JP2009191727A - エンジンの過給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車用のディーゼルエンジンにおいて、運転状態が予混合燃焼領域から拡散燃焼領域に移行したときに、速やかにＥＧＲガスを適正量に変更して良好な拡散燃焼を行うことを可能にする手段を提供する。
【解決手段】過給装置として排気ターボ過給機１９と電動過給機２１とを備えているディーゼルエンジンＥは、予混合燃焼領域では燃料噴射時期を圧縮上死点よりも早めるとともにＥＧＲガスを大量に供給して燃料を予混合燃焼させる。他方、拡散燃焼領域では、燃料噴射時期を圧縮上死点付近として燃料を拡散燃焼させる。エンジンＥにおいては、加速時には、ターボラグを防止するために電動過給機２１が駆動される。また、エンジンＥの運転状態が予混合燃焼領域から拡散燃焼領域に移行する際にも、電動過給機２１が駆動され、吸気系に残留しているＥＧＲガスが掃気される。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ターボ過給機と電動過給機とを備えたエンジンの過給装置に関するものである。

ディーゼルエンジンは、熱効率が高く燃費性能が良好であるので、地球温暖化の一因である二酸化炭素の排出量を少なくすることができ、また耐久性及び信頼性が高いので、自動車用エンジンとして広く用いられている。そして、自動車用のディーゼルエンジンには、通常、その出力を高めるために排気ターボ過給機が設けられる（例えば、特許文献１参照）。排気ターボ過給機は、エンジンの軸動力を消費することなく、排気ガスのエネルギを有効に利用して過給を行うことができるので、燃費性能を損なうことなく、出力を高めることができる。

一方、ディーゼルエンジンの排気ガスには、ＮＯｘ（窒素酸化物）、煤等の大気汚染物質が含まれているので、近年、これらの大気汚染物質を大幅に低減することが求められている。そこで、低出力領域では燃焼室に比較的大量のＥＧＲガスを導入するともに、燃料噴射時期を圧縮上死点よりも早めて燃料を予混合燃焼させることにより（以下、この領域を「予混合燃焼領域」という。）、大気汚染物質の排出量を低減するようにした自動車用のディーゼルエンジンが提案されている。なお、このように予混合燃焼を行うようにしたディーゼルエンジンにおいても、上記低出力領域以外の領域（高出力領域）では、普通のディーゼルエンジンと同様に、圧縮上死点付近で燃料を噴射して拡散燃焼させるようにしている（以下、この領域を「拡散燃焼領域」という。）。
特開２００６−１０５０３４号公報（段落［００３１］、図２）

しかしながら、このように予混合燃焼領域で燃料を予混合燃焼させるようにしたディーゼルエンジンでは、運転状態が予混合燃焼領域から拡散燃焼領域に移行したときには、移行後しばらくの間は吸気系に比較的大量のＥＧＲガスが残留しているので、新気の供給量が少なくなり、良好な拡散燃焼を行うことができないといった問題がある。

本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、所定の予混合燃焼領域で燃料を予混合燃焼させるようにした自動車用のディーゼルエンジンにおいて、運転状態が予混合燃焼領域から拡散燃焼領域に移行したときに、速やかにＥＧＲガス量を拡散燃焼に適した量に変更して良好な拡散燃焼を行うことを可能にする手段を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明に係るエンジンの過給装置は、燃焼形態切換手段と、電動過給機と、電動過給機制御手段とを備えている。燃焼形態切換手段は、燃料噴射時期を圧縮上死点よりも早めるとともにＥＧＲガスを供給して燃料を予混合燃焼させる予混合燃焼形態と、燃料噴射時期を圧縮上死点付近として燃料を拡散燃焼させる拡散燃焼形態とに燃焼形態を切換える。電動過給機制御手段は、要求空気量が不足する状況下（条件下）では電動過給機を駆動させる。ここで、電動過給機制御手段は、予混合燃焼形態から拡散燃焼形態への移行時は、要求空気量が不足しない状況下（条件下）でも電動過給機を駆動させる。

本発明の第１の変形例に係るエンジンの過給装置においては、予混合燃焼を行う運転領域（以下「予混合燃焼領域」という。）中の低負荷側領域では高負荷側領域よりもＥＧＲガスの供給量が少なく設定されている。そして、電動過給機制御手段は、エンジンの運転状態が低負荷側領域から拡散燃焼を行う運転領域（以下「拡散燃焼領域」という。）へ移行するときには、電動過給機を第１の駆動量で駆動するとともに、燃料噴射時期を徐々に（緩慢に）圧縮上死点付近に変更する。一方、高負荷側領域から拡散燃焼領域へ移行するときには、電動過給機制御手段は、電動過給機を第１の駆動量よりも大きい第２の駆動量で駆動するとともに、燃料噴射時期を直ちに圧縮上死点付近に変更する。

本発明の第２の変形例に係るエンジンの過給装置においては、電動過給機制御手段は、エンジンの燃焼形態が予混合燃焼形態から拡散燃焼形態へ移行する際に、エンジンの加速度合が小さいときは、電動過給機の駆動により拡散燃焼に適したＥＧＲガス量となった後に、燃料噴射時期を圧縮上死点付近に変更する。一方、加速度合が大きいときは、電動過給機制御手段は、電動過給機の駆動開始後直ちに燃料噴射時期を圧縮上死点付近に変更する。

本発明の第３の変形例に係るエンジンの過給装置においては、エンジンにアクセル開度に基づいて目標トルクを設定する目標トルク設定手段が設けられている。そして、燃焼形態切換手段は、目標トルク設定手段によって設定された目標トルクに基づいて予混合燃焼形態と拡散燃焼形態とを切換える。

本発明に係るエンジンの過給装置によれば、予混合燃焼形態から拡散燃焼形態への移行時に、電動過給機の駆動により、予混合燃焼時に供給され吸気系に残留しているＥＧＲガスを迅速に排出して新気（吸入空気）の供給量を増加させることができるので、エンジンの運転状態を速やかに拡散燃焼形態へ移行させることができる。また、拡散燃焼開始時における、ＥＧＲガスの残留に起因する煤の発生を防止ないしは抑制することができ、かつ、エンジン出力を迅速に高めることができる。

