JP2011202629A - Method of determining center of gravity of combustion of internal combustion engine and combustion control device of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ディーゼルエンジンに代表される圧縮自着火式の内燃機関の燃焼行程における燃焼室内での燃焼重心判定方法に係る。また、その判定結果に基づいて燃焼室内での燃焼形態を制御する燃焼制御装置にも係る。尚、上記燃焼重心とは、燃焼室内に噴射された燃料(例えばメイン噴射で噴射された燃料)が燃焼室内で燃焼する際に、その全ての燃料の燃焼が完了する完全燃焼状態を燃焼度合い「100%」とした場合において、燃焼度合いが「50%」に達したときをいう。言い換えると、燃焼室内での熱発生量の累積が、噴射された燃料の全量が燃焼した場合の熱発生量に対して「50%」に達したときをいう。 The present invention relates to a method for determining a combustion center of gravity in a combustion chamber in a combustion stroke of a compression ignition type internal combustion engine represented by a diesel engine. The present invention also relates to a combustion control device that controls the combustion mode in the combustion chamber based on the determination result. The combustion center of gravity is defined as a complete combustion state in which combustion of all the fuel is completed when fuel injected into the combustion chamber (for example, fuel injected by main injection) is combusted in the combustion chamber. “100%” means that the degree of combustion has reached “50%”. In other words, the cumulative heat generation amount in the combustion chamber reaches “50%” with respect to the heat generation amount when the entire injected fuel burns.
ディーゼルエンジン等のように希薄燃焼を行うエンジンでは、高い空燃比(リーン雰囲気)の混合気を燃焼させる運転領域が全運転領域の大部分を占めているため、窒素酸化物(以下、NOxという)が比較的多く排出されることが懸念される。また、燃焼室内での燃焼時において、混合気の不完全燃焼が生じた場合、排気ガス中にスモークが発生し排気エミッションの悪化を招いてしまうことになる。 In an engine that performs lean combustion, such as a diesel engine, the operating region that burns a mixture with a high air-fuel ratio (lean atmosphere) occupies most of the entire operating region, so nitrogen oxide (hereinafter referred to as NOx) There is a concern that a relatively large amount will be discharged. In addition, when incomplete combustion of the air-fuel mixture occurs during combustion in the combustion chamber, smoke is generated in the exhaust gas, leading to deterioration of exhaust emission.
このため、従来より、NOxの発生量及びスモークの発生量を共に抑制し、排気エミッションの改善を図ることが求められている。尚、NOxの発生量を抑制するものとして、排気ガスの一部を吸気通路に還流させる排気還流(EGR:Exhaust Gas Recirculation)装置が知られている(例えば下記の特許文献1及び特許文献2を参照)。また、スモークの発生量を抑制するための対策としては、エンジンの圧縮行程で副噴射を実行し、この副噴射での燃焼を予混合燃焼とすることで燃焼場での酸素不足の解消を図ることが知られている(例えば下記の特許文献3を参照)。
For this reason, conventionally, it has been required to suppress both NOx generation and smoke generation to improve exhaust emission. An exhaust gas recirculation (EGR) device that recirculates part of exhaust gas to the intake passage is known as a means for suppressing the amount of NOx generated (for example,
これまで、NOxの発生量及びスモークの発生量を共に抑制することを目的として、燃焼室内での熱発生率(従来ではクランク軸の単位回転角度当たりの熱発生量)を制御することが提案されている。 Up to now, it has been proposed to control the heat generation rate in the combustion chamber (conventional heat generation amount per unit rotation angle of the crankshaft) for the purpose of suppressing both the NOx generation amount and the smoke generation amount. ing.
ところが、エンジンの運転状態において、実際に燃焼室内で行われている燃焼が上記意図する(NOxの発生量及びスモークの発生量を共に抑制するための)熱発生率(熱発生率波形:燃焼期間中における熱発生率の変化)で行われているか否かを検証することは難しい。実際に燃焼室内で行われている燃焼が適正な熱発生率とは異なる熱発生率で行われた場合には、NOxの発生量及びスモークの発生量を共に抑制するといった効果を得ることができなくなる。 However, in the operating state of the engine, the actual heat generation in the combustion chamber is intended as described above (to suppress both NOx generation amount and smoke generation amount) (heat generation rate waveform: combustion period) It is difficult to verify whether or not this is done by changing the heat generation rate in the interior. When the combustion actually performed in the combustion chamber is performed at a heat generation rate different from an appropriate heat generation rate, an effect of suppressing both the NOx generation amount and the smoke generation amount can be obtained. Disappear.
また、適正な熱発生率を得るための燃料噴射形態(燃料噴射開始タイミング等)や筒内環境(吸気バルブの閉弁時における(筒内が密閉された状態での)筒内の酸素濃度等)の調整は、予め作成された燃料噴射マップやEGRマップに従って行われるが、これらマップの作成に際しては、エンジン回転数やエンジンの要求トルク等といった運転状態毎(エンジン回転数と要求トルクとをパラメータとする運転状態マップの格子点毎)に燃料噴射形態やEGR量(排気還流量)の適合を行っていた。つまり、エンジン運転状態毎に、実験的に燃料噴射形態やEGR量の適合値を試行錯誤で個別に求めていき、これら多数のエンジン運転状態毎に対応した適合値をマップ化することで燃料噴射マップやEGRマップを作成していた。そして、この燃料噴射マップに従って、現在のエンジン運転状態に適した燃料噴射形態を設定してインジェクタの制御を行ったり、EGRマップに従って、現在のエンジン運転状態に適したEGR量を設定してEGRバルブの制御を行ったりしていた。 Also, fuel injection mode (fuel injection start timing, etc.) to obtain an appropriate heat generation rate, in-cylinder environment (in-cylinder oxygen concentration when the intake valve is closed) ) Is adjusted according to a fuel injection map or EGR map created in advance. When these maps are created, parameters for each operating state (engine speed and required torque, such as engine speed and engine required torque) are prepared. The fuel injection mode and the EGR amount (exhaust gas recirculation amount) are adapted to each grid point of the operation state map. In other words, for each engine operating state, experimental values of fuel injection form and EGR amount are obtained individually by trial and error, and fuel injection is performed by mapping the corresponding values corresponding to each of these many engine operating states. Created maps and EGR maps. Then, according to the fuel injection map, the fuel injection mode suitable for the current engine operating state is set to control the injector, or according to the EGR map, the EGR amount suitable for the current engine operating state is set to set the EGR valve. I was controlling.
このようにしてエンジンの複数の運転状態に対して実験的に適合値を個別に求めていたため、エンジン運転領域の全域に亘って適正な燃料噴射形態や筒内環境が設定されている保証がなかった。つまり、ある運転状態(上記適合値が求められていない過渡運転や環境変化)や燃料性状変化時(低セタン価燃料が給油された場合など)では、NOxの発生量及びスモークの発生量を共に抑制する熱発生率が得られないままエンジンの運転が継続されてしまう可能性があった。 In this way, since the optimum values are experimentally obtained individually for a plurality of operating states of the engine, there is no guarantee that an appropriate fuel injection form and in-cylinder environment are set over the entire engine operating region. It was. In other words, in certain operating conditions (transient operation or environmental changes for which the above-mentioned conformity values are not required) or fuel property changes (such as when low cetane number fuel is supplied), both the amount of NOx generated and the amount of smoke generated are There is a possibility that the operation of the engine may be continued without obtaining the heat generation rate to be suppressed.
また、試行錯誤で複数の運転状態に対する適合値を決定していたため、適合の複雑化を招き、種々のエンジンに共通した体系的な燃焼制御手法を構築することが不可能であった。 In addition, since the adaptation values for a plurality of operating states are determined by trial and error, the adaptation becomes complicated, and it is impossible to construct a systematic combustion control method common to various engines.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内燃機関の運転状態に応じた適切な熱発生率が得られているか否かを高い精度で判定できる判定方法、及び、その判定結果を利用して適切な熱発生率が得られるようにすることが可能な内燃機関の燃焼制御装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to determine with high accuracy whether or not an appropriate heat generation rate according to the operating state of the internal combustion engine is obtained. Another object of the present invention is to provide a combustion control device for an internal combustion engine capable of obtaining an appropriate heat generation rate using the determination result.
−課題の解決原理−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、燃焼室内での燃焼に伴う熱発生率を時間軸上で管理することにより、言い換えると、燃焼を時間の関数として扱うことにより、内燃機関の回転数に関わりなく、燃料噴射量に応じて一律に燃焼重心時刻が規定されるようにする。そして、この規定された燃焼重心時刻に基づいて、適正な熱発生率が得られているか否かを判定するようにしている。
-Principle of solving the problem-
The solution principle of the present invention taken to achieve the above object is to manage the heat generation rate accompanying combustion in the combustion chamber on the time axis, in other words, by treating combustion as a function of time. The combustion center-of-gravity time is uniformly defined according to the fuel injection amount regardless of the rotational speed of the internal combustion engine. Then, based on the defined combustion gravity center time, it is determined whether or not an appropriate heat generation rate is obtained.
−解決手段−
具体的に、本発明は、圧縮自着火式内燃機関の気筒内に向けて燃料噴射弁から噴射された燃料が燃焼する際の燃焼重心を判定する方法を対象とする。そして、上記燃料噴射弁から噴射される燃料の圧力を、内燃機関に要求される出力の大きさに応じて比例配分することにより設定したうえで、
下記の式(1)、
燃焼重心時刻=基準燃焼重心時刻×(燃料噴射量/基準燃料噴射量)1/2…(1)
(基準燃焼重心時刻:予め設定された基準燃料噴射量及び着火開始時刻を基点として与えられる燃焼重心の時刻、基準燃料噴射量:基準燃焼重心時刻を設定するために予め規定された基準となる燃料噴射量)
により燃焼重心時刻を求めるようにしている。
-Solution-
Specifically, the present invention is directed to a method of determining a combustion center of gravity when fuel injected from a fuel injection valve burns into a cylinder of a compression ignition type internal combustion engine. And after setting the pressure of the fuel injected from the fuel injection valve by proportionally distributing according to the magnitude of the output required for the internal combustion engine,
The following formula (1),
Combustion center of gravity time = reference combustion center of gravity time x (fuel injection amount / reference fuel injection amount) 1/2 (1)
(Reference combustion center-of-gravity time: time of combustion center of gravity given with reference fuel injection amount and ignition start time set in advance as reference points, reference fuel injection amount: fuel used as a reference specified in advance for setting reference combustion center-of-gravity time Injection amount)
Thus, the combustion center-of-gravity time is obtained.
そして、上記燃焼重心時刻を、それに対応するクランク軸回転角度としての燃焼重心角度に置き換える下記の式(2)
燃焼重心角度=基準燃焼重心角度×(燃料噴射量/基準燃料噴射量)1/2
×(内燃機関回転数/基準内燃機関回転数) …(2)
(基準燃焼重心角度:予め設定された基準燃料噴射量及び着火開始角度を基点として与えられる燃焼重心のクランク軸回転角度)
により燃焼重心角度を求め、この求められた燃焼重心角度と実際の燃焼重心角度との乖離量に基づき、この乖離量が所定量以上である場合には燃焼が適正に行われていないと判定する判定動作を行うようにしている。
Then, the combustion center-of-gravity time is replaced with a combustion center-of-gravity angle corresponding to the crankshaft rotation angle corresponding thereto (2)
Combustion center-of-gravity angle = reference combustion center-of-gravity angle x (fuel injection amount / reference fuel injection amount) 1/2
× (Internal combustion engine speed / reference internal combustion engine speed) (2)
(Reference combustion center-of-gravity angle: crankshaft rotation angle of combustion center of gravity given with reference fuel injection amount and ignition start angle set in advance)
The combustion center-of-gravity angle is obtained from the above, and based on the amount of deviation between the obtained combustion center-of-gravity angle and the actual combustion center-of-gravity angle, it is determined that combustion is not properly performed when the amount of deviation is a predetermined amount or more. Judgment operation is performed.
