JP6686533B2

JP6686533B2 - ディーゼル機関システム

Info

Publication number: JP6686533B2
Application number: JP2016039586A
Authority: JP
Inventors: 伸哉古川
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2020-04-22
Anticipated expiration: 2036-03-02
Also published as: JP2017155651A

Description

本発明は、ディーゼル機関システムに関し、詳しくは、気筒に水分を供給することで排気中のＮＯｘを低減可能なディーゼル機関システムに関する。

従来、ディーゼル機関から排出される排気中のＮＯｘを低減する手法として、ディーゼル機関の気筒に水分を供給することで、比熱の増加や水の吸熱分解の効果によって燃焼温度を低下させて、ＮＯｘを低減する手法が知られている（例えば特許文献１参照）。具体的には特許文献１には、吸入行程及び圧縮行程の少なくとも一方において、ディーゼル機関の運転状態に応じて気筒に水蒸気を直接供給することで、燃料の燃焼温度を低下させて、ＮＯｘを低減する技術が開示されている。

特開２００８−１１５７２２号公報

ところで、ディーゼル機関の気筒に供給される水分の供給量が少な過ぎる場合、ＮＯｘの低減効果は小さくなると考えられる。一方、この水分の供給量が多過ぎる場合、気筒に供給された多量の水分によって、燃焼状態が大幅に悪化すると考えられる。そのため、燃焼状態を大幅に悪化させずに、ＮＯｘの十分な低減効果が得られるような適正な量の水分を気筒に供給することが望まれる。しかしながら、従来、このような適正な量の水を気筒に供給するための技術は開発されていなかった。

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、燃焼状態を大幅に悪化させずに、ＮＯｘの十分な低減効果を得ることができるディーゼル機関システムを提供することである。

上記の目的を達成するための本発明のディーゼル機関システムは、ディーゼル機関の気筒内の吸気質量を取得する筒内吸気質量取得部と、前記筒内吸気質量取得部の指示を受けて作動して、前記気筒内に水分を供給する水供給システムと、を備え、前記筒内吸気質量取得部は、取得した前記吸気質量に基づいて、取得した前記吸気質量の５質量％以上１０質量％以下の水分が前記ディーゼル機関の前記気筒内に供給されるように前記水供給システムを制御することを特徴とする。

本発明に係るディーゼル機関システムによれば、ディーゼル機関の気筒内の吸気質量の５質量％以上１０質量％以下の水分をディーゼル機関の気筒内に供給することができるので、燃焼状態を大幅に悪化させずに、ＮＯｘの十分な低減効果を得ることができる。

上記構成において、前記水供給システムは、前記水分を前記ディーゼル機関の前記気筒内に供給するにあたり、前記水分を、前記ディーゼル機関の吸気系に供給する、または前記気筒内に直接供給する構成とすることができる。

本発明によれば、燃焼状態を大幅に悪化させずに、ＮＯｘの十分な低減効果を得ることができる。

実施形態に係るディーゼル機関システムの構成を示す概略図である。実施形態に係る制御装置による水供給システムの制御の一例を示すフローチャートである。実施形態の変形例に係るディーゼル機関システムの構成を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態に係るディーゼル機関システム１について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係るディーゼル機関システム１の構成を示す概略図である。このディーゼル機関システム１は、車両に搭載されている。この車両の種類は特に限定されるものではないが、本実施形態においては一例としてバス、トラック等の大型車両を用いる。

ディーゼル機関システム１は、ディーゼル機関１０、吸気系２０、排気系３０、燃料供給系４０、センサ類５０、制御装置６０、及び水供給システム７０を備えている。ディーゼル機関１０は複数の気筒１１を備えている。気筒１１の個数は特に限定されるものではないが、本実施形態では一例として４つである。

吸気系２０は、吸気が通過する吸気通路２１を備えている。吸気通路２１の下流側端部は分岐して各気筒１１の吸気ポートに接続している。排気系３０は、排気が通過する排気通路３１を備えている。排気通路３１の上流側端部は分岐して各気筒１１の排気ポートに接続している。

燃料供給系４０は、燃料タンク４１、燃料通路４２、及び複数個の燃料噴射弁４３を備えている。燃料タンク４１には燃料（本実施形態では軽油）が貯留されている。燃料通路４２は、燃料タンク４１の燃料を各燃料噴射弁４３に供給するための通路である。燃料噴射弁４３は、各気筒１１にそれぞれ配置されており、各気筒１１に向けて燃料を直接噴射する。なお、各燃料噴射弁４３の動作は制御装置６０が制御している。

センサ類５０は、制御装置６０の動作に用いられる各種情報を検出するための検出装置類である。図１では、センサ類５０の一例として、ディーゼル機関１０の吸気量を検出する吸気量センサ５１が例示されている。この吸気量センサ５１は、吸気通路２１の合流した部分（吸気マニホールドよりも上流側の部分）に配置されており、この部分を通過する吸気の量を検出して、検出結果を制御装置６０に伝える。なお、ディーゼル機関システム１は、センサ類５０として、吸気量センサ５１の他に、ディーゼル機関１０のクランク角を検出するクランク角センサや、ディーゼル機関１０の回転数を検出する回転数センサ等の種々のセンサを有している。

