JP4924759B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents
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Description
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、スモークを発生させないための主噴射を実行している場合に、EGR率が高く設定されるなどして主噴射の噴射量が制限され、これによって要求トルクが得られない運転状態となった場合には、このトルク不足分を補うための燃料噴射を、主噴射の噴射終了後に実行するようにしている。
具体的に、本発明は、排気系に排出された排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気還流装置を備えていると共に、燃料噴射弁からの燃料噴射動作として少なくともトルク発生のための主噴射が実行可能な圧縮自着火式の内燃機関の燃料噴射制御装置を前提とする。この燃料噴射制御装置に対し、上記排気還流装置による排気還流率が所定値未満であって複数回の分割主噴射によってスモークの発生を防止しながらもその主噴射によって噴射された燃料の燃焼により得られるトルクが要求トルクを満たす場合には、トルクを補助するためのトルク補助噴射を非実行とし、上記排気還流装置による排気還流率が所定値以上であることに起因し、スモークの発生を防止するべく1回の燃料噴射量を制限した複数回の分割主噴射を行ってもその主噴射によって噴射された燃料の燃焼により得られるトルクが要求トルクに満たない場合には、上記主噴射の噴射後に、その不足分のトルクと略同等のトルクを得るための燃料噴射であるトルク補助噴射を実行する補助噴射実行手段を備えさせている。
燃焼場の温度が1400Kを超えた場合には、このトルク補助噴射で噴射された燃料の燃焼に起因してスモークが発生してしまう。また、この燃焼場の温度が1100Kを下回った場合には、このトルク補助噴射で噴射された燃料の燃焼に起因してHCが発生してしまう。このように、燃焼場の温度を1100K〜1400Kの範囲内に維持することで、トルク補助噴射を実行したことによる排気エミッションの悪化を回避することができる。尚、燃焼場の温度が1100K〜1400Kの範囲内に維持された場合、排気ガス中のCOが増加する可能性があるが、このCOはスモークやHCに比べて比較的容易に浄化(触媒コンバータにより浄化)することが可能であり、排気エミッションの大幅な悪化には繋がらない。
23 インジェクタ(燃料噴射弁)
6 吸気系
7 排気系
8 EGR通路
81 EGRバルブ
82 EGRクーラ
先ず、本実施形態に係るディーゼルエンジン(以下、単にエンジンという)の概略構成について説明する。図1は本実施形態に係るエンジン1およびその制御系統の概略構成図である。また、図2は、ディーゼルエンジンの燃焼室3およびその周辺部を示す断面図である。
エンジン1の各部位には、各種センサが取り付けられており、それぞれの部位の環境条件や、エンジン1の運転状態に関する信号を出力する。
ECU100は、図3に示すように、CPU101、ROM102、RAM103およびバックアップRAM104などを備えている。ROM102は、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。CPU101は、ROM102に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。RAM103は、CPU101での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリである。バックアップRAM104は、例えばエンジン1の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。
以下、本実施形態における上記パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射、ポスト噴射の各動作の概略について説明する。
パイロット噴射は、インジェクタ23からのメイン噴射に先立ち、予め少量の燃料を噴射する噴射動作である。つまり、このパイロット噴射の実行後、燃料噴射を一旦中断し、メイン噴射が開始されるまでの間に圧縮ガス温度(気筒内温度)を十分に高めて燃料の自着火温度に到達させるようにし、これによってメイン噴射で噴射される燃料の着火性を良好に確保するようにしている。即ち、この実施形態におけるパイロット噴射の機能は、気筒内の予熱に特化したものとなっている。言い換えれば、この実施形態におけるパイロット噴射は、燃焼室3内でのガスの予熱を行うための噴射動作(予熱用燃料の供給動作)となっている。
プレ噴射は、インジェクタ23からのメイン噴射に先立ち、予め少量の燃料を噴射する噴射動作である。プレ噴射は、メイン噴射による燃料の着火遅れを抑制し、安定した拡散燃焼に導くための噴射動作であって、副噴射とも呼ばれる。また、本実施形態におけるプレ噴射は、上述したメイン噴射による初期燃焼速度を抑制する機能ばかりでなく、気筒内温度を高める予熱機能をも有するものとなっている。
