JP3882838B2 - ディーゼルエンジンの排気弁制御方法及び排気弁制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、機関の運転状態に応じて通常燃焼モードと予混合燃焼モードとを切り替えるディーゼルエンジンの排気弁制御方法及び排気弁制御装置に係り、特に、予混合燃焼モード時に排気弁の二段開弁制御を行うことで内部ＥＧＲするようにしたものに関する。

内燃機関（エンジン）の運転状態に応じて通常燃焼モードと予混合燃焼モードとを切り替えるディーゼルエンジンについて、図９を用いて説明する（特許文献１参照）。

通常燃焼モードは、通常のエンジンと同様にピストン１の圧縮上死点近傍のタイミングで燃料噴射ノズル２から燃料をピストン頂面のキャビティ３内に噴射するモードである。図例では、ＢＴＤＣ１０°〜０°までのいずれかのタイミングで燃料の噴射を開始している。この通常燃焼モードでは、燃料噴射の初期に噴射した燃料が着火遅れ期間を経て着火し、これによって形成された火炎の中に継続して燃料を噴射することで、この燃料が燃焼するという拡散燃焼の形態を採る。かかる拡散燃焼では、火炎の中に新たな燃料を噴射して燃焼させるため、元々酸素が少ないところに燃料を供給して燃焼させなければならず、スモークが発生し易い。そこで、以下に述べる予混合燃焼モードをエンジンの運転状態に応じて併用するようにしている。

予混合燃焼モードは、通常燃焼モードよりも早期のタイミングで、且つ噴射終了まで燃料の着火が生じないようなタイミングで、燃料噴射ノズル２から燃料をキャビティ３内に噴射するモードである。図例では、ＢＴＤＣ５０°〜２０°のいずれかタイミングで燃料の噴射を開始している。この予混合燃焼モードでは、噴射された全ての燃料が空気と混合され、燃焼室内が略均一に希薄化された後に燃焼するため、燃料の周囲に酸素が十分存在する状態での燃焼となり、スモークの発生を抑制でき、且つ燃焼速度が比較的緩慢で燃焼温度も急激に上昇しないため、ＮＯｘの発生も抑制できる。

特開２００３−８３１１９号公報

ところで、エンジンの高負荷運転時には、予混合燃焼モードを実行することは困難である。何故なら、高負荷時には多量の燃料が噴射されるため、燃料噴射ノズル２から燃料を通常よりも早期に噴射すると、ピストン１が上死点近傍に到達する前に着火が開始してしまい、ノッキングが激しくなり、エンジンが損傷し兼ねないからである。よって、エンジンの高負荷運転時には通常燃焼モードとし、低中負荷運転時に予混合燃焼モードに切り替えるようにしている。

予混合燃焼モード時におけるノッキングの発生について本発明者が研究を重ねた結果、以下の事実が分かった。すなわち、本発明者の実験・シミュレーションによって、ピストン１の圧縮上死点近傍において、スキッシュクリアランスの周辺、すなわちピストン１の頂部のキャビティ３の外周部４の温度が他の部位よりも数十Ｋ程度上昇することが判明した。そして、上記ノッキングは、このピストン外周部４における温度上昇域での着火がトリガーとなって発生することが分かった。よって、この外周部４における燃焼反応を抑制すれば、予混合燃焼モードにおいて問題となっているノッキングを抑制することが可能となり、予混合燃焼モードの運転領域をより高負荷側に拡大することが可能となる。

燃焼反応を抑制する技術としてＥＧＲ（排気ガス再循環）が知られているが、通常のＥＧＲでは排気管と吸気管とをＥＧＲ管で連通させ、このＥＧＲ管を通じてＥＧＲを行っているため、ＥＧＲガス（排気ガス）が吸気（空気）と混合された状態でシリンダ内に導入されてしまい、ＥＧＲガスのみをシリンダ内に導入することができない。よって、ＥＧＲガスと空気とが混ざったガスでノッキングを抑制することになり、ノッキングを防止するには有る程度以上のＥＧＲガス量（ＥＧＲ率）が必要となる。従って、その分シリンダ内への吸気量が減り、出力の低下やスモークの発生を招くため、予混合燃焼モードを高負荷運転域に広げることが制限されていた。

また、別のＥＧＲ方法として、排気弁を排気行程のみならず吸気行程の初期から中期にかけて再び開弁することで排気ポート内の排気ガスの一部をシリンダ内に導入するタイプのＥＧＲ（内部ＥＧＲ）も知られている。しかし、この内部ＥＧＲタイプにあっても、排気弁を吸気行程の初期から中期にかけて開弁しているので、シリンダ内に導入されたＥＧＲガスが吸気行程においてシリンダ内にて生じる流動、特にタンブル流の影響を強く受け、シリンダ内にて吸気と混合されてしまうため、ＥＧＲガスと空気とが混ざったガスでノッキングを抑制することになる。よって、前段で述べたものと同様の問題が生じる。

以上の事情を鑑みて創案された本発明の目的は、予混合燃焼モード時において、ＥＧＲガスを吸気と混合させることなく且つシリンダ内に拡散させることなくシリンダ内の上部に層状化して配置でき、従来よりも少ないＥＧＲガス量（ＥＧＲ率）でノッキングを効率よく抑制できるディーゼルエンジンの排気弁制御方法及び排気弁制御装置を提供することにある。

上記目的を達成すべく創案された第一の発明は、運転状態に応じて通常燃焼モードと予混合燃焼モードとを切り替えるディーゼルエンジンの排気弁制御方法であって、Ａ／Ｆ値、ノッキング強度、排気管内圧及びシリンダ内圧を夫々検出する検出手段を有し、通常燃焼モードにおいては排気弁を排気行程においてのみ開弁し、予混合燃焼モードにおいては上記排気弁を排気行程のみならず、吸気行程の後半から圧縮行程の初期にかけても開弁する二段開弁制御を行うようにし、上記排気弁の吸気行程の後半における開弁時期は、上記検出手段によって検出するＡ／Ｆ値が所定値以上且つノッキング強度が別の所定値以下となる時期に決定し、上記排気弁の圧縮行程の初期における閉弁時期は、上記検出手段によって検出する排気管内圧がシリンダ内圧以上となる時期に決定するものである。

