JPH1182139A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ディーゼルエンジンのような内燃機関におい
てパイロット噴射を行う場合に増加するスモークの排出
量を低減させる。 【解決手段】 主噴射による燃料噴霧が、それに先立っ
て行われるパイロット噴射によって燃焼室内に残留して
いる火炎もしくは燃焼ガスと重なると、酸素不足の状態
で燃焼するためスモークの排出量が増加するので、それ
を避けるために、本発明の燃料噴射制御装置は、パイロ
ット噴射の噴射時期をずらすように制御する制御手段を
備えている。例えば、主噴射による燃料噴霧が二つ以上
形成される場合には、図３（ｂ）のように二つの主噴射
による燃料噴霧のどちらかがパイロット噴射の火炎等と
重ならないように、スワールの速さを考慮してパイロッ
ト噴射の噴射時期を制御することにより、図３（ａ）に
示すように、パイロット噴射による火炎等が二つの主噴
射の燃料噴霧の中間に予め形成されるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関の燃料噴射
制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンのＮＯx 低減手段の
１つとして、主噴射に先立ち微量の燃料噴射（パイロッ
ト噴射）を行う方法が広く知られている（図１参照）。
これは、予混合燃焼において、着火遅れ期間中に噴射さ
れた燃料が一気に着火・燃焼し、急峻な熱発生が生じる
ことによりＮＯx が生成されるのを防ぐため、パイロッ
ト噴射によって前記着火遅れを短くして、熱発生を緩慢
にすることを図ったものである。

【０００３】パイロット噴射を行うことによって着火遅
れを短縮することができる理由は、 パイロット噴射による火炎が存在するところへ主噴
射を行うことによって、パイロット噴射の火炎が着火源
となるために、着火遅れを生じない拡散燃焼とすること
ができること、及び、 パイロット噴射分の燃料の燃焼により筒内温度及び
圧力が上昇し、着火遅れが短縮されること、によるもの
と考えられる。

【０００４】さらに、の場合にはパイロット噴射分の
燃料の燃焼により筒内のＯ₂ 濃度が低下するために、Ｎ
Ｏx の生成速度式としてよく知られているツェルドビッ
チ機構による次式の〔Ｏ〕の項が小さくなり、ＮＯx 生
成が抑制される効果もあると考えられる。 ｄ〔ＮＯ〕／ｄｔ＝Ａ・ｅｘｐ（−Ｅ／Ｒ・Ｔ）×〔Ｎ
₂ 〕〔Ｏ〕 但し、上式において、〔 〕は各成分濃度、Ａは係数、
Ｅは活性化エネルギー、Ｒはガス定数、Ｔは火炎温度で
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】パイロット噴射はＮＯ
x 低減のために有効であるが、一方、次の２つの理由に
より、スモーク発生を伴うという問題がある。まず、パ
イロット噴射分の燃料の燃焼火炎中、あるいは燃焼終了
ガス中へ主噴射の燃料噴霧が重なるように噴射される
と、空気の取り込みが阻害されて、主噴射の燃料がＯ₂
不足の雰囲気で燃焼することになるため、スモークが発
生するのである。また、パイロット噴射分の燃料は微少
量であるので、パイロット噴射時のノズルのニードルリ
フト量は小さく、従ってこの部分で噴出する燃料が絞ら
れるため、実質の噴射圧力が低下して燃料噴霧の微粒化
が悪化する。その結果、噴霧と空気との混合が不十分と
なってスモークが発生するのである。

【０００６】但し、これらの理由のうちでも後者につい
ては、パイロット噴射分の燃料は微少量であるため、ス
モーク特性の悪化の原因となる割合は小さいものと考え
られる。このように、パイロット噴射は、ＮＯx 低減に
は効果があるものの、スモークの発生を伴うという問題
点を有する。

【０００７】そこで本発明は、スモーク特性を悪化させ
ることなしにＮＯx 排出量の低減が可能な内燃機関用の
燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項
に記載された内燃機関の燃料噴射制御装置を提供する。