この特定事項により、燃料噴射弁から噴射された燃料が燃焼室内で燃焼する場合に、その熱発生率を「単位時間当たりの熱発生量」として扱うことになる。これにより、燃料噴射量毎に略近似した熱発生率波形が得られ、それぞれの燃焼重心が略一致することになる。この燃焼重心は、内燃機関の回転数が異なっても燃料噴射量が同一であれば略一致した時刻として得られる。このため、実際の燃焼重心の時刻が、燃料噴射量に応じた適正な燃焼重心(上記式(1)で得られている燃焼重心)の時刻に対して所定の乖離時間以上である場合(また、上記式(2)で得られている燃焼重心角度に対して所定の乖離角度以上である場合)には燃焼が適正に行われていないと判定することができる。つまり、上記式を利用することで内燃機関の運転領域の略全域に対して燃焼重心時刻を算出することが可能であり、その算出された燃焼重心時刻と実際の燃焼重心時刻とを対比することで、内燃機関の運転領域の略全域に対して適正な燃焼重心が得られているか、言い換えると適正な熱発生率で燃焼が行われているか否かを判定することが可能である。 With this specific matter, when the fuel injected from the fuel injection valve burns in the combustion chamber, the heat generation rate is treated as “a heat generation amount per unit time”. As a result, a heat release rate waveform that is approximately approximated for each fuel injection amount is obtained, and the respective combustion centroids substantially coincide. This combustion center of gravity is obtained as a substantially coincident time if the fuel injection amount is the same even if the rotational speed of the internal combustion engine is different. For this reason, when the time of the actual combustion center of gravity is equal to or longer than a predetermined deviation time with respect to the time of the appropriate combustion center of gravity (the combustion center of gravity obtained by the above equation (1)) according to the fuel injection amount (or It can be determined that combustion is not properly performed when the combustion centroid angle obtained by the above equation (2) is equal to or greater than a predetermined deviation angle. That is, by using the above formula, it is possible to calculate the combustion center-of-gravity time for substantially the entire operating range of the internal combustion engine, and to compare the calculated combustion center-of-gravity time with the actual combustion center-of-gravity time. Thus, it is possible to determine whether or not an appropriate combustion center of gravity is obtained over substantially the entire operation range of the internal combustion engine, in other words, whether or not combustion is being performed at an appropriate heat generation rate.
上記燃焼重心判定方法において、燃焼が適正に行われていないと判定された場合の燃焼制御を行う手段としては以下のものが挙げられる。つまり、上記内燃機関の燃焼重心判定方法によって、燃焼室内で行われている燃焼が適正に行われていないと判定された場合に、算出された燃焼重心時刻と実際の燃焼重心時刻との乖離時間を短縮するように燃焼室内での燃焼を制御する燃焼重心時刻変更手段を備えさせるものである。 In the combustion center-of-gravity determination method, examples of means for performing combustion control when it is determined that combustion is not properly performed include the following. That is, when it is determined that the combustion performed in the combustion chamber is not properly performed by the combustion center-of-gravity determination method of the internal combustion engine, the deviation time between the calculated combustion center-of-gravity time and the actual combustion center-of-gravity time Combustion center-of-gravity time changing means for controlling combustion in the combustion chamber so as to shorten the combustion time is provided.
この燃焼重心時刻変更手段による具体的な燃焼重心時刻の変更動作としては以下のものが挙げられる。先ず、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁からの燃料噴射時期の補正を行うものであって、算出された燃焼重心時刻に対する実際の燃焼重心時刻の遅れ時間が長いほど燃料噴射時期を進角側に補正する構成としたものである。 Specific operations for changing the combustion center-of-gravity time by the combustion center-of-gravity time changing means include the following. First, the fuel injection timing from the fuel injection valve that injects fuel into the combustion chamber is corrected. The longer the delay time of the actual combustion center-of-gravity time relative to the calculated combustion center-of-gravity time, the longer the fuel injection timing is advanced. The correction is made to the side.
また、燃焼室内の酸素濃度の補正を行うものであって、算出された燃焼重心時刻に対する実際の燃焼重心時刻の遅れ時間が長いほど燃焼室内の酸素濃度を高く設定する構成としたものである。 Further, the oxygen concentration in the combustion chamber is corrected, and the oxygen concentration in the combustion chamber is set higher as the delay time of the actual combustion gravity center time with respect to the calculated combustion gravity center time is longer.
これら特定事項により、燃焼重心時刻が適正時刻からずれた状態での運転が継続されてしまうといった状況を早期に解消することができ、適正な熱発生率での燃焼が可能になって、NOxの発生量及びスモークの発生量を共に抑制し、排気エミッションの改善を図ることができる。 With these specific matters, it is possible to quickly eliminate the situation in which the operation with the combustion center of gravity time deviating from the appropriate time is continued, and combustion at an appropriate heat generation rate becomes possible. Both the generation amount and the generation amount of smoke can be suppressed, and exhaust emission can be improved.
本発明では、燃焼室内での燃焼に伴う熱発生率を時間軸上で管理することにより、内燃機関の回転数に関わりなく、燃料噴射量に応じて一律に燃焼重心時刻が規定されるようにする。これにより、適正な熱発生率が得られているか否かを正確に判定することが可能になる。 In the present invention, the heat generation rate associated with the combustion in the combustion chamber is managed on the time axis so that the combustion center-of-gravity time is uniformly defined according to the fuel injection amount regardless of the rotational speed of the internal combustion engine. To do. This makes it possible to accurately determine whether or not an appropriate heat generation rate is obtained.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車に搭載されたコモンレール式筒内直噴型多気筒(例えば直列4気筒)ディーゼルエンジン(圧縮自着火式内燃機関)に本発明を適用した場合について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, a case where the present invention is applied to a common rail in-cylinder direct injection multi-cylinder (for example, in-line 4-cylinder) diesel engine (compression self-ignition internal combustion engine) mounted on an automobile will be described.
−エンジンの構成−
先ず、本実施形態に係るディーゼルエンジン(以下、単にエンジンという)の概略構成について説明する。図1は本実施形態に係るエンジン1及びその制御系統の概略構成図である。また、図2は、ディーゼルエンジンの燃焼室3及びその周辺部を示す断面図である。
-Engine configuration-
First, a schematic configuration of a diesel engine (hereinafter simply referred to as an engine) according to the present embodiment will be described. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an
図1に示すように、本実施形態に係るエンジン1は、燃料供給系2、燃焼室3、吸気系6、排気系7等を主要部とするディーゼルエンジンシステムとして構成されている。
As shown in FIG. 1, the
燃料供給系2は、サプライポンプ21、コモンレール22、インジェクタ(燃料噴射弁)23、遮断弁24、燃料添加弁26、機関燃料通路27、添加燃料通路28等を備えて構成されている。
The
上記サプライポンプ21は、燃料タンクから燃料を汲み上げ、この汲み上げた燃料を高圧にした後、機関燃料通路27を介してコモンレール22に供給する。コモンレール22は、サプライポンプ21から供給された高圧燃料を所定圧力に保持(蓄圧)する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各インジェクタ23に分配する。インジェクタ23は、その内部に圧電素子(ピエゾ素子)を備え、適宜開弁して燃焼室3内に燃料を噴射供給するピエゾインジェクタにより構成されている。このインジェクタ23からの燃料噴射制御の詳細については後述する。
The
また、上記サプライポンプ21は、燃料タンクから汲み上げた燃料の一部を、添加燃料通路28を介して燃料添加弁26に供給する。添加燃料通路28には、緊急時において添加燃料通路28を遮断して燃料添加を停止するための上記遮断弁24が備えられている。
The
また、上記燃料添加弁26は、後述するECU100による添加制御動作によって排気系7への燃料添加量が目標添加量(排気A/Fが目標A/Fとなるような添加量)となるように、また、燃料添加タイミングが所定タイミングとなるように開弁時期が制御される電子制御式の開閉弁により構成されている。つまり、この燃料添加弁26から所望の燃料が適宜のタイミングで排気系7(排気ポート71から排気マニホールド72)に噴射供給される構成となっている。
The
吸気系6は、シリンダヘッド15(図2参照)に形成された吸気ポート15aに接続される吸気マニホールド63を備え、この吸気マニホールド63に、吸気通路を構成する吸気管64が接続されている。また、この吸気通路には、上流側から順にエアクリーナ65、エアフローメータ43、スロットルバルブ(吸気絞り弁)62が配設されている。上記エアフローメータ43は、エアクリーナ65を介して吸気通路に流入される空気量に応じた電気信号を出力するようになっている。
The intake system 6 includes an
排気系7は、シリンダヘッド15に形成された排気ポート71に接続される排気マニホールド72を備え、この排気マニホールド72に対して、排気通路を構成する排気管73,74が接続されている。また、この排気通路には、NOx吸蔵触媒(NSR触媒:NOx Storage Reduction触媒)75及びDPNR触媒(Diesel Paticulate−NOx Reduction触媒)76を備えたマニバータ(排気浄化装置)77が配設されている。以下、これらNSR触媒75及びDPNR触媒76について説明する。
The exhaust system 7 includes an
NSR触媒75は、吸蔵還元型NOx触媒であって、例えばアルミナ(Al2O3)を担体とし、この担体上に例えばカリウム(K)、ナトリウム(Na)、リチウム(Li)、セシウム(Cs)のようなアルカリ金属、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca)のようなアルカリ土類、ランタン(La)、イットリウム(Y)のような希土類と、白金(Pt)のような貴金属とが担持された構成となっている。
The
このNSR触媒75は、排気中に多量の酸素が存在している状態においてはNOxを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低く、かつ還元成分(例えば燃料の未燃成分(HC))が多量に存在している状態においてはNOxをNO2若しくはNOに還元して放出する。NO2やNOとして放出されたNOxは、排気中のHCやCOと速やかに反応することによってさらに還元されてN2となる。また、HCやCOは、NO2やNOを還元することで、自身は酸化されてH2OやCO2となる。即ち、NSR触媒75に導入される排気中の酸素濃度やHC成分を適宜調整することにより、排気中のHC、CO、NOxを浄化することができるようになっている。本実施形態のものでは、この排気中の酸素濃度やHC成分の調整を上記燃料添加弁26からの燃料添加動作によって行うことが可能となっている。