以上のようにして本実施形態では、パイロット噴射およびプレ噴射によって気筒内の予熱が十分に行われる。この予熱により、後述するメイン噴射が開始された場合、このメイン噴射で噴射された燃料は、直ちに自着火温度以上の温度環境下に晒されて熱分解が進み、噴射後は直ちに燃焼が開始されることになる。
メイン噴射は、エンジン1のトルク発生のための噴射動作(トルク発生用燃料の供給動作)である。本実施形態では、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等の運転状態に応じて決定される要求トルクを得るための上記総燃料噴射量から上記プレ噴射での噴射量を減算した噴射量として設定される。尚、このメイン噴射は、後述するように、このメイン噴射で噴射された燃料の燃焼に起因するスモークを発生させないことを目的として、その噴射量が制限されることもある。
アフタ噴射は、排気ガス温度を上昇させるための噴射動作である。具体的に、本実施形態では、このアフタ噴射により供給された燃料の燃焼エネルギがエンジンのトルクに変換されることなく、その大部分が排気の熱エネルギとして得られるタイミングでアフタ噴射を実行するようにしている。また、このアフタ噴射においても、上述したパイロット噴射の場合と同様に、最小噴射率(例えば1回当たりの噴射量1.5mm3)とし、複数回数のアフタ噴射を実行することで、このアフタ噴射で必要な総アフタ噴射量を確保するようにしている。
ポスト噴射は、排気系7に燃料を直接的に導入して上記マニバータ77の昇温を図るための噴射動作である。例えば、DPNR触媒76に捕集されているPMの堆積量が所定量を超えた場合(例えばマニバータ77の前後の差圧を検出することにより検知)、ポスト噴射が実行されるようになっている。
上述した各燃料噴射を実行する際の燃料噴射圧は、コモンレール22の内圧により決定される。このコモンレール内圧として、一般に、コモンレール22からインジェクタ23へ供給される燃料圧力の目標値、即ち目標レール圧は、エンジン負荷(機関負荷)が高くなるほど、および、エンジン回転数(機関回転数)が高くなるほど高いものとされる。即ち、エンジン負荷が高い場合には燃焼室3内に吸入される空気量が多いため、インジェクタ23から燃焼室3内に向けて多量の燃料を噴射しなければならず、よってインジェクタ23からの噴射圧力を高いものとする必要がある。また、エンジン回転数が高い場合には噴射可能な期間が短いため、単位時間当たりに噴射される燃料量を多くしなければならず、よってインジェクタ23からの噴射圧力を高いものとする必要がある。このように、目標レール圧は一般にエンジン負荷およびエンジン回転数に基づいて設定される。この燃料圧力の目標値を設定するための具体的な手法については後述する。
次に、本実施形態において目標燃料圧力を設定する際の技術的思想について説明する。
ディーゼルエンジン1においては、NOx発生量を削減することによる排気エミッションの改善、燃焼行程時の燃焼音の低減、エンジントルクの十分な確保といった各要求を連立することが重要である。本発明の発明者は、これら要求を連立するための手法として、燃焼行程時における気筒内での熱発生率の変化状態(熱発生率波形で表される変化状態)を適切にコントロールすることが有効であることに着目し、この熱発生率の変化状態をコントロールするための手法として以下に述べるような目標燃料圧力の設定手法を見出した。
図5は、本実施形態において目標燃料圧力を決定する際に参照される燃圧設定マップである。この燃圧設定マップは、例えば上記ROM102に記憶されている。また、この燃圧設定マップは、横軸がエンジン回転数であり、縦軸がエンジントルクとなっている。また、図5におけるTmaxは最大トルクラインを示している。
本実施形態では、上記メイン噴射の噴射形態として複数回の分割メイン噴射を実行することで、このメイン噴射で必要とされる総メイン噴射量を確保するようにしている。
(第1分割メイン噴射)
上記第1分割メイン噴射は、ピストン13の圧縮上死点(TDC)よりも僅かに進角側で噴射を開始すると共に、ピストン13の圧縮上死点よりも遅角側で噴射を終了させる。このタイミングで第1分割メイン噴射を開始することにより、上述したように、ピストン13の圧縮上死点(TDC)から第1分割メイン噴射で噴射された燃料の燃焼が開始される理想的な熱発生率波形による燃焼が実現される。
上述したように第1分割メイン噴射での燃料噴射量(噴射期間によって決定される燃料噴射量)には上限(「燃料蒸発速度」を「酸素供給速度」よりも大きくしないといった上限)が設定されている。このため、メイン噴射で必要とされる総メイン噴射量(要求トルクを得るための上記総燃料噴射量から上記プレ噴射での噴射量を減算した噴射量)を第1分割メイン噴射のみで確保することが困難となる。このため、第2分割メイン噴射が実行される。つまり、メイン噴射で必要とされる総メイン噴射量に対し、第1分割メイン噴射での噴射量の不足分を第2分割メイン噴射によって補うようにしている。また、この第2分割メイン噴射での噴射量も、図7に示すように、燃焼場環境がスモーク発生領域に達しないように設定されている。
