JP4779386B2 - diesel engine - Google Patents
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Description
本発明は、エンジンの運転状態に基づいて予混合燃焼と拡散燃焼とを切り換えるディーゼルエンジンに関するものである。 The present invention relates to a diesel engine that switches between premixed combustion and diffusion combustion based on the operating state of the engine.
シリンダ内に燃料を直接噴射する4サイクルディーゼルエンジンでは、シリンダ内が高温・高圧となるピストンの圧縮上死点近傍で燃料を噴射するのが一般的であった。この場合、燃料の噴射中に着火が始まって火炎が形成され、その火炎に後続の燃料が供給されることで燃焼が継続される。このように、燃料の噴射中に着火が始まる燃焼形態は一般的に拡散燃焼と称されているが、この拡散燃焼ではNOxやスモーク等が発生するという問題が指摘されている。 In a four-cycle diesel engine that directly injects fuel into a cylinder, it is common to inject fuel near the compression top dead center of the piston, where the inside of the cylinder is at high temperature and high pressure. In this case, ignition starts during fuel injection to form a flame, and combustion is continued by supplying subsequent fuel to the flame. As described above, the combustion mode in which ignition starts during fuel injection is generally referred to as diffusion combustion. However, the problem that NOx, smoke, and the like are generated in this diffusion combustion has been pointed out.
そこで、燃料の噴射時期をピストンの圧縮上死点よりも早くして、燃料の噴射終了後に混合気が着火する(言い換えれば、混合気の着火前に燃料の噴射が終了する)予混合燃焼と称される燃料形態を実現させることが提案されている(特許文献1参照)。 Therefore, the fuel injection timing is made earlier than the compression top dead center of the piston, and the air-fuel mixture is ignited after the fuel injection is completed (in other words, the fuel injection is ended before the air-fuel mixture is ignited) It has been proposed to realize a so-called fuel form (see Patent Document 1).
予混合燃焼では、燃料の噴射終了後、ある程度の期間(予混合期間)を経て混合気が着火するので、着火までに混合気が希薄・均一化される。従って、局所的な燃焼温度が下がりNOx排出量が低減するうえ、空気不足状態での燃焼も回避されるのでスモークの発生も抑制される。特に、燃料噴射の早期化に併せてEGR(排気ガス再循環)を実行して混合気の酸素濃度を下げることで、NOx低減効果を高めることができる上、予混合期間及び着火時期の適正化を図ることが可能となる。 In premixed combustion, the mixture is ignited after a certain period of time (premixing period) after the end of fuel injection, so the mixture is diluted and made uniform before ignition. Accordingly, the local combustion temperature is lowered, the NOx emission amount is reduced, and combustion in an air shortage state is also avoided, so that the occurrence of smoke is also suppressed. In particular, by reducing the oxygen concentration of the air-fuel mixture by executing EGR (exhaust gas recirculation) in conjunction with early fuel injection, the NOx reduction effect can be enhanced, and the premixing period and ignition timing are optimized. Can be achieved.
このように排気ガスの改善に有効な予混合燃焼であるが、燃料噴射量の多い高回転・高負荷領域で実行するとディーゼルノックが激しくなるという問題があった。 Thus, although premixed combustion is effective for improving exhaust gas, there is a problem that diesel knock becomes intense when executed in a high rotation / high load region with a large amount of fuel injection.
ディーゼルノックを抑制するためには、燃料噴射量に見合うだけの多量の酸素をシリンダ内に供給することと、シリンダ内の混合気を低酸素濃度に維持することとを両立させる必要がある。つまり、高回転・高負荷領域で予混合燃焼を実行するためには、多量の空気(新気)と多量の不活性ガス(EGRガス)とをシリンダ内に導入することが要求されるが、現時点ではこれを達成するような吸気システム又は過給システムが確立されていない。 In order to suppress diesel knock, it is necessary to satisfy both the supply of a large amount of oxygen suitable for the fuel injection amount into the cylinder and the maintenance of the air-fuel mixture in the cylinder at a low oxygen concentration. That is, in order to perform premix combustion in a high rotation / high load region, it is required to introduce a large amount of air (fresh air) and a large amount of inert gas (EGR gas) into the cylinder. At present, no intake system or supercharging system has been established to achieve this.
また、予混合燃焼を高回転・高負荷領域で実行できない他の理由としては、噴射された燃料が全て混合された後に燃焼する予混合燃焼では、筒内最高圧力が拡散燃焼と比べて高くなるため、燃料噴射量の多い高回転・高負荷領域で実行すると、筒内最高圧力がエンジンの許容最大筒内圧力を越えてしまう点が挙げられる。こうなると、エンジンの大幅な設計変更が必要となる上、コストが増大してしまうのである。 Another reason why premixed combustion cannot be performed in a high rotation / high load region is that, in premixed combustion in which combustion is performed after all of the injected fuel is mixed, the maximum in-cylinder pressure is higher than that in diffusion combustion. Therefore, when it is executed in a high rotation / high load region where the fuel injection amount is large, the maximum in-cylinder pressure exceeds the allowable maximum in-cylinder pressure of the engine. In this case, a significant engine design change is required and the cost increases.
