JP4164631B2 - ディーゼル機関 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はディーゼル機関に係り、特に排気中のNOxを吸蔵及び放出還元する吸蔵型NOx触媒を備えたディーゼル機関に関するものである。
【0002】
【関連する背景技術】
周知のようにNOx低減の対策の一つである吸蔵型のNOx触媒は、排気空燃比がリーンのときに排気中のNOxを吸蔵し、吸蔵したNOxを排気空燃比がリッチ又はストイキのときに放出還元する機能を果たす。排気空燃比の調整は、専用の還元剤供給手段を設けてもよいが、機関の空気過剰率を制御すれば、還元剤供給手段等の構成を追加することなく排気空燃比の調整を実現できるため、この手法が実施される場合がある。
【0003】
しかしながら、上記手法はディーゼル機関には適用し難いという問題がある。即ち、ディーゼル機関は、理論空燃比に相当する1.0より大幅にリーン側の空気過剰率で運転されており、このときの燃焼形態は、噴射燃料と周囲の圧縮空気との境界の可燃混合気層で燃焼を生じさせる拡散燃焼を主体としている。従って、空気過剰率をリッチ側に変更すべく燃料噴射量を増量しても、増量された燃料の大半は燃え残って空気過剰率のリッチ化に寄与しないばかりか、スモーク排出量の増加の要因となってしまう。
【0004】
そこで、特開平8−218920号公報では、吸気行程で燃料を噴射すると共にEGRを大量導入し、これにより空気過剰率を1.0以下に低下させてNOxを放出還元させる技術が提案されている。このときの燃焼状態は、噴射燃料が圧縮上死点までに拡散・気化して予め空気と混合した状態で燃焼する予混合燃焼に切換えられることから、燃料の燃え残りが生じ難くなってEGR率の上限値が高められ、結果として1.0以下の空気過剰率を達成可能になると推測される。
【0005】
一方、特許第3116876号には、EGR率を上記した上限値を越えて増加させると、スモーク排出量が急増した後にピークを越えて低下傾向に転じる特性があることに着目し、スモーク排出量が低下傾向に転じたときのEGR率に制御して、スモークとNOxの両立を図る技術が開示されている。そこで、NOxパージを要するときには、この技術を利用して空気過剰率を1.0以下に制御してNOxを放出還元することも考えられる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前段の技術では、吸気行程の燃料噴射から圧縮行程の着火までの期間が長いことから、着火タイミングにバラツキが生じて、過早着火や着火遅れ等の着火不良を招き易くなり、安定性に欠けるという問題がある。又、吸気行程で噴射された燃料の一部は筒内に拡散してシリンダ壁に付着するため、オイルダイリューションの要因になるという問題もある。
【0007】
又、後段の技術では、通常運転とNOxパージとの間で制御モードを切換えるときに、スモーク排出量のピークを通過することになるため、必然的にモード切換毎に過渡的にスモーク排出量が急増してしまうという問題がある。
本発明の目的は、着火不良による安定性の低下やオイルダイリューションの発生等の弊害を防止した上で、スモークの排出を抑制可能なEGR率の上限値を引き上げ、もって、スモーク排出量を増加させることなくNOx吸蔵触媒からNOxを放出還元することができるディーゼル機関を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1の発明は、機関の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射手段と、機関から排出される排気の吸気系への還流量を制御するEGR率調整手段と、機関の排気通路に設けられ、排気空燃比がリーンのときに排気中のNOxを吸蔵すると共に、吸蔵したNOxを排気空燃比がリッチ又はストイキのときに放出還元するNOx吸蔵触媒と、燃料噴射手段による燃料噴射時期を、空気過剰率の低下に対するスモーク排出量特性が増加傾向を示してからピークを越えて低下傾向を示す特性が最も顕著な特定噴射時期よりも進角側のピークが殆ど発生しない噴射時期で、且つ噴射燃料がピストンに形成されたキャビティを外れてシリンダ壁面に到達する噴射時期よりも遅角側に設定すると共に、空気過剰率が1.0以下となるようにEGR率調整手段の作動を制御する第1制御モードを実行する第1制御手段と、特定噴射時期より噴射時期を遅角して圧縮上死点近傍に設定すると共に、第1制御モードの制御状態よりEGR率を減量した第2制御モードを実行する第2制御手段と、NOx吸蔵触媒からNOxを放出すべきときに第1制御モードに切換え、NOxを放出すべきでないときに第2制御モードに切換えると共に、第1制御モードと第2制御モードとの制御モードの切換時には、EGR率が徐々に変化するEGR率変化期間の中期で噴射時期を瞬時的に切換えるモード切換手段とを備えたものである。
【0009】
