JP5278622B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents
内燃機関の燃料噴射制御装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP5278622B2 JP5278622B2 JP2012533789A JP2012533789A JP5278622B2 JP 5278622 B2 JP5278622 B2 JP 5278622B2 JP 2012533789 A JP2012533789 A JP 2012533789A JP 2012533789 A JP2012533789 A JP 2012533789A JP 5278622 B2 JP5278622 B2 JP 5278622B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- injection
- fuel
- pressure
- pilot injection
- pilot
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
- F02D41/30—Controlling fuel injection
- F02D41/38—Controlling fuel injection of the high pressure type
- F02D41/3809—Common rail control systems
- F02D41/3836—Controlling the fuel pressure
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
- F02D41/30—Controlling fuel injection
- F02D41/38—Controlling fuel injection of the high pressure type
- F02D41/40—Controlling fuel injection of the high pressure type with means for controlling injection timing or duration
- F02D41/402—Multiple injections
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M45/00—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship
- F02M45/02—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts
- F02M45/04—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts with a small initial part, e.g. initial part for partial load and initial and main part for full load
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D2200/00—Input parameters for engine control
- F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
- F02D2200/06—Fuel or fuel supply system parameters
- F02D2200/0602—Fuel pressure
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D2200/00—Input parameters for engine control
- F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
- F02D2200/06—Fuel or fuel supply system parameters
- F02D2200/0618—Actual fuel injection timing or delay, e.g. determined from fuel pressure drop
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D2250/00—Engine control related to specific problems or objectives
- F02D2250/04—Fuel pressure pulsation in common rails
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
- F02D41/30—Controlling fuel injection
- F02D41/38—Controlling fuel injection of the high pressure type
- F02D41/40—Controlling fuel injection of the high pressure type with means for controlling injection timing or duration
- F02D41/402—Multiple injections
- F02D41/403—Multiple injections with pilot injections
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M57/00—Fuel-injectors combined or associated with other devices
- F02M57/005—Fuel-injectors combined or associated with other devices the devices being sensors
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/40—Engine management systems
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
Description
本発明は、ディーゼルエンジンに代表される内燃機関の燃料噴射制御装置に係る。特に、本発明は、主噴射(以下、メイン噴射と呼ぶ場合もある)に先立って実行される副噴射(以下、パイロット噴射と呼ぶ場合もある)の噴射形態の改良に関する。
従来から周知のように、自動車用エンジン等として使用されるディーゼルエンジンでは、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等に応じて、燃料噴射弁(以下、インジェクタと呼ぶ場合もある)からの燃料噴射量や燃料噴射タイミングを調整する燃料噴射制御が行われている。そして、この燃料噴射制御では、排気エミッションの改善、高いエンジントルクの確保、燃焼音の低減等といった観点から燃料噴射形態が制御される。その一例として、メイン噴射の実行に先立って行われるパイロット噴射の噴射形態を制御することが行われている。
例えば、下記の特許文献1には、パイロット噴射を複数に分割し、各分割パイロット噴射それぞれの噴射量を抑制することで燃料の貫徹力を低く抑え、燃料の気筒内壁面への付着(以下、燃料の壁面付着と呼ぶ)を回避することが開示されている。これにより、燃料の壁面付着が原因で発生していた排気中のHCやCOの発生量を減少させて排気エミッションの改善が図れるようにしている。
また、下記の特許文献2には、各気筒に第一燃料噴射弁及び第二燃料噴射弁を備えさせ、第一燃料噴射弁により低燃料圧力でパイロット燃料噴射を実施すると共に、第二燃料噴射弁により高燃料圧力でメイン燃料噴射を実施することが開示されている。これにより、メイン燃料噴射の燃料圧力に影響されることなく、エンジン運転状態に適した燃料噴射開始時期及び燃料噴射期間を実現するパイロット噴射を実施可能としている。
更に、下記の特許文献3には、燃料噴射ノズルの放出オリフィス開度を可変とし、この放出オリフィス開度を大きくすることでニードル弁のリフト速度を高くして噴射初期の噴射率を高く設定する第1噴射パターンと、上記放出オリフィス開度を小さくすることでニードル弁のリフト速度を低くして噴射初期の噴射率を低く設定する第2噴射パターンとを切り換え可能とする構成が開示されている。そして、これをパイロット噴射に適用することで、パイロット噴射による着火性の向上、燃焼騒音の抑制、NOx排出量の低減等が図れるようにしている。
ところが、上記特許文献1では、パイロット噴射で噴射された燃料の壁面付着は防止できるものの、その燃料により形成される燃焼場の位置(燃焼室内における燃焼場の位置)を高い精度で調整することは困難である。このため、この燃焼場が燃焼室内における外周側に位置する状況では、混合気の空燃比のリーン化に伴って燃焼場温度が十分に上昇せず、予熱量が不足してしまって、メイン噴射での着火時期(拡散燃焼の開始時期)が適切に得られない可能性がある。
また、上記特許文献2のものは、複数の燃料噴射弁及びそれぞれに対応する複数の燃料供給系が必要であり、燃料供給システムの複雑化や製造コストの高騰を招いてしまうため実用性に欠けるものであった。
更に、上記特許文献3にあっては、放出オリフィス開度を可変とするための機構が必要であり、この場合にもシステムの複雑化や製造コストの高騰を招いてしまうことになる。
このように、従来技術にあっては、パイロット噴射の噴射圧力を適正化するために複雑なハードウェアが必要であった。
また、一つの燃料噴射弁でパイロット噴射とメイン噴射とを実行するものでは、パイロット噴射での噴射圧力はメイン噴射での噴射圧力によって規定されてしまい、このパイロット噴射の噴射圧力の最適化を図ることは困難であると考えられていた。つまり、燃料の壁面付着を防止し且つ予熱量を十分に確保できるようにパイロット噴射の噴射圧力を設定したり(パイロット噴射の噴射圧力をメイン噴射での噴射圧力に対して低く設定したり)、パイロット噴射で噴射された燃料の予混合割合を高めて排気エミッションの改善が図れるようにパイロット噴射の噴射圧力を設定したり(パイロット噴射の噴射圧力をメイン噴射での噴射圧力に対して高く設定したり)するといった、要求に応じた噴射圧力の最適化を図ることは困難であると考えられていた。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料供給システムの複雑化を招くことなしに、副噴射(パイロット噴射)の噴射圧力を任意に設定可能とする内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することにある。
−課題の解決原理−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、副噴射(パイロット噴射)を複数回に亘って実行する場合に、先行して実行された副噴射に起因して発生する燃料供給系内の燃料圧力の変動(燃圧脈動)を利用し、後続する副噴射の噴射タイミングを、上記変動する燃料圧力に基づいて規定することで、この後続する副噴射での噴射圧力を任意に設定可能とし、その噴霧の位置を所望の位置に設定できるようにしている。つまり、副噴射による予熱要求が高い場合には燃料圧力が低くなっているタイミングで副噴射を実行して噴霧到達距離を短くし、副噴射により噴射された燃料の予混合割合を高くしたい場合には燃料圧力が高くなっているタイミングで副噴射を実行して噴霧到達距離を長く設定するようにしている。
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、副噴射(パイロット噴射)を複数回に亘って実行する場合に、先行して実行された副噴射に起因して発生する燃料供給系内の燃料圧力の変動(燃圧脈動)を利用し、後続する副噴射の噴射タイミングを、上記変動する燃料圧力に基づいて規定することで、この後続する副噴射での噴射圧力を任意に設定可能とし、その噴霧の位置を所望の位置に設定できるようにしている。つまり、副噴射による予熱要求が高い場合には燃料圧力が低くなっているタイミングで副噴射を実行して噴霧到達距離を短くし、副噴射により噴射された燃料の予混合割合を高くしたい場合には燃料圧力が高くなっているタイミングで副噴射を実行して噴霧到達距離を長く設定するようにしている。
−解決手段−
