JP7724168B2 - Diesel engine and control method thereof - Google Patents
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Description
本開示は、ディーゼルエンジン及びその制御方法に関する。 This disclosure relates to a diesel engine and a control method thereof.
ディーゼルエンジンにおいて、燃焼温度が高くなると排気ガス中のNOx量が増加するため、燃焼室内に水を噴射することにより燃焼室内の燃焼温度を低下させてNOxの発生を抑制することが知られている。 In diesel engines, the amount of NOx in the exhaust gas increases as the combustion temperature increases, so it is known that injecting water into the combustion chamber lowers the combustion temperature within the combustion chamber and suppresses the generation of NOx.
例えば、実開平5-10761号公報(特許文献1)には、エンジンの回転数及び負荷に応じて、NOx量を低減するのに必要な燃焼温度を得るための水噴射量を設定することが開示されている(特許文献1参照)。 For example, Japanese Utility Model Laid-Open Publication No. 5-10761 (Patent Document 1) discloses setting the amount of water injection to achieve the combustion temperature required to reduce NOx levels, depending on the engine speed and load (see Patent Document 1).
エンジンの回転数及び負荷では、エンジンの状態が変化する過渡運転時にエンジンの状態変化を十分に反映できない可能性がある。その場合、燃焼状態に応じた適量の水噴射量にならず、NOx量を十分に抑制できなかったり、燃焼温度の過度な低下による出力低下が生じたりする可能性がある。 Engine speed and load may not adequately reflect changes in engine conditions during transient operation. In this case, the amount of water injected may not be appropriate for the combustion conditions, which may result in insufficient suppression of NOx emissions or a drop in power output due to an excessive drop in combustion temperature.
本開示は、かかる問題を解決するためになされたものであり、本開示の目的は、エンジンの状態が変化する過渡運転時においても適量の水を噴射可能なディーゼルエンジン及びその制御方法を提供することである。 This disclosure has been made to solve these problems, and its purpose is to provide a diesel engine and a control method for the same that can inject an appropriate amount of water even during transient operation when the engine's condition changes.
本開示のディーゼルエンジンは、燃焼室を有するエンジン本体と、燃焼室内に燃料を噴射するように構成された燃料噴射装置と、燃焼室内に水を噴射するように構成された水噴射装置と、水噴射装置を制御する制御装置と、燃焼室内に供給される吸気ガスに含まれる酸素の量を示す状態量を取得する取得部とを備える。制御装置は、上記状態量と燃焼室内に噴射された燃料の噴霧温度との予め求められた関係に従って、取得部により取得された上記状態量から噴霧温度を推定し、その推定された噴霧温度と噴霧温度の目標との温度差から、水噴射装置による水噴射量を決定する。 The diesel engine disclosed herein comprises an engine body having a combustion chamber, a fuel injection device configured to inject fuel into the combustion chamber, a water injection device configured to inject water into the combustion chamber, a control device that controls the water injection device, and an acquisition unit that acquires a state quantity indicating the amount of oxygen contained in the intake gas supplied to the combustion chamber. The control device estimates the spray temperature from the state quantity acquired by the acquisition unit according to a predetermined relationship between the state quantity and the spray temperature of the fuel injected into the combustion chamber, and determines the amount of water injected by the water injection device from the temperature difference between the estimated spray temperature and a target spray temperature.
また、本開示の制御方法は、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置と燃焼室内に水を噴射する水噴射装置とを備えるディーゼルエンジンの制御方法であって、燃焼室内に供給される吸気ガスに含まれる酸素の量を示す状態量を取得するステップと、上記状態量と燃焼室内に噴射された燃料の噴霧温度との予め求められた関係に従って、取得された上記状態量から噴霧温度を推定するステップと、推定された噴霧温度と噴霧温度の目標との温度差から、水噴射装置による水噴射量を決定するステップとを含む。 The control method disclosed herein is a control method for a diesel engine equipped with a fuel injection device that injects fuel into a combustion chamber and a water injection device that injects water into the combustion chamber, and includes the steps of: acquiring a state quantity indicating the amount of oxygen contained in the intake gas supplied to the combustion chamber; estimating the spray temperature from the acquired state quantity in accordance with a predetermined relationship between the state quantity and the spray temperature of the fuel injected into the combustion chamber; and determining the amount of water injected by the water injection device from the temperature difference between the estimated spray temperature and a target spray temperature.
上記のディーゼルエンジン及び制御方法では、燃焼室内の燃焼状態に直接関与する上記状態量から水噴射量が決定されるので、過渡運転時においても燃焼状態に基づいて適切な水噴射量を決定することができる。したがって、このディーゼルエンジン及び制御方法によれば、過渡運転時においても適量の水を噴射することができる。その結果、NOx量を十分に抑制することができ、また、燃焼温度の過度な低下による出力低下を抑制することができる。 In the above-described diesel engine and control method, the water injection amount is determined from the above-described state variables that directly affect the combustion state in the combustion chamber, making it possible to determine an appropriate water injection amount based on the combustion state even during transient operation. Therefore, with this diesel engine and control method, it is possible to inject an appropriate amount of water even during transient operation. As a result, the amount of NOx can be sufficiently suppressed, and a decrease in output due to an excessive drop in combustion temperature can be suppressed.
ディーゼルエンジンは、EGR装置をさらに備えてもよい。EGR装置は、エンジン本体を経由せずに排気通路を吸気通路と接続し、排気ガスの一部を吸気通路に還流するように構成される。そして、制御装置は、EGR装置による排気ガスの還流量の変更時に、上記温度差から水噴射量を決定してもよい。 The diesel engine may further include an EGR device. The EGR device connects the exhaust passage to the intake passage without passing through the engine body, and is configured to recirculate a portion of the exhaust gas to the intake passage. The control device may then determine the amount of water injection based on the temperature difference when changing the amount of exhaust gas recirculated by the EGR device.
EGR装置により排気ガスの一部を燃焼室内に還流させることにより、燃焼温度を抑制してNOx量の発生を抑制することができる。しかしながら、例えば、必要なEGRガス量が増加する過渡運転時に、実際のEGRガス量の増加には遅れが生じる。この場合、エンジンの回転数及び負荷に応じた水噴射量の設定では、実際のEGRガス量が必要量に到達するまで水量が不足し、その結果NOx量を十分に抑制できない可能性がある。上記のディーゼルエンジンでは、燃焼室内の燃焼状態に直接関与する上記状態量から上記温度差及び水噴射量が決定されるので、過渡運転時に上記のような水量不足が生じるのを抑制することができる。したがって、NOx量を十分に抑制することができる。 By using an EGR device to recirculate a portion of the exhaust gas back into the combustion chamber, it is possible to suppress the combustion temperature and reduce the amount of NOx generated. However, for example, during transient operation when the required amount of EGR gas increases, there is a delay in the increase in the actual amount of EGR gas. In this case, if the water injection amount is set according to the engine speed and load, there may not be enough water until the actual amount of EGR gas reaches the required amount, and as a result, the amount of NOx may not be sufficiently suppressed. In the above-mentioned diesel engine, the temperature difference and water injection amount are determined from the above-mentioned state quantities that directly affect the combustion state in the combustion chamber, so it is possible to suppress the above-mentioned water shortage during transient operation. Therefore, the amount of NOx can be sufficiently suppressed.
制御装置は、EGR装置の作動が制限されるエンジン本体の冷間始動時に、上記温度差から水噴射量を決定してもよい。 The control device may determine the amount of water injection based on the temperature difference during a cold start of the engine body, when operation of the EGR device is restricted.