The
一方、DPNR触媒76は、例えば多孔質セラミック構造体にNOx吸蔵還元型触媒を担持させたものであり、排気ガス中のPMは多孔質の壁を通過する際に捕集される。また、排気ガスの空燃比がリーンの場合、排気ガス中のNOxはNOx吸蔵還元型触媒に吸蔵され、空燃比がリッチになると、吸蔵したNOxは還元・放出される。さらに、DPNR触媒76には、捕集したPMを酸化・燃焼する触媒(例えば白金等の貴金属を主成分とする酸化触媒)が担持されている。
On the other hand, the
ここで、ディーゼルエンジンの燃焼室3及びその周辺部の構成について、図2を用いて説明する。この図2に示すように、エンジン本体の一部を構成するシリンダブロック11には、各気筒(4気筒)毎に円筒状のシリンダボア12が形成されており、各シリンダボア12の内部にはピストン13が上下方向に摺動可能に収容されている。
Here, the structure of the
ピストン13の頂面13aの上側には上記燃焼室3が形成されている。つまり、この燃焼室3は、シリンダブロック11の上部にガスケット14を介して取り付けられたシリンダヘッド15の下面と、シリンダボア12の内壁面と、ピストン13の頂面13aとにより区画形成されている。そして、ピストン13の頂面13aの略中央部には、キャビティ(凹陥部)13bが凹設されており、このキャビティ13bも燃焼室3の一部を構成している。
The
尚、このキャビティ13bの形状としては、その中央部分(シリンダ中心線P上)では凹陥寸法が小さく、外周側に向かうに従って凹陥寸法が大きくなっている。つまり、図2に示すようにピストン13が圧縮上死点付近にある際、このキャビティ13bによって形成される燃焼室3としては、中央部分では比較的容積の小さい狭小空間とされ、外周側に向かって次第に空間が拡大される(拡大空間とされる)構成となっている。
As for the shape of the
上記ピストン13は、コネクティングロッド18の小端部18aがピストンピン13cにより連結されており、このコネクティングロッド18の大端部はエンジン出力軸であるクランクシャフトに連結されている。これにより、シリンダボア12内でのピストン13の往復移動がコネクティングロッド18を介してクランクシャフトに伝達され、このクランクシャフトが回転することでエンジン出力が得られるようになっている。また、燃焼室3に向けてグロープラグ19が配設されている。このグロープラグ19は、エンジン1の始動直前に電流が流されることにより赤熱し、これに燃料噴霧の一部が吹きつけられることで着火・燃焼が促進される始動補助装置として機能する。
The
上記シリンダヘッド15には、燃焼室3へ空気を導入する吸気ポート15aと、燃焼室3から排気ガスを排出する上記排気ポート71とがそれぞれ形成されていると共に、吸気ポート15aを開閉する吸気バルブ16及び排気ポート71を開閉する排気バルブ17が配設されている。これら吸気バルブ16及び排気バルブ17はシリンダ中心線Pを挟んで対向配置されている。つまり、本エンジン1はクロスフロータイプとして構成されている。また、シリンダヘッド15には、燃焼室3の内部へ直接的に燃料を噴射する上記インジェクタ23が取り付けられている。このインジェクタ23は、シリンダ中心線Pに沿う起立姿勢で燃焼室3の略中央上部に配設されており、上記コモンレール22から導入される燃料を燃焼室3に向けて所定のタイミングで噴射するようになっている。
The
更に、図1に示す如く、このエンジン1には、過給機(ターボチャージャ)5が設けられている。このターボチャージャ5は、タービンシャフト51を介して連結されたタービンホイール52及びコンプレッサホイール53を備えている。コンプレッサホイール53は吸気管64の内部に臨んで配置され、タービンホイール52は排気管73の内部に臨んで配置されている。このためターボチャージャ5は、タービンホイール52が受ける排気流(排気圧)を利用してコンプレッサホイール53を回転させ、吸気圧を高めるといった所謂過給動作を行うようになっている。本実施形態におけるターボチャージャ5は、可変ノズル式ターボチャージャであって、タービンホイール52側に可変ノズルベーン機構(図示省略)が設けられており、この可変ノズルベーン機構の開度を調整することにより、エンジン1の過給圧を調整することができる。
Furthermore, as shown in FIG. 1, the
吸気系6の吸気管64には、ターボチャージャ5での過給によって昇温した吸入空気を強制冷却するためのインタークーラ61が設けられている。このインタークーラ61よりも更に下流側に設けられた上記スロットルバルブ62は、その開度を無段階に調整することができる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を絞り、この吸入空気の供給量を調整(低減)する機能を有している。
An
また、エンジン1には、吸気系6と排気系7とを接続する排気還流通路(EGR通路)8が設けられている。このEGR通路8は、排気の一部を適宜吸気系6に還流させて燃焼室3へ再度供給することにより燃焼温度を低下させ、これによってNOx発生量を低減させるものである。また、このEGR通路8には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気流量を自在に調整することができるEGRバルブ81と、EGR通路8を通過(還流)する排気を冷却するためのEGRクーラ82とが設けられている。これらEGR通路8、EGRバルブ81、EGRクーラ82等によってEGR装置(排気還流装置)が構成されている。
Further, the
−センサ類−
エンジン1の各部位には、各種センサが取り付けられており、それぞれの部位の環境条件や、エンジン1の運転状態に関する信号を出力する。
-Sensors-
Various sensors are attached to each part of the
例えば、上記エアフローメータ43は、吸気系6内のスロットルバルブ62の上流において吸入空気の流量(吸入空気量)に応じた検出信号を出力する。吸気温センサ49は、吸気マニホールド63に配置され、吸入空気の温度に応じた検出信号を出力する。吸気圧センサ48は、吸気マニホールド63に配置され、吸入空気圧力に応じた検出信号を出力する。A/F(空燃比)センサ44は、排気系7のマニバータ77の下流において排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。排気温センサ45は、同じく排気系7のマニバータ77の下流において排気ガスの温度(排気温度)に応じた検出信号を出力する。レール圧センサ41はコモンレール22内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。スロットル開度センサ42はスロットルバルブ62の開度を検出する。
For example, the
−ECU−
ECU100は、図3に示すように、CPU101、ROM102、RAM103及びバックアップRAM104などを備えている。ROM102は、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。CPU101は、ROM102に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。RAM103は、CPU101での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリである。バックアップRAM104は、例えばエンジン1の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。
-ECU-
As shown in FIG. 3, the
以上のCPU101、ROM102、RAM103及びバックアップRAM104は、バス107を介して互いに接続されるとともに、入力インターフェース105及び出力インターフェース106と接続されている。
The
入力インターフェース105には、上記レール圧センサ41、スロットル開度センサ42、エアフローメータ43、A/Fセンサ44、排気温センサ45、吸気圧センサ48、吸気温センサ49が接続されている。さらに、この入力インターフェース105には、エンジン1の冷却水温に応じた検出信号を出力する水温センサ46、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ47、及び、エンジン1の出力軸(クランクシャフト)が一定角度回転する毎に検出信号(パルス)を出力するクランクポジションセンサ40などが接続されている。一方、出力インターフェース106には、上記インジェクタ23、燃料添加弁26、スロットルバルブ62、及び、EGRバルブ81などが接続されている。
The
そして、ECU100は、上記した各種センサの出力に基づいて、エンジン1の各種制御を実行する。例えば、ECU100は、インジェクタ23の燃料噴射制御として、後述するパイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射(主噴射)、アフタ噴射、ポスト噴射を実行する。
The
−燃料噴射形態−
以下、本実施形態における上記パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射、ポスト噴射の各動作の概略について説明する。
-Fuel injection mode-
Hereinafter, an outline of each operation of the pilot injection, pre-injection, main injection, after-injection, and post-injection in the present embodiment will be described.
(パイロット噴射)
パイロット噴射は、インジェクタ23からのメイン噴射に先立ち、予め少量の燃料を噴射する噴射動作である。つまり、このパイロット噴射の実行後、燃料噴射を一旦中断し、メイン噴射が開始されるまでの間に圧縮ガス温度(気筒内温度)を十分に高めて燃料の自着火温度に到達させるようにし、これによってメイン噴射で噴射される燃料の着火性を良好に確保するようにしている。即ち、この実施形態におけるパイロット噴射の機能は、気筒内の予熱に特化したものとなっている。言い換えれば、この実施形態におけるパイロット噴射は、燃焼室3内でのガスの予熱を行うための噴射動作(予熱用燃料の供給動作)となっている。
(Pilot injection)
The pilot injection is an injection operation for injecting a small amount of fuel in advance prior to the main injection from the
具体的には、噴霧の分配や局所濃度の適正化を図るために、パイロット噴射の1回当たりの噴射量をインジェクタ23の最小限界噴射量(例えば1.5mm3)とし、噴射回数を設定することで必要な総パイロット噴射量を確保するようにしている。このようにして分割噴射されるパイロット噴射のインターバルは、インジェクタ23の応答性(開閉動作の速さ)によって決定される。このインターバルは、例えば200μsに設定される。また、パイロット噴射の噴射開始タイミングとしては、例えばクランク角度で、ピストン13の圧縮上死点前(BTDC)80°以降に設定される。尚、パイロット噴射の1回当たりの噴射量や、インターバル、噴射開始タイミングは、上記値に限定されるものではない。
Specifically, in order to optimize spray distribution and local concentration, the injection amount per pilot injection is set to the minimum limit injection amount (for example, 1.5 mm 3 ) of the
(プレ噴射)
プレ噴射は、インジェクタ23からのメイン噴射に先立ち、予め少量の燃料を噴射する噴射動作である。プレ噴射は、メイン噴射による燃料の着火遅れを抑制し、安定した拡散燃焼に導くための噴射動作であって、副噴射とも呼ばれる。また、本実施形態におけるプレ噴射は、上述したメイン噴射による初期燃焼速度を抑制する機能ばかりでなく、気筒内温度を高める予熱機能をも有するものとなっている。
(Pre-injection)
Pre-injection is an injection operation in which a small amount of fuel is injected in advance prior to main injection from the
具体的に、本実施形態では、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等の運転状態に応じて決定される要求トルクを得るための総燃料噴射量(プレ噴射での噴射量とメイン噴射での噴射量との和)に対して例えば10%としてプレ噴射量が設定される。この総燃料噴射量に対するプレ噴射量の比率は、気筒内を予熱する際に必要となる熱量等に応じて設定される。 Specifically, in the present embodiment, the total fuel injection amount (the injection amount in the pre-injection) for obtaining the required torque determined according to the operating state such as the engine speed, the accelerator operation amount, the cooling water temperature, the intake air temperature, etc. And the injection amount in the main injection), for example, the pre-injection amount is set as 10%. The ratio of the pre-injection amount to the total fuel injection amount is set according to the amount of heat required for preheating the inside of the cylinder.
上記総燃料噴射量が15mm3未満であった場合には、プレ噴射での噴射量が、インジェクタ23の最小限界噴射量(1.5mm3)未満となるため、プレ噴射は実行しないことになる。尚、この場合、インジェクタ23の最小限界噴射量(1.5mm3)だけプレ噴射での燃料噴射を行うようにしてもよい。一方、プレ噴射の噴射総量としてインジェクタ23の最小限界噴射量の2倍以上(例えば3mm3以上)が要求される場合には、複数回数のプレ噴射を実行することで、このプレ噴射で必要な総噴射量を確保するようにしている。これにより、プレ噴射の着火遅れを抑制し、メイン噴射による初期燃焼速度の抑制を確実に行って、安定した拡散燃焼に導くことができる。
When the total fuel injection amount is less than 15 mm 3 , the pre-injection is not executed because the injection amount in the pre-injection is less than the minimum limit injection amount (1.5 mm 3 ) of the
(逐次燃焼について)
以上のようにして本実施形態では、パイロット噴射及びプレ噴射によって気筒内の予熱が十分に行われる。この予熱により、後述するメイン噴射が開始された場合、このメイン噴射で噴射された燃料は、直ちに自着火温度以上の温度環境下に晒されて熱分解が進み、噴射後は直ちに燃焼が開始されることになる。
(Sequential combustion)
As described above, in the present embodiment, the cylinder is sufficiently preheated by the pilot injection and the pre-injection. When main injection, which will be described later, is started by this preheating, the fuel injected by the main injection is immediately exposed to a temperature environment equal to or higher than the self-ignition temperature, and thermal decomposition proceeds. After the injection, combustion starts immediately. Will be.
