JP2005299530A - ディーゼルエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 予混合燃焼と通常燃焼とを切り換えるときに排気ガスや燃費が悪化することを防止できるディーゼルエンジンを提供する。
【解決手段】 燃料噴射装置９及びＥＧＲ装置１９を制御する制御装置２６を備え、制御装置２６は、第一運転領域では、上死点近傍よりも前に早期メイン噴射Ｍ１を実行させると共に比較的多量のＥＧＲを実行させる予混合燃焼制御を実行し、第二運転領域であるときは、少なくとも上死点近傍のメイン噴射Ｍ２を実行させると共に比較的少量のＥＧＲを実行させる通常燃焼制御を実行するものであり、制御装置２６は、エンジンの運転状態が第一運転領域から第二運転領域に移行したときに、まずＥＧＲ制御のみを通常燃焼制御の状態に切り換え、その後、所定の第一条件が成立したならば燃料噴射制御を通常燃焼制御の状態に切り換えるものである。
【選択図】 図３

Description

本発明は、エンジンの運転状態に基づいて予混合燃焼と通常燃焼とを切り換えるディーゼルエンジンに関するものである。

従来、ディーゼルエンジンでは、筒内が高温・高圧となるピストンの圧縮上死点近傍で燃料を噴射するのが一般的であった。この場合、燃料の噴射中に燃料が着火して火炎が形成され、その火炎に後続の燃料が供給されることで燃焼が継続される。このような従来の燃焼形態では、初期に噴射した燃料が着火遅れ期間の後一気に燃焼する部分と、空気が不足する燃焼ガス中での燃焼部分とが存在し、ＮＯｘやスモーク等が発生するという問題が指摘されていた。このように、燃料がその噴射中に着火する燃焼形態を本明細書では通常燃焼と称する。

これに対して本出願人は、燃料の噴射時期を圧縮上死点近傍よりも早期にすることで、燃料の噴射終了後に予混合気が着火するようにしたディーゼルエンジンを先に提案した（特許文献１参照）。

このディーゼルエンジンでは、燃料の噴射終了後、ある程度の期間を経て予混合気が着火するため、着火までに予混合気が充分に希薄・均一化される。従って、局所的な燃焼温度が下がりＮＯｘ排出量が低減する。また、局所的に空気不足状態での燃焼も回避されるのでスモークの発生も抑制される。このように燃料の噴射終了後に予混合気が着火する燃焼形態を本明細書では予混合燃焼と称し、燃料の噴射が終了してから予混合気が着火するまでの期間を予混合期間と称する。

特開平１０−３３１６９０号公報 特開平１１−３２４７６４号公報 特開２００３−１２０３９１号公報

このように排気ガスの改善に有効な予混合燃焼であるが、予混合期間が充分でないと、排気ガスの改善効果を得られなかったり、燃費が悪化してしまう場合がある。例えば、予混合期間が短すぎると、予混合気の希薄・均一化が不充分となり排気ガスの改善効果が低下する。また、予混合期間が短すぎて予混合気の着火時期が上死点よりも前となると、着火後にピストンによる圧縮を受けるため、燃費が悪化する。

本出願人は、この問題を解決するために様々な試行錯誤を行った結果、燃料の早期噴射と合わせて比較的多量のＥＧＲを実行する（予混合気のＥＧＲ率を高くする）ことで予混合期間を充分に確保できることを見いだした。つまり、ＥＧＲ率を高くすれば、予混合気の酸素濃度が低くなるため予混合期間を長くできるのである。なお、この技術は、本願の出願時において未公開のものであり、従来技術を構成するものではない。

ところで、この予混合燃焼はエンジンの高負荷領域では実現が困難であった。その理由を以下説明する。

１）エンジンの高負荷領域では燃料噴射量が多くなるため、適切な空燃比を確保するためには多量の酸素（空気）が必要となる。このように、燃料及び酸素が多量となる状態で予混合期間を充分に確保するためには、更に多量のＥＧＲを行う必要がある。つまり、多量の空気（新気）と多量のＥＧＲガスとを燃焼室に導入することが必要となるが、現時点ではこれを達成するような吸気システム（過給システム）が確立されていない。

２）通常燃焼では噴射される燃料が少しずつ（一部ずつ）燃焼していくのに対して、予混合燃焼では噴射された全ての燃料が混合された後燃焼するため、筒内最高圧力が通常燃焼よりも高くなる。燃料噴射量が多くなる高負荷領域では筒内最高圧力がより高くなるため、エンジンが強度的に持たない可能性がある。

そこで本出願人は、エンジン運転状態（特にエンジン負荷）に応じて予混合燃焼と通常燃焼とを切り換えることを考案した。つまり、エンジン負荷が比較的低い領域では予混合燃焼を実現させ、エンジン負荷が高い領域では通常燃焼を実現させるのである。

ここで、予混合燃焼と通常燃焼とでは、必要とされる（適切な）ＥＧＲ率に比較的大きな隔たりがある。なぜなら、上述したように予混合燃焼では多量のＥＧＲを実行することで予混合期間を長期化でき排気ガスをより良好に改善できるのであるが、通常燃焼では、多量のＥＧＲを実行すると局所的な酸素不足が生じスモークが発生するため、ＥＧＲ率をある程度低く抑える必要があるからである。

