JP4626774B2 - Diesel engine - Google Patents
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Description
本発明はディーゼル機関に係り、特に燃料噴射時期及びEGR還流量の制御に関するものである。 The present invention relates to a diesel engine, and more particularly to control of fuel injection timing and EGR recirculation amount.
拡散燃焼を主体としたリーン運転を行うディーゼル機関では、高い空気過剰率によりNOxが発生し易いことから、その対策として排気の一部を吸気系に還流して、燃焼温度の低下によりNOxの生成を抑制するEGR制御が実施されている。EGR率の増加に伴ってNOx抑制作用は高まるが、噴射燃料と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では、EGR率を過度に増加させると燃料の燃え残りが生じてスモーク排出量が急増する弊害が生じる。よって、これを回避するためにEGR率の上限値が制限され、結果として十分なNOx抑制を実現できなかった。 In a diesel engine that performs lean operation mainly with diffusion combustion, NOx is likely to be generated due to a high excess air ratio. As a countermeasure, part of the exhaust gas is recirculated to the intake system, and NOx is generated by lowering the combustion temperature. EGR control is performed to suppress this. As the EGR rate increases, the NOx suppression action increases. However, in the diffusion combustion that causes combustion in the combustible air-fuel mixture layer at the boundary between the injected fuel and the compressed air, if the EGR rate is excessively increased, fuel remains unburned. As a result, there is a harmful effect that the smoke emission increases rapidly. Therefore, in order to avoid this, the upper limit value of the EGR rate is limited, and as a result, sufficient NOx suppression cannot be realized.
例えば、特許文献1には、ディーゼル機関の排気系に設けられたNOx吸蔵材からNOxを放出させる技術として、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を放出させるものが開示されている。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、結果としてスモークとNOxの低減を両立可能になると推測される。 For example, in Patent Document 1, as a technique for releasing NOx from a NOx occlusion material provided in an exhaust system of a diesel engine, fuel is injected in an intake stroke and a large amount of EGR is introduced. A substance that releases NOx by reducing it to 0 or less is disclosed. The combustion state at this time is switched to premixed combustion in which the injected fuel diffuses and vaporizes up to the compression top dead center and burns in a state where it is mixed with air in advance. As a result, it is presumed that both smoke and NOx reduction can be achieved.
一方、特許文献2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、低負荷等の所定領域では、スモーク排出量が低下傾向に転じたときのEGR率に制御する技術が開示されており、これによりスモークとNOxとの両立を図っている。
しかしながら、特許文献1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、シリンダ壁に付着してオイルダイリューションを引き起こす上に、正規の圧縮上死点近傍のタイミングで噴射された燃料のようにピストンのキャビティ内に捕捉されないことから、炭化水素(HC)や一酸化炭素(CO)を急増させる要因になるという問題がある。 However, in the technique of Patent Document 1, since the period from the fuel injection in the intake stroke to the ignition in the compression stroke is long, the ignition timing varies, and it tends to cause poor ignition such as premature ignition or ignition delay. There is a problem of lack of stability. In addition, a part of the fuel injected in the intake stroke diffuses in the cylinder, adheres to the cylinder wall, causes oil dilution, and seems to be injected at a timing near the normal compression top dead center. In addition, since it is not trapped in the cavity of the piston, there is a problem that it causes a rapid increase in hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO).
又、特許文献2の技術では、上記所定領域とそれ以外の領域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、オイルダイリューションの発生やHC、COの増加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て、スモークとNOxの低減を両立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。
Further, in the technique of
The object of the present invention is to raise the upper limit of the EGR rate that can suppress smoke emission, while preventing the deterioration of stability due to poor ignition, the occurrence of oil dilution and the increase of HC and CO. An object of the present invention is to provide a diesel engine capable of achieving both smoke and NOx reduction.
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、空気過剰率の減少に対するスモーク排出量特性が増加傾向を示してから低下傾向を示す特定燃料噴射時期で作動可能な運転領域において、燃料噴射手段による燃料噴射時期を、特定燃料噴射時期よりも進角側で、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、設定した噴射時期においてEGR制御手段の作動を制御してスモーク排出量とNOx排出量とを同時に制御する第1制御モードを実行する第1制御手段と、第1制御モードの制御状態より噴射時期を遅角して特定燃料噴射時期よりも遅角側の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、機関の運転領域に基づいて第1制御モードと第2制御モードとの間で切換を行うと共に、制御モードの切換時には、EGR率が徐々に変化するEGR率変化期間の中期に存在する第1制御モード及び第2制御モードの双方の燃料噴射時期において騒音及びスモークを共に低減可能なEGR率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。 In order to achieve the above object, the invention of claim 1 includes a fuel injection means for injecting fuel into a combustion chamber of an engine, an EGR rate adjusting means for controlling a recirculation amount of exhaust gas discharged from the engine to an intake system, The fuel injection timing by the fuel injection means is advanced from the specific fuel injection timing in the operating range where the smoke emission characteristic with respect to the decrease in the excess air ratio can be operated at the specific fuel injection timing that shows a downward trend after the tendency to increase. On the other hand, the injection fuel is set to be retarded from the injection timing when the fuel is released from the cavity formed in the piston and reaches the cylinder wall surface, and the operation of the EGR control means is controlled at the set injection timing to obtain the smoke discharge amount. First control means for executing a first control mode for simultaneously controlling the NOx emission amount, and retarding the injection timing from the control state of the first control mode to retard the specific fuel injection timing And sets the compression top dead center near near side, and a second control means for executing the second control mode with reduced EGR rate from the control state of the first control mode, the first control mode based on the operating region of the engine Between the first control mode and the second control mode, and when the control mode is switched, the fuel injection in both the first control mode and the second control mode exists in the middle of the EGR rate change period in which the EGR rate changes gradually. And mode switching means for instantaneously switching the injection timing at an EGR rate that can reduce both noise and smoke at the timing.