具体的に、ディーゼルエンジンにおける燃料の着火遅れとしては、物理的遅れと化学的遅れとがある。物理的遅れは、燃料液滴の蒸発・混合に要する時間であり、燃焼場のガス温度に左右される。一方、化学的遅れは、燃料蒸気の化学的結合・分解かつ酸化発熱に要する時間である。そして、上述した如く気筒内の予熱が十分になされている状況では上記物理的遅れを最小限に抑えることができ、その結果、着火遅れも最小限に抑えられることになる。 Specifically, the fuel ignition delay in a diesel engine includes a physical delay and a chemical delay. The physical delay is the time required for evaporation / mixing of the fuel droplets and depends on the gas temperature of the combustion field. On the other hand, the chemical delay is the time required for chemical bonding / decomposition of fuel vapor and oxidation heat generation. As described above, in the situation where the cylinder is sufficiently preheated, the physical delay can be minimized, and as a result, the ignition delay can be minimized.
従って、メイン噴射によって噴射された燃料の燃焼形態としては、予混合燃焼が殆ど行われないことになり、大部分が拡散燃焼となる。その結果、燃料噴射タイミングを制御することがそのまま燃焼タイミングを制御することに略等しくなり、燃焼の制御性を大幅に改善することができる。つまり、これまで、ディーゼルエンジンの燃焼は、その予混合燃焼がかなりの割合を占めていたが、本実施形態では、この予混合燃焼の割合を最小限に抑えることで、燃料噴射タイミング及び燃料噴射量を制御する(噴射率波形を制御する)ことによる熱発生率波形(着火時期及び熱発生量)の制御によって燃焼の制御性を大幅に改善することが可能になる。本実施形態では、この新たな方式の燃焼形態を「逐次燃焼(燃料が噴射されて直ちに開始される燃焼)」または「制御燃焼(燃料噴射タイミング及び燃料噴射量によって能動的に制御される燃焼)」と呼ぶこととする。 Therefore, as a combustion mode of the fuel injected by the main injection, premixed combustion is hardly performed, and most of it is diffusion combustion. As a result, controlling the fuel injection timing is substantially equivalent to controlling the combustion timing as it is, and the controllability of combustion can be greatly improved. That is, until now, the premixed combustion of the diesel engine has occupied a considerable proportion. In the present embodiment, the fuel injection timing and the fuel injection are reduced by minimizing the premixed combustion rate. Control of the heat generation rate waveform (ignition timing and heat generation amount) by controlling the amount (controlling the injection rate waveform) can greatly improve the controllability of combustion. In the present embodiment, this new type of combustion mode is referred to as “sequential combustion (combustion started immediately after fuel is injected)” or “controlled combustion (combustion actively controlled by fuel injection timing and fuel injection amount)”. ".
(メイン噴射)
メイン噴射は、エンジン1のトルク発生のための噴射動作(トルク発生用燃料の供給動作)である。本実施形態では、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等の運転状態に応じて決定される要求トルクを得るための上記総燃料噴射量から上記プレ噴射での噴射量を減算した噴射量として設定される。
(Main injection)
The main injection is an injection operation (torque generation fuel supply operation) for generating torque of the
ここで、上述したプレ噴射及びメイン噴射の制御プロセスについて簡単に説明する。 Here, the control process of the above-described pre-injection and main injection will be briefly described.
まず、エンジン1のトルク要求値に対して、上記プレ噴射での噴射量とメイン噴射での噴射量との和である総燃料噴射量が算出される。つまり、エンジン1に要求されるトルクを発生させるための量として総燃料噴射量が算出される。
First, a total fuel injection amount that is the sum of the injection amount in the pre-injection and the injection amount in the main injection is calculated with respect to the torque request value of the
上記エンジン1のトルク要求値は、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等の運転状態、補機類等の使用状況に応じて決定される。例えば、エンジン回転数(クランクポジションセンサ40の検出値に基づいて算出されるエンジン回転数)が高いほど、また、アクセル操作量(アクセル開度センサ47により検出されるアクセルペダルの踏み込み量)が大きいほど(アクセル開度が大きいほど)エンジン1のトルク要求値としては高く得られる。
The torque request value of the
このようにして総燃料噴射量が算出された後、この総燃料噴射量に対するプレ噴射での噴射量の比率(分割率)を設定する。つまり、プレ噴射量は、総燃料噴射量に対して上記分割率で分割された量として設定されることになる。この分割率(プレ噴射量)は、「メイン噴射による燃料の着火遅れの抑制」と「メイン噴射による燃焼の熱発生率のピーク値の抑制」とを両立する値として求められる。これらを抑制することで、高いエンジントルクを確保しながらも、燃焼音の低減やNOx発生量の低減を図ることが可能になる。尚、本実施形態では、上記分割率を10%としている。 After the total fuel injection amount is calculated in this way, the ratio (split rate) of the injection amount in the pre-injection with respect to the total fuel injection amount is set. That is, the pre-injection amount is set as an amount divided by the above-described division ratio with respect to the total fuel injection amount. This division ratio (pre-injection amount) is obtained as a value that achieves both “suppression of fuel ignition delay by main injection” and “suppression of the peak value of the heat generation rate of combustion by main injection”. By suppressing these, it is possible to reduce the combustion noise and the amount of NOx generated while securing a high engine torque. In the present embodiment, the division ratio is set to 10%.
(アフタ噴射)
アフタ噴射は、排気ガス温度を上昇させるための噴射動作である。具体的に、本実施形態では、このアフタ噴射により供給された燃料の燃焼エネルギがエンジンのトルクに変換されることなく、その大部分が排気の熱エネルギとして得られるタイミングでアフタ噴射を実行するようにしている。また、このアフタ噴射においても、上述したパイロット噴射の場合と同様に、最小噴射率(例えば1回当たりの噴射量1.5mm3)とし、複数回数のアフタ噴射を実行することで、このアフタ噴射で必要な総アフタ噴射量を確保するようにしている。
(After spray)
After injection is an injection operation for increasing the exhaust gas temperature. Specifically, in this embodiment, after-injection is performed at a timing at which most of the combustion energy of the fuel supplied by this after-injection is obtained as exhaust heat energy without being converted into engine torque. I have to. Also in this after injection, as in the case of the pilot injection described above, this after injection is performed by performing a plurality of after injections with a minimum injection rate (for example, an injection amount of 1.5 mm 3 per injection). Therefore, the necessary total after injection amount is secured.
(ポスト噴射)
ポスト噴射は、排気系7に燃料を直接的に導入して上記マニバータ77の昇温を図るための噴射動作である。例えば、DPNR触媒76に捕集されているPMの堆積量が所定量を超えた場合(例えばマニバータ77の前後の差圧を検出することにより検知)、ポスト噴射が実行されるようになっている。
(Post injection)
The post-injection is an injection operation for directly introducing fuel into the exhaust system 7 to increase the temperature of the
−燃料噴射圧−
上記メイン燃料噴射を実行する際の燃料噴射圧は、コモンレール22の内圧により決定される。このコモンレール内圧として、一般に、コモンレール22からインジェクタ23へ供給される燃料圧力の目標値、即ち目標レール圧は、エンジン負荷(機関負荷)が高くなるほど、及び、エンジン回転数(機関回転数)が高くなるほど高いものとされる。即ち、エンジン負荷が高い場合には燃焼室3内に吸入される空気量が多いため、インジェクタ23から燃焼室3内に向けて多量の燃料を噴射しなければならず、よってインジェクタ23からの噴射圧力を高いものとする必要がある。また、エンジン回転数が高い場合には噴射可能な期間が短いため、単位時間当たりに噴射される燃料量を多くしなければならず、よってインジェクタ23からの噴射圧力を高いものとする必要がある。このように、目標レール圧は一般にエンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて設定される。この燃料圧力の目標値を設定するための具体的な手法については後述する。
-Fuel injection pressure-
The fuel injection pressure for executing the main fuel injection is determined by the internal pressure of the
上記パイロット噴射やメイン噴射などの燃料噴射パラメータについて、その最適値はエンジン1や吸入空気等の温度条件によって異なるものとなる。
Regarding the fuel injection parameters such as the pilot injection and the main injection, the optimum values differ depending on the temperature conditions of the
例えば、上記ECU100は、コモンレール圧がエンジン運転状態に基づいて設定される目標レール圧と等しくなるように、即ち燃料噴射圧が目標噴射圧と一致するように、サプライポンプ21の燃料吐出量を調量する。また、ECU100はエンジン運転状態に基づいて燃料噴射量及び燃料噴射形態を決定する。具体的には、ECU100は、クランクポジションセンサ40の検出値に基づいてエンジン回転速度を算出するとともに、アクセル開度センサ47の検出値に基づいてアクセルペダルの踏み込み量(アクセル開度)を求め、このエンジン回転速度及びアクセル開度に基づいて総燃料噴射量(プレ噴射での噴射量とメイン噴射での噴射量との和)を決定する。
For example, the
−目標燃料圧力の設定−
次に、上記目標燃料圧力の設定手法及び燃圧設定マップについて説明する。先ず、本実施形態において目標燃料圧力を設定する際の技術的思想について説明する。
-Setting of target fuel pressure-
Next, a method for setting the target fuel pressure and a fuel pressure setting map will be described. First, a technical idea when setting the target fuel pressure in the present embodiment will be described.