【０００９】本発明の燃料噴射制御装置は基本的に、内
燃機関において、少なくとも１つの主噴射と、それに先
立って少なくとも１つのパイロット噴射が行われる燃料
噴射装置のために、主噴射の燃料噴霧が、燃焼室内に残
留しているパイロット噴射の火炎もしくは燃焼ガスと重
ならないように、パイロット噴射の噴射時期をずらすよ
うに制御する制御手段を備えている。従って、主噴射の
燃料噴霧がパイロット噴射の火炎もしくは燃焼ガスと重
なって酸素不足の状態で燃焼することが避けられるの
で、スモークの排出量が増加するのを防止することがで
きる。

【００１０】より具体的に、本発明の燃料噴射制御装置
は、燃料噴射装置による主噴射の燃料噴霧が二つ以上形
成される場合には、それに先立って噴射されるパイロッ
ト噴射の火炎もしくは燃焼ガスが、隣接する二つの主噴
射の燃料噴霧の略中間に予め形成されるように、パイロ
ット噴射の噴射時期を制御することができる。それによ
って、主噴射の燃料噴霧がパイロット噴射の火炎もしく
は燃焼ガスと重なって酸素不足となることを確実に避け
ることができる。

【００１１】本発明の燃料噴射制御装置は、ＮＯx を低
減させるために主噴射の前にパイロット噴射を行うこと
によって増加する傾向にあるスモークを抑えることを目
的として、主噴射の噴射時期に対してパイロット噴射の
噴射時期をずらすような制御をするものであるが、それ
によってパイロット噴射と主噴射の時間的間隔（インタ
ーバル）を大きくする、即ち、パイロット噴射の時期を
早くし過ぎると、燃料噴霧が燃焼室を外れてピストンの
頂面や燃焼室の壁面等に付着するが、低負荷時には筒内
温度が低く、その燃料噴霧が蒸発しないために燃え残っ
て、ＨＣが増大する場合があるので、ＨＣの低減をも重
視する場合には、機関の負荷が小さい時に限ってパイロ
ット噴射の噴射時期を比較的に遅角させることにより、
ＨＣの排出量を低減させて、スモークやＮＯx を低減さ
せる主目的との両立を図ることができる。

【００１２】一般的に言って燃料噴射ノズルの噴孔の数
が多い場合には、形成される主噴射の燃料噴霧の数が多
いために、パイロット噴射の火炎もしくは燃焼ガスと重
なる可能性が高くなるので、本発明の燃料噴射制御装置
においては、そのような場合にはパイロット噴射と主噴
射とのインターバルが短くなるように、パイロット噴射
の噴射時期を制御することができる。

【００１３】また、筒内におけるガスの旋回流の速さが
高くなれば、インターバルの長さを短くしても、主噴射
の燃料噴霧がパイロット噴射の火炎もしくは燃焼ガスと
重なる恐れがなくなるから、本発明の燃料噴射制御装置
によってインターバルの長さを決定する場合に、インタ
ーバルの長さがスワール比の関数として変化するよう
に、例えば制御マップを設定することができる。

【００１４】従って、本発明の燃料噴射制御装置によれ
ば、パイロット噴射の火炎（もしくはその燃焼ガス）と
主噴射の噴霧とが重ならないような時期にパイロット噴
射を行うことができるので、スモークの排出を抑えつ
つ、ＮＯx やＨＣの低減が可能になるという優れた効果
を奏する。

【００１５】

【発明の実施の形態】ディーゼルエンジンのような内燃
機関の排気中に含まれている所謂ＰＭ（Particulate Ma
tter：排気微粒子）の量を低減するために燃料噴射圧力
を上げ、燃料噴霧の微粒化を促進して空気との混合を良
くする方法が注目され、各方面で研究が行われている。

【００１６】このような場合には、ＮＯx の排出が多く
なるのを防ぐために、スワール比（スワール回転速度／
エンジン回転速度として表される。通常、羽根車をシリ
ンダヘッドの下面からシリンダ直径の１．５〜２倍の位
置に置き、定常空気流を流してその時の羽根車の回転速
度を測定し、それと吸入空気質量速度とから平均的な値
を求める簡易な方法がある。）を小さくするという対策
をとることがある。

【００１７】このように、燃焼状態の最適化のためにス
ワール比の適正化がよく行われるが、スワール比を変更
すると当然、噴霧（火炎）の流され方が変ってくるの
で、主噴霧の中間にパイロット噴射の火炎（燃焼ガス）
がくるようにするために、パイロット噴射時期も変える
必要がある。