EGR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、EGR率の増加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、EGR率を高め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。 The characteristic of the smoke emission amount with respect to the EGR rate changes according to the injection timing. FIG. 5 shows an example of a test result in which the fuel injection timing is changed in a certain operation region. When the angle is advanced to 20 ° BTDC compared to 10 ° BTDC applied to a general diesel engine, the EGR rate is increased. The smoke emission amount with respect to the increase has a characteristic of showing an increasing tendency and then a decreasing tendency beyond the peak. In this case, if the excess air ratio is changed together with the EGR ratio, the smoke emission amount exceeds the peak region, so a transient increase in the smoke emission amount cannot be avoided. On the other hand, at 36 ° BTDC in which the injection timing is further advanced, the smoke emission amount is suppressed to a low value even when the EGR rate is increased, and the NOx emission amount is also suppressed by the high EGR rate. Since both the smoke emission peak is not formed, a transient increase in smoke is also suppressed.
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。 The reason why the smoke emission amount is suppressed by the advance of the injection timing in this way is thought to be that the period from fuel injection to ignition is extended and premixing of the injected fuel and intake air is promoted during that period. However, since the injection timing is not extremely advanced as in the intake stroke injection, for example, the injected fuel is reliably ignited at a predetermined timing in the vicinity of the compression top dead center, and a stable operation without causing an ignition failure is achieved. Is possible.
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THCが増加すると共に、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、第1制御モードにおいては、EGR率の増加に対するスモーク排出量特性が増加傾向を示してから低下傾向を示す噴射時期よりも進角側で、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THCの増加や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。そして、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ため、第1制御モードでは、スモーク排出量とNOx排出量とを同時に低減可能となる。
On the other hand, FIG. 6 shows a test result in which the THC emission amount and the diluted fuel amount are measured by changing the injection timing in the same operation region as in FIG. 5, and when the injection timing is advanced, around 40 ° BTDC As THC increases, the amount of fuel mixed in the engine oil increases and there is a risk of oil dilution.
Based on the above factors, in the first control mode, the smoke emission characteristic with respect to the increase in the EGR rate is on the advance side with respect to the injection timing that shows a decreasing trend and then the injected fuel is formed in the piston. If the injection timing is set to the retarded angle side relative to the injection timing to reach the cylinder wall after leaving the cavity, it is possible to prevent harmful effects such as increase in THC due to excessive advance and oil dilution, etc. The upper limit of the EGR rate that can suppress discharge is raised. And since the recirculation amount is controlled by the EGR rate adjusting means based on this EGR rate, in the first control mode, the smoke discharge amount and the NOx discharge amount can be simultaneously reduced.
この第1制御モードに比較して第2制御モードでは、噴射時期を遅角して特定噴射時期よりも遅角側の圧縮上死点近傍に設定すると共に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。
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。
Since it is reduced EGR rate with the first compared to the control mode in the second control mode is set to the compression top dead center near vicinity of the retarded angle side than a specified injection timing retarded injection timing In the driving region where the driver's output request is high, it is possible to respond to the output request by switching to the second control mode by the mode switching means.
On the other hand, when the control mode is switched by the mode switching means, the EGR rate changes only gradually due to the exhaust gas recirculation, but if the injection timing is gradually changed according to the change characteristics, the smoke increases rapidly. There is a case where smoke is temporarily increased by passing through an injection timing and an EGR rate that satisfy the above condition.
例えば、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。 For example, FIG. 4 shows a test result in which the injection timing is further subdivided in the same operation region as in FIG. 5. The ● mark in the figure shows the characteristics when the injection timing is set to 8 ° BTDC. Similarly, ○ mark is 10 ° BTDC, ▽ mark is 12 ° BTDC, △ mark is 14 ° BTDC, X mark is 16 ° BTDC, * mark is 20 ° BTDC, ◆ mark is 24 ° BTDC, ◇ mark is 28 ° BTDC, ★ mark indicates characteristics at 32 ° BTDC, and □ mark indicates characteristics at 36 ° BTDC.
図中において、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、例えば1.0より若干リーン側に制御される。 In the figure, the second control mode is indicated by a large ● mark, 8 ° BTDC is set as the injection timing, 45% is set as the EGR rate, and the excess air ratio λ is controlled to 1.8. Is done. On the other hand, the first control mode is indicated by a large □ mark, and the injection timing is set to 36 ° BTDC far ahead, and the EGR rate Regr is set to 56%. The excess ratio λ is controlled to be slightly leaner than 1.0, for example.
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。 When the injection timing is set to any of 14 to 32 ° BTDC in the transient region where the excess air ratio λ is 1.0 to 1.8, the phenomenon is that the noise increases mainly on the lean side or is mainly rich. It can be seen that noise and smoke cannot be achieved at the same time because smoke increases. Therefore, when switching between the first control mode and the second control mode, if the injection timing is gradually changed according to the broken line in the figure, the region inevitably passes through the region of 14 to 32 ° BTDC. Generation of areas where noise and smoke increase rapidly is inevitable.
