JP4546872B2 - 高予混燃焼で操業するディーゼルエンジンの燃焼制御用閉ループ電子制御システム - Google Patents

Description

本発明は、高予混燃焼で操業するディーゼルエンジンの燃焼制御用閉ループ電子制御システムに関する。

ディーゼルエンジンの熱サイクルを行うと燃料の酸化反応が起き、燃料の点火条件は燃焼室の、温度、圧力、酸素濃度に主に左右されることが知られている。噴射の法則(law of injection:単位時間当たりの噴射燃料の量)に作用し、点火遅れと燃焼開始前に燃焼室に蓄積される燃料の量を調整することにより、燃焼は調整される。

特に、燃焼プロセスにおいては、２つの明確な段階、即ち
点火前に蓄積された燃料を燃焼させる、予混段階と言われる第１段階
燃焼開始後の噴射燃料を燃焼させる、拡散段階と言われる第２段階
を強調できる。

最初の予混段階では、燃料は燃焼室内にあるガスと混合する時間を持った後に自着火する。

該混合の質は、点火遅れ、燃焼室内のガスの運動形態(乱流、旋回流等)、燃料の噴霧特性に左右される。

いずれにしろ、混合時間は通常の場合の点火遅れよりはるかに短く、従って、燃焼開始前に噴射される燃料のほとんど全てが予混される。

高予混することにより燃料は燃焼室内にある酸素をできるだけうまく利用でき、煤煙が出ない完全燃焼が保証される。しかし、予混燃焼の段階は燃焼騒音に関与する。

他方、拡散段階は、燃焼開始後に、従って非常に高い温度と圧力の存在下に燃焼室に燃料噴射されることを特徴としている。それらの条件では点火遅れは最小限であり、酸素量が非常に少ないにもかかわらず燃料は燃焼できる。しかし、混合程度が低いから燃料の一部が点火しない。即ち、反応に使われる酸素の不足で燃焼反応を完了せず、同時に、燃焼室内の燃焼で生じる熱によりかなり加熱されて、固体粒子である煤の形成が起きる。混合程度が低いことで窒素酸化物（Ｎｏ_x）が多くできるのは、燃焼室内でより燃焼に関わる領域が形成され、長時間高温のままとなり(いわゆるホットスポット)、ＮＯ_xが比較的容易に形成されるからである。従って、拡散段階は大半の煙及び窒素酸化物の排出にも関与している。しかしながら、拡散段階は燃料噴射の法則により調整される、エネルギの漸進的放出をも特徴としており、それが燃焼室に低圧力勾配、従って燃焼騒音の低さをもたらす。

更に又、騒音と排出を調整するために、パイロット噴射と呼ばれる最初の噴射と、主噴射と呼ばれるその後の少なくとも１回の噴射とを行なうことも公知である。

特に、パイロット噴射は燃焼を予混段階と拡散段階に分けることに協力する。実際、パイロット噴射を介しての燃料噴射量が増えるにつれて、点火遅れが減り、燃焼されるべく予混段階で蓄積される燃料の量が同時に減り、燃焼騒音が低くなるが汚染物質の排出は増える。

従来の燃焼は排出と燃焼騒音との妥協を特徴としており、それは、設計段階で一旦限定したら、エンジン寿命のある間じゅうシリンダ毎に繰返し可能で信頼できるものでなくてはならない。
欧州特許出願公開第９２１２９６号明細書 独国特許出願公開第１０２２１００１号明細書 欧州特許出願公開第９２８３６９号明細書 米国特許第５８７５７４３号明細書 米国特許第６２０９５１６号明細書 米国特許出願公開第２００２０００７８１６号明細書 米国特許第６６３７４０４号明細書 米国特許第６１４２１１９号明細書 米国特許出願公開第２００３０２３０２７６号明細書 米国特許出願公開第２００２００１１２４０号明細書

例えば、特許文献１及び２はパイロット噴射で供給される燃料の量を、燃焼騒音と点火タイミングの制御のために調節する解法を提案している。特許文献１は騒音センサの使用を、特許文献２は燃焼開始を検出できるイオン化電流センサの使用を提案している。