【００１８】即ち、噴射後の同じ時間で比較すると、ス
ワール比が小さい場合は大きい場合よりも噴霧の流され
る量（角度）が少ないため、前述したようにパイロット
噴射の火炎（燃焼ガス）と、続いて行われる主噴射の噴
霧が重ならないようにするには、スワール比が大きい場
合よりもインターバル（パイロット噴射と主噴射との間
隔）を長くする必要がある。

【００１９】図２（ａ）および（ｂ）は噴射の様子をイ
ンターバルが短い場合について示したものである。イン
ターバルが短く且つスワール比が小さい場合には、図２
（ａ）に示すように、パイロット噴射の火炎がスワール
によってあまり下流に流されないので、同じ噴孔から引
き続いて行われる主噴射の噴霧がそれと重なり、スモー
クを発生することになる。

【００２０】これに対して、スワール比が大きい場合
は、図２（ｂ）に示すように、流れの速いスワールに乗
ってパイロット噴射の火炎がより速く下流側へ押し流さ
れるので、主噴射の噴霧がパイロット噴射の火炎と重な
ることがない。従って、この場合はスモークの発生を抑
えることができる。

【００２１】また、図３（ａ）および（ｂ）はインター
バルが比較的長い場合を示したもので、この場合にスワ
ール比が小さいと、図３（ａ）に示すように、パイロッ
ト噴射の火炎は、一つの噴孔から噴射された主噴射の噴
霧と、隣の噴孔から噴射された主噴射の噴霧との中間ま
で流されるために、パイロット噴射の火炎と二つの主噴
射の噴霧が重なることはなく、スモークの発生が抑えら
れる。

【００２２】これに対してスワール比が大きい場合は、
図３（ｂ）に示すようにパイロット噴射の火炎は、流れ
の速いスワールに乗って速く下流側へ流されるので、隣
の噴孔から噴射された主噴射の噴霧と重なる。従って、
この場合はスモークを発生することになる。

【００２３】以上述べたように噴射ノズルの隣り合う二
つの噴孔からそれぞれ噴射される主噴射の噴霧のほぼ中
間に、パイロット噴射の火炎、もしくは燃焼ガスがくる
ようパイロット噴射の噴射時期を制御することによっ
て、スモークの排出を抑制することが可能になる。

【００２４】図４は本発明者らによる低スワールエンジ
ン（スワール比約０．５）を使用した試験結果の一例を
示すもので、横軸にパイロット噴射と主噴射のインター
バルａをクランク角度の差として示すとともに、縦軸に
ＮＯx およびスモークの排出量を示す。

【００２５】一般的に、パイロット噴射を行うとインタ
ーバルにはあまり影響されないでＮＯx 低減効果が得ら
れるが、インターバルが比較的短い場合には、パイロッ
ト噴射の火炎（燃焼ガス）がスワールによって十分に流
されないうちに主噴射が行われるため、先に説明した図
２（ａ）のように両者が重なる場合が多くなり、一般的
にスモークが増加する傾向がある。

【００２６】これに対して、インターバルが長い場合に
は、パイロット噴射の火炎（燃焼ガス）がスワールによ
って下流側へ十分に流された後に主噴射が行われるた
め、両者が重なる場合が少なくなり、一般的にスモーク
を抑制することができる。

【００２７】ここで、インターバルが短い時のＮＯx 低
減効果は、先に従来技術の項においてとして述べたよ
うに、パイロット火炎が着火源となって主噴射の着火遅
れが短縮されたことによるものであるが、インターバル
を長くとると、主噴射が行われる時にはパイロット噴射
の火炎が既に消失している可能性が高くなる。従ってこ
の時のＮＯx 低減効果は、先にとして述べたように、
パイロット噴射分の燃料の燃焼により筒内温度および圧
力が上昇したことによる主噴射燃料の着火遅れの短縮
と、パイロット噴射分の燃料の燃焼によって、Ｏ₂ 濃度
が低下したことによる主噴射の燃焼緩慢化によるもので
ある。

