JP7408962B2 - ディーゼルエンジンの制御装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の制御装置が適用されたディーゼルエンジンの好ましい実施形態を示す概略システム図である。本図に示されるディーゼルエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載される4サイクルのディーゼルエンジンである。ディーゼルエンジンは、軽油を主成分とする燃料の供給を受けて駆動されるエンジン本体1と、エンジン本体1に導入される吸気が流通する吸気通路30と、エンジン本体1から排出される排気ガスが流通する排気通路40と、排気通路40を流通する排気ガスの一部を吸気通路30に還流させるEGR装置44と、排気通路40を通過する排気ガスにより駆動されるターボ過給機36とを備えている。
続いて、ピストン5の構造、とりわけ冠面50の構造について詳細に説明する。図2(a)は、ピストン5の上側部分(冠面50の近傍部)を主に示す斜視図である。図2(b)は、図2(a)に示すピストン5を気筒軸Xを含む鉛直面に沿って切断した断面斜視図である。図3は、ピストン5の冠面50の一部を他の燃焼室形成面(気筒2の内周面および燃焼室天井面6U)と併せて示した拡大断面図である。
続いて、インジェクタ15からピストン5のキャビティ5Cに噴射された燃料噴霧の流れについて、図3を用いて説明する。図3では、ピストン5が圧縮上死点もしくはその近傍に位置する状態でインジェクタ15から燃料が噴射された直後における当該燃料の噴霧を符号FSで表すとともに、この燃料噴霧FSの主軸、言い換えるとインジェクタ15の噴孔152の中心軸を延長した軸線である噴射軸を符号AXで表している。また、燃料噴霧FSがキャビティ5Cの壁面(リップ部513)に衝突した後の主な燃料噴霧の流れを符号F11,F12,F13,F21,F22,F23で表している。なお、当実施形態のようなディーゼルエンジンにおいて圧縮上死点付近で燃料が噴射されると、その燃料は噴射後わずかな時間をあけて燃焼し始める(拡散燃焼)。このため、燃料噴霧FSは、基本的に、霧化された燃料に加えて燃焼ガスを含んだものとなる。ただし本明細書では、燃焼ガスを含む燃料噴霧と含まない燃料噴霧とを特に区別することなく単に燃料噴霧(もしくは噴霧)と称するものとする。
図4は、上記ディーゼルエンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるECU70は、エンジンを統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のCPU、ROM、RAM等から構成されている。
次に、上記エンジンにおける代表的な燃料の噴射制御として、図5に示す拡散燃焼領域A1での噴射制御について説明する。図5に示す拡散燃焼領域A1は、インジェクタ15から噴射された燃料の大半を拡散燃焼により燃焼させる運転領域であり、エンジンの極低負荷域、極高負荷域、および極高速域を除いた主要領域に設定されている。なお、拡散燃焼とは、周知のとおりディーゼルエンジンにおいて広く採用されている燃焼形態であり、インジェクタ15から噴射された燃料を蒸発させつつ拡散作用により空気と混合し、燃焼可能となった部分(主に燃料噴霧と空気との境界付近)から混合気を自着火により燃焼させる形態のことである。
次に、上記ステップS5において旋回周波数および初期位相を算出する方法について詳しく説明する。既述のとおり、旋回周波数および初期位相とは、メイン噴射Jmによる燃料噴霧Fmが第1キャビティ部51内を旋回流動する現象を念頭に置いたものであり、当該旋回流動に伴い変動する旋回基準点Zでの酸素濃度の変動を周期関数に見立てた場合の周波数および初期位相のことである。酸素濃度の変動を表す周期関数をx(t)とすると、このx(t)は、模式的に下記の式(1)により定義される。
x(t)=cos(2πft-φ) ‥‥(1)
ここに、fは旋回周波数、φは初期位相である。
f=V/D
φ=2π×L/D ‥‥(2)
つまり、旋回周波数fは旋回速度Vを旋回距離Dで割った値に等しく、初期位相φは噴霧長Lを旋回距離Dで割った値の定数倍に等しい。
V=F1(メイン噴射量、噴射圧、吸気圧)
D=F2(メイン噴射量、噴射圧、吸気圧、回転数)
L=F3(メイン噴射量、噴射圧、吸気圧、回転数、水温、燃温) ‥‥(3)
つまり、旋回速度Vは、メイン噴射量、噴射圧、および吸気圧をパラメータ(変数)とする関数であり、旋回距離Dは、メイン噴射量、噴射圧、吸気圧、およびエンジン回転数をパラメータとする関数であり、噴霧長Lは、メイン噴射量、噴射圧、吸気圧、エンジン回転数、エンジン水温、および燃温をパラメータとする関数である。