更に又、ＮＯ_xの排出を減らすために燃焼室に燃焼済ガスを再循環させることが通常行われる。これは排ガス再循環(EGR)として知られており、これを行なうことによって燃焼室にはガス、燃焼生成物中にある二酸化炭素が導入され、それは大きな熱容量を持ち、従って、燃焼により同じ熱が生じるという前提で燃焼室の温度を減らすことができ、燃焼室の高温領域間の熱交換を減らすことができて、燃焼で造られる窒素酸化物全体を減らす全体的効果があることを特徴とする。しかしながら、前記量の再循環燃焼済ガスが燃焼室内の酸素量を減らし、従って、ガス混合が同程度であるという前提で、煙の排出が増加する。再循環排ガスの全量は、空気流センサを用いた閉ループ制御で通常制御される。

上記で大要を述べた従来のディーゼル燃焼の代替例として、ディーゼルエンジンの分野でかなり興味深いのが予混圧縮点火(premixed-charge compression ignition: ＰＣＣＩ)で、燃焼開始以前に燃料とガスを完全に又は非常に高程度に予混するアイデアから派生しており、これは均質混合物の燃焼に向かう傾向があり、拡散燃焼の不具合を取り除く。

しかしながら、ＰＣＣＩ燃焼は点火遅れが噴射イベントの継続期間よりも大きい場合にのみ可能であり、エンジンへの損傷を防ぎ且つ燃焼騒音を制御するために点火時に燃料予混マスのエネルギ放出を制御できる場合にのみ使用できる。

全予混混合物の燃焼が得られる場合に、煙とＮＯ_xの低排出が得られる。

自動車に使うことを指向した場合、一連の研究により、エンジン使用の全範囲でＰＣＣＩ燃焼を用いるのには大きな困難があることが判明している。この行動様式を強調した図１は、エンジン回転数(RPM)とブレーキ平均実効圧力(brake mean effective pressure: BMEP)とで限定されるエンジンダイアグラムでの従来のディーゼルエンジンの操業マップ（実線）とＰＣＣＩ燃焼で動くディーゼルエンジンの操業マップ（破線）を示している。

上記で強調した行動様式、即ち、エンジンの操業平面を完全に用いることが不可能であることにより、ＰＣＣＩ燃焼の使用をエンジンの或る所与の体制及び操業荷重に限定する戦略（例えば、特許文献３乃至５に記述されたもの）が発展することになった。

ＰＣＣＩ燃焼は、高度の予混を得るために長い点火遅れが起こされるのだから、燃焼開始が噴射の段階化から切離され、従って燃焼開始の直接制御とエンジン角度位置の直接制御が問題化するため、ある程度の不安定性を特徴としている。

同時に、エンジンの損傷と過剰の燃焼騒音を防ぐ目的で点火時のエネルギ放出を減らすためには、用途の大半では、燃焼室のガス総質量の７０％にも達し得る多量の再循環燃焼済ガスに頼らざるを得ない。斯かる条件では、制御パラメータ（最も重要なのは再循環排ガスの質量）のわずかな変動で燃焼リスクが劣化して誤点火となり、燃焼不安定の可能性増加に貢献することとなる。

従って、ＰＣＣＩ燃焼に適用される燃焼直接制御はエンジンの操業そのものの不可欠なツールとなっている。燃焼直接制御を提案している例は特許文献６乃至１０である。

本発明の目的はＰＣＣＩ燃焼の効率的で簡単な制御戦略を提供することにある。

上記の目的は、本発明によって達成され、それは本発明が、噴射システム１４がエンジンサイクル毎に１シリンダで少なくとも２回のディーゼル燃料噴射を可能とするよう構成され、前記燃料噴射がエンジンサイクルでの最初の噴射である少なくとも１回のパイロット噴射Ｐとその後の主噴射Ｍとで構成され、当該制御システムが、
燃料燃焼プロセスの量特性を測定又は計算するよう構成したセンサ手段５と、
以下のパラメータ、即ち
ａ）パイロット噴射Ｐと主噴射Ｍとの間の時間間隔Ｔ_p-m及び
ｂ）パイロット噴射Ｐで噴射される燃料の量Ｑ_p
のうち少なくとも１つを制御することにより、前記量の測定値又は計算値と基準値に基づき噴射システム１４の制御を行なう閉ループ制御手段１２と
で構成され、
パイロット噴射Ｐと主噴射Ｍとの間の時間間隔と、パイロット噴射Ｐで噴射される燃料の量というパラメータのうち少なくとも一つを調整しても主噴射Ｍの点火遅れに変更が生じない、ように構成されることを特徴とする、高予混燃焼で操業するディーゼルエンジンの燃料制御用閉ループ電子制御システムに関するからである。