空気過剰率に対するスモーク排出量の特性は噴射時期に応じて変化する。図5はある運転領域で燃料噴射時期を変化させた試験結果の一例を示しており、一般的なディーゼル機関に適用される10°BTDCに比較して20°BTDCまで進角すると(特定噴射時期)、空気過剰率の低下に対するスモーク排出量は、増加傾向を示してからピークを越えて低下傾向を示す特性となる。この場合には、EGR率と共に空気過剰率を変化させるとスモーク排出量がピークとなる領域を越えるため、過渡的なスモーク排出量の急増が避けられない。これに対して噴射時期を更に進角させた36°BTDCでは、空気過剰率を低下させてもスモーク排出量は低い値に抑制され、高いEGR率によりNOx排出量も抑制されることから、スモークとNOxを共に低減可能となり、しかも、上記スモーク排出量のピークが形成されないことから、過渡的なスモーク増加も抑制される。
【0010】
このように噴射時期の進角によりスモーク排出量が抑制されるのは、燃料噴射から着火までの期間が延長化されて、その間に噴射燃料と吸入空気との予混合が促進されるためと考えられるが、例えば吸気行程噴射のように噴射時期を極端に進角させていないため、噴射燃料は圧縮上死点近傍での所定タイミングで確実に着火され、着火不良を生じることなく安定した運転が可能である。
【0011】
一方、図6は上記図5と同一の運転領域で噴射時期を変更してTHC排出量と希釈燃料量とを測定した試験結果を示しており、噴射時期を進角させると、40°BTDC付近からエンジンオイルに混入する燃料量が増加してオイルダイリューションの虞が生じる。
以上の要因に基づき、空気過剰率の低下に対するスモーク排出量特性が増加傾向を示してからピークを越えて低下傾向を示す特性が最も顕著な特定噴射時期よりも進角側のピークが殆ど発生しない噴射時期で、且つ、噴射燃料がピストンに形成されたキャビティを外れてシリンダ壁面に到達する噴射時期よりも遅角側に噴射時期を設定すれば、過度の進角によるオイルダイリューション等の弊害を防止した上で、スモークの排出を抑制可能なEGR率の上限値が引き上げられる。
【0012】
そして、第1制御モードでは、上記噴射時期の下で、EGR率は1.0以下の空気過剰率を達成する値に設定され、このEGR率に基づいてEGR率調整手段により還流量が制御される。
図4は上記図5と同一の運転領域で噴射時期を更に細分化した試験結果を示しており、図中の●印は噴射時期を8°BTDCに設定したときの特性を示し、以下同様に、○印は10°BTDC、▲印は12°BTDC 、△印は14°BTDC 、×印は16°BTDC 、*印は20°BTDC 、◆印は24°BTDC 、◇印は28°BTDC 、■印は32°BTDC 、□印は36°BTDCのときの特性を示す。この図のTHC特性から明らかなように、噴射時期が36°BTDCで、空気過剰率λが1.0以下の領域ではHCやCOの排出量が増加する。よって、NOx吸蔵触媒に吸蔵されたNOxは還元雰囲気中で効率よく放出還元される。
【0013】
好ましい態様として、上記第1制御モードは機関の運転領域が低負荷域のときに実行することが望ましく、大量のEGRにより空気量が減少しても、要求燃料量が少ない低負荷領域であれば、支障なく制御を実行可能である。
【0014】
以上の第1制御モードに比較して第2制御モードでは、噴射時期を遅角すると共にEGR率を減量していることから、運転者の出力要求が高い運転領域では、モード切換手段によりこの第2制御モードに切換えることで、出力要求に応じることが可能となる。
【0015】
一方、モード切換手段により制御モードが切換えられたとき、排ガス還流に起因してEGR率は徐々にしか変化しないが、その変化特性に合わせて噴射時期を徐々に変化させると、スモークが急増する領域の条件を満足するような噴射時期とEGR率となる状態を通過して、一時的にスモークを増加させてしまう場合がある。
【0016】
例えば、上記図4中において、第2制御モードは大きい●印で示されており、噴射時期として8°BTDCが設定されると共に、EGR率として45%が設定されて、空気過剰率λは1.8に制御される。これに対して、第1制御モードは大きい□印で示されており、噴射時期が遥かに進角側の36°BTDCに設定されると共に、EGR率Regrが56%に設定され、結果として空気過剰率λは1.0以下に制御される。
【0017】
空気過剰率λ=1.0〜1.8の過渡領域において、噴射時期を14〜32°BTDCの何れかに設定した場合には、主にリーン側で騒音が増加する現象、或いは主にリッチ側でスモークが増加する現象が生じるため、騒音とスモークを両立できないことがわかる。従って、第1制御モードと第2制御モードとの間で切換を行う場合、図中の破線に従って噴射時期を徐々に変化させると、必然的にこの14〜32°BTDCの領域を通過するため、騒音やスモークが急増する領域の発生が避けられない。
【0018】
これに対して、噴射時期を8若しくは10°BTDCに設定した場合には、空気過剰率λが1.3付近よりリーン側の領域では騒音及びスモークを共に低減可能であり、一方、噴射時期を36°BTDCに設定した場合には、空気過剰率λが1.3付近よりリッチ側の領域では騒音及びスモークを共に低減可能であることがわかる。よって、この例示では図中に実線で示すように、空気過剰率λ=1.3を境界として瞬時的に噴射時期を切換えればよい。