エンジンの冷間始動時は、EGR装置を作動させると凝縮水が生成されるため、EGR装置の作動が制限される場合がある。EGR装置の作動が制限されると、燃焼温度が高くなりNOx量が増加する可能性がある。このディーゼルエンジンでは、上述のとおり上記状態量から水噴射量が決定されるので、燃焼温度を適切に抑制することができる。したがって、NOx量を十分に抑制することができる。 When the engine is cold started, operation of the EGR device may be restricted because condensed water is generated when the EGR device is activated. Restricting operation of the EGR device may increase the combustion temperature and the amount of NOx. In this diesel engine, the amount of water injection is determined from the above state quantities as described above, so the combustion temperature can be appropriately suppressed. Therefore, the amount of NOx can be sufficiently suppressed.
噴霧温度の目標は、エンジン本体の回転数及び負荷に基づいて決定されてもよい。
これにより、エンジン本体の回転数及び負荷に基づき決定される目標噴霧温度に噴霧温度を近づけることができる。したがって、NOx量を適切に抑制することができる。
The target spray temperature may be determined based on the engine speed and load.
This allows the spray temperature to approach the target spray temperature determined based on the engine speed and load, thereby making it possible to appropriately suppress the amount of NOx.
予め求められた関係は、上記状態量と、エンジン本体の1ストロークにおける噴霧温度の最大値との関係であってもよい。そして、制御装置は、その関係に従って、取得部により取得された上記状態量から噴霧温度の最大値を推定し、その推定された噴霧温度の最大値と、噴霧温度の最大値の目標との温度差から、水噴射量を決定してもよい。 The predetermined relationship may be the relationship between the state quantity and the maximum value of the spray temperature in one stroke of the engine body. The control device may then estimate the maximum value of the spray temperature from the state quantity acquired by the acquisition unit in accordance with this relationship, and determine the water injection amount from the temperature difference between the estimated maximum value of the spray temperature and the target maximum value of the spray temperature.
このように噴霧温度の最大値を用いることにより、噴霧温度を十分かつ適切に抑制することができる。 By using the maximum spray temperature in this way, the spray temperature can be sufficiently and appropriately controlled.
制御装置は、エンジン本体の運転状態に応じて定まる燃焼室内の噴霧ガスの質量、噴霧内ガス定圧比熱、及び上記温度差を乗算した値を、水の蒸発潜熱値で除算することにより、水噴射量を算出してもよい。 The control device may calculate the amount of water injection by multiplying the mass of spray gas in the combustion chamber, which is determined depending on the operating state of the engine body, the constant pressure specific heat of the spray gas, and the temperature difference, and dividing the result by the latent heat of vaporization of water.
これにより、水噴射量を適切に算出することができる。 This allows the amount of water sprayed to be calculated appropriately.
本開示のディーゼルエンジン及びその制御方法によれば、エンジンの状態が変化する過渡運転時においても適量の水を噴射することができる。その結果、NOx量を十分に抑制することができ、また、燃焼温度の過度な低下による出力低下を抑制することができる。 The diesel engine and control method disclosed herein enable an appropriate amount of water to be injected even during transient operation when the engine's condition changes. As a result, the amount of NOx can be sufficiently suppressed, and a decrease in output due to an excessive drop in combustion temperature can be suppressed.
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Embodiments of the present disclosure will now be described in detail with reference to the drawings. Note that identical or equivalent parts in the drawings will be designated by the same reference numerals and their description will not be repeated.
図1は、本開示の実施の形態に従うディーゼルエンジンの全体構成図である。図1を参照して、ディーゼルエンジン1は、エンジン本体10と、吸気管11A,11Bと、吸気マニホールド11Cと、排気マニホールド12Aと、排気管12B,12Cと、ターボ過給機30と、EGR装置13と、制御装置50とを備える。 Figure 1 is an overall configuration diagram of a diesel engine according to an embodiment of the present disclosure. Referring to Figure 1, the diesel engine 1 includes an engine body 10, intake pipes 11A and 11B, an intake manifold 11C, an exhaust manifold 12A, exhaust pipes 12B and 12C, a turbocharger 30, an EGR device 13, and a control device 50.
また、ディーゼルエンジン1は、吸気流量センサ21と、インタークーラ16と、スロットル装置47と、圧力センサ24とをさらに備える。 The diesel engine 1 also includes an intake flow sensor 21, an intercooler 16, a throttle device 47, and a pressure sensor 24.
吸気管11Aは、ターボ過給機30のコンプレッサ35の流入側に接続され、コンプレッサ35の流出側に吸気管11Bが接続される。エンジン本体10の吸気側には、吸気マニホールド11Cが設けられており、吸気管11Bは、吸気マニホールド11Cに接続される。 The intake pipe 11A is connected to the inlet side of the compressor 35 of the turbocharger 30, and the intake pipe 11B is connected to the outlet side of the compressor 35. An intake manifold 11C is provided on the intake side of the engine body 10, and the intake pipe 11B is connected to the intake manifold 11C.
吸気流量センサ21は、吸気管11Aに設けられ、吸気管11Aに導入される空気の流量を検出する。ターボ過給機30は、コンプレッサインペラ35Aを有するコンプレッサ35と、タービンインペラ36Aを有するタービン36とを含む。コンプレッサインペラ35Aは、排気ガスによって回転駆動されるタービンインペラ36Aにより回転駆動され、吸気管11Aを通じて吸入される空気を過給して吸気管11Bに供給する。 The intake air flow sensor 21 is provided in the intake pipe 11A and detects the flow rate of air introduced into the intake pipe 11A. The turbocharger 30 includes a compressor 35 having a compressor impeller 35A and a turbine 36 having a turbine impeller 36A. The compressor impeller 35A is driven to rotate by the turbine impeller 36A, which is driven to rotate by exhaust gas, and supercharges the air drawn in through the intake pipe 11A and supplies it to the intake pipe 11B.
インタークーラ16は、吸気管11Bに設けられ、コンプレッサ35により過給された空気を冷却する空冷式又は水冷式の熱交換器である。スロットル装置47は、吸気管11Bにおいてインタークーラ16の下流側に設けられ、制御装置50からの制御信号に基づいてスロットルバルブ47Aを駆動することにより吸気流量を調整する。圧力センサ24は、吸気管11Bにおいてスロットル装置47の下流側に設けられ、吸気マニホールド11Cに供給される吸気ガスの圧力を検出して制御装置50へ出力する。 The intercooler 16 is an air-cooled or water-cooled heat exchanger provided in the intake pipe 11B that cools the air supercharged by the compressor 35. The throttle device 47 is provided downstream of the intercooler 16 in the intake pipe 11B and adjusts the intake air flow rate by driving a throttle valve 47A based on a control signal from the control device 50. The pressure sensor 24 is provided downstream of the throttle device 47 in the intake pipe 11B and detects the pressure of the intake gas supplied to the intake manifold 11C and outputs the detected pressure to the control device 50.
ディーゼルエンジン1は、コモンレール41と、燃料配管42A~42Dと、燃料噴射弁43A~43Dと、水供給用コモンレール61と、水配管62A~62Dと、水噴射弁63A~63Dと、供給管65と、ポンプ66と、水タンク67とをさらに備える。 The diesel engine 1 further includes a common rail 41, fuel pipes 42A-42D, fuel injection valves 43A-43D, a water supply common rail 61, water pipes 62A-62D, water injection valves 63A-63D, a supply pipe 65, a pump 66, and a water tank 67.
