JP2007263123A - 圧縮着火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】全運転領域に亘ってＮＯ_X および煤の発生量を抑制する。
【解決手段】機関の運転領域を低負荷側の第１の運転領域Ｆと高負荷側の第２の運転領域Ｇとに分割する。機関の運転状態が第１の運転領域Ｆにあるときには圧縮上死点前５０度以前に一回だけ燃焼噴射Ｉを行う。機関の運転状態が第２の運転領域Ｇにあるときには噴射時期領域IIにおいて最大噴射量の３０パーセント以下の第１回目の燃料噴射Ｉ₁ を行うと共にほぼ圧縮上死点において第２回目の燃料噴射Ｉ₂ を行う。
【選択図】図８

Description

本発明は圧縮着火式内燃機関に関する。

圧縮着火式内燃機関においては燃焼室内に噴射された燃料の分散度合が燃焼に大きな影響を与える。即ち、燃焼室全体に燃料が分散せしめられると単位容積当りの発熱量が低くなるために燃焼温度が低くなり、斯くしてＮＯ_X の発生しないおだやかな燃焼が行われる。また、燃料粒子の周りには十分な空気が存在するために煤も発生しなくなる。そこで燃焼室内全体に噴射燃料を分散させるために圧縮上死点前６０度よりも前の圧縮行程中に燃料を噴射するようにした圧縮着火式内燃機関が公知である（特許文献１を参照）。

即ち、燃焼室内の圧力が高くなると空気抵抗が大きくなるために噴射燃料が燃焼室内全体に広がりずらくなり、従って、この圧縮着火式内燃機関では燃料室内の圧力が低い圧縮上死点前６０度以前に燃料を噴射するようにしている。
特開平７−３１７５８８号公報

ところでこのように燃焼室内全体に噴射燃料を分散させるようにした場合、燃料噴射量が少ないときにはＮＯ_X およびＨＣが発生しないおだやかな燃料が行われる。しかしながら燃料噴射量が多くなるとたとえ燃焼室内全体に噴射燃料を分散させるようにしても燃料が早期に着火し出し、一旦燃料が早期に着火すると燃焼室内の温度が上昇するために燃料は更に早期に着火するようになる。その結果、燃焼が次第に激しくなり、ノッキングが発生するばかりでなく多量のＮＯ_X および煤が発生することになる。

このように上述の圧縮着火式内燃機関では燃料噴射量が多くなると着火時期をおだやかな燃焼の得られる着火時期に制御しえなくなる。この場合、もし着火時期をおだやかな燃焼の得られる着火時期に制御しえればＮＯ_X および煤の発生量の少ないおだやかな燃焼を得ることができる。
本発明の目的は着火時期をおだやかな燃焼の得られる着火時期に制御することのできる圧縮着火式内燃機関を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明では、燃焼室内に燃料を噴射するようにした圧縮着火式内燃機関において、機関の運転領域を低負荷側の第１の運転領域と高負荷側の第２の運転領域とに分割し、機関の運転状態が第１の運転領域にあるときには圧縮上死点前５０度以前に少くとも一回だけ燃料噴射を行って噴射燃料を燃焼せしめ、機関の運転状態が第２の運転領域にあるときには噴射しても自ら着火燃焼を生じない量の第１回目の燃料を圧縮行程後半の予め定められた噴射時期領域において噴射し、該予め定められた噴射時期領域よりも遅い時期に第２回目の燃料を噴射し、第１回目の燃料を自ら着火させることなく第１回目の燃料および第２回目の燃料を同時に燃焼させるようにしている。

全運転領域に亘ってＮＯ_X および煤の発生を抑制することができる。

図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４のコンプレッサ１５に連結される。一方、排気ポート１０は排気マニホルド１６および排気管１７を介して排気ターボチャージャ１４の排気タービン１８に連結され、排気タービン１８の出口は三元触媒１９を内蔵した触媒コンバータ２０に連結される。また、排気マニホルド１６内には空燃比センサ２１が配置される。

排気マニホルド１６とサージタンク１２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２２を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２２内には電気制御式ＥＧＲ制御弁２３が配置される。各燃料噴射弁６は燃料供給管２４を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール２５に連結される。このコモンレール２５内へは電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２６から燃料が供給され、コモンレール２５内に供給された燃料は各燃料供給管２４を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール２５にはコモンレール２５内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２７が取付けられ、燃料圧センサ２７の出力信号に基づいてコモンレール２５内の燃料圧が目標燃料圧となるように燃料ポンプ２６の吐出量が制御される。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。空燃比センサ２１の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、燃料圧センサ２７の出力信号も対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁６、ＥＧＲ制御弁２３および燃料ポンプ２６に接続される。