ディーゼルエンジン1においては、NOx発生量を削減することによる排気エミッションの改善、燃焼行程時の燃焼音の低減、エンジントルクの十分な確保といった各要求を連立することが重要である。本発明の発明者は、これら要求を連立するための手法として、燃焼行程時における気筒内での熱発生率の変化状態(熱発生率波形で表される変化状態)を適切にコントロールすることが有効であることに着目し、この熱発生率の変化状態をコントロールするための手法として以下に述べるような目標燃料圧力の設定手法を見出した。尚、熱発生率の変化状態が適切にコントロールされているか否かの検証については、後述する「燃焼重心判定動作」によって行われる。
In the
図4の上段に示す波形のうちの実線は、横軸をクランク角度、縦軸を熱発生率とし、プレ噴射及びメイン噴射で噴射された燃料の燃焼に係る理想的な熱発生率波形を示している。図中のTDCはピストン13の圧縮上死点に対応したクランク角度位置を示している。また、図4の下段に示す波形は、インジェクタ23から噴射される燃料の噴射率(クランク軸の単位回転角度当たりの燃料噴射量)波形を示している。
The solid line of the waveforms shown in the upper part of FIG. 4 shows an ideal heat generation rate waveform related to combustion of fuel injected in pre-injection and main injection, with the horizontal axis representing the crank angle and the vertical axis representing the heat generation rate. ing. TDC in the figure indicates the crank angle position corresponding to the compression top dead center of the
上記熱発生率波形としては、例えば、ピストン13の圧縮上死点(TDC)からメイン噴射で噴射された燃料の燃焼が開始され、ピストン13の圧縮上死点後の所定ピストン位置(例えば、圧縮上死点後10度(ATDC10°)の時点)で熱発生率が極大値(ピーク値)に達し、更に、圧縮上死点後の所定ピストン位置(例えば、圧縮上死点後25度(ATDC25°)の時点)で上記メイン噴射において噴射された燃料の燃焼が終了するようになっている。このような熱発生率の変化状態で混合気の燃焼を行わせるようにすれば、例えば圧縮上死点後10度(ATDC10°)の時点で気筒内の混合気のうちの50%が燃焼を完了した状況となる。つまり、圧縮上死点後10度(ATDC10°)の時点が燃焼重心となって、膨張行程における総熱発生量の約50%がATDC10°までに発生し、高い熱効率でエンジン1を運転させることが可能となる。
As the heat generation rate waveform, for example, combustion of fuel injected by main injection from the compression top dead center (TDC) of the
また、この燃焼重心に到達した時点でのクランク角度と燃料噴射率波形との関係としては、インジェクタ23に対して燃料噴射停止信号を送信した時点から燃料噴射が完全に停止するまでの期間(図4における期間T1)に燃焼重心が位置することになる。
The relationship between the crank angle and the fuel injection rate waveform when the combustion center of gravity is reached is the period from when the fuel injection stop signal is transmitted to the
尚、上記プレ噴射で噴射された燃料の燃焼ではピストン13の圧縮上死点(TDC)において10[J/°CA]の熱発生率となっており、これにより、メイン噴射で噴射された燃料の安定した拡散燃焼が実現されることになる。この値は、これに限定されるものではなく。例えば、上記総燃料噴射量に応じて適宜設定される。また、図示していないが、プレ噴射に先立ってパイロット噴射も行われており、これにより気筒内温度を十分に高めて、メイン噴射で噴射される燃料の着火性を良好に確保している。
Note that the combustion of the fuel injected by the pre-injection has a heat generation rate of 10 [J / ° CA] at the compression top dead center (TDC) of the
以上のようにして本実施形態では、パイロット噴射及びプレ噴射によって気筒内の予熱が十分に行われる。この予熱により、メイン噴射が開始された場合、このメイン噴射で噴射された燃料は、直ちに自着火温度以上の温度環境下に晒されて熱分解が進み、噴射後は直ちに燃焼が開始されることになる。 As described above, in the present embodiment, the cylinder is sufficiently preheated by the pilot injection and the pre-injection. When the main injection is started by this preheating, the fuel injected by the main injection is immediately exposed to a temperature environment equal to or higher than the self-ignition temperature, and the thermal decomposition proceeds, and the combustion starts immediately after the injection. become.
また、図4に二点鎖線αで示す波形は、燃料噴射圧力が、適正値よりも高く設定された場合の熱発生率波形であり、燃焼速度及びピーク値が共に高くなりすぎており、燃焼音の増大やNOx発生量の増加が懸念される状態である。一方、図4に二点鎖線βで示す波形は、燃料噴射圧力が、適正値よりも低く設定された場合の熱発生率波形であり、燃焼速度が低く且つピークの現れるタイミングが大きく遅角側に移行していることで十分なエンジントルクが確保できないことが懸念される状態である。 Further, the waveform indicated by a two-dot chain line α in FIG. 4 is a heat generation rate waveform when the fuel injection pressure is set higher than the appropriate value, and both the combustion speed and the peak value are too high, and the combustion This is a state in which there is a concern about an increase in sound and an increase in the amount of NOx generated. On the other hand, the waveform indicated by the two-dot chain line β in FIG. 4 is a heat release rate waveform when the fuel injection pressure is set lower than the appropriate value, and the timing at which the combustion speed is low and the peak appears is greatly retarded. There is a concern that sufficient engine torque cannot be ensured by shifting to.
上述したように、本実施形態に係る目標燃料圧力の設定手法は、熱発生率の変化状態の適正化(熱発生率波形の適正化)を図ることで燃焼効率の向上を図るといった技術的思想に基づくものである。そして、それを実現するために後述するような目標燃料圧力の設定を行っている。 As described above, the target fuel pressure setting method according to the present embodiment is a technical idea that the combustion efficiency is improved by optimizing the change state of the heat generation rate (optimization of the heat generation rate waveform). It is based on. In order to realize this, the target fuel pressure is set as described later.
図5の実線は、本実施形態に係るエンジン1における要求出力(要求パワー)と、その要求出力に応じて設定される目標燃料圧力との関係を示している。このように、要求出力と目標燃料圧力とは比例関係にあり、要求出力に対して目標燃料圧力が一義的に決定されるようになっている。言い換えると、各要求出力に対して目標燃料圧力がそれぞれ予め割り付けられている。
The solid line in FIG. 5 indicates the relationship between the required output (required power) in the
以下、要求出力に対する目標燃料圧力の設定手法について図5を用いて具体的に説明する。 Hereinafter, a method for setting the target fuel pressure with respect to the required output will be specifically described with reference to FIG.
先ず、図5に破線で示す仮燃圧ラインを設定する。この仮燃圧ラインは、要求出力が「0」である場合には目標燃料圧力も「0」となるように設定され、この図5に示すグラフの原点を通り且つ所定の傾きを有する直線として与えられている。 First, a temporary fuel pressure line indicated by a broken line in FIG. 5 is set. This temporary fuel pressure line is set so that the target fuel pressure is also “0” when the required output is “0”, and is given as a straight line passing through the origin of the graph shown in FIG. 5 and having a predetermined inclination. It has been.
この仮燃圧ラインの傾きは、エンジン1の排気量等によって決定される。つまり、例えば排気量の大きなエンジン1ほど仮燃圧ラインの傾きとしては小さく設定される。この仮燃圧ライン上の目標燃料圧力は、要求出力に対して所定の比例定数(上記仮燃圧ラインの傾きに相当)をもって比例関係とされて求められることになる。つまり、要求出力に対して所定の比例定数が乗算されることで目標燃料圧力が求められ、この目標燃料圧力の集合が上記仮燃圧ラインとなっている。
The inclination of the temporary fuel pressure line is determined by the displacement of the
そして、この仮燃圧ライン上のパワー重心点(図5に示すものでは要求出力40kWの点)に対し、所定の圧力オフセット量だけ仮燃圧ラインを高燃料圧側(図5の上側)に平行移動させ、これにより、図中に実線で示す燃圧ラインを設定する。尚、上記パワー重心点としては上記の値に限定されるものではない。 Then, the temporary fuel pressure line is moved parallel to the high fuel pressure side (upper side in FIG. 5) by a predetermined pressure offset amount with respect to the power center of gravity point (the point of the required output of 40 kW in the case shown in FIG. 5) on the temporary fuel pressure line. Thus, a fuel pressure line indicated by a solid line in the figure is set. The power centroid point is not limited to the above value.
ここで、上記パワー重心点は、エンジン1の出力範囲のうち最も使用頻度の高い出力に相当する値として設定されている。
Here, the power center-of-gravity point is set as a value corresponding to the most frequently used output in the output range of the
更に、上記圧力オフセット量としては、インジェクタ23から噴射されたメイン噴射の燃料が、上記ピストン13の圧縮上死点(TDC)で燃焼を開始した場合に、圧縮上死点後の所定ピストン位置(圧縮上死点後10度(ATDC10°)の時点)で筒内の熱発生率が極大値(ピーク値)に達するように設定されたものである。つまり、上記パワー重心点において、図4に実線で示した理想的な熱発生率波形が得られるように上記圧力オフセット量は設定されている。尚、この圧力オフセット量はエンジン1の排気量や気筒数などに応じ、予め実験やシミュレーションによりエンジン1の種類毎に個別に設定されることになる。また、本実施形態に係るエンジン1の燃料供給系2にあっては、目標燃料圧力の上限値(上限レール圧)としては200MPaに設定されている。
Further, as the pressure offset amount, when the fuel of the main injection injected from the
図6は、目標燃料圧力を決定する際に参照される燃圧設定マップである。この燃圧設定マップは、図5に実線で示した燃圧ラインに従って作成されたものであって、例えば上記ROM102に記憶されている。また、この燃圧設定マップは、横軸がエンジン回転数であり、縦軸がエンジントルクとなっている。また、図6におけるTmaxは最大トルクラインを示している。
FIG. 6 is a fuel pressure setting map that is referred to when the target fuel pressure is determined. This fuel pressure setting map is created according to the fuel pressure line shown by the solid line in FIG. 5 and is stored in the
この燃圧設定マップの特徴として、図中にA〜Iで示す等燃料噴射圧力ライン(等燃料噴射圧力領域)は、アクセルペダルの踏み込み量などに基づいて求められるエンジン1に対する要求出力(要求パワー)の等パワーライン(等出力領域)に割り付けられている。つまり、この燃圧設定マップでは、等パワーラインと等燃料噴射圧力ラインとが略一致するように設定されている。
As a feature of this fuel pressure setting map, an equal fuel injection pressure line (equal fuel injection pressure region) indicated by A to I in the figure is a required output (required power) to the
具体的には、図6の曲線Aはエンジン要求出力が10kWのラインであり、これに燃料噴射圧力として66MPaのラインが割り付けられている。以下、同様に、曲線Bはエンジン要求出力が20kWのラインであり、これに燃料噴射圧力として83MPaのラインが割り付けられている。曲線Cはエンジン要求出力が30kWのラインであり、これに燃料噴射圧力として100MPaのラインが割り付けられている。曲線Dはエンジン要求出力が40kWのラインであり、これに燃料噴射圧力として116MPaのラインが割り付けられている。曲線Eはエンジン要求出力が50kWのラインであり、これに燃料噴射圧力として133MPaのラインが割り付けられている。曲線Fはエンジン要求出力が60kWのラインであり、これに燃料噴射圧力として150MPaのラインが割り付けられている。曲線Gはエンジン要求出力が70kWのラインであり、これに燃料噴射圧力として166MPaのラインが割り付けられている。曲線Hはエンジン要求出力が80kWのラインであり、これに燃料噴射圧力として183MPaのラインが割り付けられている。曲線Iはエンジン要求出力が90kWのラインであり、これに燃料噴射圧力として200MPaのラインが割り付けられている。これら各値は、これに限定されるものではなく、エンジン1の性能特性等に応じて適宜設定される。
Specifically, a curve A in FIG. 6 is a line having a required engine output of 10 kW, and a line of 66 MPa is allocated as the fuel injection pressure. Hereinafter, similarly, the curve B is a line with a required engine output of 20 kW, and a line with 83 MPa is allocated as the fuel injection pressure. A curve C is a line having a required engine output of 30 kW, and a line of 100 MPa is allocated to this as a fuel injection pressure. A curve D is a line having a required engine output of 40 kW, and a line of 116 MPa is allocated to the line as a fuel injection pressure. Curve E is a line with a required engine output of 50 kW, and a line with 133 MPa is allocated as the fuel injection pressure. A curve F is a line having a required engine output of 60 kW, and a line of 150 MPa is allocated as the fuel injection pressure. Curve G is a line with a required engine output of 70 kW, and a line of 166 MPa is allocated to this as the fuel injection pressure. A curve H is a line having an engine output demand of 80 kW, and a line of 183 MPa is allocated as the fuel injection pressure. Curve I is a line with a required engine output of 90 kW, and a line with 200 MPa is allocated as the fuel injection pressure. These values are not limited to this, and are set as appropriate according to the performance characteristics of the
また、上記各ラインA〜Iは、エンジン要求出力の変化量に対する燃料噴射圧力の変化量の割合が略均等に設定されている。 Further, in each of the lines A to I, the ratio of the change amount of the fuel injection pressure to the change amount of the engine required output is set to be approximately equal.