エンジン本体10には、複数のシリンダ45A~45Dが設けられている。なお、この例では、4つのシリンダ45A~45Dが示されているが、シリンダの数はこれに限定されるものではない。 The engine body 10 is provided with multiple cylinders 45A-45D. Note that in this example, four cylinders 45A-45D are shown, but the number of cylinders is not limited to this.
燃料噴射弁43A~43Dは、それぞれシリンダ45A~45Dに設けられる。燃料噴射弁43A~43Dには、コモンレール41からそれぞれ燃料配管42A~42Dを通じて燃料が供給される。燃料噴射弁43A~43Dは、制御装置50からの制御信号によって駆動され、それぞれシリンダ45A~45D内に燃料を噴射する。 Fuel injection valves 43A to 43D are provided in cylinders 45A to 45D, respectively. Fuel is supplied to the fuel injection valves 43A to 43D from the common rail 41 via fuel pipes 42A to 42D, respectively. The fuel injection valves 43A to 43D are driven by control signals from the control device 50, and inject fuel into the cylinders 45A to 45D, respectively.
水噴射弁63A~63Dも、それぞれシリンダ45A~45Dに設けられる。水噴射弁63A~63Dには、水供給用コモンレール61からそれぞれ水配管62A~62Dを通じて水(非燃焼性液体)が供給される。水噴射弁63A~63Dは、制御装置50からの制御信号によって駆動され、それぞれシリンダ45A~45D内に水を噴射する。 Water injection valves 63A-63D are also provided in cylinders 45A-45D, respectively. Water (non-flammable liquid) is supplied to the water injection valves 63A-63D from the water supply common rail 61 via water pipes 62A-62D, respectively. The water injection valves 63A-63D are driven by control signals from the control device 50, and inject water into the cylinders 45A-45D, respectively.
水供給用コモンレール61は、供給管65を通じて水タンク67に連結されている。供給管65には、ポンプ66が設けられ、ポンプ66により水タンク67から供給管65を通じて水供給用コモンレール61へ水が供給される。 The water supply common rail 61 is connected to a water tank 67 via a supply pipe 65. A pump 66 is provided on the supply pipe 65, and the pump 66 supplies water from the water tank 67 through the supply pipe 65 to the water supply common rail 61.
エンジン本体10の排気側には、排気マニホールド12Aが設けられており、排気マニホールド12Aに排気管12Bが接続される。排気管12Bの流出側は、ターボ過給機30のタービン36の流入側に接続され、タービン36の流出側に排気管12Cが接続されている。 An exhaust manifold 12A is provided on the exhaust side of the engine body 10, and an exhaust pipe 12B is connected to the exhaust manifold 12A. The outlet side of the exhaust pipe 12B is connected to the inlet side of the turbine 36 of the turbocharger 30, and an exhaust pipe 12C is connected to the outlet side of the turbine 36.
ディーゼルエンジン1は、温度センサ29と、圧力センサ26とをさらに備える。温度センサ29は、排気管12Bに設けられ、エンジン本体10から排出される排気温度を検出する。圧力センサ26は、排気管12Bに設けられ、排気管12B内の排気ガスの圧力を検出して制御装置50へ出力する。 The diesel engine 1 further includes a temperature sensor 29 and a pressure sensor 26. The temperature sensor 29 is provided in the exhaust pipe 12B and detects the temperature of the exhaust gas discharged from the engine body 10. The pressure sensor 26 is provided in the exhaust pipe 12B and detects the pressure of the exhaust gas in the exhaust pipe 12B and outputs the detected pressure to the control device 50.
なお、図1には示されていないが、排気管12Cには、排気ガス浄化装置が設けられている。排気ガス浄化装置は、例えば、酸化触媒、微粒子捕集フィルタ、選択還元触媒等を含んで構成される。 Although not shown in FIG. 1, an exhaust gas purification device is provided in the exhaust pipe 12C. The exhaust gas purification device may include, for example, an oxidation catalyst, a particulate filter, a selective reduction catalyst, etc.
EGR装置13は、EGR配管13A,13Bと、経路切替装置14Aと、EGRバルブ14Bと、EGRクーラ15と、バイパス配管13Cとを含む。EGR配管13Aは、排気管12Bに接続され、EGR配管13Bは、吸気管11Bに接続される。EGR配管13A,13Bによって排気管12Bと吸気管11Bとが連通し、排気管12Bの排気ガスの一部(EGRガス)をエンジン本体10の吸気側に還流させることができる。 The EGR device 13 includes EGR pipes 13A and 13B, a path switching device 14A, an EGR valve 14B, an EGR cooler 15, and a bypass pipe 13C. The EGR pipe 13A is connected to the exhaust pipe 12B, and the EGR pipe 13B is connected to the intake pipe 11B. The EGR pipes 13A and 13B connect the exhaust pipe 12B and the intake pipe 11B, allowing a portion of the exhaust gas (EGR gas) in the exhaust pipe 12B to be recirculated to the intake side of the engine body 10.
経路切替装置14Aは、EGR配管13Aを通じて還流されるEGRガスを、EGRクーラ15を経由して吸気管11Bに戻すEGRクーラ経路と、バイパス配管13CによりEGRクーラ15をバイパスして吸気管11Bに戻すバイパス経路とを切り替える経路切替弁である。 The path switching device 14A is a path switching valve that switches between an EGR cooler path that returns the EGR gas recirculated through the EGR pipe 13A to the intake pipe 11B via the EGR cooler 15, and a bypass path that bypasses the EGR cooler 15 via the bypass pipe 13C and returns the EGR gas to the intake pipe 11B.
EGRバルブ14Bは、EGR配管13Bに設けられ、バイパス配管13Cの合流部よりも下流側に設けられる。EGRバルブ14Bは、制御装置50からの制御信号に基づいて、EGR配管13B内を流れるEGRガスの流量(すなわち、吸気管11Bに還流されるEGRガスの流量)を調整する。 The EGR valve 14B is provided in the EGR pipe 13B, downstream of the junction with the bypass pipe 13C. The EGR valve 14B adjusts the flow rate of EGR gas flowing through the EGR pipe 13B (i.e., the flow rate of EGR gas recirculated to the intake pipe 11B) based on a control signal from the control device 50.
EGRクーラ15は、EGR配管13AとEGR配管13Bとの間に設けられ、EGRガスを冷却する熱交換器である。EGRクーラ15は、EGR配管13Aから流入するEGRガスを冷却してEGR配管13Bへ吐出する。 The EGR cooler 15 is a heat exchanger that is provided between the EGR pipes 13A and 13B and cools the EGR gas. The EGR cooler 15 cools the EGR gas flowing in from the EGR pipe 13A and discharges it into the EGR pipe 13B.
制御装置50は、少なくとも、プロセッサ51と、記憶装置53とを含んで構成される。プロセッサ51は、CPU(Central Processing Unit)やMPU(Micro Processing Unit)等によって構成される。記憶装置53は、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、ハードディスク等を含んで構成される。ROMには、プロセッサ51により実行される処理プログラムが記憶されており、プロセッサ51は、ROMに格納されている処理プログラムをRAMに展開して実行する。 The control device 50 is configured to include at least a processor 51 and a storage device 53. The processor 51 is configured with a CPU (Central Processing Unit), an MPU (Micro Processing Unit), etc. The storage device 53 is configured to include a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), a hard disk, etc. The ROM stores processing programs executed by the processor 51, and the processor 51 loads the processing programs stored in the ROM into the RAM and executes them.