そこで、特許文献1にも示されるように、エンジンの運転状態が低回転・低負荷領域であるときには予混合燃焼を実行し、高回転・高負荷領域であるときには拡散燃焼を実行することが提案されている。しかしながら、上述したように拡散燃焼ではNOx等の排出量が予混合燃焼と比べて多くなるため、予混合燃焼を実行できる運転領域を少しでも拡げることが望まれている。 Therefore, as disclosed in Patent Document 1, it is proposed that premixed combustion is performed when the engine operating state is in a low rotation / low load region, and diffusion combustion is performed when the engine is in a high rotation / high load region. Has been. However, as described above, since the amount of emission of NOx and the like is larger in the diffusion combustion than in the premixed combustion, it is desired to expand the operating range where the premixed combustion can be performed as much as possible.
また、拡散燃焼を実行する運転領域が広いと、排気ガスを浄化するための後処理装置として大型かつ高性能のものが必要となりコストが増大する上、後処理装置のフィルターを再生するための特別な燃料噴射を行う回数が多くなるため、燃費が悪化するという問題もある。 In addition, if the operating region for performing diffusion combustion is wide, a large and high-performance post-processing device for purifying exhaust gas is required, which increases costs and specially regenerates the filter of the post-processing device. There is also a problem that the fuel efficiency is deteriorated because the number of times of performing fuel injection increases.
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、予混合燃焼を実行可能な運転領域を拡大することにある。 In view of the above, an object of the present invention is to solve the above-described problems and to expand an operation range in which premixed combustion can be performed.
上記目的を達成するために本発明は、任意のタイミングでシリンダ内に燃料を噴射可能な燃料噴射装置と、任意のタイミングで開閉可能な可変式吸気弁及び可変式排気弁と、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、上記運転状態検出手段により検出される運転状態に基づいて、上記燃料噴射装置、可変式吸気弁及び可変式排気弁を制御する制御装置と、を有し、上記制御装置により、エンジンのクランクシャフトが一回転する毎に、上記可変式吸気弁及び可変式排気弁をそれぞれ一回ずつ開く2サイクル運転と、エンジンのクランクシャフトが二回転する毎に、上記可変式吸気弁及び可変式排気弁をそれぞれ一回ずつ開く4サイクル運転とを切り換えるディーゼルエンジンにおいて、上記制御装置は、上記2サイクル運転を行うと共に、ピストンの圧縮上死点よりも前に上記燃料噴射装置による燃料噴射を行い、混合気の着火前に燃料の噴射が終了する2サイクル予混合燃焼運転での目標燃料噴射量に基づいて決定した、上記2サイクル予混合燃焼運転を行った場合にディーゼルノックが発生する運転領域と発生しない運転領域とを備えており、上記運転状態検出手段により検出された運転状態が、上記2サイクル予混合燃焼運転を行った場合にディーゼルノックが発生しない運転領域であるときには、上記2サイクル予混合燃焼運転を実行し、上記運転状態検出手段により検出された運転状態が、上記2サイクル予混合燃焼運転を行った場合にディーゼルノックが発生する運転領域であるときには、上記4サイクル運転を行うと共に、ピストンの圧縮上死点近傍で上記燃料噴射装置による燃料噴射を行い、燃料の噴射中に着火が始まる4サイクル拡散燃焼運転を実行するものである。 To achieve the above object, the present invention provides a fuel injection device capable of injecting fuel into a cylinder at an arbitrary timing, a variable intake valve and a variable exhaust valve that can be opened and closed at an arbitrary timing, and an operating state of the engine. And a control device that controls the fuel injection device, the variable intake valve, and the variable exhaust valve based on the operation state detected by the operation state detection unit, and When the engine crankshaft makes one revolution by the control device , the variable intake valve and the variable exhaust valve are each opened twice, and each time the engine crankshaft makes two revolutions, in a diesel engine for switching the four-cycle operation of opening the intake valve and the variable exhaust valves once each respectively, the control device performs the two cycle operation Both performed fuel injection by the fuel injection device before the compression top dead center of the piston, determines the fuel injection before ignition of the mixture based on the target fuel injection amount in the 2-cycle premix combustion operation to end was, the 2 and a driving region and does not occur operating region where the diesel knocking occurs when the cycle was premixed combustion operation, has been operating state detected by the operating condition detecting means, the two-stroke premix when the case of performing the combustion operation is an operation region where the diesel knock is not generated, executes the two-cycle premix combustion operation, the operating state the operating state detected by the detection means, the two-stroke premix combustion operation When the operation range is such that diesel knock occurs, the above four-cycle operation is performed, and the upper limit is reached near the compression top dead center of the piston. It performs fuel injection by the fuel injection device, and executes a 4-cycle diffusive combustion operation in which the ignition begins in the injection of fuel.
ここで、上記制御装置は、上記2サイクル予混合燃焼運転を実行する場合、上記燃料噴射装置による燃料噴射をピストンの圧縮上死点前30度以降に開始しても良い。 Here, when the two-cycle premixed combustion operation is executed, the control device may start fuel injection by the fuel injection device at 30 degrees or more before the compression top dead center of the piston.