第二の発明は、運転状態に応じて通常燃焼モードと予混合燃焼モードとを切り替えるディーゼルエンジンの排気弁制御装置であって、吸気量を測定するＭＡＦセンサと、ノッキングの強度を測定するノッキングセンサと、燃料噴射量を求める噴射量検出手段と、排気管内圧を測定する排気管内圧センサと、シリンダ内圧力を求めるシリンダ内圧検出手段と、排気弁の開閉時期及び期間を変更可能な排気弁駆動装置と、該排気弁駆動装置を制御する制御部とを有し、該制御部は、上記通常燃焼モード時には、上記排気弁を排気行程においてのみ開弁するように上記排気弁駆動装置を制御し、上記予混合燃焼モード時には、上記排気弁を排気行程のみならず吸気行程の後半から圧縮行程の初期にかけても開弁する二段開弁制御を行うように上記排気弁駆動装置を制御するものであり、上記排気弁の吸気行程の後半における開弁時期を、上記ＭＡＦセンサで測定した吸気量と上記燃料噴射量検出手段で求めた燃料噴射量とから算出したＡ／Ｆ値が所定値以上で、且つ上記ノッキングセンサで測定したノッキング強度が別の所定値以下という条件に基づいて決定し、上記排気弁の圧縮行程の初期における閉弁時期を、上記排気管内圧センサで測定した排気管内圧が上記シリンダ内圧検出手段で求めたシリンダ内圧力よりも高いという条件に基づいて決定するものである。

本発明によれば、予混合燃焼モード時に排気弁を吸気行程の後半から圧縮行程の初期にかけて開弁することで、排気ポート内の圧力がシリンダ内の圧力よりも僅かに高い期間の開弁となり（図４参照）、且つ、この開弁期間においては吸気ポートからシリンダ内への吸気が略終了しているため（図５参照）、排気ポート内からシリンダ内に取り込まれた排気ガス（ＥＧＲガス）が吸気（空気）と激しく混じり合うことなくシリンダ内の上部に層状化した状態で配置されるため、少ないＥＧＲガス量（ＥＧＲ率）で効率的にノッキングを防止できる。よって、シリンダ内への吸気量を従来よりも増やすことができ、出力低下やスモークの発生を回避できるため、予混合燃焼モードを従来よりも高負荷運転域に広げることができる。

以下、本発明の好適実施形態を添付図面に基づいて説明する。

本実施形態に係る排気弁制御方法及び排気弁制御装置の概要を説明すると、図２に示すように、本方法及び装置は、燃料噴射ノズル２から噴射される燃料の噴射時期及び期間を、エンジン６の高負荷運転時には通常燃焼モード（既述）とし、低中負荷運転時に予混合燃焼モード（既述）に切り替える切換手段５を備えたディーゼルエンジン６に適用されるものであり、排気弁の開閉時期及び期間を変更可能な排気弁駆動装置７と、排気弁駆動装置７を制御する制御部８とを備えている。

制御部８は、高負荷運転時に切換手段５が燃料噴射ノズル２から噴射される燃料の噴射時期及び期間を通常燃焼モードに切り替えたときには、排気弁を排気行程において通常通りに開弁するように排気弁駆動装置７を制御し、内部ＥＧＲ（既述）を行わない。また、制御部８は、低中負荷運転時に切換手段５が燃料噴射ノズル２から噴射される燃料の噴射時期及び期間を予混合燃焼モードに切り替えたときには、図１に示すように、排気弁を排気行程のみならず吸気行程の後半から圧縮行程の初期にかけても開弁する二段開弁制御を行うように排気弁駆動装置７を制御し、内部ＥＧＲを行う。

排気弁を吸気行程の後半から圧縮行程の初期にかけて開弁すると、図４に示すように排気ポート内の圧力がシリンダ内の圧力よりも僅かに高い期間の開弁となるため、排気ポート内の排気ガスの一部がシリンダ内に緩やかに取り込まれ、しかも図５に示すようにこの期間においては吸気ポートからシリンダ内への吸気が略終了しているため、シリンダ内に取り込まれたＥＧＲガスが吸気（空気）と激しく混じり合うことなく且つシリンダ内に拡散することなくシリンダ内の上部に層状化した状態で配置される。

空気が殆ど混ざっていないＥＧＲガスがシリンダ内の上部に層状配置されると、ピストン１の圧縮上死点近傍にて温度上昇が生じてノッキングのトリガーとなるピストン１頂部のキャビティ３の外周部４における燃焼反応が、従来例よりも少ないＥＧＲガス量（ＥＧＲ率）で効率よく抑制される。よって、ノッキングを防止するために必要なＥＧＲガス量（ＥＧＲ率）が従来例よりも少なくて済むことになり、その分シリンダ内への吸気量が従来例よりも増え、ＥＧＲ時の出力低下やスモークの発生が抑えられるので、予混合燃焼モードの運転領域を高負荷側に拡張できる。

以下、本実施形態に係る排気弁制御方法及び排気弁制御装置を詳述する。

本実施形態では、図２に示す排気弁駆動装置７に機械カムを有しない図６に示すカムレスバルブ駆動装置７ａを用いている。この装置７ａについては、詳しくは後述するが、排気弁９の開閉時期及び期間を制御部８からの指令に基づいて任意に変更できるようになっている。

図２に示すように、エンジン６の吸気管１０には、吸気量を測定するＭＡＦ（マス・エア・フロー）センサ１１と、吸気管１０の内圧を測定する吸気管内圧センサ１２とが設けられ、エンジン６のシリンダボディ等には、ノッキングの強度を振動の大きさ等に基づいて測定するノッキングセンサ（加速度センサ等）１３が設けられ、エンジン６の内部には、クランク軸の角度を検出するクランク角センサ１４が設けられ、エンジン６の排気管１５には、排気管１５の内圧を測定する排気管内圧センサ１６が設けられている。

