柴油发动机的控制装置以及控制方法与流程

本发明涉及具备能够进行多级喷射的燃料喷射喷嘴、且在主喷射刚结束之后进行后喷射的直接喷射式柴油发动机的控制装置以及控制方法。

背景技术：

专利文献1、2等中记载有下述技术，即，为了抑制在直接喷射式柴油发动机中成为问题的碳烟(soot)的产生，在主喷射刚结束之后进行较短时间的后喷射，使伴随着主喷射的燃烧而产生的碳烟与后喷射的燃料一起燃烧。

在这种后喷射的技术中，作为从主喷射结束起直至后喷射开始为止的时间间隔，存在与各运转条件相对应的最佳值，如图8的特性a所示，如果横轴所示的时间间隔逐渐增大，则通过以适当的时间间隔进行后喷射而呈现出碳烟的减少。此外，横轴的左端表示时间间隔为0时、即未进行后喷射的情况(换言之，未分割为主喷射和后喷射的情况)。因此，为了成为能获得最佳的碳烟减少效果的时间间隔，例如以对应图的形式对与运转条件(负荷、转速等)相应的后喷射的喷射时机进行设定。在图8的例子中，这种最佳的后喷射的喷射时机作为喷射时机IT1而设定。

然而，在内燃机的过渡时，后喷射的碳烟的减少效果下降。例如，图8的特性b表示加速时的后喷射的特性的例子，但如图所示，在预先作为最佳点而设定的喷射时机IT1，碳烟几乎未减少，在与其相比增大时间间隔时，呈现出碳烟的减少。

根据本发明人的研究，可以认为这是因为在加速时，在后喷射之前进行的主喷射时的燃料压力(所谓的油轨压力)因响应延迟而比作为目标的燃料压力(稳定时的目标燃料压力)低，因此在腔室内无法获得所需的气体流动。即，经由共轨而供给至燃料喷射喷嘴的燃料压力基于内燃机转速以及负荷而设定为可变，因此在过渡时燃料压力的目标值发生变化，通常在加速时作为目标的燃料压力升高。然而，实际的燃料压力的变化中存在响应延迟，因此在主喷射时未达到所需的燃料压力，喷雾的动量下降。因此，对于碳烟的减少而最佳的后喷射的喷射时机不同。

图9是用于说明主喷射的腔室内的气体流动以该方式对后喷射造成的影响的说明图，以等高线状示出燃烧室内的局部的空气过剩率的分布。此外，附图是以将空气过剩率划分为14个等级的方式而描绘的，作为具有代表性的例子，符号E1所示的区域的空气过剩率最高，符号E3所示的区域的空气过剩率最低，符号E2所示的区域是中间的空气过剩率的区域。图(a)表示在适当的燃料压力下的主喷射之后进行后喷射时(后喷射结束时)的燃烧室内的空气过剩率分布。在该阶段，因活塞开始下降以及主喷射的动量而产生逆挤气流，腔室底部周围的燃烧部要借助该挤气流而向腔室中央部移动。图(a)获得了所需的气体流动，因此后喷射的喷雾F被向氧以某种程度存在的区域喷射。因此，实现了碳烟的减少。

与此相对，图(b)表示主喷射的燃料压力较低的情况下的状态，在该情况下，主喷射的动量较低，逆挤气流较弱，因此在腔室底部周围的燃烧部向腔室中央部移动之前进行后喷射。因此，后喷射的喷雾F被向缺氧的区域喷射，导致碳烟的增加。

图(c)表示在比图(b)的曲轴转角略微延迟的曲轴转角下执行后喷射的情况下的状态，与图(b)的状态相比，燃烧部向腔室中央部移动，因此能够向氧以某种程度存在的区域供给后喷射的喷雾F，实现了碳烟的减少。

即使在减速时，后喷射的适当的喷射时机也因同样的理由而与稳定时不同。在减速时，通常燃料压力因响应延迟而与目标值相比变得过大，因此适当的后喷射的喷射时机进一步提前。

专利文献1：日本特开2005-233163号公报

专利文献2：日本特开2000-227061号公报

技术实现要素：

本发明的目的在于避免因如上所述的过渡时的燃料压力的变化而引起的碳烟的恶化。

本发明的柴油发动机的控制装置在具备能够进行多级喷射的燃料喷射喷嘴、且在主喷射刚结束后进行后喷射的直接喷射式柴油发动机中，具备：基于内燃机转速和负荷而对向上述燃料喷射喷嘴供给的燃料压力进行可变控制的单元；基于内燃机转速和负荷而对上述后喷射的喷射时机进行设定的单元；以及在内燃机的过渡时基于检测出的实际燃料压力而对上述后喷射的喷射时机进行校正的单元。

