JP2004124732A

JP2004124732A - ディーゼルエンジンの燃焼制御装置

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Publication number: JP2004124732A
Application number: JP2002286471A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Hayashibara; 林原　寛; Ichiji Kataoka; 片岡　一司; Yasutaka Katsuya; 勝谷　泰荘; Yasuyuki Terasawa; 寺沢　保幸
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: JP4055537B2

Abstract

【課題】低負荷側の第１運転領域（Ｈ）で燃料を早期噴射するとともに、ＥＧＲ率を第１設定値以上として予混合燃焼モードとする一方、高負荷乃至高回転側の第２運転領域（Ｄ）ではディーゼル燃焼モードとし、且つＥＧＲ率は第２設定値以下に抑えるようにした直噴式ディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、ディーゼル燃焼モードから予混合燃焼モードへ切換えるときに過早な着火乃至それに起因する過大な騒音の発生を抑制する。
【解決手段】エンジン１をディーゼル燃焼モードから予混合燃焼モードに切換えられるときに、実ＥＧＲ率が第１設定値以上の目標ＥＧＲ率になるまでの間、早期噴射する燃料の量を比較的少なくし、これにより過早の発生を抑えるとともに、早期噴射した燃料の燃焼が終了する頃に追加の燃料噴射を行って、エンジンのトルク変動と煤の増大とを抑制する。燃料の早期噴射量を燃焼モードの切換え前後のＥＧＲ率の偏差に応じて、偏差が大きいほど少なくなるように制御する。
【選択図】　　　図９

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直噴式ディーゼルエンジンの燃焼制御装置に関し、特に、エンジンの燃焼状態を切換えるときの過渡的な制御の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、直噴式ディーゼルエンジンでは、気筒の圧縮上死点（ＴＤＣ）近傍で高温高圧の燃焼室に燃料を噴射して、自着火により燃焼させるようにしている。このとき、燃焼室に噴射された燃料は高密度の空気との衝突によって微細な液滴に分裂（霧化）しながら進行し、略円錐状の燃料噴霧を形成するとともに、その燃料液滴の表面から気化しつつ燃料噴霧の主に先端側や外周側で周囲の空気を巻き込んで混合気を形成し、この混合気の濃度及び温度が着火に必要な状態になったところで自着火して、燃焼を開始する（いわゆる予混合燃焼）。そして、そのようにして燃焼を開始した部分が核となり、周囲の燃料蒸気及び空気を巻き込みながら拡散燃焼すると考えられている。
【０００３】
そのような通常のディーゼルエンジンの燃焼（以下、単にディーゼル燃焼ともいう）では、初期の予混合燃焼に続いて大部分の燃料が拡散燃焼することになるが、この際、燃料の濃度の不均質な噴霧（混合気）中において空気過剰率λが１に近い部分では急激な熱発生に伴い窒素酸化物（ＮＯｘ）が生成され、また、燃料の過濃な部分では酸素不足によって煤が生成されることになる。この点について、ＮＯｘや煤の低減のために排気の一部を吸気に還流させたり（Ｅｘｈａｕｓｔ　Ｇａｓ　ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：以下、単にＥＧＲという）、燃料の噴射圧力を高めたりするという対策は従来から行われている。
【０００４】
そのようにＥＧＲによって不活性な排気を吸気系に還流させるようにすると、燃焼温度が低下してＮＯｘの生成が抑えられる一方で、吸気中の酸素が減ることになるから、多量のＥＧＲは煤の生成を助長する結果となる。また、燃料噴射圧力を高めることは燃料噴霧の微粒化を促進するとともに、その貫徹力を大きくして空気利用率を向上するので、煤の生成は抑制できるが、ＮＯｘはむしろ生成し易い状況になる。つまり、従来からのディーゼル燃焼においてはＮＯｘの低減と煤の低減とがトレードオフの関係にあり、両者を同時に低減することは難しいという実状がある。
【０００５】
これに対し、近年、燃料の噴射時期を大幅に進角させて、予混合燃焼が主体の燃焼状態とすることにより、ＮＯｘと煤とを同時に且つ大幅に低減することのできる新しい燃焼の形態が提案されており、それらは一般的にディーゼル予混合燃焼とか、予混合圧縮着火燃焼という呼称で知られている。この新しい燃焼形態は例えばＥＧＲによって多量の排気を還流させるとともに、気筒の圧縮行程で比較的早期に燃料を噴射して空気と十分に混合し、この予混合気を圧縮行程の終わりに自着火させて、燃焼させるというものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
そのような燃焼状態では、ＥＧＲによって吸気中に還流させる排気の割合（ＥＧＲ率：排気還流率）を上述したディーゼル燃焼のときよりも数段、高くすることが好ましい。すなわち、空気に比べて熱容量の大きい排気を吸気中に多量に混在させれることで、その分、予混合気中の燃料及び酸素の密度を低下させ、これにより着火遅れ時間を延長して、予混合気中の燃料及び酸素を十分に混合しつつ、その予混合気の自着火のタイミングをＴＤＣ近傍まで遅角させることができる。その予混合気中では燃料蒸気の濃度のばらつきが小さいので、燃焼に伴う煤の生成が少なくなる上に、予混合気中の燃料や酸素の周囲には不活性な排気が略均一に分散していて、これが燃焼熱を吸収することになるので、ＮＯｘの生成も大幅に抑制されると考えられている。
【０００７】
但し、ＥＧＲによって吸気中の排気の還流割合が多くなるということは、その分、空気の量が少なくなるということなので、前記のような燃焼状態をエンジンの高負荷側で実現することは困難である。このため、前記従来例のものでも、低負荷側の運転領域では前記の如く燃料の早期噴射を行うとともに、ＥＧＲ率を比較的高い第１の設定値以上に制御して、予混合圧縮着火燃焼状態とする一方、高負荷側の運転領域では燃料の噴射態様を切換えてディーゼル燃焼となるようにＴＤＣ近傍で噴射させるようにし、この際、ＥＧＲ率は、煤の増大を回避すべく前記第１の設定値よりも小さい第２の設定値以下に制御するようにしている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−１１０６６９号公報（第６頁〜第１０頁、第２〜９図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記の如く、エンジンを予混合圧縮着火燃焼とディーゼル燃焼とに切換えるようにした場合、その切換えの際に過渡的に排気の状態が悪化したり、大きな騒音を発生するという問題が生じる。すなわち、予混合圧縮着火燃焼からディーゼル燃焼に切換えるときには、ＥＧＲによる排気の還流量を減少させてＥＧＲ率が第１設定値以上の状態から第２設定値以下の状態へと変更するのであるが、この排気還流量の変化にはある程度の時間が必要なので、仮に燃料の噴射態様を直ちにディーゼル燃焼のためのＴＤＣ近傍での噴射に切換えるとすると、ＥＧＲ率の高過ぎる状態で拡散燃焼が主体の燃焼が行われることになり、煤の生成が著しく増大するのである。
【００１０】
反対に、ディーゼル燃焼から予混合圧縮着火燃焼に切換えるときにも排気還流量の変化にはある程度の時間が必要となり、このときに、仮に、ＥＧＲ率が十分に高くない状態で燃料の噴射態様を早期噴射に切換えるとすると、この燃料が過早なタイミングで自着火してしまい、極めて大きな燃焼音を発生することになる。この場合にはＮＯｘの生成量も急増し、さらに、煤の生成量も増大する。
【００１１】
本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その主たる目的とするところは、予混合燃焼が主体の第１の燃焼状態（例えば上述の予混合圧縮着火燃焼）と拡散燃焼が主体の第２の燃焼状態（例えば従来一般的なディーゼル燃焼）とのいずれかに切換えて運転するようにしたディーゼルエンジンにおいて、特に第２の燃焼状態から第１の燃焼状態へ切換えるときの制御の手順に工夫を凝らし、過早な着火乃至それに起因する過大な騒音の発生を抑えることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明では、ディーゼルエンジンの燃焼状態を上述した第２の燃焼状態から第１の燃焼状態へと切換えるときに、燃料噴射弁により早期噴射させる燃料の量を比較的、少なくすることによって、過早な着火乃至それに起因する騒音の発生を抑えるようにした。