本発明を、好適ではあるが非限定的な実施例を示す添付図面に特に関連して以下記述する。

図２の参照番号１で全体的に示しているのが、高予混燃焼で操業するディーゼルエンジンの燃焼制御用閉ループ電子制御システムである。

特に、システム１を構成するのは複数の（公知タイプの）センサ５で、燃焼開始タイミング、燃焼プロセスの重心(centroid)、圧力サイクルの最大微分、燃焼サイクル中に出される騒音、等の燃料燃焼プロセスの量特性(quantities characteristic)のいくつかを測定及び／又は計算するよう構成されている。センサ５は、前記量を直接測定するよう構成された物理的なセンサでも、異なる入力データに基づいた数学的な計算により量を推定するよう構成したヴァーチャルなセンサでも良い。例えば、燃焼騒音の特定なセンサがない場合、シリンダ内部の圧力を示す圧力信号から始め、それの微分(derivative)をエンジン角度の関数として計算し、燃焼騒音と圧力サイクルの最大微分との間に存在する正比例を利用することで燃焼騒音を測定できる。

センサ５の発する出力信号は、処理ブロック７で処理された後、比較ブロック１０で基準値と比較される。比較ブロック１０の出すエラー信号が制御ブロック１２の入力に供給されて、入力されたエラー信号に基づいて燃料噴射システムの閉ループ制御が行なわれる。

特に、制御ブロック１２の作用する噴射システム１４が、ディーゼルエンジン１７（略示）の燃焼室１６への燃料供給に使われるインジェクタ１５を制御する。噴射システム１４は好ましくはコモンレール(common-rail)タイプで、エンジンサイクル毎に２回以上の燃料噴射を各シリンダの燃焼室１６に噴射できる。

特に、噴射システム１４は少ない燃料の量Ｑ_pを供給する少なくとも一回の第１噴射、即ち、パイロット噴射Ｐと、多い燃料の量Ｑ_mを供給する、時間的に後続した第２噴射、即ち、主噴射Ｍを得るよう構成されている（図３）。

量がセンサ５により一旦測定されれば、制御システムは、各エンジンサイクル、各シリンダで、測定量を各基準値へと収束させるよう作用する。

特に、本発明によって行なわれる閉ループ制御によれば、以下のパラメータ
ａ）パイロット噴射Ｐと主噴射Ｍとの間の時間間隔Ｔ_p-m、
ｂ）パイロット噴射Ｐにより噴射される燃料の量Ｑ_p
のうちの少なくとも１つが調整される。

パイロット噴射Ｐにより噴射される燃料の量Ｑ_pは、例えば、プリセットした数の、一連のインジェクタ開サイクルを行なうことにより調整できる。インジェクタ開サイクルの数が増えるにつれて噴射した燃料の量Ｑ_pが増えるのは明らかである。

上記ａ）による制御を行なう場合、主噴射Ｍの時間位置は一定に保持され、パイロット噴射Ｐの時間位置が移動される。

パイロット噴射Ｐで供給される燃料の量Ｑ_pの変動を要する、上記ｂ）による制御を行なう場合、２つの連続した噴射Ｐ，Ｍにより噴射される燃料の量（Ｑ_p＋Ｑ_m）の全量を一定に保持するために主噴射Ｍで供給される燃料の量Ｑ_mが変えられる。例えば、パイロット噴射Ｐで噴射される燃料の量Ｑ_pが増加するにつれて、主噴射Ｍで噴射される燃料の量Ｑ_mが減少し、逆もまた同様である。

本出願人により得られた実験的データによれば、パイロット噴射Ｐと主噴射Ｍとの間の時間間隔Ｔ_p-mを加減することにより（図３）、又は、パイロット噴射Ｐで噴射される燃料の量Ｑ_pを加減することにより（図５）、エネルギ放出の形を変えることが可能であると判明している。

