以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車に搭載されたコモンレール式筒内直噴型多気筒(例えば直列4気筒)ディーゼルエンジン(圧縮自着火式内燃機関)に本発明を適用した場合について説明する。
−エンジンの構成−
先ず、本実施形態に係るディーゼルエンジン(以下、単にエンジンという)の概略構成について説明する。図1は本実施形態に係るエンジン1及びその制御系統の概略構成図である。また、図2は、ディーゼルエンジンの燃焼室3及びその周辺部を示す断面図である。
図1に示すように、本実施形態に係るエンジン1は、燃料供給系2、燃焼室3、吸気系6、排気系7等を主要部とするディーゼルエンジンシステムとして構成されている。
燃料供給系2は、サプライポンプ21、コモンレール22、インジェクタ(燃料噴射弁)23、遮断弁24、燃料添加弁26、機関燃料通路27、添加燃料通路28等を備えて構成されている。
上記サプライポンプ21は、燃料タンクから燃料を汲み上げ、この汲み上げた燃料を高圧にした後、機関燃料通路27を介してコモンレール22に供給する。コモンレール22は、サプライポンプ21から供給された高圧燃料を所定圧力に保持(蓄圧)する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各インジェクタ23に分配する。インジェクタ23は、その内部に圧電素子(ピエゾ素子)を備え、適宜開弁して燃焼室3内に燃料を噴射供給するピエゾインジェクタにより構成されている。このインジェクタ23からの燃料噴射制御の詳細については後述する。
また、上記サプライポンプ21は、燃料タンクから汲み上げた燃料の一部を、添加燃料通路28を介して燃料添加弁26に供給する。添加燃料通路28には、緊急時において添加燃料通路28を遮断して燃料添加を停止するための上記遮断弁24が備えられている。
また、上記燃料添加弁26は、後述するECU100による添加制御動作によって排気系7への燃料添加量が目標添加量(排気A/Fが目標A/Fとなるような添加量)となるように、また、燃料添加タイミングが所定タイミングとなるように開弁時期が制御される電子制御式の開閉弁により構成されている。つまり、この燃料添加弁26から所望の燃料が適宜のタイミングで排気系7(排気ポート71から排気マニホールド72)に噴射供給される構成となっている。
吸気系6は、シリンダヘッド15(図2参照)に形成された吸気ポート15aに接続される吸気マニホールド63を備え、この吸気マニホールド63に、吸気通路を構成する吸気管64が接続されている。また、この吸気通路には、上流側から順にエアクリーナ65、エアフローメータ43、スロットルバルブ(吸気絞り弁)62が配設されている。上記エアフローメータ43は、エアクリーナ65を介して吸気通路に流入される空気量に応じた電気信号を出力するようになっている。
排気系7は、シリンダヘッド15に形成された排気ポート71に接続される排気マニホールド72を備え、この排気マニホールド72に対して、排気通路を構成する排気管73,74が接続されている。また、この排気通路には、NOx吸蔵触媒(NSR触媒:NOx Storage Reduction触媒)75及びDPNR触媒(Diesel Paticulate−NOx Reduction触媒)76を備えたマニバータ(排気浄化装置)77が配設されている。以下、これらNSR触媒75及びDPNR触媒76について説明する。
NSR触媒75は、吸蔵還元型NOx触媒であって、例えばアルミナ(Al2O3)を担体とし、この担体上に例えばカリウム(K)、ナトリウム(Na)、リチウム(Li)、セシウム(Cs)のようなアルカリ金属、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca)のようなアルカリ土類、ランタン(La)、イットリウム(Y)のような希土類と、白金(Pt)のような貴金属とが担持された構成となっている。
このNSR触媒75は、排気中に多量の酸素が存在している状態においてはNOxを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低く、かつ還元成分(例えば燃料の未燃成分(HC))が多量に存在している状態においてはNOxをNO2若しくはNOに還元して放出する。NO2やNOとして放出されたNOxは、排気中のHCやCOと速やかに反応することによってさらに還元されてN2となる。また、HCやCOは、NO2やNOを還元することで、自身は酸化されてH2OやCO2となる。即ち、NSR触媒75に導入される排気中の酸素濃度やHC成分を適宜調整することにより、排気中のHC、CO、NOxを浄化することができるようになっている。本実施形態のものでは、この排気中の酸素濃度やHC成分の調整を上記燃料添加弁26からの燃料添加動作によって行うことが可能となっている。
一方、DPNR触媒76は、例えば多孔質セラミック構造体にNOx吸蔵還元型触媒を担持させたものであり、排気ガス中のPMは多孔質の壁を通過する際に捕集される。また、排気ガスの空燃比がリーンの場合、排気ガス中のNOxはNOx吸蔵還元型触媒に吸蔵され、空燃比がリッチになると、吸蔵したNOxは還元・放出される。さらに、DPNR触媒76には、捕集したPMを酸化・燃焼する触媒(例えば白金等の貴金属を主成分とする酸化触媒)が担持されている。
ここで、ディーゼルエンジンの燃焼室3及びその周辺部の構成について、図2を用いて説明する。この図2に示すように、エンジン本体の一部を構成するシリンダブロック11には、各気筒(4気筒)毎に円筒状のシリンダボア12が形成されており、各シリンダボア12の内部にはピストン13が上下方向に摺動可能に収容されている。
ピストン13の頂面13aの上側には上記燃焼室3が形成されている。つまり、この燃焼室3は、シリンダブロック11の上部にガスケット14を介して取り付けられたシリンダヘッド15の下面と、シリンダボア12の内壁面と、ピストン13の頂面13aとにより区画形成されている。そして、ピストン13の頂面13aの略中央部には、キャビティ(凹陥部)13bが凹設されており、このキャビティ13bも燃焼室3の一部を構成している。
尚、このキャビティ13bの形状としては、その中央部分(シリンダ中心線P上)では凹陥寸法が小さく、外周側に向かうに従って凹陥寸法が大きくなっている。つまり、図2に示すようにピストン13が圧縮上死点付近にある際、このキャビティ13bによって形成される燃焼室3としては、中央部分では比較的容積の小さい狭小空間とされ、外周側に向かって次第に空間が拡大される(拡大空間とされる)構成となっている。
上記ピストン13は、コネクティングロッド18の小端部18aがピストンピン13cにより連結されており、このコネクティングロッド18の大端部はエンジン出力軸であるクランクシャフトに連結されている。これにより、シリンダボア12内でのピストン13の往復移動がコネクティングロッド18を介してクランクシャフトに伝達され、このクランクシャフトが回転することでエンジン出力が得られるようになっている。また、燃焼室3に向けてグロープラグ19が配設されている。このグロープラグ19は、エンジン1の始動直前に電流が流されることにより赤熱し、これに燃料噴霧の一部が吹きつけられることで着火・燃焼が促進される始動補助装置として機能する。
