JP4924280B2

JP4924280B2 - ディーゼルエンジンの制御装置。

Info

Publication number: JP4924280B2
Application number: JP2007211362A
Authority: JP
Inventors: 大輔志茂; 昌彦藤本; 大介福田; 仁寿中本
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2007-08-14
Filing date: 2007-08-14
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2027-08-14
Also published as: JP2009047011A

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの制御装置に関し、特に、燃料を噴き終わってから燃やす予混合燃焼の技術に関する。

通常のディーゼルエンジンは、圧縮上死点近傍で燃料を噴射し、その噴射した燃料を噴射途中で自着火により燃焼させる。それに対し、燃料を早めに噴き、噴き終わってから燃焼させるものがあり、このような燃焼形態を、ディーゼルエンジンでの予混合燃焼といっている。そして、こうした予混合燃焼の一例として、エンジンの低負荷領域において、燃料噴射の早期化およびＥＧＲ率（排気還流率）の増加によって着火遅れを増大させ、低温燃焼させて、ＮＯｘ（窒素酸化物）及びすすを低減するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

しかし、このように、燃料噴射の早期化およびＥＧＲ率の増加により着火遅れを増大させたのでは、空気と燃料が必要以上に混合してしまって、噴射タイミング（噴射時期）によって着火タイミング（着火時期）を制御（コントロール）することができず、着火制御性を確保できなくなる。着火タイミングは、燃費の面から、圧縮上死点近傍に正確に制御することが重要である。

そこで、本発明者らは、先の出願（特願２００６−２０３８８３）で開示したように、吸気温度を所定の低温領域に制御（吸気冷却）することで、低エミッション性を維持しつつ着火遅れを短くすることができるようにし、燃料の噴射タイミングを圧縮上死点近傍に設定し、噴き終わって直ぐに燃やすようにして、着火制御性を確保し、低エミッション性及び燃費向上を同時に達成できるようにした予混合燃焼（吸気温度の制御による低温予混合燃焼）を開発した。

通常のディーゼルエンジンの燃焼形態では、排気還流量を増やすことでＮＯｘを低減できるが、排気還流量を増やすとスモーク（すす）が増える。そのため、スモークの限界を超えて排気還流量を増大させることはできず、排気還流によるＮＯｘの低減に限界がある。しかし、吸気温度を所定温度（例えば４０℃）まで下げると、排気還流量を増やしたときに、ＮＯｘは減り、スモーク（すす）は増えないようになる。上記先願に係る予混合燃焼は、吸気温度（排気混合後の吸気温度）を制御することで、排気還流量を増やしてＮＯｘ及びスモークを同時に低減することが可能である。そのため、すす低減のために着火遅れを増大させる必要がなくなり、燃料を噴き終わって直ぐに燃やす低温予混合燃焼として、低エミッション性及び燃費向上を同時に達成できる。

特開２００１−８２２３３号公報

しかし、上記先願に係る予混合燃焼は、吸気温度の制御によって着火遅れを短くし、圧縮上死点近傍で噴いた燃料を噴き終わって直ぐに燃やすようにするものであるが、過渡状態などにおいて吸気温度の制御に遅れが生じると、着火タイミングが早く（着荷遅れが短く）なって、空気と燃料のミキシングが不十分な状態で燃焼し、スモーク（すす）が発生する場合がある。

その場合に、着火タイミングが早くなった分だけ、燃料の噴射タイミングを進角させるという対策が考えられる。着火タイミングが早くなるということは、予混合期間（着火遅れ時間）が短くなるということで、空気と燃料のミキシングが不十分のまま燃焼し、スモーク（すす）が発生する。予混合期間（着火遅れ）は、ＴＤＣ（圧縮上死点）を境にして、ＴＤＣより前に噴射する場合は、噴射タイミングを進角させるほど、雰囲気の圧力が低くなるので、予混合期間（着火遅れ）が長くなり、ＴＤＣより後に噴射する場合は、噴射タイミングを遅角させるほど、雰囲気の圧力が低くなるので、予混合期間（着火遅れ）が長くなる。着火遅れは、雰囲気の圧力が高いほど短い。上記先願に係る予混合燃焼は、ＴＤＣ近傍で着火させることを前提として、ＴＤＣより前で燃料を噴射するものであり、その場合、噴射タイミングを進角させれば、予混合期間（着火遅れ）が長くなって、スモークが減る。しかし、その際、単純に噴射タイミングを進角させると、噴射タイミングには、過早着火限界というものがあって、この過早着火限界を越えてしまい、異常燃焼（ディーゼルノック）を発生してしまう恐れがある。

本発明は、吸気温度のコントロールによって、圧縮上死点近傍で噴いた燃料を噴き終わって直ぐに燃やすことができ、低エミッション性と燃費向上とを同時に達成することができるようにしたディーゼルエンジンにおいて、過早着火を回避しつつ所定の予混合期間を確保できるようにすることを目的とする。

本発明のディーゼルエンジンの制御装置は、各気筒の燃焼室に燃料を直接噴射するよう配置した燃料噴射弁による燃料噴射を主噴射として圧縮上死点近傍となる噴射タイミングで実行するよう制御する主噴射制御手段と、燃焼室内の混合気高温部分の局所温度がＮＯｘ生成温度よりも低くなるように吸気通路への排気の導入による燃焼室への排気還流を制御する排気還流制御手段と、燃焼後期における混合気高温部分の局所当量比がすす生成領域の下限である当量比よりも低くなるように燃焼室内の空気過剰率を制御する空気過剰率制御手段と、燃焼室に供給する排気導入後の吸気の温度を、圧縮上死点近傍で燃料を噴き終わってから着火までの期間が確保されるように主噴射の噴射開始から着火までに所定の着火遅れ時間を確保することが可能となる上限温度よりも低く、ＨＣ及びＣＯの発生量が所定量以下となる下限温度よりも高い温度範囲内となり、且つ、主噴射で噴射した燃料の着火タイミングが圧縮上死点近傍となるように制御する吸気温度制御手段とを備えたディーゼルエンジンの制御装置であって、圧縮上死点近傍での主噴射の噴射開始から着火までの着火遅れ時間を検出する着火遅れ時間検出手段と、吸気温度制御手段による吸気温度の制御に遅れが生じて、圧縮上死点近傍での主噴射の噴射開始から着火までの着火遅れ時間が所定の着火遅れ時間よりも短くなった場合に、燃料噴射弁による燃料噴射を、全体の燃料噴射量は不変のまま、圧縮上死点近傍での主噴射に先立つ噴射タイミングで早期噴射として一部の燃料を噴射し、残りの燃料を主噴射の噴射タイミングで噴射する分割噴射として制御する分割噴射制御手段を有することを特徴とする。

