JP5293683B2 - ディーゼルエンジンの燃焼制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの燃焼制御装置に関する技術分野に属する。

従来より、ディーゼルエンジンの燃焼方式として、排ガス中の有害成分であるＮＯｘ及びＰＭ(particulate matter)を同時に低減可能なＰＣＩ(Premixed compression Ignition)燃焼方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この燃焼方式では、圧縮上死点付近において主噴射を行う前に、早期噴射を行うことによって、噴射した燃料と筒内の空気との混合を促進し、煤の発生を抑制するようにしている。さらに、この燃焼方式では、ＥＧＲ通路を介して排気の一部を吸気に戻すＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation）量を制御することによって、燃料の着火時期を圧縮上死点近傍まで遅延し、これによって、上記燃料と空気との混合時間を十分に確保しつつ（煤の発生を抑制しつつ）、吸気酸素濃度の低下により燃焼温度を低下させてＮＯｘの発生を抑制するようにしている。

特開２００８−３１８７４号公報

しかしながら、従来のディーゼルエンジンの燃焼制御装置では、例えば、高負荷乃至高回転側の運転領域において、吸気温度が目標温度よりも高くなる場合がある。この場合、例えば、ホットＥＧＲ通路とコールドＥＧＲ通路との２系統を有するエンジンにおいては、コールドＥＧＲ通路を介したＥＧＲ率を増加させることで、吸気温度を目標温度まで低下させることが考えられる。

しかし、吸気温度が目標温度よりも高すぎると、コールドＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁の開度を仮に全開にしたとしても、該ＥＧＲ通路の通路断面積等から決まるＥＧＲ量の限界（エンジンのハードウェア限界）によって、吸気温度を目標温度まで低下させることができないという問題がある。この結果、燃料の着火時期が目標着火時期に対して進角する過早着火が発生して、ＮＶＨが悪化するとともに、燃料と空気との予混合時間が不足することにより煤の発生量が増大するという問題が生じる。

本発明は、斯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、ＰＣＩ燃焼方式を採用したディーゼルエンジンにおいて、吸気温度が目標温度を上回る状況下において、燃料の過早着火を抑制することでＮＶＨの悪化を防止するとともに、エンジンから外気中に放出される煤量を低減しようとすることにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、エンジンの排気通路に煤を捕集するためのＤＰＦを設けておき、エンジンの吸気温度が目標吸気温度に対して所定温度以上高い状態にあり且つ過早着火が発生した場合には、ＤＰＦの煤堆積量が第１設定量未満であるとき（つまりＤＰＦの堆積量が少なくその捕集能力に余裕があるとき）に限って、早期噴射を減量し且つ主噴射を増量する噴射量制御を実行するようにした。

具体的には、請求項１の発明では、エンジンの燃焼室に臨む燃料噴射弁より圧縮上死点近傍において燃料を主噴射させる主噴射制御手段と、該主噴射制御手段による噴射に先立って、上記燃料噴射弁より燃料を早期噴射させる早期噴射制御手段と、燃料の着火時期が圧縮上死点近傍の目標着火時期になるように、エンジン回転数及びエンジン負荷に基づいて吸気酸素濃度を制御する吸気酸素濃度制御手段と、を備えたディーゼルエンジンの燃焼制御装置を対象とする。

そして、上記エンジンの排気通路に配設され、該エンジンから排出される煤を捕集するＤＰＦと、上記ＤＰＦの煤堆積量を推定する煤推定手段と、上記燃焼室内における燃料の着火時期が上記目標着火時期に対して所定時間以上進角する過早着火を検出する過早着火検出手段と、上記エンジンの吸気温度が目標吸気温度に対して所定温度以上高い状態にあり且つ上記過早着火検出手段により過早着火が検出された場合において、上記煤推定手段により推定されたＤＰＦの煤堆積量が第１設定量未満であるときには、上記早期噴射制御手段による早期噴射を減量する一方、上記主噴射制御手段による主噴射を増量する噴射量制御を実行する補正制御手段と、をさらに備えているものとする。

これによれば、エンジンの吸気温度が目標吸気温度に対して所定温度以上高い状態にあり且つ上記過早着火検出手段により過早着火が検出された場合には、補正制御手段によって、噴射量制御が実行されることで、早期噴射手段による早期噴射が減量される一方、主噴射手段による主噴射が増量される。これにより、早期噴射を減量した分だけ燃料の着火時期を遅角させて過早着火を抑制することができる。また、このように早期噴射を減量する一方で、トルクへの寄与度が高い主噴射を増量するようにしたことで、早期噴射を減量することによるトルク低下を十分に補うことができる。

ところで、単に早期噴射を減量するだけでは、早期噴射された燃料の予混合効果が薄れてエンジンから外気中に排出される煤量が増加してしまう。これに対して、本発明では、エンジンの排気通路にＤＰＦを設けて、煤推定手段により推定されたＤＰＦの煤堆積量が第１設定量未満である場合、つまりＤＰＦの煤堆積量が比較的少なくその捕集能力に余裕がある場合に限って、上述の補正制御手段による噴射量制御を実行するようにしたことで、早期噴射の減量によって燃焼時に煤が発生しても、この発生した煤をＤＰＦによって確実に捕集することができ、燃焼時に発生した煤が外気中に放出されるのを防止することができる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、上記吸気酸素濃度制御手段は、ＥＧＲ量を制御するＥＧＲ量制御手段を含み、上記補正制御手段はさらに、上記ＥＧＲ量が目標量に対して所定量以上少ない状態にあり、且つ、上記過早着火検出手段により過早着火が検出された場合にも、上記噴射量制御を実行するように構成されているものとする。

この構成によれば、上記過早着火検出手段により過早着火が検出され、且つ、ＥＧＲ量が目標量に対して所定量以上少ない状態にある場合には、補正制御手段により噴射量制御が実行される。

