JP4066783B2

JP4066783B2 - 圧縮着火式内燃機関

Info

Publication number: JP4066783B2
Application number: JP2002314980A
Authority: JP
Inventors: 圭一奥出; 始郎椎野; 猛森屋
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2022-10-29
Also published as: JP2004150318A

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等の圧縮着火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境浄化の要求に伴い、自動車の排ガス規制は強化される傾向にあり、特に、ディーゼルエンジン車においては、排ガス中のＮＯ_X（窒素酸化物）及び煤（Ｓｍｏｋｅ）の規制が強化されている。
【０００３】
排ガス中のＮＯ_X及び煤を低減するための従来の方法としては、燃料の噴射時期を早めて着火遅れを長くするようにした予混合圧縮着火燃焼方式がある。この方式によれば、噴射終了後の燃料は希薄な混合気を形成するため、燃料の燃焼は低温で行われる。従って、排ガス中のＮＯ_X及び煤を殆ど零近くまで低減させることができる。
【０００４】
ところで、予混合圧縮着火燃焼方式では、負荷の増加に伴い燃料噴射量が多くなると燃料が過早着火し、燃焼が激しくなってノッキングが発生すると共に多量のＮＯ_X及び煤が発生する。この問題を解決するために、例えば、特許文献１では、以下のような制御を行っている。
【０００５】
図７に示すように、予め定められた境界Ｚより低負荷側（運転領域Ｘ）では圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）６０°以前の早期に燃料を噴射して予混合燃焼を行い、境界Ｚより高負荷側（運転領域Ｙ）では噴射時期を圧縮上死点付近に切り替えて通常のディーゼル燃焼（拡散燃焼）を行うことで対応している。
【０００６】
そして、前記境界Ｚは、機関の回転数範囲毎に定められるが、予混合燃焼は同じ噴射量・回転数でも吸入空気温度などの諸条件によって燃焼状態が大きく異なる。このため、運転条件や実際の燃焼状態に応じてこの境界Ｚを以下のように移動させている。
【０００７】
例えば、吸入空気の温度が高くなるほど着火時期は早くなる傾向があり、ノッキングが発生しやすいため、境界Ｚを低負荷側に移動させたり、ノッキングセンサ等により機関の振動強度を検出し、この強度が予め定められた値を越えたときには過早着火によるノッキングが発生していると判断し、境界Ｚを低負荷側に移動させたりしている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−２２５３５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前述したような特許文献１に開示された予混合圧縮着火燃焼方式にあっては、ノッキングセンサ等により機関の振動強度のみを検出して燃焼状態を判断し、境界Ｚを移動させていたため、燃焼状態を正確に把握することができないという問題点があった。
【００１０】
即ち、ノッキングセンサ等の誤動作、誤不動作により、ノッキングが発生し、ＮＯ_Xや煤が大量に発生しているにもかかわらず予混合燃焼運転を続けたり、逆に予混合燃焼が可能にもかかわらず通常のディーゼル燃焼（拡散燃焼）運転を行うことが起こり得るのである。また、前述の特許文献１においては予混合燃焼運転の領域を拡大できるものではなかった。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、広い運転領域でノッキングを抑制しつつＮＯ_Xや煤の発生を低減することができる圧縮着火式内燃機関を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための、本発明の請求項１に係る圧縮着火式内燃機関は、
燃焼室内の高温高圧に圧縮された空気中に燃料を噴射し、その自発火によって燃焼を開始する圧縮着火式内燃機関において、