図２は空燃比センサ２１の出力電流Ｉを示している。図２に示されるように空燃比センサ２１は空気過剰率λ、即ち空燃比に応じた出力電流Ｉを発生し、従って空燃比センサ２１の出力電流Ｉから空燃比を求めることができる。この出力電流Ｉは電圧に変換されて対応するＡＤ変換器３７に入力される。
図１に示す実施例では噴射燃料をできるだけ均一に燃焼室５内に分散させるために燃料噴射弁６は多数のノズル口を有するホールノズルからなる。このような燃料噴射弁６を用いて噴射燃料を燃焼室５内に分散させると噴射量および噴射時期にによって噴射燃料が燃焼する場合と、噴射燃料が燃焼しない場合とがあることが判明した。そこでまず初めにこのことについて図３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）、（Ｂ）を参照しつつ説明する。

図３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）、（Ｂ）において縦軸はクランク角を示しており、横軸は機関回転数Ｎを示している。また、図３（Ａ）は最大噴射量の５パーセントの燃料を噴射した場合を示しており、図３（Ｂ）は最大噴射量の１０パーセントの燃料を噴射した場合を示しており、図４（Ａ）は最大噴射量の２０パーセントの燃料を噴射した場合を示しており、図４（Ｂ）は最大噴射量の３０パーセント以上の燃料を噴射した場合を示している。

また、図３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）、（Ｂ）においてＩはこの領域の噴射時期でもって燃料噴射が行われると従来より行われている通常の燃焼が行われる噴射時期領域を示しており、IIはこの領域の噴射時期でもって燃料噴射が行われると燃焼が生じない噴射時期領域を示しており、III はこの領域の噴射時期でもって燃料噴射が行われるとＮＯ_X および煤のほとんど発生しない噴射時期領域を示している。

噴射燃料が燃焼するか否かは燃料粒子の密度と燃料粒子の温度に依存している。簡単に云うと燃料粒子の密度が比較的小さいときには燃料粒子の温度が高くなれば燃焼が行われ、燃料粒子の温度が低ければ燃料が行われない。これに対して燃料粒子の密度が高くなると燃料粒子の温度にかかわらずに燃焼が行われる。
このように燃料粒子の密度が高くなると燃料粒子の温度にかかわらずに燃焼が行われるがこのときには燃焼が爆発的となり、多量のＮＯ_X が発生すると共に煤が発生する。即ち、噴射燃料が化学反応を生ずるのは燃料室５内に温度が７００°Ｋ以上のときである。ほぼＢＴＤＣ３０度前では燃焼室５内の温度は７００°Ｋ以下となっており、従ってほぼＢＴＤＣ３０度前に燃料噴射が行われると噴射燃料は化学反応を生ずることなく燃焼室５内に分散することになる。次いでピストン４が上昇し、燃焼室５内の温度が一定温度以上になると燃料粒子周りの蒸発燃料が酸素と結合する。もう少し詳しく言うと直鎖炭化水素の末端炭素を酸素ラジカルが攻撃し、直鎖炭化水素の末端にアルデヒド基が形成され、次いでこのアルデヒド基が水酸基となる。

一方、このとき燃料粒子が集まっていると、即ち、燃料粒子の密度が高いと燃料粒子は周囲の燃料粒子の蒸発燃料の酸化反応熱を受けて高温となる。その結果、燃料粒子内の炭化水素が水素分子Ｈ₂ や炭素Ｃに熱分解される。この熱分解により発生した水素分子Ｈ₂ は爆発的に燃焼して高温を発生し、斯くしてＮＯ_X が発生することになる。一方、熱分解により炭素Ｃが発生するとこれら炭素同志が結合し、その一部がすすとして排出されることになる。このように燃料粒子の密度が高いとたとえ燃料粒子が化学反応を生ずることなく燃焼室５内に分散せしめられても燃料粒子内の炭化水素の熱分解作用に起因してＮＯ_X やすすが発生することになる。

一方、ほぼＢＴＤＣ３０度以後に燃料噴射が行われると噴射燃料はただちに化学反応を生じ、燃料粒子内の炭化水素が熱分解される。その結果、ＮＯ_X および煤が発生することになる。即ち、燃料粒子の密度が高いとき、云い換えると燃料噴射量が多いときにはいつ噴射してもＮＯ_X および煤が発生することになる。
これに対して燃料粒子の密度が低いときには全く状況が異なる。そこで次に燃料粒子の密度が低いとき、即ち燃料噴射量が最大噴射量の３０パーセント以下であって燃料粒子が分散せしめられているときの燃焼について、即ち図３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）、（Ｂ）の噴射時期領域III において燃料噴射が行われた場合について説明する。