ところで、ＥＧＲ量の調整は通常、ＥＧＲ弁の開度を調整することによって行われるが、一般的にＥＧＲ弁によるＥＧＲ量の制御応答性は低いため、エンジンの運転状態に応じてＥＧＲ弁を開き側に制御したとしても、実際にＥＧＲ量が増加して吸気酸素濃度が低下するまでにはタイムラグがある。このため、ＥＧＲ弁の開弁途中において、吸気酸素濃度が目標濃度に対して一時的に高くなり、燃料の過早着火がさらに進行する恐れがある。

これに対して、本発明では、ＥＧＲ量が目標量に対して所定量以上多い場合には、補正制御手段によって、ＥＧＲ制御に比べて応答性の高い噴射量制御を実行するようにしたことで、燃料の過早着火を確実に抑制することができる。

請求項３の発明では、請求項１又は２の発明において、上記補正制御手段は、上記噴射量制御を実行しても上記エンジンのＮＶＨに関連する値が許容範囲内に収まらない場合には、上記主噴射制御手段による主噴射の時期を遅角させる噴射時期遅角制御を実行するように構成されているものとする。

この構成によれば、補正制御手段によって、上記噴射量制御を実行しても上記エンジンのＮＶＨに関連する値が許容範囲内に収まらない場合には、主噴射制御手段による主噴射の時期を遅角させる噴射時期遅角制御が実行される。これにより、燃料の着火時期をより確実に遅角させて目標着火時期に制御することができる。延いては、ＮＶＨに関連する値（例えばｄＰ／ｄθ（Ｐ：筒内圧量 θ：クランク角）や、目標着火時期に対する着火遅れ時間）を許容範囲内に収まるように制御して、ＮＶＨの発生を抑制することができる。

請求項４の発明では、請求項１乃至３のいずれか一つの発明において、上記早期噴射制御手段による早期噴射は、燃料を複数回に分けて噴射する分割噴射であり、上記補正制御手段による噴射量制御は、上記エンジンのＮＶＨに関連する値が許容範囲内に収まるまで、該早期噴射の複数回の燃料噴射のうち噴射時期の早いものから順に所定量づつ噴射量を減量するとともに、該噴射量の減量の度に主噴射を所定量増量する制御であるものとする。

この構成によれば、燃料を複数回に分けて噴射する分割噴射によって早期噴射を行うようにしたことで、シングル噴射によって早期噴射を行う場合に比べて、空気と燃料との予混合を促進して煤の発生を抑制することができる。また、早期噴射の複数回の噴射のうち、噴射時期の最も早いものから順に所定量づつ噴射量を減量するようにしたことで、早期噴射の減量を段階的に実施することができ、これにより、煤低減効果の大きい早期噴射が一気に減量されて煤発生量が増大するのを防止することができる。また、燃料の着火時期を遅角させる効果が大きい、最も早い時期の噴射から順に減量するようにしたことで、過早着火が発生した場合でも、燃料の着火時期を高い応答性で遅角させて目標着火時期に制御することができる。

請求項５の発明では、請求項１乃至３のいずれか一つの発明において、上記早期噴射制御手段による早期噴射は、燃料を複数回に分けて噴射する分割噴射であり、上記補正制御手段による噴射量制御は、上記エンジンのＮＶＨに関連する値が許容範囲内に収まるまで、該早期噴射の複数回の燃料噴射のうち噴射時期の遅いものから順に所定量づつ噴射量を減量するとともに、該噴射量の減量の度に主噴射を所定量増量する制御であるものとする。

この構成によれば、請求項４の発明と同様に、早期噴射を分割噴射によって行うようにしたことで、空気と燃料との予混合を促進して煤の発生を抑制することができる。また、早期噴射の複数回の噴射のうち、噴射時期の最も遅いものから順に所定量づつ噴射量を減量するようにしたことで、煤抑制効果の高い最も早い時期の噴射を極力減量せずに済むので、燃焼時における煤の発生を可及的に抑制することができる。

請求項６の発明では、請求項１の発明おいて、上記補正制御手段は、上記エンジンの吸気温度が目標吸気温度に対して所定温度以上高い状態にあり、且つ、上記過早着火検出手段により過早着火が検出された場合において、上記煤推定手段により推定された煤堆積量が上記第１設定量以上で且つ該第１設定量よりも大きい第２設定量未満のときには、上記早期噴射制御手段による早期噴射を増量する噴射量制御と、上記主噴射制御手段による主噴射の時期を遅角させる噴射時期遅角制御とを実行するよう構成されているものとする。

この構成によれば、ＤＰＦの煤堆積量が増加して煤捕集能力が低下してきた場合（煤堆積量が第１設定量よりも大きく第２設定量未満である場合）には、補正制御手段によって、早期噴射を増量して煤の発生を抑制する一方、主噴射の噴射時期を遅角させて過早着火を抑制することができる。こうして、外気中に放出される煤量の低減と、過早着火に起因するＮＶＨの悪化防止とを両立させることができる。

請求項７の発明では、請求項６の発明おいて、上記補正制御手段は、上記エンジンの吸気温度が目標吸気温度に対して所定温度以上高い状態にあり、且つ、上記過早着火検出手段により過早着火が検出された場合において、上記煤推定手段により推定された煤堆積量が上記第２設定量以上のときには、上記主噴射制御手段による主噴射の後に、上記燃料噴射弁より燃料をポスト噴射させる噴射量制御を実行するよう構成されているものとする。

この構成によれば、ＤＰＦの煤堆積量がさらに増加して煤捕集能力が殆ど無くなった場合（煤堆積量が第２設定量以上である場合）には、補正制御手段によって、主噴射制御手段による主噴射の後にポスト噴射が実行される。このポスト噴射は、主噴射によって起こる燃焼のピーク（燃焼温度が最も高くなる時期）よりも後に行われるものであるため、煤を殆ど発生させず、しかも燃料の着火時期を大きく遅角させることができるため、ＤＰＦの煤捕集能力が殆どない状態であっても、外気中に放出される煤量を増加させることなく、燃料の着火時期を目標着火時期まで遅角させてＮＶＨの悪化を防止することができる。