【００１３】
具体的に、請求項１の発明では、エンジンの気筒内の燃焼室を臨む燃料噴射弁と、その気筒内の燃焼室への排気の還流量を調節する排気還流量調節手段と、前記燃料噴射弁により燃料を気筒の吸気乃至圧縮行程の所定期間に早期噴射させるとともに、この燃料を気筒の圧縮上死点近傍にて自着火させるべく、所定の第１排気還流率以上となるように前記排気還流量調節手段を制御する第１の燃焼制御手段と、前記燃料噴射弁により燃料を気筒の圧縮上死点近傍で噴射させるとともに、この燃料を気筒の圧縮上死点近傍にて自着火させるべく、前記第１排気還流率よりも小値の第２排気還流率以下となるように前記排気還流量調節手段を制御する第２の燃焼制御手段と、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、この運転状態検出手段による検出結果に応じて、前記第１及び第２燃焼制御手段のいずれか一方による燃焼制御を切換えて実行させる燃焼制御切換手段と、を備えたディーゼルエンジンの燃焼制御装置を前提とする。
【００１４】
そして、前記燃焼制御切換手段により、エンジンが前記第２燃焼制御手段による第２燃焼制御状態から前記第１燃焼制御手段による第１燃焼制御状態に切換えられるときに、前記燃料噴射弁により燃料を前記所定期間にて早期噴射させ、且つその噴射量をエンジンへの要求トルクに対応する量よりも少なくなるように制御する切換時燃焼制御手段を備える構成とする。
【００１５】
前記の構成により、まず、エンジンの第１燃焼制御状態では、燃料噴射弁により燃料が気筒の吸気乃至圧縮行程の所定期間に早期噴射されるとともに、排気還流量調節手段の制御によって排気の還流割合が所定以上に多い状態（第１排気還流率以上の状態）とされ、このことで、気筒内の燃焼室に早期に噴射された燃料は当該燃焼室において比較的広く分散し且つ空気及び還流排気と十分に混合して、均質度合いの高い混合気を形成し、これが圧縮行程の終盤に自着火して相対的に予混合燃焼の割合が多い第１の燃焼状態になる。この燃焼状態では、ＮＯｘや煤の生成が非常に少ない。
【００１６】
一方、第２燃焼制御の状態では、燃料噴射弁により燃料がＴＤＣ近傍で噴射されて、相対的に拡散燃焼の割合が多い従来からのディーゼル燃焼の状態（第２の燃焼状態）になる。この際、吸気への排気の還流によってＮＯｘや煤の低減が図られるとともに、その排気の還流割合は所定以下（第２排気還流率以下）に抑えられることによって、空気の供給量が確保されて出力の向上が可能になる。
【００１７】
さらに、燃焼制御切換手段によってエンジンが前記第２の燃焼状態から第１の燃焼状態に切換えられるときには、第２排気還流率以下の状態から第１排気還流率以上の状態になるように排気の還流量が増大されるとともに、切換時燃焼制御手段による燃料噴射弁の制御によって燃料が早期噴射され、且つその噴射量がエンジンの要求トルクに対応する量よりも少なくなるように制御される。このように早期噴射する燃料が相対的に少なければ、燃焼室における燃料の濃度が全体的に低くなるので、過渡的に排気の還流率が低い間も過早な着火を抑制することができ、また、仮に過早な着火が起きたとしても、これに続く燃焼はあまり激しいものにはならないから、過大な騒音の発生を抑制できる。
【００１８】
請求項２の発明では、切換時燃焼制御手段を、エンジンが第２燃焼制御状態から第１燃焼制御状態に切換えられるときに、その切換えの前後における排気還流率の相互の偏差が大きいときほど、早期噴射する燃料の量を少なくするものとする。
【００１９】
すなわち、一般的に、排気還流量調節手段を備えるエンジン制御システムの場合、エンジンの運転状態によって排気の還流率が異なるから、エンジンの燃焼制御状態の切換え前後における排気還流率の偏差もそれぞれ異なるものとなる。そして、その排気還流率の偏差が大きいときほど燃料の着火遅れ時間が所要の状態から大きくずれて、過早な着火の起き易い状態になる。これに対し、この発明では、前記排気還流率の偏差が相対的に大きいときほど早期噴射する燃料の量を少なくすることで、この燃料の過早な着火やそれによる騒音の発生を抑制することができる。一方、排気還流率の偏差が相対的に小さいときには、過早な着火は比較的起きにくくなるから、早期噴射する燃料の量をあまり少なくはせずに、エンジンのトルクを確保する。
【００２０】
つまり、前記請求項２の発明によれば、エンジンの燃焼状態の切換時に、その切換えの前後における排気還流率の偏差に応じて、早期噴射する燃料の量を増減変更することにより、エンジントルクの変動を比較的小さくしつつ、過早な着火を抑制することができる。
【００２１】
請求項３の発明では、切換時燃焼制御手段を、エンジンが第２燃焼制御状態から第１燃焼制御状態に切換えられる途中で、早期噴射する燃料の量を時間の経過とともに増加させるものとする。
【００２２】
すなわち、エンジンが第２燃焼制御状態から第１燃焼制御状態に切換えられるときには、時間の経過とともに燃焼室への排気の還流量が増大し、そのことによって徐々に過早な着火の起き難い状態になる。そこで、この発明では、燃焼制御状態の切換えの途中で、早期噴射する燃料の量を排気還流率の変化に対応するように徐々に増加させることにより、過早な着火の抑制とトルク変動の軽減とを高い次元で両立することができる。
【００２３】
請求項４の発明では、前記請求項３の発明において、実際の排気還流率を推定する排気還流率推定手段を備えるとともに、切換時燃焼制御手段を、エンジンが第２燃焼制御状態から第１燃焼制御状態に切換えられる途中で、前記排気還流率推定手段による推定値と燃焼状態切換後の排気還流率の目標値との偏差に応じて、早期噴射する燃料の量を制御するものとする。
【００２４】
このことで、早期噴射する燃料の量を排気還流率の偏差、即ち、過早着火の起き易さに対応して正確に制御することができ、これにより、請求項３の発明の作用効果が十分に得られる。
【００２５】
請求項５の発明では、切換時燃焼制御手段を、早期噴射量を少なくしたことによるエンジンのトルクの不足を補完するように、燃料噴射弁により燃料を気筒の膨張行程にて追加噴射させるものとする。
【００２６】
このことで、過早な着火の抑制のために早期噴射する燃料を少なくしても、そのことによるエンジントルクの低下を追加噴射する燃料の燃焼によって補完することができ、これにより、トルク変動のない良好な運転フィーリングが得られる。尚、その際に、燃料の追加噴射を所定のタイミングで行うようにすれば、早期噴射燃料の燃焼時に生成された煤や煤核を再燃焼させて、燃焼状態の切換えに伴う煤の増大を効果的に抑制することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。
【００２８】
（実施形態１）
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焼制御装置Ａの一例を示し、１は車両に搭載されたディーゼルエンジンである。このエンジン１は複数の気筒２，２，…（１つのみ図示する）を有し、その各気筒２内に往復動可能にピストン３が嵌挿されていて、このピストン３により各気筒２内に燃焼室４が区画されている。また、燃焼室４の天井部にはインジェクタ５（燃料噴射弁）が配設されていて、その先端部の噴口から高圧の燃料を燃焼室４に直接、噴射するようになっている。一方、各気筒２毎のインジェクタ５の基端部は、それぞれ分岐管６ａ，６ａ，…（１つのみ図示する）により共通の燃料分配管６（コモンレール）に接続されている。このコモンレール６は、燃料供給管８により高圧供給ポンプ９に接続されていて、該高圧供給ポンプ９から供給される燃料を前記インジェクタ５，５，…に任意のタイミングで供給できるように高圧の状態で蓄えるものであり、その内部の燃圧（コモンレール圧）を検出するための燃圧センサ７が配設されている。
【００２９】
前記高圧供給ポンプ９は、図示しない燃料供給系に接続されるとともに、歯付ベルト等によりクランク軸１０に駆動連結されていて、燃料をコモンレール６に圧送するとともに、その燃料の一部を電磁弁を介して燃料供給系に戻すことにより、コモンレール６への燃料の供給量を調節するようになっている。この電磁弁の開度が前記燃圧センサ７による検出値に応じてＥＣＵ４０（後述）により制御されることによって、コモンレール圧がエンジン１の運転状態に対応するように制御される。
【００３０】