本発明の第１の変形例に係るエンジンの過給装置によれば、ＥＧＲガス量が少ない低負荷側領域から拡散燃焼領域への移行時には、エンジンの運転状態は電動過給機の駆動量が抑えられた状態で徐々に拡散燃焼形態に移行するので、該移行時のトルクの低下を抑制することができる。一方、ＥＧＲガス量が多い高負荷側領域から拡散燃焼領域への移行時には、吸気系に残留している大量のＥＧＲガスを早期に減少させる必要があるが、電動過給機の駆動量が大きいので、エンジンの運転状態を迅速に拡散燃焼形態に移行させることができる。

本発明の第２の変形例に係るエンジンの過給装置によれば、加速度合が小さいときには、燃料噴射時期は、ＥＧＲガス量が拡散燃焼に適したＥＧＲガス量となるまで圧縮上死点付近に変更されないので、予混合燃焼形態から拡散燃焼形態への移行時における煤の発生を防止ないしは抑制することができる。また、加速度合が大きいときには、電動過給機の駆動開始後直ちに燃料噴射時期が圧縮上死点付近に変更されるので、エンジン出力を迅速に高めることができる。

本発明の第３の変形例に係るエンジンの過給装置によれば、目標トルクに基づいて予混合燃焼領域から拡散燃焼領域への移行を予測することができ、この予測に基づいて燃焼形態の移行を行うことができるので、燃焼形態の移行応答性を向上させることができる。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施の形態（本発明を実施するための最良の形態）を具体的に説明する。図１は、本発明に係る直噴式ディーゼルエンジンＥ（以下、略して「エンジンＥ」という。）のシステム構成を示している。このエンジンＥでは、所定の予混合燃焼領域では、比較的大量のＥＧＲガスを吸気系に導入するとともに燃料を圧縮上死点よりも前に噴射して予混合燃焼を行わせることにより、燃費性能を良好に維持しつつ、ＮＯｘ、煤（スモーク）等の大気汚染物質の排出量を低減するようにしている。他方、所定の拡散燃焼領域では、燃料を圧縮上死点付近で噴射して拡散燃焼を行わせることにより、エンジン出力を十分に高めるようにしている。なお、エンジンＥは多気筒（例えば、４気筒、６気筒…）エンジンであるが、図１では１つの気筒のみを示し、他の気筒の図示は省略している。

図１に示すように、エンジンＥにおいては、吸気弁１が開かれたときに、吸気ポート２から燃焼室３内に燃料燃焼用の空気が吸入される（以下、この空気を「吸入空気」という。）。そして、燃焼室３内の吸入空気はピストン４によって圧縮され、高温・高圧状態となる。そして、圧縮行程上死点より前（予混合燃焼時）又は圧縮行程上死点付近（拡散燃焼時）で、燃料噴射弁５から燃焼室３内に燃料（軽油等）が噴射され、この燃料は自己着火して燃焼する。燃焼により生じたガスすなわち排気ガスは、排気弁６が開かれたときに排気ポート７に排出される。なお、図示していないが、燃料は、燃料タンクからコモンレールを介して高圧で燃料噴射弁５に供給される。

これらの一連の動作が繰り返され、ピストン４はシリンダ８内でシリンダ軸方向に往復運動を繰り返す。このピストン４の往復運動は、コネクチングロッド９、クランクアーム（図示せず）、クランクピン（図示せず）等を備えたリンク機構により、クランクシャフト１０の回転運動（トルク）に変換される。クランクシャフト１０の回転運動は、エンジン出力として取り出され、図示していないが、エンジンＥを搭載している車両を駆動するとともに、オルタネータやエアコンなどの補機を駆動する。エンジンＥは、始動時には、エンジンスタータ１１によって駆動（クランキング）される。なお、図示していないが、クランクシャフト１０の駆動力は、変速機、ファイナルギヤ等を介して駆動輪に伝達される。

エンジンＥにおいては、吸気弁１は吸気弁開閉カム機構１２によって所定のタイミングで開閉される。吸気弁開閉カム機構１２に対して、電磁式の吸気弁カム制御装置１３が設けられている。この吸気弁カム制御装置１３は、コントロールユニットＣからの制御信号に従って、吸気弁開閉カム機構１２を介して、吸気弁１の開閉タイミングを進角させ又は遅角させることができる。他方、排気弁６は排気弁開閉カム機構１４によって所定のタイミングで開閉される。排気弁開閉カム機構１４に対して、電磁式の排気弁カム制御装置１５が設けられている。この排気弁カム制御装置１５は、コントロールユニットＣからの制御信号に従って、排気弁開閉カム機構１４を介して、排気弁６の開閉タイミングを進角させ又は遅角させることができる。

エンジンＥの各気筒の燃焼室３に吸入空気を供給する吸気系（吸気システム）には、全気筒に共通な単一の共通吸気通路１６が設けられている。共通吸気通路１６の先端（上流端）は大気に開放され、その先端部近傍には、吸入空気の流れ方向にみて上流側から順に、吸入空気中のダスト等を除去するエアクリーナ（図示せず）とエアフローセンサ１７（図２参照）とが設けられている。さらに、共通吸気通路１６には、吸入空気の流れ方向にみて上流側から順に、コントロールユニットＣによって弁開度（すなわち、共通吸気通路１６の流路断面積）が制御される電磁式の吸気制御弁１８と、排気ターボ過給機１９のコンプレッサ１９ａと、空冷式のインタークーラ２０とが設けられている。ここで、コンプレッサ１９ａ（排気ターボ過給機１９）は、吸入空気を加圧・圧縮してエンジンＥを過給する。また、インタークーラ２０は、加圧・圧縮により温度が上昇した吸入空気を冷却する。

共通吸気通路１６は、インタークーラ２０の下流側で第１分岐吸気通路１６ａと第２分岐吸気通路１６ｂとに分岐し、分岐部よりやや下流で両分岐吸気通路１６ａ、１６ｂは集合して再び単一の共通吸気通路１６となっている。そして、第１分岐吸気通路１６ａには、電気モータ（図示せず）によって回転駆動される電動過給機２１が設けられている。他方、第２分岐吸気通路１６ｂには、該第２分岐吸気通路１６ｂを開閉する逆止弁２２が設けられている。ここで、逆止弁２２は、電動過給機２１が駆動されているときには第２分岐吸気通路１６ｂを閉じ、電動過給機２１が停止されているときには第２分岐通路１６ｂを開く。