このディーゼルエンジンの制御装置は、排気導入後の吸気温度の制御によって、低エミッション性を維持しつつ、燃料の噴射タイミングを圧縮上死点近傍に設定することが可能となり、その結果、噴射タイミングによる着火タイミングの制御性を確保でき、着火タイミングを圧縮上死点付近に正確に制御して燃費の向上を図ることができる。また、排気還流の制御によって、燃焼室内の混合気高温部分の温度（局所温度）がＮＯｘ生成温度よりも低くなるようにして、ＮＯｘの生成を抑制することができる。また、吸気温度の制御（吸気冷却）と排気還流の制御とによって、所定の着火遅れを確保し、燃料と空気とを十分に混合してすすの生成を抑制することができる。なお、ここでいう着火は、熱発生が急激に立ち上がる熱炎着火を意味する。また、吸気冷却によって吸気密度を高めることに加えて、燃焼室内の空気過剰率を比較的高く保つことによって、燃焼中期において生成されたすすを燃焼後期において酸化させてすすの排出を低減させることができる。さらに、吸気冷却により吸気密度を高めることと、燃焼室内の空気過剰率を比較的高く保つことによって、燃焼後期において混合気が局所的に低温且つ過濃な状態となるのを回避し、ＨＣ及びＣＯの生成を抑制することができる。

このように、本発明によれば、燃焼室に供給する排気導入後の吸気の温度の制御により、圧縮上死点近傍で噴いた燃料を噴き終わって直ぐに燃やす低温予混合燃焼を実現し、着火制御性を確保しつつ、排気還流の制御、空気過剰率の制御及び吸気温度の制御（吸気冷却）の組み合わせにより、低エミッション性を達成し、燃焼中期に発生したすすを燃焼後期に余剰の酸素により酸化させることができるととともに、着火タイミングを圧縮上死点近傍に制御して燃費の向上を達成することができる。そして、特に、着火遅れ時間が短い場合には、燃料噴射の一部を早期噴射として行うことにより、実質的な予混合期間を確保し、空気と燃料のミキシングを向上させて、すすの発生を防止しつつ、主噴射量を減少させて過早着火を抑制することができる。

このディーゼルエンジンの制御装置において、主噴射制御手段は、主噴射の噴射開始から着火までの着火遅れ時間が所定の着火遅れ時間よりも短い場合に、主噴射の噴射タイミングを進角させるよう構成され、分割噴射制御手段は、主噴射の噴射開始から着火までの着火遅れ時間が所定の着火遅れ時間よりも短い場合であっても、主噴射制御手段により進角させた主噴射の噴射タイミングが所定の噴射タイミングよりも早くなる場合に分割噴射を実行し、主噴射制御手段により進角させた主噴射の噴射タイミングが所定の噴射タイミングよりも早くならない場合には分割噴射を実行しないよう構成するのがよい。分割噴射を行うと、噴射タイミングによる着火タイミングの制御が相対的に難しくなる。そのため、可能な限り主噴射の噴射タイミングで着火タイミングを制御できるようにする。

また、このディーゼルエンジンの制御装置は、燃焼室に供給する吸気の酸素濃度に関する値を検出する酸素濃度検出手段を備え、分割噴射制御手段は、酸素濃度が高いほど、所定の噴射タイミングを遅く設定するよう構成するのがよい。過早着火は、吸気の酸素濃度が高くなるほど起こりやすくなる。そのため、酸素濃度が高いほど閾タイミングを遅く設定する。

このように、本発明のディーゼルエンジンの制御装置によれば、燃焼室に供給する排気導入後の吸気の温度の制御により、圧縮上死点近傍で噴いた燃料を噴き終わって直ぐに燃やす低温予混合燃焼を実現し、着火制御性を確保しつつ、排気還流の制御、空気過剰率の制御及び吸気温度の制御（吸気冷却）の組み合わせにより、低エミッション性を達成し、燃焼中期に発生したすすを燃焼後期に余剰の酸素により酸化させることができるととともに、着火タイミングを圧縮上死点近傍に制御して燃費の向上を達成することができ、特に、着火遅れ時間が短い場合に、燃料噴射の一部を早期噴射として行うことにより、実質的な予混合期間を確保し、空気と燃料のミキシングを向上させて、すすの発生を防止しつつ、主噴射量を減少させて過早着火を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜１３は本発明の実施形態の一例を示している。図１はディーゼルエンジンの制御装置の全体構成図、図２は予混合燃焼運転マップ、図３はφ−Ｔマップ、図４は吸気温度マップ、図５は酸素濃度マップ、図６は空気過剰率マップ、図７は主噴射タイミングマップ、図８は主噴射量マップ、図９は早期噴射タイミングマップ、図１０は早期噴射量マップ、図１１は主噴射進角量マップ、図１２は制御手順のメインフローチャート、図１３は制御手順のサブフローチャートである。