また、燃料噴射ノズル２から噴射される燃料噴射量を、目標噴射量等に基づいて求める燃料噴射量検出手段１７が設けられ、エンジン６のシリンダ内圧を求めるシリンダ内圧検出手段１８が設けられている。シリンダ内圧検出手段１８は、上記クランク角センサ１４及び上記吸気管内圧センサ１２を有し、少なくとも吸気管内圧センサ１２で測定した吸気管１０の内圧に基づいて各クランク角におけるシリンダ内圧を算出するものである。算出は実験やシミュレーションにより得られたマップや近似式等に基づいて行う。また、シリンダ内圧検出手段１８は、上記吸気管１０の内圧の他、負荷（アクセル開度）やエンジン回転速度等も、シリンダ内圧を算出するためのパラメータとしてもよい。

切換手段５は、燃料噴射ノズル２から噴射される燃料の噴射時期及び期間を、高負荷運転時には通常燃焼モードとし、低中負荷運転時には予混合燃焼モードに切り替えるものであるが、ここで高負荷か低中負荷かの判断は、ＭＡＦセンサ１１で測定した吸気量と燃料噴射量検出手段１７で求めた燃料噴射量とから算出した空気過剰率（空気過剰率λ＝（供給Ａ／Ｆ値）／（理論Ａ／Ｆ値））が所定値（例えば２．５）以上のとき低中負荷と判断し、上記空気過剰率が上記所定値未満のとき高負荷と判断する。すなわち、空気過剰率が上記所定値以上なら低中負荷なので予混合燃焼モードとし、空気過剰率が上記所定値未満なら高負荷なので通常燃焼モードとする。

制御部８は、通常燃焼モード時には、排気弁９を排気行程において通常通りに開弁するように排気弁駆動装置７を制御し、予混合燃焼モード時には、排気弁９を排気行程のみならず図１に示すように吸気行程の後半から圧縮行程の初期にかけても開弁する二段開弁制御を行うように排気弁駆動装置７を制御する。通常燃焼モード時における排気弁９の開閉時期及び期間については通常のエンジンと同様であるので説明を省略し、予混合燃焼モード時における排気弁９の上記二段開弁制御について以下図３を用いて説明する。

先ず、クランク角センサ１４によって燃料噴射時のクランク角度を求め、噴射量検出手段１７によって燃料噴射量を求め、これらの値に基づいて現在の燃料噴射の時期および量が予混合燃焼モードであるか否かを判断する。また、ＭＡＦセンサ１１および噴射量検出手段１７とから求めた空気過剰率が上記所定値以上か否かによって予混合燃焼モードであるか否か判断してもよい。

また、クランク角センサ１４から単位時間当たりのクランク軸の回転角度すなわちエンジン回転速度を求め、噴射量検出手段１７によって燃料噴射量を求め、これらの値に基づいて予混合燃焼モードであるか否か判断してもよい。例えば、エンジン回転速度が所定速度未満であり、且つ燃料噴射量が所定量未満であれば予混合燃焼モードであると判断し、さもなければ通常燃焼モードであると判断する。

予混合燃焼モードと判断された場合、図１に示すように排気弁９を二段開弁制御するのであるが、排気弁９の一段目の開閉時期及び期間は、通常燃焼モード時と同様（通常のエンジンと同様）であり、排気行程において排気が最適となるように予め定められた開閉時期及び期間に制御される。本実施形態の特徴である排気弁９の二段目の開閉時期及び期間は、次のようにして決定される。

排気弁９の再開弁時期（ＥＶＯ）は、新規吸気量に影響を及ぼすため、ＭＡＦセンサ１１で測定した吸気量と燃料噴射量検出手段１７で求めた燃料噴射量とから算出したＡ／Ｆ値（空燃比値）と、ノッキングセンサ１３で測定したノッキング強度とに基づいて決定される。具体的には、Ａ／Ｆ値が所定値以上で且つノッキング強度が別の所定値以下という条件に基づいて決定される。

例えば、排気弁９の開弁時期が適切な時期よりも早すぎると、排気ポートからシリンダ内に導かれるＥＧＲガス量（ＥＧＲ率）が増えその分吸気量が減るため、Ａ／Ｆ値が小さくなる。この場合、開弁時期を遅めてＥＧＲガス量を減らす方向に制御され、これにより、予混合燃焼モードにおいて、Ａ／Ｆ値を所定値以上に保つことができ、所定の新規吸気量を確保できるので、出力の低下やスモークの発生が回避される。

逆に、排気弁９の開弁時期が遅すぎると、ＥＧＲガス量が減るため、ピストン１頂部のキャビティ３の外周部４においてノッキングのトリガーとなる燃焼反応を十分抑えることが出来ず、ノッキングが強くなるため、開弁時期を早めてＥＧＲガス量を増やす方向に制御される。これにより、予混合燃焼モードにおいて、ノッキングを防止できる量のＥＧＲガス量を確保でき、ノッキングを防止できる。

排気弁９の閉弁時期（ＥＶＣ）は、シリンダ内のガスが排気ポートに流出することを防ぐために、排気管内圧センサ１６で測定した排気管１５の内圧とシリンダ内圧検出手段１８で求めたシリンダ内圧とを比較して、適切なＥＶＣ時期に決定する。具体的には、排気管内圧センサ１６で測定した排気管１５の内圧が、シリンダ内圧検出手段１８で求めたシリンダ内圧力以上、という条件に基づいて決定される。

この点、図４に示すように、圧縮行程初期の排気ポート内圧力は、運転条件によって若干の差違は生じるものの基本的には所定のクランク角度までは、シリンダ内圧力よりも高くなる。よって、排気ポート内圧力がシリンダ内圧力よりも高い間は排気弁９を開弁しておき、これらの圧力の関係が逆転するときに排気弁９を閉弁することにより、シリンダ内に導かれたＥＧＲガスが排気ポートに流出することが防止される。

こうして決定された排気弁の開弁時期（ＥＶＯ）、閉弁時期（ＥＶＣ）に基づいて、制御部８が排気弁駆動装置７（カムレスバルブ駆動装置７ａ）を制御することになる。排気弁９の開弁時期（ＥＶＯ）及び閉弁時期（ＥＶＣ）の決定は、排気弁９の毎回の開閉毎に行ってもよいし、所定の開閉回数毎に行って制御の簡素化を図ってもよい。