次に、上記第1分割メイン噴射の終了タイミングと第2分割メイン噴射の開始タイミングとの間の期間である噴射インターバルについて説明する。
上述したメイン噴射の噴射形態は、上記EGR率が比較的低い場合(例えばEGR率が20%未満の場合)である。これに対し、上記EGR率が比較的高い場合(例えばEGR率が20%以上の場合)には、以下の動作が行われるようになっている。
次に、本発明の変形例1について説明する。この変形例は、メイン噴射を第1及び第2の2回の分割メイン噴射に分割して実施する場合の噴射形態の変形例である。その他のエンジン1の構成や燃料噴射形態は上述した実施形態と同様であるので、ここでは、上記実施形態との相違点についてのみ説明する。
次に、変形例2について説明する。この変形例2では、上記セパレート噴射を複数回の分割セパレート噴射によって実行するものである。
以上説明した実施形態及び変形例では、自動車に搭載される直列4気筒ディーゼルエンジンに本発明を適用した場合について説明した。本発明は、自動車用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンにも適用可能である。また、気筒数やエンジン形式(直列型エンジン、V型エンジン等の別)についても特に限定されるものではない。
Claims (6)
- 排気系に排出された排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気還流装置を備えていると共に、燃料噴射弁からの燃料噴射動作として少なくともトルク発生のための主噴射が実行可能な圧縮自着火式の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記排気還流装置による排気還流率が所定値未満であって複数回の分割主噴射によってスモークの発生を防止しながらもその主噴射によって噴射された燃料の燃焼により得られるトルクが要求トルクを満たす場合には、トルクを補助するためのトルク補助噴射を非実行とし、上記排気還流装置による排気還流率が所定値以上であることに起因し、スモークの発生を防止するべく1回の燃料噴射量を制限した複数回の分割主噴射を行ってもその主噴射によって噴射された燃料の燃焼により得られるトルクが要求トルクに満たない場合には、上記主噴射の噴射後に、その不足分のトルクと略同等のトルクを得るための燃料噴射であるトルク補助噴射を実行する補助噴射実行手段を備えていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。 - 請求項1記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記補助噴射実行手段は、トルク補助噴射で噴射された燃料の燃焼に起因してスモークが発生する温度以下、且つ、トルク補助噴射で噴射された燃料の燃焼に起因してHCが発生する温度以上の範囲まで燃焼場の温度が低下した時点でトルク補助噴射を実行し、このトルク補助噴射で噴射された燃料の燃焼による燃焼場の温度が上記温度範囲に維持されるように、トルク補助噴射の噴射タイミング及び噴射量を設定するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。 - 請求項1記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記補助噴射実行手段は、吸気系における排気還流率に応じてトルク補助噴射の実行の有無、トルク補助噴射を実行する際の噴射タイミング及び噴射量を設定するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。 - 請求項1記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記補助噴射実行手段は、主噴射で噴射された燃料の燃焼による熱発生率が「0」または「略0」となった時点、或いは、主噴射で噴射された燃料の燃焼による熱発生率が「0」または「略0」となった後に、トルク補助噴射を実行するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。 - 請求項1〜4のうち何れか一つに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記補助噴射実行手段は、上記不足分のトルクと略同等のトルクが得られるように、トルク補助噴射の噴射タイミングが進角側であるほど、その燃料噴射量を少なく設定する構成とされていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。 - 請求項1〜5のうち何れか一つに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記補助噴射実行手段は、トルク補助噴射を複数回の分割トルク補助噴射によって実行するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
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