JP5093407B2 - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents
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Description
まず、圧縮自着火式の内燃機関において、筒内の着火前圧力を低減すると、燃焼室内に噴射された噴霧の運動エネルギを減衰させるガス圧力(分子密度)が低下し、空間利用率の向上(燃焼場の拡大)によって燃焼速度が低下するので、着火遅れが促進されて予混合燃焼の割合が増大する(つまり、酸欠が生じない最低酸素濃度を維持した状態で予混合燃焼の割合を増大することができる)。そして、予混合燃焼の割合が増大すると、スモーク発生量を抑制することができる。
具体的に、本発明は、燃料噴射弁から気筒内に噴射された燃料が気筒内で燃焼する圧縮自着火式の内燃機関の燃焼制御装置を前提としており、このような内燃機関の燃焼制御装置において、前記燃料噴射弁の燃料噴射前における筒内の酸素濃度を調整可能な酸素濃度調整手段と、筒内の着火前圧力を調整可能な圧力調整手段と、筒内の着火前圧力が所定圧力以下に制限された領域で酸素濃度を低減してもスモークが発生しない特定領域を目標として、その特定領域よりも筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力が高い状態から当該特定領域の状態にする場合は、筒内の着火前圧力を低下させてから筒内の酸素濃度を低下させることにより、スモーク発生領域を回避しながら前記特定領域の状態に設定するガス状態制御手段とを備えていることを特徴的特徴としている。
まず、本発明を適用するディーゼルエンジン(以下、単にエンジンという)の一例について説明する。図1はエンジン1及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及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及びバックアップ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。
上記メイン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つまり目標レール圧は、エンジン負荷(機関負荷)が高くなるほど、及び、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。すなわち、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及びエンジン回転数に基づいて設定される。なお、この目標レール圧は例えば上記ROM102に記憶された燃圧設定マップに従って設定される。つまり、この燃圧設定マップに従って燃料圧力を決定することで、インジェクタ23の開弁期間(噴射率波形)が制御され、その開弁期間中における燃料噴射量を規定することが可能になる。なお、本実施形態では、エンジン負荷等に応じて燃料圧力が30MPa〜200MPaの間で調整されるようになっている。
ディーゼルエンジン1においては、NOx発生量及びスモーク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(燃焼室内)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適切にコントロールするための手法として分割メイン噴射(分割主噴射)による燃料噴射手法を見出した。その分割メイン噴射について以下に説明する。
本実施形態では、上記予混合用燃料噴射での予混合燃焼によって燃焼室3内の予熱が十分に行われた状態で、上記拡散燃焼用燃料噴射が実行されることにより、この拡散燃焼用燃料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。
ここで、燃料噴射量と貫徹力との関係について説明する。上記インジェクタ23では、噴射指令信号を受けて燃料噴射が開始されると、噴射孔を閉塞しているニードルが噴射孔から後退していくことで噴射孔の開口面積を次第に増大させていく。そして、ニードルが最後退位置まで移動すると噴射孔の開口面積は最大となる。ところが、このニードルが最後退位置に達するまでに噴射指令信号が解除されると(閉弁指令を受けると)、後退移動している途中でニードルは閉弁方向に向かって前進することになる。つまり、この場合、噴射孔の開口面積は最大となることなく燃料噴射を終了することになる。このため、噴射期間が長く設定されるほど噴射孔の開口面積としては大きく得られることになる。
本実施形態の特徴は、燃料噴射前の筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力を、燃料噴射前の筒内ガス状態を設定するパラメータとし、市街地走行時(モード走行時)などのエミッションの低減を重視する燃焼状態にする場合には、筒内の着火前圧力を低く制限して、筒内の酸素濃度を後述する特定領域にまで低下させることで、スモークの発生を抑止しながら、NOxの発生量を可能な限り低減できるようにする点にある。以下、この技術的思想について説明する。
次に、筒内の酸素濃度を低下する際の具体的な制御手順について説明する。
上記した図8の例では、合体燃焼領域に移行する際に、筒内の着火前圧力を低下させてから筒内の酸素濃度を低下させているが、スモーク発生領域を回避できる経路であれば、筒内の着火前圧力の低下及び筒内の酸素濃度の低下の制御手順は特に限定されない。
以上の例では、過給装置や吸気絞り弁を用いて筒内の着火前圧力を低下または上昇させているが、本発明はこれに限定されない。例えば可変バルブタイミング(VVT)機構などの筒内圧力を調整できる圧力可変調整機構が内燃機関に装備されている場合、その圧力可変調整機構により筒内の着火前圧力を低下または上昇させるようにしてもよい。また、そのような圧力可変調整機構と上記した過給装置や吸気絞り弁とを組み合わせて筒内の着火前圧力を低下または上昇させるように構成してもよい。
3 燃焼室(気筒)
23 インジェクタ(燃料噴射弁)
5 ターボチャージャ
54 可変ノズルベーン機構
62 スロットルバルブ
