JP5282603B2 - 圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents
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Description
図1に示すように、ディーゼルエンジン(以下、単にエンジンという。)1は、吸気通路20と排気通路40を備える。
吸気通路20の上流側にはエアクリーナ20aが設けられ、その下流に吸入空気量Qairを検出するためのエアフローメータ7と、吸気温度Tairを検出するための温度センサ8と、吸気圧力Pairを検出するための圧力センサ9が配置されている。また、エアクリーナ20aと吸気コレクタ20bとの間の吸気通路20には、たとえばステッピングモータで構成されたアクチュエータによって開閉駆動される吸気絞り弁6が設けられている。
一方、排気通路40の上流側部分を構成する排気出口通路40aの下流には、排気浄化のため、排気中の粒子状物質であるPM(Particulate Matter)を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ16(以下、DPF16と省略する。)が配置されている。なお、DPF16に、排気空燃比がリーンのときに排気中の窒素酸化物NOxをトラップし、トラップしたNOxを排気空燃比がリッチのときに脱離浄化することのできるNOxトラップ触媒および貴金属などの酸化触媒を担持させ、流入する窒素酸化物NOx、炭化水素HC、一酸化炭素COなどの排気成分を除去する機能を持たせることもできる。
図10はEGR率を変えることにより酸素濃度を12%,17%,21%(21%の場合はEGR無し)とした場合の熱発生率を示すグラフであり、酸素濃度が12%の場合は主噴射が終了するまで低温酸化反応は生じていないが、酸素濃度が17%の場合は主噴射の途中から、21%になると主噴射の前から低温酸化反応が生じている。
主噴射が終了する前に熱発生(酸化反応)が生じると、主噴射の噴霧燃料が噴射直後から拡散的に燃焼してスモークの生成を助長する可能性がある。酸素濃度を12〜15%に低く抑えたことで、主噴射の途中(あるいは以前)の時点で、燃焼室内に存在する混合気の低温酸化反応が生じないようにしている。このような酸素濃度の範囲は、後述の混合気形成(燃料噴射時期と燃料噴射量の設定)と合せて、さらに良好な燃焼を生じさせることができるようになる。
低温予混合的燃焼では、始めに、燃焼室内に偏在させられた先行噴射によるストイキよりもリーンの混合気のうち、比較的拡散・予混合の遅れている一部の燃えやすい当量比のリーン混合気と、同じく燃焼室内に偏在させられた主噴射によるストイキよりもリッチの混合気のうち、比較的拡散・予混合の進んでいる一部の燃えやすい当量比のリッチ混合気とによって、低温酸化反応による予備燃焼が生じる。その後、予備燃焼の終了直後より、予備燃焼に使われずに残り、燃焼室内で拡散・予混合の進んだ、主噴射によるストイキよりもリッチの混合気と、先行噴射によるストイキよりもリーンの混合気とによって、高温酸化反応による主燃焼が生じる。
主燃焼は、予備燃焼に引き続いて生じるため、着火性が安定する。主噴射によるリッチ混合気の主燃焼は拡散的ではあるものの、主燃焼を生じる頃には拡散・予混合が進んでいるため、スモークの生成が抑制される。主噴射によるリッチ混合気の燃焼が拡散的であることに加え、主燃焼は、先行噴射で形成されたリーン混合気の穏やかな燃焼をも伴うので、急峻性が抑えられた燃焼騒音の少ないものとなる。先行噴射で形成されたリーン混合気は、拡散・予混合が進んではいるものの、主燃焼を生じる頃には十分にリーン化しているため、上述の低酸素濃度雰囲気の下でその燃焼は穏やかなものとなる。このように低温予混合的燃焼では燃焼温度を低く抑えることができるため、NOxの生成排出を抑制することができる。
具体的には、予混合制御期間目標値が予混合制御期間検出値よりも少ない場合は、着火時期を早めて予混合制御期間を目標値に合わせる。逆に、予混合制御期間目標値が予混合制御期間検出値よりも多い場合は、着火時期を遅らせて予混合制御期間を目標値に合わせる。
着火時期を可変制御する手段としては、燃料の噴射時期や噴射圧力を制御したり、吸入ガスの温度や圧力、あるいは圧縮比等を可変制御して圧縮端温度を制御したりする方法、酸素濃度や残留ガス割合を可変制御したりする方法があり、これらのいずれかによって着火時期を任意に制御することが可能である。
以上のとおり、本例の燃焼制御では、低酸素濃度雰囲気とした着火前の燃焼室内に、ストイキよりリーンの混合気とストイキよりリッチの混合気を偏在させ、この偏在する状況下において燃焼を開始させる。