また、上記制御装置は、上記2サイクル予混合燃焼運転を実行する場合、上記可変式排気弁を開く期間を、所定量の既燃ガスがシリンダ内に残留するような期間としても良い。 In the control device, when the two-cycle premixed combustion operation is performed, the period during which the variable exhaust valve is opened may be a period in which a predetermined amount of burned gas remains in the cylinder.
また、吸気圧を高めるための過給装置をさらに備えても良い。 Further, a supercharging device for increasing the intake pressure may be further provided.
本発明によれば、予混合燃焼を実行可能な運転領域を従来よりも拡大できるという優れた効果を発揮するものである。 According to this invention, the outstanding effect that the operation area | region which can perform premixed combustion can be expanded compared with the former is exhibited.
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。 Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は本実施形態に係るディーゼルエンジンの概略図である。なお、図1では明瞭化のため単気筒エンジンとして示しているが、本発明はエンジンの気筒数に関わらず適用可能なものである。 FIG. 1 is a schematic view of a diesel engine according to the present embodiment. Although FIG. 1 shows a single cylinder engine for the sake of clarity, the present invention is applicable regardless of the number of cylinders of the engine.
図中1はエンジン本体であり、このエンジン本体1は、シリンダ2、シリンダヘッド3、ピストン4、吸気ポート5、排気ポート6、吸気弁7、排気弁8、インジェクタ9(燃料噴射装置)等を備えている。シリンダ2、シリンダヘッド3及びピストン4で囲まれた空間に燃焼室10が形成される。ピストン4の頂部にはキャビティ11が凹設されており、燃焼室10内に臨んで設けられたインジェクタ9からキャビティ11に向かって燃料が直接噴射される。インジェクタ9の燃料噴射角度などは、後述する拡散燃焼運転時及び予混合燃焼運転時にかかわらず、噴射された燃料が常にキャビティ11内に到達するように設計される。これは、燃料がシリンダ2の側壁等に付着すると未燃HCとして排出されるおそれがあるからである。
In the figure, reference numeral 1 denotes an engine body. The engine body 1 includes a
インジェクタ9はコモンレール24に接続され、そのコモンレール24に貯留された高圧燃料(例えば、20〜200MPa)がインジェクタ9に常時供給される。コモンレール24への燃料圧送は高圧サプライポンプ25により行われる。
The
吸気弁7及び排気弁8はそれぞれ可変バルブ機構7a,8aを備えており、その開閉タイミングを任意に調節できるようになっている。つまり、本実施形態のエンジンの吸気弁7及び排気弁8は、任意のタイミングで開閉可能な可変式吸気弁及び可変式排気弁である。
The
吸気ポート5及び排気ポート6はそれぞれ、吸気管12及び排気管13に接続されており、これら吸気管12及び排気管13にはターボチャージャ14(過給装置)が介設される。
The intake port 5 and the exhaust port 6 are respectively connected to an
ターボチャージャ14は、排気管13に設けられたタービン15と、吸気管12に設けられたコンプレッサ16とを備え、排気のエネルギを利用して吸気を加圧できるようになっている。コンプレッサ16の上流側には吸気流量を検出するための吸気量センサ17が設けられ、下流側には吸気を冷却するためのインタクーラ18が設けられる。
The
排気管13におけるタービン15よりも下流側には、排気ガス後処理装置としての連続再生式DPF32が設けられる。連続再生式DPF32は、排気ガス中のNOをNO2 に酸化させる酸化触媒30と、排気中のPMを捕集するDPF31とからなり、エンジンの運転中に排気ガス中のPMをDPF31にて捕集すると共に、酸化触媒30から流入するNO2 によってこの捕集したPMを燃焼させてDPF31の再生を行う。
A continuous
酸化触媒30は例えば、ハニカム状のコーディエライト、あるいは耐熱鋼からなる担体の表面に、活性アルミナ等をコートしてウォッシュコート層を形成し、このコート層に白金、パラジウム、あるいはロジウム等の貴金属からなる触媒活性成分を担持させたもの等が使用される。
The
DPF31は、例えば多孔質のコーディエライト、あるいは炭化珪素によって多数のセルが平行に形成され、セルの入口と出口が交互に閉鎖された、所謂ウォールフロー型と呼ばれるハニカムフィルタや、セラミック繊維をステンレス多孔管に何層にも巻き付けた繊維型フィルタが使用される。
The
本実施形態のエンジンは更に、排気管13内を流れる排気ガスの一部を燃焼室10内に還流するためのEGR装置19を備える。EGR装置19は、吸気管12と排気管13とを結ぶEGR管20と、このEGR管20を通って燃焼室10内に還流されるEGRガス(排気ガス)の流量を調節するためのEGR弁21と、EGR弁21の上流側にてEGRガスを冷却するためのEGRクーラ22とを備える。吸気管12においては、EGR管20との接続部よりも上流側で吸気を適宜絞るための吸気絞り弁23が設けられる。
The engine of the present embodiment further includes an
