JP5083440B1 - 燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外気温度または吸気温度が低下しても、適切な予混合圧縮着火燃焼を実現することができる燃焼制御装置を提供する。
【解決手段】燃焼制御装置２８は、燃焼室内に燃料を噴射する各インジェクタ５と、ＥＧＲガスの還流量を調整するＥＧＲバルブ２０と、エンジン回転数を検出するクランク角センサ２５と、エンジン負荷を検出するアクセル開度センサ２６と、外気温度を検出する外気温度センサ２７と、インジェクタ制御部２９及びＥＧＲ制御部３０を有するＥＣＵ２４とを備えている。インジェクタ制御部２９は、エンジン回転数及びエンジン負荷に基づいて燃料の噴射回数、噴射量及び噴射時期を決定し、各インジェクタ５を制御する。ＥＧＲ制御部３０は、外気温度が基準温度よりも低いときに、空燃比が外気温度及びエンジン負荷に応じてリーン側に補正されるようにＥＧＲバルブ２０を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、予混合圧縮着火（ＰＣＣＩ）燃焼を行うエンジンの燃焼制御装置に関するものである。

予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃焼制御装置としては、例えば特許文献１に記載されているように、気筒の圧縮行程中期から後期にかけてインジェクタにより燃料を複数回に分けて噴射させるものが知られている。

特開２００４−３４３９号公報

しかしながら、上記従来技術のように、燃料を複数回に分けて噴射させて予混合圧縮着火燃焼を行う場合に、外気温度またはエンジンの燃焼室内に吸入される空気の温度（吸気温度）が低下すると、狙いとする熱発生率波形が得られず、適切な予混合圧縮着火燃焼を実現することが困難になることがある。この場合には、燃焼騒音の増大やエミッションの悪化につながる。

本発明の目的は、外気温度または吸気温度が低下しても、適切な予混合圧縮着火燃焼を実現することができる燃焼制御装置を提供することである。

本発明は、予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃焼制御装置において、エンジンの燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃料を複数回に分けて噴射させるように燃料噴射弁を制御する噴射制御手段と、燃焼室内に空気を吸入するための吸気通路と、燃焼室内から燃焼後の排気ガスを排出するための排気通路と、外気温度または燃焼室内への吸気温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段により検出された外気温度または吸気温度が所定温度よりも低いときに、燃焼室内の空燃比をリーン側に補正するように燃焼室内に吸入される空気量を制御する空燃比制御手段とを備えることを特徴とするものである。

外気温度または燃焼室内への吸気温度（燃焼室内に吸入されるガスの温度）が低下すると、燃料噴射弁により燃焼室内に燃料を噴射したときに、燃料と空気との予混合気の着火に時間がかかり、狙いとする熱発生率波形が得られなくなる。そこで本発明においては、外気温度または燃焼室内への吸気温度を検出し、外気温度または吸気温度が所定温度よりも低いときに、燃焼室内の空燃比をリーン側に補正するように燃焼室内に吸入される空気量を制御することにより、燃焼室内に吸入される空気量が増加する。このため、予混合時における燃料と空気との酸化反応が促進され、外気温度または吸気温度が所定温度よりも高い時とほぼ同様の熱発生率波形が得られるようになる。これにより、適切な予混合圧縮着火燃焼を実現することができる。その結果、燃焼騒音の増大を抑制したり、燃焼悪化による未燃分のＨＣやＣＯの増加を抑制することができる。

好ましくは、エンジンの負荷を検出する負荷検出手段を更に備え、空燃比制御手段は、負荷検出手段により検出されたエンジンの負荷が低いほど空燃比のリーン側への補正量を大きくするように空気量を制御する。エンジンの負荷が低くなると、燃焼室内への燃料噴射量が少なくなり、反応が弱くなるため、未燃分のＨＣやＣＯが発生しやすくなる。そこで、エンジンの負荷が低いほど空燃比のリーン側への補正量を大きくすることにより、燃焼室内に吸入される空気量が十分増加し、酸化反応が十分促進されるようになる。これにより、未燃分のＨＣやＣＯの増加を更に抑制することができる。