上記シリンダヘッド15には、燃焼室3へ空気を導入する吸気ポート15aと、燃焼室3から排気ガスを排出する上記排気ポート71とがそれぞれ形成されていると共に、吸気ポート15aを開閉する吸気バルブ16及び排気ポート71を開閉する排気バルブ17が配設されている。これら吸気バルブ16及び排気バルブ17はシリンダ中心線Pを挟んで対向配置されている。つまり、本エンジン1はクロスフロータイプとして構成されている。また、シリンダヘッド15には、燃焼室3の内部へ直接的に燃料を噴射する上記インジェクタ23が取り付けられている。このインジェクタ23は、シリンダ中心線Pに沿う起立姿勢で燃焼室3の略中央上部に配設されており、上記コモンレール22から導入される燃料を燃焼室3に向けて所定のタイミングで噴射するようになっている。
更に、図1に示す如く、このエンジン1には、過給装置(ターボチャージャ)5が設けられている。このターボチャージャ5は、タービンシャフト51を介して連結されたタービンホイール52及びコンプレッサホイール53を備えている。コンプレッサホイール53は吸気管64の内部に臨んで配置され、タービンホイール52は排気管73の内部に臨んで配置されている。このためターボチャージャ5は、タービンホイール52が受ける排気流(排気圧)を利用してコンプレッサホイール53を回転させ、吸気圧を高めるといった所謂過給動作を行うようになっている。本実施形態におけるターボチャージャ5は、可変ノズル式ターボチャージャであって、タービンホイール52側に可変ノズルベーン機構(図示省略)が設けられており、この可変ノズルベーン機構の開度を調整することにより、エンジン1の過給圧を調整することができる。
吸気系6の吸気管64には、ターボチャージャ5での過給によって昇温した吸入空気を強制冷却するためのインタークーラ61が設けられている。このインタークーラ61よりも更に下流側に設けられた上記スロットルバルブ62は、その開度を無段階に調整することができる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を絞り、この吸入空気の供給量を調整(低減)する機能を有している。
また、エンジン1には、吸気系6と排気系7とを接続する排気還流通路(EGR通路)8が設けられている。このEGR通路8は、排気の一部を適宜吸気系6に還流させて燃焼室3へ再度供給することにより燃焼温度を低下させ、これによってNOx発生量を低減させるものである。また、このEGR通路8には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気流量を自在に調整することができるEGRバルブ81と、EGR通路8を通過(還流)する排気を冷却するためのEGRクーラ82とが設けられている。これらEGR通路8、EGRバルブ81、EGRクーラ82等によってEGR装置(排気還流装置)が構成されている。
−センサ類−
エンジン1の各部位には、各種センサが取り付けられており、それぞれの部位の環境条件や、エンジン1の運転状態に関する信号を出力する。
例えば、上記エアフローメータ43は、吸気系6内のスロットルバルブ62の上流において吸入空気の流量(吸入空気量)に応じた検出信号を出力する。吸気温センサ49は、吸気マニホールド63に配置され、吸入空気の温度に応じた検出信号を出力する。吸気圧センサ48は、吸気マニホールド63に配置され、吸入空気圧力に応じた検出信号を出力する。A/F(空燃比)センサ44は、排気系7のマニバータ77の下流において排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。排気温センサ45は、同じく排気系7のマニバータ77の下流において排気ガスの温度(排気温度)に応じた検出信号を出力する。レール圧センサ41はコモンレール22内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。スロットル開度センサ42はスロットルバルブ62の開度を検出する。
−ECU−
ECU100は、図3に示すように、CPU101、ROM102、RAM103及びバックアップRAM104などを備えている。ROM102は、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。CPU101は、ROM102に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。RAM103は、CPU101での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリである。バックアップRAM104は、例えばエンジン1の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。
以上のCPU101、ROM102、RAM103及びバックアップRAM104は、バス107を介して互いに接続されるとともに、入力インターフェース105及び出力インターフェース106と接続されている。
入力インターフェース105には、上記レール圧センサ41、スロットル開度センサ42、エアフローメータ43、A/Fセンサ44、排気温センサ45、吸気圧センサ48、吸気温センサ49が接続されている。さらに、この入力インターフェース105には、エンジン1の冷却水温に応じた検出信号を出力する水温センサ46、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ47、及び、エンジン1の出力軸(クランクシャフト)が一定角度回転する毎に検出信号(パルス)を出力するクランクポジションセンサ40などが接続されている。一方、出力インターフェース106には、上記インジェクタ23、燃料添加弁26、スロットルバルブ62、及び、EGRバルブ81などが接続されている。
そして、ECU100は、上記した各種センサの出力に基づいて、エンジン1の各種制御を実行する。例えば、ECU100は、インジェクタ23の燃料噴射制御を実行する。このインジェクタ23の燃料噴射制御として、本実施形態では、従来の一般的なディーゼルエンジンにおいて実行される、パイロット噴射、プレ噴射等の副噴射は実行せず、エンジントルクを得るためのメイン噴射のみが実行されるようになっている。つまり、パイロット噴射やプレ噴射を実行しないことで、メイン噴射が開始されるまでの筒内の予熱動作は行われないようにしている。
このメイン噴射での総燃料噴射量は、エンジン回転数やアクセル操作量等の運転状態に応じて決定される要求トルクを得るために必要な燃料噴射量として設定される。例えば、エンジン回転数(クランクポジションセンサ40の検出値に基づいて算出されるエンジン回転数)が高いほど、また、アクセル操作量(アクセル開度センサ47により検出されるアクセルペダルの踏み込み量)が大きいほど(アクセル開度が大きいほど)エンジン1のトルク要求値としては高く得られる。
−燃料噴射圧−