在这样的本发明中，因过渡时实际燃料压力相对于目标燃料压力偏离而引起主喷射的动量的余缺，与此相对应地，能够使后喷射的喷射时机变得适当，能够更可靠地通过后喷射而实现碳烟的减少。

附图说明

图1是一个实施例的柴油发动机的结构说明图。

图2是表示分割喷射的一个例子的说明图。

图3是表示控制的一个例子的流程图。

图4是表示控制的不同例子的流程图。

图5是表示控制对应图的一个例子的说明图。

图6是表示加速时的动作的时序图。

图7是表示减速时的动作的时序图

图8是表示后喷射的时间间隔与碳烟的关系的特性图。

图9是表示主喷射的气体流动对后喷射造成的影响的说明图。

具体实施方式

下面，基于附图对本发明的一个实施例进行详细说明。

图1是将本发明所涉及的直喷式柴油发动机1与其进气排气系统一起示出的结构说明图，活塞4可滑动地与形成于气缸体2的气缸3嵌合，并且在气缸体2的上表面固定的气缸盖5将气缸3的上端开口覆盖。

在上述活塞4的顶面凹陷设置有凹型的腔室6。该腔室6形成为相对于活塞4的同心状，并具有较大的开口直径。另外，在上述气缸盖5侧、且在与上述腔室6的中心相对应的气缸3的中心位置配置有多喷孔的燃料喷射喷嘴7。在该实施例中，上述燃料喷射喷嘴7沿气缸3的中心轴线进行配置，即垂直地进行配置。

在上述气缸盖5配置有一对进气阀8以及一对排气阀9，分别对进气端口10以及排气端口11的前端开口部进行开闭。这些进气阀8以及排气阀9各自的阀杆分别配置为与气缸3的中心轴线平行的垂直姿态。另外，在气缸盖5以与燃料喷射喷嘴7相邻的方式配置有预热塞12。

各气缸的燃料喷射喷嘴7分别与示意性地示出的共轨13连接，并形成为下述结构，即，如果利用来自发动机控制单元16的驱动信号使得燃料喷射喷嘴7的气针(未图示)上升，则利用高压燃料泵14对供给至共轨13内的高压燃料进行喷射。共轨13内的燃料压力经由调压阀15而被发动机控制单元16调整为与运转条件相应的规定的压力。这里，上述燃料喷射喷嘴7是使用压电元件等的高响应性的部件，构成为能够将根据负荷而要求的总燃料喷射量分割为多级地进行喷射。

该实施例的柴油发动机1具备涡轮增压机18，该涡轮增压机18的涡轮19配置于排气通路21的通路中，压缩机20配置于进气通路22的通路中。在排气通路21的比涡轮19靠下游侧的位置串联配置有预催化剂转化器23以及主催化剂转化器24。在进气通路22的比压缩机20靠上流侧的位置设置有空气流量计25以及空气滤清器26，在与比压缩机20靠下游侧的收集部28之间配置有中间冷却器27。并且，作为排气回流装置，具备：排气回流通路29，其将排气通路21的比涡轮19靠上流侧的位置与进气收集部28连通；以及排气回流控制阀30，其设置为用于将排气回流率控制为与内燃机运转条件相应的规定的排气回流率。上述涡轮增压机18成为利用废气旁通减压阀18a的开度调整而能够根据内燃机运转条件进行可变控制的形式的涡轮增压机。

除了上述的空气流量计25以外，上述发动机控制单元16中还输入有来自对发动机转速Ne进行检测的转速传感器31、对共轨13内的油轨压力(实际油轨压力)rPrail进行检测的油轨压力传感器32、对进气温度Tin进行检测的进气温度传感器33、对增压压力Boost进行检测的增压压力传感器34、对大气温度Tatm进行检测的大气温度传感器35、对大气压Patm进行检测的大气压传感器36、对水温Tw进行检测的水温传感器37、对缸内压力Pcyl进行检测的缸内压力传感器38等传感器类的检测信号。

在如上所述的结构中，从燃料喷射喷嘴7应当喷射的总喷射量Q根据柴油发动机1的负荷或者目标扭矩而决定。另外，共轨13内的燃料压力的目标值即目标油轨压力tPrail基于该总喷射量Q、转速Ne、水温Tw、大气压Patm以及大气温度Tatm而决定。具体而言，如图5所示，预先针对各水温、各大气压、各大气温度而设置以总喷射量Q和转速Ne为参数的对应图(M1a、M1b、M1c···)，通过对该对应图进行检索而决定与此时的运转条件相应的目标油轨压力tPrail。

而且，从燃料喷射喷嘴7喷射的燃料根据运转条件而被分割为多级地喷射。例如，如图2所示，除了隔着上止点TDC而进行的主喷射以外，还分割为前导喷射、预喷射以及后喷射而进行喷射。后喷射主要是为了减少因主喷射的燃烧而产生的碳烟，在除了低负荷区域以及完全打开时以外的中高负荷区域，基本上进行后喷射。

