JP3678042B2 - Diesel engine combustion control system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明はディーゼルエンジンの燃焼制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンの燃焼方法として、エンジンから排出されるNOxとパティキュレートなどを減少させる低温予混合燃焼がある。これは燃料噴射時期を圧縮上死点後にまで遅延すると共に、排気還流(EGR)による酸素濃度の低減により、燃料の着火遅れ期間を長くし、この着火遅れ期間中に燃料が十分に気化した予混合気を形成し、低濃度の酸素により低温予混合燃焼を行わせる。
【0003】
この場合、エンジン圧縮比を通常の圧縮比よりも低い圧縮比にすることにより、低温予混合燃焼をエンジン高負荷側においても行えるようにした提案がある(特開平8−254134号公報参照)。
【0004】
エンジンの圧縮比が高いと、圧縮温度が相対的に上昇するため、燃焼開始時の温度(燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度)が高くなる。燃焼温度は燃焼の開始後にさらに上昇するので、これが低温予混合燃焼の範囲を越えると、低温予混合燃焼を行わせることができない。
【0005】
とくにエンジン負荷が大きくなると、吸気中に還流される排気温度が上昇することから吸気ガス温度が高まり、また過給機による吸気過給により実圧縮比が高まるために、燃焼開始時の温度が低温予混合燃焼の温度範囲を超えて上昇し、このため、低負荷側でしか低温予混合燃焼を行えなかった。
【0006】
これに対して、上記提案された装置により圧縮比を下げることにより、燃焼開始温度が相対的に低下し、低温予混合燃焼をより高負荷側で行うことが可能となっている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら圧縮比を下げると、こんどは低負荷域での燃焼開始温度が下がり過ぎ、このため、低負荷側で燃焼が不安定となってしまう。
【0008】
そこで、上記した従来装置では、低温予混合燃焼を行えない低負荷側で、EGR量を減少させることにより酸素濃度を高め、かつ燃料噴射時期を進角することで、燃焼開始を早めて、燃焼を安定させるようにしている。
【0009】
しかしながら、この場合には、EGR量の減少および噴射時期の進角によりNOxの排出量が増大し、また低温予混合燃焼が行われないため、燃焼騒音が増大し、燃費も悪化する。
【0010】
そこで本発明は、圧縮比を通常の圧縮比よりも低い圧縮比としても、エンジンの広い運転領域において低温予混合燃焼を可能とすることを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、燃料噴射時期を圧縮上死点後にまで遅延すると共に、燃料の着火遅れ期間を長くし、この着火遅れ期間中に燃料が十分に気化した予混合気を形成し、低濃度の酸素のもとで燃焼させる低温予混合燃焼を低圧縮比で行わせるディーゼルエンジンにおいて、図25に示すように、燃料の噴射時期が可変となる燃料噴射弁81と、燃焼室内の作動ガス温度を上昇させる昇温制御装置82と、燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度を予測する手段83と、この燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度が低温予混合燃焼を維持する第1の目標温度T1よりも低い領域にあるかどうか判定する手段84と、燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度が第1の目標温度T1よりも低いと判定されたときに燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度が第1目標温度を越えるように前記昇温制御装置82を作動させて昇温制御を行い、かつ燃焼温度の上昇率が所定値以上となるように前記燃料噴射弁81の燃料噴射時期を調整する手段85とを設けた。
【0012】
第2の発明では、第1の発明において前記燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度t2を圧縮比εとエンジン負荷に基づいて予測する。
【0013】
第3の発明では、第1の発明において前記燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度t2を圧縮比εと吸気ガス温度に基づいて予測する。
【0014】
第4の発明では、第1から第3までのいずれか一つの発明において主燃焼の温度上昇率が前記所定値以上となるようにするため、燃焼開始を圧縮上死点後5゜〜20゜の範囲になるように燃料の噴射時期を制御する。
【0015】
第5の発明では、第1から第4までのいずれか一つの発明において前記昇温制御装置として吸気弁閉時期制御機構を備え、前記燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度t2が前記第1目標温度T1以下で、かつこの第1目標温度T1よりも低い第2目標温度T2よりも高いとき、前記吸気弁の閉時期を進角させることにより、前記昇温制御を行う。
【0016】
第6の発明では、第5の発明において前記昇温制御装置としてさらにスワール制御機構を備え、前記燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度t2が前記第2目標温度T2以下で、かつこの第2目標温度T2よりも低い第3目標温度T3よりも高いとき、前記吸気弁閉時期を進角するとともに、スワール比を低くすることにより、前記昇温制御を行う。
【0017】
第7の発明では、第5の発明において前記昇温制御装置としてさらに過給圧制御機構を備え、前記燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度t2が前記第2目標温度T2以下で、かつこの第2目標温度T2よりも低い第3目標温度T3よりも高いとき、前記吸気弁閉時期を進角し、スワール比を低くし、さらに過給圧を高くすることにより、前記昇温制御を行う。
【0018】
第8の発明では、第6または第7の発明において前記昇温制御装置としてさらに燃料噴射制御機構を備え、前記燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度t2が前記第3目標温度T3以下で、かつこの第3目標温度T3よりも低い第4目標温度T4よりも高いとき、前記吸気弁閉時期を進角し、スワール比を低くし、さらに燃料の主噴射よりも先にパイロット噴射を行いかつパイロット噴射による燃焼は主噴射の前に終了するようにパイロット噴射時期を設定することにより、前記昇温制御を行う。
【0019】
第9の発明では、第7の発明において前記昇温制御装置としてさらに燃料噴射制御機構を備え、前記燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度t2が前記第3目標温度T3以下で、かつこの第3目標温度T3よりも低い第4目標温度T4よりも高いとき、前記吸気弁閉時期を進角し、スワール比を低くし、過給圧を高くし、さらに燃料の主噴射よりも先にパイロット噴射を行いかつパイロット噴射による燃焼は主噴射の前に終了するようにパイロット噴射時期を設定することにより、前記昇温制御を行う。
【0020】
第10の発明では、第8または第9の発明において燃料の主噴射の終了後に主噴射燃料が着火するように燃料主噴射時期を制御する。
【0021】
第11の発明では、第8から第10までのいずれか一つの発明において前記温度上昇制御装置として一つの気筒に対して複数設けた排気弁のうち一方の排気弁の開閉時期を任意に制御可能な弁開閉機構と、吸気中に還流される排気量を制御するEGR弁とを備え、前記燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度t2が前記第4目標温度T4以下のとき、吸気弁閉時期を進角し、スワール比を低くし、過給圧を高くし、パイロット噴射の燃焼が終了した後に主噴射が行われるようにパイロット噴射を行い、かつ吸気行程で前記一方の排気弁を開くとともに前記EGR弁を閉じることにより、前記昇温制御を行う。
【0022】
第12の発明では、第8から第10までのいずれか一つの発明において前記温度上昇制御装置として一つの気筒に対して複数設けた排気弁のうち一方の排気弁の開閉時期を任意に制御可能な排気弁開閉機構と、吸気弁の開閉時期を任意に調整可能な吸気弁制御機構と、吸気中に還流される排気量を制御するEGR弁とを備え、前記燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度t2が前記第4目標温度T4以下のとき、吸気弁閉時期を進角し、スワール比を低くし、過給圧を高くし、パイロット噴射の燃焼が終了した後に主噴射が行われるようにパイロット噴射を行い、かつ前記EGR弁を介して燃焼室に流入するEGRガスおよび吸入空気の各量を冷却水温が低くなるほど減らすとともに、吸気行程で一方の排気弁を開くことにより燃焼室へと逆流するEGRガスの量を冷却水温が低くなるほど増すことにより、前記昇温制御を行う。
【0023】
第13の発明では、第11または第12の発明において前記吸気行程で開く前記一方の排気弁側の排気ポートをヘリカルポートに形成する。
【0024】
第14の発明では、第1から第4までのいずれか一つの発明において前記第1目標温度T1をエンジン負荷が低くなるほど温度が低くなるように負荷に応じて設定する。
第15の発明では、第5の発明において前記第1目標温度T1と第2目標温度T2の少なくとも一つをエンジン負荷が低くなるほど温度が低くなるように負荷に応じて設定する。
第16の発明では、第6または第7の発明において前記第2目標温度T2と第3目標温度T3の少なくとも一つをエンジン負荷が低くなるほど温度が低くなるように負荷に応じて設定する。
第17の発明では、第8から第10までのいずれか一つの発明において前記第3目標温度T3と第4目標温度T4の少なくとも一つをエンジン負荷が低くなるほど温度が低くなるように負荷に応じて設定する。
第18の発明では、第11から第13までのいずれか一つの発明において前記第4目標温度T4をエンジン負荷が低くなるほど温度が低くなるように負荷に応じて設定する。
【0025】
第19の発明は、低圧縮比で低温予混合燃焼を行わせるディーゼルエンジンにおいて、図26に示すように、燃料の噴射時期が可変となる燃料噴射弁81と、燃焼室内の作動ガス温度を上昇させる昇温制御装置82と、燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度に影響するエンジン負荷を検出する手段91と、このエンジン負荷が、低温予混合燃焼を維持する第1目標負荷以下で、かつこの第1目標負荷よりも低い第2目標負荷よりも高い負荷域(C領域)にあるかどうかを判定する手段92と、エンジン負荷が第1目標負荷以下で、かつ第2目標負荷よりも高い負荷域にあると判定されたときに前記昇温制御装置82を作動させて昇温制御を行い、かつ燃焼温度の上昇率が所定値以上となるように前記燃料噴射弁81の燃料噴射時期を調整する手段93とを設けた。
【0026】
第20の発明では、第19の発明において前記昇温制御装置としてさらにスワール制御機構を備え、前記第2目標負荷以下で、かつこの第2目標負荷よりも低い第3目標負荷よりも高い負荷域(D領域)のとき、前記吸気弁閉時期を進角するとともに、スワール比を低くすることにより、前記昇温制御を行う。
【0027】
第21の発明では、第19の発明において前記昇温制御装置としてさらに過給圧制御機構を備え、前記第2目標負荷以下で、かつこの第2目標負荷よりも低い第3目標負荷よりも高い負荷域(D領域)のとき、前記吸気弁閉時期を進角し、スワール比を低くし、さらに過給圧を高くすることにより、前記昇温制御を行う。
