JP3697935B2 - ディーゼルエンジンの制御装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明はディーゼルエンジンの制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般にディーゼルエンジンはガソリンエンジンと比べ燃費が良い反面、窒素酸化物(NOx)や粒子状物質(PM)の排出量が多いという欠点がある。
【0003】
ディーゼルエンジンの排気中のNOxを低減させる手段としては、自技会発行のNo.9503 シンポジウム No.9533271にあるように、排気再循環(EGR)を行いエンジンの燃焼温度を低く抑える方法がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法によると、NOx排出量を低減するにあたり 排気還流量を増やしていくと、燃料噴射量が多く、空気過剰率が小さい領域で、PM排出量が増加する傾向にあり、SAEPaperNo.980174にもあるように、空燃比が約24:1(空気過剰率が約1.6)以下になると、PM排出量が急増する。このため、PM排出量も抑制しようとすると、NOx排出量の低減が制約されてしまう。
【0005】
この二律相反を解消し、ディーゼルエンジンの排気中のNOxとPM排出量を同時に低減する方法としては、特開平7−4287のような低温予混合燃焼を行わせる方法がある。
【0006】
これは、EGRにより吸気中の酸素濃度を低下させて燃焼速度を遅くし、燃料噴射時期を圧縮上死点以降まで遅らせ、着火遅れ期間内にほとんどの燃料を噴射することにより、予混合燃焼を主体として低温で燃焼させるものである。この方法によれば、燃料を十分に気化させてから燃焼させる予混合燃焼であるためにPM排出量が少なくなり、また低温で燃焼するためにNOx排出量が少なくなる。
【0007】
この低温予混合燃焼では、空気過剰率を小さくしていくとNOxとPMの排出量が共に減少するが、空気過剰率が約1.3以下になると燃費が急激に悪化する傾向がある。
【0008】
これは空気過剰率を小さくすると多原子分子である燃料や燃焼生成物の割合が増えることにより、エンジン内の作動ガスの比熱比が小さくなり、ディーゼルエンジンの場合に、
ηth=〈1-(1/ε)κ-1)(σκ-1)/(κ(σ-1))
(ただし、ε:圧縮比、κ:比熱比、σ:締切比)
で表される理論熱効率が下がることが主たる原因である。
【0009】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、ディーゼルエンジンにおいて低温予混合燃焼を行い、エンジンの運転条件に応じて吸気酸素濃度を変えずに吸気酸素量を変化させることにより上記間題点を解決することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、エンジンの燃焼温度を低下させる手段と、燃焼室に噴射された燃料の着火遅れ期間を大きくする手段とを備えたディーゼルエンジンにおいて、吸気の酸素濃度を可変制御する手段と、吸気の酸素量を可変制御する手段と、空気過剰率を演算する手段と、エンジンの運転条件に応じて吸気中の酸素濃度を変えずに酸素量を変化させて空気過剰率が目標値以上になるように制御する燃焼制御手段を備えたことを特徴とする。
【0011】
第2の発明は、第1の発明において、前記燃焼制御手段は、空気過剰率が所定の値以下になった場合に、同一の吸気酸素濃度を維持しつつ吸気酸素量を増加させ、空気過剰率が目標値以上になるように制御する。
【0012】
第3の発明は、第2の発明において、前記燃焼制御手段は、空気過剰率が目標値以上になった場合に、同一の吸気酸素濃度を維持しつつ吸気酸素量を減少させる。
【0013】
第4の発明は、第1から第3の発明において、前記空気過剰率λの目標値はλ=1.3に設定される。
【0014】
第5の発明は、第1から第4の発明において、前記酸素濃度を制御する手段が排気還流量を制御する排気還流装置で構成される。
【0015】
第6の発明は、第1から第5の発明において、前記酸素量を制御する手段が過給圧を制御するターボチャージャで構成される。
【0016】
【発明の作用、効果】