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。 On the other hand, when the injection timing is set to 8 or 10 ° BTDC, both the noise and smoke can be reduced in the region where the excess air ratio λ is leaner than around 1.3, while the injection timing is When it is set to 36 ° BTDC, it can be seen that both noise and smoke can be reduced in the region where the excess air ratio λ is richer than around 1.3. Therefore, in this example, as indicated by the solid line in the figure, the injection timing may be switched instantaneously with the excess air ratio λ = 1.3 as a boundary.
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、騒音及び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騒音及びスモークの増加が未然に回避される。
請求項2の発明は、請求項1において、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。
In accordance with the above examples, in the invention of this claim, since the injection timing is instantaneously switched in the middle of the EGR rate change period in which the EGR rate changes gradually, the control mode can be switched over the region where noise and smoke rapidly increase. As a result, a temporary increase in noise and smoke occurring during the EGR rate change period is obviated.
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the first control means advances the injection timing as the engine speed increases.
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、スモークとNOxとを両立可能な燃焼状態を安定して実現可能となる。 When the piston speed increases with the engine speed, the time at which the injected fuel reaches the cavity is relatively advanced. Therefore, in order for the injected fuel to reach the cavity at an appropriate time, the fuel must be fueled until the piston position is still low. It is necessary to accelerate the injection. Therefore, if the injection timing is advanced as the engine rotation speed increases, the injected fuel always reaches the piston cavity at an appropriate time regardless of the engine rotation speed, so that the combustion state can achieve both smoke and NOx. Can be realized stably.
請求項3の発明は、請求項2において、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、スモークとNOxとを両立可能な燃焼状態を安定して実現可能となる。
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect, the first control means keeps the injection timing substantially constant with respect to the load change.
Therefore, since the dependence of the injection timing on the engine load is low compared to the engine rotation speed, if the injection timing is kept substantially constant with respect to the load change, smoke and NOx are not affected by fluctuations in the engine load. It is possible to stably realize a combustion state that can achieve both.
請求項4の発明は、請求項1において、第1制御手段が、EGR率が50%以上で、空気過剰率が1.0以上となるようにEGR率調整手段の作動を制御するものである。
従って、EGR率を50%以上とすることで、大量EGRの効果により効率的なNOxの低減が可能となると共に、空気過剰率を1.0以上とすることで、HCやCOの排出を効果的に抑制可能となる。
According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect, the first control means controls the operation of the EGR rate adjusting means so that the EGR rate is 50% or more and the excess air ratio is 1.0 or more. .
Therefore, by setting the EGR rate to 50% or more, it is possible to efficiently reduce NOx by the effect of large-volume EGR, and by setting the excess air ratio to 1.0 or more, it is possible to effectively discharge HC and CO. Can be suppressed.
請求項5の発明は、請求項1において、機関の排気系に酸化機能を有する触媒が設けられ、第1制御手段が、触媒が非活性状態の場合に第1制御モードの実行を禁止するものである。
従って、第1制御手段の制御による大量のEGRは余剰酸素の減少に繋がるため、HCやCOの排出量が増加する傾向にあるが、排出されたHCやCOは触媒の酸化機能により確実に浄化される。一方、触媒が非活性状態の場合には、第1制御手段による第1制御モードの実行が禁止されて、EGR量の減少に伴って機関から排出されるHCやCOが減少するため、この場合もHCやCOの排出が防止される。
According to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect, the engine exhaust system is provided with a catalyst having an oxidation function, and the first control means prohibits execution of the first control mode when the catalyst is in an inactive state. It is.
Therefore, a large amount of EGR by the control of the first control means leads to a decrease in surplus oxygen, and thus the HC and CO emissions tend to increase, but the discharged HC and CO are reliably purified by the oxidation function of the catalyst. Is done. On the other hand, when the catalyst is in an inactive state, execution of the first control mode by the first control means is prohibited, and HC and CO discharged from the engine are reduced as the EGR amount is reduced. HC and CO emissions are also prevented.
請求項6の発明は、請求項1において、第1制御手段が、第1制御モードの燃料噴射時期を、特定燃料噴射時期よりも進角側で、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である圧縮上死点前40°近傍よりも遅角側に設定するものである。
従って、請求項1で図6に基づいて述べたように、噴射時期を進角させると、40°BTDC付近からTHCが増加すると共に、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が、第1制御モードの燃料噴射時期を圧縮上死点前40°近傍よりも遅角側に設定することにより、過度の進角によるTHCの増加やオイルダイリューション等の弊害が確実に防止される。
According to a sixth aspect of the present invention, in the first aspect, the first control means sets the fuel injection timing in the first control mode to the advance side with respect to the specific fuel injection timing, and the injected fuel deviates from the cavity formed in the piston. Thus, it is set on the retard side from the vicinity of 40 ° before compression top dead center, which is the injection timing to reach the cylinder wall surface.
Therefore, as described with reference to FIG. 6 in claim 1, when the injection timing is advanced, THC increases from around 40 ° BTDC, and the amount of fuel mixed in the engine oil increases, resulting in oil dilution. However, by setting the fuel injection timing in the first control mode to the retard side from the vicinity of 40 ° before the compression top dead center, there are harmful effects such as an increase in THC due to excessive advance and oil dilution. Is reliably prevented.