具体的に、本発明は、燃料供給系に備えられた燃料噴射弁からの燃料噴射動作として、少なくとも、主噴射と、この主噴射に先立って行われる複数回の副噴射とが実行可能な圧縮自着火式の内燃機関の燃料噴射制御装置を前提とする。この内燃機関の燃料噴射制御装置に対し、変動燃料圧力認識手段、目標噴射圧力設定手段、後続副噴射実行手段を備えさせる。変動燃料圧力認識手段は、上記複数回の副噴射のうち先行する副噴射の終了に伴って周期的に変動する燃料供給系内の燃料圧力を認識する。目標噴射圧力設定手段は、上記先行する副噴射の終了後に実行される後続副噴射の目標噴射圧力を上記副噴射に要求される機能に応じて設定し、この要求がこの後続副噴射で噴射される燃料の予混合割合を多くする予混合要求時には、この予混合割合が高いほど、この後続副噴射の目標噴射圧力を高く設定し、この要求がこの後続副噴射で噴射される燃料による筒内予熱を確保する予熱要求時には、この筒内予熱要求度合いが高いほど、上記後続副噴射の目標噴射圧力を低く設定する。後続副噴射実行手段は、上記変動燃料圧力認識手段により認識された燃料供給系内の燃料圧力が上記目標噴射圧力設定手段により設定された目標噴射圧力になった時点で、上記後続副噴射を実行する。
具体的に、本発明は、燃料供給系に備えられた燃料噴射弁からの燃料噴射動作として、少なくとも、主噴射と、この主噴射に先立って行われる複数回の副噴射とが実行可能な圧縮自着火式の内燃機関の燃料噴射制御装置を前提とする。この内燃機関の燃料噴射制御装置に対し、変動燃料圧力認識手段、目標噴射圧力設定手段、後続副噴射実行手段を備えさせる。変動燃料圧力認識手段は、上記複数回の副噴射のうち先行する副噴射の終了に伴って周期的に変動する燃料供給系内の燃料圧力を認識する。目標噴射圧力設定手段は、上記先行する副噴射の終了後に実行される後続副噴射の目標噴射圧力を上記副噴射に要求される機能に応じて設定し、この要求がこの後続副噴射で噴射される燃料の予混合割合を多くする予混合要求時には、この予混合割合が高いほど、この後続副噴射の目標噴射圧力を高く設定し、この要求がこの後続副噴射で噴射される燃料による筒内予熱を確保する予熱要求時には、この筒内予熱要求度合いが高いほど、上記後続副噴射の目標噴射圧力を低く設定する。後続副噴射実行手段は、上記変動燃料圧力認識手段により認識された燃料供給系内の燃料圧力が上記目標噴射圧力設定手段により設定された目標噴射圧力になった時点で、上記後続副噴射を実行する。
この特定事項により、先行する副噴射の終了に伴って燃料供給系内では燃料圧力が周期的に変動する(上昇と下降を繰り返す)燃圧脈動が発生する。つまり、主噴射での燃料噴射圧力に対し、燃料圧力が高い状態と低い状態とが繰り返されることになる。そして、後続副噴射の目標噴射圧力を予め上記副噴射に要求される機能に応じて設定し、この要求がこの後続副噴射で噴射される燃料の予混合割合を多くする予混合要求時には、この予混合割合が高いほど、この後続副噴射の目標噴射圧力を高く設定し、この要求がこの後続副噴射で噴射される燃料による筒内予熱を確保する予熱要求時には、この筒内予熱要求度合いが高いほど、上記後続副噴射の目標噴射圧力を低く設定しておき、燃料供給系内の燃料圧力が目標噴射圧力になった時点で後続副噴射を実行する。つまり、後続副噴射の目標噴射圧力が主噴射での燃料噴射圧力に対して低い値に設定されている場合には、上記脈動により燃料供給系内において燃料圧力が低くなったタイミング(目標噴射圧力に一致したタイミング)で後続副噴射を実行する。一方、後続副噴射の目標噴射圧力が主噴射での燃料噴射圧力に対して高い値に設定されている場合には、上記脈動により燃料供給系内において燃料圧力が高くなったタイミング(目標噴射圧力に一致したタイミング)で後続副噴射を実行する。このように燃料供給系内での脈動を利用することで、後続副噴射を所望の燃料噴射圧力で実行することが可能になり、この後続副噴射で噴射された燃料の噴霧到達距離を任意に調整することが可能になる。
上記後続副噴射の目標噴射圧力を、この後続副噴射で噴射される燃料の燃焼室内における噴霧到達距離の目標値に基づいて設定してもよい。
この特定事項の場合、後続副噴射での噴射圧力は主噴射での噴射圧力や先行する副噴射での噴射圧力よりも低く設定され、後続副噴射の噴射量を減量することなしに燃焼室内での噴霧到達距離を短くできる。このため、後続副噴射で噴射された燃料により形成される燃焼場の混合気の空燃比のリッチ化を図ることができ、燃焼場温度を十分に高めることができて、予熱量を十分に得ることができる。
より具体的には、先行する副噴射の終了後、第1回目の燃料供給系内圧力下降期間において燃料圧力が上記目標噴射圧力になった時点で後続副噴射を実行するように後続副噴射実行手段を構成している。
これによれば、後続副噴射の実行タイミングを可能な限り進角側に設定することができ、上述した作用効果と共に、燃料消費率の改善を図ることができる。
より具体的には、先行する副噴射の終了後、第1回目の燃料供給系内圧力上昇期間において燃料圧力が上記目標噴射圧力になった時点で後続副噴射を実行するように後続副噴射実行手段を構成している。
この構成に場合にも、後続副噴射の実行タイミングを可能な限り進角側に設定することができ、上述した作用効果と共に、燃料消費率の改善を図ることができる。
また、上記先行する副噴射の噴射量の適正化を図る手段としては以下のものが挙げられる。先ず、後続副噴射の目標噴射圧力を、この後続副噴射で噴射される燃料による筒内予熱要求度合いに応じて設定する場合、上記先行する副噴射の終了に伴って周期的に変動する燃料供給系内の燃料圧力の最低値が、上記目標噴射圧力設定手段により設定された目標噴射圧力以下になるように、上記先行する副噴射の噴射量を規定する先行副噴射量規定手段を備えさせている。
また、上記後続副噴射の目標噴射圧力を、この後続副噴射で噴射される燃料の予混合割合に応じて設定する場合、上記先行する副噴射の終了に伴って周期的に変動する燃料供給系内の燃料圧力の最高値が、上記目標噴射圧力設定手段により設定された目標噴射圧力以上になるように、上記先行する副噴射の噴射量を規定する先行副噴射量規定手段を備えさせている。
これらの構成によれば、燃圧脈動発生中における燃料供給系内の燃料圧力を確実に後続副噴射の目標噴射圧力にまで到達させることが可能になり、上述した後続副噴射の実行タイミング調整による効果を確実に得ることが可能になる。
本発明では、先行して実行された副噴射に起因して発生する燃料供給系内の燃料圧力の変動を利用し、後続する副噴射の噴射タイミングを、上記変動する燃料圧力に基づいて規定することで、この後続する副噴射での噴射圧力を主噴射での噴射圧力に関わりなく任意に設定可能としている。これにより、後続副噴射で噴射された燃料の噴霧到達距離を任意に調整することが可能になる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車に搭載されたコモンレール式筒内直噴型多気筒(例えば直列4気筒)ディーゼルエンジン(圧縮自着火式内燃機関)に本発明を適用した場合について説明する。
−エンジンの構成−
先ず、本実施形態に係るディーゼルエンジン(以下、単にエンジンという)の概略構成について説明する。図1は本実施形態に係るエンジン1及びその制御系統の概略構成図である。また、図2は、ディーゼルエンジンの燃焼室3及びその周辺部を示す断面図である。
先ず、本実施形態に係るディーゼルエンジン(以下、単にエンジンという)の概略構成について説明する。図1は本実施形態に係るエンジン1及びその制御系統の概略構成図である。また、図2は、ディーゼルエンジンの燃焼室3及びその周辺部を示す断面図である。
図1に示すように、本実施形態に係るエンジン1は、燃料供給系2、燃焼室3、吸気系6、排気系7等を主要部とするディーゼルエンジンシステムとして構成されている。
燃料供給系2は、サプライポンプ21、コモンレール22、インジェクタ(燃料噴射弁)23、遮断弁24、燃料添加弁26、機関燃料通路27、添加燃料通路28等を備えて構成されている。
上記サプライポンプ21は、燃料タンクから燃料を汲み上げ、この汲み上げた燃料を高圧にした後、機関燃料通路27を介してコモンレール22に供給する。コモンレール22は、サプライポンプ21から供給された高圧燃料を所定圧力に保持(蓄圧)する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各インジェクタ23に分配する。インジェクタ23は、その内部に圧電素子(ピエゾ素子)を備え、適宜開弁して燃焼室3内に燃料を噴射供給するピエゾインジェクタにより構成されている。このインジェクタ23の燃料噴射制御の詳細については後述する。
また、上記サプライポンプ21は、燃料タンクから汲み上げた燃料の一部を、添加燃料通路28を介して燃料添加弁26に供給する。添加燃料通路28には、緊急時において添加燃料通路28を遮断して燃料添加を停止するための上記遮断弁24が備えられている。
また、上記燃料添加弁26は、ECU100による添加制御動作によって排気系7への燃料添加量が目標添加量(排気A/Fが目標A/Fとなるような添加量)となるように、また、燃料添加タイミングが所定タイミングとなるように開弁時期が制御される電子制御式の開閉弁により構成されている。つまり、この燃料添加弁26から所望の燃料が適宜のタイミングで排気系7(排気ポート71から排気マニホールド72)に噴射供給される構成となっている。
吸気系6は、シリンダヘッド15(図2参照)に形成された吸気ポート15aに接続される吸気マニホールド63を備え、この吸気マニホールド63に、吸気通路を構成する吸気管64が接続されている。また、この吸気通路には、上流側から順にエアクリーナ65、エアフローメータ43、スロットルバルブ(吸気絞り弁)62が配設されている。上記エアフローメータ43は、エアクリーナ65を介して吸気通路に流入される空気量に応じた電気信号を出力するようになっている。
また、この吸気系6には、燃焼室3内でのスワール流(水平方向の旋回流)を可変とするためのスワールコントロールバルブ66が備えられている(図2参照)。具体的に、上記吸気ポート15aとしては、ノーマルポート及びスワールポートの2系統が各気筒毎に備えられており、そのうち図2に示されているノーマルポート15aに、開度調整可能なバタフライバルブで成るスワールコントロールバルブ66が配置されている。このスワールコントロールバルブ66には図示しないアクチュエータが連繋されており、このアクチュエータの駆動によって調整されるスワールコントロールバルブ66の開度に応じてノーマルポート15aを通過する空気の流量が変更できるようになっている。そして、スワールコントロールバルブ66の開度が大きいほど、ノーマルポート15aから気筒内に吸入される空気量が増加する。このため、スワールポート(図2では図示省略)により発生したスワールは相対的に弱まり、気筒内は低スワール(スワール流速が低い状態)となる。逆に、スワールコントロールバルブ66の開度が小さいほど、ノーマルポート15aから気筒内に吸入される空気量が減少する。このため、スワールポートにより発生したスワールは相対的に強められ、気筒内は高スワール(スワール流速が高い状態)となる。
排気系7は、シリンダヘッド15に形成された上記排気ポート71に接続される排気マニホールド72を備え、この排気マニホールド72に対して、排気通路を構成する排気管73,74が接続されている。また、この排気通路には、NOx吸蔵触媒(NSR触媒:NOx Storage Reduction触媒)75及びDPNR触媒(Diesel Paticulate−NOx Reduction触媒)76を備えたマニバータ(排気浄化装置)77が配設されている。以下、これらNSR触媒75及びDPNR触媒76について説明する。
NSR触媒75は、吸蔵還元型NOx触媒であって、例えばアルミナ(Al2O3)を担体とし、この担体上に例えばカリウム(K)、ナトリウム(Na)、リチウム(Li)、セシウム(Cs)のようなアルカリ金属、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca)のようなアルカリ土類、ランタン(La)、イットリウム(Y)のような希土類と、白金(Pt)のような貴金属とが担持された構成となっている。
このNSR触媒75は、排気中に多量の酸素が存在している状態においてはNOxを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低く、かつ還元成分(例えば燃料の未燃成分(HC))が多量に存在している状態においてはNOxをNO2若しくはNOに還元して放出する。NO2やNOとして放出されたNOxは、排気中のHCやCOと速やかに反応することによってさらに還元されてN2となる。また、HCやCOは、NO2やNOを還元することで、自身は酸化されてH2OやCO2となる。即ち、NSR触媒75に導入される排気中の酸素濃度やHC成分を適宜調整することにより、排気中のHC、CO、NOxを浄化することができるようになっている。本実施形態のものでは、この排気中の酸素濃度やHC成分の調整を上記燃料添加弁26からの燃料添加動作によって行うことが可能となっている。
一方、DPNR触媒76は、例えば多孔質セラミック構造体にNOx吸蔵還元型触媒を担持させたものであり、排気ガス中のPMは多孔質の壁を通過する際に捕集される。また、排気ガスの空燃比がリーンの場合、排気ガス中のNOxはNOx吸蔵還元型触媒に吸蔵され、空燃比がリッチになると、吸蔵したNOxは還元・放出される。さらに、DPNR触媒76には、捕集したPMを酸化・燃焼する触媒(例えば白金等の貴金属を主成分とする酸化触媒)が担持されている。