この低温予混合的燃焼においては、先行噴射によるリーン混合気の中では比較的拡散・予混合の遅れている一部の燃え易い当量比のリーン混合気と、主噴射燃料の中で比較的拡散・予混合の進んだ一部の燃えやすい当量比の混合気とが、図4に示すように上死点付近で低温酸化反応を生じせしめて予備燃焼を形成する。
これによって燃焼室内の温度と圧力が上昇すると、主噴射燃料によるリッチ混合気の高温酸化反応が始まる。予備燃焼が終了する頃には、主噴射燃料は燃焼室内における拡散・予混合も進んでいるため、比較的燃え易い当量比のリッチ混合気となって、高温酸化反応(拡散的燃焼)が生じ始める。
主噴射燃料によるリッチ混合気の高温酸化反応(拡散的燃焼)は、予備燃焼で燃焼しなかった残りのリーン混合気の燃焼(予混合的燃焼)をも生じさせるので、主燃焼はこれらリッチ混合気の燃焼とリーン混合気の燃焼、すなわち拡散的燃焼と予混合的燃焼が混在して構成される。
主燃焼を構成する主噴射燃料はリッチ混合気であって、拡散的燃焼が主体となるが、比較的拡散・予混合化が進んでいるのでスモークを抑えることができる。また拡散的燃焼が主体であるため燃焼の急峻性、すなわち燃焼騒音も緩和される。
一方で、主燃焼を構成するもう1つの混合気である先行噴射によるリーン混合気は、燃焼が穏やかであり、これらが併存することで全体としても燃焼騒音を低下させ、燃焼温度も低下するのでさらにNOxを低減することができる。
2…圧力センサ
4…EGR通路
5…EGR弁
6…吸気絞り弁
7…エアフローメータ
8…温度センサ
9…圧力センサ
11…サプライポンプ
12…燃料供給通路
13…圧力制御弁
14…コモンレール(蓄圧室)
15…燃料噴射弁
16…ディーゼルパティキュレートフィルタDPF
17…EGRクーラ
20…吸気通路
20a…エアクリーナ
20b…吸気コレクタ
30…エンジンコントロールユニット
31…水温センサ
32…クランク角度検出用クランク角センサ
33…気筒判別用クランク角センサ
34…圧力センサ
35…温度センサ
40…排気通路
40a…排気出口通路
41…作動ガス温度センサ
42…EGRガス温度センサ
43…酸素センサ/空燃比センサ
44…水量調節装置
50…アクセル開度センサ
Claims (5)
- 主噴射の前に先行噴射を行い、着火前の燃焼室に、前記先行噴射によるストイキよりリーンの混合気と前記主噴射によるストイキよりリッチの混合気を偏在させ、この状態で燃焼を開始させる予混合燃焼を制御する圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置において、
負荷を検出する負荷検出手段と、
前記負荷検出手段により検出された負荷が大きいほど前記先行噴射の噴射量を増加させ、前記負荷が小さいほど前記先行噴射の噴射量を減少させる制御手段と、を備え、
前記先行噴射は、前記主噴射が終了するまで低温酸化反応が生じない酸素濃度雰囲気で行うことを特徴とする圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項1に記載の圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置において、
前記制御手段は、前記負荷検出手段により検出された負荷が大きいほど前記先行噴射を進角させ、前記負荷が小さいほど前記先行噴射を遅角させることを特徴とする圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項1または2に記載の圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置において、
内燃機関の回転数を検出する回転数検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記回転数検出手段により検出された回転数が高いほど前記先行噴射を進角させ、前記回転数が小さいほど前記先行噴射を遅角させることを特徴とする圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置において、
前記制御手段は、
排気ガス再循環制御が可能な負荷領域のうち中負荷領域においては前記予混合燃焼を実行し、
前記排気ガス再循環制御が可能な負荷領域のうち中負荷領域より高い領域及び低い領域においては、前記先行噴射の噴射量割合を前記予混合燃焼より少なくし、前記先行噴射の噴射時期を前記予混合燃焼より遅くし、燃焼室内の酸素濃度を前記予混合燃焼より高くした通常燃焼に切り換えることを特徴とする圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置において、
前記酸素濃度は、12〜15%であることを特徴とする圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置。
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