(57)【要約】      （修正有）【課題】シリンダの圧縮比、燃料噴射ノズルの噴孔径、スワール比を予混合圧縮着火燃焼に適した範囲に設定することにより、予混合圧縮着火燃焼の安定化により、排気ガスの状態の良好化と、燃費の改善と、エンジンの燃焼音の低減を図ることができ、予混合燃焼運転領域を拡大できるディーゼルエンジン及びディーゼルエンジンの制御方法を提供する。【解決手段】エンジンの運転領域を、エンジンのシリンダ内の燃焼で通常燃焼を行う通常燃焼運転領域Ｖ２と予混合圧縮着火燃焼を行う予混合燃焼運転領域Ｖ１とに区分して運転する制御を行う制御装置を備えたディーゼルエンジンにおいて、シリンダの圧縮比を１５．５〜１６．５とし、燃料噴射ノズルの噴孔径を０．０９０ｍｍφ〜０１２０ｍｍφとすると共に、スワール可変システムを備えて構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの運転領域を、エンジンのシリンダ内の燃焼で通常燃焼を行う通常燃焼運転領域と予混合圧縮着火燃焼を行う予混合燃焼運転領域とに区分して運転する制御を行う制御装置を備えたディーゼルエンジンにおいて、
シリンダの圧縮比を１５．５〜１６．５とし、燃料噴射ノズルの噴孔径を０．０９０ｍｍφ〜０．１２０ｍｍφとすると共に、スワール可変システムを備えたことを特徴とするディーゼルエンジン。
【請求項２】
前記制御装置が、前記予混合燃焼運転領域では、前記通常燃焼運転領域よりも、ＥＧＲ率を増加し、空気過剰率λを低くし、スワール比を高くし、燃料噴射圧を増加して、予混合圧縮着火燃焼を行う制御をすることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン。
【請求項３】
前記制御装置が、前記予混合燃焼運転領域では、メイン噴射時期を上死点前とし、このメイン噴射後の０．１ｍｓ〜０．５ｍｓの範囲内でアフター噴射する制御をすることを特徴とする請求項１又は２に記載のディーゼルエンジン。
【請求項４】
ピストン燃焼室口元径をボア比で０・５８〜０．６８とすることを特徴とする請求項１、２、又は３に記載のディーゼルエンジン。
【請求項５】
エンジンの運転領域を、エンジンのシリンダ内の燃焼で通常燃焼を行う通常燃焼運転領域と予混合圧縮着火燃焼を行う予混合燃焼運転領域とに区分して運転する制御を行う制御装置を備えると共に、シリンダの圧縮比を１５．５〜１６．５とし、燃料噴射ノズルの噴孔径を０．０９０ｍｍφ〜０．１２０ｍｍφとして、スワール可変システムを備えたディーゼルエンジンの制御方法において、
前記予混合燃焼運転領域では、前記通常燃焼運転領域よりも、ＥＧＲ率を増加し、空気過剰率λを低くし、スワール比を高くし、燃料噴射圧を増加して、予混合圧縮着火燃焼を行うことを特徴とするディーゼルエンジンの制御方法。
【請求項６】
前記予混合燃焼運転領域では、メイン噴射時期を上死点前とし、このメイン噴射後の０．１ｍｓ〜０．５ｍｓの範囲内でアフター噴射することを特徴とする請求項５に記載のディーゼルエンジンの制御方法。
【請求項７】
前記予混合燃焼運転領域であるか否かを、吸引空気量と、燃料流量と、メイン噴射時期と、エンジン水温と、エンジン回転速度とをそれぞれの予め設定した値と比較して判定することを特徴とする請求項５、又は６に記載のディーゼルエンジンの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの運転領域を、エンジンのシリンダ内の燃焼で通常燃焼を行う通常燃焼運転領域と予混合圧縮着火燃焼を行う予混合燃焼運転領域とに区分して運転する制御を行う制御装置を備えたディーゼルエンジン及びディーゼルエンジンの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ディーゼルエンジンにおいて、ＮＯｘとスモークの両方を同時に低減できる予混合圧縮着火燃焼の研究が活発に行われている。この予混合圧縮着火燃焼では、エンジンの軽・中負荷運転領域において、大量のＥＧＲでシリンダ内の酸素濃度を下げて、均一で希薄な低温の予混合気を生成している状態で安定した燃焼を得るために、通常燃焼に比べて、シリンダ内への燃料の噴射時期を進角させて早期噴射したり、あるいは、燃料の噴射時期を遅角させて遅延噴射したりしている。