第１分岐吸気通路１６ａと第２分岐吸気通路１６ｂとの集合部より下流側において、共通吸気通路１６の下流端は、吸入空気の脈動を減衰させてその流れを安定させるサージタンク２３に接続されている。サージタンク２３には、各気筒の燃焼室３に個別に吸入空気を供給する複数の独立吸気通路２４が接続され、これらの独立吸気通路２４の下流端は、それぞれ対応する気筒の吸気ポート２に接続されている。なお、サージタンク２３には、吸入空気の圧力を検出する吸気圧センサ２５が設けられている。

また、エンジンＥには、各燃焼室３から排出された排気ガスを大気中に排出する排気系（排気システム）が設けられ、この排気系には、各気筒に共通な単一の共通排気通路２６が設けられている。ただし、排気ガスの流れ方向にみて、上流端近傍部（排気マニホールド）では、排気系は気筒毎に分岐して、対応する気筒の排気ポート７に接続されている。そして、共通排気通路２６には、排気ガスによって駆動される排気ターボ過給機１９のタービン１９ｂが設けられている。

排気ターボ過給機１９は、可動式の多数のフラップ２７によりタービン１９ｂへの排気ガスの通路断面積を変化させることができる可変ターボ過給機（ＶＧＴ）である。これらのフラップ２７は、フラップアクチュエータ２８によって制御される。そして、コントロールユニットＣは、フラップアクチュエータ２８とフラップ２７とを介して、排気ガスの通路断面積を変化させ、タービン１９ｂ（排気ターボ過給機１９）の過給圧を制御する。

さらに、共通排気通路２６には、排気の流れ方向にみてタービン１９ｂより下流側に、酸化触媒を含み排気ガスを浄化する排気ガス浄化触媒３０（ＤＯＣ）と、煤（パティキュレート）を捕集するパティキュレートフィルタ３１（ＤＰＦ）とが設けられている。排気ガス浄化触媒３０及びパティキュレートフィルタ３１は、耐熱性を有する１つのケーシング３２内に収容されている。パティキュレートフィルタ３１に捕集された煤は、適宜に、例えばパティキュレートフィルタ３１の前後の差圧が設定値を超えたときに、排気ガス浄化触媒３１が高温化する運転状態にして、例えば膨張行程で燃料噴射を行って燃焼させることにより除去される。

排気ガスの流れ方向にみて、パティキュレートフィルタ３１のやや上流側とやや下流側とには、それぞれ、第１温度センサ３３と第２温度センサ３４とが設けられている。さらに、共通排気通路２６には、パティキュレートフィルタ３１ないしは第２温度センサ３４より下流側に、該共通排気通路２６を開閉する排気開閉弁３５が設けられている。なお、排気開閉弁３５の弁開度（すなわち、共通排気通路２６の通路断面積）は、コントロールユニットＣによって制御される。

また、エンジンＥには、燃料の燃焼に起因するＮＯｘの発生量を低減することを主な目的として、共通排気通路２６のタービン上流の比較的高圧の排気ガスの一部を、ＥＧＲガスとして吸気系に還流させる高圧ＥＧＲ装置３６が設けられている。この高圧ＥＧＲ装置３６には、ＥＧＲガス流路となる高圧ＥＧＲ通路３７が設けられている。ここで、ＥＧＲガスの流れ方向にみて高圧ＥＧＲ通路３７の上流端は、排気ガスの流れ方向にみてタービン１９ｂより上流側の部位で共通排気通路２６に接続されている。他方、ＥＧＲガスの流れ方向にみて高圧ＥＧＲ通路３７の下流端はサージタンク２３に接続されている。そして、高圧ＥＧＲ通路３７には、ＥＧＲガスの流れ方向にみて上流側から順に、高温（例えば、６００〜８００℃）のＥＧＲガスを冷却する水冷式の高圧ＥＧＲクーラ３８と、ＥＧＲガスの供給量を制御する高圧ＥＧＲ制御弁３９とが設けられている。

さらに、エンジンＥには、燃料の燃焼に起因するＮＯｘの発生量を低減することを主な目的として、共通排気通路２６のパティキュレートフィルタ下流（タービン下流）の比較的低圧の排気ガスの一部を、ＥＧＲガスとして吸気系に還流させる低圧ＥＧＲ装置４１が設けられている。この低圧ＥＧＲ装置４１には、ＥＧＲガスの流路となる低圧ＥＧＲ通路４２が設けられている。ここで、ＥＧＲガスの流れ方向にみて低圧ＥＧＲ通路４２の上流端は、パティキュレートフィルタ３１と排気開閉弁３５との間の部位で共通排気通路２６に接続されている。他方、ＥＧＲガスの流れ方向にみて低圧ＥＧＲ通路４２の下流端は、吸気制御弁１７とコンプレッサ１９ａとの間の部位で共通吸気通路１６に接続されている。そして、低圧ＥＧＲ通路４２には、ＥＧＲガスの流れ方向にみて上流側から順に、ＥＧＲガスを冷却する空冷式の低圧ＥＧＲクーラ４３と、ＥＧＲガスの供給量を制御する低圧ＥＧＲ制御弁４４とが設けられている。

図２に示すように、エンジンＥには、その運転状態に関する各種情報を収集するために種々のセンサが設けられている。すなわち、前記のエアフローセンサ１７、吸気圧センサ２５、第１温度センサ３３及び第２温度センサ３４のほかに、さらに、クランクシャフト１０の回転数（エンジン回転数）を検出するエンジン回転数センサ５１、クランク角を検出するクランク角センサ５２、エンジンＥの冷却水温度（エンジン水温）を検出するエンジン水温センサ５３、アクセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ５４及び吸入空気の温度を検出する吸気温センサ５５が設けられている。これらの各センサの検出信号は、エンジンＥ等の制御情報としてコントロールユニットＣに入力される。

