JP5257520B2 - 内燃機関の制御装置 - 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、燃焼場の火炎温度を目標値として与えると共にこの燃焼場への投入熱量にも目標値を与え、火炎温度を左右する物理量を調整することにより火炎温度の適正化によるNOx発生量の低減と、内燃機関に対する目標投入熱量の達成とを両立できるようにしている。
具体的に、本発明は、燃料噴射弁から噴射された燃料を燃焼室内において自着火により燃焼させる圧縮自着火式の内燃機関の制御装置を前提とする。この内燃機関の制御装置に対し、上記燃料が燃焼する燃焼場における燃焼時のNOx発生量を所定の目標NOx発生量に制限するための燃焼場目標温度と、内燃機関の出力が要求出力に達するための燃焼室内への目標投入熱量とを与え、上記燃料が燃焼する燃焼場の容積、この燃焼場の燃焼開始前の温度、この燃焼場に存在するガスの密度、この燃焼場に存在するガスの比熱のうちの少なくとも一つの物理量を調整することによって、上記燃焼場の温度を上記燃焼場目標温度以下にすると共に上記燃焼室内への投入熱量として上記目標投入熱量が得られるようにする物理量調整部を備えさせている。そして、物理量調整部は、燃焼室内での燃焼期間を複数の微小期間に区画し、燃焼室内での燃焼期間のうち熱発生率が略ピーク値に達するまでの期間のみに対して、上記各微小期間それぞれにおける上記燃焼場の燃焼温度が上記燃焼場目標温度以下となるように物理量を調整する構成となっている。
また、燃焼期間において熱発生率がピーク値を超えると、その後は燃焼場温度は次第に下降していく傾向にあり、それに従ってNOx発生量が増大する可能性も低くなる。これを考慮し、上記燃焼場における燃焼時の温度が燃焼場目標温度以下となるように物理量を制御する期間としては、熱発生率が略ピーク値に達するまでの期間のみとしている。これにより、物理量の制御期間を必要最小限としながらも燃焼期間の全域に亘ってNOx発生量を所定の目標NOx発生量以下に制限することが可能になる。
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。
次に、本実施形態に係るエンジン1における燃焼室3内での燃焼形態の概略について説明する。
上記のように燃焼室3内で混合気が燃焼した際における燃焼温度(火炎温度)に影響を与える因子としては様々なものがある。例えば、燃焼室3内において燃焼している燃焼場(混合気が存在し、その混合気が燃焼している空間:上記円錐状の空間)の容積Vc(α)、その燃焼場に存在する混合気の燃焼開始前の温度(例えば、燃料噴射開始直後であって未だ燃焼が開始していないタイミングでの混合気の温度:Thα)、その燃焼場に存在するガス(燃焼開始前の混合気)の密度ρ、燃焼場に存在するガス(燃焼開始前の混合気)の比熱σなどである。
上記燃焼室3内への投入熱量を規定するための微小期間としては、例えば図7(燃焼室3内での燃焼場全体(上記8箇所の燃焼場)における、クランク角度と熱発生率との関係を表す図)に示すように、燃焼期間を時間軸方向で多数に区画し、それぞれの微小期間における燃焼場の温度を上記燃焼場目標温度TN以下にするために設定されている。
燃焼室3内において燃料が燃焼している燃焼場(混合気が存在し、その混合気が燃焼している空間:上記8箇所の円錐状の空間)の容積(以下、単に燃焼場容積Vc(α)と呼ぶ)としては、ディーゼル燃焼の拡散燃焼において着火遅れ期間が「0」であると仮定すれば、その時間内に噴射された燃料の噴霧が占める容積(上記8箇所の円錐状の空間の合計容積)とすることができる。
上記燃焼場に存在する混合気の燃焼開始前の温度(以下、単に燃焼開始前温度Thαと呼ぶ)は、燃料噴射が行われた時点で上記燃焼場に存在している混合気の温度である。
上記燃焼場に存在する燃焼開始前の混合気の密度(以下、単に混合気密度ρと呼ぶ)は、吸気バルブ16の閉弁時点での気筒内のガス量と、上記燃焼場容積Vc(α)内に存在する燃料の質量とから算出することが可能である。また、これら吸気バルブ16の閉弁時点での気筒内のガス量と、上記燃焼場容積Vc(α)内に存在する燃料の質量とから混合気密度ρを求めるためのマップを上記ROM102に記憶させておき、このマップから混合気密度ρを求めるようにしてもよい。
燃焼場に存在する燃焼開始前のガスの比熱(以下、単に燃焼ガス比熱σと呼ぶ)は、上記混合気密度ρを構成するガス組成及び液相状態の物質の比熱より求められる上記燃焼場容積Vc(α)内の混合気としての比熱である。この場合も混合気密度ρ等をパラメータとして燃焼ガス比熱σを求めるためのマップや演算式を上記ROM102に記憶させておくことで燃焼ガス比熱σを求めるようになっている。
