JP4616851B2

JP4616851B2 - 排気温度制御装置をそなえた多気筒エンジン及びその運転制御方法

Info

Publication number: JP4616851B2
Application number: JP2007048147A
Authority: JP
Inventors: 健吾田中; 万寿生田添
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2027-02-27
Also published as: JP2008208803A

Description

本発明は、主として４サイクルディーゼルエンジンに適用され、シリンダ毎に燃料噴射時期及び燃料噴射量を調整可能に構成された多気筒エンジンであって、排気温度制御装置をそなえた多気筒エンジン及び該多気筒エンジンの運転制御方法に関する。

シリンダ毎に燃料噴射量を調整可能に構成された多気筒エンジンにおいて、各気筒間の燃料噴射量のばらつきを防止できる燃料噴射制御装置として、特許文献１（特開２００４−７６６２４号公報）の技術が提供されている。
かかる技術においては、各気筒の排気通路に各気筒出口の排気温度を検出する排気温度センサを設け、該排気温度センサで検出された排気温度データに基づき基準排気温度を検出し、排気温度センサで検出された現状の排気温度と前記基準排気温度との排気温度偏差に基づき各気筒毎の目標燃料噴射量を補正するように構成されている。

特開２００４−７６６２４号公報

しかしながら、前記特許文献１（特開２００４−７６６２４号公報）を含む従来技術には次のような解決すべき課題がある。
即ち、エンジンを同一の燃料噴射時期で、且つ同一噴射期間で、エンジン出力を制御した場合には、各シリンダ（気筒）に排気温度のばらつきがあると、ＮＯｘ低減のために燃料噴射時期を遅らせる際には、最も高い排気温度のシリンダによって燃料噴射時期の遅角が制限され、目標とするＮＯｘ低減効果が得られにくい。
また、低負荷域で失火が発生しているシリンダがあっても、排気温度の復元手段を備えないので、失火を自動的に解除できない。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、排気温度のシリンダ毎のばらつき、あるいは複数の過給機をそなえたエンジンにおいては過給機毎の排気温度のばらつきを抑制して、ＮＯｘ低減効果を向上するとともに、エンジン性能を安定化した多気筒エンジン及びその運転制御方法を提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するもので、シリンダ毎に燃料噴射時期及び燃料噴射量を調整可能に構成された多気筒エンジンにおいて、前記多気筒エンジンは複数の過給機をそなえ、各過給機の排気タービン入口に接続される排気マニホールドに各過給機に対応するシリンダの排気ポートが接続され、過給機毎に該過給機入口の排気温度を検出する排気温度センサ、及び、前記排気温度センサからの排気温度検出値に基づき各過給機入口の排気温度検出値と予め設定された排気温度基準値との排気温度偏差及び該排気温度偏差に対応する燃料噴射時期調整量及び燃料噴射期間調整量を算出し、該燃料噴射時期調整量及び燃料噴射期間調整量に基づき各過給機入口の排気温度が前記排気温度基準値になるように、前記各過給機に対応するシリンダの燃料噴射時期及び燃料噴射期間を制御する燃料噴射コントローラを有してなることを特徴とする。

かかる発明において、具体的には次のように構成するのが好ましい。
即ち、前記燃料噴射コントローラは、前記排気温度センサからの排気温度検出値に基づき、各過給機入口の排気温度検出値と予め設定された排気温度基準値との排気温度偏差及び該排気温度偏差に対応する燃料噴射時期調整量及び燃料噴射期間調整量を算出し、該燃料噴射時期調整量及び燃料噴射期間調整量に基づき前記各過給機に対応する各シリンダの必要燃料噴射時期及び必要燃料噴射期間を算出して、前記各シリンダの燃料噴射量を調整する燃料制御装置に出力するように構成する。