コントロールユニットＣは、課題を解決するための手段の欄に記載された「燃焼形態切換手段」、「電動過給機制御手段」及び「目標トルク設定手段」を含むエンジンＥないしはその付属機器の総合的な制御手段である。詳しくは図示していないが、コントロールユニットＣは、制御信号の入出力を行う入出力部（インターフェース）、デー夕や制御情報等を記憶する記憶部（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）、各種演算処理を行う中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたコンピュータである。

そして、コントロールユニットＣは、前記各センサによって検出された各種データに基づいて、燃料噴射弁５、吸気弁カム制御装置１３、排気弁カム制御装置１５、吸気開閉弁１７、電動過給機２１、逆止弁２２、フラップアクチュエータ２８、排気開閉弁３５、高圧ＥＧＲ制御弁３９、低圧ＥＧＲ制御弁４４等を制御ないしは駆動することにより、燃料噴射制御、ＥＧＲ制御、過給圧制御、パティキュレートフィルタ３１の再生制御等の普通のエンジン制御を行うとともに、本発明に係る加速ないしは燃料の燃焼形態に応じた電動過給機２１の駆動制御及び燃料噴射時期の変更制御（以下「電動過給機制御」という。）を行うようになっている。しかしながら、普通のエンジン制御については、その制御手法は当業者にはよく知られており、またこのような普通のエンジン制御は本願発明の要旨とするところでもないので、その説明を省略する。

以下、図３〜図５に示すフローチャートを参照しつつ、コントロールユニットＣによって実行される、本発明に係る電動過給機制御の制御手順を具体的に説明する。図３に示すように、この電動過給機制御においては、制御が開始されると（スタート）、まずステップＳ１で、各センサ１７、２５、３３、３４、５１〜５５によって検出された物性値ないしは検出値に対応する各種信号が読み込まれる。そして、ステップＳ２で、エンジン回転数センサ５１によって検出されたエンジン回転数と、アクセル開度センサ５４によって検出されたアクセル開度とに基づいて、エンジンＥの要求トルクが算出される。

続いて、ステップＳ３で、アクセル開度ないしはその増加速度に基づいて、エンジンＥの運転状態が、吸入空気が不足する過渡状態（例えば加速状態）であるか否かが判定される。例えば、アクセルペダルが踏み込まれてエンジンＥが加速を開始したときには、アクセルペダルの踏み込み動作に対して、排気ターボ過給機１９による吸入空気の圧力の上昇（過給）の時間遅れ、いわゆるターボラグが生じ、吸入空気が不足する。そこで、このエンジンＥでは、エンジンＥの運転状態がこのような過渡状態（例えば加速状態）であるときは、電動過給機２１を駆動して吸入空気の圧力の上昇（過給）を助勢し、ターボラグの発生を防止ないしは抑制するようにしている。

ステップＳ３でエンジンＥの運転状態が、吸入空気が不足する過渡状態であると判定されたときには（ＹＥＳ）、ステップＳ４で、電動過給機２１が駆動量Ａで駆動（オン）される一方、逆止弁２２が閉弁される。この場合、吸入空気は電動過給機２１によって迅速に加圧され、ターボラグの発生が防止ないしは抑制される。なお、駆動量Ａは、過渡状態におけるターボラグを補償して、エンジンＥの要求トルクに対応するエンジン出力が迅速に得られるように、好ましく設定される。なお、駆動量Ａを電動過給機２１の最大駆動量としてもよい。

他方、ステップＳ３でエンジンＥの運転状態が、吸入空気が不足する過渡状態でないと判定されたときには（ＮＯ）、ステップＳ５で、電動過給機２１が停止（オフ）される一方、逆止弁２２が開弁される。この場合、吸入空気は電動過給機２１をバイパスして、第２分岐吸気通路１６ｂを経由して流れる。このように、電動過給機２１が駆動され又は停止させられた後、ステップＳ６で、エンジンＥの運転状態が予混合燃焼領域に入っているか否かが判定される。

図６は、エンジンＥの運転領域を、エンジン回転数とエンジン負荷とをパラメータ（ないしは独立変数）とする２次元座標系であらわした図である。図６に示すように、このエンジンＥでは、低回転・低負荷領域である予混合燃焼領域では、比較的大量のＥＧＲガスを吸気系に供給するとともに燃料を圧縮上死点より前（例えば、圧縮上死点前６０〜７０°ＣＡ）に噴射して予混合燃焼を行わせるようにしている。なお、予混合燃焼領域は、ＥＧＲガスの供給量が多い高負荷側の領域Ａと、ＥＧＲガスの供給量が少ない低負荷側の領域Ｂとに区分されている。他方、高回転領域又は高負荷領域である拡散燃焼領域、すなわち予混合燃焼領域以外の領域では、燃料を圧縮上死点付近で噴射して拡散燃焼を行わせるようにしている。なお、図６中のＬは、全負荷状態を示している。

図７は、一般的なディーゼルエンジンにおいて、燃料の局所燃焼温度と局所等量比（空気過剰率の逆数）とをパラメータとする２次元座標系において、ＣＯ、ＨＣ、煤又はＮＯｘが比較的多く発生する領域を示した図である。図７から明らかなとおり、ＣＯ及びＨＣは主として低温・高等量比領域で発生し、煤は主として高温・高等量比領域で発生し、ＮＯｘは主として高温・低等量比領域で発生する。そして、ＣＯ及びＨＣが多く発生する領域並びに煤が多く発生する領域と、ＮＯｘが多く発生する領域との間には、ＣＯ、ＨＣ、煤及びＮＯｘの発生量がともに少ない間隙領域が存在する。

そこで、本発明に係るエンジンＥでは、予混合燃焼を行わせるときには、燃料の燃焼状態がこの間隙領域内の領域Ｐに入るように、吸入空気量、燃料噴射量、ＥＧＲガスの供給量、燃料噴射時期等を調整ないしは制御するようにしている。具体的には、予混合燃焼時には、比較的大量のＥＧＲガスを吸気系に供給し、燃料の燃焼温度を低下させてＮＯｘの発生を抑制するようにしている。また、主として低圧ＥＧＲ装置４１を用いて、もともと比較的低温でありかつインタークーラ２０によって冷却されるＥＧＲガスを供給することにより、燃焼室３に供給される吸入空気等の温度を低下させ、密度を高めて等量比を低下させ（空気過剰率を高め）、ＨＣ、ＣＯ及び煤の発生を抑制するようにしている。つまり、予混合燃焼は、大量のＥＧＲと噴射タイミングの早期化により、火花点火エンジン（例えばガソリンエンジン）とほぼ同等に混合された燃料と空気とを低温で燃焼させ、主としてＮＯｘ及び煤の発生量を抑制するものである。

