JP4449817B2

JP4449817B2 - ディーゼルエンジンの制御装置

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Publication number: JP4449817B2
Application number: JP2005141016A
Authority: JP
Inventors: 明彦港
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2005-05-13
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2025-05-13
Also published as: JP2006316718A

Description

本発明は、排気ガスの改善を図ったディーゼルエンジンの制御装置に関するものである。

従来、ディーゼルエンジンの燃焼方式として、燃料噴射時期（タイミング）を圧縮上死点よりも早期にして着火遅れ期間を長くし、燃料と吸気（吸入空気）との混合を充分に促進させることで、スモーク（Ｓｍｏｋｅ）を低減させた予混合燃焼方式が知られている。

その予混合燃焼方式において、Ｓｍｏｋｅのみならず窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減を図った燃料噴射制御装置が、例えば、特許文献１に提案されている。

それによると、予混合燃焼時に大量ＥＧＲを行い、燃焼時の最高温度を低減させることで、ＮＯｘ及びＳｍｏｋｅを大幅に低減することができる。また、大量ＥＧＲを行うことで、予混合期間の長期化と等容度の向上とを図ることができる。

特開２００２−２０６４４８号公報

ところで、ディーゼルエンジンにおいて低減すべき有害な排ガス成分は、ＳｍｏｋｅやＮＯｘ以外にも、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）などがあるが、上述した燃料噴射制御装置では、ＮＯｘとＣＯとの両方を低減することが困難であった。

この理由を説明すると、一般にＮＯｘは２２００Ｋ以上の高温場で生成されることが知られている。一方、ＣＯは、反応場の温度が１５００Ｋ以上にて二酸化炭素（ＣＯ₂）への酸化が起こることが知られている。このようにＮＯｘとＣＯとでは、それらを低減させるために必要な温度条件が各々異なっている。

ここで、上述した燃料噴射制御装置が適用されるディーゼルエンジンにおけるＮＯｘおよびＣＯの排出傾向を図１２に基づき説明する。なお、図１２中横軸は燃料供給量であり、燃焼温度は、燃料供給量が多いほど高くなる関係にある。

図１２に示すように、燃料供給量が少ない場合（エンジン負荷が低い場合）には、供給熱量が少なくかつ熱容量の大きな既燃ガスが大量に存在するため、ＣＯからＣＯ₂への反応温度に達せず、ＣＯが大量に排出される。一方、燃料供給量が多い場合（エンジン負荷が高い場合）には、供給熱量が多くＮＯｘの生成温度に容易に達してしまい、ＮＯｘが大量に排出され、ＮＯｘの低減が困難な状態となる。

ＮＯｘとＣＯとの両方が低減するような燃料供給量の範囲は非常に狭く、ＮＯｘとＣＯとの両方を低減させようとすると、ディーゼルエンジンの適用負荷範囲が非常に限られたものとなってしまう。

以上のように、従来、ＮＯｘとＣＯとの両者を同時に低減することが非常に困難であった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＣＯとＮＯｘとの両者を同時に低減可能なディーゼルエンジンの制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、所定運転領域では、エンジンのシリンダ内に噴射した燃料が、その燃料の噴射終了後、予混合期間を経て着火するように予混合燃焼を行うディーゼルエンジンの制御装置において、上記シリンダ内に投入される吸入ガスの熱容量を上記エンジンの排気弁の開閉タイミングを変更して調節する熱容量可変手段と、上記吸入ガスの有効圧縮比を上記エンジンの吸気弁の開閉タイミングを変更して調節する有効圧縮比可変手段と、上記吸入ガスの酸素濃度を調節する酸素濃度可変手段と、上記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、上記熱容量可変手段、上記有効圧縮比可変手段および上記酸素濃度可変手段を各々制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記予混合燃焼を行っている間、上記運転状態検出手段により検出した運転状態の負荷に基づいて、上記シリンダ内の燃焼温度を所定範囲内に収めるべく、上記運転状態が低負荷であるほど上記有効圧縮比を大きくすると共に上記熱容量を小さくし、上記運転状態が高負荷であるほど上記有効圧縮比を小さくすると共に上記熱容量を大きくすると共に、上記吸気弁と上記排気弁とのバルブオーバーラップ量を求め、該バルブオーバーラップ量と上記酸素濃度可変手段とにより上記吸入ガスをストイキ状態とするものである。