また、好ましくは、空燃比制御手段は、外気温度または吸気温度が所定温度から低くなるほど空燃比のリーン側への補正量を大きくするように空気量を制御する。この場合には、外気温度または吸気温度が所定温度よりも低いときには、外気温度または吸気温度に応じた狙いとする熱発生率波形が得られるため、適切な予混合圧縮着火燃焼を実現することができる。

さらに、好ましくは、排気通路と吸気通路とを繋ぐように設けられ、燃焼後の排気ガスの一部を排気再循環ガスとして燃焼室内に還流するための排気再循環通路と、排気再循環通路に設けられ、排気再循環ガスの還流量を調整するバルブ手段とを備え、空燃比制御手段は、排気再循環ガスの還流量を減少させるようにバルブ手段を制御することで、空燃比をリーン側に補正するように空気量を制御する。このように排気再循環ガスの還流量を調整するバルブ手段を用いることにより、簡単な構成で且つ確実に空燃比をリーン側に補正することができる。

本発明によれば、外気温度または吸気温度が低下しても、適切な予混合圧縮着火燃焼を実現することができる。これにより、燃焼騒音の増大やエミッションの悪化を抑制することが可能となる。

本発明に係わる燃焼制御装置の一実施形態を備えたディーゼルエンジンを示す概略構成図である。 図１に示した燃焼制御装置の構成を示すブロック図である。 図２に示したＥＧＲ制御部において使用される空燃比補正マップの一例を示すグラフである。 図２に示したＥＧＲ制御部により実行される処理手順を示すフローチャートである。 外気温度が基準温度である場合の熱発生率波形と、外気温度が基準温度よりも３５℃だけ低下したときに空燃比をリーン側に補正した場合の熱発生率波形とを比較して示すグラフである。 外気温度が基準温度である場合と、外気温度が基準温度よりも３５℃だけ低下したときに空燃比をリーン側に補正した場合とで、燃焼騒音のレベル、ＨＣ及びＣＯの発生割合を比較して示すグラフである。

以下、本発明に係わる燃焼制御装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わる燃焼制御装置の一実施形態を備えたディーゼルエンジンを示す概略構成図である。同図において、本実施形態に係るディーゼルエンジン１は、コモンレール式の燃料噴射装置を備えた予混合圧縮着火（ＰＣＣＩ）式の４気筒直列ディーゼルエンジンである。ディーゼルエンジン１はエンジン本体２を備え、このエンジン本体２には４つのシリンダ３が設けられている。

各シリンダ３には、燃焼室４内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）５がそれぞれ配設されている。インジェクタ５は、噴射ノズル５ａから放射状に燃料を噴射する。各インジェクタ５はコモンレール６に接続されており、コモンレール６に貯留された高圧燃料が各インジェクタ５に常時供給されている。

エンジン本体２には、燃焼室４内に空気を吸入するための吸気通路７がインテークマニホールド８を介して接続されている。また、エンジン本体２には、燃焼後の排気ガスを排出するための排気通路９がエキゾーストマニホールド１０を介して接続されている。

吸気通路７には、上流側から下流側に向けてエアクリーナー１１、ターボ過給機１２のコンプレッサ１３、インタークーラー１４及びスロットルバルブ１５が設けられている。スロットルバルブ１５は、吸気通路７の通路面積を絞り、吸気通路７を通過する空気量を減少させると共に下流側に負圧を発生させる。排気通路９には、ターボ過給機１２のタービン１６及び触媒付きＤＰＦ１７が設けられている。

また、ディーゼルエンジン１は、燃焼後の排気ガスの一部を排気再循環ガス（ＥＧＲガス）として燃焼室４内に還流する排気再循環（ＥＧＲ）装置１８を備えている。ＥＧＲ装置１８は、吸気通路７とエキゾーストマニホールド１０とを繋ぐように設けられ、ＥＧＲガスを還流するためのＥＧＲ通路１９と、エキゾーストマニホールド１０から吸気通路７へのＥＧＲガスの還流量を調整するＥＧＲバルブ（バルブ手段）２０と、ＥＧＲ通路１９を通るＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２１と、このＥＧＲクーラ２１をバイパスするようにＥＧＲ通路１９に接続されたバイパス通路２２と、ＥＧＲガスの流路をＥＧＲクーラ２１側またはバイパス通路２２側に切り替える切替弁２３とを有している。