【0028】
第22の発明では、第19または第20の発明において前記昇温制御装置としてさらに燃料噴射制御機構を備え、前記第3目標負荷以下で、かつこの第3目標負荷よりも低い第4目標負荷よりも高い負荷域(E領域)のとき、前記吸気弁閉時期を進角し、スワール比を低くし、さらに燃料の主噴射よりも先にパイロット噴射を行いかつパイロット噴射による燃焼は主噴射の前に終了するようにパイロット噴射時期を設定することにより、前記昇温制御を行う。
【0029】
第23の発明では、第19または第20の発明において前記昇温制御装置としてさらに燃料噴射制御機構を備え、前記第3目標負荷以下で、かつこの第3目標負荷よりも低い第4目標負荷よりも高い負荷域(E領域)のとき、前記吸気弁閉時期を進角し、スワール比を低くし、過給圧を高くし、さらに燃料の主噴射よりも先にパイロット噴射を行いかつパイロット噴射による燃焼は主噴射の前に終了するようにパイロット噴射時期を設定することにより、前記昇温制御を行う。
【0030】
第24の発明では、第22または第23の発明において燃料の主噴射の終了後に主噴射燃料が着火するように燃料主噴射時期を制御する。
【0031】
【発明の効果】
第1、第2、第3、第4、第14の発明では、燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度が低温予混合燃焼を維持する第1目標温度よりも低くなることによりそのままでは低温予混合燃焼を行えなく温度域になると、燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度が第1目標温度を超えるように昇温制御装置を作動させて昇温制御を行い、かつ燃焼温度の上昇率が所定値以上となるように燃料噴射弁の燃料噴射時期を調整するので、従来装置によれば低温予混合燃焼を行わせることができなかった低温時や低負荷域まで低温予混合燃焼を行わせることができ(低温予混合燃焼域の拡大)、これによって燃焼騒音、燃費、HC、PM、NOxのいずれも従来装置より改善できた。
【0032】
また、従来装置によれば低温予混合燃焼を行わせることが困難だった低温時や低負荷側まで低温予混合燃焼を実現できることから、従来装置よりもさらに低圧縮化することが可能となり、そのぶん低温予混合燃焼域を高負荷側にシフトさせることができる。
【0033】
第5と第19の発明では、吸気弁閉時期の進角で実圧縮比が高まり、これによって第5の発明によれば燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度が第1目標温度以下で、かつ第2目標温度よりも高いときにも、また第19の発明によれば第1目標負荷以下で、かつ第2目標負荷よりも高い負荷域(C領域)のときにも燃焼開始温度の低下を防止できる。
【0034】
第6、第7、第20、第21の各発明では、スワールを弱めるので、圧縮行程中の冷却損失が減少し、これによって第6、第7の各発明によれば燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度が第2目標温度以下で、かつ第3目標温度よりも高いときにも、また第20、第21の発明によれば第2目標負荷以下で、かつ第3目標負荷よりも高い負荷域(D領域)のときにも燃焼開始温度の低下を防止できる。
【0035】
しかしながら、このままではスワール比の低下による燃焼悪化が起こるが、第7、第21の発明によれば、過給圧を高くして吸入空気量を増大し、これによってスワール比が低下した分を作動ガスを増加させて圧縮上死点での角運動エネルギーを保持させるので、燃焼悪化を防止でき、また、この高過給化は吸気温度を上昇させるので、燃焼開始温度の上昇に寄与する。
【0036】
第8、第9、第10、第22、第23の発明ではパイロット噴射を行うので、第8、第9、第10の発明によれば主燃焼の燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度が第3目標温度以下で、かつ第4目標温度よりも高いときにも、また第22、第23の発明では第3目標負荷以下で、かつ第4目標負荷よりも高い負荷域(E領域)のときにも主燃焼の燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度を上昇させることが可能となる。
【0037】
第11、第12の発明によれば燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度が第4目標温度以下となる場合においても低温予混合燃焼の実現が可能となり、これによって低水温時の排気性能がさらに向上する。
【0038】
第13の発明では、吸気行程における一方の排気弁の開弁に伴う燃焼室内のスワール比の低下を防止できる。
【0039】
エンジン負荷により領域判定を行う場合には、吸気温度がマッチング温度と違った場合に領域判定の精度が低下することになるが、第5から第14までの発明では、燃焼開始温度そのものに基づいて領域判定を行うので、夏場と冬場の違いなど吸気温度に関係なく、領域判定を精度よく行うことができる。
【0040】
【発明の実施の形態】
図1はディーゼルエンジンの概略的な構成図である。
【0041】
ディーゼルエンジンの燃焼において、NOxの生成量は燃焼温度に大きく依存し、その低減には燃焼温度を相対的に低温化することが有効である。低温予混合燃焼方式では、排気還流システム(EGR)により酸素濃度を低減し、これにより低温燃焼を実現する。このため、排気通路2と吸気通路3とをEGR通路4で接続し、このEGR通路4の途中に負圧制御弁5からの制御負圧に応じて作動するダイヤフラム式のEGR弁6を設け、排気の一部を吸気中に還流する。
【0042】
負圧制御弁5は、コントロールユニット41からのデューティ制御信号により駆動されるもので、エンジンの運転条件に応じて適切なEGR率が得るようにしている。たとえば、低回転低負荷域でEGR率を最大の100パーセント(吸入空気流量とEGRガス流量が同量)とし、回転数、負荷が高くなるに従い、EGR率を減少させる。高負荷側では排気温度が上昇するため、多量のEGRガスを還流すると吸気温度が上昇し、これにより燃焼温度も相対的に上昇し、NOx低減の効果が減少したり、また、噴射燃料の着火遅れ期間が短くなり、予混合燃焼が実現できなくなる。このためにEGR率を高負荷側になるほど、減少させるのである。
【0043】
EGR通路4の途中には、EGRガスの冷却装置7を備える。これは、EGR通路4の周りに形成されウォータジャケット8を有し、ここにはエンジン冷却水の一部が循環され、この冷却水の循環量は、冷却水の導入口7aに設けられた流量制御弁9により調整可能である。コントロールユニット41からの指令により制御弁9の開度が大きくなるほど、EGRガスの冷却度が増す。
【0044】
エンジンの吸気ポート近傍の吸気通路には、スワールコントロールバルブ(図示しない)を備える。コントロールユニット41により、このスワールコントロールバルブの開度が制御され、エンジン低回転低負荷域で閉じられる(開度が減少する)と、燃焼室に吸入される吸気の流速が高まり燃焼室に強いスワールが生成される。ただし、スワールが強くなると、シリンダ内の作動ガスの熱交換率が高まり、作動ガス温度は相対的に低下する。
【0045】
ピストンに形成される窪み状の燃焼室(図示しない)は、大径のトロイダル型燃焼室である。これは、ピストンキャビティを、入口を絞らずピストンの冠面から底部まで円筒状に形成したもので、その底部中央には円錐部が形成され、この円錐部によって、圧縮行程後期にピストンキャビティ内へと旋回しながら流れ込むスワールに抵抗を与えないように、さらに空気と燃料の混合を良好にする。
【0046】
このように、入口を絞らない円筒状のピストンキャビティにより、前述のスワールコントロールバルブによって生成されたスワールは、燃焼過程でピストンが下降していくのに伴い、ピストンキャビティ内からキャビティ外に拡散され、キャビティ外でもスワールが持続される。
【0047】
前記排気通路2には、EGR通路4の分岐点よりも下流において、ターボ過給機を備える。このターボ過給機は、排気タービン52のスクロール入口に、ステップモータ54により駆動される可変ベーン53が設けられる。前記コントロールユニット41により可変ベーン53が制御され、エンジン低回転域から所定の過給圧が得られるように、低回転側では排気タービン52に導入される排気の流速を高めるベーン角度に制御され、高回転側では排気を抵抗なく排気タービン52に導入させるベーン角度(全開状態)に制御される。また、運転条件によって可変ベーン53は、所望の過給圧が得られるベーン角度に制御される。
【0048】
エンジンにはコモンレール式の燃料噴射装置10を備える。
【0049】
これは、主として、燃料タンク(図示しない)、サプライポンプ14、コモンレール(蓄圧室)16、気筒ごとに設けられる燃料噴射ノズル17からなり、高圧のサプライポンプ14に生成した高圧燃料をコモンレール16に蓄え、燃料噴射ノズル17内の三方弁25によってノズルニードルの開閉を行うことで、噴射の開始と終了を自由に制御することができる。コモンレール16内の燃料圧力は、圧力センサ(図示しない)とサプライポンプ14の吐出量制御機構(図示しない)により、常にエンジンの求める最適値に制御される。
【0050】
これら燃料噴射量、噴射時期、燃料圧力などの制御は、マイクロプロセッサで構成されるコントロールユニット41により行われる。このため、コントロールユニット41には、アクセル開度センサ33、エンジン回転数とクランク角度を検出するセンサ34、気筒判別のためのセンサ35、水温センサ36からの信号が入力し、これらに基づいて、コントロールユニット41は、エンジン回転数とアクセル開度に応じて目標燃料噴射量と、燃料噴射時期を演算し、この目標燃料噴射量に対応してノズル内の三方弁25のオン時間を制御し、また、目標噴射時期に対応して三方弁25のON時期を制御する。また、また図示しない圧力センサにより検出されるコモンレール圧力が、目標圧力と一致するようにサプライポンプ14の吐出量制御機構を介してコモンレール16の燃料圧力をフィードバック制御する。
【0051】
燃料噴射時期は低温予混合燃焼を実現するために、通常の噴射時期よりも遅角される。後述するように、クランク角で圧縮上死点後の所定の範囲内で燃料噴射が開始されるように設定される。これにより、噴射された燃料の着火遅れ期間が長くなり、この間に燃料の気化が促進され、十分に空気と混合した状態で着火することが可能となる。これにより、排気還流による低酸素濃度のもとで、低温予混合燃焼が行われ、パティキュレートを増大させることなく、NOxの低減が可能とする。
【0052】
いまここで、低温予混合燃焼の燃焼領域について説明する。図2において、斜線領域は、低温予混合燃焼が可能な領域(下限はたとえば600℃程度、上限はたとえば700℃程度)である。この領域よりも温度が高くても、また低くても低温予混合燃焼はできない。
【0053】
エンジンの圧縮比が高いと、燃焼開始温度(燃焼開始時の雰囲気温度)が相対的に高くなるため、高負荷では燃焼温度が高くなりすぎ、低負荷でしか低温予混合燃焼を行わせることができない。
【0054】
高負荷では吸気中に還流される排気の温度が高くなり、吸気ガス温度が上昇し、また、吸気の過給により実圧縮比が高くなる。これらの結果、同一の圧縮比であっても、最圧縮時のシリンダ内ガス温度が上がり、燃焼開始温度が高くなってしまうのである。
【0055】
ところで、前記した特開平8−254134号公報に開示された従来装置では、圧縮比を下げることにより、燃焼開始温度を下げることで、低温予混合燃焼域を高負荷側にシフトすることが可能となる。
【0056】
しかしその反面、低負荷域での燃焼開始温度が下がり過ぎ、低負荷側で低温予混合燃焼が非常に不安定となる。