制御装置50は、各種センサからの検出信号に基づいてディーゼルエンジン1の運転状態を検出し、燃料噴射弁43A~43D、水噴射弁63A~63D、EGRバルブ14B等を含む各種のアクチュエータを制御する。 The control device 50 detects the operating state of the diesel engine 1 based on detection signals from various sensors and controls various actuators, including the fuel injection valves 43A-43D, water injection valves 63A-63D, and EGR valve 14B.
ディーゼルエンジン1は、回転角センサ22と、大気圧センサ23と、アクセルペダルセンサ25と、車速センサ27とをさらに備える。回転角センサ22は、エンジン本体10のクランクシャフトの回転角(クランク角度)を検出する。大気圧センサ23は、周囲の大気圧を検出する。アクセルペダルセンサ25は、運転者によるアクセルペダルの踏込量を検出する。車速センサ27は、ディーゼルエンジン1が搭載される車両の車輪の回転速度を検出する。 The diesel engine 1 further includes a rotation angle sensor 22, an atmospheric pressure sensor 23, an accelerator pedal sensor 25, and a vehicle speed sensor 27. The rotation angle sensor 22 detects the rotation angle (crank angle) of the crankshaft of the engine main body 10. The atmospheric pressure sensor 23 detects the surrounding atmospheric pressure. The accelerator pedal sensor 25 detects the amount of accelerator pedal depression by the driver. The vehicle speed sensor 27 detects the rotation speed of the wheels of the vehicle in which the diesel engine 1 is installed.
上記のディーゼルエンジン1においては、シリンダ45A~45D内に形成される燃焼室内の燃焼温度が高くなると排気ガス中のNOx量が増加するため、シリンダ45A~45D内(燃焼室内)に水を噴射して燃焼温度を低下させるための水噴射弁63A~63Dが設けられている。 In the diesel engine 1 described above, the amount of NOx in the exhaust gas increases as the combustion temperature in the combustion chambers formed in cylinders 45A-45D increases. Therefore, water injection valves 63A-63D are provided to inject water into cylinders 45A-45D (inside the combustion chambers) to lower the combustion temperature.
図2は、シリンダ45Aにおける燃料噴射弁43A及び水噴射弁63Aの配置例を示す図である。なお、その他のシリンダ45B~45Dにおける燃料噴射弁43B~43D及び水噴射弁63B~63Dの配置も、シリンダ45Aにおける燃料噴射弁43A及び水噴射弁63Aの配置と同様である。 Figure 2 shows an example of the arrangement of the fuel injection valve 43A and water injection valve 63A in cylinder 45A. Note that the arrangement of the fuel injection valves 43B-43D and water injection valves 63B-63D in the other cylinders 45B-45D is similar to the arrangement of the fuel injection valve 43A and water injection valve 63A in cylinder 45A.
図2を参照して、エンジン本体10は、シリンダ45Aが形成されるシリンダブロック71と、シリンダヘッド72とを備えている。シリンダ45A内には、シリンダ45A内を往復運動するピストン73が設けられている。ピストン73とシリンダヘッド72との間のシリンダ45A内に、混合気が燃焼する燃焼室75が形成される。ピストン73の頂面には、凹状に形成されたキャビティ76が形成されている。 Referring to Figure 2, the engine body 10 includes a cylinder block 71 in which a cylinder 45A is formed, and a cylinder head 72. A piston 73 that reciprocates within the cylinder 45A is provided within the cylinder 45A. A combustion chamber 75 in which the air-fuel mixture is burned is formed within the cylinder 45A between the piston 73 and the cylinder head 72. A concave cavity 76 is formed in the top surface of the piston 73.
燃料噴射弁43Aは、燃焼室75の上壁面の中央に配置され、ピストン73に形成されたキャビティ76内の周辺部に向けて燃料Fが直接噴射されるように構成されている(図2の下図参照)。水噴射弁63Aは、燃焼室75の上壁面の周辺部に、燃料噴射弁43Aに対して斜めに傾斜して配置される。水噴射弁63Aは、燃料噴射弁43Aの複数(例えば8個)の燃料噴射口(図示せず)の周囲の所定領域FLに水68を噴射(供給)するように構成されている(図2の上図参照)。これにより、所定領域FLが水68の気化熱によって燃料Fの着火温度よりも低い温度に冷却される。 The fuel injection valve 43A is located at the center of the upper wall of the combustion chamber 75 and is configured to inject fuel F directly toward the periphery of a cavity 76 formed in the piston 73 (see the bottom diagram in Figure 2). The water injection valve 63A is located at an angle relative to the fuel injection valve 43A on the periphery of the upper wall of the combustion chamber 75. The water injection valve 63A is configured to inject (supply) water 68 into a predetermined region FL around multiple (e.g., eight) fuel injection ports (not shown) of the fuel injection valve 43A (see the top diagram in Figure 2). As a result, the predetermined region FL is cooled to a temperature lower than the ignition temperature of the fuel F by the heat of vaporization of the water 68.
水噴射弁63A~63Dによる燃焼室内への水噴射により、燃焼温度を抑制して排気ガス中のNOx量を抑制できる一方で、過度の水噴射は燃焼温度の過度な低下による出力低下を招くため、水噴射弁63A~63Dによる水噴射については適量が求められる。そこで、例えば、エンジンの回転数及び負荷に応じて、燃焼温度を過度に低下させることなくNOx量を低減可能な水噴射量を設定することが考えられる。 While water injection into the combustion chamber using water injection valves 63A-63D can suppress the combustion temperature and reduce the amount of NOx in the exhaust gas, excessive water injection can result in a decrease in output due to an excessive drop in combustion temperature, so an appropriate amount of water must be injected using water injection valves 63A-63D. Therefore, for example, it is possible to set a water injection amount that can reduce the amount of NOx without excessively lowering the combustion temperature, depending on the engine speed and load.
しかしながら、エンジンの回転数及び負荷に応じた水噴射量の設定では、エンジンの状態が変化する過渡運転時にNOx量を十分に抑制できない可能性がある。具体的には、必要なEGRガス量が増加する過渡運転時において、実際のEGRガス量の増加には遅れが生じる。そのため、エンジンの回転数及び負荷に応じた水噴射量の設定では、実際のEGRガス量が必要量に到達するまで水量が不足し、その結果NOx量を十分に抑制できない可能性がある。 However, setting the water injection amount according to the engine speed and load may not be able to sufficiently suppress NOx emissions during transient operation when the engine state changes. Specifically, during transient operation when the required EGR gas amount increases, there is a delay in the increase in the actual EGR gas amount. Therefore, setting the water injection amount according to the engine speed and load may result in an insufficient amount of water until the actual EGR gas amount reaches the required amount, and as a result, NOx emissions may not be sufficiently suppressed.
図3は、参考例として、エンジンの過渡運転時におけるNOx量の推移の一例を示す図である。図3において、EGR率とは、エンジン本体に供給される吸気ガス中に占めるEGRガス量の割合を示す。線L1(点線)は、EGR率の目標値(目標EGR率)であり、目標EGR率は、この例ではエンジンの回転数及び負荷(燃料噴射量等)から決定される。線L2(実線)は、EGR率の実績値(実績EGR率)である。線L3は、NOx量の推移を示す。 Figure 3 is a diagram showing, as a reference example, an example of the change in NOx amount during transient engine operation. In Figure 3, the EGR rate indicates the proportion of EGR gas in the intake gas supplied to the engine body. Line L1 (dotted line) is the target value of the EGR rate (target EGR rate), which in this example is determined from the engine speed and load (fuel injection amount, etc.). Line L2 (solid line) is the actual value of the EGR rate (actual EGR rate). Line L3 shows the change in NOx amount.