本発明(第1から第6の発明)では、吸気の酸素濃度を下げて燃焼温度を低下させると共に、燃料の着火遅れ期間を大きくすることにより、低温予混合燃焼を行い、かつこのとき吸気の酸素濃度を変えることなく、吸気酸素量を変化させ、空気過剰率が目標とする値よりも小さくなることのないように制御している。低温予混合燃焼によりNOxとPMの排出量を下げることができるが、NOxの排出量はそのときの酸素濃度に応じて変化する。したがって、吸気中の酸素濃度を変えずに目標値に維持することにより、常にNOx排出レベルを所定値以下に抑制できる。一方で燃費は空気過剰率が所定値よりも小さくなると、大幅に悪化する。これに対しては、酸素濃度を変化させずに吸気酸素量を変化させて空気過剰率が目標値よりも小さくならないように制御している。
【0017】
これらの結果、排気中のNOxやPMを低減しつつ、燃費についても常に良好な状態に維持することが可能となる。
【0018】
この場合、第5の発明では、酸素濃度の制御を排気還流を制御することにより行うので、また第6の発明では、酸素量の制御を過給圧の制御により行うので、いずれも通常の排気還流装置、ターボチャージャなどにより、制御が容易かつ合理的に行える。
【0019】
【実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【0020】
図1において、1はエンジン本体、2は吸気管、3は排気管である。4は排気管3と吸気管2を連通するEGR(排気還流)通路、5はEGR通路4を流れる排気(EGRガス)の流量を調整するEGRバルブ、6はEGRバルブ5を駆動するアクチュエータである。
【0021】
7は排気タービンに排気を導入するノズルの口径を変えることにより過給圧を調節可能なVNターボチャージャで、8はその可変タービンノズル、9はタービンノズル8を駆動するアクチュエータである。
【0022】
10はエンジンコントロールユニット(ECU)、11は燃料噴射装置(燃料噴射弁)で、燃料噴射量、噴射時期については運転状態に応じてECU10により制御され、このためECU10には図示しない、アクセル開度センサ、エンジン回転数センサ、水温センサなどから運転状態を代表する信号が入力する。
【0023】
本発明では燃料の噴射時期は圧縮上死点あるいはそれ以降に遅らされ、これにより燃料の着火遅れ期間が長くなり、またこの着火遅れ期間中に必要な燃料がほとんど噴射されるように燃料噴射ノズル容量が大きく設定してある。
【0024】
さらにまた、ECU10には、吸気量を測定するエアフローメータ12、排気中の酸素濃度を測定する酸素濃度センサ13からの検出信号が入力する。ECU10は運転状態に応じて制御される燃料噴射量、エアフローメータ12により検出される吸気量、および酸素濃度センサ13により検出される排気中の残存酸素濃度を用いて空気過剰率とEGR率を演算し、これに基づいて低温予混合燃焼を行う所定の運転領域において、吸気中の酸素濃度を所定値に維持しつつ、目標とする空気過剰率となるように酸素量を制御し、NOxとPMの排出量を抑制しつつ、燃費の向上を図るようになっている。
【0025】
なお、この実施の形態では、EGRバルブ5が吸気中の酸素濃度を制御する手段、VNターボチャージャ7の可変タービンノズル8が吸気中の酸素量を制御する手段を構成している。
【0026】
図2はECU10で実行される上記した制御内容を示すフローであり、これにしたがって制御動作を説明する。
【0027】
まずステップa1で、エアフローメータ12により検出される吸気量、酸素濃度センサ13により検出される排気中の残留酸素濃度、および燃料噴射量とから空気過剰率λを算出する。
【0028】
ステップa2では、求めた空気過剰率λと所定の値(=1.3)の比較を行い、空気過剰率λが所定値よりも小さい場合はステップa3に進む。ステップa3とa4では、ステップa1と同様に各センサなどからの情報を元にEGR率α(EGRガス量/新気量)を算出し、このEGR率αを記憶する。
【0029】
なお、EGR率については、そのときの運転条件によって決まるNOxの低減目標に応じて決定される。
【0030】
ステップa5で、VNターボチャージャ7の可変タービンノズル8をわずかに絞り過給圧を増加させる。これにより新気量が増加することになり、結果として吸気酸素量が増加する。
【0031】
ただし、EGR量がそのままではEGR率が減少してしまう。吸気酸素濃度はEGR率に反比例するので、EGR率が減少すれば、吸気酸素濃度が増加することになる。そこでステップa6で、EGRバルブ5をわずかに開きEGRガス量を増加させ、これにより吸気酸素濃度を低下させる。
【0032】
