JP2002242744A

JP2002242744A - ディーゼルエンジンの燃料噴射装置

Info

Publication number: JP2002242744A
Application number: JP2001037354A
Authority: JP
Inventors: Mitsunori Kondo; 光徳近藤; Tomoaki Saito; 智明齊藤
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2001-02-14
Publication date: 2002-08-28
Anticipated expiration: 2021-02-14
Also published as: JP4506001B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ディーゼルエンジンのＮＯｘ排出量を低減させ
ながら、煤排出量を低減させる。【解決手段】燃料を、吸気行程初期から膨張行程初期ま
での所定時期に且つ最後の噴射時期が圧縮行程上死点付
近になるように分割して噴射することにより、ＮＯｘの
低減を図り、この分割噴射終了後にさらに燃料の後噴射
を実行するにあたり、分割噴射された燃料の拡散燃焼が
終了する頃に後噴射の燃料の燃焼が開始するようにする
ことにより、煤の低減を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はディーゼルエンジン
の燃料噴射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】直噴式ディーゼルエンジンでは圧縮行程
上死点付近で燃料が燃料噴射弁によって気筒内燃焼室に
噴射供給されているが、この圧縮行程上死点において燃
料を一括して噴射するのではなく、複数回に分けて噴射
する分割噴射の技術が知られている。例えば特開平９−
２０９８６６号公報には、圧縮行程上死点を起点として
分割噴射を開始すること、各回の噴射量を後の回になる
ほど多くすることが記載されている。燃焼室での熱発生
率を広範に且つ適切に制御せんとするものである。特開
平１０−１２２０８４号公報には、少量の燃料を噴射す
る前噴射を行なうことにより燃焼室での着火を惹起し、
続く主噴射を複数回に分けて噴射することにより、煤及
びＮＯｘ（窒素酸化物）の発生量を抑えることが記載さ
れている。

【０００３】また、特開平１１−２００９３３号公報に
は、圧縮行程上死点付近の主噴射の終了直後に後噴射を
行なうことにより、燃焼室における燃焼を新たに生じせ
しめて煤発生量を低減させることが記載されている。さ
らに特開２０００−１７０５８５号公報には、圧縮行程
上死点付近での燃料の主噴射後、圧縮行程上死点後の１
５〜２５゜ＣＡで後噴射を行なうことにより、この後噴
射による燃費を悪化及び煤の発生を抑えながら、排気ガ
ス中の酸素濃度を下げてＮＯｘ吸収材からＮＯｘを放出
させ、そのリフレッシュを図ることが記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く主噴射直後
に後噴射を行なった場合、後噴射を行なわない場合に比
べて煤の量が確かに少なくなるが、それは、燃料を２回
に分けて噴射したことによって燃焼における空気利用率
が高まった結果と考えられる。しかし、この噴射方式に
よる煤の低減度合はそれほど大きくない。また、圧縮行
程上死点後の１５〜２５゜ＣＡで後噴射を行なうと、こ
の後噴射燃料自体が煤になってしまう量は少ないと考え
られる。しかし、このような比較的早い時期の後噴射で
あれば、この後噴射燃料の燃焼によって筒内温度が高い
状態が続くことから、主噴射燃料によって生じている煤
の核成長が促進され、その煤の低減にはそれほど効を奏
しない、と考えられる。

【０００５】そこで、本発明は、エンジンから排出され
る煤の量をさらに低減することを課題とし、特にＮＯｘ
発生量の低減を図りながら、煤の量を少なくすることを
課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、このような
課題に対して、上記後噴射時期を種々に変えて煤の排出
量を調べたところ、後噴射時期が遅くしていけば、煤の
排出量が多くなっていくが、後噴射時期をさらに遅らせ
ていくと、ある時点で煤の排出量が大きく低下すること
を見出し、本発明を完成するに至ったものである。

【０００７】請求項１に係る発明は、燃焼室内に燃料を
噴射する燃料噴射弁と、燃料を複数回に分割して噴射す
べく、吸気行程初期から膨張行程初期までの所定時期に
且つ最後の噴射時期が圧縮行程上死点付近になるよう
に、閉弁状態になる所定の噴射休止間隔を挟んで断続的
に開弁するようにエンジンの運転状態に応じて上記燃料
噴射弁の作動を制御する分割噴射制御手段と、上記分割
噴射終了後にさらに燃料が噴射されるようにエンジンの
運転状態に応じて上記燃料噴射弁の作動を制御する後噴
射制御手段とを備え、上記後噴射制御手段は、上記分割
噴射された燃料の拡散燃焼終了時点を基準として、該終
了時点の付近又は該終了時点よりも後に後噴射の燃料の
燃焼が開始するように、その後噴射時期を設定すること
を特徴とする。

【０００８】かかる構成であれば、燃料の分割噴射によ
ってＮＯｘの発生及び煤の発生を抑えながら、一旦発生
した煤を後噴射燃料の燃焼によって再燃焼させて、煤排
出量を大きく低減させることができる。

【０００９】まず、本発明は後噴射前の燃料噴射に分割
噴射を採用しているから、この分割噴射燃料の燃焼初期
に燃焼圧や燃焼温度が過度に上昇することを避けること
が容易になり、ＮＯｘの生成を抑制することができる。
また、分割噴射によって燃料と空気との混合、ひいては
燃焼性が改善され、煤の生成が抑制される。この場合、
分割噴射形態としては、圧縮行程上死点付近で短い噴射
休止間隔（閉弁時間）をおいて燃料を断続的に噴射する
方式、並びに一部の燃料を早期に、つまり吸気行程に又
は圧縮行程の上死点前６０゜ＣＡ付近までに噴射し、残
りの燃料を圧縮行程上死点付近で噴射する方式など種々
の分割噴射方式を採用することができる。

【００１０】このような分割噴射形態（燃焼形態）を採
用すれば、ＮＯｘの低減には有利になるが、拡散燃焼が
主過程であるディーゼル燃焼では局所的に酸素不足の過
濃混合気が形成されることは避けられないから、上記分
割噴射のみで煤の排出量を大きく低減させることは難し
い。

【００１１】すなわち、ディーゼル燃焼では局所的に生
じた過濃混合気の熱分解によって一次粒子が形成され、
これが重・縮合を繰り返すことによって煤の核が生成
し、それが高温雰囲気において成長・凝集することによ
って所謂煤を生ずる、と考えられている。また、上述の
早期噴射によって予混合圧縮着火燃焼を図った場合、煤
の低減に有利になるが、拡散燃焼も生ずることから煤の
生成は避けられず、さらに早期に噴射された燃料が燃焼
室壁面に付着するため、それも煤の原因となる。そうし
て、このような煤核の成長・凝縮は、分割噴射された燃
料の拡散燃焼が終わりに近付く頃まで続いていると考え
られる。

【００１２】これに対して、本発明の場合は、後噴射燃
料は分割噴射された燃料の拡散燃焼が終了する時点を基
準として着火燃焼するように噴射時期が制御されるか
ら、この後噴射燃料の燃焼自体が分割噴射燃料による煤
の生成を促進することにはならず、それは既に生成して
いる煤の再燃焼を促してその量を低減することに働く。
そうして、上記拡散燃焼が終了する頃には煤が筒内で偏
在せず酸素との接触が比較的良好なものとなるために、
後噴射燃料による煤の再燃焼が効率良く行なわれること
になる。しかも、このような比較的遅い時期の後噴射で
あれば、筒内温度が下がっているから、煤核の生成、成
長、凝縮を生ずることが避けられる。このために、本発
明によれば、煤の排出量が格段に少なくなるものと考え
られる。

【００１３】分割噴射された燃料の拡散燃焼終了時点の
付近又は該終了時点よりも後に後噴射の燃料の燃焼が開
始するとは、後噴射燃料の燃焼が厳密に当該拡散燃焼終
了時点から開始することを要求するものではないという
意味であり、その終了時点を中心に例えばクランク角に
して±５゜程度の範囲で又は±３゜の範囲で後噴射燃料
の燃焼が開始するもの、あるいはそれよりも少し遅れて
後噴射燃料の燃焼が開始するものであればよい。

【００１４】請求項２に係る発明は、請求項１に記載の
ディーゼルエンジンの燃料噴射装置において、上記分割
噴射における噴射休止間隔は、分割噴射された各燃料間
で燃焼が継続した状態になるように０．０５ｍｓ〜１．
０ｍｓに設定されていることを特徴とする。

【００１５】これにより、分割噴射の最初の噴射される
燃料による予混合燃焼の割合が相対的に少なくなり、燃
焼初期に燃焼圧や燃焼温度が過度に上昇することが避け
られ、ＮＯｘ生成量の低減に有利になる。また、燃料の
微粒化を促進して燃料蒸気と空気との混合・燃焼を良好
なものにすることができ、燃費改善と煤の生成抑制に有
利になり、しかも、有効な燃焼時間が長くなって燃焼ガ
スの膨張力がピストンに有効に伝わって機械効率が高ま
り、さらに排気エネルギーも高めることができる。

