(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの燃焼温度を低下させる手段と、
燃焼室に噴射された燃料の着火遅れ期間を大きくする手段とを備えたディーゼルエンジンにおいて、
吸気の酸素濃度を可変制御する手段と、
吸気の酸素量を可変制御する手段と、
空気過剰率を演算する手段と、
エンジンの運転条件に応じて吸気中の酸素濃度を変えずに酸素量を変化させて空気過剰率が目標値以上になるように制御する燃焼制御手段を備えたことを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。
【請求項２】
前記燃焼制御手段は、空気過剰率が所定の値以下になった場合に、同一の吸気酸素濃度を維持しつつ吸気酸素量を増加させ、空気過剰率が目標値以上になるように制御する請求項１に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
【請求項３】
前記燃焼制御手段は、空気過剰率が目標値以上になった場合に、同一の吸気酸素濃度を維持しつつ吸気酸素量を減少させる請求項２に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
【請求項４】
前記空気過剰率λの目標値はλ＝１．３に設定される請求項１〜３のいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの制御装置。
【請求項５】
前記酸素濃度を制御する手段が排気還流量を制御する排気還流装置で構成される請求項１〜４のいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの制御装置。
【請求項６】
前記酸素量を制御する手段が過給圧を制御するターボチャージャで構成される請求項１〜５のいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はディーゼルエンジンの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にディーゼルエンジンはガソリンエンジンと比べ燃費が良い反面、窒素酸化物（ＮＯｘ）や粒子状物質（ＰＭ）の排出量が多いという欠点がある。
【０００３】
ディーゼルエンジンの排気中のＮＯｘを低減させる手段としては、自技会発行のＮｏ．９５０３  シンポジウム  Ｎｏ．９５３３２７１にあるように、排気再循環（ＥＧＲ）を行いエンジンの燃焼温度を低く抑える方法がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法によると、ＮＯｘ排出量を低減するにあたり  排気還流量を増やしていくと、燃料噴射量が多く、空気過剰率が小さい領域で、ＰＭ排出量が増加する傾向にあり、ＳＡＥＰａｐｅｒＮｏ．９８０１７４にもあるように、空燃比が約２４：１（空気過剰率が約１．６）以下になると、ＰＭ排出量が急増する。このため、ＰＭ排出量も抑制しようとすると、ＮＯｘ排出量の低減が制約されてしまう。
【０００５】
この二律相反を解消し、ディーゼルエンジンの排気中のＮＯｘとＰＭ排出量を同時に低減する方法としては、特開平７−４２８７のような低温予混合燃焼を行わせる方法がある。
【０００６】
これは、ＥＧＲにより吸気中の酸素濃度を低下させて燃焼速度を遅くし、燃料噴射時期を圧縮上死点以降まで遅らせ、着火遅れ期間内にほとんどの燃料を噴射することにより、予混合燃焼を主体として低温で燃焼させるものである。この方法によれば、燃料を十分に気化させてから燃焼させる予混合燃焼であるためにＰＭ排出量が少なくなり、また低温で燃焼するためにＮＯｘ排出量が少なくなる。
【０００７】
この低温予混合燃焼では、空気過剰率を小さくしていくとＮＯｘとＰＭの排出量が共に減少するが、空気過剰率が約１．３以下になると燃費が急激に悪化する傾向がある。
【０００８】
これは空気過剰率を小さくすると多原子分子である燃料や燃焼生成物の割合が増えることにより、エンジン内の作動ガスの比熱比が小さくなり、ディーゼルエンジンの場合に、
ηth＝〈1-(1/ε)κ-1)(σκ-1)/(κ(σ-1))
(ただし、ε:圧縮比、κ:比熱比、σ:締切比)
