JPWO2015181881A1 - ディーゼルエンジンの制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

直接噴射式ディーゼルエンジン（１）は、多段噴射が可能な燃料噴射ノズル（７）を備え、中高負荷域では、ススの低減のために、メイン噴射の直後にアフター噴射を行う。セタン価が低い燃料の場合、アフター噴射によってススの悪化が生じることがあるので、メイン燃焼の着火遅れ期間を求め（ステップ２）、着火遅れ期間が閾値以上である場合（ステップ３）は、アフター噴射を禁止する（ステップ４）。

Description

この発明は、多段噴射が可能な燃料噴射ノズルを備え、メイン噴射の直後にアフター噴射を行う直接噴射式ディーゼルエンジンの制御装置および制御方法に関する。

直接噴射式ディーゼルエンジンで問題となるススの発生を抑制するために、メイン噴射の直後に比較的短時間のアフター噴射を行い、メイン噴射の燃焼に伴って発生したススをアフター噴射による燃料とともに燃焼させる技術が、特許文献１，２等に記載されている。

このようなアフター噴射の技術においては、メイン噴射の終了からアフター噴射の開始までのインターバルとしてある最適値が存在し、図５の特性ａに示すように、横軸に示すインターバルを徐々に大きくしていくと、適当なインターバルでもってアフター噴射を行うことで、ススの低減が見られる。なお、横軸の左端は、インターバルが０のとき、つまりアフター噴射を行わない場合（換言すればメイン噴射とアフター噴射とに分割しない場合）を示す。

しかしながら、燃料のセタン価が低い場合には、特性ｂに示すように、インターバルを適当に与えたときにススが低減する傾向は見られるものの、アフター噴射を行わない場合に比べて、ススの排出レベルがむしろ高くなってしまうことがある。

これは、本発明者らの研究によれば、燃料のセタン価が低いことでメイン燃焼（メイン噴射による燃焼）の着火遅れが増大し、予混合燃焼割合が増大することに起因すると考えられる。

すなわち、第１の要因として、予混合燃焼割合の増大に伴って着火後のキャビティ内のガス流動が増大し、キャビティから上方へ流れ出ようとするガスの上昇速度が増大する。そのため、アフター噴射の軽量な噴霧がガスの上昇流に流されてシリンダヘッド下方の空間（シリンダヘッドとピストン冠面との間の隙間空間）に持ち出される。この空間は、膨張行程中の低温雰囲気場であるため、アフター噴射の燃料やメイン燃焼によるススの酸化速度が低下する。

図６は、アフター噴射による噴霧が予混合燃焼割合の大小により影響される様子を示したもので、燃焼室内のガス流動を微小な矢印でもって示している。図の（ａ）は、比較的セタン価の高い燃料を用いた場合のアフター噴射直後の状態を示しており、アフター噴射の噴霧Ｆがキャビティ内へ向かって進行し、かつキャビティの底部では、着火燃焼に伴ってキャビティ内から外周側へ向かって逆スキッシュ流Ｒが発生する。（ｂ）は、（ａ）の状態から僅かにピストンが下降した段階の様子を示しており、噴霧Ｆが逆スキッシュ流Ｒに衝突するものの、逆スキッシュ流がそれほど強くないため、上方への持ち出しは少ない（楕円Ｍで囲って示す領域を参照）。

これに対し、図の（ｃ），（ｄ）は、燃料のセタン価が低い場合のそれぞれ（ａ），（ｂ）と同じクランク角における様子を示している。図（ｃ）に示すように、セタン価が低いと着火遅れに伴い予混合燃焼割合が増大するため、逆スキッシュ流Ｒが強く発生する。この結果、図（ｄ）に示すように、アフター噴射の軽量な噴霧Ｆが上方へ持ち出される（楕円Ｍで囲って示す領域を参照）。なお、図（ｂ），（ｄ）で泡状に示されているものが、個々に分散した噴霧である。

また、第２の要因としては、メイン燃焼の着火遅れにより、メイン燃焼中の低酸素場の中へアフター噴射がなされることになり、酸素の欠乏によってススが増大する、ということが挙げられる。