【００１６】また、上記噴射休止間隔は０．０５ｍｓ以
上であるから、先に噴射された燃料噴霧に次に噴射され
た燃料噴霧が追いついて大きな燃料液滴となることが避
けられ、燃料の微粒化、気化霧化、燃料蒸気と空気との
良好な混合に有利になる。一方、上記噴射休止間隔は
１．０ｍｓ以下であるから、各噴射燃料が途切れること
なく継続して良好に燃焼する。

【００１７】請求項３に係る発明は、請求項２に記載の
ディーゼルエンジンの燃料噴射装置において、上記分割
噴射制御手段は、エンジン回転数が高くなるほど又はエ
ンジン負荷が高くなるほど、燃料の分割噴射回数が多く
なるように又は上記噴射休止間隔が長くなるように上記
燃料噴射弁の作動を制御することを特徴とする。

【００１８】すなわち、分割噴射回数を多くすると、分
割噴射の最初の噴射される燃料による予混合燃焼の割合
を相対的に少なくして、燃焼初期の燃焼圧や燃焼温度の
過度上昇を避ける上で有利になり、また、噴射休止間隔
が長くなると、それだけ燃焼時間が長くなって燃焼温度
が急激に高くなることが避けられるから、ＮＯｘの低減
に有利になる。従って、従前はエンジン回転数が高くな
るほど又はエンジン負荷が高くなるほどＮＯｘを生成し
易くなったが、本発明によれば、そのような場合でもＮ
Ｏｘの生成を抑えることができる。

【００１９】請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求
項３のいずれか一に記載のディーゼルエンジンの燃料噴
射装置において、上記後噴射制御手段は、エンジン回転
数が高くなるほど又はエンジン負荷が高くなるほど、上
記分割噴射と後噴射とを合わせた総燃料噴射量に占める
後噴射量の割合が多くなるように後噴射量を設定するこ
とを特徴とする。

【００２０】すなわち、一般にはエンジン回転数が高く
なるほど又はエンジン負荷が高くなるほど、煤の生成量
が増大するが、そのような場合に本発明は後噴射量の割
合を多くするから、一旦生成した煤の再燃焼が促進さ
れ、煤の排出量を抑えることができる。

【００２１】請求項５に係る発明は、燃焼室内に燃料を
噴射する燃料噴射弁と、燃料が圧縮行程上死点付近で一
括して主噴射されるようにエンジンの運転状態に応じて
上記燃料噴射弁の作動を制御し且つ所定のエンジン運転
領域では上記主噴射の開始時期を圧縮行程上死点よりも
遅くなるようにリタードさせる主噴射制御手段と、上記
主噴射開始時期がリタードされたとき、その主噴射の終
了後にさらに燃料が噴射されるようにエンジンの運転状
態に応じて上記燃料噴射弁の作動を制御する後噴射制御
手段とを備えたディーゼルエンジンの燃料噴射装置にお
いて、上記後噴射制御手段は、上記主噴射燃料の拡散燃
焼終了時点を基準として、該終了時点の付近又は該終了
時点よりも後に後噴射の燃料の燃焼が開始するように、
その後噴射時期を設定することを特徴とする。

【００２２】主噴射開始時期をリタードさせると、圧縮
行程上死点付近で燃焼する燃料の量が減少し、最高燃焼
温度が低下するため、ＮＯｘの低減が図れるが、一方で
は煤の生成量が増える。これに対して、本発明では、リ
タードされた主噴射燃料の拡散燃焼終了時点を基準とし
て後噴射の燃料の燃焼が開始するようにしたから、この
後噴射によって煤を再燃焼させることができ、その結
果、ＮＯｘの低減と煤の低減との両立が図れることにな
る。この場合、主噴射時期は圧縮行程上死点後５゜ＣＡ
以降になるようにリタードすることがＮＯｘの低減の上
で好ましい。

【００２３】請求項６に係る発明は、請求項５に記載の
ディーゼルエンジンの燃料噴射装置において、上記主噴
射開始時期のリタード時に該主噴射よりも前に少量の燃
料がパイロット噴射されるように上記燃料噴射弁の作動
を制御するパイロット噴射制御手段を備えていることを
特徴する。

【００２４】パイロット噴射は、主噴射燃料の着火遅れ
短縮による燃焼騒音の改善と、予混合燃焼割合の減少に
よるＮＯｘの低減とに有効であるが、このパイロット噴
射により主噴射時期のリタードを大きくすることが可能
になるため、ＮＯｘの低減にさらに有利になる。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、請求項１に係る発明によ
れば、分割噴射の終了後、この分割噴射の最後に噴射さ
れた燃料の拡散燃焼終了時点を基準として、該終了時点
の付近又は該終了時点よりも後に後噴射の燃料の燃焼が
開始するように、当該後噴射を行なうようにしたから、
燃料の分割噴射によってＮＯｘの発生及び煤の発生を抑
えながら、一旦発生した煤を後噴射燃料の燃焼によって
再燃焼させて、煤排出量を大きく低減させることができ
る。

【００２６】請求項２に係る発明によれば、上記分割噴
射における噴射休止間隔を分割噴射された各燃料間で燃
焼が継続した状態になるように０．０５ｍｓ〜１．０ｍ
ｓに設定したから、燃焼初期の燃焼圧や燃焼温度の過度
上昇を避けてＮＯｘ生成量を低減させる上で有利にな
り、また、燃料の微粒化を促進して燃料蒸気と空気との
混合・燃焼を良好なものにし、燃費改善と煤の生成抑制
に有利になり、しかも、機械効率の改善、排気エネルギ
ーの上昇にも有利になる。

【００２７】請求項３に係る発明によれば、エンジン回
転数が高くなるほど又はエンジン負荷が高くなるほど、
燃料の分割噴射回数が多くなるように又は上記噴射休止
間隔が長くなるようにしたから、エンジン回転数が高く
なったとき又はエンジン負荷が高くなったときのＮＯｘ
生成量の増大を防止する上で有利になる。

【００２８】請求項４に係る発明によれば、エンジン回
転数が高くなるほど又はエンジン負荷が高くなるほど、
上記分割噴射と後噴射とを合わせた総燃料噴射量に占め
る後噴射量の割合が多くなるようにしたから、エンジン
回転数が高くなったとき又はエンジン負荷が高くなった
ときの煤の排出量の増大を抑える上で有利になる。

【００２９】請求項５に係る発明によれば、噴射時期が
リタードされた主噴射燃料の拡散燃焼終了時点を基準と
して、該終了時点の付近又は該終了時点よりも後に後噴
射の燃料の燃焼が開始するように、当該後噴射を行なう
ようにしたから、上記リタードによってＮＯｘの低減を
図りながら、後噴射によって煤を再燃焼させて煤の排出
量を大きく低減させることができる。

【００３０】請求項６に係る発明によれば、主噴射開始
時期のリタード時にパイロット噴射を行なうようにした
から、燃焼騒音の低減させることができるとともに、主
噴射時期のリタード量を大きくすることができ、ＮＯｘ
の低減に有利になる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００３２】図１は本発明の実施形態に係るディーゼル
エンジンの燃料噴射装置Ａの全体構成を示し、１は車両
に搭載された多気筒ディーゼルエンジンのエンジン本体
である。このエンジン本体１は複数の気筒２（１つのみ
図示する）を有し、その各気筒２内にピストン３が往復
動可能に嵌挿されていて、この気筒２とピストン３によ
って各気筒２内に燃焼室４が形成されている。また、燃
焼室４の上面の略中央部には、インジェクタ（燃料噴射
弁）５が先端部の噴孔を燃焼室４に臨ませて配設され、
各気筒毎に所定の噴射タイミングで噴孔が開閉作動され
て、燃焼室４に燃料を直接噴射するようになっている。
また、エンジン１にはエンジン冷却水温度を検出する水
温センサ１８が設けられている。

【００３３】上記各インジェクタ５は高圧の燃料を蓄え
る共通のコモンレール（蓄圧室）６に接続されていて、
そのコモンレール６にはクランク軸７により駆動される
高圧供給ポンプ８が接続されている。この高圧供給ポン
プ８は、圧力センサ６ａによって検出されるコモンレー
ル６内の燃圧が所定値以上に保持されるように作動す
る。また、クランク軸７の回転角度を検出するクランク
角センサ９が設けられており、このクランク角センサ９
は、クランク軸７の端部に設けた被検出用プレート（図
示省略）と、その外周に相対向するように配置され電磁
ピックアップとからなり、その電磁ピックアップが被検
出用プレートの外周部全周に所定角度おきに形成された
突起部の通過に対応してパルス信号を出力するようにな
っている。