ここで、ディーゼルエンジンの燃焼室3及びその周辺部の構成について、図2を用いて説明する。この図2に示すように、エンジン本体の一部を構成するシリンダブロック11には、各気筒(4気筒)毎に円筒状のシリンダボア12が形成されており、各シリンダボア12の内部にはピストン13が上下方向に摺動可能に収容されている。
ピストン13の頂面13aの上側には上記燃焼室3が形成されている。つまり、この燃焼室3は、シリンダブロック11の上部にガスケット14を介して取り付けられたシリンダヘッド15の下面と、シリンダボア12の内壁面と、ピストン13の頂面13aとにより区画形成されている。そして、ピストン13の頂面13aの略中央部には、キャビティ(凹陥部)13bが凹設されており、このキャビティ13bも燃焼室3の一部を構成している。
尚、このキャビティ13bの形状としては、その中央部分(シリンダ中心線P上)では凹陥寸法が小さく、外周側に向かうに従って凹陥寸法が大きくなっている。つまり、図2に示すようにピストン13が圧縮上死点付近にある際、このキャビティ13bによって形成される燃焼室3としては、中央部分では比較的容積の小さい狭小空間とされ、外周側に向かって次第に空間が拡大される(拡大空間とされる)構成となっている。
上記ピストン13は、コネクティングロッド18の小端部18aがピストンピン13cにより連結されており、このコネクティングロッド18の大端部はエンジン出力軸であるクランクシャフトに連結されている。これにより、シリンダボア12内でのピストン13の往復移動がコネクティングロッド18を介してクランクシャフトに伝達され、このクランクシャフトが回転することでエンジン出力が得られるようになっている。また、燃焼室3に向けてグロープラグ19が配設されている。このグロープラグ19は、エンジン1の始動直前に電流が流されることにより赤熱し、これに燃料噴霧の一部が吹きつけられることで着火・燃焼が促進される始動補助装置として機能する。
上記シリンダヘッド15には、燃焼室3へ空気を導入する上記吸気ポート15aと、燃焼室3から排気ガスを排出する上記排気ポート71とがそれぞれ形成されていると共に、吸気ポート15aを開閉する吸気バルブ16及び排気ポート71を開閉する排気バルブ17が配設されている。これら吸気バルブ16及び排気バルブ17はシリンダ中心線Pを挟んで対向配置されている。つまり、本エンジン1はクロスフロータイプとして構成されている。また、シリンダヘッド15には、燃焼室3の内部へ直接的に燃料を噴射する上記インジェクタ23が取り付けられている。このインジェクタ23は、シリンダ中心線Pに沿う起立姿勢で燃焼室3の略中央上部に配設されており、上記コモンレール22から導入される燃料を燃焼室3に向けて所定のタイミングで噴射するようになっている。
更に、図1に示す如く、このエンジン1には、過給機(ターボチャージャ)5が設けられている。このターボチャージャ5は、タービンシャフト51を介して連結されたタービンホイール52及びコンプレッサホイール53を備えている。コンプレッサホイール53は吸気管64内部に臨んで配置され、タービンホイール52は排気管73内部に臨んで配置されている。このためターボチャージャ5は、タービンホイール52が受ける排気流(排気圧)を利用してコンプレッサホイール53を回転させ、吸気圧を高めるといった所謂過給動作を行うようになっている。本実施形態におけるターボチャージャ5は、可変ノズル式ターボチャージャであって、タービンホイール52側に可変ノズルベーン機構(図示省略)が設けられており、この可変ノズルベーン機構の開度を調整することにより、エンジン1の過給圧を調整することができる。
吸気系6の吸気管64には、ターボチャージャ5での過給によって昇温した吸入空気を強制冷却するためのインタークーラ61が設けられている。
このインタークーラ61よりも更に下流側に設けられた上記スロットルバルブ62は、その開度を無段階に調整することができる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を絞り、この吸入空気の供給量を調整(低減)する機能を有している。
また、エンジン1には、吸気系6と排気系7とを接続する排気還流通路(EGR通路)8が設けられている。このEGR通路8は、排気の一部を適宜吸気系6に還流させて燃焼室3へ再度供給することにより燃焼温度を低下させ、これによってNOx発生量を低減させるものである。また、このEGR通路8には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気流量を自在に調整することができるEGRバルブ81と、EGR通路8を通過(還流)する排気を冷却するためのEGRクーラ82とが設けられている。これらEGR通路8、EGRバルブ81、EGRクーラ82等によってEGR装置(排気還流装置)が構成されている。
−センサ類−
エンジン1の各部位には、各種センサが取り付けられており、それぞれの部位の環境条件や、エンジン1の運転状態に関する信号を出力する。
エンジン1の各部位には、各種センサが取り付けられており、それぞれの部位の環境条件や、エンジン1の運転状態に関する信号を出力する。
例えば、上記エアフローメータ43は、吸気系6内のスロットルバルブ62上流において吸入空気の流量(吸入空気量)に応じた検出信号を出力する。吸気温センサ49は、吸気マニホールド63に配置され、吸入空気の温度に応じた検出信号を出力する。吸気圧センサ48は、吸気マニホールド63に配置され、吸入空気圧力に応じた検出信号を出力する。A/F(空燃比)センサ44は、排気系7のマニバータ77の下流において排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。排気温センサ45は、同じく排気系7のマニバータ77の下流において排気ガスの温度(排気温度)に応じた検出信号を出力する。レール圧センサ41はコモンレール22内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。スロットル開度センサ42はスロットルバルブ62の開度を検出する。
−ECU−
ECU100は、図3に示すように、CPU101、ROM102、RAM103及びバックアップRAM104などを備えている。ROM102は、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。CPU101は、ROM102に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。RAM103は、CPU101での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリである。バックアップRAM104は、例えばエンジン1の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。
ECU100は、図3に示すように、CPU101、ROM102、RAM103及びバックアップRAM104などを備えている。ROM102は、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。CPU101は、ROM102に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。RAM103は、CPU101での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリである。バックアップRAM104は、例えばエンジン1の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。
以上のCPU101、ROM102、RAM103及びバックアップRAM104は、バス107を介して互いに接続されるとともに、入力インターフェース105及び出力インターフェース106と接続されている。
入力インターフェース105には、上記レール圧センサ41、スロットル開度センサ42、エアフローメータ43、A/Fセンサ44、排気温センサ45、吸気圧センサ48、吸気温センサ49が接続されている。さらに、この入力インターフェース105には、エンジン1の冷却水温に応じた検出信号を出力する水温センサ46、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ47、エンジン1の出力軸(クランクシャフト)が一定角度回転する毎に検出信号(パルス)を出力するクランクポジションセンサ40、及び、インジェクタ23内部の燃料圧力を検出するインジェクタ内部圧センサ4Aなどが接続されている。
一方、出力インターフェース106には、上記サプライポンプ21、インジェクタ23、燃料添加弁26、スロットルバルブ62、スワールコントロールバルブ66、及び、EGRバルブ81などが接続されている。また、出力インターフェース106には、その他に、上記ターボチャージャ5の可変ノズルベーン機構に備えられたアクチュエータ(図示省略)も接続されている。
そして、ECU100は、上記した各種センサからの出力、その出力値を利用する演算式により求められた演算値、または、上記ROM102に記憶された各種マップに基づいて、エンジン1の各種制御を実行する。
例えば、ECU100は、エンジン1の運転状態に応じてEGRバルブ81の開度を制御し、吸気マニホールド63に向けての排気還流量(EGR量)を調整する。このEGR量は、上記ROM102に予め記憶されたEGRマップに従って設定される。具体的に、このEGRマップは、エンジン回転数及びエンジン負荷をパラメータとしてEGR量(EGR率)を決定するためのマップである。尚、このEGRマップは、予め実験やシミュレーション等によって作成されたものとなっている。つまり、上記クランクポジションセンサ40の検出値に基づいて算出されたエンジン回転数及びスロットル開度センサ42によって検出されたスロットルバルブ62の開度(エンジン負荷に相当)とをEGRマップに当て嵌めることでEGR量(EGRバルブ81の開度)が得られるようになっている。
更に、ECU100は、上記スワールコントロールバルブ66の開度制御を実行する。このスワールコントロールバルブ66の開度制御としては、燃焼室3内に噴射された燃料の噴霧の単位時間当たり(または単位クランク回転角度当たり)における気筒内の周方向の移動量を変更するように行われる。
また、ECU100は、インジェクタ23の燃料噴射制御として、パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射(主噴射)、アフタ噴射(副噴射)、ポスト噴射等を実行する。
−燃料噴射形態−
以下、本実施形態における上記パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射、ポスト噴射の各動作の概略について説明する。
以下、本実施形態における上記パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射、ポスト噴射の各動作の概略について説明する。
(パイロット噴射)
パイロット噴射は、インジェクタ23からのメイン噴射に先立ち、予め少量の燃料を必要に応じて噴射する動作である。具体的には、メイン噴射で噴射される燃料の拡散燃焼開始時期が目標とする時期(以下、「目標拡散燃焼開始時期」と呼ぶ)よりも遅角側になると推測される場合に、この目標拡散燃焼開始時期を迎える前に混合気温度(気筒内温度)を高めて、このメイン噴射で噴射される燃料の拡散燃焼開始時期が目標拡散燃焼開始時期(例えばクランク角度で、ピストン13の圧縮上死点後(ATDC)5°)に一致するようにパイロット噴射が実行される。即ち、このパイロット噴射の実行後、燃料噴射を一旦中断し、メイン噴射が開始されるまでの間に混合気温度(気筒内温度)を十分に高めて上記目標拡散燃焼開始時期において燃料の拡散燃焼可能温度(例えば1000K)に到達させるようにし、これによってメイン噴射で噴射された燃料の燃焼状態を適正化して、排気エミッションの改善、高いエンジントルクの確保、燃焼音の低減等が図れるようにしている。
パイロット噴射は、インジェクタ23からのメイン噴射に先立ち、予め少量の燃料を必要に応じて噴射する動作である。具体的には、メイン噴射で噴射される燃料の拡散燃焼開始時期が目標とする時期(以下、「目標拡散燃焼開始時期」と呼ぶ)よりも遅角側になると推測される場合に、この目標拡散燃焼開始時期を迎える前に混合気温度(気筒内温度)を高めて、このメイン噴射で噴射される燃料の拡散燃焼開始時期が目標拡散燃焼開始時期(例えばクランク角度で、ピストン13の圧縮上死点後(ATDC)5°)に一致するようにパイロット噴射が実行される。即ち、このパイロット噴射の実行後、燃料噴射を一旦中断し、メイン噴射が開始されるまでの間に混合気温度(気筒内温度)を十分に高めて上記目標拡散燃焼開始時期において燃料の拡散燃焼可能温度(例えば1000K)に到達させるようにし、これによってメイン噴射で噴射された燃料の燃焼状態を適正化して、排気エミッションの改善、高いエンジントルクの確保、燃焼音の低減等が図れるようにしている。
