JP5120506B2 - 内燃機関の燃焼制御装置 - 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、燃焼室内における燃焼形態として予混合燃焼及び拡散燃焼それぞれの優位点を有効に利用できるように、これら燃焼相互の独立度合いを調整する(これら燃焼が同時並行される場合のそれぞれの熱発生量の比率を調整することにより各燃焼相互の独立度合いを調整する)ことで、これら燃焼を協調させ、燃焼の安定性、排気エミッションの改善、燃焼音の抑制が図れるようにしている。
具体的に、本発明は、燃料噴射弁から噴射された燃料が、少なくとも「予混合燃焼」及びこの「予混合燃焼」の開始後に開始される「拡散燃焼」により燃焼室内で燃焼する圧縮自着火式内燃機関の燃焼制御装置を前提とする。この内燃機関の燃焼制御装置に対し、上記燃料噴射弁が、上記燃焼室内での燃焼として主に「予混合燃焼」を行わせるための予混合燃焼用燃料噴射と、上記燃焼室内での燃焼として主に「拡散燃焼」を行わせるための拡散燃焼用燃料噴射とを個別に実行するものとする。また、上記燃料噴射弁からの予混合燃焼用燃料噴射と拡散燃焼用燃料噴射とが順に行われることにより、燃焼過程中に、予混合燃焼及び拡散燃焼のうち予混合燃焼のみが行われる「予混合単独燃焼期間」、予混合燃焼と拡散燃焼とが併存する「オーバラップ燃焼期間」、予混合燃焼及び拡散燃焼のうち拡散燃焼のみが行われる「拡散単独燃焼期間」の順で燃焼形態が移っていくようにする。そして、内燃機関の負荷が低くなっていくに従い、または、内燃機関の要求出力が小さくなっていくに従って、上記「オーバラップ燃焼期間」中における予混合燃焼での熱発生量と拡散燃焼での熱発生量との総和である全熱発生量に対する上記「オーバラップ燃焼期間」中における拡散燃焼での熱発生量の比率が次第に小さくなっていくように、上記燃料噴射弁の燃料噴射形態及び上記燃焼室内での燃料噴射前のガス状態のうち少なくとも一方を調整する拡散燃焼実行率調整手段を備えさせている。
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、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、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。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及びエンジン回転数に基づいて設定される。尚、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。尚、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以下に述べるような分割メイン噴射(分割主噴射)による燃料噴射手法を見出した。以下、具体的に説明する。
本実施形態の特徴は、上記オーバラップ燃焼期間中における全熱発生量(オーバラップ燃焼期間中での予混合燃焼による熱発生量と拡散燃焼による熱発生量との総和)に対する拡散燃焼での熱発生量の比率(オーバラップ燃焼期間中における拡散燃焼での熱発生量/オーバラップ燃焼期間中における全熱発生量)を調整する点にある。以下、このオーバラップ燃焼期間中における全熱発生量に対する拡散燃焼での熱発生量の比率を「拡散燃焼実行率」と呼ぶこととする。
上述の如く拡散燃焼実行率を設定するための燃料噴射パターンについて以下に具体的に説明する。尚、以下に述べる燃料噴射パターンは所望の拡散燃焼実行率を得るための例示であって、本発明は、この燃料噴射パターンに限定されるものではない。
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。
本実施形態では、上記予混合単独燃焼期間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。
次に、上述の如く拡散燃焼実行率を設定してインジェクタ23からの燃料噴射を実行する場合の具体的な制御手順について説明する。
上述した実施形態では、インジェクタ23から噴射される燃料の燃料噴射パターンによって拡散燃焼実行率を設定するようにしていた。これに代えて、または、これと併用して燃料噴射前の筒内ガス状態を調整することにより拡散燃焼実行率を設定することも可能である。この燃料噴射前の筒内ガス状態としては、「筒内の酸素濃度」や「筒内の着火前圧力」が挙げられる。以下、それぞれについて説明する。
筒内の酸素濃度によって拡散燃焼実行率を調整する場合、拡散燃焼実行率を高く設定する場合ほど筒内の酸素濃度も高く設定する。具体的には、上記EGRバルブ81の開度を小さくし、EGR量を少なくすることで筒内の酸素濃度を高く設定する。逆に、拡散燃焼実行率を低く設定する場合ほど筒内の酸素濃度も低く設定する。具体的には、上記EGRバルブ81の開度を大きくし、EGR量を多くすることで筒内の酸素濃度を低く設定する(酸素濃度調整手段による燃焼室3内の酸素濃度調整動作)。
また、筒内の着火前圧力によって拡散燃焼実行率を調整する場合、拡散燃焼実行率を高く設定する場合ほど筒内の着火前圧力も高く設定する。具体的には、上記ターボチャージャ5の可変ノズルベーン機構に備えられているノズルベーンの開度を小さくし、エンジン1の過給圧を高くする。または、上記スロットルバルブ62の開度を大きくする。尚、これらノズルベーンの制御、スロットルバルブ62の制御のうち一つのみを実行してもよいし、両方を同時に実行してもよい。逆に、拡散燃焼実行率を低く設定する場合ほど筒内の着火前圧力も低く設定する。具体的には、上記ノズルベーンの開度を大きくし、エンジン1の過給圧を低くする。または、上記スロットルバルブ62の開度を小さくする。尚、この場合にも、これらノズルベーンの制御、スロットルバルブ62の制御のうち一つのみを実行してもよいし、両方を同時に実行してもよい(圧力調整手段による燃焼室3内の圧力調整動作)。