このようにして作成された燃圧設定マップに従い、エンジン1に対する要求出力に適した目標燃料圧力を設定し、サプライポンプ21の制御等を行うようになっている。
In accordance with the fuel pressure setting map created in this way, a target fuel pressure suitable for a required output to the
また、エンジン回転数とエンジントルクとが共に増加する場合(図6における矢印Iを参照)、及び、エンジン回転数が一定でエンジントルクが増加する場合(図6における矢印IIを参照)、並びに、エンジントルクが一定でエンジン回転数が増加する場合(図6における矢印IIIを参照)の何れにおいても燃料噴射圧力が高められる。これにより、エンジントルク(エンジン負荷)が高い場合における吸入空気量に適した燃料噴射量を確保し、また、エンジン回転数が高い場合における単位時間当たりの燃料噴射量を多くして短期間で必要燃料噴射量を確保することができる。 Also, when both the engine speed and the engine torque increase (see arrow I in FIG. 6), when the engine speed is constant and the engine torque increases (see arrow II in FIG. 6), and In any case where the engine torque is constant and the engine speed increases (see arrow III in FIG. 6), the fuel injection pressure is increased. This ensures a fuel injection amount suitable for the intake air amount when the engine torque (engine load) is high, and increases the fuel injection amount per unit time when the engine speed is high, which is required in a short period of time. A fuel injection amount can be secured.
一方、エンジン回転数及びエンジントルクが変化したとしても、その変化後のエンジン出力が変化していない場合(図6における矢印IVを参照)には、燃料噴射圧力を変化させないようにして、それまで設定されていた燃料噴射圧力の適正値を維持する。つまり、上記等燃料噴射圧力ライン(等パワーラインに一致している)に沿うようなエンジン運転状態の変化では燃料噴射圧力を変化させないようにし、上述した理想的な熱発生率波形での燃焼形態を継続させる。この場合、NOx発生量を削減することによる排気エミッションの改善、燃焼行程時の燃焼音の低減、エンジントルクの十分な確保といった各要求を継続的に連立させることができる。 On the other hand, even if the engine speed and the engine torque change, if the engine output after the change does not change (see arrow IV in FIG. 6), the fuel injection pressure is not changed so far. Maintain the appropriate value of the set fuel injection pressure. In other words, the fuel injection pressure is not changed when the engine operating state changes along the equal fuel injection pressure line (corresponding to the equal power line), and the combustion mode with the ideal heat release rate waveform described above is used. Continue. In this case, it is possible to continuously satisfy various requirements such as improvement of exhaust emission by reducing the amount of NOx generated, reduction of combustion noise during the combustion stroke, and sufficient securing of engine torque.
以上のように、本実施形態では、エンジン1に対する要求出力(要求パワー)と燃料噴射圧力(コモンレール圧)との間に一義的な相関を持たせ、また、エンジン回転数及びエンジントルクの少なくとも一方が変化することでエンジン出力が変化する状況では、それに応じた適正な燃料圧力での燃料噴射が行えるようにし、逆に、エンジン回転数やエンジントルクが変化してもエンジン出力が変化しない状況では、燃料圧力をそれまで設定されていた適正値から変化させないようにしている。これによって、エンジン運転領域の略全域に亘って熱発生率変化状態を理想状態に近付けることが可能になる。
As described above, in the present embodiment, there is a unique correlation between the required output (required power) for the
−燃焼重心判定−
次に、本発明の特徴である燃焼重心の判定動作について説明する。この燃焼重心の判定は、上記メイン噴射で噴射された燃料が燃焼(大部分が拡散燃焼)する場合に、その燃焼重心が適正なタイミング(例えば、圧縮上死点後10度(ATDC10°)の時点)にあるか否かを判定するための動作である。つまり、燃焼重心が適正なタイミングにあれば、燃焼室3内での燃焼が良好に行われており、NOx発生量及びスモーク発生量を削減することによる排気エミッションの改善、燃焼音の低減、エンジントルクの十分な確保といった各要求を連立することができていると判定される。一方、燃焼重心が適正なタイミングになければ、上記各要求を連立できていないとして、燃焼重心を適正なタイミングに移行させるための燃焼制御が行われることになる。以下、具体的に説明する。
-Combustion center of gravity judgment-
Next, the operation for determining the combustion center of gravity, which is a feature of the present invention, will be described. This combustion center of gravity is determined when the fuel injected in the main injection burns (mostly diffusion combustion), and the combustion center of gravity is at an appropriate timing (for example, 10 degrees after compression top dead center (ATDC 10 °)). This is an operation for determining whether or not it is at the time. That is, if the combustion center of gravity is at an appropriate timing, the combustion in the
(燃焼重心判定動作)
先ず、燃焼重心が適正なタイミングにあるか否かを判定するための燃焼重心判定動作について説明する。
(Combustion center of gravity judgment operation)
First, the combustion gravity center determination operation for determining whether or not the combustion gravity center is at an appropriate timing will be described.
この燃焼重心判定の基本的な技術的思想は、先ず、上述した如く、各要求出力に対して目標燃料圧力(目標コモンレール内圧)をそれぞれ割り付けた状態(比例配分した状態)としておく。この状態で、上記メイン噴射で噴射された燃料が燃焼室3内で燃焼する場合に、その熱発生率を「単位時間当たりの熱発生量」として扱う。つまり、上記図4で示した熱発生率波形の横軸をクランク角度から時間に置き換える。これにより、燃料噴射量毎に略近似した熱発生率波形が得られ、それぞれの燃焼重心(燃焼室3内での熱発生量の累積が、メイン噴射で噴射された燃料の全量が燃焼した場合の熱発生量に対して「50%」に達した時点)が略一致することになる。
The basic technical idea of determining the combustion center of gravity is, as described above, first, a state in which the target fuel pressure (target common rail internal pressure) is assigned to each required output (a state of proportional distribution). In this state, when the fuel injected by the main injection burns in the
図7(a)〜(d)は、複数の燃料噴射量それぞれにおいてエンジン回転数が異なる場合の熱発生率の変化を示す波形図である。例えば、図7(a)はメイン噴射での燃料噴射量が10mm3の場合、図7(b)はメイン噴射での燃料噴射量が30mm3の場合、図7(c)はメイン噴射での燃料噴射量が50mm3の場合、図7(d)はメイン噴射での燃料噴射量が70mm3の場合のそれぞれについての熱発生率波形である。各図共に上段が横軸をクランク角度としたもの、つまり、クランク軸の単位回転角度当たりの熱発生量を熱発生率としたものであり、下段が横軸を時間としたもの、つまり、単位時間当たりの熱発生量を熱発生率としたものである。また、各図の実線はエンジン回転数が2000rpmの場合、破線はエンジン回転数が3600rpmの場合、一点鎖線はエンジン回転数が4800rpmの場合をそれぞれ示している。 7A to 7D are waveform diagrams showing changes in the heat generation rate when the engine speed is different for each of a plurality of fuel injection amounts. For example, FIG. 7A shows the case where the fuel injection amount in the main injection is 10 mm 3 , FIG. 7B shows the case where the fuel injection amount in the main injection is 30 mm 3 , and FIG. When the fuel injection amount is 50 mm 3 , FIG. 7D is a heat release rate waveform for each of the cases where the fuel injection amount in the main injection is 70 mm 3 . In each figure, the upper row is the one with the horizontal axis as the crank angle, that is, the heat generation rate per unit rotation angle of the crankshaft is the heat generation rate, and the lower row is the one with the horizontal axis as the time, that is, the unit The amount of heat generated per hour is the heat generation rate. In each figure, the solid line indicates the case where the engine speed is 2000 rpm, the broken line indicates the case where the engine speed is 3600 rpm, and the alternate long and short dash line indicates the case where the engine speed is 4800 rpm.
このように、クランク軸の単位回転角度当たりの熱発生量を熱発生率とした場合、エンジン回転数が異なれば燃焼重心角度も異なっている。具体的には、エンジン回転数が高くなる程、燃焼重心角度は遅角側に移行することになる。これに対し、単位時間当たりの熱発生量を熱発生率とした場合には、エンジン回転数が異なっても熱発生率波形は略近似したものとなり、燃焼重心角度が略一致することになる。 As described above, when the heat generation rate per unit rotation angle of the crankshaft is defined as the heat generation rate, the combustion center-of-gravity angle varies with the engine speed. Specifically, as the engine speed increases, the combustion gravity center angle shifts to the retard side. On the other hand, when the heat generation rate per unit time is defined as the heat generation rate, the heat generation rate waveform is approximately approximated even if the engine speed is different, and the combustion gravity center angle is approximately the same.
図8は、各燃料噴射量毎における熱発生率(単位時間当たりの熱発生量)の変化及び燃料噴射率(単位時間当たりの燃料噴射量)の変化をそれぞれ示す波形図である。この図8における実線は燃料噴射量が70mm3の場合、破線は燃料噴射量が50mm3の場合、一点鎖線は燃料噴射量が30mm3の場合、二点鎖線は燃料噴射量が10mm3の場合をそれぞれ示している。そして、エンジン回転数が異なっても、熱発生率波形としては、各燃料噴射量毎に、この図8に示すそれぞれの波形に近似したものとなる。つまり、燃料噴射量毎に一つの熱発生率波形を描くことができ、これはエンジン回転数が変化しても燃焼重心時刻(TDCからの経過時間)が変化することがないことを意味している。具体的に、図8では、時刻t1が燃料噴射量10mm3の場合の燃焼重心であり、時刻t2が燃料噴射量30mm3の場合の燃焼重心であり、時刻t3が燃料噴射量50mm3の場合の燃焼重心であり、時刻t4が燃料噴射量70mm3の場合の燃焼重心である。 FIG. 8 is a waveform diagram showing changes in the heat generation rate (heat generation amount per unit time) and changes in the fuel injection rate (fuel injection amount per unit time) for each fuel injection amount. The solid line in FIG. 8 indicates the case where the fuel injection amount is 70 mm 3 , the broken line indicates the case where the fuel injection amount is 50 mm 3 , the one-dot chain line indicates the case where the fuel injection amount is 30 mm 3 , and the two-dot chain line indicates the case where the fuel injection amount is 10 mm 3 Respectively. Even if the engine speed is different, the heat generation rate waveform approximates each waveform shown in FIG. 8 for each fuel injection amount. In other words, one heat release rate waveform can be drawn for each fuel injection amount, which means that the combustion gravity center time (elapsed time from TDC) does not change even if the engine speed changes. Yes. Specifically, in FIG. 8, the time t1 is the combustion center of gravity when the fuel injection amount is 10 mm 3 , the time t2 is the combustion center of gravity when the fuel injection amount is 30 mm 3 , and the time t3 is the fuel injection amount 50 mm 3 . The combustion center of gravity when the fuel injection amount is 70 mm 3 at time t4.
このようにして得られた燃料噴射量毎の燃焼重心(時間軸上において燃焼重心となった時刻)に対し、実際にその燃料噴射量で燃焼が行われた場合における燃焼重心(時間軸上において燃焼重心となった時刻)が略一致しているか否かを判定することによって、燃焼重心が適正な位置にあるか、言い換えると熱発生率が適正に得られているか否かを判定するようにしている。以上が、燃焼重心判定の基本的な技術的思想である。 The combustion center of gravity (on the time axis) when the combustion is actually performed with respect to the combustion center of gravity (time at which the combustion center of gravity on the time axis) is obtained for each fuel injection amount thus obtained. It is determined whether or not the combustion center of gravity is at an appropriate position, in other words, whether or not the heat generation rate is properly obtained. ing. The above is the basic technical idea of determining the combustion center of gravity.