図3を参照して、実績EGR率の変化(線L2)は、目標EGR率の変化(線L1)に対して遅れを有する。具体的には、目標EGR率については、時刻t1においてピークとなっているのに対して、実績EGR率については、時刻t1よりも遅れた時刻t2においてピークとなっている。これは、目標EGR率の上昇に応じてEGRバルブの開度が増加してからその開度変化が燃焼室に供給される吸気ガスのEGR率の変化に表れるまでにはタイムラグが生じるためである。この遅れにより、時刻t1から時刻t2の間は、目標EGR率に対して実績EGR率が低くなっている。 Referring to Figure 3, the change in the actual EGR rate (line L2) lags behind the change in the target EGR rate (line L1). Specifically, the target EGR rate peaks at time t1, while the actual EGR rate peaks at time t2, which is later than time t1. This is because there is a time lag between when the opening of the EGR valve increases in response to an increase in the target EGR rate and when this change in opening is reflected in a change in the EGR rate of the intake gas supplied to the combustion chamber. Due to this delay, the actual EGR rate is lower than the target EGR rate between time t1 and time t2.
この参考例では、目標EGR率がエンジンの回転数及び負荷から決定されることに応じて、水噴射量もエンジンの回転数及び負荷に基づいて決定される。そのため、時刻t1から時刻t2の間において、目標EGR率よりも低い実績EGR率に対しては水噴射量が少ない状態となり、その結果、燃焼温度を十分に抑制できずにNOx量が増加している(線L3)。時刻t3,t4についても同様であり、時刻t3から時刻t4の間のEGR遅れによりNOx量が増加している。 In this reference example, the target EGR rate is determined from the engine speed and load, and the water injection amount is also determined based on the engine speed and load. Therefore, between time t1 and time t2, the water injection amount is small for an actual EGR rate that is lower than the target EGR rate, and as a result, the combustion temperature cannot be sufficiently suppressed, causing an increase in the amount of NOx (line L3). The same is true for times t3 and t4, where the amount of NOx increases due to the EGR delay between time t3 and time t4.
そこで、本実施の形態に従うディーゼルエンジン1においては、エンジン本体10の回転数及び負荷に基づく水噴射量をベースとしつつ、燃焼状態に直接関与する状態量である吸気酸素の量を用いて水噴射量が決定される。吸気酸素は、燃焼室に供給される吸気ガスに含まれる酸素であり、本実施の形態では、上記状態量として、吸気ガス中の吸気酸素の質量分率が用いられる。このような燃焼室内の燃焼状態に直接関与する状態量から水噴射量を決定することにより、過渡運転時においても燃焼状態に基づいて適切な水噴射量を決定することができる。 In the diesel engine 1 according to this embodiment, the amount of water injection is determined based on the engine speed and load of the engine body 10, and also using the amount of intake oxygen, a state quantity that directly affects the combustion state. Intake oxygen is oxygen contained in the intake gas supplied to the combustion chamber, and in this embodiment, the mass fraction of intake oxygen in the intake gas is used as the state quantity. By determining the amount of water injection from such a state quantity that directly affects the combustion state in the combustion chamber, an appropriate amount of water injection can be determined based on the combustion state even during transient operation.
図4は、燃焼室内における噴霧平均温度の最大値の推移例を示す図である。図4において、線L4は、噴霧平均温度の最大値(以下、単に「噴霧温度」と称する場合がある。)Tmaxを示し、線L5は、噴霧温度Tmaxの目標値(以下、単に「目標噴霧温度」と称する。)Tmax0を示す。この図4では、参考例として、線L4については、上記のような本実施の形態における水噴射量の設定が行なわれない場合の温度推移が示されている。 Figure 4 shows an example of the progression of the maximum value of the average spray temperature in the combustion chamber. In Figure 4, line L4 indicates the maximum value of the average spray temperature (hereinafter sometimes simply referred to as the "spray temperature") Tmax, and line L5 indicates the target value of the spray temperature Tmax (hereinafter simply referred to as the "target spray temperature") Tmax0. In Figure 4, as a reference example, line L4 shows the temperature progression when the water injection amount setting in this embodiment as described above is not performed.
なお、噴霧平均温度とは、燃焼室内の燃焼温度の空間的平均値を示し、噴霧平均温度の最大値とは、エンジンの1ストロークにおける噴霧平均温度の最大値を示す。目標噴霧温度Tmax0は、目標のNOx量を得るのに必要な噴霧温度Tmaxであり、この実施の形態では、エンジン本体10の回転数及び負荷に基づいて決定される。目標噴霧温度Tmax0は、実験やシミュレーション等により予め求められ、エンジン本体10の回転数及び負荷をパラメータとするマップとして記憶装置53に記憶されている。 Note that the average spray temperature refers to the spatial average value of the combustion temperature within the combustion chamber, and the maximum average spray temperature refers to the maximum average spray temperature during one stroke of the engine. The target spray temperature Tmax0 is the spray temperature Tmax required to achieve the target amount of NOx, and in this embodiment, is determined based on the engine speed and load of the engine body 10. The target spray temperature Tmax0 is determined in advance through experiments, simulations, etc., and is stored in the storage device 53 as a map with the engine speed and load of the engine body 10 as parameters.
図4を参照して、エンジン本体10の状態が変化(例えば、図3で説明した過渡変化)したことにより、時刻t11,t12において噴霧温度Tmax(線L4)が目標噴霧温度Tmax0(線L5)に対して上昇している。この例では、時刻t11において、噴霧温度Tmaxと目標噴霧温度Tmax0との温度差ΔT(1)が生じており、時刻t12において、噴霧温度Tmaxと目標噴霧温度Tmax0との温度差ΔT(2)が生じている。このような噴霧温度Tmaxの上昇は、NOx量の増加を招く。 Referring to Figure 4, due to a change in the state of the engine body 10 (for example, the transient change described in Figure 3), the spray temperature Tmax (line L4) rises relative to the target spray temperature Tmax0 (line L5) at times t11 and t12. In this example, at time t11, a temperature difference ΔT(1) occurs between the spray temperature Tmax and the target spray temperature Tmax0, and at time t12, a temperature difference ΔT(2) occurs between the spray temperature Tmax and the target spray temperature Tmax0. This rise in spray temperature Tmax leads to an increase in the amount of NOx.
本実施の形態では、この温度差ΔTを吸気酸素量(吸気酸素の質量分率)から推定する。そして、推定された温度差ΔTに基づいて、温度差ΔTを抑制するように水噴射弁63A~63Dの水噴射量を決定する。これにより、過渡運転時においても適量の水を噴射することができる。その結果、NOx量を十分に抑制することができ、また、噴霧温度の過度な低下によるエンジンの出力低下を抑制することができる。以下、上記の温度差ΔT及びそれに基づく水噴射量の算出方法について説明する。 In this embodiment, this temperature difference ΔT is estimated from the intake oxygen amount (mass fraction of intake oxygen). Then, based on the estimated temperature difference ΔT, the water injection amount of the water injection valves 63A to 63D is determined so as to suppress the temperature difference ΔT. This makes it possible to inject an appropriate amount of water even during transient operation. As a result, the amount of NOx can be sufficiently suppressed, and a decrease in engine output due to an excessive drop in spray temperature can be suppressed. Below, we will explain the above temperature difference ΔT and the method for calculating the water injection amount based on it.
本実施の形態に従うディーゼルエンジン1においては、事前の実験或いはシミュレーション等から導出された以下の実験式(1)を用いて、燃料の噴霧温度Tmax(K)が算出される。 In the diesel engine 1 according to this embodiment, the fuel spray temperature Tmax (K) is calculated using the following empirical formula (1), which was derived from prior experiments or simulations.