で表される理論熱効率が下がることが主たる原因である。
【０００９】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、ディーゼルエンジンにおいて低温予混合燃焼を行い、エンジンの運転条件に応じて吸気酸素濃度を変えずに吸気酸素量を変化させることにより上記間題点を解決することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、エンジンの燃焼温度を低下させる手段と、燃焼室に噴射された燃料の着火遅れ期間を大きくする手段とを備えたディーゼルエンジンにおいて、吸気の酸素濃度を可変制御する手段と、吸気の酸素量を可変制御する手段と、空気過剰率を演算する手段と、エンジンの運転条件に応じて吸気中の酸素濃度を変えずに酸素量を変化させて空気過剰率が目標値以上になるように制御する燃焼制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、前記燃焼制御手段は、空気過剰率が所定の値以下になった場合に、同一の吸気酸素濃度を維持しつつ吸気酸素量を増加させ、空気過剰率が目標値以上になるように制御する。
【００１２】
第３の発明は、第２の発明において、前記燃焼制御手段は、空気過剰率が目標値以上になった場合に、同一の吸気酸素濃度を維持しつつ吸気酸素量を減少させる。
【００１３】
第４の発明は、第１から第３の発明において、前記空気過剰率λの目標値はλ＝１．３に設定される。
【００１４】
第５の発明は、第１から第４の発明において、前記酸素濃度を制御する手段が排気還流量を制御する排気還流装置で構成される。
【００１５】
第６の発明は、第１から第５の発明において、前記酸素量を制御する手段が過給圧を制御するターボチャージャで構成される。
【００１６】
【発明の作用、効果】
本発明（第１から第６の発明）では、吸気の酸素濃度を下げて燃焼温度を低下させると共に、燃料の着火遅れ期間を大きくすることにより、低温予混合燃焼を行い、かつこのとき吸気の酸素濃度を変えることなく、吸気酸素量を変化させ、空気過剰率が目標とする値よりも小さくなることのないように制御している。低温予混合燃焼によりＮＯｘとＰＭの排出量を下げることができるが、ＮＯｘの排出量はそのときの酸素濃度に応じて変化する。したがって、吸気中の酸素濃度を変えずに目標値に維持することにより、常にＮＯｘ排出レベルを所定値以下に抑制できる。一方で燃費は空気過剰率が所定値よりも小さくなると、大幅に悪化する。これに対しては、酸素濃度を変化させずに吸気酸素量を変化させて空気過剰率が目標値よりも小さくならないように制御している。
【００１７】
これらの結果、排気中のＮＯｘやＰＭを低減しつつ、燃費についても常に良好な状態に維持することが可能となる。
【００１８】
この場合、第５の発明では、酸素濃度の制御を排気還流を制御することにより行うので、また第６の発明では、酸素量の制御を過給圧の制御により行うので、いずれも通常の排気還流装置、ターボチャージャなどにより、制御が容易かつ合理的に行える。
【００１９】
【実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１において、１はエンジン本体、２は吸気管、３は排気管である。４は排気管３と吸気管２を連通するＥＧＲ（排気還流）通路、５はＥＧＲ通路４を流れる排気(ＥＧＲガス)の流量を調整するＥＧＲバルブ、６はＥＧＲバルブ５を駆動するアクチュエータである。
【００２１】
７は排気タービンに排気を導入するノズルの口径を変えることにより過給圧を調節可能なＶＮターボチャージャで、８はその可変タービンノズル、９はタービンノズル８を駆動するアクチュエータである。
【００２２】
１０はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）、１１は燃料噴射装置（燃料噴射弁）で、燃料噴射量、噴射時期については運転状態に応じてＥＣＵ１０により制御され、このためＥＣＵ１０には図示しない、アクセル開度センサ、エンジン回転数センサ、水温センサなどから運転状態を代表する信号が入力する。
【００２３】
