JP5333505B2 - 燃焼制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、予混合圧縮着火（ＰＣＣＩ）燃焼を行うエンジンの燃焼制御装置に関するものである。

予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃焼制御装置としては、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。特許文献１に記載の燃焼制御装置は、燃料噴射モードとして通常噴射モードと予混合圧縮噴射モードとを有している。通常噴射モードは、エンジンの高負荷時に用いられ、圧縮上死点付近のタイミングで燃料噴射ノズルから燃料を噴射する。また、予混合圧縮噴射モードは、エンジンの低中負荷時に用いられ、圧縮上死点前５０度以降２０度以前のタイミングで燃料噴射ノズルから燃料を噴射する。この時の噴射角は、通常噴射モードにおいてはキャビティの最低位置より径方向外側のキャビティ内壁に燃料が到達し、予混合圧縮噴射モードにおいては少なくともキャビティ内壁に燃料が到達するような一定の角度に設定されている。

特開２００３−８３１１９号公報

上記従来技術の予混合圧縮着火燃焼においては、キャビティ内壁に燃料を噴射することで、シリンダのボア壁への燃料の付着による未燃ＨＣの発生は抑制される。しかし、特にエンジン低負荷時の予混合圧縮着火燃焼による未燃ＨＣの発生については、対策が提案されていない。この点を詳述すると、エンジン低負荷時には、燃料の噴射量が少ないため、少量の燃料がキャビティ内全体に広がると、燃料が薄くなり過ぎ、一部で燃焼しない箇所が生じる。ここでは、一部で燃焼が生じないレベルまで燃料が薄く拡散する現象を、燃料の過拡散と呼ぶ。過拡散により正常に燃焼が生じない箇所があると、未燃ＨＣ・ＣＯが発生してしまう。この対策としては、まずエンジン高負荷時と同様、エンジン低負荷時においても、通常噴射モードで燃料噴射を行うことが考えられる。通常噴射モードにて、圧縮上死点付近で燃料噴射を行えば、噴射された燃料が順次着火するため、過拡散は避けられる。ただし、予混合圧縮着火燃焼による低ＮＯｘ等の効果が得られなくなる。

本発明の目的は、予混合圧縮着火燃焼において、シリンダのボア壁への燃料の付着による未燃ＨＣと燃料の過拡散による未燃ＨＣ・ＣＯを低減することができる燃焼制御装置を提供することである。

本発明は、シリンダ内に往復昇降自在に設けられたピストンを有し予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃焼制御装置において、シリンダ及びピストンにより形成される燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃料を複数回に分割して噴射させるように燃料噴射弁を制御する噴射弁制御手段とを備え、ピストンの上部には、燃焼室の一部をなす凹状のキャビティが設けられており、キャビティを形成するピストンの内壁面の上端部には、ピストンの内側に突出したリップ部が設けられており、リップ部は、ピストンの上面とピストンの内壁面上において内壁面のＲ中心が内壁面を挟んで逆方向となる境界点との間の範囲であり、噴射弁制御手段は、ピストンが圧縮上死点よりも前の第１昇降位置に達したときに、最初の燃料噴射を開始するように燃料噴射弁を制御する第１制御手段と、ピストンが第１昇降位置よりも圧縮上死点側の第２昇降位置に達するまでに、最後の燃料噴射を終了するように燃料噴射弁を制御する第２制御手段とを有し、第１昇降位置は、燃料噴射弁から噴射される燃料がリップ部に到達し且つシリンダのボア壁に到達しないような位置であり、第２昇降位置は、燃料噴射弁から噴射される燃料がリップ部に到達し且つキャビティ内での燃料のまわり込みを抑えるためにキャビティにおけるリップ部より下方領域に全く到達しないような位置であることを特徴とするものである。