このエンジンの各種装置を電子制御するためのECU26(制御装置)が設けられており、ECU26は各種センサ類の検出値に基づいてエンジンの運転状態を判断し、そのエンジン運転状態に基づいてインジェクタ9、可変バルブ機構7a,8a、EGR弁21、吸気絞り弁23、高圧ポンプ25等を制御する。センサ類としては上述した吸気量センサ17の他、アクセル開度センサ33、エンジン回転速度センサ34、クランク角度センサ35、コモンレール圧センサ36等が含まれ、これらセンサーの検出値、つまり、吸気量、アクセル開度、エンジン回転速度、クランクシャフト角度、コモンレール圧等がECU26に送信される。
An ECU 26 (control device) for electronically controlling the various devices of the engine is provided. The ECU 26 determines the operating state of the engine based on the detection values of various sensors, and the
なお、本実施形態では、アクセル開度センサ33及びエンジン回転速度センサ34等が、「特許請求の範囲」における運転状態検出手段を構成する。
In the present embodiment, the
インジェクタ9は、ECU26によりON/OFF制御される電磁ソレノイド(図示せず)を有しており、ECU26によってインジェクタ9による燃料噴射時期(タイミング)、噴射期間、噴射量などが任意に調節できるようになっている。ECU26は、エンジン回転速度センサ34やアクセル開度センサ33等の検出値に基づいて、燃料の噴射時期及び噴射期間などの目標値を決定し、それら目標値に従ってインジェクタ9の電磁ソレノイドをON/OFFする。噴射時期及び噴射期間などの目標値は、ECU26に予めマップ等の形式で入力される。
The
可変バルブ機構7a,8aもまた、ECU26によりON/OFF制御される電磁ソレノイド(図示せず)を有しており、ECU26により吸気弁7及び排気弁8の開放時期(タイミング)や開放期間などを任意に調節できるようになっている。ECU26は、クランク角度センサ35等の検出値に基づいて可変バルブ機構7a,8aの電磁ソレノイドをON/OFFする。
The variable valve mechanisms 7a and 8a also have electromagnetic solenoids (not shown) that are ON / OFF controlled by the ECU 26. The ECU 26 controls the opening timing (timing) and opening period of the
さて、本実施形態のエンジンは、アクセル開度センサ33及びエンジン回転速度センサ34等により検出されるエンジンの運転状態に基づいて、予混合燃焼と拡散燃焼とを切り換えるものである。
The engine according to the present embodiment switches between premixed combustion and diffusion combustion based on the operating state of the engine detected by the
具体的に説明すると、本実施形態のECU26は、アクセル開度センサ33及びエンジン回転速度センサ34等の検出値に基づいてマップ等から決定した「目標燃料噴射量Q(エンジン負荷に相当)」と、「エンジン回転速度センサ34の検出値」とに基づいてエンジンの運転状態を判断し、その運転状態が、図4に示す所定の運転状態(切換ラインA)よりも低回転速度かつ低負荷であるときには、エンジンのクランクシャフトが一回転する毎に、可変式吸気弁7及び可変式排気弁8をそれぞれ一回ずつ開くと共にピストン4の圧縮上死点よりも前にインジェクタ9による燃料噴射を行い、混合気の着火前に燃料の噴射が終了する2サイクル予混合燃焼運転を実行し、上記エンジンの運転状態が、所定の運転状態(切換ラインA)よりも高回転速度かつ高負荷であるときには、エンジンのクランクシャフトが二回転する毎に、可変式吸気弁7及び可変式排気弁8をそれぞれ一回ずつ開くと共にピストン4の圧縮上死点近傍でインジェクタ9による燃料噴射を行い、燃料の噴射中に着火が始まる4サイクル拡散燃焼運転を実行する。
More specifically, the ECU 26 of the present embodiment determines that “target fuel injection amount Q (corresponding to engine load)” determined from a map or the like based on detection values of the
以下、ECU26が実行する2サイクル予混合燃焼運転と4サイクル拡散燃焼運転について説明する。 Hereinafter, the 2-cycle premixed combustion operation and the 4-cycle diffusion combustion operation performed by the ECU 26 will be described.
<2サイクル予混合燃焼運転>
ECU26は、エンジンの運転状態が、所定の運転状態(図4の切換ラインA)よりも低回転速度かつ低負荷である場合、図2(a)及び図3に示すような、2サイクル予混合燃焼運転を実行する。
<2-cycle premixed combustion operation>
When the engine operating state is a lower rotational speed and a lower load than the predetermined operating state (switching line A in FIG. 4), the ECU 26 performs two-cycle premixing as shown in FIGS. Perform combustion operation.
これらの図から分かるように、2サイクル予混合燃焼運転では、エンジンのクランクシャフトが一回転する毎に、膨張−排気−吸気−圧縮の四つの行程が行われる。 As can be seen from these figures, in the two-cycle premixed combustion operation, four strokes of expansion-exhaust-intake-compression are performed every time the crankshaft of the engine makes one revolution.