機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記運転状態検出手段からの検出信号に基づいて、機関低負荷域では予混合燃焼を成立させるべく圧縮上死点よりも早期に燃料を噴射して予混合燃焼を行い、機関中負荷域では圧縮上死点前でかつ前段，後段に分割して燃料を噴射して分割予混合燃焼を行い、機関高負荷域では圧縮上死点付近で燃料を噴射する通常燃焼を行うようにした噴射時期制御手段と、を備えると共に、
前記噴射時期制御手段は、予混合燃焼から分割予混合燃焼への切替及び分割予混合燃焼から通常燃焼への切替は筒内圧力上昇率で判断し、逆の通常燃焼から分割予混合燃焼への切替及び分割予混合燃焼から予混合燃焼への切替は予め決められた燃料噴射量で切り替えることを特徴とし、予混合燃焼の運転領域を拡大するようにした。
【００１４】
本発明の請求項２に係る圧縮着火式内燃機関は、前記分割予混合燃焼は、その前段の噴射時期が圧縮上死点前６０〜８０°に、後段の噴射時期が圧縮上死点前２０〜４０°に設定されることを特徴とし、ノッキングを効果的に抑制しつつ予混合燃焼を可能にした。尚、この際総噴射量の固定した割合の燃料を後段で噴射し、残りの燃料を前段で噴射すると好適である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る圧縮着火式内燃機関を実施例により図面を用いて詳細に説明する。
【００１６】
［実施例］
図１は本発明の一実施例を示すディーゼルエンジンの概略構成図、図２は燃焼法の切替説明図、図３は各燃焼法における燃料噴射時期の概略図、図４は制御フローチャート、図５は筒内圧力上昇率と燃料噴射量の閾値の説明図、図６は切替運転時の性能を示す図である。
【００１７】
図１において、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気ポート、８は排気ポートをそれぞれ示す。吸気ポート７は対応する吸気枝管９を介して排気ターボチャージャ１１のコンプレッサ１２に連結される。一方、排気ポート８は排気管１０を介して排気ターボチャージャ１１の排気タービン１３に連結される。
【００１８】
排気通路１０とＥＧＲ（排気ガス再循環）通路１４は互いに連結され、ＥＧＲ通路１４内には電気制御式ＥＧＲ制御弁１５が配置される。各燃料噴射弁６は燃料供給管１６を介して図示しないコモンレールに連結される。このコモンレール内には所定の圧力の燃料が蓄圧されており、後述する電子制御ユニット（ＥＣＵ）１７により燃料噴射弁６の開弁時期及び開弁時間を制御することで、所望の噴射時期、噴射量で燃料噴射を可能としている。
【００１９】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）１７はデジタルコンピュータからなり、図示しないＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ、入力ポート及び出力ポート等を具備する。入力ポートには筒内の圧力を検出するための筒内圧力センサ１８の出力信号が入力される。
【００２０】
また、図示しないアクセルペダルにはその踏込み量に比例した出力電圧を発生するアクセル開度センサが設けられ、このアクセル開度センサの出力が入力ポートに入力される。更に、入力ポートにはクランクシャフトの回転に応じてパルスを発生するクランク角センサが接続され、このクランク角センサの出力からエンジンの回転速度がＥＣＵ１７内で演算される。一方、出力ポートは対応する図示しない駆動回路を介して燃料噴射弁６、ＥＧＲ制御弁１５にそれぞれ接続される。
【００２１】
そして、図２及び図３に示すように、前記電子制御ユニット（ＥＣＵ）１７内の運転状態検出部（運転状態検出手段）と噴射時期制御部（噴射時期制御手段）とにより、機関低負荷域では圧縮上死点より早期に（例えば、２０〜５０°ＢＴＤＣ）燃料を噴射して予混合燃焼Ｉを行い、機関中負荷域では圧縮上死点前でかつ前段，後段に分割して燃料を噴射して予混合燃焼II（分割予混合燃焼）を行い、機関高負荷域では圧縮上死点付近で燃料を噴射して通常燃焼（拡散燃焼）を行うようになっている。
【００２２】
尚、前記予混合燃焼IIは、その前段の噴射時期が例えば圧縮上死点前６０〜８０°に、後段の噴射時期が圧縮上死点前２０〜４０°に設定される。また、この際総噴射量の固定した割合（例えば５０〜７０％）の燃料を後段で噴射し、残りの燃料を前段で噴射するようになっている。
【００２３】