また、エンジン１の上部には、図示しないが、吸気弁及び排気弁をそれぞれ開閉させる動弁機構が配設されていて、各気筒２毎の吸気弁及び排気弁の閉弁時期は、当該気筒２の実圧縮比が略１７以下になるように設定されている。ここで、実圧縮比というのは、吸気弁が閉じるまでに気筒２内に吸入された気体が圧縮上死点において圧縮されたときの実質的な圧縮比率のことであり、燃焼室４の幾何学的な圧縮比とは異なり、概ね、吸気弁が閉じたときの燃焼室容積に対する圧縮上死点での燃焼室容積の比率に近いものである。一方、エンジン１の下部には、クランク軸１０の回転角度を検出するクランク角センサ１１と、冷却水の温度を検出するエンジン水温センサ１３とが設けられている。前記クランク角センサ１１は、詳細は図示しないが、クランク軸端に設けた被検出用プレートとその外周に相対向するように配置した電磁ピックアップとからなり、前記被検出用プレートの外周部全周に亘って等間隔に形成された突起部が通過する度に、パルス信号を出力するものである。
【００３１】
エンジン１の一側（図の右側）の側面には、各気筒２の燃焼室４に対しエアクリーナ１５で濾過した空気（新気）を供給するための吸気通路１６が接続されている。この吸気通路１６の下流端部にはサージタンク１７が設けられ、このサージタンク１７から分岐した各通路がそれぞれ吸気ポートにより各気筒２の燃焼室４に連通しているとともに、サージタンク１７には吸気の圧力状態を検出する吸気圧センサ１８が設けられている。
【００３２】
また、前記吸気通路１６には、上流側から下流側に向かって順に、外部からエンジン１に吸入される空気の流量を検出するホットフィルム式エアフローセンサ１９と、後述のタービン２７により駆動されて吸気を圧縮するコンプレッサ２０と、このコンプレッサ２０により圧縮した吸気を冷却するインタークーラ２１と、バタフライバルブからなる吸気絞り弁２２とが設けられている。この吸気絞り弁２２は、弁軸がステッピングモータ２３により回動されて、全閉から全開までの間の任意の開度とされるものであり、全閉状態でも吸気絞り弁２２と吸気通路１６の周壁との間には空気が流入するだけの間隙が残るように構成されている。
【００３３】
一方、エンジン１の反対側（図の左側）の側面には、各気筒２の燃焼室４からそれぞれ燃焼ガス（排気）を排出するように、排気通路２６が接続されている。この排気通路２６の上流端部は各気筒２毎に分岐して、それぞれ排気ポートにより燃焼室４に連通する排気マニホルドであり、該排気マニホルドよりも下流の排気通路２６には上流側から下流側に向かって順に、排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ２センサ２９と、排気流を受けて回転されるタービン２７と、排気中の有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ、煤等）を浄化可能な触媒コンバータ２８とが配設されている。
【００３４】
前記タービン２７と吸気通路１６のコンプレッサ２０とからなるターボ過給機３０は、この実施形態では、可動式のフラップ３１，３１，…によりタービン２７への排気の通路断面積を変化させるようにした可変ターボ過給機（Ｖａｒｉａｂｌｅ　　Ｇｅｏｍｅｔｏｒｙ　Ｔｕｒｂｏｓｕｐｅｒｃｈａｒｇｅｒ：以下ＶＧＴという）であり、前記フラップ３１，３１，…は各々、図示しないリンク機構を介してダイヤフラム３２に駆動連結されていて、そのダイヤフラム３２に作用する負圧の大きさが負圧制御用の電磁弁３３により調節されることで、該フラップ３１，３１，…の回動位置が調節されるようになっている。尚、ＶＧＴ以外のターボ過給機を用いてもよい。
【００３５】
前記排気通路２６には、タービン２７よりも排気上流側の部位に臨んで開口するように、排気の一部を吸気側に還流させるための排気還流通路（以下ＥＧＲ通路という）３４の上流端が接続されている。このＥＧＲ通路３４の下流端は吸気絞り弁２２及びサージタンク１７の間の吸気通路１６に接続されていて、排気通路２６から取り出された排気の一部を吸気通路１６に還流させるようになっている。また、ＥＧＲ通路３４の途中には、その内部を流通する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ３７と、開度調節の可能な排気還流量調節弁（以下ＥＧＲ弁という）３５とが配置されている。この実施形態のＥＧＲ弁３５は負圧応動式のものであり、前記ＶＧＴ３０のフラップ３１，３１，…と同様に、ダイヤフラムへの負圧の大きさが電磁弁３６によって調節されることにより、ＥＧＲ通路３４の断面積をリニアに調節して、吸気通路１６に還流される排気の流量を調節する。
【００３６】
そして、前記各インジェクタ５、高圧供給ポンプ９、吸気絞り弁２２、ＶＧＴ３０、ＥＧＲ弁３５等は、いずれもコントロールユニット（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｏｒｏｌ　Ｕｎｉｔ：以下ＥＣＵという）４０からの制御信号を受けて作動する。一方、このＥＣＵ４０には、前記燃圧センサ７、クランク角センサ１１、エンジン水温センサ１３、吸気圧センサ１８、エアフローセンサ１９、リニアＯ２センサ２９等からの出力信号がそれぞれ入力され、さらに、図示しないアクセルペダルの踏み操作量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ３９からの出力信号と、エンジン回転速度センサ４１からの出力信号とが入力される。
【００３７】
（エンジンの燃焼制御の概要）
前記ＥＣＵ４０によるエンジン１の基本的な制御は、主にアクセル開度に基づいて基本的な燃料噴射量を決定し、これに応じてインジェクタ５の作動状態を変更することで燃料の噴射量や噴射時期、噴射回数等を制御するとともに、高圧供給ポンプ９の作動状態を変更することで燃圧、即ち燃料の噴射圧力を制御するというものである。また、吸気絞り弁２２やＥＧＲ弁３５の開度を変更することで燃焼室４への排気の還流割合を制御し、さらに、ＶＧＴ３０のフラップ３１，３１，…の位置を変更することで吸気の過給効率を向上させる。
【００３８】
具体的に、この実施形態のものでは、例えば図２の制御マップ（燃焼モードマップ）に示すようにエンジン１の全運転領域を２つに分けて、比較的低負荷の第１運転領域（Ｈ）では予混合燃焼が主体の第１の燃焼状態になり、一方、比較的高負荷の第２運転領域（Ｄ）では拡散燃焼が主体の第２の燃焼状態になるように、主に燃料の噴射態様と排気還流率とを異ならせて、エンジン１を第１、第２の２つの燃焼モードで切換えて運転する。換言すれば、ＥＣＵ４０には、メモリに電子的に格納されたプログラムを実行することによって、エンジン１の運転状態（例えばエンジン負荷及びエンジン回転速度）を検出する運転状態検出部４０ａと、検出された運転状態に応じて、エンジン１の燃焼モードを前記第１又は第２の燃焼モードのいずれかに切換える燃焼モード切換部４０ｂ（燃焼制御切換手段）と、エンジン１を前記第１の燃焼モードで運転制御する第１燃焼制御部４０ｃと、前記第２の燃焼モードで運転制御する第２燃焼制御部４０ｄと、それら第１、第２燃焼モードの切換時に過渡的な制御を行う切換時燃焼制御部４０ｅとを備えている。
【００３９】
詳しくは、エンジン１が前記燃焼モードマップにおける第１運転領域（Ｈ）にあって、ＥＣＵ４０の第１燃焼制御部４０ｃにより第１の燃焼モード（以下、予混合燃焼モードともいう）で運転されるときには、図３（ａ）に一例を示すように、インジェクタ５により例えば気筒２の圧縮行程中期から後期にかけて燃料を比較的早期に噴射させ、予めできるだけ均質な混合気を形成した上で自着火により燃焼させるようにする。この際、早期噴射する燃料の噴射量及び噴射時期はそれぞれ図４（ａ），（ｂ）に示すような定常運転時の基本的な制御マップからエンジン１の運転状態に対応する値を読み出して、設定する。尚、早期噴射の時期は気筒２の圧縮行程に限らず、吸気行程であってもよい。また、早期噴射は図３（ａ）に示すように１回で行う必要はなく、２回以上に分けて行うようにしてもよい。
【００４０】
前記のように早期噴射した燃料の燃焼の態様は、従来より予混合圧縮着火燃焼と呼ばれるものとなり、燃料噴射量のあまり多くないときに噴射時期を適切に設定すれば、燃料を適度に広く分散させ且つ空気と十分に混合した上で、その大部分を略同じ着火遅れ時間の経過後に自着火させて、一斉に燃焼させることができる。以下、この実施形態では、そのような燃焼状態を簡略に予混合燃焼と呼ぶこともあるが、これは、燃料の予混合燃焼の割合が拡散燃焼の割合よりも多い第１の燃焼状態のことである。
【００４１】
また、前記予混合燃焼モードでは、前記のように早期噴射した燃料を気筒２の圧縮上死点（ＴＤＣ）近傍にて自着火させるべく、ＥＧＲ弁３５を相対的に大きく開いて、多量の排気を吸気通路１６に還流させるようにする。こうすると、新気（空気）に対して不活性で熱容量の大きい排気が多量に混合され、さらに、それに対して燃料の液滴及び蒸気が混合されることになるから、予混合気自体の熱容量が大きくなるとともにその中の燃料及び酸素の密度が相対的に低くなり、このことで着火遅れ時間が長くなる。従って、空気と還流排気と燃料とを十分に混合した上で、ＴＤＣ近傍の最適なタイミングにて着火、燃焼させることができる。