このように本発明の燃焼制御装置においては、燃料噴射弁から噴射される燃料がリップ部に到達し且つシリンダのボア壁に到達しないような昇降位置（圧縮上死点よりも前の第１昇降位置）にピストンが達すると、最初の燃料噴射を開始するように燃料噴射弁を制御することにより、シリンダのボア壁に付着する燃料が抑えられるため、ボア壁への燃料の付着より発生する未燃ＨＣが低減される。また、燃料噴射弁から噴射される燃料がリップ部に到達し且つキャビティにおけるリップ部より下方領域に全く到達しないような昇降位置（第１昇降位置よりも圧縮上死点に近い第２昇降位置）にピストンが達するまでに、最後の燃料噴射を終了するように燃料噴射弁を制御することにより、キャビティ内への燃料のまわり込みが抑えられるため、キャビティ上部に均質度が高い混合気が形成されるようになる。従って、燃料の過拡散により発生する未燃ＨＣ・ＣＯが低減される。このように予混合圧縮着火燃焼において、シリンダのボア壁への燃料の付着による未燃ＨＣだけでなく、燃料の過拡散による未燃ＨＣ・ＣＯも低減することができる。

好ましくは、エンジンの負荷を検出する負荷検出手段を更に備え、第１制御手段及び第２制御手段は、負荷検出手段により検出されたエンジンの負荷が所定値よりも低い場合に実行される。エンジンの負荷が低い場合には、燃料の噴射量が少ないため、燃料の過拡散による未燃ＨＣ・ＣＯが発生しやすくなる。そこで、エンジンの負荷が所定値よりも低い場合に、上記の最初の燃料噴射及び最後の燃料噴射を実施するように燃料噴射弁を制御することにより、燃料の過拡散による未燃ＨＣ・ＣＯを十分低減することができる。

また、好ましくは、第２制御手段は、ピストンが第２昇降位置に達したときに、最後の燃料噴射を終了するように燃料噴射弁を制御する。この場合には、燃料の過拡散により発生する未燃ＨＣ・ＣＯが確実に低減される。

さらに、好ましくは、リップ部の先端形状は略平坦状となっている。この場合には、燃料噴射弁からリップ部に向けて燃料が噴射されたときに、燃料噴霧のエネルギーがリップ部で受け止められ易くなる。このため、リップ部の周辺に燃料噴霧が漂うようになるため、キャビティ上部に均質度が高い混合気を効果的に形成することができる。

本発明によれば、予混合圧縮着火燃焼において、シリンダのボア壁への燃料の付着による未燃ＨＣと燃料の過拡散による未燃ＨＣ・ＣＯを低減することができる。これにより、優れた予混合圧縮着火燃焼を実現することが可能となる。

本発明に係わる燃焼制御装置の一実施形態を備えたディーゼルエンジンを示す概略構成図である。 図１に示したエンジン本体の断面図である。 図１に示した燃焼制御装置の構成を示すブロック図である。 図３に示したインジェクタ制御部により実行されるインジェクタ制御処理手順の詳細を示すフローチャートである。 最初の燃料噴射開始時期及び最後の燃料噴射終了時期を示す図である。 クランク角（燃料噴射時期）と未燃ＨＣの発生量との関係の一例を示すグラフである。 燃焼室内における適切な燃焼領域を示す図である。 未燃ＨＣ及び未燃ＣＯの発生量を２分割噴射とシングル噴射とで比較した結果の一例を示すグラフである。 図２に示したリップ部の変形例を示す断面図である。

以下、本発明に係わる燃焼制御装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わる燃焼制御装置の一実施形態を備えたディーゼルエンジンを示す概略構成図である。同図において、本実施形態に係るディーゼルエンジン１は、予混合圧縮着火（ＰＣＣＩ）式の４気筒直列ディーゼルエンジンである。ディーゼルエンジン１はエンジン本体２を備え、このエンジン本体２には４つのシリンダ３が設けられている。

シリンダ３内には、図２に示すように、ピストン４が往復昇降自在に収容されている。また、シリンダ３の上部には、シリンダヘッド５が配設されている。シリンダ３とピストン４とシリンダヘッド５とで囲まれる空間は、燃焼室６を形成している。ピストン４の上部（頂部）には、燃焼室６の一部をなす凹状のキャビティ６ａが形成されている。

