JP2003129890A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Abstract
射圧を可変なディーゼルエンジンにおいて、排気浄化装
置の活性化や再生のため空気過剰率を減少制御するとき
に、目標主噴射時期を進角補正し、目標副噴射量を増量
補正し、目標噴射圧を増圧補正して設定する。これによ
り、熱発生率が最大となる位置を一定に保持でき、燃焼
変動を防止できる。
Description
化等のため空気過剰率を減少制御するときに、燃焼性を
安定化する技術に関する。
は、燃焼圧(筒内圧力)センサの出力に基づき燃料噴射
時期を制御することで、空気過剰率の変化による燃焼不
良(燃焼変動)を抑制する技術が開示されている。
来技術は、燃焼変動を燃焼圧センサで検出してから抑制
させるものであるから、燃焼変動を確実に防止すること
ができない。燃焼変動の発生はそれが一瞬であっても運
転者に違和感を与えてしまうといった問題があった。
る発明は、燃焼室に直接燃料を噴射可能で、かつ、噴射
形態が可変な燃料噴射手段と、空気過剰率の減少要求に
応じて熱発生率が最大となるクランク角位置を一定に保
つように前記燃料噴射手段の噴射形態を制御する燃料噴
射制御手段と、を含んで構成したことを特徴とする。
置を備えた内燃機関にあっては、冷間始動直後における
排気浄化装置の早期活性化や排気浄化装置(NOxトラ
ップ触媒)の再生要求などによって、空気過剰率の減少
が要求され、該要求に応じて空気過剰率を減少制御する
場合(単なるエンジン回転速度、負荷等の運転状態変化
によって空気過剰率が変化する場合を除く)がある。こ
の場合、空気過剰率の減少に伴い、筒内の作動ガス量
(吸入空気量とEGR量の総量:図13参照)が減少す
ると、圧縮端温度が低下する。圧縮端温度が低下する
と、燃料の着火性が悪化し、熱発生率が最大となるクラ
ンク角位置(以下単に位置という)が圧縮上死点から遠
ざかる傾向となり、遠ざかり過ぎるといずれは失火して
燃焼変動が生じてしまう(図12参照)。
過剰率の減少に関わらず熱発生率が最大となるクランク
角位置を同じ位置に保つように制御することで、失火を
防止して燃焼変動を確実に防止することができる。ま
た、請求項2に係る発明は、前記燃料噴射制御手段は、
空気過剰率が減少するほど、メイン噴射時期の進角、パ
イロット噴射量の増量、あるいは、噴射圧の増大のうち
少なくとも1つを行うことを特徴とする。
が減少するほど、燃焼圧力上昇が遅れる傾向となるの
を、メイン噴射時期の進角、パイロット噴射量の増量、
あるいは、噴射圧の増大のうち少なくとも1つを行うこ
とで、燃焼圧力上昇が早められ熱発生率が最大となるク
ランク角位置を同じ位置に保つように制御することがで
きる。
系に還流するEGR量を制御するEGR手段を備え、前
記燃料噴射制御手段は、前記空気過剰率の減少に加え、
前記EGR量が減少するほど、メイン噴射時期の進角、
パイロット噴射量の増量、あるいは、噴射圧の増大のう
ち少なくとも1つを行うことを特徴とする。
剰率であっても作動ガス量(圧縮端温度)が異なる場合
がある。例えば、スロットル弁制御のみで空気過剰率を
減少させる場合とEGR弁制御のみで空気過剰率を減少
させる場合とを比較すると、EGR弁制御のみで行う場
合の方が作動ガス量が大きい。したがって、空気過剰率
に加え、EGR弁制御によって決まるEGR量を考慮す
る(空気過剰率は減少してもEGR量が増大するとき
は、その分逆方向に戻す制御を行う)ことで、熱発生率
が最大になるクランク角位置をより正確に同じ位置に保
つことができる。
射制御手段は、前記空気過剰率の減少に加え、酸素濃度
