JP5062340B2 - 燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、予混合圧縮着火（ＰＣＣＩ）燃焼を行うエンジンの燃料噴射装置に関するものである。

従来の燃料噴射装置としては、例えば特許文献１，２に記載されているものが知られている。特許文献１に記載の燃料噴射装置は、エンジン負荷に応じて燃料噴射モードを拡散燃焼モードと予混合燃焼モードとの間で移行させるようにしたものである。燃料噴射モードを拡散燃焼モードから予混合燃焼モードに移行するときは、燃焼室内の酸素濃度を徐々に低くしつつ、パイロット噴射の燃料噴射量を徐々に増やしながらメイン噴射の燃料噴射量を徐々に減らすと共に、パイロット噴射とメイン噴射との間隔を徐々に狭める。

特許文献２に記載の燃料噴射装置は、燃焼に寄与する燃料を２回に分割して噴射させるようにしたものである。このとき、１回目の噴射は、予混合燃焼が可能なタイミングで行い、２回目の噴射は、予混合燃焼が可能なタイミングで且つ圧縮上死点（ＴＤＣ）以前に行う。また、エンジンの負荷の増加に伴って１回目の噴射時期を進角させて、１回目の噴射と２回目の噴射とのインターバルを拡大させる。

特開２０１０−１８０７１８号公報 特開２００９−２６４３３２号公報

しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、特許文献１においては、パイロット噴射の燃料噴射量はメイン噴射の燃料噴射量よりも少ないことから拡散しやすく燃焼し難いため、燃焼室内の酸素濃度を低下させて予混合燃焼を行うと、パイロット噴射の燃料とメイン噴射の燃料とがほぼ同時に燃焼される。この場合、高温酸化反応による熱発生率ピークが高くなることで、筒内圧力上昇率が上がり、燃焼騒音が増大しやすい。また、そのような予混合燃焼形態では、シングル噴射の予混合圧縮着火と同様の燃焼形態となるため、未燃のＨＣやＣＯが多いという予混合圧縮着火燃焼の課題を十分に解決するには至らない。

特許文献２においては、エンジンの負荷が増加すると１回目の噴射時期を進角させることで、予混合時間つまり燃料噴射が終了してから高温酸化反応開始までの時間を十分に確保して、燃料と空気とが十分に混合・攪拌されるようにしている。しかし、ピストン中央部に凹状のキャビティが形成された直噴型エンジンにおいて、噴射時期を進角させると、新たにＨＣやＣＯが増大する要因も生じる。即ち、上記構造のエンジンでは、特定の時期に、キャビティ内の複数方向に向けて燃料を噴射する。しかし、１回目の噴射時期を進角させる、即ち圧縮行程においてピストンが下方にある時期に燃料の噴射を行うと、噴射された燃料がキャビティ内に収まらず、シリンダ壁面に付着しやすくなる。エンジン冷却水の作用により温度の低いシリンダ壁面に付着した燃料は、十分に燃焼しないため、ＨＣまたはＣＯが増大する要因となる。この不具合を回避するために、燃料噴射時期の進角幅を制限すると、増量された燃料に対し空気を十分に混合する時間を確保することができず、結果的にスモークを十分に低減することが困難になる。

本発明の目的は、燃焼騒音、ＨＣやＣＯ、スモークを十分低減することができる燃料噴射装置を提供することである。

本発明は、予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃料噴射装置において、エンジンの燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃料を複数回に分割して噴射させるように燃料噴射弁を制御する制御手段とを備え、制御手段は、第１の燃料噴射直後の予混合時間が最小となる時期よりも遅角側で第１の燃料噴射を行うように、燃料噴射弁による第１の燃料噴射時期を制御すると共に、第１の燃料噴射及びその後に行われる第２の燃料噴射によって生じる熱発生率波形が二山形状となるように、燃料噴射弁による第２の燃料噴射時期を制御することを特徴とするものである。