キャビティ６ａを形成するピストン４の内壁面の上端部には、ピストン４の内側に突出したリップ部７が設けられている。ここで、リップ部７とは、ピストン４の上面（頂面）４ａと、ピストン４の内壁面上において内壁面のＲ中心が内壁面を挟んで逆方向（上側の内壁面のＲ中心はピストン４の壁内に位置し、下側の内壁面のＲ中心はキャビティ６ａに位置）となる境界点４ｂとの間の範囲Ｘを指す。

各シリンダ３には、燃焼室６内に液体の燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）８がそれぞれ配設されている。インジェクタ８は複数の噴孔（図示せず）を有し、各噴孔から適切な噴射角（コーン角）で燃料を噴射する。各インジェクタ８はコモンレール９に接続されており、コモンレール９に貯留された高圧燃料が各インジェクタ８に常時供給されている。

エンジン本体２には、燃焼室６内に空気を吸入するための吸気通路１０がインテークマニホールド１１を介して接続されている。また、エンジン本体２には、燃焼後の排気ガスを排出するための排気通路１２がエキゾーストマニホールド１３を介して接続されている。

吸気通路１０には、上流側から下流側に向けてエアクリーナー１４、ターボ過給機１５のコンプレッサ１６、インタークーラー１７及びスロットルバルブ１８が設けられている。スロットルバルブ１８は、吸気通路１０の通路面積を絞り、下流側に負圧を発生させ、後述する排気再循環（ＥＧＲ）を可能とする。排気通路１２には、ターボ過給機１５のタービン１９及び触媒付きＤＰＦ２０が設けられている。

また、ディーゼルエンジン１は、燃焼後の排気ガスの一部を燃焼室６内に還流する排気再循環（ＥＧＲ）装置２１を備えている。ＥＧＲ装置２１は、吸気通路１０とエキゾーストマニホールド１３とを繋ぐＥＧＲ通路２２と、エキゾーストマニホールド１３から吸気通路１０への排気再循環ガス（ＥＧＲガス）の還流量を調整するＥＧＲバルブ２３と、ＥＧＲ通路２２を通るＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２４と、このＥＧＲクーラ２４をバイパスするようにＥＧＲ通路２２に接続されたバイパス通路２５と、ＥＧＲガスの流路をＥＧＲクーラ２４側またはバイパス通路２５側に切り替える切替弁２６とを有している。

上記の各インジェクタ８、スロットルバルブ１８、ＥＧＲバルブ２３及び切替弁２６は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）２７によって制御される。ＥＣＵ２７には、図３にも示すように、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ２８と、エンジン回転数を検出するエンジン回転センサ２９と、ピストン４のクランク軸の角度（クランク角）を検出するクランク角センサ３０とが接続されている。クランク角センサ３０は、シリンダ３に対するピストン４の昇降位置をクランク角として検出する。

ここで、インジェクタ８、ＥＣＵ２７及びセンサ２８〜３０は、本実施形態の燃焼制御装置３１を構成している。このような燃焼制御装置３１は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程という１サイクルにおいて各インジェクタ８から燃料を２回に分けて噴射する分割噴射の予混合圧縮着火燃焼を行うように制御する。

図３は、燃焼制御装置３１の構成を示すブロック図である。同図において、ＥＣＵ２７は、エンジン負荷算出部３２と、インジェクタ制御部３３とを有している。

エンジン負荷算出部３２は、アクセル開度センサ２８により検出されたアクセル開度、エンジン回転センサ２９により検出されたエンジン回転数及びその他の条件に基づいて、エンジン負荷を算出する。

インジェクタ制御部３３は、アクセル開度センサ２８により検出されたアクセル開度、エンジン回転センサ２９により検出されたエンジン回転数、エンジン負荷算出部３２により算出されたエンジン負荷及びクランク角センサ３０により検出されたクランク角に基づいて、燃焼室６に向けて燃料を噴射するようにインジェクタ８を制御する。