上記の各インジェクタ５、スロットルバルブ１５、ＥＧＲバルブ２０及び切替弁２３は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）２４によって制御される。ＥＣＵ２４には、クランク角センサ２５、アクセル開度センサ２６、外気温度センサ２７が接続されている。

クランク角センサ２５は、図示しないピストンが連結されるクランク軸の回転角度（クランク角）を検出することで、エンジン本体２の回転数（エンジン回転数）を算出可能とするためのセンサである。アクセル開度センサ２６は、エンジン本体２の負荷（エンジン負荷）の代替値として、アクセルペダルの踏込み角（アクセル開度）を検出するセンサ（負荷検出手段）である。なお、コモンレール式燃料噴射装置を備えたディーゼルエンジンでは、燃料噴射量を電子制御しており、エンジン負荷の代替値として燃料噴射量を用いることも可能である。外気温度センサ２７は、外気温度を検出するセンサ（温度検出手段）であり、例えばエアクリーナー１１に取り付けられている。

ＥＣＵ２４は、クランク角センサ２５、アクセル開度センサ２６、外気温度センサ２７の検出信号を入力し、所定の処理を行い、インジェクタ５、スロットルバルブ１５、ＥＧＲバルブ２０及び切替弁２３を制御する。

ここで、インジェクタ５、スロットルバルブ１５、ＥＧＲバルブ２０、切替弁２３、ＥＣＵ２４及びセンサ２５〜２７は、本実施形態の燃焼制御装置２８を構成している。このような燃焼制御装置２８は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程という１サイクルにおいて、各インジェクタ５から燃料を複数回に分けて噴射する分割噴射の予混合圧縮着火燃焼を行うように制御する。

予混合圧縮着火燃焼の分割噴射について、補足して説明する。予混合圧縮着火燃焼は、燃焼過程において、燃焼室４内に噴射された燃料により、熱発生が緩やかに生じる低温酸化反応（冷炎反応）と、低温酸化反応後に熱発生が急激に高まる高温酸化反応（熱炎反応）とを伴う。つまり、燃料噴射完了後に高温酸化反応が生じる場合、言い替えると、高温酸化反応前に予混合時間が存在する場合を、予混合圧縮着火燃焼とする。また、予混合圧縮着火燃焼の２分割噴射では、２回目の燃料噴射完了後に、２回目の燃料噴射に基づく高温酸化反応が生じる。予混合圧縮着火燃焼の２分割噴射について、熱発生率をグラフに取ると、緩やかな一瘤の山形状となる場合と、二瘤の山形状となる場合とが存在する。前者の一例は、例えば前述の特開２００４−３４３９号に開示されており、予混合圧縮着火燃焼の分割噴射自体は公知であるため、これ以上の説明は省略する。

ＥＣＵ２４は、図２に示すように、インジェクタ制御部２９とＥＧＲ制御部３０とを有している。インジェクタ制御部２９は、クランク角センサ２５により検出されたエンジン回転数とアクセル開度センサ２６により検出されたエンジン負荷とに基づいて燃料噴射回数、燃料噴射量及び燃料噴射時期を決定し、各インジェクタ５を制御する。

ＥＧＲ制御部３０は、アクセル開度センサ２６により検出されたエンジン負荷と外気温度センサ２７により検出された外気温度とを入力し、所定の処理を行い、ＥＧＲバルブ２０を制御する。

ＥＧＲ制御部３０のメモリ（図示せず）には、図３に示すような空燃比補正マップが予め記憶されている。空燃比補正マップは、外気温度と空燃比（Ａ／Ｆ）との関係を表すマップである。空燃比補正マップは、外気温度が基準温度（例えば２５℃）以上のときは、空燃比が一定であり、外気温度が基準温度よりも低いときは、空燃比が基準温度時に対してリーン側に補正される（大きくなる）ように設定されている。このとき、空燃比補正マップは、外気温度が基準温度から低下するほど、空燃比のリーン側への補正量が徐々に大きくなるように設定されている。また、空燃比補正マップは、エンジン負荷が低くなるほど、空燃比のリーン側への補正量が徐々に大きくなるように設定されている。なお、エンジン負荷が低いときは、エンジン負荷が高いときに比べて空燃比が高くなる。