【００３４】１０はエンジン本体１の燃焼室４に対しエ
アクリーナ（図示省略）で濾過した吸気（空気）を供給
する吸気通路であり、この吸気通路１０の下流端部に
は、図示しないがサージタンクが設けられ、このサージ
タンクから分岐した各通路が吸気ポートにより各気筒２
の燃焼室４に接続されている。また、サージタンクには
各気筒２に供給される過給圧力を検出する吸気圧センサ
１０ａが設けられている。上記吸気通路１０には上流側
から下流側に向かって順に、エンジン本体１に吸入され
る吸気流量を検出するホットフィルム式エアフローセン
サ１１と、後述のタービン２１により駆動されて吸気を
圧縮するブロワ１２と、このブロワ１２により圧縮した
吸気を冷却するインタークーラ１３と、吸気通路１０の
断面積を絞る吸気絞り弁（吸入空気量調節手段）１４と
がそれぞれ設けられている。この吸気絞り弁１４は、全
閉状態でも吸気が流通可能なように切り欠きが設けられ
たバタフライバルブからなり、後述のＥＧＲ弁２４と同
様、ダイヤフラム１５に作用する負圧の大きさが負圧制
御用の電磁弁１６により調節されることで、弁の開度が
制御されるようになっている。また、上記吸気絞り弁１
４にはその開度を検出するセンサ（図示省略）が設けら
れている。

【００３５】２０は各気筒２の燃焼室４から排気ガスを
排出する排気通路で、排気マニホールドを介して各気筒
２の燃焼室４に接続されている。この排気通路２０に
は、上流側から下流側に向かって順に、排気ガス中の酸
素濃度を検出するリニアＯ2センサ１７と、排気流によ
り回転されるタービン２１と、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ
及びＮＯｘを浄化可能な触媒２２とが配設されている。

【００３６】上記排気通路２０のタービン２１よりも上
流側の部位からは、排気ガスの一部を吸気側に還流させ
る排気還流通路（以下ＥＧＲ通路という）２３が分岐
し、このＥＧＲ通路２３の下流端は吸気絞り弁１４より
も下流側の吸気通路１０に接続されている。ＥＧＲ通路
２３の途中の下流端寄りには、開度調節可能な排気還流
量調節弁（吸入空気量調節手段：以下ＥＧＲ弁という）
２４が配置されていて、排気通路２０の排気ガスの一部
をＥＧＲ弁２４により流量調節しながら吸気通路１０に
還流させるようになっている。

【００３７】上記ＥＧＲ弁２４は、負圧応動式のもので
あって、その弁箱の負圧室に負圧通路２７が接続されて
いる。この負圧通路２７は、負圧制御用の電磁弁２８を
介してバキュームポンプ（負圧源）２９に接続されてお
り、電磁弁２８が後述のＥＣＵ３５からの制御信号（電
流）によって負圧通路２７を連通・遮断することによっ
て、負圧室のＥＧＲ弁駆動負圧が調節され、それによっ
て、ＥＧＲ通路２３の開度がリニアに調節されるように
なっている。

【００３８】上記ターボ過給機２５は、ＶＧＴ（バリア
ブルジオメトリーターボ）であって、これにはダイヤフ
ラム３０が取り付けられていて、負圧制御用の電磁弁３
１によりダイヤフラム３０に作用する負圧が調節される
ことで、ノズル断面積が調節されるようになっている。

【００３９】上記各インジェクタ５、高圧供給ポンプ
８、吸気絞り弁１４、ＥＧＲ弁２４、ターボ過給機２５
等はコントロールユニット（Engine Contorol Unit：以
下ＥＣＵという）３５からの制御信号によって作動する
ように構成されている。一方、このＥＣＵ３５には、エ
ンジン運転状態を検出するためのクランク角センサ９か
らの出力信号と、エアフローセンサ１１からの出力信号
と、車両の運転者による図示しないアクセルペダルの操
作量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ３
２からの出力信号と、エンジン水温を検出するセンサ１
８からの出力信号とが入力され、さらに上記圧力センサ
６ａからの出力信号と、圧力センサ１０ａからの出力信
号と、Ｏ2センサ１７からの出力信号と、ＥＧＲ弁２４
のリフトセンサ２６からの出力信号等も入力されてい
る。

【００４０】そして、インジェクタ５による燃料噴射量
（燃料供給量）及び燃料噴射時期（着火時期）がエンジ
ンの運転状態に応じて制御されるとともに、高圧供給ポ
ンプ８の作動によるコモンレール圧力、即ち燃量噴射圧
の制御が行なわれ、これに加えて、ＥＧＲ弁２４の作動
による排気還流量（吸入空気量）の制御と、ターボ過給
機２５の作動制御（ＶＧＴ制御）とが行なわれるように
なっている。

【００４１】本実施形態の特徴は、分割噴射制御手段と
後噴射制御手段とを備え、分割噴射された燃料の拡散燃
焼終了時点を基準として、該終了時点の付近又は該終了
時点よりも後に後噴射の燃料の燃焼が開始するように、
その後噴射時期を設定するようにした点にある。

【００４２】分割噴射制御手段は、燃料を複数回に分割
して噴射すべく、吸気行程初期から膨張行程初期までの
所定時期に且つ最後の噴射時期が圧縮行程上死点付近に
なるように、閉弁状態になる所定の噴射休止間隔を挟ん
で断続的に開弁するようにエンジンの運転状態に応じて
インジェクタ５の作動を制御する。後噴射制御手段は、
分割噴射終了後にさらに燃料が噴射されるように且つ上
記拡散燃焼終了時点を基準として、該終了時点の付近又
は該終了時点よりも後に後噴射の燃料の燃焼が開始する
ようにエンジンの運転状態に応じて上記燃料噴射弁の作
動を制御する。以下、具体的に説明する。

【００４３】（燃料噴射制御）上記ＥＣＵ３５には、ア
クセル開度（エンジン負荷）とエンジン回転数の変化に
対して目標トルクの最適値を実験的に決定して記録した
目標トルクマップ、並びにこの目標トルク、吸入空気量
及び回転数の変化に応じて実験的に決定した最適な燃料
噴射量Ｑｂを記録した燃料噴射量マップが、メモリ上に
電子的に格納して備えられている。通常は、アクセル開
度とエンジン回転数とに基づいて目標トルクを求め、こ
の目標トルクとエンジン回転数とエアフローセンサ１１
の出力信号による吸入空気量とに基づいて燃料噴射量Ｑ
ｂを求め、燃料噴射量Ｑｂと圧力センサ６ａにより検出
されたコモンレール圧力とに基づいて、各インジェクタ
５の励磁時間（開弁時間）が決定されるようになってい
る。尚、前記のようにして求めた燃料噴射量をエンジン
水温や大気圧等に応じて補正した上で、この補正後の燃
料噴射量を燃料噴射量Ｑｂとしてもよい。

【００４４】上記のような基本的な燃料噴射量制御によ
って、エンジン１の目標トルク（エンジン１への要求出
力）に対応する分量の燃料が供給され、エンジン１は燃
焼室４における平均的空燃比がかなりリーン（Ａ/Ｆ≧
１８，酸素濃度４％以上）な状態で運転される。上記ア
クセル開度センサ３２及びクランク角センサ９がエンジ
ン１への要求出力を検出する要求出力検出手段に対応し
ている。

【００４５】上記ＥＣＵ３５のメモリには、上記燃料噴
射量マップと同様に目標トルク（又はアクセル開度）と
エンジン回転数とに応じて燃料の噴射形態を設定した噴
射形態マップが電子的に格納されており、エンジン１の
目標トルクとエンジン回転数とに基づいて、上記噴射形
態マップから最適な噴射形態が選択される。すなわち、
主噴射に関しては、図２（ａ）に示すように燃料を圧縮
行程上死点付近で一括して噴射するか（以下、一括噴射
という）、或いは、同図（ｂ）に示すように２回に分割
して噴射するか（２分割噴射という）、同図（ｃ）に示
すように３回に分割して噴射するか（３分割噴射とい
う）のいずれかが選択されるとともに、そのように２回
又は３回に分割して噴射させる場合には、その途中の閉
弁状態となる噴射休止間隔Δｔを変更して、エンジン１
の燃費性能や排気特性等が最適なものになるように、特
にＮＯｘの低減が図れるように、燃焼状態を変化させる
ようにしている。なお、図２には３分割噴射形態までを
例示しているが、必要に応じて４分割以上に、例えば４
分割噴射ないしは７分割噴射にするようにしてもよい。

【００４６】尚、上記図２の（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ
示す燃料噴射形態において、インジェクタ５の実際の励
磁時間（開弁時間）は、燃料噴射量だけではなく、圧力
センサ６ａにより検出されたコモンレール圧を加味して
決定される。

【００４７】後噴射に関しては、上記分割噴射によって
発生する煤を低減することができるように、分割噴射の
最後に噴射された燃料の拡散燃焼終了時点を基準とし
て、該終了時点の付近又は該終了時点よりも後に後噴射
の燃料の燃焼が開始するように、エンジンの運転状態に
応じた最適な後噴射時期が予め設定されて、その噴射時
期マップが電子的に格納されており、このマップに基づ
いてその噴射時期が制御される。