上記メイン燃料噴射を実行する際の燃料噴射圧は、コモンレール22の内圧により決定される。このコモンレール内圧として、一般に、コモンレール22からインジェクタ23へ供給される燃料圧力の目標値、即ち目標レール圧は、エンジン負荷(機関負荷)が高くなるほど、及び、エンジン回転数(機関回転数)が高くなるほど高いものとされる。即ち、エンジン負荷が高い場合には燃焼室3内に吸入される空気量が多いため、インジェクタ23から燃焼室3内に向けて多量の燃料を噴射しなければならず、よってインジェクタ23からの噴射圧力を高いものとする必要がある。また、エンジン回転数が高い場合には噴射可能な期間が短いため、単位時間当たりに噴射される燃料量を多くしなければならず、よってインジェクタ23からの噴射圧力を高いものとする必要がある。このように、目標レール圧は一般にエンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて設定される。尚、この目標レール圧は例えば上記ROM102に記憶された燃圧設定マップに従って設定される。つまり、この燃圧設定マップに従って燃料圧力を決定することで、インジェクタ23の開弁期間(噴射率波形)が制御され、その開弁期間中における燃料噴射量を規定することが可能になる。尚、本実施形態では、エンジン負荷等に応じて燃料圧力が30MPa〜200MPaの間で調整されるようになっている。
上記メイン噴射における燃料噴射パラメータについて、その最適値はエンジン1や吸入空気等の温度条件によって異なるものとなる。
例えば、上記ECU100は、コモンレール圧がエンジン運転状態に基づいて設定される目標レール圧と等しくなるように、即ち燃料噴射圧が目標噴射圧と一致するように、サプライポンプ21の燃料吐出量を調量する。また、ECU100はエンジン運転状態に基づいて燃料噴射量及び燃料噴射形態を決定する。具体的には、ECU100は、クランクポジションセンサ40の検出値に基づいてエンジン回転速度(エンジン回転数)を算出するとともに、アクセル開度センサ47の検出値に基づいてアクセルペダルの踏み込み量(アクセル開度)を求め、このエンジン回転速度及びアクセル開度等に基づいて総メイン噴射量(メイン噴射での噴射量)を決定する。
−分割メイン噴射−
ディーゼルエンジン1においては、NOx発生量及びスモーク発生量を削減することによる排気エミッションの改善、燃焼行程時の燃焼音の低減、エンジントルクの十分な確保といった各要求を連立することが重要である。これら要求を連立するために本実施形態では、燃焼行程時における気筒内での熱発生率の変化状態(熱発生率波形で表される変化状態)をコントロールするようにしている。この熱発生率の変化状態をコントロールするための手法として以下に述べるような分割メイン噴射(分割主噴射)が実行されるようになっている。以下、具体的に説明する。
本実施形態では、エンジン負荷の変化に応じて上記メイン噴射の噴射形態を連続的にまたは段階的に変更するようにしている。具体的に、本実施形態における燃料噴射制御では、上記メイン噴射の噴射形態として2回または3回の分割メイン噴射を実行することで、このメイン噴射で必要とされる総メイン噴射量(要求トルクを得るための総燃料噴射量)を確保している。
そして、本実施形態において特徴とする分割メイン噴射は、燃焼室3内での燃焼として、主に予混合燃焼を行わせるための燃料噴射である予混合燃焼用燃料噴射と、主に拡散燃焼を行わせるための燃料噴射である拡散燃焼用燃料噴射とを、それぞれ個別に1回または2回実行するようになっており、これら分割メイン噴射の噴射タイミング及び噴射量を上記エンジン負荷に応じて変更するようにしている。
尚、上記予混合燃焼用燃料噴射の終了タイミングと拡散燃焼用燃料噴射の開始タイミングとの間には所定のインターバルが設けられている。つまり、予混合燃焼用燃料噴射を実行した後、燃料噴射を一旦停止(インジェクタ23を遮断)し、所定のインターバルを経た後に拡散燃焼用燃料噴射が開始されるようになっている。このインターバルとしては、例えばインジェクタ23の性能によって決定される最短閉弁期間(インジェクタ23が閉弁してから開弁を開始するまでの最短期間:例えば200μs)として設定される。この分割メイン噴射のインターバルは上記値に限定されるものではなく、後述する「拡散燃焼実行率」を実現するためのインターバルとして適宜設定される。負荷に応じた分割メイン噴射での燃料噴射形態(燃料噴射パターン)の詳細については後述する。
本実施形態における燃焼室3内での燃焼行程中における燃焼形態の概略は以下のとおりである。
この燃焼形態では、同一燃焼行程中に、予混合燃焼と拡散燃焼とが順に行われる。言い換えると、同一燃焼行程中に、先ず、上記予混合燃焼用燃料噴射が1回または2回実行され、その噴射された燃料が予混合燃焼によって燃焼室3内で熱を発生する。この予混合燃焼の開始初期時にあっては、上記拡散燃焼用燃料噴射は未だ実行されていないため、燃焼室3内での燃焼は予混合燃焼のみとなっている。以下、この燃焼期間を「予混合単独燃焼期間」と呼ぶこととする。
その後、所定のタイミングで、上記拡散燃焼用燃料噴射が1回または2回実行され、その噴射された燃料が拡散燃焼によって燃焼室3内で燃焼する。この拡散燃焼の開始初期時にあっては、未だ上記予混合燃焼用燃料噴射で噴射された燃料の燃焼(予混合燃焼)が継続されている。つまり、この拡散燃焼の開始初期時には、予混合燃焼と拡散燃焼とが併存する(同時並行する)重畳燃焼(オーバラップ燃焼)が行われている。以下、この予混合燃焼と拡散燃焼とが併存する燃焼期間を「オーバラップ燃焼期間」と呼ぶこととする。
このオーバラップ燃焼期間では、時間の経過と共に予混合燃焼での熱発生率(クランク軸の単位回転角度当たりの熱発生量)が次第に小さくなっていき、逆に、拡散燃焼での熱発生率が次第に大きくなっていく。
そして、このオーバラップ燃焼期間が所定時間経過した後は、予混合燃焼での熱発生率が「0」となり、燃焼室3内での燃焼は拡散燃焼のみとなる。以下、このオーバラップ燃焼期間が終了した後の拡散燃焼のみによる燃焼期間を「拡散単独燃焼期間」と呼ぶこととする。
以上のように、1回の燃焼過程中には、「予混合単独燃焼期間」、「オーバラップ燃焼期間」、「拡散単独燃焼期間」の順で、燃焼室3内の燃焼形態が順に移っていくことになる。
尚、上記「予混合単独燃焼期間」での予混合燃焼は、気筒内の温度が、拡散燃焼に至る所定の拡散燃焼開始温度(例えば900K)未満である状態で燃焼室3内に存在する燃料が着火することで行われる。具体的には、圧縮行程の進行に伴って燃焼室3内の燃焼場温度が800K以上で且つ900K未満の範囲にあるときに、上記予混合燃焼用燃料噴射で噴射されている燃料が着火することにより上記「予混合単独燃焼期間」が開始される。
また、「オーバラップ燃焼期間」での拡散燃焼は、上記予混合燃焼の開始後、この予混合燃焼によって燃焼室3内の温度が上記拡散燃焼開始温度以上である状態で上記拡散燃焼用燃料噴射が実行されることで行われる。具体的には、上記予混合燃焼の燃焼場温度が900Kに達した直後に拡散燃焼用燃料噴射が行われることで上記「オーバラップ燃焼期間」が開始される。