また、前記のように構成された多気筒エンジンを運転制御する方法の発明は、
シリンダ毎に燃料噴射時期及び燃料噴射量を調整可能に構成された多気筒エンジンの運転制御方法であって、前記多気筒エンジンは複数の過給機をそなえ、各過給機の排気タービンに接続される排気マニホールドに各過給機に対応するシリンダの排気ポートが接続され、過給機毎に該過給機入口の排気温度を検出し、排気温度検出値に基づき各過給機入口の排気温度検出値と予め設定された排気温度基準値との排気温度偏差及び該排気温度偏差に対応する燃料噴射時期調整量及び燃料噴射期間調整量を算出し、該燃料噴射時期調整量及び燃料噴射期間調整量に基づき各過給機入口の排気温度が前記排気温度基準値になるように前記各過給機に対応するシリンダの燃料噴射時期及び燃料噴射期間を制御する操作を、前記各過給機入口の排気温度が前記排気温度基準値に達するまで、前記燃料噴射時期及び燃料噴射期間を変化させて繰り返すことを特徴とする。

本発明によれば、過給機入口の排気温度検出値と予め設定された排気温度基準値との排気温度偏差及び該排気温度偏差に対応する燃料噴射時期調整量及び燃料噴射期間調整量を算出し、該燃料噴射時期調整量及び燃料噴射期間調整量に基づき各過給機入口の排気温度が前記排気温度基準値になるように、エンジンの燃料噴射時期及び燃料噴射量を制御する操作を、前記各過給機入口の排気温度が前記排気温度基準値に達するまで、前記燃料噴射時期及び燃料噴射期間を変化させて繰り返すように構成したので、
燃料噴射開始時期及び燃料噴射期間（つまり燃料噴射量）を過給機毎に変化させて、各過給機入口の排気温度を、エンジン負荷あるいはエンジン回転数に適合した排気温度つまり排気温度基準値に収斂するように制御することにより、過給機毎の排気温度のばらつきが無くなり、各過給機の排気温度を前記排気温度基準値に均一に保持してエンジンを運転することが可能となる。

これにより、前記従来技術のように、ＮＯｘ低減のために燃料噴射時期を遅らせる際に排気温度のばらつきのために最も高い排気温度のシリンダによって燃料噴射時期の遅角が制限されるという問題が解消されて、排気温度のばらつきに伴う燃料噴射時期の遅延の規制が無くなり、エンジン性能を安定化できるとともに、前記排気温度基準値に合わせて燃料噴射時期を遅延することが可能となって、ＮＯｘ低減効果が向上する。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は本発明の第１（参考例）、第２実施例に係る排気温度制御装置をそなえた４サイクルディーゼルエンジンの全体構成を示す平面模式図である。
図１において、１００はエンジン（多気筒４サイクルディーゼルエンジンで、この例では４気筒エンジンを示す）、３０は該エンジン１００のシリンダ、９は各シリンダ３０に設けられた吸気ポート、７は各吸気ポート９を開閉する吸気弁、８は各シリンダ３０に設けられた排気ポート、６は前記各排気ポート８を開閉する排気弁である。
２３は前記各吸気ポート９が接続される吸気マニホールド、２４は前記各排気ポート８が接続される排気マニホールドである。

５は過給機（排気ターボ過給機）で、排気タービン５ａ及び該排気タービン５ａに直結駆動されるコンプレッサ５ｂをそなえており、該排気タービン５ａのガス入口が排気管２５を介して前記排気マニホールド２４に接続され、該コンプレッサ５ｂの空気出口が吸気管２６を介して前記吸気マニホールド２３に接続されている。
２１は前記各シリンダ３０内に燃料を噴射する燃料噴射弁、２２は燃料を高圧に加圧し、この高圧燃料を所定の噴射タイミングで前記燃料噴射弁２１に圧送する燃料噴射装置である。

かかる構成からなる多気筒４サイクルディーゼルにおいて、図示しないクランク軸により吸気カムを介して前記吸気弁７が各吸気ポート９を開閉し、前記クランク軸により排気カムを介して前記排気弁６が各排気ポート８を開閉する。
そして、前記過給機５のコンプレッサ５ｂから圧送された吸気（空気）は、前記吸気管２６及び吸気マニホールド２３から各シリンダ３０の吸気ポート９に分配され、吸気弁７の開弁によりシリンダ３０内に導入される。
次いで、該シリンダ３０内において、前記燃料噴射弁２１からの燃料噴射によって着火燃焼がなされ、着火燃焼後の排気ガスは、前記排気弁６の開弁により排気ポート８を通って排気マニホールド２４に溜められてから、排気管２５を通って過給機５の排気タービン５ａに送り込まれて該排気タービン５ａを駆動する。
本発明は、以上のような多気筒４サイクルエンジンにおける排気温度制御装置及び該多気筒４サイクルエンジンの運転制御方法に係るものである。

