JP5888149B2 - diesel engine - Google Patents
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Description
この発明は、多段噴射可能な燃料噴射システムと排気浄化装置とを備えたディーゼルエンジンに関する。 The present invention relates to a diesel engine including a fuel injection system capable of multi-stage injection and an exhaust purification device.
ディーゼルエンジンにおいて、排気を浄化するための手段として、特許文献1あるいは特許文献2に記載されているように、排気系に酸化触媒とパティキュレートフィルタとを設けた排気浄化装置が知られている。この種の排気浄化装置は、排気中のHCを前記酸化触媒によってH2OとCO 2 に変化させる。また排気中のNOxを前記酸化触媒によって酸化させてNO2に変化させ、このNO2によってパティキュレートフィルタに付着している微粒子(主として炭素)を燃焼させることができる。さらに燃焼音の低減とスモークの排出を抑制するために、メイン噴射による主燃焼の前にパイロット噴射による予備燃焼を行なうことも知られている。
As a means for purifying exhaust gas in a diesel engine, an exhaust gas purification apparatus in which an oxidation catalyst and a particulate filter are provided in an exhaust system is known as described in
前記パイロット噴射は、メイン噴射に先立って圧縮上死点の手前で行なわれるため、パイロット噴射からメイン噴射までの間隔が大きくなると、パイロット噴射によって噴射した燃料の一部がシリンダライナー等に付着することにより、未燃焼ガス(HC)が排気通路に排出される原因となる。排気通路に排出されたHCは、前記酸化触媒によってH2OとCO 2 に変化させることが可能であるが、そのためには酸化触媒が活性化していることが必要である。 Since the pilot injection is performed before the compression top dead center prior to the main injection, if the interval from the pilot injection to the main injection increases, a part of the fuel injected by the pilot injection adheres to the cylinder liner or the like. This causes unburned gas (HC) to be discharged into the exhaust passage. HC discharged into the exhaust passage can be changed into H 2 O and CO 2 by the oxidation catalyst, but for this purpose, the oxidation catalyst needs to be activated.
酸化触媒が活性温度に達していない場合、排気中のHCを減らす手段として、パイロット噴射の時期をメイン噴射に近付けることが考えられる。しかしパイロット噴射からメイン噴射が行なわれるまでの間隔が短いと、パイロット噴射によって噴射された燃料の燃焼が活発な状態でメイン噴射が行なわれるため拡散燃焼割合が増加し、スモークが増える原因となる。 When the oxidation catalyst has not reached the activation temperature, it is conceivable that the pilot injection timing is brought close to the main injection as a means for reducing HC in the exhaust gas. However, if the interval from pilot injection to main injection is short, main injection is performed in a state where combustion of fuel injected by pilot injection is active, so that the diffusion combustion ratio increases and smoke increases.
前記特許文献1に記載されている燃焼制御装置は、酸化触媒やパティキュレートフィルタの温度低下と過昇温を防ぐためにメイン噴射の時期を変更しており、特許文献2に記載されている排気浄化装置は、酸化触媒の温度に応じてメイン噴射の時期を変更している。いずれの場合もメイン噴射の時期を変えており、触媒温度に応じてパイロット噴射の時期を変更することは行なわれていない。
The combustion control device described in
従って本発明が解決しようとする課題は、メイン噴射の時期を変更せずともHCとスモークの排出を抑制することが可能なディーゼルエンジンを提供することにある。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a diesel engine capable of suppressing the discharge of HC and smoke without changing the timing of main injection.
本発明は、燃料を噴射するメイン噴射と、該メイン噴射前でピストンが圧縮上死点に達する前に前記メイン噴射よりも少ない量の燃料を噴射するパイロット噴射と、を行なう燃料噴射システムを備えたディーゼルエンジンであって、排気通路内に配置された酸化触媒と、前記排気通路内で前記酸化触媒の下流側に設けられたパティキュレートフィルタと、前記酸化触媒の温度を検出または推定する触媒温度獲得手段と、前記触媒温度獲得手段によって得られた前記酸化触媒の温度を該酸化触媒が活性化する温度である所定温度と比較し、前記酸化触媒の温度が前記所定温度以下であれば前記パイロット噴射の時期を所定値よりも遅角側の初期値に設定し拡散燃焼割合が増加するよう前記パイロット噴射を行ない、前記酸化触媒の温度が前記所定温度を越えると前記パイロット噴射の時期を前記初期値から前記所定値まで進角させ予混合燃焼割合が増加するよう1回以上の前記パイロット噴射を行なう制御手段とを具備している。 The present invention includes a fuel injection system that performs main injection that injects fuel and pilot injection that injects a smaller amount of fuel than the main injection before the piston reaches compression top dead center before the main injection. A diesel engine, an oxidation catalyst disposed in the exhaust passage, a particulate filter provided downstream of the oxidation catalyst in the exhaust passage, and a catalyst temperature for detecting or estimating the temperature of the oxidation catalyst The acquisition means and the temperature of the oxidation catalyst obtained by the catalyst temperature acquisition means are compared with a predetermined temperature which is a temperature at which the oxidation catalyst is activated. If the temperature of the oxidation catalyst is equal to or lower than the predetermined temperature, the pilot the timing of the injection performs the pilot injection so that diffusion combustion ratio is set to an initial value of the retard side of the predetermined value increases, the temperature of the oxidation catalyst is the plant And a control means for performing one or more of the pilot injection to the timing of the premixed combustion ratio is advanced from the initial value to the predetermined value of the pilot injection exceeds the temperature increases.