このように本発明の燃料噴射装置においては、第１の燃料噴射直後の予混合時間が最小となる時期よりも遅角側で第１の燃料噴射を行うように、燃料噴射弁による第１の燃料噴射時期を制御することにより、第１の燃料噴射直後の予混合時間において圧縮上死点以降に存在する時間領域が長くなる。このため、エンジンにおけるピストン中央部に形成されたキャビティよりスキッシュエリアに向かう空気の流れ（逆スキッシュ流）の有効活用によって、空気と燃料との混合が十分に促進されるため、スモークを十分低減することができる。また、第１の燃料噴射及びその後に行われる第２の燃料噴射によって生じる熱発生率波形が二山形状となるように、燃料噴射弁による第２の燃料噴射時期を制御することにより、燃料噴射による熱発生率ピークが抑制されるため、燃焼騒音を十分低減することができる。さらに、第１の燃料噴射による未燃分が第２の燃料噴射により燃焼されるため、ＨＣやＣＯを十分低減することができる。

好ましくは、制御手段は、第１の燃料噴射によって生じる高温酸化反応の開始時期が圧縮上死点以降となるように、燃料噴射弁による第１の燃料噴射時期を制御する。この場合には、第１の燃料噴射直後の予混合時間において圧縮上死点以降に存在する時間領域を長くし、逆スキッシュ流の有効活用による空気と燃料との混合を確実に促進させることができる。

また、好ましくは、制御手段は、第１の燃料噴射によって生じる低温酸化反応による熱発生率ピーク以降で且つ第１の燃料噴射によって低温酸化反応後に生じる高温酸化反応による熱発生率ピーク以前に第２の燃料噴射を行うように、燃料噴射弁による第２の燃料噴射時期を制御する。この場合には、第１及び第２の燃料噴射によって生じる熱発生率波形を確実に二山形状にすることが更に容易になる。また、第２の燃料噴射により燃焼室内に蒸発潜熱が発生するため、第１の燃料噴射によって生じる高温酸化反応が緩慢となる。従って、第１の燃料噴射による熱発生率ピークが更に抑制されるため、燃焼騒音を一層低減することができる。

このとき、制御手段は、第１の燃料噴射によって生じる高温酸化反応の開始前に第２の燃料噴射を行うように、燃料噴射弁による第２の燃料噴射時期を制御する。この場合には、第２の燃料噴射期間中は燃焼室内の雰囲気温度が低い状態となるため、第２の燃料噴射による着火遅れが延びることとなる。従って、第２の燃料噴射直後の予混合時間が十分に確保されるため、スモークを一層低減することができる。

本発明によれば、燃焼騒音、ＨＣやＣＯ、スモークを十分低減することができるので、優れた予混合圧縮着火燃焼を実現することが可能となる。

本発明に係わる燃料噴射装置の一実施形態を備えたディーゼルエンジンを示す概略構成図である。 図１に示したエンジン本体を示す断面図である。 図１に示したインジェクタから燃料を２回に分割して噴射するタイミングを示す図である。 燃料噴射期間及び予混合時間をピストンのクランク角と熱発生率との関係と共に示すグラフである。 ピストンのクランク角と１回目の燃料噴射期間及びその直後の予混合時間とスキッシュ流速との関係を示すグラフである。 １回目の燃料噴射直後の予混合時間とスモーク濃度との関係の一例を示すグラフである。 好適な２回目の燃料噴射時期をピストンのクランク角と熱発生率との関係と共に示すグラフである。 ２回目の燃料噴射量とＨＣ濃度及びＣＯ濃度との関係の一例を示すグラフである。 ２回目の燃料噴射時期とＨＣ濃度及びＣＯ濃度との関係の一例を示すグラフである。 ２回目の燃料噴射直後の予混合時間とスモーク濃度との関係の一例を示すグラフである。 ２回目の燃料噴射時期とスモーク濃度との関係の一例を示すグラフである。 ピストンのクランク角と熱発生率との関係を２分割噴射とシングル噴射とで比較した結果を示すグラフである。 燃焼騒音及び燃費を２分割噴射とシングル噴射とで比較した結果を示すグラフである。 ２回目の燃料噴射時期を適切に設定することで、予混合圧縮着火燃焼の成立限界ラインが拡大する様子を示すグラフである。

