JP2006250029A - ディーゼルエンジン及びその燃焼制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 予混合燃焼を実行可能な運転領域を拡大する。
【解決手段】 エンジンの運転状態が、予め定められた第一の運転状態よりも低負荷であるときには、第一吸気行程と、第一圧縮行程と、ピストン４の圧縮上死点よりも前に燃料噴射を行い、燃料噴射の終了後、噴射した燃料の一部を燃焼させる第一膨張行程と、第一膨張行程にて発生した既燃ガスと未燃燃料とをシリンダ２内に残留させたまま吸気弁７を開いてシリンダ２内に吸気を再び導入する第二吸気行程と、吸気弁７を閉じて混合気を圧縮する第二圧縮行程と、ピストン４の圧縮上死点近傍において混合気を着火させて、その後、未燃燃料を燃焼させる第二膨張行程と、排気弁８を開いてシリンダ２内ガスを排気する排気行程とを備える６サイクル予混合燃焼運転を実行するものである。
【選択図】 図２

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拡散燃焼とを切り換えるディーゼルエンジン及びその燃焼制御方法に関するものである。

シリンダ内に燃料を直接噴射する４サイクルディーゼルエンジンでは、シリンダ内が高温・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、燃料の噴射中に着火が始まって火炎が形成され、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。このように、燃料の噴射中に着火が始まる燃焼形態は一般的に拡散燃焼と称されているが、この拡散燃焼ではＮＯｘやスモーク等が発生するという問題が指摘されている。

そこで、燃料の噴射時期をピストンの圧縮上死点よりも前にして、燃料の噴射終了後に混合気が着火する（言い換えれば、混合気の着火前に燃料の噴射が終了する）予混合燃焼と称される燃料形態を実現させることが提案されている（特許文献１参照）。

予混合燃焼では、燃料の噴射終了後、ある程度の期間（予混合期間）を経て混合気が着火するので、着火までに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排出量が低減するうえ、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。特に、燃料噴射の早期化に併せてＥＧＲ（排気ガス再循環）を実行して混合気の酸素濃度を下げることで、ＮＯｘ低減効果を高めることができる上、予混合期間及び着火時期の適正化を図ることが可能となる。

特開２００３−８３１１９号公報 特開平４−６０１１７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、燃料噴射量の多い高回転・高負荷領域では実行できないという問題があった。

高回転・高負荷領域で予混合燃焼を実行するためには、燃料噴射量に見合うだけの多量の酸素をシリンダ内に供給しつつ、シリンダ内の混合気を低酸素濃度に維持してディーゼルノックを抑制する必要がある。つまり、高回転・高負荷領域で予混合燃焼を実行するためには、多量の空気（新気）と多量の不活性ガス（ＥＧＲガス）とをシリンダ内に導入する必要があるが、現時点ではこれを達成するような吸気システム又は過給システムが確立されていない。

また、予混合燃焼を高回転・高負荷領域で実行できない他の理由としては、噴射された燃料が全て混合された後に燃焼する予混合燃焼では、筒内最高圧力が拡散燃焼と比べて高くなるため、燃料噴射量の多い高回転・高負荷領域で実行すると、筒内最高圧力がエンジンの許容最大筒内圧力を越えてしまう点が挙げられる。こうなると、エンジンの大幅な設計変更が必要となり、コストが増大してしまう。

そこで、特許文献１にも示されるように、エンジンの運転状態が低回転・低負荷領域であるときには予混合燃焼を実行し、高回転・高負荷領域であるときには拡散燃焼を実行することが提案されている。しかしながら、上述したように拡散燃焼ではＮＯｘ等の排出量が予混合燃焼と比べて多くなるため、予混合燃焼を実行できる運転領域を少しでも拡げることが望まれている。

また、拡散燃焼を実行する運転領域が広いと、排気ガスを浄化するための後処理装置として大型かつ高性能のものが必要となりコストが増大する上、後処理装置のフィルターを再生するための特別な燃料噴射を行う回数が多くなるため、燃費が悪化するという問題もある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、予混合燃焼を実行可能な運転領域を拡大することにある。

