JP5035366B2 - 燃料噴射制御装置及び内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、燃料噴射制御装置及び内燃機関に関する。

従来、ＮＯｘ低減のため燃焼温度を低くした運転域において、着火遅れ期間を大幅に長くすることでスモークを低減する提案がされている（例えば特許文献１）。また、主噴射（メイン噴射）の燃料噴霧が、燃焼室内に残留しているパイロット噴射の火炎または燃焼ガスと重ならないように噴射時期をずらすことが行われている。これにより、主噴射の燃料噴霧がパイロット噴射の火炎若しくは燃焼ガスと重なって酸素不足の状態で燃焼することが避けられるので、スモークの排出量が増加することを防止することができるとしている（特許文献２）。

特開平７−４２８７号公報 特開平１１−８２１３９号公報

しかしながら、前記特許文献１や特許文献２に開示された提案では、内燃機関の高負荷時における燃料噴射期間が長い。このため、パイロット噴射によって形成される燃料ガスの塊を避けるように主噴射を噴ききろうとしてもパイロット噴射による燃焼ガスの塊と、主噴射とが一部干渉してしまう。また、燃料噴射期間の長い高負荷は、主噴射の燃料に着火後も燃料噴射が継続されるため、ある程度のスモークは発生していた。

そこで、本明細書開示の燃料噴射制御装置は、低負荷時から高負荷時までスモークを低減することを課題とする。

かかる課題を解決するために、本明細書開示の燃料噴射制御装置は、燃料噴射弁が装備される内燃機関の負荷情報を取得し、前記負荷情報に基づいて、スワールによって流されるパイロット噴射の噴霧ガスを避けるタイミングでメイン噴射を行う低負荷時制御と、スワールによって流されるパイロット噴射の噴霧ガスに干渉するタイミングでメイン噴射を行う高負荷時制御とを切り替える制御部を備えたことを特徴とする。

低負荷時制御は、パイロット噴射の噴霧ガスと重ならないタイミングでメイン噴射を行うことで、着火前の燃料と空気との混合時間を確保して混合気を拡散させる。これにより混合気濃度を低減し、スモークの低減を図るものである。このような低負荷時制御は、混合気濃度を低減するという、いわば、物理的手段によってスモーク低減対策とするものである。

一方、高負荷時制御は、着火後に生じるＯＨラジカルによるスーツ（Ｓｏｏｔ）の酸化、生成抑制を利用してスモークの低減を図るものである。このような高負荷時制御は、ＳｏｏｔにＯＨラジカルを作用させるという、いわば、化学的手段によってスモーク低減対策とするものである。

低負荷時には、燃料噴射期間が短いため、メイン噴射期間における着火後の期間の割合は少ない。すなわち、着火後の現象を利用するメリットは小さい。そこで、低負荷時には、パイロット噴射とメイン噴射とのインターバルを、混合気濃度を積極的に低下させるインターバルに設定する。すなわち、スワールによって流されるパイロット噴射の噴霧ガスを避けるタイミングでメイン噴射を行う。

一方、高負荷時には、燃料噴射期間が長期化するため、メイン噴射期間における着火後の期間の割合が多くなる。そこで、高負荷時には、パイロット噴射とメイン噴射とのインターバルを、着火後の現象を積極的に利用するインターバルに設定する。すなわち、スワールによって流されるパイロット噴射の噴霧ガスに干渉するタイミングでメイン噴射を行う。

このように、ＳｏｏｔにＯＨラジカルを作用させることは、昨今のディーゼルエンジンにおける低圧縮比化や大量ＥＧＲ化の傾向に合致した対策ということができる。すなわち、低圧縮比化や大量ＥＧＲ化が進むと、パイロット噴射の噴霧ガスが存在していない領域においても酸素量が少なくスモークが発生し易い状況となる。このため、上記のいわゆる物理的手段によるスモーク低減の効果を得難い状況となっている。そこで、いわゆる化学的手段によるスモーク低減が有効なものとなる。

このような燃料噴射制御装置における前記制御部は、メイン噴射に対する着火タイミングが、メイン噴射期間の前半二分の一までに収まる場合に、前記高負荷時制御に切り替え、メイン噴射に対する着火タイミングが、メイン噴射期間の後半二分の一に収まる場合に、前記低負荷時制御に切り替えることができる。

上述のように、スモーク対策としての物理的手段は、着火前に効果を得るものであり、化学的手段は着火後に効果を得るものである。燃料噴射期間は、高負荷となり燃料噴射量が多くなると長期間となる。また、低負荷であれば燃料噴射期間は短期間である。このため、着火タイミングが燃料噴射期間の前半二分の一に収まるような状態であれば、着火後の化学的手段によるスモーク低減効果の享受を重視した制御とすることが望ましい。そこで、このような着火タイミングとなる状態を高負荷時として制御する。一方、着火タイミングが燃料噴射期間の後半二分の一に収まるような状態であれば、着火前の物理的手段によるスモーク低減効果の享受を重視した制御とすることが望ましい。そこで、このような着火タイミングとなる状態を低負荷時として制御する。