図１において、１はディーゼルエンジン（以下、エンジンという）で、列状に複数の気筒２（１つのみ図示する）を有し、各気筒２内に往復動可能にピストン３が嵌挿され、ピストン３により各気筒２の上部に燃焼室４が区画されている。そして、各気筒２の燃焼室４の頂部には、先端部の噴口から高圧の燃料を燃焼室４に燃料を直接噴射するようにインジェクタ５（燃料噴射弁）が配設されている。また、エンジン１の上部には、各気筒２毎に、燃焼室４の頂部に開口する吸気ポート６及び排気ポート７が設けられ、それら吸気ポート６及び排気ポート７を開閉するポペット式の吸気弁８および排気弁９が設けられている。吸気ポート６は、入口側がエンジン１の上部側面の一方（図の右側の側面）に開口し、排気ポート７は、出口側がエンジン１の上部側面の他方（図の左側の側面）に開口している。

各気筒２のインジェクタ５へは、図示は省略するが、各インジェクタ５に接続された共通燃料分配管（コモンレール）を備えた所謂コモンレールタイプの燃料供給装置によって燃料が供給される。そして、そのコモンレール内部の燃圧（コモンレール圧）を検出する燃圧センサが設けられ、その出力信号が後述するＥＣＵ４０に入力され、ＥＣＵ４０によってコモンレール圧の制御が行われる。また、エンジン１の上部には、図示は省略するが、吸気弁８および排気弁９をそれぞれ開閉させる動弁機構が配設されている。

そして、エンジン１の上部の一側（図の右側）の側面には、エアクリーナ（図示省略）で濾過した空気（新気）を各気筒２の燃焼室４に供給するよう、各気筒２毎の吸気ポート６に連通する吸気通路１６が接続されている。そして、この吸気通路１６には、上流側から順に、バタフライバルブからなる吸気絞り弁２２と、ターボ過給機３０のタービン２７により駆動されて吸気を圧縮するコンプレッサ２０と、コンプレッサ２０により圧縮した吸気を冷却するインタークーラ２１と、バタフライバルブからなるインタークーラ（Ｉ／Ｃ）経路絞り弁２３とが設けられている。

一方、エンジン１の上部の反対側（図の左側）の側面には、各気筒２の燃焼室４から排気を排出するよう、各気筒２毎の排気ポート７に連通する排気通路２６が接続されている。そして、この排気通路２６は、上流側が各気筒２毎に分岐した分岐通路を有する排気マニホールドにより構成され、その下流に、上流側から順に、排気流を受けて回転するターボ過給機３０のタービン２７と、排気中の有害成分（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ、すす等）を浄化するためのディーゼル酸化触媒２８及びキャタライズドＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）２９が配設されている。

排気通路２６に配設されたタービン２７と吸気通路１６に配設置されたコンプレッサ２０からなるこの実施形態のターボ過給機３０は、複数の可動式のフラップ３１によりタービン２７へ供給される排気の通路断面積を変化させることができるようにした可変ターボ過給機（Variable Geometry Turbosupercharger：以下、ＶＧＴという）であり、このＶＧＴであるターボ過給機３０を後述するＥＣＵ４０によって制御することにより、過給圧の制御が行われる。

また、このエンジン１には、排気通路２６のキャタライズドＤＰＦ２９よりも下流側の部位と吸気通路１６の吸気絞り弁２２よりも下流側でコンプレッサ２０よりも上流側の部位との間を接続する第１排気還流通路（以下、第１ＥＧＲ通路という）３４が設けられている。そして、この第１ＥＧＲ通路３４の途中には、その通路内部を流れる排気を冷却する第１ＥＧＲクーラ３７と、開度調節の可能な第１排気還流制御弁（以下、第１ＥＧＲ弁という）３５が配設されている。

また、このエンジン１には、排気通路２６のタービン２７よりも上流側の部位と吸気通路１６のＩ／Ｃ経路絞り弁２３よりも下流側の部位との間を接続する第２排気還流通路（以下、第２ＥＧＲ通路という）４４が設けられている。そして、この第２ＥＧＲ通路４４の途中には、開度調節の可能な第２排気還流制御弁（以下、第２ＥＧＲ弁という）４５が配設されている。また、第２ＥＧＲ通路４４の途中には、必要に応じて、通路内部を流れる排気を冷却する第２ＥＧＲクーラ４６が設けられる。

この実施形態のエンジン１は、コントロールユニット（Electronic Control Unit：以下、ＥＣＵという）４０を備えており、各インジェクタ５、吸気絞り弁２２、Ｉ／Ｃ経路絞り弁２３、ＶＧＴ３０、第１および第２のＥＧＲ弁３５，４５等は、いずれもＥＣＵ４０からの制御信号を受けて作動する。

エンジン１には、クランク軸の回転角度を検出するクランク角センサ５１、吸気の圧力状態を検出する吸気圧センサ５２、排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ₂センサ５３、エンジン１に吸入される空気の流量を検出するエアフローセンサ５４、ＥＧＲガス導入後の吸気の温度を検出する吸気温度センサ５５、及び図示省略のアクセルペダルの踏み操作量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ５６、燃焼室に供給する吸気の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ５７、燃焼室内の圧力を検出する指圧センサ５８等の各種センサが設けられている。そして、これらセンサの出力信号がＥＣＵ４０に入力され、ＥＣＵ４０は、これらセンサの出力信号を情報として各種制御の演算を行い、基本的な制御として、インジェクタ５の作動制御によって燃料の噴射量および噴射タイミングを制御し、吸気絞り弁２２や第１および第２のＥＧＲ弁３５，４５の開度制御によって燃焼室４への排気の還流量（還流率）を制御し、ＶＧＴ３０のフラップ３１の作動制御（ＶＧＴ制御）によって吸気の過給を制御する。また、この実施形態において、ＥＣＵ４０は、本発明に係る燃焼形態に特徴的な燃焼制御として、第１および第２のＥＧＲ弁３５，４５の開度の制御によってＥＧＲガス混合後の吸気温度を制御し、この吸気温度の制御に関連してインジェクタ５の制御により燃料の噴射量や噴射タイミング等を制御する。