上記目的を達成するために本発明は、任意のタイミング及び量でシリンダ内に燃料を噴射可能な燃料噴射装置と、任意のタイミングで開閉可能な可変式の吸気弁及び排気弁と、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、上記運転状態検出手段により検出される運転状態に基づいて、上記燃料噴射装置、吸気弁及び排気弁を制御する制御装置と、を有するディーゼルエンジンにおいて、上記制御装置は、上記運転状態検出手段により検出された運転状態が、予め定められた第一の運転状態よりも低負荷であるときには、上記吸気弁を開いてシリンダ内に吸気を導入する第一吸気行程と、上記吸気弁を閉じて、上昇するピストンにより吸気を圧縮する第一圧縮行程と、ピストンの圧縮上死点よりも前に上記燃料噴射装置による燃料噴射を行い、その燃料噴射の終了後、ピストンの圧縮上死点近傍で混合気を着火させて、噴射した燃料の一部を燃焼させる第一膨張行程と、上記第一膨張行程にて発生した既燃ガスと未燃燃料とをシリンダ内に残留させたまま上記吸気弁を開いてシリンダ内に吸気を再び導入する第二吸気行程と、上記吸気弁を閉じて、上昇するピストンによりシリンダ内の混合気を圧縮する第二圧縮行程と、上記ピストンの圧縮上死点近傍において上記混合気を着火させて、その後、上記未燃燃料を燃焼させる第二膨張行程と、上記排気弁を開いてシリンダ内ガスを排気する排気行程とを備える６サイクル予混合燃焼運転を実行するものである。

ここで、上記制御装置は、上記６サイクル予混合燃焼運転を実行する場合、上記第一膨張行程における混合気の当量比が１よりも大きくなるように、上記燃料噴射装置による燃料の噴射量を制御するようにしても良い。

また、上記制御装置は、上記６サイクル予混合燃焼運転を実行する場合、エンジンのクランクシャフトが一回転する間に上記第一吸気行程及び第一圧縮行程を実行し、クランクシャフトが次の一回転する間に上記第一膨張行程、第二吸気行程及び第二圧縮行程を実行し、クランクシャフトが更に次の一回転する間に上記第二膨張行程及び排気行程を実行するようにしても良い。

また、上記制御装置は、上記６サイクル予混合燃焼運転を実行する場合、上記燃料噴射装置による燃料噴射をピストンの圧縮上死点前３０度以降に開始するようにしても良い。

また、吸気を加圧するための過給装置をさらに備え、その過給装置は、少なくとも上記６サイクル予混合燃焼運転が実行されるときには吸気を加圧するようにしても良い。

また、上記制御装置は、上記運転状態検出手段により検出された運転状態が、上記第一の運転状態よりも低負荷領域に定められた第二の運転状態よりも低負荷であるときには、上記吸気弁を開いてシリンダ内に吸気を導入する吸気行程と、上記吸気弁を閉じて、上昇するピストンにより吸気を圧縮する圧縮行程と、ピストンの圧縮上死点よりも前に上記燃料噴射装置による燃料噴射を行い、その燃料噴射の終了後、ピストンの圧縮上死点近傍で混合気を着火させて、噴射した燃料のほぼ全てを燃焼させる膨張行程と、上記排気弁を開いてシリンダ内ガスを排気する排気行程とを備える４サイクル予混合燃焼運転を実行するようにしても良い。

また、上記制御装置は、上記運転状態検出手段により検出された運転状態が、上記第一の運転状態よりも高負荷であるときには、
上記吸気弁を開いてシリンダ内に吸気を導入する吸気行程と、上記吸気弁を閉じて、上昇するピストンにより吸気を圧縮する圧縮行程と、ピストンの圧縮上死点近傍で上記燃料噴射装置による燃料噴射を行い、燃料の噴射中に混合気を着火させる膨張行程と、上記排気弁を開いてシリンダ内ガスを排気する排気行程とを備える４サイクル拡散燃焼運転を実行するようにしても良い。

更に本発明は、導入した吸気をピストンにより圧縮し、その圧縮上死点よりも前に燃料噴射を行うと共に、そのときの混合気の当量比を１よりも大きくして噴射した燃料の一部のみを燃焼させ、その後、既燃ガス及び未燃燃料の排気を行わずに吸気を再導入して混合気の当量比を１以下とし、上記未燃燃料のほぼ全てを燃焼させるものである。

本発明によれば、予混合燃焼を実行可能な運転領域を従来よりも拡大できるという優れた効果を発揮するものである。

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は本実施形態に係るディーゼルエンジンの概略図である。なお、図１では明瞭化のため単気筒エンジンとして示しているが、本発明はエンジンの気筒数に関わらず適用可能なものである。

図中１はエンジン本体であり、このエンジン本体１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（燃料噴射装置）等を備えている。シリンダ２、シリンダヘッド３及びピストン４で囲まれた空間に燃焼室１０が形成される。ピストン４の頂部にはキャビティ１１が凹設されており、燃焼室１０内に臨んで設けられたインジェクタ９からキャビティ１１に向かって燃料が直接噴射される。インジェクタ９の燃料噴射角度は、後述する拡散燃焼運転時及び予混合燃焼運転時にかかわらず、噴射された燃料が常にキャビティ１１内に到達するように設計される。これは、燃料がシリンダ２の側壁等に付着すると未燃ＨＣとして排出されるおそれがあるからである。