請求項８の発明では、請求項２乃至７のいずれか一つの発明において、上記補正制御手段はさらに、上記ＥＧＲ量とその目標量との差が上記所定量よりも大きい所定閾量以上であるか、又は、上記吸気温度とその目標温度との差が上記所定温度よりも大きい所定閾温度以上である場合には、上記過遅着火検出手段により過遅着火が検出されたか否かに拘わらず、上記噴射量制御又は上記噴射時期遅角制御を実行するように構成されているものとする。

この構成によれば、現時点で過早着火が発生していなくても、今後発生すると予測される場合、すなわち、ＥＧＲ量とその目標量との差が上記所定閾量以上であるか、又は、吸気温度とその目標温度との差が上記所定閾温度以上である場合には、過早着火検出手段により過早着火が検出されたか否かに拘わらず、補正制御手段によって、噴射量制御又は噴射時期遅角制御が実行され、これにより、過早着火の発生に伴うＮＶＨの悪化を未然に防止することができる。

以上説明したように、本発明のＰＣＩ燃焼方式を採用したディーゼルエンジンの燃焼制御装置によると、エンジンの排気通路に煤を捕集するためのＤＰＦを設けておき、エンジンの吸気温度が目標吸気温度に対して所定温度以上高い状態にあり且つ過早着火が発生している場合には、ＤＰＦの煤堆積量が第１設定量未満であるとき（つまりＤＰＦの堆積量が少なくその捕集能力に余裕があるとき）に限って、早期噴射を減量し且つ主噴射を増量する噴射量制御を実行するようにしたことで、吸気温度が目標温度を上回る状況下において、燃料の過早着火を抑制してＮＶＨの悪化を防止しつつ、エンジンから外気中に放出される煤量を低減することができる。

本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの燃焼制御装置の全体構成を示す概略図である。 拡散燃焼モードにおいて、燃料の噴射時期と、クランク角の進行に伴い変化する筒内温度の変化の様子とを示したグラフ図である。 通常のＰＣＩ燃焼モードにおいて、燃料の噴射時期と、クランク角の進行に伴い変化する筒内温度の変化の様子とを示したグラフ図である。 燃料の噴射時期と、クランク角の進行に伴い変化する筒内温度の変化の様子とを示したグラフ図であって、（ａ）は、ＰＣＩ燃焼モードにおいて第１補正制御を実行する前の過早着火が発生している状態を示し、（ｂ）は、ＰＣＩ燃焼モードにおいて第１補正制御を実行後の状態を示している。 燃料の噴射時期と、クランク角の進行に伴い変化する筒内温度の変化の様子とを示したグラフ図であって、（ａ）は、ＰＣＩ燃焼モードにおいて第２補正制御を実行する前の過早着火が発生している状態を示し、（ｂ）は、ＰＣＩ燃焼モードにおいて第２補正制御を実行後の状態を示している。 燃料の噴射時期と、クランク角の進行に伴い変化する筒内温度の変化の様子とを示したグラフ図であって、（ａ）は、ＰＣＩ燃焼モードにおいて第３補正制御を実行する前の過早着火が発生している状態を示し、（ｂ）は、ＰＣＩ燃焼モードにおいて第３補正制御を実行後の状態を示している。 ＰＣＩ燃焼モードにおいてＥＣＵにより実行される燃焼制御処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の実施形態に係るエンジンの排気浄化装置Ａの一例を示し、１は車両に搭載されたディーゼルエンジンである。このエンジン１は複数の気筒２，２，…（１つのみ図示する）を有し、その各気筒２内に往復動可能にピストン３が嵌挿されていて、このピストン３により各気筒２内に燃焼室４が区画されている。また、燃焼室４の天井部にはインジェクタ（燃料噴射弁）５が配設されていて、その先端部の噴口から高圧の燃料を燃焼室４に直接、噴射するようになっている。本実施形態では、エンジン１は、詳細は後述するように、該燃焼室４内における燃料の燃焼をＰＣＩ燃焼によって行うＰＣＩ燃焼モードと拡散燃焼によって行う拡散燃焼モードとの２つのモードを有している。

各気筒２毎のインジェクタ５に燃料を供給する構成は、図示は省略するが、各インジェクタ５が接続される共通の燃料分配管（コモンレール）を備えたいわゆるコモンレールタイプとされており、上記コモンレール内部の燃圧（コモンレール圧）を検出するための燃圧センサの出力信号が、後述するＥＣＵ１００に入力され、ＥＣＵ１００によりコモンレール圧の制御が行われる。

エンジン１の上部には、吸気弁１８及び排気弁１９をそれぞれ開閉させる、図示省略の動弁機構が配設されている。

エンジン１の一側（図の右側）の側面には、各気筒２の燃焼室４に対しエアクリーナ２９で濾過した空気（新気）を供給するための吸気通路６が接続されている。この吸気通路６には、上流側から下流側に向かって順に、第１タービン７及び第２タービン８によりそれぞれ駆動されて吸気を圧縮する第１コンプレッサ９及び第２コンプレッサ１０と、この２つのコンプレッサ９，１０により圧縮した吸気を冷却するインタークーラ１２と、吸気絞り弁１３とが設けられている。

一方、エンジン１の反対側（図の左側）の側面には、各気筒２の燃焼室４からそれぞれ燃焼ガス（排気）を排出するための排気通路１４が接続されている。この排気通路１４の上流端部は各気筒２毎に分岐して、それぞれ排気ポートにより燃焼室４に連通する排気マニホルドであり、該排気マニホルドよりも下流の排気通路１４には、上流側から下流側に向かって順に、排気流を受けて回転される第１タービン７及び第２タービン８と、排気中の有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ、煤等）を浄化可能なディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）１５及びＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１６と、が配設されている。このＤＰＦ１６は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）やコージェライト等からなる耐熱性セラミック材が三次元網目構造体若しくはウォールスルータイプのハニカム構造体に成形されており、排ガス中の煤（パティキュレート）は排ガスがＤＰＦを通過する過程で該ＤＰＦに捕集される。