が減少するほど、メイン噴射時期の進角、パイロット噴
射量の増量、あるいは、噴射圧の増大のうち少なくとも
1つを行うことを特徴とする。請求項4に係る発明によ
ると、同じ空気過剰率であっても筒内の酸素濃度が異な
ると燃焼速度が異なる。すなわち、酸素濃度が低下する
ほど酸化反応が起こり難くなって燃焼速度は低下する。
燃焼速度が遅くなると、熱発生率波形は緩やかになり
(図12参照)、熱発生率が最大となるクランク角位置
が圧縮上死点から遠ざかる傾向となる。したがって、空
気過剰率に加えて酸素濃度を考慮して制御することで、
圧縮端温度の低下による熱発生率のズレと、燃焼速度の
低下による熱発生率のズレとを考慮することになり、熱
発生率が最大になるクランク角位置をより正確に同じ位
置に保つことができる。
系に還流するEGR量の吸入空気量に対するEGR率を
制御するEGR手段を備え、前記燃料噴射制御手段は、
前記空気過剰率と前記EGR率とに基づき、メイン噴射
時期の制御、パイロット噴射量の制御、或いは、噴射圧
の制御のうち少なくとも1つを行うことを特徴とする。
転状態や排気浄化装置からの要求に基づき、吸入空気
量、及び、EGR率が決定される。ここで、EGR率=
EGR量/吸入空気量であるから、EGR率と吸入空気
量とからEGR量が決定する。また、図15に示すよう
に、EGR率と酸素濃度とは反比例の関係にあるから、
EGR率が決まると酸素濃度も一義に決定する。
と酸素濃度とを知ることができ、上記の関係(請求項
3,4)を用いて、メイン噴射時期、パイロット噴射
量、及び、噴射圧とを制御することができる。したがっ
て、空気過剰率とEGR率とに基づき、メイン噴射時
期、パイロット噴射量、及び、噴射圧とを制御すること
ができる。
排気通路に配設され、排気中の排気成分を浄化する排気
浄化手段と、前記排気浄化手段の温度を上昇させると
き、あるいは、前記排気浄化手段を再生させるとき、前
記空気過剰率を減少する空気過剰率設定手段と、を備え
ることを特徴とする。
を減少することによって排気温度を上昇させて排気浄化
手段の温度を上昇させることができ、また排気浄化手段
がNOxトラップ触媒で構成されるときは、排気空燃比
をリッチ化することによって触媒にトラップされたNO
xを脱離・還元して再生することができる。
ジンのシステム図である。図に示すように、エンジン本
体1には、コモンレール2、燃料噴射弁3及び図示しな
い燃料ポンプを構成要素とするコモンレール燃料噴射系
が設けられており、高圧の燃料をエンジン本体1に供給
する。前記燃料噴射弁3は、燃焼室に燃料を直接噴射
し、かつ、メイン噴射の前にパイロット噴射が可能であ
り、また、コモンレール2内の設定燃料圧力を変更する
ことにより、燃料噴射圧力(以下噴射圧という)を可変
に制御できる。
に接続されており、駆動されて圧縮空気をエンジン本体
1に供給する。過給機4のタービン4bは排気通路6に
接続されており、エンジン本体1からの排気により回転
されて前記コンプレッサ4aを駆動する。なお、本実施
形態においては、過給機4として可変容量型のものを用
いており、低速域においてはタービン4b側に設けられ
た可変ノズルを絞ってタービン効率を高め、高速域にお
いては前記可変ノズルを開いてタービン容量を拡大させ
ることにより、広い運転領域で高い過給効果を得ること
ができる。
ッサ4aの上流側に配設されたエアフローメータ7と、
吸気絞り弁8とが設けられている。吸気絞り弁8は、例
えば、ステップモータを用いて開度変更が可能な電子制
御式のものであり、その開度に応じてエンジン本体1に
吸入される吸入空気量を制御する。
のタービン4bとの間から分岐して吸気通路5に接続す
るEGR通路9と、該EGR通路9に介装されたEGR