この式(1)は、NOx発生量と噴霧温度との間にアレニウスの式が成り立つと仮定して、温度パラメータをe(ネイピア数)の指数項に有するアレニウス型のモデルを採用したものである。式(1)において、Yは吸気酸素の質量分率を示し、Y0はベース条件における吸気酸素の質量分率を示す。 This equation (1) assumes that the Arrhenius equation holds between NOx generation rate and spray temperature, and employs an Arrhenius-type model with a temperature parameter in the exponential term of e (Napier's number). In equation (1), Y represents the mass fraction of intake oxygen, and Y0 represents the mass fraction of intake oxygen under base conditions.
吸気酸素の質量分率Yは、吸気流量センサ21により検出される吸入空気量と、EGR量(率)とから、公知の手法を用いて算出することができる。なお、EGR量(率)は、吸気流量センサ21により検出される吸入空気量と、圧力センサ24の検出値とから、公知の手法を用いて推定することができる。 The mass fraction Y of intake oxygen can be calculated using known methods from the intake air volume detected by the intake flow sensor 21 and the EGR volume (rate). The EGR volume (rate) can be estimated using known methods from the intake air volume detected by the intake flow sensor 21 and the value detected by the pressure sensor 24.
ベース条件とは、ディーゼルエンジン1の定常運転下における、演算時のエンジン回転数及びエンジン負荷に基づく条件である。具体的には、Y0は、演算時のエンジン本体10の回転数及び負荷における吸気酸素の質量分率であり、Tmax0は、演算時のエンジン本体10の回転数及び負荷における噴霧温度(噴射平均温度の最大値)である。このベース条件における吸気酸素の質量分率Y0及び噴霧温度Tmax0は、それぞれ吸気酸素の質量分率Y及び噴霧温度Tmaxの目標値に相当する。吸気酸素の質量分率Y0及び噴霧温度Tmax0は、エンジン本体10の回転数及び負荷をパラメータとして実験やシミュレーション等により予め求められ、マップとして記憶装置53に記憶されている。 The base conditions are conditions based on the engine speed and engine load at the time of calculation under steady-state operation of the diesel engine 1. Specifically, Y0 is the mass fraction of intake oxygen at the engine speed and load of the engine body 10 at the time of calculation, and Tmax0 is the spray temperature (maximum value of the average injection temperature) at the engine speed and load of the engine body 10 at the time of calculation. The intake oxygen mass fraction Y0 and spray temperature Tmax0 under these base conditions correspond to the target values of the intake oxygen mass fraction Y and spray temperature Tmax, respectively. The intake oxygen mass fraction Y0 and spray temperature Tmax0 are determined in advance by experiments, simulations, etc. using the engine speed and load of the engine body 10 as parameters, and are stored in the storage device 53 as a map.
ベース条件における吸気酸素の質量分率Y0及び噴霧温度Tmax0を演算時のエンジン本体10の回転数及び負荷に基づいて上記マップから取得し、式(1)を用いて吸気酸素の質量分率Yから噴霧温度Tmaxを算出することができる。なお、エンジン本体10の回転数は、回転角センサ22の検出値から算出することができる。エンジン本体10の負荷は、例えば、燃料噴射弁43A~43Dからの燃料噴射量、及び/又はアクセルペダルセンサ25により検出されるアクセルペダルの踏込量から算出される。 The intake oxygen mass fraction Y0 and spray temperature Tmax0 under base conditions are obtained from the map based on the engine speed and load of the engine body 10 at the time of calculation, and the spray temperature Tmax can be calculated from the intake oxygen mass fraction Y using equation (1). The engine speed of the engine body 10 can be calculated from the detection value of the rotation angle sensor 22. The load on the engine body 10 is calculated, for example, from the fuel injection amount from the fuel injection valves 43A-43D and/or the accelerator pedal depression amount detected by the accelerator pedal sensor 25.
そして、算出された噴霧温度Tmaxとベース条件における噴霧温度Tmax0との温度差ΔTが次式(2)により算出される。 Then, the temperature difference ΔT between the calculated spray temperature Tmax and the spray temperature Tmax0 under base conditions is calculated using the following equation (2):
ΔT=Tmax-Tmax0 …(2)
本実施の形態では、この温度差ΔTから、各水噴射弁63A~63Dの水噴射量Qw(g)が算出される。水噴射量Qwは、噴霧温度Tmaxを温度差ΔTだけ下げるのに必要な量として、次式により算出される。
ΔT=Tmax-Tmax0...(2)
In this embodiment, the water injection amount Qw (g) of each water injection valve 63A to 63D is calculated from this temperature difference ΔT. The water injection amount Qw is the amount required to lower the spray temperature Tmax by the temperature difference ΔT, and is calculated using the following formula:
Qw=Ms×Cp×ΔT/Hw …(3)
Msは、燃焼室内に燃料が噴霧されることにより生成される噴霧ガス(吸気ガスと燃料との混合ガス)の質量(g)を示す。また、Cpは噴霧内ガス定圧比熱(kJ/(kg・K))を示し、Hwは水の蒸発潜熱(kJ/kg)を示す。
Qw=Ms×Cp×ΔT/Hw…(3)
Ms denotes the mass (g) of the spray gas (a mixture of intake gas and fuel) generated by spraying fuel into the combustion chamber, Cp denotes the constant pressure specific heat of the spray gas (kJ/(kg·K)), and Hw denotes the latent heat of vaporization of water (kJ/kg).
なお、噴霧ガス質量Msは、各燃料噴射弁43B~43Dからの燃料の噴射量或いは噴射圧力に依存し、エンジン本体10の運転条件によって変化するパラメータである。噴霧ガス質量Msは、例えば、エンジン本体10の回転数及び負荷(燃料噴射量等)をパラメータとして実験やシミュレーション等により予め求められ、マップとして記憶装置53に記憶されている。 The spray gas mass Ms is a parameter that depends on the amount or injection pressure of fuel injected from each fuel injection valve 43B-43D and varies depending on the operating conditions of the engine body 10. The spray gas mass Ms is determined in advance, for example, through experiments or simulations using the engine speed and load (fuel injection amount, etc.) of the engine body 10 as parameters, and is stored in the storage device 53 as a map.
図5は、ベース条件からの噴霧温度の温度差ΔTと水噴射量Qwとの関係の一例を示す図である。図5において、横軸は、噴霧温度Tmaxとベース条件における噴霧温度Tmax0との温度差ΔTを示し、縦軸は水噴射量Qwを示す。 Figure 5 shows an example of the relationship between the temperature difference ΔT in the spray temperature from the base conditions and the water injection amount Qw. In Figure 5, the horizontal axis represents the temperature difference ΔT between the spray temperature Tmax and the spray temperature Tmax0 under the base conditions, and the vertical axis represents the water injection amount Qw.
図5を参照して、線L11は、エンジンの回転数が1200rpmで燃料噴射量が20qv(mm3/st)(「st」はストロークを示す)であるときの関係を示す。また、線L12は、エンジンの回転数が1600rpmで燃料噴射量が30qvであるときの関係を示し、線L13は、エンジンの回転数が2000rpmで燃料噴射量が50qvであるときの関係を示す。 5, line L11 shows the relationship when the engine speed is 1200 rpm and the fuel injection amount is 20 qv ( mm3 /st) ("st" indicates stroke), line L12 shows the relationship when the engine speed is 1600 rpm and the fuel injection amount is 30 qv, and line L13 shows the relationship when the engine speed is 2000 rpm and the fuel injection amount is 50 qv.