与上述的目标油轨压力tPrail相同地，主喷射的喷射量以及主喷射的喷射时机通过与水温Tw、大气压Patm、大气温度Tatm相应地设置多个以总喷射量Q和转速Ne为参数的对应图(参照图5中的M2a、M2b、M2c···)、并对相对应的值进行检索而决定。此外，图5中仅举例示出了主喷射的喷射时机用的对应图，但针对喷射量也具备同样的对应图。主喷射结束之后隔开适当的时间间隔Int(参照图2)而喷射的后喷射的喷射时机，也同样地通过与水温Tw、大气压Patm、大气温度Tatm相应地设置多个以总喷射量Q和转速Ne为参数的对应图(参照图5中的M3a、M3b、M3c···)、并对相对应的值进行检索而决定。

通过以与运转条件相应的最佳的时间间隔进行后喷射，使因主喷射而产生的碳烟与后喷射的燃料一起燃烧，因此实现了中高负荷区域的碳烟的减少。

然而，如前所述，如果过渡时实际的燃料压力(实际油轨压力rPrail)因响应延迟而相对于目标油轨压力tPrail偏离，则基于总喷射量Q和转速Ne并根据对应图而设定的后喷射的喷射时机并非与实际的气体流动相对应的适当的喷射时机，无法获得所需的碳烟减少作用。因此，在本实施例中，基于实际油轨压力rPrail进行校正以使得后喷射的喷射时机成为适当的喷射时机。

图3是表示具体处理的一个例子的流程图，在步骤1中，根据此时的运转条件而求出后喷射的喷射时机的基本值。详细而言，基于总喷射量Q、转速Ne、水温Tw、大气压Patm、大气温度Tatm并利用前述的对应图(图5中的M3a、M3b、M3c···)而检索相对应的后喷射的喷射时机。

接着，在步骤2中，将油轨压力传感器32检测出的主喷射的喷射时刻下的实际油轨压力rPrail读入。此外，可以作为代替方式而使用当前时刻下的实际油轨压力rPrail的值。而且，在步骤3中，基于此时的目标油轨压力tPrail和实际油轨压力rPrail的差值ΔP、内燃机转速Ne、主喷射的喷射量Qmain而对后喷射的喷射时机施加校正。基本上在实际油轨压力rPrail比目标油轨压力tPrail低的情况下，将后喷射的喷射时机向延迟侧校正，在实际油轨压力rPrail比目标油轨压力tPrail高的情况下，将后喷射的喷射时机向提前侧校正。此外，在加速时通常成为前者的方式，在减速时通常成为后者的方式。如前所述，实际油轨压力rPrail与目标油轨压力tPrail之差，与后喷射时的逆挤气流的速度有关。另外，即使差值ΔP为相同的值，逆挤气流的速度也根据内燃机转速Ne以及主喷射的喷射量Qmain而不同，因此还包括这些参数在内求出它们的所需的校正量，对喷射时机基本值施加校正。

接着，在步骤4中，基于内燃机运转条件(例如，总喷射量Q、转速Ne、水温Tw等)而对表示后喷射的喷射时机的延迟角侧的极限的阈值ITlim进行设定。这主要根据油耗、后喷射的油的稀释等观点而确定。

在步骤5中，判定步骤3中决定的校正后的后喷射的喷射时机是否小于或等于阈值ITlim(即，比阈值ITlim靠提前角侧)。这里，如果校正后的喷射时机比阈值ITlim靠延迟角侧，则进入步骤6，禁止后喷射。此外，在限制于阈值ITlim的状态下不执行后喷射是因为，如果是不适当的喷射时机的后喷射则反而有可能引起碳烟的恶化。

如果校正后的后喷射的喷射时机小于或等于阈值ITlim，则根据未图示的其他喷射控制程序而执行后喷射。

由此，在上述实施例中，在过渡时实际油轨压力rPrail相对于目标油轨压力tPrail延迟地变化的情况下，基于主喷射的喷射时刻下的实际油轨压力rPrail与目标油轨压力tPrail的差值ΔP而对后喷射的喷射时机进行校正，因此以与实际的逆挤气流的速度相对应的形式在适当的时机进行后喷射，通过后喷射而实现了碳烟的减少。

此外，在上述实施例中，将后喷射的喷射时机的值本身与阈值ITlim进行比较，但也可以针对从主喷射结束的时刻起直至后喷射开始为止的时间间隔Int而设置阈值，两者实质上并未发生变化。

另外，在上述实施例中，并不进行过渡判定。这是因为，如果处于稳定时，则实际油轨压力rPrail与目标油轨压力tPrail的差值ΔP成为0，在步骤3中实质上不进行校正。然而，可以根据加速器踏板开度的变化量等而进行处于稳定状态还是过渡状态的判定，并仅在过渡时进行步骤2～6的处理。