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（例えば、２０〜２００ＭＰａ）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。

吸気弁７及び排気弁８はそれぞれ可変バルブ機構７ａ，８ａを備えており、その開閉タイミングを任意に調節できるようになっている。つまり、本実施形態のエンジンの吸気弁７及び排気弁８は、任意のタイミングで開閉可能な可変式の吸気弁及び排気弁である。

吸気ポート５及び排気ポート６はそれぞれ、吸気管１２及び排気管１３に接続されており、これら吸気管１２及び排気管１３にはターボチャージャ１４（過給装置）が介設される。

ターボチャージャ１４は、排気管１３に設けられたタービン１５と、吸気管１２に設けられたコンプレッサ１６とを備え、排気のエネルギを利用して吸気を加圧できるようになっている。コンプレッサ１６の上流側には吸気流量を検出するための吸気量センサ１７が設けられ、下流側には吸気を冷却するためのインタクーラ１８が設けられる。

排気管１３におけるタービン１５よりも下流側には、排気ガス後処理装置としての連続再生式ＤＰＦ３２が設けられる。連続再生式ＤＰＦ３２は、排気ガス中のＮＯをＮＯ₂ に酸化させる酸化触媒３０と、排気中のＰＭを捕集するＤＰＦ３１とからなり、エンジンの運転中に排気ガス中のＰＭをＤＰＦ３１にて捕集すると共に、酸化触媒３０から流入するＮＯ₂ によってこの捕集したＰＭを燃焼させてＤＰＦ３１の再生を行う。

酸化触媒３０は例えば、ハニカム状のコーディエライト、あるいは耐熱鋼からなる担体の表面に、活性アルミナ等をコートしてウォッシュコート層を形成し、このコート層に白金、パラジウム、あるいはロジウム等の貴金属からなる触媒活性成分を担持させたもの等が使用される。

ＤＰＦ３１は、例えば多孔質のコーディエライト、あるいは炭化珪素によって多数のセルが平行に形成され、セルの入口と出口が交互に閉鎖された、所謂ウォールフロー型と呼ばれるハニカムフィルタや、セラミック繊維をステンレス多孔管に何層にも巻き付けた繊維型フィルタが使用される。

本実施形態のエンジンは更に、排気管１３内を流れる排気ガスの一部を燃焼室１０内に還流するための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、このＥＧＲ管２０を通って燃焼室１０内に還流されるＥＧＲガス（排気ガス）の流量を調節するためのＥＧＲ弁２１と、ＥＧＲ弁２１の上流側にてＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２２とを備える。吸気管１２においては、ＥＧＲ管２０との接続部よりも上流側で吸気を適宜絞るための吸気絞り弁２３が設けられる。

このエンジンの各種装置を電子制御するためのＥＣＵ２６（制御装置）が設けられており、ＥＣＵ２６は各種センサ類の検出値に基づいてエンジンの運転状態を判断し、そのエンジン運転状態に基づいてインジェクタ９、可変バルブ機構７ａ，８ａ、ＥＧＲ弁２１、吸気絞り弁２３、高圧ポンプ２５等を制御する。センサ類としては上述した吸気量センサ１７の他、アクセル開度センサ３３、エンジン回転速度センサ３４、クランク角度センサ３５、コモンレール圧センサ３６等が含まれ、これらセンサーの検出値、つまり、吸気量、アクセル開度、エンジン回転速度、クランクシャフト角度、コモンレール圧等がＥＣＵ２６に送信される。

なお、本実施形態では、アクセル開度センサ３３及びエンジン回転速度センサ３４等が、「特許請求の範囲」における運転状態検出手段を構成する。

インジェクタ９は、ＥＣＵ２６によりＯＮ／ＯＦＦ制御される電磁ソレノイド（図示せず）を有しており、ＥＣＵ２６によってインジェクタ９による燃料噴射時期（タイミング）、噴射期間、噴射量などが任意に調節できるようになっている。ＥＣＵ２６は、エンジン回転速度センサ３４やアクセル開度センサ３３等の検出値に基づいて、燃料の噴射時期及び噴射期間などの目標値を決定し、それら目標値に従ってインジェクタ９の電磁ソレノイドをＯＮ／ＯＦＦする。噴射時期及び噴射期間などの目標値は、ＥＣＵ２６に予めマップ等の形式で入力される。