【0019】
以上の例示に従って、本請求項の発明では、EGR率が徐々に変化するEGR率変化期間の中期で噴射時期を瞬時的に切換えるため、スモークが急増する領域を飛び越して制御モードの切換が行われ、結果として、EGR率変化期間中に生じる一時的なスモークの増加が未然に回避される。
請求項2の発明は、燃料噴射手段による燃料噴射時期を第1制御モードの制御状態と同様に設定すると共に、スモーク排出量とNOx排出量とを同時に低減させるようにEGR率調整手段の作動を制御する第3制御モードを実行する第3制御手段を備え、NOxを放出すべきでなく、且つ、機関の運転領域が低負荷域のときに第3制御モードに切換えるものである。
【0020】
例えば、上記図4中において、第3制御モードのキャリブレーション点は破線の大きい□印で示されており、噴射時期は第1制御モードと同じ36°BTDCに設定され、空気過剰率は1.0より若干リーン側に設定される。この第3制御モードでは、余剰酸素の増加に伴って第1制御モードよりHCやCO排出量が減少する一方、第1制御モードと同じくスモークとNOxが低減することから、この第3制御モードによれば、HCやCOの増加を抑制しながらスモークとNOxを共に低減させた運転が可能となる。
【0021】
請求項3の発明は、第1制御手段が、第1制御モードの実行時に機関トルクの低下を補償するように燃料噴射手段の噴射量を増加するものである。
従って、燃料噴射量の増加により機関トルクの低下が補償されるため、トルク変動を生じることなく制御モードの切換が可能となる。
請求項4の発明は、第1制御手段が、機関回転速度の増加に伴い噴射時期を進角するものである。
【0022】
機関回転速度と共にピストン速度が増加すると、噴射燃料がキャビティ内に到達する時期が相対的に早められるため、適切な時期に噴射燃料をキャビティ内に到達させるには、ピストン位置が未だ低い時期まで燃料噴射を早める必要が生じる。よって、機関回転速度の増加に伴い噴射時期を進角すれば、機関回転速度に関わらず、常に適切な時期に噴射燃料がピストンのキャビティ内に到達し、第1制御モードを安定した燃焼状態で実現可能となる。
【0023】
請求項5の発明は、第1制御手段が、負荷変化に対して噴射時期をほぼ一定に保つものである。
従って、機関回転速度に比較して機関負荷に対する噴射時期の依存性は低いため、負荷変化に対して噴射時期をほぼ一定に保てば、機関負荷の変動に影響されることなく、第1制御モードを安定した燃焼状態で実現可能となる。
【0024】
【発明の実施の形態】
[第1実施形態]
以下、本発明をコモンレール式のディーゼル機関の第1実施形態を説明する。
図1は本実施形態のディーゼル機関を示す全体構成図である。この図ではディーゼル機関の1気筒分が表されており、シリンダブロック1内に配設されたピストン2は、コンロッド3を介して図示しないクランクシャフトと連結されている。機関のシリンダヘッド4には筒内に臨むように燃料噴射弁5が配設され、この燃料噴射弁5は各気筒共通のコモンレール6に接続されている。コモンレール6には燃料ポンプ7が接続され、燃料ポンプ7から供給される高圧燃料がコモンレール6内に貯留されている。
【0025】
燃料噴射弁5は圧縮上死点近傍の所定タイミングで開弁され、コモンレール6内の高圧燃料が燃料噴射弁5からピストン頭部のキャビティ2aに向けて噴射されて、圧縮空気中で着火・燃焼してピストン2を押し下げる(燃料噴射手段)。コモンレールシステムの構成は公知のものであるため詳述しないが、燃料噴射弁5の開弁状態を制御することで、燃料噴射量及び噴射時期を自由に設定可能である。
【0026】
一方、各気筒の筒内は、シリンダヘッド4に形成された吸気ポート8を介して共通の吸気通路9に接続され、吸気通路9には上流側より、エアクリーナ10、ターボチャージャ11のコンプレッサ11a、吸気絞り弁12が設けられている。又、各気筒の筒内は、シリンダヘッド4の排気ポート13を介して共通の排気通路14に接続され、排気通路14には上流側より、排気絞り弁15、上記コンプレッサ11aと同軸上に設けられたターボチャージャ11のタービン11b、吸蔵型NOx触媒16、酸化触媒17、及び図示しない消音器が設けられている。NOx触媒16は、機関の排気空燃比がリーンのときに排気中のNOxを吸蔵すると共に、吸蔵したNOxを排気空燃比がリッチ又はストイキのとき(排ガス中にHCやCOが存在するとき)に放出還元する機能を有し、酸化触媒17は、排ガス中のHC,COを酸化浄化する機能を有する。
【0027】
エアクリーナ10を経て吸気通路9に導入された吸入空気は、コンプレッサ11aにより過給された後に各気筒の吸気弁18の開弁に伴って筒内に導入され、ピストン2の上昇に伴って圧縮されて上記のように燃焼に利用される。燃焼後の排ガスは排気弁19の開弁に伴って排気通路14に排出されてタービン11bを駆動した後に、NOx触媒16及び酸化触媒17を通過し、消音器を経て大気中に排出される。
【0028】