図４は、ＥＧＲ制御部３０により実行される処理手順を示すフローチャートである。同図において、まず外気温度センサ２７により検出された外気温度とアクセル開度センサ２６により検出されたエンジン負荷とを取得する（手順Ｓ１０１）。

続いて、外気温度が基準温度よりも低いかどうかを判断する（手順Ｓ１０２）。外気温度が基準温度よりも低くないと判断されたときは、図３に示す空燃比補正マップを用いて、空燃比がエンジン負荷に応じた値となるようにＥＧＲバルブ２０を制御する（手順Ｓ１０３）。

一方、外気温度が基準温度よりも低いと判断されたときは、図３に示す空燃比補正マップを用いて、空燃比が基準温度時の値から外気温度及びエンジン負荷に応じてリーン側に補正されるようにＥＧＲバルブ２０を制御する（手順Ｓ１０４）。具体的には、空燃比をリーン側に補正する（大きくする）ときは、吸気通路７へのＥＧＲガスの還流量を減少させることで燃焼室４内への吸入空気量を増加させるように、ＥＧＲバルブ２０を制御する。このとき、燃焼室４内への燃料噴射量を変えずに、燃焼室４内への吸入空気量を増やすようにする。

以上において、ＥＣＵ２４のインジェクタ制御部２９は、燃料を複数回に分けて噴射させるように燃料噴射弁５を制御する噴射制御手段を構成する。同ＥＧＲ制御部３０は、温度検出手段２７により検出された外気温度または吸気温度（後述）が所定温度よりも低いときに、燃焼室４内の空燃比をリーン側に補正するように燃焼室４内に吸入される空気量を制御する空燃比制御手段を構成する。

ところで、外気温度が基準温度よりも低くなると、インジェクタ５により燃焼室４内に燃料を噴射したときに、燃料と空気との予混合気の酸化反応が緩やかになり、高温酸化反応に至るまでにより長い期間を必要とするため、その時の熱発生率波形が基準温度時の熱発生率波形からずれてしまい、基準温度時の同様の予混合圧縮着火燃焼を実現することが困難となる。この場合には、燃焼騒音が大きくなったり、燃焼悪化による未燃分のＨＣやＣＯが発生しやすくなることがある。

これに対し本実施形態では、外気温度が基準温度よりも低下したときは、燃焼室４内に吸入される空気量を増加させるために、空燃比をリーン側に補正するようにＥＧＲバルブ２０を制御するようにしたので、燃料の周囲の酸素量が増加し、燃料と空気との酸化反応が促進され、燃料と空気との予混合気の着火遅れが防止される。このため、基準温度時とほぼ同様の熱発生率波形が得られるようになる。

図５は、外気温度が基準温度である場合の熱発生率波形と、外気温度が基準温度よりも３５℃だけ低下したときに空燃比をリーン側に補正した場合の熱発生率波形とを比較して示したものである。破線Ｐは、外気温度が基準温度である場合の熱発生率波形を表し、実線Ｑは、外気温度が基準温度よりも３５℃だけ低下したときに空燃比をリーン側に補正した場合の熱発生率波形を表している。図５から明らかなように、両者の熱発生率波形はほぼ一致している。

このように外気温度が基準温度よりも低下したときの熱発生率波形が基準温度時の熱発生率波形にほぼ維持されるため、外気温度が低下しても、基準温度時のほぼ同様の予混合圧縮着火燃焼を実現することができる。これにより、燃焼騒音の増大、燃焼悪化による未燃分のＨＣやＣＯの発生を抑制することができる。

図６は、外気温度が基準温度である場合と、外気温度が基準温度よりも３５℃だけ低下したときに空燃比をリーン側に補正した場合とで、燃焼騒音のレベル、ＨＣ及びＣＯの発生割合を比較して示したものである。図６（ａ）は、燃焼騒音のレベルの比較例を示し、図６（ｂ）は、ＨＣの発生割合の比較例を示し、図６（ｃ）は、ＣＯの発生割合の比較例を示している。図６から明らかなように、外気温度が低下しても、燃焼騒音のレベル、ＨＣ及びＣＯの発生割合はあまり変わっていない。