特開２００５−２３３１６３号公報 特開２０００−２２７０６１号公報

本発明は、上記のような燃料のセタン価が低いときのアフター噴射によるススの悪化を回避することを目的としている。

本発明のディーゼルエンジンの制御装置は、
多段噴射が可能な燃料噴射ノズルを備え、メイン噴射の直後にアフター噴射を行う直接噴射式ディーゼルエンジンにおいて、
上記メイン噴射による燃焼における予混合燃焼割合が大きいときに、上記アフター噴射を禁止するものである。

燃料のセタン価が低いときには、着火遅れが増大し、予混合燃焼割合が増大する。このような場合に、アフター噴射を禁止することで、ススの悪化が回避される。

一実施例のディーゼルエンジンの構成説明図。 分割噴射の一例を示す説明図。 制御の一例を示すフローチャート。 制御の異なる例を示すフローチャート。 アフター噴射のインターバルとススとの関係を示した特性図。 予混合燃焼割合の大小による噴霧への影響を示す説明図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る直噴式ディーゼルエンジン１をその吸排気系とともに示した構成説明図であって、シリンダブロック２に形成されたシリンダ３に、ピストン４が摺動可能に嵌合しており、かつシリンダブロック２の上面に固定されたシリンダヘッド５がシリンダ３の上端開口を覆っている。

上記ピストン４の頂面には、リエントラント型のキャビティ６が凹設されている。このキャビティ６は、ピストン４と同心状に形成されており、比較的大きな開口径を有している。また上記シリンダヘッド５側には、上記キャビティ６の中心に対応するシリンダ３中心位置に、多噴孔の燃料噴射ノズル７が配置されている。この実施例では、上記燃料噴射ノズル７はシリンダ３の中心軸線に沿って、つまり垂直に配置されている。

上記シリンダヘッド５には、一対の吸気弁８および一対の排気弁９が配置されており、それぞれ吸気ポート１０および排気ポート１１の先端開口部を開閉している。これらの吸気弁８および排気弁９は、各々のバルブステムがシリンダ３の中心軸線と平行となった垂直姿勢に配置されている。またシリンダヘッド５には、燃料噴射ノズル７に隣接してグロープラグ１２が配設されている。

各気筒の燃料噴射ノズル７は、模式的に示すコモンレール１３にそれぞれ接続されており、エンジンコントロールユニット１６からの駆動信号により燃料噴射ノズル７のニードル（図示せず）がリフトすると、高圧燃料ポンプ１４によりコモンレール１３内に供給された高圧の燃料が噴射される構成となっている。コモンレール１３内の燃料圧力は、調圧弁１５を介して、エンジンコントロールユニット１６により運転条件に応じた所定の圧力に調圧される。ここで、上記燃料噴射ノズル７は、ピエゾ素子等を用いた高応答性のものであり、負荷に応じて求められる総燃料噴射量を多段に分割して噴射することができる構成となっている。

この実施例のディーゼルエンジン１は、ターボ過給機１８を備えており、該ターボ過給機１８のタービン１９が排気通路２１の通路中に配置され、コンプレッサ２０が吸気通路２２の通路中に配置されている。排気通路２１のタービン１９よりも下流側には、プリ触媒コンバータ２３およびメイン触媒コンバータ２４が直列に配置されている。吸気通路２２のコンプレッサ２０よりも上流側には、エアフロメータ２５およびエアクリーナ２６が設けられており、コンプレッサ２０よりも下流側となるコレクタ部２８との間にはインタークーラ２７が配設されている。さらに、排気還流装置として、排気通路２１のタービン１９よりも上流側の位置と吸気コレクタ部２８とを連通する排気還流通路２９と、排気還流率を機関運転条件に応じた所定の排気還流率に制御するために設けられた排気還流制御弁３０と、を備えている。

上記エンジンコントロールユニット１６には、上記のエアフロメータ２５のほか、エンジン回転速度Ｎｅを検出する回転速度センサ３１、コモンレール１３内のレール圧Ｐrailを検出するレール圧センサ３２、吸気温度Ｔinを検出する吸気温度センサ３３、過給圧Boostを検出する過給圧センサ３４、大気温度Ｔatmを検出する大気温度センサ３５、大気圧Ｐatmを検出する大気圧センサ３６、水温Ｔｗを検出する水温センサ３７、筒内圧Ｐcylを検出する筒内圧センサ３８、等のセンサ類からの検出信号が入力されている。