図８は、予混合燃焼が行われる運転状態において、燃料が燃焼する前における燃焼室３内の燃料、新気及びＥＧＲガス並びに残留ガスの比率を概念的ないしは模式的に示している。なお、残留ガスは、前回のサイクルで排気されず燃焼室３内に残留している燃焼ガスである。また、図８中には、予混合燃焼時における燃料噴射タイミング及び拡散燃焼時における燃料噴射タイミングも示されている。図８から明らかなとおり、予混合燃焼時には、燃焼室３内には大量（例えば、約２０％）のＥＧＲガスが含まれている。また、燃料噴射は、例えばクランク角で上死点前６０〜７０°の時期に行われる。

図９に、拡散燃焼が行われる運転状態において、燃料が燃焼する前における燃焼室３内の燃料、新気及び残留ガスの比率を示す。なお、拡散燃焼時における吸気系へのＥＧＲガスの供給量は少ないので、図９ではＥＧＲガスの図示を省略している。また、図９中には、拡散燃焼時における燃料噴射タイミングも示されている。図９から明らかなとおり、拡散燃焼時には、燃料噴射はほぼ圧縮上死点で行われる。

例えば図８に示す形態で予混合燃焼を行う場合に、問題となるのは予混合燃焼では不可欠な大量のＥＧＲガスである。このような予混合燃焼状態から通常の拡散燃焼状態に移行すると、移行直後は、吸気系に大量のＥＧＲガスが残留しているので、比較的大量の煤（スモーク）が発生するだけでなく、燃焼状態が変化することにより空気利用率が変化し、トルクが急激に変化したり、燃焼音の音質や音圧が変化したりして、エンジンＥの商品性に問題が生じるおそれがある。

そこで、このエンジンＥの制御ルーチンでは、アクセルペダルの踏み込み速度、エンジン回転数等に基づいて燃焼領域の移行速度を予測ないしは算出し、予混合燃焼状態から拡散燃焼状態への移行が予測される場合、電動過給機２１を用いて吸入空気（新気）の割合を増加させ、吸気系に残留しているＥＧＲガスを迅速に掃気し（ＥＧＲガス含有率を低下させ）、通常の拡散燃焼状態における気筒内空気状態をいち早く実現できるようにしている。

このように、高回転領域ないしは高負荷領域で燃料を拡散燃焼させる理由は、およそ次のとおりである。すなわち、前記のとおり予混合燃焼によれば、高い燃費性能を維持しつつＮＯｘ、煤等の大気汚染物質の排出を低減することができる。しかしながら、大量のＥＧＲガスを吸気系に供給すると、燃料の供給量が多いときには燃料の完全燃焼に必要な空気量の確保が困難となるので、エンジンＥのすべての運転領域で燃料を予混合燃焼させることは困難である。そこで、燃料の供給量が多い高負荷領域又は高回転領域（すなわち、拡散燃焼領域）では、従来のディーゼルエンジンと同様に燃料を拡散燃焼させるようにしている。

かくして、前記のステップＳ６で、エンジンＥの運転状態が予混合燃焼領域に入っていると判定されたときは（ＹＥＳ）、ステップＳ７で、予混合燃焼領域用のパイロット噴射が行われ、続いてステップＳ８で予混合燃焼領域用のメイン噴射が行われる。本実施の形態では、燃料と吸入空気の混合を促進するために、予混合燃焼領域における燃料噴射を、パイロット噴射とメイン噴射とに分けて行うようにしている。

次に、ステップＳ９で、予混合燃焼領域用のＥＧＲガスの供給量で、吸気系にＥＧＲガスが供給される。ＥＧＲガスの供給量の制御は、高圧ＥＧＲ装置３６の高圧ＥＧＲ弁３９の開度と、低圧ＥＧＲ装置４１の低圧ＥＧＲ弁４４の開度とを制御することにより行われる。この場合、ＥＧＲガスと吸入空気の混合気体の温度を低下させるために、主として又は専ら低圧ＥＧＲ装置４１によりＥＧＲガスを供給するのが好ましい。この後、制御ルーチンはステップＳ１に復帰する（リターン）。

他方、ステップＳ６で、エンジンＥの運転状態が予混合燃焼領域に入っていないと判定されたとき（ＮＯ）、すなわち拡散燃焼領域に入っていると判定されたときには、予混合燃焼を行わないので、ステップＳ７〜Ｓ９をスキップして、ステップＳ１０が実行される。そして、ステップＳ１０では、前回の制御ルーチンで、エンジンＥの運転状態が予混合燃焼領域に入っていたか否かが判定される。

ステップＳ１０で前回の制御ルーチンでエンジンＥの運転状態が予混合燃焼領域に入っていたと判定されたとき（ＹＥＳ）、すなわち今回の制御ルーチンで、エンジンＥの運転状態が予混合燃料領域から拡散燃焼領域に移行したと判定されたときには、吸気系内のＥＧＲガスを迅速に掃気するために、電動過給機２１が駆動される。電動過給機２１の駆動量は、後で詳しく説明するように、エンジンＥの加速度合ないしは予混合燃料領域から拡散燃焼領域への移行速度（以下「領域移行速度」という。）の大小に応じて設定される。

前記のとおり、予混合燃焼領域では、燃焼温度を低下させてＮＯｘ、煤等の発生量を低減するために、吸気系（共通吸気通路１６、インタークーラ２０、サージタンク２３、独立吸気通路２４等）に大量のＥＧＲガスが供給されている。これに対して、拡散燃焼領域では、エンジン出力を高めるために、ＥＧＲガスの供給量を少なくして吸入空気（新気）の供給量を可及的に高めるようにしている。しかしながら、エンジンＥの運転状態が予混合燃料領域から拡散燃焼領域に移行した直後は、吸気系に大量のＥＧＲガスが残留しているので、電動過給機２１を駆動することにより、吸気系内のＥＧＲガスを迅速に掃気するようにしている。