以下、本発明に係わる燃料噴射装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わる燃料噴射装置の一実施形態を備えたディーゼルエンジンを示す概略構成図である。同図において、本実施形態に係るディーゼルエンジン１は、４気筒直列ディーゼルエンジンである。ディーゼルエンジン１はエンジン本体２を備え、このエンジン本体２には４つのシリンダ３が設けられている。

シリンダ３内には、図２に示すように、ピストン４が収容されている。また、シリンダ３の上部には、シリンダヘッド５が配設されている。シリンダ３とピストン４とシリンダヘッド５とで囲まれる空間は、燃焼室６を形成している。ピストン４の頂部には、燃焼室６の一部をなすキャビティ６ａが形成されている。また、ピストン４におけるキャビティ７の外周側の部分とシリンダヘッド５との間の領域は、スキッシュエリア７となっている。

各シリンダ３には、燃焼室６内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）８がそれぞれ配設されている。インジェクタ８は複数の噴孔（図示せず）を有し、各噴孔から放射状に燃料を噴射する。各インジェクタ８はコモンレール９に接続されており、コモンレール９に貯留された高圧燃料が各インジェクタ８に常時供給されている。

エンジン本体２には、燃焼室６内に空気を吸入するための吸気通路１０がインテークマニホールド１１を介して接続されている。また、エンジン本体２には、燃焼後の排気ガスを排出するための排気通路１２がエキゾーストマニホールド１３を介して接続されている。

吸気通路１０には、上流側から下流側に向けてエアクリーナー１４、ターボ過給機１５のコンプレッサ１６、インタークーラー１７及びスロットルバルブ１８が設けられている。スロットルバルブ１８は、燃焼室６内への空気の吸入量を調整するバルブである。排気通路１２には、ターボ過給機１５のタービン１９及び触媒付きＤＰＦ２０が設けられている。

また、ディーゼルエンジン１は、燃焼後の排気ガスの一部を燃焼室６内に還流するＥＧＲ装置２１を備えている。ＥＧＲ装置２１は、吸気通路１０とエキゾーストマニホールド１３とを繋ぐＥＧＲ通路２２と、エキゾーストマニホールド１３から吸気通路１０への排気ガス（ＥＧＲガス）の還流量を調整するＥＧＲバルブ２３と、ＥＧＲ通路２２を通るＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２４と、ＥＧＲガスをＥＧＲクーラ２４に対してバイパスさせるバイパス通路２５と、ＥＧＲクーラ２４とバイパス通路２５との間でＥＧＲガスの流路を切り替える切替弁２６とを有している。

このようなディーゼルエンジン１は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）２７によって制御される。ＥＣＵ２７には、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ２８と、エンジン回転数を検出するエンジン回転センサ２９と、ピストン４のクランク軸（図示せず）の角度を検出するクランク角度センサ３０とが接続されている。ＥＣＵ２７は、これらのセンサ２８〜３０の検出信号に基づいて、上記の各インジェクタ８、スロットルバルブ１８、ＥＧＲバルブ２３及び切替弁２６を制御する。

以上において、インジェクタ８、ＥＣＵ２７、センサ２８〜３０は、本実施形態の燃料噴射装置３１を構成している。このような燃料噴射装置３１において、ＥＣＵ２７は、主にエンジン回転数及びアクセル開度から燃料噴射量及び燃料噴射時期を決定し、それに応じて各インジェクタ８を制御する制御手段である。

ＥＣＵ２７は、図３に示すように、２分割噴射の予混合圧縮着火燃焼を行うように各インジェクタ８を制御する。つまり、ＥＣＵ２７は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程という１サイクルにおいて、各インジェクタ８から燃料を２回に分けて噴射させるように制御する。このとき、特に高負荷域では、１回目の燃料噴射量を２回目の燃料噴射量よりも多くするのが好ましい。