このように、本実施の形態に従うディーゼルエンジン1では、式(1)を用いて吸気酸素量(吸気酸素の質量分率Y)から燃料の噴霧温度Tmaxが算出され、ベース条件からの噴霧温度の温度差ΔTに基づいて、各水噴射弁63A~63Dの水噴射量Qwが決定される。 In this way, in the diesel engine 1 according to this embodiment, the fuel spray temperature Tmax is calculated from the intake oxygen amount (intake oxygen mass fraction Y) using equation (1), and the water injection amount Qw of each water injection valve 63A-63D is determined based on the temperature difference ΔT in the spray temperature from the base conditions.
図6は、制御装置50により実行される水噴射弁63A~63Dの水噴射量の算出処理を説明するフローチャートである。このフローチャートに示される一連の処理は、ディーゼルエンジン1の運転中に、所定時間毎或いは所定の条件が成立する毎に繰り返し実行される。 Figure 6 is a flowchart illustrating the process executed by the control device 50 to calculate the water injection amount of the water injection valves 63A-63D. The series of processes shown in this flowchart are repeatedly executed at predetermined time intervals or whenever predetermined conditions are met while the diesel engine 1 is operating.
図6を参照して、制御装置50は、まず、燃焼室内の燃焼状態に直接関与する状態量である吸気酸素量を示す吸気酸素の質量分率Yを算出する(ステップS10)。吸気酸素の質量分率Yは、吸気流量センサ21により検出される吸入空気量と、EGR量(率)とから、公知の手法を用いて算出することができる。 Referring to FIG. 6, the control device 50 first calculates the intake oxygen mass fraction Y, which indicates the amount of intake oxygen, a state quantity directly related to the combustion state in the combustion chamber (step S10). The intake oxygen mass fraction Y can be calculated using a known method from the intake air amount detected by the intake flow sensor 21 and the EGR amount (rate).
次いで、制御装置50は、エンジン本体10の回転数及び負荷を検出する(ステップS20)。回転数は、回転角センサ22の検出値から算出される。エンジン本体10の負荷は、燃料噴射弁43A~43Dからの燃料噴射量、及び/又はアクセルペダルセンサ25により検出されるアクセルペダルの踏込量から算出される。 Next, the control device 50 detects the rotation speed and load of the engine main body 10 (step S20). The rotation speed is calculated from the detection value of the rotation angle sensor 22. The load of the engine main body 10 is calculated from the fuel injection amount from the fuel injection valves 43A-43D and/or the amount of depression of the accelerator pedal detected by the accelerator pedal sensor 25.
さらに、制御装置50は、定常運転下におけるエンジン回転数及びエンジン負荷と、吸気酸素の質量分率及び噴霧温度の各々との関係を示すマップを用いて、ステップS20において検出された回転数及び負荷に基づいて、ベース条件における吸気酸素の質量分率Y0及び噴霧温度Tmax0を取得する(ステップS30)。このベース条件における噴霧温度Tmax0は、噴霧温度Tmaxの目標値(NOx低減に必要な目標噴霧温度)に相当する。 Furthermore, the control device 50 uses a map showing the relationship between the engine speed and engine load under steady-state operation and the intake oxygen mass fraction and spray temperature, respectively, to obtain the intake oxygen mass fraction Y0 and spray temperature Tmax0 under base conditions based on the engine speed and load detected in step S20 (step S30). This spray temperature Tmax0 under base conditions corresponds to the target value for the spray temperature Tmax (the target spray temperature required for NOx reduction).
そして、制御装置50は、予め求められた実験式の上記式(1)を用いて、ステップS10において算出された吸気酸素の質量分率Y、並びにステップS30において取得されたベース条件における吸気酸素の質量分率Y0及び噴霧温度Tmax0から、演算時の噴霧温度Tmaxを算出する(ステップS40)。 Then, using the previously determined empirical formula (1) above, the control device 50 calculates the spray temperature Tmax at the time of calculation from the intake oxygen mass fraction Y calculated in step S10, and the intake oxygen mass fraction Y0 and spray temperature Tmax0 under the base conditions obtained in step S30 (step S40).
次いで、制御装置50は、ステップS40において算出された噴霧温度Tmaxと、ベース条件における噴霧温度Tmax0(NOx低減に必要な目標噴霧温度)との温度差ΔT(=Tmax-Tmax0)を算出する(ステップS50)。 Next, the control device 50 calculates the temperature difference ΔT (= Tmax - Tmax0) between the spray temperature Tmax calculated in step S40 and the spray temperature Tmax0 under base conditions (the target spray temperature required for NOx reduction) (step S50).
続いて、制御装置50は、演算時のエンジン本体10の運転状態下における噴霧ガス質量Msを算出する(ステップS60)。具体的には、制御装置50は、エンジン本体10の回転数及び負荷(燃料噴射量等)と、噴霧ガス質量Msとの関係を示すマップを用いて、ステップS20において検出された回転数及び負荷に基づいて噴霧ガス質量Msを算出する。 Next, the control device 50 calculates the spray gas mass Ms under the operating conditions of the engine body 10 at the time of calculation (step S60). Specifically, the control device 50 calculates the spray gas mass Ms based on the rotation speed and load detected in step S20, using a map showing the relationship between the rotation speed and load (fuel injection amount, etc.) of the engine body 10 and the spray gas mass Ms.
そして、制御装置50は、ステップS50において算出された温度差ΔTから、各水噴射弁63A~63Dによる水噴射量Qwを算出する(ステップS70)。具体的には、上述の式(3)を用いて、ステップS50において算出された温度差ΔT及びステップS60において算出された噴霧ガス質量Msから水噴射量Qwを算出する。 Then, the control device 50 calculates the water injection amount Qw for each water injection valve 63A-63D from the temperature difference ΔT calculated in step S50 (step S70). Specifically, using the above-mentioned equation (3), the water injection amount Qw is calculated from the temperature difference ΔT calculated in step S50 and the spray gas mass Ms calculated in step S60.
以上のように、この実施の形態においては、燃焼室内の燃焼状態に直接関与する状態量である吸気酸素の質量分率(燃料酸素量)と、燃焼室内に噴射された燃料の噴霧温度との予め求められた関係(式(1))に従って、吸気酸素の質量分率Yから噴霧温度Tmaxが推定される。そして、その推定された噴霧温度Tmaxとベース条件における噴霧温度Tmax0(目標噴霧温度)との温度差ΔTから、各燃料噴射弁43A~43Dの水噴射量Qwが決定される。 As described above, in this embodiment, the spray temperature Tmax is estimated from the intake oxygen mass fraction Y according to the predetermined relationship (Equation (1)) between the intake oxygen mass fraction (fuel oxygen amount), which is a state quantity directly related to the combustion state in the combustion chamber, and the spray temperature of the fuel injected into the combustion chamber. The water injection amount Qw for each fuel injection valve 43A-43D is then determined from the temperature difference ΔT between the estimated spray temperature Tmax and the spray temperature Tmax0 (target spray temperature) under base conditions.
これにより、過渡運転時においても燃焼状態に基づいて適切な水噴射量Qwを決定することができる。したがって、この実施の形態によれば、過渡運転時においても適量の水を噴射することができる。その結果、NOx量を十分に抑制することができ、また、燃焼温度の過度な低下による出力低下を抑制することができる。 This allows the appropriate water injection amount Qw to be determined based on the combustion state even during transient operation. Therefore, according to this embodiment, an appropriate amount of water can be injected even during transient operation. As a result, the amount of NOx can be sufficiently suppressed, and a decrease in output due to an excessive drop in combustion temperature can be suppressed.