具体的には、ステップＳ１０で前回の制御ルーチンではエンジンＥの運転状態が予混合燃焼領域に入っていたと判定された場合は、ステップＳ１１で、エンジンＥの加速度合ないしはエンジンＥの運転状態の領域移行速度が予め設定されたしきい値αより大きいか否かが判定される。ここで、加速度合がしきい値αより大きいと判定された場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ１２〜Ｓ１５で、燃料噴射形態及びＥＧＲガス供給形態が、予混合燃焼用の形態から拡散燃焼用の形態に急速に移行させられる。

具体的には、ステップＳ１２で、電動過給機２１が、比較的大きい前記駆動量Ａ（例えば、最大駆動量）で駆動される。なお、電動過給機２１を、駆動量Ａと異なる駆動量で駆動してもよい。続いて、ステップＳ１３で、拡散燃焼領域用のパイロット噴射が行われ、さらにステップＳ１４で拡散燃焼領域用のメイン噴射が行われる。すなわち、前回までは予混合燃焼用のパイロット噴射及びメイン噴射が行われていた燃料噴射形態が、今回から拡散燃焼用のパイロット噴射及びメイン噴射が行われる燃料噴射形態に切り替えられる。なお、拡散燃焼領域におけるパイロット噴射は、主として、メイン噴射により噴射された燃料の急激な燃焼を抑制して、ＮＯｘの発生を抑制するとともに燃焼音を低減するために行われる。

次に、ステップＳ１５で、拡散燃焼に適したＥＧＲガスの供給量で、吸気系にＥＧＲガスが供給される。前記のとおり、予混合燃焼領域では大量のＥＧＲガスが吸気系に供給されるが、拡散燃焼領域では少量のＥＧＲガスしか供給されない。なお、エンジン出力をとくに高める必要があるときは、ＥＧＲガスの供給を停止してもよい。ＥＧＲガスの供給量の制御は、高圧ＥＧＲ装置３６の高圧ＥＧＲ弁３９の開度と、低圧ＥＧＲ装置４１の低圧ＥＧＲ弁４４の開度とを制御することにより行われる。この後、制御ルーチンはステップＳ１に復帰する（リターン）。

図１０（ａ）〜（ｃ）に、このように電動過給機２１を比較的大きい駆動量Ａで駆動しつつ、パイロット噴射及びメイン噴射の燃料噴射形態及びＥＧＲガス供給形態を、予混合燃焼用の形態から拡散燃焼用の形態に直ちにないしは急速に移行させる場合における、燃焼室内のＥＧＲガスの比率、電動過給機２１の仕事量、並びに、パイロット噴射及びメイン噴射の噴射量及び噴射タイミングのクランク角に対する変化特性（経時変化）を概念的ないしは模式的に示す。

アクセルペダルが急激に踏み込まれエンジンＥの加速度合が大きいとき、ないしは領域移行速度が大きいときには、吸気系内に残留している大量のＥＧＲガスが掃気されてＥＧＲガスの比率が拡散燃焼に適した（拡散燃焼領域用の）値に移行するのを待っていたのでは、その間加速性が低下する。また、この場合、燃料燃焼形態を徐々に移行するようにしても煤の発生を十分には抑制することができないことがある。そこで、この場合は、加速性の確保を優先させ、パイロット噴射及びメイン噴射の燃料噴射形態及びＥＧＲガス供給形態を、予混合燃焼に適した（予混合燃焼領域用の）形態から拡散燃焼に適した形態に直ちにないしは急速に移行させるようにしている。

他方、ステップＳ１１で、加速度合ないしは領域移行速度がしきい値α以下であると判定された場合は（ＮＯ）、ステップＳ１６〜Ｓ２０で、燃料噴射形態及びＥＧＲガス供給形態が、予混合燃焼に適した形態から拡散燃焼に適した形態に徐々に移行させられる。具体的には、まずステップＳ１６で移行フラグＦに１がセットされる。移行フラグＦは、エンジンＥの運転状態が予混合燃焼領域から拡散燃焼領域へ移行したときにおいて、加速度合ないしは領域移行速度がしきい値α以下である場合に１がセットされ、エンジンＥの運転状態が完全に拡散燃焼に適した状態となったときに０に戻される（リセットされる）フラグである。すなわち、移行フラグＦは、エンジンＥの運転状態が予混合燃焼形態から拡散燃焼形態への移行の途上にあるとき、換言すればステップＳ１７〜Ｓ２０が繰り返し実行されているときに１がたてられるフラグである。

次に、ステップＳ１７で、電動過給機２１が、前記の駆動量Ａよりも小さい駆動量Ｂで駆動される。続いて、ステップＳ１８で、パイロット噴射の燃料噴射形態が、予混合燃焼用の燃料噴射形態から拡散燃焼領域用の燃料噴射形態に徐々に移行させられる（変更される）。さらに、ステップＳ１９で、メイン噴射の燃料噴射形態が、予混合燃焼用の燃料噴射形態から拡散燃焼領域用の燃料噴射形態に徐々に移行させられる（変更される）。なお、この場合も、パイロット噴射は、主として、メイン噴射により噴射された燃料の急激な燃焼を抑制してＮＯｘの発生を抑制するとともに燃焼音を低減するために行われる。

次に、ステップＳ２０で、ＥＧＲガスの供給量が、予混合燃焼用の供給量から拡散燃焼用の供給量に徐々に移行させられる（変更される）。ＥＧＲガスの供給量の制御は、高圧ＥＧＲ装置３６の高圧ＥＧＲ弁３９の開度と、低圧ＥＧＲ装置４１の低圧ＥＧＲ弁４４の開度とを制御することにより行われる。

この後、ステップＳ２１で、エンジンＥの運転状態（パイロット噴射及びメイン噴射の燃料噴射形態）が拡散燃焼用の燃料噴射形態に一致するとともにＥＧＲガスの供給状態が拡散燃焼用のＥＧＲガス供給形態に一致したか否かが判定される。一致していなければ（ＮＯ）、燃料噴射形態及びＥＧＲガス供給形態の移行はまだ完了していないので、制御ルーチンはステップＳ１に復帰する（リターン）。この場合、次の制御ルーチンでは、後で説明するようにステップＳ１０とステップＳ２３とを経由して、ステップＳ１７〜Ｓ２０が再び実行され、燃料噴射形態及びＥＧＲガス供給形態の移行が続行されることになる。