【００２８】以上、スワール比の小さなエンジンによる
測定例を示したが、スワール比が大きい場合（スワール
比約２）には、噴霧が重ならないためのインターバルｂ
は短くなる。もしインターバルｂを長くすると、先に説
明した図３（ｂ）のように、パイロット噴射の火炎が隣
の噴孔の主噴霧と重なってスモークが増加する。この場
合の試験結果の一例を図５に示す。

【００２９】スワール比は普通は平均的な値であり、ピ
ストン位置によって変化する（上死点に近いほどスワー
ル比は大きくなる）ため、単純な比較はできないが、図
４の低スワールエンジン（スワール比約０．５）と、図
５のそれより高いスワール比（約２）のエンジンとを比
較すると、ほぼスワール比の比率に応じた角度でスモー
クの最小値が得られること、即ち、２／０．５≒ａ／ｂ
となることがわかった。

【００３０】また、噴孔数によって隣合う二つの噴霧の
なす角度が異なるため、噴霧と他の噴霧との間にパイロ
ット火炎がくるようにするためのパイロット噴射の噴射
時期も当然に異なってくる。これらのことから、エンジ
ンのスワール比Ｒ、噴孔数ｎがわかれば、スモークを発
生しないインターバルＴ（ｄｅｇ）を、図８に示す関係
から、 Ｔ＝ｋ×（３６０／Ｒ×２×ｎ）（ｋ：定数） とすることができる。

【００３１】ここで、同じエンジンであってもエンジン
の運転条件（回転数、負荷）によって主噴射の噴射量が
異なるし、噴射時期も異なる場合があるので、それらに
応じてパイロット噴射時期を変える必要がある。

【００３２】例えば、高回転時には主噴射の噴射時期を
低回転時よりも進めるが、インターバルを保持するため
にはそれに応じてパイロット噴射の時期を早めて、それ
らの噴霧が重ならないように制御すべきである。

【００３３】また、高負荷時には主噴射量が多いために
噴霧の広がりおよび噴射期間が大きくなるので、その噴
霧がパイロット噴射の火炎（燃焼ガス）と重ならないよ
うにするには、低負荷時（噴射量少の時）よりも高い精
度でインターバルを制御する必要がある。

【００３４】さらに、前述のような理由から、スワール
比が小さい場合にはインターバルを長くする必要がある
ため、パイロット噴射の噴射時期がピストンの圧縮上死
点よりもかなり早くなる。この場合、ピストンはまだ下
方にあるため、パイロット噴射の噴霧は、例えばピスト
ンの頂面のような、燃焼室以外の部分に付着する場合が
ある。

【００３５】図６はインターバルの長さを変えた場合の
ＨＣの排出量の変化を調べた結果を示すものである。即
ち、高負荷時（ａ）には、筒内温度が高くなって燃料の
留出温度（約３００℃）を超えるため、燃料が気化しや
すくなること、および、インターバルが長いので主噴射
の燃焼までに時間的な余裕があるため、付着した燃料も
十分に気化してから燃焼する結果、ＨＣが低くなる。

【００３６】これに対して、低負荷時（ｂ）には、筒内
温度が低いために、燃焼室やピストンの壁面に付着した
燃料が十分に気化・燃焼しないので、その一部はそのま
まＨＣとして排出されてしまう。従って、この様な場合
にＮＯx やスモークなどよりもＨＣの排出レベルが問題
になるようであれば、パイロット噴射時期を遅らせるよ
うに制御する。つまり、低スワール比エンジンにおいて
は高負荷時にインターバルを長くしても何の問題も生じ
ないが、低負荷時には、ＨＣとＮＯx 、およびスモーク
のどちらを重視するかということによって、インターバ
ルの長さを決める必要がある。

【００３７】このように、エンジンやその運転条件に応
じてパイロットの噴射時期を変更するには、自由度の大
きな噴射制御装置が必要となる。図７はこのような要求
を満足する内燃機関の燃料噴射制御装置１の構成を例示
するもので、燃料蓄圧室２と、燃料蓄圧室２へ加圧され
た燃料を供給するためのポンプ３と、電子式制御装置
（ＥＣＵ）からなる制御手段４からの電気信号によって
燃料噴射（時期および期間）を自由に制御することがで
きる燃料噴射弁５を有する。燃料噴射弁５はディーゼル
エンジン６の各気筒毎に設けられている。なお、図７に
おいて、７は圧力センサ、８はクランク角センサ、９は
アクセル開度センサ、１０は吐出量を制御するための電
磁弁、１１は燃料供給ポンプ、１２は燃料タンク、１３
は噴射を制御する電磁弁をそれぞれ示している。