（第１実施例（参考例））
図１において、１は前記各シリンダの排気ポート８（排気枝管でもよい）に取り付けられて各シリンダ３０出口の排気温度を検出する排気温度センサ、３は前記エンジン１００に掛かるエンジン負荷を検出する負荷検出器、４は前記エンジン１００の回転数を検出するエンジン回転数検出器、２は前記燃料噴射装置の燃料噴射時期及び燃料噴射期間（即ち燃料噴射量）を制御する燃料制御装置である。
１０は燃料噴射コントローラで、前記各排気温度センサ１から各シリンダ３０出口の排気温度検出値、前記負荷検出器３からエンジン負荷の検出値、前記エンジン回転数検出器４からエンジン回転数の検出値がそれぞれ入力され、これらの検出信号に基づき後述する演算を行い、その制御信号を前記燃料制御装置２に出力するものである。

次に、図２〜４に基づきかかる第１実施例（参考例）の動作にいついて説明する。
図２は、本発明に第１実施例（参考例）に係る排気温度制御装置の制御ブロック図である。図３（Ａ）は前記第１実施例（参考例）における燃料噴射時期と排気温度との関係線図、（Ｂ）は燃料噴射期間と排気温度との関係線図である。図４はエンジン負荷（あるいはエンジン回転数）と燃料噴射時期及び燃料噴射期間との関係線図である。
図２において、前記各排気温度センサ１からの各シリンダ３０出口の排気温度検出値は、前記燃料噴射コントローラ１０に該排気温度センサ１と同数設けられた排気温度偏差算出手段１２に入力される。

また、前記負荷検出器３からのエンジン負荷の検出値及び前記エンジン回転数検出器４３からのエンジン回転数の検出値は、符号１１で示される基準排気温度設定手段に入力される。該基準排気温度設定手段１１には、エンジン負荷あるいはエンジン回転数と該エンジン負荷あるいはエンジン回転数における適正排気温度即ち排気温度基準値との関係がマップ状に設定されており、排気温度センサ１による排気温度の検出時における、前記負荷検出器３からのエンジン負荷の検出値あるいは前記エンジン回転数検出器４からのエンジン回転数の検出値が入力されると、当該エンジン負荷あるいはエンジン回転数における前記排気温度基準値を抽出して、前記排気温度偏差算出手段１２に入力する。

前記各排気温度偏差算出手段１２においては、前記各シリンダの排気温度検出値と前記基準排気温度設定手段１１からの排気温度基準値との差である排気温度偏差を算出して、噴射時期調整量算出手段１４及び噴射期間調整量算出手段１６に入力する。
符号１３で示される排気温度／噴射時期設定手段には、図３（Ａ）に示されるように、燃料噴射開始時期θ_１と排気温度基準値との関係線Ａが、エンジン負荷毎あるいはエンジン回転数毎に設定されている（図３（Ａ）には、１つのエンジン負荷（あるいはエンジン回転数）について前記関係線Ａを示している）。
また、符号１５で示される排気温度／噴射期間設定手段には、図３（Ｂ）に示されるように、燃料噴射期間θｓと排気温度基準値との関係線Ｂが、エンジン負荷毎あるいはエンジン回転数毎に設定されている（図３（Ｂ）には、１つのエンジン負荷（あるいはエンジン回転数）について前記関係線Ｂを示している）。

前記噴射時期調整量算出手段１４においては、前記排気温度偏差算出手段１２からの各シリンダの排気温度偏差ΔＴを図３（Ａ）の関係線Ａに対応させて、該排気温度偏差ΔＴに対応する燃料噴射時期調整量Δθ_１をシリンダ毎に算出して噴射時期算出手段１７に出力する。
噴射期間調整量算出手段１６においては、前記排気温度偏差算出手段１２からの各シリンダの排気温度偏差ΔＴを図３（Ｂ）の関係線Ｂに対応させて、該排気温度偏差ΔＴに対応する燃料期間調整量Δθｓをシリンダ毎に算出して噴射期間算出手段１７に出力する。