第１コンプレッサ９及び第１タービン７は互いに回転一体に連結されて第１排気ターボ過給機２０を構成しており、同様に、第２コンプレッサ１０及び第２タービン８は互いに回転一体に連結されて第２排気ターボ過給機２１を構成している。このように、２つの排気ターボ過給機２０，２１を設けることで過給効率の向上を図ることができる。

排気通路１４には、第１排気ターボ過給機２０のタービン７をバイパスする第１排気バイパス通路２２と、第２排気ターボ過給機２１のタービン８をバイパスする第２排気バイパス通路２３とが接続されている。第１排気バイパス通路２２の上流端には、該第１排気バイパス通路２２へ流れる排気量を調整するためのレギュレートバルブ２４が配設され、第２排気バイパス通路２３の上流端には、該第２排気バイパス通路２３へ流れる排気量を調整するためのウェストゲートバルブ２５が配設されている。吸気通路６には、第１排気ターボ過給機２０のコンプレッサ９をバイパスする吸気バイパス通路２７が接続され、この吸気バイパス通路２７には、該吸気バイパス通路２７へ流れる空気量を調整するための吸気バイパス弁２８が配設されている。

上記排気通路１４における第１排気ターボ過給機２０よりも上流側の部位には、排気の一部を吸気側に還流するためのＥＧＲ通路３０の上流端が接続されている。このＥＧＲ通路３０は、比較的低温の排気を還流するためのコールドＥＧＲ通路３１と、高温の排気を還流するためのホットＥＧＲ通路３２とで構成されており、ＥＧＲ通路３０の下流端は、吸気通路６における吸気絞り弁１３とサージタンク２６との間の部位に接続されている。本実施形態ではさらに、コールドＥＧＲ通路３１を通過する排気よりもさらに低温の排気を還流するための極コールドＥＧＲ通路３３が設けられている。この極コールドＥＧＲ通路３３の上流端は、排気通路１４におけるＤＰＦ１６とサイレンサ１７との間の部位に接続され、極コールドＥＧＲ通路３３の下流端は、吸気通路６における第２排気ターボ過給機２１よりも上流側の部位に接続されている。各ＥＧＲ通路３１〜３３にはそれぞれ、開度調整の可能なＥＧＲ弁３４〜３６がそれぞれ配設されている。また、コールドＥＧＲ通路３１及び極コールドＥＧＲ通路３３の中間部にはそれぞれ、内部を通過する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ４０が配設されている。

そして、上記各インジェクタ５、吸気絞り弁１３、ＥＧＲ弁３４〜３６，レギュレートバルブ２４及びウェストゲートバルブ２５等は、いずれもコントロールユニット（Electronic Control Unit：以下ＥＣＵという）１００からの制御信号を受けて作動する。

ＥＣＵ１００は、マイクロコンピュータを主体に構成されていて、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等を有している。このＥＣＵ１００には、少なくとも、エンジン１の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酸素濃度センサ５３、燃焼室４内の圧力を検出する指圧センサ５４、外部からエンジン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５５、ＥＧＲガス混合後の吸気の温度を検出する吸気温度センサ５６、アクセルペダル（図示省略）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５７、及び、燃焼室４に供給される吸気の酸素濃度を検出する吸気酸素濃度センサ５８、ディーゼル酸化触媒１５の温度を検出するための触媒温度センサ５９、及びＤＰＦ１６の上流側と下流側との差圧を検出するための差圧検出センサ６０等からの出力信号がそれぞれ入力される。ＥＣＵ１００は、各種センサからの信号を基に、エンジン１の運転状態を応じて、ＰＣＩ燃焼モードと拡散燃焼モードとを切り換えて実行する。

（エンジンの過給制御について）
上記ＥＣＵ１００は、各種センサからの信号を基に、上記吸気バイパス弁２８、レギュレートバルブ２４及びウェストゲートバルブ２５の各開度を、上記エンジン１の運転状態に応じて設定した開度にそれぞれ制御する。本実施形態では、ＥＣＵ１００は、高負荷乃至高回転側の運転領域では、第１排気ターボ過給機２０が排気抵抗になるため、第２排気ターボ過給機２１のみを作動させるべく、吸気バイパス弁２８及びレギュレートバルブ２４は全開状態とし、ウェストゲートバルブ２５は全閉状態に近い開度にする。ＥＣＵ１００は、エンジン１の運転状態が低負荷乃至低回転側の運転領域に近づくにしたがって、吸気バイパス弁２８及びレギュレートバルブ２４を閉じ側に制御し、第１及び第２排気ターボ過給機２０，２１の両方を作動させる。そうして、ＥＣＵ１００は、後述するＰＣＩ燃焼モードを実行する低負荷乃至低回転側の運転領域では、吸気バイパス弁２８、レギュレートバルブ２４、ウェストゲートバルブ２５を略全閉状態に制御する。したがって、本実施形態では、ＰＣＩ燃焼モードにおいて、吸気酸素濃度を制御するために、レギュレートバルブ２４やウェストゲートバルブ２５の開度を制御する（過給圧を制御する）余裕は殆どなく、吸気酸素濃度の制御は主にＥＧＲ弁３４〜３６の開度制御によって行われる。

（エンジンの燃焼制御について）
ＥＣＵ１００は、高負荷乃至高回転側では拡散燃焼モードを選択して拡散燃焼に基づくエンジン制御を実行する一方、低負荷乃至低回転側ではＰＣＩ燃焼モードを選択してＰＣＩ燃焼に基づくエンジン制御を実行するようになっている。ＥＣＵ１００は、ＲＯＭに格納された制御プログラムにしたがって、各モードに必要なエンジン１の燃焼制御（燃料噴射量、噴射時期、ＥＧＲ量等の制御）を行う。尚、以下の説明において、「ＥＧＲ量」というときは、特に断らない限り、各ＥＧＲ通路３１〜３３を通過して還流される排気の総量を意味するものとする。

