JP3298352B2 - ディーゼルエンジン - Google Patents
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Description
に関する。
エンジンに比べて最高回転数が低いこと等から、バルブ
タイミングを変えることは少ない。
効率を得るために、吸気バルブの閉時期を下死点以降に
大きく遅らせてあり、また始動性を良くし、低速域の白
煙(パティキュレートのSOF:可溶有機分)等を抑え
るために、圧縮比は高圧縮比(乗用車用小型ディーゼル
では圧縮比=20前後)にしている。
てNOxの排出が増加するため、排気の一部を吸気系に
再循環させるEGR装置を採用している。
排気通路2から排気(EGRガス)を吸気通路3に導く
EGR通路4にEGR弁5を介装し、EGRの必要な領
域でEGR弁5を開いて、所定量のEGRガスを吸入空
気に混合させることにより、燃焼温度を下げてNOxを
低減するのである。
黒煙)の排出が増加するので、吸入空気によって燃焼室
にスワール(旋回渦流)を生起するスワール生成手段
(ヘリカル型吸気ポートに空気流動制御板等を設けてい
る)6を設け、拡散燃焼時の空気と燃料とのミキシング
を改善して、スモークを軽減するようにしている(特開
昭60ー162018号公報等参照)。
比のディーゼルエンジンだと、エンジンの軽量化を図り
にくい。また、吸気バルブの閉時期を大きく遅らせてあ
るため、圧縮比を高くしないと、始動性の悪化、低速域
の白煙の増加を招く。
が、将来予測される排気規制強化に対応するため、EG
R量を大幅に増加した場合には、スワールによって空気
と燃料とのミキシングを促進するだけでは、吸気温度の
上昇や高圧縮比に伴う空気利用率の悪化から、スモーク
を抑えきれないという問題がある。
良好なエンジン性能、排気性能を得ることを目的として
いる。
ル燃焼を行う内燃機関において、エンジンの運転条件、
吸気温度、吸入ガス量を検出する各検出手段と、排気の
一部を吸気系に再循環するEGR装置と、エンジンの運
転条件と吸入ガス量からEGR率を算出する手段と、前
記EGR率から吸気のガス組成に対応した比熱比を算出
する手段と、吸気温度と圧縮比と前記比熱比から圧縮上
死点時の筒内ガス温度を算出する手段と、吸気バルブの
タイミング可変機構と、前記筒内ガス算出温度が所定温
度になるように吸気バルブの閉時期を制御する制御手段
とを設ける。
Rに応じて燃料の噴射時期を遅延する遅延手段を有す
る。
見かけの圧縮比を変えると、圧縮温度が変えられる。圧
縮上死点時の筒内ガス温度が高くなると、スモークが増
え、低くなると、パティキュレートのSOFが増える
が、これらは所定の温度状態のときに低下する。
ス量からEGR率を、EGR率から吸気のガス組成に対
応した比熱比を算出し、吸気温度と圧縮比と比熱比から
圧縮上死点時の筒内ガス温度を算出して、算出した圧縮
上死点時の筒内ガス温度が所定の温度になるように、吸
気バルブの閉時期を制御することで、NOxが低減され
ると共に、スモーク、SOFの悪化が防止される。
て燃料の噴射時期が遅延される。高率のEGRにより、
NOxが大幅に減少する半面、燃料の噴射時期を遅らせ
ると、着火遅れ期間が長くなって、予混合燃焼の比率が
大きくなり、スモークが発生しにくくなる。
の筒内ガス温度が所定の温度になるように、吸気バルブ
の閉時期を制御することで、NOxと共に、スモーク、
SOFが的確に低減される。
する。
は吸気通路、12は排気通路、13は燃料噴射ポンプ、
14は吸気バルブのタイミング可変機構である。
R通路15にはダイヤフラム式のEGR弁16が介装さ
れ、その負圧室17にはコントロールユニット18によ
って制御される負圧源(図示しない)からの制御負圧が
導かれる。
各吸気バルブ20を閉弁方向に付勢するバルブスプリン
グ21が備えられると共に、各吸気バルブ20の上端に
接合して油圧室22を画成するピストン23が備えられ
る。油圧室22に導かれる油圧力によりピストン23が
下降し、バルブスプリング21に抗して吸気バルブ20
が開作動される。
は、アキュムレータ25から入口側電磁切換弁26,2
7を介して油通路28,29に選択的に供給され、エン
ジン回転に同期して回転するロータリバルブ30,31
を介して#1気筒、#4気筒、#2気筒、#3気筒の各
油圧室22に選択的に供給されることにより、各吸気バ
ルブ20が順に開作動される。
9から出口側電磁切換弁33,34を介して選択的にタ
ンク35に逃がされることにより、各吸気バルブ20が
順に閉作動される。この出口側電磁切換弁33,34を
制御することで、吸気バルブ20の閉時期が自由に制御
される。