以上の排気弁９の開弁時期（ＥＶＯ）及び閉弁時期（ＥＶＣ）制御により、既述したように、予混合燃焼モードにおいて、従来例よりも少ないＥＧＲガス量（ＥＧＲ率）で、出力の低下を回避しつつ、ノッキングを効果的に防止できる。よって、予混合燃焼モードを従来よりも高負荷運転域に広げることが可能となる。

カムレスバルブ駆動装置７ａについて、図６を用いて説明する。

カムレスバルブ駆動装置７ａは、排気弁９を閉弁方向に付勢する付勢手段１９と、付勢手段１９の付勢力に抗して排気弁９を開弁させるために加圧された作動流体が供給される圧力室２０と、圧力室２０内に上記作動流体を供給するための供給手段２１と、圧力室２０内から上記作動流体を排出するための排出手段２２とを備えている。そして、制御部８が供給手段２１による圧力室２０内への上記作動流体の供給時期を制御することで排気弁９の開弁時期（ＥＶＯ）を制御し、制御部８が排出手段２２による圧力室２０からの上記作動流体の排出時期を制御することで排気弁９の閉弁時期（ＥＶＣ）を制御するようになっている。

上記付勢手段１９は、弁バネ室２３内に圧縮された状態で収容され排気弁９のステム部９ａに設けられたフランジ９ｂを上方に付勢することで排気弁９を閉弁方向に付勢する弁バネ１９ａと、弁バネ室２３の上方のアクチュエータボディ２４内に収容され上記フランジ９ｂを磁気的に吸引することで排気弁９を閉弁方向に付勢する磁石１９ｂ（永久磁石、電磁石等）とを有する。

上記圧力室２０は、アクチュエータボディ２４内に排気弁９のステム部９ａをスライド可能に収容するように形成された円穴の上部に形成されており、その底面部分が上記ステム部９ａの頂面９ｃによって区画されている。よって、圧力室２０内に供給手段２１によって上記作動流体が供給され、圧力室２０内の圧力が頂面９ｃに作用することによる排気弁９を開弁させる力が、弁バネ１９ａ及び磁石１９ｂによる閉弁方向の付勢力を上回ると、排気弁９が開弁される。

上記供給手段２１は、排気弁９の開弁初期の所定期間において、圧力室２０内に高圧の作動流体を供給する高圧作動流体供給手段２１ａと、上記開弁初期の所定期間の経過後、圧力室２０に低圧の作動流体を供給する低圧作動流体供給手段２１ｂとを有する。高圧作動流体供給手段２１ａは、圧力室２０の上方から上記ステム部９ａの頂面９ｃに向けて高圧作動流体を噴射する。これにより、噴射された高圧作動流体が上記ステム部９ａの頂面９ｃに流れ当たってこれを下方に押圧すると共に圧力室２０内の圧力が急激に上昇するため、排気弁９に開弁に必要な初期エネルギが与えられ、排気弁９の開弁が勢いよく開始される。

その後、排気弁９が慣性運動によってリフトするが、このとき圧力室２０の実際の容積増大量は、排気弁９が高圧作動流体の噴射による慣性運動であることに起因して、高圧作動流体の供給量に応じた理論上の圧力室２０の容積増大量よりも大きくなり、圧力室２０内が負圧となり得るところ、リフトの途中で低圧作動流体供給手段２１ｂにより低圧作動流体が圧力室２０内に導入されるため、圧力室２０が負圧になることが回避される。よって、排気弁９のリフト動作が安定化し、リフト量を高圧作動流体の供給により与えられた初期エネルギに応じたリフト量に確保できる。

高圧作動流体供給手段２１ａは、圧力室２０の上方に出口孔２５を介して連通して形成されたバランス弁収容室内に昇降可能に収容されたバランス弁２６と、バランス弁２６の上方に形成され高圧の作動流体が供給されたときこれをバランス弁２６の頂面に作用させることでバランス弁２６を出口孔２５の周囲にすり鉢状に形成された弁シート２７に押し付けるための閉弁室２８と、バランス弁２６の側方に形成され高圧の作動流体が供給されたときこれをバランス弁２６の側部にコーン状に形成された段差部２９及びコーン状の底面部に作用させることでバランス弁２６を弁シート２７からリフトさせるための開弁室３０と、開弁室３０及び閉弁室２８に高圧の作動流体を供給するための高圧供給通路３１と、閉弁室２８に収容されバランス弁２６を弁シート２７に軽く押し付けるためのバネ３２と、閉弁室２８内の圧力を逃がすリリーフ手段３３とを有する。高圧供給通路３１には、後述するようにコモンレール３４に高圧状態（数十〜数百ＭＰａ）で貯留された燃料が高圧作動流体として供給される。

閉弁室２８内の圧力がリリーフ手段３３によって解放されておらず密閉されていれば、閉弁室２８内の圧力によってバランス弁２６を閉弁させるようにバランス弁２６の頂面に作用する閉弁力と、開弁室３０内の圧力によってバランス弁２６を開弁させるようにバランス弁２６の段差部２９及び底面部に作用する開弁力とが等しくなるため、バネ３２の力によってバランス弁２６は弁シート２７に着座されて閉弁される。そして一旦閉弁されると、バランス弁２６の底面部が弁シート２７に着座して覆われるため、この底面部に作動流体の圧力が作用しなくなり、上記開弁力が減少して上記閉弁力の方が大きくなるため、バランス弁２６はしっかりと弁シート２７に着座し閉弁される。閉弁室２８内の圧力がリリーフ手段３３によって解放されると、上記閉弁力が著しく小さくなり、上記開弁力の方が大きくなるため、バネ３２の力を考慮したとしても、バランス弁２６が弁シート２７から離間して素早くリフトし、開弁される。すると、高圧の作動流体が出口孔２５を通って圧力室２０内に勢い良く噴射されることになる。