本明細書開示の内燃機関は、上記のような燃料噴射制御装置を備えるとともに、圧縮比を１６以下としたことを特徴とする。圧縮比１６以下となる内燃機関ではＯＨラジカルが発生し易い。このため、本明細書開示の燃料噴射制御装置は圧縮比１６以下となる内燃機関に装備したときに、化学的手段によるスモーク低減効果をより発揮することができる。また、ＥＧＲ率が４０％以上となる運転状況で高負荷時制御と低負荷時制御とを切り替えるようにしてもよい。すなわち、本明細書開示の燃料噴射制御装置はＯＨラジカルが発生しやすい運転条件を備えた内燃機関においてより有効である。このため、本明細書開示の燃料噴射制御装置は、近年の低圧縮比化された内燃機関や、大量ＥＧＲ化された内燃機関との相性がよい。

本明細書開示の燃料噴射制御装置によれば、低負荷時から高負荷時までスモークを低減することができる。

図１は、実施例の燃料噴射制御装置を備えた内燃機関の模式図であるである。 図２は、実施例の燃料噴射制御装置が行う制御の一例を示すフロー図である。 図３は、実施例の燃料噴射制御装置が参照する制御マップの一例である。 図４は、パイロット噴射の噴霧とメイン噴射の噴霧の関係の一例を示す説明図である。 図５は、スモーク低減に対する物理的効果と化学的効果の関係を示す説明図である。 図６は、燃料噴射期間と着火タイミングの関係を示す説明図である。 図７は、高負荷時の燃料噴射期間と着火タイミングの関係を示す説明図である。 図８は、低負荷時の燃料噴射期間と着火タイミングとの関係を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、内燃機関の一例であるディーゼルエンジン（以下、「エンジン」という）１００の概略構成図である。エンジン１００には、燃料噴射制御装置１を備えている。エンジン１００が備えるＥＣＵ（Electronic control unit）２は、燃料噴射制御装置１の制御部の機能を担う。ＥＣＵ２は、エンジン１００に装備された燃料噴射弁８と電気的に接続されている。エンジン１００は、吸気管３と排気管４とを接続するＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）管５を備えている。ＥＧＲ管５にはＥＧＲクーラ６が配設されている。また、ＥＧＲ管５と排気管４との接続部にはＥＧＲバルブ７が設けられている。ＥＧＲバルブ７は、ＥＣＵ２と電気的に接続されている。このようなエンジン１００の圧縮比は１６以下に設定されている。また、ＥＧＲバルブ７の開度調整により、ＥＧＲ率４０％以上で運転することができる。

ＥＣＵ２は、エンジンの負荷情報を取得する。具体的には、負荷情報と相関関係を有する燃料噴射量情報を取得する。そして、この燃料噴射量情報に基づいて、燃料噴射弁８の低負荷時制御と高負荷時制御とを切り替える。

このような燃料噴射制御装置１が行う燃料噴射制御の一例を図２に示したフロー図を参照しつつ説明する。

まず、ＥＣＵ２は、ステップＳ１においてエンジン回転数情報と、燃料噴射量情報を取得する。そして、ステップＳ２において、これらの情報に基づいて噴射インターバルを決定する。ここで、噴射インターバルは、パイロット噴射とメイン噴射との間隔である。噴射インターバルは、図３に一例を示した噴射インターバルマップを参照することによって決定される。

噴射インターバルマップは、あるエンジン回転数のときにある燃料噴射量となったときのクランクアングル（ＣＡ）として表現されている。低負荷時制御が行われる低負荷時制御領域と、高負荷時制御が行われる高負荷時制御領域とに二分される。低負荷時制御は、図４に示すようにスワールによって矢示のように流されるパイロット噴射の噴霧ガス（ａ）〜（ｃ）を避けるタイミングでメイン噴射（Ａ）〜（Ｃ）を行う。一方、高負荷時制御は、図４に示すように、スワールによって矢示のように流されるパイロット噴射の噴霧ガス（ａ）〜（ｃ）に干渉するタイミングでメイン噴射（Ａ）〜（Ｃ）を行う。ここで、噴霧ガス（ａ）とメイン噴射（Ａ）は同一の噴孔から噴射されたことを表している。同様に、噴霧ガス（ｂ）とメイン噴射（Ｂ）、噴霧ガス（ｃ）とメイン噴射（Ｃ）は、それぞれ、同一の噴孔から噴射されたことを表している。

噴射インターバルは、同一のエンジン回転数であれば、低負荷時制御領域の方が高負荷時制御領域よりも短いインターバルとなる。具体的には、低負荷時制御領域では、パイロット噴射の噴霧ガスが隣り合う噴孔の噴射位置に到達する前にメイン噴射を行い、干渉が回避される。これに対し、高負荷時制御領域では、低負荷時制御領域よりもメイン噴射のタイミングを遅らせ、パイロット噴射の噴霧ガスとメイン噴射とを干渉させる。なお、噴射インターバルマップは、上記のようにあるエンジン回転数のときにある燃料噴射量となったときのクランクアングル（ＣＡ）として表現されている。ここで、燃料の蒸発、拡散速度は、エンジン回転数にかかわらず一定である。このため、エンジン回転数が高くなるほどＣＡの値は大きくなる。