上記目的を達成するために本発明は、所定運転領域では、エンジンのシリンダ内に噴射した燃料が、その燃料の噴射終了後、予混合期間を経て着火するように予混合燃焼を行うディーゼルエンジンの制御装置において、上記シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射手段と、上記シリンダ内に投入される吸入ガスの熱容量を上記エンジンの排気弁の開閉タイミングを変更して調節する熱容量可変手段と、上記吸入ガスの有効圧縮比を上記エンジンの吸気弁の開閉タイミングを変更して調節する有効圧縮比可変手段と、上記吸入ガスの酸素濃度を調節する酸素濃度可変手段と、上記燃料噴射手段、上記熱容量可変手段、上記有効圧縮比可変手段および上記酸素濃度可変手段を各々制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記予混合燃焼を行っている間、上記燃料噴射手段の燃料噴射量に基づいて、上記シリンダ内の燃焼温度を所定範囲内に収めるべく、上記燃料噴射量が少ないほど上記有効圧縮比を大きくすると共に上記熱容量を小さくし、上記燃料噴射量が多いほど上記有効圧縮比を小さくすると共に上記熱容量を大きくすると共に、上記吸気弁と上記排気弁とのバルブオーバーラップ量を求め、該バルブオーバーラップ量と上記酸素濃度可変手段とにより上記吸入ガスをストイキ状態とするものである。

好ましくは、上記所定範囲が１５００Ｋ以上２２００Ｋ未満であるものである。

好ましくは、上記制御手段が、上記有効圧縮比可変手段により上記吸気弁の閉弁時期を遅角化、または進角化することで、上記有効圧縮比を減少制御するものである。

好ましくは、上記熱容量可変手段が、上記エンジンに設けられ過給圧を可変制御する可変過給機を備えたものである。

本発明によれば、ＣＯとＮＯｘとの両者を同時に低減することができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態のディーゼルエンジンの制御装置は、例えば、トラックなどの車両に搭載されるディーゼルエンジンに適用したものである。

まず、図１に基づき、本実施形態に係るディーゼルエンジンの概略構成を説明する。なお、図１では一気筒のみ示されているが、当然多気筒であっても良い。

図１に示すように、ディーゼルエンジン１は、エンジン本体２と、そのエンジン本体２への吸気（吸入ガス）を圧縮する過給機４と、排気（排出ガス）の一部をエンジン本体２に還流するＥＧＲ装置５と、ディーゼルエンジン１を電子制御するための電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）６とを備える。

エンジン本体２は、シリンダ８、ピストン１０、吸気ポート１１、排気ポート１２、吸気弁１４、排気弁１５、およびインジェクタ（燃料噴射弁）１６等から構成される。シリンダ８内には燃焼室１８が形成され、その燃焼室１８内にインジェクタ１６から燃料が直接噴射される。インジェクタ１６は図示しないコモンレールに接続され、そのコモンレールに貯留された高圧燃料がインジェクタ１６に常時供給されている。また、吸気ポート１１は吸気管２０に、排気ポート１２は排気管２１に各々接続される。

ＥＧＲ装置５は、吸気管２０と排気管２１とを結ぶＥＧＲ管２２と、ＥＧＲ管２２の流量を調節するためのＥＧＲバルブ２４と、ＥＧＲバルブ２４の上流側にてＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２５とを備える。吸気管２０においては、ＥＧＲ管２２との接続部の上流側にて吸気を適宜絞るためのインテークスロットル２６が設けられる。本実施形態では、ＥＣＵ６が、インテークスロットル２６とＥＧＲバルブ２４とを各々開閉制御することと、吸気弁１４および排気弁１５のバルブオーバーラップ量を調整することと、後述する過給機４のタービン２７のベーン開度を開閉制御することとで、ＥＧＲ率を制御する。