一方、上記吸気通路9の吸気絞り弁12の下流位置にはEGR通路23の一端が接続され、このEGR通路23にはEGR弁21及びEGRクーラ25が設けられると共に、EGR通路23の他端は上記排気通路14の排気絞り弁15の上流位置に接続されている。排気通路14から吸気通路9へのEGRの還流は2EGR通路23を経て行われ、EGR弁21の開弁時には、EGR通路23を経てEGRクーラ25で冷却された排ガスが還流される。尚、このときのEGR率は、EGR弁21の開度、吸気絞り弁12による吸入空気の制限、排気絞り弁15による排ガスの制限に応じて適宜調整される(EGR率調整手段)。
【0029】
一方、車室内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置(ROM,RAM等)、中央処理装置(CPU)、タイマカウンタ等を備えたECU(電子制御ユニット)31が設置されている。ECU31の入力側には、アクセル操作量APSを検出するアクセルセンサ32、エンジン回転速度Neを検出する回転速度センサ33等の各種センサ類が接続され、出力側には上記燃料噴射弁5、吸気絞り弁12、排気絞り弁15、EGR弁12等の各種デバイス類が接続されている。
【0030】
そして、ECU31はアクセル操作量APS及びエンジン回転速度Neに基づき、図示しないマップから燃料噴射量Qを算出する一方、エンジン回転速度Ne及び燃料噴射量Qに基づき、図示しないマップから燃料噴射時期ITを算出し、これらの算出値に基づいて燃料噴射弁5を駆動制御する。
又、エンジン回転速度Ne及び燃料噴射量Qの算出値に基づき、図示しないマップから目標空気過剰率λtgtを算出し、この目標空気過剰率λtgtと実際の空気過剰率λ(例えば、図示しないエアフローセンサ出力から求まる吸入空気量に、EGRガス中の残存酸素量の推定値を加算した新気量及び燃料噴射量Qから算出したり、排気通路14にリニア空燃比センサを設けて、該センサ出力から求めたりできる)に基づき、実際の空気過剰率λが目標空気過剰率tgtλとなるようにEGR弁21の開度(つまり、EGR率Regr)をフィードバック制御する。
【0031】
ここで、本実施形態のディーゼル機関では、機関の運転状態に応じて燃焼モードを切換えて燃料噴射時期ITを大幅に変更しており、以下に当該燃焼モードの切換について詳述する。
図2はECU31が実行する燃焼モード切換ルーチンを示すフローチャートである。まず、ECU31はステップS2で冷却水温等に基づいて機関の暖機が完了しているか否かを判定し、続くステップS4で燃料噴射量Q及びエンジン回転速度Neに基づき、図3に示すマップに従って現在の運転領域が予め設定された特定領域か否かを判定する。ここで、特定領域としては、燃料噴射量Q(機関負荷と相関する)及びエンジン回転速度Neが所定値Q0,Ne0以下の低負荷低回転域に設定されている。
【0032】
次いで、ステップS6でNOxパージを実行すべきNOxパージ時期か否かを判定する。具体的な判定手法としては種々のものがあるが、例えば、図示しないNOxセンサの検出値が所定以上で、NOx触媒16からのNOxの漏洩が推測されるとき、或いは、機関の運転領域から推定したNOx排出量を順次積算して現在のNOx触媒16上でのNOx吸蔵量を求め、その値が所定値を越えたとき等には、NOxパージ時期と見なす。
【0033】
上記ステップS2〜6の何れかでNO(否定)の判定を下したときには、ステップS8に移行して通常燃焼モード(第2制御モード)を実行した後にルーチンを終了する(第2制御手段)。又、ステップS2〜6の全てでYES(肯定)の判定を下したときには、ステップS10に移行してNOxパージ燃焼モード(第1制御モード)を実行した後にルーチンを終了する(第1制御手段)。
【0034】
上記した通常燃焼モードは、一般的なディーゼル機関で実施される制御内容と同様の制御モードであり、NOxパージ燃焼モードは、本発明特有の燃焼モードである。
図4は通常燃焼モード及びNOxパージ燃焼モードにおける燃料噴射時期ITとEGR率Regrの制御状況、及び燃料噴射時期ITを8〜36°BTDCに設定したときのTHC排出量、NOx排出量、騒音、スモーク排出量を測定した試験結果を示す特性図であり、図中の●印はIT=8°BTDCに設定したときの特性を示し、以下同様に、○印は10°BTDC、▲印は12°BTDC 、△印は14°BTDC 、×印は16°BTDC 、*印は20°BTDC 、◆印は24°BTDC 、◇印は28°BTDC 、■印は32°BTDC 、□印は36°BTDCのときの特性を示す。尚、この試験結果は、機関の運転領域を目標平均有効圧Pe=0.2MPa(機関負荷と相関する)、エンジン回転速度Ne=2000rpmとしたときのものである。
【0035】
通常燃焼モードのキャリブレーション点は大きい●印の位置であり、燃料噴射時期ITが8°BTDCに、EGR率Regrが45%に設定されて、空気過剰率は1.8付近に制御される。これに対して、NOxパージ燃焼モードのキャリブレーション点は大きい□印の位置に設定され、燃料噴射時期ITが遥かに進角側の36°BTDCに設定されると共に、EGR率Regrが56%に設定され、結果として空気過剰率λは、1.0(理論空燃比)若しくは若干リッチ側(λ≦1.0)に制御される。