【0057】
この低負荷側での低温予混合燃焼を可能とするために、本発明では、エンジンの圧縮比は通常のエンジンよりも低い、圧縮比16以下に設定するが、低負荷域になると、燃焼温度が相対的に高まるように後述する昇温制御装置を作動させて、昇温制御を行うとと共に、燃料の噴射時期を、たとえば上死点後5°〜20°の間に設定し、燃焼開始後の温度上昇率を高めるようにしている。
【0058】
これを図3を用いてさらに説明すると、燃焼開始温度t2が図示の予混合燃焼可能ゾーン(目標温度T0から目標温度T1(ただしT1<T0)までの温度域)にあり、かつ主燃焼の開始がクランク角度で、圧縮上死点後5°〜20°(実験値)であるとき、燃焼開始後に必ず目標到達温度T´に達し、この場合に低温予混合燃焼が行われることが、実験により確かめられている。
【0059】
なお、予混合燃焼可能ゾーンの上限と下限を定める目標温度T0、T1、および目標到達温度T´は、主噴射の燃料量と主噴射時期から一義的に定まる値である。
【0060】
これに対して、燃焼開始温度t2が予混合燃焼に必要な目標温度T1以下のときは目標到達温度T´に達することができず、低温予混合燃焼が行われない。
【0061】
そこで、本発明では、燃焼開始温度t2が目標温度T1以下のときは、図10を用いて後で述べるように、目標温度T2、T3、T4(ただしT1>T2>T3>T4)を定めておき、これら温度域に応じて昇温制御を行わせることにより、燃焼開始温度を予混合燃焼可能ゾーンにまで高めるようにしている。
【0062】
次に、主燃焼の開始が圧縮上死点後5°〜20°でなければならないのは次の理由からである。
【0063】
主燃焼の開始が圧縮上死点直後であるとき、燃焼による燃焼室内の温度は、図4の実線で示したように、急上昇しようとする。しかし、実際には、圧縮温度は圧縮上死点から進むほど低下していくので、主燃焼の開始が上死点以降であるときの温度上昇は、結果的に一点鎖線で示したようにやや緩やかな上昇カーブとなる。したがって、圧縮温度の低下分を含めた温度上昇で目標到達温度T´に達すれば予混合燃焼が可能となるが、圧縮上死点後20°以降で主燃焼が開始されたときは、圧縮温度が大幅に低下するため、このときは点線で示したように目標到達温度T´にまで上昇することができなくなる。そこで、主燃焼の開始の遅い側の限界を圧縮上死点後20°としたものである。
【0064】
図5には燃焼開始時期に応じての熱発生率の違いを示す。この図から、燃焼の開始が圧縮上死点後20°以降のときは、熱発生率パターンが、破線で示すようになり、一点鎖線で示す低温予混合燃焼時の固有の熱発生率パターンが得られないことが分かる。
【0065】
このように、燃焼開始からの温度上昇率が所定値以上であること、かつ上記のように燃焼開始温度t2が目標温度T1を超えていることが、低温予混合燃焼を行わせるための条件となるのであり、これらは実験により確認されている。
【0066】
次に図6によって燃焼の制御領域を説明する。
【0067】
この図は、エンジン負荷(エンジントルク)と回転数に対する燃焼の制御領域を示している。燃焼開始温度t2はエンジンの負荷と回転数に関係する。
【0068】
本発明では、圧縮比を、上記したように、従来装置よりもさらに低圧縮比化している(従来装置が圧縮比を18以下としていたのに対し、本発明では圧縮比を16以下とする)ことで、低温予混合燃焼域が、より一層、高負荷側に拡大されている。
【0069】
このため、低負荷側では、燃焼開始温度が低くなり過ぎて低温予混合燃焼域を外れることになる。そこで燃焼温度を上昇させるために、まず吸気弁閉時期を吸気下死点付近まで進角させて実圧縮比を高める。この吸気弁閉時期を早めるだけでは足りなくなると、更に温度を高めるために、これに加えて低スワール比化と高過給圧化を行ってさらに実圧縮比を高め、これでも足りなくなる極低負荷ではさらにパイロット噴射を加えて予備的に燃焼することにより、低温予混合燃焼が可能となる燃焼開始温度にまで高める。
【0070】
図6に示した各領域での制御をさらに図7を用いて詳述する。
【0071】
〈1〉A領域
最大負荷点ではEGRを行わないため、酸素濃度は大きく、また過給圧が高いため、燃焼開始温度も高く、いわゆる通常のディーゼル燃焼となっている。
【0072】
〈2〉B領域
この領域は最大負荷域よりも負荷が小さい低温予混合燃焼域であり、大量のEGRにより酸素濃度が減少し、また、EGRガスの温度を冷却装置7により下げることで吸気温度を制御し、さらに主噴射時期の遅延、過給圧の減少によって燃焼開始温度が低下する。これによって着火遅れ期間が長期化し、燃焼開始までに十分に蒸発した燃料がシリンダ内に広がり、予混合燃焼を実現できる。
【0073】
〈3〉C領域
負荷の低下に伴うEGRガス温度の低下により、予混合燃焼の燃焼開始温度よりも燃焼開始温度が低下するので、予混合燃焼を維持するため、吸気下死点よりも遅くなっている吸気弁閉時期を進角して吸気下死点に近づけ、実圧縮比を高めることにより燃焼開始温度を上昇させる。
【0074】
〈4〉D領域
さらに負荷が低下するDやE領域では、酸素濃度をC領域と同じ低い状態に保持すると、燃焼速度が低下し、失火や白煙急増の問題が生じる。このため上記の従来装置では、EGR量を減少させることにより酸素濃度を高め、かつ噴射時期を進角することで、燃焼開始を早めて失火や燃え残りを抑制している。
【0075】
これに対して、本発明では、D領域においては、まずスワールを弱めて圧縮行程中の冷却損失を減少させる。しかしながら、このままではスワール比の低下による燃焼悪化が起こる。そこで、ターボ過給機により過給圧を高くして吸入空気量を増大し、これによってスワール比が低下した分を作動ガス量を増加させ、圧縮上死点においても高い角運動エネルギーを維持する。また、この高過給化は吸気温度を上昇させ、かつ実圧縮比を高めるので、燃焼開始温度の上昇に寄与する。
【0076】
〈5〉E領域
極低負荷域(たとえばアイドル時)では、さらに燃焼開始温度を上昇させることが必要であるため、燃料の主噴射よりも先に少量のパイロット噴射を行い、この燃料を燃焼させて主燃焼開始時の燃焼室内ガス温度を上昇させる。主噴射はパイロット噴射による燃焼が終了してから実施し、かつ主燃焼の開始が圧縮上死点後5゜〜20゜の間で行われるように、パイロット噴射時期およびパイロット噴射量ならびに主噴射時期を制御する。一例を示せば、アイドル付近においてはパイロット噴射時期を圧縮上死点前35゜、パイロット噴射量を1mm3/st、主噴射時期を圧縮上死点前3゜とする。
【0077】
ここで、パイロット噴射分の燃焼が終了してから主噴射を行う理由は、本発明でのパイロット噴射は燃焼開始温度を上昇させることが目的であること(したがって主噴射の着火を促進するものでない)、また主噴射分はあくまで着火遅れ期間後に燃焼させたいためである。
【0078】
図7のように制御を行ったときの効果を図8に示す。
【0079】
上記従来装置では、D、Eの各領域でのEGR量の減少および噴射時期の進角によりNOxが増大するほか、低温予混合燃焼が行われないため、燃焼騒音が増大し、燃費、HC、PM(特にSOF)も増大している。
【0080】
これに対して本発明では、D、Eの各領域においても低温予混合燃焼が可能となることから、NOx、燃焼騒音、燃費、HC、PM(特にSOF)を共にB領域と同等レベルまで下げられる(HCはB領域より若干増え、燃費はB領域よりよくなる)。
【0081】
図9は車両の試験モード走行時において、等PM排出量におけるNOx排出量を比較したものである。高圧縮比の低温予混合燃焼のときは高負荷側でのNOxの排出比率が大きかったが、上記従来装置による低圧縮比化により、高負荷側でのNOx排出比率は減少した。しかし、低負荷域での失火等を防ぐためにEGR率を減少させるので、低負荷側でのNOxが大幅に増大している。
【0082】
これに対して本発明によれば、低負荷側でもNOxの減少が可能となるので、高圧縮比での低温予混合燃焼と比較すれば、全体的にはNOxの排出量は1/3以下のレベルとなっている。
【0083】
次に図10のフローチャートは、低負荷域などで予混合燃焼を可能とするために、昇温制御装置を作動させて行う昇温制御の制御内容を示すもので、一定時間毎に実行する。
【0084】
ステップ1ではエンジン回転数Ne、エンジン負荷としての目標エンジントルクTorq、吸気マニフォールド温度t1(図示しないが温度センサにより検出)を読み込み、ステップ2では実際の酸素濃度と設定値(たとえば酸素濃度18%)を比較する。
【0085】
ここで、設定値の酸素濃度18%は、低温予混合燃焼を行わせるときの酸素濃度の上限値である。したがって、実際の酸素濃度が18%以下であれば、低温予混合燃焼域、18%を超えているときは、非低温予混合燃焼域であると判断することができる。酸素濃度は排気還流率を調整することにより変化する。
【0086】
なお、実際の酸素濃度は、図1のように、排気通路2に空燃比センサ38、吸気通路3にエアフローメータ39をそれぞれ設けておき、両者の検出値を用いて求めることが可能である。なお、設定値(酸素濃度18%に相当)はエンジンにより相違することはいうまでもない。
【0087】
低温予混合燃焼域であるときは、ステップ3、4、5、6に進み、燃焼開始温度t2と目標温度T1、T2、T3、T4(ただしT1>T2>T3>T4)を比較することにより領域判定を行う。
【0088】
これら目標温度T1、T2、T3、T4は、エンジン負荷と回転数に応じて設定され、たとえば、図20、図21、図22、図23に示すようなマップを、負荷(エンジン目標トルクや燃料噴射量であってもよい)と回転数Neに基づいて、検索することにより求める。たとえば、負荷と回転数から定まる運転点がUにあったとすると、このとき、T1はほぼ855Kに、T2はほぼ845Kに、T3はほぼ835Kに、T4はほぼ825Kになるわけである。
【0089】
ここで、温度域と図7に示した領域との対応関係は次の通りである。
【0090】
B領域:t2>T1
C領域:T1≧t2>T2
D領域:T2≧t2>T3
E領域:T3≧t2>T4
領域判定は回転数と負荷により図6のようなマップを検索して行わせることが考えられるが、この場合には、吸気温度がマッチング温度と違った場合に領域判定の精度が低下する。たとえば、吸気温度の変化により、冬のほうが夏より燃焼開始温度が低下するので、夏だとT1からT2の温度域に入っていたものが、冬にはT2からT3の温度域に落ちるとすれば、冬には夏と相違してターボ過給機の制御とスワールコントローバルブの制御を加えなければならない。
【0091】
ところが、図6のマップ特性には吸気温度の変化は現れないので、図6のマップ特性を夏用にマッチングしたのでは、冬になっても夏と同じ制御しか行われず(この場合であれば、ターボ過給機の制御とスワール弁の制御が行われない)、燃焼温度が目標到達温度には到達しない。
【0092】
これに対して、燃焼温度により領域判定するときは、吸気温度の変化に応じた制御を行わせることができる(冬にはターボ過給機の制御とスワールコントロールバルブの制御を加えることができる)。
【0093】
上記の燃焼開始温度t2[K]は、吸気マニフォールド温度(吸気ガス温度)t1[K]との間に
t2=t1・εκ-1
ただし、ε:圧縮比
κ:比熱比(≒1.3)
なる相関があるので、吸気マニフォールド温度t1から求めることができる。たとえば、吸気マニフォールド温度が50℃であったとすると、このときt2=(273+50)・161.3-1=323・160.3≒850Kとなる。もちろん、吸気温度Ta[K]と吸入負圧Boost[mmHg]から
t1=Ta・(760+Boost)/760
の式により吸気マニフォールド温度t1を推定してもかまわない。
【0094】
このように、燃焼開始温度t2は、圧縮比と吸気ガス温度t1(あるいは吸気ガス温度に影響を与えるエンジン負荷)に基づいて予測することができる。