以下では、予混合燃焼用燃料噴射が2回実行される場合にあっては、第1回目の予混合燃焼用燃料噴射を「第1予混合燃焼用燃料噴射」と呼び、第2回目の予混合燃焼用燃料噴射を「第2予混合燃焼用燃料噴射」と呼ぶこととする。また、拡散燃焼用燃料噴射が2回実行される場合にあっては、第1回目の拡散燃焼用燃料噴射を「第1拡散燃焼用燃料噴射」と呼び、第2回目の拡散燃焼用燃料噴射を「第2拡散燃焼用燃料噴射」と呼ぶこととする。
本実施形態の特徴とするところは、エンジン1の運転状態を左右する各種条件(運転条件や環境条件)が所定の標準的な運転状態とは異なっている状況であって従来技術では予混合燃焼の着火遅れが大きくなってしまうような状況において、この予混合燃焼の着火遅れを抑制可能とする制御手法にある。この本実施形態の特徴とする制御手法について説明する前に、その前提とする燃焼形態の制御(後述する拡散燃焼実行率を設定してエンジン負荷に応じた燃焼形態を実現するための制御)について説明する。
−拡散燃焼実行率−
先ず、拡散燃焼実行率について説明する。この拡散燃焼実行率は、上記オーバラップ燃焼期間中における全熱発生量(オーバラップ燃焼期間中での予混合燃焼による熱発生量と拡散燃焼による熱発生量との総和)に対する拡散燃焼での熱発生量の比率(オーバラップ燃焼期間中における拡散燃焼での熱発生量/オーバラップ燃焼期間中における全熱発生量)であって、本実施形態では、この拡散燃焼実行率をエンジン負荷に応じて調整するようにしている。
以下、この拡散燃焼実行率を設定する技術的思想について説明する。この拡散燃焼実行率は、同一燃焼行程中における予混合燃焼と拡散燃焼との独立度合いに相関がある。つまり、この拡散燃焼実行率が高い場合、同一燃焼行程中における予混合燃焼と拡散燃焼とは独立性の高いものとなる。言い換えると、同一燃焼行程中における予混合燃焼での熱発生量の大部分は上記予混合単独燃焼期間中に発生し、また、その燃焼行程中における拡散燃焼での熱発生量の大部分は上記拡散燃焼単独燃焼期間中に発生するものとなる。この場合、熱発生率波形としては、予混合燃焼での熱発生率がピーク(最大値)となるタイミングと拡散燃焼での熱発生率がピークとなるタイミングとの間に比較的長いインターバルが存在することになる。
逆に、上記拡散燃焼実行率が低い場合、同一燃焼行程中における予混合燃焼と拡散燃焼とは独立性の低いものとなる。言い換えると、同一燃焼行程中における上記予混合単独燃焼期間中での予混合燃焼の熱発生量は少なく、また、その燃焼行程中における上記拡散単独燃焼期間中での拡散燃焼の熱発生量も少なくなっている。この場合、熱発生率波形としては、予混合燃焼での熱発生率がピーク(最大値)となるタイミングと拡散燃焼での熱発生率がピークとなるタイミングとの間のインターバルは短くなる。
このように、拡散燃焼実行率は、同一燃焼行程中における予混合燃焼と拡散燃焼との独立度合いに相関がある。つまり、これら予混合燃焼と拡散燃焼との独立度合いは、拡散燃焼実行率を調整することにより制御することができる。
そして、本実施形態では、エンジン負荷が高くなっていくに従って、つまり、エンジン1に要求される出力が大きくなっていくに従って上記拡散燃焼実行率を次第に高く設定していく。即ち、同一燃焼行程中における予混合燃焼と拡散燃焼との独立性を高めるようにする(拡散燃焼実行率調整手段による拡散燃焼実行率の調整動作)。言い換えると、エンジン負荷が低くなっていくに従って、つまり、エンジン1に要求される出力が小さくなっていくに従って、上記拡散燃焼実行率を次第に低く設定していく。即ち、同一燃焼行程中における予混合燃焼と拡散燃焼との独立性を低くしている。
図4(a)〜(e)に示す各熱発生率波形は、拡散燃焼実行率を変化させていった場合における予混合燃焼及び拡散燃焼それぞれの熱発生率(クランク軸の単位回転角度当たりの熱発生量)の変化の一例を示している。尚、この図4に示す各熱発生率波形では、横軸をクランク角度とし縦軸を熱発生率としている。また、この図4では、予混合燃焼での熱発生部分に破線の斜線を付し、拡散燃焼での熱発生部分に実線の斜線を付している。更に、上記オーバラップ燃焼期間をTで示している。
この図4からも判るように、拡散燃焼実行率が高いものほど(図4(e)から図4(a)に向かうに従って)、同一燃焼行程中における予混合燃焼と拡散燃焼とは独立性の高いものとなっている。このように、予混合燃焼と拡散燃焼との独立性を高く設定することで燃焼室3内での燃焼を安定化させることが可能である。これは、これら燃焼の独立性を高く設定した場合、仮に、予混合燃焼での燃焼状態が悪化(不安定化)したとしても、それの拡散燃焼に対する影響度合いは小さく、拡散燃焼の安定化が維持されるためである。そして、本実施形態では、特に燃焼の安定化が要求されるエンジン1の高負荷運転時において拡散燃焼実行率を高く設定しているため、高負荷運転時に十分なエンジン出力が得られ、ドライバのトルク要求に迅速に応えることが可能である。
一方、エンジン1の低負荷運転時にあっては、燃焼室3内での燃焼の安定化(高出力化)の要求度は比較的低いのに対して、排気エミッションの改善が要求される。そのため、拡散燃焼実行率を低く設定しておき、オーバラップ燃焼期間中における予混合燃焼の割合を大きく確保し(拡散燃焼が行われている期間のうち予混合燃焼も並行される期間を長く確保し)、スモーク発生量及びNOx発生量を共に抑制可能な燃焼形態とすることで排気エミッションの改善を図るようにしている。
−拡散燃焼実行率を設定するための燃料噴射パターン−
上述の如く拡散燃焼実行率を設定するための燃料噴射パターンについて以下に具体的に説明する。尚、以下に述べる燃料噴射パターンは所望の拡散燃焼実行率を得るための例示であって、その拡散燃焼実行率を得るための燃料噴射パターンとしてはこれに限定されるものではない。
上記拡散燃焼実行率を調整するための燃料噴射パターンとしては、エンジン負荷が低くなっていくに従い、または、エンジン1の要求出力が小さくなっていくに従って、予混合燃焼用燃料噴射での燃料噴射量に対する拡散燃焼用燃料噴射での燃料噴射量の割合を次第に小さくしていく。言い換えると、エンジン負荷が低くなっていくに従い、または、エンジン1の要求出力が小さくなっていくに従って、上記総燃料噴射量のうちの上記予混合燃焼用燃料噴射での噴射量の割合を次第に大きくしていくと共に、総燃料噴射量のうちの上記拡散燃焼用燃料噴射での噴射量の割合を次第に小さくしていく。これにより、上記拡散燃焼実行率が次第に低く設定されていくことになる。
逆に、エンジン負荷が高くなっていくに従い、または、エンジン1の要求出力が大きくなっていくに従って、予混合燃焼用燃料噴射での燃料噴射量に対する拡散燃焼用燃料噴射での燃料噴射量の割合を次第に大きくしていく。言い換えると、エンジン負荷が高くなっていくに従い、または、エンジン1の要求出力が大きくなっていくに従って、上記総燃料噴射量のうちの上記予混合燃焼用燃料噴射での噴射量の割合を次第に小さくしていくと共に、総燃料噴射量のうちの上記拡散燃焼用燃料噴射での噴射量の割合を次第に大きくしていく。これにより、上記拡散燃焼実行率が次第に高く設定されていくことになる。