【００３８】図７に示す装置においては、燃料圧力と燃
料噴射とは個々に、かつ任意に制御可能であるため、所
望の噴射圧力においてパイロット噴射および主噴射の噴
射時期を自由に変更することができる。電子式制御装置
（ＥＣＵ）からなる制御手段４は、前述のようなさまざ
まな制御（例えば、エンジン負荷に応じた噴射時期制
御）を実行するばかりでなく、各種のセンサ類からの信
号を取り込んで、各デバイスへの指令を与えるような制
御を保有してもよい。

【００３９】しかし、本発明の主旨は、主噴霧とパイロ
ット噴射の火炎（燃焼ガス）が重ならないような時期に
パイロット噴射を行う制御にあるため、ハード面のシス
テム構成としては図７に示したような制御装置に限ら
ず、自由度の大きい噴射制御装置であれば適用可能であ
ることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】パイロット噴射の説明のためのモデル化した線
図である。

【図２】インターバルが短い場合の噴霧状態を示す模式
図で、（ａ）はスワール比が小さい場合を、（ｂ）はス
ワール比が大きい場合を示している。

【図３】インターバルが長い場合の噴霧状態を示す模式
図で、（ａ）はスワール比が小さい場合を、（ｂ）はス
ワール比が大きい場合を示している。

【図４】スワール比が小さい場合のエミッションを測定
した結果を示す線図である。

【図５】スワール比が大きい場合のエミッションを測定
した結果を示す線図である。

【図６】インターバルの長さの変化に対応する高負荷お
よび低負荷時のＨＣの排出量の変化を示す図である。

【図７】本発明の燃料噴射制御装置の全体構成を例示す
るシステム構成図である。

【図８】本発明の特徴を示す噴霧状態の模式図である。

【符号の説明】

１…燃料噴射制御装置 ２…燃料蓄圧室 ４…制御手段（電子式制御装置） ５…燃料噴射弁 ６…ディーゼルエンジン ７…圧力センサ ８…クランク角センサ ９…アクセル開度センサ １３…噴射圧センサ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１つの主噴射と、それに先立
   って少なくとも１つのパイロット噴射を行うことが可能
   な燃料噴射装置のために設けられ、前記主噴射の燃料噴
   霧が、燃焼室内に残存している前記パイロット噴射の火
   炎もしくは燃焼ガスと重ならないように、前記パイロッ
   ト噴射の噴射時期を制御する制御手段を備えていること
   を特徴とする燃料噴射制御装置。
2. 【請求項２】 前記主噴射による燃料噴霧が少なくとも
   二つ形成される場合に、前記パイロット噴射による火炎
   もしくは燃焼ガスが予めそれら二つの主噴射の燃料噴霧
   の略中間に形成されるように、前記制御手段が前記パイ
   ロット噴射の制御を行うことを特徴とする請求項１に記
   載の燃料噴射制御装置。
3. 【請求項３】 前記制御手段が、機関の低負荷時には比
   較的遅い時期に前記パイロット噴射を行うように制御す
   ることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料噴射
   制御装置。
4. 【請求項４】 前記制御手段が、燃料噴射弁の噴孔数、
   即ち噴霧の数が多い場合に、それが少ないものよりも前
   記パイロット噴射と前記主噴射とのインターバルが短く
   なるように、前記パイロット噴射の噴射時期を制御する
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の
   燃料噴射制御装置。
5. 【請求項５】 前記制御手段が、少なくともスワール比
   の関数として前記パイロット噴射と前記主噴射とのイン
   ターバルを決定することを特徴とする請求項１ないし４
   のいずれかに記載の燃料噴射制御装置。
6. 【請求項６】 少なくとも燃料蓄圧室と、該燃料蓄圧室
   に燃料を供給するためのポンプと、電気信号により燃料
   噴射の時期および期間を自由に変更することができる燃
   料噴射弁と、前記燃料噴射弁の燃料噴射の時期および期
   間を制御することができる制御手段とを備えていること
   を特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料
   噴射制御装置。