JP5301857B2 - コモンレール式電子噴射制御系エンジン - Google Patents

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Description

本発明は、過給機を有するコモンレール式電子噴射制御系エンジンの、ポスト噴射制御の技術に関する。
コモンレール式電子噴射制御系エンジンにおいて、1燃焼行程において複数回燃料噴射制御を行う多段燃料噴射制御は公知である。多段燃料噴射制御は、積極的な燃焼を行うことができるため、燃焼騒音及び排気エミッションを低減できる。
ポスト噴射制御は、多段燃料噴射制御において、排気行程で行う燃料噴射制御である。ポスト噴射制御は、Diesel Particulate Filter(以下、DPF)に堆積したParticulate Matterを燃やす、或いは排気エネルギーを増加させて低速・低負荷時の加速性を向上する目的で噴射制御される。
排気エネルギーを増加させるポスト噴射制御は、噴射量が過剰であれば、ボア・フラッシュの原因となる。ボア・フラッシュとは、燃料がシリンダー壁面に衝突してオイル潤滑膜をなくす、或いは燃料がオイルパンに堆積する現象である。そのため、排気エネルギーを増加させるポスト噴射制御は、煩雑な評価試験を行わないと燃料噴射制御としては成立しない。
従来、DPFを再生するためのポスト噴射制御については、いくつかの試みがなされている(例えば、特許文献1)。しかし、排気エネルギーを増加させるポスト噴射制御を、必要最小限の燃料噴射量にて広範囲に行う試みはなされていない。
特開2007−162585号公報
そこで、解決しようとする課題は、簡易な構成によって、排気エネルギーを増加させるポスト噴射制御を必要最小限の燃料噴射量にて広範囲に行うことである。
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
請求項1においては、コモンレール(10)と、インジェクタ(11)と、過給機(7)と、膨張又は排気行程において排気エネルギーを増加させるために、少なくとも1回はポスト噴射を行うポスト噴射制御手段(51)とを有するコモンレール式電子噴射制御系エンジンにおいて、前記ポスト噴射制御手段(51)は、主噴射による圧縮上死点から排気上死点に到るまでの膨張・排気行程において、排気バルブが閉止するまでの間に、インジェクタ(11)から燃料のポスト噴射を終了するように制御し、エンジン回転数(Ne)を検出するエンジン回転数検出手段(21)と、エンジン負荷を検出するエンジン負荷検出手段(24)と、過給機回転数(Nc)を検出する過給機回転数検出手段(22)と、過給機(7)の過給圧(Pb)を検出する過給圧検出手段(23)と、目標過給機回転数(Ncm)を算出する目標過給機回転数算出手段(53)を具備し、前記目標過給機回転数算出手段(53)は、エンジン回転数(Ne)とエンジン負荷と過給圧(Pb)とに基づいて排出ガス中のスモーク、HC、又はCOの排出量のうち少なくとも1つが最小となるように目標過給機回転数(Ncm)を算出し、前記過給機回転数(Nc)と目標過給機回転数(Ncm)との差の絶対値が閾値(ΔNc)より小さいかどうかを判定し、該絶対値が閾値(ΔNc)より小さい場合は、通常のポスト噴射をし、該絶対値が閾値(ΔNc)以上の場合は、前記ポスト噴射制御手段(51)にて、過給機回転数(Nc)を制御することにより、該絶対値が閾値(ΔNc)よりも小さくなるように、該ポスト噴射における噴射回数(QPm)、又は、ポスト噴射における噴射量(QPt)を調整するものである。
請求項2においては、請求項1記載のコモンレール式電子噴射制御系エンジンにおいて、前記ポスト噴射制御手段(51)は、過給機回転数(Nc)が目標過給機回転数(Ncm)の許容値外となる場合には、燃料噴射異常であると判定するものである。
請求項3においては、請求項1記載のコモンレール式電子噴射制御系エンジンにおいて、前記過給機(7)は、過給機回転数(Nc)に基づいて可変容量を行う可変容量手段(5)を備えるものである。