本発明では燃料の噴射時期は圧縮上死点あるいはそれ以降に遅らされ、これにより燃料の着火遅れ期間が長くなり、またこの着火遅れ期間中に必要な燃料がほとんど噴射されるように燃料噴射ノズル容量が大きく設定してある。
【００２４】
さらにまた、ＥＣＵ１０には、吸気量を測定するエアフローメータ１２、排気中の酸素濃度を測定する酸素濃度センサ１３からの検出信号が入力する。ＥＣＵ１０は運転状態に応じて制御される燃料噴射量、エアフローメータ１２により検出される吸気量、および酸素濃度センサ１３により検出される排気中の残存酸素濃度を用いて空気過剰率とＥＧＲ率を演算し、これに基づいて低温予混合燃焼を行う所定の運転領域において、吸気中の酸素濃度を所定値に維持しつつ、目標とする空気過剰率となるように酸素量を制御し、ＮＯｘとＰＭの排出量を抑制しつつ、燃費の向上を図るようになっている。
【００２５】
なお、この実施の形態では、ＥＧＲバルブ５が吸気中の酸素濃度を制御する手段、ＶＮターボチャージャ７の可変タービンノズル８が吸気中の酸素量を制御する手段を構成している。
【００２６】
図２はＥＣＵ１０で実行される上記した制御内容を示すフローであり、これにしたがって制御動作を説明する。
【００２７】
まずステップａ１で、エアフローメータ１２により検出される吸気量、酸素濃度センサ１３により検出される排気中の残留酸素濃度、および燃料噴射量とから空気過剰率λを算出する。
【００２８】
ステップａ２では、求めた空気過剰率λと所定の値（＝１．３）の比較を行い、空気過剰率λが所定値よりも小さい場合はステップａ３に進む。ステップａ３とａ４では、ステップａ１と同様に各センサなどからの情報を元にＥＧＲ率α（ＥＧＲガス量／新気量)を算出し、このＥＧＲ率αを記憶する。
【００２９】
なお、ＥＧＲ率については、そのときの運転条件によって決まるＮＯｘの低減目標に応じて決定される。
【００３０】
ステップａ５で、ＶＮターボチャージャ７の可変タービンノズル８をわずかに絞り過給圧を増加させる。これにより新気量が増加することになり、結果として吸気酸素量が増加する。
【００３１】
ただし、ＥＧＲ量がそのままではＥＧＲ率が減少してしまう。吸気酸素濃度はＥＧＲ率に反比例するので、ＥＧＲ率が減少すれば、吸気酸素濃度が増加することになる。そこでステップａ６で、ＥＧＲバルブ５をわずかに開きＥＧＲガス量を増加させ、これにより吸気酸素濃度を低下させる。
【００３２】
ステップａ７で再びＥＧＲ率を算出し、ステップａ８でステップａ４で記憶したＥＧＲ率αとの比較を行う。過給圧の上昇によりいったん減少したＥＧＲ率が、記憶したＥＧＲ率と等しくなるまで増加していなければ、ステップａ６に戻りさらにＥＧＲバルブ５を開いてＥＧＲ率を増加させる動作を繰り返す。
【００３３】
逆にＥＧＲ率が記憶したＥＧＲ率と等しくなっていれば、空気過剰率は本制御フロー作動前と等しいことになるのでステップａ１に戻る。ステップａ1に戻って空気過剰率λが所定の値になっていれば、本制御フローは終了する。空気過剰率が所定の値に達していなければ、本制御フローを繰り返す。
【００３４】
本発明では、燃料噴射装置１１から噴射される燃料の噴射時期が遅く、また排気の一部が吸気中に還流され、吸気中の酸素濃度を低下させることにより、着火遅れ期間の長い、低温予混合燃焼が実現し、これによりＮＯｘとＰＭを共に低下させることができる。
【００３５】
一方、空気過剰率λについては、吸気中の酸素濃度、換言するとＥＧＲ率を一定に保ったまま、過給圧を調整することにより、図３に矢印Ａで示す方向に変化し、λ＝１．３となるように制御が行われる。
【００３６】
燃費は空気過剰率λが１．３以上の領域についてはほぼ同一の良好な値を保つが、λが１．３以下になると、小さくなるのに応じて急激に悪化する。しかし、上記のとおり、λは１．３に制御されるので、燃費は良好な状態に維持できるのである。
【００３７】
ところで、排気中のＮＯｘ濃度は、その生成に酸素が関係するため酸素濃度にほぼ比例している。したがって、エンジンからのＮＯｘ排出量の大小については、燃料噴射量が一定であれば吸気酸素量に対応する空気過剰率にて論じるのは適当でない。
【００３８】