従って、エンジンの運転状態が予混合燃焼の実行領域から通常燃焼の実行領域に移行したとき、あるいはその逆のときに、ＥＧＲ率を比較的大きく変化させる必要が生じる。

ところが、ＥＧＲガス及び吸入空気は圧縮性を有するため予混合気のＥＧＲ率を迅速に変化させることは困難である。特に、排気通路内の排気ガスの一部を吸気通路に還流する外部ＥＧＲ装置では、ＥＧＲ弁から燃焼室までの距離（吸気経路）伴う容積部分が存在することやＥＧＲ弁の応答遅れがあることから、ＥＧＲ率変化の時間遅れがより顕著となる。

これに対して燃料の噴射時期はインジェクタに対する通電時期を制御することで比較的高精度で制御できるため、予混合燃焼と通常燃焼との切り換えに迅速に対応できる。この結果、予混合燃焼と通常燃焼とを切り換える際に、燃料噴射時期とＥＧＲ率とに一時的なミスマッチが生じ、排気ガスや燃費の悪化を招いてしまう可能性がある。例えば、予混合燃焼から通常燃焼に切り換わった直後では、ＥＧＲ率の低減が充分でないのに燃料が上死点近傍で噴射されて通常燃焼が実行されるため、酸素不足となりスモークが発生してしまう。逆に、通常燃焼から予混合燃焼に切り換わった直後では、ＥＧＲ率の増加が充分でないのに燃料が早期に噴射されるため予混合期間が短くなり、排気ガスや燃費が悪化してしまう。

そこで、本発明の目的は、予混合燃焼と通常燃焼とを切り換えるときに、ＥＧＲ率と燃料噴射時期との関係の適正化を図ることにある。

上記目的を達成するために本発明は、燃焼室内に燃料を噴射するための燃料噴射装置と、排気ガスの一部を燃焼室内に還流するためのＥＧＲ装置と、上記燃料噴射装置及びＥＧＲ装置を制御するための制御装置とを備え、上記制御装置は、エンジンの運転状態が予め設定された第一運転領域であるときは、燃料の噴射終了後に予混合気が着火する予混合燃焼を実現させるべく、上記燃料噴射装置により上死点近傍よりも前に早期メイン噴射を実行させると共に、上記ＥＧＲ装置により比較的多量のＥＧＲを実行させる予混合燃焼制御を実行し、エンジンの運転状態が予め設定された第二運転領域であるときは、燃料がその噴射中に着火する通常燃焼を実現させるべく、上記燃料噴射装置により少なくとも上死点近傍のメイン噴射を実行させると共に、上記ＥＧＲ装置により上記予混合燃焼制御のときよりも少量のＥＧＲを実行させる通常燃焼制御を実行するものであり、上記制御装置は、エンジンの運転状態が上記第一運転領域から上記第二運転領域に移行したときに、まず燃料噴射制御を予混合燃焼制御の状態に維持したままＥＧＲ制御のみを通常燃焼制御の状態に切り換え、その後、所定の第一条件が成立したならば燃料噴射制御を上記通常燃焼制御の状態に切り換えるものである。

ここで、実際のＥＧＲ率を検出する第一手段を備え、上記制御装置が、上記第一手段により検出されるＥＧＲ率が第一所定値以下となったときに上記所定の第一条件が成立したとするようにしても良い。

また、上記第一手段は、予混合気の酸素濃度を検出する手段を含んでも良い。

また、燃料の噴射が終了してから着火するまでの予混合期間を検出する第二手段を備え、上記制御装置は、上記第二手段により検出される予混合期間が所定期間よりも短くなったときに上記所定の第一条件が成立したとするようにしても良い。

また、実際のＥＧＲ率を検出する第一手段を備え、上記制御装置が、燃料噴射制御を予混合燃焼制御の状態に維持する間、第一手段により検出される実際のＥＧＲ率に応じて上記早期メイン噴射の噴射時期を補正し、予混合気の着火時期を常に目標着火時期に維持するようにしても良い。

また、上記制御装置は、上記通常燃焼制御を実行する場合、上死点近傍で行う上記メイン噴射と、そのメイン噴射よりも前に行うパイロット噴射とを実行するものであり、燃料噴射制御を上記予混合燃焼制御の状態から上記通常燃焼制御の状態に切り換える場合、まず、上記パイロット噴射の噴射時期を、パイロット噴射により噴射される燃料が上記メイン噴射の噴射時期まで着火しないような時期に設定し、その後、所定の第二条件が成立したならば、上記パイロット噴射の噴射時期を、パイロット噴射により噴射される燃料が上記メイン噴射の噴射時期よりも前に着火するような時期に設定するようにしても良い。

ここで、実際のＥＧＲ率を検出する第一手段を備え、上記制御装置は、上記第一手段により検出されるＥＧＲ率が第二所定値以下となったときに上記所定の第二条件が成立したとするようにしても良い。

また、上記制御装置は、燃料噴射制御を上記予混合燃焼制御の状態から上記通常燃焼制御の状態に切り換える場合、上記所定の第二条件が成立した後に燃料噴射量の変更を行うようにしても良い。