【０００３】
しかしながら、予混合圧縮着火燃焼をさせるために早期噴射する場合には、通常燃焼の噴射時期との間に噴射のタイミングに差が生じるため、通常燃焼と予混合圧縮着火燃焼との間での切り替えを円滑に行うことが困難となる。また、エンジン負荷が増加すると過早着火が発生し易くなり、燃料の着火時期の制御が困難となるという問題がある。この着火の制御が難しくなるとシリンダ内に噴霧された燃料を確実に燃焼することが難しくなり、燃焼が不安定となり、ＨＣやＣＯの大気中への流出が生じ易くなる。
【０００４】
そのため、安定した燃焼を実現するためには、燃焼室における燃料の着火時期を検出する手段とこの検出した着火時期に応じた燃料噴射制御が必要となる。一般的にはこの着火時期検出手段の配置は燃焼室周辺の構造を複雑化し、また、コスト高となる。一方、予混合圧縮着火燃焼をさせるために遅延噴射する場合には、燃料の燃焼エネルギーの一部がエンジンの出力に変換されなくなるため、燃費が悪化するという問題がある。これらの問題等により、予混合圧縮着火燃焼を行うことができるエンジンの運転領域は低負荷領域に限定されている。
【０００５】
これに対して、予混合燃焼運転領域の拡大のために、高温排気供給路と低温排気供給路を備え、負荷が高いほど燃焼室に供給される排気の全体量を増加させると共に低温の排気の割合を増加させる予混合圧縮着火燃焼内燃機関の燃焼制御システムや、圧縮空気噴射弁を備え、気筒内の当量比が１以上となるように予混合気を形成した後、当量比が１以下になるように圧縮空気噴射弁から気筒内に圧縮空気を直接噴射供給する予混合圧縮着火燃焼内燃機関の燃焼制御システムが提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００６】
また、比較的低負荷側の領域における燃焼の安定性を向上させるために、予混合圧縮着火燃焼と通常燃焼とを切替え可能とし、予混合燃焼領域において、通常燃焼領域よりもＥＧＲガス量を増加するが、低ＥＧＲ領域ではＥＧＲガス量をこの低ＥＧＲ領域以外の領域に比べて減少し、吸気量低減領域では吸気量を減少する予混合圧縮着火内燃機関が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
しかしながら、上記の構成では、エンジンの構造が複雑化したり、予混合燃焼運転領域の拡大が不十分であったりするという問題がある。
【特許文献１】特開２００５−３６６５５公報
【特許文献２】特開２００５−３２５７４８公報
【特許文献３】特開２００８−１９０４３２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、エンジンの運転領域を、エンジンのシリンダ内の燃焼で通常燃焼を行う通常燃焼運転領域と予混合圧縮着火燃焼を行う予混合燃焼運転領域とに区分して運転する制御を行う制御装置を備えたディーゼルエンジンにおいて、シリンダの圧縮比、燃料噴射ノズルの噴孔径、スワール比を予混合圧縮着火燃焼に適した範囲に設定することにより、予混合圧縮着火燃焼の安定化により、排気ガスの状態の良好化と、燃費の改善と、エンジンの燃焼音の低減を図ることができ、予混合燃焼運転領域を拡大できるディーゼルエンジン及びディーゼルエンジンの制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するための本発明のディーゼルエンジンは、エンジンの運転領域を、エンジンのシリンダ内の燃焼で通常燃焼を行う通常燃焼運転領域と予混合圧縮着火燃焼を行う予混合燃焼運転領域とに区分して運転する制御を行う制御装置を備えたディーゼルエンジンにおいて、シリンダの圧縮比を１５．５〜１６．５とし、燃料噴射ノズルの噴孔径を０．０９０ｍｍφ〜０．１２０ｍｍφとすると共に、スワール可変システムを備えて構成する。
【００１０】
この構成により、予混合圧縮着火燃焼の安定化することができるので、排気ガスのエミッションや燃費や燃焼音を低減しながら、予混合燃焼運転領域を広げることができるようになる。また、着火時期検出手段が不要となる。
【００１１】