する回転数センサ36と、アクセルの開度(エンジンの
負荷)を検出するアクセル開度センサ37からの信号
は、コントロールユニット18に入力される。
ルブ20の閉時期(IVC)が、図3のようにエンジン
の始動時およびアイドリング域にピストン下死点(BD
C)に、低速域にピストン下死点後(ABDC)20°
に、中速域にピストン下死点後30°に、高速域にピス
トン下死点後40°になるように、出口側電磁切換弁3
3,34が制御される。
びアイドリング域の作動特性と高速域の作動特性を示
す。なお、図4、図5の開時期になるように入口側電磁
切換弁26,27が制御される。
制御フローチャートを示す。
クセル開度Accを読み込む。
数Neとアクセル開度Accから、図3のように吸気バ
ルブ20の閉時期を設定したマップの領域が変わったか
どうかを、つまり吸気バルブ20の閉時期の変更かどう
かを判定する。
該当する出口側電磁切換弁33,34の開時期を読み出
し、所定のアドレスに格納する。この開時期に出口側電
磁切換弁33,34を開くことで、吸気バルブ20の閉
時期を制御する。
バルブ20の閉時期が下死点近傍に制御されるため、高
圧縮比にせずとも、始動時ならびに低速域に高い圧縮圧
力が得られる。
ブ20の閉時期の違いによる指圧線図の変化を示すと、
閉時期が下死点後38°では、下死点付近で一度圧力が
上昇するが、バルブ20が遅閉じのため、ピストンの上
昇と共に圧力が上昇せず、圧縮開始が遅れる。一方、閉
時期が下死点後22°のときは、ピストンの上昇と共に
圧力上昇が開始し、この結果最高圧力が上昇している。
でのHC、SOFが改善される。
るエンジン性能への影響を示すと、閉時期が下死点後2
2°では、筒内圧力(Pmax)が上昇し、吸気量も大
幅に増加しており、これに伴いHC、パティキュレート
(PM)も大幅に向上している。これは、圧縮開始時期
が早まって、見かけの圧縮比が増加したことにより、圧
縮上死点でのガス温度が高温化したためであり、その効
果は閉時期を高速側に合わせたときと比べ、圧縮比を約
2高くしたときと同等の効果がある。
バルブ20の閉時期が下死点から遅角した時期に制御さ
れるため、常に十分な充填効率が得られる。
20の閉時期毎の充填効率を示す。エンジンの低速から
高速にいくにしたがい閉時期を遅らせると(高速域には
下死点後30°以降)、充填効率は向上している。
下)としながら、高速域に高い出力が維持され、高速高
負荷時の最高筒内圧力の上昇が抑えられる。
気組成の悪化を招くことなく、また最高筒内圧力の上昇
によるスモークの悪化を招くことなく、エンジン各部品
の軽量化を図ることができ、エンジン性能を大幅に向上
できる。
構14については、油圧による1例を示したが、現在ガ
ソリンエンジン等で、廉価で構造の簡単な可変機構が提
案されており、それらを利用することにより、コスト増
を抑えられる。
NOxを大幅に低減すると共に、スモーク、SOFを同
時に改善するものである。
1は吸気通路、12は排気通路、13は燃料噴射ポン
プ、14は吸気バルブ20のタイミング可変機構(図
2)、15はEGR通路、16はEGR弁、18はコン
トロールユニットを示す。
する回転数センサ36、アクセルの開度(エンジンの負
荷)を検出するアクセル開度センサ37のほかに、吸気
通路11に吸入ガス量を検出するエアフローセンサ40
が、吸気マニホールド41に吸気温度を検出する吸気温
度センサ42が、排気通路12に排気中の酸素濃度を検
出する酸素濃度センサ43が設けられ、これらの信号は
コントロールユニット18に入力される。
ようなEGR率マップが設けられる。低速低負荷域にE
GR率は最大80%で、その域内の比較的回転、負荷の
大きい側で60%である。これに対し、回転、負荷が高
くなるにしたがい、EGR率を減少させている。つま
り、高負荷側では排気温度が上昇するため、多量のEG
Rガスを還流すると、吸気温度の上昇によってNOx低
減の効果が減少したり、噴射燃料の着火遅れ期間が短縮
されて、予混合燃焼が実現できなくなる等のため、EG
R率を段階的に減少させている。
コントロールユニット18により、図11のEGR率を
得るように、負圧源からEGR弁16の負圧室17への
負圧が制御される。
噴射量と燃料噴射時期が電子制御される分配型のもの
で、公知である。
力軸と連結される駆動軸、67はこの駆動軸66により
駆動されるベーン型のフィードポンプで、図示しない燃
料入口からフィードポンプ67により吸引された燃料
は、ハウジング68内のポンプ室69に供給され、ポン
プ室69に開口する吸込通路70を介してプランジャポ
ンプ71のプランジャ室72に送られる。
基端に固設されたフェイスカム74のツメ74aが軸方