【００４２】
図５に示すグラフは、エンジン１の低負荷域で圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）の所定のクランク角（例えばＢＴＤＣ３０°ＣＡ）に燃料を噴射して燃焼させたときに、熱発生のパターンがＥＧＲ率（新気量及び還流排気量を合わせた全吸気量に対する還流排気量の割合）に応じてどのように変化するかを示した実験結果である。同図に仮想線で示すように、ＥＧＲ率が低いときにはＴＤＣよりもかなり進角側で燃焼が開始してしまい、サイクル効率の低い過早な熱発生のパターンとなる。一方、ＥＧＲ率が高くなるに連れて着火のタイミングは徐々に遅角側に移動し、図に実線で示すようにＥＧＲ率が略５５％のときには、熱発生のピークが略ＴＤＣになってサイクル効率の高い熱発生パターンとなる。
【００４３】
また、前記図５のグラフによれば、ＥＧＲ率が低いときには熱発生のピークがかなり高くなっていて、燃焼速度の高い激しい燃焼であることが分かる。このときには燃焼に伴うＮＯｘの生成が盛んになり、また、極めて大きな燃焼音が発生する。一方、ＥＧＲ率が高くなるに連れて熱発生の立ち上がりが徐々に緩やかになり、そのピークも低下する。これは、前記の如く混合気中に多量の排気が含まれる分だけ、燃料及び酸素の密度が低くなることと、その排気によって燃焼熱が吸収されることとによると考えられる。そして、そのように熱発生の穏やかな低温燃焼の状態では、ＮＯｘの生成も大幅に抑制される。
【００４４】
図６に示すグラフは、前記の実験においてＥＧＲ率の変化に対する燃焼室４の空気過剰率λ、排気中のＮＯｘ及び煤の濃度の変化をそれぞれ示したもので、同図（ａ）によれば、この実験条件においてＥＧＲ率が略０％のときには空気過剰率λがλ≒２．７と大きく、この状態からＥＧＲ率が大きくなるに従い、空気過剰率λは徐々に小さくなる。そして、ＥＧＲ率が略５５〜６０％のときに略λ＝１になっている。このように、排気の還流割合が多くなれば、混合気の平均的な空気過剰率λは１に近づくのであるが、たとえ燃料と空気との比率が略λ＝１であっても、混合気中には多量の排気が存在していて燃料や酸素の密度自体はあまり高くはないから、燃焼はあまり激しいものにはならないと考えられる。従って、図（ｂ）に示すように、排気中のＮＯｘの濃度はＥＧＲ率の増大とともに一様に減少していて、ＥＧＲ率が略４５％以上のときにはＮＯｘは殆ど生成しなくなる。
【００４５】
一方、煤の生成については、同図（ｃ）に示すように、ＥＧＲ率が０〜略３０％では殆ど煤が見られず、ＥＧＲ率が略３０％を超えると煤の濃度が急激に増大するが、ＥＧＲ率が略５０％を超えると再び減少し、ＥＧＲ率が略５５％以上になると略零になる。これは、まず、ＥＧＲ率が低いときには着火遅れ期間があまり長くはならないことから、燃料噴霧と吸気との混合が不十分な状態で着火に至り、激しい予混合燃焼に続いて拡散燃焼状態になると考えられるが、この際、吸気中には燃料に対して酸素が過剰に存在することから、煤は殆ど生成しないものと推定される。そして、ＥＧＲ率が徐々に増大すると、吸気中の酸素が少なくなることから、燃焼状態が悪化して煤の生成量が急増することになるが、ＥＧＲ率が略５５％以上になると、上述の如く、空気と還流排気と燃料とが十分に混合された上で燃焼するようになり、この結果、煤が殆ど生成しない状態になると考えられる。
【００４６】
以上、要するに、予混合燃焼モードでは、インジェクタ５により気筒２の吸気乃至圧縮行程の所定期間（例えばＢＴＤＣ９０°〜３０°ＣＡが好ましい）に燃料を早期噴射するとともに、ＥＧＲ弁３５の開度を制御して、ＥＧＲ率を予め設定した所定値（第１設定値：前記の実験例では略５５％くらいであるが、一般的には略５０〜略６０％くらいが好ましい）以上とすることで、前記の早期噴射した燃料をＴＤＣ近傍にて自着火させて、ＮＯｘや煤の殆ど生成しない低温燃焼を実現するものである。
【００４７】
これに対し、エンジン１が前記燃焼モードマップにおける高回転乃至高負荷側の第２運転領域（Ｄ）にあって、ＥＣＵ４０の第２燃焼制御部４０ｄにより第２の燃焼モード（以下、ディーゼル燃焼モードともいう）で運転されるときには、拡散燃焼の割合が予混合燃焼の割合よりも多い従来一般的なディーゼル燃焼の状態とすべく、図３（ｂ）に一例を示すように、インジェクタ５により主にＴＤＣ近傍で燃料を噴射させるようにする。このときにも燃料噴射量及び噴射時期はそれぞれ前記基本的な制御マップ（図４（ａ），（ｂ））から読み出して設定する。尚、前記ＴＤＣ近傍での燃料噴射も１回で行う必要はなく、２回以上に分けて行うようにしてもよいし、それ以前に例えばパイロット噴射等を行うようにしてもよい。
【００４８】
また、前記ディーゼル燃焼モードでは、ＥＧＲ弁３５の開度を上述した予混合燃焼モードのときに比べて小さくして、ＥＧＲ率が予め設定した所定値（第２設定値）以下になるようにする。このＥＧＲ率の値は、拡散燃焼が主体の一般的なディーゼル燃焼において煤の増大を招かない範囲で、ＮＯｘの生成をできるだけ抑制するように設定すればよく、具体的には図７のグラフに一例を示すように、ディーゼル燃焼領域（Ｄ）におけるＥＧＲ率の上限は、例えば略３０〜略４０％の範囲に設定するのが好ましい。また、エンジン１の負荷が高くなるほど気筒２への新気の供給量を確保する必要があるので、高負荷側ほどＥＧＲ率は低くなり、しかも、高回転乃至高負荷側ではターボ過給機３０による吸気の過給圧が高くなって、排気の還流は実質的に行われなくなる。
【００４９】
（燃焼モード切換え時の制御）
ところで、上述したようにエンジン１を予混合燃焼モードとディーゼル燃焼モードとに切換えるようにした場合には、その切換えの途中で過渡的に燃焼状態が悪化する虞れがあった。具体的には、ＥＧＲ率を連続的に変化させながら燃料の噴射態様を強制的に早期噴射とＴＤＣ近傍での噴射とに切換えて、予混合燃焼状態及びィーゼル燃焼状態における煤の濃度の変化と燃焼音の変化とをそれぞれ調べる実験を行ったところ、図８に示すような結果が得られた。すなわち、ディーゼル燃焼の場合はＥＧＲ率が第２設定値を超えてさらに高くなると急激に燃焼が悪化し始め、これにより同図（ａ）に実線で示すように煤が著しく増大して、その後に失火に至る。この際、同図（ｂ）に示すように燃焼音は失火に至るまで徐々に低下する。
【００５０】
一方、予混合燃焼の場合は、ＥＧＲ率が第１設定値よりも低くなると、これに伴い混合気の自着火のタイミングが進角側に移動し、過早な着火とこれに続く激しい燃焼によって、同図（ｂ）に破線で示すように燃焼音が急激に大きくなる。また、同図（ａ）に示すように、煤の濃度は一時的に増大してピークを迎えた後、さらなるＥＧＲ率の低下に従って徐々に低下する。
【００５１】
つまり、エンジン１の燃焼モードの切換え時に、ＥＧＲ率が過渡的に前記第１設定値よりも低く且つ第２設定値よりも高い状態になると、このときにはエンジン１を予混合燃焼及びディーゼル燃焼の何れの燃焼状態としていても煤の濃度がかなり高くなってしまう。特に、ディーゼル燃焼では煤の増大が著しい上に、失火の虞れがあるので、好ましくない。一方、予混合燃焼では失火の虞れはないものの、燃焼音が極めて大きくなり、運転者が違和感を覚えるような過大な騒音が発生する虞れがあった。
【００５２】
斯かる点に鑑みて、この実施形態の燃焼制御装置Ａでは、本発明の特徴部分として、エンジン１を予混合燃焼モードとディーゼル燃焼モードとの一方から他方に切換えるときには、まず、失火を確実に予防するために燃料を早期噴射するようにし、且つこの早期噴射した燃料の過早な着火を抑制すべく、その噴射量を目標トルク（要求トルク）に対応する量よりも大幅に少なくするとともに、そのように早期噴射量を減らしたことによるトルクの低下を補完するように、気筒２の膨張行程において燃料を追加で噴射するようにした。
【００５３】
その際、追加の燃料噴射は、早期噴射した燃料の燃焼が略終了する頃に行うようにすれば、燃焼モード切換時の煤の増大を抑制することができる。詳しくは、一般的にディーゼルエンジンでは、燃焼時に燃料（軽油）の熱分解によって形成された一次粒子が重・縮合を繰り返すことによって煤の核が形成され、これが高温雰囲気において成長・凝集することによって煤を生ずると考えられている。これに対して、燃焼の終了する頃に新たに着火するようにして追加の燃料噴射を行えば、この追加燃料の燃焼自体が煤の生成を促すことはなく、それは既に生成している煤や煤核の再燃焼を促すことになる。
【００５４】