【0095】
▲1▼t2>T1のときはステップ7、8に進み、回転数Neと目標エンジントルクTorqから図11、図12を内容とするマップを検索して目標EGR率と目標主噴射時期(目標主噴射開始時期)を求める。
【0096】
▲2▼T1≧t2>T2のときはステップ9に進み、回転数Neと目標エンジントルクTorqから図13を内容とするマップを検索して目標吸気弁閉時期を求めたあと、ステップ7、8の操作を実行する。
【0097】
通常は吸気下死点後に設定される吸気弁閉時期を、下死点付近まで早めることにより、実圧縮比が高まり、燃焼開始温度を上昇させられる。
【0098】
▲3▼T2≧t2>T3のときはステップ10、11に進み、回転数Neと目標エンジントルクTorqから図14と図15を内容とするマップを検索して目標スワール比と目標過給圧を求めたあと、ステップ9、7、8の操作を実行する。
【0099】
過給圧を高くすることにより、やはり実際の圧縮比が高まることになり、それだけ燃焼開始温度を上昇させられる。またスワール比を小さくしてスワールを弱くすると、シリンダ内の作動ガスの熱交換率が低下し、冷却損失が小さくなり、作動ガスの温度低下が抑制され、これが燃焼開始温度の上昇につながる。
【0100】
▲4▼T3≧t2>T4のときはステップ12に進み、回転数Neと目標エンジントルクTorqから図16を内容とするマップを検索して目標パイロット噴射量と目標パイロット噴射時期を求めたあと、ステップ10、11、9、7、8の操作を実行する。
【0101】
パイロット噴射によりシリンダ内作動ガスの温度を高め、燃焼開始温度の上昇を図る。
【0102】
なお、図16においては、左下の小さな領域に、パイロット燃料噴射のために1mm3/stを目標パイロット噴射量、圧縮上死点前35゜を目標パイロット噴射時期とするデータが入っている。
【0103】
そして、図示しないフローにより、t2>T1の温度域で目標EGR率を用いてのEGR弁制御と目標主噴射時期を用いての噴射時期制御を行う。
【0104】
これに対して、T1≧t2>T2の温度域では、以上の制御に加えて目標吸気弁閉時期を用いての吸気弁の閉時期を進角させる吸気弁閉時期制御を行う。
【0105】
また、T2≧t2>T3の温度域では、上記各制御に加えて、さらに目標スワール比を用いてのスワール弁制御と目標過給圧を用いての過給圧制御が行われる。
【0106】
さらにまた、T3≧t2>T4の温度域では、以上のすべての制御に加えて目標パイロット噴射量と目標パイロット噴射時期を用いてのパイロット噴射制御がそれぞれ行われる。
【0107】
なお、上記の吸気弁閉時期を調整可能な機構(つまり可変バルブタイミング機構)としては、たとえば、図17に示すようなものが採用できる。
【0108】
60は吸気弁、61は吸気弁60を閉弁方向に付勢する弁バネで、各吸気弁60の上端に接触してピストン63が設けられ、油圧室62に導かれる油圧によりピストン63が弁バネ61に抗して下降し、吸気弁60が開かれる。
【0109】
オイルポンプ64から吐出される作動油は、アキュムレータ65から入口側電磁切換弁66、67を介して油通路68、69に選択的に供給される。さらに、エンジン回転に同期して回転するロータリバルブ70、71を介して#1気筒、#4気筒、#2気筒、#3気筒の各油圧室62に選択的に供給されることにより、各吸気弁60が順に開かれる。
【0110】
各油圧室62の作動油は、油通路68、69から出口側電磁切換弁73、74を介して選択的にタンク75に逃がされることにより、各吸気弁60が順に閉じられる。この出口側電磁切換弁73、74を制御することで、各吸気弁60の閉時期が自由に制御される。
【0111】
したがって、図17に示した可変バルブタイミング機構59では、図10のフローを実行して得られる目標吸気弁閉時期の値に応じて出口側電磁切換弁73、74を制御すればよい。
【0112】
このように本発明では、圧縮比を16以下と従来装置よりもさらに低圧縮比化することにより、低温予混合燃焼域を高負荷側にまで拡大することができる。また、燃焼開始温度が低温予混合燃焼が可能な目標温度T1以下となる温度域になると、主燃焼の開始が所定の時期(たとえば上死点後5゜〜20゜の間)に行われるように主噴射時期を制御するとともに、燃焼開始温度が目標温度T1を超えるように温度領域に応じた昇温制御を行うので、低負荷域(低温域)まで低温予混合燃焼を行わせることができ、つまり、低温予混合燃焼域を拡大できる。これによってNOx、燃焼騒音、燃費、HC、PM、のいずれについても、上記従来装置より改善できた(図8参照)。
【0113】
次に本発明の他の実施形態を図18のフローチャートにしたがって説明する。
【0114】
なお、このフローチャートは、第1実施形態のフローチャートである図10に対応して記載され、図中、図10と同一部分には同一のステップ番号を付けている。
【0115】
この実施形態は、1気筒について複数、たとえば2個の排気弁を備えるエンジンを対象にしている。極低温時にも燃焼開始温度t2を上昇させるために、複数の排気弁のうち、一方を吸気行程中に開き、かつEGR弁を閉じることにより、高温の排気ガスを燃焼室内に直接的に逆流させ、燃焼室内のガス温度を高め、燃焼開始温度t2が上記の目標温度T4未満となる場合においても低温予混合燃焼が実現可能となるようにしている。
【0116】
たとえば図19に示したように、目標EGR率が100%(吸気量とEGRガス量が同量)で考える。この場合に冷却水温が低下しても、最圧縮温度(=燃焼開始温度t2)を所定値に維持するには、圧縮前温度(=吸気マニフォールド温度t1)を図示のように冷却水温が低くなるほど高くする必要がある。
【0117】
ここで、圧縮前温度はEGR弁を通って流れてくる低温の排気ガスおよび吸気通路を流れてくる低温の空気と、吸気行程に排気弁の一方を開くことにより燃焼室に逆流する高温のガスとのバランスで定まる。したがって、圧縮前温度を図示の特性とするには、冷却水温が低くなるほど吸気行程で開弁させる一方の排気弁の流量を増し、かつ吸気弁流量とEGR弁流量を減らせばよい。
【0118】
図18のフローチャートに戻ると、図10と相違するのはステップ21だけである。つまり、燃焼開始温度t2が目標温度T4以下のとき、ステップ6からステップ21に進み、冷却水温に基づいて、図19と同じように設定したテーブルを検索して、目標EGR弁流量、目標排気弁流量、目標吸気弁流量を求めるのである。その後は、第1実施例と同じように、ステップ12、10、11、9、7、8の操作を実行する。
【0119】
そして、上記求めた各目標流量がEGR弁、排気弁、吸気弁を流れるように、図示しないフローにおいて、EGR弁開度と吸気弁開度を制御し、かつ吸気行程中の排気弁開度を制御する。
【0120】
また、吸気行程中の一方の排気弁の開弁によりEGRガスが燃焼室へと逆流することにより燃焼室内のスワールが弱くなるので、スワール比の低下防止のため、吸気行程で開く排気弁側の排気ポートをヘリカルポートに形成し、逆流する排気が燃焼室内で旋回運動を起こすようにする。
【0121】
このようにして、燃焼開始温度t2が目標温度T4以下となる場合に、EGR弁を介して燃焼室に流入する低温のEGRガスおよび低温の吸入空気を減らすとともに、吸気行程で一方の排気弁を開くことにより燃焼室へと逆流する高温のEGRガスを増やす。しかもこのとき排気弁の開弁に伴う燃焼室内のスワールの低下防止のため、吸気行程で開く排気弁の排気ポートをヘリカルポートに形成している。これらの結果、燃焼開始温度t2が目標温度T4以下となる極低温時においても、低温予混合燃焼の実現が可能となり、これによって低水温時の排気性能がさらに向上する。
【0122】
なお、冷却水温に応じてEGR弁、一方の排気弁、及び吸気弁の各流量を変化させているが、最も簡単な制御としては、一方の排気弁を吸気行程で所定の開度だけ開き、EGR弁と吸気弁を最小開度まで閉じるようにしてもよい(これは図19において左端の特性に対応する)。
【0123】
実施形態では、燃焼温度により領域判定する場合で説明したが、図6を用いて前述したように回転数と負荷により領域判定してもかまわない。この場合のフローチャートを図24、図25に示す。なお、図24、図25は第1、第2実施形態のフローチャートである図10、図18に対応して記載され、図中、図10、図18と同一部分には同一のステップ番号を付けている。
【0124】
これを説明すると、図6においてB領域とC領域の境界を定める負荷を第1目標負荷、C領域とD領域の境界を定める負荷を第2目標負荷、D領域とE領域の境界を定める負荷を第3目標負荷として、次のように昇温制御を行わせるのである。
【0125】
(1)第1目標負荷以下で、かつこの第1目標負荷よりも低い第2目標負荷 よりも高い負荷域(C領域)のとき、吸気弁の閉時期を進角させることにより昇温制御を行う(ステップ33、9)。
【0126】
(2)第2目標負荷以下で、かつこの第2目標負荷よりも低い第3目標負荷よりも高い負荷域(D領域)のとき、吸気弁閉時期を進角し、スワール比を低くし、さらに過給圧を高くすることにより、昇温制御を行う(ステップ34、10、11、9)。
【0127】
(3)第3目標負荷以下で、かつこの第3目標負荷よりも低い第4目標負荷よりも高い負荷域(E領域)のとき、吸気弁閉時期を進角し、スワール比を低くし、過給圧を高くし、さらに燃料の主噴射よりも先にパイロット噴射を行いかつパイロット噴射による燃焼は主噴射の前に終了するようにパイロット噴射時期を設定することにより、昇温制御を行うとともに(ステップ35、12、10、11、9)、燃料の主噴射の終了後に主噴射燃料が着火するように燃料主噴射時期を制御する。
【0128】
なお、上記実施例では、酸素量をEGR率により変化させるようにしたが、本発明はこの場合に限られるものでもなく、たとえば酸素透過膜を用いて酸素量を変化させることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態の制御システム図。
【図2】エンジン負荷に応じての燃焼開始温度の特性を示す特性図。
【図3】低温予混合燃焼の燃焼開始温度領域と目標到達温度を説明するための特性図。
【図4】燃焼の開始時期が相違するときの温度上昇の特性図。
【図5】燃焼の開始時期が相違するときの熱発生率パターンの特性図。
【図6】エンジン回転数とエンジン負荷に対する制御域を区分けした領域図。
【図7】図6の領域毎の制御を説明するための特性図。
【図8】図7の制御を行ったときのNOxなどの排出特性を示す特性図。
【図9】モード走行時における等PMでのNOx排出量を比較した特性図。
【図10】制御内容を説明するためのフローチャート。
【図11】目標EGR率の特性図。
【図12】目標主噴射時期の特性図。
【図13】目標吸気弁閉時期の特性図。
【図14】目標スワール比の特性図。
【図15】目標過給圧の特性図。
【図16】目標パイロット噴射量および目標パイロット噴射時期の特性図。
【図17】可変バルブタイミング機構の概略構成図。
【図18】第2実施形態の制御内容を説明するためのフローチャート。
【図19】目標EGR弁流量、目標排気弁流量、目標吸気弁流量の特性図。
【図20】第1目標温度を設定したマップ。
【図21】第2目標温度を設定したマップ。
【図22】第3目標温度を設定したマップ。
【図23】第4目標温度を設定したマップ。
【図24】第3実施形態の制御内容を説明するためのフローチャート。
【図25】第1の発明のクレーム対応図。
【図26】 第19の発明のクレーム対応図。
【符号の説明】
6 EGR弁
17 ノズル
33 アクセル開度センサ
34 クランク角センサ
41 コントロールユニット
52 ターボ過給機[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a combustion control device for a diesel engine.