この実施形態のエンジン１の燃焼制御は、基本的には、燃焼室４に供給する排気導入後の吸気の温度の制御により、圧縮上死点近傍で噴いた燃料を噴き終わって直ぐに燃やす低温予混合燃焼を実現し、着火制御性を確保しつつ、排気還流の制御、空気過剰率の制御及び吸気温度の制御（吸気冷却）の組み合わせにより、低エミッション性を達成し、燃焼中期に発生したすすを燃焼後期に余剰の酸素により酸化させることができるととともに、着火タイミングを圧縮上死点近傍に制御して燃費の向上を達成することができるようにするものであり、そうした制御を前提として、特に、着火遅れ時間が短い場合には、燃料噴射の一部を早期噴射する分割噴射を行うことにより、実質的な予混合期間を確保し、空気と燃料のミキシングを向上させて、すすの発生を防止しつつ、主噴射量を減少させて過早着火を抑制するというものである。

ＥＣＵ４０は、各気筒２の燃焼室４に燃料を直接噴射するよう配置したインジェクタ５（燃料噴射弁）による燃料噴射を主噴射として圧縮上死点近傍となる噴射タイミングで実行するよう制御する主噴射制御手段を構成し、燃焼室４内の混合気高温部分の局所温度がＮＯｘ生成温度よりも低くなるように、吸気絞り弁２２や第１ＥＧＲ弁３５を制御して吸気通路１６への排気の導入による燃焼室４への排気還流を制御する排気還流制御手段を構成し、燃焼後期における混合気高温部分の局所当量比がすす生成領域の下限である当量比よりも低くなるようにターボ過給機３０を制御して燃焼室４内の空気過剰率を制御する空気過剰率制御手段を構成するとともに、燃焼室４に供給する排気導入後の吸気の温度を、圧縮上死点近傍での主噴射の後、所定の着火遅れ時間を確保することが可能となる上限温度よりも低く、ＨＣ及びＣＯの発生量が所定量以下となる下限温度よりも高い温度範囲内となり、且つ、主噴射で噴射した燃料の着火タイミングを圧縮上死点近傍となるように制御する吸気温度制御手段を構成する。また、ＥＣＵ４０は、エンジン負荷（燃料噴射量）に応じて主噴射のみのシングル噴射と主噴射に先立って早期噴射を行う分割噴射とに切り換えるとともに、圧縮上死点近傍での主噴射の後の着火遅れ時間を指圧センサ５８等の出力信号に基づいて検出する着火遅れ時間検出手段と、圧縮上死点近傍での主噴射の後の着火遅れ時間が所定の着火遅れ時間よりも短い場合に、燃料噴射弁による燃料噴射を、全体の燃料噴射量は不変のまま、圧縮上死点近傍での主噴射に先立つ噴射タイミングで早期噴射として一部の燃料を噴射し、残りの燃料を主噴射の噴射タイミングで噴射する分割噴射として制御する分割噴射制御手段を構成している。

このエンジン１の燃焼制御は、燃焼室４に供給する排気導入後の吸気の温度を所定温度（例えば４０℃）まで下げることにより、排気還流量を増やすことによってＮＯｘおよびすすを同時に低減できるようにするとともに、その排気導入後の吸気の温度を正確にコントロールすることで、着火遅れを短くし、圧縮上死点近傍で噴射した燃料を噴き終わって直ぐに燃やす低温予混合燃焼を実現し、着火制御性を確保しつつ、排気還流の制御、空気過剰率の制御及び吸気温度の制御（吸気冷却）の組み合わせにより、低エミッション性を達成し、燃焼中期に発生したすすを燃焼後期に余剰の酸素により酸化させることができるととともに、着火タイミングを圧縮上死点近傍に制御して燃費の向上を達成することができるようにするものであり、そうした制御を前提として、特に、着火遅れ時間が短い場合には、燃料噴射の一部を早期噴射する分割噴射を行うことにより、実質的な予混合期間を確保し、空気と燃料のミキシングを向上させて、すすの発生を防止しつつ、主噴射量を減少させて過早着火を抑制するというものである。

このように、このエンジン１の燃焼制御は、排気導入後の吸気温度の制御が前提となるもので、低温（低圧）の第１ＥＧＲ通路３４を介して導入する排気と、高温（高圧）の第２ＥＧＲ通路４４を介して導入する排気の還流量を調節することで、ＥＧＲ率の制御とともに、吸気温度の制御を行っている。

そして、図２のマップに示す予め設定した予混合燃焼領域において、図３に太い実線で囲む範囲、すなわち、圧縮上死点近傍での噴射（主噴射）の後、所定の着火遅れ時間を確保することが可能となる上限温度よりも低く、ＨＣ及びＣＯの発生量が所定量以下となる下限温度よりも高い温度範囲内となり、且つ、噴射（主噴射）した燃料の着火タイミングが圧縮上死点近傍となるようるように、燃焼室４に供給する排気導入後の吸気の温度を制御する。

予混合燃焼の運転領域は、図２に示すように、エンジンの低回転・低負荷の領域に設定される。高負荷・高回転になると、燃料噴射量が多くなるため、着火遅れが短くなり、予混合期間を確保できなくなる。そして、予混合期間を確保しようとして噴射タイミングを早くすると、ノック限界を超えてしまう。そのノック限界を超えないように予混合燃焼の運転領域が設定される。また、予混合燃焼領域の中でも、比較的低負荷側の領域（予混合低負荷領域）と高負荷側の領域（予混合高負荷領域）があって、低負荷側の領域では、基本的には主噴射だけのシングル噴射で燃焼時期をコントロールし、高負荷側の領域では、主噴射と早期噴射との分割噴射で燃焼時期（着火タイミング）をコントロールしている。そして、予混合燃焼領域の内の低負荷側の、基本的には主噴射タイミングだけで燃焼時期（着火タイミング）をコントロールしている領域でも、例えば、負荷が変動して、着火タイミングが圧縮上死点よりも早くなり、それに合わせて噴射タイミングを早くしようとしたときに、過早着火限界を超えてしまう場合があるので、そのように、主噴射だけでは過早着火限界を超える場合には、早期噴射と主噴射の分割噴射とする。