しかも、そのようにして追加噴射を行う頃には既に燃焼室４の温度が低下し始めているから、追加した燃料自体の燃焼によって煤核の生成、成長、凝縮を生ずることはなく、これらのことから、適切な時期に追加の燃料噴射を行えば、排気中の煤の濃度を大幅にに低減することができると考えられる。
【００５５】
そのような効果的な追加噴射のためには、まず、早期噴射した燃料の燃焼が終了してその熱発生率が略零になる時点を求め、これから逆算して追加噴射の開始時期を設定すればよい。例えば、予め実験等により早期噴射燃料の燃焼終了時点を求め、これに前記着火遅れ及びインジェクタ５の駆動遅れを考慮して、その遅れ時間に対応する分だけ進角させた時点を追加噴射時期として設定し、これをエンジン運転状態に対応する制御マップ（後述の切換時追加噴射時期マップ）としてＥＣＵ４０のメモリに電子的に格納する。そして、エンジン１の運転中に前記のマップから追加噴射の目標噴射時期をエンジン運転状態に応じて読み出すようにすればよい。
【００５６】
次に、燃焼モードの切換え時にＥＣＵ４０の切換時燃焼制御部４０ｅにより実行される過渡的な制御の手順を、図９のフローチャート図に基づいて具体的に説明する。
【００５７】
同図に示すフローのスタート後のステップＳＡ１では、少なくとも、クランク角センサ１１からの信号、吸気圧センサ１８からの信号、エアフローセンサ１９からの信号、リニアＯ２センサ２９からの信号、アクセル開度センサ３９からの信号、エンジン回転速度センサ４１からの信号等を入力し（データ入力）、また、ＥＣＵ４０のメモリに記憶されているデータ等を読み込む。
【００５８】
続いて、ステップＳＡ２において、燃焼モードマップ（図２参照）を参照してエンジン１の燃焼モードを判定する。すなわち、まず、アクセル開度とエンジン回転速度とに基づいて、図１０（ａ）に例示するような制御マップから目標トルクを読み込み、この目標トルクとエンジン回転速度とに基づいて、続くステップＳＡ３においてエンジン１が前記燃焼モードマップ上の第１運転領域（Ｈ）にあるかどうか、即ち予混合燃焼モードかどうか判定する。尚、前記目標トルクのマップは、アクセル開度とエンジン回転速度とに対応するエンジン１のへの要求トルクの値を予め実験的に求めて設定して、ＥＣＵ４０のメモリに電子的に格納したものであり、アクセル開度が大きいほど、またエンジン回転速度が高いほど、目標トルクが大きくなるように設定されている。
【００５９】
前記ステップＳＡ３の判定結果がＮＯでエンジン１が第２運転領域（Ｄ）にあれば、後述のステップＳＡ１３に進む一方、判定結果がＹＥＳでエンジン１が第１運転領域（Ｈ）にあればステップＳＡ４に進み、ここでＥＧＲ弁３５の開度制御のためのマップ（ＥＧＲ制御マップ）を予混合燃焼モードのものに切換える。すなわち、図１０（ｂ）に一例を示すように、ＥＣＵ４０のメモリには、エンジン１を予混合燃焼モードとするために、その運転状態に応じて目標ＥＧＲ率を設定したＥＧＲ制御マップと、同様にディーゼル燃焼モードにするための目標ＥＧＲ率を設定したＥＧＲ制御マップとがそれぞれ電子的に格納されており、各燃焼モード毎に対応するＥＧＲ制御マップから読み込んだ目標ＥＧＲ率に基づいて、この目標ＥＧＲ率になるようにＥＧＲ弁３５の開度を制御するようになっている。尚、図１０（ｂ）には予混合燃焼モードのためのマップの一例を示すが、同図によれば、第１運転領域（Ｈ）において負荷が高いほど、また、エンジン回転速度が高いほど、目標ＥＧＲ率は小さくなっている。
【００６０】
続いて、ステップＳＡ５において、エンジン１の吸入空気量から実際のＥＧＲ率（実ＥＧＲ率）を推定する演算を行う。すなわち、例えば、エアフローセンサ１９からの信号に基づいて求められる吸入空気量とエンジン回転速度とに基づいて所定の計算式により排気の還流量を推定し、これによりＥＧＲ率を計算する。続いて、ステップＳＡ６では前記目標ＥＧＲ率から実ＥＧＲ率を減算して、それらの偏差（ＥＧＲ偏差）を求め、続くステップＳＡ７において、前記ＥＧＲ偏差と吸入空気量とに基づいて、予め設定した制御マップ（切換時早期噴射量マップ）から早期噴射量を読み込む。そうして読み込んだ早期噴射量に基づいて、予め設定したテーブル（図示せず）から早期噴射時期を読み込む。
【００６１】
前記切換時早期噴射量マップは、吸入空気量とＥＧＲ偏差とに対応する最適な早期噴射量を予め実験的に求めて設定し、これをＥＣＵ４０のメモリに電子的に格納したものであり、図１１に一例を示すように、吸入空気量が少ないほど、またＥＧＲ偏差が小さいほど、早期噴射量が大きくなるように設定されている。すなわち、エンジン１をディーゼル燃焼モードから予混合燃焼モードに切換えるときには、その切換えの前後におけるＥＧＲ率の相互の偏差が大きいときほど、早期噴射する燃料の量を少なくするようにしており、これにより、ＥＧＲ率が第１設定値に満たないときでも過早な着火の発生を抑制することができる。
【００６２】
前記ステップＳＡ７に続くステップＳＡ８では、目標トルクとエンジン回転速度とに対応する予混合燃焼のための基本的な燃料噴射量を基本的な燃料噴射量の制御マップ（図４（ａ）参照）から読み込み、この基本的な噴射量と前記早期噴射量とエンジン回転速度とに基づいて、予め設定した切換時追加噴射量マップから追加噴射量を読み込む。このマップは、エンジン１の運転状態に対応して本来、必要な要求トルク（目標トルク）に対応する前記基本的な噴射量に対して、前記の如く過早な着火を抑制すべく早期噴射量を少なくしていることに対応して、そのことによるトルクの低下を補完するように追加で噴射する燃料の量を予め実験的に求めて設定し、これをＥＣＵ４０のメモリに電子的に格納したものである。従って、図示しないが、追加噴射量は、基本噴射量が多いほど、また、早期噴射量が少ないほど、多くなるように設定されている。
【００６３】
また、前記ステップＳＡ８では追加噴射の時期も予め設定した制御マップ（切換時追加噴射時期マップ）から読み込むようにする。ここで、上述したように、排気中の煤を低減させるためには追加噴射を早期噴射燃料の燃焼が略終了する頃に行う必要があるが、この時期（クランク角）は燃料の早期噴射量やエンジン回転速度によって変化する。そして、この追加噴射時期の変更に伴いその燃料の燃焼がエンジントルクに寄与する度合いが変化し、基本的には進角側ほどトルクへの寄与が大きくなり、遅角側ほどトルクへの寄与は小さくなる。このことから、結局、この実施形態では、まず、実験的に求めた早期噴射燃料の燃焼終了時点に対応付けて追加噴射時期を設定し、これによるエンジントルクへの寄与の度合いも加味して、前記切換時追加噴射量マップを設定している。
【００６４】
前記ステップＳＡ８に続いて、ステップＳＡ９では、エンジン１の各気筒２毎に燃料の早期噴射及び追加噴射をそれぞれ実行し、続くステップＳＡ１０において前記ステップＳＡ５と同様に実ＥＧＲ率を推定して、続くステップＳＡ１１において実ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に達したかどうか判定する。この判定がＮＯで目標ＥＧＲ率に達しなければ、前記ステップＳＡ９、ＳＡ１０の手順を繰り返す一方、判定がＹＥＳで目標ＥＧＲ率に達すれば、ステップＳＡ１２に進んで、エンジン１をＥＣＵ４０の第１燃焼制御部４０ｃにより予混合燃焼モードで運転するようにして、切換時の過渡的な制御は終了する（エンド）。
【００６５】
つまり、目標トルク及びエンジン回転速度に基づいてエンジン１が第１運転領域（Ｈ）にあると判定された場合に、ＥＧＲ偏差が大きいときには、ディーゼル燃焼モードから予混合燃焼モードへの切換えの途中であると判断し、このときには、ＥＧＲ弁３５の開作動によって排気の還流量が増大して実ＥＧＲ率が第１設定値以上の所定値になるまでの間、即ちＥＧＲ偏差がなくなるまでの間、早期噴射する燃料の量を相対的に少なくして、過早な着火の発生を抑制するとともに、そのように早期噴射する燃料を減らしたことによるエンジントルクの低下を追加の燃料噴射によって補完して、燃焼モード切換時のトルク変動を抑制するようにしている。
【００６６】
一方、前記ステップＳＡ４においてＮＯ、即ちエンジン１が第２運転領域（Ｄ）にあると判定したときには、ステップＳＡ１３〜ＳＡ２０に進んで、それぞれ前記ステップＳＡ４〜ＳＡ１１と同様の手順を実行する。すなわち、ステップＳＡ１３でＥＧＲ制御マップをディーゼル燃焼モードのものに切換え、続くステップＳＡ１４ではエンジン１の吸入空気量から実ＥＧＲ率を推定し、続くステップＳＡ１５ではＥＧＲ偏差を求める。続いて、ステップＳＡ１６では早期噴射量をマップから読み込み、ステップＳＡ１７では追加噴射量をマップから読み込み、続くステップＳＡ１８において各気筒２毎に早期噴射及び追加噴射をそれぞれ実行する。そして、ステップＳＡ１９で実ＥＧＲ率を推定し、ステップＳＡ２０において、実ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に達したかどうか判定して、目標ＥＧＲ率に達すれば（判定がＹＥＳ）、ステップＳＡ２１に進んで、エンジン１をＥＣＵ４０の第２燃焼制御部４０ｄによりディーゼル燃焼モードで運転するようにして、切換時の過渡的な制御は終了する（エンド）。
【００６７】
つまり、エンジン１が第２運転領域（Ｄ）にあると判定され、且つＥＧＲ偏差が大きいときには、予混合燃焼モードからディーゼル燃焼モードへの切換えの途中であると判断して、このときにはＥＧＲ弁３５の閉作動によって排気の還流量が減少してＥＧＲ偏差がなくなるまでの間、前記のディーゼル燃焼モードから予混合燃焼モードへの切換え時と同様に過渡的な制御を行うものである。
【００６８】
前記図８に示す制御フローのステップＳＡ２が、エンジン１の運転状態を検出する運転状態検出部４０ａに対応しており、また、ステップＳＡ３が、その検出された運転状態に応じて、エンジン１を予混合燃焼モード又はディーゼル燃焼モードのいずれかに切換える燃焼モード切換部４０ｂに対応している。また、ステップＳＡ１２がエンジン１を予混合燃焼モードで運転制御する第１燃焼制御部４０ｃに、また、ステップＳＡ２１がエンジン１をディーゼル燃焼モードで運転制御する第２燃焼制御部４０ｄに、それぞれ対応している。
【００６９】
さらに、ステップＳＡ４〜ＳＡ１１、ＳＡ１３〜ＳＡ２０が、前記予混合燃焼モードとディーゼル燃焼モードとの切換時にエンジン１の過渡的な運転制御を行う切換時燃焼制御部４０ｅに対応しており、この切換時燃焼制御部４０ｅは、エンジン１がディーゼル燃焼モードから予混合燃焼モードに切換えられるときに、その切換えの前後におけるＥＧＲ率の相互の偏差が大きいときほど、早期噴射する燃料の量を少なくするとともに、これによるエンジン１のトルクの不足を補完するように、気筒２の膨張行程にて燃料を追加噴射するように構成されている。加えて、前記ステップＳＡ５，ＳＡ１４により、エンジン１の実際のＥＧＲ率を推定する排気還流率推定手段が構成されている。
【００７０】
（作用効果）
次に、この実施形態に係るディーゼルエンジン１の燃焼制御装置Ａの作用効果を説明すると、まず、エンジン１が第１運転領域（Ｈ）にあって且つ第２運転領域（Ｄ）からの切換え時でなければ、予混合燃焼モードとされ、ＥＧＲ弁３５が相対的に大きく開かれて、タービン２７上流の排気通路２６から取り出された排気がＥＧＲ通路３４によって吸気通路１６に還流される。そして、そのように還流する多量の排気が外部から供給される新気と共に気筒２内の燃焼室４へ供給されて、燃焼室４への排気の還流割合が高い状態（実ＥＧＲ率が第１設定値以上の状態）になる。
【００７１】
この状態の燃焼室４に対し、インジェクタ５による燃料の噴射が気筒２の圧縮行程の所定クランク角範囲（ＢＴＤＣ９０°〜３０°ＣＡ）にて開始されることで、以下に述べるように予混合燃焼が主体の燃焼状態になると考えられる。すなわち、前記のように早期噴射された燃料は燃焼室４において比較的広く分散し且つ吸気（新気及び還流排気）と十分に混合して、均質度合いの高い混合気を形成する。この混合気中では、特に燃料蒸気や酸素の密度が高い部分で比較的低温度の酸化反応（いわゆる冷炎）が進行するが、混合気中には空気（窒素、酸素等）と比べて熱容量の大きい排気（二酸化炭素等）が多量に混在していて、その分、燃料及び酸素の密度が全体的に低くなっており、しかも、反応熱は熱容量の大きい二酸化炭素等に吸収されることになるので、高温の酸化反応への移行（いわゆる着火）は抑制されて、着火遅れ時間が長くなる。
【００７２】
そして、気筒２の圧縮上死点近傍に至り、燃焼室４の気体の温度がさらに上昇し且つ燃料及び酸素の密度が十分に高くなると、混合気は一斉に着火して燃焼する。この際、混合気中の燃料蒸気と空気及び還流排気とは既に十分に混ざり合って均一に分散しており、さらに、比較的燃料密度の高い部分では冷炎反応が進行しているから、混合気中には燃料の過濃な部分が殆ど存在せず、従って、燃焼に伴う煤の生成は殆ど見られない。
【００７３】
また、前記の如く混合気中の燃料蒸気の分布が均一化されていることから、混合気全体が一斉に燃焼してもその内部で局所的に急激な熱発生の起こることがなく、しかも、燃料と酸素との反応によって発生する熱（燃焼熱）はそれらの周囲に分散する排気（二酸化炭素等）によって吸収されることになるので、混合気全体としても燃焼温度の上昇が抑えられて、ＮＯｘが大幅に低減される。
【００７４】
一方、エンジン１が第２運転領域（Ｄ）にあり、且つ第１運転領域（Ｈ）からの切換え時でなければ、ディーゼル燃焼モードとされ、インジェクタ５により燃料が少なくともＴＤＣ近傍で燃焼室４に噴射され、初期の予混合燃焼に続いて良好な拡散燃焼の状態になる。この際、ＥＧＲ弁３５の開度は相対的に小さくされ、適度な量の排気の還流によってＮＯｘや煤が低減されるとともに、排気の還流割合が所定以下とされることで（実ＥＧＲ率≦第２設定値）、十分な空気の供給が確保されて、高い出力が得られるようになる。
【００７５】
さらに、エンジン１の燃焼モードが前記予混合燃焼モードとディーゼル燃焼モードとの間で切換えられるときには、過渡的に実ＥＧＲ率が前記第２設定値よりも大きく且つ第１設定値よりも小さな状態になるが、このときには各気筒２のインジェクタ５により燃料が所定クランク角範囲にて早期噴射されるとともに、その噴射量がエンジン１の目標トルクに対応する量よりも少なくなるように制御される。このように早期噴射燃料を少なくすることで、燃焼室４における燃料の濃度は全体的に低くなり、このことで、実ＥＧＲ率が第１設定値に満たない状態であっても過早な着火の発生が抑制される。また、仮に過早な着火が起きたとしても、これによる燃焼音はあまり大きなものにはならない。
【００７６】
そして、そのような早期噴射量の減量を補完するように、気筒２の膨張行程にてインジェクタ５により追加の燃料噴射が行われ、これによりエンジントルクの低下が阻止されて、トルク変動のない良好な運転フィーリングが得られる。しかも、早期噴射燃料の燃焼により生成した煤や煤核が追加噴射燃料の燃焼によって再燃焼されるので、燃焼モードの切換えに伴う煤の増大は極めて効果的に抑制される。
【００７７】
その際、燃焼モード切換えの前後におけるＥＧＲ率の偏差が大きいときほど、即ち、燃料の着火遅れ時間の過渡的なずれが大きくなって、過早な着火が起き易い状態にあるほど、早期噴射燃料の量を少なくしその分、追加噴射燃料を多くするようにしているから、燃料の過早な着火やそれによる騒音の発生を十分に抑制できるとともに、早期噴射によってある程度以上のトルクを確保することができ、これにより、追加噴射の量はあまり多くしなくても済む。こうして、早期噴射に比べて熱効率の低い追加噴射の燃料をできるだけ少なくすることで、燃焼モード切換えの際の燃料消費率を改善することができる。
【００７８】
図１２は、前記のように早期噴射及び追加噴射を行う場合にそれらの比率を変えながら、熱発生率の変化、即ち燃焼状態の変化する様子を調べた実験の結果を示し、図１３はそのときの排気中の煤の濃度（ａ）、燃費率（ｂ）、燃焼音の大きさ（ｃ）をそれぞれ計測したものである。尚、ＥＧＲ率は前記第１設定値及び第２設定値の中間の値で略一定としている。
【００７９】
詳しくは、図１２にグラフ（Ｉ）として仮想線で示すように、早期噴射量が多いとき（追加噴射量の約１．５倍くらいのとき）には過早なタイミングで激しい燃焼が発生し、熱発生のピークが高い。また、同じく仮想線のグラフ（ＩＩ）、（ＩＩＩ）に示すように早期噴射量を徐々に減らしていって、早期噴射量が追加噴射量と略同じになると（ＩＩＩ）、これに連れて熱発生のピークは速やかに低下していく。そして、追加噴射量の方が多くなると、図に破線のグラフ（ＩＶ）や実線のグラフ（Ｖ）として示すように、過早な着火は発生しなくなって、ＴＤＣ近傍での燃焼とこれに続く膨張行程での燃焼とが互いに同様の熱発生率を示すようになる。
【００８０】
そして、図１３（ａ）に示すように、排気中の煤の濃度は全体としては早期噴射量の減少によって少なくなり、特に早期噴射量が追加噴射量と略同じとき（グラフ（ＩＩＩ））に最小となっている。また、同図（ｂ）に示すように、燃費率は早期噴射量の減少に応じて悪化しており、さらに、同図（ｃ）に示すように、燃焼騒音は早期噴射量の減少に伴い小さくなっている。
【００８１】
（変形例）
前記の実施形態では、エンジン１の燃焼モードの切換時に吸入空気量に基づいて実ＥＧＲ率を求め、この実ＥＧＲ率と目標ＥＧＲ率との偏差（ＥＧＲ偏差）に基づいて早期噴射量を決定するようにしているが、途中の計算を省略して吸入空気量及びその偏差から直接的に早期噴射量を決定するようにしてもよい。すなわち、エンジン１を良好な予混合燃焼状態にするための適正なＥＧＲ率に対応する吸入空気量を予めエンジン１の運転状態に対応付けて目標空気量マップとして設定しておき、このマップから読み出した吸入空気量の適正値とエアフローセンサ１９により検出された実際の吸入空気量との偏差（ＥＧＲ偏差と同様の意味を持つ）と、吸入空気量とに基づいて、前記切換時早期噴射量マップ（図１１参照）と同様のマップから早期噴射量を読み込むようにすればよい。
【００８２】
より具体的に、図１４は、変形例のＥＣＵ４０の切換時燃焼制御部４０ｅにおいて早期噴射量及び追加噴射量をそれぞれ決定する手順を示す機能ブロック図の一例であり、同図に示すように、目標空気量マップｍ１から読み出した吸入空気量の適正値から実吸入空気量を減算して、空気量偏差を求め、この空気量偏差と実吸入空気量とに基づいて切換時早期噴射量マップｍ２から早期噴射量を読み出して、設定する。一方、アクセル開度及びエンジン回転速度に基づいて目標トルクマップｍ３から目標トルクを読み出し、これに基づいて基本的な燃料噴射量マップｍ４から基本的な燃料噴射量を読み出して、前記早期噴射量、基本的な燃料噴射量及びエンジン回転速度に基づいて、前記実施形態のものと同様の切換時追加噴射量マップｍ５から追加噴射量を読み出して、設定する。
【００８３】
前記ブロック図に示す信号処理は、前記実施形態のフローチャートにおけるステップＳＡ４〜ＳＡ８，ＳＡ１３〜１７の処理と等価であり、これにより、燃焼モードの切換時にその切換えの前後におけるＥＧＲ偏差が大きいときほど、早期噴射量が少なくなり、一方、追加噴射量が多くなって、前期の実施形態と同じ作用効果が得られる。
【００８４】
（実施形態２）
図１５は、本発明の実施形態２に係る燃焼制御装置Ａにおける燃焼モード切換え時の制御手順を示す。この実施形態２の特徴は、燃焼モードの切換えの途中で実ＥＧＲ率の変化に応じて早期噴射する燃料の量を変更するようにしたことにあり、その点を除いて燃焼制御装置の構成は前記実施形態１のものと同じなので、実施形態１と同じ構成要素については同一符号を付して、その説明は省略する。
【００８５】
具体的には、例えば、図１６（ａ）に示すディーゼル燃焼モードから同図（ｄ）に示す予混合燃焼モードへ切換えるときには、ＥＧＲ弁３５の開作動と同時に燃料の噴射態様をＴＤＣ近傍での噴射から早期噴射に切換え、これに加えて、追加の燃料噴射を行うようにする。こうすると、最初にＥＧＲ偏差が最も大きくなるので、このことに応じて同図（ｂ）に示すように燃料の早期噴射量を少なくし、一方、追加噴射量は比較的多くする。こうすることで、ＥＧＲ偏差の大きな状態であっても、燃料の過早な着火を十分に抑制できる。
【００８６】
そして、同図に（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の順に示すように実ＥＧＲ率が増大して、ＥＧＲ偏差が減少するのに応じて、早期噴射量を徐々に増大させる一方、追加噴射量を徐々に減少させていって、実ＥＧＲ率が第１設定値以上の目標値になり、ＥＧＲ偏差が略零になったときに追加噴射を終了して、早期噴射のみによる予混合燃焼モードとなる。
【００８７】
反対に、予混合燃焼モードからディーゼル燃焼モードへの移行時には、ＥＧＲ弁３５の閉作動によって実ＥＧＲ率が徐々に減少する（ＥＧＲ偏差が徐々に大きくなる）のに応じて、早期噴射量を徐々に減少させる一方、追加噴射量を徐々に増大させる。そして、実ＥＧＲ率がディーゼル燃焼に適した目標ＥＧＲ率（第２設定値以下の値）になれば、ＴＤＣ近傍の燃料噴射のみによるディーゼル燃焼モードとなる。
【００８８】
次に、この実施形態２における燃焼モード切換時の制御手順を具体的に図１５のフローチャート図に基づいて説明すると、まず、スタート後のステップＳＢ１〜ＳＢ３では、図９に示す実施形態１のフローのステップＳＡ１〜ＳＡ３と同じ制御手順を実行し、そのステップＳＢ３においてエンジン１が予混合燃焼モードでないＮＯと判定すれば後述のステップＳＢ１２に進む一方、予混合燃焼モードでＹＥＳと判定すればステップＳＢ４に進んで、ＥＧＲ制御マップを予混合燃焼モードのものに切換える。続いて、ステップＳＢ５において、現在の実ＥＧＲ率を推定する演算を行う。この推定演算は、前記実施形態１の場合とは異なり、吸入空気量及びエンジン回転速度だけではなく、さらに、リニアＯ２センサ２９により検出される排気の酸素濃度とインジェクタ５による燃料噴射量とを加味して所定の計算により排気の還流量を推定し、これにより実ＥＧＲ率を計算する。
【００８９】
続いて、ステップＳＢ６〜ＳＢ９において、前記実施形態１のフローのステップＳＡ６〜ＳＡ９と同様の制御手順を実行する。すなわち、ステップＳＢ６でＥＧＲ偏差を計算し、ＳＢ７，ＳＢ８でそれぞれ早期噴射量及び追加噴射量を求め、ＳＢ９で早期噴射及び追加噴射をそれぞれ実行する。そして、ステップＳＢ１０において実ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に達したかどうか判定して、この判定がＮＯで目標ＥＧＲ率に達しなければ、前記ステップＳＢ５〜ＳＢ９の手順を繰り返す一方、判定がＹＥＳで目標ＥＧＲ率に達すれば、ステップＳＢ１１に進んで、エンジン１を予混合燃焼モードとして、切換時の制御を終了する（エンド）。
【００９０】
このようにして、ディーゼル燃焼モードから予混合燃焼モードへの切換えの途中で排気の還流量が増大して実ＥＧＲ率が徐々に増大し、これによりＥＧＲ偏差が徐々に減少するのに応じて、早期噴射量を徐々に増大させる一方、追加噴射量は徐々に減少させることができる。
【００９１】
一方、前記ステップＳＢ３においてエンジン１が予混合燃焼モードでないＮＯと判定して進んだステップＳＢ１２では、ＥＧＲ制御マップをディーゼル燃焼モードのものとし、続くステップＳＢ１３〜ＳＢ１８において、それぞれ前記ステップＳＢ５〜ＳＢ１１と同様の手順を実行する。すなわち、ステップＳＢ１３で実ＥＧＲ率を推定し、ＳＢ１４でＥＧＲ偏差を求め、ＳＢ１５で早期噴射量をマップから読み込み、ＳＢ１６で追加噴射量をマップから読み込む。さらに、ステップＳＢ１７で早期噴射及び追加噴射をそれぞれ実行し、ＳＢ１８では実ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に達したかどうか判定する。この判定により、実ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に達す得るまでは前記ステップＳＢ１３〜ＳＢ１７の手順を繰り返して実行し、目標ＥＧＲ率に達すれば（判定がＹＥＳ）、ステップＳＢ１９に進んで、エンジン１をディーゼル燃焼モードとして、切換時の制御を終了する（エンド）。
【００９２】
このようにして、予混合燃焼モードからディーゼル燃焼モードへの切換の途中で排気の還流量が減少して実ＥＧＲ率が徐々に低下し、これによりＥＧＲ偏差が徐々に増大するのに応じて、早期噴射量を徐々に減少させる一方、追加噴射量は徐々に増大させることができる。
【００９３】
前記図１５に示す制御フローのステップＳＢ２が運転状態検出部４０ａに、また、ステップＳＢ３が燃焼モード切換部４０ｂに、それぞれ対応しており、さらに、ステップＳＢ１１が第１燃焼制御部４０ｃに、また、ステップＳＢ１９が第２燃焼制御部４０ｄに、それぞれ対応している。
【００９４】
また、前記フローのステップＳＢ４〜ＳＡ１０、ＳＢ１２〜Ｓｂ１８が切換時燃焼制御部４０ｅに対応しており、この切換時燃焼制御部４０ｅは、エンジン１がディーゼル燃焼モードから予混合燃焼モードに切換えられる途中で、ＥＧＲ偏差が変化するのに対応させて、早期噴射量と追加噴射量とをそれぞれ徐々に変更するように構成されている。
【００９５】
そして、前記ステップＳＢ５，ＳＢ１３により、エンジン１の実際のＥＧＲ率を推定する排気還流率推定手段が構成されている。
【００９６】
したがって、この実施形態２に係る燃焼制御装置Ａによれば、前記実施形態１と同じく、エンジン１を予混合燃焼モードとディーゼル燃焼モードとの間で切換えるときに、トルクの変動を防止しながら過大な騒音の発生を抑制することができ、さらに、排気中の煤の増大を効果的に抑制できる。
【００９７】
その際、排気通路２６に配設したリニアＯ２センサ２９等からの信号に基づいて、燃焼モードの切換えの途中で時間の経過とともに変化する実ＥＧＲ率を推定し、この推定結果に基づいて、実際の排気還流率の変化に対応するように燃料の早期噴射量及び追加噴射量を徐々に変更するようにしているので、その燃料噴射量の比率を最適化して、過早な着火の抑制、トルク変動の防止及び燃費の改善を高い次元で両立することができる。
【００９８】
（他の実施形態）