【００４８】また、後噴射量Ｑｆは目標トルクとエンジ
ン回転数とに基づいて予め設定されたマップにより制御
される。一方、分割噴射すべき主噴射量Ｑｍには基本燃
料噴射量Ｑｂが与えられるが、後噴射による出力トルク
の上昇を考慮して必要な減算補正がなされる。

【００４９】以下、図３に示す燃料噴射制御のフロー等
に基づいて本実施形態を詳述する。この制御は気筒毎に
クランク角信号に同期して実行される。

【００５０】スタート後のステップＡ１において、クラ
ンク角信号、エアフローセンサ出力、アクセル開度等の
必要なデータを読み込む。続くステップＡ２において、
アクセル開度とエンジン回転数Ｎｅとに基づいてマップ
により目標トルクＴｒを設定する。このマップでは、ア
クセル開度が大きくなるほど、また、エンジン回転数が
高くなるほど目標トルクＴｒが高くなるように設定され
ている。続くステップＡ３では、目標トルクＴｒとエン
ジン回転数Ｎｅと吸入空気量とに基づいて、燃料噴射量
マップにより基本燃料噴射量Ｑｂを設定する。

【００５１】続くステップＡ４では、目標トルクＴｒと
エンジン回転数Ｎｅとに基づいて後噴射量Ｑｆをマップ
により設定する（フォローアップの設定）。すなわち、
図４に示すように、当該マップでは目標トルクＴｒとエ
ンジン回転数Ｎｅとに応じてフォローアップ領域（同図
の太線で囲まれたＱｆ＞０の領域）が定められている。
後噴射が実行されるのは、エンジン回転数Ｎｅが所定値
以下で且つ目標トルクＴｒが所定値以下の領域である。
但し、アイドル運転領域は除かれる。高回転又は高負荷
の運転領域ないしは全負荷運転領域はエンジン出力を高
めることを重視して、燃費率（燃料消費率）の悪化に結
びつく後噴射は行なわないものである。また、アイドル
運転領域は、煤の生成量が少ないため後噴射は行なわれ
ない。尚、アイドル運転領域及び高回転高負荷運転領域
でも後噴射を行なうようにしてもよい。

【００５２】フォローアップ領域では目標トルクＴｒが
高くなるほど、また、エンジン回転数Ｎｅが高くなるほ
ど、後噴射量Ｑｆが多くなるように、特に主噴射量Ｑｍ
と後噴射量Ｑｆとを合わせた全噴射量に占める後噴射量
Ｑｆの割合が多くなるように設定されている。また、主
噴射量Ｑｍは、後噴射がエンジンの出力トルクに寄与す
るため、その寄与分を基本燃料噴射量Ｑｂから減算して
設定する。

【００５３】続くステップＡ５では主噴射の噴射形態及
び噴射時期を設定する。すなわち、後噴射が行なわれな
い場合には圧縮行程上死点付近での一括噴射（図２
（ａ）参照）となり、後噴射を実行する場合は、エンジ
ン運転状態に応じて分割噴射形態を設定する。すなわ
ち、図５に示すように、分割噴射を行なうべき運転領域
は図４に示すフォローアップ領域と基本的には一致し、
アイドル運転領域でも分割噴射を行なう点で相違する。

【００５４】分割噴射運転領域において、中回転中負荷
の運転領域では３分割噴射とし、他の領域は２分割噴射
とするように設定されている。この実施例の分割噴射は
等分割噴射である。すなわち、２分割噴射の各噴射量は
Ｑm1＝Ｑm2＝1/2Ｑｍとなり、３分割噴射の各噴射量は
Ｑm1＝Ｑm2＝Ｑm3＝1/3Ｑｍとなる。３分割噴射の領域
の噴射休止間隔Δｔは０．３〜０．７ｍｓとし、目標ト
ルクＴｒが高くなるほど、また、エンジン回転数Ｎｅが
高くなるほど、当該Δｔが長くなるように定められてい
る。一方、２分割噴射の領域の噴射休止間隔Δｔは０．
４〜０．９ｍｓとし、目標トルクＴｒが高くなるほど、
また、エンジン回転数Ｎｅが高くなるほど、当該Δｔが
長くなるように定められている。なお、各噴射量は等量
でなくてもよく、また、３分割噴射の場合の２回の噴射
休止間隔も同じである必要はない。

【００５５】分割数を多くする方がＮＯｘの低減に有利
であるため、エンジン回転数が高く且つエンジン負荷が
高い上記中回転中負荷領域では３分割噴射とするもので
あり、また、噴射休止間隔Δｔを長くするほどＮＯｘの
低減に有利であるため、エンジン回転数Ｎｅが高くなる
ほど、当該Δｔが長くなるようにしているものである。
但し、Δｔが長くなると、煤を生成し易くなるため、上
述の如くΔｔの上限を定めているものである。この分割
数及びΔｔと、煤及びＮＯｘとの関係については後に詳
述する。

【００５６】噴射時期は、エンジン運転状態に応じて予
め設定して電子的に格納したマップに基づいて設定す
る。すなわち、この噴射時期マップでは、エンジン水温
及びエンジン回転数に対応する最適な噴射時期が実験的
に求められて記録されており、例えば、エンジン水温や
エンジン回転数が異なれば燃料噴霧の着火遅れ時間が異
なるので、このことに対応して基本的な噴射時期Ｉｍが
設定されている。一括噴射の場合はこのＩｍが噴射開始
時期となり、分割噴射の場合は最初の噴射開始時期Ｉm1
としてＩｍを与え、２回目、３回目の噴射開始時期Ｉm
2、Ｉm3は、各噴射量Ｑm1、Ｑm2を得るためのインジェ
クタ５の開弁時間及びΔｔに基づいて定めることにな
る。

【００５７】続くステップＡ６ではフォローアップの噴
射時期、すなわち、後噴射時期Ｉｆを、主噴射燃料の拡
散燃焼終了時点、この実施例では分割噴射された燃料の
拡散燃焼終了時点で、当該後噴射燃料が着火燃焼を開始
するように設定する。続くステップＡ７では以上のよう
に設定された燃料噴射量及び噴射時期に基づいて主噴射
及び後噴射を実行する。

【００５８】上記制御フローにおいて、上記ステップＡ
５及びＡ７は上述の分割噴射制御手段を構成している。
また、上記ステップＡ４、Ａ６及びＡ７が後噴射制御手
段を構成している。

【００５９】上記主噴射（分割噴射）の拡散燃焼終了時
点は、エンジン運転状態（目標トルクＴｒ及びエンジン
回転数Ｎｅ）に応じて設定される主噴射の開始時期Ｉ
ｍ、主噴射量Ｑｍ、分割噴射の形態、最後の噴射時期等
によって異なる。また、後噴射を行なっても、直ちに着
火するわけではなく、着火遅れがあり、さらにインジェ
クタ５に対する駆動信号の出力から実際に開弁するまで
には駆動遅れがある。

【００６０】従って、予め実験により各エンジン運転状
態での主噴射燃料の拡散燃焼終了時点を求め、これに上
記着火遅れ及び駆動遅れを考慮して、上記拡散燃焼終了
時点よりも当該着火遅れ時間及び駆動遅れ時間分だけ進
角させた時点を後噴射時期Ｉｆと定め、これをエンジン
運転状態に対応させてマップ化して電子的に格納してい
る。そうして、このマップにより後噴射時期Ｉｆをエン
ジン運転状態に応じて設定するようになっている。

【００６１】上記各エンジン運転状態での主噴射燃料の
拡散燃焼終了時点は、実験によって各エンジン運転状態
での各クランク角毎の筒内圧力データを求め、これに基
づいて熱発生率を熱力学的に計算しグラフ化することに
よって求めることができる。すなわち、熱発生率が零に
なる時点を当該拡散燃焼の終了時点とするものである。

【００６２】「内燃機関講義」（出版社株式会社養賢
堂、著者長尾不二夫）によれば、上記熱発生率は下記式
（１）に示すように表される。

【００６３】ｄＱ／ｄθ＝Ａ／（Ｋ₍θ₎−１）×［Ｖ₍θ₎・（ｄＰ₍θ₎／ｄθ）＋Ｋ₍θ₎・Ｐ₍θ₎・（ｄＶ₍θ₎／ｄθ）］…（１）ここで、Ａは熱の仕事当量、Ｋ₍θ₎は比熱比、Ｖ₍θ₎は
行程容積、Ｐ₍θ₎は筒内圧カ、θはクランク角である。