図１１（ａ）〜（ｅ）に、このように電動過給機２１を比較的小さい駆動量Ｂで駆動しつつ、パイロット噴射及びメイン噴射の燃料噴射形態及びＥＧＲガス供給形態を、予混合燃焼に適した形態から拡散燃焼に適した形態に徐々に移行させる場合における、燃焼室内のＥＧＲガスの比率、電動過給機２１の仕事量、並びに、パイロット噴射及びメイン噴射の噴射量及び噴射タイミングのクランク角に対する変化特性（経時変化）を概念的ないしは模式的に示す。

図１１（ａ）〜（ｅ）に示すように、アクセルペダルが比較的緩やかに踏み込まれエンジンＥの加速度合が小さいとき、ないしは領域移行速度が小さいときには、加速要求はさほど大きくないので、吸気系内のＥＧＲガス量の減少に応じて、燃料噴射量及び噴射タイミングが、予混合燃焼形態から拡散燃焼形態へ徐々に移行させられる。なお、最終的には拡散燃焼用のＥＧＲガス率となり燃焼も通常燃焼となる。このとき、電動過給機２１によってＥＧＲガス率が制御され、また燃料噴射量及び燃料噴射タイミングも制御（λコントロール）されているので、燃料形態は急激には移行せず、緩やかに移行する。

ステップＳ２１で、パイロット噴射及びメイン噴射の燃料噴射形態が拡散燃料用の燃料噴射形態に一致していると判定されたときは（ＹＥＳ）、燃料噴射形態及びＥＧＲガス供給形態の移行がすでに完了しているので、ステップＳ２２で移行フラグＦが０に戻され（リセットされ）、制御ルーチンはステップＳ１に復帰する（リターン）。この場合、次の制御ルーチンでは、後で説明するようにステップＳ１０とステップＳ２３を経由して、ステップＳ１３〜Ｓ１５が実行され、拡散燃焼領域用の燃料噴射形態でパイロット噴射及びメイン噴射が行われるとともに、拡散燃焼用のＥＧＲガス供給形態でＥＧＲガスが供給されることになる。すなわち、普通の拡散燃焼が行われる。

ところで、前記のステップＳ１０で、前回の制御ルーチンではエンジンＥの運転状態が予混合燃焼領域に入っていなかったと判定されたとき（ＮＯ）、すなわち前回の制御ルーチンですでに拡散燃焼領域に入っていたと判定されたときには、ステップＳ２３で、移行フラグＦが１であるか否かが判定される。ここで、移行フラグＦが１であると判定されたときは（ＹＥＳ）、エンジンＥの運転状態は、燃料噴射形態及びＥＧＲガス供給形態が、予混合燃焼用の形態から拡散燃焼用の形態への移行中であるので、ステップＳ１７〜Ｓ２０が実行され、電動過給機２１を駆動量Ｂで駆動しつつ、燃料噴射形態及びＥＧＲガス供給形態の移行が続行される。

他方、ステップＳ２３で移行フラグＦが１でない（すなわち０である）と判定された場合は（ＮＯ）、燃料噴射形態及びＥＧＲガス供給形態の移行がすでに完了しているので、ステップＳ１３〜Ｓ１５が実行され、拡散燃焼領域用の燃料噴射形態でパイロット噴射及びメイン噴射が行われるとともに、拡散燃焼用のＥＧＲガス供給形態でＥＧＲガスが供給され、普通の拡散燃焼が行われる。この後ステップＳ１に復帰する。

前記のとおり、図３と図４とに示す一連のフローチャートにかかる制御ルーチンでは、エンジンＥの加速度合ないしは領域移行速度がしきい値αを超えているか否かにより、燃料噴射形態及びＥＧＲガス供給形態を、予混合燃焼用の形態から拡散燃焼用の形態に直ちに移行させるか、それとも徐々に移行させるかを切り換えるようにしている（ステップＳ１１）。しかしながら、図５に示すように、図４に示すフローチャート中のステップＳ１１に代えて、エンジンＥの運転状態が、予混合燃焼領域中のＥＧＲガス供給量が多い領域（ＥＧＲ多量域）、すなわち図６中の領域Ａに入っているか否かにより、燃料噴射形態及びＥＧＲガス供給形態を、予混合燃焼用の形態から拡散燃焼用の形態に直ちに移行させるか、それとも徐々に移行させるかを切り換えるようにしてもよい。

かくして、図５に示す制御ルーチンでは、ステップＳ３０でエンジンＥの運転状態が予混合燃焼領域中のＥＧＲガス供給量が多い領域、すなわち図６中の領域Ａに入っていると判定された場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ１２〜Ｓ１５で、電動過給機２１が駆動量Ａで駆動される一方、パイロット噴射及びメイン噴射の燃料噴射形態及びＥＧＲガス供給形態が、予混合燃焼用の形態から拡散燃焼用の形態に直ちにないしは急速に移行させられる。この場合は、吸気系内に残留しているＥＧＲガスの量が多いので、電動過給機２１を比較的大きい駆動量Ａで駆動してＥＧＲガスの掃気を促進するようにしている。

他方、ステップＳ３０でエンジンＥの運転状態が予混合燃焼領域中のＥＧＲガス供給量が多い領域に入っていないと判定された場合（ＮＯ）、すなわち図６中の領域Ｂに入っていると判定された場合は、ステップＳ１６で移行フラグＦに１がセットされた後、ステップＳ１７〜Ｓ２０で、電動過給機２１が駆動量Ｂで駆動される一方、パイロット噴射及びメイン噴射の燃料噴射形態及びＥＧＲガス供給形態が、予混合燃焼用の形態から拡散燃焼用の形態に徐々に移行させられる。この場合は、吸気系内に残留しているＥＧＲガスの量が少ないので、電動過給機２１を比較的小さい第１駆動量で駆動するようにしている。その他の点は、図３及び図４に示す制御ルーチンと同様である。