また、上記第一運転領域が上記第二運転領域よりも低負荷領域であっても良い。

更に本発明は、燃焼室内に燃料を噴射するための燃料噴射装置と、排気ガスの一部を燃焼室内に還流するためのＥＧＲ装置と、上記燃料噴射装置及びＥＧＲ装置を制御するための制御装置とを備え、上記制御装置は、エンジンの運転状態が予め設定された第一運転領域であるときは、燃料の噴射終了後に予混合気が着火する予混合燃焼を実現させるべく、上記燃料噴射装置により上死点近傍よりも前に早期メイン噴射を実行させると共に、上記ＥＧＲ装置により比較的多量のＥＧＲを実行させる予混合燃焼制御を実行し、エンジンの運転状態が予め設定された第二運転領域であるときは、燃料がその噴射中に着火する通常燃焼を実現させるべく、上記燃料噴射装置により少なくとも上死点近傍のメイン噴射を実行させると共に、上記ＥＧＲ装置により上記予混合燃焼制御のときよりも少量のＥＧＲを実行させる通常燃焼制御を実行するものであり、上記制御装置は、エンジンの運転状態が上記第二運転領域から上記第一運転領域に移行したときに、まず燃料噴射制御を通常燃焼制御の状態に維持したままＥＧＲ制御のみを予混合燃焼制御の状態に切り換え、その後、所定の条件が成立したならば燃料噴射制御を上記予混合燃焼制御の状態に切り換えるものである。

ここで、実際のＥＧＲ率を検出する第一手段を備え、上記制御装置が、上記第一手段により検出される実際のＥＧＲ率が第一所定値を越えたときに上記所定の条件が成立したとするようにしても良い。

本発明によれば、予混合燃焼と通常燃焼とを切り換えるときに、ＥＧＲ率と燃料噴射時期との関係の適正化が図れ、排気ガスや燃費が悪化することを防止できる。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は本実施形態のディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）の概略図である。なお、図１では一気筒のみ示されているが、当然多気筒であっても良い。

図中１がエンジン本体であり、これはシリンダ２、シリンダヘッド３、ピストン４、吸気ポート５、排気ポート６、吸気弁７、排気弁８、インジェクタ９等から構成される。シリンダ２とシリンダヘッド３との空間に燃焼室１０が形成され、燃焼室１０内にインジェクタ９から燃料が直接噴射される。ピストン４の頂部にキャビティ１１が形成され、キャビティ１１は燃焼室１０の一部をなす。キャビティ１１は底部中央が隆起したトロイダル型燃焼室の形態をなす。なお、本発明は燃焼室１０の形状に制約はなく、リエントラント型燃焼室等であっても良い。

インジェクタ９はシリンダ２と略同軸に配置され、複数の噴孔（ホール）から同時に放射状に燃料を噴射する。インジェクタ９はコモンレール２４に接続され、そのコモンレール２４に貯留された高圧燃料がインジェクタ９に常時供給される。コモンレール２４への燃料圧送は高圧サプライポンプ２５により行われる。なお、本願の「特許請求の範囲」における「燃料噴射装置」とは、インジェクタ９、コモンレール２４、高圧サプライポンプ２５等、燃料の噴射に必要な要素を包括的に称したものである。

吸気ポート５は吸気管１２に、排気ポート６は排気管１３にそれぞれ接続される。

本実施形態のエンジンは、排気管１３内の排気ガスの一部を吸気管１２に還流するＥＧＲ装置１９を備える。

ＥＧＲ装置１９は、吸気管１２と排気管１３とを結ぶＥＧＲ管２０と、ＥＧＲ管２０の管路面積を変えてＥＧＲ率を調節するためのＥＧＲ弁２１と、ＥＧＲ弁２１の上流側にてＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２２とを備える。ＥＧＲ弁２１の弁開度を大きくすることでＥＧＲ率を高めることができ、逆にＥＧＲ弁２１の弁開度を小さくすることでＥＧＲ率を低めることができる。なお、吸気管１２には、ＥＧＲ管２０との接続部の上流側で吸入空気を適宜絞るための吸気絞り弁２３が設けられる。

このエンジンを電子制御するためのＥＣＵ（制御装置）２６が設けられる。ＥＣＵ２６は各種センサ類からエンジンの運転状態を読み取り、そのエンジン運転状態に基づいてインジェクタ９、ＥＧＲ弁２１、吸気絞り弁２３等を制御する。前記センサ類としては、アクセル開度（エンジン負荷）を検出するアクセル開度センサ１４、エンジンの回転速度を検出するエンジン回転センサ１５、エンジンのクランク軸（図示せず）の角度を検出するクランク角度センサ１６、コモンレール２４内の燃料圧力を検出するコモンレール圧センサ１７等が含まれ、それら各センサの検出値がＥＣＵ２６に入力される。

さて、本実施形態のＥＣＵ２６は、エンジンの運転状態に基づいて予混合燃焼と通常燃焼とを切り換えるものである。

即ち、ＥＣＵ２６は、エンジンの運転状態が予め設定された第一運転領域（比較的低負荷領域）であるときは、燃料の噴射終了後に予混合気が着火する予混合燃焼を実現させるべく、インジェクタ９により圧縮上死点近傍よりも前（例えば４０〜２０°ＢＴＤＣ程度）に早期メイン噴射を実行させると共にＥＧＲ装置１９により比較的多量のＥＧＲを実行させる予混合燃焼制御を実行し、エンジンの運転状態が予め設定された第二運転領域（第一運転領域よりも高負荷領域）であるときは、燃料がその噴射中に着火する通常燃焼を実現させるべく、インジェクタ９により圧縮上死点近傍で行う比較的多量のメイン噴射と、メイン噴射よりも前に行う比較的少量のパイロット噴射とを実行させると共にＥＧＲ装置１９により予混合燃焼のときよりも少量のＥＧＲを実行させる通常燃焼制御を実行する。