図３に示すφ―Ｔマップ（局所当量比―局所温度マップ）は、横軸が局所温度Ｔ、縦軸が局所当量比φで、ＨＣおよびＣＯの発生領域と、すす（Ｓｏｏｔ）の発生領域と、ＮＯｘの発生領域を示している。ＨＣおよびＣＯの発生領域は、燃焼温度が低く（Ｔ＜１５００Ｋ）、且つ、混合気がストイキ（φ＝１）よりもリッチ（φ＞１）な領域である。また、すす（Ｓｏｏｔ）が発生する領域は、ある程度燃焼温度が高く、且つリッチな領域である。また、ＮＯｘが発生する領域は、燃焼温度が高く、混合気がストイキ（φ＝１）付近から、それより少しリーン（φ＜１）な領域である。当量比φは、（局所fuel/O₂）／（fuel/O₂）の理論値、で、λの逆数である（φ＝１がストイキ）。

このエンジン１の燃焼制御では、燃焼室４内が局所的に低温（Ｔ＜１５００Ｋ）且つ過濃（φ＞１）な状態となるのを回避してＨＣ及びＣＯの発生を抑制し、また、すすが生成するような当量比・温度の領域を避けつつ、ＮＯｘが生成するような領域を避けるよう、吸気温度を制御している。そして、空気過剰率を高く保つことによって、燃焼中期に生成したすすを、燃焼後期において酸化させる。この燃焼形態では、燃焼中期においては図３に点線で示すように運転領域が一時的にすすの発生領域に入るものの、空気過剰率が比較的高く、燃焼後期に余剰の酸素が存在していることで、すすの酸化が促進され、燃焼終了時にはすすの発生領域から外れる。そして、このように吸気温度を制御することで、すすの排出が抑制されるため、燃料の噴射タイミングを圧縮上死点近傍の所定範囲（ＢＴＤＣ１５〜１０°ＣＡ）に設定することが可能になる。

このエンジン１の燃焼制御においては、第１ＥＧＲ弁３５、第２ＥＧＲ弁４５、吸気絞り弁２２およびＶＧＴ３０を制御することによって、吸気温度、酸素濃度、および空気過剰率をそれぞれ所定の範囲内となるように制御する。その具体的制御を次に説明する。

吸気温度の制御では、第１および第２のＥＧＲ弁３５，４５を制御し、低温側ＥＧＲの還流量と高温側ＥＧＲの還流量の調整することによって、排気（ＥＧＲガス）導入後の吸気の温度を、図４に示すマップで設定した範囲（図の斜線範囲）内に制御する。

図４に示すマップは、燃料噴射量（つまり、エンジン負荷）に対する温度範囲を規定しており、マップにおける上限値は、所定の着火遅れ時間を確保することが可能となる温度限界（すすの発生を抑制する上での局所当量比の限界から定まる）を示しているのに対し、下限値は、ＨＣ及びＣＯの発生が回避される温度限界（ＨＣ及びＣＯの発生を抑制する上での局所温度の限界から定まる）を示している。また、燃料噴射量が多いほど（換言すればエンジン負荷が高いほど）上限値および下限値は低下するように設定されている。これは、燃料噴射量が増えるほど吸気をより冷却して着火遅れを大きくする必要があるためである。なお、下限値の燃料噴射量に対する低下率（マップ上の傾き）は、上限値の低下率よりも小さく設定されているが、これは、上限値及び下限値を規定する要素が異なることに起因している。

吸気の酸素濃度の制御では、第１のＥＧＲ弁３５および吸気絞り弁２２を制御することによって、燃焼室に供給する吸気の酸素濃度を、図５に示すマップで設定した範囲（図の斜線範囲）内に制御する。図５に示すマップは、燃料噴射量に対する酸素濃度（Ｏ₂濃度）の範囲を規定しており、マップにおける上限値は、ＮＯｘの発生を回避するための酸素濃度限界（ＮＯｘの発生を抑制する上での局所温度の限界により定まる）を示しているのに対し、下限値は、ＨＣおよびＣＯの発生を回避するための酸素濃度限界（ＨＣおよびＣＯの発生を回避する上での局所温度の限界により定まる）を示している。また、上限値及び下限値は、燃料噴射量に拘わらず一定に設定されている。実験によれば、上限値は例えば１２．５vol％、下限値は例えば１１vol％に設定することが好ましい。

空気過剰率の制御では、ＶＧＴ３０を制御することにより、燃焼室内の空気過剰率を、図６に示すマップで設定した範囲（図の斜線範囲）内に制御する。図６に示すマップは、燃料噴射量に対する空気過剰率の範囲を規定しており、マップにおける上限値は、後述する早期噴射によって噴射された燃料が自着火しないための限界を示しているのに対し、下限値は、相対的に低負荷側はＨＣおよびＣＯの発生を抑制するための限界（ＨＣおよびＣＯの発生を抑制する上での局所当量比の限界により定まる）を示し、相対的に高負荷側はＮＯｘの発生を抑制するための限界（ＮＯｘの発生を抑制する上での局所当量比の限界により定まる）を示している。