[0002]
[Prior art]
As a combustion method of a diesel engine, there is a low-temperature premixed combustion that reduces NOx and particulates discharged from the engine. This delays the fuel injection timing until after the compression top dead center, and also reduces the oxygen concentration by exhaust gas recirculation (EGR), thereby lengthening the fuel ignition delay period. During this ignition delay period, the fuel is sufficiently vaporized. An air-fuel mixture is formed, and low-temperature premixed combustion is performed with a low concentration of oxygen.
[0003]
In this case, there is a proposal that the low-temperature premixed combustion can be performed on the engine high load side by setting the engine compression ratio to a compression ratio lower than the normal compression ratio (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-254134).
[0004]
When the compression ratio of the engine is high, the compression temperature rises relatively, so that the temperature at the start of combustion (cylinder atmosphere temperature at the start of combustion) increases. Since the combustion temperature further increases after the start of combustion, if this exceeds the range of the low temperature premixed combustion, the low temperature premixed combustion cannot be performed.
[0005]
In particular, when the engine load increases, the temperature of the exhaust gas that is recirculated during intake increases, so the intake gas temperature increases, and the actual compression ratio increases due to intake air supercharging by the turbocharger. The temperature rose beyond the temperature range of premix combustion, and therefore, low temperature premix combustion could only be performed on the low load side.
[0006]
On the other hand, by lowering the compression ratio by the proposed apparatus, the combustion start temperature is relatively lowered, and the low temperature premixed combustion can be performed on the higher load side.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the compression ratio is lowered, the combustion start temperature in the low load region is excessively lowered and the combustion becomes unstable on the low load side.
[0008]
Therefore, in the above-described conventional apparatus, on the low load side where low-temperature premixed combustion cannot be performed, the oxygen concentration is increased by reducing the EGR amount, and the fuel injection timing is advanced, so that the start of combustion is advanced and combustion is performed. To stabilize.
[0009]
However, in this case, the NOx emission amount increases due to the decrease in the EGR amount and the advance of the injection timing, and the low-temperature premixed combustion is not performed, so the combustion noise increases and the fuel consumption also deteriorates.
[0010]
Therefore, an object of the present invention is to enable low-temperature premixed combustion in a wide operating range of the engine even when the compression ratio is lower than the normal compression ratio.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The first invention isThe fuel injection timing is delayed until after the compression top dead center, and the fuel ignition delay period is lengthened. During this ignition delay period, a premixed gas in which the fuel is sufficiently vaporized is formed, and under a low concentration of oxygen. BurnIn a diesel engine that performs low-temperature premixed combustion at a low compression ratio, as shown in FIG. 25, a
[0012]
In the second invention, the in-cylinder atmosphere temperature t2 at the start of the combustion in the first invention is predicted based on the compression ratio ε and the engine load.
[0013]
In the third invention, in the first invention, the cylinder atmosphere temperature t2 at the start of the combustion is predicted based on the compression ratio ε and the intake gas temperature.
[0014]
In the fourth invention, in any one of the first to third inventions, in order to make the temperature increase rate of the main combustion equal to or higher than the predetermined value, the start of combustion is set to 5 ° to 20 ° after the compression top dead center. The fuel injection timing is controlled so as to be in the range.
[0015]
According to a fifth invention, in any one of the first to fourth inventions, an intake valve closing timing control mechanism is provided as the temperature raising control device, and the in-cylinder ambient temperature t2 at the start of combustion is the first target temperature. When the temperature is lower than T1 and higher than the second target temperature T2 lower than the first target temperature T1, the temperature increase control is performed by advancing the closing timing of the intake valve.
[0016]
According to a sixth aspect of the invention, the fifth aspect of the invention further includes a swirl control mechanism as the temperature increase control device, wherein the in-cylinder ambient temperature t2 at the start of combustion is equal to or lower than the second target temperature T2, and the second target temperature. When the temperature is higher than the third target temperature T3 lower than T2, the temperature rise control is performed by advancing the intake valve closing timing and lowering the swirl ratio.
[0017]
According to a seventh invention, in the fifth invention, a supercharging pressure control mechanism is further provided as the temperature increase control device, the cylinder atmosphere temperature t2 at the start of combustion is equal to or lower than the second target temperature T2, and the second When the temperature is higher than the third target temperature T3 that is lower than the target temperature T2, the temperature rise control is performed by advancing the intake valve closing timing, lowering the swirl ratio, and further increasing the supercharging pressure.
[0018]
According to an eighth aspect of the invention, the fuel injection control mechanism is further provided as the temperature increase control device in the sixth or seventh aspect of the invention, and the cylinder atmosphere temperature t2 at the start of combustion is equal to or lower than the third target temperature T3. When the temperature is higher than the fourth target temperature T4, which is lower than the third target temperature T3, the intake valve closing timing is advanced, the swirl ratio is lowered, and pilot injection is performed prior to the main fuel injection and pilot injection The temperature rise control is performed by setting the pilot injection timing so that the combustion due to is terminated before the main injection.
[0019]
In the ninth inventionThe secondIn the seventh aspect of the present invention, a fuel injection control mechanism is further provided as the temperature increase control device, and a cylinder atmosphere temperature t2 at the start of combustion is a third target temperature T3 or lower and lower than the third target temperature T3. When the temperature is higher than the target temperature T4, the intake valve closing timing is advanced, the swirl ratio is lowered, the boost pressure is increased, pilot injection is performed before the main fuel injection, and combustion by the pilot injection is The temperature increase control is performed by setting the pilot injection timing to end before the main injection.
[0020]
In a tenth aspect of the invention, in the eighth or ninth aspect of the invention, the fuel main injection timing is controlled so that the main injection fuel is ignited after the end of the main injection of fuel.
[0021]
In the eleventh aspect of the invention, in any one of the eighth to tenth aspects, the opening / closing timing of one of the plurality of exhaust valves provided for one cylinder as the temperature rise control device can be arbitrarily controlled. And an EGR valve that controls the amount of exhaust gas recirculated during intake, and the intake valve closing timing is advanced when the in-cylinder atmosphere temperature t2 at the start of combustion is equal to or lower than the fourth target temperature T4. The pilot injection is performed so that the main injection is performed after the combustion of the pilot injection is completed, and the one exhaust valve is opened in the intake stroke and the EGR is performed. The temperature increase control is performed by closing the valve.
[0022]
In the twelfth invention, in any one of the eighth to tenth inventions, it is possible to arbitrarily control the opening / closing timing of one of the plurality of exhaust valves provided for one cylinder as the temperature rise control device. An exhaust valve opening / closing mechanism, an intake valve control mechanism that can arbitrarily adjust the opening / closing timing of the intake valve, and an EGR valve that controls the amount of exhaust gas recirculated during intake, and the atmospheric temperature in the cylinder at the start of combustion When t2 is equal to or lower than the fourth target temperature T4, the pilot valve is advanced so that the intake valve closing timing is advanced, the swirl ratio is lowered, the boost pressure is increased, and the main injection is performed after the pilot injection combustion is completed. Each amount of EGR gas and intake air that is injected and flows into the combustion chamber via the EGR valve is reduced as the cooling water temperature is lowered, and the exhaust valve is opened back during the intake stroke to flow back into the combustion chamber. By increasing the amount of EGR gas as the cooling water temperature is low, performing the Atsushi Nobori control.
[0023]
In a thirteenth aspect, the exhaust port on the one exhaust valve side that opens in the intake stroke in the eleventh or twelfth aspect is formed in a helical port.
[0024]
In the fourteenth invention, from the first to the first4In any one of the inventions up toFirstTarget temperature T1It sets according to load so that temperature may become low, so that engine load becomes low.
In a fifteenth aspect, in the fifth aspect, at least one of the first target temperature T1 and the second target temperature T2 is set according to the load so that the temperature decreases as the engine load decreases.
According to a sixteenth aspect, in the sixth or seventh aspect, at least one of the second target temperature T2 and the third target temperature T3 is set according to the load so that the temperature decreases as the engine load decreases.
According to a seventeenth aspect, in any one of the eighth to tenth aspects, at least one of the third target temperature T3 and the fourth target temperature T4 is set according to a load so that the temperature decreases as the engine load decreases. To set.
In an eighteenth aspect of the invention, in any one of the eleventh to thirteenth aspects, the fourth target temperature T4 is set according to the load so that the temperature decreases as the engine load decreases.