図４は、インジェクタ制御部３３により実行されるインジェクタ制御処理手順の詳細を示すフローチャートである。なお、本フローチャートは、エンジン負荷算出部３２により算出されたエンジン負荷が所定値よりも低い低負荷領域での処理を示している。

同図において、まずエンジン回転数及びエンジン負荷（アクセル開度）に基づいて、図示しないメモリ内マップより最初（１回目）の燃料噴射量及び燃料噴射時期、インターバル、最後（２回目）の燃料噴射量及び燃料噴射時期を決定する（手順Ｓ１００）。なお、コモンレール９では、１回の燃料噴射中と、その前後での燃料圧力の変化が小さいので、燃料噴射量と燃料噴射期間とはほぼ同義となる。

続いて、クランク角センサ３０により検出されたクランク角が最初の燃料噴射開始時期に相当するかどうかを判断する（手順Ｓ１０１）。

最初の燃料噴射開始時期は、図５（ａ）に示すように、インジェクタ８から噴射される燃料がリップ部７に到達し且つシリンダ３のボア壁面３ａには到達しないような昇降位置（第１昇降位置）にピストン４が達する時期である。つまり、最初の燃料噴射開始時期は、クランク角が圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも前となるような時期、例えば−２６°ＡＴＤＣ以降となるような時期である。このとき、手順Ｓ１０１では、実際には制御遅れを考慮して、クランク角が最初の燃料噴射開始時期よりも僅かに手前の位置にあるかどうかを判断するのが望ましい。なお、インジェクタ８から噴射される燃料の広がり角度Ｗは、例えば２０°である。

例えば図６に示すように、クランク角（燃料噴射時期）が−２６°ＡＴＤＣとなる前の位置では、インジェクタ８から噴射される燃料がシリンダ３のボア壁面３ａに当たるため、ＨＣが急増してしまう。従って、第１昇降位置を、クランク角が例えば−２６°ＡＴＤＣ以降となるような位置に設定する。

クランク角が最初の燃料噴射開始時期に相当すると判断されたときは、最初の燃料噴射の実施を開始するようにインジェクタ８を制御する（手順Ｓ１０２）。このとき、シリンダ３のボア壁面３ａへの燃料噴霧の付着を十分に抑えるために、最初の燃料噴射の噴射量を全噴射量の５０％以下に設定するのが好ましく、全噴射量の２０％以下に設定するのがより好ましい。

その後、最初の燃料噴射終了時期になったかどうかを判断し（手順Ｓ１０３）、最初の燃料噴射終了時期になったと判断されたときは、最初の燃料噴射の実施を終了するようにインジェクタ８を制御する（手順Ｓ１０４）。そして、最後の燃料噴射開始時期になったかどうかを判断し（手順Ｓ１０５）、最後の燃料噴射開始時期になったと判断されたときは、最後の燃料噴射の実施を開始するようにインジェクタ８を制御する（手順Ｓ１０６）。

その後、最後の燃料噴射終了時期になったかどうかを判断する（手順Ｓ１０７）。最後の燃料噴射終了時期は、図５（ｂ）に示すように、インジェクタ８から噴射される燃料がリップ部７に到達し且つキャビティ６ａにおけるリップ部７の下方領域に到達しないような昇降位置（第２昇降位置）にピストン４が達する時期である。つまり、最後の燃料噴射終了時期は、クランク角が最初の燃料噴射開始時期よりも圧縮上死点側となるような時期、例えば−２０°ＡＴＤＣ以前となるような時期である。なお、この時の燃料の広がり角度Ｗも、例えば２０°である。

クランク角が−２０°ＡＴＤＣとなる後の時期では、キャビティ６内に燃料がまわり込みやすくなるため、燃料が過拡散して未燃ＨＣ・ＣＯが発生しやすくなる。従って、最後の燃料噴射終了時期を、クランク角が−２０°ＡＴＤＣ以前となるような時期に設定する。