過給機４は、排気過給機であり、排気により回転駆動されるタービン２７と、そのタービン２７により駆動され吸気を圧縮するコンプレッサ２８とを備える。また、本実施形態では、タービン２７が可変ノズルタービンであり、タービン２７の流入部にノズル面積を可変にするためのベーン（図示せず）が設けられる。そのベーンによりノズル面積を調整することで、過給圧が可変制御される。つまり、本実施形態の過給機は過給圧を可変制御する可変過給機でもある。また、過給圧は、後述する排気弁可変動弁機構３２によっても可変制御される。

本実施形態のディーゼルエンジン１は、吸気弁１４の開閉タイミングを変更する吸気弁可変動弁機構３１と、排気弁１５の開閉タイミングを変更する排気弁可変動弁機構３２とを備える。

吸気弁可変動弁機構３１は、吸気弁１４を開弁させるための加圧された作動流体が供給される圧力室（図示せず）を有し、その圧力室に高圧作動流体を供給することで吸気弁１４が開方向に作動し、圧力室から高圧作動流体を排出することで吸気弁１４が閉方向に作動する。

本実施形態では、その吸気弁可変動弁機構３１が、シリンダ８内に投入される吸気の有効圧縮比を調節する有効圧縮比可変手段を構成する。ここで、図２に基づき有効圧縮比と吸気弁１４の閉弁時期との関係を説明する。図２中、縦軸は有効圧縮比（ＥｆｆｅｃｔｉｖｅＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＲａｔｉｏ）、横軸は吸気弁１４の閉弁時期（ＩＶＣＴｉｍｉｎｇ）である。図２に示すように、有効圧縮比と吸気弁１４の閉弁時期とは、閉弁時期が遅角化または進角化するほど有効圧縮比が減少する関係にある。そこで、ＥＣＵ６は、有効圧縮比を減少させる場合には、吸気弁１４の閉弁時期を、下死点から遅らせるようにまたは、下死点よりも早めるように吸気弁可変動弁機構３１を制御する。

排気弁可変動弁機構３２は、吸気弁可変動弁機構３１と同様の構造を有し、ＥＣＵ６が、排気弁１５の開弁時期を変更して過給機４への排気エンタルピを調整することで、過給圧を可変制御する。その排気弁可変動弁機構３２と、上述した過給機４とにより、シリンダ８内に投入される吸気の熱容量を調節する熱容量可変手段が構成される。

また、本実施形態では、それら吸気弁可変動弁機構３１および排気弁可変動弁機構３２と、ＥＧＲ装置５およびインテークスロットル２６とにより吸気の酸素濃度を調節する酸素濃度可変手段が構成される。酸素濃度を高める場合にはＥＧＲ率が低くなるよう、酸素濃度を低くする場合にはＥＧＲ率が高くなるよう、ＥＣＵ６が、吸気弁可変動弁機構３１、排気弁可変動弁機構３２、ＥＧＲ装置５、およびインテークスロットル２６によりＥＧＲ率を可変制御する。

本実施形態のＥＣＵ６は、熱容量可変手段（排気弁可変動弁機構３２、過給機４）、有効圧縮比可変手段（吸気弁可変動弁機構３１）および酸素濃度可変手段（吸気弁可変動弁機構３１、排気弁可変動弁機構３２、ＥＧＲ装置５、インテークスロットル２６）を各々制御する制御手段をなし、それら手段によりディーゼルエンジンの制御装置が構成される。

ＥＣＵ６には、エンジンの回転数を検出するエンジン回転センサ４１、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ４２等が接続され、それらセンサ４１、４２からの信号（出力）を基に、ＥＣＵ６が実際のエンジン運転状態を検出する。さらに、本実施形態のＥＣＵ６には、吸気量を検出するＭＡＦセンサ４５と、吸気圧を検出するＭＡＰセンサ４６と、排気中の酸素（Ｏ₂）濃度を検出する排気Ｏ₂センサ４７とが接続される。