ここで、１回目の燃料噴射（第１の燃料噴射）は、１回目の燃料噴射直後の予混合時間が最小（＞０）になる時期よりも遅角側で行うように設定されている。予混合時間とは、図４に示すように、燃料噴射の終了時点から着火（高温酸化反応）の開始時点までの時間のことである。１回目の燃料噴射時期を上記のように設定する理由は、以下の通りである。

即ち、例えば図５の破線Ｐで示すように、１回目の燃料噴射の予混合時間の開始タイミングが圧縮上死点（ＴＤＣ）以前であり、１回目の燃料噴射の予混合時間の終了タイミングが圧縮上死点以降であるときに、１回目の燃料噴射の予混合時間が最小になる。なお、１回目の燃料噴射の予混合時間が最小になる時期は、燃料噴射量や運転状況等によって変わってくる。１回目の燃料噴射を予混合時間が最小になる時期よりも進角側または遅角側で行うようにすると、当該予混合時間が長くなる（図６参照）ため、その分だけ空気と燃料とが混ざりやすくなり、結果的にスモークの低減につながる。

ところで、圧縮上死点以降では、ピストン４が圧縮下死点側に移動することで、キャビティ６ａからスキッシュエリア７に向かって空気が流れる逆スキッシュ流（図２参照）が発生する。しかも、ピストン４が圧縮上死点近傍から離れると、図５に示すように、所定のクランク角までは逆スキッシュ流の流速が急激に高くなる。

このため、１回目の燃料噴射を予混合時間が最小になる時期よりも遅角側で行うようにすると、図５の太実線Ｑで示すように、１回目の燃料噴射の予混合期間が圧縮上死点以降となる状態が長くなるため、高流速の逆スキッシュ流の利用によって空気と燃料とが一層混ざりやすくなり、スモークの低減に効果的となる。なお、図５の細実線Ｒは、１回目の燃料噴射を予混合時間が最小になる時期よりも進角側で行う様子を示したものである。

例えば図６に示すように、１回目の燃料噴射の予混合時間がＡｍｓである場合に、１回目の燃料噴射を予混合時間が最小値（図中の白丸）になる時期よりも進角側で行うようにしたときは、スモークの濃度が６．９％であるのに対し、１回目の燃料噴射を予混合時間が最小になる時期よりも遅角側で行うようにしたときは、スモークの濃度が３．６％と低くなっていることが分かる。なお、図６においては、スモークの濃度が一部で負の値を取っているが、これはスモークの検出に用いた計器の問題であり、スモークの濃度自体に負の値があるわけではない。

そこで本実施形態では、１回目の燃料噴射を、１回目の燃料噴射直後の予混合時間が最小になる時期よりも遅角側で行うように設定する。そのように１回目の燃料噴射時期を設定することで、１回目の燃料噴射による高温酸化反応（後述）の発生時期が確実に圧縮上死点以降となる（図７参照）。特に図５に示すものでは、圧縮上死点以前に１回目の燃料噴射を開始させて圧縮上死点以降に１回目の燃料噴射を終了させるように、１回目の燃料噴射時期が設定されている。

また、２回目の燃料噴射（第２の燃料噴射）は、図４及び図７に示すように、１回目の燃料噴射及び着火と２回目の燃料噴射及び着火とにより生じる熱発生率波形を二山形状にするような時期に行うように設定されている。燃料の噴射完了後に着火が行われると、高温酸化反応による熱発生率ピークが生じる。従って、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射との間で時間差をもたせることで、高温酸化反応による熱発生率ピークが２つ存在するような熱発生率波形が得られる。

具体的には、２回目の燃料噴射は、１回目の燃料噴射によって生じる低温酸化反応による熱発生率ピーク以降であり且つ１回目の燃料噴射によって生じる高温酸化反応による熱発生率ピーク以前（図７中のクランク角範囲Ｈ内）に行うことが好ましい。特に、２回目の燃料噴射開始は、１回目の燃料噴射によって生じる低温酸化反応による熱発生率ピークよりも遅い時期に行い、２回目の燃料噴射終了は、１回目の燃料噴射によって生じる高温酸化反応の開始までに行うことがより好ましい。