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
請求項1においては、コモンレール(10)と、インジェクタ(11)と、過給機(7)と、膨張又は排気行程において排気エネルギーを増加させるために、少なくとも1回はポスト噴射を行うポスト噴射制御手段(51)とを有するコモンレール式電子噴射制御系エンジンにおいて、前記ポスト噴射制御手段(51)は、主噴射による圧縮上死点から排気上死点に到るまでの膨張・排気行程において、排気バルブが閉止するまでの間に、インジェクタ(11)から燃料のポスト噴射を終了するように制御し、エンジン回転数(Ne)を検出するエンジン回転数検出手段(21)と、エンジン負荷を検出するエンジン負荷検出手段(24)と、過給機回転数(Nc)を検出する過給機回転数検出手段(22)と、過給機(7)の過給圧(Pb)を検出する過給圧検出手段(23)と、目標過給機回転数(Ncm)を算出する目標過給機回転数算出手段(53)を具備し、前記目標過給機回転数算出手段(53)は、エンジン回転数(Ne)とエンジン負荷と過給圧(Pb)とに基づいて排出ガス中のスモーク、HC、又はCOの排出量のうち少なくとも1つが最小となるように目標過給機回転数(Ncm)を算出し、前記過給機回転数(Nc)と目標過給機回転数(Ncm)との差の絶対値が閾値(ΔNc)より小さいかどうかを判定し、該絶対値が閾値(ΔNc)より小さい場合は、通常のポスト噴射をし、該絶対値が閾値(ΔNc)以上の場合は、前記ポスト噴射制御手段(51)にて、過給機回転数(Nc)を制御することにより、該絶対値が閾値(ΔNc)よりも小さくなるように、該ポスト噴射における噴射回数(QPm)、又は、ポスト噴射における噴射量(QPt)を調整するので、エンジン、燃料噴射装置、又は過給機の経時変化に影響されずにポスト噴射制御を行うことができる。
また、燃料がシリンダー壁面に衝突してオイル潤滑膜をなくす、或いは燃料がオイルパンに堆積する現象であるボア・フラッシュを回避できる。
また、前記目標過給機回転数算出手段は排出ガス中のスモーク、HC、又はCOの排出量のうち少なくとも1つが最小となるように目標過給機回転数を算出するので、有害ガスを最小とする目標過給機回転数を算出するため、排気エミッションを低減できる。
また、請前記ポスト噴射制御手段は排気バルブが閉止するまでにポスト噴射制御を終了するので、排気マニホールド内に燃料が噴射されることを防止できる。
請求項2においては、請求項1記載のコモンレール式電子噴射制御系エンジンにおいて、前記ポスト噴射制御手段(51)は、過給機回転数(Nc)が目標過給機回転数(Ncm)の許容値外となる場合には、燃料噴射異常であると判定するので、過給機又は燃料噴射装置の異常を的確に検知できる。
請求項3においては、請求項1記載のコモンレール式電子噴射制御系エンジンにおいて、前記過給機(7)は、過給機回転数(Nc)に基づいて可変容量を行う可変容量手段(5)を備えるので、過給機の形式にとらわれずにポスト噴射制御を行うことができる。
次に、発明の実施の形態を説明する。図1は本発明の実施例に係るエンジンの全体的な構成を示す構成図である。図2は同じく制御装置の構成を示す構成図である。図3は多段噴射制御を示すチャート図である。図4はポスト噴射制御を示すフロー図である。図5は同じく別の構成例のポスト噴射制御を示すフロー図である。
まず、図1を用いて、コモンレール式電子噴射制御系直列6気筒ディーゼルエンジン(以下、エンジン)1について、簡単に説明する。図1に示すように、エンジン1は、シリンダヘッド15及びシリンダブロック16を備えて構成されている。シリンダヘッド15には、吸気マニホールドに吸気管8が接続され、排気マニホールドに排気管9が接続されている。シリンダブロック16には、クランク軸3が軸支されている。