特に、パイロット噴射Ｐと主噴射Ｍとが互いに非常に近く、例えば１００μｓの時間間隔で離されている場合（図３、グラフ１）、２つの噴射の熱放出（曲線Ｃ）を識別することができず、エネルギ放出は単一噴射のそれと全く類似している。

主噴射Ｍに対するパイロット噴射Ｐの時間間隔を漸次増加させ、例えば２つの噴射を４００μｓの時間間隔で離すことにより、即ち、時間間隔Ｔ_p-m（図３、グラフ２−３−４）が増加するにつれて、２つの相異なる燃焼を識別でき、全体効果として異なった形の燃焼が得られる（曲線Ｃ参照）。

従って、単一燃焼と同等の状態（図３、グラフ１）から２つの相異なる予混燃焼が認められる状態（図３、グラフ３及びグラフ４）への移行がある。

図４ａは時間間隔Ｔ_p-mの関数としての、熱放出、即ち、熱放出率(heat-release rate: HRR)の頂点値、即ち、曲線Ｃ最大頂点をプロットとしたものを示しており、時間間隔Ｔ_p-mが増加するにつれて、熱放出率の頂点値が単調に減少することがわかる。

図４ｂは、時間間隔Ｔ_p-mの関数としての燃焼重心の角度位置の傾向を示しており、間隔Ｔ_p-mが増加するにつれて、上死点ＴＤＣ（上死点の位置はＹ軸に沿って確認できる）からなる基準値に対し燃焼重心が小さな時間値のほうへ時間シフトすることがわかる。同様に、時間間隔Ｔ_p-mが減少するにつれて、上死点からなる基準値に対し燃焼重心が高い時間値のほうへ時間シフトすることがわかる。

熱放出頂点値の減少（図４ａ）は圧力勾配の減少を伴い、従って、燃焼騒音の減少を生じ(図４ｃ）、燃焼騒音は時間間隔Ｔ_p-mが増加するにつれて減少して最小値に至り、その後は再び増加し始める。実際、或る限界間隔を一旦超したらば、噴射間の間隔を更に増加させることは燃焼騒音の増加に協力する。それは騒音源がパイロット燃焼になるからである。

従って、本発明によるシステムでは、時間間隔Ｔ_p-mは、それを超えると騒音が再び増加するという（曲線の点線部分）或る極限値Ｔ_max以上には増加しない。

システムが極限値Ｔ_maxに到達し、しかも燃焼重心の先取(anticipation)が更に要求される場合、時間間隔Ｔ_p-mの増加は騒音の増加を伴うのでもはや不可能である。この場合には、システムが、基準値(TDC)に対しパイロット噴射Ｐと主噴射Ｍの両方を時間シフトさせる。そうすれば、重心の更なる移動が燃焼騒音を増加させることなく得られる。

この場合、時間間隔Ｔ_p-mの変動により燃焼重心を著しく変更できるようパイロット噴射Ｐは大量の燃料を供給しなければならない。

従って、システムは燃焼重心を先取する目的で時間間隔Ｔ_p-mを増加させることができる（図４ｂ、矢印Ｆ１）。

同様に、燃焼重心を遅らせることが望ましい場合、パイロット噴射Ｐを主噴射Ｍに近づけることにより制御を進める（図４ｂ、矢印Ｆ２）。この接近は噴射システムのパラメータ特性である極限値まで行なうことができ、それ以上の接近は不可能である。この場合、再び、システムは基準値(TDC)に対してパイロット噴射Ｐと主噴射Ｍの両方を重心の所要の移動に合った方向に時間シフトさせる。

ｂ）による制御（第２制御システム）を行うと、図４ｂの矢印Ｆ１で示したのと同じ方向に燃焼重心の角移動を伴う（図６ｂ）が、熱放出頂点の最大値を大きく変化させることはなく（図６ａ）、従って燃焼騒音にも影響しない（図６ｃ）。更に、（図３に類似の）図５は、パイロット噴射Ｐにより噴射される燃料の量Ｑ_pの変更の関数としての熱放出の傾向を示している。ｂ）の場合、パイロット噴射Ｐにより噴射される燃料の量Ｑ_pの調整が燃焼重心の制御に適しており、燃焼騒音の制御には有効から程遠いか、全く無効である(再び図６ｃ参照)。