上記リリーフ手段３３は、閉弁室２８の上部を区画する蓋板３５に形成されたリリーフ孔３６と、リリーフ孔３６を開閉するために蓋板３５の上面に配置された弁体３７と、弁体３７を蓋板３５に押し付けてリリーフ孔３６を覆って閉弁させるためのバネ３８と、弁体３７を磁気的に吸引してリリーフ孔３６を開いて開弁させるための電磁ソレノイド３９とを備えている。弁体３７は、電磁ソレノイド３９が通電されない状態では、バネ３８の力によって蓋板３５に着座されてリリーフ孔３６を塞いで閉弁し、電磁ソレノイド３９が通電されると、上方に吸引移動されるため蓋板３５から離間してリリーフ孔３６を解放して開弁する。

電磁ソレノイド３９は制御部８（電子制御ユニット）からの指令により通電が適宜オンオフされる。電磁ソレノイド３９が通電オンされると、弁体３７が吸引移動されて開弁され、バランス弁２６が開弁され、高圧作動流体が圧力室２０内に噴射され、排気弁９が下降して開弁（リフト）される。これにより、排気弁９の開弁時期（ＥＶＯ）を制御できる。電磁ソレノイド３９が通電オフされると、弁体３７がバネ３８の力によって閉弁され、バランス弁２６が閉弁され、高圧作動流体が圧力室２０内へ噴射されなくなるので、排気弁９を開弁（リフト）させる力がなくなる。これにより、排気弁９のリフト量を制御できる。

低圧作動流体供給手段２１ｂは、圧力室２０内に低圧の作動流体を供給するために圧力室２０の側方上部に連通された低圧供給通路４０と、低圧供給通路４０に介設された逆止弁４１とを備えている。低圧供給通路４０には、後述するように低圧室４２内に低圧状態（例えば０．５ＭＰａ）で貯留された燃料が低圧作動流体として供給される。この構成によれば、作動流体は低圧室４２から圧力室２０へは流れるが逆方向には流れないため、圧力室２０内の圧力が逆止弁４１の上流側よりも低いときのみ低圧室４２内の低圧作動流体が逆止弁４１を通って圧力室２０に供給され、圧力室２０内の圧力が逆止弁４１の上流側よりも高いときには逆止弁４１は圧力室２０を閉塞する。

以上の構成からなる供給手段２１によれば、高圧作動流体供給手段２１ａのバランス弁２６が開弁されて出口孔２５から高圧作動流体が圧力室２０内に噴射されると、上述したように排気弁９の開弁が勢いよく開始され排気弁９が慣性運動によってリフトするため、圧力室２０の容積増大量が高圧作動流体の供給量に応じた理論上の圧力室２０の容積増大量よりも大きくなって圧力室２０内が負圧となり得るところ、リフトの途中で圧力室２０内の圧力が低圧室４２内の圧力よりも低くなると、低圧作動流体供給手段２１ｂによって低圧作動流体が圧力室２０内に導入されるため、圧力室２０が負圧になることが回避される。よって、排気弁９のリフト動作が安定化し、リフト量を高圧作動流体の供給により与えられた初期エネルギに応じたリフト量に確保できるのである。

こうして高圧作動流体供給手段２１ａによって開弁時期（ＥＶＯ）が制御されると共に低圧作動流体供給手段に２１ｂよって安定したリフト動作が確保される排気弁９は、排出手段２２によって圧力室２０内の圧力を解放することで閉弁（上昇）されるので、上記解放の時期を制御することで、閉弁時期（ＥＶＣ）を制御できる。

排出手段２２は、圧力室２０内の作動流体を排出するために圧力室２０の側方上部に連通された排出通路４３と、排出通路４３に介設された開閉弁４４とを備えている。開閉弁４４は、制御部８からの指令により適宜開閉される。この開閉弁４４は、閉弁時に圧力室２０内の圧力を保持して排気弁９をリフトさせる力が抜けないようにし、開弁時に圧力室２０内の圧力を解放して排気弁９をリフトさせる力を逃がして排気弁９を閉弁させる。よって、開閉弁４４の開弁時期を制御部８によって図１及び図２を用いて既述したように制御することで、排気弁９の閉弁時期（ＥＶＣ）を制御できる。

以上のカムレスバルブ駆動装置７ａは、本実施形態では図６に示すようにディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射システム４５の燃料回路（流路）に組み込まれ、高圧ポンプ４６によって昇圧されコモンレール３４内に高圧状態（数十〜数百ＭＰａ）で貯留された燃料を高圧作動流体供給手段２１ａの高圧作動流体として用い、フィードポンプ４７及びリリーフ弁４８によって低圧室４２内に低圧状態（例えば０．５ＭＰａ）で貯留された燃料を低圧作動流体供給手段２１ｂの低圧作動流体として用いている。

コモンレール式燃料噴射システム４５について説明すると、エンジン６の各気筒毎に燃料噴射を実行する燃料噴射ノズル２が設けられ、燃料噴射ノズル２には、コモンレール３４に高圧状態で貯留された燃料が常時供給されている。コモンレール３４には、上述のように高圧ポンプ４６によって高圧状態（数十〜数百ＭＰａ）にされた燃料が圧送され、高圧ポンプ４６には、燃料タンク４９の燃料が燃料フィルタ５０を通じてフィードポンプ４７によって圧送される。フィードポンプ４７のフィード圧Ｐｆは、リリーフ弁４８によって調整され、一定圧（例えば０．５ＭＰａ）に保たれる。

図示する装置全体を総括的に制御する装置として制御部８（電子制御ユニット）が設けられ、制御部８にはエンジン６の運転状態（エンジン６のクランク角、回転速度、エンジン負荷等）を検出する各種センサ（図２参照）が接続される。制御部８は、これらセンサの信号に基づいてエンジン６の運転状態を把握し、これに基づいた駆動信号を燃料噴射ノズル２の電磁ソレノイドに送信し、電磁ソレノイドの通電を制御して燃料噴射ノズル２を開閉制御し、燃料噴射の実行・停止を制御する。燃料噴射を停止したときには、燃料噴射ノズル２から常圧程度の燃料がリターン回路５１を通して燃料タンク４９に戻される。制御部８は、エンジン６の運転状態に応じてコモンレール３４内の圧力を目標圧に向けてフィードバック制御する。このため、コモンレール３４には、その内部に圧力を検出するためのセンサ５２が設けられている。