また、このパイロット噴射の利用形態としては、噴射された燃料の噴霧到達距離(噴霧の飛行距離)を比較的短く設定して燃焼場での空燃比をリッチにすることで上述した予熱量を確保する利用形態(総パイロット噴射量中の予熱割合を増大する利用形態)と、噴射された燃料の噴霧到達距離(噴霧の飛行距離)を比較的長く設定して(壁面付着を生じない範囲で長く設定して)燃焼場での空燃比をリーンにすることで予混合割合を多くしてスモークの発生量の抑制を図る利用形態(総パイロット噴射量中の予混合割合を増大する利用形態)とが挙げられる。
そして、本実施形態では、このパイロット噴射において要求される燃料噴射量である総パイロット噴射量を、複数回のパイロット噴射(以下、「分割パイロット噴射」と呼ぶ)によって分割することで間欠的にインジェクタ23から燃料噴射を行うようにしている。各分割パイロット噴射における燃料噴射タイミング及び燃料噴射量等の具体的な設定手法については後述する。
(プレ噴射)
プレ噴射は、インジェクタ23からのメイン噴射に先立ち、予め少量の燃料を必要に応じて噴射する噴射動作である。このプレ噴射により、メイン噴射による燃料の着火遅れを抑制し、安定した拡散燃焼に導くようにしている。
プレ噴射は、インジェクタ23からのメイン噴射に先立ち、予め少量の燃料を必要に応じて噴射する噴射動作である。このプレ噴射により、メイン噴射による燃料の着火遅れを抑制し、安定した拡散燃焼に導くようにしている。
(メイン噴射)
メイン噴射は、エンジン1のトルク発生のための噴射動作(トルク発生用燃料の供給動作)である。このメイン噴射での噴射量は、基本的には、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等の運転状態に応じ、要求トルクが得られるように決定される。例えば、エンジン回転数(クランクポジションセンサ40の検出値に基づいて算出されるエンジン回転数)が高いほど、また、アクセル操作量(アクセル開度センサ47により検出されるアクセルペダルの踏み込み量)が大きいほど(アクセル開度が大きいほど)エンジン1のトルク要求値としては高く得られ、それに応じてメイン噴射での燃料噴射量としても多く設定されることになる。また、このメイン噴射で噴射された燃料は、上述した如くパイロット噴射で噴射された燃料によって混合気温度(気筒内温度)の上昇が十分になされている場合には、上記目標拡散燃焼開始時期において拡散燃焼を開始することになる。
メイン噴射は、エンジン1のトルク発生のための噴射動作(トルク発生用燃料の供給動作)である。このメイン噴射での噴射量は、基本的には、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等の運転状態に応じ、要求トルクが得られるように決定される。例えば、エンジン回転数(クランクポジションセンサ40の検出値に基づいて算出されるエンジン回転数)が高いほど、また、アクセル操作量(アクセル開度センサ47により検出されるアクセルペダルの踏み込み量)が大きいほど(アクセル開度が大きいほど)エンジン1のトルク要求値としては高く得られ、それに応じてメイン噴射での燃料噴射量としても多く設定されることになる。また、このメイン噴射で噴射された燃料は、上述した如くパイロット噴射で噴射された燃料によって混合気温度(気筒内温度)の上昇が十分になされている場合には、上記目標拡散燃焼開始時期において拡散燃焼を開始することになる。
(アフタ噴射)
アフタ噴射は、排気ガス温度を上昇させるための噴射動作である。具体的に、本実施形態では、このアフタ噴射により供給された燃料の燃焼エネルギがエンジンのトルクに変換されることなく、その大部分が排気の熱エネルギとして得られるタイミングでアフタ噴射を実行するようにしている。
アフタ噴射は、排気ガス温度を上昇させるための噴射動作である。具体的に、本実施形態では、このアフタ噴射により供給された燃料の燃焼エネルギがエンジンのトルクに変換されることなく、その大部分が排気の熱エネルギとして得られるタイミングでアフタ噴射を実行するようにしている。
(ポスト噴射)
ポスト噴射は、排気系7に燃料を直接的に導入して上記マニバータ77の昇温を図るための噴射動作である。例えば、DPNR触媒76に捕集されているPMの堆積量が所定量を超えた場合(例えばマニバータ77の前後の差圧を検出することにより検知)、ポスト噴射が実行されるようになっている。
ポスト噴射は、排気系7に燃料を直接的に導入して上記マニバータ77の昇温を図るための噴射動作である。例えば、DPNR触媒76に捕集されているPMの堆積量が所定量を超えた場合(例えばマニバータ77の前後の差圧を検出することにより検知)、ポスト噴射が実行されるようになっている。
−燃料噴射圧−
上記メイン噴射で噴射される燃料の噴射圧は、コモンレール22の内圧により決定される。このコモンレール内圧として、一般に、コモンレール22からインジェクタ23へ供給される燃料圧力の目標値、即ち目標レール圧(メイン噴射で噴射される燃料の噴射圧の目標値)は、エンジン負荷(機関負荷)が高くなるほど、及び、エンジン回転数(機関回転数)が高くなるほど高いものとされる。即ち、エンジン負荷が高い場合には燃焼室3内に吸入される空気量が多いため、インジェクタ23から燃焼室3内に向けて多量の燃料を噴射しなければならず、よってインジェクタ23からの噴射圧力を高いものとする必要がある。また、エンジン回転数が高い場合には噴射可能な期間が短いため、単位時間当たりに噴射される燃料量を多くしなければならず、よってインジェクタ23からの噴射圧力を高いものとする必要がある。このように、目標レール圧は一般にエンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて設定される。尚、この目標レール圧は例えば上記ROM102に記憶された燃圧設定マップに従って設定される。つまり、この燃圧設定マップに従って燃料圧力を決定することで、インジェクタ23の開弁期間(噴射率波形)が制御され、その開弁期間中における燃料噴射量を規定することが可能になる。尚、本実施形態では、エンジン負荷等に応じて燃料圧力が30MPa〜200MPaの間で調整されるようになっている。
上記メイン噴射で噴射される燃料の噴射圧は、コモンレール22の内圧により決定される。このコモンレール内圧として、一般に、コモンレール22からインジェクタ23へ供給される燃料圧力の目標値、即ち目標レール圧(メイン噴射で噴射される燃料の噴射圧の目標値)は、エンジン負荷(機関負荷)が高くなるほど、及び、エンジン回転数(機関回転数)が高くなるほど高いものとされる。即ち、エンジン負荷が高い場合には燃焼室3内に吸入される空気量が多いため、インジェクタ23から燃焼室3内に向けて多量の燃料を噴射しなければならず、よってインジェクタ23からの噴射圧力を高いものとする必要がある。また、エンジン回転数が高い場合には噴射可能な期間が短いため、単位時間当たりに噴射される燃料量を多くしなければならず、よってインジェクタ23からの噴射圧力を高いものとする必要がある。このように、目標レール圧は一般にエンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて設定される。尚、この目標レール圧は例えば上記ROM102に記憶された燃圧設定マップに従って設定される。つまり、この燃圧設定マップに従って燃料圧力を決定することで、インジェクタ23の開弁期間(噴射率波形)が制御され、その開弁期間中における燃料噴射量を規定することが可能になる。尚、本実施形態では、エンジン負荷等に応じて燃料圧力が30MPa〜200MPaの間で調整されるようになっている。
上記メイン噴射の燃料噴射パラメータについて、その最適値はエンジン運転状態や吸入空気等の温度条件によって異なるものとなる。
例えば、上記ECU100は、コモンレール圧がエンジン運転状態に基づいて設定される目標レール圧と等しくなるように、即ち燃料噴射圧が目標噴射圧と一致するように、サプライポンプ21の燃料吐出量を調量する。また、ECU100はエンジン運転状態に基づいて燃料噴射量及び燃料噴射形態を決定する。具体的には、ECU100は、クランクポジションセンサ40の検出値に基づいてエンジン回転速度を算出するとともに、アクセル開度センサ47の検出値に基づいてアクセルペダルの踏み込み量(アクセル開度)を求め、このエンジン回転速度及びアクセル開度に基づいてメイン噴射等における燃料噴射タイミングや燃料噴射量を決定する。
−燃焼形態の概略説明−
次に、本実施形態に係るエンジン1における燃焼室3内での燃焼形態の概略について説明する。
次に、本実施形態に係るエンジン1における燃焼室3内での燃焼形態の概略について説明する。
図4は、エンジン1の一つの気筒に対して吸気マニホールド63及び吸気ポート15aを経てガス(空気)が吸入され、燃焼室3内へインジェクタ23からの燃料噴射によって燃焼が行われると共に、その燃焼後のガスが排気ポート71を経て排気マニホールド72へ排出される様子を模式的に示した図である。
この図4に示すように、気筒内に吸入されるガスには、吸気管64からスロットルバルブ62を介して吸入された新気と、上記EGRバルブ81が開弁された場合にEGR通路8から吸入されるEGRガスとが含まれる。吸入される新気量(質量)と吸入されるEGRガス量(質量)との和に対するEGRガス量の割合(即ち、EGR率)は、運転状態に応じて上記ECU100により適宜制御されるEGRバルブ81の開度に応じて変化する。
このようにして気筒内に吸入された新気及びEGRガスは、吸気行程において開弁している吸気バルブ16を介し、ピストン13(図4では図示省略)の下降に伴って気筒内に吸入されて筒内ガスとなる。この筒内ガスは、エンジン1の運転状態に応じて決定されるバルブ閉弁時にて吸気バルブ16が閉弁することにより筒内に密閉され(筒内ガスの閉じ込め状態)、その後の圧縮行程においてピストン13の上昇に伴って圧縮される。そして、ピストン13が上死点近傍に達すると、上述したECU100による噴射量制御によって所定時間だけインジェクタ23が開弁されることで燃料を燃焼室3内に直接噴射する。具体的には、ピストン13が上死点に達する前に上記パイロット噴射等が実行され、燃料噴射が一旦停止された後、所定のインターバルを経て、ピストン13が上死点近傍に達した時点で上記メイン噴射が実行されることになる。また、このメイン噴射が実行された後、必要に応じて所定のインターバルを経て上記アフタ噴射やポスト噴射が行われる。
図5は、この燃料噴射(メイン噴射)時における燃焼室3及びその周辺部を示す断面図であり、図6は、この燃料噴射時における燃焼室3の平面図(ピストン13の上面を示す図)である。図6に示すように、本実施形態に係るエンジン1のインジェクタ23には、周方向に亘って等間隔に8個の噴孔が設けられており、これら噴孔からそれぞれ均等に燃料が噴射されるようになっている。尚、この噴孔数としては8個に限るものではない。
そして、この各噴孔から噴射された燃料の噴霧A,A,…は略円錐状に拡散していく。また、各噴孔からの燃料噴射(特に、メイン噴射)は、ピストン13が圧縮上死点近傍に達した時点で行われるため、図5に示すように、各燃料の噴霧A,A,…は上記キャビティ13b内で拡散していくことになる。
このように、インジェクタ23に形成されている各噴孔から噴射された燃料の噴霧A,A,…は、時間の経過に伴って筒内ガスと混ざり合いながら混合気となって筒内においてそれぞれ円錐状に拡散していき、自己着火によって燃焼する。つまり、この各燃料の噴霧A,A,…は、それぞれ筒内ガスと共に略円錐状の燃焼場を形成し、その燃焼場(本実施形態では8箇所の燃焼場)でそれぞれ燃焼が開始されることになる。
そして、主にメイン噴射で噴射された燃料の燃焼により発生したエネルギの大部分はピストン13を下死点に向かって押し下げるための運動エネルギ(エンジン出力となるエネルギ)として得られる。
そして、燃焼後の筒内ガスは、排気行程において開弁する排気バルブ17を介し、ピストン13の上昇に伴って排気ポート71及び排気マニホールド72へ排出されて排ガスとなる。
−パイロット噴射制御動作−
次に、本実施形態の特徴とする動作である上記パイロット噴射を実行するための制御動作について具体的に説明する。
次に、本実施形態の特徴とする動作である上記パイロット噴射を実行するための制御動作について具体的に説明する。
本実施形態に係るパイロット噴射では、上述した如く、パイロット噴射において要求される燃料噴射量である総パイロット噴射量を、複数回の分割パイロット噴射によって確保するようにしている。例えば、総パイロット噴射量が3mm3であった場合には、1.5mm3(本実施形態にあってはインジェクタ23の最小限界噴射量)の分割パイロット噴射が2回行われる。また、総パイロット噴射量が5mm3であった場合には、2.5mm3の分割パイロット噴射が2回行われる。これら値はこれに限定されるものではない。また、2回の分割パイロット噴射を実行する場合に、先行するパイロット噴射(以下、第1パイロット噴射と呼ぶ)での噴射量と後続するパイロット噴射(以下、第2パイロット噴射と呼ぶ)での噴射量とは必ずしも一致させる必要はない。また、3回以上の分割パイロット噴射によって総パイロット噴射量を確保するようにしてもよい。以下の説明では、理解を容易にするために2回の分割パイロット噴射(第1パイロット噴射及び第2パイロット噴射)が実行される場合を例に挙げて説明する。
