JP2004156519A - エンジンの燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所定の運転状態で各気筒２毎のインジェクタ７により燃料を早期噴射させるとともに、ＥＧＲ率を第１設定値以上に制御して、予混合燃焼が主体の燃焼状態とするようにした直噴式ディーゼルエンジン１において、ＥＧＲ通路３４による排気還流量の制御応答性を向上し、且つ燃焼性の低下を防止する。
【解決手段】各気筒２毎に第１及び第２の２つの吸気ポート８，９を設けて、第１吸気ポート８の途中に開口するようにＥＧＲ通路３４の下流端を接続するとともに、その上流の吸気通路にスワール弁１８を配設する。各気筒２毎の燃焼変動状態をクランク角センサ１２やノックセンサ１３からの信号に基づいて検出し、この検出結果に基づいて、過早着火や失火を抑えるようにスワール弁の開度を制御する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気筒内の燃焼室に直接に燃料を噴射して、予混合燃焼が主体の燃焼を行わせるようにしたエンジンの燃焼制御装置に関し、特に、適切な燃焼状態となるように排気の還流割合を調整する構造の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、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、初期の予混合燃焼に続いて大部分の燃料を拡散燃焼させる、いわゆるディーゼル燃焼の状態で運転するようにしている。このように拡散燃焼が主体の燃焼においては、燃料の濃度の不均質な噴霧（混合気）中において急激な熱発生に伴い窒素酸化物（ＮＯｘ）が生成され、また、局所的な酸素不足によって煤が生成されることになる。
【０００３】
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が、例えば多量のＥＧＲは、酸素濃度の低下によって煤の生成を助長することになるし、高圧噴射による燃焼性の向上は、ＮＯｘの増大を招くことになる。つまり、従来一般的な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のが実状である。
【０００４】
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、これはディーゼル予混合燃焼とか予混合圧縮着火燃焼等と呼ばれている。この新しい燃焼の形態は例えば特許文献１に開示されるように、ＥＧＲによって多量の排気を還流させるとともに、気筒の圧縮行程等に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。
【０００５】
そのような新しい燃焼（以下、予混合圧縮着火燃焼ともいう）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、高くすることによって、着火遅れ時間を延長して、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ようにしている。こうすることで、多量のＥＧＲをしていても予混合の濃度ばらつきが小さくなって、煤の生成が大幅に抑制されると考えられる。
【０００６】
但し、そのような多量のＥＧＲをエンジンの高負荷側で行うことはできないので、前記従来例のものでは、低負荷側の運転領域で前記の如く燃料の早期噴射を行い且つ多量のＥＧＲを行って、予混合圧縮着火燃焼の状態とする一方、高負荷側の運転領域では従来通りのディーゼル燃焼の状態に切換えるようにしている。
【０００７】
また、前記従来例のものでは、多量の排気を還流させるときの排気の流量制御の応答性を高めるために、排気還流通路の下流端をエンジンの吸気ポートに開口させるようにしている。すなわち、エンジン回転速度やエンジン負荷の変化による吸入空気量の変化に対して前記のように高いＥＧＲ率を維持するためには、多量の排気を応答性良く増減させなくてはならず、このために、各気筒毎の燃焼室に近接する吸気ポートに排気還流通路の下流端を開口させたものである。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−１４５５４８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記従来例のエンジンでは、特許文献１の図３等に示されているように、気筒毎の２つの吸気ポートのうちの一方に、スワール流の強さを調整するための吸気流制御弁（絞り弁）を配設し、他方の吸気ポートに排気還流通路の下流端を開口させている。このため、吸気流量制御弁が閉じているときには１つの吸気ポートを吸気と還流排気との両方が流通することになるから、それらの流量がある程度、多くなると流通抵抗が大きくなってしまい、さらに流量を増大させる場合等の制御応答性が不十分なものとなる虞れがある。
【００１０】
特に、エンジンの燃焼状態をディーゼル燃焼と予混合圧縮着火燃焼との間で切換えるときには、一時的に、予混合圧縮着火燃焼とするにはＥＧＲ率が低すぎるとともにディーゼル燃焼とするには高すぎるという中途半端な状態になってしまい、燃焼騒音が大きくなったり、煤が増大したりするという不具合があるから、このときに排気の還流量の制御応答性が低くなるのは甚だ好ましくない。
【００１１】
さらに、前記従来例のように吸気流量制御弁を備えた場合には、予混合圧縮着火燃焼の際に吸気流量制御弁を閉じると、この弁の無い方の吸気ポートのみから燃焼室に流入する吸気の流速が高くなりすぎて、却って燃焼性が低下するという不具合もある。
【００１２】
本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、予混合燃焼が主体の燃焼状態となるエンジンにおいて、吸気通路に排気を還流させるための構成に工夫を凝らし、排気還流量の制御応答性を向上するとともに、燃焼性の低下を防止することにある。
【００１３】
【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、エンジンの気筒内燃焼室にそれぞれ連通する複数の独立吸気通路のうち、絞り弁を設けたものの下流側に排気を還流させる構成とした。
【００１４】
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、前記燃焼室からの排気の一部をエンジンの吸気系に還流させる排気還流通路と、この排気還流通路による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て予混合燃焼の割合が拡散燃焼の割合よりも多い第１の燃焼状態とすべく、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の燃焼制御手段とを備えたエンジンの燃焼制御装置を前提とする。そして、前記気筒の燃焼室に互いに独立して連通するように複数の独立吸気通路を設けて、そのうちの少なくとも１つに絞り弁を配設するとともに、その絞り弁よりも下流の吸気通路に前記排気還流通路の下流端を開口させる構成とする。
【００１５】
前記の構成により、エンジンを第１の燃焼状態にするときには、第１の燃焼制御手段により燃料噴射弁及び排気還流量調節手段がそれぞれ制御されて、燃料が気筒の吸気乃至圧縮行程で早期噴射されるとともに、排気の還流割合が多い状態（第１排気還流率以上の状態）になる。このことで、早期に噴射された燃料は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（予混合圧縮着火燃焼の状態）になる。この燃焼状態ではＮＯｘや煤の生成は少ない。
【００１６】
その際、燃焼室に還流する排気は、排気還流通路から独立吸気通路のうちの絞り弁の配設されているものの下流側に還流されることになり、一方、新気は主に絞り弁の配設されていない独立吸気通路を流通することになるので、いずれの独立吸気通路においても吸気の流通量が多くなりすぎることはない。しかも、絞り弁の下流側に強い負圧が発生するので、そこに還流させる排気の流量制御の応答性は極めて高くなる。また、そのようにして互いに異なる独立吸気通路から燃焼室へ流入する新気や還流排気の流れの速度は高くなりすぎることはないので、燃焼性の低下も防止できる。
【００１７】
請求項２の発明では、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て拡散燃焼の割合が予混合燃焼の割合よりも多い第２の燃焼状態とすべく、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に応じて、第１の燃焼制御手段及び前記第２の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る構成とする。
【００１８】
この構成では、上述した従来例（特許文献１）のものと同様に、エンジンは、予混合燃焼が主体の第１の燃焼状態と拡散燃焼が主体の第２の燃焼状態とのいずれかに切換えて運転されるので、その燃焼状態の切換えの際に一時的に騒音や煤の問題が生じる虞れがあり、この問題の発生を抑えるために、排気還流量の制御応答性を向上できるという請求項１の発明の作用効果が特に有効なものとなる。
【００１９】
請求項３の発明では、独立吸気通路の絞り弁の開度をエンジンの運転状態に応じて制御する絞り弁制御手段を備えるものとする。すなわち、独立吸気通路の絞り弁を単に全開又は全閉に切換えるだけでなく、その開度を調整するようにすれば、当該絞り弁の下流に発生する吸気負圧の大きさをエンジンの運転状態の応じてきめ細かく変更することができるようになり、これにより排気還流量の制御性をさらに向上できる。
【００２０】
請求項４の発明では、前記請求項３の発明において、エンジンは２以上の気筒を有する多気筒エンジンであり、その各気筒毎にそれぞれ独立吸気通路、絞り弁及び排気還流通路を設けるとともに、その各気筒毎の燃焼変動状態を検出する燃焼変動状態検出手段をさらに備え、絞り弁制御手段は、前記燃焼変動状態検出手段により検出された燃焼変動状態に基づいて前記絞り弁の開度を制御するものとする。
【００２１】
すなわち、一般的に多気筒エンジンの場合には構造上、気筒毎の排気の還流量にばらつきが生じるので、一部の気筒において排気の還流割合が多くなりすぎたり、反対に少なくなりすぎたりして、その気筒の燃焼状態が悪化する虞れがある。そこで、この発明では、各気筒毎にそれぞれ燃焼変動状態を検出する燃焼変動状態検出手段を備えて全ての気筒の燃焼変動状態を検出し、この検出結果に基づいて絞り弁の開度を制御することにより、どの気筒においても燃焼状態が大幅に悪化しないように排気の還流割合を制御することができる。
【００２２】
【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。
【００２３】
（実施形態１）
図１は本発明に係るエンジンの燃焼制御装置Ａを直噴式ディーゼルエンジン１に適用した例を示す。このエンジン１は複数の気筒２，２，…（１つのみ図示する）を有する多気筒エンジンであり、それらの気筒２，２，…が１列に並んで形成されたシリンダブロック３と、このシリンダブロック３に組み付けられたシリンダヘッド４とを備えている。そして、各気筒２，２，…内には往復動可能にピストン５が嵌挿されていて、このピストン５の頂面とシリンダヘッド４の底面との間の気筒２内に、燃焼室６が区画されている。尚、図示しないが、ピストン５にはその冠面に開口するようにリエントラント型のキャビティが形成されていて、これが燃焼室６の一部を構成している。
【００２４】
一方、前記燃焼室６をその天井面（シリンダヘッド４の下面）から臨むようにしてインジェクタ７（燃料噴射弁）が配設されている。このインジェクタ７の先端部には、図示しないが、断面円形の複数の噴口が環状に配置されており、そこから燃焼室６に向かって高圧の燃料を直接、噴射するようになっている。このインジェクタ７は、例えば、全気筒２，２，…に共通のコモンレールに接続されていて、そこに高圧の状態で蓄えられている燃料を任意のタイミングで噴射するものである。尚、そのようなコモンレール式噴射系を採用せずに、高圧噴射のためのインジェクタ７として例えばユニットインジェクタを用いることもできる。
【００２５】
また、前記燃焼室６の天井面には、図２に模式的に示すように、シリンダヘッド４に形成された吸気及び排気ポート８〜１０の端部が２つずつ開口していて、図示は省略するが、吸気ポート８，９の下流端開口部８ａ，９ａにはそれぞれ吸気弁が配置され、また、排気ポート１０の上流端開口部１０ａ，１０ｂにはそれぞれ排気弁が配置されている。そして、図示の如く、第１吸気ポート８は、シリンダヘッド４の吸気側の側壁部４ａから排気側に向かって延びつつ気筒外周に沿って大きく回り込むように形成され、その下流端が気筒２内の排気側寄りの位置に開口されている。一方、第２吸気ポート９は前記第１吸気ポート８よりも短く、その下流側が気筒外周に沿って回り込んでいて、下流端開口部が気筒２内の吸気側寄りに位置している。
【００２６】
つまり、２つの吸気ポート８，９は、いずれも、気筒２への吸気充填効率を高めつつ、スワール流動を強化することのできるタンジェンシャルポートとされている。また、そのように吸気ポート８，９の各下流端開口部８ａ，９ａが気筒２の円周方向に偏位して配置されているのに対応して、排気ポート１０の上流端開口部１０ａ，１０ｂも気筒２の円周方向に偏位している。すなわち、排気ポート１０の第１の開口部１０ａは気筒２の吸気側寄りに位置し、また、第２の開口部１０ｂは気筒２の排気側寄りに位置していて、そこから斜め上方に向かって延びる排気ポート１０は気筒２の上方位置にて合流して、シリンダヘッド４の排気側の側壁部４ｂに至る。
【００２７】
さらに、詳しくは後述するが、図２に示す符号３４は、下流側の部分がシリンダヘッド４の内部に形成され、その下流端が前記第１吸気ポート８の途中に開口するＥＧＲ通路である。また、符号１８は、前記ＥＧＲ通路３４の下流端開口部よりも吸気上流側の通路に配設されたスワール弁１８である。
【００２８】
また、図１にのみ示すが、エンジン１のシリンダブロック３には、クランク軸１１の回転角度を検出するクランク角センサ１２と、各気筒２毎に過早着火の発生を検出するためのノックセンサ１３とが設けられている。前記クランク角センサ１２は、例えば電磁ピックアップからなり、クランク軸１１と一体に回転するプレートの外周部に形成された突起部の通過に応じて、信号を出力するものとすればよい。また、ノックセンサ１３は、例えば圧電素子からなり、シリンダブロック３の被検出気筒２に対応する部位に取り付けられて、燃焼によるブロックの振動を検出するものとすればよい。
【００２９】
図１に示すように、エンジン１の一側（同図の右側）の側面には、各気筒２の燃焼室６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の下流側にはサージタンク１７が設けられていて、そこから各気筒２毎に分岐した通路がさらに各気筒２毎２ずつに分かれて、それぞれ第１及び第２吸気ポート８，９により燃焼室６に連通されている。そのように各気筒２毎に２つずつ設けられた通路とこれに連通する吸気ポート８，９により、当該気筒２の燃焼室６に互いに独立して連通するように設けられた複数の独立吸気通路が構成されている。
【００３０】
そして、前記第１吸気ポート８に連通する通路にはバタフライバルブからなるスワール弁（絞り弁）１８が配設されている。このスワール弁１８の弁軸は全ての気筒２，２，…に共通のものとされ、この弁軸がステッピングモータ等のアクチュエータ１９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。また、弁体の固着を防止するために、全閉状態のスワール弁１８と通路の周壁との間には所定量の隙間が残るようになっている。
【００３１】
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２０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２１と、このコンプレッサ２１により圧縮した吸気を冷却するインタークーラ２２と、バタフライバルブからなる吸気絞り弁２３とが設けられている。この吸気絞り弁２３は、前記スワール弁１８と同様のアクチュエータ２４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る。
【００３２】
一方、エンジン１の反対側（図１の左側）の側面には、各気筒２の燃焼室６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１０により燃焼室６に連通する排気マニホルドであり、該排気マニホルドの集合部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。
【００３３】
前記タービン２７と吸気通路１６のコンプレッサ２１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）である。図示しないが、前記フラップ３１，３１，…は各々、リンク機構を介してアクチュエータに駆動連結されており、そのアクチュエータの作動により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ことは勿論、エンジン１はターボ過給機を装備しないものであってもよい。
【００３４】
また、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ＥＧＲ通路３４（排気還流通路）の上流端が接続されている。このＥＧＲ通路３４の下流端は、前記図２にも示すように第１吸気ポート８の途中に接続されていて、排気通路２６から取り出された排気の一部を第１吸気ポート８に還流させるようになっている。この第１吸気ポート８の上流には前記の如くスワール弁１８が配設されており、これを閉じれば第１吸気ポート８に強い負圧が発生するから、そこに還流させる排気の流量は極めて高応答に変更可能となる。
【００３５】
さらに、前記ＥＧＲ通路３４の途中には、排気の還流量を調節するための開度調節の可能な排気還流量調節弁（以下ＥＧＲ弁という）３５が配置されている。この実施形態ではＥＧＲ弁３５を負圧応動式のものとしており、ダイヤフラム３６へ供給される負圧の大きさが電磁弁３７によって調節されることで、ＥＧＲ通路３４の断面積をリニアに調節するようになっている。尚、ＥＧＲ弁３４の構成はこれに限るものではない。
【００３６】
そして、前記インジェクタ７、スワール弁１８、吸気絞り弁２３、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、少なくとも、前記クランク角センサ１２、振動センサ１３、エアフローセンサ２０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操作量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ３８からの出力信号と、エンジン回転速度センサ３９からの出力信号とが入力されるようになっている。
【００３７】
（エンジンの燃焼制御の概要）
前記ＥＣＵ４０によるエンジン１の基本的な制御としては、まず、アクセル開度等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７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、高圧供給ポンプの作動により燃圧、即ち燃料の噴射圧力を制御する。また、吸気絞り弁２３やＥＧＲ弁３５の開度を変更することで燃焼室６への排気の還流割合（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のことであり、以下、ＥＧＲ率という）を制御し、さらに、スワール弁１８の開度やＶＧＴ３０のフラップ３１，３１，…の位置を変更するようにしている。
【００３８】
より具体的に、この実施形態のものでは、例えば図３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ようにしている。すなわち、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）（以下、予混合燃焼領域という）にあって、第１の燃焼モードで運転されるときには、図４（ａ）に一例を示すように、インジェクタ７により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。
【００３９】
その際、早期噴射は、例えば気筒２の圧縮行程の前期から後期にかけて、図示のように３回に分けて行うようにするのが好ましいが、例えば圧縮行程中期から後期にかけて２回に分割して行うようにしてもよいし、圧縮行程後期に一括して行うようにしてもよい。或いは、早期噴射の時期は気筒２の圧縮行程に限らず、吸気行程を含むようにしてもよい。
【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等と呼ばれるものとなり、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、自着火により一斉に燃焼させることができる（以下、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）。そして、そのためには、自着火のタイミングを大きく遅延させるべく、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に還流させる必要がある。
【００４１】
すなわち、不活性で熱容量の大きい排気を多量に新気（空気）に混合し、さらに、それに対して燃料の液滴及び蒸気を混合させるようにすれば、そのようにして形成される混合気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は相対的に低くなり、このことで着火遅れ時間が長くなると考えられる。
【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６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、同図（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、第１の燃焼モードでは、インジェクタ７により気筒２の吸気乃至圧縮行程の所定期間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】
一方、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）（以下、ディーゼル燃焼領域という）にあって、ＥＣＵ４０により第２の燃焼モード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４（ｂ）に一例を示すように、インジェクタ７により主にＴＤＣ近傍で燃料を噴射させるようにする。その際、図示の如くＴＤＣ近傍で燃料を一括して噴射するようにしてもよいし、２回以上に分けて行うようにしてもよい。さらに、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、前記第２の燃焼モードでは、ＥＧＲ弁３５の開度を上述した第１の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、ディーゼル燃焼の領域（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。
【００４９】
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。
【００５０】
次に、ＥＣＵ４０による燃料噴射制御の手順を、図８のフローチャート図に基づいて具体的に説明すると、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１２、エアフローセンサ２０、アクセル開度センサ３８、エンジン回転速度センサ３９からの信号等を入力し、また、ＥＣＵ４０のメモリに記憶されているデータ等を読み込む（データ入力）。
【００５１】
続いて、ステップＳＡ２，ＳＡ３において、燃焼モードマップ（図３参照）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、アクセル開度とエンジン回転速度とに基づいてエンジン１の現在の運転状態を検出し（ＳＡ２）、こうして検出した運転状態が燃焼モードマップ上で予混合燃焼領域（Ｈ）にあるかどうか判定する（ＳＡ３）。そして、判定結果がＹＥＳでエンジン１が予混合燃焼領域（Ｈ）にあれば、ステップＳＡ４に進んで、第１の燃焼モードとなるように、燃料噴射量及び噴射時期を設定する。すなわち、例えば図４（ａ）に示すように３回に分けて行う早期噴射の各噴射作動における噴射量Ｑ１ｂ，Ｑ２ｂ，Ｑ３ｂと噴射時期Ｉ１ｂ，Ｉ２ｂ，Ｉ３ｂとをそれぞれ設定する。
【００５２】
一方、判定結果がＮＯでエンジン１がディーゼル燃焼領域（Ｄ）にあれば、ステップＳＡ５に進んで、第２の燃焼モードとなるように、燃料噴射量及び噴射時期を設定する。すなわち、例えば図４（ｂ）に示すようにＴＤＣ近傍で一括して行う噴射作動の噴射量Ｑ０ｂ及び噴射時期Ｉ０ｂを設定する。尚、前記燃料噴射量及び噴射時期はいずれもＥＣＵ４０のメモリに電子的に格納されたマップに運転状態に対応付けて設定されており、エンジン１の現在の運転状態（この例ではエンジン負荷及びエンジン回転速度）に対応する値を読み出して設定する。そして、ステップＳＡ６において、前記ステップＳＡ４又はＳＡ５のいずれかにおいて設定された時期になれば燃料の噴射を実行して、しかる後にリターンする。
【００５３】
前記燃料噴射制御のフローは、ＥＣＵ４０のメモリに電子的に格納されたプログラムをＣＰＵにより読み出して実行することにより、実現されるものであり、前記ステップＳＡ２，ＳＡ３により、エンジン１をその運転状態に応じて第１又は第２の燃焼モードのいずれかに切換える燃焼制御切換手段４０ａが構成され、ステップＳＡ４，ＳＡ６により、エンジン１を第１の燃焼モードで運転制御する第１燃焼制御手段４０ｂが構成され、また、ステップＳＡ５，ＳＡ６により、エンジン１を第２の燃焼モードで運転制御する第２燃焼制御手段４０ｃが構成されている。
【００５４】
次に、ＥＧＲ弁３４の制御手順を、図９のフローチャート図に基づいて具体的に説明すると、スタート後のステップＳＢ１では、前記燃料噴射制御のフローのステップＳＡ１と同様に各種センサからの信号やデータ等を読み込み（データ入力）、続くステップＳＢ２において目標ＥＧＲ率を設定する。すなわち、図１０（ａ）に一例を示すように、ＥＣＵ４０のメモリには、エンジン１の運転状態に対応する目標ＥＧＲ率を運転領域毎に分けて設定したＥＧＲ制御マップが電子的に格納されており、第１及び第２の燃焼モード別に実験的に求めた最適なＥＧＲ率の値が設定されている。
【００５５】
そして、ステップＳＢ３では、前記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の開度を制御して、しかる後にリターンする。尚、この実施形態のＥＧＲ制御マップでは、図１０の（ｂ）に示すように、低負荷側の予混合燃焼領域（Ｈ）においては目標ＥＧＲ率は、エンジン回転速度の変化に拘わらず略一定（例えば５３〜６０％）であり、一方、ディーゼル燃焼領域（Ｄ）に移行すると大幅に低くなるとともに、エンジン回転速度の上昇に連れて徐々に小さな値になっている。
【００５６】
次に、スワール弁１８の制御手順について、図１１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ＳＣ１では、前記燃料噴射制御のフローのステップＳＡ１と同様に各種センサからの信号やデータ等を読み込む（データ入力）。この際、ノックセンサ１３からの信号も読み込む。続いて、ステップＳＣ２，ＳＣ３においてステップＳＡ２，ＳＡ３と同様にして、エンジン１の燃焼モードを判定する。そして、エンジン１がディーゼル燃焼領域（Ｄ）にあるＮＯと判定すれば、後述のステップＳＣ１１に進む一方、エンジン１が予混合燃焼領域（Ｈ）にあるＹＥＳと判定すれば、ステップＳＣ４に進んで基本開度ＳＲｂ１を設定する。
【００５８】
すなわち、図１２（ａ）に一例を示すように、ＥＣＵ４０のメモリには、エンジン１の運転状態に対応するスワール弁１８の基本的な開度目標値を運転領域毎に分けて設定したスワール弁マップが電子的に格納されており、予混合燃焼モードとディーゼル燃焼モードとでそれぞれ実験的に求めた最適なスワール弁１８の開度が設定されている。この例では、同図（ｂ）に示すように、低負荷側の予混合燃焼領域（Ｈ）においてはエンジン回転速度の変化に拘わらず、スワール弁１８を全閉状態から少しだけ開いた状態に維持し、一方、ディーゼル燃焼領域に移行すれば、スワール弁１８を大きく開くとともに、その開度をエンジン回転速度の上昇に連れて徐々に大きくするようになっている。
【００５９】
前記ステップＳＣ４に続いて、ステップＳＣ５では、各気筒２毎のノックセンサ１３からの信号に基づいて、エンジン１の全ての気筒２，２，…における過早着火の発生を検出し、いずれか１つ以上の気筒２，２，…で過早着火の起きる頻度が予め設定した閾値よりも大きいかどうか判定する。この判定がＹＥＳならば、その気筒２ではＥＧＲ率がやや低くなって過早着火が起きていると考えられるから、このときにはステップＳＣ６に進んでスワール弁１８の開度を減少するように補正して（ＳＲｂ１←ＳＲｂ１−α）、これにより排気の還流量を増大させて、ステップＳＣ７に進む。一方、判定がＮＯであればスワール弁１８の開度補正は行わずに、ステップＳＣ７に進む。尚、過早着火の判定はクランク角センサ１２からの信号に基づいて行うようにしてもよい。
【００６０】
このステップＳＣ７では、今度は、クランク角センサ１２からの信号に基づいてエンジン１の全ての気筒２，２，…における失火の発生を検出し、いずれか１つ以上の気筒２，２，…で失火の起きる頻度が予め設定した閾値よりも大きいかどうか判定する。この判定がＹＥＳならば、その気筒２ではＥＧＲ率がやや高くなって燃焼性が悪くなっていると考えられるから、このときにはステップＳＣ８に進んでスワール弁１８の開度を増大するように補正し（ＳＲｂ１←ＳＲｂ１＋α）、これにより排気の還流量を減少させて、ステップＳＣ９に進む。一方、判定がＮＯであればスワール弁１８の開度補正は行わずに、ステップＳＣ９に進む。
【００６１】
そして、ステップＳＣ９では基本開度ＳＲｂ１をスワール弁１８の最終的な目標開度ＳＲとして設定し（ＳＲ←ＳＲｂ１）、続くステップＳＣ１０においてスワール弁１８のアクチュエータ１９に制御指令を出力して（スワール弁１８を駆動）、しかる後にリターンする
つまり、エンジン１が第１の燃焼モードにあるときには、多量の排気を還流させるべくスワール弁１８を閉じてその下流に強い負圧を発生させるとともに、そのスワール弁１８の開度を各気筒２の燃焼変動状態に応じて補正することで、ＥＧＲ率を極めて高応答に変化させて、燃焼の最適化を図るようにしている。
【００６２】
これに対し、前記ステップＳＣ３においてエンジン１がディーゼル燃焼領域（Ｄ）にあると判定して進んだステップＳＣ１１では、前記ステップＳＣ４と同様にして、即ちスワール弁マップ（図１２参照）から第２の燃焼モードに対応する基本開度ＳＲｂ２を読み出して、設定する。続いて、ステップＳＣ１２では、前記ステップＳＣ９と同様に基本開度ＳＲｂ２を最終的な目標開度ＳＲとして設定してから（ＳＲ←ＳＲｂ２）、前記ステップＳＣ１０に進んでスワール弁１８を駆動し、しかる後にリターンする
つまり、第２の燃焼モードでは、スワール弁１８の開度を相対的に大きくして、第１及び第２吸気ポート８，９の両方から燃焼室６に吸気を供給するようにしている。
【００６３】
前記ＥＧＲ弁３５やスワール弁１８の制御フローも、ＥＣＵ４０のメモリに電子的に格納されたプログラムをＣＰＵにより読み出して実行することにより、実現されるものであり、このフローのステップＳＣ５，ＳＣ７により、クランク角センサ１２やノックセンサ１３からの信号に基づいてエンジン１の各気筒２毎の燃焼変動状態を検出する燃焼変動状態検出手段４０ｄが構成され、ステップＳＣ４，６，ＳＣ８〜１０により、エンジンの運転状態と各気筒２毎の燃焼変動状態とに基づいてスワール弁１８の開度を制御するスワール弁制御手段４０ｅ（絞り弁制御手段）が構成されている。
【００６４】
したがって、この実施形態に係るエンジンの燃焼制御装置Ａによると、エンジン１が低負荷側の予混合燃焼領域（Ｈ）にあって、予混合燃焼が主体の第１の燃焼モードで運転するときには、ＥＧＲ弁３５を相対的に大きく開いて多量の排気を吸気系に還流させ、この排気と新気とを気筒２内の燃焼室６へ供給して、ＥＧＲ率の高い状態になるようにする。そして、そのようにＥＧＲ率の高い状態とされた燃焼室６に対して、インジェクタ７により燃料の早期噴射が行われることで、予混合燃焼が主体の燃焼状態になる。
【００６５】
その際、気筒２毎の２つの吸気ポート８，９のうち、第１吸気ポート８に連通する通路のスワール弁１８は殆ど閉じた状態にして、新気を主に第２吸気ポート９へ流通させるとともに、強い負圧状態になる第１吸気ポート８に排気を還流させるようにしており、このことで、第１及び第２吸気ポート８，９のいずれにおいても吸気の流通抵抗が過度に大きくなることはなく、多量の排気を還流しながら、その流量制御の応答性を極めて高くすることができる。よって、エンジン１の運転状態が変化しても、これに遅れることなく排気の還流量を増減変化させて、所定のＥＧＲ率を維持することができる。
【００６６】
しかも、クランク角センサ１２やノックセンサ１３からの信号に基づいて各気筒２毎にそれぞれ過早着火や失火の発生を検出し、この検出結果に基づいて、全ての気筒２，２，…において過早着火等の頻度が低くなるようにスワール弁１８の開度を制御するようにしているので、該スワール弁１８下流の負圧の大きさ、ひいては排気還流量をきめ細かく且つ高応答に制御することができる。
【００６７】
また、前記の如く２つの吸気ポート８，９からそれぞれ燃焼室６へ流入する新気や還流排気の流れの速度は、それらをいずれか一方の吸気ポートのみから燃焼室６へ供給する場合に比べれば低くなるので、吸気の流速が高くなりすぎることによる燃焼性の低下を防止できる。すなわち、図１３（ａ）〜（ｃ）のグラフは、この実施形態のものと同じ構成のエンジンを用いて、第１の燃焼状態のときに平均有効圧、熱発生率及び排気中のＣＯ濃度がそれぞれ燃料噴射時期（ＳＯＩ）に応じてどのように変化するのか実験により求めたものである。同図において棒グラフ（ｃｌｏｓｅ）はスワール弁１８を閉じたときを、また、棒グラフ（ｏｐｅｎ）はスワール弁１８を開いたときを示す。
【００６８】
前記のグラフによれば、ＢＴＤＣ６０〜１０°ＣＡの範囲において、概ね、スワール弁１８を開いた方が平均有効圧及び熱発生率が高く、また、ＣＯ濃度が低くなることが分かる。これは、スワール弁１８を閉じた場合には燃焼室６においてスワール流動が強くなりすぎて却って燃焼性が悪化し、これにより未燃乃至燃焼不良のままで排出される燃料の量が多くなることによると推定される。
【００６９】
（他の実施形態）
尚、本発明の構成は、前記実施形態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、前記実施形態では、エンジン１の各気筒２毎の２つの吸気ポート８，９をいずれもタンジェンシャルポートとしているが、これに限らず、例えば図１４に示すように、第２吸気ポート９はヘリカルポートとすることもできる。また、吸気ポートは２つに限るものではなく、例えば各気筒２毎に３つずつ設けたものでもよい。
【００７０】
また、前記実施形態では、ＥＧＲ通路３４の少なくとも下流側をエンジン１のシリンダヘッド４内に形成して、その下流端を第１吸気ポート８内に臨んで開口させるようにしているが、これに限るものではない。すなわち、ＥＧＲ通路３４の下流端は、例えば、第１吸気ポート８の上流に連通する通路においてスワール弁１８の下流側に開口させるようにしてもよい。或いは、ＥＧＲ通路３４全体をシリンダヘッド４の内部に形成することもできる。
【００７１】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１の発明に係るエンジンの燃焼制御装置によると、早期噴射及び多量の排気還流によって、予混合燃焼が主体の燃焼状態とするようにした直噴式エンジンにおいて、気筒の燃焼室に互いに独立して連通するように複数の独立吸気通路を設けて、そのうちの少なくとも１つに絞り弁を配設するとともに、その絞り弁よりも下流の吸気通路に前記排気還流通路の下流端を開口させたことで、当該排気還流通路により還流される排気と新気とが１つの独立吸気通路に集中することがなくなり、吸気の流通抵抗が過大なものとなることが回避されるとともに、絞り弁下流の負圧の強いところに還流させる排気の流量制御の応答性は極めて高くすることができる。また、燃焼室へ流入する吸気の流速も高くなりすぎることがなく、これにより燃焼性の低下を防止できる。
【００７２】
請求項２の発明によると、エンジンを、予混合燃焼が主体の第１の燃焼状態と拡散燃焼が主体の第２の燃焼状態とのいずれかに切換えて運転する場合でも、排気還流量の制御応答性を向上することで、燃焼状態の切換えの際の騒音や煤の問題が生じることを抑えることができ、これにより請求項１の発明の効果が特に有効なものとなる。
【００７３】
請求項３の発明によると、独立吸気通路の絞り弁の開度をエンジンの運転状態に応じて制御することで、該絞り弁の下流に発生する吸気負圧の大きさをきめ細かく変更することができ、これにより排気還流量の制御性をさらに向上できる。
【００７４】
請求項４の発明によると、多気筒エンジンの各気筒毎にそれぞれ独立吸気通路、絞り弁及び排気還流通路を設けるとともに、その各気筒毎の燃焼変動状態を検出し、この検出結果に基づいて絞り弁の開度を制御することにより、どの気筒においても燃焼状態が大幅に悪化しないように排気の還流割合を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態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】吸気ポートとスワール弁及びＥＧＲ通路との配置構成を燃焼室側から見て示す拡大図である。
【図３】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４】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】燃料噴射制御の手順を示すフローチャート図である。
【図９】ＥＧＲ制御の手順を示すフローチャート図である。
【図１０】ＥＧＲ制御マップの一例を示す説明図である。
【図１１】スワール弁制御の手順を示すフローチャート図である。
【図１２】スワール弁マップの一例を示す説明図である。
【図１３】スワール弁を開いたときと閉じたときとを対比して、燃料噴射時期の変化に対する均有効圧、熱発生量及びＣＯ濃度の変化をそれぞれ示したグラフ図である。
【図１４】実施形態２に係る図２相当図である。
【符号の説明】
Ａ エンジンの燃焼制御装置
１ ディーゼルエンジン
２ 気筒
６ 燃焼室
７ インジェクタ（燃料噴射弁）
８ 第１吸気ポート（独立吸気通路）
９ 第２吸気ポート（独立吸気通路）
３４ ＥＧＲ通路（排気還流通路）
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 燃焼燃焼制御切換手段
４０ｂ 第１燃焼制御手段
４０ｃ 第２燃焼制御手段
４０ｄ 燃焼変動状態検出手段
４０ｅ スワール弁制御手段（絞り弁制御手段）

Claims (4)

1. エンジンの気筒内の燃焼室を臨む燃料噴射弁と、
   前記燃焼室からの排気の一部をエンジンの吸気系に還流させる排気還流通路と、
   前記排気還流通路による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て予混合燃焼の割合が拡散燃焼の割合よりも多い第１の燃焼状態とすべく、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の燃焼制御手段とを備えたエンジンの燃焼制御装置において、
   前記気筒の燃焼室に互いに独立して連通するように複数の独立吸気通路が設けられ、
   前記複数の独立吸気通路のうちの少なくとも１つに絞り弁が配設され、且つ該絞り弁よりも下流の吸気通路に前記排気還流通路の下流端が開口されていることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
2. 請求項１において、
   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て拡散燃焼の割合が予混合燃焼の割合よりも多い第２の燃焼状態とすべく、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に応じて、第１の燃焼制御手段及び前記第２の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ることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
3. 請求項１又は２のいずれかにおいて、
   独立吸気通路の絞り弁の開度をエンジンの運転状態に応じて制御する絞り弁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。
4. 請求項３において、
   エンジンは２以上の気筒を有する多気筒エンジンであり、その各気筒毎にそれぞれ独立吸気通路、絞り弁及び排気還流通路が設けられ、
   前記各気筒毎の燃焼変動状態を検出する燃焼変動状態検出手段を備え、
   絞り弁制御手段は、前記燃焼変動状態検出手段により検出された燃焼変動状態に基づいて前記絞り弁の開度を制御するように構成されていることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。

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