弁10と、前記過給機4のタービン4bの下流側に配設
されたNOxトラップ触媒11及びHC吸着機能付き酸
化触媒12が設けられている。前記EGR弁10は、例
えば、ステップモータを用いた電子制御式のものであ
り、その開度に応じて吸気側に還流する排気の量、すな
わち、エンジン本体1に吸入されるEGR量を制御す
る。
NOxをトラップしつつ還元浄化し、HC吸着機能付き
酸化触媒12は低温時に排気中のHCを吸着しつつH
C、COを酸化して浄化する。各種状態を検出するセン
サとして、吸入空気量Qaを検出する前記エアフローメ
ータ7の他、エンジン回転速度Neを検出する回転速度
センサ13、アクセル開度を検出するアクセル開度セン
サ14、冷却水温Twを検出する水温センサ15、前記
NOxトラップ触媒11及びHC吸着機能付き酸化触媒
12の温度を検出する熱電対16,17、前記コモンレ
ール2内の燃料圧力(すなわち、燃料噴射圧)を検出す
るレール圧センサ18等が設けられる。
ンサからの検出信号および補機類21からの信号に基づ
いて燃料噴射量Qf、噴射時期ITを設定して前記燃料
噴射弁3の駆動を制御すると共に、前記吸気絞り弁8及
びEGR弁10の開度制御を行う。特に、本発明に係る
制御として、前記NOxトラップ触媒11及びHC吸着
機能付き酸化触媒12を低温時に活性化するときなど
に、排気温度を上昇させるように空気過剰率を減少させ
る際に、燃料の噴射形態を可変制御して熱発生率が最大
となるクランク角位置を一定に保つことにより燃焼を安
定化させて変動を防止する。
図2に示したフローチャートに従って説明する。ステッ
プ1では、エンジン回転速度Ne、燃料噴射量Qf、冷
却水温度Twと、実空気過剰率λ、実EGR率EGRra
teを検出乃至推定する。ここで、空気過剰率λは、エア
フローメータ7で検出される吸入空気量Qacと、燃料噴
射量Qfと、理論空燃比(14.6)とに基づき、λ=(Qac
/Qf)/14.6の演算式によって算出でき、実EGR率
EGRrateは、吸入空気量Qacと、実EGR量Qec[例
えば、EGR弁開度(指令値)から算出可能]とに基づ
き、EGRrate=Qec/Qacの演算式によって算出でき
る。
標主(メイン)噴射時期を算出し、ステップ3では、目
標副(パイロット)噴射時期を算出し、ステップ4で
は、目標噴射圧を算出する。以下、図を参照して具体的
に説明する。目標主噴射時期は、図3に示すように、ま
ず、基本噴射時期を基本的な運転状態(負荷を表す燃料
噴射量Qfとエンジン回転速度Ne)に基づいてマップ
から検索する。同じく運転状態(Qf,Ne)基づいて
マップから検索した基本噴射時期水温補正量を、水温T
wに基づいてテーブルから検索した水温補正係数を乗じ
て最終的な水温補正量を算出し、同様に実空気過剰率λ
に基づきマップ(図4参照)から検索した目標噴射時期
λ補正量と、実EGR率EGRrateに基づきマップ(図
5参照)から検索した目標噴射時期EGR補正量とを算
出し、これら補正量を乗算した総補正量を前記基本噴射
時期に加算することにより、目標主噴射時期IT_sol
を算出する。ここで、実空気過剰率λが減少するほど、
また、実EGR率EGRrateが増大するほど、目標主噴
射時期IT_solは進角方向に大きく補正される。
に、前記目標主噴射時期の算出と同様に、基本的な運転
状態(Qf,Ne)に基づいてマップから検索した基本
副噴射量に、マップ検索した基本噴射量水温補正量と水
温補正係数とを乗じて得た水温補正量と、マップ(図7
参照)から検索した目標副噴射量λ補正量と、マップ
(図8参照)から検索した目標副噴射量EGR補正量
と、を乗じて得た総補正量を加算することにより算出す