ステップa7で再びEGR率を算出し、ステップa8でステップa4で記憶したEGR率αとの比較を行う。過給圧の上昇によりいったん減少したEGR率が、記憶したEGR率と等しくなるまで増加していなければ、ステップa6に戻りさらにEGRバルブ5を開いてEGR率を増加させる動作を繰り返す。
【0033】
逆にEGR率が記憶したEGR率と等しくなっていれば、空気過剰率は本制御フロー作動前と等しいことになるのでステップa1に戻る。ステップa1に戻って空気過剰率λが所定の値になっていれば、本制御フローは終了する。空気過剰率が所定の値に達していなければ、本制御フローを繰り返す。
【0034】
本発明では、燃料噴射装置11から噴射される燃料の噴射時期が遅く、また排気の一部が吸気中に還流され、吸気中の酸素濃度を低下させることにより、着火遅れ期間の長い、低温予混合燃焼が実現し、これによりNOxとPMを共に低下させることができる。
【0035】
一方、空気過剰率λについては、吸気中の酸素濃度、換言するとEGR率を一定に保ったまま、過給圧を調整することにより、図3に矢印Aで示す方向に変化し、λ=1.3となるように制御が行われる。
【0036】
燃費は空気過剰率λが1.3以上の領域についてはほぼ同一の良好な値を保つが、λが1.3以下になると、小さくなるのに応じて急激に悪化する。しかし、上記のとおり、λは1.3に制御されるので、燃費は良好な状態に維持できるのである。
【0037】
ところで、排気中のNOx濃度は、その生成に酸素が関係するため酸素濃度にほぼ比例している。したがって、エンジンからのNOx排出量の大小については、燃料噴射量が一定であれば吸気酸素量に対応する空気過剰率にて論じるのは適当でない。
【0038】
実際にはNOx排出量は吸気酸素濃度と吸気酸素量の両者にほぼ比例しているのである。本発明においては、吸気酸素濃度は変わらないのでNOx濃度は増加せず、吸気量が増加するためにNOx排出量としては若干増加するが、従来のディーゼルエンジンと比較してNOx排出量は非常に少ないレベルに保たれる。
【0039】
本実施の形態では、吸気酸素量を制御する手段としてVN夕一ボチャージャ7の可変タービンノズル8を利用したが、これだけに限られる訳ではなく、排気タービンへ排気を導くノズルに可変機構がないターボチャージャを用いてウエストゲートにより過給圧を増減することなどによって制御してもよい。
【0040】
吸気酸素濃度についても、制御手段はEGRバルブ5によるEGRガス量の増減に限られるわけではなく、酸素透過膜により新気中の酸素濃度を操作すること等によって制御してもよい。またEGRバルブ5と可変タービンノズル8を独立に制御しているが、両者を統合して制御してもよい。
【0041】
ところで、低温予混合燃焼を行っている際に空気過剰率が1.3以上になった場合については、燃費の悪化は問題にならない範囲なので、NOxとPMの排出量低減のために吸気酸素濃度を一定にしたまま吸気酸素量を低下させるように制御を行えばよい。
【0042】
この制御を追加したのが第2の実施形態であり、その制御フローを示す図4によって説明する。ただし、図2の制御フローと異なる部分を中心として説明することにする。
【0043】
ステップa2で空気過剰率λが所定の値(=1.3)以上の場合には、ステップb1に進む。ステップb1、b2で上記と同じようにしてEGR率を算出し、このEGR率αを記憶する。次に、ステップb3で、VNターボチャージャ7の可変タービンノズル8をわずかに開き、過給圧を減少させる。
【0044】
これにより、新気量が減少する結果として吸気酸素量が減少する。一方、EGRバルブ5の開度を変更しないとEGRガス量が増加し、EGR率の増加、すなわち吸気酸素濃度の減少が起きる。
【0045】
そこでステップb4でEGRバルブをわずかに閉じ、EGRガス量を減少させて吸気酸素濃度を増加させる。ステップb5で再びEGR率を算出し、ステップb6でステップb2にて記憶したEGR率αとの比較を行う。
【0046】
EGR率が記憶したEGR率αと等しくなっていなければ、ステップb4に戻り、EGRバルブ5を少し閉じてEGR率を減少させる動作を繰り返す。EGR率が記憶したEGR率と等しくなっていれば、ステップa1まで戻り、制御フローを繰り返す。
【0047】
この追加された制御が行われた場合には、空気過剰率λは図3中に矢印Bで示されるように、λが大きい状態からλ=1.3に向けて変化する。このとき、吸気酸素濃度は変わらないまま、吸気酸素量(新気量)が減少するため、NOx排出量は低減される。燃費については、急激な悪化が始まる空気過剰率λ=1.3を超えないため、良好に保たれる。