前記噴射時期算出手段１７においては、図４に示されるエンジン負荷（あるいはエンジン回転数）と燃料噴射開始時期θ_１との関係から、前記負荷検出器３からのエンジン負荷の検出値あるいは前記エンジン回転数検出器４からのエンジン回転数の検出値に対応する燃料噴射開始時期を算出し、これを前記燃料噴射時期調整量Δθ_１で補正して、補正後の燃料噴射開始時期を前記燃料制御装置２に入力する。
たとえば排気温度検出値が排気温度基準値よりもΔＴだけ高い場合には、図４の燃料噴射開始時期から前記燃料噴射時期調整量Δθ_１だけ遅らせて、排気温度Ｔを排気温度基準値Ｔ０に低下せしめる。

また、前記噴射期間算出手段１８においては、図４に示されるエンジン負荷（あるいはエンジン回転数）と燃料噴射期間θｓとの関係から、前記負荷検出器３からのエンジン負荷の検出値あるいは前記エンジン回転数検出器４からのエンジン回転数の検出値に対応する燃料噴射期間を算出し、これを前記燃料噴射期間調整量Δθｓで補正して、補正後の燃料噴射期間を前記燃料制御装置２に入力する。
たとえば排気温度検出値が排気温度基準値よりもΔＴだけ高い場合には、図４の燃料噴射期間から前記燃料噴射期間調整量Δθｓだけ縮小して、排気温度Ｔを排気温度基準値Ｔ０に低下せしめる。

以上のような、各シリンダ３０出口の排気温度が前記排気温度基準値になるように、エンジンの燃料噴射開始時期及び燃料噴射期間（つまり燃料噴射量）を制御する操作を、前記各シリンダ３０の排気温度が前記排気温度基準値に達するまで、前記燃料噴射開始時期及び燃料噴射期間（燃料噴射量）を変化させて繰り返す。

以上の第１実施例（参考例）によれば、燃料噴射開始時期及び燃料噴射期間（つまり燃料噴射量）をシリンダ毎に変化させて、各シリンダの排気温度を、エンジン負荷あるいはエンジン回転数に適合した排気温度つまり排気温度基準値に収斂するように制御することにより、シリンダ毎の排気温度のばらつきが無くなり、各シリンダの排気温度を前記排気温度基準値に均一に保持してエンジンを運転することが可能となる。

これにより、前記従来技術のように、ＮＯｘ低減のために燃料噴射時期を遅らせる際に排気温度のばらつきのために最も高い排気温度のシリンダによって燃料噴射時期の遅角が制限されるという問題が解消されて、排気温度のばらつきに伴う燃料噴射時期の遅延の規制が無くなり、前記排気温度基準値に合わせて燃料噴射時期を遅延できて、ＮＯｘ低減効果が向上する。
また、低負荷域で失火が発生しているシリンダがあっても、燃料噴射時期及び燃料噴射期間を調整することにより、各シリンダの排気温度を前記排気温度基準値に復元できるので、失火を自動的に解除することができて、燃焼を安定化できる。これらによりエンジン性能を安定化できる。

（第２実施例）
本発明の第２実施例は、複数の過給機をそなえた多気筒エンジンを対象としており、図２において、各過給機５（図１参照）毎に該過給機５の排気タービン５ａ入口に接続される排気マニホールド２４の排気温度を、該排気マニホールド２４に取り付けた排気温度センサ１ｓで検出して前記燃料噴射コントローラ１０に入力する。
該燃料噴射コントローラ１０においては、前記第１実施例（参考例）と同様な手順で、各過給機５入口の排気温度を前記排気温度基準値になるように制御する。

即ち、前記燃料噴射コントローラ１０において、前記排気温度センサ１ｓからの過給機５の排気タービン５ａ入口の排気温度検出値に基づき、各排気タービン５ａ入口の排気温度検出値と予め設定された排気温度基準値との排気温度偏差及び該排気温度偏差に対応する燃料噴射時期調整量及び燃料噴射期間（燃料噴射量）調整量を算出し、該燃料噴射時期調整量及び燃料噴射期間調整量に基づき各過給機５入口の排気温度が前記排気温度基準値になるようにエンジンの燃料噴射時期及び燃料噴射量を制御する。
かかる第２実施例の場合は排気温度センサ１ｓの場合は、排気温度センサ１ｓは各排気タービン５ａ入口のみに設けるので、前記第１実施例（参考例）よりも排気温度センサの数が少なくて済み、制御も簡単になる。
その他の作用、効果は前記第１実施例（参考例）と同様である。