図５の曲線はピストン４の圧縮作用のみによる燃焼室５内の圧力Ｐの変化を示している。図５からわかるように燃焼室５内の圧力Ｐはほぼ圧縮上死点前ＢＴＤＣ６０度を越えると急速に上昇する。これは吸気弁７の開弁時期とは無関係であっていかなる往復動式内燃機関であっても燃焼室５内の圧力Ｐは図５に示されるように変化する。燃焼室５の圧力Ｐが高くなると空気抵抗が大きくなるために噴射燃料は広範囲に分散せず、噴射燃料を広範囲に分散させるためには燃焼室５内の圧力Ｐが低いときに燃料噴射を行うことが必要となる。

図３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）、（Ｂ）に示されるように噴射時期領域III はほぼＢＴＤＣ５０度前であり、従って噴射時期領域III において燃料噴射が行われると燃料粒子は広範囲に分散されることになる。また、このときの燃料噴射量は最大噴射量の３０パーセント以下であり、従って燃焼室５内における燃料粒子の密度はかなり小さくなっている。

このように燃料粒子の密度が小さいと燃料粒子間の間隔が広くなっている。従って燃料粒子周りの蒸発燃料が酸素と結合したときに各燃料粒子は周囲の燃料粒子の蒸発燃料の酸化反応熱をあまり受けず、斯くして各燃料粒子は熱分解しない。その結果、水素分子Ｈ₂ や炭素Ｃはほとんど発生しない。次いで圧縮行程が進み、燃料粒子の温度が高くなると各燃料粒子の蒸発燃料がほぼ同時に燃焼を開始する。

このように各燃料粒子の蒸発燃料がほぼ同時に燃焼を開始すると局所的に高温となることがなく、また燃料粒子が分散されているために単位容積当りの発熱量は低くなる。その結果、燃焼温が全体的に低くなり、斯くしてＮＯ_X の発生しないおだやかな燃焼が行われる。また、燃料粒子の周りには十分な空気が存在するために煤も発生しなくなる。

前述したように図３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）は夫々燃料噴射量が最大噴射量の５パーセント、１０パーセントおよび２０パーセントのときを示しており、このとき噴射時期領域III において燃料噴射を行えばＮＯ_X および煤の発生しないおだやかな燃焼が得られる。また、図４（Ｂ）は燃料噴射量が最大噴射量の３０パーセント以上のときを示しているが噴射時期領域III において燃料噴射したときにＮＯ_X および煤の発生しないおだやかな燃焼が得られるのは燃料噴射量が最大噴射量のほぼ５０パーセントまでである。燃料噴射量が最大噴射量のほぼ５０パーセントを越えると燃料粒子が分散されていても燃料粒子の密度が高くなるためにＮＯ_X および煤が発生する。

従って燃料噴射量が最大噴射量のほぼ５０パーセント以下の場合には噴射時期領域III において燃料噴射を行えばＮＯ_X および煤の発生しないおだやかな燃焼が得られることになる。
図３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）、（Ｂ）に示されるように噴射時期領域III の最も遅い噴射時期、即ち図３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）、では噴射時期領域III と噴射時期領域IIの境界Ｙ、図４（Ｂ）では噴射時期領域III と噴射時期領域Ｉの境界ＸＹは噴射量にかかわらずほぼ同じ時期である。即ち、境界Ｙ，ＸＹは機関回転数Ｎが６００r.p.m のときにはＢＴＤＣ５０度付近であり、機関回転数Ｎが高くなるにつれて圧縮下死点側となり、機関回転数Ｎが４０００r.p.m のときにはＢＴＤＣ９０度程度となる。即ち、噴射燃料が分散するには時間を要し、従って噴射燃料を分散させるためには、即ち燃料粒子の密度を小さくするためには機関回転数Ｎが高くなるにつれて噴射時期を早めなければならない。また、機関回転数Ｎが高くなるほど燃料粒子の加熱時間が短かくなり、従って燃料粒子が着火するのに必要な十分の熱を燃料粒子に与えるには機関回転数Ｎが高くなるにつれて噴射時期を早めなければならない。従って図３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）、（Ｂ）に示されるように境界Ｙ，ＸＹは機関回転数Ｎが高くなるにつれて圧縮下死点側となる。

なお、境界Ｙ，ＸＹは実際には図３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）、（Ｂ）に示されるように明瞭に表われず、従って境界Ｙ，ＸＹは噴射時期領域III の最も遅い噴射時期のおおよその時期を表わしている。
次に噴射時期領域IIについて説明する。前述したように噴射時期領域IIにおいて最大噴射量のほぼ３０パーセント以下の燃料を噴射すると燃焼が行われない。