コモンレール式燃料噴射システム４５に対するカムレスバルブ駆動装置７ａの組込位置を説明すると、フィードポンプ４７と高圧ポンプ４６との間の回路には、カムレスバルブ駆動装置７ａの低圧室４２が通路を介して連通されている。よって、低圧室４２には、フィード圧Ｐｆ（例えば０．５ＭＰａ）に相当する低圧の燃料が貯留され、これが低圧作動流体として用いられることになる。また、コモンレール３４には、カムレスバルブ駆動装置７ａの高圧供給通路３１が連通されており、コモンレール３４内の高圧（数十〜数百ＭＰａ）の燃料が高圧作動流体として用いられることになる。また、カムレスバルブ駆動装置７ａの排出通路４３の下流側は、リターン回路５３を介して燃料タンク４９に連通されており、排出通路４３から排出された燃料は、リターン回路５３を介して燃料タンク４９に戻される。

なお、コモンレール式燃料噴射システム４５は、本実施形態の必須の構成要件ではない。すなわち、カムレスバルブ駆動装置７ａの高圧作動流体はコモンレール３４内の高圧燃料ではない別の流体を用いてもよく、低圧作動流体は低圧室４２内の低圧燃料ではない別の流体を用いてもよい。

次に、図２に示す排気弁駆動装置７に、上述したカムレスバルブ駆動装置７ａではなく、排気二段カム切換装置７ｂを用いた場合の実施形態を図７及び図８を用いて説明する。

図示するように、排気二段カム切換装置７ｂは、エンジン６のクランク軸によって回転される排気カム軸６０と、このカム軸６０に設けられた第一及び第二排気カム６１、６２と、第一及び第二排気カム６１、６２に排気行程で排気弁（図示せず）を開弁するように夫々形成された同一形状の第一カム山６３と、第二排気カム６２に図１に示すように排気弁を吸気行程の後半から圧縮行程に初期にかけて開弁するように形成された第二カム山６４と、第一及び第二カム６１、６２に対応してロッカーシャフト６５に別々に揺動可能に挿通された第一及び第二ロッカーアーム６６、６７と、第一ロッカーアーム６６に設けられ第一排気カム６１に当接するローラ９２と、第二ロッカーアーム６７に設けられ第二排気カム６２に当接するローラ９３とを備えている。

排気二段カム切換装置７ｂは、更に、第一ロッカーアーム６６の端部に設けられ排気弁のステム部の頂部を弁バネの力に抗して下方に押し下げてリフトさせる（開弁させる）ための押下部６８と、第二ロッカーアーム６７の揺動を第一ロッカーアーム６６に伝達することで第二カム山６４による排気弁の開弁を実行する二段開弁モードと第二ロッカーアーム６７の揺動を第一ロッカーアーム６６に伝達しないようにして第二カム山６４による排気弁の開弁をキャンセルする空振りモードとを切り替えるキャンセル機構６９とを備えている。

制御部８は、通常燃焼モードの運転のときにはキャンセル機構６９を空振りモードにして第二カム山６４による排気弁の開弁を中止し、予混合燃焼モードの運転のときにはキャンセル機構６９を二段開弁モードにして第二カム山６４による排気弁の開弁を実行する（図１参照）。すなわち、通常燃焼モードの運転のときには、キャンセル機構６９を空振りモードとすることで、第二ロッカーアーム６７の揺動が空振り状態となって第一ロッカーアーム６６に伝達されなくなるため、排気弁は、第一ロッカーアーム６６によって開閉制御され、通常通りに排気行程で開閉される。予混合燃焼モードの運転のときには、キャンセル機構６９を二段開弁モードとすることで、第二ロッカーアーム６７の揺動が第一ロッカーアーム６６に伝達されるようになるため、排気弁は、第一及び第二ロッカーアーム６６、６７によって開閉制御され、通常通りの排気行程での開弁に加え、吸気行程の後半から圧縮行程の初期にかけても開弁される。

予混合燃焼モード時に排気弁を吸気行程の後半から圧縮行程の初期にかけて開弁すると、前実施形態で詳述したように、排気ポート内の排気ガス（ＥＧＲガス）がシリンダ内に緩やかに取り込まれ、シリンダ内にて吸気（新気）と殆ど混合することなく且つシリンダ内に拡散することなくシリンダ内の上部に層状化した状態で配置される。よって、従来例よりも少ないＥＧＲガス量（ＥＧＲ率）で効率よくノッキングを防止でき、ノッキングを防止するために必要なＥＧＲガス量（ＥＧＲ率）が従来例よりも少なくて済むことになり、その分シリンダ内への吸気量が従来例よりも増え、ＥＧＲ時の出力低下やスモークの発生が抑えられるので、予混合燃焼モードの運転領域を高負荷側に拡張できる。

通常燃焼モードと予混合燃焼モードとで、第二ロッカーアーム６７の揺動を第一ロッカーアーム６６に伝達するかしないかを切り替える、即ち、第二カム山６４による排気弁の開弁を行うか行わないかを切り替えるキャンセル機構６９は、図７及び図８に示すように、第二ロッカーアーム６７のアームボディ７０の内部に右方から左方に向けて略水平方向に形成されたシリンダ７１と、シリンダ７１内に右方からスライド可能に装着されたプランジャボディ７２と、プランジャボディ７２に左方から右方に向けてシリンダ７０と同心的に形成されたプランジャ穴７３と、プランジャ穴７３に左方からスライド可能に収容されたプランジャ７４とを備えている。プランジャボディ７２とアームボディ７０との間には、プランジャボディ７２を右方に付勢して第一ロッカーアーム６６のパッド７５に押しつけるためのバネ７６が設けられている。