また、図４及び図５に示すように、予混合燃焼から分割予混合燃焼への切替及び分割予混合燃焼から通常燃焼への切替は単位時間当たりの筒内圧力上昇率（ｄＰ／ｄｔ）で判断し、逆の通常燃焼から分割予混合燃焼への切替及び分割予混合燃焼から予混合燃焼への切替は予め決められた燃料噴射量ＸＩ，ＸII（これはエンジン回転数（Ｎｅ）の関数で与えられる）で切り替えられるようになっている。
【００２４】
前記筒内圧力上昇率は、筒内圧力センサ１８からの圧力信号に基づいて電子制御ユニット１７の運転状態検出部で演算される。
【００２５】
前記切替燃料噴射量は、例えば予混合燃焼IIから予混合燃焼Ｉへの切替燃料噴射量ＸＩについては、「この噴射量以下であれば確実に予混合燃焼Ｉが成立する（ｄＰ／ｄｔ＜Ｙ（閾値）となる）」ような噴射量に設定される。因みに、切替燃料噴射量ＸＩは最大噴射量の３０％程度（エンジン回転数（Ｎｅ）により異なる）で、切替燃料噴射量ＸIIは最大噴射量の６０％程度（エンジン回転数（Ｎｅ）により異なる）とする。
【００２６】
前記切替動作を図４の制御フローチャートに基づいて詳説すると、先ず、予混合燃焼Ｉの運転下で、電子制御ユニット１７の運転状態検出部で演算される筒内圧力上昇率（ｄＰ／ｄｔ）がその閾値Ｙ（１０ＭＰａ／ｍｓｅｃ程度で、１サイクル当たりの筒内圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）に直すと６０％回転で約１５００ｋＰａ／ｄｅｇ、１００％回転で約９００ｋＰａ／ｄｅｇ）を越えたら予混合燃焼IIの運転に切り替わる（ステップＰ１〜ステップＰ３参照）。
【００２７】
次に、予混合燃焼IIの運転下で、燃料噴射量Ｑが切替燃料噴射量ＸＩ以下になれば予混合燃焼Ｉの運転に戻り、燃料噴射量Ｑが切替燃料噴射量ＸＩを越えているが筒内圧力上昇率（ｄＰ／ｄｔ）がその閾値Ｙ以下であれば予混合燃焼IIの運転をし続ける（ステップＰ４〜ステップＰ５参照）。
【００２８】
次に、予混合燃焼IIの運転下で、筒内圧力上昇率（ｄＰ／ｄｔ）がその閾値Ｙを越えれば、通常燃焼の運転に切り替わる（ステップＰ５〜ステップＰ６参照）。そして、通常燃焼の運転下で、燃料噴射量Ｑが切替燃料噴射量ＸII以下になれば予混合燃焼IIの運転に戻り、切替燃料噴射量ＸIIを越えていれば通常燃焼の運転をし続ける（ステップＰ７参照）。
【００２９】
このようにして本実施例では、機関中負荷域で燃料を分割噴射することで、当該運転域での筒内圧力上昇率（ｄＰ／ｄｔ）を低く抑えて予混合燃焼運転を可能にした。つまり、従来の予混合燃焼方式では、負荷の増加に伴い燃料噴射量が増大すると、燃料が過早着火し、燃焼が激しくなってノッキングを発生していたが、本発明のように、噴射量が増大する中負荷域において、分割噴射することにより、一度に噴射される燃料量を少なくすることでノッキングが抑制され、且つ分割噴射前段に噴射された燃料は十分に予混合気化した後に着火するのでスモークを発生することがなく、また分割噴射後に噴射された燃料は、前段に噴射された燃料の噴射中に噴射されることになるため一部の燃料は拡散燃焼してしまうが、後段の噴射時期を上死点前２０〜４０°に設定することにより拡散燃焼に寄与する燃料量が可及的に低減されるので、スモークの発生を抑えることができる。このように、分割噴射することで燃料噴射量が増大する運転領域におけるノッキングの発生とスモークの発生を同時に抑制することができ、予混合燃焼の可能運転領域の拡大が可能になった。
【００３０】
図６に本実施例における排ガス性能を示すように、機関低負荷域の予混合燃焼運転も相俟って、広い運転領域でノッキングを効果的に抑制しつつＮＯ_Xや煤の発生を低減することができる。
【００３１】
また、予混合燃焼から分割予混合燃焼への切替及び分割予混合燃焼から通常燃焼への切替は筒内圧力上昇率（ｄＰ／ｄｔ）で判断し、逆の通常燃焼から分割予混合燃焼への切替及び分割予混合燃焼から予混合燃焼への切替は予め決められた燃料噴射量ＸＩ，ＸIIで切り替えるので、従来例のようにノッキングセンサ等により機関の振動強度のみで燃焼状態を判断するより、燃焼状態を正確に判断して確実に切り替えられる。
【００３２】
また、予混合燃焼Ｉ及び予混合燃焼II（後段）は、噴射時期が比較的圧縮上死点に近いため、コーン角を若干狭くするなどの簡単な改良により現行エンジンに適用できる利点もある。加えて、通常燃焼運転時の排ガス性能・燃費の悪化も少ない。
【００３３】