上記のディーゼルエンジンにおいて、前記制御装置が、前記予混合燃焼運転領域では、前記通常燃焼運転領域よりも、ＥＧＲ率を増加し、空気過剰率λを低くし、スワール比を高くし、燃料噴射圧を増加して、予混合圧縮着火燃焼を行う制御をするように構成する。言い換えれば、予混合燃焼運転領域では、通常燃焼運転領域よりも、吸入空気量を低減して空気過剰率λを予め設定した範囲とし、燃料噴射の間はスワール可変システム（ＶＳＳ）によりスワール比を高め、ＥＧＲ率を増加する制御を行う。また、燃料噴射圧力を高めて通常燃焼より高圧で噴射させる。この高圧噴射では、燃料噴射システムをコモンレール燃料噴射システムで形成することが好ましい。
【００１２】
この構成により、より安定した予混合圧縮着火燃焼を行うことができる。また、メイン噴射の噴射時期を、通常燃焼運転領域と同様の噴射時期で予混合圧縮着火燃焼をすることができるようになる。
【００１３】
上記のディーゼルエンジンにおいて、前記制御装置が、前記予混合燃焼運転領域では、メイン噴射時期を上死点前とし、このメイン噴射後の０．１ｍｓ〜０．５ｍｓの範囲内でアフター噴射する制御をするように構成する。なお、この安定した近接噴射、即ち、メイン噴射後からのインターバルを短縮した噴射を得るためには、燃料噴射システムを、ピエゾ方式のコモンレール燃料噴射システムとすることが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、予混合燃焼運転領域におけるメイン噴射時期が通常燃焼運転領域におけるメイン噴射時期と同じになるので、予混合燃焼運転領域と通常燃焼運転領域との間の切替えを円滑に行うことができるようになる。また、多量ＥＧＲ状態下では燃料噴射の後半において酸素が十分に供給され難くなる噴霧中心軸付近において、燃料噴射量をメイン噴射とアフター噴射とで分割し、アフター噴射を行うことで、空気を取り込み易くする。これにより、噴霧された燃料を燃焼し易くして、不完全燃焼に起因するスモークを低減することができる。
【００１５】
上記のディーゼルエンジンにおいて、ピストン燃焼室口元径をボア比で０・５８〜０．６８とすると、シリンダの圧縮比において容易に低圧縮比を得ることできるようになる。
【００１６】
そして、上記の目的を達成するための本発明のディーゼルエンジンの制御方法は、エンジンの運転領域を、エンジンのシリンダ内の燃焼で通常燃焼を行う通常燃焼運転領域と予混合圧縮着火燃焼を行う予混合燃焼運転領域とに区分して運転する制御を行う制御装置を備えると共に、シリンダの圧縮比を１５．５〜１６．５とし、燃料噴射ノズルの噴孔径を０．０９０ｍｍφ〜０．１２０ｍｍφとして、スワール可変システムを備えたディーゼルエンジンの制御方法において、前記予混合燃焼運転領域では、前記通常燃焼運転領域よりも、ＥＧＲ率を増加し、空気過剰率λを低くし、スワール比を高くし、燃料噴射圧を増加して、予混合圧縮着火燃焼を行うことを特徴とする制御方法である。
【００１７】
この制御方法により、予混合圧縮着火燃焼の安定化することができるので、排気ガスのエミッションや燃費や燃焼音を低減しながら、予混合燃焼運転領域を広げることができるようになる。また、着火時期検出手段が不要となる。更に、メインの噴射時期を、通常燃焼運転領域と同様の噴射時期で予混合圧縮着火燃焼をすることができるようになる。
【００１８】
上記のディーゼルエンジンの制御方法において、前記予混合燃焼運転領域では、メイン噴射時期を上死点前とし、このメイン噴射後の０．１ｍｓ〜０．５ｍｓの範囲内でアフター噴射すると、予混合燃焼運転領域におけるメイン噴射時期が通常燃焼運転領域におけるメイン噴射時期と同じになるので、予混合燃焼運転領域と通常燃焼運転領域との間の切替えを円滑に行うことができるようになる。また、スモークを低減することができる。
【００１９】
更に、上記のディーゼルエンジンの制御方法において、前記予混合燃焼運転領域であるか否かを、吸引空気量と、燃料流量と、メイン噴射時期と、エンジン水温と、エンジン回転速度とをそれぞれの予め設定した値と比較して判定すると、これにより、予混合圧縮着火燃焼に移行するタイミングを的確に判定することができるようになる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係るディーゼルエンジンによれば、エンジンの運転領域を、エンジンのシリンダ内の燃焼で通常燃焼を行う通常燃焼運転領域と予混合圧縮着火燃焼を行う予混合燃焼運転領域とに区分して運転する制御を行う制御装置を備えたディーゼルエンジンにおいて、シリンダの圧縮比、燃料噴射ノズルの噴孔径、スワール比を予混合圧縮着火燃焼に適した範囲に設定することにより、より広いエンジンの運転領域で予混合圧縮着火燃焼を安定化することができるようになり、排気ガスの状態の良好化と、燃費の改善と、エンジンの燃焼音の低減を図ることができる。従って、エンジンの運転領域における予混合燃焼運転領域を拡大できる。