図２に示すように、拡散燃焼モードにおける燃焼制御は、圧縮上死点近傍（本実施形態では、ＡＴＤＣ５°〜２０°）で行う主噴射により噴霧化された燃料が拡散して周りの空気取り込みながら拡散燃焼するようにしたものである。さらに、この燃焼モードでは、主噴射に先立って圧縮上死点前（本実施形態ではＢＴＤＣ１５°）に少量のパイロット噴射を行うことで、パイロット噴射による予混合燃焼を行うことにより主噴射の着火遅れを短縮するようにしている。さらにこの燃焼モードでは、拡散燃焼をメインとしているため、着火遅れ時間を確保するためのＥＧＲ量は、ＰＣＩ燃焼モードにおけるＥＧＲ量に比べてかなり少なく、これにより、吸気酸素濃度をＰＣＩ燃焼モードに比べて高めることができ、延いては、燃焼温度を高温に維持してＣＯ及びＨＣの発生を抑制することができるようになっている。

図３に示すように、ＰＣＩ燃焼モードにおける燃焼制御は、圧縮上死点近傍（本実施形態では、ＢＴＤＣ５°〜０°）で行う燃料の主噴射に先立って、比較的早期に少量の燃料噴射（以下、早期噴射）を行うことで、早期噴射から着火までの着火遅れ時間を確保して燃料と空気との混合を促進し（いわゆる予混合燃焼を促進し）、煤の発生を抑制するとともに、吸気酸素濃度と等価なＥＧＲ量の制御との組合せにより、着火時期を目標着火時期（本実施形態では圧縮上死点）に制御して燃焼温度を極力高めることによって、ＣＯ及びＨＣの発生を抑制するとともに失火によるトルク低下を防止するようにしたものである。このＥＧＲ量の制御は、ＥＣＵ１００によって、燃焼混合気の高温部分がＮＯｘ生成温度よりも低くなるように、エンジン回転数及びエンジン負荷に基づいてＥＧＲ弁３４〜３６を制御することで行われる。さらにこの燃焼制御では、主噴射の後にアフタ噴射を行って、主噴射の燃焼に伴って発生した煤をアフタ噴射によって燃焼させるようになっている。

ところで、このＰＣＩ燃焼モードにおいては、エンジン１の運転領域が高負荷乃至高回転側の運転領域に近づくに連れて、吸気温度が上昇して目標温度を上回る場合がある。この場合、吸気温度を目標温度に制御するために、コールドＥＧＲ通路３１及び極コールドＥＧＲ通路３３を介したＥＧＲ量（ＥＧＲ弁３５，３６の開度）を増加させることが考えられるが、吸気温度が高すぎるると（吸気温度が目標温度に対して所定温度Ｋ以上高いと）、ＥＧＲ弁３５，３６の開度を仮に全開に制御したとしても、エンジン１のハードウェア限界から、吸気温度を目標温度に制御することができなくなる。この結果、燃料の着火時期が目標着火時期に対して所定時間Ｔ以上進角する過早着火が発生して、ＮＶＨが悪化するとともに予混合時間が不足して煤発生量が増加するという問題が生じる。

これに対して、本実施形態では、ＥＣＵ１００は、ＰＣＩ燃焼モードにおいて、吸気温度が目標温度よりも高い場合において、過早着火が発生し且つＮＶＨと等価なｄＰ／ｄθ（Ｐ：筒内圧力，θ：クランク角）が基準値よりも大きいときには、過早着火及びＮＶＨを抑制するための補正制御（後述する第１〜第３補正制御）を実行するようになっている。

具体的には、ＥＣＵ１００は、差圧検出センサ６０からの検出信号を基にＤＰＦ１６の煤堆積量を算出して、算出した煤堆積量が第１設定量Ｄ１未満である場合には第１補正制御を実行し、該算出した煤堆積量が第１設定量Ｄ１（例えば、ＤＰＦ１６の許容堆積量の２０〜３０％）以上で且つ第２設定量Ｄ２（ＤＰＦ１６の許容堆積量の８０〜９０％）未満である場合には第２補正制御を実行し、上記算出した煤堆積量が第２設定量Ｄ２以上である場合には第３補正制御を実行する。

以下、各補正制御について図４〜図６を基に説明する。各図の（ａ）が補正制御を実行する前の過早着火が発生している状態を示し、各図の（ｂ）が補正制御を実行後の過早着火が解消された状態を示している。

第１補正制御は、早期噴射を所定量Ｐ１だけ減量してその分だけ主噴射を増量する噴射量制御とされ、図４（ｂ）に示すように、噴射時期や噴射パターンは、補正制御の前後で変化しないものとされている。

第２補正制御は、図５（ｂ）に示すように、早期噴射を所定量Ｐ２だけ増量してその分だけ主噴射を減量する噴射量制御と、主噴射の噴射時期を遅角させる噴射時期遅角制御とを組み合わせた制御とされている。

第３補正制御は、図６（ｂ）に示すように、早期噴射を所定量Ｐ３だけ増量してその分だけ主噴射を減量するとともに、主噴射の噴射後にさらにポスト噴射を行う噴射量制御とされている。

次に、ＥＣＵ１００によりＰＣＩ燃焼モードが選択されている場合におけるエンジン１の燃焼制御の詳細を、図７のフローチャートに基づいて詳細に説明する。

先ず、最初のステップＳ１では、各種センサ５１〜５９からの信号を読み込む。

ステップ２では、ステップ１で読み込んだ吸気温度センサ５６からの信号を基に、吸気温度を算出し、算出した吸気温度が目標温度を超えるか否かを判定する。この判定がＮＯであるときにはリターンする一方、ＹＥＳであるときにはステップ３に進む。

ステップ３では、指圧センサ５４からの信号を基に、筒内圧力の時間変化を求めて、この求めた圧力変化を基に、ＮＶＨと等価なｄＰ／ｄθを算出するとともに、燃料の着火時期を算出する。そうして、算出したｄＰ／ｄθが基準値よりも大きく且つ燃料の着火時期が目標着火時期に対して所定時間Ｔ以上進角しているか否か（過早着火が発生しているか否か）を判定し、この判定がＮＯであるときにはリターンする一方、ＹＥＳであるときにはステップＳ４に進む。所定時間Ｔは、例えばｄＰ／ｄθが基準値（許容範囲）を超えるような時間として予め実験等により設定される。