過給機としてのターボチャージャー7は、圧縮した空気をエンジン1内に送り込むためエンジン1に設けられている。ターボチャージャー7は、可変容量手段としてのVariable Geometry Turbo(以下、VGT)5と、吸気管8に配設されるコンプレッサー6とを備えて構成されている。
VGT5は、排気管9に配設され、エンジン回転数Neに応じて排気タービンのタービンブレードの開口面積を可変させ、排気ガスの流量を変化させるタービンである。なお、本発明の可変容量手段は、本実施例のターボチャージャー7に限定されることなく、例えばアクティブ・ウェィスト・ゲート等の積極的に過給圧を制御する機構であっても良い。
目標エンジン回転数設定手段としてのアクセルレバー(図示略)は、エンジン1の近傍、或いはエンジン1が搭載される例えば船舶等の操作部に設けられている。なお、目標エンジン回転数設定手段は、アクセルに限定されずスロットルレバーであっても良い。
燃料噴射装置は、コモンレール10、インジェクタ11・・・・11、電磁弁12・・・・12を備えて構成されている。コモンレール10は、燃料噴射ポンプ(図示略)によって送られる燃料を蓄圧する圧力容器である。また、インジェクタ11は、コモンレール10に蓄圧された燃料を各気筒に噴射する装置である。さらに、電磁弁12は、インジェクタ11の燃料通路を遮断・連通する機能を有する。
次に、図2を用いて、Engine Control Unit(以下、ECU)100の構成について詳細に説明する。図2に示すように、ECU100には、エンジン回転数検出手段としてのエンジン回転数センサー21、過給機回転数検出手段としての過給機回転数センサー22、過給圧検出手段としての過給圧センサー23、エンジン負荷検出手段としてのアクセル開度センサー24と、電磁弁12・・・・12、VGT5とが接続されている。なお、エンジン負荷検出手段は、アクセル開度センサー24に限定されず、スロットルレバー開度センサーであっても良い。
エンジン回転数センサー21は、クランク軸3近傍に設けられ、エンジン回転数Neを検出する。過給機回転数センサー22は、ターボチャ−ジャー7のコンプレッサー6側に設けられ、コンプレッサー6の翼枚数に応じて回転パルスを発生し、過給機回転数Ncを検出する。なお、過給機回転数センサー22は、例えば渦電流式又はホールセンサー等が用いられる。また、過給機回転数Ncは、コントローラ50の演算負担を低減するため、所定比によって分周された値であっても良い。過給圧センサー23は、吸気管8に設けられ、過給圧Pbを検出する。アクセル開度センサー24は、アクセルの回動基部に設けられ、アクセル開度Acを検出する。
ECU100は、コントローラ50と記憶手段60とを含んで構成されている。
また、コントローラ50は、ポスト噴射制御手段51、目標過給機回転数算出手段53、エンジン回転数増減率算出手段(図示せず)、過給機回転数増減率算出手段(図示せず)、過給圧増減率算出手段(図示せず)、目標過給機回転数増減率算出手段56としての機能を有する。また、コントローラ50は、エンジン回転数Neとアクセル開度Acとに基づいて、燃料噴射量マップf3q(Ne、Ac、QM)より、主噴射量QMを算出する機能を有する。なお、燃料噴射量マップf3p(Ne、Ac、QM)は、予め記憶手段60に記憶されている3次元マップである。
ここで、図3を用いて、ポスト噴射制御について、詳細に説明する。コントローラ50は、ポスト噴射制御手段51として、各気筒の膨張行程から排気行程に至るまでに最適な時期・回数によってポスト噴射制御を行う機能を有する。図3は、ある気筒におけるポスト噴射制御の時期を表す時系列噴射指令信号グラフを示している。図3に示すように、本実施例のエンジン1は、6気筒4サイクル形式であるため、主噴射は、1サイクル(720°)に1回噴射される。ポスト噴射制御は、主噴射による圧縮TDC(圧縮上死点)から排気TDC(排気上死点)に到るまでの膨張・排気行程において、2回噴射される。なお、ポスト噴射制御の噴射量・噴射回数は、本実施例に限定されず、エンジン1の性能上における最適な噴射量・噴射回数によって決定される。ポスト噴射制御は、VGT5への排気ガス温度を上昇させるため、VGT5の熱供給量を増加させて、過給圧を増加させることができる。