次に、この燃焼重心判定手法について具体的に説明する。 Next, this combustion center-of-gravity determination method will be specifically described.
上記燃焼重心時刻は以下の式(1)によって算出される。 The combustion barycenter time is calculated by the following equation (1).
燃焼重心時刻=基準燃焼重心時刻×(燃料噴射量/基準燃料噴射量)1/2…(1)
ここで、「基準燃焼重心時刻」は、予め設定された基準燃料噴射量で与えられる燃焼重心の時刻である。また、「基準燃料噴射量」は、「基準燃焼重心時刻」を設定するために予め規定された基準となる燃料噴射量である。これら「基準燃焼重心時刻」及び「基準燃料噴射量」は、予め実験やシミュレーションにより求められている。例えば、エンジン回転数が2000rpmであった場合に、「基準燃料噴射量」を30mm3に設定し、その場合の「基準燃焼重心時刻」としてTDCから700μsec経過時刻が得られた場合には、これら「基準燃料噴射量」及び「基準燃焼重心時刻」の値が上記式(1)における「基準燃料噴射量」及び「基準燃焼重心時刻」として与えられる。これらの値はこれに限定されるものではなく、任意に設定可能である。
Combustion center of gravity time = reference combustion center of gravity time x (fuel injection amount / reference fuel injection amount) 1/2 (1)
Here, the “reference combustion gravity center time” is the time of the combustion gravity center given by a preset reference fuel injection amount. Further, the “reference fuel injection amount” is a fuel injection amount that is a reference that is defined in advance in order to set the “reference combustion gravity center time”. These “reference combustion center of gravity time” and “reference fuel injection amount” are obtained in advance by experiments and simulations. For example, when the engine speed is 2000 rpm, the “reference fuel injection amount” is set to 30 mm 3 , and when the “reference combustion gravity center time” in this case is 700 μsec elapsed time from TDC, these The values of “reference fuel injection amount” and “reference combustion centroid time” are given as “reference fuel injection amount” and “reference combustion centroid time” in the above equation (1). These values are not limited to this, and can be arbitrarily set.
また、上記「燃料噴射量」はインジェクタ23から実際に噴射される燃料噴射量に相当するものであり、上記要求出力(要求パワー)等に応じて設定される目標燃料噴射量である。また、コモンレール22とインジェクタ23とを接続する配管の途中に流量センサを設けておき、その流量センサによって検出される燃料流量に基づいて「燃料噴射量」を求めるようにしてもよい。
The “fuel injection amount” corresponds to the fuel injection amount actually injected from the
そして、燃焼重心が適正な位置にあるか否かを判定する際の実際の動作としては、以下の式(2)によって燃焼重心角度を算出し、この算出された燃焼重心角度と、実際に検出された燃焼重心角度とを比較することになる。これは、燃焼重心が適正か否かを判定する場合、実測しやすいクランク軸回転角度に対して、計算上の理想的なクランク軸回転角度上の燃焼重心を対比するようにすることで、判定動作の簡略化を図るためである。つまり、上記燃焼重心時刻は、回転数比の乗算によって燃焼重心角度に置き換えられることを利用し、以下の式(2)によって燃焼重心角度を算出するようにしたものである。即ち、以下の式(2)は上記式(1)と同義の計算式である。 Then, as an actual operation for determining whether or not the combustion center of gravity is at an appropriate position, the combustion center of gravity angle is calculated by the following equation (2), and the calculated combustion center of gravity angle is actually detected. The combustion center-of-gravity angle is compared. This is done by determining whether the combustion center of gravity is appropriate or not by comparing the combustion center of gravity on the ideal crankshaft rotation angle in the calculation with the crankshaft rotation angle that is easy to measure. This is to simplify the operation. That is, the combustion centroid time is calculated by the following equation (2) using the fact that the combustion centroid time is replaced with the combustion centroid angle by multiplication of the rotation speed ratio. That is, the following formula (2) is a calculation formula having the same meaning as the above formula (1).
燃焼重心角度=基準燃焼重心角度×(燃料噴射量/基準燃料噴射量)1/2
×(エンジン回転数/基準エンジン回転数) …(2)
ここで、「基準燃焼重心角度」は、予め設定された基準燃料噴射量で与えられる燃焼重心でのクランク回転角度である。また、「基準燃料噴射量」は、「基準燃焼重心角度」を設定するために予め規定された基準となる燃料噴射量である。尚、この式(2)は、メイン噴射で噴射された燃料の燃焼が行われている期間(メイン燃焼期間)において、クランクシャフトが1°回転する毎に要する時間が一定であると仮定した場合の近似式である。
Combustion center-of-gravity angle = reference combustion center-of-gravity angle x (fuel injection amount / reference fuel injection amount) 1/2
X (engine speed / reference engine speed) (2)
Here, the “reference combustion gravity center angle” is a crank rotation angle at the combustion center of gravity given by a preset reference fuel injection amount. In addition, the “reference fuel injection amount” is a fuel injection amount that is a reference that is defined in advance in order to set the “reference combustion gravity center angle”. This equation (2) assumes that the time required for each rotation of the crankshaft by 1 ° is constant during the period in which the fuel injected by the main injection is burned (main combustion period). Is an approximate expression.
これら「基準燃焼重心角度」及び「基準燃料噴射量」は、予め実験やシミュレーションにより求められている。例えば、エンジン回転数が2000rpmであった場合に、「基準燃料噴射量」を30mm3に設定し、その場合の「基準燃焼重心角度」としてATDC10°CAが得られた場合には、これら「基準燃料噴射量」及び「基準燃焼重心角度」の値が上記式(2)における「基準燃料噴射量」及び「基準燃焼重心角度」として与えられる。これらの値はこれに限定されるものではなく、任意に設定可能である。 These “reference combustion center-of-gravity angle” and “reference fuel injection amount” are obtained in advance by experiments and simulations. For example, when the engine speed is 2000 rpm, the “reference fuel injection amount” is set to 30 mm 3 , and when the “reference combustion gravity center angle” in that case is ATDC 10 ° CA, these “reference fuel injection amounts” are set. The values of “fuel injection amount” and “reference combustion gravity center angle” are given as “reference fuel injection amount” and “reference combustion gravity center angle” in the above equation (2). These values are not limited to this, and can be arbitrarily set.
また、この場合にも、上記「燃料噴射量」はインジェクタ23から実際に噴射される燃料噴射量に相当するものであり、上記要求出力(要求パワー)等に応じて設定される目標燃料噴射量である。また、コモンレール22とインジェクタ23とを接続する配管の途中に流量センサを設けておき、その流量センサによって検出される燃料流量に基づいて「燃料噴射量」を求めるようにしてもよい。
Also in this case, the “fuel injection amount” corresponds to the fuel injection amount actually injected from the
この式(2)によって燃焼重心角度を算出し、この算出された燃焼重心角度と、実際に検出(実測)された燃焼重心角度とを比較することにより、燃焼重心が適正な位置にあるか否かを判定する。実際には、上記式(2)によって算出された燃焼重心角度のデータが上記ROM102に格納されており、燃料噴射量に応じて特定の燃焼重心角度データがROM102から読み出され、その燃焼重心角度データと、実際に検出(実測)された燃焼重心角度とを比較することにより、燃焼重心が適正な位置にあるか否かを判定することになる。
Whether the combustion center of gravity is at an appropriate position is calculated by calculating the combustion center of gravity angle by this equation (2) and comparing the calculated combustion center of gravity angle with the actually detected (actually measured) combustion center of gravity angle. Determine whether. Actually, the data of the combustion gravity center angle calculated by the above equation (2) is stored in the
ここで、燃焼重心角度を実測するための手法としては、エンジン回転数の変化(上記クランクポジションセンサ40の検出値に基づいて算出されたエンジン回転速度の変化)に基づいて行われる。また、筒内圧センサを備えさせ、その筒内圧変化に基づいて燃焼重心角度を実測するようにしてもよい。更には、シリンダブロックに取り付けられたノッキングセンサからの信号(振動信号)に基づいて燃焼重心角度を実測するようにしてもよい。更には、これらの組み合わせによって燃焼重心角度を実測するようにしてもよい。 Here, as a method for actually measuring the combustion center-of-gravity angle, it is performed based on a change in engine speed (change in engine speed calculated based on the detected value of the crank position sensor 40). Further, an in-cylinder pressure sensor may be provided, and the combustion gravity center angle may be actually measured based on the in-cylinder pressure change. Furthermore, the combustion gravity center angle may be measured based on a signal (vibration signal) from a knocking sensor attached to the cylinder block. Further, the combustion center-of-gravity angle may be measured by a combination thereof.
そして、上記式(2)によって算出された燃焼重心角度に対して、実際に検出された燃焼重心角度が遅角側または進角側に所定量(例えばクランク角度で3°CA)以上乖離している場合には、燃焼重心がずれている、つまり、熱発生率が適正に得られていないと判定する。つまり、NOx発生量及びスモーク発生量を削減することによる排気エミッションの改善、燃焼音の低減、エンジントルクの十分な確保といった各要求を連立することができていないと判定する。このような判定が行われた場合には、以下の燃焼重心移動制御が実行される。以下、この燃焼重心移動制御について説明する。 Then, the combustion gravity center angle actually detected deviates from the combustion gravity center angle calculated by the above equation (2) by a predetermined amount (for example, 3 ° CA in crank angle) to the retard side or the advance side. If it is, it is determined that the combustion center of gravity is deviated, that is, the heat generation rate is not properly obtained. That is, it is determined that the requests such as improvement of exhaust emission by reducing the NOx generation amount and the smoke generation amount, the reduction of combustion noise, and sufficient securing of the engine torque cannot be achieved simultaneously. When such a determination is made, the following combustion gravity center movement control is executed. Hereinafter, this combustion center-of-gravity movement control will be described.
(燃焼重心移動制御)
燃焼重心移動制御(燃焼重心時刻変更手段による燃焼制御)は、上述した如く、上記式(2)によって算出された燃焼重心角度に対して、実際に検出された燃焼重心角度が遅角側または進角側に所定量以上乖離している場合に、燃焼重心がずれていると判定した際の制御である。つまり、熱発生率が適正に得られていないと判定した場合に、この熱発生率を適正に得る(燃焼重心角度を適正に得る)ための制御である。以下、具体的に説明する。
(Combustion center of gravity movement control)
As described above, the combustion center-of-gravity movement control (combustion control by the combustion center-of-gravity time changing means) is such that the actually detected combustion center-of-gravity angle is retarded or advanced with respect to the combustion center-of-gravity angle calculated by the above equation (2). This is control when it is determined that the combustion center of gravity is deviated when the angle is deviated by a predetermined amount or more on the corner side. That is, when it is determined that the heat generation rate is not properly obtained, this control is for obtaining the heat generation rate appropriately (appropriately obtaining the combustion center-of-gravity angle). This will be specifically described below.