プランジャ７４にはその左右を連通する通路７７が形成されており、通路７７にはピストン７８に設けられたニードル７９が挿通されている。ピストン７８はバネ８０によって右方に軽く付勢されており、バネ８０を収容するバネ室８１はアームボディ７０に形成された空気通路８２を介して大気と連通されている。また、ニードル７９の右端には、通路７７の端部を閉塞するための球状の閉止弁８３が、リテーナ８４を介してバネ８５によって左方に押圧されて配置されている。閉止弁８３の右方の密閉空間はロック用油室８６であり、閉止弁８３の左方の密閉空間は作動油室８７である。作動油室８７は、スプール弁からなる切換弁８８を介してアームボディ７０に形成された作動油供給路８９に連通され、作動油供給路８９は、ロッカーシャフト６５の内部に形成された油路９０に連通されている。また、切換弁８８は、空気通路８２を横切って配置されている。

以上のキャンセル機構６９は、第二ロッカーアーム６７の揺動を第一ロッカーアーム６６に伝達する場合、即ち第二カム山６４による排気弁の開弁を実行する場合には、制御部８が油圧油量制御弁９１を制御することで油路９０に作動油を供給し、油路９０および作動油供給路８９の油圧を高くする。制御弁９１には、オイルタンク９２の作動油（潤滑油）がポンプ９３で汲み上げられ、オイルギャラリ９４を介して供給されるようになっている。油路９０に高い油圧が供給されると、この高い油圧による力により、切替弁８８がバネ９５に抗して左方に後退されて作動油供給路８９が作動油室８７と連通される。

すると、高圧の作動油が作動油室８７に流入し、ピストン７８がバネ８０に抗してパッド７５とは反対側に移動され、プランジャボディ７２がパッド７５の側に移動される。このとき、ロック用油室８６は密閉状態であるので、閉止弁８３が吸引されて開き、作動油室８７の作動油がロック用油室８６に流入し、作動油の圧力でプランジャボディ７２がパッド７５に押し付けられる。ここで、プランジャボディ７２が作動油の圧力による力よりも大きな力でパッド７５から押されると、ロック用油室８６の油圧が上昇し、閉止弁８３が押し込まれて閉じるので、ロック用油室８６が密閉され、プランジャボディ７２の動きがロックされる。

こうして、プランジャボディ７２が押し出された状態でロックされ、パッド７５に当接されるので、第二ロッカーアーム６７の揺動が第一ロッカーアーム６６に伝達される。よって、排気弁は、第一カム山６３によって通常通りに排気行程にて開弁されるのみならず、第二カム山６４によって吸気行程の後半から圧縮行程の初期にかけても開弁される。かかる排気二段開弁を予混合燃焼モード時に行うことで、既述のように従来例よりも少ないＥＧＲガス量（ＥＧＲ率）で効率よくノッキングを防止できる。

なお、切換弁８８が左方に移動して作動油供給路８９と作動油室８７とを連通したとき、切替弁８８の側部に周方向に沿って形成されたリング溝によってバネ室８１が空気通路８２を通して大気と連通されるので、バネ室８１が負圧になることなくピストン７８の右方への移動が許容される。

他方、キャンセル機構６９によって、第二ロッカーアーム６７の揺動を第一ロッカーアーム６６に伝達しない場合、即ち第二カム山６４による排気弁の開弁をキャンセルする場合には、油路９０に供給される作動油の圧力を制御弁９１を絞って低くする。油路９０の油圧が低くなると、ピストン７８がバネ８０の付勢力によりパッド７５の側に移動し、ピストン７８に連結しているニードル７９が閉止弁８３を押し開き、ロック用油室８６に溜まっていた作動油が作動油室８７に戻る。よって、プランジャボディ７２のロックが外れ、プランジャボディ７２がパッド７５によって押されると、左方に後退することになる。

このときに、作動油の圧力は徐々に下がるが、バネ９５の付勢力よりも切換弁８８を押す力が強い間は、油路９０、作動油供給路８９、作動油室８７およびロック用油室８６が連通しているので、作動油は油路９０に戻る。さらに作動油の圧力が下がると、バネ９５の付勢力によって切換弁８８が前進し、作動油室８７と作動油供給路８９とを遮断し、作動油室８７とロック用油室８６とが連通した状態で両室が密閉状態となる。この結果、プランジャボディ７２が引き込んだ状態でロックされる。また、切換弁８８の側部に形成されたリング溝が空気通路８２からずれてバネ室８１を密閉する。

こうして、プランジャボディ７２が引き込まれた状態でロックされるので、第二ロッカーアーム６７が第二排気カム６２の第二カム山６４によって揺動されてもパッド７５を押し込むことができず、第二ロッカーアーム６７の揺動が第一ロッカーアーム６６に伝達されることはない。よって、排気弁は、第一カム山６３のみによって通常通りに排気行程にて開弁される。かかる開弁を通常燃焼モード時に行うことで、通常の運転を実行できる。

通常燃焼モードと予混合燃焼モード運転との切換は、図２を用いて説明した前実施形態で述べた切換手段５によって行い、この切換手段５は、例えば、ＭＡＦセンサ１１で測定した吸気量と燃料噴射量検出手段１７で求めた燃料噴射量とから算出した空気過剰率が所定値（例えば２．５）以上のとき燃料噴射ノズル２からの噴射時期及び期間を予混合燃焼モードとし、上記空気過剰率が上記所定値未満のとき燃料噴射ノズル２からの噴射時期及び期間を通常燃焼モードとする。

なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された発明から逸脱しない範囲であれば、あらゆる実施形態が含まれる。

本発明の好適実施形態に係るディーゼルエンジンの排気弁制御方法を示す弁リフトカーブ線図である。 本発明の好適実施形態に係るディーゼルエンジンの排気弁制御装置の全体を示すシステム図である。 上記方法および装置において、排気弁の二段目の開弁時期と閉弁時期とを定めるフローを示す説明図である。 シリンダ圧力と吸気ポート圧力と排気ポート圧力との関係を示す説明図である。 排気流量と吸気流量との関係を示す説明図である。 排気弁駆動装置としてのカムレスバルブ機構を示す側断面図である。 排気弁駆動装置としての排気二段カム切換装置を示す斜視図である。 上記排気二段カム切換装置の側断面図である。 予混合燃焼モードでの燃料噴射を示すエンジンの側断面図である。