最後の燃料噴射終了時期になったと判断されたときは、最後の燃料噴射の実施を終了するようにインジェクタ８を制御する（手順Ｓ１０８）。

以上において、アクセル開度センサ２８、エンジン回転センサ２９及びＥＣＵ２７のエンジン負荷算出部３２は、エンジンの負荷を検出する負荷検出手段を構成する。ＥＣＵ２７のインジェクタ制御部３３は、燃料を複数回に分割して噴射させるように燃料噴射弁８を制御する噴射弁制御手段を構成する。このとき、インジェクタ制御部３３の上記手順Ｓ１０１，Ｓ１０２は、ピストン４が圧縮上死点よりも前の第１昇降位置に達したときに、最初の燃料噴射を開始するように燃料噴射弁８を制御する第１制御手段を構成する。同手順Ｓ１０７，Ｓ１０８は、ピストン４が第１昇降位置よりも圧縮上死点側の第２昇降位置に達するまでに、最後の燃料噴射を終了するように燃料噴射弁８を制御する第２制御手段を構成する。

以上のように本実施形態にあっては、インジェクタ８から噴射される燃料がリップ部７に到達し且つシリンダ３のボア壁面３ａには到達しないような位置にピストン４が達したときに、最初の燃料噴射を開始するので、ボア壁面３ａに付着する燃料噴霧が低減される。これにより、ボア壁面３ａへの燃料噴霧の付着に起因する未燃ＨＣを低減することができる。

また、インジェクタ８から噴射される燃料がリップ部７に到達し且つキャビティ６ａにおけるリップ部７の下方領域に到達しないような位置にピストン４が達したときに、最後の燃料噴射を終了するので、キャビティ６ａ内に燃料がまわり込みにくくなる。このため、エンジン負荷が低いために燃料の噴射量が少ない場合でも、燃料が拡散しにくくなる。従って、図７に示すように、キャビティ６ａ上部の比較的狭い空間Ｐにおいて、均質度の高い、つまり極度なオーバーリーンやオーバーリッチが無い混合気が形成され、燃焼が行われるようになる。これにより、燃料の過拡散に起因する未燃ＨＣ・ＣＯを低減することができる。また、燃料の過拡散による過度なリーン化が抑制されるため、安定した燃焼を実現することができる。

図８は、未燃ＨＣ及び未燃ＣＯの発生量を２分割噴射とシングル噴射とで比較した結果の一例を示したものである。本実施形態のように２分割噴射の予混合圧縮着火燃焼を実施する場合には、シングル噴射の予混合圧縮着火燃焼を実施する場合に比べて、未燃ＨＣ・ＣＯが低減されることが明らかである。

このように本実施形態によれば、ボア壁面３ａへの燃料の付着による未燃ＨＣ及び燃料の過拡散による未燃ＨＣ・ＣＯのいずれも低減することができる。その結果、未燃燃料が少なく、燃費の良好な安定した予混合圧縮着火燃焼を実現することが可能となる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば図９に示すように、リップ部７において燃料噴霧のエネルギーをより受け止め易くするために、リップ部７の先端形状を略平坦状としても良い。この場合には、インジェクタ８から噴射された燃料がリップ部７に当たると、キャビティ６ａ上部の比較的狭い空間に燃料噴霧が漂うようになるため、当該空間に均質度が高い混合気を効果的に形成することができる。

また、ボア壁面３ａへの燃料の付着による未燃ＨＣ及び燃料の過拡散による未燃ＨＣ・ＣＯを低減するという観点からは、コモンレール９のコモン圧は低いほうが良い。ただし、この場合には、スモークの悪化とのバランスを取る必要がある。