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、第1制御モードでは、着火不良による安定性の低下、オイルダイリューションの発生やHC、COの増加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て、スモークとNOxの低減を両立でき、第2制御モードでは、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、第1制御モードと第2制御モードとの切換時には、噴射時期を瞬時的に切換えて騒音及びスモークが急増する領域を飛び越すことにより、一時的な騒音及びスモークの増加を未然に回避することができる。 As described above, according to the diesel engine of the first aspect of the present invention, in the first control mode, the deterioration of stability due to poor ignition, the occurrence of oil dilution and the increase of HC and CO are prevented. Thus, the upper limit of the EGR rate that can suppress smoke emission can be raised to reduce both smoke and NOx. In the second control mode, it is possible to achieve good vehicle running characteristics that meet the driver's output requirements. Moreover, at the time of switching between the first control mode and the second control mode, the injection timing is switched instantaneously to jump over a region where noise and smoke rapidly increase, thereby avoiding temporary increase in noise and smoke in advance. be able to.
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、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、スモークとNOxとを両立可能な燃焼状態を安定して実現することができる。
請求項3の発明のディーゼル機関によれば、請求項2の発明に加えて、機関負荷の変動に影響されることなく、スモークとNOxとを両立可能な燃焼状態を安定して実現することができる。
According to the diesel engine of the second aspect of the invention, in addition to the invention of the first aspect, regardless of the engine speed, the injected fuel always reaches the piston cavity at an appropriate time, and smoke and NOx are produced. A compatible combustion state can be stably realized.
According to the diesel engine of the invention of
請求項4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、大量EGRの効果により効率的にNOxを低減し、1.0以上の空気過剰率によりCOやHCの排出を効果的に抑制し、結果として、総合的なエミッション排出特性を改善することができる。
請求項5の発明のディーゼル機関によれば、請求項1の発明に加えて、触媒の酸化機能によりHCやCOを確実に浄化すると共に、触媒が非活性状態の場合には、第1制御手段による第1制御モードの実行を禁止して機関から排出されるHCやCOを減少するため、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。
According to the diesel engine of the fourth aspect of the invention, in addition to the invention of the first aspect, NOx is efficiently reduced by the effect of a large amount of EGR, and the exhaust of CO and HC is effective by the excess air ratio of 1.0 or more. As a result, and overall emission emission characteristics can be improved.
According to the diesel engine of the fifth aspect of the invention, in addition to the invention of the first aspect, the HC and CO are reliably purified by the oxidation function of the catalyst, and when the catalyst is in an inactive state, the first control means Since the execution of the first control mode is prohibited and the HC and CO discharged from the engine are reduced, the discharge of HC and CO can be reliably prevented in any operating region.
請求項6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、燃料噴射時期を進角側に適切に制限することにより、過度の進角によるTHCの増加やオイルダイリューション等の弊害を確実に防止することができる。 According to the diesel engine of the sixth aspect of the invention, in addition to the invention of the first aspect, by appropriately limiting the fuel injection timing to the advance side, an increase in THC due to excessive advance, oil dilution, etc. Can be surely prevented.
[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。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of a common rail type diesel engine will be described.
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a diesel engine of the present embodiment. In this figure, one cylinder of a diesel engine is shown, and a
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。
The fuel injection valve 5 is opened at a predetermined timing near the compression top dead center, and the high-pressure fuel in the
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。
On the other hand, the cylinder of each cylinder is connected to a
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。
The intake air introduced into the
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)。
On the other hand, one end of an
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21等の各種デバイス類が接続されている。
On the other hand, an input / output device (not shown), a storage device (ROM, RAM, etc.) used for storage of a control program, a control map, etc., a central processing unit (CPU), a timer counter, etc. Control unit) 31 is installed. Various sensors such as an
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。
The
Further, based on the calculated values of the engine rotational speed Ne and the fuel injection amount Q, the target excess air ratio λtgt is calculated from a map (not shown), and the target excess air ratio λtgt and the actual excess air ratio λ (for example, an airflow sensor not shown) It is calculated from the fresh air amount and the fuel injection amount Q obtained by adding the estimated value of the residual oxygen amount in the EGR gas to the intake air amount obtained from the output, or a linear air-fuel ratio sensor is provided in the
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。
Here, in the diesel engine of the present embodiment, the fuel injection timing IT is significantly changed by switching the combustion mode according to the operating state of the engine, and the switching of the combustion mode will be described in detail below.
FIG. 2 is a flowchart showing a combustion mode switching routine executed by the
ステップS2,4の何れかでNO(否定)の判定を下したときには、ステップS6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S2,4の何れでもYES(肯定)の判定を下したときには、ステップS8に移行して低NOx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)。 When a negative (NO) determination is made in either of steps S2 and S4, the routine proceeds to step S6, and after executing the normal combustion mode (second control mode), the routine is terminated (second control means). If YES in both steps S2 and S4, the routine proceeds to step S8, the low NOx combustion mode (first control mode) is executed, and the routine is terminated (first control means). .
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、低NOx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低NOx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。
The above-mentioned normal combustion mode is a control mode similar to the control content implemented in a general diesel engine, and the low NOx combustion mode is a combustion mode unique to the present invention.