具体的に説明すると、前回のサイクルで噴射された燃料がピストンの圧縮上死点近傍で着火すると膨張行程が始まり、その後、クランク角が上死点後90度(ATDC90°CA)を越えると、ECU26により排気弁8が開かれて排気行程が始まる(既燃ガスが排出される)。
Specifically, when the fuel injected in the previous cycle ignites near the compression top dead center of the piston, the expansion stroke starts, and then the crank angle exceeds 90 degrees (ATDC 90 ° CA) after the top dead center. The
クランク角が下死点直前まで到達すると、ECU26は排気弁8を開に維持したまま吸気弁7を開く。これにより、燃焼室10内に吸気ポート5から新気及びEGRガスが導入される。この期間は、排気行程と吸気行程のオーバーラップ期間となる。
When the crank angle reaches just before the bottom dead center, the ECU 26 opens the
クランク角が下死点を越えると、ECU26により排気弁8が閉じられて排気行程が終了する。
When the crank angle exceeds the bottom dead center, the
クランク角が下死点後(上死点前)90度近傍になるとECU26により吸気弁7が閉じられて吸気行程が終了し、圧縮行程が始まる。
When the crank angle becomes near 90 degrees after bottom dead center (before top dead center), the
その後、クランク角が上死点前の所定角度に到達すると、ECU26によりインジェクタ9からの燃料噴射が実行され、上死点前に終了する。なお、この段階では混合気は着火しない。
Thereafter, when the crank angle reaches a predetermined angle before the top dead center, the ECU 26 executes fuel injection from the
インジェクタ9からの燃料噴射が終了した後、所定期間(混合気の予混合期間)が経過して、クランク角が上死点近傍に達すると、混合気が着火・燃焼し、再度膨張行程に移行する。
After the fuel injection from the
このように、2サイクル予混合燃焼運転では、エンジンのクランクシャフトが一回転する毎に、吸排気弁7,8の開放がそれぞれ一回ずつ実行される。
Thus, in the two-cycle premixed combustion operation, each time the crankshaft of the engine makes one revolution, the intake and
インジェクタ9による燃料噴射は、クランクシャフトの一回転毎に、ピストン4の圧縮上死点よりも所定期間前で行われ、混合気の着火時期(基本的には圧縮上死点近傍)よりも前に噴射が終了する。
The fuel injection by the
本実施形態のエンジンでは、ECU26は、2サイクル予混合燃焼運転を実行する場合、インジェクタ9による燃料噴射を、ピストンの圧縮上死点前30度(BTDC30°CA)から圧縮上死点までの間に開始する。これは、燃料の噴射タイミングが早すぎる(BTDC30°CAよりも前)と、シリンダ2内の空気の温度及び密度が低い状態で燃料が噴射されることになるため、混合気の予混合化(希薄化・均一化)が充分に行われず、排気ガスの改善効果が低くなったり、着火時期のコントロールが困難となるからである。また、燃料の噴射タイミングが早すぎると、ピストン4の位置が上死点から大きく離れた状態で燃料が噴射されることになるため、噴射された燃料がシリンダ2の側壁等に付着して未燃HCが排出される可能性もある。
In the engine of the present embodiment, when performing the two-cycle premixed combustion operation, the ECU 26 performs fuel injection by the
ECU26は、2サイクル予混合燃焼運転を実行する場合、EGR装置19により比較的多量のEGRを実行し、混合気のEGR率が比較的大きく(例えば、約60%以上)なるように制御する。これにより、混合気の酸素濃度を低減してNOxの排出を抑制する。また、混合気のEGR率を適切に制御することにより、予混合期間及び着火時期を適切に制御する。
When executing the two-cycle premixed combustion operation, the ECU 26 executes a relatively large amount of EGR by the
<4サイクル拡散燃焼運転>
一方、ECU26は、エンジンの運転状態が、所定の運転状態(図4の切換ラインA)よりも高回転速度かつ高負荷である場合には、一般的なディーゼルエンジンと同様の4サイクル拡散燃焼を行う。
<4-cycle diffusion combustion operation>
On the other hand, when the engine operating state is higher in rotational speed and higher load than the predetermined operating state (switching line A in FIG. 4), the ECU 26 performs four-cycle diffusion combustion similar to a general diesel engine. Do.
この燃焼は一般的なものであるので詳しい説明は省略するが、エンジンのクランクシャフトが二回転する毎に、膨張−排気−吸気−圧縮の四つの行程が行われる。4サイクル拡散燃焼運転では、エンジンのクランクシャフトが二回転する毎に、吸排気弁7,8の開放がそれぞれ一回ずつ行われ、インジェクタ9による燃料噴射は、ピストン4の圧縮上死点(TDC)近傍で行わる。インジェクタ9により噴射された燃料は、その噴射が終了する前に着火して火炎となり、その火炎に後続の燃料が供給されることで燃焼が継続される。
Since this combustion is general, detailed description is omitted, but each time the crankshaft of the engine rotates twice, four strokes of expansion-exhaust-intake-compression are performed. In the four-cycle diffusion combustion operation, every time the crankshaft of the engine makes two revolutions, the intake and
本実施形態のエンジンの特徴は、エンジンの運転状態が所定の運転状態よりも低回転速度かつ低負荷であるときには2サイクルでの予混合燃焼を実行し、エンジンの運転状態が所定の運転状態よりも高回転速度かつ高負荷であるときには、4サイクルでの拡散燃焼を実行する点にある。つまり、本実施形態のエンジンは、エンジンの運転状態に基づいて予混合燃焼と拡散燃焼とを切り換えると共に、その切り換えに併せて2サイクルと4サイクルとを切り換えるのである。 The engine of the present embodiment is characterized in that pre-mixed combustion is performed in two cycles when the engine operating state is a lower rotational speed and a lower load than the predetermined operating state, and the engine operating state is higher than the predetermined operating state. However, when the rotation speed is high and the load is high, the diffusion combustion in 4 cycles is executed. That is, the engine of the present embodiment switches between premixed combustion and diffusion combustion based on the operating state of the engine, and switches between 2 cycles and 4 cycles in accordance with the switching.