インジェクタ１６は、ＥＣＵ６によりＯＮ／ＯＦＦされる電気アクチュエータとしての電磁ソレノイド（図示せず）を有し、電磁ソレノイドがＯＮのとき開状態となって燃料を噴射すると共に、電磁ソレノイドがＯＦＦのとき閉状態となって燃料噴射を停止する。ＥＣＵ６は、エンジン回転数とアクセル開度等のエンジン運転状態を示すパラメータに基づいて燃料の噴射開始時期（タイミング）と噴射量とを決定し、それに従ってインジェクタ１６の電磁ソレノイドをＯＮ／ＯＦＦする。

本実施形態のディーゼルエンジンの制御装置は、ディーゼルエンジン１の運転状態が所定運転領域の場合（例えば、低負荷運転時）に予混合燃焼（噴射）を実行するものである。つまり、ＥＣＵ６は圧縮上死点よりも前（早期）にインジェクタ１６をＯＮして燃料の噴射を実行し、その噴射された燃料は、燃料の噴射終了後、予混合期間を経て着火・燃焼する。

その予混合燃焼を行うに際して、ＥＣＵ６が、吸気弁可変動弁機構３１、排気弁可変動弁機構３２、ＥＧＲ装置５、およびおよびインテークスロットル２６により吸気をストイキ状態する（つまり、混合気の空燃比を理論空燃比とする）。また、ＥＣＵ６は、シリンダ８内の燃料の燃焼時最高温度を所定範囲内に収めるべく、エンジン回転センサ４１やアクセル開度センサ４２等により検出される運転状態が低負荷であるほど、吸気弁可変動弁機構３１を制御して吸気の有効圧縮比を大きくすると共に排気弁可変動弁機構３２と過給機４とを制御して吸気の熱容量を小さくし、運転状態が高負荷であるほど有効圧縮比を小さくすると共に熱容量を大きくする。より具体的には、ＥＣＵ６は、シリンダ８内の燃焼温度を１５００Ｋ以上２２００Ｋ未満に収める。これは、「発明が解決しようとする課題」の欄で述べたように、ＮＯｘは燃焼温度が２２００Ｋ以上で生成され、ＣＯは１５００Ｋ以上の温度で酸化させることから、燃焼温度を１５００Ｋ以上２２００Ｋ未満することで、排気中のＣＯとＮＯｘとを同時に低減することができるからである。

本実施形態では、ＥＣＵ６は、基本的に、エンジン回転センサ４１やアクセル開度センサ４２などからの入力を基に燃料の噴射量を決定した後、その噴射量での燃料の燃焼温度が、所定範囲内に収まるように、吸気の有効圧縮比と熱容量とを制御する。これにより、ＣＯとＮＯｘと排出量が低減される。また、ＥＣＵ６は、吸気がストイキ状態となるように、決定された噴射量を基にＥＧＲ率を制御する。これにより、シリンダ８内での局所的な燃焼温度が低下し、排気中のＮＯｘを低減することができる。

次に、このような制御を実行するための制御ロジックについて、図３を用いて説明する。その制御ロジックはＥＣＵ６により適宜実行される。

まず、ＥＣＵ６は、ＭＡＰセンサ４６、ＭＡＦセンサ４５、エンジン回転センサ４１、排気Ｏ₂センサ４７からの入力を基に、吸気の組成を算出（計算）する。また、ＥＣＵ６は、エンジン回転センサ４１やアクセル開度センサ４２からの入力を基に、燃料噴射量を決定する。その燃料噴射量は、基本的には、運転状態が低負荷であるほど少なく、高負荷であるほど多くなる。なお、排気Ｏ₂センサ４７の代わりに吸気Ｏ₂センサを用いてもよい。