次に、上記ステップS6において噴射インターバル時間Tiを算出する方法について詳しく説明する。既述のとおり、噴射インターバル時間Tiを求めるには、図8に示したクリーン空気流Eの中間部が旋回基準点Zに到来する時期(旋回基準点Zの酸素濃度が最も濃くなる時期)である酸素到来時期を特定する必要がある。この酸素到来時期は、上記式(1)で示した周期関数x(t)が最大値(=1)になる時期に相当する。この場合において、x(t)は余弦関数であるから、x(t)=1となるのは、上記式(1)における(2πft-φ)の項が0,2π,4π‥‥のいずれかとなるときである。したがって、酸素到来時期は、下記の式(4)で表すことができる。
t=(φ+nπ)/2πf (n=0,2,4‥‥) ‥‥(4)
つまり、酸素到来時期は、メイン噴射Jmの終了からの経過時間であるtが上記式(4)の関係を満たすときであり、旋回周波数fと初期位相φのみを変数とした関数で表すことができる。
次に、以上のような制御もしくは演算の結果として得られる噴射インターバル時間Tiの設定例について説明する。
まず、定常運転時に設定される噴射インターバル時間Tiの具体例について説明する。図6(a)(b)に示したように、当実施形態では、拡散燃焼領域A1(図5)における代表的な2つの運転ポイント(第1運転ポイントC1および第2運転ポイントC2)において、いずれも、3回のプレ噴射Jpと、1回のメイン噴射Jmと、1回のアフター噴射Jaとが実行される。この場合に、メイン噴射Jmの噴射量は、第1運転ポイントC1のときでも第2運転ポイントC2のときでも同一であるが、燃料の噴射圧は、負荷の高い第2運転ポイントC2のときの方が、負荷の低い第1運転ポイントC1のときよりも高くされる(先に示した表1等参照)。その結果、図6(a)(b)に示すように、負荷の高い第2運転ポイントC2での噴射インターバル時間Tiが、負荷の低い第1運転ポイントC1での噴射インターバル時間Tiよりも短くされる。
次に、加速運転時に設定される噴射インターバル時間Tiの具体例について説明する。ここでは一例として、エンジンの運転ポイントが拡散燃焼領域A1(図5)内で矢印Bのように変化し、それによってメイン噴射Jmの噴射量が増大方向に変化したときの噴射インターバル時間Tiの変化について説明する。なお、図5の例において、矢印Bは、加速後の運転ポイントが第2運転ポイントC2に一致するような矢印となっているが、あくまで例示であって、拡散燃焼領域A1内での加速であってメイン噴射Jmの噴射量が増大する条件である限り、噴射インターバル時間Tiは下記と同様の傾向で変化する。
以上説明したとおり、当実施形態では、リエントラント型のキャビティ5Cが冠面50に形成されたピストン5を含むディーゼルエンジンの拡散燃焼領域A1での運転時に、1燃焼サイクル中の燃料の総噴射量のうち最も多くの割合の燃料を第1キャビティ部51内に噴射するメイン噴射Jmと、メイン噴射Jmよりも遅れた膨張行程中の所定時期に当該メイン噴射Jmよりも少量の燃料を噴射するアフター噴射Jaとが実行されるようにインジェクタ15が制御されるとともに、メイン噴射Jmの終了からアフター噴射Jaの開始までの時間である噴射インターバル時間Tiが、燃料の噴射圧が高いほど短くされる。このような構成によれば、燃費性能を比較的良好に維持しつつ、アフター噴射Jaにより噴射された燃料の空気利用率を高めて煤の発生を十分に抑制することができる。
上記実施形態では、第1キャビティ部51と第2キャビティ部52とを含む上下2段式のキャビティ5Cが冠面50に形成されたピストン5を備えたディーゼルエンジンに本発明を適用した例について説明したが、本発明が適用可能なディーゼルエンジンは、2段式ではなく1段式のキャビティが形成されたピストンを備えたものであってもよい。すなわち、上記実施形態のピストン5のキャビティ5Cのうち、山型の底部511と、径方向外側に凸となるように窪んだ外周部512と、径方向内側に凸となるように突出したリップ部513とを有する第1キャビティ部51に相当するリエントラント型のキャビティが少なくとも形成されたピストンである限り、種々の形状のピストンを備えたディーゼルエンジンに本発明を適用することが可能である。
5 ピストン
5C キャビティ
6 燃焼室
15 インジェクタ
16 燃圧レギュレータ(噴射圧調整部)
18 コモンレール(蓄圧レール)
50 (ピストンの)冠面
70 ECU(噴射制御部)
152 (インジェクタの)噴孔
511 底部
512 外周部
513 リップ部
SN5 噴射圧センサ
A1 拡散燃焼領域(所定の運転領域)
AX 噴射軸
C1 第1運転ポイント
C2 第2運転ポイント
E クリーン空気流
Fm (メイン噴射による)燃料噴霧
Fa (アフター噴射による)燃料噴霧
Jm メイン噴射
Ja アフター噴射
Q1 第1噴射量
Q2 第2噴射量
P1 第1噴射圧
P2 第2噴射圧
Ti 噴射インターバル時間
Z 旋回基準点(噴射軸上の特定位置)
Claims (5)
- 気筒と、気筒内に往復動可能に収容されたピストンと、ピストンの上方空間である燃焼室に軽油を含む燃料を噴射するインジェクタとを備えたディーゼルエンジンを制御する装置であって、