【００２１】
更に、予混合燃焼運転領域で、通常燃焼運転領域よりも、空気過剰率λを低くし、スワール比を高くし、ＥＧＲ率を増加し、燃料噴射圧を増加して、予混合圧縮着火燃焼を行うことにより、メイン噴射の噴射時期を、通常燃焼運転領域と同様の噴射時期で予混合圧縮着火燃焼をすることができるようになる。従って、予混合燃焼運転領域と通常燃焼運転領域との間での円滑な切替えを行うことができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジン及びディーゼルエンジンの制御方法について、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジンでは、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる制御装置により、エンジンの運転領域を、エンジンのシリンダ内の燃焼で通常燃焼を行う通常燃焼運転領域と予混合圧縮着火燃焼を行う予混合燃焼運転領域とに区分して運転する制御を行う。この両運転領域の区分は、吸引空気量と、燃料流量と、メイン噴射時期と、エンジン水温と、エンジン回転速度とをそれぞれの予め設定した値と比較して判定する。これにより、予混合圧縮着火燃焼Ｖ１に移行するタイミングを的確に判定することができるようになる。
【００２４】
図１にこの両運転領域を模式的に示す。図１では、横軸をエンジン回転数で、縦軸を燃料流量（負荷）で、２次元的に、予混合燃焼運転領域Ｖ１と通常燃焼運転領域Ｖ２とを示してあるが、実際には、更に、吸引空気量とメイン噴射時期とエンジン水温も考慮して、エンジンの運転領域を通常燃焼運転領域と予混合燃焼運転領域のいずれかにあると判定する。ここでは、燃料流量（負荷）が比較的小さい軽・中負荷運転領域が、予混合燃焼運転領域Ｖ１となる。この予混合燃焼運転領域Ｖ１では、多量のＥＧＲで、低酸素状態で燃焼が行われる。
【００２５】
本発明においては、より広いエンジンの運転領域で予混合圧縮着火燃焼を安定して行えるようにして、予混合燃焼運転領域Ｖ１を広げるために、ディーゼルエンジンを、シリンダの圧縮比を１５．５〜１６．５とし、燃料噴射ノズルの噴孔径を０．０９０ｍｍφ〜０．１２０ｍｍφとする。また、それと共に、スワール可変システムを備えて構成する。また、このシリンダの低圧縮比に関しては、ピストン燃焼室口元径をボア比で０・５８〜０．６８とすると、容易に低圧縮比を得ることができるようになる。
【００２６】
シリンダの圧縮比を１５．５より小さくすると、低温始動性の悪化、ＨＣとＣＯの排出量の増加という問題があり、１６．５より大きくすると、圧縮機の温度が上昇し、予混合燃焼運転領域が狭くなり、また、部分負荷域におけるＮＯｘ−ＰＭのトレードオフが悪化するという問題がある。また、燃料噴射ノズルの噴孔径を、０．０９０ｍｍφより小さくすると目詰まりし易くなるというという問題があり、０．１２０ｍｍφより大きくすると、噴霧状況が悪くなる問題がある。また、ピストン燃焼室口元径をボア比で０・５８より小さくすると燃料噴霧が燃焼室の壁面に衝突し易くなるという問題と燃焼室が深くなり混合気の形成が悪化するという問題があり、０．６８より大きくすると、燃焼室口元の機械や、熱応力の合成応力が大きくなる等構造上の制約があるという問題がある。
【００２７】
このディーゼルエンジンにおいては、シリンダ内への燃料噴射制御で高圧噴射を行うために、燃料噴射システムをコモンレール燃料噴射システムで形成することが好ましく、更に、メイン噴射に近接したアフター噴射で、安定した近接噴射を得るためには、ピエゾ方式のコモンレール燃料噴射システムとすることが好ましい。
【００２８】