ステップＳ４では、差圧検出センサ６０からの検出信号を基にＤＰＦ１６の上流側と下流側との差圧ΔＰを算出する。そして、ＲＯＭに記憶しておいた差圧ΔＰとＤＰＦ１６の煤堆積量との関係を表すマップデータを基に、ＤＰＦ１６の煤堆積量を推定（算出）するとともに、この推定した煤堆積量が上記第２設定量Ｄ２以上であるか否かを判定する。この判定がＮＯである場合にはステップＳ１１に進む一方、ＹＥＳである場合にはステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、早期噴射を所定量Ｐ３だけ増量してその分だけ主噴射を減量するようにインジェクタ５の作動を制御する。

ステップＳ６では、膨張行程の前半（本実施形態では、ＡＴＤＣ３０°ＣＡ）にてポスト噴射を行うように、インジェクタ５を作動させる。本実施形態では、本ステップＳ６の処理は、ステップＳ５の処理と略同時に実行される。

ステップＳ７では、所定時間が経過しても吸気温度が目標温度よりも高い状態にあるか否かを判定し、この判定がＮＯであるときにはステップＳ１０に進む一方、ＹＥＳであるときにはステップＳ８に進む。この所定時間としては、補正制御を実行後にその効果が実際に現れるまでの時間として十分な時間を設定すればよい。

ステップＳ８では、ステップＳ３の処理と同様に、ｄＰ／ｄθが基準値よりも大きく且つ過早着火が発生しているか否かを判定し、この判定がＮＯであるときにはステップＳ４に戻る一方、ＹＥＳであるときにはステップＳ９に進む。

ステップＳ９では、ＰＣＩ燃焼モードから拡散燃焼モードに移行するべく、インジェクタ５の噴射時期及び噴射量、並びに各ＥＧＲ弁３４〜３６の開度を制御し、しかる後にリターンする。

ステップＳ７の判定がＮＯであるときに進むステップＳ１０では、各補正制御を終了して通常のＰＣＩ燃焼モード（図３参照）に復帰し、しかる後にリターンする。

ステップＳ４の判定がＮＯであるときに進むステップＳ１１では、ステップＳ４と同様にして、差圧検出センサ６０からの検出信号を基にＤＰＦ１６の煤堆積量を算出する。そうして、算出した煤堆積量が上記第１設定量Ｄ１以上で且つ上記第２設定量Ｄ２未満であるか否かを判定し、この判定がＮＯであるときにはステップＳ１５に進む一方、ＹＥＳであるときにはステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、早期噴射を所定量Ｐ２だけ増量してその分だけ主噴射を減量するように、インジェクタ５の作動を制御する。この所定量Ｐ２は、エンジントルク及びエンジン負荷をパラメータとして、目標着火時期に対する着火遅れ時間が長いほど大きい値になるように予め設定されている。この所定量Ｐ２は、例えば、ＤＰＦ１６の煤堆積量が多いほど増加するものであってもよい。

ステップＳ１３では、主噴射の時期を設定時間だけ遅角させる。この設定時間は、上記所定量Ｐ２と同様に、エンジントルク及びエンジン負荷をパラメータとして、目標着火時期に対する着火遅れ時間が長いほど長くなるように予め設定されている。

ステップＳ１４では、ｄＰ／ｄθが基準値以下になったか否か（許容範囲内に収まったか否か）を判定し、この判定がＮＯであるときにはステップＳ１３に戻る一方、ＹＥＳであるときにはステップＳ７に進む。

ステップＳ１１の判定がＮＯであるときに進むステップＳ１５では、ＤＰＦ１６の煤堆積量が第１設定量Ｄ１未満であるものと判断して、早期噴射を所定量Ｐ１だけ減量してその分だけ主噴射を増量するように、インジェクタ５の作動を制御する。この所定量Ｐ１は、エンジントルク及びエンジン負荷をパラメータとして、目標着火時期に対する着火遅れ時間が長いほど大きい値になるように予め設定されている。この所定量Ｐ１は、例えば、ＤＰＦ１６の煤堆積量が少ないほど増加するものであってもよい。

ステップＳ１６では、ｄＰ／ｄθが基準値以下になったか否か（許容範囲内に収まったか否か）を判定し、この判定がＮＯであるときにはステップＳ１５に戻る一方、ＹＥＳであるときにはステップＳ７に進む。

以上の如く上記実施形態では、ＥＣＵ１００は、エンジン１の吸気温度が目標吸気温度に対して所定温度Ｋ以上高い状態にあり且つ過早着火が発生したことを検出した場合において、ＤＰＦ１６の煤堆積量が第１設定量Ｄ１未満であると判断したときには、上記第１補正制御を実行することにより、早期噴射を所定量Ｐ１だけ減量してその分だけ主噴射を増量する噴射量制御を実行するようになっている。

これにより、早期噴射を減量した分だけ燃料の着火時期を遅角させて過早着火を抑制することができる。また、早期噴射を減量する一方で、トルクへの寄与度が高い主噴射を増量するようにしたことで、早期噴射を減量することによるトルク低下を防止することができる。ここで、早期噴射を減量するだけでは、早期噴射された燃料の予混合効果が薄れてエンジン１から外気中に排出される煤量が増加してしまう。これに対して、本発明では、エンジン１の排気通路にＤＰＦ１６を設けて、ＤＰＦ１６の煤堆積量が比較的少なくその捕集能力に余裕がある場合（つまりＥＣＵ１００により推定されたＤＰＦ１６の煤堆積量が第１設定量Ｄ１未満である場合）に限って、この噴射量制御を実行するようにしたことで、早期噴射の減量によって燃焼時に煤が発生しても、この発生した煤をＤＰＦ１６によって確実に捕集することができ、燃焼時に発生した煤が外気中に放出されるのを防止することができる。