前記インジェクタから噴射される燃料の噴射圧を取得する噴射圧取得部と、
所定の運転領域での運転時に、圧縮行程から膨張行程にかけて設定された複数のタイミングで燃料が噴射されるように前記インジェクタを制御する噴射制御部とを備え、
前記ピストンは、その冠面に下方に窪んだキャビティを有するとともに、当該キャビティを規定する壁面として、径方向外側ほど高さが低くなるように形成された底部と、底部よりも径方向外側に形成されかつ気筒軸を含む断面視で径方向外側に凸となるように窪む湾曲した外周部と、外周部よりも上側に形成されかつ気筒軸を含む断面視で径方向内側に凸となるように突出する湾曲したリップ部とを有し、
前記インジェクタは、前記燃焼室の天井部のうち前記キャビティの中央部と対向する位置から径方向外側に向けて斜め下方に燃料を噴射するように設けられ、
前記噴射制御部は、前記所定の運転領域での運転時に、1燃焼サイクル中の燃料の総噴射量のうち最も多くの割合の燃料を噴射するとともに噴射した燃料を前記リップ部に指向させて当該燃料の少なくとも一部を前記リップ部から下方に方向転換させるメイン噴射と、メイン噴射よりも遅れた膨張行程中の所定時期に当該メイン噴射よりも少量の燃料を噴射するアフター噴射とを前記インジェクタに実行させ、
前記メイン噴射の終了から前記アフター噴射の開始までの時間である噴射インターバル時間は、前記噴射圧取得部で取得された燃料の噴射圧が高いほど短くされる、ことを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。 - 請求項1に記載のディーゼルエンジンの制御装置において、
前記燃料の噴射圧を調整する噴射圧調整部をさらに備え、
前記所定の運転領域内で負荷の異なる特定の2つの運転ポイントのうち負荷の低い方を第1運転ポイント、負荷の高い方を第2運転ポイントとしたとき、前記噴射制御部は、前記第2運転ポイントでのメイン噴射の噴射量が前記第1運転ポイントでのそれと同一になり、かつ前記第2運転ポイントでの燃料の噴射圧が前記第1運転ポイントでのそれよりも高くなるように、前記インジェクタおよび前記噴射圧調整部を制御し、
前記噴射インターバル時間は、前記第2運転ポイントでの運転時の方が前記第1運転ポイントでの運転時よりも短くされる、ことを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。 - 請求項1に記載のディーゼルエンジンの制御装置において、
前記燃料の噴射圧を調整する噴射圧調整部をさらに備え、
前記噴射圧取得部は、前記燃料の噴射圧を検出する噴射圧センサであり、
前記所定の運転領域内で負荷が増大したとき、前記噴射制御部は、前記インジェクタによる前記メイン噴射の開始時期を固定しつつ当該メイン噴射の終了時期を遅らせることにより前記メイン噴射の噴射量を第1噴射量から第2噴射量まで増大させるとともに、前記燃料の噴射圧が第1噴射圧から第2噴射圧まで上昇させる制御を前記噴射圧調整部に開始させ、
前記メイン噴射の噴射量が前記第2噴射量まで増大してから前記燃料の噴射圧が前記第2噴射圧まで上昇するまでの期間を燃圧不足期間としたとき、前記噴射制御部は、当該燃圧不足期間の間、前記噴射圧センサにより検出された燃料の噴射圧が上昇するにつれて前記メイン噴射の終了時期を早めかつ前記噴射インターバル時間を短くする、ことを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。 - 請求項3に記載のディーゼルエンジンの制御装置において、
前記ディーゼルエンジンは、複数の前記気筒を有する多気筒エンジンであり、
前記噴射圧センサは、複数の前記気筒に備わる複数の前記インジェクタにそれぞれ設けられ、
前記噴射制御部は、ある気筒の噴射インターバル時間を、当該気筒に備わる特定のインジェクタが燃料を噴射する前でかつ当該気筒よりも燃焼順序が1つ前の気筒での燃焼が終了した後に前記特定のインジェクタに備わる噴射圧センサが検出した噴射圧に基づき決定する、ことを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。 - 請求項3に記載のディーゼルエンジンの制御装置において、
前記ディーゼルエンジンは、複数の前記気筒を有する多気筒エンジンであり、
前記噴射圧センサは、複数の前記気筒に供給される燃料を蓄圧しつつ貯留する共通の蓄圧レールに設けられ、
前記噴射制御部は、ある気筒の噴射インターバル時間を、当該気筒に備わるインジェクタが燃料を噴射する前でかつ当該気筒よりも燃焼順序が1つ前の気筒での燃焼が終了した後に前記噴射圧センサが検出した噴射圧に基づき決定する、ことを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。
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