制御装置６０は、ディーゼル機関システム１を統合的に制御する制御装置である。具体的には制御装置６０は、各々の燃料噴射弁４３を制御することでディーゼル機関１０の運転状態を制御する。また制御装置６０は、後述する水供給システム７０の制御装置としての機能も兼務している。この制御装置６０は、各種制御処理や演算処理等を実行するＣＰＵと、ＣＰＵの動作に用いられる各種情報を記憶する記憶部としての機能を有するＲＯＭ、ＲＡＭ等とを有するマイクロコンピュータを備えている。

水供給システム７０は、ディーゼル機関１０の気筒１１内に水分を供給するためのシステムである。本実施形態に係る水供給システム７０は、気筒１１内に水分を供給するにあたり、ディーゼル機関１０の吸気系２０に水分を供給することで、この供給された水分を吸気によって各気筒１１内に供給している。

具体的には水供給システム７０は、水タンク７１、水供給通路７２、及び水供給部７３を備えている。水タンク７１は、水を貯留するタンクである。水供給通路７２は、水タンク７１の水を水供給部７３に供給するための通路である。

水供給部７３は、制御装置６０の指示を受けて作動して、水分を供給する。具体的には本実施形態の水供給部７３は、吸気系２０の吸気通路２１の途中、より具体的には吸気通路２１の合流部分（吸気マニホールドよりも上流側の部分）に配置されている。また、水供給部７３は、水を噴霧状にして噴射する噴霧器によって構成されている。この水供給部７３としての噴霧器は、制御装置６０の指示を受けて作動して、水タンク７１から水供給通路７２を介して供給された水分を吸気通路２１内の吸気に向けて、噴霧状にして供給する。

続いて制御装置６０による水供給システム７０の制御の詳細について説明する。図２は、制御装置６０による水供給システム７０の制御の一例を示すフローチャートである。制御装置６０が図２のフローチャートを実行する時期は、ディーゼル機関１０の始動後であれば特に限定されるものではなく、例えば、ディーゼル機関１０の始動開始とともに所定間隔で繰り返し実行してもよく、ディーゼル機関１０の始動後において所定の条件が満たされた場合に所定回数だけ実行してもよく、あるいは他の時期に実行してもよい。本実施形態に係る制御装置６０は、一例として、図２のフローチャートをディーゼル機関１０の始動開始とともに、所定間隔で繰り返し実行する。また図２の各ステップは、制御装置６０のＣＰＵによって実行される。

まず制御装置６０は、ディーゼル機関１０の気筒１１内の吸気質量（ｋｇ）を取得する（ステップＳ１０）。この吸気質量の具体的な手法は特に限定されるものではないが、本実施形態に係る制御装置６０は、一例として、吸気量センサ５１の検出結果に基づいて、この吸気質量を取得する。

具体的には、この場合、制御装置６０の記憶部（例えばＲＯＭ等）には、吸気量センサ５１の検出した吸気量（ｋｇ／ｓ）から各気筒１１の吸気質量を算出するためのマップ又は演算式が予め設定されている。制御装置６０は、吸気量センサ５１の検出結果を取得し、このマップ又は演算式を参照することで、気筒１１内の吸気質量を取得する。

なお、上述した吸気質量の取得手法は一例に過ぎず、ステップＳ１０の具体的な実行内容はこれに限定されるものではない。他の一例を挙げると、例えば制御装置６０は、スロットルバルブ（吸気通路２１に配置されて吸気量を調整するバルブ）の開度をスロットルバルブポジションセンサの検出結果に基づいて取得し、この取得された開度から所定のマップや演算式を用いて気筒１１内の吸気質量を取得することもできる。

次いで制御装置６０は、ステップＳ１０で取得された吸気質量の５質量％以上１０質量％以下の水分がディーゼル機関１０の気筒１１内に供給されるように、水供給部７３を制御する（ステップＳ２０）。具体的には制御装置６０は、水供給部７３としての噴霧器を開弁させて、ステップＳ１０で取得された吸気質量の５質量％以上１０質量％以下の範囲内の水分を吸気通路２１に噴射させる。

より具体的には、制御装置６０の記憶部（例えばＲＯＭ等）には、水供給部７３としての噴霧器の開弁時間と、この噴霧器から噴射される水分の質量とを関連付けて規定したマップまたは演算式が予め記憶されている。制御装置６０は、ステップＳ１０で取得された吸気質量の５質量％以上１０質量％以下の範囲内の水分が得られるような噴霧器の開弁時間を上記マップまたは演算式に基づいて取得し、この取得された開弁時間の間、噴霧器を開弁させる。この供給された水分は吸気によって気筒１１内に運搬される。このようにして水供給システム７０は、気筒１１内の吸気質量の５質量％以上１０質量％以下の範囲内の水分を気筒１１内に供給している。