即ち、前述したようにほぼＢＴＤＣ３０度前では燃焼室５内の温度は７００°Ｋ以下となっており、従って噴射時期領域IIにおいて燃料噴射を行うと噴射燃料は化学反応を生じない。また、噴射時期領域IIでは噴射時期領域III に比べて燃焼室５内の圧力Ｐが高くなっているので噴射時期領域III に比べれば燃料粒子の分散度合は低下する。しかしながら燃料噴射量が最大噴射量の３０パーセント以下なので燃料粒子の分散度合が多少低下しても燃料粒子の密度は比較的小さい。このように燃料粒子の密度が小さいと燃料粒子間の間隔が広くなり、斯くして前述したように各燃料粒子は周囲の燃料粒子の蒸発燃料の酸化反応熱をあまり受けないために熱分解を生じない。従って爆発的な燃焼が生じることがない。

一方、前述したように燃料粒子の蒸発燃料の酸化反応が行われると直鎖炭化水素の末端に水酸基が生成される。次いでピストン４が上昇すると水酸基をもつ直鎖炭化水素、即ち酸素を含んだ燃えやすい炭化水素の量が増大する。しかしながら噴射時期領域IIは噴射時期領域III に比べて噴射時期が遅く、従って噴射時期領域IIにおいて噴射された燃料粒子の温度は着火に到るほど高くならない。従って酸素を含んだ燃えやすい炭化水素の量が増大しても燃焼は開始されない。

次いでこの状態で、即ち燃焼することなく酸素を含んだ燃えやすい炭化水素の量が増大した状態で圧縮上死点となる。次いでこのまま何もしなければ燃料は着火せず、失火することになる。
図３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）に示されるように噴射時期領域IIの最も遅い噴射時期、即ち噴射時期領域IIと噴射時期領域Ｉの境界Ｘは境界Ｙとほぼ平行をなす。即ち、噴射時期領域IIの巾、云い換えると境界Ｘと境界Ｙの巾は機関回転数Ｎにかかわらずにほぼ一定となる。また、図３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）に示されるように境界Ｘと境界Ｙの巾は最大噴射量に対する噴射量の割合が増大するにつれて狭くなり、図４（Ｂ）に示されるように噴射量が最大噴射量の３０パーセント以上になると噴射時期領域IIは消滅する。

即ち、噴射量が最大噴射量の５パーセントであるときには図３（Ａ）に示されるように機関回転数Ｎが６００r.p.m のときの境界ＸはほぼＢＴＤＣ２０度であって境界Ｘと境界Ｙの巾はほぼ３０クランク角度からほぼ４０クランク角度であり、噴射量が最大噴射量の１０パーセントであるときには図３（Ｂ）に示されるように機関回転数Ｎが６００r.p.m のときの境界ＸはほぼＢＴＤＣ３０度であって境界Ｘと境界Ｙの巾はほぼ２０クランク角度からほぼ３０クランク角度であり、噴射量が最大噴射量の２０パーセントであるときには図４（Ａ）に示されるように機関回転数Ｎが６００r.p.m のときの境界はほぼＢＴＤＣ４０度であって境界Ｘと境界Ｙの巾はほぼ１０クランク角度からほぼ１５クランク角度であり、噴射量が最大噴射量の３０パーセント以上であるときには図４（Ｂ）に示されるように噴射時期領域IIは消滅する。

燃料噴射量が増大すると燃料粒子の密度が大きくなり、従って燃料噴射量が増大したときには燃料粒子の分散度合が大きくなければ燃焼が生じる。燃料粒子の分散度合は噴射時期が早くなるほど大きくなり、従って噴射時期領域IIの巾は噴射量が増大するほど小さくなる。
また、噴射時期領域IIは機関回転数Ｎが高くなるほど低負荷側となる。即ち、前述したように噴射燃料が分散するには時間を要し、機関回転数Ｎが高くなるほど噴射時期を早くしないと燃料粒子の分散度合が小さくならない。従って噴射時期領域IIは機関回転数Ｎが高くなるほど低負荷側となる。

なお、境界Ｘは境界Ｙ，ＸＹと比べて比較的明瞭に表われる。
一方、噴射時期領域Ｉにおいて燃料噴射が行われると従来より行われている通常の燃焼が行われる。即ち、噴射時期領域Ｉでは燃焼室５内の圧力Ｐ（図５）が高く、従って噴射燃料が十分に分散しないために燃料粒子の密度が高くなる。その結果、燃料粒子が熱分解し、爆発的燃焼を生じて多量ＮＯ_X および煤が発生する。