図4(a)〜(e)に示す各燃料噴射率波形は、それぞれ対応する熱発生率波形を得るための燃料噴射パターンを示している。この図4に示す各波形は、何れも、筒内の酸素濃度を同一濃度(比較的低い酸素濃度)とした場合における、燃料噴射パターンとその燃料噴射パターンによって得られる熱発生率波形との関係を示している。
図4(a)は拡散燃焼実行率を99%とする場合の燃料噴射パターン及びその燃料噴射パターンによって得られる熱発生率波形を、図4(b)は拡散燃焼実行率を90%とする場合の燃料噴射パターン及びその燃料噴射パターンによって得られる熱発生率波形を、図4(c)は拡散燃焼実行率を60%とする場合の燃料噴射パターン及びその燃料噴射パターンによって得られる熱発生率波形を、図4(d)は拡散燃焼実行率を40%とする場合の燃料噴射パターン及びその燃料噴射パターンによって得られる熱発生率波形を、図4(e)は拡散燃焼実行率を20%とする場合の燃料噴射パターン及びその燃料噴射パターンによって得られる熱発生率波形をそれぞれ示している。
それぞれについて説明すると、拡散燃焼実行率を99%に設定する図4(a)の場合、予混合燃焼用燃料噴射がピストン13の圧縮上死点(TDC)よりも進角側で実行され、その後、第1拡散燃焼用燃料噴射及び第2拡散燃焼用燃料噴射の2回の拡散燃焼用燃料噴射が実行される。第1拡散燃焼用燃料噴射はピストン13の圧縮上死点(TDC)よりも進角側で実行される。また、第2拡散燃焼用燃料噴射はピストン13の圧縮上死点(TDC)よりも進角側で開始され、ピストン13の圧縮上死点(TDC)よりも遅角側で終了される。また、燃料噴射量としては、予混合燃焼用燃料噴射、第1拡散燃焼用燃料噴射、第2拡散燃焼用燃料噴射の順で多く設定されている。これにより、予混合燃焼用燃料噴射で噴射された燃料の予混合燃焼と、各拡散燃焼用燃料噴射で噴射された燃料の拡散燃焼とは独立性の高いものとなる。つまり、上述した如く、燃焼室3内での燃焼が安定して行われるものとなる。
また、拡散燃焼実行率を90%に設定する図4(b)の場合、第1予混合燃焼用燃料噴射及び第2予混合燃焼用燃料噴射の2回の予混合燃焼用燃料噴射が実行される。これら予混合燃焼用燃料噴射は、何れもピストン13の圧縮上死点(TDC)よりも進角側で実行される。その後、拡散燃焼用燃料噴射が実行される。この拡散燃焼用燃料噴射はピストン13の圧縮上死点(TDC)近傍で噴射が開始され、ピストン13の圧縮上死点(TDC)よりも遅角側で噴射が終了する。また、上記第1予混合燃焼用燃料噴射の噴射量が第2予混合燃焼用燃料噴射よりも多く設定され、拡散燃焼用燃料噴射の噴射量が第1予混合燃焼用燃料噴射よりも多く設定されている。尚、この拡散燃焼実行率を90%に設定するもの(図4(b))では、上記拡散燃焼実行率を99%に設定するもの(図4(a))に比べて総燃料噴射量は少なく設定される。
また、拡散燃焼実行率を60%に設定する図4(c)の場合、ピストン13の圧縮上死点(TDC)よりも進角側で予混合燃焼用燃料噴射が実行され、その後、拡散燃焼用燃料噴射が実行される。この拡散燃焼用燃料噴射はピストン13の圧縮上死点(TDC)よりも遅角側で実行される。また、上記拡散燃焼用燃料噴射での噴射量が予混合燃焼用燃料噴射での噴射量よりも多く設定されている。尚、この拡散燃焼実行率を60%に設定するもの(図4(c))では、上記拡散燃焼実行率を90%に設定するもの(図4(b))に比べて総燃料噴射量は少なく設定される。
また、拡散燃焼実行率を40%に設定する図4(d)の場合、ピストン13の圧縮上死点(TDC)よりも進角側で予混合燃焼用燃料噴射が実行され、その後、ピストン13の圧縮上死点(TDC)よりも遅角側で拡散燃焼用燃料噴射が実行される。また、上記予混合燃焼用燃料噴射での噴射量が拡散燃焼用燃料噴射での噴射量よりも多く設定されている。尚、この拡散燃焼実行率を40%に設定するもの(図4(d))では、上記拡散燃焼実行率を60%に設定するもの(図4(c))に比べて総燃料噴射量は少なく設定される。
また、拡散燃焼実行率を20%に設定する図4(e)の場合、先ず、ピストン13の圧縮上死点(TDC)よりも進角側で噴射を開始し且つ圧縮上死点(TDC)よりも遅角側で噴射を終了する予混合燃焼用燃料噴射が実行される。その後、ピストン13の圧縮上死点(TDC)よりも遅角側で拡散燃焼用燃料噴射が実行される。また、上記予混合燃焼用燃料噴射での噴射量が拡散燃焼用燃料噴射での噴射量よりも多く設定されている。尚、この拡散燃焼実行率を20%に設定するもの(図4(e))では、上記拡散燃焼実行率を40%に設定するもの(図4(d))に比べて総燃料噴射量は少なく設定される。また、この場合、予混合燃焼用燃料噴射での噴射量が多いため、この予混合燃焼用燃料噴射で噴射された燃料の一部の燃焼は拡散燃焼となっている。
このようにして、拡散燃焼実行率を低く設定する場合ほど、総燃料噴射量に対する予混合燃焼用燃料噴射での噴射量の比率を高く設定していく。言い換えると、拡散燃焼実行率を低く設定する場合ほど、総燃料噴射量に対する拡散燃焼用燃料噴射での噴射量の比率を低く設定していく。また、拡散燃焼実行率を低く設定する場合ほど、拡散燃焼の開始タイミング(上記オーバラップ燃焼期間の開始タイミング)が遅角側に移行するように燃料噴射パターンが調整されている。これは、拡散燃焼での燃焼室3内の温度の過上昇を抑えることによりNOxの発生量を抑制するためである。また、図4にオーバラップ燃焼期間Tで示すように、拡散燃焼実行率が低く設定されるほどオーバラップ燃焼期間Tは長くなっていく。
−貫徹力について−
ここで燃料噴射量と貫徹力との関係について説明する。上記インジェクタ23では、噴射指令信号を受けて燃料噴射が開始されると、噴射孔を閉塞しているニードルが噴射孔から後退していくことで噴射孔の開口面積を次第に増大させていく。そして、ニードルが最後退位置まで移動すると噴射孔の開口面積は最大となる。ところが、このニードルが最後退位置に達するまでに噴射指令信号が解除されると(閉弁指令を受けると)、後退移動している途中でニードルは閉弁方向に向かって前進することになる。つまり、この場合、噴射孔の開口面積は最大となることなく燃料噴射を終了することになる。このため、噴射期間が長く設定されるほど噴射孔の開口面積としては大きく得られることになる。
そして、上記噴射孔の開口面積は、その噴射孔から噴射される燃料(噴霧)の飛行距離に相関がある。つまり、噴射孔の開口面積が大きい状態で燃料が噴射された場合には、噴射孔から噴射される燃料の液滴の寸法も大きいため運動エネルギも大きく(貫徹力(ペネトレーション)が大きく)なっている。このため、この燃料の液滴の飛行距離は長くなる。一方、噴射孔の開口面積が小さい状態で燃料が噴射された場合には、この噴射孔から噴射される燃料の液滴の寸法も小さいため運動エネルギも小さく(貫徹力(ペネトレーション)が小さく)なっている。このため、この燃料の液滴の飛行距離も短い。
そして、上述した如く、インジェクタ23の開弁期間が比較的長く設定された場合(言い換えると、メイン噴射1回当たりの噴射量が比較的多く設定された場合)には、ニードルが最後退位置まで移動することになって噴射孔の開口面積は最大となるので、この場合の燃料の液滴の飛行距離は長くなる。つまり、インジェクタ23から噴射された燃料の大部分は上記キャビティ13bの外周端付近まで飛行可能な状態となる。