FIG. 4 shows the control status of the fuel injection timing IT and the EGR rate Regr in the normal combustion mode and the low NOx combustion mode, and the THC emission amount, NOx emission amount, noise when the fuel injection timing IT is set to 8 to 36 ° BTDC. It is a characteristic diagram showing the test results of measuring smoke emissions. The ● mark in the figure indicates the characteristic when IT = 8 ° BTDC is set. Similarly, the ◯ mark is 10 ° BTDC, the ▽ mark is 12 ° BTDC, △ mark is 14 ° BTDC, x mark is 16 ° BTDC, * mark is 20 ° BTDC, ◆ mark is 24 ° BTDC, ◇ mark is 28 ° BTDC, ★ mark is 32 ° BTDC, □ mark is 36 ° The characteristics at BTDC are shown. This test result is obtained when the engine operating range is a target average effective pressure Pe = 0.2 MPa (correlation with the engine load) and the engine rotational speed Ne = 2000 rpm.
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、低NOx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)若しくは若干リーン側(λ≧1.0)に制御される。 The calibration point in the normal combustion mode is a large mark position, the fuel injection timing IT is set to 8 ° BTDC, the EGR rate Regr is set to 45%, and the excess air rate is controlled to around 1.8. On the other hand, the calibration point for the low NOx combustion mode is set to a large □ mark position, the fuel injection timing IT is set to 36 ° BTDC far ahead, and the EGR rate Regr is set to 56%. As a result, the excess air ratio λ is controlled to 1.0 (theoretical air-fuel ratio) or slightly lean side (λ ≧ 1.0).
低NOx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、本実施形態の低NOx燃焼モードでの燃料噴射時期ITに相当する。
The fuel injection timing IT = 36 ° BTDC in the low NOx combustion mode is set as follows.
FIG. 5 is a characteristic diagram obtained by extracting test results when the fuel injection timing IT is 10, 20, and 36 ° BTDC from FIG. 4 above. IT = 10 ° BTDC indicated by a circle in the figure is a general diesel engine. It corresponds to the fuel injection timing IT applied to the engine (close to the normal combustion mode), and IT = 20 ° BTDC indicated by * is the fuel injection timing IT applied to Japanese Patent No. 31168776 described as the prior art. IT = 36 ° BTDC indicated by □ corresponds to the fuel injection timing IT in the low NOx combustion mode of the present embodiment.
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。
At 10 ° BTDC, although the NOx emission amount decreases as the EGR rate Regr increases, it is omitted in the figure, but smoke emission increases rapidly when λ = 1.8 is exceeded, so smoke emission can be suppressed. The upper limit value of the EGR rate Regr is quite low.
Further, at 20 ° BTDC, the smoke emission amount once showed an increasing tendency with respect to the increase in the EGR rate Regr, and showed a decreasing tendency after exceeding the peak. However, even when λ = 1.05, which is the minimum value, is sufficient. Smoke reduction cannot be achieved, and the smoke emission amount exceeds the peak every time the excess air ratio λ changes with the switching of the combustion mode, so that it is estimated that the smoke emission amount increases transiently.
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、結果として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。そして、高いEGR率RegrによりNOx排出量も抑制されることから、この燃料噴射時期ITによれば、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。 On the other hand, at 36 ° BTDC in which the fuel injection timing IT is further advanced, the smoke emission amount is suppressed to a very low value even if the EGR rate Regr is increased to about 56%, and as a result, the air excess rate λ that can be realized. Is expanded to an area around 1.0. Since the NOx emission amount is also suppressed by the high EGR rate Regr, both the smoke and NOx can be reduced according to the fuel injection timing IT, and the peak of the smoke emission amount is not formed. Smoke increase is also suppressed.
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、この低NOx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。 Note that the smoke emission amount is suppressed by the advance of the fuel injection timing IT in this way, because the period from fuel injection to ignition is extended, and during that time, premixing of the injected fuel and intake air is promoted. It is thought to be for this purpose. However, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 8-218920 described as the prior art, the fuel injection timing IT is not extremely advanced to the intake stroke, so the injected fuel is compressed top dead center even in this low NOx combustion mode. It is reliably ignited at a predetermined timing in the vicinity, and stable operation is performed without causing poor ignition.
尚、この36°BTDCにおいても1.0を越えてリッチ側に空気過剰率λを設定すると、スモークが増加すると共に、余剰酸素の減少に伴ってHCやCOの排出量も増加することから(図4に示す)、これらの不具合を回避するために、低NOx燃焼モードの空気過剰率λを1.0より若干リーン側に設定しているのである。
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THCが増加すると共に、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。これらの要因は、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THCとして排出されたり、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たり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。
Even in this 36 ° BTDC, if the excess air ratio λ is set to a rich side exceeding 1.0, smoke is increased and HC and CO emissions are also increased with a decrease in surplus oxygen ( In order to avoid these problems, the excess air ratio λ in the low NOx combustion mode is set slightly leaner than 1.0.
On the other hand, FIG. 6 is a characteristic diagram showing test results obtained by measuring the THC emission amount and the diluted fuel amount by changing the fuel injection timing IT in the same operation region as in FIGS. As shown in this figure, when the fuel injection timing IT is advanced, THC increases from around 40 ° BTDC, and the amount of diluted fuel (the amount of fuel mixed in engine oil and exerting a dilution effect) increases. There is a risk of oil dilution. These factors are because a part of the fuel injected by the early fuel injection diffuses and adheres to the cylinder wall surface without being captured in the
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、上記のように低NOx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。
Further, when the fuel injection timing IT is excessively advanced, the ignition timing in the vicinity of the compression top dead center of the fuel as in the prior art disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 8-218920 which performs fuel injection in the intake stroke. In order to avoid this problem, there is a limit to the advance angle.