可変バルブ機構７ａ，８ａもまた、ＥＣＵ２６によりＯＮ／ＯＦＦ制御される電磁ソレノイド（図示せず）を有しており、ＥＣＵ２６により吸気弁７及び排気弁８の開放時期（タイミング）や開放期間などを任意に調節できるようになっている。ＥＣＵ２６は、クランク角度センサ３５等の検出値に基づいて可変バルブ機構７ａ，８ａの電磁ソレノイドをＯＮ／ＯＦＦする。

さて、本実施形態のエンジンは、アクセル開度センサ３３及びエンジン回転速度センサ３４等により検出されるエンジンの運転状態に基づいて、予混合燃焼と拡散燃焼とを切り換えるものである。

これを図３を用いて具体的に説明すると、本実施形態のエンジンのＥＣＵ２６は、アクセル開度センサ３３及びエンジン回転速度センサ３４等の検出値に基づいてマップ等から決定した「目標燃料噴射量Ｑ（エンジン負荷に相当）」と、「エンジン回転速度センサ３４の検出値Ｎｅ」とに基づいてエンジンの運転状態を判断し、その運転状態が、予め定められた第一の運転状態（切換ラインＡ）よりも高回転速度かつ高負荷であるときには、通常の（一般的な）４サイクル拡散燃焼運転を実行し、上記運転状態が、第一の運転状態（切換ラインＡ）よりも低回転速度かつ低負荷であって、かつ第一の運転状態よりも低回転速度かつ低負荷領域に定められた第二の運転状態（切換ラインＢ）よりも高回転速度かつ高負荷であるときには、後述する６サイクル予混合燃焼運転を実行し、上記運転状態が、第二の運転状態（切換ラインＢ）よりも低回転速度かつ低負荷であるときには、４サイクル予混合燃焼運転を実行する。

このように、ＥＣＵ２６は、エンジンの運転状態に応じて三つの運転形態を切り換える。各運転形態の内容については後程説明するが、４サイクル予混合燃焼運転を実行する領域（第二の運転状態よりも低回転速度・低負荷領域）は、４サイクル予混合燃焼運転を実行可能な全領域に設定される。即ち、第二の運転状態（切換ラインＢ）は、従来のディーゼルエンジンにおいて予混合燃焼を実行することが可能な限界ラインと等しい。

図３から分かるように、本実施形態のエンジンでは、第二の運転状態（切換ラインＢ）よりも高回転速度・高負荷領域であっても、第一の運転状態（切換ラインＡ）よりも低回転速度・低負荷領域であれば、６サイクル予混合燃焼運転を実行する。即ち、６サイクル予混合燃焼運転とは、４サイクル予混合燃焼運転よりも高回転速度・高負荷領域で実行することが可能なものであり、この運転形態を採用することで予混合燃焼運転領域を拡大することが可能になるのであるが、その理由については後程説明する。

以下、４サイクル拡散燃焼運転、６サイクル予混合燃焼運転、４サイクル予混合燃焼運転の順に各運転形態の内容を説明する。

＜４サイクル拡散燃焼運転＞
ＥＣＵ２６は、エンジンの運転状態が、予め定められた第一の運転状態（図３の切換ラインＡ）よりも高回転速度かつ高負荷である場合には、一般的なディーゼルエンジンが実行する４サイクル拡散燃焼運転を行う。

４サイクル拡散燃焼運転は、ピストン４の上死点（ＴＤＣ）近傍から下死点近傍にかけて吸気弁７を開いてシリンダ２内に吸気を導入する吸気行程と、ピストンの下死点近傍から上死点近傍にかけて吸気弁７を閉じて、上昇するピストン４により吸気を圧縮する圧縮行程と、ピストン４の圧縮上死点近傍でインジェクタ９による燃料噴射を行い、燃料の噴射中に混合気を着火させる膨張行程と、ピストン４の下死点近傍から上死点近傍にかけて排気弁８を開いてシリンダ２内のガス（既燃ガス）を排気する排気行程とで構成される。

４サイクル拡散燃焼運転では、エンジンのクランクシャフトが二回転する毎に、吸排気弁７，８の開放がそれぞれ一回ずつ行われ、インジェクタ９により噴射された燃料は、その噴射が終了する前に着火して火炎となり、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。

＜６サイクル予混合燃焼運転＞
ＥＣＵ２６は、エンジンの運転状態が、第一の運転状態（図３の切換ラインＡ）よりも低回転速度かつ低負荷であり、かつ第二の運転状態（図３の切換ラインＢ）よりも高回転速度かつ高負荷である場合、図２（ａ）に示すような、６サイクル予混合燃焼運転を実行する。