このエンジン１は、また、エンジン負荷（燃料噴射量）に応じて、インジェクタによる燃料の噴射を、１回のみ行うシングル噴射と、２回に分けて行う分割噴射とで切り換える制御を行い、これによって、低温予混合燃焼の適用領域を高負荷側に広げるようにしている。つまり、エンジン負荷が大きくなり、燃料噴射量が増大すると、１回の噴射タイミングで燃料を噴射したのでは、十分な混合時間を確保することができなくなり、すすの生成を抑制することができなくなる（図４の一点鎖線に示すように、吸気温度の上限値が下限値よりも低くなり、実現し得ない状態となる）。そこで、エンジン負荷（燃料噴射量）が所定以上になると、分割噴射に切換え、比較的早いタイミングで少量の燃料噴射を行い（早期噴射）、圧縮上死点近傍で残りの燃料の噴射（主噴射）を行う。これにより、早期噴射から着火までが長時間になることと、主噴射の噴き終わりが早まることとで、燃料噴射量が増大しても十分な混合時間を確保することができ、低温予混合燃焼が可能になる。なお、早期噴射の噴射量および噴射タイミングは、早期噴射によって噴射する燃料は自着火せず、主噴射の噴射タイミングで着火タイミングをコントロールできる範囲に制御する。

図２に示すマップに示す「予混合燃焼運転領域」の内、比較的高負荷側の「予混合高負荷」の領域が、上記分割噴射により低温予混合燃焼を可能とした領域で、それより低負荷側の「予混合低負荷」の領域は、基本的に主噴射のみのシングル噴射で低温予混合燃焼を行う領域である。

エンジン負荷（燃料噴射量）に応じて分割噴射に切り換えたときの、主噴射の噴射タイミング（噴射開始のタイミング）Ｔ１は、図７に示すマップで設定した範囲（図の斜線範囲）内に制御する。この噴射タイミングの上限値は、例えばＢＴＤＣ１５°ＣＡ、下限値は例えばＢＴＤＣ１０°ＣＡに設定する。

そして、そのときの主噴射の噴射量Ｑ１は、図８に示すマップで設定した範囲（図の斜線範囲）に制御される。このマップにおける上限値は、所定の着火遅れ時間を確保することが可能となる限界を示し、下限値は早期噴射の上限噴射量によって定まる主噴射量の限界を示している。後述するように、早期噴射の噴射量は、早期噴射した燃料が燃焼室壁面に衝突して未燃焼となることがないように上限が制限される。

また、そのときの早期噴射の噴射タイミング（噴射開始のタイミング）Ｔ２は、図９に示すマップで設定した範囲（図の斜線範囲）に制御される。このマップにおける上限値は、早期噴射した燃焼室壁面に衝突して未燃焼となることがないようにするための進角限界（燃費を考慮して定まる進角限界）を示し、下限値は、早期噴射後に所定の着火遅れ時間を確保することが可能となる早期噴射タイミングの遅角限界を示している。早期噴射タイミングの上限値は、例えばＢＴＤＣ４０°ＣＡ、下限値は例えばＢＴＤＣ３５°ＣＡに設定することが好ましい。なお、良好な噴霧を得るためには、早期噴射と主噴射との間に所定の間隔を空けることが望ましい。

そして、そのときの早期噴射の噴射量Ｑ２は、図１０に示すマップで設定した範囲（図の斜線範囲）内に制御される。このマップにおける上限値は、早期噴射した燃料が燃焼室壁面に衝突して未燃焼となることがないようにするための限界を示し、下限値は、所定の着火遅れ時間を確保することが可能となるように主噴射を行う上での早期噴射の噴射量の限界を示している（早期噴射の噴射量が少なすぎると分割噴射の効果が得られない）。このマップは、エンジン負荷が高いほど上限値及び下限値は増大するように設定されている。これは、エンジン負荷が高く、主噴射量及び早期噴射量を合わせたトータルの燃料噴射量が多いほど、早期噴射による燃料の噴射量を増やし、相対的に主噴射による燃料の噴射量を減らして十分な混合時間を確保するためである。

また、このエンジン１は、基本的に主噴射だけのシングル噴射で低温予混合燃焼を行う運転領域（図２のマップに示す「予混合低負荷」の領域）において、着火タイミングをモニタリングし、着火タイミングが早い（着火遅れ時間が短い）ことを検出したときには、燃料噴射（主噴射）の噴射タイミングを早めて着火タイミング（着火遅れ時間）が圧縮上死点近傍となるように制御するとともに、燃料噴射（主噴射）の噴射タイミングを早めたときに過早着火限界を越えてしまうような領域では、主噴射に先立て早期噴射を行う分割噴射に切り換え、実質的な予混合期間を確保し、空気と燃料のミキシングを向上させて、すすの発生を防止しつつ、主噴射量を減少させて過早着火を抑制するようにしている。

すなわち、主噴射だけのシングル噴射で燃焼させる場合の着火遅れ時間が、圧縮上死点で燃焼させるための基準となる着火遅れ時間（図１１のマップにおける「所定の着火遅れ」）よりも短いときは、図１１のマップに従って主噴射の噴射タイミングを進角させるが、その際に、その噴射タイミングが、図７に示す過早着火限界を超える場合は、分割噴射に切り換え、主噴射を過早着火限界を超えない程度に進角させた上で、過早着火限界を超える分の進角量を補うように早期噴射を行う。その際、早期噴射の噴射量・噴射タイミングは、予めエンジン負荷に応じて設定しておく。また、分割噴射時の主噴射量は、エンジン負荷に応じた噴射量から早期噴射量を差し引いた量に設定する。

また、吸気の酸素濃度を検出し、酸素濃度が高いほど過早着火が起こりやすくなるため、酸素濃度が所定濃度よりも高いと、図７のマップにおいて過早着火限界のラインを下げる（所定タイミングを遅く設定する）。

次に、ＥＣＵ４０によって実行する燃焼制御の制御手順を、図１２および図１３に従って説明する。

図１２のフローチャートはそのメインルーチンを示すものであって、スタートすると、先ず、ステップＳ１で、各種センサ５１〜５８等からのデータを読み込み、続いて、ステップＳ２で、ステップＳ１で読み込んだエンジン回転数Ｎおよびアクセル開度θに基づいて、予めＥＣＵ４０に記憶されているマップ（図示省略）に従って要求トルクＴｒｑを算出する。なお、要求トルクのマップは、アクセル開度Ｎが大きいほど、またエンジン回転速度Ｎが高いほど、要求トルクが大きくなるように設定されている。