従来のディーゼルエンジンでは、予混合燃焼及び拡散燃焼のどちらを実行する場合であっても、図2(b)に示すように、エンジンのクランクシャフトが二回転する毎に膨張−排気−吸気−圧縮の四行程を行う(言い換えれば、クランクシャフトが二回転する毎に吸排気弁7,8がそれぞれ一回ずつ開放される)4サイクル運転を行うのが一般的であるが、本実施形態では予混合燃焼を実行するときには2サイクル運転に切り換えるのである。なお、図2(b)は、4サイクル予混合燃焼の制御内容の一例を示したものである。
In a conventional diesel engine, regardless of whether premixed combustion or diffusion combustion is performed, as shown in FIG. 2 (b), each time the crankshaft of the engine makes two rotations, expansion-exhaust-intake-compression (In other words, each time the crankshaft makes two revolutions, the intake and
本実施形態のエンジンのように、予混合燃焼を実行するときに2サイクル運転に切り換えることによって、予混合燃焼を従来よりも高回転・高負荷領域で実行することが可能となり、結果として、予混合燃焼を実行できる運転領域を従来よりも拡げることができる。 As in the engine of the present embodiment, by switching to the two-cycle operation when performing the premixed combustion, it becomes possible to execute the premixed combustion in a higher rotation speed / higher load region than in the prior art. The operating range in which mixed combustion can be performed can be expanded as compared with the conventional case.
その理由は、2サイクル運転ではエンジンの出力が倍増するため、同一の出力を得るために必要な一回の燃料噴射量が半減するからである。つまり、2サイクル運転を採用することによって、所定のエンジン負荷において必要とされる燃料噴射量が半減するため、当然、予混合燃焼を実行するために必要な(言い換えれば、激しいディーゼルノックを抑制するために必要な)酸素及び不活性ガス(EGRガス)の量も半減する。従って、既存の吸気システム又は過給システムを用いて比較的高回転・高負荷領域で予混合燃焼を実行しても、燃料噴射量に見合った量の酸素及びEGRガスを燃焼室10内に導入することができ、ディーゼルノックを抑制できる。
The reason is that the engine output is doubled in the two-cycle operation, so that the amount of fuel injection required for obtaining the same output is halved. In other words, by adopting the two-cycle operation, the fuel injection amount required at a predetermined engine load is halved, so of course, it is necessary to perform the premixed combustion (in other words, suppressing severe diesel knock) The amount of oxygen and inert gas (EGR gas) required for this is halved. Therefore, even if premixed combustion is executed in a relatively high rotation / high load region using an existing intake system or supercharging system, oxygen and EGR gas corresponding to the fuel injection amount are introduced into the
また、燃料噴射量が半減することにより、筒内最高圧力も低くなるので、従来よりも高回転・高負荷領域で予混合燃焼を実行しても、筒内最高圧力が許容圧力を越えてしまうことはない。これも、予混合燃焼の実行可能領域を拡大できる一因である。 In addition, since the maximum in-cylinder pressure is reduced by halving the fuel injection amount, the in-cylinder maximum pressure will exceed the allowable pressure even if premixed combustion is performed in a higher rotation and higher load region than before. There is nothing. This is also a factor that can expand the feasible region of premixed combustion.
ここで、エンジンの出力Pは以下の式から求めることができる。 Here, the output P of the engine can be obtained from the following equation.
P=mep×D×Ne/nR
ここで、mepは筒内平均有効圧力、Dは排気量、Neはエンジン回転速度である。また、nRは一回の膨張ストロークを得る間のクランクシャフトの回転数であり、4サイクルでは2、2サイクルでは1となる。
P = mep × D × Ne / nR
Here, mep is the in-cylinder average effective pressure, D is the displacement, and Ne is the engine speed. NR is the number of rotations of the crankshaft during one expansion stroke, which is 2 in 4 cycles and 1 in 2 cycles.
この式から、2サイクル運転ではエンジン出力が4サイクル運転の2倍となることが分かる。 From this equation, it can be seen that in 2-cycle operation, the engine output is twice that in 4-cycle operation.