また、上述した筒内の酸素濃度による拡散燃焼実行率の調整と、筒内の着火前圧力による拡散燃焼実行率の調整とを併用する場合、エンジン負荷が比較的低い運転領域では、筒内の酸素濃度による拡散燃焼実行率の調整を行う。これに対し、エンジン負荷が比較的高い運転領域では、筒内の着火前圧力による拡散燃焼実行率の調整を行う。このようにしてエンジン負荷に応じて、拡散燃焼実行率の調整手法を筒内の酸素濃度と筒内の着火前圧力との間で切り替えるようにすれば、エンジン1の運転過渡時にスモークの発生を抑制することが可能となる。
以上説明した実施形態では、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。
3 燃焼室
23 インジェクタ(燃料噴射弁)
5 ターボチャージャ(過給装置)
6 吸気系
62 スロットルバルブ(吸気絞り弁)
7 排気系
8 EGR通路
81 EGRバルブ
Claims (8)
- 燃料噴射弁から噴射された燃料が、少なくとも「予混合燃焼」及びこの「予混合燃焼」の開始後に開始される「拡散燃焼」により燃焼室内で燃焼する圧縮自着火式内燃機関の燃焼制御装置において、
上記燃料噴射弁は、上記燃焼室内での燃焼として主に「予混合燃焼」を行わせるための予混合燃焼用燃料噴射と、上記燃焼室内での燃焼として主に「拡散燃焼」を行わせるための拡散燃焼用燃料噴射とが個別に実行されるようになっており、
上記燃料噴射弁からの予混合燃焼用燃料噴射と拡散燃焼用燃料噴射とが順に行われることにより、燃焼過程中に、予混合燃焼及び拡散燃焼のうち予混合燃焼のみが行われる「予混合単独燃焼期間」、予混合燃焼と拡散燃焼とが併存する「オーバラップ燃焼期間」、予混合燃焼及び拡散燃焼のうち拡散燃焼のみが行われる「拡散単独燃焼期間」の順で燃焼形態が移っていくようになっており、
内燃機関の負荷が低くなっていくに従い、または、内燃機関の要求出力が小さくなっていくに従って、上記「オーバラップ燃焼期間」中における予混合燃焼での熱発生量と拡散燃焼での熱発生量との総和である全熱発生量に対する上記「オーバラップ燃焼期間」中における拡散燃焼での熱発生量の比率が次第に小さくなっていくように、上記燃料噴射弁の燃料噴射形態及び上記燃焼室内での燃料噴射前のガス状態のうち少なくとも一方を調整する拡散燃焼実行率調整手段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、
上記拡散燃焼実行率調整手段は、内燃機関の負荷が低くなっていくに従い、または、内燃機関の要求出力が小さくなっていくに従って、総燃料噴射量のうちの上記予混合燃焼用燃料噴射での噴射量の割合を次第に大きくしていくと共に、総燃料噴射量のうちの上記拡散燃焼用燃料噴射での噴射量の割合を次第に小さくしていくよう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2記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
上記拡散燃焼実行率調整手段は、内燃機関の負荷が低くなっていくに従い、または、内燃機関の要求出力が小さくなっていくに従って、少なくとも上記予混合燃焼用燃料噴射によって噴射された燃料の「予混合燃焼」の燃焼重心を遅角側に移行させていくことにより、上記「オーバラップ燃焼期間」を長くしていくよう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記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
上記燃料噴射弁の燃料噴射実行前における燃焼室内の酸素濃度を調整可能な酸素濃度調整手段を備えており、
上記拡散燃焼実行率調整手段は、内燃機関の負荷が低くなっていくに従い、または、内燃機関の要求出力が小さくなっていくに従って、上記酸素濃度調整手段によって調整される上記燃焼室内の酸素濃度を次第に低くしていくよう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記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
上記燃料噴射弁の燃料噴射実行前における燃焼室内の圧力を調整可能な圧力調整手段を備えており、
上記拡散燃焼実行率調整手段は、内燃機関の負荷が低くなっていくに従い、または、内燃機関の要求出力が小さくなっていくに従って、上記圧力調整手段によって調整される上記燃焼室内の圧力を次第に低くしていくよう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4記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
上記酸素濃度調整手段は、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であって、この排気還流装置による排気ガスの吸気系への還流量を増大させていくことによって上記燃焼室内の酸素濃度を次第に低くしていくよう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5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を過給する過給装置であって、この過給装置による吸入空気の過給量を減少させていくことによって上記燃焼室内の圧力を次第に低くしていくよう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5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制限可能とする吸気絞り弁であって、この吸気絞り弁による吸入空気の制限を大きくしていくことによって上記燃焼室内の圧力を次第に低くしていくよう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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