81 EGRバルブ
100 ECU
Claims (11)
- 燃料噴射弁から気筒内に噴射された燃料が気筒内で燃焼する圧縮自着火式の内燃機関の燃焼制御装置において、
前記燃料噴射弁の燃料噴射前における筒内の酸素濃度を調整可能な酸素濃度調整手段と、筒内の着火前圧力を調整可能な圧力調整手段と、筒内の着火前圧力が所定圧力以下に制限された領域で酸素濃度を低減してもスモークが発生しない特定領域を目標として、その特定領域よりも筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力が高い状態から当該特定領域の状態にする場合は、筒内の着火前圧力を低下させてから筒内の酸素濃度を低下させることにより、スモーク発生領域を回避しながら前記特定領域の状態に設定するガス状態制御手段とを備えていることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項1記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
前記特定領域よりも筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力が高い状態から当該特定領域の状態にする場合は、筒内の着火前圧力の低下と同時に筒内の酸素温度を低下してスモーク発生領域の直前の状態とし、その後筒内の着火前圧力を低下させてから、筒内の酸素濃度を低下させることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項1または2記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
前記筒内の着火前圧力を低下させる際に、ガード値を用いて当該筒内の着火前圧力を下限ガードすることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項3記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
前記筒内の着火前圧力の下限ガード値はHC発生領域を考慮して設定されることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項3または4記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
前記筒内の着火前圧力の下限ガード値は前記筒内の酸素濃度に応じて可変に設定されることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項1記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
前記ガス状態制御手段は、前記特定領域の状態から当該特定領域よりも筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力が高い状態にする場合に、筒内の酸素濃度の上昇と前記筒内の着火前圧力の上昇とを組み合わせて制御することにより、スモーク発生領域を回避しながら前記特定領域よりも筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力が高い状態に制御する機能も備えていることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項6記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
前記特定領域の状態から当該特定領域よりも筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力が高い状態にする場合は、筒内の酸素濃度を上昇させてから筒内の着火前圧力を上昇させることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項1〜7のいずれか1つに記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
前記酸素濃度調整手段は、前記内燃機関の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であって、この排気還流装置によって排気ガスの吸気系への還流量を増大または減少させることにより、前記筒内の酸素濃度を低下または上昇させるように構成されていることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項1〜8のいずれか1つに記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
前記圧力調整手段は、吸気系において吸入空気を過給する過給装置であって、この過給装置によって吸入空気量を減少または増大させることにより、筒内の着火前圧力を低下または上昇させるように構成されていることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項1〜8のいずれか1つに記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
上記圧力調整手段は、吸気系において吸入空気量を調整する吸気絞り弁であって、この吸気絞り弁によって吸入空気量を減少または増大させることにより、筒内の着火前圧力を低下または上昇させるように構成されていることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項9または10記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
前記過給装置及び吸気絞り弁を備え、前記過給装置による吸入空気量の減少または増大と、前記吸気絞り弁による吸入空気量の減少または増大とを組み合わせて、筒内の着火前圧力を低下または上昇させるように構成されていることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
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