上記総パイロット噴射量は、上記目標拡散燃焼開始時期における気筒内の混合気温度とメイン噴射で噴射された燃料の拡散燃焼開始温度とに基づいて算出される。つまり、気筒内の混合気温度が燃料の拡散燃焼開始温度よりも低いほど総パイロット噴射量としては多く設定されるようになっている。以下、この総パイロット噴射量の算出動作の一例について説明する。
この総パイロット噴射量の算出動作にあっては、先ず、メイン噴射で噴射された燃料の拡散燃焼開始温度が設定される。この拡散燃焼開始温度は、上記メイン噴射で噴射された燃料(噴霧)により形成される燃焼場が低温酸化反応から拡散燃焼に移行するために必要となる温度であって、例えば1000Kとして設定される。
そして、パイロット噴射を実行しないと仮定した場合における混合気温度と、上記拡散燃焼開始温度との偏差から総パイロット噴射量を求めることになる。
図7は、2回の分割パイロット噴射が実行される場合におけるパイロット噴射及びメイン噴射の各噴射パターン(下段の波形図:プレ噴射を実行しない場合)、及び、その際の混合気温度の変化(上段の波形図)を示している。この図7では、総パイロット噴射量を均等に2分割してそれぞれを第1パイロット噴射及び第2パイロット噴射の各噴射量として設定した場合を示している。
混合気温度の変化を示す波形のうちの破線はパイロット噴射を実行しなかった場合の筒内温度の変化を示し、実線は目標拡散燃焼開始時期(図中のタイミングT1)において混合気温度が「拡散燃焼開始温度」に達する場合の筒内温度の変化を示している。つまり、目標拡散燃焼開始時期T1において拡散燃焼を開始するために必要な熱量(パイロット噴射に要求される熱量)は図中に示す「拡散燃焼開始時期必要予熱量」として求められる。尚、上記破線で示す筒内温度の変化は、エンジン回転数、冷却水温度、吸気温度等のパラメータにより推測が可能である。
そして、この「拡散燃焼開始時期必要予熱量」を得るために、上述した総パイロット噴射量が求められることになる。この場合、図中の「メイン噴射開始時必要熱量」が得られるように総パイロット噴射量を設定することで、上記目標拡散燃焼開始時期T1における「拡散燃焼開始時期必要予熱量」が確保されることになる。尚、メイン噴射開始後の混合気温度の上昇(拡散燃焼開始温度に向かう温度上昇)は、このメイン噴射で噴射された燃料の低温酸化反応によるものである。
上記総パイロット噴射量を取得するための動作としては、例えば、「メイン噴射開始時必要熱量」から総パイロット噴射量を求めるための総パイロット噴射量マップを上記ROM102に記憶させておき、エンジン1の運転状態等から上記「メイン噴射開始時必要熱量」を求め、これを総パイロット噴射量マップに当て嵌めることで総パイロット噴射量を取得することなどが挙げられる。この総パイロット噴射量マップは予め実験やシミュレーション等によって作成されたものである。また、上記「メイン噴射開始時必要熱量」を変数とする所定の演算式により総パイロット噴射量を算出するようにしてもよい。
このようにして、総パイロット噴射量が求められ、それを2回の分割パイロット噴射により噴射することにより、目標拡散燃焼開始時期T1における筒内温度を拡散燃焼開始温度(例えば1000K)にまで上昇させておくことが可能であり、このメイン噴射で噴射された燃料の拡散燃焼が、この目標拡散燃焼開始時期T1で開始されることになる。
尚、上記目標拡散燃焼開始時期T1は、上述した如く、例えばピストン13の圧縮上死点後の所定時期(例えばATDC5°)に設定される。尚、この目標拡散燃焼開始時期としては、これに限られるものではなく、例えば排気エミッションに応じて適宜遅角させる場合もある。つまり、エンジン1のトルクを重視した運転の場合には、目標拡散燃焼開始時期T1は上記圧縮上死点付近に設定され、NOx排出量の抑制等を重視した運転の場合には、目標拡散燃焼開始時期T1は圧縮上死点よりも遅角側に設定される。
また、2回の分割パイロット噴射のうち先行する第1パイロット噴射の噴射開始タイミングは、例えばクランク角度で、ピストン13の圧縮上死点前(BTDC)80°以降であって、メイン噴射の噴射開始タイミング(例えば、ピストン13の圧縮上死点:TDC)までに2回のパイロット噴射(第2パイロット噴射の噴射タイミングについては後述する)が完了可能となるタイミングに設定されている。つまり、第1パイロット噴射と第2パイロット噴射との間のインターバル、及び、第2パイロット噴射とメイン噴射の間のインターバルが、それぞれインジェクタ23の応答性(開閉動作の速さ)によって決定されるインターバル(例えば200μsec)以上に確保され、更に上記第1パイロット噴射と第2パイロット噴射との間のインターバルとしては、後述する「予熱要求時の動作」または「予混合要求時の動作」において設定される第2パイロット噴射の噴射タイミングが得られるインターバルを確保可能となるように第1パイロット噴射の噴射開始タイミングは設定される。
本実施形態におけるパイロット噴射制御としては、このパイロット噴射に要求される機能に応じて動作が異なるものとなる。具体的には、このパイロット噴射で噴射された燃料の噴霧到達距離(噴霧の飛行距離)を比較的短く設定して燃焼場での空燃比をリッチにすることで十分な予熱量を確保するために行われる予熱要求時と、パイロット噴射で噴射された燃料の噴霧到達距離(噴霧の飛行距離)を比較的長く設定して燃焼場での空燃比をリーンにすることで予混合割合を多くするために行われる予混合要求時とで動作が異なっている。つまり、エンジンの運転状態などに応じて各要求度合いが異なることになる。
より具体的には、例えばエンジン1の低負荷時には、総燃料噴射量が少ないため、目標拡散燃焼開始時期T1において混合気温度が拡散燃焼開始温度に到達し難くなる可能性がある。このため、この低負荷時には、パイロット噴射で噴射された燃料の噴霧到達距離を比較的短く設定して燃焼場での空燃比をリッチにすることで十分な予熱量を確保するようにする。一方、例えばエンジン1の高負荷時やEGR量増大時等のように燃料噴射量(またはEGRガス量)に対して筒内空気量が相対的に少なくなる運転状態では、筒内の局所的な酸素量不足によりスモークが発生しやすい状態となる。このため、このような運転時には、パイロット噴射で噴射された燃料の噴霧到達距離を比較的長く設定して燃焼場での空燃比をリーンにすることで予混合割合を多くし、スモークの抑制を図るようにする。
以下では、各動作の理解を容易にするために、上記予熱要求時と予混合要求時とを個別に説明する。
(予熱要求時の動作の第1実施形態)
先ず、予熱要求時の動作の第1実施形態について説明する。この予熱要求時の動作の概略としては、上記第1パイロット噴射が実行された後に発生する燃料供給系内(より具体的にはインジェクタ23の内部)の燃圧脈動によって上昇及び下降を一定期間繰り返す(周期的に繰り返す)燃料圧力をモニタしておき、この燃料圧力が、必要予熱量を得るための噴霧到達距離を規定する燃料噴射圧力まで下降した時点で第2パイロット噴射を実行するようにしている。より具体的には、先ず、第2パイロット噴射において必要とされる噴射圧力(この第2パイロット噴射で噴射された燃料の噴霧到達距離を決定する噴射圧力:以下、「第2パイロット噴射圧力設定値」と呼ぶ)を算出する。そして、第1パイロット噴射を実行した後、上記変動する燃料供給系内の燃料圧力(インジェクタ23の内部圧力)を上記インジェクタ内部圧センサ(変動燃料圧力認識手段)4Aによって検出しておき、この燃料圧力が上記第2パイロット噴射圧力設定値まで低下した時点で第2パイロット噴射を実行する。
先ず、予熱要求時の動作の第1実施形態について説明する。この予熱要求時の動作の概略としては、上記第1パイロット噴射が実行された後に発生する燃料供給系内(より具体的にはインジェクタ23の内部)の燃圧脈動によって上昇及び下降を一定期間繰り返す(周期的に繰り返す)燃料圧力をモニタしておき、この燃料圧力が、必要予熱量を得るための噴霧到達距離を規定する燃料噴射圧力まで下降した時点で第2パイロット噴射を実行するようにしている。より具体的には、先ず、第2パイロット噴射において必要とされる噴射圧力(この第2パイロット噴射で噴射された燃料の噴霧到達距離を決定する噴射圧力:以下、「第2パイロット噴射圧力設定値」と呼ぶ)を算出する。そして、第1パイロット噴射を実行した後、上記変動する燃料供給系内の燃料圧力(インジェクタ23の内部圧力)を上記インジェクタ内部圧センサ(変動燃料圧力認識手段)4Aによって検出しておき、この燃料圧力が上記第2パイロット噴射圧力設定値まで低下した時点で第2パイロット噴射を実行する。
以下、この予熱要求時の制御動作について具体的に説明する。図8は、この予熱要求時の制御動作の手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、各気筒の燃焼行程が実施される度に、その燃焼行程に先立って実行される。
先ず、ステップST1において、パイロット噴射実行要求が有るか否かを判定する。このパイロット噴射実行要求は、上述した如く、パイロット噴射を実行しないと仮定した場合における上記目標拡散燃焼開始時期における混合気温度が、拡散燃焼開始温度よりも低い場合(図7に破線で示す混合気温度の変化状態である場合)に生じる。
パイロット噴射実行要求が無い場合、つまり、パイロット噴射による予熱動作を実行しなくても上記目標拡散燃焼開始時期における混合気温度が、拡散燃焼開始温度に達する場合には、ステップST1でNO判定され、パイロット噴射を実行することなく、次の燃焼行程が実施されるまで(次に燃焼行程を迎える気筒のピストン13が圧縮上死点近傍に達するまで)待機する。
パイロット噴射実行要求が有り、ステップST1でYES判定された場合には、ステップST2に移り、第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgを算出する(目標噴射圧力設定手段による後続副噴射の目標噴射圧力設定動作)。この第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgは、第2パイロット噴射で噴射された燃料の噴霧の燃焼場の位置を規定するものであって、混合気に対する必要予熱量に応じて設定される。つまり、混合気に対する必要予熱量が大きいほど燃焼場での空燃比をリッチ側に設定して予熱量を大きく確保するように第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgとしては小さな値に設定されることになる。つまり、第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgを小さな値にすることで噴霧到達距離を短くし、燃焼場での空燃比をリッチ側に設定する。
図9は、噴射圧力と噴霧到達距離との関係を示す噴霧到達距離マップである。この噴霧到達距離マップによって、第2パイロット噴射で必要とされる噴霧到達距離(図中の第2パイロット要求噴霧到達距離)から燃料噴射圧力を求め、その燃料噴射圧力を第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trg(図中の第2パイロット噴射要求噴射圧力)として設定する。尚、この第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgは、メイン噴射設定圧力(上述したエンジン負荷等により設定される目標レール圧)に比べて低い値に設定されている。
尚、図9における領域Xは、燃料噴射圧力が高くなるに従って噴霧到達距離は短くなっていく領域である。これは、燃料噴射圧力が低いことからインジェクタ23から噴射された燃料の液滴の粒径が大きいために噴霧到達距離が短くなる領域である。本実施形態ではこの領域Xのパイロット噴射圧力は使用しないようにしている。つまり、上記第2パイロット要求噴霧到達距離が得られるパイロット噴射圧力としては、図中のP1とP1’とが取得できるが、パイロット噴射圧力P1’では燃料の液滴の粒径が大きく、適正な燃焼場が形成されないとして、パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgは図中のP1を取得することになる。
以上のようにして第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgを算出した後、ステップST3に移って第1パイロット噴射を実行し、その後、ステップST4で、第1パイロット噴射終了後の時間が所定の燃料噴射停止期間を経過したか否かを判定する。この燃料噴射停止期間は、インジェクタ23の応答性(開閉動作の速さ)によって決定されるインターバルであり、例えば200μsecとなっている。