【００６４】小野測器株式会社製の燃焼解析装置ＣＢ５
６６のマニュアルによれば、上記比熱比Ｋ₍θ₎は、下記
式（２）〜（５）で表される。

【００６５】Ｋ₍θ₎＝Ｃｐ／Ｃｖ…（２）Ｃｐ＝ａｐ＋ｂ(Ｔ₍θ₎／１００)＋ｃ(Ｔ₍θ₎／１００)²＋ｄ(１００／Ｔ₍θ₎）…（３）Ｃｖ＝Ｃｐ−(Ａ・Ｒｏ)／Ｍ…（４）Ｔ₍θ₎＝(Ｐ₍θ₎・Ｖ₍θ₎)／２９．２７・Ｇ…（５）ここで、Ｃｐは定圧比熱、Ｃｖは定容比熱、Ｒｏはガス
定数、Ｍは空気の分子量、Ｔ₍θ₎はガス温度、Ｇはガス
重量、ａｐ，ｂ，ｃ，ｄはその他の定数である。

【００６６】上記式（２）〜（５）より、式（１）で示
す熱発生率ｄＱ／ｄθは、筒内圧力Ｐ₍θ₎と、行程容積
Ｖ₍θ₎との関数ｆ（Ｐ₍θ₎，Ｖ₍θ₎）になる。また、上
記行程容積Ｖ₍θ₎を、ボア径Ｂおよびピストンストロー
クＳに基づいて表すと、下記式（６）に示すようになる
ため、上記熱発生率ｄＱ／ｄθは、下記式（７）に示す
ようになる。

【００６７】Ｖ₍θ₎＝（π・Ｂ²Ｓ／８）・（１−ｃｏｓθ）…（６）ｄＱ／ｄθ＝[ｆ(Ｐ₍θ₊△θ₎)，Ｖ₍θ₊△θ₎)−ｆ(Ｐ₍θ₎，Ｖ₍θ₎)]／△θ …（７）従って、クランク角毎の筒内圧カデー夕があれば、これ
に基づいて上記熱発生率を計算することができる。この
ようにして求めた熱発生率を図示すると、主噴射として
一括噴射を採用した場合は図６（ａ）〜（ｃ）のように
なり、燃料の主噴射による燃焼に応じて熱発生率が正の
方向に大きな値を示した後、その拡散燃焼の終了に応じ
て熱発生率が０となるため、この熱発生率が略０となる
時点ｔ１を上記拡散燃焼の終了時点として求めることが
できる。

【００６８】また、後噴射燃料の着火遅れ時間は、エン
ジンの排気量、燃料噴射圧力等によって異なるが、排気
量１〜３Ｌクラスのエンジンでは、燃料噴射圧力が５０
〜２００ＭＰａ程度のときは０．４〜０．７ｍｓ程度と
なる。この後噴射燃料の着火遅れ時間は、圧縮行程上死
点付近で行なわれる主噴射燃料の着火遅れ時間（０．１
〜０．３ｍｓ程度）よりも長いが、これは、後噴射が筒
内温度が下がった時点で行なわれるためである。

【００６９】図６（ａ）はエンジン回転数Ｎｅが１５０
０ｒｐｍ、平均有効圧力Ｐｅが０．３ＭＰａの低回転低
負荷運転時のものであり、図６（ｂ）はエンジン回転数
Ｎｅが２０００ｒｐｍ、平均有効圧力Ｐｅが０．５７Ｍ
Ｐａの中回転中負荷運転時のものであり、図６（ｃ）は
エンジン回転数Ｎｅが２５００ｒｐｍ、平均有効圧力Ｐ
ｅが０．９ＭＰａの高回転高負荷運転時のものである。

【００７０】同図において、τｍは主噴射燃料の着火遅
れ時間、τｆは後噴射燃料の着火遅れ時間を示す。主噴
射燃料の着火遅れ時間τｍは主としてエンジン回転数に
よって異なり、低回転時には０．３ｍｓ程度、高回転時
には０．１ｍｓ程度となる。後噴射燃料の着火遅れ時間
τｆは０．４〜０．７ｍｓ程度となるが、これはエンジ
ン運転状態によって区々である。

【００７１】図６（ａ）の低回転低負荷運転時では、後
噴射時期をＡＴＤＣ３０゜ＣＡ（クランク角）としたと
きに、主噴射燃料の拡散終了時点で当該後噴射燃料が着
火燃焼した。後噴射燃料の着火遅れ時間τｆは約０．６
ｍｓである。図６（ｂ）の中回転中負荷運転時では、後
噴射時期をＡＴＤＣ３５゜ＣＡ（クランク角）としたと
きに、主噴射燃料の拡散終了時点で当該後噴射燃料が着
火燃焼した。後噴射燃料の着火遅れ時間τｆは約０．５
ｍｓである。図６（ｃ）の高回転高負荷運転時では、後
噴射時期をＡＴＤＣ４８゜ＣＡ（クランク角）としたと
きに、主噴射燃料の拡散終了時点で当該後噴射燃料が着
火燃焼した。後噴射燃料の着火遅れ時間τｆは約０．７
ｍｓである。

【００７２】図７（ａ）及び（ｂ）は主噴射として分割
噴射を採用したときのインジェクタのニードルリフト量
と熱発生率との関係を示す。図７（ａ）は上述の中回転
中負荷運転時のものであり、図７（ｂ）は上述の高回転
高負荷運転時のものである。分割噴射の場合は、一括噴
射に比べて燃焼期間が長くなるため、拡散燃焼終了時点
が遅くなることに対応させて後噴射時期を遅くする必要
がある。また、分割噴射の場合は一括噴射の場合よりも
熱発生率のピークが低くなる。

【００７３】なお、燃焼室４内の温度を検出する温度セ
ンサの検出信号、燃焼光センサの検出信号、または燃焼
室４内に存在する電荷が偏った反応性の高い水素や炭化
水素等の量を検出するセンサの検出信号等に応じて上記
拡散燃焼状態を判別する燃焼状態判別手段を設け、この
燃焼状態判別手段において、燃料の主噴射後の温度が所
定温度以下の低温となった否か、燃焼光の発光がなくな
ったか否か、または水素や炭化水素の量が急減したか否
か等を判別することにより、上記拡散燃焼の終了時点を
求め、これに基づいて次の燃焼サイクルでの後噴射時期
を設定するように構成してもよい。さらに、温度センサ
によって検出された気筒内温度から断熱膨張温度を減算
した値の微分値を求め、この微分値がマイナスの値から
０になった時点を検出することによって上記拡散燃焼の
終了時点を判別するようにしてもよい。

【００７４】次に以上のような燃料噴射制御の作用効果
を詳述する。

【００７５】−分割噴射について− まず、分割噴射について説明すると、燃料が分割噴射さ
れることで、そのうちの最初に噴射される燃料による予
混合燃焼の割合は相対的に少なくなり、燃焼初期に燃焼
圧や燃焼温度が過度に上昇することがなくなるので、Ｎ
Ｏｘの生成が少なくなる。また、噴射休止間隔Δｔの間
は燃料の噴出が中止するが、このΔｔを５０μｓ以上に
設定することにより、先に噴出した燃料液滴に次の噴出
燃料液滴が追いつくことがないようにしている。特に、
この実施形態では、２回目の噴射を圧縮上死点以降に行
うようにしているので、この噴射された燃料が直ちに燃
焼し、燃焼室４の圧力が大きく上昇して圧縮空気の粘性
が高くなるので、３回目に噴射された燃料液滴は直ちに
減速され、先に噴射された燃料液滴に追いつくことが避
けられる。

【００７６】また、各回の開弁時間は略０．８ｍｓ以下
に設定している。これにより、各回の燃料噴射量が多く
ならないので、その燃料噴霧中での燃料液同士の再結合
も最小限に抑制される。よって、一旦、微粒化した燃料
液滴同士の再結合が最小限に抑えられるので、例えば燃
圧を高めて燃料の噴出速度を大きくすることにより、燃
料の微粒化ひいては気化霧化が十分に促進して、燃料蒸
気と空気との混合状態を大幅に改善することができる。

【００７７】さらに、噴射休止間隔Δｔの上限は１．０
ｍｓ程度としている。このような上限値を定めているの
は、２回目に噴射された燃料が１回目に噴射された燃料
の燃焼終了前に燃焼し始め、３回目に噴射された燃料も
２回目に噴射された燃料の燃焼終了前に燃焼するという
ように、各噴射による燃料が途切れることなく継続して
良好に燃焼するようにするためである。最後の噴射の終
了時期は圧縮行程上死点後３５°ＣＡより前になるよう
にすることが、燃焼が過度に緩慢になることを避ける上
で好ましい。

【００７８】要するに、主噴射を分割して行うことによ
り、噴射された燃料の燃焼状態を極めて良好なものにし
て、燃費改善と煤生成の抑制とを実現できる。また、噴
射終了時期は相対的に遅くなるものの、その間に断続的
に噴射される燃料は上述の如く良好に気化霧化されて拡
散燃焼するので、燃料噴射時期を遅角補正した場合のよ
うに燃焼状態が悪くなることはなく、むしろ、燃焼室４
の圧力が相対的に長い間、高い状態に維持されて、燃焼
ガスの膨張力が極めて有効にピストン３に伝達されるよ
うになり、機械効率の向上によっても燃費の改善が図ら
れる。