また、上記の実施の形態では、EGR装置13が設けられており、EGR装置13による排気ガスの還流量の変更時に、吸気酸素の質量分率(吸気酸素量)から水噴射量Qwが決定される。これにより、過渡運転時にEGRガスの応答遅れによる水噴射不足の問題は生じない。したがって、この実施の形態によれば、NOx量を十分に抑制することができる。 In addition, in the above embodiment, an EGR device 13 is provided, and when the amount of exhaust gas recirculated by the EGR device 13 is changed, the water injection amount Qw is determined from the intake oxygen mass fraction (intake oxygen amount). This prevents the problem of insufficient water injection due to delayed EGR gas response during transient operation. Therefore, according to this embodiment, the amount of NOx can be sufficiently suppressed.
なお、エンジン本体10の冷間始動時は、EGR装置13を作動させると凝縮水が生成されるため、EGR装置13の作動が制限される場合がある。EGR装置13の作動が制限されると、燃焼温度が高くなりNOx量が増加する可能性がある。この実施の形態では、燃焼状態に直接関与する状態量である吸気酸素量(吸気酸素の質量分率Y)から水噴射量Qwが決定されるので、エンジン本体10の冷間始動時においても、NOx量を十分に抑制することができる。 When the engine body 10 is cold started, operation of the EGR device 13 may be restricted because condensed water is generated when the EGR device 13 is operated. Restricting operation of the EGR device 13 may increase the combustion temperature and the amount of NOx. In this embodiment, the water injection amount Qw is determined from the intake oxygen amount (intake oxygen mass fraction Y), which is a state quantity directly related to the combustion state. Therefore, the amount of NOx can be sufficiently suppressed even when the engine body 10 is cold started.
今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示により示される技術的範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed herein should be considered in all respects to be illustrative and not restrictive. The technical scope of the present disclosure is defined by the claims, not by the description of the above embodiments, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of the claims.
1 ディーゼルエンジン、10 エンジン本体、11A,11B 吸気管、11C 吸気マニホールド、12A 排気マニホールド、12B,12C 排気管、13 EGR装置、13A,13B EGR配管、13C バイパス配管、14A 経路切替装置、14B EGRバルブ、15 EGRクーラ、16 インタークーラ、21 吸気流量センサ、22 回転角センサ、23 大気圧センサ、24,26 圧力センサ、25 アクセルペダルセンサ、27 車速センサ、29 温度センサ、30 ターボ過給機、35 コンプレッサ、35A コンプレッサインペラ、36 タービン、36A タービンインペラ、41 コモンレール、42A~42D 燃料配管、43A~43D 燃料噴射弁、45A~45D シリンダ、47 スロットル装置、47A スロットルバルブ、50 制御装置、51 プロセッサ、53 記憶装置、61 水供給用コモンレール、62A~62D 水配管、63A~63D 水噴射弁、65 供給管、66 ポンプ、67 水タンク、71 シリンダブロック、72 シリンダヘッド、73 ピストン、75 燃焼室、76 キャビティ。 1 Diesel engine, 10 Engine body, 11A, 11B Intake pipe, 11C Intake manifold, 12A Exhaust manifold, 12B, 12C Exhaust pipe, 13 EGR device, 13A, 13B EGR pipe, 13C Bypass pipe, 14A Path switching device, 14B EGR valve, 15 EGR cooler, 16 Intercooler, 21 Intake flow sensor, 22 Rotation angle sensor, 23 Atmospheric pressure sensor, 24, 26 Pressure sensor, 25 Accelerator pedal sensor, 27 Vehicle speed sensor, 29 Temperature sensor, 30 Turbocharger, 35 Compressor, 35A Compressor impeller, 36 Turbine, 36A Turbine impeller, 41 Common rail, 42A to 42D Fuel pipe, 43A to 43D Fuel injection valve, 45A to 45D Cylinder, 47 Throttle device, 47A throttle valve, 50 control device, 51 processor, 53 storage device, 61 water supply common rail, 62A to 62D water piping, 63A to 63D water injection valves, 65 supply pipe, 66 pump, 67 water tank, 71 cylinder block, 72 cylinder head, 73 piston, 75 combustion chamber, 76 cavity.
Claims (7)
前記燃焼室内に燃料を噴射するように構成された燃料噴射装置と、
前記燃焼室内に水を噴射するように構成された水噴射装置と、
前記水噴射装置を制御する制御装置と、
前記燃焼室内に供給される吸気ガスに含まれる酸素の量を示す状態量を取得する取得部とを備え、
前記制御装置は、
前記状態量と前記燃焼室内に噴射された燃料の噴霧温度との予め求められた関係に従って、前記取得部により取得された前記状態量から前記噴霧温度を推定し、
推定された前記噴霧温度と前記噴霧温度の目標との温度差から、前記水噴射装置による水噴射量を決定する、ディーゼルエンジン。 an engine body having a combustion chamber;
a fuel injector configured to inject fuel into the combustion chamber;
a water injection device configured to inject water into the combustion chamber;
a control device for controlling the water injection device;
an acquisition unit that acquires a state quantity indicating an amount of oxygen contained in intake gas supplied into the combustion chamber,
The control device
estimating the spray temperature from the state quantity acquired by the acquisition unit in accordance with a predetermined relationship between the state quantity and the spray temperature of the fuel injected into the combustion chamber;
a water injection amount by the water injection device is determined based on a temperature difference between the estimated spray temperature and the target spray temperature.
前記制御装置は、前記EGR装置による排気ガスの還流量の変更時に、前記温度差から前記水噴射量を決定する、請求項1に記載のディーゼルエンジン。 an EGR device configured to connect an exhaust passage to an intake passage without passing through the engine body and to recirculate a portion of the exhaust gas to the intake passage;
2. The diesel engine according to claim 1, wherein the control device determines the amount of water injection based on the temperature difference when the amount of exhaust gas recirculated by the EGR device is changed.
前記制御装置は、
前記関係に従って、前記取得部により取得された前記状態量から前記噴霧温度の最大値を推定し、
推定された前記噴霧温度の最大値と、前記噴霧温度の最大値の目標との温度差から、前記水噴射量を決定する、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のディーゼルエンジン。 the relationship is a relationship between the state quantity and a maximum value of the spray temperature in one stroke of the engine body,
The control device
estimating a maximum value of the spray temperature from the state quantity acquired by the acquisition unit in accordance with the relationship;
5. The diesel engine according to claim 1, wherein the water injection amount is determined from a temperature difference between the estimated maximum value of the spray temperature and a target maximum value of the spray temperature.
前記燃焼室内に供給される吸気ガスに含まれる酸素の量を示す状態量を取得するステップと、
前記状態量と前記燃焼室内に噴射された燃料の噴霧温度との予め求められた関係に従って、取得された前記状態量から前記噴霧温度を推定するステップと、
推定された前記噴霧温度と前記噴霧温度の目標との温度差から、前記水噴射装置による水噴射量を決定するステップとを含む、ディーゼルエンジンの制御方法。
1. A control method for a diesel engine equipped with a fuel injection device that injects fuel into a combustion chamber and a water injection device that injects water into the combustion chamber, comprising:
acquiring a state quantity indicating the amount of oxygen contained in the intake gas supplied into the combustion chamber;
a step of estimating the spray temperature from the acquired state quantity in accordance with a predetermined relationship between the state quantity and the spray temperature of the fuel injected into the combustion chamber;
determining an amount of water injection by the water injection device from a temperature difference between the estimated spray temperature and a target spray temperature.
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