る。ここで、実空気過剰率λが減少するほど、また、実
EGR率EGRrateが増大するほど、目標副噴射量Pi
lot_Qは増量方向に大きく補正される。
ように、Qf,Neに基づいてマップ検索した基本噴射
圧副噴射量に、基本噴射圧水温補正量と水温補正係数と
を乗じて得た水温補正量と、マップ(図10参照)から
検索した目標噴射圧λ補正量と、マップ(図11参照)
から検索した目標噴射圧EGR補正量と、を乗じて得た
総補正量を加算することにより算出する。ここで、実空
気過剰率λが減少するほど、また、実EGR率EGRra
teが増大するほど、目標噴射圧Prailは増圧方向に
大きく補正される。
標噴射圧が得られるように、燃料噴射弁のON、OFF
及びコモンレール圧が制御される。この結果、作動ガス
量が減少して着火性が悪化し、酸素濃度が低下して燃焼
速度が低下することによって熱発生率最大となる位置が
圧縮上死点から遠ざかる傾向となるのを、前記主噴射時
期進角、副噴射量増量、噴射圧増圧の各補正量を大きく
することによって圧縮上死点に近づけて、該位置を一定
化することができ、燃焼変動を良好に抑制できる。
えてEGR率増大により、燃料に気化が遅くなる等によ
って着火遅れ期間が長くなる分、噴射時期の進角、副噴
射量の増量、噴射圧の増圧によって、熱発生率が最大と
なる位置を一定に保つことができる。なお、前記主噴射
時期進角、副噴射量増量、噴射圧増圧を全て行う必要は
なく、少なくとも1つを行う構成であればよい。
副噴射量と目標噴射圧の演算に際して、空気過剰率と実
EGR率に基づき補正を行ったが、これに限定されるも
のではなく、空気過剰率と実EGR量とに基づき補正し
てもよい(請求項3に相当)。すなわち、目標主噴射時
期の算出の場合、基本噴射時期と基本噴射時期水温補正
量と目標噴射時期λ補正量とを上記実施形態と同様の方
法で算出するとともに、実EGR量(推定値あるいは検
出値)に基づく目標噴射時期EGR量補正量(実EGR
量が大きいほど小さくなる補正量)を算出し、これら3
つの補正量を乗算した総補正量を前記基本噴射時期に加
算することにより目標噴射時期を算出してもよい。この
場合、主噴射時期は、着火性の観点から、実空気過剰率
が減少するほど作動ガス量が減少するため進角補正し、
その時の実EGR量が大きければ作動ガス量の減少量は
小さいため遅角補正することになる(実空気過剰率に基
づく進角補正量を小さくすることになる)。副噴射量及
び噴射圧の算出についても同様である。
正してもよい(請求項4に相当)。すなわち、目標主噴
射時期の算出の場合、基本噴射時期と基本噴射時期水温
補正量と目標噴射時期λ補正量とを上記実施形態と同様
の方法で算出するとともに、酸素濃度(推定値あるいは
検出値)に基づく目標噴射時期酸素濃度補正量(酸素濃
度が低下するほど大きくなる補正量)を算出し、これら
3つの補正量を乗算した総補正量を前記基本噴射時期に
加算することにより目標噴射時期を算出してもよい。こ
の場合、主噴射時期は、着火性の観点から、実空気過剰
率が減少するほど作動ガス量が減少するため進角補正
し、燃焼速度の観点から、酸素濃度が低下するほど進角
補正することになる。副噴射量及び噴射圧の算出につい
ても同様である。
素濃度とに基づき補正してもよい(請求項3に従属する
請求項4に相当)。この場合、主噴射時期は、着火性の
観点から、実空気過剰率が減少するため進角補正し、そ
の時の実EGR量が大きければ作動ガス量の減少量は小
さいため遅角補正し(実空気過剰率に基づく進角補正量
を小さくし)、燃焼速度の観点から、酸素濃度が低下す
るほど進角補正することになる。目標副噴射量及び目標
噴射圧の算出についても同様である。