次に、ＥＣＵ６は、算出した吸気組成と、決定した噴射量と、現在の有効圧縮比とを基に、シリンダ８内の燃焼時最高温度を求める。本実施形態では、その燃焼時最高温度を、後述するように理論的に算出される断熱火炎温度（以下、仮想筒内温度という）で代用する。また、ＥＣＵ６は、燃料噴射量を基に、目標とすべきシリンダ８内の燃焼温度（以下、目標温度という）を１５００Ｋ以上２２００Ｋ未満の範囲で、燃費などを考慮して決定する。さらに、ＥＣＵ６は、それら仮想筒内温度と目標温度とを比較する。

次に、ＥＣＵ６は、比較結果と燃料噴射量とを基に、ＥＣＵ６に予め格納されたＭＡＰ（例えば後述する制御マップ、図９参照）から目標とする有効圧縮比（以下、目標有効圧縮比という）と目標とする熱容量（以下、必要熱容量という）とを読み取る。さらに、ＥＣＵ６は、必要熱容量から目標とする過給圧（以下、目標吸気圧という）を決定する。また、ＥＣＵ６は、燃料噴射量を基に、目標酸素量（量論Ｏ₂量）を算出する。目標酸素量は、上述したように吸気がストイキ状態となるような酸素量である。さらに、ＥＣＵ６は、その目標酸素量と排気Ｏ₂センサ４７とを比較して、その比較結果から目標ＥＧＲ率を決定する。

次に、ＥＣＵ６は、吸気弁１４の閉弁時期を制御して、実際の有効圧縮比を目標有効圧縮比とすると共に、排気弁１５の閉弁時期とタービン２７のベーン開度とを制御して、実際の過給機４の過給圧を目標吸気圧とする。また、ＥＣＵ６は、タービン２７のベーン開度とＥＧＲバルブ２４開度とインテークスロットル２６開度と吸気弁１４および排気弁１５のバルブオーバーラップ量とを制御して、ＥＧＲ率を目標ＥＧＲ率とする。

以上により、シリンダ８内での燃料の燃焼最高温度が１５００Ｋ以上２２００Ｋ未満に収まり、排気中のＣＯとＮＯｘとが同時に低減される。また、吸気がストイキ状態となって、シリンダ８内での局所的な燃焼温度が低下し、排気中のＮＯｘが低減する。

このように、本実施形態のディーゼルエンジンの制御装置は、予混合燃焼において供給燃料量に対し酸素量論とすることで、混合律則とし単位時間当たりの局所温度の上昇を抑制しＮＯｘを低減する。つまり、燃料が完全燃焼するのに必要な酸素量と燃料の比とすることで、ＮＯｘを低減する。

この点を図４および図５を用いて以下に説明する。図４は、酸素過剰率がＮＯｘ排出に及ぼす影響を示したものであり、図４中縦軸は酸素過剰率（ＥｘｃｅｓｓＡｉｒＲａｔｉｏ）、横軸はＮＯｘ排出量（ＥＩＮＯｘ）である。図５は、可燃予混合気生成速度及びその律則条件を示したものであり、図５中上段の縦軸は律則条件（ＭｉｘｉｎｇＬｉｍｉｔｉｎｇＦａｃｔｏｒ）であり、上側ほど酸素律則され、下側ほど蒸発律則される。また、図５中下段の縦軸は、（可燃）予混合気生成速度（ＭｉｘｔｕｒｅＦｏｒｍａｔｉｏｎＲａｔｅ）、横軸はクランク角度（ＣｒａｎｋＡｎｇｌｅ）である。

図４に示すように、予混合燃焼においてＮＯｘ排出量を１０ｐｐｍ（図４中Ａ点で示す）以下程度にまで低減するには、酸素濃度を極端に低減する必要があり、それまで（図４中Ｂ点まで）の傾向とは明らかに異なっている。これは、図５に示すように酸素濃度の低下により燃料蒸気との衝突頻度が下がることで単位時間当たりの可燃予混合気の生成速度が抑制された結果、熱拡散とのバランスで決定される実質的な反応場における温度が低下し、局所的な反応場において、ＮＯｘ生成温度（２２００Ｋ）を回避することが可能となったためと考えられる。このことから、このような混合に律則された燃焼形態とするには、酸素濃度を量論量とすればよい（例えば、酸素濃度が量論となるまでＥＧＲを掛けばよい）ことが判る。これによりシリンダ８内における局所的な状態（燃焼温度など）が制御できる。