図10は、第1パイロット噴射の実行に伴って発生する燃圧脈動と、第2パイロット噴射の実行タイミングとの関係を示す図であって、上段はインジェクタ23の内部圧力の変化を、下段は各パイロット噴射の実行タイミングをそれぞれ示している。この図10に示すように、インジェクタ23内のニードルの後退移動によって噴孔が開放されて第1パイロット噴射が行われている状態からニードルの前進移動によって噴孔が閉鎖(インジェクタ閉弁)されて燃料噴射が停止されると、インジェクタ23内の燃料に圧力変動が生じる。この圧力変動は、メイン噴射指令圧力(目標レール圧)を中心圧として上昇及び下降を繰り返し、時間の経過に伴って上記メイン噴射指令圧力に収束していくことになる。このため、燃料圧力がメイン噴射指令圧力よりも高くなっているタイミングで第2パイロット噴射が行われると、この第2パイロット噴射で噴射された燃料の噴射圧力は高くなって噴霧到達距離は長くなる。逆に、燃料圧力がメイン噴射指令圧力よりも低くなっているタイミングで第2パイロット噴射が行われると、この第2パイロット噴射で噴射された燃料の噴射圧力は低くなって噴霧到達距離は短くなる。
上記第1パイロット噴射の実行後、未だ燃料噴射停止期間を経過しておらず、ステップST4でNO判定された場合には、この燃料噴射停止期間の経過を待つ。そして、燃料噴射停止期間を経過し、ステップST4でYES判定されると、ステップST5に移り、上記インジェクタ内部圧センサ4Aによってインジェクタ23の内部圧力Pnzを検出し、ステップST6に移る。このステップST6では、上記ステップST5で検出されたインジェクタ23の内部圧力Pnzが、上記ステップST2で算出された第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trg(図10における第2パイロット要求噴射圧力)以下に低下したか否かを判定する。
未だ内部圧力Pnzがパイロット噴射圧力設定値Ppl2trgまで低下しておらず、ステップST6でNO判定された場合には、ステップST5に戻りインジェクタ23の内部圧力Pnzを再び検出し(内部圧力Pnzの検出値を更新し)、ステップST6の判定動作に戻る。
インジェクタ23の内部圧力Pnzがパイロット噴射圧力設定値Ppl2trg以下に達しており、ステップST6でYES判定された場合には、ステップST7に移り、第2パイロット噴射を実行する(後続副噴射実行手段による後続副噴射の実行)。つまり、上記パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgの噴射圧力で第2パイロット噴射を実行する(図10における第2パイロット噴射の噴射率波形を参照)。この図10に示す第2パイロット噴射の実行タイミングは、第1パイロット噴射の終了後、第1回目の燃料供給系内圧力下降期間においてインジェクタ23の内部圧力Pnzが第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgになった時点に設定されている。
尚、上記燃料噴射停止期間が経過するまでに、インジェクタ23の内部圧力Pnzがパイロット噴射圧力設定値Ppl2trg以下に達した場合には、上記燃料噴射停止期間が経過するまで第2パイロット噴射は実行されないことになる。例えば、図10におけるタイミングT2が燃料噴射停止期間の経過時点であった場合、このタイミングT2、または、このタイミングT2の経過後に内部圧力Pnzがパイロット噴射圧力設定値Ppl2trgに達する図中のタイミングT3で、第2パイロット噴射は実行されることになる。
このようにして第2パイロット噴射が実行された場合、この第2パイロット噴射での噴射圧力はメイン噴射指令圧力(第1パイロット噴射での噴射圧力に一致)よりも低く設定され、噴射量を減量することなしに燃焼室3内での噴霧到達距離は第1パイロット噴射で噴射された燃料の噴霧到達距離よりも短くなる(インジェクタ23の周囲に燃焼場を形成することができる)。このため、この第2パイロット噴射で噴射された燃料により形成される燃焼場の混合気の空燃比のリッチ化が図れ、燃焼場温度を十分に高めることができて、予熱量を十分に得ることができる。その結果、メイン噴射での着火時期(拡散燃焼の開始時期)を適切に得る(上記目標拡散燃焼開始時期に一致させる)ことが可能になる。
また、従来では、図10に破線で示す第2パイロット噴射のように、燃圧脈動が収束した後に第2パイロット噴射を実行するのが一般的であった。これに対し、本実施形態は、燃圧脈動を有効利用した第2パイロット噴射を実行するものであるため、この第2パイロット噴射の実行タイミングを進角側に移行させることができ、燃料消費率の改善も図ることができる。
(予熱要求時の動作の第2実施形態)
次に、予熱要求時の動作の第2実施形態について説明する。本実施形態では、第2パイロット噴射での目標噴射圧力値である第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgが確実に得られるように第1パイロット噴射での必要燃料噴射量を設定する点が上記第1実施形態の場合と異なっている。つまり、上記第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgが得られることを保証するための第1パイロット噴射の必要燃料噴射量設定動作が行われるものである。
次に、予熱要求時の動作の第2実施形態について説明する。本実施形態では、第2パイロット噴射での目標噴射圧力値である第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgが確実に得られるように第1パイロット噴射での必要燃料噴射量を設定する点が上記第1実施形態の場合と異なっている。つまり、上記第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgが得られることを保証するための第1パイロット噴射の必要燃料噴射量設定動作が行われるものである。
以下、この予熱要求時の制御動作について具体的に説明する。図11は、この予熱要求時の制御動作の手順を示すフローチャートである。このフローチャートも、各気筒の燃焼行程が実施される度に、その燃焼行程に先立って実行される。また、ステップST1〜ステップST7の動作は、上述した第1実施形態の場合と同様であるので、ここでの説明は省略する。
本実施形態の特徴とする動作は、上記ステップST2の後に実行されるステップST10の第1パイロット必要噴射量の設定動作(先行副噴射量規定手段による、先行する副噴射の噴射量規定動作)にある。以下、この第1パイロット必要噴射量の設定動作について説明する。
第1パイロット噴射の実行後に発生するインジェクタ23の内部圧力の変動(燃圧脈動)の振幅は第1パイロット噴射の噴射量が多いほど大きくなる。つまり、第1パイロット噴射の噴射量が多いほど燃圧脈動発生中における燃料圧力の最低値(第2パイロット噴射で噴射可能となる噴射圧力の最低値)は低くなる。このため、燃圧脈動発生中における燃料圧力の最低値が第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trg以下になるように第1パイロット噴射の噴射量を設定すれば、第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgが確実に得られることになる。
図12は、第1パイロット噴射の噴射量とそれに伴って変化する燃圧脈動発生中における燃料圧力の最低圧力との関係を示す第1パイロット噴射量設定マップである。この図12において第2パイロット噴射圧力設定値が図中のPpl2trgに設定された場合(ステップST2においてPpl2trgに設定された場合)、第1パイロット噴射の噴射量を図中の第1パイロット要求噴射量以上に設定すれば燃圧脈動発生中における燃料圧力の最低値が第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trg以下になる。
これに基づき、ステップST10では、第1パイロット噴射量設定マップに従って第1パイロット要求噴射量を設定している。
このようにして第1パイロット要求噴射量が設定されれば、インジェクタ内部圧センサ4Aによって検出されるインジェクタ23の内部圧力Pnzが第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trg以下にまで低下するタイミングが必ず訪れることになる。つまり、ステップST6でYES判定されるタイミングが確実に訪れることになり、ステップST7の第2パイロット噴射の実行が可能になる。
図13は、本実施形態において、第1パイロット噴射の実行に伴って発生する燃圧脈動と、第2パイロット噴射の実行タイミングとの関係を示す図であって、上段はインジェクタ23の内部圧力の変化を、下段は各パイロット噴射の実行タイミングをそれぞれ示している。この図13に示すように、第1パイロット噴射が停止されると、インジェクタ23内の燃料に圧力変動が生じ、この圧力変動は、上記メイン噴射指令圧力(目標レール圧)を中心圧として上昇及び下降を繰り返し、時間の経過に伴って上記目標レール圧に収束していくことになる。そして、この場合のインジェクタ23の内部圧力Pnzは第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trg(図13における第2パイロット要求噴射圧力)以下にまで低下することになる。このインジェクタ23の内部圧力Pnzが第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trg以下にまで低下したタイミングで第2パイロット噴射が行われることで、この第2パイロット噴射で噴射された燃料の噴射圧力は低くなって噴霧到達距離は短くなる。尚、この図13では、上記インジェクタ23の内部圧力Pnzを第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trg以下にまで低下させるために、第1パイロット噴射の噴射量が第2パイロット噴射の噴射量よりも多く設定されている。その他の動作は、上述した第1実施形態の場合と同様である。
このようにして第2パイロット噴射が実行されるため、本実施形態においても第2パイロット噴射での噴射圧力はメイン噴射の指令圧よりも低く設定され、噴射量を減量することなしに燃焼室3内での噴霧到達距離は第1パイロット噴射で噴射された燃料の噴霧到達距離よりも短くなる。このため、この第2パイロット噴射で噴射された燃料により形成される燃焼場の混合気の空燃比のリッチ化が図れ、燃焼場温度を十分に高めることができて、予熱量を十分に得ることができる。その結果、メイン噴射での着火時期(拡散燃焼の開始時期)を適切に得る(上記目標拡散燃焼開始時期に一致させる)ことが可能になる。また、本実施形態では、燃圧脈動発生中における燃料圧力の最低値がパイロット噴射圧力設定値Ppl2trg以下になるように第1パイロット噴射の噴射量が設定されているため、上記効果を確実に得ることが可能である。
(予混合要求時の動作の第1実施形態)
次に、予混合要求時の動作の第1実施形態について説明する。この予混合要求時の動作の概略としては、上記第1パイロット噴射が実行された後に発生する燃料供給系内の燃料圧力(より具体的にはインジェクタ23の内部圧力)の変動(燃圧脈動)によって上昇及び下降を一定期間繰り返す燃料圧力をモニタしておき、この燃料圧力が、必要予混合量を得るための噴霧到達距離を規定する燃料噴射圧力まで上昇した時点で第2パイロット噴射を実行するようにしている。より具体的には、先ず、第2パイロット噴射において必要とされる噴射圧力(第2パイロット噴射圧力設定値)を算出する。そして、第1パイロット噴射を実行した後、上記インジェクタ23の内部圧力を上記インジェクタ内部圧センサ4Aによって検出しておき、この燃料圧力が上記第2パイロット噴射圧力設定値まで上昇した時点で第2パイロット噴射を実行する。
次に、予混合要求時の動作の第1実施形態について説明する。この予混合要求時の動作の概略としては、上記第1パイロット噴射が実行された後に発生する燃料供給系内の燃料圧力(より具体的にはインジェクタ23の内部圧力)の変動(燃圧脈動)によって上昇及び下降を一定期間繰り返す燃料圧力をモニタしておき、この燃料圧力が、必要予混合量を得るための噴霧到達距離を規定する燃料噴射圧力まで上昇した時点で第2パイロット噴射を実行するようにしている。より具体的には、先ず、第2パイロット噴射において必要とされる噴射圧力(第2パイロット噴射圧力設定値)を算出する。そして、第1パイロット噴射を実行した後、上記インジェクタ23の内部圧力を上記インジェクタ内部圧センサ4Aによって検出しておき、この燃料圧力が上記第2パイロット噴射圧力設定値まで上昇した時点で第2パイロット噴射を実行する。
以下、この予混合要求時の制御動作について具体的に説明する。図14は、この予混合要求時の制御動作の手順を示すフローチャートである。このフローチャートも、各気筒の燃焼行程が実施される度に、その燃焼行程に先立って実行される。このフローチャートの各ステップのうち、上記予熱要求時の動作の第1実施形態での動作(上記図8で示したフローチャートの各ステップ)との相違点は、ステップST2’及びステップST6’にある。