図から分かるように、６サイクル予混合燃焼運転は、ピストン４の上死点近傍から下死点近傍にかけて吸気弁７を開いて、シリンダ２内に吸気を導入する第一吸気行程と、ピストン４の下死点近傍から上死点近傍にかけて吸気弁７を閉じて、上昇するピストン４により吸気を圧縮する第一圧縮行程と、ピストン４の圧縮上死点よりも前にインジェクタ９による燃料噴射を行い、その燃料噴射の終了後、ピストン４の圧縮上死点近傍で混合気を着火させて、噴射した燃料の一部を燃焼させる第一膨張行程と、ピストン４の下死点よりも所定期間（所定角度）前から下死点後の所定期間にかけて吸気弁７を開いて、第一膨張行程で発生した既燃ガスと未燃燃料とをシリンダ２内に残留させたままシリンダ２内に吸気を再び導入する第二吸気行程と、ピストン４の下死点後の所定期間から上死点近傍にかけて吸気弁７を閉じて、上昇するピストン４によりシリンダ２内の混合気を圧縮する第二圧縮行程と、ピストン４の圧縮上死点近傍においてシリンダ２内の混合気を着火させて、その後、未燃燃料を燃焼させる第二膨張行程と、ピストン４の下死点近傍から上死点近傍にかけて排気弁８を開いてシリンダ２内のガス（既燃ガス）を排気する排気行程とを備える。

このように、６サイクル予混合燃焼運転とは、インジェクタ９により噴射した燃料を二回に分けて燃焼させるものであり、エンジンのクランクシャフトが三回転する毎に、第一吸気行程→第一圧縮行程→第一膨張行程→第二吸気行程→第二圧縮行程→第二膨張行程→排気行程の六つの行程が行われる。また、エンジンのクランクシャフトが一回転する間に第一吸気行程及び第一圧縮行程が行われ、次の一回転において第一膨張行程、第二吸気行程及び第二圧縮行程が行われ、更に次の一回転において第二膨張行程及び排気行程が行われる。

インジェクタ９による燃料噴射は、クランクシャフトが三回転する間に、ピストン４の圧縮上死点よりも前で一回だけ行われ、その噴射は、第一膨張行程において混合気が着火する前に終了する。

本実施形態では、インジェクタ９による燃料噴射は、ピストン４の圧縮上死点前３０度（ＢＴＤＣ３０°ＣＡ）以降に開始される。これは、燃料の噴射タイミングが早すぎる（ＢＴＤＣ３０°ＣＡよりも前）と、シリンダ２内の空気の温度及び密度が低い状態で燃料が噴射されることになるため、混合気の予混合化（希薄化・均一化）が充分に行われず、排気ガスの改善効果が小さくなったり、着火時期のコントロールが困難となったりするからである。また、燃料の噴射タイミングが早すぎると、ピストン４の位置が上死点から大きく離れた状態で燃料が噴射されることになるため、噴射された燃料がシリンダ２の側壁等に付着して未燃ＨＣが発生する可能性もある。

６サイクル予混合燃焼運転では、噴射した燃料を二回に分けて燃焼させるため、インジェクタ９による燃料の噴射量は、第一膨張行程における混合気の当量比（理論空燃比／供給空燃比）が、他の運転形態（４サイクル拡散燃焼運転及び４サイクル予混合燃焼運転）と比べて大きくなるように設定される。より詳しく説明すると、４サイクル拡散燃焼運転及び４サイクル予混合燃焼運転では、噴射された燃料を一回の膨張行程で全て燃焼させるため、当量比が１以下となるように燃料噴射量が設定されるが、６サイクル予混合燃焼運転では、第一膨張行程における混合気の当量比が１よりも大きく（好ましくは２程度）なるように燃料噴射量が設定される。

一方、第二膨張行程では、第一膨張行程で燃焼しなかった未燃燃料と第二吸気行程で導入された新たな吸気とが混合するため、混合気の当量比は１以下のリーンな状態となり、基本的に全ての未燃燃料が燃焼することになる。

６サイクル予混合燃焼運転を実行する場合、ＥＣＵ２６は、ＥＧＲ装置１９により比較的多量のＥＧＲを実行し、第一膨張行程及び第二膨張行程における混合気のＥＧＲ率を比較的高く（例えば６０％以上）する。また、ＥＧＲ弁２１及び吸気絞り弁２３の弁開度を制御して、混合気のＥＧＲ率及び酸素濃度を適切に制御し、混合気の予混合期間及び着火時期を適切に制御する。

