霧内の新気量が減少しスモークが増大する。
【００２１】
これに対して、本発明における２段燃焼は、１段目噴射量を多くするため、燃焼室内全域が高温であり、１段目の進角による２段目燃焼への影響はない。また、１段目噴射量が多く、既燃ガスが燃焼室内に拡散しているため、ＥＧＲの効果で２段目燃焼でもＮＯ_X を低減させることができる。
【００２２】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく種々の変更が可能である。例えば、上記実施の形態においては、２段目噴射のセンターインジェクタをホールノズルとしているが、ピン型ノズルやスワールインジェクタを用いるようにしてもよい。また、センターインジェクタをなくし、サイドインジェクタにより２段目噴射を行わせるようにしてもよい。また、逆に２本のサイドインジェクタをなくし、１段目噴射・２段目噴射ともにセンターインジェクタで行わせるようにしてもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、１段目噴射による希薄予混合燃焼と２段目噴射による高ＥＧＲ燃焼とを組み合わせることにより、全ての負荷域において、スモーク及びＮＯX を同時に且つ大幅に低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるディーゼル機関の燃料噴射制御装置の１実施形態を示す構成図である。
【図２】図１のセンターインジェクタの配置例を示し、図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は断面図である。
【図３】本発明における燃料噴射制御方法の処理の流れを示す図である。
【図４】燃料噴射時期のマップデータを説明するための図である。
【図５】負荷が変化した場合における燃料噴射制御の具体例を示し、１段目噴射と２段目噴射の噴射時期、噴射量及び熱発生率を示す図である。
【図６】図１のサイドインジェクタの配置例を示し、図６（Ａ）は平面図、図６（Ｂ）は断面図である。
【図７】従来の希薄予混合ディーゼル燃焼の効果を説明するための図である。
【符号の説明】
１…ピストン、２…ピストン、３…シリンダヘッド、６…燃焼室
８…センターインジェクタ、９Ａ、９Ｂ…サイドインジェクタ

Claims

吸気行程の開始直後から圧縮行程の範囲内で燃焼室内に１段目の燃料噴射を行う方法であって、低・中負荷域では１段目の燃料噴射のみを行い、高負荷域では１段目の燃料噴射後に２段目の燃料噴射を行い、燃焼室の中心部に対向してセンターインジェクタを配設し、燃焼室の外周側に斜め下向きに相対向するように２本のサイドインジェクタを配設し、前記サイドインジェクタにより１段目の噴射を行い、前記センターインジェクタにより２段目の噴射を行うことを特徴とするディーゼルエンジンの燃料噴射制御方法。
負荷に比例して燃料噴射時期を進角させることを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの燃料噴射制御方法。