一方、インジェクタ23の開弁期間が比較的短く設定された場合(言い換えると、メイン噴射1回当たりの噴射量が比較的少なく設定された場合)には、ニードルが最後退位置まで移動することがなく噴射孔の開口面積は小さいため、この場合の燃料の液滴の飛行距離は短くなる。つまり、インジェクタ23から噴射された燃料の大部分は上記キャビティ13bの中央部付近までしか飛行できない状態となる。
このように、インジェクタ23の開弁期間によって決まる噴射孔の開口面積と、その噴射孔から噴射される燃料(噴霧)の飛行距離とには相関がある。このため、上記予混合燃焼用燃料噴射での噴射量が多く設定されるほど、燃料の飛行距離は長くなり、上記キャビティ13bの外周端付近にまで燃料が飛行することになって、燃焼室3内の酸素との邂逅率が高く確保されることで酸素不足を解消できる。これにより、スモークの発生量を抑制することができる。つまり、拡散燃焼実行率が低く設定されて、予混合燃焼用燃料噴射での噴射量が多く設定されるものほど、燃焼室3内の広範囲に亘って燃料が噴射されることにより、酸素不足を招くことのなしに燃焼が行われ、スモークの発生量を抑制することができる。
−拡散燃焼の着火タイミングについて−
本実施形態では、上記予混合単独燃焼期間での予混合燃焼によって燃焼室3内の予熱が十分に行われた状態で、上記拡散燃焼用燃料噴射が実行されることにより、この拡散燃焼用燃料噴射で噴射された燃料は、直ちに自着火温度以上の温度環境下に晒されて熱分解が進み、噴射後は直ちに燃焼が開始されることになる。
具体的に、ディーゼルエンジンにおける燃料の着火遅れとしては、物理的遅れと化学的遅れとがある。物理的遅れは、燃料液滴の蒸発・混合に要する時間であり、燃焼場のガス温度に左右される。一方、化学的遅れは、燃料蒸気の化学的結合・分解かつ酸化発熱に要する時間である。そして、上述した如く気筒内の予熱が十分になされている状況では上記物理的遅れを最小限に抑えることができ、その結果、着火遅れも最小限に抑えられることになる。
従って、拡散燃焼用燃料噴射によって噴射された燃料の燃焼形態としては、予混合燃焼が殆ど行われないことになり、大部分が拡散燃焼となる。その結果、拡散燃焼用燃料噴射の噴射タイミングを制御することがそのまま上記オーバラップ燃焼期間の開始タイミングを制御することに略等しくなり、燃焼の制御性を大幅に改善することができる。より具体的には、この拡散燃焼用燃料噴射の噴射タイミングや噴射量を調整することで、拡散燃焼での着火タイミング、熱発生率の変化割合(熱発生率波形の勾配)、熱発生率のピーク、燃焼重心に達する時期を共に制御することが可能になる。
−具体的な制御手順−
次に、上述の如く拡散燃焼実行率を設定してインジェクタ23からの燃料噴射を実行する場合の具体的な制御手順について説明する。
先ず、上述した如く、エンジン回転数やアクセル操作量等の運転状態に応じて総燃料噴射量が決定される。
その後、図5に示す噴射率設定マップに従って、上記総燃料噴射量に対する拡散燃焼用燃料噴射での噴射量の比率(拡散燃焼用燃料噴射の噴射量/総燃料噴射量)を設定する。この噴射率設定マップは、エンジン回転数及びエンジントルクをパラメータとして上記拡散燃焼用燃料噴射での噴射量の比率を設定するものであり、予め実験やシミュレーションにより作成されて上記ROM102に格納されている。例えば、エンジン回転数が高いほど、また、エンジントルクが高いほど拡散燃焼用燃料噴射での噴射量の比率としては高く設定されることになる。
このようにして、総燃料噴射量、拡散燃焼用燃料噴射での噴射量の比率(拡散燃焼用燃料噴射率)が求められることにより、この総燃料噴射量に、拡散燃焼用燃料噴射での噴射量の比率を乗算することで拡散燃焼用燃料噴射での噴射量が求められ、この噴射量を上記総燃料噴射量から減算することで予混合燃焼用燃料噴射での噴射量が求められることになる。例えば、総燃料噴射量が50mm3の場合に、拡散燃焼用燃料噴射での噴射量比率が60%に設定されると、この拡散燃焼用燃料噴射での噴射量は30mm3となる。この場合、予混合燃焼用燃料噴射での噴射量は20mm3となる。
また、エンジン負荷に応じて拡散燃焼実行率を設定する。図6は、拡散燃焼実行率の設定マップを示す図である。このマップは、エンジン回転数及びエンジントルクをパラメータとして上記拡散燃焼実行率を設定するものであり、予め上記ROM102に格納されている。そして、エンジン回転数が高いほど、また、エンジントルクが高いほど拡散燃焼実行率も高く設定されるようになっている(図6に破線で示す拡散燃焼実行率の値を参照)。尚、このようにして設定された拡散燃焼実行率で燃焼を実行するために行われる予混合燃焼用燃料噴射での燃料噴射タイミング及び拡散燃焼用燃料噴射での燃料噴射タイミングは、例えば所定の拡散燃焼実行率(例えば拡散燃焼実行率90%)を基準とし、この基準とする拡散燃焼実行率に対して、実施しようとする拡散燃焼実行率の乖離量に従って設定される。つまり、実施しようとする拡散燃焼実行率が、基準とする拡散燃焼実行率に対して低い場合、その乖離量が大きいほど燃料噴射タイミングとしては遅角側に移行されていくことになる。逆に、実施しようとする拡散燃焼実行率が、基準とする拡散燃焼実行率に対して高い場合、その乖離量が大きいほど燃料噴射タイミングとしては進角側に移行されていくことになる。
上述のようにして求められた予混合燃焼用燃料噴射での噴射量に対し、その必要な予混合燃焼用燃料噴射での噴射量を1回の予混合燃焼用燃料噴射で噴射するのか、2回の予混合燃焼用燃料噴射に分割して噴射するのかを、図7のマップに拡散燃焼実行率を当て嵌めることにより求める。つまり、拡散燃焼実行率が所定値(図7に示すものでは60%)よりも高い場合には、上記第1予混合燃焼用燃料噴射及び第2予混合燃焼用燃料噴射の2回に分割して予混合燃焼用燃料噴射を実施する。これは、例えば図4における拡散燃焼実行率90%(図4(b))の場合に相当する。
一方、拡散燃焼実行率が所定値以下であるよりも低い場合には、予混合燃焼用燃料噴射を分割せず、1回の噴射により実行する。これは、例えば図4における拡散燃焼実行率60%(図4(c))の場合や拡散燃焼実行率40%(図4(d))の場合に相当する。
以上のようにして各マップに従い、予混合燃焼用燃料噴射での噴射量や拡散燃焼用燃料噴射での噴射量等が設定され、各噴射が実行されることで、上述した所望の拡散燃焼実行率が得られることになる。
このようにして、エンジン負荷が高いほど、つまり、エンジン1に要求される出力が大きいほど拡散燃焼実行率を高く設定し、同一燃焼行程中における予混合燃焼と拡散燃焼との独立性を高めるようにしている。このため、エンジン負荷が高い場合の燃焼の安定性を確保することができる。つまり、高負荷運転時において拡散燃焼実行率を高く確保することによって、十分なエンジン出力を得ることが可能になる。
一方、エンジン負荷が低いほど、つまり、エンジン1に要求される出力が小さいほど拡散燃焼実行率を低く設定し、同一燃焼行程中における予混合燃焼と拡散燃焼との独立性を低く設定するようにしている。つまり、予混合燃焼と拡散燃焼とを合体燃焼により実行させるようにしている。このため、エンジン負荷が低い場合の排気エミッションの改善を図ることができ、また、燃焼音の低減も図ることが可能になる。