上記のような構成において、燃料噴射ノズル７から噴射すべき総噴射量Qは、ディーゼルエンジン１の負荷ないし目標トルクに応じて決定される。また、コモンレール１３内の燃料圧力の目標値つまり目標レール圧ｔＰrailは、この総噴射量Ｑと回転速度Ｎｅと水温Ｔｗと大気圧Ｐatmと大気温度Ｔatmとに基づいて決定される。具体的には、総噴射量Ｑと回転速度Ｎｅとをパラメータとしたマップが、各水温毎、各大気圧毎、各大気温度毎、に予め設けられており、このマップを検索することで、そのときの運転条件に応じた目標レール圧ｔＰrailが決定される。

そして、燃料噴射ノズル７から噴射される燃料は、運転条件に応じて、多段に分割して噴射される。例えば、図２に示すように、上死点ＴＤＣを挟んで行われるメイン噴射のほかに、パイロット噴射と、プリ噴射と、アフター噴射と、に分割して噴射される。アフター噴射は、主にメイン噴射による燃焼で生じたススを低減するためのものであり、低負荷域ならびに全開時を除く中高負荷域では、基本的にアフター噴射が行われる。

メイン噴射の噴射量およびメイン噴射の噴射時期は、上記の目標レール圧ｔＰrailと同様に、総噴射量Ｑと回転速度Ｎｅとをパラメータとしたマップを、水温Ｔｗ、大気圧Ｐatm、大気温度Ｔatmに応じて複数設け、対応する値を検索することによって決定される。メイン噴射の終了からアフター噴射の開始までのインターバルInt（図２参照）も、同様に、総噴射量Ｑと回転速度Ｎｅと水温Ｔｗと大気圧Ｐatmと大気温度Ｔatmとに基づいて決定される。

運転条件に応じた最適なインターバルでアフター噴射を行うことにより、メイン噴射により生じたススがアフター噴射の燃料とともに燃焼し、従って、中高負荷域におけるススの低減が図れる。

しかしながら、前述したように、セタン価の低い燃料を用いた場合に、メイン燃焼の着火遅れが増大し、予混合燃焼割合が増大する結果、アフター噴射の実行に伴ってススが逆に悪化する可能性がある。そのため、本実施例では、予混合燃焼割合が大きいときには、アフター噴射を禁止する。

図３は、具体的な処理の一例を示すフローチャートであって、ステップ１では、ディーゼルエンジンの運転条件が定常状態であるか否かを判定する。定常状態でなければアフター噴射の適否の判断が困難であるので、ステップ２以降の処理は行わない。なお、アフター噴射自体は、所定の運転条件範囲内であれば過渡時にも行われる。

定常状態であればステップ２へ進み、メイン噴射によるメイン燃焼の着火遅れ期間を求める。これは、例えば、筒内圧センサ３８の検出信号に基づいて筒内の熱発生率を逐次求め、この熱発生率が所定の閾値を越えるまでの期間を着火遅れ期間として検出する。実際の燃焼状態を検出する筒内圧センサ３８を用いずに、他のパラメータから着火遅れ期間を算出するようにしてもよい。例えば、プリ噴射の噴射量、大気圧Ｐatm、過給圧Boost、吸気温度Ｔin、レール圧Ｐrail、メイン噴射の噴射時期、回転速度Ｎｅ、燃料のセタン価、などのパラメータから、着火遅れ期間を算出することが可能である。なお、燃料のセタン価は、運転中に適宜な方法で推定することが可能である。

次に、ステップ３で、上記の着火遅れ期間が所定の閾値以上であるか否かを判定する。この閾値は、総噴射量Ｑと回転速度Ｎｅとをパラメータとしたマップから求められる。

着火遅れ期間が閾値以上である場合には、ステップ４へ進み、アフター噴射を禁止する。前述したように燃料のセタン価が低く着火遅れの増大に伴って予混合燃焼割合が大きくなると、アフター噴射によって逆にススの悪化が見られる。従って、着火遅れ期間が閾値以上である場合には、アフター噴射の禁止により、ススの悪化を回避する。