この燃焼重心移動制御としては、具体的には、インジェクタ23から噴射される燃料の噴射時期の補正や、燃焼室3内の酸素濃度の補正を行うようにしている。
Specifically, as the combustion center-of-gravity movement control, correction of the injection timing of fuel injected from the
燃料噴射時期の補正としては、上記式(2)によって算出された燃焼重心角度に対して、実際に検出された燃焼重心角度が遅角側に所定量以上乖離している場合には、燃焼重心角度を進角側に移動させるように、燃料噴射時期を進角側に補正する。逆に、上記式(2)によって算出された燃焼重心角度に対して、実際に検出された燃焼重心角度が進角側に所定量以上乖離している場合には、燃焼重心角度を遅角側に移動させるように、燃料噴射時期を遅角側に補正する。これにより、燃焼重心角度を適正な位置にすることで、熱発生率の適正化が図れ、NOx発生量及びスモーク発生量を削減することによる排気エミッションの改善、燃焼音の低減、エンジントルクの十分な確保といった各要求を連立することが可能になる。 As the correction of the fuel injection timing, when the actually detected combustion center of gravity angle deviates more than a predetermined amount on the retard side from the combustion center of gravity angle calculated by the above equation (2), the combustion center of gravity is determined. The fuel injection timing is corrected to the advance side so that the angle is moved to the advance side. Conversely, when the combustion center of gravity angle actually detected deviates from the combustion center of gravity calculated by the above equation (2) by a predetermined amount or more to the advance side, the combustion center of gravity angle is set to the retard side. The fuel injection timing is corrected to the retarded angle side so as to move to. This makes it possible to optimize the heat generation rate by setting the combustion center-of-gravity angle to an appropriate position, improving exhaust emissions by reducing the amount of NOx generated and smoke generated, reducing combustion noise, and sufficient engine torque. It is possible to make simultaneous requests such as secure.
一方、燃焼室3内の酸素濃度の補正としては、上記式(2)によって算出された燃焼重心角度に対して、実際に検出された燃焼重心角度が遅角側に所定量以上乖離している場合には、燃焼重心角度を進角側に移動させるように、燃焼室3内の酸素濃度を高める動作を行う。具体的には、上記EGRバルブ81の開度を小さくするか、全閉にする。または、ターボチャージャ5の可変ノズルベーン機構に備えられているノズルベーンの開度を小さくし、エンジン1の過給圧を高くする。または、上記スロットルバルブ62の開度を大きくする。尚、これらEGRバルブ81の制御、ノズルベーンの制御、スロットルバルブ62の制御のうち一つのみを実行してもよいし、複数を同時に実行してもよい。
On the other hand, as the correction of the oxygen concentration in the
これらの動作により燃焼室3内の酸素濃度が高められ、燃焼速度が高くなることに伴って燃焼重心角度が進角側に移動して、燃焼重心角度を適正な位置にすることができる。その結果、熱発生率の適正化が図れ、NOx発生量及びスモーク発生量を削減することによる排気エミッションの改善、燃焼音の低減、エンジントルクの十分な確保といった各要求を連立することが可能になる。尚、上記式(2)によって算出された燃焼重心角度に対して、実際に検出された燃焼重心角度が進角側に所定量以上乖離している場合には、燃焼重心角度を遅角側に移動させるように、燃焼室3内の酸素濃度を低くする動作を行う。この動作は、上述した燃焼室3内の酸素濃度を高める動作とは逆の動作により行われる。
By these operations, the oxygen concentration in the
以上説明したように、本実施形態では、燃焼重心が適正タイミングからずれているか否かを判定し、その判定結果に従って燃焼重心移動制御を実行するようにしたことにより、燃焼室3内で行われる燃焼の燃焼重心時刻が適正時刻からずれた状態での運転が継続されてしまうといった状況を早期に解消することができる。その結果、適正な熱発生率での燃焼が可能になって、NOxの発生量及びスモークの発生量を共に抑制し、排気エミッションの改善を図ることができる。
As described above, in the present embodiment, it is determined in the
また、NOxの発生量を抑制するために燃料噴射タイミングが遅角側に制御されていたり、燃料性状(セタン価等)に応じて燃料噴射タイミングが進角側に制御されていたりした場合には、上記算出式によって求められた燃焼重心に対して、これら制御によって遅角側または進角側に変更された燃焼重心が適正な燃焼重心時刻であると補正した上で上述した燃焼重心判定動作及び燃焼重心移動制御が行われることになる。 In addition, when the fuel injection timing is controlled to the retard side in order to suppress the amount of NOx generated, or when the fuel injection timing is controlled to the advance side according to the fuel properties (cetane number, etc.) The combustion center of gravity determination operation described above is performed after correcting that the combustion center of gravity changed to the retard side or the advance side by these controls is an appropriate combustion center of gravity time with respect to the combustion center of gravity obtained by the above calculation formula. Combustion center-of-gravity movement control is performed.
−他の実施形態−
以上説明した実施形態は、コモンレール式筒内直噴型多気筒(4気筒)ディーゼルエンジンに本発明を適用した場合について説明した。本発明はこれに限らず、例えば6気筒ディーゼルエンジンなど他の任意の気筒数のディーゼルエンジンにも適用可能である。また、本発明が適用可能なエンジンは、自動車用のエンジンに限るものではない。
-Other embodiments-
In the embodiment described above, the case where the present invention is applied to a common rail in-cylinder direct injection multi-cylinder (four-cylinder) diesel engine has been described. The present invention is not limited to this, and can be applied to a diesel engine having any number of cylinders such as a six-cylinder diesel engine. The engine to which the present invention is applicable is not limited to an automobile engine.
また、上記実施形態では、通電期間においてのみ全開の開弁状態となることにより燃料噴射率を変更するピエゾインジェクタ23を適用したエンジン1について説明したが、本発明は、可変噴射率インジェクタを適用したエンジンへの適用も可能である。
Further, in the above-described embodiment, the
また、上記実施形態では、燃焼重心を時間軸上で管理することで、燃焼重心が適正な位置にあるか否かを判定するようにしていた。本発明はこれに限らず、上記燃圧設定マップの適正化を検証することに役立てることもできる。つまり、燃焼重心が適正な位置にない場合、その原因の一つとして燃料圧力が適正に得られていないことが挙げられる。このため、燃焼重心が適正な位置にない場合に、燃圧設定マップの適正化を図るべく、燃圧の設定値を変更するようにしてもよい。 Moreover, in the said embodiment, it was determined whether the combustion gravity center exists in an appropriate position by managing a combustion gravity center on a time-axis. The present invention is not limited to this, and can also be used to verify the optimization of the fuel pressure setting map. That is, when the combustion center of gravity is not at an appropriate position, one reason is that the fuel pressure is not properly obtained. For this reason, when the combustion center of gravity is not at an appropriate position, the set value of the fuel pressure may be changed in order to optimize the fuel pressure setting map.
本発明は、自動車に搭載されるコモンレール式筒内直噴型多気筒ディーゼルエンジンにおいて燃焼室内での燃焼が適正に行われているか否かの検証に利用することが可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used to verify whether or not combustion in a combustion chamber is properly performed in a common rail in-cylinder direct injection multi-cylinder diesel engine mounted on an automobile.
1 エンジン(内燃機関)
3 燃焼室
23 インジェクタ(燃料噴射弁)
5 ターボチャージャ
62 スロットルバルブ
81 EGRバルブ
1 engine (internal combustion engine)
3
Claims (5)
上記燃料噴射弁から噴射される燃料の圧力を、内燃機関に要求される出力の大きさに応じて比例配分することにより設定したうえで、
下記の式(1)、
燃焼重心時刻=基準燃焼重心時刻×(燃料噴射量/基準燃料噴射量)1/2…(1)
(基準燃焼重心時刻:予め設定された基準燃料噴射量及び着火開始時刻を基点として与えられる燃焼重心の時刻、基準燃料噴射量:基準燃焼重心時刻を設定するために予め規定された基準となる燃料噴射量)
により燃焼重心時刻を求めることを特徴とする内燃機関の燃焼重心判定方法。 A method for determining a combustion center of gravity when fuel injected from a fuel injection valve burns into a cylinder of a compression ignition type internal combustion engine,
After setting the pressure of the fuel injected from the fuel injection valve by proportionally distributing according to the magnitude of the output required for the internal combustion engine,
The following formula (1),
Combustion center of gravity time = reference combustion center of gravity time x (fuel injection amount / reference fuel injection amount) 1/2 (1)
(Reference combustion center-of-gravity time: time of combustion center of gravity given with reference fuel injection amount and ignition start time set in advance as reference points, reference fuel injection amount: fuel used as a reference specified in advance for setting reference combustion center-of-gravity time Injection amount)
A combustion center-of-gravity determination method for an internal combustion engine, characterized in that the combustion center-of-gravity time is obtained by:
上記燃焼重心時刻を、それに対応するクランク軸回転角度としての燃焼重心角度に置き換える下記の式(2)
燃焼重心角度=基準燃焼重心角度×(燃料噴射量/基準燃料噴射量)1/2
×(内燃機関回転数/基準内燃機関回転数) …(2)
(基準燃焼重心角度:予め設定された基準燃料噴射量及び着火開始角度を基点として与えられる燃焼重心のクランク軸回転角度)
により燃焼重心角度を求め、この求められた燃焼重心角度と実際の燃焼重心角度との乖離量に基づき、この乖離量が所定量以上である場合には燃焼が適正に行われていないと判定する判定動作を行うことを特徴とする内燃機関の燃焼重心判定方法。 In the internal combustion engine combustion center-of-gravity determination method according to claim 1,
The following equation (2) that replaces the combustion center-of-gravity time with the corresponding combustion center-of-gravity angle as the crankshaft rotation angle
Combustion center-of-gravity angle = reference combustion center-of-gravity angle x (fuel injection amount / reference fuel injection amount) 1/2
× (Internal combustion engine speed / reference internal combustion engine speed) (2)
(Reference combustion center-of-gravity angle: crankshaft rotation angle of combustion center of gravity given with reference fuel injection amount and ignition start angle set in advance)
The combustion center-of-gravity angle is obtained from the above, and based on the amount of deviation between the obtained combustion center-of-gravity angle and the actual combustion center-of-gravity angle, it is determined that combustion is not properly performed when the amount of deviation is a predetermined amount or more. A method for determining a combustion center of gravity of an internal combustion engine, wherein a determination operation is performed.
上記燃焼重心時刻変更手段は、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁からの燃料噴射時期の補正を行うものであって、算出された燃焼重心時刻に対する実際の燃焼重心時刻の遅れ時間が長いほど燃料噴射時期を進角側に補正するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 The combustion control apparatus for an internal combustion engine according to claim 3,
The combustion center-of-gravity time changing means corrects the fuel injection timing from the fuel injection valve that injects fuel into the combustion chamber, and the longer the delay time of the actual combustion center-of-gravity time relative to the calculated combustion center-of-gravity time, A combustion control apparatus for an internal combustion engine, characterized in that the fuel injection timing is corrected to an advance side.
上記燃焼重心時刻変更手段は、燃焼室内の酸素濃度の補正を行うものであって、算出された燃焼重心時刻に対する実際の燃焼重心時刻の遅れ時間が長いほど燃焼室内の酸素濃度を高く設定するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 The combustion control apparatus for an internal combustion engine according to claim 3,
The combustion center-of-gravity time changing means corrects the oxygen concentration in the combustion chamber, and the oxygen concentration in the combustion chamber is set higher as the delay time of the actual combustion center-of-gravity time with respect to the calculated combustion center-of-gravity time is longer. A combustion control apparatus for an internal combustion engine, characterized in that it is configured.
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