以上のようにして拡散燃焼実行率を設定し、燃焼室3内における燃焼形態として予混合燃焼及び拡散燃焼それぞれの優位点を有効に利用できるように、これら燃焼相互の独立度合いを調整することで、これら燃焼を協調させ、燃焼の安定性、排気エミッションの改善、燃焼音の抑制を図ることが可能である。
−予混合燃焼の着火遅れ抑制制御−
次に、本実施形態の特徴とする予混合燃焼の着火遅れ抑制制御について説明する。上述した如く、エンジン負荷に応じて拡散燃焼実行率を設定することにより、基本的には予混合燃焼の着火遅れは殆ど生じない。ところが、エンジン1の運転状態を左右する各種条件(運転条件や環境条件)が所定の標準的な運転状態とは異なる状況では、予混合燃焼の着火遅れが大きくなってしまう可能性がある。以下の制御は、この予混合燃焼の着火遅れを抑制するものである。以下、具体的に説明する。
(実運転状態が標準運転状態から乖離する原因)
実運転状態が標準運転状態から乖離する原因としては以下に分類することができる。
(A) 先ず、吸気状態にズレ(標準状態に対してのズレ)が生じていないにも拘わらず周期的な失火が発生する場合には、燃料性状が標準的なものでないことが挙げられる。例えば、燃料のセタン価が標準的な燃料のセタン価(例えばセタン価55程度)よりも低いセタン価の燃料が使用されている場合が挙げられる。
(B) また、吸気状態にズレが生じていないにも拘わらず燃焼重心(熱発生率がピークに達する時間)にズレが発生している場合には、インジェクタ23からの燃料噴射量にズレが生じていることや、燃料性状が標準的なものでないことが挙げられる。例えば上記総燃料噴射量が適正な量よりも多くなっており、燃料噴射初期時の吸熱反応による吸熱量が大きくなり過ぎていることで着火遅れが生じ、それが原因で燃焼重心にズレが発生している場合などが挙げられる。また、上記燃料性状が標準的なものでない場合としては、失火には至らない程度の僅かなセタン価のズレ(軽度の低セタン価)が挙げられる。また、エンジン1の暖機運転時には、筒内温度が比較的低く、予混合燃焼を行う上での温度環境条件が標準的な温度環境条件(暖機運転完了後の温度環境条件)から乖離しているため、この場合にも燃焼重心にズレが発生する可能性がある。
(C) また、気筒内の酸素濃度が標準的な酸素濃度から乖離している場合、その原因としては、気筒内における残留EGRガス量が多い場合や、ターボチャージャ5の過給遅れが挙げられる。また、標高が高い高地での走行時には、大気中の酸素濃度が低いため、この場合にも気筒内の酸素濃度が標準的な酸素濃度から乖離している(酸素濃度が低くなっている)。
(D) 更に、気筒内のガス充填効率が標準的な充填効率から乖離している場合、その原因としては、ターボチャージャ5の過給遅れが挙げられる。
(実運転状態が標準運転状態から乖離していることの検出動作)
実運転状態が標準運転状態から乖離していることを検出するための動作について以下に説明する。この検出動作として、先ず、燃焼重心の検出や、燃焼量(熱発生量)の検出が挙げられる。
燃焼重心の検出手法や燃焼量(熱発生量)の検出手法として、具体的には、気筒内の圧力変化を検出する筒内圧センサを備えさせ、その筒内圧変化に基づいて燃焼重心を実測、または、熱発生量を実測する。また、シリンダブロックに取り付けられたノッキングセンサからの信号(振動信号)に基づいて燃焼重心を実測、または、熱発生量を実測する。また、上記クランクポジションセンサ40からの検出信号に基づいてクランクシャフトの回転の角加速度を算出し、この角加速度の変化量から燃焼重心を計測、または、熱発生量を計測する。更には、インジェクタ23の内部圧力を検出するための圧力センサを取り付けておき、この圧力センサの検出信号に基づいて熱発生率波形を推定して燃焼重心を推定、または、熱発生量を推定する。
このようにして燃焼重心の検出または推定、或いは、熱発生量の検出または推定を行い、標準運転状態における燃焼重心または熱発生量とを比較し、これらの乖離量が所定量を超えている場合には、実運転状態が標準運転状態から乖離していると判断する。つまり、運転条件や環境条件が所定の標準的な運転状態とは異なる状況となっており、予混合燃焼の着火遅れが大きくなっていると判断する。
また、実運転状態が標準運転状態から乖離していることの他の検出動作としては、吸気状態の変化の検出も挙げられる。
この吸気状態の変化の検出手法として、具体的には、上記エアフローメータ43からの信号(吸入空気量の検出信号)に基づいて吸気状態を実測する。また、上記吸気圧センサ48からの信号(吸入空気圧力の検出信号)に基づいて吸気状態を計測する。また、上記吸気温センサ49からの信号(吸入空気温度の検出信号)に基づいて吸気状態を計測する。
このようにして吸気状態の変化の実測または計測を行い、標準運転状態における吸気状態とを比較し、これらの乖離量が所定量を超えている場合には、実運転状態が標準運転状態から乖離していると判断する。つまり、運転条件や環境条件が所定の標準的な運転状態とは異なる状況となっており、予混合燃焼の着火遅れが大きくなっていると判断する(以上、運転状態乖離認識手段による運転状態の乖離認識動作)。
(予混合燃焼の着火遅れ抑制制御)
本実施形態では、上述の如く予混合燃焼の着火遅れが大きくなっていると判断された場合、以下に述べる対策を講じることによって予混合燃焼の着火遅れを抑制するようにしている。これらの対策は、何れも、上記乖離の発生条件に基づき、燃焼のロバスト性の余裕を確保して実用領域の拡大を図るものとなっている。
(a)燃料噴射パターンの変更による拡散燃焼実行率アップ
上述した乖離原因(C)または(D)によって予混合燃焼の着火遅れが大きくなっていると判断された場合の対策として、インジェクタ23の燃料噴射パターンを変更することにより拡散燃焼実行率を高く設定することが挙げられる。つまり、これら乖離原因(C)や(D)は吸気状態が標準状態から乖離している状況であるため、予混合燃焼の着火遅れの抑制を高い応答性で実現するためには燃料噴射形態の変更による対応が必要となる。
具体的には、インジェクタ23から噴射される燃料の吸熱反応により、燃料が相互に干渉して冷却される所謂噴霧干渉冷却の効果を低減させることが挙げられる。そのために、レール圧、噴射分配率、噴射インターバルを調整する。例えば、レール圧を高圧側に変更したり、噴射分配率を高分配率側に変更したり、噴射インターバルを長くするように変更したりすることによって噴霧同士の干渉を抑制し、上記噴霧干渉冷却の効果を低減させる。
(b)吸気状態の変更による拡散燃焼実行率アップ
上述した乖離原因(B)によって予混合燃焼の着火遅れが大きくなっていると判断された場合の対策として、吸気状態を変更することにより拡散燃焼実行率を高く設定することが挙げられる。