本発明によれば、排気温度のシリンダ毎のばらつき、あるいは複数の過給機をそなえたエンジンにおいては過給機毎の排気温度のばらつきを抑制して、ＮＯｘ低減効果を向上するとともに、エンジン性能を安定化した多気筒エンジン及びその運転制御方法を提供できる。

本発明の第１（参考例）、２実施例に係る排気温度制御装置をそなえた４サイクルディーゼルエンジンの全体構成を示す平面模式図である。本発明の第１実施例（参考例）に係る排気温度制御装置の制御ブロック図である。（Ａ）は前記第１実施例（参考例）における燃料噴射時期と排気温度との関係線図、（Ｂ）は燃料噴射期間と排気温度との関係線図である。前記第１実施例（参考例）におけるエンジン負荷（あるいはエンジン回転数）と燃料噴射時期及び燃料噴射期間との関係線図である。

１，１ｓ排気温度センサ
１ａ燃焼室
２燃料制御装置
３負荷検出器
４エンジン回転数検出器
５過給機（排気ターボ過給機）
５ａ排気タービン
５ｂコンプレッサ
６排気弁
７吸気弁
８排気ポート
９吸気ポート
１０燃料噴射コントローラ
２１燃料噴射弁
２２燃料噴射装置
２３吸気マニホールド
２４排気マニホールド
３０シリンダ
１００エンジン（４サイクルディーゼルエンジン）

Claims

シリンダ毎に燃料噴射時期及び燃料噴射量を調整可能に構成された多気筒エンジンにおいて、
前記多気筒エンジンは複数の過給機をそなえ、各過給機の排気タービン入口に接続される排気マニホールドに各過給機に対応するシリンダの排気ポートが接続され、
過給機毎に該過給機入口の排気温度を検出する排気温度センサ、及び、前記排気温度センサからの排気温度検出値に基づき各過給機入口の排気温度検出値と予め設定された排気温度基準値との排気温度偏差及び該排気温度偏差に対応する燃料噴射時期調整量及び燃料噴射期間調整量を算出し、該燃料噴射時期調整量及び燃料噴射期間調整量に基づき各過給機入口の排気温度が前記排気温度基準値になるように、前記各過給機に対応するシリンダの燃料噴射時期及び燃料噴射期間を制御する燃料噴射コントローラを有してなることを特徴とする排気温度制御装置をそなえた多気筒エンジン。
前記燃料噴射コントローラは、前記排気温度センサからの排気温度検出値に基づき、各過給機入口の排気温度検出値と予め設定された排気温度基準値との排気温度偏差及び該排気温度偏差に対応する燃料噴射時期調整量及び燃料噴射期間調整量を算出し、該燃料噴射時期調整量及び燃料噴射期間調整量に基づき前記各過給機に対応する各シリンダの必要燃料噴射時期及び必要燃料噴射期間を算出して、前記各シリンダの燃料噴射量を調整する燃料制御装置に出力するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の排気温度制御装置をそなえた多気筒エンジン。
シリンダ毎に燃料噴射時期及び燃料噴射量を調整可能に構成された多気筒エンジンの運転制御方法であって、前記多気筒エンジンは複数の過給機をそなえ、各過給機の排気タービンに接続される排気マニホールドに各過給機に対応するシリンダの排気ポートが接続され、
過給機毎に該過給機入口の排気温度を検出し、排気温度検出値に基づき各過給機入口の排気温度検出値と予め設定された排気温度基準値との排気温度偏差及び該排気温度偏差に対応する燃料噴射時期調整量及び燃料噴射期間調整量を算出し、該燃料噴射時期調整量及び燃料噴射期間調整量に基づき各過給機入口の排気温度が前記排気温度基準値になるように前記各過給機に対応するシリンダの燃料噴射時期及び燃料噴射期間を制御する操作を、前記各過給機入口の排気温度が前記排気温度基準値に達するまで、前記燃料噴射時期及び燃料噴射期間を変化させて繰り返すことを特徴とする排気温度制御装置をそなえた多気筒エンジンの運転制御方法。