Due to the above factors, the fuel injection timing IT is limited to 40 ° BTDC on the advance side, and as a result, the fuel injection timing IT in the low NOx combustion mode is set to 36 ° BTDC as described above.
そして、このように低NOx燃焼モードではNOx抑制のために大量の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の過給により低NOx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。
In such a low NOx combustion mode, a large amount of EGR is recirculated in order to suppress NOx. Therefore, in an area where the engine load and the engine speed Ne are high, the amount of air for burning a large amount of fuel is insufficient. The engine load and the engine speed Ne are limited, and the implementation is limited to a specific area of the map of FIG. However, in the present embodiment, since the
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。
On the other hand, the optimal fuel injection timing IT varies depending on the engine operating region within the specific region, but the dependency on the fuel injection amount Q (engine load) is low, while the optimal fuel for the engine rotational speed Ne. The injection timing IT changes greatly.
That is, when the piston speed increases with the engine rotational speed Ne, the time at which the injected fuel reaches the
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。
On the other hand, as explained based on FIG. 4, when the combustion mode is switched in accordance with the change of the engine operating region, the fuel injection timing IT is switched between 8 ° BTDC and 36 ° BTDC, and the excess air ratio λ is switched between 1.8 and 1.0 (between 45% and 56% in EGR rate Regr).
Here, in the common rail type fuel injection control with high responsiveness, the fuel injection timing IT can be switched in steps. However, in the EGR control, the EGR rate Regr gradually changes due to exhaust gas recirculation, which is inevitable. In addition, a transition region exists in the EGR rate Regr at the time of mode switching. At the time of mode switching, a predetermined point during the EGR rate change period is shown as a boundary as shown by a solid line without tailing the fuel injection timing IT in accordance with a change in the EGR rate Regr as shown by a broken line in FIG. The fuel injection timing IT is changed stepwise (mode switching means), and the necessity of control at the time of mode switching will be described below.
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。 As shown in FIG. 4, when the fuel injection timing IT is set to any of 14 to 32 ° BTDC in the transient region where the excess air ratio λ is 1.0 to 1.8, noise is mainly generated on the lean side. It can be seen that noise and smoke cannot be achieved at the same time because a phenomenon of increasing the smoke or a phenomenon of increasing the smoke mainly on the rich side occurs. When tailing the fuel injection timing IT according to the broken line in FIG. 4, the fuel injection timing IT inevitably passes through the region of 14 to 32 ° BTDC, so that it is inevitable that a region where noise and smoke rapidly increase is generated.
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。
よって、通常燃焼モードから低NOx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、低NOx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。
On the other hand, when the fuel injection timing IT is set to 8 or 10 ° BTDC, both the noise and smoke can be reduced in the region where the excess air ratio λ is leaner than around 1.3, When the injection timing IT is set to 36 ° BTDC, it can be seen that both noise and smoke can be reduced in a region where the excess air ratio λ is richer than around 1.3.
Therefore, when switching from the normal combustion mode to the low NOx combustion mode, after gradually increasing the fuel injection timing IT to 8 to 10 ° BTDC in the region where the excess air ratio λ is 1.3 or more, λ = 1.3 is set. Switch to 36 ° BTDC stepwise as a boundary. Further, when switching from the low NOx combustion mode to the normal combustion mode, the control may be performed in the reverse order.
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低NOx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。
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、低回転低負荷の特定領域では、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ようにしたため、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。
On the other hand, in the low NOx combustion mode in which the excess air ratio λ is set to the rich side with respect to the normal combustion mode, the torque decreases under the same injection amount. Therefore, in the present embodiment, the required fuel amount is obtained in advance for each excess air ratio λ, and the actual fuel injection amount Q is corrected in accordance with the excess air ratio λ. It is preventing.
As described above, in the diesel engine of the present embodiment, the upper limit value of the EGR rate Regr that can suppress the emission of smoke in a region where the fuel injection timing IT is greatly advanced compared to a generally applied value. Focusing on the increase, the low NOx combustion mode in which the fuel injection timing IT is set to the advance side is executed in a specific region of low rotation and low load, so both smoke and NOx reduction are achieved at a very high level. can do.
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、これにより低NOx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、低NOx燃焼モードによる利点を広い運転領域で得ることができる。
加えて、低NOx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、オイルダイリューションの発生、THCの増加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。
Moreover, in the present embodiment, the amount of air is secured by supercharging the
In addition, the fuel injection timing IT in the low NOx combustion mode is set in consideration of the advance angle limit caused by a decrease in stability due to poor ignition, the occurrence of oil dilution, an increase in THC, and the like. Thus, the above-described effects can be obtained after preventing these harmful effects.
又、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、上記スモークとNOxとを両立可能な燃焼状態を安定して実現できる。
更に、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、上記スモークとNOxとを両立可能な燃焼状態を安定して実現できる。
Further, since the fuel injection timing IT is controlled to be advanced as the engine rotation speed Ne increases, the injected fuel always reaches the
Further, since it is assumed that the fuel injection timing IT is less dependent on the increase / decrease in the fuel injection amount Q (engine load), the engine load is controlled so as to be substantially constant with respect to the increase / decrease in the fuel injection amount Q. Without being affected by fluctuations, it is possible to stably realize a combustion state in which both the smoke and NOx can be achieved.