ところで、2サイクル運転では、排気弁8を開放できる期間が4サイクル運転よりも短く、既燃ガスの掃気性(排気性)が悪いという問題があるが、予混合燃焼では、燃焼室10内に残留した既燃ガスが混合気の酸素濃度を低減させる内部EGRガスとして作用するため、むしろ良好な予混合燃焼の確保に貢献することになる。つまり、拡散燃焼を実行する場合は、2サイクル運転における排気性の悪さが、スモークの発生など、燃焼に悪影響を与えてしまうことになるが、予混合燃焼と2サイクル運転とを組み合わせた場合、排気性の悪さが逆にメリットとなるのである。
By the way, in the two-cycle operation, the period during which the
また、2サイクル運転と予混合燃焼とを組み合わせることによって、外部EGR装置19単独では達成できないような高いEGR率を確保することが可能となり、これも予混合燃焼の実行可能領域の拡大に貢献する。高EGR率を確保するという観点から見れば、2サイクル予混合燃焼運転を実行するときに、ECU26により排気弁8を開く期間を、所定量(適切な量)の既燃ガスが燃焼室10(シリンダ2)内に残留するような期間に設定することが好ましい。例えば、エンジンの運転状態毎に、所望の既燃ガスを燃焼室10内に残留させるために必要な排気弁8の開放期間及び開放時期を予め定めておき、ECU26にマップ等の形式で入力しておくこと等が考えられる。
Further, by combining the two-cycle operation and the premixed combustion, it becomes possible to secure a high EGR rate that cannot be achieved by the
以上説明してきたように、本実施形態のエンジンによれば、図4に示す如く、予混合燃焼を実行する領域を従来よりも拡大することができる。 As described above, according to the engine of the present embodiment, as shown in FIG. 4, the region where the premixed combustion is performed can be expanded as compared with the conventional case.
従って、NOx等の汚染物質の排出量が従来と比べて低減するので、後処理装置(ここでは、連続再生式DPF32)を小型化したり、貴金属の担持量を減らすなどして、コスト低減を図ることができる。 Accordingly, the amount of NOx and other pollutants emitted is reduced as compared with the prior art, and the cost is reduced by downsizing the post-treatment device (here, continuous regeneration type DPF 32) or reducing the amount of noble metal supported. be able to.
また、連続再生式DPF32では、排気ガスの温度が低いとDPF31に捕集されたPMを燃焼させることができないため、排気ガスの温度が低い場合、PMの捕集量が一定量に達したときに、特別な燃料噴射制御を行って排気ガス温度を上昇させる必要があるが、本実施形態のエンジンによれば、PMの排出量が従来と比べて少なくなるので、排気ガス温度上昇用の燃料噴射を行う回数が少なくなり、燃費の向上につながる。
Further, in the continuous
ところで、本実施形態のエンジンでは、エンジンの運転状態が所定の運転状態(図4の切換ラインA)よりも高回転・高負荷領域であるときには拡散燃焼に切り換えるようにしている。 By the way, in the engine of this embodiment, when the operating state of the engine is higher than the predetermined operating state (switching line A in FIG. 4), switching to diffusion combustion is performed.
この理由を説明すると、高回転・高負荷領域に向かうほど燃料噴射量が多くなるため、燃料噴射量を半減できる2サイクル予混合燃焼運転であっても、予混合燃焼を維持できない領域が存在するからである。つまり、現在の吸気及び過給システムでは、2サイクル予混合燃焼運転を全領域で実行すると、酸素及び不活性ガスの量が不足してディーゼルノックが発生してしまう領域が生じてしまうのである。 Explaining this reason, since the fuel injection amount increases toward the high rotation / high load region, there is a region where the premix combustion cannot be maintained even in the two-cycle premix combustion operation in which the fuel injection amount can be halved. Because. That is, in the current intake and supercharging system, if the two-cycle premixed combustion operation is executed in the entire region, there will be a region where diesel knock occurs due to insufficient amounts of oxygen and inert gas.
また、本実施形態のエンジンでは、予混合燃焼から拡散燃焼に切り換える際に、2サイクルから4サイクルに切り換えるようにしているが、これは、拡散燃焼を実行する場合、2サイクル運転における排気性の悪さが、スモークの増加等のデメリットとして作用するからである。 Further, in the engine of the present embodiment, when switching from premixed combustion to diffusion combustion, switching is performed from 2 cycles to 4 cycles. This is because evil acts as a demerit such as an increase in smoke.
要するに、本実施形態のエンジンは、エンジンの運転状態が所定の運転状態よりも低回転・低負荷側であるときには2サイクル予混合燃焼運転を実行し、所定の運転状態よりも高回転・高負荷側であるときには4サイクル拡散燃焼運転を実行することにより、エンジンの全運転領域において汚染物質の排出量を最小限に抑えることを可能にしたものである。 In short, the engine of the present embodiment performs a two-cycle premixed combustion operation when the engine operating state is at a lower rotation / low load side than the predetermined operating state, and has a higher rotation / high load than the predetermined operating state. By performing the four-cycle diffusion combustion operation when the engine is on the side, it is possible to minimize the discharge amount of pollutants in the entire operation region of the engine.