また、上述したように本実施形態のディーゼルエンジンの制御装置は、１サイクル中における最高温度を、ＣＯが酸化する１５００Ｋ以上でかつＮＯｘが生成されない２２００Ｋ以下とするために、シリンダ８内の吸気（筒内ガス）の熱容量と有効圧縮比とを制御する。

この点を図６から図９を用いて以下に説明する。

上述したように、ＮＯｘはシリンダ８内の燃焼温度が２２００Ｋ以上で生成され、ＣＯは１５００Ｋ以上の温度で酸化する。したがって、シリンダ８内全体について温度を管理をすることが、ＣＯおよびＮＯｘの排出量低減においては有効であり、その場合には、ディーゼルエンジン１の１サイクル中における最高温度が重要となる。その１サイクル中の最高温度は、主に投入熱量（燃料供給量）と吸気の熱容量および有効圧縮比により定まる。

ここで、図６から図８に各燃料供給量（流量）における有効圧縮比および熱容量に対する最高温度を示す。図６から図８中縦軸は熱容量（ＴｈｅｒｍａｌＣａｐａｃｉｔｙ）、横軸は有効圧縮比（ＥｆｆｅｃｔｉｖｅＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＲａｔｉｏ）である。また、図６から図８の順に燃料供給量が多くなる。

図中の斜線部は、最高温度が１５００Ｋから２２００Ｋの領域を示したものであり、その斜線部の領域ではＣＯを十分に酸化させることができ、かつＮＯｘの生成を抑制することができる。図から明らかなように、最高温度は、熱容量が小さいほど、また有効圧縮比が大きいほど高くなる。また、最高温度は、燃料供給量が多くなるほど、全体的に高くなる。

したがって、最高温度を１５００Ｋ以上２２００Ｋ未満の範囲内とするには、燃料供給量の少ない場合には熱容量を少なくし、かつ有効圧縮比を高めてシリンダ８内温度が上がりやすい状態とすることが望ましい。一方、燃料供給量が多い場合には熱容量を多くし、かつ有効圧縮比を低くしてシリンダ８内温度上昇を抑制する必要がある。

なお、ＣＯおよびＮＯｘの排出のみを考えた場合には、最高温度の許容幅が１５００Ｋ〜２２００Ｋとなるが、実際には熱容量および有効圧縮比は、燃費など他の性能にも影響を与えるため、それら各条件毎に最適値を選定して最終的な制御マップが作成される。その制御マップは、例えば、図９のようになる。

その制御マップに基づいて、上述したように、ＥＣＵ６が、燃料噴射量に応じて吸気弁可変動弁機構３１により吸気弁１４の閉弁時期を制御することで、有効圧縮比を制御すると共に、過給機４の過給圧を制御することで熱容量を制御する。

熱容量は、筒内ガス（シリンダ８内の吸気）の組成と絶対量とにより決定されるが、本実施形態では前提条件として酸素量論である（筒内ガスをストイキ状態とする）ことから、筒内ガスの組成が決定される。したがって、熱容量は筒内ガスの絶対量により決定されることとなり、その筒内ガスの絶対量が過給圧により決定される。

その熱容量と過給圧と関係を図１０に基づき説明する。

図１０に示すように、熱容量（ＴｈｅｒｍａｌＣａｐａｃｉｔｙ）と過給圧（ＢｏｏｓｔＰｒｅｓｓｕｒｅ）とは、過給圧が高いほど熱容量が高くなり、略線形関係（一次の比例関係）にある。また、過給圧が同じならばＥＧＲ率が高い（ＥＧＲ量が多い）ほど熱容量は大きくなる。このように過給圧により熱容量を制御可能である。