【００７９】そして、前記のように燃料が良好に燃焼さ
れて燃焼エネルギーそのものが大きくなる上に、燃焼の
終了時期が遅くなって、排気の一部が温度状態が高いう
ちに排気通路２０に流出するようになるので、排気圧力
及び排気温度を上昇させて、触媒２２の早期昇温を促す
ことができる。

【００８０】上述の如く、気筒２の圧縮上死点近傍でイ
ンジェクタ５により燃料を複数回に分割して噴射するこ
とで、燃料の微粒化を促進して燃焼状態を大幅に改善す
るとともに、有効な燃焼時間を延長して機械効率を改善
しかつ排気エネルギーも高めることができるのである
が、このためには、インジェクタ５による分割噴射の回
数や１回毎の開弁時間、噴射休止間隔Δｔを適切に設定
して、燃焼室４に噴出した燃料液滴同士ができるだけ再
結合しないようにするとともに、燃焼を開始から終了ま
で途切れずにかつ良好に継続させる必要がある。

【００８１】本発明者らは、エンジン１の目標トルクに
対応する基本噴射量の燃料を一括噴射した場合、２分割
噴射した場合、及び３分割噴射した場合のそれぞれにつ
いて、噴射休止間隔Δｔを変更しながら、これに伴い変
化する噴射終了時のクランク角度と、ＮＯｘ量、煤量、
燃費率等との関係を調べた。

【００８２】排気中の有害成分であるＮＯｘ、煤、ＣＯ
及びＨＣの排出量（エンジン本体からの排出量。以下、
同じ。）の計測結果を、それぞれ図８〜図１１に示す。
なお、これらの図において、各プロット点に付記した数
値は噴射休止間隔Δｔであり、その単位には「μsec 」
を使用している。この点は後述する図１２も同じであ
る。

【００８３】図８によれば、燃料噴射の分割数が多くな
るほどＮＯｘ排出量が少なくなっており、また、２分割
及び３分割噴射のいずれの場合も、噴射休止間隔Δｔが
長くなるほどＮＯｘ排出量が少なくなっている。一方、
煤量は、図９によれば、２分割及び３分割噴射のいずれ
の場合も、噴射休止間隔Δｔが短いときは一括噴射の場
合よりも少なくなっているが、噴射休止間隔Δｔが長く
なるに連れて煤量が増大し、一括噴射の場合よりも多く
なることがあることがわかる。また、図１０に示すよう
に、ＣＯ排出量については煤と同様の傾向が見られる。
ＨＣ排出量については、図１１に示すように、２分割又
は３分割噴射とすることで一括噴射の場合よりも排出量
が低減しているが、噴射休止間隔Δｔを長くしていくと
その排出量が増えていくことがわかる。

【００８４】燃費率に関しては、図１２に示すように、
一括噴射よりも２分割噴射の方が燃費率が改善されてい
るが、３分割噴射とした場合には、噴射休止間隔Δｔが
短いときは燃費率がやや改善される一方、噴射休止間隔
Δｔが長くなるに連れて燃費率が悪化することが分か
る。これは、分割噴射により燃焼性が改善しかつ機械効
率が向上する一方、それと同時に熱効率が低下するため
であり、このことから、噴射の終了時期はあまり遅くし
ないほうが好ましいと言うことができる。

【００８５】尚、前記実験結果は、この実施形態と同様
に可変式のターボ過給機２５を装備した排気量２０００
ｃｃの４気筒ディーゼルエンジンを用いて、このエンジ
ンを比較的負荷の低い状態でかつエンジン回転数Ｎｅを
約１５００ｒｐｍで運転したときのものである。

【００８６】−後噴射について− エンジン低負荷低回転時（エンジン回転数Ｎｅ；１５０
０ｒｐｍ，平均有効圧力Ｐｅ；０．３Ｍｐａ）、エンジ
ン中回転中負荷時（エンジン回転数Ｎｅ；２０００ｒｐ
ｍ，平均有効圧力Ｐｅ；０．５７Ｍｐａ）及びエンジン
高回転高負荷時（エンジン回転数Ｎｅ；２５００ｒｐ
ｍ，平均有効圧力Ｐｅ；０．９Ｍｐａ）の各々におい
て、燃料の主噴射後に、燃料の後噴射時期を種々に変化
させて煤、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの各排出量及び燃費率を
測定する実験を行った。主噴射は一括噴射とし、噴射比
率はＱｍ：Ｑｆ＝５：１とした。

【００８７】煤、ＨＣ、ＣＯ及び燃費率の測定において
は、ＮＯｘ排出量が、エンジン低負荷低回転時には５０
ｐｐｍになるように、エンジン中回転中負荷時には１２
０ｐｐｍになるように、エンジン高回転高負荷時には２
５０ｐｐｍになるように、それぞれ排気還流率を調節し
た。一方、ＮＯｘ排出量の測定においては、ＥＧＲが行
なわれると、後噴射による排気圧力の上昇によって排気
還流率が変化してＮＯｘ生成量に影響が出るため、上記
エンジンの各運転時では排気還流率が一定になるように
制御した。

【００８８】図１３に示すように、煤の排出量に関して
は、後噴射時期を、エンジン低回転低負荷時（同図
（ａ））では圧縮行程上死点後３０゜ＣＡに設定した場
合に、エンジン中回転中負荷時（同図（ｂ））では圧縮
行程上死点後３５゜ＣＡ〜４０゜ＣＡに設定した場合
に、エンジン高回転高負荷時（同図（ｃ））では圧縮行
程上死点後４５゜ＣＡ〜５０゜ＣＡに設定した場合に、
それぞれ煤の排出量が顕著に低減されることが確認され
た。後噴射時期が０゜ＣＡの箇所に付した白抜き丸は後
噴射量零の場合を示す。この点は図１４〜図１７におい
ても同じである。

【００８９】図１４に示すように、ＨＣの排出量に関し
ては、エンジン低回転低負荷時（同図（ａ））は圧縮行
程上死点後３５゜ＣＡ程度までの後噴射時期ではＨＣ量
はそれほど多くないが、それよりも後噴射時期が遅くな
ると急増している。エンジン中回転中負荷時（同図
（ｂ））では、後噴射時期が圧縮行程上死点後４０゜Ｃ
Ａ付近まではそれほど多くないが、それよりも遅くなる
と急増し、エンジン高回転高負荷時（同図（ｃ））で
は、圧縮行程上死点後５５゜ＣＡ付近まではそれほど多
くないが、それよりも遅くなると急増している。後噴射
時期が遅くなると、ＨＣ排出量が急増しているのは、筒
内温度の低下により、燃焼せずに排出される後噴射燃料
が多くなることによると考えられる。

【００９０】図１５に示すように、ＣＯの排出量に関し
ては、ＨＣ排出量と同様の傾向が見られ、エンジン低回
転低負荷時（同図（ａ））では、後噴射時期が圧縮行程
上死点後３５゜ＣＡ付近まではそれほど多くないが、そ
れよりも遅くなると急増し、エンジン中回転中負荷時
（同図（ｂ））では変動が見られるが、圧縮行程上死点
後４０゜ＣＡよりも遅くなると急増し、エンジン高回転
高負荷時（同図（ｃ））では、圧縮行程上死点後５５゜
ＣＡまではそれほど多くないが、それよりも遅くなると
急増している。このような急増は後噴射燃料の不完全燃
焼が原因になっていると考えられる。

【００９１】図１６に示すように、ＮＯｘの排出量に関
しては、エンジン低回転低負荷時（同図（ａ））、中回
転中負荷時（同図（ｂ））及び高回転高負荷時（同図
（ｃ））のいずれの場合も、後噴射時期が遅くなるほど
少なくなる傾向が見られるが、それほど顕著な低下傾向
ではない。従って、後噴射自体はＮＯｘの低減にはそれ
ほど有効でないということができる。

【００９２】図１７に示すように、燃費率に関しては、
エンジン低回転低負荷時（同図（ａ））、中回転中負荷
時（同図（ｂ））及び高回転高負荷時（同図（ｃ））の
いずれの場合も、後噴射時期が遅くなるほど燃費率が悪
化している。しかし、エンジン低回転低負荷時（同図
（ａ））では後噴射時期が圧縮行程上死点後３５゜ＣＡ
付近まで、中回転中負荷時（同図（ｂ））では４５゜Ｃ
Ａ付近まで、高回転高負荷時（同図（ｃ））では４８゜
ＣＡ付近までであれば、その悪化はそれほどひどくな
い。この燃費率の悪化傾向は上記ＨＣ及びＣＯの排出量
の増大傾向に略対応している。