【0036】
NOxパージ燃焼モードの燃料噴射時期IT=36°BTDCは、以下のようにして設定されたものである。
図5は上記図4から燃料噴射時期ITが10,20,36°BTDCのときの試験結果を抜粋した特性図であり、図中に○印で示すIT=10°BTDCは、一般的なディーゼル機関に適用される燃料噴射時期IT(上記通常燃焼モードにも近い )に相当し、*印で示すIT=20°BTDCは、従来技術として説明した特許第3116876号に適用される燃料噴射時期ITに相当し、□印で示すIT=36°BTDCは、本実施形態のNOxパージ燃焼モードでの燃料噴射時期ITに相当する。
【0037】
10°BTDCでは、EGR率Regrの増加に伴ってNOx排出量が低下するものの、図では省略しているが、λ=1.8を超えるとスモークが急増することから、スモークの排出を抑制可能なEGR率Regrの上限値はかなり低い。
又、20°BTDCでは、スモークの排出量がEGR率Regrの増加に対して一旦増加傾向を示し、ピークを越えた後に低下傾向を示すが、最小値となるλ=1.05付近でも、十分なスモーク低減が達成できないし、燃焼モードの切換に伴って空気過剰率λが変化する度にスモーク排出量のピークを越えるため、過渡的にスモーク排出量が急増することが推測される。
【0038】
これに対して、燃料噴射時期ITを更に進角した36°BTDCでは、EGR率Regrを56%程度まで高めてもスモーク排出量が極めて低い値に抑制され、この高いEGR率RegrによりNOx排出量も抑制されることから、結果としてスモークとNOxを共に低減した上で、実現可能な空気過剰率λは1.0付近の領域まで拡大される。しかも、上記スモーク排出量のピークが形成されないことから、過渡的なスモーク増加も抑制される。そして、図4のTHC特性からも明らかなように、空気過剰率λが1.0以下の領域ではHCやCOの排出量が増加することから、上記ステップS10のNOxパージ燃焼モードが実行されると、NOx触媒16に吸蔵されたNOxが還元雰囲気中で効率よく放出還元される。
【0039】
尚、このように燃料噴射時期ITの進角によりスモーク排出量が抑制されるのは、燃料噴射から着火までの期間が延長化されて、その間に噴射燃料と吸入空気との予混合が促進されるためと考えられる。但し、従来技術として説明した特開平8−218920号公報のように、燃料噴射時期ITを吸気行程まで極端に進角させてはいないため、このNOxパージ燃焼モードでも、噴射燃料は圧縮上死点近傍での所定タイミングで確実に着火され、着火不良を生じることなく安定した運転が行われる。
【0040】
一方、図6は上記図4,5と同一の運転領域で燃料噴射時期ITを変更してTHC排出量と希釈燃料量とを測定した試験結果を示す特性図である。この図に示すように、燃料噴射時期ITを進角させると、40°BTDC付近から希釈燃料量(エンジンオイルに混入して希釈作用を奏する燃料の量)が増加してオイルダイリューションの虞が生じる。この要因は、早期の燃料噴射により噴射された燃料の一部が拡散して、ピストン2のキャビティ2a内に補足されずにシリンダ壁面に付着するためであり、付着した燃料がピストンクリアランスを経てオイルパン中のオイルに混入して引き起こされる。又、キャビティリップや逆スキッシュ流による燃料噴霧と吸入空気との混合作用が十分に得られないと、スモーク増加にも繋がるため、この点からも過度の進角は望ましくない。
【0041】
更に、燃料噴射時期ITを過度に進角させた場合には、吸気行程で燃料噴射を実施する特開平8−218920号公報の従来技術と同様に、燃料の圧縮上死点近傍での着火タイミングにバラツキが生じて、過早着火や着火遅れ等の着火不良を招き易くなるため、この不具合を回避するためにも進角には限界がある。
以上の要因により燃料噴射時期ITは進角側において40°BTDCまでの制限を受け、結果として、上記のようにNOxパージ燃焼モードでの燃料噴射時期ITが36°BTDCに設定されている。
【0042】
そして、このようにNOxパージ燃焼モードでは空気過剰率λのリッチ化のために大量のEGRを還流させることから、機関負荷やエンジン回転速度Neが高い領域では、多量の燃料を燃焼させるための空気量が不足して、機関負荷及びエンジン回転速度Neの面で制限を受け、その実施が図3のマップの特定領域に限られるのである。但し、本実施形態では、ターボチャージャ11の過給によりNOxパージ燃焼モードでも比較的多くの空気を供給可能なため、自然吸気型のディーゼル機関に比較すれば、特定領域の上限値は格段に拡大されている。
【0043】
一方、特定領域内において、最適な燃料噴射時期ITは機関の運転領域に応じて変化するが、燃料噴射量Q(機関負荷)に対する依存性は低い一方、エンジン回転速度Neに対して最適な燃料噴射時期ITは大きく変化する。