向に摺動自在に連結され、このツメ74aを介して、フ
ェイスカム74およびプランジャ73が、駆動軸66と
同一軸線上に位置すると共に、プランジャ73について
は軸方向に変位可能に構成される。
外周には、複数のローラ75を担持するローラホルダ7
6が駆動軸66と同心に配置され、またフェイスカム7
4には気筒数に対応した数の不等速度カムをなすカム面
74bが形成されており、このカム面74bはスプリン
グ77によりローラ75に圧接されている。
のシリンダと同数の吸込溝78が形成され、カム面74
bが駆動軸66と共に回転しながらローラホルダ76に
配設されたローラ75を乗り越えて所定のカムリフトだ
け往復運動すると、吸込溝78からプランジャ室72に
吸引された燃料が、プランジャ室72に通じる図示しな
い各気筒毎の分配ポートからデリバリバルブを通って燃
料噴射弁へと圧送される。
室69とを連結する燃料戻し通路で、この燃料戻し通路
79には駆動回路からの信号(駆動パルス)によりエン
ジンの運転条件に応じて駆動される高速応動型の電磁弁
80が介装される。
るもので、プランジャ73の圧縮行程中に電磁弁80を
閉じると、燃料の噴射が開始され、電磁弁80を開く
と、噴射が終了する。つまり、電磁弁80の閉弁時期に
より燃料の噴射開始時期が、その閉弁期間により噴射量
が制御される。
転域ほど噴射燃料の着火遅れ期間が長くなるように、遅
延される。
高EGR率の低速低負荷側で、燃料の噴射時期はピスト
ン上死点(TDC)に設定している。この遅延により、
着火時期の燃焼室内の温度を低温状態にし、予混合燃焼
比率を増大させることにより、高EGR状態でのスモー
クの発生を抑える。
がい、噴射時期を進めている。これは、着火遅れの時間
が一定であっても、着火遅れクランク角度(着火遅れの
時間をクランク角度に換算した値)がエンジン回転数の
増加に比例して大きくなり、低EGR時に所定の着火時
期を得るために、噴射時期を進めるのである。
トロールユニット18により電磁弁80の開閉タイミン
グが制御される。
間(噴射量)を制御するためのフローチャートを示す。
アクセル開度Acc、およびエンジン冷却水温TW、燃
料温度TFを読み込む。なお、エンジン回転数Neは、
燃料噴射ポンプ13から送られるリファレンスパルスに
より求め、同時に送られるスケールパルス(角度信号)
によりクランク角度を読み込む。冷却水温TWと燃料温
度TFは図示しないセンサにより検出している。
転数Neとアクセル開度Accから、燃料の基本噴射時
期Itmと燃料の基本噴射期間Avmを、各マップをそ
れぞれルックアップして求める。
噴射時期特性が得られるように、アクセル開度Accと
エンジン回転数Neをパラメータとして定めたマップ
(図示せず)である。基本噴射期間Avmは、図15の
ようにアクセル開度Accが大きくなるほど長くしてい
る。
温TWから噴射時期補正量ΔItmを求め、ステップ1
4では、これを基本噴射時期Itmに加算することによ
って噴射時期を補正する。
Itm1、ΔItm2の和で、図16が燃料温度補正量Δ
Itm1の特性、図17が水温補正量ΔItm2の特性で
ある。いずれの特性においても低温になるほど進角補正
量を大きくするのは、低温になるほど燃焼速度が遅くな
るからである。
Itm)と基本噴射期間Avmとは、ステップ15で所
定のアドレスに格納する。この噴射時期ITにて前記電
磁弁80が閉じられ、その閉弁タイミングより基本噴射
期間Avmが経過したタイミングにて電磁弁80が開か
れるのである。
それぞれ吸気ポートに向かう各分岐管81には、図18
のように所定の切欠部82が形成されたスワールバルブ
83が介装される。
ット18によって、回動軸84に連結された図示しない
アクチュエータを介して、低速低負荷域に閉じるように
制御される。
切欠部82のみから吸気が流入されるので、燃焼室に吸
入される吸気の流速が高められ、燃焼室にスワールが生
成される。
あれば、低速低負荷域に片方の吸気弁を閉じることによ
り、スワールを生成するようにしても良い。
には前図3の時期に制御されるが、コントロールユニッ
ト18により、エンジン回転数、アクセル開度、吸入ガ
ス量、吸気温度、燃料噴射量、排気中の酸素濃度、圧縮
比等に基づき、圧縮端温度(圧縮上死点時の筒内ガス温
度)が所定の温度(850K±25K)になるように制
御される。
される。
Qa°をマップより読み取る。
/Qa°)×100% (3)運転条件、EGR率から、吸気のガス組成に対応
した比熱比κを読み取る。
ら、見かけの圧縮比εを読み取る。
50K±25K)内にあれば、パティキュレートのドラ
イスート、SOFが低減される。
ローチャートを示す。