【００９３】以上から、主噴射燃料の拡散燃焼終了付近
又はそれ以降に後噴射燃料の燃焼が開始するようにすれ
ば、煤を低減させることができ、特に、主噴射燃料の拡
散燃焼終了付近で後噴射燃料の燃焼が開始するようにす
れば、すなわち、上述の例では、後噴射時期を、エンジ
ン低回転低負荷時には圧縮行程上死点後３０゜ＣＡ付近
（例えば２７〜３５゜ＣＡ）に、中回転中負荷時には同
３５゜ＣＡ付近（例えば３３〜４０゜ＣＡ）に、高回転
高負荷時には同４８゜ＣＡ付近（例えば４５〜５０゜Ｃ
Ａ）に設定すればＨＣ排出量及びＣＯ排出量の急増を避
けながら、また、燃費率が大きく悪化することを避けな
がら、煤の排出量が大きく低下すること、そして、ＮＯ
ｘの排出量も低下することがわかる。

【００９４】−後噴射量の割合について− 上記測定結果に基づき、後噴射時期を、上記エンジン低
回転低負荷時に関しては圧縮行程上死点後８゜ＣＡ及び
３０゜ＣＡの２点に設定し、上記中回転中負荷時に関し
ては同２０゜ＣＡ及び３５゜ＣＡの２点に設定し、上記
高回転高負荷時に関しては同２０゜ＣＡ及び４８゜ＣＡ
の２点に設定して、それぞれ後噴射燃料の割合（Ｑｆ／
（Ｑｍ＋Ｑｆ））を種々に変えて、煤及びＨＣの排出
量、並びに燃費率を測定した。

【００９５】煤の排出量に関しては、図１８に示すよう
に、エンジン低回転低負荷時（同図（ａ））、中回転中
負荷時（同図（ｂ））、高回転高負荷時（同図（ｃ））
のいずれにおいても、主噴射燃料の拡散燃焼終了付近で
後噴射燃料の燃焼が開始するように後噴射時期を設定し
たときは（ＡＴＤＣ３０゜ＣＡ、３５゜ＣＡ、４８゜Ｃ
Ａ）、後噴射燃料の割合が高くなるほど、煤の排出量が
少なくなっている。また、エンジン回転数及び負荷が高
いときほど後噴射燃料の割合を高めたときの煤の低減効
果が高い傾向が見られる。

【００９６】これに対して、後噴射時期を早めたときは
（ＡＴＤＣ８゜ＣＡ、２０゜ＣＡ、２０゜ＣＡ）、後噴
射燃料の割合が高くなるに従って煤の排出量が増大する
か、又は後噴射燃料の割合が煤排出量に影響を与えな
い、という結果になっている。これから、後噴射時期が
早すぎるときは後噴射燃料の割合を高めても煤の再燃焼
には有効でないことがわかる。

【００９７】ＨＣの排出量に関しては、図１９に示すよ
うに、エンジン低回転低負荷時（同図（ａ））及び中回
転中負荷時（同図（ｂ））では、主噴射燃料の拡散燃焼
終了付近で後噴射燃料の燃焼が開始するようにしたとき
は（ＡＴＤＣ３０゜ＣＡ、３５゜ＣＡ、４８゜ＣＡ）、
後噴射燃料の割合が高くなるほどＨＣ排出量が多くなっ
ている。高回転高負荷時（同図（ｃ））の場合は後噴射
燃料の割合が高くなってもＨＣ排出量はそれほど多くな
っていない。この理由は定かでないが、筒内温度が高い
ために後噴射燃料が比較的良く燃焼したためと考えられ
る。一方、後噴射時期が早い場合（ＡＴＤＣ８゜ＣＡ、
２０゜ＣＡ、２０゜ＣＡ）は低回転低負荷時、中回転中
負荷時、高回転高負荷時のいずれの場合も、後噴射燃料
の割合が高くなってもＨＣ排出量は多くなっていない。
これは、後噴射時期が早い場合は筒内温度が高いために
後噴射燃料が燃焼し易いためと考えられる。

【００９８】燃費率に関しては、図２０に示すように、
エンジン低回転低負荷時（同図（ａ））、中回転中負荷
時（同図（ｂ））、高回転高負荷時（同図（ｃ））のい
ずれにおいても、主噴射燃料の拡散燃焼終了付近で後噴
射燃料の燃焼が開始するようにしたときは（ＡＴＤＣ３
０゜ＣＡ、３５゜ＣＡ、４８゜ＣＡ）、後噴射燃料の割
合が高くなるほど燃費率が悪くなっている。一方、後噴
射時期が早い場合（ＡＴＤＣ８゜ＣＡ、２０゜ＣＡ、２
０゜ＣＡ）は後噴射燃料の割合が高くなっても燃費率は
それほど悪化していない。この結果は、上記ＨＣ排出量
の結果と良く対応している。

【００９９】以上から、後噴射燃料の割合を高めると、
煤の排出量の低減には有利になるものの、ＨＣ排出量の
増大、燃費率の悪化を招くことから、その割合を高める
ことはあまり好ましくないが、エンジン回転数が比較的
高いときないしはエンジン負荷が比較的高いときは、煤
の発生量が多くなる一方、後噴射燃料の割合を高めるこ
とによる煤の低減効果が高いから、エンジン回転数が高
くなるほど、また、エンジン負荷が高くなるほど当該割
合を高めることには意義があるということができる。

【０１００】以上では、主噴射の分割形態として圧縮行
程上死点付近で燃焼が途切れないように多段に分割噴射
する方式を説明したが、最初の噴射を吸気行程又は圧縮
行程前半ないしは中間（圧縮行程上死点前６０゜ＣＡ付
近までに）に行ない、次の噴射を圧縮行程上死点付近に
行なうという分割噴射形態を採用してもよい。

【０１０１】この場合は、所謂予混合圧縮着火燃焼方式
になり、燃料の拡散を促進して比較的均質な混合気を形
成し、着火時の急激な熱炎反応を抑制してＮＯｘを低減
することができる。また、同時に噴射燃料と空気との混
合が良くなるため、すなわち、過濃混合気の形成が抑制
されるため、煤の発生量も少なくなる。従って、このよ
うな分割噴射形態と上記フォローアップ噴射との組み合
わせにより、ＮＯｘ低減と煤の低減とを同時に効果的に
達成することができるようになる。

【０１０２】（他の実施形態）上記実施形態ではＮＯｘ
低減のために主噴射として分割噴射形態を採用したが、
本実施形態では主噴射として一括噴射形態を採用し、Ｎ
Ｏｘ低減にその噴射時期のリタードを採用したものであ
る。本実施形態に係るディーゼルエンジンの燃料噴射装
置は、主噴射時期をエンジンの運転状態に応じてリター
ドさせる主噴射制御手段と、フォローアップ噴射を行な
うための後噴射制御手段と、パイロット噴射制御手段と
を備えている。

【０１０３】主噴射制御手段は、燃料が圧縮行程上死点
付近で一括して主噴射されるようにエンジンの運転状態
に応じてインジェクタ５の作動を制御し且つ所定のエン
ジン運転領域では上記主噴射の開始時期を圧縮行程上死
点よりも遅くなるようにリタードさせる。後噴射制御手
段は、上記主噴射開始時期がリタードされたとき、その
主噴射の終了後にさらに燃料が噴射されるようにエンジ
ンの運転状態に応じて上記インジェクタ５の作動を制御
し、しかも、上記主噴射燃料の拡散燃焼終了時点を基準
として、該終了時点の付近又は該終了時点よりも後に後
噴射の燃料の燃焼が開始するように、その後噴射時期を
設定する。パイロット噴射制御手段は、上記主噴射開始
時期のリタード時に該主噴射よりも前に少量の燃料がパ
イロット噴射されるように上記インジェクタ５の作動を
制御する。

【０１０４】図２１に本実施形態の燃料噴射制御フロー
を示す。ステップＢ１〜Ｂ４及びＢ６、Ｂ７は先の実施
形態のステップＡ１〜Ａ４及びＡ６、Ａ７と同じであ
り、その説明は省略する。当該制御フローにおいて、ス
テップＢ４、Ｂ５及びＢ７が上記主噴射制御手段を構成
し、ステップＢ４、Ｂ６及びＢ７が後噴射制御手段を構
成している。本実施形態の特徴はステップＢ５にあり、
主噴射時期Ｉｍについては、予め設定して電子的に格納
したマップに基づいてエンジン運転状態に応じて必要な
リタード設定を行なう。

【０１０５】すなわち、図２２は当該マップを示すもの
であり、主噴射時期Ｉｍのリタードはエンジンのアイド
ル運転領域と中回転中負荷の運転領域において行なうよ
うに目標トルクＴｒ及びエンジン回転数Ｎｅに基づいて
設定されている。この場合、主噴射時期Ｉｍは圧縮行程
上死点後５゜ＣＡ以降になるように、さらには１５゜Ｃ
Ａ以降になるようにリタードすることがＮＯｘの低減の
上で好ましい。あるいは、低回転低負荷の運転領域にお
いては、エンジン負荷が大に又はエンジン回転数が大に
なるほど主噴射時期を第１の変化率で進角させ、中回転
中負荷の運転領域においては、エンジン負荷が大に又は
エンジン回転数が大になるほど主噴射時期を第１の変化
率よりも小さい変化率で進角させるように、若しくはエ
ンジン負荷が大に又はエンジン回転数が大になるほど主
噴射時期を遅角させるようにしてもよい。フォローアッ
プ領域は同図の太線で囲まれた領域である。従って、リ
タード領域以外でもエンジン中回転乃至は中負荷の運転
領域では主噴射燃料の拡散燃焼終了付近で後噴射燃料の
燃焼が開始するように後噴射を実行することになる。ア
イドル運転領域や高回転高負荷運転領域でも当該後噴射
を実行してもよいことは先の実施形態と同じである。