上記燃焼場の目標温度TNは、燃料の燃焼に伴って発生するNOxの発生量を予め設定した目標発生量に規定するために設定される燃焼ガスの温度である。つまり、NOxの発生量は燃焼場での燃焼温度(火炎温度)と相関があることから、例えば図8に示すような目標燃焼温度設定マップを上記ROM102に記憶させておき、NOxの目標発生量(NOxの許容発生量の上限値)から燃焼場の目標温度TNが得られるようにしている。この目標燃焼温度設定マップに従えば、許容できるNOx発生量を目標発生量としたうえで、燃焼場の目標温度TNが容易に得られることになる。
次に、上述した各物理量の関係式について説明する。つまり、予め与えられた上記目標温度TN及び投入熱量Q(α)に対する、上記燃焼場容積Vc(α)、燃焼開始前温度Thα、混合気密度ρ、燃焼ガス比熱σの関係式について説明する。
次に、上記式(12)において燃焼室3内への投入熱量Q(α)及び目標燃焼温度TNを達成するために制御される物理量(上記燃焼温度(火炎温度)に影響を与える因子)を得るための制御動作(物理量調整部による物理量の調整動作:燃焼温度調整制御)についての複数の実施形態を説明する。尚、以下の各実施形態は、上記複数の物理量のうち一つを制御することによって火炎温度の適正化を図るようにしたものである。
本実施形態は、上記式(12)における各種物理量のうち燃焼場容積Vc(α)を制御することにより、燃焼室3内での燃焼温度を上記目標燃焼温度TN以下に調整するものである。言い換えると、燃焼室3内での燃焼温度を上記目標燃焼温度TNに一致させるか、または、この目標燃焼温度TN未満に抑えるために、燃焼場容積Vc(α)を制御するものである。尚、以下の説明では、他の物理量は検出または推定によって求められた固定値とされている。具体的な制御動作(燃焼温度調整制御)としては、インジェクタ23の燃料噴射量の調整動作及び燃料噴射圧力の調整動作が挙げられる。以下、各燃焼温度調整制御について説明する。
先ず、インジェクタ23の燃料噴射量の調整動作としては、上述した如くエンジン回転数やアクセル操作量等に基づいて設定された基本燃料噴射量に対して増量補正を行うことが挙げられる。これにより、燃料噴射実行時における燃焼室3内での燃料噴霧の占有体積は拡大することになる。つまり、燃焼場容積Vc(α)が大きくなる。
上述のような補正後の燃料噴射量を決定するタイミングとして具体的には、上記吸気バルブ16の閉弁時付近が挙げられる。以下、具体的に説明する。
また、燃料噴射圧力の調整動作としては、上述した如く燃圧設定マップ等に基づいて設定された基本燃料噴射圧力に対して増大補正を行うことが挙げられる。この場合にも、燃料噴射実行時における燃焼室3内での燃料噴霧の占有体積は拡大することになる。つまり、燃焼場容積Vc(α)が大きくなる。
本実施形態は、上記式(12)における各種物理量のうち燃焼場容積Vc(α)を制御する場合において、要求される燃焼場容積Vc(α)が比較的小さく得られた場合の対策である。
本実施形態は、上記式(12)における各種物理量のうち燃焼開始前温度Thαを制御することにより、燃焼室3内での燃焼温度を上記目標燃焼温度TN以下に調整するものである。言い換えると、燃焼室3内での燃焼温度を上記目標燃焼温度TNに一致させるか、または、この目標燃焼温度TN未満に抑えるために、燃焼開始前温度Thαを制御するものである。
インタークーラ61は、上述した如く、ターボチャージャ5での過給によって昇温した吸入空気を強制冷却するものであって、その内部には、冷却水によって吸入空気を冷却するための熱交換器が備えられている。本実施形態では、この熱交換器に流入させる冷却水の流量を可変とすることでインタークーラ61の効率の制御が行えるようにしている。
上記EGRクーラ82は、上述したインタークーラ61と略同様の構成であって、冷却水によってEGRガスを冷却するための熱交換器が備えられている。本実施形態では、この熱交換器に流入させる冷却水の流量を可変とすることでEGRクーラ82の効率の制御が行えるようにしている。
上記ターボチャージャ5は、可変ノズル式ターボチャージャであって、タービンホイール52側に可変ノズルベーン機構(図示省略)が設けられており、この可変ノズルベーン機構に備えられたノズルベーンの開度を調整することにより、エンジン1の過給圧を調整可能となっている。尚、この可変ノズルベーン機構は公知であるので、ここでの構成説明は省略する。
燃料噴射圧力の制御によっても筒内ガス温度を低下させることが可能である。つまり、燃料噴射圧力を高く設定すれば、燃焼室3内に噴射された燃料の微粒化が促進されることになり、その燃料が気化する際の潜熱によって燃焼場(燃料が存在する空間)の温度を低下させることができる。つまり、燃料噴射圧力を高く設定することによって燃焼開始前温度Thαを低下させることができる。