また、上記実施形態では、エンジン負荷が所定値よりも低い場合に、インジェクタ８から噴射される燃料がリップ部７に到達し且つシリンダ３のボア壁面３ａには到達しないような第１昇降位置にピストン４が達したときに、最初の燃料噴射を開始し、インジェクタ８から噴射される燃料がリップ部７に到達し且つキャビティ６ａにおけるリップ部７の下方領域に到達しないような第２昇降位置にピストン４が達したときに、最後の燃料噴射を終了するようにしたが、特にエンジン負荷に関係無く、最初及び最後の燃料噴射を上記の時期に実施しても良い。

また、上記実施形態では、上記第２昇降位置にピストン４が達したときに、最後の燃料噴射を終了するように制御したが、最後の燃料噴射の終了時期は、特に第２昇降位置に限定されるものではない。分割噴射の効果が得られるインターバルを設定できるならば、ピストン４が第２昇降位置に達する前に最後の燃料噴射を終了させても良い。

さらに、上記実施形態では、２分割噴射の予混合圧縮着火燃焼を実施しているが、予混合圧縮着火燃焼に係る燃料噴射の分割数としては、３分割以上であっても良い。この場合には、ピストン４が上記第１昇降位置に達したときに、最初（１回目）の燃料噴射を開始し、ピストンが上記第２昇降位置に達するまでに、最後の燃料噴射を終了すれば良い。

１…ディーゼルエンジン、３…シリンダ、３ａ…ボア壁面、４…ピストン、６…燃焼室、６ａ…キャビティ、７…リップ部、８…インジェクタ（燃料噴射弁）、２７…ＥＣＵ、２８…アクセル開度センサ（負荷検出手段）、２９…エンジン回転センサ（負荷検出手段）、３１…燃焼制御装置、３２…エンジン負荷算出部（負荷検出手段）、３３…インジェクタ制御部（噴射弁制御手段、第１制御手段、第２制御手段）。

Claims (4)

1. シリンダ内に往復昇降自在に設けられたピストンを有し予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃焼制御装置において、
   前記シリンダ及び前記ピストンにより形成される燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料を複数回に分割して噴射させるように前記燃料噴射弁を制御する噴射弁制御手段とを備え、
   前記ピストンの上部には、前記燃焼室の一部をなす凹状のキャビティが設けられており、
   前記キャビティを形成する前記ピストンの内壁面の上端部には、前記ピストンの内側に突出したリップ部が設けられており、
   前記リップ部は、前記ピストンの上面と前記ピストンの内壁面上において内壁面のＲ中心が内壁面を挟んで逆方向となる境界点との間の範囲であり、
   前記噴射弁制御手段は、前記ピストンが圧縮上死点よりも前の第１昇降位置に達したときに、最初の燃料噴射を開始するように前記燃料噴射弁を制御する第１制御手段と、前記ピストンが前記第１昇降位置よりも前記圧縮上死点側の第２昇降位置に達するまでに、最後の燃料噴射を終了するように前記燃料噴射弁を制御する第２制御手段とを有し、
   前記第１昇降位置は、前記燃料噴射弁から噴射される燃料が前記リップ部に到達し且つ前記シリンダのボア壁に到達しないような位置であり、
   前記第２昇降位置は、前記燃料噴射弁から噴射される燃料が前記リップ部に到達し且つ前記キャビティ内での燃料のまわり込みを抑えるために前記キャビティにおける前記リップ部より下方領域に全く到達しないような位置であることを特徴とする燃焼制御装置。
2. 前記エンジンの負荷を検出する負荷検出手段を更に備え、
   前記第１制御手段及び前記第２制御手段は、前記負荷検出手段により検出された前記エンジンの負荷が所定値よりも低い場合に実行されることを特徴とする請求項１記載の燃焼制御装置。
3. 前記第２制御手段は、前記ピストンが前記第２昇降位置に達したときに、前記最後の燃料噴射を終了するように前記燃料噴射弁を制御することを特徴とする請求項１または２記載の燃焼制御装置。
4. 前記リップ部の先端形状は略平坦状となっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の燃焼制御装置。

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