本実施形態では、ＥＣＵ１００は、この第１補正制御（噴射量制御）を、ＮＶＨと等価な値（関連のある値）であるｄＰ／ｄθが基準値を下回るまで（許容範囲内に収まるまで）繰替えし実行するようになっている。これにより、早期噴射を所定量Ｐ１づつ段階的に減量することができる。したがって、煤抑制効果が高い早期噴射が一気に減量されて、煤発生量が増大するのを防止することができる。

ＥＣＵ１００は、エンジン１の吸気温度が目標吸気温度に対して所定温度Ｋ以上高い状態にあり且つ過早着火を検出した場合において、ＤＰＦ１６の煤堆積量が上記第１設定量Ｄ１以上で且つ第２設定量Ｄ２（＞第１設定量Ｄ１）未満であると判断したときには、上記第２補正制御を実行することにより、早期噴射を所定量Ｐ２だけ増量してその分だけ主噴射を減量するとともに、主噴射の時期を設定時間だけ遅角させるようになっている。

この構成によれば、ＤＰＦ１６の煤堆積量が増加して煤捕集能力が低下してきた場合（煤堆積量が第１設定量Ｄ１よりも大きく第２設定量Ｄ２未満である場合）には、ＥＣＵ１００によって、早期噴射を増量して煤の発生を抑制する一方、主噴射の噴射時期を遅角させて過早着火を抑制することができる。こうして、外気中に放出される煤量の低減と、過早着火に起因するＮＶＨの悪化防止とを両立させることができる。

ＥＣＵ１００は、エンジン１の吸気温度が目標吸気温度に対して所定温度Ｋ以上高い状態にあり且つ過早着火が発生していることを検出した場合において、ＤＰＦ１６の煤堆積量が上記第２設定量Ｄ２以上であると判断したときには、上記第３補正制御を実行することで、上記主噴射後に、インジェクタ５より燃料をポスト噴射させるようになっている。

これにより、ＤＰＦ１６の煤堆積量が増加して煤捕集能力が殆ど無くなった場合（煤堆積量が第２設定量Ｄ２以上である場合）には、ＥＣＵ１００によって、主噴射の後にポスト噴射を行うことによって、煤を殆ど発生させることなく燃料の着火時期を大きく遅角させることができる。したがって、ＤＰＦ１６の煤捕集能力が殆どない状態であっても、外気中に放出される煤量を抑制しつつ、燃料の着火時期を目標着火時期まで遅角させてＮＶＨの悪化を防止することができる。

（他の実施形態）
本発明の構成は、上記実施形態に限定されるものではなく、それ以外の種々の構成を包含するものである。すなわち、上記実施形態では、ＥＣＵ１００は、ステップＳ３の処理で、過早着火が発生し且つｄＰ／ｄθが基準値よりも大きいか否かを判定するようにしているが、必ずしもｄＰ／ｄθを判定条件に加える必要はなく、例えば、過早着火が発生しているか否かを判定するだけでもよい。この場合、ステップＳ１４及びステップＳ１７において、ｄＰ／ｄθの代わりに、目標着火時期に対する着火遅れ時間を判定パラメータ（ＮＶＨに関連する値に相当）として使用すればよい。

また、上記実施形態では、ステップＳ２の判定がＮＯである場合にはリターンするようになっているが、これに限ったものではなく、例えばステップＳ２の判定がＮＯである場合でも、ＥＧＲ量が目標量に対して所定量Ｍ以上少なく且つ過早着火が発生しているか否かを判定して、この判定がＹＥＳである場合には、上記補正制御を実行するようにしてもよい。これにより、例えばＥＧＲ弁３４〜３６を開き側に制御する過程で、その応答遅れによって吸気酸素濃度が目標濃度に対して一時的に高くなって（ＥＧＲ量がその目標量に対して一時的に低くなって）、燃料の過早着火が発生し易い状況になった場合に、ＥＣＵ１００よって、ＥＧＲ制御に比べて応答性の高い噴射量制御又は噴射時期遅角制御を実行することによって、燃料の過早着火を確実に抑制することができる。

また、上記実施形態では、ＥＣＵ１００における第１補正制御及び第３補正制御は、噴射量制御のみを行うものとされているが、例えば、噴射量制御を実行してもｄＰ／ｄθ（エンジン１のＮＶＨに関連する値）が許容範囲内に収まらない場合には噴射時期遅角制御をさらに実行するものであってもよい。これにより、ＥＣＵ１００によって、燃料の着火時期をより一層確実に遅角させることができ、延いては、ｄＰ／ｄθを許容範囲内に収まるように制御して、ＮＶＨの発生を抑制することができる。

また、上記実施形態では、インジェクタ５による早期噴射をシングル噴射としているが、燃料を複数回に分けて噴射する分割噴射としてもよい。この場合、ＥＣＵ１００により実行される第１補正制御（ステップＳ１５〜Ｓ１７の制御処理）として２種類の制御が考えられる。すなわち、第１補正制御による過早着火の遅角応答性を向上させる観点では、早期噴射の複数回の燃料噴射のうち噴射時期の早いものから順に所定量づつ噴射量を減量していくことが好ましい。一方、煤の発生を抑制する観点では、早期噴射の複数回の燃料噴射のうち噴射時期の遅いものから順に所定量づつ噴射量を減量していくことが好ましい。主噴射については、早期噴射を減量する度にその分だけ増量させるようにすればよい。

また、上記実施形態では、ＥＣＵ１００は、過早着火が発生していないと判断した場合には（ステップＳ３の判定がＮＯである場合には）リターンするようになっているが、これに限ったものではなく、例えば、ＥＣＵ１００によって、過早着火が発生していないと判断した場合であっても、ＥＧＲ量とその目標量との差が所定閾量Ｌ_Ｍ（＞所定量Ｍ）以上であるか、又は、上記吸気温度とその目標温度との差が所定閾温度Ｌ_Ｋ（＞所定温度Ｋ）以上である場合には、上記補正制御を実行するようにしてもよい。