素濃度とに基づく補正を空気過剰率と実EGR率とに置
き換えたものが上記実施形態である(請求項5に相
当)。これは、実EGR率が実EGR量と酸素濃度とに
相関することに基づくものであり、目標主噴射時期の算
出の場合、実EGR率が大きくなるときの補正量は、実
EGR量に基づく遅角補正量と酸素濃度に基づく進角補
正量との総補正量に等しいことになる。この総補正量が
遅角方向か進角方向かは実験によりマッチングすればよ
く、上記実施形態の場合は図5に示すように進角方向に
なる。目標副噴射量及び目標噴射圧の算出についても同
様である。
GR量とから空気過剰率とEGR率とを推定したが、吸
入空気量とEGR量とにそれぞれ補正量マップを設定
し、吸入空気量とEGR量とで直接補正することも可能
である。また、図14に示すように、吸入空気量と酸素
量とは比例の関係にあるので、酸素量が決まれば空気過
剰率も決定し、したがって、酸素量と酸素濃度とにそれ
ぞれ補正量テーブルを設定し、酸素量と酸素濃度とで直
接補正することも可能である。
ート。
の空気過剰率による補正量のマップ。
のEGR率による補正量のマップ。
気過剰率による補正量のマップ。
GR率による補正量のマップ。
過剰率による補正量のマップ。
R率による補正量のマップ。
下時)とにおける筒内圧力と熱発生率の様子を示す図。
示す図。
Claims (6)
- 【請求項1】燃焼室に直接燃料を噴射可能で、かつ、噴
射形態が可変な燃料噴射手段と、 空気過剰率の減少要求に応じて熱発生率が最大となるク
ランク角位置を一定に保つように前記燃料噴射手段の噴
射形態を制御する燃料噴射制御手段と、 を含んで構成したことを特徴とする内燃機関の制御装
置。 - 【請求項2】前記燃料噴射制御手段は、空気過剰率が減
少するほど、メイン噴射時期の進角、パイロット噴射量
の増量、あるいは、噴射圧の増大のうち少なくとも1つ
を行うことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の制
御装置。 - 【請求項3】排気を吸気系に還流するEGR量を制御す
るEGR手段を備え、前記燃料噴射制御手段は、前記空
気過剰率の減少に加え、前記EGR量が減少するほど、
メイン噴射時期の進角、パイロット噴射量の増量、ある
いは、噴射圧の増大のうち少なくとも1つを行うことを
特徴とする請求項2に記載の内燃機関の制御装置。 - 【請求項4】前記燃料噴射制御手段は、前記空気過剰率
の減少に加え、酸素濃度が減少するほど、メイン噴射時
期の進角、パイロット噴射量の増量、あるいは、噴射圧
の増大のうち少なくとも1つを行うことを特徴とする請
求項2または請求項3に記載の内燃機関の制御装置。 - 【請求項5】排気を吸気系に還流するEGR量の吸入空
気量に対するEGR率を制御するEGR手段を備え、 前記燃料噴射制御手段は、空気過剰率とEGR率とに基
づき、メイン噴射時期の制御、パイロット噴射量の制
御、あるいは、噴射圧の制御のうち少なくとも1つを行
うことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1つ
に記載の内燃機関の制御装置。 - 【請求項6】内燃機関の排気通路に配設され、排気中の
排気成分を浄化する排気浄化手段と、前記排気浄化手段
の温度を上昇させるとき、あるいは、前記排気浄化手段
を再生させるとき、前記空気過剰率を減少する空気過剰
率設定手段と、 を備えることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれ
か1つに記載の内燃機関の制御装置。
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