ここで、図4を用いて、本実施例のポスト噴射制御手段51について、詳細に説明する。コントローラ50は、ポスト噴射制御手段51として、過給機回転数Ncをエンジン1の運転状態に適した目標過給機回転数Ncmとなるようにポスト噴射制御を行う機能を有する。
まず、目標過給機回転数マップf4c(Ne、Pb、QM、Ncm)について、詳細に説明する。コントローラ50は、目標過給機回転数算出手段として、目標過給機回転数マップf4c(Ne、Pb、QM、Ncm)より、目標過給機回転数Ncmを算出する機能を有する。目標過給機回転数マップf4c(Ne、Pb、QM、Ncm)は、エンジン回転数Neと過給圧Pbと主噴射量QMと過給機回転数Ncとの相関を表す4次元マップであって、記憶手段60に予め記憶されている。
目標過給機回転数マップf4c(Ne、Pb、QM、Ncm)は、予めコントローラ50に設定されるため、排気エミッションを低減する最適な目標過給機回転数Ncmを選択して設定することができる。具体的には、排気ガスにおいて、スモークをX(FSN)、COをY(ppm)、HCをZ(ppm)としたとき、これらの排気エミッション総量SをS=X2+Y2+Z2によって表す。ここで、目標過給機回転数マップf4c(Ne、Pb、QM、Ncm)における各目標過給機回転数Ncmは、排気エミッション総量Sが最小となるように設定されている。
このようにして、有害ガスを最小とする目標過給機回転数Ncmを予め設定しておくため、排気エミッションを低減できる。
ここで、図4を用いて、ポスト噴射制御のフローについて、詳細に説明する。S111において、コントローラ50は、必要な各物理量を取得する。コントローラ50は、エンジン回転数センサー21によってエンジン回転数Ne、過給機回転数センサー22によって過給機回転数Nc、過給圧センサー23によって過給圧Pb、並びにアクセル開度センサー24によってアクセル開度Acを取得する。また、コントローラ50は、エンジン回転数Neとアクセル開度Acとに基づいて、燃料噴射量マップf3q(Ne、Ac、QM)より主噴射量QMを算出する。また、コントローラ50は、エンジン回転数Neと過給圧Pbと主噴射量QMとに基づいて、目標過給機回転数マップf4c(Ne、Pb、QM、Ncm)より目標過給機回転数Ncmを算出する。さらに、コントローラ50は、目標過給機回転数Ncmの許容される閾値±ΔNcを算出する(S111)。閾値±ΔNcは、目標過給機回転数Ncm値毎に定められ、エンジン回転数Ne、過給圧Pb、及び主噴射量QMによっても異なる閾値とされている。
S112において、コントローラ50は、過給機回転数Ncと目標過給機回転数Ncmとの差の絶対値が閾値ΔNcより小さいかどうかを判定する。コントローラ50は、S112において閾値ΔNcより小さい場合には、ポスト噴射制御より通常制御に移行する。
S113において、コントローラ50は、閾値ΔNc以上の場合には、ポスト噴射属性QP(QPm、QPt)を調整する。ここで、QPmは、ポスト噴射制御における噴射回数である。また、QPtは、ポスト噴射制御における噴射量である。本実施例において、具体的なポスト噴射属性QP(QPm、QPt)の調整については、コントローラ50は、過給機回転数Ncと目標過給機回転数Ncmとの差の絶対値が閾値ΔNcより小さくなるように、ポスト噴射属性QP(QPm、QPt)を調整する。
S114において、コントローラ50は、VGT開度Fvを調整する。本制御において、具体的なVGT開度調整については、特に限定しない。ただし、コントローラ50は、過給機回転数Ncと目標過給機回転数Ncmとの差の絶対値が閾値ΔNcより小さくなるように、VGT開度Fvを調整する。S115において、コントローラ50は、カウンター値Nを+1増加させる。ここで、カウンター値Nとは、ポスト噴射属性QP(QPm、QPt)を調整した回数である。S116において、コントローラ50は、カウンター値NがN>5であるか判断する。S117において、コントローラ50は、S116においてN>5である場合は、燃料噴射異常フラグをONとする。一方、コントローラ50は、S116においてN>5でない場合は、S111に戻る。
このようにして、過給機回転数Ncを、エンジン1の状態に適した目標過給機回転数Ncmをとなるようにポスト噴射制御を行うため、必要最小限の燃料噴射量にて広範囲にポスト噴射制御を行うことができる。同時に、ボア・フラッシュを回避できる。また、本制御は、過給機がVGT5であっても、過給機回転数Ncでポスト噴射制御を行うことができる。つまり、過給機の形式にとらわれずにポスト噴射制御を行うことができる。さらに、インジェクタ11及び電磁弁12の劣化、或いはエンジン1、燃料噴射装置、及びターボチャージャー7の経時変化に影響されずにポスト噴射制御を行うことができる。また、S115〜S117においては、ターボチャージャー7又はコモンレール10、インジェクタ11、及び電磁弁12等の燃料噴射装置の異常を的確に検知できる。
図5を用いて、別のポスト噴射制御のフローについて、詳細に説明する。コントローラ50は、ポスト噴射制御手段51として、過給機回転数増減率RNcをエンジン1の状態に適した目標過給機回転数増減率RNcmとなるようにポスト噴射制御を行う機能を有する。なお、本制御は、エンジン運転状態が加速又は減速をしている過渡運転状態における制御である。
コントローラ50は、エンジン回転数増減率算出手段(図示せず)、過給機回転数増減率算出手段(図示せず)、過給圧増減率算出手段(図示せず)として、本制御において必要な各物理量を算出する機能を有する。コントローラ50は、目標過給機回転数増減率算出手段56として、目標過給機回転数増減率マップf4Rc(RNe、RPb、QM、RNcm)より、目標過給機回転数増減率RNcmを算出する機能を有する。目標過給機回転数増減率マップf4Rc(RNe、RPb、QM、RNcm)は、エンジン回転数増減率RNeと過給圧増減率RPbと主噴射量QMと過給機回転数増減率RNcとの相関を表す4次元マップであって、記憶手段60に予め記憶されている。
図5に示すように、S121において、コントローラ50は、エンジン回転数増減率算出手段(図示せず)として、所定時間におけるエンジン回転数Neの増減率であるエンジン回転数増減率RNeを算出する。また、コントローラ50は、所定時間における過給機回転数Ncの増減率である過給機回転数増減率RNcを算出する。さらに、コントローラ50は、過給圧増減率算出手段(図示せず)として、所定時間における過給圧Pbの増減率である過給圧増減率RPbを算出する。また、コントローラ50は、アクセル開度センサー24によってアクセル開度Acを取得する。さらに、コントローラ50は、エンジン回転数増減率RNeとアクセル開度Acに基づいて、燃料噴射量マップf3Rq(RNe、Ac、QM)より主噴射量QMを算出する。ここで、燃料噴射量マップf3Rq(RNe、Ac、QM)は、前述する燃料噴射量マップf3q(Ne、Ac、QM)のエンジン回転数Neをエンジン回転数増減率RNeに変更したマップである。また、コントローラ50は、エンジン回転数増減率RNeと主噴射量QMと過給圧増減率RPbとに基づいて、目標過給機回転数増減率マップf4Rc(RNe、RPb、QM、RNcm)より目標過給機回転数増減率RNcmを算出する。さらに、コントローラ50は、目標過給機回転数増減率RNcmの許容される閾値±ΔRNcmを算出する。閾値±ΔRNcmは、目標過給機回転数増減率RNcm値毎に定められ、エンジン回転数増減率RNe、過給圧増減率RPb、及び主噴射量QMによっても異なる値とされている。
S122において、コントローラ50は、過給機回転数増減率RNcと目標過給機回転数増減率RNcmとの差の絶対値が閾値ΔRNcより小さいかを判断する。コントローラ50は、S122において閾値ΔRNcより小さければ、ポスト噴射制御より通常制御に移行する。