着火遅れ期間が閾値未満であれば、アフター噴射が許可され、ステップ５へ進んで、メイン噴射の終了からアフター噴射の開始までのインターバルIntに対する必要な補正量を算出する。これは、例えば、回転速度Ｎｅ、総噴射量Ｑ、メイン噴射の噴射時期、過給圧Boost、レール圧Ｐrail、大気圧Ｐatm、等のパラメータに基づいて求めることができる。

そして、ステップ６において、最終的なインターバルIntとアフター噴射の噴射量とを決定する。

このように上記実施例では、燃料のセタン価が低いことにより着火遅れ期間が増大した場合にアフター噴射が禁止されるので、アフター噴射による不必要なススの悪化を回避することができる。

図４は、具体的な処理の他の例を示すフローチャートであって、ステップ１１では、前述のステップ１と同じく、ディーゼルエンジンの運転条件が定常状態であるか否かを判定する。

定常状態であればステップ１２へ進み、メイン噴射によるメイン燃焼の最大熱発生率を求める。これは、例えば、筒内圧センサ３８の検出信号に基づいて筒内の熱発生率を逐次求め、サイクル中の最大値を最大熱発生率として検出する。実際の燃焼状態を検出する筒内圧センサ３８を用いずに、他のパラメータから着火遅れ期間を算出するようにしてもよい。例えば、プリ噴射の噴射量、大気圧Ｐatm、過給圧Boost、吸気温度Ｔin、レール圧Ｐrail、メイン噴射の噴射時期、回転速度Ｎｅ、燃料のセタン価、メイン噴射量、などのパラメータから、着火遅れ期間を算出することが可能である。

次に、ステップ１３で、上記の最大熱発生率が所定の閾値以上であるか否かを判定する。この閾値は、総噴射量Ｑと回転速度Ｎｅとをパラメータとしたマップから求められる。

最大熱発生率が閾値以上である場合には、ステップ１４へ進み、アフター噴射を禁止する。前述したように燃料のセタン価が低く着火遅れの増大に伴って予混合燃焼割合が大きくなると、アフター噴射によって逆にススの悪化が見られる。この例では、予混合燃焼割合が大きい急激な燃焼であるか否かを、最大熱発生率に基づいて判別し、予混合燃焼割合の大きな急激な燃焼である場合には、アフター噴射の禁止により、ススの悪化を回避する。

最大熱発生率が閾値未満であれば、アフター噴射が許可され、ステップ１５へ進んで、メイン噴射の終了からアフター噴射の開始までのインターバルIntに対する必要な補正量を算出する。これは、例えば、回転速度Ｎｅ、総噴射量Ｑ、メイン噴射の噴射時期、過給圧Boost、レール圧Ｐrail、大気圧Ｐatm、等のパラメータに基づいて求めることができる。

そして、ステップ１６において、最終的なインターバルIntとアフター噴射の噴射量とを決定する。

このように上記実施例では、燃料のセタン価が低いことにより最大熱発生率が過大となった場合にアフター噴射が禁止されるので、アフター噴射による不必要なススの悪化を回避することができる。

Claims (5)

1. 多段噴射が可能な燃料噴射ノズルを備え、メイン噴射の直後にアフター噴射を行う直接噴射式ディーゼルエンジンにおいて、
   上記メイン噴射による燃焼における予混合燃焼割合が大きいときに、上記アフター噴射を禁止する、ディーゼルエンジンの制御装置。
2. 予混合燃焼割合を示すパラメータとしてメイン噴射の着火遅れ期間を検出し、この着火遅れ期間が閾値よりも大きいときに上記アフター噴射を禁止する、請求項１に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
3. 予混合燃焼割合を示すパラメータとしてメイン噴射による燃焼の最大熱発生率を求め、この最大熱発生率が閾値よりも大きいときに上記アフター噴射を禁止する、請求項１に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
4. 燃料のセタン価を用いて上記着火遅れ期間もしくは上記最大熱発生率の算出を行う、請求項２または３に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
5. 多段噴射が可能な燃料噴射ノズルを備え、メイン噴射の直後にアフター噴射を行う直接噴射式ディーゼルエンジンにおいて、
   上記メイン噴射による燃焼における予混合燃焼割合が大きいときに、上記アフター噴射を禁止する、ディーゼルエンジンの制御方法。

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