图4是表示具体处理的其他例子的流程图。该实施例还考虑了涡轮增压机18的增压压力Boost的过渡时的响应延迟。增压压力boost的目标值tBoost依然基于内燃机运转条件(例如总喷射量Q、转速Ne、水温Tw等)而设定，因此在加速、减速的过渡时目标值tBoost发生变化，但在实际的增压压力Boost的变化中存在响应延迟。该增压压力boost对前述的主喷射的动量以及作为其结果而产生的气体流动造成影响，因此如果实际的增压压力boost因响应延迟而与目标值tBoost不同，则依然对最佳的后喷射的喷射时机产生影响。此外，在实际的加速、减速中，该增压压力Boost的响应延迟的影响与实际油轨压力rPrail的响应延迟的影响相比极小。

在步骤11中，根据此时的运转条件而求出后喷射的喷射时机的基本值。详细而言，基于总喷射量Q、转速Ne、水温Tw、大气压Patm、大气温度Tatm并利用前述的对应图(图5中的M3a、M3b、M3c···)而检索相对应的后喷射的喷射时机。

在步骤12中，将油轨压力传感器32检测出的主喷射的喷射时刻下的实际油轨压力rPrail、和增压压力传感器34检测出的主喷射的喷射时刻下的增压压力Boost读入。此外，可以作为代替方式而使用当前时刻下的实际油轨压力rPrail以及增压压力Boost的值。而且，在步骤13中，基于此时的目标油轨压力tPrail与实际油轨压力rPrail的差值ΔP、内燃机转速Ne、主喷射的喷射量Qmain而对后喷射的喷射时机施加校正。基本上在实际油轨压力rPrail比目标油轨压力tPrail低的情况下，将后喷射的喷射时机向延迟侧校正，在实际油轨压力rPrail比目标油轨压力tPrail高的情况下，将后喷射的喷射时机向提前侧校正。如前所述，在加速时通常成为前者的方式，在减速时通常成为后者的方式。

并且，在步骤14中，根据此时的增压压力目标值tBoost与步骤12中读入的主喷射的喷射时刻下的增压压力Boost的差值ΔB而对后喷射的喷射时机进一步施加校正。基本上在增压压力Boost比目标值tBoost低的情况下，将后喷射的喷射时机向提前侧校正，在增压压力Boost比目标值tBoost高的情况下，将后喷射的喷射时机向延迟侧校正。在加速时通常成为前者的方式，在减速时通常成为后者的方式。

接着，在步骤15中，基于内燃机运转条件(例如总喷射量Q、转速Ne、水温Tw等)而对表示后喷射的喷射时机的延迟角侧的极限的阈值ITlim进行设定。这主要是根据油耗、后喷射的油的稀释等观点而确定。

在步骤16中，判定步骤14中决定的校正后的后喷射的喷射时机是否小于或等于阈值ITlim(即，比阈值ITlim靠提前角侧)。这里，如果校正后的喷射时机比阈值ITlim靠延迟角侧，则进入步骤17，禁止后喷射。

根据以该方式考虑了实际油轨压力rPrail的响应延迟和增压压力Boost的响应延迟这双方的实施例，能够更准确地掌握实际的逆挤气流的状态，更适当地通过后喷射而实现了碳烟的减少。

图6及图7是表示图4所示的实施例所涉及的过渡时的校正的时序图，图6表示加速时的动作，图7表示减速时的动作。图(a)、图(b)、图(c)、图(d)分别表示碳烟的排出量、增压压力Boost、油轨压力Prail、后喷射的时间间隔Int。图(e)为后喷射的喷射量。

在图6的例子中，在时刻t1进行加速，增压压力的目标值tBoost以及目标油轨压力tPrail阶梯式地升高，实际的增压压力Boost以及实际油轨压力rPrail随着响应延迟而发生变化。由此，将从主喷射结束起直至后喷射开始为止的时间间隔Int向扩大方向校正。如图(a)所示，柴油发动机1排出的碳烟随着加速而增加，但与未适当地对后喷射的喷射时机进行校正的对比例的特性相比，在实施例中，碳烟的排出量因适当的喷射时机的后喷射而减少。

在图7的例子中，在时刻t2，从较高负荷的区域减速，增压压力的目标值tBoost以及目标油轨压力tPrail阶梯式地下降，与此相对，实际的增压压力Boost以及实际油轨压力rPrail随着响应延迟而发生变化。在该情况下，将从主喷射结束起直至后喷射开始为止的时间间隔Int向减小方向校正。由此，后喷射的喷射时机成为更加适当的喷射时机，减少了碳烟的排出量。