具体的には、筒内圧力や酸素濃度の調整を行うことにより予混合燃焼領域を拡散燃焼領域に変換させる。例えば上記ターボチャージャ5の過給圧を高くするように変更したり、EGRバルブ81の開度を小さくすることで筒内の酸素濃度を高くするように変更する。また、EGRガスの温度を高めたり、過給温度を高めることによって筒内温度の調整を行う。これは、例えばEGRクーラ82によるEGRガスの冷却効果を低くしたり、インタークーラ61による吸気の冷却効果を低くしたりすることにより実現する(冷却効果を変更する具体構成については周知であるので説明を省略する)。更には、EGRバルブ81を閉鎖してEGRガス量を「0」にすることで、部品故障等に起因する燃焼重心のズレの解消を図ることが挙げられる。
(c)燃料噴射パターン及び吸気状態の変更による拡散燃焼実行率アップ
上述した乖離原因(A)によって予混合燃焼の着火遅れが大きくなっていると判断された場合の対策として、燃料噴射パターン及び吸気状態を変更することにより拡散燃焼実行率を高く設定することが挙げられる。例えば、上記(a)で述べた「燃料噴射パターンの変更による拡散燃焼実行率アップ」の手法と、上記(b)で述べた「吸気状態の変更による拡散燃焼実行率アップ」の手法とを併用するものである。また、上記(a)で述べた「燃料噴射パターンの変更による拡散燃焼実行率アップ」の手法と、上記(b)で述べた「吸気状態の変更による拡散燃焼実行率アップ」の手法と、以下の(d)で述べる手法とを併用するものである。
以上、比率変更手段による拡散燃焼実行率の変更動作。
(d)噴射タイミング全体を進角させることによる拡散燃焼実行率の維持
エンジン1に失火が発生する場合、その失火の度合いに応じて噴射タイミング全体を進角させていく。これにより、失火を回避し、所定の拡散燃焼実行率(エンジン負荷に応じた拡散燃焼実行率)が維持されるようにする。尚、この場合の噴射タイミングには進角側のガード値(過進角ガード値)が設定されている。
(e)予熱噴射量不足に応じた拡散燃焼実行率の維持
上述した乖離原因(B)によって予混合燃焼の着火遅れが大きくなっていると判断された場合のもう一つの対策として、気筒内での予熱噴射量不足に応じ、各燃焼のインターバルを見直して拡散燃焼実行率の維持を図るようにする。例えば、燃焼重心が遅角側にずれている場合には、予混合燃焼用燃料噴射の終了タイミングと拡散燃焼用燃料噴射の開始タイミングとの間のインターバルを短くし、逆に、燃焼重心が進角側にずれている場合には、予混合燃焼用燃料噴射の終了タイミングと拡散燃焼用燃料噴射の開始タイミングとの間のインターバルを長くする。
(拡散燃焼実行率アップの具体的手順)
上記拡散燃焼実行率を高く設定する際の具体的な手順としては以下のものが挙げられる。
先ず、熱発生率波形における予混合燃焼領域と拡散燃焼領域との形態として、「全体重畳」、「一部重畳」、「分離」、「拡散燃焼実行率100%」の4つの設定領域に分類する(図8を参照)。
ここで、「全体重畳」は、予混合燃焼領域と拡散燃焼領域とが略一致(重畳)した燃焼形態である。つまり、燃焼期間の略全体が上記オーバラップ燃焼期間とされた状態である。例えば拡散燃焼実行率が20%未満の状態である(図8では拡散燃焼実行率が15%の状態を示している)。また、「一部重畳」は、予混合燃焼領域と拡散燃焼領域との一部分が重畳した燃焼形態である。例えば拡散燃焼実行率が20%以上で90%未満の状態である(図8では拡散燃焼実行率が40%の状態を示している)。「分離」は、予混合燃焼領域と拡散燃焼領域とが殆ど重畳しない燃焼形態である。例えば拡散燃焼実行率が90%以上で99%未満の状態である(図8では拡散燃焼実行率が99%の状態を示している)。これら値はこれに限定されるものではない。
そして、現在の燃焼形態に対し、上記実運転状態の乖離量に応じて何れの燃焼形態に設定するかを調整するようにしている。以下、図8に沿って具体的に説明する。
先ず、現在の燃焼形態が「全体重畳」であった場合に、上記乖離量が僅か(軽度)であれば上記「一部重畳」の燃焼形態に変更する。また、上記乖離量が中度であれば上記「分離」の燃焼形態に変更する。更に、上記乖離量が非常に大きい(重度)場合には上記「拡散燃焼実行率100%」の燃焼形態に変更する。
また、現在の燃焼形態が「一部重畳」であった場合に、上記乖離量が中度であれば上記「分離」の燃焼形態に変更する。また、上記乖離量が非常に大きい(重度)場合には上記「拡散燃焼実行率100%」の燃焼形態に変更する。
また、現在の燃焼形態が「分離」であった場合に、上記乖離量が非常に大きい(重度)場合には上記「拡散燃焼実行率100%」の燃焼形態に変更する。
更に、現在の燃焼形態が「拡散燃焼実行率100%」であった場合に、上記乖離量が非常に大きい(重度)場合には上記EGRバルブ81を閉鎖してEGRガス量を「0(EGRカット)」にする。
また、上記標準運転状態に対する実運転状態の乖離が生じた場合に、一律に「拡散燃焼実行率100%」に設定した後、上記乖離量の大きさをモニタしながら、徐々に拡散燃焼実行率を低下させていき、予混合燃焼の着火遅れが最小となる拡散燃焼実行率に収束させていくようにしてもよい。
以上の乖離量として、「軽度」とは例えば予混合燃焼の着火遅れ(標準状態での予混合燃焼の開始時期に対する遅れ)がクランク角度で5°CA程度の遅れを生じる状況をいう。また、「中度」とは例えば予混合燃焼の着火遅れがクランク角度で10°CA程度の遅れを生じる状況をいう。そして、「重度」とは例えば予混合燃焼の着火遅れがクランク角度で15°CA以上の遅れを生じる状況をいう。
以上説明してきたように本実施形態では、エンジン1の運転状態を左右する各種条件が標準状態から乖離している状況であっても、拡散燃焼実行率を変更することによって予混合燃焼の着火遅れを抑制することができる。このため、適正な予混合燃焼を実現することが可能になり、排気エミッションの改善、燃料消費率の改善、失火の防止に伴う良好なドライバビリティの確保、燃焼音の低減を図ることができる。
−他の実施形態−
以上説明した実施形態では、自動車に搭載される直列4気筒ディーゼルエンジンに本発明を適用した場合について説明した。本発明は、自動車用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンにも適用可能である。また、気筒数やエンジン形式(直列型エンジン、V型エンジン等の別)についても特に限定されるものではない。
また、上記実施形態では、マニバータ77として、NSR触媒75及びDPNR触媒76を備えたものとしたが、NSR触媒75及びDPF(Diesel Paticulate Filter)を備えたものとしてもよい。
また、上記実施形態では、通電期間においてのみ全開の開弁状態となることにより燃料噴射率を変更するピエゾインジェクタ23を適用したエンジン1について説明したが、本発明は、可変噴射率インジェクタを適用したエンジンへの適用も可能である。
また、上記実施形態では、筒内圧力、筒内酸素濃度、筒内温度等に乖離が生じた場合に拡散燃焼実行率を変更する場合について説明したが、エンジン負荷の急速な変化時(運転過渡時)に拡散燃焼実行率を変更するようにしてもよい。例えば、エンジン負荷が急速に高くなる状況では拡散燃焼実行率も高く設定し、逆に、エンジン負荷が急速に低くなる状況では拡散燃焼実行率も低く設定することなどが挙げられる。