＜４サイクル予混合燃焼運転＞
ＥＣＵ２６は、エンジンの運転状態が、第二の運転状態（図３の切換ラインＢ）よりも低回転速度かつ低負荷である場合、図２（ｂ）に示すような、４サイクル予混合燃焼運転を実行する。

図から分かるように、４サイクル予混合燃焼運転は、ピストン４の上死点近傍から下死点近傍にかけて吸気弁７を開いて、シリンダ２内に吸気を導入する吸気行程と、ピストン４の下死点近傍から上死点近傍にかけて吸気弁７を閉じて、上昇するピストン４により吸気を圧縮する圧縮行程と、ピストン４の圧縮上死点よりも前にインジェクタ９による燃料噴射を行い、その燃料噴射の終了後、ピストン４の圧縮上死点近傍で混合気を着火させて、噴射した燃料のほぼ全てを燃焼させる膨張行程と、ピストン４の下死点近傍から上死点近傍にかけて排気弁８を開いて、シリンダ２内のガス（既燃ガス）を排気する排気行程とを備える。

４サイクル予混合燃焼運転は、一般的なディーゼルエンジンが実行する予混合燃焼運転に相当し、エンジンのクランクシャフトが二回転する毎に、吸排気弁７，８の開放がそれぞれ一回ずつ行われ、インジェクタ９により噴射された燃料は、燃料の噴射終了後、所定の予混合期間を経た後、着火・燃焼する。

４サイクル予混合燃焼運転を実行する場合、ＥＣＵ２６は、ＥＧＲ装置１９により比較的多量のＥＧＲを実行し、混合気のＥＧＲ率を比較的高く（例えば６０％以上）する。また、ＥＧＲ弁２１及び吸気絞り弁２３の弁開度を制御して、混合気のＥＧＲ率及び酸素濃度を適切に制御し、予混合期間及び着火時期を適切に制御する。

さて、上述したように、本実施形態のエンジンは、６サイクル予混合燃焼運転を採用することで、予混合燃焼運転の実行可能領域の拡大を図ったものであるが、以下、この効果が得られる理由を説明する。

上述したように、６サイクル予混合燃焼運転では、第一膨張行程において混合気の当量比を１よりも大きくして、噴射された燃料の一部のみを燃焼させるので、第一吸気行程では、噴射される燃料の量に適合した（つまり、噴射された燃料を全て燃焼させるのに必要な）量の酸素をシリンダ２内に導入する必要はない。つまり、第一吸気行程において必要とされる吸気量は、燃料の噴射量に対してかなり少なくなる。

第一膨張行程では、燃料過濃（リッチ）の状態で混合気が燃焼するため不完全燃焼となり、未燃燃料（ＣＯ、ＴＨＣ等）が多量に生成されるが、酸素量が不足しているため低温燃焼となり、ＮＯｘが生成されたり、激しいディーゼルノックが生じることはない。

第二膨張行程では、シリンダ２内に残留する未燃燃料を全て燃やす必要があるため、第二吸気行程では、残留未燃燃料の量に適合した量の酸素をシリンダ２内に導入し、混合気の当量比を１以下（リーン状態）とする必要がある。しかしながら、インジェクタ９により噴射された燃料の一部は、既に第一膨張行程において燃焼しているため、シリンダ２内に残留している未燃燃料の量は、燃料の噴射量から大きく減小している。従って、第二吸気行程において必要とされる吸気量は、燃料の噴射量に対してかなり少なくなる。

このように、６サイクル予混合燃焼運転では、噴射された燃料を二回に分けて燃焼させる、言い換えれば、一回の燃料噴射に対して吸気を導入する機会が二回確保されているので、一回の吸気行程において要求される吸気量がほぼ半減する。従って、燃料噴射量の多い高回転速度・高負荷領域で実行しても、既存の吸気及び過給システムにより充分な量の吸気を確保でき、良好な予混合燃焼を実現させることができる。言い換えれば、４サイクル予混合燃焼運転よりも燃料噴射量を多くすることができ、出力を増加させることができる。

また、６サイクル予混合燃焼運転では、噴射された燃料を二回に分けて燃焼させるため、４サイクル予混合燃焼運転よりも筒内最高圧力が低くなる。従って、従来より高回転速度・高負荷領域で実行しても、筒内最高圧力がエンジンの許容最高筒内圧力を越えることはない。また、エンジンの振動や騒音も４サイクル予混合燃焼運転と比べて低くなる。