前述したように燃料噴射量が最大噴射量の３０パーセント以下であれば噴射時期領域IIにおいて燃料噴射を行うと燃焼が生じない。これに対し燃料噴射量が最大噴射量の３０パーセント以上になるとどの燃料噴射領域においても噴射燃料は燃焼し、この場合図４（Ｂ）に示されるように噴射時期領域がＩとIII のみになる。

このように噴射燃料を分散させるようにすると燃料噴射量が最大噴射量の３０パーセント以下のときには噴射時期領域が、爆発的燃焼の行われる噴射時期領域Ｉと、ＮＯ_X およびすすの発生しないおだやかな燃焼が行われる噴射時期領域III と、噴射時期領域ＩとIII の間の燃焼が生じない噴射時期領域IIとに分かれる。一方、燃料噴射量が最大噴射量の３０パーセント以上であってほぼ５０パーセント以下のときには噴射時期領域が噴射時期領域Ｉと噴射時期領域III に分かれ、燃料噴射量がほぼ５０パーセント以上のときには全噴射時期領域において従来より行われている通常の燃焼が行われる。

なお、図３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）に示される噴射時期領域IIは圧縮比およびＥＧＲ率（＝ＥＧＲガス量／（吸入空気量＋ＥＧＲガス量））の影響も受ける。即ち、機関の圧縮比が高くなると図３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）に示される噴射時期領域IIでは燃焼室５内の圧力が高くなるために燃料粒子が分散しずらくなり、しかも燃焼室５内のガス温も高くなる。従って図３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）に示される噴射時期領域IIにおいて燃料噴射を行うと燃料粒子が熱分解を生じ、斯くして着火することになる。従って機関の圧縮比が高くなると燃焼の生じない噴射時期領域IIは消滅する。

一方、ＥＧＲ率を大きくしていくと燃料粒子周りの酸素の密度が小さくなり、その結果燃料粒子の蒸発燃料の酸化反応熱が低くなるために燃料粒子の分散度合が多少小さくなっても燃料粒子が熱分解しなくなる。従ってＥＧＲ率が高い場合には多少機関の圧縮比を高くしても燃焼を生じない噴射時期領域IIが存在する。 図６における実線Ｅは図３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）に示されるような燃焼の生じない噴射時期領域IIが存在する機関圧縮比の上限値を示している。図６に示されるようにＥＧＲ率が零のときに燃焼が生じない噴射時期領域IIが存在する機関圧縮比の上限値Ｅはほぼ１６．０であり、このとき機関圧縮比がほぼ１６．０よりも大きくなると燃焼が生じない噴射時期領域IIが存在しなくなる。

一方、燃焼の生じない噴射時期領域IIの存在する機関圧縮比の上限値ＥはＥＧＲ率が高くなるほど大きくなる。また、圧縮着火を生じさせるには機関の圧縮比はほぼ１２．０以上にする必要がある。従って燃焼の生じない噴射時期領域IIが存在する機関圧縮比の範囲は図６においてハッチングで示す範囲となる。
前述したように噴射時期領域IIにおいて最大噴射量の３０パーセント以下の燃料を噴射すると圧縮上死点付近では燃焼室５内に酸素を含んだ燃えやすい炭化水素がかなり生成される。このとき燃焼は生じておらず、従ってこのとき再度燃料噴射を行うと燃料粒子は燃焼することなく燃焼室５内に分散される。燃料粒子が分散され、温度上昇するといずれかの箇所において燃料粒子が熱分解する。燃料粒子が熱分解すると生成された水素分子Ｈ₂ が燃焼し、その結果燃焼室５内全体の圧力が上昇するために燃焼室５内全体の温度が上昇する。

燃焼室５内全体の温度が上昇すると燃焼室５内全体に分散している、酸素を含んだ燃えやすい炭化水素が同時に燃焼を開始し、それによって第２回目に噴射された燃料粒子が燃焼せしめられる。このように燃焼室５内全体において同時に燃焼が開始されると局所的に燃焼温が高くなることがなく、燃焼室５内の燃焼温は全体的に低くなるためにＮＯ_X の発生が抑制される。また、第２回目に噴射された燃料は分散せしめられた後に燃焼せしめられるので燃料粒子の周りには十分な量の空気が存在し、斯くして煤の発生も抑制されることになる。