符号の説明

５ 切換手段
６ ディーゼルエンジン
９ 排気弁
７ 排気弁駆動装置
７ａ カムレスバルブ駆動装置
７ｂ 排気二段カム切換装置
８ 制御部
１０ 吸気管
１１ ＭＡＦセンサ
１２ 吸気管内圧センサ
１３ ノッキングセンサ
１４ クランク角センサ
１６ 排気管内圧センサ
１７ 噴射量検出手段
１８ シリンダ内圧検出手段
１９ 付勢手段
２０ 圧力室
２１ 供給手段
２２ 排出手段
６１ 第一排気カム
６２ 第二排気カム
６３ 第一カム山
６４ 第二カム山
６９ キャンセル機構

Claims (8)

1. 運転状態に応じて通常燃焼モードと予混合燃焼モードとを切り替えるディーゼルエンジンの排気弁制御方法であって、
   Ａ／Ｆ値、ノッキング強度、排気管内圧及びシリンダ内圧を夫々検出する検出手段を有し、
   通常燃焼モードにおいては排気弁を排気行程においてのみ開弁し、予混合燃焼モードにおいては上記排気弁を排気行程のみならず、吸気行程の後半から圧縮行程の初期にかけても開弁する二段開弁制御を行うようにし、
   上記排気弁の吸気行程の後半における開弁時期は、上記検出手段によって検出するＡ／Ｆ値が所定値以上且つノッキング強度が別の所定値以下となる時期に決定し、
   上記排気弁の圧縮行程の初期における閉弁時期は、上記検出手段によって検出する排気管内圧がシリンダ内圧以上となる時期に決定することを特徴とするディーゼルエンジンの排気弁制御方法。
2. 高負荷運転時には通常燃焼モードで運転し、低中負荷運転時には予混合燃焼モードで運転するようにした請求項１に記載のディーゼルエンジンの排気弁制御方法。
3. 運転状態に応じて通常燃焼モードと予混合燃焼モードとを切り替えるディーゼルエンジンの排気弁制御装置であって、
   吸気量を測定するＭＡＦセンサと、ノッキングの強度を測定するノッキングセンサと、燃料噴射量を求める噴射量検出手段と、排気管内圧を測定する排気管内圧センサと、シリンダ内圧力を求めるシリンダ内圧検出手段と、排気弁の開閉時期及び期間を変更可能な排気弁駆動装置と、該排気弁駆動装置を制御する制御部とを有し、
   該制御部は、
   上記通常燃焼モード時には、上記排気弁を排気行程においてのみ開弁するように上記排気弁駆動装置を制御し、上記予混合燃焼モード時には、上記排気弁を排気行程のみならず吸気行程の後半から圧縮行程の初期にかけても開弁する二段開弁制御を行うように上記排気弁駆動装置を制御するものであり、
   上記排気弁の吸気行程の後半における開弁時期を、上記ＭＡＦセンサで測定した吸気量と上記燃料噴射量検出手段で求めた燃料噴射量とから算出したＡ／Ｆ値が所定値以上で、且つ上記ノッキングセンサで測定したノッキング強度が別の所定値以下という条件に基づいて決定し、
   上記排気弁の圧縮行程の初期における閉弁時期を、上記排気管内圧センサで測定した排気管内圧が上記シリンダ内圧検出手段で求めたシリンダ内圧力よりも高いという条件に基づいて決定するものであることを特徴とするディーゼルエンジンの排気弁制御装置。
4. 上記排気弁駆動装置は、機械カムを有しないカムレスバルブ駆動装置であって、
   上記排気弁を閉弁方向に付勢する付勢手段と、該付勢手段の付勢力に抗して上記排気弁を開弁させるために加圧された作動流体が供給される圧力室と、該圧力室内に上記作動流体を供給するための供給手段と、上記圧力室内から上記作動流体を排出するための排出手段とを備え、
   上記制御部は、上記供給手段による上記圧力室内への上記作動流体の供給時期を制御すると共に、上記排出手段による上記圧力室からの上記作動流体の排出時期を制御するものである請求項３に記載のディーゼルエンジンの排気弁制御装置。
5. 上記シリンダ内圧検出手段は、クランク軸の角度を検出するクランク角センサと、吸気管の内圧を測定する吸気管内圧センサとを有し、少なくとも該吸気管内圧センサで測定した吸気管内圧に基づいて各クランク角におけるシリンダ内圧を算出するものである請求項３又は４に記載のディーゼルエンジンの排気弁制御装置。
6. 上記ＭＡＦセンサで測定した吸気量と上記燃料噴射量検出手段で求めた燃料噴射量とから算出した空気過剰率が所定値以上のとき予混合燃焼モードの運転を行い、上記空気過剰率が上記所定値未満のとき通常燃焼モードの運転に切り替える切換手段を備えた請求項３〜５のいずれかに記載のディーゼルエンジンの排気弁制御装置。
7. 上記排気弁駆動装置は、排気二段カム切換装置であって、
   クランク軸によって回転される排気カムに上記排気弁を排気行程にて開弁するように形成された第一カム山と、上記排気カムに上記排気弁を吸気行程の後半から圧縮行程の初期にかけて開弁するように形成された第二カム山と、該第二カム山による上記排気弁の開弁をキャンセルするキャンセル機構とを備え、
   上記制御部は、上記通常燃焼モードの運転のときには上記キャンセル機構を作動させて上記第二カム山による上記排気弁の開弁を中止し、上記予混合燃焼モードの運転のときには上記キャンセル機構を停止させて上記第二カム山による上記排気弁の開弁を実行させるものである請求項３に記載のディーゼルエンジンの排気弁制御装置。
8. 上記ＭＡＦセンサで測定した吸気量と上記燃料噴射量検出手段で求めた燃料噴射量とから算出した空気過剰率が所定値以上のとき予混合燃焼モードの運転を行い、上記空気過剰率が上記所定値未満のとき通常燃焼モードの運転に切り替える切換手段を備えた請求項７に記載のディーゼルエンジンの排気弁制御装置。

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