つまり、エンジン回転速度Neと共にピストン速度が増加すると、噴射燃料がキャビティ2a内に到達する時期が相対的に早められるため、適切な時期に噴射燃料をキャビティ2a内に到達させるには、ピストン位置が未だ低い時期まで燃料噴射を早める必要が生じるためである。よって、図3のマップの特定領域内において、燃料噴射時期ITは、エンジン回転速度Neが増加するほど進角側に変化するように設定され、燃料噴射量Qの増減に対してはほとんど変化しないようにほぼ一定に設定される。
【0044】
一方、図4に基づいて説明したように、機関の運転領域の変化に伴って燃焼モードが切換わると、燃料噴射時期ITは8°BTDCと36°BTDCとの間で切換えられ、 空気過剰率λは1.8と1.0との間で(EGR率Regrで45%と56%との間)で切換えられる。
ここで、応答性の高いコモンレール式の燃料噴射制御では燃料噴射時期ITをステップ状に切換え可能であるが、EGR制御では排ガス還流に起因してEGR率Regrが緩やかに変化することから、必然的にモード切換時のEGR率Regrには過渡領域が存在することになる。そして、モード切換時においては、図4中に破線で示すようにEGR率Regrの変化に応じて燃料噴射時期ITをテーリングさせることなく、実線で示すようにEGR率変化期間中の所定ポイントを境界として燃料噴射時期ITをステップ的に変化させており(モード切換手段)、以下、当該モード切換時の制御の必要性を説明する。
【0045】
図4に示すように、空気過剰率λ=1.0〜1.8の過渡領域において、燃料噴射時期ITを14〜32°BTDCの何れかに設定した場合には、主にリーン側で騒音が増加する現象、或いは主にリッチ側でスモークが増加する現象が生じるため、騒音とスモークを両立できないことがわかる。図4の破線に従って燃料噴射時期ITをテーリングすると、必然的にこの14〜32°BTDCの領域を通過するため、騒音やスモークが急増する領域の発生が避けられない。
【0046】
これに対して、燃料噴射時期ITを8若しくは10°BTDCに設定した場合には、空気過剰率λが1.3付近よりリーン側の領域では騒音及びスモークを共に低減可能であり、一方、燃料噴射時期ITを36°BTDCに設定した場合には、空気過剰率λが1.3付近よりリッチ側の領域では騒音及びスモークを共に低減可能であることがわかる。
【0047】
よって、通常燃焼モードからNOxパージ燃焼モードに切換える場合には、空気過剰率λが1.3以上の領域では燃料噴射時期ITを8〜10°BTDCに漸増させた後に、λ=1.3を境界としてステップ状に36°BTDCに切換える。又、NOxパージ燃焼モードから通常燃焼モードに切換える場合には、その逆の手順で制御すればよい。
【0048】
一方、通常燃焼モードに対して空気過剰率λをリッチ側に設定したNOxパージ燃焼モードでは、同一噴射量の下でトルク低下が生じる。従って、本実施形態では、予め空気過剰率λ毎に必要燃料量を求めておき、空気過剰率λに応じて実際の燃料噴射量Qを補正し、これにより燃焼モードの切換時のトルク変動を防止している。
【0049】
以上のように本実施形態のディーゼル機関では、一般的に適用される値に比較して燃料噴射時期ITを大幅に進角させた領域で、スモークの排出を抑制可能なEGR率Regrの上限値が増加することに着目し、NOx触媒16がNOxパージ時期に達したときには、燃料噴射時期ITを進角側に設定したNOxパージ燃焼モードを実行するようにした。そして、このNOxパージ燃焼モードでは、大量のEGRにより1.0以下の空気過剰率λが実現されて、HCやCOの排出量が増加するため、結果としてスモーク排出量を増加させることなく、NOx触媒16からNOxを極めて効率よく放出還元することができる。
【0050】
しかも、本実施形態ではターボチャージャ11の過給により空気量を確保し、これによりNOxパージ燃焼モードが実行される特定領域の上限を拡大しているため、広い運転領域でNOxパージ燃焼モードを実施可能であり、NOxパージ時期に至ったときには速やかにNOxの放出還元を開始することができる。
加えて、NOxパージ燃焼モードでの燃料噴射時期ITは、着火不良による安定性の低下やオイルダイリューションの発生等に起因する進角限界を考慮した上で設定されているため、これらの弊害を未然に防止した上で上記作用効果を得ることができる。
【0051】
又、空気過剰率λのリッチ化に伴う機関トルクの低下を補償するように、NOxパージ燃焼モードでは燃料噴射量Qが増加補正されるため、燃焼モードの切換時のトルク変動を防止して、良好な走行フィーリングを保つことができる。
更に、エンジン回転速度Neの増加に伴って燃料噴射時期ITを進角側に制御するため、エンジン回転速度Neに関わらず、常に適切な時期に噴射燃料をピストン2のキャビティ2a内に到達させることができ、結果としてNOxパージ燃焼モードを安定した燃焼状態で実現できる。
【0052】
一方、燃料噴射量Q(機関負荷)の増減に対しては、燃料噴射時期ITの依存性が低いものと見なして、燃料噴射量Qの増減に対してほぼ一定に制御するため、機関負荷の変動に影響されることなく、NOxパージ燃焼モードを安定した燃焼状態で実現できる。