ＥＣＵ２６には、エンジンの運転状態毎に燃料噴射時期、燃料噴射量（燃料噴射期間）、ＥＧＲ率（あるいはＥＧＲ装置１９のＥＧＲ弁２１に対する制御量）等の目標値（最適値）を定めたマップが予め入力される。ＥＣＵ２６は、アクセル開度センサ１４やエンジン回転センサ１５等の検出値に基づいてマップから燃料噴射時期、燃料噴射量及びＥＧＲ率等の目標値を決定し、それらに従ってインジェクタ９、ＥＧＲ装置１９等を制御する。第一運転領域（予混合燃焼制御の実行領域）では早期メイン噴射の目標燃料噴射時期が上死点近傍よりも早期、目標ＥＧＲ率が比較的高く設定され、第二運転領域（通常燃焼制御の実行領域）ではメイン噴射の目標燃料噴射時期が上死点近傍、パイロット噴射の目標燃料噴射時期がメイン噴射の噴射時期よりも早期、目標ＥＧＲ率が比較的低く設定される。

「発明が解決しようとする課題」の欄で説明したように、予混合燃焼と通常燃焼とでは目標ＥＧＲ率（最適なＥＧＲ率）に比較的大きな隔たりがある。これを図２を用いて説明する。

図２は、エンジンの運転状態毎に目標ＥＧＲ率を定めたマップであり、図のラインＡが予混合燃焼と通常燃焼との切換ラインである。即ち、ラインＡよりも下側の領域が第一運転領域（以下予混合燃焼制御領域という）であり、ラインＡから上側の領域が第二運転領域（以下通常燃焼制御領域という）である。

図から分かるように、予混合燃焼制御領域では、目標ＥＧＲ率が比較的高く（図例では５０〜６０％）設定される。これは、多量のＥＧＲを実行することで予混合期間を充分に確保し、良好な排気ガス及び燃費を得るためである。予混合燃焼制御領域では、エンジン負荷が大きくなる程、目標ＥＧＲ率が高く設定される。従って、切換ラインＡ近傍で目標ＥＧＲ率は最大（ここでは６０％）となる。

一方、通常燃焼制御領域では、目標ＥＧＲ率は予混合燃焼制御領域と比較して低く設定される（図例では５〜３０％）。これは、酸素不足によるスモークの発生を回避するためである。通常燃焼制御領域では、エンジン負荷が低くなる程、目標ＥＧＲ率が高く設定される。従って、切換ラインＡ近傍で目標ＥＧＲ率は最大（ここでは３０％）となる。本実施形態では、通常燃焼制御領域の最大目標ＥＧＲ率（３０％）が予混合燃焼制御領域の最低目標ＥＧＲ率（５０％）よりも低く設定される。

このように、予混合燃焼制御領域と通常燃焼制御領域とで目標ＥＧＲ率に比較的大きな隔たりがあるため、切換ラインＡの両側で目標ＥＧＲ率が比較的大きく異なる。図２に示した例では、切換ラインＡの両側で目標ＥＧＲ率が３０％も異なっている。このため、エンジンの運転状態がラインＡを横切るように変化して予混合燃焼と通常燃焼とを切り換えるときに、ＥＧＲ弁２１の弁開度を変化させてＥＧＲ率を大きく低減又は増加させる必要が生じる。

ところが、ＥＧＲガス及び吸入空気が圧縮性を有することや、ＥＧＲ弁２１から燃焼室１０までの吸気経路に伴う容積部分が存在することなどから、ＥＧＲ弁２１を変化させても実際のＥＧＲ率は迅速には変化せず、ある程度の時間遅れ期間を経て目標ＥＧＲ率まで変化する。従って、予混合燃焼と通常燃焼とを切り換えるときに燃料噴射時期及び燃料噴射量を瞬時に切り換えてしまうと、ＥＧＲ率と燃料噴射時期及び量とにミスマッチが生じ、排気ガスや燃費の悪化を招いてしまう。

そこで、本実施形態のディーゼルエンジンは、予混合燃焼と通常燃焼とを切り換えるときに、実際のＥＧＲ率と燃料噴射時期及び量との関係の適正化を図り、排気ガスや燃費の悪化を防止すべく工夫がなされている。以下図３を用いて、この点を説明する。

図３は、エンジンの運転状態が予混合燃焼制御領域から通常燃焼制御領域に移行した場合を示す図であり、その右端から左側に向かって、燃料噴射量、ＥＧＲ率、筒内（燃焼室１０内）の熱発生パターン、燃料噴射制御パターン（燃料噴射時期及び燃料噴射期間）の変化を示す図が順に並んでいる。図の縦軸が時間であり、各図において上から下に向かって時間が流れることを意味する。また、各図間で同一水平線上に位置するものは、同一時刻での状態を表している。

図３は、図の時刻ｔ０においてエンジンの運転状態が予混合燃焼制御領域から通常燃焼制御領域に移行した場合を示している。ここでは、変化前の運転状態（予混合燃焼制御領域）での目標ＥＧＲ率が６０％、目標燃料噴射量が２０ｍｍ³ ／ｓｔであり、変化後の運転状態（通常燃焼制御領域）での目標ＥＧＲ率が２０％、目標燃料噴射量が６０ｍｍ³ ／ｓｔである。つまり、時刻ｔ０においてＥＧＲ率を４０％低減し、燃料噴射量を４０ｍｍ³ ／ｓｔ増量する必要が生じたことになる。