アクセル開度Acc、吸入ガス量Qa、吸気温度Ta、
燃料噴射量Qfを読み込む。
の吸入ガス量Qa°をNe、Accからマップ上で読み
込む。
EGR率を算出する。
した比熱比κ、見かけの圧縮比εを読み取り、圧縮端温
度Tcを算出する。
cが図19の所定の温度内に入るかどうかを判定し、こ
れに応じて吸気バルブ20の閉時期の変更量を求める。
るタイミング可変機構14の出口側電磁切換弁33,3
4の開時期を読み出し、所定のアドレスに格納する。こ
の開時期に出口側電磁切換弁33,34を開くことで、
吸気バルブ20の閉時期を制御する。
合、高率のEGRを行うと、NOxが大幅に減少する半
面、スモークの増加を招くが、このとき燃料の噴射時期
を遅らせて着火遅れ期間を長くすると、スモークの発生
を抑えることができる。
た場合と上死点まで遅らせた場合のEGR率に対するN
Oxとスモークの各濃度特性を示し、上死点前の噴射時
期(IT=−8°ATDC)では、EGR率の増加と共
に、NOx濃度は減少するものの、スモーク濃度が急激
なカーブで上昇している。
DC)では、EGR率が高くなるのに伴い、NOx濃度
が減少すると共に、スモーク濃度も低下傾向を示してい
る。スモーク濃度がこのように減少するのは、燃焼室の
スワールによって燃料と空気とのミキシングが促進され
ると共に、図中に示した熱発生パターンをみれば分かる
ように、噴射時期の遅延によって、着火遅れ期間が長く
なり、燃焼の大半が予混合燃焼になるからである。
め、SOFが増加することがある。前図19はSOF、
ドライスート、およびPMトータルの変化を示してお
り、圧縮端温度が所定の温度以上になると、着火遅れ期
間が短くなってドライスート(スモーク)が発生する
が、逆に所定の温度以下になると、低温によって未燃燃
料であるSOFが急増するようになる。
度、吸入ガス量、吸気温度、燃料噴射量、圧縮比を基に
圧縮端温度を算出し、その圧縮端温度が所定の温度内に
なるように、吸気バルブ20の閉時期を制御する。
きは、吸気バルブ20の閉時期を遅くして見かけの圧縮
比を下げ、所定温度以下のときは、吸気バルブ20の閉
時期を早くして見かけの圧縮比を上げる。ただし、吸気
バルブ20の閉時期は下死点以降に保持されている。
止できる。したがって、高EGR率によってNOxを大
幅に低減できると共に、スモーク、SOFを的確に低減
でき、良好な排気性能を確保できる。
行う内燃機関において、エンジンの運転条件、吸気温
度、吸入ガス量を検出する各検出手段と、排気の一部を
吸気系に再循環するEGR装置と、エンジンの運転条件
と吸入ガス量からEGR率を算出する手段と、前記EG
R率から吸気のガス組成に対応した比熱比を算出する手
段と、吸気温度と圧縮比と前記比熱比から圧縮上死点時
の筒内ガス温度を算出する手段と、吸気バルブのタイミ
ング可変機構と、前記筒内ガス算出温度が所定温度にな
るように吸気バルブの閉時期を制御する制御手段とを設
けたので、NOxを低減できると共に、スモーク、SO
Fを抑制でき、排気性能が向上する。
しつつ、スモーク、SOFを低減でき、排気性能を十分
に向上できる。
る。
ある。
特性図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 ディーゼル燃焼を行う内燃機関におい
て、 エンジンの運転条件、吸気温度、吸入ガス量を検出する
各検出手段と、 排気の一部を吸気系に再循環するEGR装置と、 エンジンの運転条件と吸入ガス量からEGR率を算出す
る手段と、 前記EGR率から吸気のガス組成に対応した比熱比を算
出する手段と、 吸気温度と圧縮比と前記比熱比から圧縮上死点時の筒内
ガス温度を算出する手段と、 吸気バルブのタイミング可変機構と、 前記筒内ガス算出温度が所定温度になるように吸気バル
ブの閉時期を制御する制御手段とを設けたことを特徴と
する ディーゼルエンジン。 - 【請求項2】 EGRに応じて燃料の噴射時期を遅延す
る遅延手段を有する請求項1に記載のディーゼルエンジ
ン。
Priority Applications (3)
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US08/612,523 US5692464A (en) | 1995-03-16 | 1996-03-08 | Diesel engine |
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Applications Claiming Priority (1)
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