前記所定温度の一例は酸化触媒が活性化する温度である。前記制御手段は、該ディーゼルエンジンの負荷が大きいほど前記パイロット噴射の前記初期値と前記所定値とをそれぞれ進角側に設定してもよい。前記制御手段は、前記パイロット噴射の時期にかかわらず圧縮上死点を過ぎた一定の時期において前記メイン噴射を行ってもよい。また前記酸化触媒によって排気中のNOxを酸化させてNO2に変化させ、このNO2によって前記パティキュレートフィルタに付着しているスモーク成分を燃焼させてもよい。 An example of the predetermined temperature is a temperature at which the oxidation catalyst is activated. The control means may set the initial value and the predetermined value of the pilot injection to the advance side as the load on the diesel engine increases. The control means may perform the main injection at a fixed time after the compression top dead center regardless of the time of the pilot injection. Also the by oxidizing varied to NO 2 to NOx in the exhaust gas by the oxidation catalyst, this NO 2 may be by burning smoke components adhered to the particulate filter.
本発明によれば、メイン噴射とパイロット噴射を行なうことができる多段噴射可能な燃料噴射システムを備えたディーゼルエンジンにおいて、触媒温度に応じてパイロット噴射の時期を遅角側の初期値あるいは進角側の所定値に変化させることにより、HCとスモークの排出を抑制することが可能である。 According to the present invention, in a diesel engine having a fuel injection system capable of multi-stage injection capable of performing main injection and pilot injection, the timing of pilot injection is set to the initial value on the retarded side or the advanced side according to the catalyst temperature. It is possible to suppress the discharge of HC and smoke by changing to the predetermined value.
以下に本発明の1つの実施形態について、図1から図3を参照して説明する。
図1は、ディーゼルエンジン10を模式的に示している。このディーゼルエンジン10は、エンジン本体11と、吸気系12と、排気系13と、コモンレール式燃料噴射システム14と、排気浄化装置15と、車載コンピュータ等を用いたコントロールユニット(ECU)として機能する制御部16などを備えている。
Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
FIG. 1 schematically shows a
エンジン本体11は、シリンダライナー20と、ピストン21と、燃焼室22と、クランク23などを含んでいる。吸気系12は、吸気通路25と、ターボチャージャ26のコンプレッサと、吸気絞り弁27と、吸気弁28などを含んでいる。
The
コモンレール式燃料噴射システム14は、加圧された燃料を蓄えるコモンレール30と、エンジン本体11の各気筒ごとに設けられた燃料噴射弁(インジェクタ)31と、燃料を加圧してコモンレール30に供給する燃料ポンプ32などを備えている。コモンレール30は、燃料ポンプ32によって加圧された燃料を蓄える蓄圧機能を有している。コモンレール30と燃料ポンプ32は燃料供給管33によってつながれている。
The common rail fuel injection system 14 includes a
コモンレール30には、各気筒の燃料噴射弁31に燃料を供給するための複数の吐出ポート30aが形成されている。図1では吐出ポート30aと燃料噴射弁31とがそれぞれ1つのみ示されているが、実際にはコモンレール30の各吐出ポート30aのそれぞれに、燃料供給路34を介して各気筒の燃料噴射弁31が接続され、各燃料噴射弁31に燃料が供給されるようになっている。
The
燃料噴射弁31は、先端にノズル孔を有するボデー31aと、前記ノズル孔を開閉するニードル形の弁体31bと、弁体31bを駆動する弁体駆動部31cなどを備えている。弁体駆動部31cは制御部16によって制御される。燃料ポンプ32は、コモンレール30の燃料圧力が所望の値となるように、制御部16によって吐出量が制御される。
The
排気系13は、排気弁40と、排気通路41と、前記ターボチャージャ26のタービンと、排気浄化装置15の一部をなす酸化触媒50と、酸化触媒50の下流側に配置されたパティキュレートフィルタ(DPF:diesel particulate filter)51を含んでいる。酸化触媒50とパティキュレートフィルタ51は、排気系13の一部をなすDPFハウジング52内の排気通路41aに収容されている。パティキュレートフィルタ51は排気中のスモーク成分である粒子状物質(パティキュレートマタ−)を捕集する機能を有している。
The
酸化触媒50の上流側と下流側に、それぞれ排気温度センサ55,56が配置されている。前記制御部16は、これら排気温度センサ55,56によって検出される酸化触媒50の上流側温度と下流側温度に基いて、酸化触媒50の温度を推定する。すなわち排気温度センサ55,56と制御部16とは、酸化触媒50の温度を推定するための触媒温度獲得手段を構成している。なお触媒温度獲得手段として、酸化触媒50の温度を直接検出することが可能な温度センサを使用し、この温度センサの出力を制御部16に入力してもよい。