【0048】
このように本発明によれば、ディーゼルエンジンにおいて低温予混合燃焼を行い、エンジンの運転条件に応じて吸気酸素濃度を変えずに吸気酸素量を変化させる制御を行うことにより、NOxとPMを同時に低減しつつ燃費を良好に保つという効果が得られる。
【0049】
なお、本発明は実施の形態で説明したものに限定されるわけではなく、発明の技術的思想の範囲内での様々な変更がなし得ることは、容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を示す構成図。
【図2】同じくその制御内容を示すフローチャート。
【図3】空気過剰率と排気特性などの関係を示す説明図。
【図4】他の実施の形態の制御内容を示すフローチャート。
【符号の説明】
1 エンジン本体
2 吸気管
3 排気管
4 EGR通路
5 EGRバルブ
6 EGRバルブ駆動アクチュエータ
7 VNターボチャージャ
8 可変タービンノズル
10 エンジンコントロールユニット(ECU)
11 燃料噴射装置
12 エアフローメータ
13 酸素濃度センサ
Claims (6)
- エンジンの燃焼温度を低下させる手段と、
燃焼室に噴射された燃料の着火遅れ期間を大きくする手段とを備えたディーゼルエンジンにおいて、
吸気の酸素濃度を可変制御する手段と、
吸気の酸素量を可変制御する手段と、
空気過剰率を演算する手段と、
エンジンの運転条件に応じて吸気中の酸素濃度を変えずに酸素量を変化させて空気過剰率が目標値以上になるように制御する燃焼制御手段を備えたことを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。 - 前記燃焼制御手段は、空気過剰率が所定の値以下になった場合に、同一の吸気酸素濃度を維持しつつ吸気酸素量を増加させ、空気過剰率が目標値以上になるように制御する請求項1に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
- 前記燃焼制御手段は、空気過剰率が目標値以上になった場合に、同一の吸気酸素濃度を維持しつつ吸気酸素量を減少させる請求項2に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
- 前記空気過剰率λの目標値はλ=1.3に設定される請求項1〜3のいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの制御装置。
- 前記酸素濃度を制御する手段が排気還流量を制御する排気還流装置で構成される請求項1〜4のいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの制御装置。
- 前記酸素量を制御する手段が過給圧を制御するターボチャージャで構成される請求項1〜5のいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの制御装置。
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JP10938899A JP3697935B2 (ja) | 1999-04-16 | 1999-04-16 | ディーゼルエンジンの制御装置 |
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JP10938899A JP3697935B2 (ja) | 1999-04-16 | 1999-04-16 | ディーゼルエンジンの制御装置 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP10938899A Expired - Lifetime JP3697935B2 (ja) | 1999-04-16 | 1999-04-16 | ディーゼルエンジンの制御装置 |
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- 1999-04-16 JP JP10938899A patent/JP3697935B2/ja not_active Expired - Lifetime
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