S123〜S127は、ポスト噴射制御手段51のフローにおけるS113からS117と同様であるため、説明を省略する。すなわち、コントローラ50は、過給機回転数増減率RNcと目標過給機回転数増減率RNcmとの差の絶対値が閾値ΔRNcより小さくなるように、ポスト噴射属性QP(QPm、QPt)を調整し、VGT開度Fvを調整する。
このようにして、エンジン運転状態が過渡運転状態において、過給機回転数増減率RNcを、エンジン1の状態に適した目標過給機回転数増減率RNcmになるようにポスト噴射制御を行うため、必要最小限の燃料噴射量にて広範囲にポスト噴射制御を行うことができる。同時に、ボア・フラッシュを回避できる。
上述した2つのポスト噴射制御は、エンジン1の膨張行程から排気行程に至るまですなわち排気バルブ(図示略)が閉止するまでに行われる。このようにして、排気マニホールド内に燃料が噴射されることを防止できる。
本発明の実施例に係るエンジンの全体的な構成を示す構成図。 同じく制御装置の構成を示す構成図。 多段噴射制御を示すチャート図。 ポスト噴射制御を示すフロー図。 同じく別のポスト噴射制御を示すフロー図。
1 エンジン
5 VGT
6 コンプレッサー
7 ターボチャージャー(過給機)
10 コモンレール
11 インジェクタ
12 電磁弁
100 ECU
Ne エンジン回転数
RNe エンジン回転数増減率
Nc 過給機回転数
Ncm 目標過給機回転数
RNc 過給機回転数増減率
RNcm 目標過給機回転数増減率
Pb 過給圧
RPb 過給圧増減率
QM 主噴射量
QP ポスト噴射量
Fv VGT開度
Ac アクセル開度

Claims (3)

  1. コモンレール(10)と、インジェクタ(11)と、過給機(7)と、膨張又は排気行程において排気エネルギーを増加させるために、少なくとも1回はポスト噴射を行うポスト噴射制御手段(51)とを有するコモンレール式電子噴射制御系エンジンにおいて、
    前記ポスト噴射制御手段(51)は、主噴射による圧縮上死点から排気上死点に到るまでの膨張・排気行程において、排気バルブが閉止するまでの間に、インジェクタ(11)から燃料のポスト噴射を終了するように制御し、
    エンジン回転数(Ne)を検出するエンジン回転数検出手段(21)と、エンジン負荷を検出するエンジン負荷検出手段(24)と、過給機回転数(Nc)を検出する過給機回転数検出手段(22)と、過給機(7)の過給圧(Pb)を検出する過給圧検出手段(23)と、目標過給機回転数(Ncm)を算出する目標過給機回転数算出手段(53)を具備し、
    前記目標過給機回転数算出手段(53)は、
    エンジン回転数(Ne)とエンジン負荷と過給圧(Pb)とに基づいて排出ガス中のスモーク、HC、又はCOの排出量のうち少なくとも1つが最小となるように目標過給機回転数(Ncm)を算出し、
    前記過給機回転数(Nc)と目標過給機回転数(Ncm)との差の絶対値が閾値(ΔNc)より小さいかどうかを判定し、
    該絶対値が閾値(ΔNc)より小さい場合は、通常のポスト噴射をし、
    該絶対値が閾値(ΔNc)以上の場合は、前記ポスト噴射制御手段(51)にて、過給機回転数(Nc)を制御することにより、該絶対値が閾値(ΔNc)よりも小さくなるように、該ポスト噴射における噴射回数(QPm)、又は、ポスト噴射における噴射量(QPt)を調整する
    ことを特徴とするコモンレール式電子噴射制御系エンジン。
  2. 請求項1記載のコモンレール式電子噴射制御系エンジンにおいて、前記ポスト噴射制御手段(51)は、過給機回転数(Nc)が目標過給機回転数(Ncm)の許容値外となる場合には、燃料噴射異常であると判定することを特徴とするコモンレール式電子噴射制御系エンジン。
  3. 請求項1記載のコモンレール式電子噴射制御系エンジンにおいて、前記過給機(7)は、過給機回転数(Nc)に基づいて可変容量を行う可変容量手段(5)を備えることを特徴とするコモンレール式電子噴射制御系エンジン。
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