次に、上記の構成のディーゼルエンジンにおける制御方法について説明する。このエンジンの制御方法においては、吸引空気量が予め設定した空気量閾値以下で、燃料流量が予め設定した燃料流量閾値以下で、メイン噴射時期が予め設定した範囲内で、エンジン水温が予め設定したエンジン水温閾値以下で、エンジン回転速度が予め設定したエンジン回転速度閾値以下の場合に、エンジンの運転領域が予混合燃焼運転領域Ｖ１にあると判定する。
【００２９】
エンジンの運転領域が、予め設定した予混合燃焼運転領域Ｖ１あると判定されると、図２に示すように、この予混合燃焼運転領域Ｖ１では、通常燃焼運転領域Ｖ２よりも、空気過剰率λを低くし、スワール比を高くし、ＥＧＲ率を増加し、燃料噴射圧を増加して、予混合圧縮着火燃焼を行う制御する。つまり、予混合燃焼運転領域Ｖ１では、通常燃焼運転領域Ｖ２よりも、吸入空気量を低減して空気過剰率λを予め設定した範囲とし、燃料噴射の間はスワール可変システム（ＶＳＳ）によりスワール比を高め、ＥＧＲ率を増加する制御を行う。また、燃料噴射圧力を高めて通常燃焼より高圧で噴射させる。この高圧噴射により、燃料の噴射期間を短縮し、この噴射時間の短縮により、吸入空気と燃料の混合期間の長期化を行う。
【００３０】
より具体的には、２段過給システムのエンジンの例ではあるが、例えば、１５００ｒｐｍ／４０Ｎｍ条件下の予混合燃焼運転領域Ｖ１では、空気過剰率λを１．１０〜１．４５とし、スワール比を２．０〜２．７とし、ＥＧＲ率を５０％〜６０％とし、燃料噴射圧を５５ＭＰａ〜９０ＭＰａとして、予混合圧縮着火燃焼を行う制御をする。
【００３１】
空気過剰率λを１．４５より小さくすることにより、予混合圧縮着火燃焼に適した酸素濃度に低下させることができるが、１．１０よりも小さいと酸素不足になって燃焼が悪化する。スワール比を２．０より小さくすると燃料と吸入空気との混合効果が薄れ、２．７より大きくしようとするとポートの有効面積が減り、燃費が悪化する。また、ＥＧＲ率が５０％より小さいとＥＧＲ効果が薄れ、低温で低ＮＯｘ燃焼を行えなくなり、６０％以上であると酸素不足となり燃焼が悪化する。燃料噴射圧を５５ＭＰａより小さくすると噴霧状態が不十分となり燃料と吸入空気との混合効果が薄れ、９０ＭＰａより大きくしようとすると燃費の悪化と燃焼音の悪化を招くことになる。
【００３２】
また、燃料噴射制御に関しては、予混合燃焼運転領域Ｖ１では、メイン噴射時期を、通常燃焼運転領域におけるメイン噴射時期と同じ、即ち、上死点前とし、このメイン噴射後の直後、即ち、０．１ｍｓ〜０．５ｍｓの範囲でアフター噴射する制御を行う。
【００３３】
このアフター噴射を行うことで、燃料噴射量をメイン噴射とアフター噴射とで分割し、多量ＥＧＲ状態下では燃料噴射の後半において酸素が十分に供給され難くなる噴霧中心軸付近における空気の取り込みを容易とする。これにより、噴霧された燃料を燃焼し易くして、不完全燃焼に起因するスモークを低減することができる。
【００３４】
上記のディーゼルエンジン及びディーゼルエンジンの制御方法によれば、予混合圧縮着火燃焼の安定化することができるので、排気ガスのエミッションや燃費や燃焼音を低減しながら、予混合燃焼運転領域を広げることができるようになる。また、着火時期検出手段が不要となる。
【００３５】
また、メイン噴射の噴射時期を、通常燃焼運転領域と同様の噴射時期で予混合圧縮着火燃焼をすることができるようになる。その結果、予混合燃焼運転領域におけるメイン噴射時期が通常燃焼運転領域におけるメイン噴射時期と同じになるので、予混合燃焼運転領域と通常燃焼運転領域との切替えを円滑に行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジンにおけるの予混合燃焼領域と通常燃焼領域を模式的に示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジンの予混合燃焼領域と通常燃焼領域のそれぞれの制御モードの制御量の状態を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
Ｖ１  予混合燃焼領域
Ｖ２  通常燃焼領域
【図１】
2010138743.tif 000003
【図２】
2010138743.tif 000004