２制御戦略は個々に又は同時に用いることができ、個々の戦略から得ることのできる貢献をまとめ上げられる。

例えば、燃焼重心の位置を調整する目的で、以下を行うことができる。
ａ）基準値(TDC)に対する全噴射列(train)の時間移動、即ち、重心の粗位置決めを得るためのパイロット噴射Ｐと主噴射Ｍとの時間移動、
ｂ）重心の正確な位置決めを得るためのパイロット噴射Ｐと主噴射Ｍとの時間間隔Ｔ_p-mの調整、
ｃ）パイロット噴射Ｐによる噴射燃料の量Ｑ_pの調整。

更に又、燃焼騒音を減らす目的で、次の作業を想定できる。時間間隔Ｔ_p-mを増加させ(図４ｃ)、もし燃焼重心の位置を変えずに保持することが望ましいなら、同時にパイロット噴射Ｐによる噴射燃料の量Ｑ_pをプリセット量だけ減らし(図６ｃ)、主噴射Ｍで噴射される燃料を同量だけ増やす。若しくは、噴射列を移動させる。

戦略ａ）、ｂ）のいずれも燃焼重心の移動ができることが重視される。特に、時間間隔Ｔ_p-mが増加するにつれて若しくはパイロット噴射Ｐでの噴射燃料が増加するにつれて、燃焼重心が小時間値のほうへ移動する。このことは燃焼全体の安定性を増加させることに協力し、燃焼自体に不安定な条件が設定されている場合に特に好適である。

不安定な状態は例えば、長い点火遅れが生じれば及び／又は多量の再循環燃焼済ガスが燃焼室１６に供給されれば起き得る。

EGRの急激な増加は実際に更に点火遅れを増加させ、誤点火を起こし得る。

本発明により提案の制御によれば、斯かる不安定な状態を検出でき、燃焼重心をシフトさせる制御を起こすことにより直ちに対処できる。

ＰＣＣＩ燃焼を有効とするためには、燃焼開始前に噴射した全燃料量が予混の時間を有する必要がある。

このため点火遅れは噴射時間より長い必要があり、パイロット噴射Ｐの利用に関して著しく対照的であると思われる。従来は、パイロット噴射Ｐは点火遅れを減らし、燃料蓄積と主噴射Ｍの予混段階を制限するのに使われている。

最後に、主噴射Ｍにより噴射される燃料の量Ｑ_mがエンジン回転数RPM及びエンジン負荷BMEPより検出できることを指摘する。

本発明によれば、パイロット噴射Ｐが革新的な仕方で、また、点火遅れや主噴射の予混段階を変えないという点で従来とは異なる機能で使われる。本発明では、パイロット噴射Ｐは主噴射の直前に、燃焼室内の点火性が低い状態で行われる。このようにして、２つの噴射は燃焼前に完全に予混され、パイロット噴射Ｐは主噴射Ｍに対し何ら作用することができない。なぜなら、燃焼室内には主噴射の過剰な拡散があって、パイロット噴射Ｐの熱を受け取るからである。図３に示すように、実際、パイロット噴射Ｐの時間間隔が変わっても主噴射Ｍのエネルギ放出開始のタイミングは変わらず、従ってその予混段階も変わらず、このことは、パイロット噴射Ｐが主噴射Ｍの燃焼に直接影響しないことを証明している。パイロット噴射Ｐの量が変わった場合も同じことが言える。本発明では、パイロット噴射Ｐは、ＰＣＣＩ燃焼の作業で、主噴射Ｍの点火遅れを制御するツールとしてではなく燃焼エネルギ放出の形を変えるために作用することができるツールを提供する目的で用いられる。

ここで、上述の本発明の実施例は、下記の本発明を詳細に説明したものであることを念のため記載しておく。

本発明は、噴射システム１４がエンジンサイクル毎に１シリンダで少なくとも２回のディーゼル燃料噴射を可能とするよう構成され、前記燃料噴射がエンジンサイクルでの最初の噴射である少なくとも１回のパイロット噴射Ｐとその後の主噴射Ｍとで構成され、当該制御システムが、
燃料燃焼プロセスの量特性を測定又は計算するよう構成したセンサ手段５と、
以下のパラメータ、即ち
ａ）パイロット噴射Ｐと主噴射Ｍとの間の時間間隔Ｔ_p-m及び
ｂ）パイロット噴射Ｐで噴射される燃料の量Ｑ_p
のうち少なくとも１つを制御することにより、前記量の測定値又は計算値と基準値に基づき噴射システム１４の制御を行なう閉ループ制御手段１２と
で構成され、
パイロット噴射Ｐと主噴射Ｍとの間の時間間隔と、パイロット噴射Ｐで噴射される燃料の量というパラメータのうち少なくとも一つを調整しても主噴射Ｍの点火遅れに変更が生じない、ように構成されることを特徴とする、高予混燃焼で操業するディーゼルエンジンの燃料制御用閉ループ電子制御システム、にかかるものである。