なお、ステップＳ２０において、制御装置６０が水供給部７３に実際に水分を供給させる時期は特に限定されるものではなく、例えば各気筒１１の吸気行程時でもよく、これ以外の時期でもよい。仮に、吸気行程時以外の時期に水供給部７３が水分を供給する場合であっても、吸気通路２１内に供給された水分は次の吸気行程時において気筒１１内に運搬されるので問題は生じない。

なお、ステップＳ１０を実行する制御装置６０のＣＰＵは、気筒１１内の吸気質量を取得する筒内吸気質量取得部としての機能を有する部材に相当する。ステップＳ２０を実行する制御装置６０のＣＰＵは、筒内吸気質量取得部によって取得された吸気質量の５質量％以上１０質量％以下の水分がディーゼル機関１０の気筒１１内に供給されるように水供給システム７０の水供給部７３を制御する水供給部制御部としての機能を有する部材に相当する。

以上説明したように、本実施形態によれば、ディーゼル機関１０の気筒１１内の吸気質量の５質量％以上１０質量％以下の水分を、吸気によってディーゼル機関１０の気筒１１内に供給することができる。ここで、気筒１１内に水分が供給されることで、比熱の増加と水の吸熱分解の効果とによって燃焼温度を低下させて、ＮＯｘの量を低減させることができる。しかしながら、この気筒１１内に供給される水分の供給量が少な過ぎる場合、ＮＯｘの低減効果は小さくなってしまう。一方、気筒１１内に供給される水分の供給量が多過ぎる場合、今度は、燃料の燃焼状態が大幅に悪化して、燃焼時の熱発生率が大幅に低下してしまう。

これに関して、本発明者の研究により、ディーゼル機関１０の気筒１１内の吸気質量の５質量％以上１０質量％以下の水分を気筒１１内に供給するのであれば、燃焼状態をほとんど悪化させずに、ＮＯｘの十分な低減効果を図ることができることが分かった。具体的には、ディーゼル機関１０の気筒１１内の吸気質量の５質量％以上１０質量％以下の水分を気筒１１内に供給する場合、ディーゼル機関１０に水分を供給しない場合に比較して、熱発生率をほとんど低下させることなく、ＮＯｘの排出量を約７０％以下にまで低下させることができることが分かった。

したがって、本実施形態のようにディーゼル機関１０の気筒１１内の吸気質量の５質量％以上１０質量％以下の水分をディーゼル機関１０の気筒１１内に供給することにより、燃焼状態を大幅に悪化させずに、ＮＯｘの十分な低減効果を得ることができる。

（実施形態の変形例）
上記実施形態において、水供給システム７０の水供給部７３は吸気系２０に水分を供給しているが、水供給システム７０の構成はこれに限定されるものではない。図３は実施形態の変形例に係るディーゼル機関システム１ａの構成を示す概略図である。本変形例に係るディーゼル機関システム１ａの水供給システム７０ａは、水供給部７３ａが各気筒１１内に水分を直接供給するように構成されている点において、図１に示す水供給システム７０と異なっている。具体的には、各々の水供給部７３ａは各気筒１１に配置されており、制御装置６０の指示を受けて、各気筒１１内に水分を噴射する。なお、水供給部７３ａも水供給部７３と同様に、噴霧器によって構成されている。水供給システム７０ａの他の構成は水供給システム７０と同様である。

本変形例に係る制御装置６０も、図２のフローチャートを実行する。これにより、水供給部７３ａは、ステップＳ２０において、ステップＳ１０で取得された吸気質量の５質量
％以上１０質量％以下の水分を各気筒１１内に直接供給する。

本変形例に係るディーゼル機関システム１ａにおいても、気筒１１内の吸気質量の５質量％以上１０質量％以下の水分を気筒１１内に供給することができるので、前述したディーゼル機関システム１と同様に、燃焼状態を大幅に悪化させずに、ＮＯｘの十分な低減効果を得ることができる。

以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ディーゼル機関システム
１０ディーゼル機関
１１気筒
２０吸気系
５０センサ類
６０制御装置（筒内吸気質量取得部）
７０水供給システム
７１水タンク
７２水供給通路
７３水供給部

Claims

ディーゼル機関の気筒内の吸気質量を取得する筒内吸気質量取得部と、
前記筒内吸気質量取得部の指示を受けて作動して、前記気筒内に水分を供給する水供給システムと、
を備え、
前記筒内吸気質量取得部は、取得した前記吸気質量に基づいて、取得した前記吸気質量の５質量％以上１０質量％以下の水分が前記ディーゼル機関の前記気筒内に供給されるように前記水供給システムを制御することを特徴とするディーゼル機関システム。
前記水供給システムは、前記水分を前記ディーゼル機関の前記気筒内に供給するにあたり、前記水分を、前記ディーゼル機関の吸気系に供給する、または前記気筒内に直接供給する請求項１記載のディーゼル機関システム。