[0025]
First19As shown in FIG. 26, in the diesel engine that performs low-temperature premixed combustion at a low compression ratio, the
[0026]
First20In the invention of the19In the invention, the temperature raising control device further includes a swirl control mechanism, and when the load range (D region) is lower than the second target load and higher than the third target load lower than the second target load, The temperature increase control is performed by advancing the intake valve closing timing and lowering the swirl ratio.
[0027]
First21In the invention of the19According to the invention, when the temperature rise control device is further provided with a supercharging pressure control mechanism and is in a load range (D region) that is lower than the second target load and higher than the third target load that is lower than the second target load. The temperature increase control is performed by advancing the intake valve closing timing, lowering the swirl ratio, and further increasing the supercharging pressure.
[0028]
First22In the invention of the19Or second20In the present invention, the temperature raising control device further includes a fuel injection control mechanism, and when the load range (E region) is lower than the third target load and higher than the fourth target load lower than the third target load. Advance the intake valve closing timing, lower the swirl ratio, and set the pilot injection timing so that pilot injection is performed prior to the main injection of fuel and combustion by pilot injection ends before the main injection Thus, the temperature increase control is performed.
[0029]
First23In the invention of the19Or second20In the present invention, the temperature raising control device further includes a fuel injection control mechanism, and when the load range (E region) is lower than the third target load and higher than the fourth target load lower than the third target load. The intake valve closing timing is advanced, the swirl ratio is lowered, the boost pressure is increased, pilot injection is performed prior to the main injection of fuel, and combustion by pilot injection is terminated before the main injection The temperature rise control is performed by setting the pilot injection timing at.
[0030]
First24In the invention of the22Or second23In this invention, the fuel main injection timing is controlled so that the main injected fuel is ignited after the main injection of the fuel is completed.
[0031]
【The invention's effect】
In the first, second, third, fourth, and fourteenth inventions, the low temperature premixed combustion as it is because the in-cylinder atmosphere temperature at the start of combustion becomes lower than the first target temperature for maintaining the low temperature premixed combustion. When the temperature range is reached, the temperature rise control device is operated so that the temperature inside the cylinder at the start of combustion exceeds the first target temperature, and the temperature rise control is performed. Since the fuel injection timing of the fuel injection valve is adjusted so that the low temperature premixed combustion can be performed at a low temperature or a low load region where the low temperature premixed combustion could not be performed according to the conventional device ( The expansion of the low temperature premixed combustion zone), and thus, combustion noise, fuel consumption, HC, PM, and NOx were all improved from the conventional apparatus.
[0032]
In addition, according to the conventional device, it is possible to realize low temperature premixed combustion at a low temperature or to a low load side where it was difficult to perform low temperature premixed combustion. Perhaps the low temperature premixed combustion zone can be shifted to the high load side.
[0033]
5th and 1st19In this invention, the actual compression ratio increases with the advance of the intake valve closing timing, and according to the fifth invention, the cylinder ambient temperature at the start of combustion is lower than the first target temperature and higher than the second target temperature. Even when it is high,19According to this invention, it is possible to prevent a decrease in the combustion start temperature even in a load range (C region) that is equal to or lower than the first target load and higher than the second target load.
[0034]
6th, 7th, 7th20The second21In each of the inventions, since the swirl is weakened, the cooling loss during the compression stroke is reduced, and according to the sixth and seventh inventions, the atmospheric temperature in the cylinder at the start of combustion is equal to or lower than the second target temperature, and When the temperature is higher than the third target temperature,20The second21According to this invention, it is possible to prevent a decrease in the combustion start temperature even in a load range (D region) that is equal to or lower than the second target load and higher than the third target load.
[0035]
However, the combustion worsens due to the reduction of the swirl ratio in this state.21According to the invention, the boost pressure is increased to increase the amount of intake air, and thus the swirl ratio is decreased, so that the working gas is increased to maintain the angular kinetic energy at the compression top dead center. Deterioration can be prevented, and this supercharging increases the intake air temperature, which contributes to an increase in the combustion start temperature.
[0036]
8th, 9th, 10th, 10th22The second23According to the invention, pilot injection is performed. Therefore, according to the eighth, ninth, and tenth inventions, when the atmospheric temperature in the cylinder at the start of main combustion combustion is equal to or lower than the third target temperature and higher than the fourth target temperature. And again22The second23In this invention, it is possible to increase the atmospheric temperature in the cylinder at the start of the combustion of the main combustion even in a load range (E region) which is equal to or lower than the third target load and higher than the fourth target load.
[0037]
According to the eleventh and twelfth inventions, low-temperature premixed combustion can be realized even when the atmospheric temperature in the cylinder at the start of combustion is equal to or lower than the fourth target temperature, thereby further improving exhaust performance at low water temperature. To do.
[0038]
In the thirteenth invention, it is possible to prevent the swirl ratio in the combustion chamber from being lowered due to the opening of one of the exhaust valves in the intake stroke.
[0039]
When the region determination is performed based on the engine load, the accuracy of the region determination is lowered when the intake air temperature is different from the matching temperature. However, in the fifth to fourteenth inventions, based on the combustion start temperature itself. Since the region determination is performed, the region determination can be performed accurately regardless of the intake air temperature such as the difference between summer and winter.
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a diesel engine.
[0041]
In the combustion of a diesel engine, the amount of NOx produced greatly depends on the combustion temperature, and it is effective to lower the combustion temperature relatively for the reduction. In the low temperature premixed combustion system, the oxygen concentration is reduced by an exhaust gas recirculation system (EGR), thereby realizing low temperature combustion. For this reason, the
[0042]
The negative
[0043]
An EGR
[0044]
The intake passage near the intake port of the engine is provided with a swirl control valve (not shown). When the opening degree of the swirl control valve is controlled by the
[0045]
A hollow combustion chamber (not shown) formed in the piston is a large-diameter toroidal combustion chamber. In this, the piston cavity is formed in a cylindrical shape from the crown to the bottom of the piston without restricting the inlet, and a conical part is formed in the center of the bottom, and this conical part enters the piston cavity later in the compression stroke. In order not to give resistance to the swirl that flows while swirling, the mixing of air and fuel is further improved.
[0046]
Thus, the swirl generated by the swirl control valve is diffused from the inside of the piston cavity to the outside of the cavity as the piston descends during the combustion process, due to the cylindrical piston cavity that does not restrict the inlet. The swirl is maintained outside the cavity.
[0047]
The
[0048]
The engine includes a common rail
[0049]
This is mainly composed of a fuel tank (not shown), a
[0050]
The control of the fuel injection amount, the injection timing, the fuel pressure, and the like is performed by a
[0051]
The fuel injection timing is delayed from the normal injection timing in order to realize low temperature premixed combustion. As will be described later, the fuel injection is set to start within a predetermined range after the compression top dead center at the crank angle. As a result, the ignition delay period of the injected fuel is lengthened, during which the fuel vaporization is promoted, and it is possible to ignite in a state sufficiently mixed with air. As a result, low-temperature premixed combustion is performed under a low oxygen concentration due to exhaust gas recirculation, and NOx can be reduced without increasing particulates.
[0052]
Now, the combustion region of the low temperature premixed combustion will be described. In FIG. 2, the shaded region is a region where low temperature premixed combustion is possible (the lower limit is about 600 ° C., the upper limit is about 700 ° C., for example). Even if the temperature is higher or lower than this region, low temperature premix combustion is not possible.
[0053]
When the compression ratio of the engine is high, the combustion start temperature (atmosphere temperature at the start of combustion) becomes relatively high. Therefore, the combustion temperature becomes too high at a high load, and low temperature premixed combustion can be performed only at a low load. Can not.
[0054]
At a high load, the temperature of the exhaust gas recirculated during intake air increases, the intake gas temperature rises, and the actual compression ratio increases due to supercharging of the intake air. As a result, even if the compression ratio is the same, the in-cylinder gas temperature at the time of maximum compression increases, and the combustion start temperature increases.
[0055]
By the way, in the conventional apparatus disclosed in the above-mentioned JP-A-8-254134, it is possible to shift the low temperature premixed combustion region to the high load side by lowering the combustion start temperature by lowering the compression ratio. Become.
[0056]
However, on the other hand, the combustion start temperature in the low load region is too low, and the low temperature premixed combustion becomes very unstable on the low load side.
[0057]
In order to enable low-temperature premixed combustion at the low load side, in the present invention, the compression ratio of the engine is set to be lower than the compression ratio of 16 or less than that of a normal engine. The temperature increase control device described later is operated so that the temperature increases relatively, and the temperature increase control is performed. At the same time, the fuel injection timing is set, for example, between 5 ° and 20 ° after top dead center, and combustion starts. The rate of temperature rise later is increased.
[0058]
This will be further explained with reference to FIG. 3. The combustion start temperature t2 is in the illustrated premixed combustion possible zone (the temperature range from the target temperature T0 to the target temperature T1 (where T1 <T0)), and the start of main combustion. Is the crank angle and is 5 ° to 20 ° (experimental value) after compression top dead center, the target attainment temperature T ′ is always reached after the start of combustion. It has been confirmed.
[0059]
The target temperatures T0 and T1 and the target temperature T ′ that define the upper and lower limits of the premixed combustion possible zone are values that are uniquely determined from the fuel amount of the main injection and the main injection timing.
[0060]
On the other hand, when the combustion start temperature t2 is equal to or lower than the target temperature T1 necessary for the premix combustion, the target attainment temperature T ′ cannot be reached, and the low temperature premix combustion is not performed.
[0061]
Therefore, in the present invention, when the combustion start temperature t2 is equal to or lower than the target temperature T1, target temperatures T2, T3, and T4 (where T1> T2> T3> T4) are determined as will be described later with reference to FIG. In addition, the temperature rise control is performed in accordance with these temperature ranges, so that the combustion start temperature is increased to the premixed combustion possible zone.
[0062]
Next, the start of main combustion must be 5 ° to 20 ° after compression top dead center for the following reason.
[0063]
When the start of main combustion is immediately after compression top dead center, the temperature in the combustion chamber due to combustion tends to rise rapidly as shown by the solid line in FIG. However, since the compression temperature actually decreases as the compression top dead center progresses, the temperature rise when the main combustion starts after the top dead center is slightly higher as shown by the one-dot chain line. It will be a gentle rise curve. Therefore, premixed combustion is possible when the temperature reaches the target temperature T ′ by increasing the temperature including the decrease in the compression temperature, but when the main combustion is started after 20 ° after the compression top dead center, the compression temperature At this time, the temperature cannot reach the target temperature T ′ as indicated by the dotted line. Therefore, the limit on the slow start side of main combustion is set to 20 ° after compression top dead center.