さて、時刻ｔ０にてエンジンの運転状態が予混合燃焼制御領域から通常燃焼制御領域に移行すると、ＥＣＵ２６はまず、ＥＧＲ弁２１を閉方向に作動してＥＧＲ率を低減させる。このとき、ＥＧＲ率は瞬時に低減するのではなく、ある程度の期間（時刻ｔ０〜ｔ３）を経て目標ＥＧＲ率まで低減する。

そこでＥＣＵ２６は、時刻ｔ０で直ちに燃料噴射制御を予混合燃焼制御の状態（早期メイン噴射）から通常燃焼制御の状態（パイロット噴射＋メイン噴射）に切り換えるのではなく、ＥＧＲ率が第一所定値Ｅ１（例えば５０％）以下となるまで（第一条件が成立するまで）は燃料噴射制御を予混合燃焼制御の状態に維持する。つまり、エンジンの運転状態が予混合燃焼制御領域から通常燃焼制御領域に移行したときに、まず燃料噴射制御を予混合燃焼制御の状態に維持したまま、ＥＧＲ制御のみを通常燃焼制御の状態に切り換えるのである。これにより、高ＥＧＲ下で通常燃焼が行われることを防止してスモークの発生を防止する。

燃料噴射制御の状態を予混合燃焼制御に維持する間（時刻ｔ０〜ｔ１）は、ＥＧＲ率の低減に伴って予混合気の予混合期間が短くなる。そこで、ＥＣＵ２６はＥＧＲ率の低減に応じて早期メイン噴射Ｍ１の噴射開始時期を遅角側に補正し、予混合気の着火時期を目標とする最適着火時期（基本的には上死点近傍）に常に維持する。これにより、不適切な着火時期に伴う排気ガス及び燃費の悪化を回避する。

本実施形態では予混合気の実際のＥＧＲ率は、予混合気の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ２８（図１参照）の検出値に基づいてＥＣＵ２６が決定する。つまり本実施形態では、酸素濃度センサ２８が本願の「特許請求の範囲」における「第一手段」の一部を構成する。

図３から分かるように、ＥＣＵ２６は燃料噴射制御を予混合燃焼制御の状態に維持する間は、燃料噴射量の増量制御は実行しない。「発明が解決しようとする課題」の欄で説明したように、燃料噴射量の多い状態で予混合燃焼を実行することは好ましくないからである。

さて、上述したＥＧＲ率の第一所定値Ｅ１は、予混合燃焼を維持することが困難となる値、若しくはそれよりも若干高い値に設定される。つまり、ＥＧＲ率がある程度まで低下すると予混合期間が極めて短くなり、予混合燃焼を維持できなくなるので、予混合燃焼を維持できるぎりぎりのＥＧＲ率を予め試験などにより求めておき第一所定値Ｅ１を設定する。

酸素濃度センサ２８の検出値に基づいて決定される実際のＥＧＲ率が第一所定値Ｅ１以下となったならば、ＥＣＵ２６は予混合燃焼を維持することが困難であると判断し、燃料噴射制御を予混合燃焼制御の状態から通常燃焼制御の状態に切り換える（時刻ｔ１）。

本実施形態では、ＥＣＵ２６は燃料噴射制御を予混合燃焼制御から通常燃焼制御に切り換える場合、ＥＧＲ率が第二所定値Ｅ２（例えば３０％）以下となるまで（第二条件が成立するまで）は、パイロット噴射Ｐ１を通常のパイロット噴射よりも少量かつ早期（例えば３０〜２５°ＢＴＤＣ）に行う。より具体的には、パイロット噴射Ｐ１の噴射時期を、そのパイロット噴射Ｐ１で噴射される燃料がメイン噴射Ｍ２の噴射時期（ここでは圧縮上死点以降）まで着火しないような時期に設定する。

このように、パイロット噴射Ｐ１の噴射時期を通常よりも少量かつ早期にすることで、パイロット噴射Ｐ１で噴射される燃料が充分に希薄・予混合化され、その後メイン噴射Ｍ２により噴射される燃料が相当の着火遅れ期間を経て緩やかに燃焼するため、スモークやＮＯｘ等の発生を防止できる。

本実施形態では、早期パイロット噴射Ｐ１の噴射開始時期及び噴射期間（噴射量）を、早期パイロット噴射Ｐ１による最大熱発生率が６０ｋＪ／ｓ以下となるように設定する。ここで、早期パイロット噴射Ｐ１の噴射開始時期が早すぎると、ピストン４がかなり下方に位置した状態で燃料が噴射され、燃料がシリンダ２の側壁等に付着して未燃ＨＣが発生してしまう。従って、早期パイロット噴射Ｐ１の噴射開始時期は、噴射された燃料がピストン４のキャビティ１１内に入る範囲内で設定することが好ましい。

一方、メイン噴射Ｍ２の噴射開始時期は、早期パイロット噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｍ２で噴射される燃料が目標とする最適着火時期（基本的には上死点近傍又は上死点より若干遅角側）となるように設定される。ＥＧＲ率の低減に伴って着火遅れ期間が短くなるので、ＥＣＵ２６はＥＧＲ率の低減に応じてメイン噴射Ｍ２の噴射開始時期を遅角側に補正する。