このように最大噴射量の３０パーセント以下の第１回目の燃料を噴射時期領域IIにおいて噴射し、その後ほぼ圧縮上死点又は圧縮上死点後に第２回目の燃料を噴射するとＮＯ_X および煤の発生量の少ないおだやかな燃焼を得ることができる。
ところで前述したように噴射時期領域III において燃料噴射を行うとＮＯ_X および煤がほとんど発生せず、噴射時期領域III において燃料噴射をした場合の方が噴射時期領域IIにおいて噴射し、次いでほぼ圧縮上死点又は圧縮上死点後に燃料噴射を行うようにした場合に比べてＮＯ_X および煤の発生量が少なくなる。従ってできる限り噴射時期領域III において燃料噴射することが好ましい。しかしながら前述したように噴射時期領域III において燃料噴射を行ったときにＮＯ_X および煤がほとんど発生しなくなるのは燃料噴射量が最大噴射量のほぼ５０パーセント以下のときである。

従って本発明では図７に示されるように機関の運転領域を低負荷側の第１の運転領域Ｆと高負荷側の第２の運転領域Ｇとに分割し、機関の運転状態が運転領域Ｆであるときには噴射時期領域III において少くとも一回燃料を噴射するようにし、機関の運転状態が運転領域Ｇであるときには最大噴射量の３０パーセント以下の第１回目の燃料を噴射時期領域IIにおいて噴射し、その後ほぼ圧縮上死点又は圧縮上死点後に第２回目の燃料を噴射するようにしている。

なお、従来より圧縮着火式内燃機関では主噴射に先立って少量の燃料を噴射する、いわゆるパイロット噴射を行うようにしている。このパイロット噴射は通常、図３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）に示される噴射時期領域Ｉにおいて行われ、従ってパイロット噴射された燃料は自ら着火する。これに対して本発明では噴射時期領域IIにおいて噴射された燃料は自ら着火しない。従って噴射時期領域IIにおける噴射作用と従来のパイロット噴射作用とは明瞭に区別しうる。なお、図７において縦軸Ｑは全燃料噴射量を示しており、横軸Ｎは機関回転数を示している。

図８（Ａ）は特定の機関回転数Ｎ、例えば１５００r.p.m のときの運転領域Ｆにおける燃料噴射Ｉと運転領域Ｇにおける第１回目の燃料噴射Ｉ₁ および第２回目の燃料噴射Ｉ₂ の噴射時期を示しており、図８（Ｂ）は運転領域Ｇにおける第１回目の燃料噴射Ｉ₁ の噴射時期を示している。なお、図８（Ａ）の横軸Ｑは全燃料噴射量を表しており、図８（Ｂ）の横軸Ｎは機関回転数を表わしている。

また、図８（Ａ）、（Ｂ）において運転領域ＦにおけるθＳおよびθＥは夫々燃料噴射Ｉの噴射開始時期および噴射完了時期を示しており、運転領域ＧにおけるθＳ１およびθＥ１は第１回目の燃料噴射Ｉ₁ の噴射開始時期および噴射完了時期を夫々示しており、運転領域ＧにおけるθＳ２およびθＥ２は第２回目の燃料噴射Ｉ₂ の噴射開始時期および噴射完了時期を夫々示している。また、図８（Ａ）、（Ｂ）はコモンレール２５内の燃料圧が或る一定圧に維持されている場合を示しており、従って図８（Ａ）、（Ｂ）において燃料噴射量は噴射期間に比例している。

図８（Ａ）に示されるように本発明による実施例では燃料噴射Ｉの噴射完了時期θＥがほぼ圧縮上死点前ＢＴＤＣ７０度に固定されており、従ってこの実施例ではＢＴＤＣ７０度付近において一回燃料噴射が行われる。無論、この場合、燃料噴射Ｉを二回に分けて行うこともできる。
一方、図８（Ｂ）に示されるように運転領域Ｇにおける第１回目の燃料噴射Ｉ₁ は噴射時期領域II内において比較的境界Ｘに近い時期に行われ、従って第１回目の燃料噴射Ｉ₁ の時期は機関回転数Ｎが高くなるほど早められる。なお、図８（Ａ）、（Ｂ）に示す実施例では第１回目の燃料噴射Ｉ₁ の噴射量が最大噴射量の１０パーセントとされている。また、図８（Ａ）、（Ｂ）に示す実施例では第２回目の燃料噴射Ｉ₂ の噴射開始時期θＳ２が圧縮上死点（ＴＤＣ）に固定されている。

図８（Ａ）において全燃料噴射量Ｑはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌと機関回転数Ｎの関数であり、この全燃料噴射量Ｑは図９（Ａ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。一方、運転領域Ｇにおける第１回目の燃料噴射Ｉ₁ の噴射量Ｑ１は全燃料噴射量Ｑと機関回転数Ｎの関数であり、この噴射量Ｑ１も図９（Ｂ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。また、第１回目の燃料噴射Ｉ₁ の噴射開始時期θＳ１も全燃料噴射量Ｑと機関回転数Ｎの関数であり、この噴射開始時期θＳ１も図９（Ｃ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