ステップST2’では、第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgを算出する。本実施形態における第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgは、第2パイロット噴射で噴射された燃料の噴霧の燃焼場の位置を規定するものであって、混合気に対する必要予混合量に応じて設定される。つまり、混合気に対する必要予混合量が大きいほど燃焼場での空燃比をリーン側に設定して予混合量を大きく確保するように第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgとしては大きな値に設定されることになる。つまり、第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgを大きな値にすることで噴霧到達距離を長くし、燃焼場での空燃比をリーン側に設定する。
一方、ステップST6’では、ステップST5で検出されたインジェクタ23の内部圧力Pnzが、上記ステップST2’で算出された第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trg以上に上昇したか否かを判定する。つまり、内部圧力Pnzがパイロット噴射圧力設定値Ppl2trgまで上昇しておらず、ステップST6’でNO判定された場合には、ステップST5に戻りインジェクタ23の内部圧力Pnzを再び検出し(内部圧力Pnzの検出値を更新し)、ステップST6’の判定動作に戻る。そして、インジェクタ23の内部圧力Pnzがパイロット噴射圧力設定値Ppl2trg以上に達し、ステップST6’でYES判定された場合には、ステップST7に移り、第2パイロット噴射を実行する。つまり、上記パイロット噴射圧力設定値Ppl2trg(または、このパイロット噴射圧力設定値Ppl2trg以上)の噴射圧力で第2パイロット噴射を実行する。
図15は、本実施形態において、第1パイロット噴射の実行に伴って発生する燃圧脈動と、第2パイロット噴射の実行タイミングとの関係を示す図であって、上段はインジェクタ23の内部圧力の変化を、下段は各パイロット噴射の実行タイミングをそれぞれ示している。この図15に示すように、第1パイロット噴射が停止されると、インジェクタ23内の燃料に圧力変動が生じ、この圧力変動は、上記目標レール圧(指令噴射圧)を中心圧として上昇及び下降を繰り返し、時間の経過に伴って上記目標レール圧に収束していくことになる。そして、このインジェクタ23の内部圧力Pnzが第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trg以上に上昇したタイミングで第2パイロット噴射が行われることで、この第2パイロット噴射で噴射された燃料の噴射圧力は高くなって噴霧到達距離は長くなる。尚、この図15に示す第2パイロット噴射の実行タイミングは、第1パイロット噴射の終了後、第1回目の燃料供給系内圧力上昇期間においてインジェクタ23の内部圧力Pnzが第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgになった時点に設定されている。
尚、上記燃料噴射停止期間が経過するまでに、インジェクタ23の内部圧力Pnzがパイロット噴射圧力設定値Ppl2trg以上に達した場合には、上記燃料噴射停止期間が経過するまで第2パイロット噴射は実行されないことになる。例えば、図15におけるタイミングT2が燃料噴射停止期間の経過時点であった場合、このタイミングT2、または、このタイミングT2の経過後に内部圧力Pnzがパイロット噴射圧力設定値Ppl2trgに達する図中のタイミングT3で、第2パイロット噴射は実行されることになる。
このようにして第2パイロット噴射が実行された場合、この第2パイロット噴射での噴射圧力はメイン噴射指令圧力(第1パイロット噴射での噴射圧力に一致)よりも高く設定され、燃焼室3内での噴霧到達距離は第1パイロット噴射で噴射された燃料の噴霧到達距離よりも長くなる。このため、その燃焼場での混合気の空燃比のリーン化が図れ、スモークの発生量を抑制することができて排気エミッションの改善を図ることが可能になる。
(予混合要求時の動作の第2実施形態)
次に、予混合要求時の動作の第2実施形態について説明する。本実施形態では、第2パイロット噴射での目標噴射圧力値である第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgが確実に得られるように第1パイロット噴射での必要燃料噴射量を設定する点が上記第1実施形態の場合と異なっている。つまり、上記第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgが得られることを保証するための第1パイロット噴射の必要燃料噴射量設定動作が行われるものである。
次に、予混合要求時の動作の第2実施形態について説明する。本実施形態では、第2パイロット噴射での目標噴射圧力値である第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgが確実に得られるように第1パイロット噴射での必要燃料噴射量を設定する点が上記第1実施形態の場合と異なっている。つまり、上記第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgが得られることを保証するための第1パイロット噴射の必要燃料噴射量設定動作が行われるものである。
以下、この予熱要求時の制御動作について具体的に説明する。図16は、この予熱要求時の制御動作の手順を示すフローチャートである。このフローチャートも、各気筒の燃焼行程が実施される度に、その燃焼行程に先立って実行される。また、ステップST1〜ステップST7の動作は、上述した各実施形態の場合と同様であるので、ここでの説明は省略する。
本実施形態の特徴とする動作は、上記ステップST2’の後に実行されるステップST10’の第1パイロット必要噴射量の設定動作(先行副噴射量規定手段による、先行する副噴射の噴射量規定動作)にある。以下、この第1パイロット必要噴射量の設定動作について説明する。
第1パイロット噴射の実行後に発生するインジェクタ23の内部圧力の変動(燃圧脈動)の振幅は第1パイロット噴射の噴射量が多いほど大きくなる。つまり、第1パイロット噴射の噴射量が多いほど燃圧脈動発生中における燃料圧力の最高値(第2パイロット噴射で噴射可能となる噴射圧力の最高値)は高くなる。このため、燃圧脈動発生中における燃料圧力の最高値が第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trg以上になるように第1パイロット噴射の噴射量を設定すれば、第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgが確実に得られることになる。
図17は、第1パイロット噴射の噴射量とそれに伴って変化する燃圧脈動発生中における燃料圧力の最高圧力との関係を示す第1パイロット噴射量設定マップである。この図17において第2パイロット噴射圧力設定値が図中のPpl2trgに設定された場合(ステップST2’においてPpl2trgに設定された場合)、第1パイロット噴射の噴射量を図中の第1パイロット要求噴射量以上に設定すれば燃圧脈動発生中における燃料圧力の最高値が第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trg以上になる。
これに基づき、ステップST10’では、第1パイロット噴射量設定マップに従って第1パイロット要求噴射量を設定している。
このようにして第1パイロット要求噴射量が設定されれば、インジェクタ内部圧センサ4Aによって検出されるインジェクタ23の内部圧力Pnzが第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trg以上にまで上昇するタイミングが必ず訪れることになる。つまり、ステップST6’でYES判定されるタイミングが確実に訪れることになり、ステップST7のパイロット噴射の実行が可能になる。
図18は、本実施形態において、第1パイロット噴射の実行に伴って発生する燃圧脈動と、第2パイロット噴射の実行タイミングとの関係を示す図であって、上段はインジェクタ23の内部圧力の変化を、下段は各パイロット噴射の実行タイミングをそれぞれ示している。この図18に示すように、第1パイロット噴射が停止されると、インジェクタ23内の燃料に圧力変動が生じ、この圧力変動は、上記メイン噴射指令圧力(目標レール圧)を中心圧として上昇及び下降を繰り返し、時間の経過に伴って上記目標レール圧に収束していくことになる。そして、この場合のインジェクタ23の内部圧力Pnzは第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trg(図18における第2パイロット要求噴射圧力)以上にまで上昇することになる。このインジェクタ23の内部圧力Pnzが第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trg以上にまで上昇したタイミングで第2パイロット噴射が行われることで、この第2パイロット噴射で噴射された燃料の噴射圧力は高くなって噴霧到達距離は長くなる。尚、この図18では、上記インジェクタ23の内部圧力Pnzを第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trg以上にまで上昇させるために、第1パイロット噴射の噴射量が第2パイロット噴射の噴射量よりも多く設定されている。その他の動作は、上述した第1実施形態の場合と同様である。
このようにして第2パイロット噴射が実行されるため、本実施形態においても第2パイロット噴射での噴射圧力はメイン噴射の指令圧よりも高く設定され、燃焼室3内での噴霧到達距離は第1パイロット噴射で噴射された燃料の噴霧到達距離よりも長くなる。このため、その燃焼場での混合気の空燃比のリーン化が図れ、スモークの発生量を抑制することができて排気エミッションの改善を図ることが可能になる。また、本実施形態では、燃圧脈動発生中における燃料圧力の最高値がパイロット噴射圧力設定値Ppl2trg以上になるように第1パイロット噴射の噴射量が設定されているため、上記効果を確実に得ることが可能である。
−他の実施形態−
以上説明した各実施形態では、自動車に搭載される直列4気筒ディーゼルエンジンに本発明を適用した場合について説明した。本発明は、自動車用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンにも適用可能である。また、気筒数やエンジン形式(直列型エンジン、V型エンジン等の別)についても特に限定されるものではない。
以上説明した各実施形態では、自動車に搭載される直列4気筒ディーゼルエンジンに本発明を適用した場合について説明した。本発明は、自動車用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンにも適用可能である。また、気筒数やエンジン形式(直列型エンジン、V型エンジン等の別)についても特に限定されるものではない。
また、上記各実施形態では、マニバータ77として、NSR触媒75及びDPNR触媒76を備えたものとしたが、NSR触媒75及びDPF(Diesel Paticulate Filter)を備えたものとしてもよい。
また、上記各実施形態では、エンジン1の燃焼行程において各フローチャート(図8、図11、図14、図16)のルーチンを実行するようにしていた。本発明は、これに限らず、予め上記ROM102に記憶された制御マップのマップ値に従って第2パイロット噴射の実行タイミングを設定するようにしてもよい。
また、上記各実施形態では、インジェクタ内部圧センサ4Aによってインジェクタ23の内部圧力を検出するようにしたが、上記レール圧センサ41によって検出されたレール内圧によってインジェクタ23の内部圧力を推定するようにしてもよい。または、メイン噴射実行時における燃料噴射圧力と、このメイン噴射での開弁期間とをパラメータとする燃料噴射圧力マップ(変動する燃料噴射圧力の値をクランク角度毎に取得可能なマップ)を上記ROM102に記憶させておき、この燃料噴射圧力マップから各クランク角度毎の燃料圧力を取得するようにしてもよい。
また、上記予熱要求時の動作では、第1パイロット噴射の終了後、第1回目の燃料供給系内圧力下降期間においてインジェクタ23の内部圧力Pnzが第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgになった時点で第2パイロット噴射を実行していた。また、上記予混合要求時の動作では、第1パイロット噴射の終了後、第1回目の燃料供給系内圧力上昇期間においてインジェクタ23の内部圧力Pnzが第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgになった時点で第2パイロット噴射を実行していた。これは、第2パイロット噴射をできるだけ進角側で実行することにより燃料消費率の改善を図ることを目的としている。本発明は、これに限らず、第2パイロット噴射の実行に伴う燃焼音の低減を図るために、第2パイロット噴射の実行タイミングを遅角側に設定するようにしてもよい。つまり、上記予熱要求時の動作として、第1パイロット噴射の終了後、第2回目以降の燃料供給系内圧力下降期間や第2回目以降の燃料供給系内圧力上昇期間においてインジェクタ23の内部圧力Pnzが第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgになった時点で第2パイロット噴射を実行したり、上記予混合要求時の動作として、第1パイロット噴射の終了後、第2回目以降の燃料供給系内圧力上昇期間や第2回目以降の燃料供給系内圧力下降期間においてインジェクタ23の内部圧力Pnzが第2パイロット噴射圧力設定値Ppl2trgになった時点で第2パイロット噴射を実行するものである。