図から分かるように、ＥＣＵ２６は早期パイロット噴射Ｐ１を実行する間（時刻ｔ１〜ｔ２）は燃料噴射量の増量制御は実行しない。

上述したＥＧＲ率の第二所定値Ｅ２は、早期パイロット噴射Ｐ１により噴射される燃料がメイン噴射Ｍ２の噴射時期まで着火しないようにすることが困難となる値、若しくはそれよりも若干高い値に設定される。つまり、ＥＧＲ率がある程度まで低下すると早期パイロット噴射Ｐ１により噴射された燃料がメイン噴射Ｍ２の噴射前に着火してしまうようになるので、そのときのＥＧＲ率を予め試験などにより求めておき第二所定値Ｅ２を設定する。

ＥＧＲ率が第二所定値Ｅ２まで低減したならば、ＥＣＵ２６はパイロット噴射Ｐ２の噴射量及び噴射時期を通常のパイロット噴射と同等にする。通常のパイロット噴射の噴射量及び時期とは、パイロット噴射Ｐ２で噴射される燃料がメイン噴射Ｍ３の噴射前に着火して火種となるような量及び時期であり、メイン噴射Ｍ３で噴射された燃料はパイロット噴射Ｐ２による火種を基に燃焼する。この燃焼形態が、「背景技術」の欄で説明した一般的な燃焼形態である。

ＥＣＵ２６は、ＥＧＲ率が第二所定値Ｅ２まで低減したならば、つまり、パイロット噴射Ｐ２の噴射量及び噴射時期を通常のパイロット噴射と同等としたならば、燃料噴射量の増量制御を開始する。本実施形態では、ＥＣＵ２６は燃料噴射量を瞬時に目標燃料噴射量まで増量するのではなく、実際のＥＧＲ率の低減に合わせて徐々に増量し、実際のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率（２０％）に達するのとほぼ同時に燃料噴射量を目標燃料噴射量（６０ｍｍ³ ／ｓｔ）に一致させる。また本実施形態では、燃料噴射量の増量はメイン噴射Ｍ３の噴射量（噴射期間）のみを増量して行う。

時刻ｔ３において、実際のＥＧＲ率及び燃料噴射量がそれぞれ目標値と一致したならば、予混合燃焼から通常燃焼への切り換えが完了する。以上の切換制御は、実際には数サイクル程度の短期間で行われるものである。

以上説明してきたように、本実施形態のディーゼルエンジンでは、予混合燃焼から通常燃焼に切り換えるときに、実際のＥＧＲ率の変化に合わせて燃料噴射制御を切り換えるようにしているので、ＥＧＲ率と燃料噴射時期及び量との関係を適切に維持でき、排気ガスや燃費の悪化等を回避できる。

つまり、ＥＧＲ率の低減開始直後はＥＧＲ率がまだ比較的高いので、燃料噴射制御は予混合燃焼制御の状態に維持してスモークの発生を防止する。また、ＥＧＲ率の低減に合わせて早期メイン噴射Ｍ１の噴射開始時期を遅角化して着火時期の適正化を図り、燃費及び排気ガスの悪化を防止する。

そして、ＥＧＲ率がある程度（第一所定値Ｅ１以下）まで低減したならば予混合燃焼を維持することが困難となるので燃料噴射制御を通常燃焼制御の状態に切り換える。この切換直後は一時的に、パイロット噴射Ｐ１の噴射時期を通常よりも早期にしてスモーク及びＮＯｘを抑制する。また、ＥＧＲ率の低減に合わせてメイン噴射Ｍ２の噴射開始時期を遅角化して着火時期の適正化を図る。

そして、ＥＧＲ率が充分に低下（第二所定値Ｅ２以下）したならば、パイロット噴射Ｐ２の噴射時期を通常の噴射時期とする。またこのとき、ＥＧＲ率の低減に合わせて燃料噴射量を増量して、ＥＧＲ率と燃料噴射量との関係の適正化を図りスモーク等の発生を防止する。

ところで、エンジンの運転状態が通常燃焼制御領域から予混合燃焼制御領域に切り換わったときは、上記と逆に、図３において下（時刻ｔ３）から上（時刻ｔ０）に向かうように制御することになる。

つまり、時刻ｔ３でエンジンの運転状態が通常燃焼制御領域（第二運転領域）から予混合燃焼制御領域（第一運転領域）に移行したとすると、ＥＣＵ２６はまず、燃料噴射制御を通常燃焼制御の状態に維持したままＥＧＲ制御のみを予混合燃焼制御の状態に切り換える。つまり、ＥＧＲ弁２１を開方向に制御してＥＧＲ率を上昇させる一方で、燃料噴射制御は通常燃焼制御の噴射パターン（パイロット噴射Ｐ２＋メイン噴射Ｍ３）を維持する。また、燃料噴射制御を通常燃焼制御の状態に維持する間、ＥＧＲ率の上昇に合わせて燃料噴射量の減少制御を行う。

その後、時刻ｔ２にて酸素濃度センサ２８の検出値に基づいて決定される実際のＥＧＲ率が第二所定値Ｅ２を越えたならば、ＥＣＵ２６は通常燃焼制御におけるパイロット噴射Ｐ１の噴射時期を通常よりも早期にする。一方、ＥＧＲ率の上昇に合わせてメイン噴射Ｍ２の噴射開始時期を進角側に補正し、着火時期を目標とする最適着火時期に常に維持する。

そして、時刻ｔ１にて実際のＥＧＲ率が第一所定値Ｅ１を越えたならば、ＥＣＵ２６は燃料噴射制御を通常燃焼制御の状態から予混合燃焼制御の状態（早期メイン噴射Ｍ１）に切り換える。予混合燃焼制御の状態に切り換えた後は、実際のＥＧＲ率の上昇に合わせてメイン噴射Ｍ１の噴射開始時期を進角側に補正し、着火時期を目標とする最適着火時期に常に維持する。そして、時刻ｔ０にて実際のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率と一致すると、予混合燃焼への切り換えが完了する。

このように、本実施形態のディーゼルエンジンによれば、通常燃焼から予混合燃焼へ切り換えるときにも、ＥＧＲ率と燃料噴射時期及び量との関係の適正化を図れ、排気ガスや燃費の悪化を防止できる。

本発明は以上説明した実施形態に限定はされない。

例えば、上記実施形態では、酸素濃度センサ２８の検出値に基づいて決定される実際のＥＧＲ率に基づいて早期メイン噴射Ｍ１及びメイン噴射Ｍ２の噴射時期を補正するとしたが、本発明はこの点において限定されない。即ち、噴射時期の補正の目的は着火時期の適正化にあるので、混合気の実際の着火時期を検出する手段を設け、その手段により検出される着火時期が予め定めた目標着火時期と一致するようにこれら噴射Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３の噴射時期を補正（フィードバック制御）しても良い。この場合も、結果としてＥＧＲ率の変化に合わせて噴射時期を補正することになる。

着火時期を検出する手段としては、シリンダブロックに取り付けられたノックセンサ３１（図１参照）、筒内圧センサ、イオンセンサ等を用いることができる。

また、上記実施形態では酸素濃度センサ２８の検出値に基づいて決定される実際のＥＧＲ率に基づいて、予混合燃焼を維持することが困難であるか否かを判断し、燃料噴射制御を切り換えると説明したが、本発明はこの点において限定されない。例えば、予混合気の予混合期間を決定する手段を設け、その手段により決定される実際の予混合期間に基づいて、予混合燃焼を維持することが困難であるか否かを判断しても良い。例えば、実際の予混合期間が予め定められた所定期間（例えば８°ＣＡ）よりも短くなったときに、予混合燃焼を維持することが困難になったと判断して通常燃焼制御へと切り換えるようにしても良い。この予混合期間を決定する手段が、本願の「特許請求の範囲」における「第二手段」に相当するものである。

予混合期間を決定する手段は、早期メイン噴射Ｍ１の噴射終了時期を検出する手段、上述した着火時期を検出する手段、ＥＣＵ２６に内蔵されたタイマ等で構成することができる。

噴射終了時期を検出する手段としては、ＥＣＵ２６を用いることができる。つまり、ＥＣＵ２６が決定した早期メイン噴射Ｍ１の噴射開始時期と噴射期間とに基づいて噴射終了時期を決定する。あるいは、コモンレール圧センサ２４の検出値や、インジェクタ９のニードル弁のシフト量を検出するセンサの検出値等に基づいて噴射終了時期を判断することもできる。

そして、ＥＣＵ２６のタイマにより、噴射終了時期検出手段により検出される早期メイン噴射Ｍ１の噴射終了時期から着火時期検出手段により検出される予混合気の着火時期までの期間を計測すれば、実際の予混合期間を決定することができる。

また、上記実施形態ではＥＧＲ率が第二所定値Ｅ２以下又は以上となった後に燃料噴射量の変更（増量又は減量）を行うとしたが、本発明は燃料噴射量の変更時期に制約はない。

また、上記実施形態では燃料噴射制御を予混合燃焼制御の状態から通常燃焼制御の状態に切り換える際、及び通常燃焼制御の状態から予混合燃焼制御の状態に切り換える際に、パイロット噴射の噴射時期を一時的に進角化するとして説明したが、本発明はこの点において限定されず、通常燃焼制御のパイロット噴射の噴射時期を常に通常通りとしても良い。

また、上記実施形態ではＥＧＲ装置１９は外部ＥＧＲ装置であるが、本発明はこの点において限定されず、排気弁８又は吸気弁７の開閉タイミングを制御して、排気ガスの一部を燃焼室１０内に戻す又は留める内部ＥＧＲ装置を用いることもできる。

更に、上記実施形態では通常燃焼制御では、パイロット噴射とメイン噴射とを行うとして説明したが、本発明は通常燃焼制御における燃料噴射パターンに制約はない。例えば、メイン噴射のみを行うようにしても良いし、メイン噴射の後に、未燃燃料を燃焼させるためのアフター噴射等を実行するようにしても良い。

本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの概略図である。 エンジンの運転状態毎に目標ＥＧＲ率を定めたマップである。 本発明の一実施形態のディーゼルエンジンにおいて、予混合燃焼と通常燃焼とを切り換える際の、燃料噴射パターン、熱発生率パターン、ＥＧＲ率及び燃料噴射量の変化の一例を示す図である。

符号の説明

１ エンジン本体
９ インジェクタ
１９ ＥＧＲ装置
２１ ＥＧＲ弁
２６ ＥＣＵ（制御装置）
２８ 酸素濃度センサ（第一手段）
３１ ノックセンサ

Claims (11)

1. 燃焼室内に燃料を噴射するための燃料噴射装置と、
   排気ガスの一部を燃焼室内に還流するためのＥＧＲ装置と、
   上記燃料噴射装置及びＥＧＲ装置を制御するための制御装置とを備え、
   上記制御装置は、
   エンジンの運転状態が予め設定された第一運転領域であるときは、燃料の噴射終了後に予混合気が着火する予混合燃焼を実現させるべく、上記燃料噴射装置により上死点近傍よりも前に早期メイン噴射を実行させると共に、上記ＥＧＲ装置により比較的多量のＥＧＲを実行させる予混合燃焼制御を実行し、
   エンジンの運転状態が予め設定された第二運転領域であるときは、燃料がその噴射中に着火する通常燃焼を実現させるべく、上記燃料噴射装置により少なくとも上死点近傍のメイン噴射を実行させると共に、上記ＥＧＲ装置により上記予混合燃焼制御のときよりも少量のＥＧＲを実行させる通常燃焼制御を実行するものであり、
   上記制御装置は、エンジンの運転状態が上記第一運転領域から上記第二運転領域に移行したときに、まず燃料噴射制御を予混合燃焼制御の状態に維持したままＥＧＲ制御のみを通常燃焼制御の状態に切り換え、その後、所定の第一条件が成立したならば燃料噴射制御を上記通常燃焼制御の状態に切り換える
   ことを特徴とするディーゼルエンジン。
2. 実際のＥＧＲ率を検出する第一手段を備え、
   上記制御装置は、上記第一手段により検出される実際のＥＧＲ率が第一所定値以下となったときに上記所定の第一条件が成立したとする請求項１記載のディーゼルエンジン。
3. 上記第一手段が、予混合気の酸素濃度を検出する手段を含む請求項２記載のディーゼルエンジン。
4. 燃料の噴射が終了してから着火するまでの予混合期間を検出する第二手段を備え、
   上記制御装置は、上記第二手段により検出される予混合期間が所定期間よりも短くなったときに上記所定の第一条件が成立したとする請求項１記載のディーゼルエンジン。
5. 実際のＥＧＲ率を検出する第一手段を備え、
   上記制御装置は、燃料噴射制御を予混合燃焼制御の状態に維持する間、第一手段により検出される実際のＥＧＲ率に応じて上記早期メイン噴射の噴射時期を補正し、予混合気の着火時期を常に目標着火時期に維持する請求項１〜４いずれかに記載のディーゼルエンジン。
6. 上記制御装置は、上記通常燃焼制御を実行する場合、上死点近傍で行う上記メイン噴射と、そのメイン噴射よりも前に行うパイロット噴射とを実行するものであり、
   燃料噴射制御を上記予混合燃焼制御の状態から上記通常燃焼制御の状態に切り換える場合、まず、上記パイロット噴射の噴射時期を、パイロット噴射により噴射される燃料が上記メイン噴射の噴射時期まで着火しないような時期に設定し、その後、所定の第二条件が成立したならば、上記パイロット噴射の噴射時期を、パイロット噴射により噴射される燃料が上記メイン噴射の噴射時期よりも前に着火するような時期に設定する請求項１〜５いずれかに記載のディーゼルエンジン。
7. 実際のＥＧＲ率を検出する第一手段を備え、
   上記制御装置は、上記第一手段により検出されるＥＧＲ率が第二所定値以下となったときに上記所定の第二条件が成立したとする請求項６記載のディーゼルエンジン。
8. 上記制御装置は、燃料噴射制御を上記予混合燃焼制御の状態から上記通常燃焼制御の状態に切り換える場合、上記所定の第二条件が成立した後に燃料噴射量の変更を行う請求項６又は７記載のディーゼルエンジン。
9. 上記第一運転領域が上記第二運転領域よりも低負荷領域である請求項１〜８いずれかに記載のディーゼルエンジン。
10. 燃焼室内に燃料を噴射するための燃料噴射装置と、
    排気ガスの一部を燃焼室内に還流するためのＥＧＲ装置と、
    上記燃料噴射装置及びＥＧＲ装置を制御するための制御装置とを備え、
    上記制御装置は、
    エンジンの運転状態が予め設定された第一運転領域であるときは、燃料の噴射終了後に予混合気が着火する予混合燃焼を実現させるべく、上記燃料噴射装置により上死点近傍よりも前に早期メイン噴射を実行させると共に、上記ＥＧＲ装置により比較的多量のＥＧＲを実行させる予混合燃焼制御を実行し、
    エンジンの運転状態が予め設定された第二運転領域であるときは、燃料がその噴射中に着火する通常燃焼を実現させるべく、上記燃料噴射装置により少なくとも上死点近傍のメイン噴射を実行させると共に、上記ＥＧＲ装置により上記予混合燃焼制御のときよりも少量のＥＧＲを実行させる通常燃焼制御を実行するものであり、
    上記制御装置は、エンジンの運転状態が上記第二運転領域から上記第一運転領域に移行したときに、まず燃料噴射制御を通常燃焼制御の状態に維持したままＥＧＲ制御のみを予混合燃焼制御の状態に切り換え、その後、所定の条件が成立したならば燃料噴射制御を上記予混合燃焼制御の状態に切り換える
    ことを特徴とするディーゼルエンジン。
11. 実際のＥＧＲ率を検出する第一手段を備え、
    上記制御装置は、上記第一手段により検出される実際のＥＧＲ率が第一所定値を越えたときに上記所定の条件が成立したとする請求項１０記載のディーゼルエンジン。
    

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