酸化触媒50は、例えばセラミック等の触媒担持体と、白金やバナジウム化合物等からなる触媒を有している。この触媒が活性化する温度(活性開始温度)の一例は250℃である。酸化触媒50の温度が活性開始温度を越えていれば、排気中のNOが効率良く酸化されてNO2に変化する。このNO2によって、パティキュレートフィルタ51に付着しているスートなどの粒子状物質を比較的低温度(例えば250〜350℃)で燃焼させることができる。
The
制御部16は、エンジン10の運転状態に応じて燃料噴射弁31の噴射量および噴射時期を制御する機能を有し、メイン噴射と、少なくとも1回のパイロット噴射を行なうようになっている。ここで言うメイン噴射とは、ピストン21の圧縮上死点付近または圧縮上死点後に主燃焼のための燃料を燃焼室22に向けて噴射する燃料噴射動作であり、その噴射時期はクランクの上死点位置からの角度に対応している。パイロット噴射は、メイン噴射前でかつピストン21が圧縮上死点に達する前に、メイン噴射よりも少ない量の燃料を予備燃焼のために噴射する燃料噴射動作であり、その噴射時期はクランクの上死点位置からの角度に対応している。なお、パイロット噴射が2回以上に分けて行なわれてもよい。
The
次に、排気浄化装置15を備えたディーゼルエンジン10の作用について説明する。
図2は、制御部16によるパイロット噴射処理の一例を示すフローチャートである。制御手段として機能する制御部16には、この処理を実行するCPU(Central Processing Unit))のためのコンピュータプログラムが格納されている。図2に示されたパイロット噴射処理は、エンジンの始動後に開始される。
Next, the operation of the
FIG. 2 is a flowchart showing an example of pilot injection processing by the
図2中のステップS1において、排気通路41を通る排気の温度が排気温度センサ55,56によって検出され、ステップS2に進む。ステップS2では、排気温度センサ55,56によって検出された排気温度に基いて酸化触媒50の温度が推定される。なお、酸化触媒50の温度を直接検出可能な温度センサを使用する場合には、その検出温度が制御部16に入力される。
In step S1 in FIG. 2, the temperature of the exhaust gas passing through the
図2のステップS3において、制御部16は、前記ステップS2によって検出または推定された触媒温度を所定温度と比較する。ここで所定温度の一例は、酸化触媒50の活性開始温度(触媒が活性を示し始める温度)である。触媒に白金やバナジウム化合物を用いる場合の所定温度の一例は250℃であるが、使用する触媒の性質に応じて所定温度が設定される。
In step S3 of FIG. 2, the
ステップS3において、前記触媒温度が所定温度以下(ステップS3で“NO”)であると判断されれば、ステップS4に進む。ステップS4では、パイロット噴射時期が下記の初期値(例えば上死点前の20°〜50°)に設定される。すなわちこの初期値は、エンジン始動時や車両の走行と停止が頻繁に繰り返される場合のように酸化触媒50が活性化していない状態においてパイロット噴射を行なう時期である。
If it is determined in step S3 that the catalyst temperature is equal to or lower than the predetermined temperature (“NO” in step S3), the process proceeds to step S4. In step S4, the pilot injection timing is set to the following initial value (for example, 20 ° to 50 ° before top dead center). In other words, this initial value is the time when pilot injection is performed in a state where the
前記ステップS3において、触媒温度が前記所定温度を越えている(ステップS3で“YES”)と判断されれば、ステップS5に進む。ステップS5では、パイロット噴射時期が前記初期値よりも進角されて下記の所定値に設定される。すなわちこの所定値は、酸化触媒50が活性化している状態においてパイロット噴射を行なう時期である。
If it is determined in step S3 that the catalyst temperature exceeds the predetermined temperature (“YES” in step S3), the process proceeds to step S5. In step S5, the pilot injection timing is advanced from the initial value and set to the following predetermined value. That is, this predetermined value is a time when pilot injection is performed in a state where the
例えば図3に模式的に示すように、低負荷時にはパイロット噴射時期の前記初期値と前記所定値とは、それぞれ圧縮上死点前でかつメイン噴射に近くなるように設定され、高負荷になるほどメイン噴射に対して進角側に移動するように設定される。メイン噴射の時期(クランクの上死点位置からの角度)はパイロット噴射の時期にかかわらず一定であり、圧縮上死点後の一定の時期に設定される。なお、エンジンの運転状況に応じてメイン噴射の時期を変化させてもよい。 For example, as schematically shown in FIG. 3, when the load is low, the initial value and the predetermined value of the pilot injection timing are set to be close to the main injection before the compression top dead center, and as the load increases. It is set to move to the advance side with respect to the main injection. The main injection timing (angle from the top dead center position of the crank) is constant regardless of the pilot injection timing, and is set to a constant timing after compression top dead center. Note that the timing of main injection may be changed according to the operating state of the engine.
図3の例では、低負荷域(例えばトルクが0〜100N・m未満)において、パイロット噴射の初期値が上死点前の20°、進角後の所定値が上死点前の40°に設定される。負荷が上昇して中負荷域(例えば100N・m以上、180N・m未満)になると、初期値が上死点前の40°、進角後の所定値が上死点前の60°に設定される。さらに高負荷域(例えば180N・m以上)では、初期値が上死点前の50°、進角後の所定値が上死点前の70°に設定される。このように制御部16は、エンジンの負荷が大きいほど、パイロット噴射の初期値と所定値の進角度の度合いがそれぞれ増加するように噴射時期を設定する。前記ステップS4またはステップS5が行なわれたのち、再びステップS1に戻り、ステップS1〜S4,S5までの一連の処理が繰返される。
In the example of FIG. 3, in a low load region (for example, torque is less than 0 to 100 N · m), the initial value of pilot injection is 20 ° before top dead center, and the predetermined value after advance is 40 ° before top dead center. Set to When the load increases and reaches the middle load range (for example, 100 N · m or more and less than 180 N · m), the initial value is set to 40 ° before top dead center, and the predetermined value after advance is set to 60 ° before top dead center. Is done. Further, in a high load range (for example, 180 N · m or more), the initial value is set to 50 ° before top dead center, and the predetermined value after advance is set to 70 ° before top dead center. Thus, the
前記したようにステップS4では、排気温度が低く酸化触媒50の温度が低いときに、パイロット噴射時期を上死点寄りの初期値に設定する。この場合、パイロット噴射によって噴射された燃料がシリンダライナー20に付着する量が少なくなるため、HCの排出量はパイロット噴射が進角側の前記所定値で行なわれる場合よりも減少する。しかしその反面、パイロット噴射によって噴射された燃料の燃焼が活発な状態でメイン噴射が行なわれるため拡散燃焼割合が増加し、スモークが増える傾向がある。
As described above, in step S4, when the exhaust gas temperature is low and the temperature of the
スモークに含まれる微粒子等のスモーク成分(主に炭素)は、パティキュレートフィルタ51によって捕集される。エンジンの運転によって排気温度が上昇し、酸化触媒50が活性化すると、排気中のNOxが酸化触媒50によって酸化されてNO2に変化する。パティキュレートフィルタ51に付着していたスモーク成分がこのNO2によって比較的低温(例えば250℃〜350℃前後)で燃焼し、CO2に変化する。酸化触媒50の酸素の変換効率は、ある温度域(例えば250℃以上の活性温度域)で最大となるから、排気温度がこの温度域にあればNO2によって煤が燃焼し、パティキュレートフィルタ51の連続再生が行なわれる。
Smoke components (mainly carbon) such as fine particles contained in the smoke are collected by the
一方、前記ステップS5では、酸化触媒50の温度が前記所定温度を越えていることにより、パイロット噴射が進角側の所定値に設定される。このためパイロット噴射は前記初期値よりも進角側に移動した時期に行なわれる。この場合、パイロット噴射時期とメイン噴射時期との間隔が大きくなるため、パイロット噴射によって噴射された燃料の一部がシリンダライナーに付着しやすく、その分、HCの量が増える可能性がある。しかしこのHCは、酸化触媒50が活性化していることにより、酸化触媒50によってH2OとCO2に変化させることができるため、大気中にHCが排出されてしまうことを抑制できる。
On the other hand, in step S5, since the temperature of the
前記ステップS5では、パイロット噴射を行なう時期(前記所定値)とメイン噴射を行なう時期との間隔が大きくなっているため、パイロット噴射による予備燃焼後にメイン噴射による主燃焼が行なわれる。このため主燃焼のための着火遅れ時間が確保され、主燃焼の予混合燃焼割合が高くなることにより、燃焼が良好となってスモークの排出を少なくすることができる。このため、パイロット噴射を行なっても、パティキュレートフィルタ51にスモーク成分が堆積する量が増加することを抑制できる。
In step S5, since the interval between the timing of performing pilot injection (the predetermined value) and the timing of performing main injection is large, main combustion by main injection is performed after preliminary combustion by pilot injection. For this reason, the ignition delay time for the main combustion is ensured, and the premixed combustion ratio of the main combustion becomes high, so that the combustion becomes good and the smoke emission can be reduced. For this reason, even if pilot injection is performed, an increase in the amount of smoke components deposited on the
なお本発明を実施するに当たって、メイン噴射やパイロット噴射を行なう燃料噴射システムや制御手段をはじめとして、酸化触媒やパティキュレートフィルタ、触媒温度獲得手段など排気浄化装置を構成する要素を適宜変更して実施できることは言うまでもない。またエンジンの運転状況に応じてメイン噴射の時期を変更してもよいし、パイロット噴射を2回以上に分けて行なってもよい。 In implementing the present invention, the fuel injection system for performing main injection and pilot injection, the control means, the oxidation catalyst, the particulate filter, the catalyst temperature acquisition means, and other elements constituting the exhaust purification device are appropriately changed. Needless to say, you can. Further, the timing of the main injection may be changed according to the operating state of the engine, or the pilot injection may be performed in two or more times.
10…ディーゼルエンジン、14…燃料噴射システム、15…排気浄化装置、16…制御部(制御手段)、30…コモンレール、31…燃料噴射弁、32…燃料ポンプ、41,41a…排気通路、50…酸化触媒、51…パティキュレートフィルタ、55,56…排気温度センサ(触媒温度獲得手段)。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
排気通路内に配置された酸化触媒と、
前記排気通路内で前記酸化触媒の下流側に設けられたパティキュレートフィルタと、
前記酸化触媒の温度を検出または推定する触媒温度獲得手段と、
前記触媒温度獲得手段によって得られた前記酸化触媒の温度を該酸化触媒が活性化する温度である所定温度と比較し、前記酸化触媒の温度が前記所定温度以下であれば前記パイロット噴射の時期を所定値よりも遅角側の初期値に設定し拡散燃焼割合が増加するよう前記パイロット噴射を行ない、前記酸化触媒の温度が前記所定温度を越えると前記パイロット噴射の時期を前記初期値から前記所定値まで進角させ予混合燃焼割合が増加するよう前記パイロット噴射を行なう制御手段と、
を具備したことを特徴とするディーゼルエンジン。 A diesel engine including a fuel injection system that performs main injection for injecting fuel and pilot injection for injecting a smaller amount of fuel than the main injection before the piston reaches compression top dead center before the main injection. There,
An oxidation catalyst disposed in the exhaust passage;
A particulate filter provided on the downstream side of the oxidation catalyst in the exhaust passage;
Catalyst temperature acquisition means for detecting or estimating the temperature of the oxidation catalyst;
The temperature of the oxidation catalyst obtained by the catalyst temperature acquisition means is compared with a predetermined temperature that is the temperature at which the oxidation catalyst is activated. If the temperature of the oxidation catalyst is equal to or lower than the predetermined temperature, the timing of the pilot injection is determined. The pilot injection is performed so as to increase the diffusion combustion rate by setting an initial value that is retarded from a predetermined value, and when the temperature of the oxidation catalyst exceeds the predetermined temperature, the pilot injection timing is changed from the initial value to the predetermined value. Control means for performing the pilot injection so as to advance to a value and increase the premixed combustion rate
A diesel engine characterized by comprising:
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