さて、本実施形態では、シリンダ８内の最高温度の推定（仮想筒内温度）を、断熱火炎温度で代用した。この点を以下に説明する。

反応（燃料の燃焼反応）前後でエンタルピが等しいとすると次式（１）が成立する。

ΔＨ_Pは反応後エンタルピ、ΔＨ_Rは反応前エンタルピ、ΔＨ⁰ _rは反応熱である。

ここで、燃料をＣｎＨｍの炭化水素で代表させた場合における反応前後における各成分のモル数を、総括反応式（２）から次表１の通りとする。

反応熱ΔＨ⁰ _rは次式（３）で表される。

標準燃焼熱は、燃料により定まった値であるので、上式（３）から反応熱ΔＨ⁰ _rが算出される。

次に、反応前エンタルピΔＨ_Rは次式（４）にて表される。

Ｔ₀は標準温度、Ｔ₁は反応前温度、Ｃ_Pは定圧比熱である。

ここで反応前温度Ｔ₁は圧縮端温度を用いることとし、次式（５）にて求められる。

εは有効圧縮比、κは比熱比である。

この結果、Ｔ₀およびＴ₁は共に既知の値となるため、反応前エンタルピΔＨ_Rが算出される。

次に、反応後エンタルピΔＨ_Pは次式（６）にて表される。

Ｔは断熱火炎温度である。

いずれの定圧比熱Ｃ_Pも温度に関する３次の近似式にて表されることから、式（１）について最終的に温度に関する４次式となる。これを解くことで断熱火炎温度Ｔが求められる。

なお、実際のエンジンにおける燃焼においては定圧燃焼ではないので誤差を生じるが、先述の通り目標温度にも許容幅が存在するので、その目標値を適切に設定することで断熱火炎温度Ｔでの代用でも問題を生じない。

また、従来は拡散燃焼であったので排出ガスを抑制するには局所温度を考慮する必要があったが、予混合燃焼においてはシリンダ８内が均質に近づいていることからこの考え方を適用することが可能となる。

以上のように、本実施形態のディーゼルエンジンの制御装置では、ＮＯｘとＣＯとＳｍｏｋｅとの排出量を同時に低減することができる。また、燃焼割合を向上させることができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。

例えば、ＥＣＵの処理能力が向上し、適切な筒内圧力センサが開発された場合には、その筒内圧力センサを用いることで、前述の実施形態のような断熱火炎温度による代用ではなく、より直接的に最高温度を知ることができ、制御精度の向上が期待できる。その場合の制御ロジックを図１１に示す。図１１の実施形態では、ＥＣＵが、筒内圧力センサとＭＡＦセンサとエンジン回転センサとの信号を基に、筒内平均温度を算出した後、その筒内平均温度と燃料噴射量とに基づいて前述の実施形態と同様に、目標有効圧縮比と必要熱容量と決定する。

また、有効圧縮比可変手段は、吸気弁可変動弁機構３１に限定されず、さまざまなものが考えられる。例えば、特許第３２２４８１６号公報に記載されているように、シリンダ区域がクランクケース区域上で旋回せしめられ、制御機構の影響のもとに異なる回転位置をとることにより異なる圧縮比が得られる形式のものでもよい。

また、熱容量可変手段は、可変過給機および排気弁可変動弁機構に限定されず、さまざまなものが考えられる。例えば、モータ駆動のコンプレッサ（Ｅ．Ｂｏｏｓｔｅｒ）を用いてもよい。その場合、ディーゼルエンジン１の運転条件とは関係なく、任意に過給圧を制御することが可能である。

本発明に係る一実施形態によるディーゼルエンジンの制御装置を示す。本実施形態で行われる有効圧縮比制御を説明するための図である。本実施形態のディーゼルエンジンの制御装置の制御ロジックを説明するための図である。酸素過剰率がＮＯｘ排出に及ぼす影響を説明する図である。可燃予混合気生成速度およびその律則条件の関係を説明する図である。熱容量および有効圧縮比とシリンダ内の燃焼温度との関係を説明する図である。熱容量および有効圧縮比とシリンダ内の燃焼温度との関係を説明する図である。熱容量および有効圧縮比とシリンダ内の燃焼温度との関係を説明する図である。熱容量と有効圧縮比とを選定するための制御マップの一例である。過給圧と熱容量との関係を説明するための図である。他の実施形態の制御ロジックを説明するための図である。従来の制御装置による予混合燃焼におけるＣＯとＮＯｘとの排出傾向を説明する図である。