図１０は噴射制御ルーチンを示している。図１０を参照するとまず初めにステップ５０において図９（Ａ）に示すマップから全燃料噴射量Ｑが算出され、次いでステップ５１において機関の運転状態が図７の運転領域Ｆであるか否かが判別される。機関の運転状態が運転領域Ｆであるときにはステップ５２に進んで全燃料噴射量Ｑ等に基づき燃料噴射Ｉの噴射開始時期θＳが算出される。これに対して機関の運転状態が運転領域Ｆでないとき、即ち図７の運転領域Ｇであるときにはステップ５３に進んで、図９（Ｂ）に示すマップから第１回目の燃料噴射Ｉ₁ の噴射量Ｑ１が算出される。次いでステップ５４において図９（Ｃ）に示すマップから第１回目の燃料噴射Ｉ₁ の噴射開始時期θＳ１が算出される。次いでステップ５５では噴射量Ｑ１および噴射開始時期θＳ１等に基づいて第１回目の燃料噴射Ｉ₁ の噴射完了時期θＥ１が算出される。次いでステップ５６では全燃料噴射量Ｑおよび噴射量Ｑ１等に基づいて第２回目の燃料噴射Ｉ₂ の噴射完了時期θＥ２が算出される。

図１１から図１４に別の実施例を示す。
前述したように運転領域ＦではＮＯ_X および煤がほとんど発生しない。一方、運転領域ＧではＮＯ_X および煤の発生量は少ないものの、若干のＮＯ_X および煤が発生する。この実施例では運転領域ＧにおいてはＮＯ_X および煤、即ちＨＣが大気に放出されるのを阻止するために図１１においてλ２で示されるように空気過剰率λが１．０に制御される。即ち、空燃比が理論空燃比に制御される。空燃比が理論空燃比に制御されるとＮＯ_X およびＨＣは三元触媒１９において良好に浄化され、斯くしてＮＯ_X およびＨＣが大気に放出されるのを阻止することができる。

一方、この実施例ではＥＧＲガス量を制御することによって空燃比が理論空燃比に制御される。空燃比を理論空燃比にするのに必要なＥＧＲ制御弁２３の基本開度Ｇθ２は全燃料噴射量Ｑと機関回転数Ｎの関数となり、この基本開度Ｇθ２は図１２に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
通常の圧縮着火式内燃機関においてＥＧＲガス量を制御することにより空燃比を理論空燃比に維持することは不可能である。しかしながら本発明における運転領域Ｇでは前述したようにほぼ圧縮上死点付近において第１回目の燃料噴射Ｉ₁ により酸素を含有した炭化水素が生成されている。従ってＥＧＲガス量を制御することにより空燃比を理論空燃比に維持しても炭化水素自身が酸素を含有しているので第２回目の燃料噴射Ｉ₂ が開始されたときに燃料が良好に着火し、燃焼せしめられる。

また、この実施例では運転領域Ｆにおいては図１１においてλ１で示されるように空気過剰率λは１．０よりも大きな値に維持され、しかも空気過剰率λは全燃料噴射量Ｑが増大するにつれて低下せしめられる。運転領域Ｆにおける目標空気過剰率λ１は実際には燃料噴射量Ｑと機関回転数Ｎの関数であり、この目標空気過剰率λ１は図１３（Ａ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。また、空気過剰率λをこの目標空気過剰率λ１とするのに必要なＥＧＲ制御弁２３の基本開度Ｇθ１は燃料噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数であり、この基本開度Ｇθ１も図１３（Ｂ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

図１４に噴射制御ルーチンを示す。図１４を参照するとまず初めにステップ６０において図９（Ａ）に示すマップから全燃料噴射量Ｑが算出される。次いでステップ６１では機関の運転状態が図７に示される運転領域Ｆにあるか否かが判別される。機関の運転状態が運転領域Ｆにあるときにはステップ６２に進む。
ステップ６２では全燃料噴射量Ｑ等に基づいて噴射開始時期θＳが算出される。次いでステップ６３では図１３（Ａ）に示すマップから目標空気過剰λ１が算出され、次いでステップ６４では図１３（Ｂ）に示すマップからＥＧＲ制御弁２３の基本開度Ｇθ１が算出される。次いでステップ６５では空燃比センサ２１により検出された空気過剰率λが目標空気過剰率λ１よりも大きいか否かが判別される。λ＞λ１のときにはステップ６６に進んで補正値Δθ１に一定値αが加算され、次いでステップ６８に進む。これに対しλ≦λ１のときにはステップ６７に進んで補正値Δθ１から一定値αが減算され、次いでステップ６８に進む。ステップ６８では基本開度Ｇθ１に補正値Δθ１を加算することによって最終的なＥＧＲ制御弁２３の開度Ｇθが算出される。