尚、本発明の構成は、前記実施形態１、２のものに限定されることはなく、その他の種々の構成をも包含するものである。すなわち、例えば、前記各実施形態においては、エンジン１の運転状態が変化して第１運転領域（Ｈ）と第２運転領域（Ｄ）との一方から他方に移行するときに、ＥＣＵ４０の切換時燃焼成御部４０ｅにより過渡的なエンジン制御を行うようにしているが、これに限らず、例えばエンジン１が第１運転領域（Ｈ）にあっても、触媒コンバータ２８の昇温促進やＮＯｘ吸収材への還元成分の供給等のために一時的に予混合燃焼モードからディーゼル燃焼モードへ切換えるときや、その後、再び予混合燃焼モードに戻すときにも、前記の過渡的な制御を行うようにしてもよい。
【００９９】
また、前記各実施形態において、エンジン１に気筒２内の燃焼室４における流動を強化する手段（例えば、吸気通路１６の一部を塞いでスワールやタンブルを強化するシャッター弁や吸気弁のリフト量を変更する可変動弁機構等）を備え、燃焼モードの切換え時に前記の流動を強化する手段を作動させて、気筒２内の流動を強化するようにしてもよい。こうすれば、追加噴射による燃料の燃焼速度を向上させて、燃費の改善を図ることができる。
【０１００】
さらに、前記各実施形態では、エンジン１を予混合燃焼モードとするときに、インジェクタ５による燃料の噴射を気筒２の圧縮行程の所定クランク角範囲で開始させるようにしているが、これに限らず、燃料の噴射は気筒２の吸気行程から開始するようにしてもよい。
【０１０１】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１の発明に係るディーゼルエンジンの燃焼制御装置によると、エンジンをその運転状態に応じて、相対的に排気還流率の高い第１燃焼制御状態と相対的に排気還流率の低い第２燃焼制御状態とに切換えるようにしたものにおいて、それらの２つの燃焼制御状態のうちの一方から他方に切換えるときに、気筒の吸気乃至圧縮行程において燃料を早期噴射し、且つその噴射量を比較的、少なくすることによって、排気の還流率が十分に高くない状態でも過早な着火乃至それに起因する騒音の発生を抑えることができる。
【０１０２】
請求項２の発明によると、エンジンを第２燃焼制御状態から第１燃焼制御状態に切換えるときに、その切換えの前後における排気還流率の相互の偏差が大きいときほど、早期噴射する燃料の量を少なくすることで、エンジントルクの変動を比較的小さくしつつ、過早な着火を抑制することができる。
【０１０３】
請求項３の発明によると、エンジンが第２燃焼制御状態から第１燃焼制御状態に切換えられる途中で、早期噴射する燃料の量を徐々に増加させることで、過早な着火の抑制とトルク変動の軽減とを高い次元で両立することができる。
【０１０４】
請求項４の発明によると、実際の排気還流率を推定する排気還流率推定手段を備え、エンジンが第２燃焼制御状態から第１燃焼制御状態に切換えられる途中で、前記排気還流率推定手段による推定値と燃焼状態切換後の排気還流率の目標値との偏差に応じて、早期噴射する燃料の量を制御することで、過早着火の起き易さに正確に対応するように早期噴射量を制御することができ、これにより、請求項３の発明の効果が十分に得られる。
【０１０５】
請求項５の発明によると、早期噴射量を少なくしたことによるエンジンのトルクの不足を補完するように、燃料噴射弁により燃料を気筒の膨張行程にて追加噴射させることで、トルク変動のない良好な運転フィーリングが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るエンジンの燃焼制御装置の全体構成図である。
【図２】エンジンの燃焼モードを切換える制御マップの一例を示す図である。
【図３】インジェクタによる噴射作動の様子を模式的に示す説明図である。
【図４】エンジンの基本的な目標噴射量及び噴射時期の制御マップの一例を示す説明図である。
【図５】ＥＧＲ率の変化に対する熱発生率の変化を示すグラフ図である。
【図６】ＥＧＲ率の変化に対して、（ａ）空気過剰率、（ｂ）ＮＯｘ濃度及び（ｃ）煤の濃度の変化を互いに対応付けて示すグラフ図である。
【図７】ディーゼル燃焼のときのＥＧＲ率の変化に対する排気中のＮＯｘ及び煤の濃度の変化をそれぞれ示すグラフ図である。
【図８】実ＥＧＲ率の変化に対応する煤の濃度の変化を、予混合燃焼とディーゼル燃焼とで対比して示すグラフ図である。
【図９】燃焼モード切換え時の過渡的な制御の手順を示すフローチャート図である。
【図１０】エンジンの目標トルクマップ及びＥＧＲ制御マップの一例を示す説明図である。
【図１１】切換時早期噴射量マップの一例を示す説明図である。
【図１２】早期噴射量と追加噴射量との比率を変えて、それによる燃焼状態（熱発生率）の変化を調べた実験結果を示すグラフ図である。
【図１３】早期噴射量と追加噴射量との比率を変えたときの排気中の煤の濃度（ａ）、燃費率（ｂ）、燃焼音（ｃ）の変化をそれぞれ示すグラフ図である。
【図１４】変形例の切換時燃焼制御手段の構成を示す機能ブロック図である。
【図１５】実施形態２に係る図９相当図である。
【図１６】燃焼モード切換時の実ＥＧＲ率の変化と燃料噴射量の変化とを対応付けて示した説明図である。
【符号の説明】
Ａ　　　ディーゼルエンジンの燃焼制御装置
１　　　ディーゼルエンジン
２　　　気筒
４　　　燃焼室
５　　　インジェクタ（燃料噴射弁）
１６　　吸気通路
２６　　排気通路
３４　　ＥＧＲ通路
３５　　ＥＧＲ弁（排気還流量調節手段）
４０　　コントロールユニット（ＥＣＵ）
４０ａ　運転状態検出部（運転状態検出手段）
４０ｂ　燃焼モード切換部（燃焼制御切換手段）
４０ｃ　第１燃焼制御部（第１燃焼制御手段）
４０ｄ　第２燃焼制御部（第２燃焼制御手段）
４０ｅ　切換時燃焼制御部（切換時燃焼制御手段）

Claims

エンジンの気筒内の燃焼室を臨む燃料噴射弁と、
前記気筒内の燃焼室への排気の還流量を調節する排気還流量調節手段と、
前記燃料噴射弁により燃料を気筒の吸気乃至圧縮行程の所定期間に早期噴射させるとともに、この燃料を気筒の圧縮上死点近傍にて自着火させるべく、所定の第１排気還流率以上となるように前記排気還流量調節手段を制御する第１の燃焼制御手段と、
前記燃料噴射弁により燃料を気筒の圧縮上死点近傍で噴射させるとともに、この燃料を気筒の圧縮上死点近傍にて自着火させるべく、前記第１排気還流率よりも小値の第２排気還流率以下となるように前記排気還流量調節手段を制御する第２の燃焼制御手段と、
エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記運転状態検出手段による検出結果に応じて、前記第１及び第２燃焼制御手段のいずれか一方による燃焼制御を切換えて実行させる燃焼制御切換手段と、
を備えたディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、
前記燃焼制御切換手段により、エンジンが前記第２燃焼制御手段による第２燃焼制御状態から前記第１燃焼制御手段による第１燃焼制御状態に切換えられるときに、前記燃料噴射弁により燃料を前記所定期間にて早期噴射させ、且つその噴射量をエンジンへの要求トルクに対応する量よりも少なくなるように制御する切換時燃焼制御手段を備えることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
請求項１において、
切換時燃焼制御手段は、エンジンが第２燃焼制御状態から第１燃焼制御状態に切換えられるときに、その切換えの前後における排気還流率の相互の偏差が大きいときほど、早期噴射する燃料の量を少なくするように構成されていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
請求項１において、
切換時燃焼制御手段は、エンジンが第２燃焼制御状態から第１燃焼制御状態に切換えられる途中で、早期噴射する燃料の量を時間の経過とともに増加させるように構成されていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
請求項３において、
実際の排気還流率を推定する排気還流率推定手段を備え、
切換時燃焼制御手段は、エンジンが第２燃焼制御状態から第１燃焼制御状態に切換えられる途中で、前記排気還流率推定手段による推定値と燃焼状態切換後の排気還流率の目標値との偏差に応じて、早期噴射する燃料の量を制御するように構成されていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
請求項１〜４のいずれか１つにおいて、
切換時燃焼制御手段は、早期噴射量を少なくしたことによるエンジンのトルクの不足を補完するように、燃料噴射弁により燃料を気筒の膨張行程にて追加噴射させるように構成されていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御装置。