本実施形態は、上記式(12)における各種物理量のうち混合気密度ρを制御することにより、燃焼室3内での燃焼温度を上記目標燃焼温度TN以下に調整するものである。言い換えると、燃焼室3内での燃焼温度を上記目標燃焼温度TNに一致させるか、または、この目標燃焼温度TN未満に抑えるために、混合気密度ρを制御するものである。
本実施形態は、上記式(12)における各種物理量のうち燃焼ガス比熱σを制御することにより、燃焼室3内での燃焼温度を上記目標燃焼温度TN以下に調整するものである。言い換えると、燃焼室3内での燃焼温度を上記目標燃焼温度TNに一致させるか、または、この目標燃焼温度TN未満に抑えるために、燃焼ガス比熱σを制御するものである。
以上説明した各実施形態では、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、水平対向型エンジン等の別)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)
Vc(α) 燃焼場の容積
Thα 燃焼場の燃焼開始前の温度
TN 燃焼場目標温度
ρ ガスの密度
σ ガスの比熱
Q(α) 投入熱量
Claims (6)
- 燃料噴射弁から噴射された燃料を燃焼室内において自着火により燃焼させる圧縮自着火式の内燃機関の制御装置において、
上記燃料が燃焼する燃焼場における燃焼時のNOx発生量を所定の目標NOx発生量に制限するための燃焼場目標温度と、内燃機関の出力が要求出力に達するための燃焼室内への目標投入熱量とを与え、
上記燃料が燃焼する燃焼場の容積、この燃焼場の燃焼開始前の温度、この燃焼場に存在するガスの密度、この燃焼場に存在するガスの比熱のうちの少なくとも一つの物理量を調整することによって、上記燃焼場の温度を上記燃焼場目標温度以下にすると共に上記燃焼室内への投入熱量として上記目標投入熱量が得られるようにする物理量調整部を備えており、
上記物理量調整部は、燃焼室内での燃焼期間を複数の微小期間に区画し、燃焼室内での燃焼期間のうち熱発生率が略ピーク値に達するまでの期間のみに対して、上記各微小期間それぞれにおける上記燃焼場の燃焼温度が上記燃焼場目標温度以下となるように上記物理量を調整する構成とされていることを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 請求項1記載の内燃機関の制御装置において、
上記物理量調整部は、上記燃料が燃焼する燃焼場の容積を拡大させるものであって、燃料噴射弁から燃焼室内に噴射される燃料の噴射量の増量補正及び燃料噴射弁から燃焼室内に噴射される燃料の噴射圧力の増大補正のうち少なくとも一つを実行する構成とされていることを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 請求項1記載の内燃機関の制御装置において、
上記物理量調整部が、上記燃料が燃焼する燃焼場の容積を調整するように上記物理量を調整する場合において、この燃焼場の容積が所定値未満となることを回避するべく、燃料噴射弁の噴孔径の小径化及び燃料噴射弁に備えられたニードルの作動速度の高速度化を図る設計が行われていることを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 請求項1記載の内燃機関の制御装置において、
上記物理量調整部は、上記燃焼場の燃焼開始前の温度を低下させるものであって、過給装置を備えたものに対して吸気系に備えられたインタークーラの冷却効率を高める制御、過給圧を低下させる制御、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たものに対してEGRクーラの冷却効率を高める制御、燃料噴射弁から燃焼室内に噴射される燃料の噴射圧力の増大補正のうち少なくとも一つを実行する構成とされていることを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 請求項1記載の内燃機関の制御装置において、
上記物理量調整部は、燃焼場に存在するガスの密度を高めるものであって、過給装置を備えたものに対して過給圧を低下させる制御、吸気系に備えられたバルブの開度を小さくして吸入空気量を減少させる制御のうち少なくとも一つを実行する構成とされていることを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 請求項1記載の内燃機関の制御装置において、
上記物理量調整部は、燃焼場に存在するガスの比熱を高めるものであって、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たものに対してEGR率を上昇させる制御を実行する構成とされていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
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