尚、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、各種変更が可能であることはいうまでもない。例えば、上記実施例では、単位時間当たりの筒内圧力上昇率（ｄＰ／ｄｔ）を用いて切替の閾値をエンジン回転数によらず一定値としたが、１サイクル当たりの筒内圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）の閾値をエンジン回転数ごとに決めるようにしても良い。また、筒内圧力上昇率（ｄＰ／ｄｔ）又は（ｄＰ／ｄθ）を検出し、これによって着火時期や燃焼速度を判断し、前述した燃焼法を切り替えるようにしても良い。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明によれば、燃焼室内の高温高圧に圧縮された空気中に燃料を噴射し、その自発火によって燃焼を開始する圧縮着火式内燃機関において、機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記運転状態検出手段からの検出信号に基づいて、機関低負荷域では予混合燃焼を成立させるべく圧縮上死点よりも早期に燃料を噴射して予混合燃焼を行い、機関中負荷域では圧縮上死点前でかつ前段，後段に分割して燃料を噴射して分割予混合燃焼を行い、機関高負荷域では圧縮上死点付近で燃料を噴射する通常燃焼を行うようにした噴射時期制御手段と、を備えると共に、前記噴射時期制御手段は、予混合燃焼から分割予混合燃焼への切替及び分割予混合燃焼から通常燃焼への切替は筒内圧力上昇率で判断し、逆の通常燃焼から分割予混合燃焼への切替及び分割予混合燃焼から予混合燃焼への切替は予め決められた燃料噴射量で切り替えることを特徴とするので、予混合燃焼の運転領域を拡大でき、広い運転領域でノッキングを効果的に抑制しつつＮＯ_Xや煤の発生を低減することができる一方で、燃焼状態を正確に判断して確実に切り替えられる。
【００３５】
請求項２の発明によれば、前記噴射時期制御手段は、予混合燃焼から分割予混合燃焼への切替及び分割予混合燃焼から通常燃焼への切替は筒内圧力上昇率で判断し、逆の通常燃焼から分割予混合燃焼への切替及び分割予混合燃焼から予混合燃焼への切替は予め決められた燃料噴射量で切り替えるので、燃焼状態を正確に判断して確実に切り替えられる。
【００３６】
請求項２の発明によれば、前記分割予混合燃焼は、その前段の噴射時期が圧縮上死点前６０〜８０°に、後段の噴射時期が圧縮上死点前２０〜４０°に設定されるので、ノッキングを効果的に抑制しつつ予混合燃焼を広い運転領域で可能にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すディーゼルエンジンの概略構成図である。
【図２】燃焼法の切替説明図である。
【図３】各燃焼状態における燃料噴射時期の概略図である。
【図４】制御フローチャートである。
【図５】筒内圧力上昇率と燃料噴射量の閾値の説明図である。
【図６】切替運転時の性能を示す図である。
【図７】従来例の運転領域Ｘ，Ｙを示す図である。
【符号の説明】
１機関本体
２シリンダブロック
３シリンダヘッド
４ピストン
５燃焼室
６電気制御式燃料噴射弁
７吸気ポート
８排気ポート
１１排気ターボチャージャ
１２コンプレッサ
１３排気タービン
１４ＥＧＲ（排気ガス再循環）通路
１５電気制御式ＥＧＲ制御弁
１６燃料供給管
１７電子制御ユニット

Claims

燃焼室内の高温高圧に圧縮された空気中に燃料を噴射し、その自発火によって燃焼を開始する圧縮着火式内燃機関において、
機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記運転状態検出手段からの検出信号に基づいて、機関低負荷域では予混合燃焼を成立させるべく圧縮上死点よりも早期に燃料を噴射して予混合燃焼を行い、機関中負荷域では圧縮上死点前でかつ前段，後段に分割して燃料を噴射して分割予混合燃焼を行い、機関高負荷域では圧縮上死点付近で燃料を噴射する通常燃焼を行うようにした噴射時期制御手段と、を備えると共に、
前記噴射時期制御手段は、予混合燃焼から分割予混合燃焼への切替及び分割予混合燃焼から通常燃焼への切替は筒内圧力上昇率で判断し、逆の通常燃焼から分割予混合燃焼への切替及び分割予混合燃焼から予混合燃焼への切替は予め決められた燃料噴射量で切り替えることを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
前記分割予混合燃焼は、その前段の噴射時期が圧縮上死点前６０〜８０°に、後段の噴射時期が圧縮上死点前２０〜４０°に設定されることを特徴とする請求項１記載の圧縮着火式内燃機関。