本発明は、主噴射Ｍの時間位置を一定に保ち、パイロット噴射Ｐの位置を時間調整することによりパイロット噴射Ｐと主噴射Ｍとの時間間隔Ｔ_p-mを調整することが好ましい。

エンジン平面における従来の燃焼とＰＣＣＩ燃焼を示す。 本発明の教示によって構築された、高予混燃焼で操業するディーゼルエンジンの燃焼制御用閉ループ電子制御システムの概略図である。 本発明により、パイロット噴射Ｐと主噴射Ｍとの間の時間間隔を調整する場合を示す諸グラフである。 本発明で、パイロット噴射Ｐと主噴射Ｍとの間の時間間隔を調整する場合の、時間間隔の関数としての熱放出率の頂点値をプロットしたグラフである。 本発明で、パイロット噴射Ｐと主噴射Ｍとの間の時間間隔を調整する場合の、時間間隔の関数としての燃焼重心の角度位置の傾向を示すグラフである。 本発明で、パイロット噴射Ｐと主噴射Ｍとの間の時間間隔を調整する場合の、時間間隔の関数としての燃焼騒音をプロットしたグラフである。 本発明により、パイロット噴射Ｐにより噴射される燃料の量を調整する場合を示す諸グラフである。 本発明で、パイロット噴射Ｐにより噴射される燃料の量を調整する場合の、時間間隔の関数としての熱放出率の頂点値をプロットしたグラフである。 本発明で、パイロット噴射Ｐにより噴射される燃料の量を調整する場合の、時間間隔の関数としての燃焼重心の角度位置の傾向を示すグラフである。 本発明で、パイロット噴射Ｐにより噴射される燃料の量を調整する場合の、時間間隔の関数としての燃焼騒音をプロットしたグラフである。

符号の説明

５ センサ手段
１２ 閉ループ制御手段
１４ 噴射システム
１５ インジェクタ
Ｐ パイロット噴射
Ｍ 主噴射

Claims (2)

1. 噴射システム（１４）がエンジンサイクル毎に１シリンダで少なくとも２回のディーゼル燃料噴射を可能とするよう構成され、前記燃料噴射がエンジンサイクルでの最初の噴射である少なくとも１回のパイロット噴射（Ｐ）とその後の主噴射（Ｍ）とで構成され、当該制御システムが、
   燃料燃焼プロセスの量特性を測定又は計算するよう構成したセンサ手段（５）と、
   以下のパラメータ、即ち
   ａ）パイロット噴射（Ｐ）と主噴射（Ｍ）との間の時間間隔（Ｔ_p-m）、
   ｂ）パイロット噴射（Ｐ）で噴射される燃料の量（Ｑ_p）
   のうち少なくとも１つを制御することにより、前記量の測定値又は計算値と基準値に基づき噴射システム（１４）の制御を行なう閉ループ制御手段（１２）と
   で構成され、
   パイロット噴射（Ｐ）と主噴射（Ｍ）との間の時間間隔と、パイロット噴射（Ｐ）で噴射される燃料の量というパラメータのうち少なくとも一つを調整しても主噴射（Ｍ）の点火遅れに変更が生じない、ように構成されることを特徴とする、高予混燃焼で操業するディーゼルエンジンの燃料制御用閉ループ電子制御システム。
2. 主噴射（Ｍ）の時間位置を一定に保ち、パイロット噴射（Ｐ）の位置を時間調整することによりパイロット噴射（Ｐ）と主噴射（Ｍ）との時間間隔（Ｔ_p-m）を調整する、請求項１に記載の高予混燃焼で操業するディーゼルエンジンの燃料制御用閉ループ電子制御システム。

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