この構成によれば、現時点で過早着火が発生していなくても、今後発生すると予測される場合には、ＥＣＵ１００によって、噴射量制御又は噴射時期遅角制御が実行され、これにより、過早着火の発生に伴うＮＶＨの悪化を未然に防止することができる。

また、上記実施形態では、ＥＣＵ１００によって、差圧検出センサ６０からの検出信号を基にＤＰＦ１６の煤堆積量を推定するようにしているが、タイマ制御によって煤堆積量を推定するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、主噴射の後にアフタ噴射を行うようにしているが、必ずしもアフタ噴射を行う必要はない。

本発明は、ディーゼルエンジンの燃焼制御装置に有用であり、特に、ＰＣＩ燃焼方式を採用したディーゼルエンジンに適用する場合に有用である。

Ｋ 所定温度
Ｔ 所定時間
Ｄ１ 第１設定量
Ｄ２ 第２設定量
Ｌ_Ｍ 所定閾量
Ｌ_K 所定閾温度
１ エンジン
４ 燃焼室
５ インジェクタ（燃料噴射弁）
１４ 排気通路
１６ ＤＰＦ
３４ ＥＧＲ弁（吸気酸素濃度制御手段、ＥＧＲ量制御手段）
３５ ＥＧＲ弁（吸気酸素濃度制御手段、ＥＧＲ量制御手段）
３６ ＥＧＲ弁（吸気酸素濃度制御手段、ＥＧＲ量制御手段）
５４ 指圧センサ（過早着火検出手段）
１００ ＥＣＵ（主噴射制御手段、早期噴射制御手段、過早着火検出手段、
吸気酸素濃度制御手段、ＥＧＲ量制御手段、煤推定手段、
補正制御手段）

Claims (8)

1. エンジンの燃焼室に臨む燃料噴射弁より圧縮上死点近傍において燃料を主噴射させる主噴射制御手段と、該主噴射制御手段による噴射に先立って、上記燃料噴射弁より燃料を早期噴射させる早期噴射制御手段と、燃料の着火時期が圧縮上死点近傍の目標着火時期になるように、エンジン回転数及びエンジン負荷に基づいて吸気酸素濃度を制御する吸気酸素濃度制御手段と、を備えたディーゼルエンジンの燃焼制御装置であって、
   上記エンジンの排気通路に配設され、該エンジンから排出される煤を捕集するＤＰＦと、
   上記ＤＰＦの煤堆積量を推定する煤推定手段と、
   上記燃焼室内における燃料の着火時期が上記目標着火時期に対して所定時間以上進角する過早着火を検出する過早着火検出手段と、
   上記エンジンの吸気温度が目標吸気温度に対して所定温度以上高い状態にあり且つ上記過早着火検出手段により過早着火が検出された場合において、上記煤推定手段により推定されたＤＰＦの煤堆積量が第１設定量未満であるときには、上記早期噴射制御手段による早期噴射を減量する一方、上記主噴射制御手段による主噴射を増量する噴射量制御を実行する補正制御手段と、をさらに備えていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
2. 請求項１記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、
   上記吸気酸素濃度制御手段は、ＥＧＲ量を制御するＥＧＲ量制御手段を含み、
   上記補正制御手段はさらに、上記ＥＧＲ量が目標量に対して所定量以上少ない状態にあり、且つ、上記過早着火検出手段により過早着火が検出された場合にも、上記噴射量制御を実行するように構成されていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
3. 請求項１又は２記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、
   上記補正制御手段は、上記噴射量制御を実行しても上記エンジンのＮＶＨに関連する値が許容範囲内に収まらない場合には、上記主噴射制御手段による主噴射の時期を遅角させる噴射時期遅角制御を実行するように構成されていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、
   上記早期噴射制御手段による早期噴射は、燃料を複数回に分けて噴射する分割噴射であり、
   上記補正制御手段による噴射量制御は、上記エンジンのＮＶＨに関連する値が許容範囲内に収まるまで、該早期噴射の複数回の燃料噴射のうち噴射時期の早いものから順に所定量づつ噴射量を減量するとともに、該噴射量の減量の度に主噴射を所定量増量する制御であることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
5. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、
   上記早期噴射制御手段による早期噴射は、燃料を複数回に分けて噴射する分割噴射であり、
   上記補正制御手段による噴射量制御は、上記エンジンのＮＶＨに関連する値が許容範囲内に収まるまで、該早期噴射の複数回の燃料噴射のうち噴射時期の遅いものから順に所定量づつ噴射量を減量するとともに、該噴射量の減量の度に主噴射を所定量増量する制御であることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
6. 請求項１記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、
   上記補正制御手段は、上記エンジンの吸気温度が目標吸気温度に対して所定温度以上高い状態にあり、且つ、上記過早着火検出手段により過早着火が検出された場合において、上記煤推定手段により推定された煤堆積量が上記第１設定量以上で且つ該第１設定量よりも大きい第２設定量未満のときには、上記早期噴射制御手段による早期噴射を増量するとともに上記主噴射制御手段による主噴射の時期を遅角させる噴射量制御を実行するよう構成されていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
7. 請求項６記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、
   上記補正制御手段は、上記エンジンの吸気温度が目標吸気温度に対して所定温度以上高い状態にあり、且つ、上記過早着火検出手段により過早着火が検出された場合において、上記煤推定手段により推定された煤堆積量が上記第２設定量以上のときには、上記主噴射制御手段による主噴射の後に、上記燃料噴射弁より燃料をポスト噴射させる噴射量制御を実行するように構成されていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
8. 請求項２乃至７のいずれか一項に記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、
   上記補正制御手段はさらに、上記ＥＧＲ量とその目標量との差が上記所定量よりも大きい所定閾量以上であるか、又は、上記吸気温度とその目標温度との差が上記所定温度よりも大きい所定閾温度以上である場合には、上記過遅着火検出手段により過遅着火が検出されたか否かに拘わらず、上記噴射量制御又は上記噴射時期遅角制御を実行するように構成されていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御装置。

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