そして、エンジン１の運転状態が、低温予混合燃焼の領域（図２に示すマップにおける「予混合燃焼運転領域」）かどうかを別途判定して、低温予混合燃焼の領域であるときは、ステップＳ３で、ステップＳ２で算出した要求トルクＴｒｑが所定値よりも小さいか否かを判定する。

そして、要求トルクＴｒｑが所定値よりも小さい（ＹＥＳ）というときには、シングル噴射モードの領域（図２に示すマップにおける「予混合低負荷」）であるということで、ステップＳ４へ進み、エンジン回転速度Ｎおよび要求トルクＴｒｑに基づいて燃料噴射量Ｑ１および噴射タイミングＴ１をそれぞれ設定し、続いて、ステップＳ５で、設定した燃料噴射量Ｑ１及び噴射タイミングＴ１でインジェクタ５による燃料の噴射を実行する。

一方、要求トルクＴｒｑが所定値以上である（ＮＯ）というときには、分割噴射モードの領域（図２の示すマップにおける「予混合高負荷」）であるということで、ステップＳ６に進み、エンジン回転速度Ｎ及び要求トルクＴｒｑに基づいて早期噴射の燃料噴射量Ｑ２および噴射タイミングＴ２をそれぞれ設定し、続いて、ステップＳ７で、主噴射の燃料噴射量Ｑ１および噴射タイミングＴ１をそれぞれ設定する。そして、ステップＳ８で、設定した燃料噴射量Ｑ２および噴射タイミングＴ２でインジェクタ５による燃料の早期噴射を実行し、設定した燃料噴射量Ｑ１及び噴射タイミングＴ１でインジェクタ５による燃料の主噴射を実行する。

そして、ステップＳ５あるいはステップＳ８で燃料の噴射を実行した後、ステップＳ９で、エンジン回転速度Ｎおよびトータルの燃料噴射量Ｑ（シングル噴射モードではＱ＝Ｑ１、分割噴射モードではＱ＝Ｑ１＋Ｑ２）に基づいて、目標吸気温度を設定し、続いて、ステップＳ１０で、設定した目標吸気温度となるように、第１ＥＧＲ弁３５及び第２ＥＧＲ弁４５をそれぞれ制御する。

そして、ステップＳ１１で、エンジン回転速度Ｎおよびトータル燃料噴射量Ｑに基づいて、目標とする吸気の酸素濃度を設定し、続いて、ステップＳ１２で、予め設定しているモデルに基づいて酸素濃度の予測を行う。

そして、ステップＳ１３で、ステップＳ１１で設定した目標の酸素濃度と、ステップＳ１２で予測した酸素濃度とに基づいて、酸素濃度が目標値となるように、第１ＥＧＲ弁３５および吸気絞り弁２２をそれぞれ制御する。

そして、ステップＳ１４で、エンジン回転速度Ｎおよびトータル燃料噴射量Ｑに基づいて、目標の空気過剰率を設定し、続いて、ステップＳ１５で、設定した目標空気過剰率となるようにＶＧＴ３０を制御する。

また、図１３のフローチャートはサブルーチンを示すものであって、エンジン１の運転状態が、図２のマップに示す「予混合低負荷」の領域であるときに実行するサブルーチンを示すものであって、スタートすると、先ず、ステップＴ１で、指圧センサからのデータを読み込み、続いて、ステップＴ２で、読み込んだ指圧センサからのデータに基づいて、着火遅れ時間が所定の着火遅れ時間より短いか否かを判定して、着火遅れ時間が所定の着火遅れ時間以上であるというときは、そのままリターンし、着火遅れ時間が所定の着火遅れ時間より短いというときは、ステップＴ３へ進む。

そして、ステップＴ３へ進むと、主噴射を進角させた場合の噴射タイミングを算出し、続いて、ステップＴ４で、予め設定しているモデルに基づいて酸素濃度を読み込む。

そして、ステップＴ５で、読み込んだ酸素濃度の値から、過早着火限界（閾タイミング）を設定し、続いて、ステップＴ６で、主噴射を進角させた場合の噴射タイミングの算出値が過早着火限界を超えるか否かを判定する。

そして、過早着火限界を超えないというときは、ステップＴ７へ進んで、主噴射のみのシングル噴射モードを選択し、過早着火限界を超えるというときは、ステップＴ８へ進んで、早期噴射と主噴射による分割噴射モードを選択し、これを図１２に示すメインルーチンに反映させる。つまり、ステップＳ３の判定で要求トルクＴｒｑが所定値よりも小さい（ＹＥＳ）というときでも、シングル噴射モードを選択せず、分割噴射モードの制御（ステップＳ６〜８）を実行する。

以上の説明から明らかなように、この実施形態のエンジン１の燃焼制御によれば、排気導入後の吸気温度の制御によって、低エミッション性を維持しつつ、燃料の噴射タイミングを圧縮上死点近傍に設定することが可能となり、その結果、噴射タイミングによる着火タイミングの制御性を確保でき、着火タイミングを圧縮上死点付近に正確に制御して燃費の向上を図ることができる。

また、排気還流の制御によって、燃焼室内の混合気高温部分の温度（局所温度）がＮＯｘ生成温度よりも低くなるようにして、ＮＯｘの生成を抑制することができる。

また、吸気温度の制御（吸気冷却）と排気還流の制御とによって、所定の着火遅れを確保し、燃料と空気とを十分に混合してすすの生成を抑制することができる。

また、吸気冷却によって吸気密度を高めることに加えて、燃焼室内の空気過剰率を比較的高く保つことによって、燃焼中期において生成されたすすを燃焼後期において酸化させてすすの排出を低減させることができる。

さらに、吸気冷却により吸気密度を高めることと、燃焼室内の空気過剰率を比較的高く保つことによって、燃焼後期において混合気が局所的に低温且つ過濃な状態となるのを回避し、ＨＣ及びＣＯの生成を抑制することができる。