又、NOxパージ時期にはNOxパージ燃焼モードを実行すると共に、それ以外の通常時には、一般的なディーゼル機関と同様の通常燃焼モードに切換えるため、運転者の要求出力に確実に応じることが可能となり、ひいては良好な車両の走行特性を実現することができる。特に本実施形態では、EGRクーラ25で冷却された排ガスを還流するため、実現可能な機関トルクが増加して、上記車両の走行性能を一層向上させることができる。
【0053】
しかも、燃焼モードの切換時には、EGR率Regrの変化に応じて燃料噴射時期ITをテーリングさせることなく、所定ポイント(λ=1.3)を境界としてステップ状に切換えている。従って、EGR率Regrの過渡領域中に存在する騒音やスモークが急増する領域(IT=14〜32°BTDC)を飛び越してモード切換が行われ、モード切換に伴う一時的な騒音やスモークの増加を未然に回避できる。
【0054】
尚、NOxパージ燃焼モードでは、燃料噴射時期ITを36°BTDCに設定したが、図4からもわかるように、32°BTDCや28°BTDCでも、騒音及びスモーク特性はほとんど悪化しない。従って、この運転領域を前提としたNOxパージ燃焼モードでは、燃料噴射時期ITの下限を28°BTDCとし、上限を上記オイルダイリューション等から制限される40°BTDCとし、その間で任意に設定してもよい。
【0055】
[第2実施形態]
次に、本発明を具体化したディーゼル機関の第2実施形態を説明する。本実施形態のディーゼル機関は、第1実施形態で説明したものに対して、NOxパージ時期でないときに、通常燃焼モードに加えて低NOx燃焼モードを実行する点が相違しており、その他の部分は共通している。よって、共通箇所の説明は省略し、相違点を重点的に説明する。
【0056】
図7はECU31が実行する燃焼モード切換ルーチンを示すフローチャートであり、ステップS6でNOxパージ時期か否かを判定し、YESのときにはステップS10に移行してNOxパージ燃焼モードを実行する。又、ステップS6の判定がNOのときにはステップS12に移行して、低NOx燃焼モード(第3制御モード)を実行する(第3制御手段)。
【0057】
図4中において、低NOx燃焼モードのキャリブレーション点は破線の大きい□印で示されており、燃料噴射時期ITはNOxパージ燃焼モードと同じ値(図4では36°BTDC)に設定され、空気過剰率λはNOxパージ燃焼モードとは異なり、1.0より若干リーン側(λ>1.0)に設定されている。即ち、図4の特性から明らかなように、低NOx燃焼モードでは、余剰酸素の増加に伴ってNOxパージ燃焼モードよりHCやCO排出量が減少する一方、NOxパージ燃焼モードと同じくスモークとNOxが低減する特徴が維持されていることになる。
【0058】
低NOx燃焼モードと通常燃焼モードとの間の切換は、第1実施形態で述べたNOxパージ燃焼モードの場合と同様であり、所定ポイント(λ=1.3)を境界として燃料噴射時期ITをステップ状に切換え、これにより過渡領域での一時的な騒音やスモークの増加を防止している。
以上のように本実施形態のディーゼル機関では、第1実施形態の作用効果に加えて、NOxパージ時期でなく、且つ、機関の運転領域が特定領域のときに、通常燃焼モードに比較して燃料噴射時期ITを進角側に設定した低NOx燃焼モードを実行するため、スモークとNOxの低減を極めて高い次元で両立することができる。
【0059】
一方、低NOx燃焼モードのHCやCO排出量は、通常燃焼モードに比較すると若干増加するが、HCやCOはスモークに比較して後処理が簡単であり、排気通路14の酸化触媒17により確実に酸化浄化できる。又、未だ酸化触媒17が活性化していないときには、図7のステップS2の判定がNOとなり、低NOx燃焼モードの実行が禁止されて、よりHCやCOの排出量が少ない通常燃焼モードに切換えられるため、結果として、いかなる運転領域でもHCやCOの排出を確実に防止することができる。
【0060】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記第1及び第2実施形態では、燃料噴射時期ITの精密な制御のためにディーゼル機関をコモンレール式として構成し、低NOx燃焼モードの特定領域を拡大するためにターボチャージャ11による過給を行い、機関トルクを増加させるためにEGRクーラ25を作動させたが、これらの態様に限定されることはなく、燃料噴射をガバナで制御する一般的なディーゼル機関に具体化したり、ターボチャージャ11を可変ノズル式としたり、ターボチャージャ11やEGRクーラ25を省略したりしてもよい。
【0061】
又、上記第1及び第2実施形態では、所定運転領域(Pe=0.2MPa、Ne=2000rpm)に相当する図4〜6の特性に基づいて燃料噴射時期IT、EGR率Regr、空気過剰率λの制御状態を例示したが、上記のように、これらの設定は運転領域に応じて異なる上に、機関の仕様を変更すれば相違する。従って、当然ながら上記設定に限定されることはなく、運転領域や機関の仕様等に対応する特性に基づいて設定すればよい。
【0062】
【発明の効果】