また、エンジン負荷が低くなるほど、空燃比のリーン側への補正量を大きくすることにより、燃焼室４内に吸入される空気量が十分多くなり、燃料と空気との酸化反応が十分促進されるため、燃焼室４内の温度（筒内温度）が高くなる。これにより、未燃分のＨＣやＣＯの発生を更に抑制することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、外気温度を検出する外気温度センサ２７を設け、外気温度が基準温度よりも低下したときに、空燃比をリーン側に補正するようにＥＧＲバルブ２０を制御するようにしたが、外気温度センサ２７の代わりに、燃焼室４内に吸入される空気を含むガスの温度（燃焼室４内への吸気温度）を検出する吸気温度センサ（温度検出手段）を設け、吸気温度が基準温度よりも低下したときに、空燃比をリーン側に補正するようにＥＧＲバルブ２０を制御しても良い。この場合、吸気温度センサは、例えば吸気通路７におけるＥＧＲ通路１９との接続部分よりも下流側に取り付けられる。

また、上記実施形態では、図３に示すように、外気温度が基準温度から低下するほど、空燃比のリーン側への補正量が連続的に大きくなるように設定された空燃比補正マップを用いたが、使用する空燃比補正マップとしては特にそれには限られず、外気温度が基準温度から低下するほど、空燃比のリーン側への補正量が段階的に大きくなるように設定された空燃比補正マップであっても良い。

さらに、上記実施形態では、ＥＧＲバルブ２０によりＥＧＲガスの流量を調整することで、燃焼室４内の空燃比を制御するようにしたが、空燃比の制御方法としては特にそれには限られず、例えばターボ過給機１２の過給圧を上げるようにしても良い。

１…ディーゼルエンジン、４…燃焼室、５…インジェクタ（燃料噴射弁）、７…吸気通路、９…排気通路、１９…ＥＧＲ通路（排気再循環通路）、２０…ＥＧＲバルブ（バルブ手段）、２４…ＥＣＵ、２６…アクセル開度センサ（負荷検出手段）、２７…外気温度センサ（温度検出手段）、２８…燃焼制御装置、２９…インジェクタ制御部（噴射制御手段）、３０…ＥＧＲ制御部（空燃比制御手段）。

Claims (4)

1. 予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃焼制御装置において、
   前記エンジンの燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料を複数回に分けて噴射させるように前記燃料噴射弁を制御する噴射制御手段と、
   前記燃焼室内に空気を吸入するための吸気通路と、
   前記燃焼室内から燃焼後の排気ガスを排出するための排気通路と、
   外気温度または前記燃焼室内への吸気温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段により検出された前記外気温度または前記吸気温度が所定温度よりも低いときに、前記燃焼室内の空燃比をリーン側に補正するように前記燃焼室内に吸入される空気量を制御する空燃比制御手段とを備えることを特徴とする燃焼制御装置。
2. 前記エンジンの負荷を検出する負荷検出手段を更に備え、
   前記空燃比制御手段は、前記負荷検出手段により検出された前記エンジンの負荷が低いほど前記空燃比のリーン側への補正量を大きくするように前記空気量を制御することを特徴とする請求項１記載の燃焼制御装置。
3. 前記空燃比制御手段は、前記外気温度または前記吸気温度が前記所定温度から低くなるほど前記空燃比のリーン側への補正量を大きくするように前記空気量を制御することを特徴とする請求項１または２記載の燃焼制御装置。
4. 前記排気通路と前記吸気通路とを繋ぐように設けられ、前記燃焼後の排気ガスの一部を排気再循環ガスとして前記燃焼室内に還流するための排気再循環通路と、
   前記排気再循環通路に設けられ、前記排気再循環ガスの還流量を調整するバルブ手段とを備え、
   前記空燃比制御手段は、前記排気再循環ガスの還流量を減少させるように前記バルブ手段を制御することで、前記空燃比をリーン側に補正するように前記空気量を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の燃焼制御装置。

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