一方、ステップ６１において機関の運転状態が運転領域Ｆでないと判断されたとき、即ち機関の運転状態が運転領域Ｇであるときにはステップ６９に進んで図９（Ｂ）に示すマップから第１回目の燃料噴射Ｉ₁ の噴射量Ｑ₁ が算出される。次いで、ステップ７０において図９（Ｃ）に示すマップから第１回目の燃料噴射Ｉ₁ の噴射開始時期θＳ１が算出される。次いでステップ７１では噴射量Ｑ１および噴射開始時期θＳ１等に基づいて第１回目の燃料噴射Ｉ₁ の噴射完了時期θＥ１が算出される。次いでステップ７２では全燃料噴射量Ｑおよび噴射量Ｑ１等に基づいて第２回目の燃料噴射Ｉ₂ の噴射完了時期θＥ２が算出される。

次いでステップ７３では図１２に示すマップからＥＧＲ制御弁２３の基本開度Ｇθ２が算出される。次いでステップ７４では空燃比センサ２１により検出された空気過剰率λが１．０よりも大きいか否かが判別される。λ＞１．０のときにはステップ７５に進んで補正値Δθ２に一定値βが加算され、次いでステップ７７に進む。これに対しλ≦１．０のときにはステップ７６に進んで補正値Δθ２から一定値βが減算され、次いでステップ７７に進む。ステップ７７では基本開度Ｇθ２に補正値Δθ２を加算することによって最終的なＥＧＲ制御弁２３の開度Ｇθが算出される。

内燃機関の全体図である。 空燃比センサの出力を示す図である。 各噴射時期領域を示す図である。 各噴射時期領域を示す図である。 燃焼室内の圧力変化を示す図である。 機関の圧縮比の範囲を示す図である。 機関の運転領域を示す図である。 噴射時期を示す図である。 全燃料噴射量Ｑ等のマップを示す図である。 噴射制御を行うためのフローチャートである。 噴射時期等を示す図である。 ＥＧＲ制御弁の基本開度Ｇθ２のマップを示す図である。 目標空気過剰率等のマップを示す図である。 噴射制御を行うためのフローチャートである。

符号の説明

５ 燃焼室
６ 燃料噴射弁
２３ ＥＧＲ制御弁

Claims (10)

1. 燃焼室内に燃料を噴射するようにした圧縮着火式内燃機関において、機関の運転領域を低負荷側の第１の運転領域と高負荷側の第２の運転領域とに分割し、機関の運転状態が第１の運転領域にあるときには圧縮上死点前５０度以前に少くとも一回だけ燃料噴射を行って噴射燃料を燃焼せしめ、機関の運転状態が第２の運転領域にあるときには噴射しても自ら着火燃焼を生じない量の第１回目の燃料を圧縮行程後半の予め定められた噴射時期領域において噴射し、該予め定められた噴射時期領域よりも遅い時期に第２回目の燃料を噴射し、第１回目の燃料を自ら着火させることなく第１回目の燃料および第２回目の燃料を同時に燃焼させるようにした圧縮着火式内燃機関。
2. 機関の運転状態が第２の運転領域にあるときに噴射しても燃焼を生じない第１回目の燃料量が最大噴射量の３０パーセント以下である請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関。
3. 上記予め定められた噴射時期領域がほぼ圧縮上死点前９０°からほぼ圧縮上死点前２０°である請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関。
4. 上記予め定められた噴射時期領域は機関回転数が高くなるほど圧縮下死点側となる請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関。
5. 機関の運転状態が第２の運転領域にあるときに最大噴射量に対する第１回目の燃料噴射量の割合が小さくなるほど同一の機関回転数に対する上記予め定められた噴射時期領域の巾が大きくなる請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関。
6. 機関の運転状態が第２の運転領域にあるときに機関回転数が高くなるにつれて第１回目の燃料噴射時期が早められる請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関。
7. 機関の運転状態が第２の運転領域にあるときにほぼ圧縮上死点又は圧縮上死点後に第２回目の燃料噴射が行われる請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関。
8. 機関の運転状態が第２の運転領域にあるときに空燃比をほぼ理論空燃比に制御する空燃比制御手段を具備した請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関。
9. 上記空燃比制御手段は再循環排気ガス量を制御することによって空燃比をほぼ理論空燃比に制御する請求項８に記載の圧縮着火式内燃機関。
10. 機関排気通路内に三元触媒を配置した請求項８に記載の圧縮着火式内燃機関。

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