以上説明したように請求項1の発明のディーゼル機関によれば、着火不良による安定性の低下やオイルダイリューションの発生等の弊害を防止した上で、スモークの排出を抑制可能なEGR率の上限値を引き上げ、もって、スモーク排出量を増加させることなくNOx吸蔵触媒からNOxを放出還元でき、且つ、第2制御モードの実行により、運転者の出力要求に応じた良好な車両の走行特性を実現でき、しかも、制御モードの切換時には、噴射時期を瞬時的に切換えてスモークが急増する領域を飛び越し、これにより一時的なスモークの増加を未然に回避することができる。
【0064】
請求項2の発明のディーゼル機関によれば、請求項1の発明に加えて、NOxを放出すべきでない低負荷域では第3制御モードに切換えるため、スモークとNOxの低減を極めて高い次元で両立することができる。
請求項3の発明のディーゼル機関によれば、請求項1又は2の発明に加えて、制御モードの切換時のトルク変動を防止して、良好な走行フィーリングを保つことができる。
【0065】
請求項4の発明のディーゼル機関によれば、請求項1又は2の発明に加えて、機関回転速度に関わらず、常に適切な時期に噴射燃料をピストンのキャビティ内に到達させて、安定した燃焼状態でNOxを放出還元することができる。
請求項5の発明のディーゼル機関によれば、請求項4の発明に加えて、機関負荷の変動に影響されることなく、安定した燃焼状態でNOxを放出還元することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態のディーゼル機関を示す全体構成図である。
【図2】第1実施形態のECUが実行する燃焼モード切換ルーチンを示すフローチャートである。
【図3】燃焼モードを設定するためのマップを示す説明図である。
【図4】通常燃焼モード及びNOxパージ燃焼モードにおける燃料噴射時期ITとEGR率Regrの制御状況、及び燃料噴射時期ITを8〜36°BTDCに設定したときのTHC排出量、NOx排出量、騒音、スモーク排出量を測定した試験結果を示す特性図である。
【図5】図4から燃料噴射時期ITが10,20,36°BTDCのときの試験結果を抜粋した特性図である。
【図6】燃料噴射時期ITを変更してTHC排出量と希釈燃料量とを測定した試験結果を示す特性図である。
【図7】第2実施形態のECUが実行する燃焼モード切換ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
5 燃料噴射弁(燃料噴射手段)
17 酸化触媒
21 EGR弁(EGR率調整手段)
31 ECU(第1制御手段、第2制御手段、第3制御手段、モード切換手段)
Claims (5)
- 機関の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射手段と、
上記機関から排出される排気の吸気系への還流量を制御するEGR率調整手段と、
上記機関の排気通路に設けられ、排気空燃比がリーンのときに排気中のNOxを吸蔵すると共に、吸蔵したNOxを排気空燃比がリッチ又はストイキのときに放出還元するNOx吸蔵触媒と、
上記燃料噴射手段による燃料噴射時期を、空気過剰率の低下に対するスモーク排出量特性が増加傾向を示してからピークを越えて低下傾向を示す特性が最も顕著な特定噴射時期よりも進角側の上記ピークが殆ど発生しない噴射時期で、且つ噴射燃料がピストンに形成されたキャビティを外れてシリンダ壁面に到達する噴射時期よりも遅角側に設定すると共に、上記空気過剰率が1.0以下となるように上記EGR率調整手段の作動を制御する第1制御モードを実行する第1制御手段と、
上記特定噴射時期より噴射時期を遅角して圧縮上死点近傍に設定すると共に、上記第1制御モードの制御状態よりEGR率を減量した第2制御モードを実行する第2制御手段と、
上記NOx吸蔵触媒からNOxを放出すべきときに上記第1制御モードに切換え、上記NOxを放出すべきでないときに上記第2制御モードに切換えると共に、上記第1制御モードと第2制御モードとの制御モードの切換時には、EGR率が徐々に変化するEGR率変化期間の中期で噴射時期を瞬時的に切換えるモード切換手段と
を備えたことを特徴とするディーゼル機関。 - 上記燃料噴射手段による燃料噴射時期を上記第1制御モードの制御状態と同様に設定すると共に、スモーク排出量とNOx排出量とを同時に低減させるように上記EGR率調整手段の作動を制御する第3制御モードを実行する第3制御手段を備え、
上記NOxを放出すべきでなく、且つ、上記機関の運転領域が低負荷域のときに上記第3制御モードに切換えることを特徴とする請求項1に記載のディーゼル機関。 - 上記第1制御手段は、上記第1制御モードの実行時には機関トルクの低下を補償するように上記燃料噴射手段の噴射量を増加することを特徴とする請求項1又は2に記載のディーゼル機関。
- 上記第1制御手段は、機関回転速度の増加に伴い噴射時期を進角することを特徴とする請求項1又は2に記載のディーゼル機関。
- 上記第1制御手段は、負荷変化に対して噴射時期をほぼ一定に保つことを特徴とする請求項4に記載のディーゼル機関。
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