【０１０６】また、上記リタード領域ではパイロット噴
射を併せて実行し、これにより、当該リタードを大きく
することができるようにしている。もちろん、他の運転
領域においても、パイロット噴射を実行してエンジン燃
焼騒音の低減及びＮＯｘの低減を図るようにしてもよ
い。リタード量はアイドル運転時の方が中回転中負荷の
運転域よりも大きくなるように設定している。これは、
アイドル運転時は排気ガス温度が低いため、リタード量
を大きくして排気ガス温度を高め、触媒２２の早期活性
を促すためである。

【０１０７】従って、本実施形態の場合は、上記主噴射
時期ＩｍのリタードによってＮＯｘの低減が図れ、フォ
ローアップ噴射によって煤の低減が図れることになる。
しかも、当該リタードによって煤発生量が増大する傾向
にあるところ、フォローアップ噴射によってこの煤を効
率良く再燃焼させてその排出量の低減を図ることができ
る。

【０１０８】（他の特徴）上記各実施形態において他の
特徴とするところは、ＥＧＲを実行しつつ上記フォロー
アップ噴射を行なう点、また、ターボ過給を行ないつつ
上記フォローアップ噴射を行なう点である。

【０１０９】−ＥＧＲとフォローアップ噴射との関係− ＥＧＲを実行すると、ＮＯｘの低減が図れるものの、燃
焼室における不活性ガス（還流排気ガス）の増加によっ
て燃焼が悪化することと、高温の排気ガスが還流するこ
とによる吸気温度の上昇によって吸入空気量が低下する
こととが原因となって、煤の発生量が多くなる。

【０１１０】これに対して、上記各実施形態ではＥＧＲ
を実行しつつ上記フォローアップ噴射を行なうことか
ら、このＥＧＲで煤の発生量が増大しても、フォローア
ップ噴射によってその煤を効率良く再燃焼させることが
でき、ＮＯｘの低減と煤の低減の両立に有利になる。

【０１１１】−ターボ過給とフォローアップ噴射との関
係− 上記フォローアップ噴射を実行すると、後燃え（膨張行
程での燃料の燃焼）によって排気エネルギーが高まり、
そのためにターボ過給機２５の過給効率が高まる。この
ことにより、吸入空気の充填効率が高まり、すなわち、
新気量が増大し、フォローアップ噴射による煤の再燃焼
時に煤と接触する空気量が増え、その着火燃焼に有利に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの
全体構成を示す図。

【図２】同実施形態の分割噴射形態を示すタイムチャー
ト図。

【図３】同実施形態の燃料噴射制御フロー図。

【図４】同実施形態のフォローアップ領域を示す図。

【図５】同実施形態の分割噴射領域を示す図。

【図６】同実施形態の各エンジン運転状態における一括
噴射の場合のインジェクタのニードルリフト量と熱発生
率との関係を示すタイムチャート図。

【図７】同実施形態の各エンジン運転状態における分割
噴射の場合のインジェクタのニードルリフト量と熱発生
率との関係を示すタイムチャート図。

【図８】燃料噴射の分割回数及び噴射休止間隔をそれぞ
れ変化させたときの、排気中のＮＯｘ量の変化特性を示
すグラフ図。

【図９】燃料噴射の分割回数及び噴射休止間隔をそれぞ
れ変化させたときの、排気中の煤量の変化特性を示すグ
ラフ図。

【図１０】燃料噴射の分割回数及び噴射休止間隔をそれ
ぞれ変化させたときの、排気中のＣＯ量の変化特性を示
すグラフ図。

【図１１】燃料噴射の分割回数及び噴射休止間隔をそれ
ぞれ変化させたときの、排気中のＨＣ量の変化特性を示
すグラフ図。

【図１２】燃料噴射の分割回数及び噴射休止間隔をそれ
ぞれ変化させたときの燃費率の変化特性を示すグラフ
図。

【図１３】後噴射時期と排気中の煤量との関係を示すグ
ラフ図。

【図１４】後噴射時期と排気中のＨＣ量との関係を示す
グラフ図。

【図１５】後噴射時期と排気中のＣＯ量との関係を示す
グラフ図。

【図１６】後噴射時期と排気中のＮＯｘ量との関係を示
すグラフ図。

【図１７】後噴射時期と燃費率との関係を示すグラフ
図。

【図１８】後噴射燃料の割合と排気中の煤量との関係を
示すグラフ図。

【図１９】後噴射燃料の割合と排気中のＨＣ量との関係
を示すグラフ図。

【図２０】後噴射燃料の割合と燃費率との関係を示すグ
ラフ図。

【図２１】本発明の他の実施形態の燃料噴射制御フロー
図。

【図２２】同実施形態の主噴射リタード領域を示すマッ
プ図。

【符号の説明】

Ａディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置１エンジン２気筒４燃焼室５インジェクタ（燃料噴射弁）２０排気通路２２触媒３５ＥＣＵ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3G301 HA02 HA04 HA11 HA13 JA24 JA25 JA37 KA06 KA08 KA09 KA23 KA24 KA25 LB11 MA11 MA18 MA27 ND03 PA01Z PA07Z PA11Z PB03A PB03Z PB05A PB05Z PB08Z PD04Z PD15Z PE01Z PE03Z PE04Z PE08Z PF03Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁
と、燃料を複数回に分割して噴射すべく、吸気行程初期から
膨張行程初期までの所定時期に且つ最後の噴射時期が圧
縮行程上死点付近になるように、閉弁状態になる所定の
噴射休止間隔を挟んで断続的に開弁するようにエンジン
の運転状態に応じて上記燃料噴射弁の作動を制御する分
割噴射制御手段と、上記分割噴射終了後にさらに燃料が噴射されるようにエ
ンジンの運転状態に応じて上記燃料噴射弁の作動を制御
する後噴射制御手段とを備え、上記後噴射制御手段は、上記分割噴射された燃料の拡散
燃焼終了時点を基準として、該終了時点の付近又は該終
了時点よりも後に後噴射の燃料の燃焼が開始するよう
に、その後噴射時期を設定することを特徴とするディー
ゼルエンジンの燃料噴射装置。
【請求項２】請求項１に記載のディーゼルエンジンの
燃料噴射装置において、上記噴射休止間隔は、分割噴射された各燃料間で燃焼が
継続した状態になるように０．０５ｍｓ〜１．０ｍｓに
設定されていることを特徴とするディーゼルエンジンの
燃料噴射装置。
【請求項３】請求項２に記載のディーゼルエンジンの
燃料噴射装置において、上記分割噴射制御手段は、エンジン回転数が高くなるほ
ど又はエンジン負荷が高くなるほど、燃料の分割噴射回
数が多くなるように又は上記噴射休止間隔が長くなるよ
うに上記燃料噴射弁の作動を制御することを特徴とする
ディーゼルエンジンの燃料噴射装置。
【請求項４】請求項１乃至請求項３のいずれか一に記
載のディーゼルエンジンの燃料噴射装置において、上記後噴射制御手段は、エンジン回転数が高くなるほど
又はエンジン負荷が高くなるほど、上記分割噴射と後噴
射とを合わせた総燃料噴射量に占める後噴射量の割合が
多くなるように後噴射量を設定することを特徴とするデ
ィーゼルエンジンの燃料噴射装置。
【請求項５】燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁
と、燃料が圧縮行程上死点付近で一括して主噴射されるよう
にエンジンの運転状態に応じて上記燃料噴射弁の作動を
制御し且つ所定のエンジン運転領域では上記主噴射の開
始時期を圧縮行程上死点よりも遅くなるようにリタード
させる主噴射制御手段と、上記主噴射開始時期がリタードされたとき、その主噴射
の終了後にさらに燃料が噴射されるようにエンジンの運
転状態に応じて上記燃料噴射弁の作動を制御する後噴射
制御手段とを備え、上記後噴射制御手段は、上記主噴射燃料の拡散燃焼終了
時点を基準として、該終了時点の付近又は該終了時点よ
りも後に後噴射の燃料の燃焼が開始するように、その後
噴射時期を設定することを特徴とするディーゼルエンジ
ンの燃料噴射装置。
【請求項６】請求項５に記載のディーゼルエンジンの
燃料噴射装置において、上記主噴射開始時期のリタード時に該主噴射よりも前に
少量の燃料がパイロット噴射されるように上記燃料噴射
弁の作動を制御するパイロット噴射制御手段を備えてい
ることを特徴するディーゼルエンジンの燃料噴射装置。