符号の説明

１ディーゼルエンジン
２エンジン本体
４過給機
５ＥＧＲ装置
６ＥＣＵ
８シリンダ
１４吸気弁
１５排気弁
３１吸気弁可変動弁機構
３２排気弁可変動弁機構
４１エンジン回転センサ
４２アクセル開度センサ

Claims

所定運転領域では、エンジンのシリンダ内に噴射した燃料が、その燃料の噴射終了後、予混合期間を経て着火するように予混合燃焼を行うディーゼルエンジンの制御装置において、
上記シリンダ内に投入される吸入ガスの熱容量を上記エンジンの排気弁の開閉タイミングを変更して調節する熱容量可変手段と、上記吸入ガスの有効圧縮比を上記エンジンの吸気弁の開閉タイミングを変更して調節する有効圧縮比可変手段と、上記吸入ガスの酸素濃度を調節する酸素濃度可変手段と、上記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、上記熱容量可変手段、上記有効圧縮比可変手段および上記酸素濃度可変手段を各々制御する制御手段とを備え、
上記制御手段は、
上記予混合燃焼を行っている間、
上記運転状態検出手段により検出した運転状態の負荷に基づいて、上記シリンダ内の燃焼温度を所定範囲内に収めるべく、上記運転状態が低負荷であるほど上記有効圧縮比を大きくすると共に上記熱容量を小さくし、上記運転状態が高負荷であるほど上記有効圧縮比を小さくすると共に上記熱容量を大きくすると共に、
上記吸気弁と上記排気弁とのバルブオーバーラップ量を求め、該バルブオーバーラップ量と上記酸素濃度可変手段とにより上記吸入ガスをストイキ状態とする
ことを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。
所定運転領域では、エンジンのシリンダ内に噴射した燃料が、その燃料の噴射終了後、予混合期間を経て着火するように予混合燃焼を行うディーゼルエンジンの制御装置において、
上記シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射手段と、上記シリンダ内に投入される吸入ガスの熱容量を上記エンジンの排気弁の開閉タイミングを変更して調節する熱容量可変手段と、上記吸入ガスの有効圧縮比を上記エンジンの吸気弁の開閉タイミングを変更して調節する有効圧縮比可変手段と、上記吸入ガスの酸素濃度を調節する酸素濃度可変手段と、上記燃料噴射手段、上記熱容量可変手段、上記有効圧縮比可変手段および上記酸素濃度可変手段を各々制御する制御手段とを備え、
上記制御手段は、
上記予混合燃焼を行っている間、
上記燃料噴射手段の燃料噴射量に基づいて、上記シリンダ内の燃焼温度を所定範囲内に収めるべく、上記燃料噴射量が少ないほど上記有効圧縮比を大きくすると共に上記熱容量を小さくし、上記燃料噴射量が多いほど上記有効圧縮比を小さくすると共に上記熱容量を大きくすると共に、
上記吸気弁と上記排気弁とのバルブオーバーラップ量を求め、該バルブオーバーラップ量と上記酸素濃度可変手段とにより上記吸入ガスをストイキ状態とする
ことを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。
上記所定範囲が１５００Ｋ以上２２００Ｋ未満である請求項１または請求項２に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
上記制御手段が、上記有効圧縮比可変手段により上記吸気弁の閉弁時期を遅角化、または進角化することで、上記有効圧縮比を減少制御する少なくとも請求項１から請求項３のいずれか１つに記載のディーゼルエンジンの制御装置。
上記熱容量可変手段が、上記エンジンに設けられ過給圧を可変制御する可変過給機を備えた少なくとも請求項１から請求項４のいずれか１つに記載のディーゼルエンジンの制御装置。