なお、上記実施形態では、ターボチャージャ14(過給装置)として、エンジンの運転状態に関わらず常に作動するタイプを示したが、本発明はこの点において限定されず、ECU26により作動・非作動を切り換えることが可能なタイプを用いても良い。この場合、少なくとも2サイクル予混合燃焼運転を実行するときにはターボチャージャ14を作動して、吸気を加圧することが好ましい。
In the above-described embodiment, the turbocharger 14 (supercharger) is a type that always operates regardless of the operating state of the engine. However, the present invention is not limited in this respect, and the ECU 26 activates / deactivates. A switchable type may be used. In this case, it is preferable to operate the
また、上記実施形態では、吸気弁7及び排気弁8がそれぞれ可変バルブ機構7a,8aを備えるとしたが、本発明はこの点において限定されず、2サイクル予混合燃焼運転用のカムシャフトと、4サイクル拡散燃焼運転用のカムシャフトとを設け、エンジンの運転状態に基づいて吸気弁7及び排気弁8を駆動するカムシャフトを適宜選択するようにしても良い。
Moreover, in the said embodiment, although the
4 ピストン
7 吸気弁(可変式吸気弁)
7a 可変バルブ機構
8 排気弁(可変式排気弁)
8a 可変バルブ機構
9 インジェクタ(燃料噴射装置)
14 ターボチャージャ(過給装置)
19 EGR装置
26 ECU(制御装置)
32 連続再生式DPF(後処理装置)
33 アクセル開度センサ(運転状態検出手段)
34 エンジン回転速度センサ(運転状態検出手段)
4
7a
8a
14 Turbocharger (supercharger)
19 EGR device 26 ECU (control device)
32 Continuous regeneration type DPF (post-processing equipment)
33 Accelerator opening sensor (operating state detection means)
34 Engine rotation speed sensor (operating state detection means)
Claims (4)
任意のタイミングで開閉可能な可変式吸気弁及び可変式排気弁と、
エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
上記運転状態検出手段により検出される運転状態に基づいて、上記燃料噴射装置、可変式吸気弁及び可変式排気弁を制御する制御装置と、を有し、
上記制御装置により、エンジンのクランクシャフトが一回転する毎に、上記可変式吸気弁及び可変式排気弁をそれぞれ一回ずつ開く2サイクル運転と、エンジンのクランクシャフトが二回転する毎に、上記可変式吸気弁及び可変式排気弁をそれぞれ一回ずつ開く4サイクル運転とを切り換えるディーゼルエンジンにおいて、
上記制御装置は、
上記2サイクル運転を行うと共に、ピストンの圧縮上死点よりも前に上記燃料噴射装置による燃料噴射を行い、混合気の着火前に燃料の噴射が終了する2サイクル予混合燃焼運転での目標燃料噴射量に基づいて決定した、上記2サイクル予混合燃焼運転を行った場合にディーゼルノックが発生する運転領域と発生しない運転領域とを備えており、
上記運転状態検出手段により検出された運転状態が、上記2サイクル予混合燃焼運転を行った場合にディーゼルノックが発生しない運転領域であるときには、上記2サイクル予混合燃焼運転を実行し、
上記運転状態検出手段により検出された運転状態が、上記2サイクル予混合燃焼運転を行った場合にディーゼルノックが発生する運転領域であるときには、上記4サイクル運転を行うと共に、ピストンの圧縮上死点近傍で上記燃料噴射装置による燃料噴射を行い、燃料の噴射中に着火が始まる4サイクル拡散燃焼運転を実行する
ことを特徴とするディーゼルエンジン。 A fuel injection device capable of injecting fuel into the cylinder at an arbitrary timing;
A variable intake valve and a variable exhaust valve that can be opened and closed at any timing; and
An operating state detecting means for detecting the operating state of the engine;
A control device for controlling the fuel injection device, the variable intake valve and the variable exhaust valve based on the operation state detected by the operation state detection means;
With the control device , each time the crankshaft of the engine makes one revolution, the variable intake valve and the variable exhaust valve are opened once each, and the variable every time the engine crankshaft makes two revolutions. In a diesel engine that switches between four-cycle operation, in which each type of intake valve and variable exhaust valve is opened once ,
The control device
The target fuel in the two-cycle premixed combustion operation in which the two-cycle operation is performed, the fuel injection by the fuel injection device is performed before the compression top dead center of the piston, and the fuel injection is terminated before the mixture is ignited. It was determined based on the injection amount, and a driving region which does not generate an operating region where the diesel knocking occurs when performing the 2-cycle premix combustion operation,
The operating state the operating state detected by the detection means, when the case of performing the two-stroke premix combustion operation is an operation region where the diesel knock is not generated, executes the two-cycle premix combustion operation,
When the operation state detected by the operation state detection means is an operation region in which diesel knock occurs when the two-cycle premixed combustion operation is performed, the four-cycle operation is performed and the compression top dead center of the piston is performed. A diesel engine characterized by performing fuel injection by the fuel injection device in the vicinity and performing a four-cycle diffusion combustion operation in which ignition starts during fuel injection .
上記2サイクル予混合燃焼運転を実行する場合、上記燃料噴射装置による燃料噴射をピストンの圧縮上死点前30度以降に開始する
請求項1記載のディーゼルエンジン。 The control device
The diesel engine according to claim 1, wherein when the two-cycle premixed combustion operation is executed, fuel injection by the fuel injection device is started after 30 degrees before compression top dead center of the piston.
上記2サイクル予混合燃焼運転を実行する場合、上記可変式排気弁を開く期間を、所定量の既燃ガスがシリンダ内に残留するような期間とする
請求項1又は2記載のディーゼルエンジン。 The control device
3. The diesel engine according to claim 1, wherein when the two-cycle premixed combustion operation is performed, a period in which the variable exhaust valve is opened is a period in which a predetermined amount of burned gas remains in the cylinder.
請求項1〜3いずれかに記載のディーゼルエンジン。 A supercharging device for increasing the intake pressure;
The diesel engine in any one of Claims 1-3.
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