更に、６サイクル予混合燃焼運転は、排気ガスの浄化についても優れた特性を有している。

これを説明すると、６サイクル予混合燃焼運転では、第一膨張行程において混合気を不完全燃焼（リッチ燃焼）させてＮＯｘの発生を確実に防ぎ、第二膨張行程において混合気をリーン燃焼させて、第一膨張行程で発生したＴＨＣ、ＣＯ等を完全に燃焼させるため、ＮＯｘとＴＨＣ及びＣＯの発生を確実に防止できる。つまり、噴射された燃料を二回に分けて燃焼させると共に、一回目の燃焼をリッチ（当量比１よりも大）、二回目の燃焼をリーン（当量比１以下）とすることで、両者の同時低減を確実に達成できるのである。

また、第二膨張行程時は、第一膨張行程により混合気の温度が充分に上昇しているため、ＴＨＣ、ＣＯ等を確実に燃焼させることができ、燃焼効率が向上する。

また、第二膨張行程では、第一膨張行程で発生した既燃ガスが内部ＥＧＲガス（不活性ガス）として作用するため、ＥＧＲ装置１９による外部ＥＧＲとも相まって混合気の酸素濃度が充分に低減される。従って、ＮＯｘが生成されたり、激しいディーゼルノックが発生することはない。

以上説明してきたように、本実施形態のエンジンによれば、図３に示す如く、予混合燃焼を実行する領域を従来の限界ライン（切換ラインＢ）よりも高回転速度・高負荷側に拡大することができる。

従って、ＮＯｘ等の汚染物質の排出量が従来と比べて低減するので、後処理装置（ここでは、連続再生式ＤＰＦ３２）を小型化したり、貴金属の担持量を減らすなどして、コスト低減を図ることができる。

また、連続再生式ＤＰＦ３２では、排気ガスの温度が低いとＤＰＦ３１に捕集されたＰＭを燃焼させることができないため、排気ガスの温度が低い場合、ＰＭの捕集量が一定量に達したときに、特別な燃料噴射制御を行って排気ガス温度を上昇させる必要があるが、本実施形態のエンジンによれば、ＰＭの排出量が従来と比べて少なくなるので、排気ガス温度上昇用の燃料噴射を行う回数が少なくなり、燃費の向上につながる。

ここで、上記実施形態では、エンジンの運転状態が第二の運転状態（図３の切換ラインＢ）よりも低回転速度・低負荷であるときには、４サイクル予混合燃焼運転に切り換えるとしたが、本発明はこの点において限定されず、第二の運転状態よりも低回転速度・低負荷領域においても６サイクル予混合燃焼運転を実行するようにしても良い。

この場合、極低回転速度・極低負荷領域では燃料噴射量が極めて少なくなるため、第一膨張行程における混合気の当量比が１以下となり、噴射された燃料が全て燃焼してしまうおそれがあるが、これについては、吸気絞り弁３１の弁開度を小さくしたり、第一吸気行程の期間を短くするなどしてシリンダ２内に導入する吸気量を少なくすること等で対応可能である。

なお、上記実施形態では、ターボチャージャ１４（過給装置）として、エンジンの運転状態に関わらず常に作動するタイプを示したが、本発明はこの点において限定されず、ＥＣＵ２６により作動・非作動を切り換えることが可能なタイプを用いても良い。この場合、少なくとも６サイクル予混合燃焼運転を実行するときにはターボチャージャ１４を作動して、吸気を加圧する必要がある。

また、上記実施形態では、吸気弁７及び排気弁８がそれぞれ可変バルブ機構７ａ，８ａを備えるとしたが、本発明はこの点において限定されず、４サイクル予混合燃焼運転及び４サイクル拡散燃焼運転用のカムシャフトと、６サイクル予混合燃焼運転用のカムシャフトとを設け、エンジンの運転状態に基づいて吸気弁７及び排気弁８を駆動するカムシャフトを適宜選択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。 （ａ）本発明の一実施形態のエンジンが実行する６サイクル予混合燃焼運転の制御内容の一例を示す図である。（ｂ）本発明の一実施形態のエンジンが実行する４サイクル予混合燃焼運転の制御内容の一例を示す図である。 予混合燃焼運転と拡散燃焼運転の実行領域を示す図である。

符号の説明

２ シリンダ
４ ピストン
７ 吸気弁（可変式吸気弁）
７ａ 可変バルブ機構
８ 排気弁（可変式排気弁）
８ａ 可変バルブ機構
９ インジェクタ（燃料噴射装置）
１４ ターボチャージャ（過給装置）
１９ ＥＧＲ装置
２６ ＥＣＵ（制御装置）
３２ 連続再生式ＤＰＦ（後処理装置）
３３ アクセル開度センサ（運転状態検出手段）
３４ エンジン回転速度センサ（運転状態検出手段）

Claims (8)