一方、図5に基づく例示(Pe=0.2MPa、Ne=2000rpmの運転領域のとき)で述べたように、低NOx燃焼モードでは、スモークの排出を抑制可能な上限値付近(56%)にEGR率Regrを制御する一方、空気過剰率λを1.0より若干リーン側に制御しており、他の運転領域でも、同様のEGR率Regr及び空気過剰率λに制御される。そして、このように可能な限りEGR率Regrを増加させることにより、最大限のNOx低減作用が得られると共に、空気過剰率λを1.0よりリーン側に抑制することで、HCやCOの排出が効果的に抑制され、結果として、総合的なエミッション排出特性を改善することができる。 On the other hand, as described in the example based on FIG. 5 (in the operation region of Pe = 0.2 MPa and Ne = 2000 rpm), in the low NOx combustion mode, it is close to the upper limit (56%) at which smoke emission can be suppressed. While controlling the EGR rate Regr, the excess air ratio λ is controlled to be slightly leaner than 1.0, and in the other operation regions, the same EGR rate Regr and excess air ratio λ are controlled. By increasing the EGR rate Regr as much as possible in this way, the maximum NOx reduction action can be obtained, and the excess air ratio λ is suppressed from 1.0 to the lean side, thereby reducing HC and CO emissions. Is effectively suppressed, and as a result, the overall emission emission characteristics can be improved.
又、低NOx燃焼モードでの大量のEGRは余剰酸素の減少に繋がるため、通常燃焼モードに比較してHCやCOの排出量は若干増加することになり、この現象は図4のTHC特性からも推測できる。しかしながら、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。一方、未だ酸化触媒17が活性化していないときには、図2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。
In addition, since a large amount of EGR in the low NOx combustion mode leads to a decrease in surplus oxygen, emissions of HC and CO slightly increase compared to the normal combustion mode. This phenomenon is based on the THC characteristics of FIG. Can also be guessed. However, HC and CO are easier to be post-treated than smoke, and can be reliably oxidized and purified by the
一方、特定領域内では低NOx燃焼モードを実行すると共に、燃料噴射量Q或いはエンジン回転速度Neの増加に伴って特定領域を外れると、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。
On the other hand, the low NOx combustion mode is executed in the specific region, and when the fuel injection amount Q or the engine rotation speed Ne increases and the specific region is deviated, the normal combustion mode similar to that of a general diesel engine is switched. It is possible to reliably respond to the driver's required output, and as a result, good vehicle running characteristics can be realized. In particular, in the present embodiment, since the exhaust gas cooled by the
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。 Moreover, when the combustion mode is switched, the fuel injection timing IT is not tailed in accordance with the change in the EGR rate Regr, but is switched stepwise with a predetermined point (λ = 1.3) as a boundary. Therefore, the mode switching is performed by jumping over the region (IT = 14 to 32 ° BTDC) where the noise and smoke existing in the transition region of the EGR rate Regr rapidly increase, and the temporary noise and smoke accompanying the mode switching are increased. It can be avoided in advance.
尚、低NOx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低NOx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。 In the low NOx combustion mode, the fuel injection timing IT is set to 36 ° BTDC. However, as can be seen from FIG. 4, the noise and smoke characteristics are hardly deteriorated even at 32 ° BTDC or 28 ° BTDC. Therefore, in the low NOx combustion mode based on this operating range, the lower limit of the fuel injection timing IT is set to 28 ° BTDC, and the upper limit is set to 40 ° BTDC limited by the oil dilution, etc. May be.
[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触媒16に吸蔵されたNOxをパージする処理を付加した点が相違しており、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。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the diesel engine embodying the present invention will be described. The diesel engine of the present embodiment is different from that described in the first embodiment in that a process of purging NOx stored in the
低NOx燃焼モードではNOx排出量が低減されるものの、完全な排出抑制は不可能であり、又、通常燃焼モードでは一般的なディーゼル機関と同様のNOx排出特性となり、排出されたNOxはNOx触媒16に吸蔵されて大気中への排出が防止されている。そこで、低NOx燃焼モードを実行した場合でも、NOx触媒16に吸蔵されたNOxを放出還元する処理は必要となり、本実施形態では、低NOx燃焼モードと同様に燃料噴射時期ITを大幅に進角させたNOxパージ燃焼モードを実行して、NOxのパージを図っている。
Although the NOx emission amount is reduced in the low NOx combustion mode, it is impossible to completely suppress the emission. In the normal combustion mode, the NOx emission characteristic is the same as that of a general diesel engine, and the exhausted NOx is a NOx catalyst. 16 is occluded and is prevented from being discharged into the atmosphere. Therefore, even when the low NOx combustion mode is executed, a process for releasing and reducing NOx stored in the
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S4で現在の運転領域が特定領域であるか否かを判定し、YESのときにはステップS10に移行して、NOxパージを実行すべきNOxパージ時期か否かを判定する。尚、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。
FIG. 7 is a flowchart showing a combustion mode switching routine executed by the
未だNOxパージ時期でないとしてステップS10でNOの判定を下したときには、ステップS8に移行して低NOx燃焼モードを実行する。一方、NOxパージ時期としてステップS10でYESの判定を下したときには、ステップS12でNOxパージ燃焼モードを実行する。
図4中において、NOxパージ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は低NOx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は低NOx燃焼モードとは異なり、1.0より若干リッチ側(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、燃料噴射時期ITを大幅に進角した領域では、大量のEGRによるスモークの増加を抑制(当然ながらNOxの増加も抑制)した上で、一般的なディーゼル機関では不可能とされる空気過剰率λをリッチ側に制御した運転が可能である。そして、余剰酸素の減少に伴ってHCやCOの排出量が増加することから(THC特性でも推測できる)、これらのHCやCOが還元剤としてNOx触媒16に供給されてNOxの放出還元作用を奏する。
If NO determination is made in step S10 because it is not yet the NOx purge time, the process proceeds to step S8 to execute the low NOx combustion mode. On the other hand, when the NOx purge timing is determined as YES in step S10, the NOx purge combustion mode is executed in step S12.