上記のように、噴射インターバルは、スワールによって流されるパイロット噴射の噴霧ガスにメイン噴射が干渉するタイミングであればよく、メイン噴射のタイミングをさらに遅らせるようにしてもよい。例えば、図３において、噴霧ガス（ａ）にメイン噴射（Ｃ）を干渉させるタイミングとすることもできる。

ここで、噴射インターバルマップにおける低負荷時制御と高負荷時制御との切り替え方針について説明する。低負荷時制御は、着火までにパイロット噴射の噴霧ガスを拡散させることによってスモークの低減を図ろうとするもので、パイロット噴射の噴霧ガスとメイン噴射との干渉を回避する、いわば物理的効果を期待するものである。一方、高負荷時制御は、着火後、パイロット噴射の噴霧ガス中に存在するＯＨラジカルによるＳｏｏｔの酸化、生成抑制を利用してスモークの低減を図るろうとするもので、パイロット噴射の噴霧ガスとメイン噴射とを干渉させる、いわば化学的効果を期待するものである。

このような物理的効果によるスモーク低減と化学的効果によるスモーク低減は、図５に示すように、概ね反比例の関係にあると考えられる。物理的効果は、図６に示すように燃料噴射が開始された後、メイン噴射に対する着火するまでの間に得られる。一方、化学的効果は、図６に示すようにメイン噴射に対する着火後、燃焼終了までの間に得られる。そこで、ＥＣＵ２は、図７に示すようにメイン噴射に対する着火タイミングが、メイン噴射期間の前半二分の一までに収まる場合に、高負荷時制御に切り替える。燃料噴射期間に対し早期に着火される場合は、相対的に化学的効果を得ることができる期間が長くなるため、パイロット噴射の噴霧ガスとメイン噴射とを干渉させることによってスモークの低減を図る。一方、ＥＣＵ２は、図８に示すようにメイン噴射に対する着火タイミングが、メイン噴射期間の後半二分の一に収まる場合に、低負荷時制御に切り替える。燃料噴射期間に対し遅延して着火される場合は、相対的に化学的効果を得ることができる期間が短くなるため、なるべく物理的効果を得るべくパイロット噴射の噴霧ガスとメイン噴射との干渉を避けることによってスモークの低減を図る。

燃料噴射期間は、概ね燃料噴射量、すなわち、負荷に応じてその期間が決まり、燃料噴射期間が変化すれば、燃料噴射期間と着火タイミングとの関係も変化する。

なお、パイロット噴射の噴霧ガスとメイン噴射との干渉状態は、スワール比と、パイロット噴射−メイン噴射間のインターバル（噴射インターバル）で決まる。具体的には、噴霧間隔度（３６０°／噴孔数）をＴＤＣ（Top Dead Center）でのスワール比で除した値が噴射インターバルとなった場合に両者が干渉する。ＴＤＣでのスワール比は、スワールの減衰と、スピンアップ効果でポートスワールと同等以上になる。また、実際の燃焼室形状に応じて変化する。噴射インターバルマップを作成する際は、これの条件を考慮することができる。

ＥＣＵ２は、以上のように作成された噴射インターバルマップを参照して噴射インターバルを決定した後、ステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、ステップＳ２で決定した噴射インターバルに基づいてパイロット噴射及びメイン噴射を行う噴射指令を発する。

以上のような制御を行うことにより、エンジン１００の低負荷時から高負荷時までのスモークを低減することができる。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

１…燃料噴射制御装置
２…ＥＣＵ（制御部）
３…吸気管
４…排気管
５…ＥＧＲ管
６…ＥＧＲクーラ
７…ＥＧＲバルブ
８…燃料噴射弁
１００…エンジン

Claims (2)

1. 燃料噴射弁が装備される内燃機関の負荷情報を取得し、
   前記負荷情報に基づいて燃料噴射量を取得するとともに、前記燃料噴射量に応じて変化するメイン噴射期間を算出し、メイン噴射に対する着火タイミングが、前記メイン噴射期間の後半二分の一に収まる場合に、スワールによって流されるパイロット噴射の噴霧ガスを避けるタイミングでメイン噴射を行う低負荷時制御に切り替え、メイン噴射に対する着火タイミングが、前記メイン噴射期間の前半二分の一までに収まる場合に、スワールによって流されるパイロット噴射の噴霧ガスに干渉するタイミングでメイン噴射を行う高負荷時制御に切り替える制御部を備えたことを特徴とする燃料噴射制御装置。
2. 請求項１記載の燃料噴射制御装置を備え、
   圧縮比を１６以下としたことを特徴とする内燃機関。

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