[0064]
FIG. 5 shows the difference in heat generation rate depending on the combustion start timing. From this figure, when the start of combustion is 20 ° or more after compression top dead center, the heat generation rate pattern becomes as shown by a broken line, and the specific heat generation rate pattern at the time of low temperature premixed combustion shown by a one-dot chain line is It turns out that it cannot be obtained.
[0065]
Thus, the condition for causing low-temperature premixed combustion is that the rate of temperature increase from the start of combustion is a predetermined value or more and that the combustion start temperature t2 exceeds the target temperature T1 as described above. These have been confirmed by experiments.
[0066]
Next, the combustion control region will be described with reference to FIG.
[0067]
This figure shows the combustion control region with respect to the engine load (engine torque) and the rotational speed. The combustion start temperature t2 is related to the engine load and the rotational speed.
[0068]
In the present invention, as described above, the compression ratio is further reduced as compared with the conventional device (the conventional device has a compression ratio of 18 or less, whereas the compression ratio is 16 or less in the present invention). Thus, the low-temperature premixed combustion region is further expanded to the high load side.
[0069]
For this reason, on the low load side, the combustion start temperature becomes too low and the low temperature premixed combustion zone is deviated. In order to increase the combustion temperature, the intake valve closing timing is first advanced to the vicinity of the intake bottom dead center to increase the actual compression ratio. If it is not enough to advance the closing timing of the intake valve, in order to further increase the temperature, in addition to this, a low swirl ratio and a high boost pressure are further increased to further increase the actual compression ratio, which is still insufficient. At the load, pilot injection is further applied and preliminary combustion is performed to raise the combustion start temperature to enable low temperature premixed combustion.
[0070]
The control in each area shown in FIG. 6 will be further described in detail with reference to FIG.
[0071]
<1> A area
Since EGR is not performed at the maximum load point, the oxygen concentration is high and the boost pressure is high, so the combustion start temperature is also high, and so-called normal diesel combustion is performed.
[0072]
<2> B area
This region is a low temperature premixed combustion region where the load is smaller than the maximum load region, the oxygen concentration is reduced by a large amount of EGR, the temperature of the EGR gas is lowered by the
[0073]
<3> C region
The combustion start temperature is lower than the combustion start temperature of the premixed combustion due to the decrease in the EGR gas temperature accompanying the decrease in the load. Therefore, in order to maintain the premixed combustion, the intake valve closing which is later than the intake bottom dead center The combustion start temperature is raised by advancing the timing to approach the intake bottom dead center and increasing the actual compression ratio.
[0074]
<4> D region
Further, in the D and E regions where the load is reduced, if the oxygen concentration is kept at the same low level as that in the C region, the combustion rate is reduced, causing the problem of misfire and rapid increase in white smoke. For this reason, in the above conventional apparatus, the oxygen concentration is increased by decreasing the EGR amount, and the injection timing is advanced, so that the start of combustion is advanced to suppress misfire and unburned residue.
[0075]
In contrast, in the present invention, in the region D, the swirl is first weakened to reduce the cooling loss during the compression stroke. However, combustion deterioration occurs due to a decrease in the swirl ratio. Therefore, the turbocharger increases the supercharging pressure to increase the intake air amount, thereby increasing the working gas amount corresponding to the decrease in the swirl ratio, and maintaining high angular kinetic energy even at the compression top dead center. . In addition, this high supercharging increases the intake air temperature and increases the actual compression ratio, which contributes to an increase in the combustion start temperature.
[0076]
<5> E region
In an extremely low load range (for example, at idling), it is necessary to further increase the combustion start temperature. Therefore, a small amount of pilot injection is performed prior to the main injection of fuel, and this fuel is burned to start main combustion. Increase the combustion chamber gas temperature. The main injection is performed after the combustion by the pilot injection is finished, and the pilot injection timing, the pilot injection amount, and the main injection timing are set so that the main combustion is started between 5 ° and 20 ° after the compression top dead center. To control. For example, in the vicinity of idle, the pilot injection timing is 35 ° before compression top dead center, and the pilot injection amount is 1 mm.Three/ St, the main injection timing is 3 ° before compression top dead center.
[0077]
Here, the reason why the main injection is performed after the combustion for the pilot injection is completed is that the pilot injection in the present invention is intended to raise the combustion start temperature (and therefore does not promote the ignition of the main injection). ), And the main injection is to be burned after the ignition delay period.
[0078]
The effect when the control is performed as shown in FIG. 7 is shown in FIG.
[0079]
In the above-described conventional apparatus, NOx increases due to the decrease in the EGR amount in each of the regions D and E and the advance angle of the injection timing, and since low-temperature premixed combustion is not performed, combustion noise increases, fuel consumption, HC, PM (especially SOF) is also increasing.
[0080]
In contrast, in the present invention, low temperature premixed combustion is possible in each of the D and E regions, so NOx, combustion noise, fuel consumption, HC and PM (especially SOF) are all reduced to the same level as in the B region. (HC is slightly increased from the B region, and fuel consumption is better than the B region).
[0081]
FIG. 9 shows a comparison of NOx emission amounts at equal PM emission amounts when the vehicle is in the test mode. During low temperature premixed combustion with a high compression ratio, the NOx emission ratio on the high load side was large, but the NOx emission ratio on the high load side decreased due to the low compression ratio by the conventional device. However, since the EGR rate is decreased in order to prevent misfires in the low load region, NOx on the low load side is greatly increased.
[0082]
On the other hand, according to the present invention, NOx can be reduced even on the low load side. Therefore, compared with low-temperature premixed combustion at a high compression ratio, the total amount of NOx emission is 1/3 or less. It is the level of.
[0083]
Next, the flowchart of FIG. 10 shows the control contents of the temperature increase control performed by operating the temperature increase control device in order to enable premixed combustion in a low load region or the like, and is executed at regular intervals.
[0084]
In
[0085]
Here, the oxygen concentration 18% of the set value is an upper limit value of the oxygen concentration when the low temperature premixed combustion is performed. Therefore, if the actual oxygen concentration is 18% or less, it can be determined that the low-temperature premixed combustion region is in the low-temperature premixed combustion region, and if it exceeds 18%. The oxygen concentration changes by adjusting the exhaust gas recirculation rate.
[0086]
As shown in FIG. 1, the actual oxygen concentration can be obtained by providing an air-
[0087]
When it is in the low temperature premixed combustion region, the process proceeds to
[0088]
These target temperatures T1, T2, T3, and T4 are set according to the engine load and the number of revolutions. For example, maps such as those shown in FIGS. This may be obtained by searching based on the rotation speed Ne. For example, if the operating point determined by the load and the rotational speed is at U, then T1 is approximately 855K, T2 is approximately 845K, T3 is approximately 835K, and T4 is approximately 825K.
[0089]
Here, the correspondence relationship between the temperature region and the region shown in FIG. 7 is as follows.
[0090]
B region: t2> T1
C region: T1 ≧ t2> T2
D region: T2 ≧ t2> T3
E region: T3 ≧ t2> T4
It is conceivable that the region determination is performed by searching a map as shown in FIG. 6 based on the rotation speed and load. In this case, the accuracy of the region determination is lowered when the intake air temperature is different from the matching temperature. For example, since the combustion start temperature in winter is lower than in summer due to changes in intake air temperature, what was in the temperature range from T1 to T2 in summer will fall to the temperature range from T2 to T3 in winter. For example, in the winter, unlike the summer, the turbocharger control and swirl control valve control must be added.
[0091]
However, since the change in the intake air temperature does not appear in the map characteristic of FIG. 6, if the map characteristic of FIG. 6 is matched for summer, only the same control as summer is performed even in winter (in this case) The turbocharger and the swirl valve are not controlled), and the combustion temperature does not reach the target temperature.
[0092]
On the other hand, when determining the region based on the combustion temperature, it is possible to perform control according to changes in the intake air temperature (in the winter, control of the turbocharger and control of the swirl control valve can be added). .
[0093]
The combustion start temperature t2 [K] is between the intake manifold temperature (intake gas temperature) t1 [K].
t2 = t1 · εκ-1
Where ε: compression ratio
κ: Specific heat ratio (≒ 1.3)
Therefore, it can be obtained from the intake manifold temperature t1. For example, if the intake manifold temperature is 50 ° C., then t2 = (273 + 50) · 161.3-1= 323.160.3≈850K. Of course, from the intake air temperature Ta [K] and the intake negative pressure Boost [mmHg]
t1 = Ta · (760 + Boost) / 760
The intake manifold temperature t1 may be estimated by the following equation.
[0094]
Thus, the combustion start temperature t2 can be predicted based on the compression ratio and the intake gas temperature t1 (or the engine load that affects the intake gas temperature).
[0095]
(1) When t2> T1, the process proceeds to
[0096]
{Circle over (2)} When T1 ≧ t2> T2, the process proceeds to
[0097]
Normally, the actual compression ratio is increased and the combustion start temperature can be increased by advancing the intake valve closing timing set after the intake bottom dead center to near the bottom dead center.
[0098]
(3) When T2 ≧ t2> T3, the process proceeds to
[0099]
By increasing the supercharging pressure, the actual compression ratio is also increased, and the combustion start temperature can be increased accordingly. Further, if the swirl ratio is reduced to weaken the swirl, the heat exchange rate of the working gas in the cylinder is lowered, the cooling loss is reduced, the temperature drop of the working gas is suppressed, and this leads to an increase in the combustion start temperature.
[0100]
(4) When T3 ≧ t2> T4, the routine proceeds to step 12, and after searching the map having the contents shown in FIG. 16 from the rotational speed Ne and the target engine torque Torq, the target pilot injection amount and the target pilot injection timing are obtained.
[0101]
Pilot injection increases the temperature of the cylinder working gas to increase the combustion start temperature.
[0102]
In FIG. 16, a small area at the lower left is 1 mm for pilot fuel injection.Three/ St is the target pilot injection amount, and data with 35 ° before compression top dead center as the target pilot injection timing is included.
[0103]
Then, by an unillustrated flow, EGR valve control using the target EGR rate and injection timing control using the target main injection timing are performed in a temperature range of t2> T1.
[0104]
On the other hand, in the temperature range of T1 ≧ t2> T2, in addition to the above control, intake valve closing timing control for advancing the closing timing of the intake valve using the target intake valve closing timing is performed.
[0105]
Further, in the temperature range of T2 ≧ t2> T3, in addition to the above-described controls, swirl valve control using a target swirl ratio and supercharging pressure control using a target supercharging pressure are performed.
[0106]
Furthermore, in the temperature range of T3 ≧ t2> T4, in addition to all the above control, pilot injection control using the target pilot injection amount and the target pilot injection timing is performed.
[0107]
As a mechanism that can adjust the intake valve closing timing (that is, a variable valve timing mechanism), for example, a mechanism as shown in FIG. 17 can be adopted.