なお、低温酸化反応は、冷炎反応とも呼ばれ、ガスの温度を殆ど変化させないが、ガスの組成を変化させるような反応である。高温酸化反応は、低温酸化反応後に燃料の着火によって起こるものであり、ガスの温度が大きく変化する反応である。

このとき、低負荷域では、上記クランク角範囲Ｈ内における早い時期に２回目の燃料噴射を行い、高負荷域では、上記クランク角範囲Ｈ内における遅い時期に２回目の燃料噴射を行うことが好ましい。また、２回目の燃料噴射量は、１回目の燃料噴射量と２回目の燃料噴射量との合計の６５％以下となるように設定する。このとき、高負荷域になるほど、１回目の燃料噴射量に対する２回目の燃料噴射量の比率を下げていくことが好ましい。

このように１回目の燃料噴射及び２回目の燃料噴射のいずれも予混合燃焼を実施することにより、燃料と空気とが適切に混合されるようになり、局所リッチや局所リーンが抑えられるため、上記スモークの低減に加え、ＮＯｘを低減することもできる。

また、２回目の燃料噴射を行うことにより、１回目の燃料噴射時に生じた未燃分が再燃焼されるため、未燃ＨＣや未燃ＣＯを低減することができる。例えば図８に示すように、２回目の燃料噴射を行う場合には、２回目の燃料噴射を行わない場合に比べてＨＣやＣＯが低減されることが分かる。

このとき、１回目の燃料噴射によって生じる低温酸化反応による熱発生率ピーク以降であり且つ１回目の燃料噴射によって生じる高温酸化反応による熱発生率ピーク以前というクランク角範囲Ｈ内に２回目の燃料噴射を行うことにより、１回目の燃料噴射によって生じる高温酸化反応が開始された後に、２回目の燃料噴射によって生じる高温酸化反応が起こるようになる。このため、１回目の燃料噴射により燃焼した後のガスの温度が十分上がるため、１回目の燃料噴射における未燃分の酸化反応が促進される。従って、未燃ＨＣや未燃ＣＯをより低減することができる。例えば図９に示すように、上記クランク角範囲Ｈ内に２回目の燃料噴射を行う場合には、それ以外の時期に２回目の燃料噴射を行う場合に比べてＨＣやＣＯが低減されることが分かる。なお、この効果は、特に燃焼温度が低い低負荷域において顕著に表れる。

また、２回目の燃料噴射の予混合時間を確保することにより、上述したように空気と燃料とが混ざりやすくなるため、スモークの低減に一層寄与することができる。例えば図１０に示すように、２回目の燃料噴射の予混合時間をＢｍｓとすることで、スモークの濃度がほぼゼロとなる。

このとき、２回目の燃料噴射を１回目の燃料噴射によって生じる高温酸化反応のピークまでに終了させる場合には、２回目の燃料噴射中は燃焼室６内の雰囲気温度が低い状態に維持される。従って、２回目の燃料噴射による燃料の着火遅れが延びるため、２回目の燃料噴射の予混合期間が十分確保されるようになる。これにより、スモークを更に低減することができる。例えば図１１に示すように、上記クランク角範囲Ｈ内に２回目の燃料噴射を行う場合には、それ以外の時期に２回目の燃料噴射を行う場合に比べて、スモークが低減されることが分かる。

また、２分割噴射の予混合圧縮着火燃焼を実施することにより、高温酸化反応による熱発生率ピークが低減される。例えば図１２に示すように、２分割噴射の予混合圧縮着火燃焼（実線Ｘ参照）を実施する場合には、シングル噴射の予混合圧縮着火燃焼（破線Ｙ参照）を実施する場合に比べて、熱発生率ピークが低減されることが分かる。さらに、２回目の燃料噴射によって１回目の燃料噴射及び着火により発生した熱が奪われて蒸発するため、１回目の燃料噴射によって生じる高温酸化反応が緩慢になり、高温酸化反応による熱発生率ピークが更に低減される。

