JP2010209791A - 圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】未燃燃料やスモークの発生を抑制できる圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置を提供する。
【解決手段】主噴射の前に先行噴射を行い、着火前の燃焼室に、前記先行噴射によるストイキよりリーンの混合気と前記主噴射によるストイキよりリッチの混合気とを所定の重複領域をもって偏在させ、この状態で燃焼を開始させる圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置において、前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記運転状態検出手段により検出された運転状態に応じて、前記リーン混合気と前記リッチ混合気との前記重複領域の大きさを制御する制御手段と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置に関するものである。

圧縮着火式内燃機関において、少量の燃料を主噴射前の上死点近傍で先行噴射させて上死点後に予混合燃焼させ、この先行噴射燃料の燃焼後の膨張行程において、本来圧力及び温度が低下して主噴射だけでは燃焼が安定せず失火するような時期に、燃料を主噴射する燃焼制御方法が提案されている（特許文献１）。

特許第３６１３６６６号公報

しかしながら、この燃焼制御方法では、先行噴射燃料の燃焼後の圧縮上死点後に主噴射を実行するため、先行噴射燃料の燃焼によって燃焼室内の温度は上昇するものの、酸素濃度が低下して着火の安定性が相殺される。その結果、着火不良による未燃燃料が増加したり、着火が早過ぎて燃焼が拡散的になりスモークが増加したりするといった問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、未燃燃料やスモークの発生を抑制できる圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置を提供することである。

本発明では、着火前の燃焼室内にストイキよりもリーンの混合気とストイキよりもリッチの混合気とを所定の重複領域をもって偏在させ、運転状態に応じてこの重複領域の大きさを制御した状態で燃焼を開始させる。

本発明によれば、比較的拡散・予混合の遅れている一部の燃えやすい当量比のリーン混合気と、比較的拡散・予混合の進んだ一部の燃えやすい当量比のリッチ混合気とが所定の重複領域をもって偏在し、重複領域が大きいと着火性が高くなるので、運転状態に応じて重複領域の大きさを制御することで、スモークや未燃燃料の発生を抑制することができる。

本発明の一実施の形態を適用したディーゼルエンジンを示すブロック図である。 図１のディーゼルエンジンの燃焼制御手順を示すフローチャートである。 図１のディーゼルエンジンで行われる、エンジン負荷及びエンジン回転速度に応じた燃焼制御例を示すグラフである。 図１のディーゼルエンジンで行われる、低温予混合的燃焼に対する通常燃焼におけるクランク角と熱発生率の関係を示すグラフである。 図１のディーゼルエンジンで行われる低温予混合的燃焼におけるクランク角と熱発生率の関係を示すグラフである。 図１のディーゼルエンジンで行われる、酸素濃度を１２％，１７％，２１％とした場合の熱発生率を示すグラフである。 図１のディーゼルエンジンで行われる低温予混合的燃焼の混合気の偏在状態を示す燃焼室の断面図である。 図１のディーゼルエンジンで行われる低温予混合的燃焼制御の上死点における当量比分布をコンピュータシミュレーションにより求めたグラフである。 図１のディーゼルエンジンで行われる低温予混合的燃焼の混合気の偏在状態を示す燃焼室の平面図、判断面図および当量比分布を示すグラフである。 図１のディーゼルエンジンで行われる酸素濃度に応じた重複領域の制御を示す図である。 図１のディーゼルエンジンで行われるリーン混合気とリッチ混合気との重複領域の大きさの制御の第１実施形態を示す図である。 図１のディーゼルエンジンで行われるリーン混合気とリッチ混合気との重複領域の大きさの制御の第２実施形態を示す図である。 図１のディーゼルエンジンで行われるリーン混合気とリッチ混合気との重複領域の大きさの制御の第３実施形態を示す図である。 図１のディーゼルエンジンで行われるリーン混合気とリッチ混合気との重複領域の大きさの制御の第４実施形態を示す図である。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施の形態を適用したディーゼルエンジンを示すブロック図である。

本例のディーゼルエンジンの燃焼制御装置は、着火前の燃焼室内にストイキよりもリーンの混合気とストイキよりもリッチの混合気とを所定の重複領域をもって偏在させ、運転状態に応じてこの重複領域の大きさを制御した状態で燃焼を開始させる（以下、低温予混合的燃焼ともいう。）エンジンであって、吸気の酸素濃度に応じてリーン混合気とリッチ混合気との重複領域の大きさを制御するものであるが、この重複領域を制御する実施形態として種々の形態が考えられる。したがって、最初に第１実施形態〜第４実施形態に共通する構成を説明したのち、重複領域を制御する４つの形態を説明する。

図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという。）１は、吸気通路２０と排気通路４０を備える。

吸気通路２０の上流側にはエアクリーナ２０ａが設けられ、その下流に吸入空気量Ｑairを検出するためのエアフローメータ７と、吸気温度Ｔairを検出するための温度センサ８と、吸気圧力Ｐairを検出するための圧力センサ９が配置されている。また、エアクリーナ２０ａと吸気コレクタ２０ｂとの間の吸気通路２０には、たとえばステッピングモータで構成されたアクチュエータによって開閉駆動される吸気絞り弁６が設けられている。

一方、排気通路４０の上流側部分を構成する排気出口通路４０ａの下流には、排気浄化のため、排気中の粒子状物質であるＰＭ（Particulate Matter）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ１６（以下、ＤＰＦ１６と省略する。）が配置されている。なお、ＤＰＦ１６に、排気空燃比がリーンのときに排気中の窒素酸化物ＮＯｘをトラップし、トラップしたＮＯｘを排気空燃比がリッチのときに脱離浄化することのできるＮＯｘトラップ触媒および貴金属などの酸化触媒を担持させ、流入する窒素酸化物ＮＯｘ、炭化水素ＨＣ、一酸化炭素ＣＯなどの排気成分を除去する機能を持たせることもできる。

吸気通路２０の吸気コレクタ２０ｂと排気出口通路４０ａとの間には、排気還流装置としての、排気の一部を還流するためのＥＧＲ通路４と、ＥＧＲ通路４の途中にＥＧＲ通路４を流れる排気を冷却するＥＧＲクーラ１７が設けられている。

ＥＧＲクーラ１７は、比例ソレノイド型の電磁弁やステッッピングモータ等で駆動される制御弁などから構成される水量調整装置４４を有する。なお、水量調整装置に代えて電動ファンなどから構成される水温調整装置を用いることもできる。そして、吸気コレクタ２０ｂ内に臨んで設けられる作動ガス温度センサ４１によって作動ガスの温度が検出され、水量（または水温）を調整することでクーラの冷却効率を変化させてＥＧＲガス温度を調整し、エンジンに流入する作動ガス温度を制御する。また、ＥＧＲ通路４の吸気コレクタ２０ｂとの接続部には、ステッピングモータにより開度が連続的に制御可能なＥＧＲ弁５と、吸気コレクタ２０ｂに導入されるＥＧＲガス温度を検出するＥＧＲガス温度センサ４２が設けられている。

エンジン１の各気筒には筒内圧力を検出する圧力センサ２が設けられている。この圧力センサ２は燃焼室内に臨むタイプのものや、座金形状のノッキングセンサタイプのものを用いることができる。

エンジン１の燃料噴射装置１０は、いわゆるコモンレール式燃料噴射装置であって、サプライポンプ１１と、コモンレール（蓄圧室）１４と、気筒毎に設けられた燃料噴射弁１５とを有し、サプライポンプ１１により加圧された燃料が燃料供給通路１２を通ってコモンレール１４に一時的に蓄えられたのち、コモンレール１４内の高圧燃料が各気筒の燃料噴射弁１５に分配される。

コモンレール１４には、該コモンレール１４内の燃料の圧力および温度を検出するために、圧力センサ３４および温度センサ３５が設けられている。また、コモンレール１４内の燃料圧力を制御するために、サプライポンプ１１からの吐出燃料の一部が圧力制御弁１３を介して図示しないオーバーフロー通路から燃料供給通路１２に戻されるように構成され、この圧力制御弁１３がエンジンコントロールユニット３０からのデューティ信号に応じてオーバーフロー通路の流路面積を変化させる。これにより、サプライポンプ１１からコモンレール１４への実質的な燃料吐出量が調整され、コモンレール１４内の燃料圧力が制御される。

燃料噴射弁１５は、エンジンコントロールユニット３０からのＯＮ−ＯＦＦ信号によって開閉される電子式の噴射弁であって、ＯＮ信号によって燃料を燃焼室に噴射し、ＯＦＦ信号によって噴射を停止する。そして、燃料噴射弁１５へ印加されるＯＮ信号の期間が長いほど燃料噴射量が多くなり、またコモンレール１４の燃料圧力が高いほど燃料噴射量が多くなる。図７に示されるように、燃料噴射弁１５は燃焼室中央に配置され、その全周からシリンダボア壁方向に向かって燃料噴霧が形成されるように、燃料を噴射する。

エンジン１の適宜位置には、内燃機関の温度を代表するものとして、冷却水の温度を検出する水温センサ３１が設けられている。

エンジンコントロールユニット３０には、圧力センサ２からの圧力信号ＣＰ、水温センサ３１からの冷却水温度信号Ｔｗ、クランク角度検出用クランク角センサ３２からのクランク角度信号（エンジン回転速度Ｎｅの基礎となる）、気筒判別用カム角センサ３３からの気筒判別信号Ｃｙ１、コモンレール１４の燃料圧力を検出する圧力センサ３４からのコモンレール圧力信号Ｐｃｒ、燃料温度を検出する温度センサ３５からの燃料温度信号Ｔｆ、負荷に相当するアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ５０からのアクセル開度（負荷）信号Ａｃｃ、エアフローメータ７からの吸入空気量信号Ｑair、吸気温度センサ８からの吸気温度信号Ｔair、圧力センサ９からの吸気圧力信号Ｐair、作動ガス温度センサ４１からの温度信号Ｔgasがそれぞれ入力される。

また、排気通路４０のＤＰＦ１６の出口部又は入口部には、酸素濃度（Ｏ₂exh）を検出する酸素濃度センサ又は空燃比センサ４３が設けられ、酸素濃度センサ又は空燃比センサ４３は、たとえば酸素イオン伝導性固体電解質を用いて、排気中の酸素濃度を検出するものを用いることができる。これらの信号もエンジンコントロールユニット３０に入力されている。

エンジンコントロールユニット３０は、これらの入力信号に基づいて、燃料噴射の噴射量及び噴射時期制御のための圧力制御弁１３へのオーバーフロー通路の開度指令信号や燃料噴射弁１５への燃料噴射指令信号、吸気絞り弁６への開度指令信号、ＥＧＲ弁５への開度指令信号、水量調整装置４５への水量調整信号等を出力する。

次に、本例の燃焼制御を説明する。

図２はエンジンコントロールユニット３０によって行われる燃焼制御を示すフローチャートであり、主噴射終了から主燃焼開始までの期間ＭＰＩ（予混合制御期間）と、予混合制御期間目標値との偏差（ｄＭＰＩ）に基づいて、主燃焼の着火時期制御を行うものである。なお、図３はエンジン負荷及びエンジン回転速度に応じた燃焼制御例を示すグラフ、図４は本例の低温予混合的燃焼に対する通常燃焼におけるクランク角に対する熱発生率を示すグラフ、図５は本例の低温予混合的燃焼におけるクランク角と熱発生率の関係を示すグラフである。

ステップＳ１００では、筒内圧力ＣＰ、吸入空気量Ｑａｉｒ、吸入空気温度Ｔair、吸入空気圧力Ｐair、水温Ｔｗ、エンジン回転速度Ｎｅ、気筒判別信号Ｃｙｌ、コモンレール圧力Ｐｃｒ、燃料温度Ｔｆ、アクセル開度Ａｃｃ、吸入されるガス温度Ｔgas、ＥＧＲ温度Ｔegr、酸素濃度Ｏ2exhに対応する信号をそれぞれ読み込む。

ステップＳ２００では、エンジン回転速度Ｎｅ、アクセル開度Ａｃｃ、および水温Ｔｗ等から現在の回転数と負荷、エンジンの温度状態を検出する。

ステップＳ３００では、コモンレール１４による燃料噴射の目標値を算出し、燃料噴射弁１５の駆動制御を実行する。この燃料噴射弁１５の駆動制御は、圧力制御と噴射時期制御から構成され、まず圧力制御を行う。

コモンレール１４の圧力制御は、エンジン回転速度Ｎｅとアクセル開度Ａｃｃとをパラメータとして、エンジンコントロールユニット３０のＲＯＭに予め記憶されている所定のマップを検索することにより、コモンレール１４の目標基準圧力Ｐcr0を求め、この目標基準圧力Ｐcr0が得られるように圧力制御弁１３のフィードバック制御を実行する。次いで燃料の噴射時期制御を行う。

たとえばエンジン回転速度Ｎｅとアクセル開度Ａｃｃをパラメータとして、先行燃料噴射量Ｑpilot、主燃料噴射量Ｑmain、コモンレール圧力（噴射圧力）Ｐcr、先行噴射期間Ｐperiod、主噴射期間Ｍperiod、主噴射開始時期ＭＩＴ、先行噴射開始時期ＰＩＴ、そして先行噴射間隔ｄＩＴ等を、エンジンコントロールユニット３０のＲＯＭに予め記憶されている所定のマップデータを検索してそれぞれ求める。

そして、先行噴射量Ｑpilot、主燃料噴射量Ｑmainが供給されるように、クランク角度検出用クランク角センサ３２のクランク角度信号および気筒判別用カム角センサ３３の気筒判別信号Ｃｙｌに基づいて、先行噴射開始時期ＰＩＴよりＰperiodの期間、主噴射開始時期ＭＩＴよりＭperiodの期間、噴射すべき気筒の燃料噴射弁１５を開弁駆動する。

ステップＳ４００では、エンジン回転速度Ｎｅとアクセル開度Ａｃｃとから、図３に示すように、予め定められた通常燃焼許可領域Ａ、ＥＧＲ許可領域でかつ予混合燃焼許可領域Ｂ、ＥＧＲ許可領域でかつ通常燃焼許可領域Ｃ、ＥＧＲ不許可領域Ｄのいずれかであるかを判定する。

なお、エンジン回転速度とエンジン負荷が、図３に示す中負荷領域である予混合燃焼許可領域Ｂにある場合は、図５に示す低温予混合的燃焼となる先行噴射が少なくとも１回以上実行される。これに対して、エンジン回転速度とエンジン負荷が、図３に示す通常燃焼許可領域ＡまたはＣにある場合は、図４に示すような通常燃焼となるように先行噴射を制御する。通常燃焼では、図５の低温予混合的燃焼に対して、先行噴射の噴射量割合が少なく、先行噴射の噴射時期が遅く、燃焼室内の酸素濃度が高くされる。通常、先行噴射の噴射量割合は１０％程度、先行噴射の噴射時期は上死点前１０°付近、燃焼室内の酸素濃度は１８％程度である。

ステップＳ５００では、ステップＳ４００で判定された燃焼領域がＥＧＲ許可領域でかつ予混合燃焼許可領域Ｂであれば、低温予混合的燃焼に制御するために、酸素センサ／空燃比センサ４３により酸素濃度を検出する。

本例の低温予混合的燃焼制御（予混合燃焼許可領域Ｂで実行される制御）は、図５に示すように、先行噴射と主噴射により噴射すべき大部分の燃料が噴射された後に、低温酸化反応による予備燃焼が発現し、引き続き高温酸化反応による主燃焼が発現する。

本例の低温予混合的燃焼制御では、燃焼室内は、主噴射が終了するまで低温酸化反応が生じない程度の低酸素濃度の雰囲気にされる。このような低温酸素濃度雰囲気おいて、先行噴射によりストイキよりリーンの混合気を燃焼室に形成したのち、主噴射によりストイキよりリッチの混合気を燃焼室に形成し、これによりリーン混合気とリッチ混合気を所定の重複領域をもって偏在させる。すなわち先行噴射によって形成されたリーンな混合気と主噴射によって形成された比較的リッチな混合気が重複領域を挟んで二極的に混在する状態で着火・燃焼が開始される燃焼である。

燃焼室内の酸素濃度、または燃焼室内に吸入される吸気の酸素濃度は、主噴射が終了するまで低温酸化反応が生じない程度の低濃度であり、本例の低温予混合的燃焼では１２〜１５％であることが望ましい。こうした酸素濃度の制御は、たとえばＥＧＲ率を制御することで行うことができる。

図６はＥＧＲ率を変えることにより酸素濃度を１２％，１７％，２１％（２１％の場合はＥＧＲ無し）とした場合の熱発生率を示すグラフであり、酸素濃度が１２％の場合は主噴射が終了するまで低温酸化反応は生じていないが、酸素濃度が１７％の場合は主噴射の途中から、２１％になると主噴射の前から低温酸化反応が生じている。

主噴射が終了する前に熱発生（酸化反応）が生じると、主噴射の噴霧燃料が噴射直後から拡散的に燃焼してスモークの生成を助長する可能性がある。酸素濃度を１２〜１５％に低く抑えたことで、主噴射の途中（あるいは以前）の時点で、燃焼室内に存在する混合気の低温酸化反応が生じないようにしている。このような酸素濃度の範囲は、後述の混合気形成（燃料噴射時期と燃料噴射量の設定）と合せて、さらに良好な燃焼を生じさせることができるようになる。

低温予混合的燃焼では、始めに、燃焼室内に偏在させられた先行噴射によるストイキよりもリーンの混合気のうち、比較的拡散・予混合の遅れている一部の燃えやすい当量比のリーン混合気と、同じく燃焼室内に偏在させられた主噴射によるストイキよりもリッチの混合気のうち、比較的拡散・予混合の進んでいる一部の燃えやすい当量比のリッチ混合気とによって、低温酸化反応による予備燃焼が生じる。その後、予備燃焼の終了直後より、予備燃焼に使われずに残り、燃焼室内で拡散・予混合の進んだ、主噴射によるストイキよりもリッチの混合気と、先行噴射によるストイキよりもリーンの混合気とによって、高温酸化反応による主燃焼が生じる。

主燃焼は、予備燃焼に引き続いて生じるため、着火性が安定する。主噴射によるリッチ混合気の主燃焼は拡散的ではあるものの、主燃焼を生じる頃には拡散・予混合が進んでいるため、スモークの生成が抑制される。主噴射によるリッチ混合気の燃焼が拡散的であることに加え、主燃焼は、先行噴射で形成されたリーン混合気の穏やかな燃焼をも伴うので、急峻性が抑えられた燃焼騒音の少ないものとなる。先行噴射で形成されたリーン混合気は、拡散・予混合が進んではいるものの、主燃焼を生じる頃には十分にリーン化しているため、上述の低酸素濃度雰囲気の下でその燃焼は穏やかなものとなる。このように低温予混合的燃焼では燃焼温度を低く抑えることができるため、ＮＯｘの生成排出を抑制することができる。

また、本例の低温予混合的燃焼の先行噴射は、同図に示すようにストイキよりリーンの混合気が燃焼開始時期（主噴射終了時期）に多く形成されるようにクランク角度６０°ＢＴＤＣ〜３０°ＢＴＤＣの時期に実行され、主噴射に対する先行噴射の噴射量は２０〜４０％であることが望ましい。このような燃料噴射時期と燃料噴射量の設定により、熱発生（酸化反応の発現）を生じる時期の燃焼室内には、ストイキよりリーンな混合気とストイキよりリッチな混合気とがそれぞれ燃焼室内に均質化することなく偏在し、さらに燃料成分が到達せずに混合気とならない（吸入空気のままの）空間が形成される（ボア壁付近等）。

先行噴射の噴射時期は、クランク角度６０°ＢＴＤＣ〜３０°ＢＴＤＣとされるので、先行噴射によるストイキよりリーンな混合気は、主噴射によるストイキよりリッチな混合気が形成される時期においても、燃焼室内全体にまでは拡散することなく、燃焼室内でボア壁に触れないように偏在して存在する。このような噴射時期に比較的多くの噴射量で先行噴射を実行することで、燃料成分が直接ボア壁に触れ易くなったり燃焼室の隅部（エンド部）にできた混合気が燃焼不良を生じたりしないようにして、燃料によるオイル希釈や未燃焼燃料の排出を防ぎつつ、しかしながら燃焼の急峻性低減に寄与するリーン混合気を多く形成することができる。先行噴射の噴射量は全体の２０〜４０％と比較的多くしつつも、噴射時期をクランク角度６０°ＢＴＤＣ〜３０°ＢＴＤＣとしたので、先行噴射燃料の拡散・予混合が進み、燃えやすい当量比の混合気が過剰に存在しないようにすることができ、上術の低酸素濃度雰囲気になっていることと合わせ、低温酸化反応を主噴射終了後になって発現させることができる。

主噴射の噴射時期は、上死点の近傍、特に上死点直前に噴射を終了することが望ましい。このようにすると上死点以後、中でも上死点直後より低温酸化反応が生じ、その後のピストンが降下（燃焼室容積が拡大）する状況で主燃焼である高温酸化反応が生じるので、燃焼の急峻さが緩和されスモークの発生が抑制されるとともに、熱エネルギーから仕事への変換の効率を高めることができる。

先行噴射と主噴射とを合わせたトータルの燃料噴射量はエンジン負荷によって制御するが、トータルの燃料噴射量が増加することで先行噴射の噴射量が増加する場合やトータルの燃料噴射量は同じであるが主噴射との噴射量割合が調整されて先行噴射の噴射量が増加した場合は、先行噴射の噴射時期を進角させることが望ましい。これにより局所的に濃い混合気ができるのを防いで、先行噴射による混合気の熱発生が主噴射終了までに生じるのを防止しつつ、多くのリーン混合気を形成することができる。

図７は本例の低温予混合的燃焼における混合気の偏在状態を示す燃焼室の断面図、図８は同じく低温予混合的燃焼制御を行なった場合の上死点における当量比分布をコンピュータシミュレーションにより求めたグラフであり、先行噴射を行わない燃焼制御の場合を比較例として示す。また、図９の上図は燃焼室の平面図、中図は燃焼状態の判断面図、下図は図８と同じ当量比分布を示すグラフである。

本例の先行噴射によるリーン混合気は、クランク角３０°ＢＴＤＣ以前に噴射される一方で主噴射によるリッチ混合気は上死点近傍で噴射される。したがって、図７及び図９の上図、中図に示すようにリーンな混合気とリッチな混合気とが一部が重なり合った状態で偏在することになる。つまり、熱発生（酸化反応の発現）を生じる時期の燃焼室内には、ストイキよりリーンな混合気とストイキよりリッチな混合気とがそれぞれ燃焼室内に均質化することなく偏在する。そして、燃料成分が到達せずに混合気とならない（吸入空気のままの）空間が形成される（ボア壁付近等）。先行噴射の燃料噴霧は、ピストン冠面キャビティ外側部分の上空へも到達するが、ボア壁には到達しないようにしているので、上死点付近でピストン冠面キャビティ外側部分と燃焼室の天井（シリンダヘッド面）に挟まれたときも、殆どが隅部（エンド部）に残ることなくキャビティ内側に戻されて、オイル希釈や未燃焼燃料の排出が抑制される。特に図９の上図に示すようにリーン混合気は燃焼室の比較的外周に分布し、リッチ混合気は燃焼室の中央に分布している。また、図８及び図９の下図に示すように、本例の低温予混合的燃焼制御によれば、当量比が１以下のリーンな混合気と、当量比が３近傍の重複領域およびリッチ混合気とが偏在していることが確認できる。

こうした本例の先行噴射は、ＨＣＣＩ（Homogeneous-Charge Compression Ignition：予混合圧縮着火）燃焼のようにシリンダ内壁に燃料噴霧が直接衝突し付着してしまうような早期に燃料噴射が実行されるものではなく、また従来の拡散燃焼を基本とする先行噴射のように主噴射に近づけて噴射されるものでもない。先行噴射の開始時期は、先行噴射燃料の殆どがピストンキャビティ内に噴射されるタイミングで行われるのが望ましいが、シリンダ内壁への燃料噴霧の衝突をより確実に防止するため、噴射回数を負荷の増大に伴って増加させ、これによりペネトレーションを低下させることも有効である。

図３に戻り、ステップＳ６００では、酸素濃度の目標値を算出する。つまり、主噴射燃料の着火時期において、燃焼室内に適度にリーン化された先行噴射燃料の混合気と、リーン化されすぎない主噴射燃料の混合気が二極的に存在する場合の吸気の酸素濃度を、エンジン回転速度Ｎｅとアクセル開度Ａｃｃとをパラメータとして、エンジンコントロールユニット３０のＲＯＭに予め記憶させておいたマップデータから検索して求める。

なお、筒内に吸入される酸素濃度Ｏ_２intは、予め定められたシリンダ吸入作動ガス流量Ｑcylと吸入空気量Ｑairとから下記式１〜３を用いてＥＧＲ流量Ｑegrを求めても簡略的に算出することができる。

［式１］Ｖegr＝Ｖcyl−Ｖair １サイクル・１気筒の流量
［式２］Ｑegr＝Ｑcyl−Ｑair 回転数Ｎｅ(rpm)における流量
［式３］Ｏ_２int＝（２１×Ｑair＋Ｏ_２exh×Ｑegr）／Ｑcyl
次のステップＳ７００では、ステップＳ５００にて検出した酸素濃度と、ステップＳ６００にて算出した酸素濃度目標値との偏差ｄＯ_２に基づいて、着火制御を行う。

本例の着火制御は、リーン混合気とリッチ混合気との重複領域の大きさに着目して行われる。すなわちリーン混合気とリッチ混合気との重複領域が大きいと着火性が高く、逆に重複領域が小さいと着火性が低いことが確認されている。

したがって、図１０に示すように酸素濃度検出値が酸素濃度目標値よりも高い場合は着火性が高くなるので、リーン混合気とリッチ混合気との重複領域を小さくして着火時期を目標時期に合わせる。逆に、酸素濃度検出値が酸素濃度目標値よりも低い場合は着火性が低くなるので、リーン混合気とリッチ混合気との重複領域を大きくして着火時期を目標時期に合わせる。なお、図１０は本例の酸素濃度に応じた重複領域の制御例を示す図である。

リーン混合気とリッチ混合気との重複領域の大きさを可変制御する手段としては、後述する第１実施形態〜第４実施形態にて詳述する。

なお、上記例では吸気の酸素濃度に応じてリーン混合気とリッチ混合気との重複領域の大きさを制御することとしたが、吸気の酸素濃度はＥＧＲ率に相関することから、ＥＧＲ率に応じてリーン混合気とリッチ混合気との重複領域の大きさを制御してもよい。

以上のとおり、本例の燃焼制御では、低酸素濃度雰囲気とした着火前の燃焼室内に、ストイキよりリーンの混合気とストイキよりリッチの混合気を所定の重複領域をもって偏在させ、この偏在する状況下において燃焼を開始させる。

この低温予混合的燃焼においては、先行噴射によるリーン混合気の中では比較的拡散・予混合の遅れている一部の燃え易い当量比のリーン混合気と、主噴射燃料の中で比較的拡散・予混合の進んだ一部の燃えやすい当量比の混合気とが、図５に示すように上死点付近で低温酸化反応を生じせしめて予備燃焼を形成する。

これによって燃焼室内の温度と圧力が上昇すると、主噴射燃料によるリッチ混合気の高温酸化反応が始まる。予備燃焼が終了する頃には、主噴射燃料は燃焼室内における拡散・予混合も進んでいるため、比較的燃え易い当量比のリッチ混合気となって、高温酸化反応（拡散的燃焼）が生じ始める。

主噴射燃料によるリッチ混合気の高温酸化反応（拡散的燃焼）は、予備燃焼で燃焼しなかった残りのリーン混合気の燃焼（予混合的燃焼）をも生じさせるので、主燃焼はこれらリッチ混合気の燃焼とリーン混合気の燃焼、すなわち拡散的燃焼と予混合的燃焼が混在して構成される。

主燃焼を構成する主噴射燃料はリッチ混合気であって、拡散的燃焼が主体となるが、比較的拡散・予混合化が進んでいるのでスモークを抑えることができる。また拡散的燃焼が主体であるため燃焼の急峻性、すなわち燃焼騒音も緩和される。

一方で、主燃焼を構成するもう１つの混合気である先行噴射によるリーン混合気は、燃焼が穏やかであり、これらが併存することで全体としても燃焼騒音を低下させ、燃焼温度も低下するのでさらにＮＯｘを低減することができる。

そして、リッチ混合気の燃焼に伴いリーン混合気の燃焼が促され、リーン混合気の燃え残りによる未燃ＨＣ排出という問題を招くこともない。

つまり、先行噴射燃料によるリーン混合気の中では比較的拡散・予混合の遅れている一部の燃え易い当量比のリーン混合気と、主噴射燃料の中で比較的拡散・予混合の進んだ一部の燃えやすい当量比の混合気によって、上死点付近で低温酸化反応を生じて予備燃焼を生じさせ、その後、燃焼室内で拡散・予混合の進んだ主噴射によるリッチ混合気と予備燃焼に使われず残った先行噴射によるリーン混合気とで主燃焼が行われる。

そして、ＮＯｘを低下させるため酸素濃度を大幅に低下させた際に、ストイキをはさんで当量比を濃淡分布させた上で着火する（燃焼が始まる）ようにしたので、リッチ混合気が確実に着火して、着火不良による未燃ＨＣを低減することができる。

一方、淡混合気を分布させるための先行噴射を従来の先行噴射より早い時期に行なうことによって、先行噴射による混合気が上死点前に燃え易い当量比になるのを防ぎ、先行噴射燃料が早い時期に着火して主噴射の噴射時期に火種になるのを抑え、主噴射燃料の拡散的な燃焼を抑制することができる。

また、酸素濃度は大幅に低下しているので、予混合燃焼する濃混合気の燃焼急峻性を緩和することができ、さらに濃淡当量比の混合気が並存するため、濃混合気の予混合燃焼が急峻であっても、淡混合気の緩慢な燃焼がトータルとしての燃焼の急峻性を抑えて燃焼騒音を低減する。

一方で、淡混合気の燃焼が不完全になる傾向があるが、濃混合気の比較的急峻な燃焼が相殺して淡混合気の燃焼を促進させるため、燃焼が不完全になるのを防止することができる。

次に、図２のステップＳ７００の着火制御において、リーン混合気とリッチ混合気との重複領域の大きさを制御する具体的形態を説明する。

《第１実施形態》
図１１は本例のディーゼルエンジンで行われるリーン混合気とリッチ混合気との重複領域の大きさの制御の第１実施形態を示す図である。同図において、上図は先行噴射と主噴射の噴射時期を示す図、中図は着火直前の筒内における燃料分布を示す平面図、下図は同じく燃料分布を示す半断面図である。

本例では、先行噴射と主噴射との噴射間隔を変えることでリーン混合気とリッチ混合気との重複領域の大きさを制御する。

先行噴射と主噴射との噴射間隔が短いと、同図の左側の図に示すように先行噴射によるリーン混合気が筒内に充分に拡散する前に主噴射によるリッチ混合気が噴射されるので重複領域が大きくなる。逆に先行噴射と主噴射との噴射間隔が長いと、同図の右側の図に示すように先行噴射によるリーン混合気が筒内に充分に拡散した状態で主噴射によるリッチ混合気が噴射されるので重複領域が小さくなる。

したがって、本例では吸気の酸素濃度が低いほど先行噴射と主噴射との噴射間隔を短く設定し、逆に吸気の酸素濃度が高いほど先行噴射と主噴射との噴射間隔を長く設定する。

なお、こうした噴射間隔の制御は、エンジンコントロールユニット３０から燃料噴射弁１５に対する制御信号により実行することができる。

本実施形態では、エンジンの領域毎に定められたＥＧＲマップに基づいて設定されたＥＧＲ率を酸素濃度の代用値として用い、このＥＧＲ率に応じて先行噴射と主噴射の噴射間隔を調整している。

《第２実施形態》
図１２は本例のディーゼルエンジンで行われるリーン混合気とリッチ混合気との重複領域の大きさの制御の第２実施形態を示す図である。同図において、上図は着火直前の筒内における燃料分布を示す平面図、下図は同じく燃料分布を示す半断面図である。

本例では、筒内のスワール比を変えることでリーン混合気とリッチ混合気との重複領域の大きさを制御する。

筒内のスワール比、すなわち１ストローク当たりのスワール回転数が小さいとスワール流動が小さいので、同図の左側の図に示すように先行噴射によるリーン混合気が筒内に充分に拡散する前に主噴射によるリッチ混合気が噴射される。したがって重複領域が大きくなる。逆にスワール比が大きいとスワール流動が大きいので、同図の右側の図に示すように先行噴射によるリーン混合気が筒内に充分に拡散した状態で主噴射によるリッチ混合気が噴射される。したがって重複領域が小さくなる。

このため、本例では吸気の酸素濃度が低いほどスワール比を小さく設定し、逆に吸気の酸素濃度が高いほどスワール比を大きく設定する。

なお、こうしたスワール比の制御は、１つの気筒に２つの吸気バルブを備え、当該２つの吸気バルブへ流す吸気量をコントロールするためのスワールコントロールバルブを有するエンジンであれば、当該スワールコントロールバルブにより実行することができる。また、スワールコントロールバルブのないエンジンであれば、吸気絞り弁６により吸気量を変えることにより制御することができる。

《第３実施形態》
図１３は本例のディーゼルエンジンで行われるリーン混合気とリッチ混合気との重複領域の大きさの制御の第３実施形態を示す図である。同図（ａ）は噴射方向可変燃料噴射弁にて広傘角で燃料を噴射した状態を示す断面図、同図（ｂ）は同じく噴射方向可変燃料噴射弁にて狭傘角で燃料を噴射した状態を示す断面図、同図（ｃ）は噴射方向による筒内への噴射領域を示す断面図である。

本例では、先行噴射と主噴射の噴射方向を変えることでリーン混合気とリッチ混合気との重複領域の大きさを制御する。

同図（ｃ）に示すように、広傘角（ａ）の噴射方向に噴射すると筒内における噴射量域はＡとなる一方で、狭傘角（ｂ）の噴射方向に噴射すると筒内における噴射量域はＢとなる。すなわち、先行噴射と主噴射の噴射方向を同じ（ａ）または（ｂ）に設定すると、先行噴射と主噴射との噴射量域がＡまたはＢの同じ領域となるので、重複領域が大きくなる。逆に先行噴射の噴射方向を（ａ）、主噴射の噴射方向を（ｂ）とするか、あるいは先行噴射の噴射方向を（ｂ）、主噴射の噴射方向を（ａ）とすると、筒内における噴射領域が異なる領域ＡとＢになるので、重複領域が小さくなる。

このため、本例では吸気の酸素濃度が低いほど先行噴射の噴射方向と主噴射の噴射方向とを同じ方向に設定し、逆に吸気の酸素濃度が高いほど先行噴射の噴射方向と主噴射の噴射方向とを異なる方向に設定する。

なお、同図（ａ）および（ｂ）に示す噴射方向可変燃料噴射弁は、その構造上、２つの方向にしか燃料を噴射できないが、たとえば本願出願人による特開平５−４４５９８号公報に開示された噴射方向可変燃料噴射弁は噴射方向を連続的に変えることができる。

したがって、噴射方向を連続的に変えることができる燃料噴射弁を用いた場合には、吸気の酸素濃度が低いほど先行噴射の噴射方向と主噴射の噴射方向とを接近させ、逆に吸気の酸素濃度が高いほど先行噴射の噴射方向と主噴射の噴射方向とを隔離させる。

《第４実施形態》
図１４は本例のディーゼルエンジンで行われるリーン混合気とリッチ混合気との重複領域の大きさの制御の第４実施形態を示す図である。同図において、上図は着火直前の筒内における燃料分布を示す平面図、下図は同じく燃料分布を示す半断面図である。

本例では、先行噴射と主噴射との噴射圧を変えることでリーン混合気とリッチ混合気との重複領域の大きさを制御する。

噴射圧が高いとペネトレーションが高く筒内において遠くまで燃料が噴射される。逆に噴射圧が低いとペネトレーションが低く筒内において遠くまで燃料は届かない。特に、先行噴射の噴射圧を低くするとともに主噴射の噴射圧を高くすると、同図の左側の図に示すように先行噴射によるリーン混合気が筒内に行き渡らない状態で主噴射によるリッチ混合気が高ペネトレーションで噴射されるので重複領域が大きくなる。逆に先行噴射の噴射圧を高くするとともに主噴射の噴射圧を低くすると、同図の右側の図に示すように先行噴射によるリーン混合気が筒内の遠くまで噴射された状態で主噴射によるリッチ混合気が低ペネトレーションで噴射されるので重複領域が小さくなる。

ちなみに、先行噴射と主噴射の両方の噴射圧を制御する必要はなく、先行噴射または主噴射の一方の噴射圧を制御してもよい。

したがって、本例では吸気の酸素濃度が低いほど、先行噴射の噴射圧を低くするか、主噴射の噴射圧を高くするかの少なくともいずれか一方の設定を行う。逆に吸気の酸素濃度が高いほど、先行噴射の噴射圧を高くするか、主噴射の噴射圧を低くするかの少なくともいずれか一方の設定を行う。

なお、こうした噴射圧の制御は、１つの気筒に一対（２つ）の燃料噴射弁１５を設け、それぞれの燃料噴射弁１５から噴射される燃料の圧力を調節するコモンレール１４も一対の燃料噴射弁１５に応じて一対（２つ）設けることにより実行することができる。

１…ディーゼルエンジン
２…圧力センサ
４…ＥＧＲ通路
５…ＥＧＲ弁
６…吸気絞り弁
７…エアフローメータ
８…温度センサ
９…圧力センサ
１１…サプライポンプ
１２…燃料供給通路
１３…圧力制御弁
１４…コモンレール（蓄圧室）
１５…燃料噴射弁
１６…ディーゼルパティキュレートフィルタＤＰＦ
１７…ＥＧＲクーラ
２０…吸気通路
２０ａ…エアクリーナ
２０ｂ…吸気コレクタ
３０…エンジンコントロールユニット
３１…水温センサ
３２…クランク角度検出用クランク角センサ
３３…気筒判別用クランク角センサ
３４…圧力センサ
３５…温度センサ
４０…排気通路
４０ａ…排気出口通路
４１…作動ガス温度センサ
４２…ＥＧＲガス温度センサ
４３…酸素センサ／空燃比センサ
４４…水量調節装置
５０…アクセル開度センサ

Claims (13)

1. 主噴射の前に先行噴射を行い、着火前の燃焼室に、前記先行噴射によるストイキよりリーンの混合気と前記主噴射によるストイキよりリッチの混合気とを所定の重複領域をもって偏在させ、この状態で燃焼を開始させる圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置において、
   前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記運転状態検出手段により検出された運転状態に応じて、前記リーン混合気と前記リッチ混合気との前記重複領域の大きさを制御する制御手段と、を備えることを特徴とする圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置。
2. 請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置において、
   前記運転条件検出手段は、吸気の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を含み、
   前記制御手段は、前記酸素濃度検出手段により検出された酸素濃度が低いほど前記重複領域を大きくし、前記酸素濃度が高いほど前記重複領域を小さくすることを特徴とする圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置。
3. 請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置において、
   前記運転条件検出手段は、吸気のＥＧＲ率を検出するＥＧＲ率検出手段を含み、
   前記制御手段は、前記ＥＧＲ率検出手段により検出されたＥＧＲ率が高いほど前記重複領域を大きくし、前記ＥＧＲ率が高いほど前記重複領域を小さくすることを特徴とする圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置において、
   前記制御手段は、前記運転状態に応じて前記先行噴射と前記主噴射との噴射間隔を制御することを特徴とする圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置。
5. 請求項４に記載の圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置において、
   前記制御手段は、前記リーン混合気と前記リッチ混合気との前記重複領域の大きさを大きくする場合は前記先行噴射と前記主噴射との噴射間隔を短くし、前記重複領域を小さくする場合は前記先行噴射と前記主噴射との噴射間隔を長くすることを特徴とする圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置。
6. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置において、
   前記制御手段は、前記運転状態に応じて筒内におけるスワール比を制御することを特徴とする圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置。
7. 請求項６に記載の圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置において、
   前記制御手段は、前記リーン混合気と前記リッチ混合気との前記重複領域の大きさを大きくする場合は前記スワール比を小さく、前記重複領域を小さくする場合は前記スワール比を大きくすることを特徴とする圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置。
8. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置において、
   前記制御手段は、前記運転状態に応じて前記先行噴射と前記主噴射の噴射方向を制御することを特徴とする圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置。
9. 請求項８に記載の圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置において、
   前記制御手段は、前記リーン混合気と前記リッチ混合気との前記重複領域の大きさを大きくする場合は前記先行噴射と前記主噴射との噴射方向を接近させ、前記重複領域を小さくする場合は前記先行噴射と前記主噴射との噴射方向を離隔させることを特徴とする圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置。
10. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置において、
    前記制御手段は、前記運転状態に応じて前記先行噴射と前記主噴射との噴射圧力を制御することを特徴とする圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置。
11. 請求項１０に記載の圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置において、
    前記制御手段は、前記リーン混合気と前記リッチ混合気との前記重複領域の大きさを大きくする場合は、前記先行噴射の噴射圧を低くするか前記主噴射の噴射圧を高くするかの少なくともいずれか一方を実行し、前記重複領域を小さくする場合は、前記先行噴射の噴射圧を高くするか前記主噴射の噴射圧を低くするかの少なくともいずれか一方を実行することを特徴とする圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置において、
    前記先行噴射は、前記主噴射が終了するまで低温酸化反応が生じない酸素濃度雰囲気で行うことを特徴とする圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置。
13. 請求項１２に記載の圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置において、
    前記酸素濃度は、１２〜１５％であることを特徴とする圧縮着火式内燃機関の燃焼制御装置。

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