In FIG. 4, the calibration point in the NOx purge combustion mode is indicated by a large □ marked with a broken line, and the fuel injection timing IT is set to the same value as in the low NOx combustion mode (36 ° BTDC in FIG. 4). Unlike the low NOx combustion mode, the excess rate λ is set slightly richer than 1.0 (λ <1.0). That is, as is apparent from the characteristics of FIG. 4, in a region where the fuel injection timing IT is greatly advanced, an increase in smoke due to a large amount of EGR is suppressed (of course, an increase in NOx is also suppressed). An operation in which the excess air ratio λ, which is impossible with a diesel engine, is controlled to the rich side is possible. Since the exhaust amount of HC and CO increases with the decrease of surplus oxygen (which can also be estimated from the THC characteristics), these HC and CO are supplied to the
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パージ時期に至ったときに、スモークの増加を抑制した上で空気過剰率λをリッチ側に制御するNOxパージ燃焼モードを実行するため、スモークの増加を懸念することなく、NOx触媒16上のNOxを放出還元できるという効果を奏する。
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。
As described above, in the diesel engine of the present embodiment, in addition to the operational effects of the first embodiment, when the NOx purge time is reached, the excess air ratio λ is controlled to the rich side while suppressing the increase in smoke. Since the NOx purge combustion mode is executed, the NOx on the
This is the end of the description of the embodiment, but the aspect of the present invention is not limited to this embodiment. For example, in the first and second embodiments, the diesel engine is configured as a common rail type for precise control of the fuel injection timing IT, and supercharging by the
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。 In the first and second embodiments, the fuel injection timing IT, the EGR rate Regr, and the excess air rate are based on the characteristics shown in FIGS. 4 to 6 corresponding to a predetermined operation range (Pe = 0.2 MPa, Ne = 2000 rpm). Although the control state of λ has been exemplified, as described above, these settings differ depending on the operation region, and differ if the engine specifications are changed. Accordingly, it is a matter of course that the setting is not limited to the above setting, and the setting may be made based on characteristics corresponding to the operation region, engine specifications, and the like.
更に、上記第1及び第2実施形態では、第1制御モード(低NOx燃焼モード)と他のモードとを状況により切換えるものとしたが、全域で第1制御モードによる運転を行ったり、特定運転領域では、常時第1制御モードによる運転を行うようにしてもよい。 Further, in the first and second embodiments, the first control mode (low NOx combustion mode) and the other modes are switched depending on the situation. In the region, the operation in the first control mode may always be performed.
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、モード切換手段)
5. Fuel injection valve (fuel injection means)
17
31 ECU (first control means, second control means, mode switching means)
Claims (6)
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、
空気過剰率の減少に対するスモーク排出量特性が増加傾向を示してから低下傾向を示す特定燃料噴射時期で作動可能な運転領域において、上記燃料噴射手段による燃料噴射時期を、上記特定燃料噴射時期よりも進角側で、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、当該設定した噴射時期において上記EGR制御手段の作動を制御してスモーク排出量とNOx排出量とを同時に制御する第1制御モードを実行する第1制御手段と、
上記第1制御モードの制御状態より噴射時期を遅角して上記特定燃料噴射時期よりも遅角側の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、
上記機関の運転領域に基づいて上記第1制御モードと第2制御モードとの間で切換を行うと共に、該制御モードの切換時には、EGR率が徐々に変化するEGR率変化期間の中期に存在する上記第1制御モード及び第2制御モードの双方の燃料噴射時期において騒音及びスモークを共に低減可能なEGR率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。 Fuel injection means for injecting fuel into the combustion chamber of the engine;
EGR rate adjusting means for controlling the amount of exhaust gas exhausted from the engine to the intake system;
In the operating range in which the smoke emission characteristic with respect to the decrease in the excess air ratio shows an increasing trend and is operable at a specific fuel injection timing that shows a decreasing trend, the fuel injection timing by the fuel injection means is set to be higher than the specific fuel injection timing. On the advance side, the injection fuel is set to be retarded from the injection timing when the fuel is released from the cavity formed in the piston and reaches the cylinder wall surface, and the operation of the EGR control means is controlled at the set injection timing. First control means for executing a first control mode for simultaneously controlling the smoke emission amount and the NOx emission amount;
By retarding the injection timing from the control state of the first control mode and sets the compression top dead center near near the retard side of the specific fuel injection timing, the EGR rate by the control state of the first control mode Second control means for executing a reduced second control mode;
Switching between the first control mode and the second control mode is performed based on the operating range of the engine, and at the time of switching the control mode, the EGR rate is in the middle of the EGR rate changing period in which the EGR rate changes gradually. A diesel engine comprising: mode switching means for instantaneously switching the injection timing at an EGR rate that can reduce both noise and smoke at the fuel injection timing in both the first control mode and the second control mode.
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