本発明は、自動車に搭載されるコモンレール式筒内直噴型多気筒ディーゼルエンジンにおいて、パイロット噴射実行時の噴射圧力を任意に設定可能とする燃料噴射制御に適用することが可能である。
1 エンジン(内燃機関)
2 燃料供給系
23 インジェクタ(燃料噴射弁)
3 燃焼室
4A インジェクタ内部圧センサ(変動燃料圧力認識手段)
100 ECU
2 燃料供給系
23 インジェクタ(燃料噴射弁)
3 燃焼室
4A インジェクタ内部圧センサ(変動燃料圧力認識手段)
100 ECU
Claims (6)
- 燃料供給系に備えられた燃料噴射弁からの燃料噴射動作として、少なくとも、主噴射と、この主噴射に先立って行われる複数回の副噴射とが実行可能な圧縮自着火式の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記複数回の副噴射のうち先行する副噴射の終了に伴って周期的に変動する燃料供給系内の燃料圧力を認識する変動燃料圧力認識手段と、
上記先行する副噴射の終了後に実行される後続副噴射の目標噴射圧力を、上記副噴射に要求される機能に応じて設定し、この要求がこの後続副噴射で噴射される燃料の予混合割合を多くする予混合要求時には、この予混合割合が高いほど、この後続副噴射の目標噴射圧力を高く設定し、この要求がこの後続副噴射で噴射される燃料による筒内予熱を確保する予熱要求時には、この筒内予熱要求度合いが高いほど、上記後続副噴射の目標噴射圧力を低く設定する目標噴射圧力設定手段と、
上記変動燃料圧力認識手段により認識された燃料供給系内の燃料圧力が上記目標噴射圧力設定手段により設定された目標噴射圧力になった時点で、上記後続副噴射を実行する後続副噴射実行手段とを備えていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。 - 請求項1記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記後続副噴射の目標噴射圧力は、この後続副噴射で噴射される燃料の燃焼室内における噴霧到達距離の目標値に基づいて設定されることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。 - 請求項1または3記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記予熱要求時には、上記後続副噴射実行手段は、先行する副噴射の終了後、第1回目の燃料供給系内圧力下降期間において燃料圧力が上記目標噴射圧力になった時点で後続副噴射を実行するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。 - 請求項1または3記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記予混合要求時には、上記後続副噴射実行手段は、先行する副噴射の終了後、第1回目の燃料供給系内圧力上昇期間において燃料圧力が上記目標噴射圧力になった時点で後続副噴射を実行するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。 - 請求項1または3記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記予熱要求時には、上記先行する副噴射の終了に伴って周期的に変動する燃料供給系内の燃料圧力の最低値が、上記目標噴射圧力設定手段により設定された目標噴射圧力以下になるように、上記先行する副噴射の噴射量を規定する先行副噴射量規定手段を備えていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。 - 請求項1または3記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記予混合要求時には、上記先行する副噴射の終了に伴って周期的に変動する燃料供給系内の燃料圧力の最高値が、上記目標噴射圧力設定手段により設定された目標噴射圧力以上になるように、上記先行する副噴射の噴射量を規定する先行副噴射量規定手段を備えていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/JP2010/066069 WO2012035635A1 (ja) | 2010-09-16 | 2010-09-16 | 内燃機関の燃料噴射制御装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP5278622B2 true JP5278622B2 (ja) | 2013-09-04 |
JPWO2012035635A1 JPWO2012035635A1 (ja) | 2014-01-20 |
Family
ID=45831135
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012533789A Expired - Fee Related JP5278622B2 (ja) | 2010-09-16 | 2010-09-16 | 内燃機関の燃料噴射制御装置 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP2551501B1 (ja) |
JP (1) | JP5278622B2 (ja) |
WO (1) | WO2012035635A1 (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5823918B2 (ja) * | 2012-06-12 | 2015-11-25 | 株式会社日本自動車部品総合研究所 | 内燃機関の燃料噴射制御装置 |
WO2014034695A1 (ja) * | 2012-09-03 | 2014-03-06 | 日産自動車株式会社 | ディーゼルエンジンの制御装置 |
JP6237375B2 (ja) * | 2014-03-24 | 2017-11-29 | 株式会社デンソー | 燃料噴霧の広がり角度検出装置 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004044417A (ja) * | 2002-07-09 | 2004-02-12 | Toyota Motor Corp | 内燃機関の燃料噴射制御装置 |
JP2007132334A (ja) * | 2005-10-13 | 2007-05-31 | Denso Corp | コモンレール式燃料噴射システムの制御装置 |
JP2007239605A (ja) * | 2006-03-08 | 2007-09-20 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料噴射装置 |
JP2009024596A (ja) * | 2007-07-19 | 2009-02-05 | Toyota Motor Corp | 内燃機関の燃料噴射制御装置 |
JP2009167821A (ja) * | 2008-01-11 | 2009-07-30 | Toyota Motor Corp | 内燃機関の燃料噴射制御装置 |
JP2009293596A (ja) * | 2008-06-09 | 2009-12-17 | Toyota Motor Corp | 内燃機関の燃料噴射制御装置 |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002089392A (ja) | 2000-09-08 | 2002-03-27 | Nissan Motor Co Ltd | ディーゼルエンジンの燃料噴射装置 |
JP4158541B2 (ja) | 2003-01-31 | 2008-10-01 | トヨタ自動車株式会社 | 内燃機関の燃料噴射装置 |
JP2009299490A (ja) * | 2008-06-10 | 2009-12-24 | Toyota Motor Corp | 内燃機関の燃料噴射制御装置 |
-
2010
- 2010-09-16 WO PCT/JP2010/066069 patent/WO2012035635A1/ja active Application Filing
- 2010-09-16 EP EP10857269.4A patent/EP2551501B1/en not_active Not-in-force
- 2010-09-16 JP JP2012533789A patent/JP5278622B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004044417A (ja) * | 2002-07-09 | 2004-02-12 | Toyota Motor Corp | 内燃機関の燃料噴射制御装置 |
JP2007132334A (ja) * | 2005-10-13 | 2007-05-31 | Denso Corp | コモンレール式燃料噴射システムの制御装置 |
JP2007239605A (ja) * | 2006-03-08 | 2007-09-20 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料噴射装置 |
JP2009024596A (ja) * | 2007-07-19 | 2009-02-05 | Toyota Motor Corp | 内燃機関の燃料噴射制御装置 |
JP2009167821A (ja) * | 2008-01-11 | 2009-07-30 | Toyota Motor Corp | 内燃機関の燃料噴射制御装置 |
JP2009293596A (ja) * | 2008-06-09 | 2009-12-17 | Toyota Motor Corp | 内燃機関の燃料噴射制御装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP2551501B1 (en) | 2017-03-08 |
EP2551501A4 (en) | 2015-11-11 |
EP2551501A1 (en) | 2013-01-30 |
WO2012035635A1 (ja) | 2012-03-22 |
JPWO2012035635A1 (ja) | 2014-01-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5158266B2 (ja) | 内燃機関の燃焼制御装置 | |
JP5086887B2 (ja) | 内燃機関の燃料噴射制御装置 | |
JP5392418B2 (ja) | 内燃機関の着火遅れ期間推定装置及び着火時期制御装置 | |
WO2010035341A1 (ja) | 内燃機関の燃料噴射制御装置 | |
JP2009167821A (ja) | 内燃機関の燃料噴射制御装置 | |
JP2012154244A (ja) | 内燃機関の制御装置 | |
JPWO2012127569A1 (ja) | 内燃機関の制御装置 | |
JP4930637B2 (ja) | 内燃機関の燃料噴射制御装置 | |
JP5218461B2 (ja) | 内燃機関の燃焼制御装置 | |
JP5177326B2 (ja) | 内燃機関の燃料噴射制御装置 | |
JP5229185B2 (ja) | 内燃機関の燃焼制御装置 | |
JP5126421B2 (ja) | 内燃機関の燃焼制御装置 | |
JP5278622B2 (ja) | 内燃機関の燃料噴射制御装置 | |
JP5105004B2 (ja) | 内燃機関の制御装置 | |
JP5257519B2 (ja) | 内燃機関の制御装置 | |
JP2012092748A (ja) | 内燃機関のNOx発生量推定装置及び制御装置 | |
JP5077491B2 (ja) | 内燃機関の制御装置 | |
JP5093407B2 (ja) | 内燃機関の燃焼制御装置 | |
JP5257520B2 (ja) | 内燃機関の制御装置 | |
JP5170317B2 (ja) | 内燃機関の燃料噴射制御装置 | |
JP5672897B2 (ja) | 内燃機関の燃焼制御装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20130423 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |