JP2012041892A

JP2012041892A - ディーゼルエンジン

Info

Publication number: JP2012041892A
Application number: JP2010185456A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Tetsuno; 雅之鐵野; Daisuke Shimo; 大輔志茂; Eiji Nakai; 英二中井; Keiji Maruyama; 慶士丸山
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2010-08-20
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2030-08-20
Also published as: JP5589673B2

Abstract

【課題】燃費及びエミッション性能の向上を図りつつ、燃焼騒音の抑制及び燃焼の安定化を図る。
【解決手段】エンジン１は、軽油を主成分とする燃料が供給される、幾何学的圧縮比が１５以下のエンジンであって、その燃焼状態を制御するＰＣＭ１０を備えている。ＰＣＭ１０は、エンジン１の負荷が所定の低負荷側であって且つ定常状態でＥＧＲが実行されるＥＧＲ運転領域において、エンジン１に予混合燃焼を行わせる予混合燃焼モードとエンジン１に拡散燃焼を行わせる拡散燃焼モードとで切り替えるように構成されている。ＥＧＲ運転領域には、予混合燃焼モードとなる予混合領域ａ２と、予混合領域ａ２よりもエンジン負荷の低負荷側に設けられ、拡散燃焼モードとなる低負荷側拡散領域ａ１と、予混合領域ａ２よりもエンジン負荷の高負荷側に設けられ、拡散燃焼モードとなる高負荷側拡散領域ａ３とが含まれる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ディーゼルエンジンに関するものである。

従来より、ディーゼルエンジンの燃焼形態としては、燃料と空気とが拡散及び混合しながら燃焼が進行していく拡散燃焼と、燃料と空気とを混合させた後に着火及び燃焼させる予混合着火燃焼（ＰＣＩ（Premixed Charge compression Ignition）燃焼、以下においては、単に予混合燃焼という）とが知られている。一般に拡散燃焼の方が燃焼騒音の抑制に有利であると共に、燃焼の開始タイミングを制御し易いため、多くの場合、ディーゼルエンジンの主燃焼としては拡散燃焼が用いられている（特許文献１参照）。

特開２００５−２４０７０９号公報

しかしながら、予混合燃焼は、燃費やＮＯｘ及び煤等のエミッションの点で優れており、燃費の向上やエミッション性能の向上を図るためには予混合燃焼を用いることが好ましい。

その一方で、予混合燃焼は、燃焼が短期間で起こるため燃焼騒音の点では不利であると共に、着火遅れが長いため燃焼の発生タイミングを制御し難く、燃焼が不安定になるという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃費及びエミッション性能の向上を図りつつ、燃焼騒音の抑制及び燃焼の安定化を図ることにある。

ここに開示された技術は、軽油を主成分とする燃料が供給される、幾何学的圧縮比が１５以下のエンジン本体と、該エンジン本体の燃焼状態を制御する制御部とを備えたディーゼルエンジンを対象とする。そして、上記制御部は、上記エンジン本体の負荷が所定の低負荷側であって且つ定常状態でＥＧＲが実行されるＥＧＲ運転領域内の所定の運転領域では、上記エンジン本体に予混合燃焼を行わせる予混合燃焼モードとなる一方、該ＥＧＲ運転領域内の、該予混合燃焼モードの運転領域よりも低負荷側の所定の運転領域と該予混合燃焼モードの運転領域よりも高負荷側の所定の運転領域とでは、上記エンジン本体に拡散燃焼を行わせる拡散燃焼モードとなるものとする。

上記の構成の場合、エンジン本体の負荷が相対的に低負荷側の運転領域には、ＥＧＲが実行されている（ＥＧＲガスが導入されている）。このようにＥＧＲを実行することによって、燃焼温度が抑制されるため、エミッション性能の点で有利になり得る。そして、このＥＧＲ運転領域には、少なくとも、制御部が予混合燃焼モードとなる１つの予混合領域と制御部が拡散燃焼モードとなる２つの拡散領域とが含まれている。２つの拡散領域は、予混合領域の低負荷側に設けられた低負荷側拡散領域と、予混合領域の高負荷側に設けられた高負荷側領域である。つまり、ＥＧＲ領域では、予混合領域が低負荷側拡散領域と高負荷側拡散領域とによって低負荷側と高負荷側とから挟まれた状態になっている。

このような構成においては、予混合領域を設けることによって、燃費を向上させると共にエミッション性能を向上させることができる。また、ＥＧＲ運転領域は、ＥＧＲガスを導入することで筒内酸素濃度を低下させているため、急加速時には筒内酸素濃度が不足してスモークが生じ易い環境となる。それに対して、予混合領域を設けることによって、スモークの発生を抑制することができる。すなわち、予混合燃焼では、燃料と空気とが十分に混合されるため、筒内の酸素をできる限り有効に使って燃焼を生じさせることができる。こうして、酸素不足に陥ることを防止して、スモークの発生を抑制することができる。

一方、低負荷側拡散領域は、相対的に低負荷の運転領域であるＥＧＲ運転領域の中のさらに低負荷側の運転領域であるため、非常に負荷が小さい運転領域である。このような運転領域は、本来的に燃焼安定性が悪く、この状態でＥＧＲガスを多量に導入して筒内酸素濃度を低下させると、燃焼安定性がさらに悪化してしまう。筒内のＥＧＲガス量が少ないと、筒内酸素濃度を高くなって燃焼の着火遅れが短くなるため、予混合燃焼は生じ難く、拡散燃焼が生じ易い環境となる。そもそも、予混合燃焼は、拡散燃焼に比べて着火遅れが長く、燃焼の開始タイミングを制御し難いため、このような燃焼安定性が悪い運転領域では、燃焼タイミングの制御性がさらに悪化する。そこで、ＥＧＲ運転領域の低負荷側の運転領域では拡散燃焼モードとすることによって、これらの問題を解消することができる。つまり、拡散燃焼モードとすることによって、ＥＧＲガスが少なくても、安定した燃焼を実現することができる。また、拡散燃焼モードとすることによって、燃焼安定性が悪い運転領域であっても、燃焼開始タイミングの制御性を向上させて、所望のタイミングで燃焼を発生させることができる。これにより、所望のタイミングでトルクを発生させることができることになり、燃費の向上に寄与し得る。

また、ＥＧＲ運転領域のうち高負荷側の運転領域では、高いトルク要求に応えるために燃料噴射量が増加する。予混合燃焼は、拡散燃焼に比べて、燃焼が短期間で起こるため、燃焼圧が大きくなって騒音が大きくなる。燃料が少ないうちは、この騒音もあまり問題にならないが、燃料が増加すると、燃焼圧が大きくなるため、騒音の問題も大きくなる。それに加えて、燃料噴射量が多くなると、ＥＧＲガス量を抑えて、筒内酸素濃度を向上させる必要がある。筒内酸素濃度が高くなると、上述の如く、燃焼の着火遅れが短くなるため、予混合燃焼は生じ難く、拡散燃焼が生じ易い環境となる。そこで、ＥＧＲ運転領域の高負荷側の運転領域では拡散燃焼モードとすることによって、これらの問題を解消することができる。つまり、拡散燃焼モードとすることによって、ＥＧＲガスの必要量を抑制することができるため、筒内酸素濃度を上昇させて、燃料噴射量の増加を可能にすることができる。また、拡散燃焼モードにすることによって、予混合燃焼に比べて、燃焼を緩慢にして、燃焼圧を抑制することができる。その結果、騒音を抑制することができる。

また、上記予混合領域は、上記エンジン本体の回転数が所定の低回転側の運転領域に設けられていることが好ましい。

つまり、予混合燃焼は、着火遅れが長いため、燃料噴射を早めに行わなければならない。燃料噴射は、噴射される燃料がピストンのキャビティ内に到達することが好ましいが、燃料噴射のタイミングが早すぎると、燃料がキャビティから外れる場合もあり得る。燃料がキャビティから外れると、燃料の有効に活用できないだけでなく、燃料がシリンダ内壁に付着してオイル希釈を引き起こし得る。そして、エンジン本体の回転数が高回転のときには、ピストンの動きが速いため、燃料をキャビティ内に到達させ得る噴射期間が短くなる。つまり、燃料をキャビティ内に到達させつつ、予混合燃焼を所望のタイミングで生じさせることは、エンジン本体の回転数が高回転になるほど難しくなる。そこで、予混合領域をエンジン本体の回転数が相対的に低回転側に設けることによって、予混合燃焼を適切に行える領域のみで予混合燃焼モードとすることができる。

さらに、上記制御部は、上記エンジン本体が上記予混合領域内の運転状態であって且つ該エンジン本体の温度が所定温度以上のときに上記予混合燃焼モードとなることが好ましい。

例えば、冷間時等のエンジン本体の温度が低いときには、エンジン本体の温度を早急に上昇させることが好ましく、燃焼温度を可及的に高めることが求められる。予混合燃焼は、着火遅れを確保する必要があり、つまりは、燃焼温度が高すぎないことが好ましいため、エンジン本体を早急に昇温したい場合には好ましくない。そこで、エンジン本体の温度が所定温度以上のときには、エンジン本体の運転状態が上記予混合領域内であっても、予混合燃焼モードとならないようにしている。これにより、予混合燃焼に拘束されない、適切な燃焼形態で燃焼制御を行うことができる。

また、上記ディーゼルエンジンは、上記エンジン本体の気筒内に臨んで配設され且つ該気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁をさらに備え、上記制御部は、上記燃料噴射弁を通じた、上記気筒内への上記燃料の噴射形態を制御するように構成されており、上記予混合領域では、噴射される燃料が上記気筒に嵌挿したピストン頂面のキャビティ内に至るようなタイミングで、該燃料噴射弁に燃料を噴射させることが好ましい。

上記の構成によれば、噴射される燃料をキャビティ内に到達させることによって、燃料を有効に活用して予混合燃焼を行うことができる。また、キャビティから外れた燃料は、シリンダ内壁に付着してオイル希釈を引き起こし得る。それに対して、噴射される燃料をキャビティ内に到達させることによって、オイル希釈を抑制することができる。

さらに、上記ディーゼルエンジンは、上記エンジン本体の気筒内に臨んで配設され且つ該気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁をさらに備え、上記制御部は、上記燃料噴射弁を通じた、上記気筒内への上記燃料の噴射形態を制御するように構成されており、上記低負荷側拡散領域及び高負荷側拡散領域では、拡散燃焼を主体とした主燃焼を行うために圧縮上死点付近において燃料を噴射する主噴射と、該主燃焼よりも前に前段燃焼を行うために当該主噴射よりも前のタイミングで燃料を噴射する前段噴射とを該燃料噴射弁に行わせることが好ましい。

上記の構成によれば、前段噴射を行うことによって、主噴射を開始する時点での気筒内の温度及び圧力を高めておくことができるため、着火遅れを短くして、拡散燃焼の制御性を向上させることができる。

また、上記ディーゼルエンジンは、上記エンジン本体の気筒内に導入するＥＧＲガス量を調整するためのＥＧＲ弁をさらに備え、上記制御部は、上記ＥＧＲ弁を制御することによって上記気筒内の酸素濃度を調整するように構成されており、上記予混合領域では、上記低負荷側拡散領域及び高負荷側拡散領域よりも該気筒内の酸素濃度が低くなるように該ＥＧＲ弁を制御することが好ましい。

上記の構成によれば、ＥＧＲ弁を制御して、予混合領域では筒内酸素濃度を低下させることによって、着火遅れが長い環境を作り出し、予混合燃焼を実現することができる。一方、低負荷側及び高負荷側拡散領域では筒内酸素濃度を上昇させることによって、着火遅れが短い環境を作り出して、拡散燃焼を実現することができる。また、高負荷側拡散領域については筒内酸素濃度を上昇させることによって、高負荷に対応した燃料供給量に対応することができる。

本発明によれば、予混合燃焼を用いることによって、燃費及びエミッション性能を向上させることができる。また、低負荷側では拡散燃焼とすることによって、燃焼安定性を向上させることができる。さらに、高負荷側では拡散燃焼とすることによって、高負荷に応じた燃焼供給量に応え得る筒内酸素濃度とすることができると共に燃焼騒音を抑制することができる。

ディーゼルエンジンの構成を示す概略図である。ディーゼルエンジンの制御に係るブロック図である。エンジンの状態に応じた燃焼モードを示すマップである。低負荷側拡散領域における拡散燃焼モードにおける燃料噴射形態の一例と、それに伴う熱発生率の履歴の一例とを示す図である。予混合燃焼モードにおける燃料噴射形態の一例と、それに伴う熱発生率の履歴の一例とを示す図である。高負荷側拡散領域における拡散燃焼モードにおける燃料噴射形態の一例と、それに伴う熱発生率の履歴の一例とを示す図である。エンジン負荷及び回転数に対する筒内酸素濃度の変化特性図の一例である。

以下、実施形態に係るディーゼルエンジンを図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。図１，２は、実施形態に係るエンジン（エンジン本体）１の概略構成を示す。このエンジン１は、車両に搭載されると共に、軽油を主成分とした燃料が供給されるディーゼルエンジンであって、複数の気筒１１ａ（１つのみ図示）が設けられたシリンダブロック１１と、このシリンダブロック１１上に配設されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１の下側に配設され、潤滑油が貯溜されたオイルパン１３とを有している。このエンジン１の各気筒１１ａ内には、ピストン１４が往復動可能にそれぞれ嵌挿されていて、このピストン１４の頂面にはリエントラント形燃焼室１４ａを区画するキャビティが形成されている。このピストン１４は、コンロッド１４ｂを介してクランクシャフト１５と連結されている。

そうして、このエンジン１は、その幾何学的圧縮比を１２以上１５以下（例えば１４）とした、比較的低圧縮比となるように構成されており、これによって排気エミッション性能の向上及び熱効率の向上を図るようにしている。

上記シリンダヘッド１２には、各気筒１１ａ毎に吸気ポート１６及び排気ポート１７が形成されているとともに、これら吸気ポート１６及び排気ポート１７の燃焼室１４ａ側の開口を開閉する吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ配設されている。

これら吸排気弁２１，２２をそれぞれ駆動する動弁系において、排気弁側には、当該排気弁２２の作動モードを通常モードと特殊モードとに切り替える油圧作動式の可変機構（図２参照。以下、ＶＶＭ（Variable Valve Motion）と称する）が設けられている。このＶＶＭ７１は、その構成の詳細な図示は省略するが、カム山を１つ有する第１カムとカム山を２つ有する第２カムとの、カムプロファイルの異なる２種類のカム、及び、その第１及び第２カムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に排気弁に伝達するロストモーション機構を含んで構成されており、第１カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２は、排気行程中において一度だけ開弁される通常モードで作動するのに対し、第２カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２が、排気行程中において開弁すると共に、吸気行程中においても開弁するような、いわゆる排気の二度開きを行う特殊モードで作動する。

ＶＶＭ７１の通常モードと特殊モードとの切り替えは、エンジン駆動の油圧ポンプ（図示省略）から供給される油圧によって行われ、特殊モードは、内部ＥＧＲに係る制御の際に利用され得る。尚、こうした通常モードと特殊モードとの切り替えを可能にする上で、排気弁２２を電磁アクチュエータによって駆動する電磁駆動式の動弁系を採用してもよい。また、内部ＥＧＲの実行としては、排気の二度開きに限定されるものではなく、例えば吸気弁２１を２回開く、吸気の二度開きによって内部ＥＧＲ制御を行ってもよいし、排気行程乃至吸気行程において吸気弁２１及び排気弁２２の双方を閉じるネガティブオーバーラップ期間を設けて既燃ガスを残留させる内部ＥＧＲ制御を行ってもよい。尚、ＶＶＭ７１による内部ＥＧＲ制御は、主に燃料の着火性が低いエンジン１の冷間時に行われる。

上記シリンダヘッド１２には、燃料を噴射するインジェクタ１８と、エンジン１の冷間時に各気筒１１ａ内の吸入空気を暖めて燃料の着火性を高めるためのグロープラグ１９とが設けられている。上記インジェクタ１８は、その燃料噴射口が燃焼室１４ａの天井面から該燃焼室１４ａに臨むように配設されていて、基本的には圧縮行程上死点付近で、燃焼室１４ａに燃料を直接噴射供給するようになっている。このインジェクタ１８が燃料噴射弁を構成する。

上記エンジン１の一側面には、各気筒１１ａの吸気ポート１６に連通するように吸気通路３０が接続されている。一方、上記エンジン１の他側面には、各気筒１１ａの燃焼室１４ａからの既燃ガス（排気ガス）を排出する排気通路４０が接続されている。これら吸気通路３０及び排気通路４０には、詳しくは後述するが、吸入空気の過給を行う大型ターボ過給機６１と小型ターボ過給機６２とが配設されている。

吸気通路３０の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ３１が配設されている。一方、吸気通路３０における下流端近傍には、サージタンク３３が配設されている。このサージタンク３３よりも下流側の吸気通路３０は、各気筒１１ａ毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒１１ａの吸気ポート１６にそれぞれ接続されている。

吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とサージタンク３３との間には、大型及び小型ターボ過給機６１，６２のコンプレッサ６１ａ，６２ａと、該コンプレッサ６１ａ，６２ａにより圧縮された空気を冷却するインタークーラ３５と、上記各気筒１１ａの燃焼室１４ａへの吸入空気量を調節するスロットル弁３６とが配設されている。このスロットル弁３６は、基本的には全開状態とされるが、エンジン１の停止時には、ショックが生じないように全閉状態とされる。

上記排気通路４０の上流側の部分は、各気筒１１ａ毎に分岐して排気ポート１７の外側端に接続された独立通路と該各独立通路が集合する集合部とを有する排気マニホールドによって構成されている。

この排気通路４０における排気マニホールドよりも下流側には、上流側から順に、小型ターボ過給機６２のタービン６２ｂ、大型ターボ過給機６１のタービン６１ｂと、排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置４１と、サイレンサ４２とが配設されている。

この排気浄化装置４１は、酸化触媒４１ａと、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、フィルタという）４１ｂとを有しており、上流側から、この順に並んでいる。酸化触媒４１ａ及びフィルタ４１ｂは１つのケース内に収容されている。上記酸化触媒４１ａは、白金又は白金にパラジウムを加えたもの等を担持した酸化触媒を有していて、排気ガス中のＣＯ及びＨＣが酸化されてＣＯ_２及びＨ_２Ｏが生成する反応を促すものである。また、上記フィルタ４１ｂは、エンジン１の排気ガス中に含まれる煤等の微粒子を捕集するものである。尚、フィルタ４１ｂに酸化触媒をコーティングしてもよい。

上記吸気通路３０における上記サージタンク３３とスロットル弁３６との間の部分（つまり小型ターボ過給機６２の小型コンプレッサ６２ａよりも下流側部分）と、上記排気通路４０における上記排気マニホールドと小型ターボ過給機６２の小型タービン６２ｂとの間の部分（つまり小型ターボ過給機６２の小型タービン６２ｂよりも上流側部分）とは、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するための排気ガス還流通路５１によって接続されている（高圧ＥＧＲ手段）。この排気ガス還流通路５１には、排気ガスの吸気通路３０への還流量を調整するための排気ガス還流弁５１ａと、排気ガスをエンジン冷却水によって冷却するためのＥＧＲクーラ５２とが配設されている。この排気ガス還流弁５１ａがＥＧＲ弁を構成する。

大型ターボ過給機６１は、吸気通路３０に配設された大型コンプレッサ６１ａと、排気通路４０に配設された大型タービン６１ｂとを有している。大型コンプレッサ６１ａは、吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とインタークーラ３５との間に配設されている。一方、大型タービン６１ｂは、排気通路４０における排気マニホールドと酸化触媒４１ａとの間に配設されている。

小型ターボ過給機６２は、吸気通路３０に配設された小型コンプレッサ６２ａと、排気通路４０に配設された小型タービン６２ｂとを有している。小型コンプレッサ６２ａは、吸気通路３０における大型コンプレッサ６１ａの下流側に配設されている。一方、小型タービン６２ｂは、排気通路４０における大型タービン６１ｂの上流側に配設されている。

すなわち、吸気通路３０においては、上流側から順に大型コンプレッサ６１ａと小型コンプレッサ６２ａとが直列に配設され、排気通路４０においては、上流側から順に小型タービン６２ｂと大型タービン６１ｂとが直列に配設されている。これら大型及び小型タービン６１ｂ，６２ｂが排気ガス流により回転し、これら大型及び小型タービン６１ｂ，６２ｂの回転により、該大型及び小型タービン６１ｂ，６２ｂとそれぞれ連結された上記大型及び小型コンプレッサ６１ａ，６２ａがそれぞれ作動する。

小型ターボ過給機６２は、相対的に小型のものであり、大型ターボ過給機６１は、相対的に大型のものである。すなわち、大型ターボ過給機６１の大型タービン６１ｂの方が小型ターボ過給機６２の小型タービン６２ｂよりもイナーシャが大きい。

吸気通路３０には、小型コンプレッサ６２ａをバイパスする小型吸気バイパス通路６３が接続されている。この小型吸気バイパス通路６３には、該小型吸気バイパス通路６３へ流れる空気量を調整するための小型吸気バイパス弁６３ａが配設されている。この小型吸気バイパス弁６３ａは、無通電時には全閉状態（ノーマルクローズ）となるように構成されている。

一方、排気通路４０には、小型タービン６２ｂをバイパスする小型排気バイパス通路６４と、大型タービン６１ｂをバイパスする大型排気バイパス通路６５とが接続されている。小型排気バイパス通路６４には、該小型排気バイパス通路６４へ流れる排気量を調整するためのレギュレートバルブ６４ａが配設され、大型排気バイパス通路６５には、該大型排気バイパス通路６５へ流れる排気量を調整するためのウエストゲートバルブ６５ａが配設されている。レギュレートバルブ６４ａ及びウエストゲートバルブ６５ａは共に、無通電時には全開状態（ノーマルオープン）となるように構成されている。

これら大型ターボ過給機６１と小型ターボ過給機６２は、それらが配設された吸気通路３０及び排気通路４０の部分も含めて、一体的にユニット化されて、過給機ユニット６０を構成している。この過給機ユニット６０がエンジン１に取り付けられている。

このように構成されたディーゼルエンジン１は、パワートレイン・コントロール・モジュール（以下、ＰＣＭという）１０によって制御される。ＰＣＭ１０は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。このＰＣＭ１０が制御部を構成する。ＰＣＭ１０には、図２に示すように、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサＳＷ１、サージタンク３３に取り付けられて、燃焼室１４ａに供給される空気の圧力を検出する過給圧センサＳＷ２、吸入空気の温度を検出する吸気温度センサＳＷ３、クランクシャフト１５の回転角を検出するクランク角センサＳＷ４、車両のアクセルペダル（図示省略）の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサＳＷ５、吸気中の二酸化炭素濃度を検出する吸気ＣＯ_２センサＳＷ６、及び、排気中の二酸化炭素濃度を検出する排気ＣＯ_２センサＳＷ７の検出信号が入力され、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン１や車両の状態を判定し、これに応じてインジェクタ１８、グロープラグ１９，動弁系のＶＶＭ７１、各種の弁３６、５１ａ、５３ａ、６３ａ、６４ａ、６５ａのアクチュエータへ制御信号を出力する。

（エンジンの燃焼制御の概要）
上記ＰＣＭ１０によるエンジン１の基本的な制御は、主にアクセル開度に基づいて目標トルク（目標となるエンジン負荷）を決定し、これに対応する燃料の噴射量や噴射時期等をインジェクタ１８の作動制御によって実現するものである。目標トルクは、アクセル開度が大きくなるほど、またエンジン回転数が高くなるほど、大きくなるように設定され、目標トルクとエンジン回転数とに基づいて燃料の噴射量が設定される。噴射量は、目標トルクが高くなるほど、また、エンジン回転数が高くなるほど大きくなるように設定される。また、スロットル弁３６や排気ガス還流弁５１ａの開度の制御（外部ＥＧＲ制御）や、ＶＶＭ７１の制御（内部ＥＧＲ制御）によって、気筒１１ａ内への排気の還流割合（ＥＧＲ率）を制御する。

図３は、エンジン１の半暖機及び温間時の、エンジンの状態に応じた燃焼モードを示すマップである。図３に示すように、エンジン１は、半暖機及び温間時には、エンジン回転数とエンジン負荷（燃料の実総噴射量）とに応じて、複数の運転領域が設定され、各運転領域毎に燃焼モードが設定されている。運転領域Ａは、定常状態においてＥＧＲが実行されると共に、燃焼モードが予混合燃焼モードと拡散燃焼モードとで切り替えられる運転領域である。運転領域Ａは、相対的に低回転でかつ低負荷の運転領域である。詳しくは、運転領域Ａは、エンジンの回転数を低回転側と高回転側との２つに分けた場合の低回転側であって、エンジンの負荷を低負荷側と高負荷側との２つに分けた場合の低負荷側の領域である。

以下、各運転領域の燃料噴射形態について、図４〜６を参照しながら説明する。尚、図４〜図６に示す燃料噴射量や熱発生率は、これらの図を相互に比較したときに、必ずしも、相対的な燃料噴射量の大小や熱発生率の大小を示してはいない。

図４は、運転領域ａ１における燃料噴射形態（上図）及びそれに伴う気筒１１ａ内の熱発生率の履歴の一例（下図）を示している。運転領域ａ１は、運転領域Ａ内の領域であって、アイドル領域を含む、相対的に低負荷の運転領域である。詳しくは、運転領域ａ１は、運転領域Ａを、エンジンの負荷の低負荷と中負荷と高負荷との３つに分けた場合の低負荷の領域である。この運転領域ａ１では、ＰＣＭ１０は、拡散燃焼モードとなり、エンジン１に拡散燃焼を生じさせる。拡散燃焼とは、燃料と空気とが拡散及び混合しながら燃焼が進行していく燃焼であって、換言すれば、燃料噴射と燃焼とが時間的に一部重なる燃焼である。この拡散燃焼は、予混合燃焼に比べて、着火遅れが短いため、燃焼の開始タイミングを制御し易い。また、拡散燃焼は、予混合燃焼に比べて、燃焼が緩慢であるため、燃焼圧が低く燃焼騒音が小さくなる。

運転領域ａ１における燃料噴射形態は、圧縮上死点前の圧縮行程中において、比較的噴射量の多い燃料噴射（プレ噴射）を、所定の時間間隔を空けて２回実行すると共に、圧縮上死点付近において、比較的パルス幅の短い主噴射を実行し、さらにその後に、１回の燃料噴射（アフタ噴射）を実行する。従って、この運転領域ａ１では、合計４回の燃料噴射を実行する。プレ噴射は、十分な熱発生率を有するプレ燃焼を、その熱発生率のピークが圧縮上死点前の所定の時期に発生するように、生起させる。換言すれば、主燃焼の開始前にプレ燃焼を生起させ、それにより主噴射を開始する時点での気筒１１ａ内の温度及び圧力を高めておく。このことは主噴射により噴射された燃料の着火遅れ時間を短くする。主噴射は、図例で示すように圧縮上死点前の所定のタイミング、又は、圧縮上死点で噴射を開始するが、着火遅れ時間が短いことで、その主噴射に伴う主燃焼は圧縮上死点付近において開始するようになる。このことは、熱効率の向上、ひいては燃費の向上に有利になり得る。また、上記の燃焼は、その後の主燃焼の熱発生率の上昇を緩慢にさせる。このことは燃焼騒音を低減させて、ＮＶＨ（Noise Vibration Harshness)性能を高める上で有利になり得る。つまり、プレ噴射及びそれに伴うプレ燃焼は、主燃焼の制御性を高めて主燃焼を所望のタイミングで発生させ、それにより、燃費の向上及びＮＶＨ性能の向上に有利になり得る。アフタ噴射は、主燃焼の最中、言い換えると主燃焼によって熱発生している最中に実行される燃料噴射であり、アフタ噴射によって噴射された燃料噴霧の少なくとも一部は、圧縮上死点後で下降しているピストン１４のキャビティ内に至る。好ましくは、アフタ噴射によって噴射された燃料噴霧の大部分がキャビティ内に至る。このアフタ噴射は、主燃焼を促進して後燃え期間を短縮させる。すなわち、アフタ噴射の実行は、主燃焼の立ち上がりに対しては何の影響を与えることなく、その燃焼期間を短くすることを可能にする。このことは、トルク向上に有利になり、ひいては燃費の向上に寄与し得る。

図５は、運転領域ａ２における燃料噴射形態（上図）及びそれに伴う気筒１１ａ内の熱発生率の履歴の一例（下図）を示している。運転領域ａ２は、運転領域Ａ内の領域であって、相対的に中負荷の運転領域である。詳しくは、運転領域ａ２は、運転領域Ａを、エンジンの負荷の低負荷と中負荷と高負荷との３つに分けた場合の中負荷の領域である。この運転領域ａ２では、ＰＣＭ１０は、予混合燃焼モードとなり、エンジン１に予混合燃焼を生じさせる。予混合燃焼とは、燃料と空気とを混合させた後に着火させる燃焼であって、換言すれば、燃料噴射後に燃焼が開始する燃焼である。この予混合燃焼は、燃料と空気とがある程度混合された上での燃焼であるため、気筒１１ａ内の酸素を有効に使うことができ、筒内酸素濃度が低い場合でもスモークの発生を抑制することができる。

運転領域ａ２における燃料噴射形態は、圧縮行程中（圧縮上死点前）において、所定の時間間隔を空けて３回の燃料噴射を実行すると共に、相対的に早いタイミングで噴射する燃料噴射量を相対的に多く、相対的に遅いタイミングで噴射する燃料噴射量を相対的に少なくしている。これは、可及的に多くの燃料を早期に噴射することで、燃料の予混合性を高めるためである。また、３回の燃料噴射は、その各回の噴射によって噴射された燃料の全てが、キャビティ内に至るタイミングで実行される。こうして噴射した燃料は、空気と十分に混合された状態で圧縮上死点付近において自着火により燃焼する。このような予混合燃焼モードは、燃費及び排気エミッションの点で有利になる。すなわち、予混合燃焼（図中の実線）は、破線で示す拡散燃焼に比べて燃焼期間が短いため、所望の時期にまとまったトルクを発生することができ、燃費を向上させることができる。

図６は、運転領域ａ３における燃料噴射形態（上図）及びそれに伴う気筒１１ａ内の熱発生率の履歴の一例（下図）を示している。運転領域ａ３は、運転領域Ａ内の領域であって、相対的に高負荷の運転領域である。詳しくは、運転領域ａ３は、運転領域Ａを、エンジンの負荷の低負荷と中負荷と高負荷との３つに分けた場合の高負荷の領域である。この運転領域ａ３では、ＰＣＭ１０は、拡散燃焼モードとなり、エンジン１に拡散燃焼を生じさせる。運転領域ａ３における燃料噴射形態は、圧縮上死点前の圧縮行程中において、比較的噴射量の多い燃料噴射（プレ噴射）を１回実行すると共に、圧縮上死点付近において、比較的パルス幅の短い主噴射を実行し、さらにその後に、１回の燃料噴射（アフタ噴射）を実行する。従って、この運転領域ａ３では、合計３回の燃料噴射を実行する。運転領域ａ３の拡散燃焼モードにおいても、プレ噴射及びそれに伴うプレ燃焼によって、主燃焼の制御性を高めて主燃焼を所望のタイミングで発生させ、それにより、燃費の向上及びＮＶＨ性能の向上させることができる。すなわち、拡散燃焼（図中の実線）は、破線で示す予混合燃焼に比べて熱発生率の上昇が緩慢になるため、熱発生率の最大値を抑制することができ、燃焼騒音を抑制することができる。運転領域ａ３では、低負荷側の運転領域ａ１に比べて、燃料噴射量が多いため、この燃焼騒音の抑制が特に有効となる。

運転領域Ｂでは、ＰＣＭ１０は、予混合燃焼モードとなることはなく、常に拡散燃焼モードとなり、エンジン１に拡散燃焼を生じさせる。運転領域Ｂにおける燃料噴射形態は、エンジン１の負荷及び回転数に応じて、プレ噴射の有無、回数及びタイミング、主噴射の回数及びタイミング、並びにアフタ噴射の有無、回数及びタイミングが様々に設定される。

また、ＰＣＭ１０は、各運転領域で所望の燃焼を実行させるために、エンジン１の運転状態に応じて排気ガス還流弁５１ａを制御することによって気筒１１ａ内の酸素濃度を調整している。図７は、エンジン負荷及び回転数に対する筒内酸素濃度の変化特性図の一例を示している。図７に示すように、ＰＣＭ１０は、エンジン１の要求負荷の増大に伴って、筒内酸素濃度が一旦減少して極小となった後、増加するように、排気ガス還流弁５１ａの開度を制御する。

詳しくは、上記低負荷側拡散領域ａ１では、ＰＣＭ１０は、エンジン１の要求負荷が増大するにつれて、排気ガス還流弁５１ａを、筒内酸素濃度が減少するように、即ち、開度が大きくなるように制御する。ＰＣＭ１０は、筒内酸素濃度が所定値となるまでは、拡散燃焼モードとなる。この所定値は、予混合燃焼が可能な筒内酸素濃度である。

そして、筒内酸素濃度が所定値以上となると、ＰＣＭ１０は、予混合燃焼モードとなる。換言すれば、エンジン１の運転状態が予混合領域ａ２となるときには、ＰＣＭ１０は、筒内酸素濃度が所定値以上となるように、排気ガス還流弁５１ａを制御する。尚、図中のハッチング部分が予混合領域ａ２を示している。予混合領域では、ＰＣＭ１は、エンジン１の要求負荷が増大するにつれて、排気ガス還流弁５１ａを、筒内酸素濃度が一旦減少した後上昇に転じるように、即ち、低負荷側では開度が大きくなるものの、やがて極大となり、高負荷側では開度が小さくなるように制御する。

予混合領域ａ２よりも高負荷側の領域である高負荷側拡散領域ａ３では、ＰＣＭ１０は、エンジン１の要求負荷が増大するにつれて、排気ガス還流弁５１ａを、筒内酸素濃度が上昇するように、即ち、開度が小さくなるように制御する。つまり、エンジン１の負荷が大きくなるにつれて、気筒１１ａ内からＥＧＲガスが減少していく。

このように、予混合領域ａ２では、低負荷側及び高負荷側拡散領域ａ１，ａ３よりも筒内酸素濃度が低くなるように調整される。つまり、予混合燃焼を行うためには、気筒１１ａ内に燃料を噴射した後、着火するまでの間に燃料と空気とを十分に混合する必要があるため、ある程度の着火遅れが必要である。そこで、予混合領域ａ２では、排気ガス還流弁５１ａの開度を大きくして筒内酸素濃度を低くしている。このように、予混合領域ａ２では、筒内酸素濃度を抑えることによって着火遅れを確保して、予混合燃焼を実現可能な環境を作り出している。

一方、エンジン１の要求負荷が低い領域では、気筒１１ａ内に供給される燃料が少ないため、燃焼が不安定となる傾向にある。そのため、ＥＧＲガスを気筒１１ａ内に大量に導入することは好ましくなく、筒内酸素濃度を可及的に高めて、燃焼が安定する環境を作る必要がある。そこで、低負荷側拡散領域ａ１では、排気ガス還流弁５１ａの開度を小さくすることによって、筒内酸素濃度を高めている。そして、筒内酸素濃度が高い場合には、着火遅れを十分に確保できないため、気筒１１ａ内に燃焼を噴射すると、燃料と空気とが混合される前に燃焼が開始してしまい、予混合燃焼を行うことが難しい。そこで、この領域ａ１における燃焼形態を拡散燃焼としている。そもそも、拡散燃焼は、予混合燃焼に比べて、燃焼の開始タイミングの制御が容易であるため、このような燃焼が不安定な環境においては拡散燃焼の方が燃焼の安定化の観点からは好ましい。

また、エンジン１の要求負荷が高い領域では、燃料供給量（即ち、燃料噴射量）が多くなる。燃料供給量が多くなると、その供給量に応えるべく、筒内酸素濃度を高める必要がある。そこで、高負荷側拡散領域ａ３では、排気ガス還流弁５１ａの開度を小さくすることによって、筒内酸素濃度を高めている。そして、筒内酸素濃度が高くなると、着火遅れを十分に確保できなくなり、予混合燃焼を行うことが難しくなる。そのため、この領域ａ３における燃焼形態を拡散燃焼としている。また、高負荷側拡散領域ａ３では、燃料供給量が多いため、燃焼騒音が大きくなる。それに対して、高負荷側拡散領域ａ３では、燃焼形態を拡散燃焼とすることによって、燃焼騒音を小さくして、ＮＶＨ性能を向上させている。つまり、拡散燃焼は、予混合燃焼に比べて、燃焼圧が低いため、燃焼騒音が小さい点で有利である。

一方、エンジン１の回転数が相対的に高回転（例えば、２２００ｒｐｍ以上）であるときには、ＰＣＭ１０は、エンジン１の要求負荷の増大に伴って、筒内酸素濃度が一旦減少して極小となった後、上昇するように、排気ガス還流弁５１ａの開度を制御するものの、筒内酸素濃度が極小となっても予混合燃焼を実現可能な値までは減少しない（図７の一点鎖線参照）。つまり、エンジン１の回転数が高回転の場合は、ピストン１４の動きが速いため、噴射された燃料の全てをキャビティ内に到達させることが可能な噴射期間は短くなる。そのため、予混合燃焼に適したタイミングで燃焼噴射を実行することが難しい。そこで、エンジン１の回転数が相対的に高回転の領域では、エンジン１の燃焼を拡散燃焼とし、それに合わせて、筒内酸素濃度を低下させ過ぎないようにし、その極小値を拡散燃焼を実行し得る範囲に収めている。こうして、エンジン１の高回転領域では拡散燃焼とすることによって燃焼を安定させることができる。それに加えて、拡散燃焼を実行し得る範囲内で筒内酸素濃度を低下させることによって、エミッション性能を向上させることができる。

つまり、ＰＣＭ１０は、上記の燃料噴射形態の切替に加えて、排気ガス還流弁５１ａを制御することによって、予混合燃焼モードと拡散燃焼モードとを切り替えている。詳しくは、ＰＣＭ１０は、排気ガス還流弁５１ａを上述のように制御すると共に、各センサの出力から筒内酸素濃度を算出して、算出された筒内酸素濃度が予混合燃焼に対応する範囲（図７のハッチング領域）内であれば予混合燃焼モードとなり、算出された筒内酸素濃度が拡散燃焼に対応する範囲内であれば拡散燃焼モードとなる。筒内酸素濃度の算出は、例えば、エアフローセンサ（図示省略）、過給圧センサＳＷ２、排気流量センサ（図示省略）及び排気酸素濃度センサ（図示省略）等の出力に基づいて算出される。ただし、筒内酸素濃度の算出方法は、これに限られるものではない。

尚、エンジン１が半暖機（例えば、エンジン水温が４０℃）となる前、即ち、冷間時には、排気浄化装置４１を活性化させるべく、内部ＥＧＲにより筒内温度を高めたり、グロープラグ１９がＯＮ状態となっており、予混合燃焼を行うことができない。そのため、エンジン１が半暖機となる前は、予混合燃焼モードと拡散燃焼モードの切替は実行されず、拡散燃焼を基本とした冷間時特有の燃焼制御が行われる。

したがって、本実施形態によれば、予混合燃焼を行う予混合領域ａ２を設けることによって、燃費を向上させることができると共にエミッション性能を向上させることができる。特に、上記エンジン１は低圧縮比のエンジンであるため、圧縮端温度が低く、着火遅れを確保し易い。そのため、予混合領域を拡大することができる。また、予混合領域ａ２では、ＥＧＲガスを増量しているため、エミッション性能をさらに向上させることができる。

また、エンジン負荷が低い領域では、筒内酸素濃度を高めて拡散燃焼とすることによって、燃焼安定性を向上させることができる。

さらに、エンジン負荷が高い領域では、予混合燃焼ではなく拡散燃焼とすることによって、筒内酸素濃度を高めることでき、これにより、エンジン負荷の増大に応じた燃料噴射量の増加に対応することができる。また、燃料噴射量が増大すると燃焼騒音が大きくなるが、拡散燃焼とすることによって、燃焼を緩慢にさせて燃焼圧を抑制することができ、ひいては、燃焼騒音を抑制することができる。

このように、エンジン１の負荷が相対的に低負荷の運転領域Ａにおいて、低負荷側から拡散燃焼モード、予混合燃焼モード、拡散燃焼モードと切り替えることによって、燃焼安定性を向上させつつ、燃費及びエミッション性能を向上させつつ、さらには、燃焼騒音を抑制することができる。

また、予混合領域ａ２をエンジン１の回転数が相対的に低回転の領域とすることによって、予混合燃焼を容易に実現することができる。つまり、予混合燃焼を行うには、燃焼を開始させる所望のタイミングよりも前のタイミングで気筒１１ａ内に燃料を噴射する必要がある。燃料噴射は、噴射される燃料がピストン１４のキャビティ内に到達することが好ましいが、燃料噴射のタイミングが早すぎると、燃料がキャビティから外れる場合もあり得る。燃料がキャビティから外れると、燃料の有効に活用できないだけでなく、燃料がシリンダ内壁に付着してオイル希釈引き起こし得る。そして、エンジン１の回転数が高回転になると、ピストン１４の動きが速くなり、燃料をキャビティ内に到達させつつ、予混合燃焼を所望のタイミングで生じさせることが難しくなる。そこで、予混合領域ａ２をエンジン１の回転数が相対的に低回転の領域とすることによって、予混合燃焼を容易に実現することができる。それに加えて、噴射された燃料の全てがキャビティ内に到達するようなタイミングで燃料を噴射することによって、燃料を有効に利用し且つオイル希釈を防止することができる。

さらに、触媒の活性化が完了するまで予混合燃焼モードとしないことによって、触媒の活性化を促進することができる。さらに、グローＯＦＦとなるまで予混合燃焼モードとしないことによって、燃焼を安定させることができる。すなわち、グロープラグ１９の使用中は噴射された燃料がグロープラグ１９に到達することで着火してしまい、予混合燃焼を適切に実行することが困難である。そのため、グロープラグ１９の使用中は拡散燃焼モードとすることによって、燃焼を安定させることができる。

また、拡散燃焼モードにおいては、プレ噴射を行うことによって、エンジン１が低圧縮比であっても、着火遅れを短くして、拡散燃焼の制御性を向上させることができる。特に、低負荷側拡散領域では、プレ噴射を行うことで燃焼安定性を向上させることができる。

《その他の実施形態》
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

例えば、拡散燃焼モードにおけるプレ噴射、主噴射及びポスト噴射の回数は上記の回数に限定されるものではなく適宜設定すればよい。また、予混合燃焼モードにおける燃料噴射の回数は上記の回数に限定されるものではなく適宜設定すればよい。また、各燃料噴射における噴射量も上記の態様に限定されるものではなく適宜設定すればよい。さらに、各燃料噴射のタイミングも上記の態様に限定されるものではなく適宜設定すればよい。

また、エンジン１が半暖機及び温間時に予混合燃焼モードと拡散燃焼モードとの切替制御を行うようにしているが、これに限られるものではない。すなわち、排気浄化装置４１、特に、酸化触媒４１ａの活性化が完了し且つグロープラグ１９がＯＦＦ状態であれば、予混合燃焼を行うことができる。つまり、酸化触媒４１ａの活性化が完了し且つグロープラグ１９がＯＦＦ状態のときに、予混合燃焼モードと拡散燃焼モードとの切替制御を行うようにしてもよい。

尚、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、軽油を主成分とする燃料が供給される、幾何学的圧縮比が１５以下のエンジン本体と、該エンジン本体の燃焼状態を制御する制御部とを備えたディーゼルエンジンについて有用である。

１エンジン（エンジン本体）
１０ＰＣＭ（制御部）
１１ａ気筒
１４ピストン
１８インジェクタ（燃料噴射弁）
５１ａ排気ガス還流弁（ＥＧＲ弁）

Claims

軽油を主成分とする燃料が供給される、幾何学的圧縮比が１５以下のエンジン本体と、該エンジン本体の燃焼状態を制御する制御部とを備えたディーゼルエンジンであって、
上記制御部は、上記エンジン本体の負荷が所定の低負荷側であって且つ定常状態でＥＧＲが実行されるＥＧＲ運転領域において、上記エンジン本体に予混合燃焼を行わせる予混合燃焼モードと上記エンジン本体に拡散燃焼を行わせる拡散燃焼モードとで切り替えるように構成されており、
上記ＥＧＲ運転領域には、上記予混合燃焼モードとなる予混合領域と、該予混合領域よりもエンジン負荷の低負荷側に設けられ、上記拡散燃焼モードとなる低負荷側拡散領域と、該予混合領域よりもエンジン負荷の高負荷側に設けられ、上記拡散燃焼モードとなる高負荷側拡散領域とが含まれるディーゼルエンジン。
請求項１に記載のディーゼルエンジンにおいて、
上記予混合領域は、上記エンジン本体の回転数が所定の低回転側の運転領域に設けられているディーゼルエンジン。
請求項１に記載のディーゼルエンジンにおいて、
上記制御部は、上記エンジン本体が上記予混合領域内の運転状態であって且つ該エンジン本体の温度が所定温度以上のときに上記予混合燃焼モードとなるディーゼルエンジン。
請求項１に記載のディーゼルエンジンにおいて、
上記エンジン本体の気筒内に臨んで配設され且つ該気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁をさらに備え、
上記制御部は、上記燃料噴射弁を通じた、上記気筒内への上記燃料の噴射形態を制御するように構成されており、上記予混合領域では、噴射される燃料が上記気筒に嵌挿したピストン頂面のキャビティ内に至るようなタイミングで、該燃料噴射弁に燃料を噴射させるディーゼルエンジン。
請求項１に記載のディーゼルエンジンにおいて、
上記エンジン本体の気筒内に臨んで配設され且つ該気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁をさらに備え、
上記制御部は、上記燃料噴射弁を通じた、上記気筒内への上記燃料の噴射形態を制御するように構成されており、上記低負荷側拡散領域及び高負荷側拡散領域では、拡散燃焼を主体とした主燃焼を行うために圧縮上死点付近において燃料を噴射する主噴射と、該主燃焼よりも前に前段燃焼を行うために当該主噴射よりも前のタイミングで燃料を噴射する前段噴射とを該燃料噴射弁に行わせるディーゼルエンジン。
請求項１に記載のディーゼルエンジンにおいて、
上記エンジン本体の気筒内に導入するＥＧＲガス量を調整するためのＥＧＲ弁をさらに備え、
上記制御部は、上記ＥＧＲ弁を制御することによって上記気筒内の酸素濃度を調整するように構成されており、上記予混合領域では、上記低負荷側拡散領域及び高負荷側拡散領域よりも該気筒内の酸素濃度が低くなるように該ＥＧＲ弁を制御するディーゼルエンジン。