1. 任意のタイミング及び量でシリンダ内に燃料を噴射可能な燃料噴射装置と、任意のタイミングで開閉可能な可変式の吸気弁及び排気弁と、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、上記運転状態検出手段により検出される運転状態に基づいて、上記燃料噴射装置、吸気弁及び排気弁を制御する制御装置と、を有するディーゼルエンジンにおいて、
   上記制御装置は、
   上記運転状態検出手段により検出された運転状態が、予め定められた第一の運転状態よりも低負荷であるときには、
   上記吸気弁を開いてシリンダ内に吸気を導入する第一吸気行程と、上記吸気弁を閉じて、上昇するピストンにより吸気を圧縮する第一圧縮行程と、ピストンの圧縮上死点よりも前に上記燃料噴射装置による燃料噴射を行い、その燃料噴射の終了後、ピストンの圧縮上死点近傍で混合気を着火させて、噴射した燃料の一部を燃焼させる第一膨張行程と、上記第一膨張行程にて発生した既燃ガスと未燃燃料とをシリンダ内に残留させたまま上記吸気弁を開いてシリンダ内に吸気を再び導入する第二吸気行程と、上記吸気弁を閉じて、上昇するピストンによりシリンダ内の混合気を圧縮する第二圧縮行程と、上記ピストンの圧縮上死点近傍において上記混合気を着火させて、その後、上記未燃燃料を燃焼させる第二膨張行程と、上記排気弁を開いてシリンダ内ガスを排気する排気行程とを備える６サイクル予混合燃焼運転を実行する
   ことを特徴とするディーゼルエンジン。
2. 上記制御装置は、上記６サイクル予混合燃焼運転を実行する場合、上記第一膨張行程における混合気の当量比が１よりも大きくなるように、上記燃料噴射装置による燃料の噴射量を制御する
   請求項１記載のディーゼルエンジン。
3. 上記制御装置は、上記６サイクル予混合燃焼運転を実行する場合、エンジンのクランクシャフトが一回転する間に上記第一吸気行程及び第一圧縮行程を実行し、クランクシャフトが次の一回転する間に上記第一膨張行程、第二吸気行程及び第二圧縮行程を実行し、クランクシャフトが更に次の一回転する間に上記第二膨張行程及び排気行程を実行する
   請求項１又は２記載のディーゼルエンジン。
4. 上記制御装置は、上記６サイクル予混合燃焼運転を実行する場合、上記燃料噴射装置による燃料噴射をピストンの圧縮上死点前３０度以降に開始する
   請求項１〜３いずれか記載のディーゼルエンジン。
5. 吸気を加圧するための過給装置をさらに備え、その過給装置は、少なくとも上記６サイクル予混合燃焼運転が実行されるときには吸気を加圧する
   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、上記運転状態検出手段により検出された運転状態が、上記第一の運転状態よりも低負荷領域に定められた第二の運転状態よりも低負荷であるときには、
   上記吸気弁を開いてシリンダ内に吸気を導入する吸気行程と、上記吸気弁を閉じて、上昇するピストンにより吸気を圧縮する圧縮行程と、ピストンの圧縮上死点よりも前に上記燃料噴射装置による燃料噴射を行い、その燃料噴射の終了後、ピストンの圧縮上死点近傍で混合気を着火させて、噴射した燃料のほぼ全てを燃焼させる膨張行程と、上記排気弁を開いてシリンダ内ガスを排気する排気行程とを備える４サイクル予混合燃焼運転を実行する
   請求項１〜５いずれか記載のディーゼルエンジン。
7. 上記制御装置は、上記運転状態検出手段により検出された運転状態が、上記第一の運転状態よりも高負荷であるときには、
   上記吸気弁を開いてシリンダ内に吸気を導入する吸気行程と、上記吸気弁を閉じて、上昇するピストンにより吸気を圧縮する圧縮行程と、ピストンの圧縮上死点近傍で上記燃料噴射装置による燃料噴射を行い、燃料の噴射中に混合気を着火させる膨張行程と、上記排気弁を開いてシリンダ内ガスを排気する排気行程とを備える４サイクル拡散燃焼運転を実行する
   請求項１〜６いずれか記載のディーゼルエンジン。
8. 導入した吸気をピストンにより圧縮し、その圧縮上死点よりも前に燃料噴射を行うと共に、そのときの混合気の当量比を１よりも大きくして噴射した燃料の一部のみを燃焼させ、その後、既燃ガス及び未燃燃料の排気を行わずに吸気を再導入して混合気の当量比を１以下とし、上記未燃燃料のほぼ全てを燃焼させる
   ことを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御方法。
   

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