以上、本発明の実施の形態に係るエンジンＥによれば、予混合燃焼形態から拡散燃焼形態への移行時に、電動過給機２１の駆動により、予混合燃焼時に供給され吸気系に残留しているＥＧＲガスを迅速に排出して新気の供給量を増加させることができるので、運転状態を速やかに拡散燃焼形態へ移行させることができる。また、拡散燃焼開始時における、ＥＧＲガスの残留に起因する煤の発生を防止ないしは抑制することができ、かつ、エンジン出力を迅速に高めることができる。

本発明に係る過給装置を備えたディーゼルエンジンのシステム構成を示す模式図である。 図１に示すディーゼルエンジンの制御システムの構成を示すブロック図である。 図１に示すディーゼルエンジンの電動過給機制御の制御手順を示すフローチャートである。 図１に示すディーゼルエンジンの電動過給機制御の制御手順を示すフローチャートである。 図１に示すディーゼルエンジンの電動過給機制御の制御手順を示すフローチャートである。 図１に示すディーゼルエンジンの運転領域を、エンジン回転数とエンジン負荷とをパラメータとする２次元座標系であらわした図である。 燃料の局所燃焼温度と局所等量比とをパラメータとする２次元座標系において、ＣＯ、ＨＣ、煤又はＮＯｘが比較的多く発生する領域を示した図である。 予混合燃焼時における、燃焼前の燃焼室内の燃料、新気及びＥＧＲガス並びに残留ガスの比率を概念的に示す図である。 拡散燃焼時における、燃焼前の燃焼室内の燃料及び新気並びに残留ガスの比率を概念的に示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、予混合燃焼形態から拡散燃焼形態に急速に移行させる場合における、燃焼室内のＥＧＲガスの比率、電動過給機の仕事量、並びに、パイロット噴射及びメイン噴射の噴射量及び噴射タイミングのクランク角に対する変化特性を概念的に示す図である。 （ａ）〜（ｅ）は、予混合燃焼形態から拡散燃焼形態に緩慢に移行させる場合における、燃焼室内のＥＧＲガスの比率、電動過給機の仕事量、並びに、パイロット噴射及びメイン噴射の噴射量及び噴射タイミングのクランク角に対する変化特性を概念的に示す図である。

符号の説明

Ｅ ディーゼルエンジン、Ｃ コントロールユニット、１ 吸気弁、２ 吸気ポート、３ 燃焼室、４ ピストン、５ 燃料噴射弁、６ 排気弁、７ 排気ポート、８ シリンダ、９ コネクチングロッド、１０ クランクシャフト、１１ エンジンスタータ、１２ 吸気弁開閉カム機構、１３ 吸気弁カム制御装置、１４ 排気弁開閉カム機構、１５ 排気弁カム制御装置、１６ 共通吸気通路、１６ａ 第１分岐吸気通路、１６ｂ 第２分岐吸気通路、１７ エアフローセンサ、１８ 吸気開閉弁、１９ 排気ターボ過給機、１９ａ コンプレッサ、１９ｂ タービン、２０ インタークーラ、２１ 電動過給機、２２ 逆止弁、２３ サージタンク、２４ 独立吸気通路、２５ 吸気圧センサ、２６ 共通排気通路、２７ フラップ、２８ フラップアクチュエータ、３０ 排気ガス浄化触媒、３１ パティキュレートフィルタ、３２ ケーシング、３３ 第１温度センサ、３４ 第２温度センサ、３５ 排気開閉弁、３６ 高圧ＥＧＲ装置、３７ 高圧ＥＧＲ通路、３８ 高圧ＥＧＲクーラ、３９ 高圧ＥＧＲ制御弁、４１ 低圧ＥＧＲ装置、４２ 低圧ＥＧＲ通路、４３ 低圧ＥＧＲクーラ、４４ 低圧ＥＧＲ制御弁、５１ エンジン回転数センサ、５２ クランク角センサ、５３ エンジン水温センサ、５４ アクセル開度センサ、５５ 吸気温センサ。

Claims (4)

1. 燃料噴射時期を圧縮上死点よりも早めるとともにＥＧＲガスを供給して燃料を予混合燃焼させる予混合燃焼形態と、燃料噴射時期を圧縮上死点付近として燃料を拡散燃焼させる拡散燃焼形態とに燃焼形態を切換える燃焼形態切換手段と、
   電動過給機と、
   要求空気量が不足する状況下では上記電動過給機を駆動させる電動過給機制御手段とを備えているエンジンの過給装置であって、
   上記電動過給機制御手段は、予混合燃焼形態から拡散燃焼形態への移行時は、要求空気量が不足しない状況下でも上記電動過給機を駆動させることを特徴とするエンジンの過給装置。
2. 予混合燃焼を行う運転領域中の低負荷側領域では高負荷側領域よりもＥＧＲガスの供給量が少なく設定されていて、
   上記電動過給機制御手段は、エンジンの運転状態が上記低負荷側領域から拡散燃焼を行う運転領域へ移行するときには、上記電動過給機を第１の駆動量で駆動するとともに燃料噴射時期を徐々に圧縮上死点付近に変更する一方、上記高負荷側領域から拡散燃焼を行う運転領域へ移行するときには、上記電動過給機を上記第１の駆動量よりも大きい第２の駆動量で駆動するとともに燃料噴射時期を直ちに圧縮上死点付近に変更することを特徴とする、請求項１に記載のエンジンの過給装置。
3. 上記電動過給機制御手段は、エンジンの燃焼形態が予混合燃焼形態から拡散燃焼形態へ移行する際に、エンジンの加速度合が小さいときは、上記電動過給機の駆動により拡散燃焼に適したＥＧＲガス量となった後に、燃料噴射時期を圧縮上死点付近に変更する一方、上記加速度合が大きいときは、上記電動過給機の駆動開始後直ちに燃料噴射時期を圧縮上死点付近に変更することを特徴とする、請求項１に記載のエンジンの過給装置。
4. アクセル開度に基づいて目標トルクを設定する目標トルク設定手段が設けられていて、
   上記燃焼形態切換手段は、目標トルク設定手段によって設定された目標トルクに基づいて予混合燃焼形態と拡散燃焼形態とを切換えることを特徴とする、請求項１に記載のエンジンの過給装置。

Images