[0108]
60 is an intake valve, 61 is a valve spring that urges the
[0109]
The hydraulic oil discharged from the
[0110]
The hydraulic oil in each
[0111]
Therefore, the variable
[0112]
Thus, in the present invention, the low-temperature premixed combustion region can be expanded to the high load side by lowering the compression ratio to 16 or less as compared with the conventional device. Further, when the combustion start temperature falls within the temperature range where the low temperature premixed combustion is possible, the main combustion is started at a predetermined time (for example, between 5 ° and 20 ° after top dead center). In addition, the main injection timing is controlled, and the temperature rise control according to the temperature region is performed so that the combustion start temperature exceeds the target temperature T1, so that low temperature premixed combustion can be performed up to a low load region (low temperature region). That is, the low temperature premixed combustion zone can be expanded. As a result, all of NOx, combustion noise, fuel consumption, HC, and PM can be improved from the conventional device (see FIG. 8).
[0113]
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0114]
This flowchart is described corresponding to FIG. 10 which is the flowchart of the first embodiment, and the same step numbers are assigned to the same parts as those in FIG.
[0115]
This embodiment is intended for an engine having a plurality of, for example, two exhaust valves per cylinder. In order to raise the combustion start temperature t2 even at an extremely low temperature, one of the plurality of exhaust valves is opened during the intake stroke and the EGR valve is closed, so that the high-temperature exhaust gas directly flows back into the combustion chamber. The gas temperature in the combustion chamber is raised so that the low temperature premixed combustion can be realized even when the combustion start temperature t2 becomes lower than the target temperature T4.
[0116]
For example, as shown in FIG. 19, the target EGR rate is considered to be 100% (the intake air amount and the EGR gas amount are the same amount). In this case, in order to maintain the maximum compression temperature (= combustion start temperature t2) at a predetermined value even if the cooling water temperature decreases, the pre-compression temperature (= intake manifold temperature t1) decreases as the cooling water temperature decreases as shown in the figure. Need to be high.
[0117]
Here, the pre-compression temperature is low-temperature exhaust gas flowing through the EGR valve, low-temperature air flowing through the intake passage, and high-temperature gas flowing back into the combustion chamber by opening one of the exhaust valves during the intake stroke. It is determined by the balance. Therefore, in order to set the pre-compression temperature to the characteristic shown in the drawing, it is only necessary to increase the flow rate of one exhaust valve that is opened during the intake stroke and decrease the intake valve flow rate and the EGR valve flow rate as the coolant temperature decreases.
[0118]
Returning to the flowchart of FIG. 18, only step 21 is different from FIG. That is, when the combustion start temperature t2 is equal to or lower than the target temperature T4, the process proceeds from
[0119]
Then, in the flow (not shown), the EGR valve opening and the intake valve opening are controlled so that the obtained target flow rates flow through the EGR valve, the exhaust valve, and the intake valve, and the exhaust valve opening during the intake stroke is controlled. Control.
[0120]
Also, since the EGR gas flows back to the combustion chamber by opening one of the exhaust valves during the intake stroke, the swirl in the combustion chamber becomes weak. Therefore, in order to prevent the swirl ratio from decreasing, the exhaust valve side that opens in the intake stroke The exhaust port is formed as a helical port so that the exhaust that flows backward causes a swirling motion in the combustion chamber.
[0121]
In this way, when the combustion start temperature t2 is equal to or lower than the target temperature T4, the low-temperature EGR gas and the low-temperature intake air flowing into the combustion chamber via the EGR valve are reduced, and one exhaust valve is turned on during the intake stroke. Opening increases the hot EGR gas that flows back into the combustion chamber. In addition, at this time, the exhaust port of the exhaust valve that opens in the intake stroke is formed as a helical port in order to prevent the swirl in the combustion chamber from being lowered due to the opening of the exhaust valve. As a result, low temperature premixed combustion can be realized even at an extremely low temperature when the combustion start temperature t2 is equal to or lower than the target temperature T4, thereby further improving the exhaust performance at a low water temperature.
[0122]
The flow rates of the EGR valve, one exhaust valve, and the intake valve are changed according to the cooling water temperature. As the simplest control, one exhaust valve is opened by a predetermined opening in the intake stroke, The EGR valve and the intake valve may be closed to the minimum opening degree (this corresponds to the leftmost characteristic in FIG. 19).
[0123]
In the embodiment, the region is determined based on the combustion temperature. However, as described above with reference to FIG. 6, the region may be determined based on the rotation speed and the load. The flowchart in this case is shown in FIGS. 24 and 25 are described in correspondence with FIGS. 10 and 18 which are the flowcharts of the first and second embodiments. In FIG. 24 and FIG. ing.
[0124]
To explain this, in FIG. 6, the load that defines the boundary between the B region and the C region is the first target load, the load that defines the boundary between the C region and the D region is the second target load, and the load that defines the boundary between the D region and the E region. As a third target load, the temperature rise control is performed as follows.
[0125]
(1) When the load range (C region) is lower than the first target load and higher than the second target load, which is lower than the first target load, the temperature rise control is performed by advancing the closing timing of the intake valve. Perform (
[0126]
(2) When the load range is lower than the second target load and higher than the third target load (D region) lower than the second target load, the intake valve closing timing is advanced, and the swirl ratio is lowered. Further, the temperature rise control is performed by increasing the supercharging pressure (
[0127]
(3) When the load range (E region) is lower than the third target load and higher than the fourth target load (E region) lower than the third target load, the intake valve closing timing is advanced, and the swirl ratio is lowered, While increasing the supercharging pressure, pilot injection is performed before the main injection of fuel, and the pilot injection timing is set so that combustion by pilot injection ends before the main injection, thereby performing temperature rise control (
[0128]
In the above embodiment, the oxygen amount is changed by the EGR rate. However, the present invention is not limited to this case. For example, the oxygen amount can be changed using an oxygen permeable membrane.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a control system diagram of a first embodiment.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing characteristics of combustion start temperature according to engine load.
FIG. 3 is a characteristic diagram for explaining a combustion start temperature region and a target reached temperature in low-temperature premixed combustion.
FIG. 4 is a characteristic diagram of temperature rise when combustion start times are different.
FIG. 5 is a characteristic diagram of a heat release rate pattern when combustion start timings are different.
FIG. 6 is a region diagram in which control regions for engine speed and engine load are divided.
FIG. 7 is a characteristic diagram for explaining control for each region in FIG. 6;
FIG. 8 is a characteristic diagram showing a discharge characteristic such as NOx when the control of FIG. 7 is performed.
FIG. 9 is a characteristic diagram comparing NOx emissions at equal PM during mode running.
FIG. 10 is a flowchart for explaining control contents;
FIG. 11 is a characteristic diagram of a target EGR rate.
FIG. 12 is a characteristic diagram of target main injection timing.
FIG. 13 is a characteristic diagram of target intake valve closing timing.
FIG. 14 is a characteristic diagram of a target swirl ratio.
FIG. 15 is a characteristic diagram of a target boost pressure.
FIG. 16 is a characteristic diagram of a target pilot injection amount and a target pilot injection timing.
FIG. 17 is a schematic configuration diagram of a variable valve timing mechanism.
FIG. 18 is a flowchart for explaining control contents of the second embodiment;
FIG. 19 is a characteristic diagram of a target EGR valve flow rate, a target exhaust valve flow rate, and a target intake valve flow rate.
FIG. 20 is a map in which a first target temperature is set.
FIG. 21 is a map in which a second target temperature is set.
FIG. 22 is a map in which a third target temperature is set.
FIG. 23 is a map in which a fourth target temperature is set.
FIG. 24 is a flowchart for explaining control contents of the third embodiment;
FIG. 25 is a diagram corresponding to claims of the first invention.
FIG. 2619FIG.
[Explanation of symbols]
6 EGR valve
17 nozzles
33 Accelerator position sensor
34 Crank angle sensor
41 Control unit
52 turbocharger
Claims (24)
燃料の噴射時期が可変となる燃料噴射弁と、
燃焼室内の作動ガス温度を上昇させる昇温制御装置と、
燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度を予測する手段と、
この燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度が低温予混合燃焼を維持する第1の目標温度よりも低い領域にあるかどうか判定する手段と、
燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度が第1の目標温度よりも低いと判定されたときに燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度が第1目標温度を越えるように前記昇温制御装置を作動させて昇温制御を行い、かつ燃焼温度の上昇率が所定値以上となるように前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を調整する手段と
を設けたことを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御装置。 The fuel injection timing is delayed until after the compression top dead center, and the fuel ignition delay period is lengthened. During this ignition delay period, a premixed gas in which the fuel is sufficiently vaporized is formed, and under a low concentration of oxygen. In a diesel engine that performs low temperature premixed combustion with a low compression ratio,
A fuel injection valve with variable fuel injection timing;
A temperature raising control device for raising the temperature of the working gas in the combustion chamber;
Means for predicting the atmospheric temperature in the cylinder at the start of combustion;
Means for determining whether the atmospheric temperature in the cylinder at the start of combustion is in a region lower than the first target temperature for maintaining the low temperature premixed combustion;
When it is determined that the atmospheric temperature in the cylinder at the start of combustion is lower than the first target temperature, the temperature increase control device is operated so that the atmospheric temperature in the cylinder at the start of combustion exceeds the first target temperature. A diesel engine combustion control apparatus comprising: means for performing temperature control and adjusting a fuel injection timing of the fuel injection valve so that a rate of increase in combustion temperature is equal to or greater than a predetermined value.
燃料の噴射時期が可変となる燃料噴射弁と、
燃焼室内の作動ガス温度を上昇させる昇温制御装置と、
燃焼開始時のシリンダ内雰囲気温度に影響するエンジン負荷を検出する手段と、
このエンジン負荷が、低温予混合燃焼を維持する第1目標負荷以下で、かつこの第1目標負荷よりも低い第2目標負荷よりも高い負荷域にあるかどうかを判定する手段と、
エンジン負荷が第1目標負荷以下で、かつ第2目標負荷よりも高い負荷域にあると判定されたときに前記昇温制御装置を作動させて昇温制御を行い、かつ燃焼温度の上昇率が所定値以上となるように前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を調整する手段と
を設けたことを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御装置。In a diesel engine that performs low-temperature premixed combustion at a low compression ratio,
A fuel injection valve with variable fuel injection timing;
A temperature raising control device for raising the temperature of the working gas in the combustion chamber;
Means for detecting an engine load affecting the atmospheric temperature in the cylinder at the start of combustion;
Means for determining whether or not the engine load is equal to or lower than a first target load for maintaining low-temperature premixed combustion and in a load range higher than a second target load lower than the first target load;
When it is determined that the engine load is equal to or lower than the first target load and is higher than the second target load, the temperature increase control device is operated to perform the temperature increase control, and the rate of increase in the combustion temperature is Means for adjusting the fuel injection timing of the fuel injection valve so as to be equal to or greater than a predetermined value.
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