実際にはＮＯｘ排出量は吸気酸素濃度と吸気酸素量の両者にほぼ比例しているのである。本発明においては、吸気酸素濃度は変わらないのでＮＯｘ濃度は増加せず、吸気量が増加するためにＮＯｘ排出量としては若干増加するが、従来のディーゼルエンジンと比較してＮＯｘ排出量は非常に少ないレベルに保たれる。
【００３９】
本実施の形態では、吸気酸素量を制御する手段としてＶＮ夕一ボチャージャ７の可変タービンノズル８を利用したが、これだけに限られる訳ではなく、排気タービンへ排気を導くノズルに可変機構がないターボチャージャを用いてウエストゲートにより過給圧を増減することなどによって制御してもよい。
【００４０】
吸気酸素濃度についても、制御手段はＥＧＲバルブ５によるＥＧＲガス量の増減に限られるわけではなく、酸素透過膜により新気中の酸素濃度を操作すること等によって制御してもよい。またＥＧＲバルブ５と可変タービンノズル８を独立に制御しているが、両者を統合して制御してもよい。
【００４１】
ところで、低温予混合燃焼を行っている際に空気過剰率が１．３以上になった場合については、燃費の悪化は問題にならない範囲なので、ＮＯｘとＰＭの排出量低減のために吸気酸素濃度を一定にしたまま吸気酸素量を低下させるように制御を行えばよい。
【００４２】
この制御を追加したのが第２の実施形態であり、その制御フローを示す図４によって説明する。ただし、図２の制御フローと異なる部分を中心として説明することにする。
【００４３】
ステップａ２で空気過剰率λが所定の値（＝１．３）以上の場合には、ステップｂ１に進む。ステップｂ１、ｂ２で上記と同じようにしてＥＧＲ率を算出し、このＥＧＲ率αを記憶する。次に、ステップｂ３で、ＶＮターボチャージャ７の可変タービンノズル８をわずかに開き、過給圧を減少させる。
【００４４】
これにより、新気量が減少する結果として吸気酸素量が減少する。一方、ＥＧＲバルブ５の開度を変更しないとＥＧＲガス量が増加し、ＥＧＲ率の増加、すなわち吸気酸素濃度の減少が起きる。
【００４５】
そこでステップｂ４でＥＧＲバルブをわずかに閉じ、ＥＧＲガス量を減少させて吸気酸素濃度を増加させる。ステップｂ５で再びＥＧＲ率を算出し、ステップｂ６でステップｂ２にて記憶したＥＧＲ率αとの比較を行う。
【００４６】
ＥＧＲ率が記憶したＥＧＲ率αと等しくなっていなければ、ステップｂ４に戻り、ＥＧＲバルブ５を少し閉じてＥＧＲ率を減少させる動作を繰り返す。ＥＧＲ率が記憶したＥＧＲ率と等しくなっていれば、ステップａ１まで戻り、制御フローを繰り返す。
【００４７】
この追加された制御が行われた場合には、空気過剰率λは図３中に矢印Ｂで示されるように、λが大きい状態からλ＝１．３に向けて変化する。このとき、吸気酸素濃度は変わらないまま、吸気酸素量（新気量）が減少するため、ＮＯｘ排出量は低減される。燃費については、急激な悪化が始まる空気過剰率λ＝１．３を超えないため、良好に保たれる。
【００４８】
このように本発明によれば、ディーゼルエンジンにおいて低温予混合燃焼を行い、エンジンの運転条件に応じて吸気酸素濃度を変えずに吸気酸素量を変化させる制御を行うことにより、ＮＯｘとＰＭを同時に低減しつつ燃費を良好に保つという効果が得られる。
【００４９】
なお、本発明は実施の形態で説明したものに限定されるわけではなく、発明の技術的思想の範囲内での様々な変更がなし得ることは、容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す構成図。
【図２】同じくその制御内容を示すフローチャート。
【図３】空気過剰率と排気特性などの関係を示す説明図。
【図４】他の実施の形態の制御内容を示すフローチャート。
【符号の説明】
１  エンジン本体
２  吸気管
３  排気管
４  ＥＧＲ通路
５  ＥＧＲバルブ
６  ＥＧＲバルブ駆動アクチュエータ
７  ＶＮターボチャージャ
８  可変タービンノズル
１０  エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１１  燃料噴射装置
１２  エアフローメータ
１３  酸素濃度センサ
【図１】
0003697935.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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