なお、本発明は、図１に示す構成のディーゼルエンジンの制御装置に限られるものではなく、他に、例えば図１４に示す構成のディーゼルエンジンの制御装置に適用することも可能である。

図１４は、本発明の他の実施形態のディーゼルエンジンの制御装置の全体構成図である。この実施形態では、吸気通路１６のコンプレッサ２０よりも下流側の部位とインタークーラ２１よりも下流側（より正確には、Ｉ／Ｃ経路絞り弁２３よりも下流側）の部位とを接続して、インタークーラ２１をバイパスするバイパス通路７１を備えている。そして、このバイパス通路７１には、バタフライバルブからなるバイパス弁７２が配置されている。

この実施形態では、図１２に示すメインフローチャートにおいて、ステップＳ１０で、第２ＥＧＲ弁４５を制御する代わりに、バイパス弁７２を制御することによって、インタークーラ２１を通過する吸気の量と、インタークーラ２１を通過しない吸気の量とを調整し、それによって吸気温度を制御することが可能であり、また、図１３に示すサブフローチャートはそのまま適用でき、先の実施形態と同様の燃焼形態を実現することができる。

本発明の実施形態のディーゼルエンジンの制御装置の全体構成図である。本発明の実施形態の制御に係る予混合燃焼運転マップである。本発明の実施形態の制御に係るφ−Ｔマップである。本発明の実施形態の制御に係る吸気温度マップである。本発明の実施形態の制御に係る酸素濃度マップである。本発明の実施形態の制御に係る空気過剰率マップである。本発明の実施形態の制御に係る主噴射タイミングマップである。本発明の実施形態の制御に係る主噴射量マップである。本発明の実施形態の制御に係る早期噴射タイミングマップである。本発明の実施形態の制御に係る早期噴射量マップである。本発明の実施形態の制御に係る主噴射進角量マップである。本発明の実施形態の制御手順のメインフローチャートである。本発明の実施形態の制御手順のサブフローチャートである。本発明の他の実施形態のディーゼルエンジンの制御装置の全体構成図である。

符号の説明

１エンジン（ディーゼルエンジン）
４燃焼室
５インジェクタ（燃料噴射弁）
１６吸気通路
２２吸気絞り弁
２０コンプレッサ
２１インタークーラ
２３インタークーラ（Ｉ／Ｃ）経路絞り弁
２６排気通路
２７タービン
３０ターボ過給機
３４第１排気還流通路（第１ＥＧＲ通路）
３５第１排気還流制御弁（第１ＥＧＲ弁）
４０コントロールユニット（ＥＣＵ）
４４第２排気還流通路（第２ＥＧＲ通路）
４５第２排気還流制御弁（第２ＥＧＲ弁）
５１クランク角センサ
５５吸気温度センサ
５６アクセル開度センサ
５７酸素濃度センサ
５８指圧センサ
７１バイパス通路
７２バイパス弁

Claims

各気筒の燃焼室に燃料を直接噴射するよう配置した燃料噴射弁による燃料噴射を主噴射として圧縮上死点近傍となる噴射タイミングで実行するよう制御する主噴射制御手段と、
燃焼室内の混合気高温部分の局所温度がＮＯｘ生成温度よりも低くなるように吸気通路への排気の導入による燃焼室への排気還流を制御する排気還流制御手段と、
燃焼後期における前記混合気高温部分の局所当量比がすす生成領域の下限である当量比よりも低くなるように燃焼室内の空気過剰率を制御する空気過剰率制御手段と、
燃焼室に供給する排気導入後の吸気の温度を、前記圧縮上死点近傍で燃料を噴き終わってから着火までの期間が確保されるように主噴射の噴射開始から着火までに所定の着火遅れ時間を確保することが可能となる上限温度よりも低く、ＨＣ及びＣＯの発生量が所定量以下となる下限温度よりも高い温度範囲内となり、且つ、前記主噴射で噴射した燃料の着火タイミングが圧縮上死点近傍となるように制御する吸気温度制御手段とを備えたディーゼルエンジンの制御装置であって、
前記圧縮上死点近傍での主噴射の噴射開始から着火までの着火遅れ時間を検出する着火遅れ時間検出手段と、
前記吸気温度制御手段による吸気温度の制御に遅れが生じて、前記圧縮上死点近傍での主噴射の噴射開始から着火までの着火遅れ時間が前記所定の着火遅れ時間よりも短くなった場合に、前記燃料噴射弁による燃料噴射を、全体の燃料噴射量は不変のまま、前記圧縮上死点近傍での主噴射に先立つ噴射タイミングで早期噴射として一部の燃料を噴射し、残りの燃料を前記主噴射の噴射タイミングで噴射する分割噴射として制御する分割噴射制御手段を有することを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。
前記主噴射制御手段は、前記主噴射の噴射開始から着火までの着火遅れ時間が前記所定の着火遅れ時間よりも短い場合に、前記主噴射の噴射タイミングを進角させるよう構成され、
前記分割噴射制御手段は、前記主噴射の噴射開始から着火までの着火遅れ時間が前記所定の着火遅れ時間よりも短い場合であっても、前記主噴射制御手段により進角させた前記主噴射の噴射タイミングが所定の噴射タイミングよりも早くなる場合に前記分割噴射を実行し、前記主噴射制御手段により進角させた前記主噴射の噴射タイミングが前記所定の噴射タイミングよりも早くならない場合には前記分割噴射を実行しないよう構成されている請求項１記載のディーゼルエンジンの制御装置。
燃焼室に供給する吸気の酸素濃度に関する値を検出する酸素濃度検出手段を備え、前記分割噴射制御手段は、前記酸素濃度が高いほど、前記所定の噴射タイミングを遅く設定するよう構成されている請求項２記載のディーゼルエンジンの制御装置。