このように熱発生率ピークが抑制されるので、筒内圧力上昇率が低減し、燃焼騒音を低減することができる。例えば図１３（ａ）に示すように、２分割噴射の予混合圧縮着火燃焼を実施する場合には、シングル噴射の予混合圧縮着火燃焼を実施する場合に比べて、燃焼騒音が低減されることが分かる。このとき、例えば図１１に示すように、上記クランク角範囲Ｈ内に２回目の燃料噴射を行う場合には、それ以外の時期に２回目の燃料噴射を行う場合に比べて、燃焼騒音が十分低減されることが分かる。

また、熱発生率ピークが抑制されることで、過度な急速燃焼が抑えられるため、冷却損失が低減され、結果的に低燃費の燃焼を実現することができる。例えば図１３（ｂ）に示すように、２分割噴射の予混合圧縮着火燃焼を実施する場合には、シングル噴射の予混合圧縮着火燃焼を実施する場合に比べて、燃費が低減されることが分かる。

以上のように本実施形態によれば、予混合圧縮着火燃焼におけるスモーク、未燃分のＨＣやＣＯ、燃焼騒音、燃費及びエミッションを十分に低減することができる。その結果、予混合燃焼成立領域を拡大させ、ひいては運転可能範囲を拡大させることが可能となる。例えば図１４に示すように、上記クランク角範囲Ｈ内に２回目の燃料噴射を行う場合（実線参照）には、その後に２回目の燃料噴射を行う場合（破線参照）に比べて、予混合圧縮着火燃焼の成立限界ラインをエンジン回転数（トルク）の高いほうへ拡大させることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、燃料を２回に分けて噴射させる２分割噴射の予混合圧縮着火燃焼を行うようにしたが、燃料を３回以上に分けて噴射させるようにしても良い。この場合でも、第１の燃料噴射直後の予混合時間が最小となる時期よりも遅角側で第１の燃料噴射を行うように、第１の燃料噴射時期を制御すると共に、第１の燃料噴射及びその後に行われる第２の燃料噴射によって生じる熱発生率波形が二山形状となるように、第２の燃料噴射時期を制御すれば良い。

１…ディーゼルエンジン、６…燃焼室、８…インジェクタ（燃料噴射弁）、２７…ＥＣＵ（制御手段）、３１…燃料噴射装置。

Claims (4)

1. 予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃料噴射装置において、
   前記エンジンの燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料を複数回に分割して噴射させるように前記燃料噴射弁を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、第１の燃料噴射直後の予混合時間が最小となる時期よりも遅角側で前記第１の燃料噴射を行うように、前記燃料噴射弁による前記第１の燃料噴射時期を制御すると共に、前記第１の燃料噴射及びその後に行われる第２の燃料噴射によって生じる熱発生率波形が二山形状となるように、前記燃料噴射弁による前記第２の燃料噴射時期を制御することを特徴とする燃料噴射装置。
2. 前記制御手段は、前記第１の燃料噴射によって生じる高温酸化反応の開始時期が圧縮上死点以降となるように、前記燃料噴射弁による前記第１の燃料噴射時期を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
3. 前記制御手段は、前記第１の燃料噴射によって生じる低温酸化反応による熱発生率ピーク以降で且つ前記第１の燃料噴射によって前記低温酸化反応後に生じる高温酸化反応による熱発生率ピーク以前に前記第２の燃料噴射を行うように、前記燃料噴射弁による前記第２の燃料噴射時期を制御することを特徴とする請求項１または２記載の燃料噴射装置。
4. 前記制御手段は、前記第１の燃料噴射によって生じる前記高温酸化反応の開始前に前記第２の燃料噴射を行うように、前記燃料噴射弁による前記第２の燃料噴射時期を制御することを特徴とする請求項３記載の燃料噴射装置。
   
   

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