JP5585246B2 - 自動車搭載用ディーゼルエンジン - Google Patents

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Description

ここに開示する技術は、自動車搭載用ディーゼルエンジンに関し、特にその燃料噴射制御に関する。
自動車に搭載されたディーゼルエンジンでは、排ガス中のNOxや煤の低減、騒音乃至振動の低減、燃費やトルクの向上等を図るため、エンジン1サイクル中に、気筒内に複数回の燃料の噴射を行うことがある。例えば特許文献1には、ディーゼルエンジンにおいて、トルク発生のためのメイン噴射、気筒を予熱するためにメイン噴射に先立ち行われるパイロット噴射、パイロット噴射とメイン噴射との間でメイン噴射による燃料の着火遅れを抑制するためのプレ噴射、メイン噴射後において排気ガス温度を上昇させるためのアフタ噴射、及び、アフタ噴射後に排気系に燃料を直接導入して触媒の昇温を図るポスト噴射の5つのタイミングで、燃料噴射を実行することが記載されている。
特開2009−293383号公報
ところで、ディーゼルエンジンの幾何学的圧縮比を、現状の15後半から17程度の圧縮比から、例えば15未満となるように大幅に低くすることによって、排気エミッション性能の向上及び熱効率の向上を図ることが考えられる。一方で、低圧縮比化されたエンジンでは、気筒内の燃料の着火性が低下してしまうという問題を抱える。
ここで本願発明者らは、低圧縮比化したディーゼルエンジンにおいては、少なくとも1回の、好ましくは複数回の前段噴射を行うことによって圧縮上死点前の所定時期に所定の熱発生率のピークを有する前段燃焼を発生させることが、主噴射によって噴射された燃料の着火遅れを短くして主燃焼を安定化させることを見いだした。
ところが、本願発明者らは、エンジンの負荷が低くなって燃料噴射量が少なくなる運転領域においては、前記の前段噴射と主噴射とを含む燃料噴射形態は、主燃焼の安定性を維持することができないことに気づいた。
ここに開示する技術は、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、自動車搭載用ディーゼルエンジンにおいて、燃料噴射量が少なくなる低負荷領域において、気筒内の燃焼の安定化を図ることにある。
本願発明者らが、前述した低負荷領域における燃焼の不安定性について検討したところ、エンジン負荷が低くなって燃料噴射量が少なくなることで、前段噴射及び主噴射のそれぞれにおいて噴射される燃料噴射量の内、前段噴射によって噴射される燃料の量が減少してしまうことに気づいた。つまり、前段噴射による燃料噴射量が少なくなることで、十分な熱発生率を有する前段燃焼を発生させることができず、その結果、主噴射によって噴射された燃料の着火遅れが長くなり、主燃焼が不安定化してしまうのである。特に、低圧縮比化されたエンジンにおいては、熱効率の向上に伴い燃料噴射量が少なく設定されていることから、エンジン負荷が低くなったときには燃料噴射量がさらに少なくなり、前記の主燃焼の不安定化が、より顕著になる。
そこで本願発明者らは、燃料噴射量が所定量よりも少なくなるような低負荷領域においては、十分な熱発生率を有する前段燃焼を確実に発生させるべく、一部の気筒に対する燃料の供給を休止する減筒運転モードを実行することによって、燃料を供給する気筒については、1気筒当たりの燃料噴射量を増やすことにした。
具体的にここに開示する技術は、自動車搭載用ディーゼルエンジンを対象とし、このディーゼルエンジンは、自動車に搭載されかつ、軽油を主成分とした燃料がそれぞれ供給される複数の気筒を有するエンジン本体と、前記エンジン本体の前記各気筒内に臨んで配設されかつ、当該気筒内に前記燃料を直接噴射する複数の燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁を通じた、前記各気筒内への前記燃料の噴射形態を制御する噴射制御手段と、を備える。
前記噴射制御手段は、少なくとも前記エンジン本体の負荷の大きさに応じて1気筒当たりの燃料噴射量を設定すると共に、設定した燃料噴射量に従って、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、前記圧縮上死点前の所定時期に熱発生率がピークとなるプレ燃焼が発生するように、前記主噴射の前に燃料を噴射する、少なくとも1回の前段噴射と、を実行しかつ、前記エンジン本体の回転数が高くなるほど、噴射と噴射との時間間隔が広がるように、前記前段噴射の回数を少なくし、前記噴射制御手段はまた、前記エンジン本体の回転数が所定回転数よりも高いときであって、前記エンジン本体が、前記1気筒当たりの燃料噴射量が所定量よりも少なくなるような低負荷の状態にあるときには、前記複数の気筒の内の一部の気筒に対する燃料供給を休止することによって、前記前段噴射の噴射量を増量する減筒運転モードを実行する。
ここで、「圧縮上死点前の所定時期に熱発生率がピークとなるプレ燃焼」は、圧縮上死点前において熱発生率が立ち上がって最大となった後、熱発生率が、一旦下がって主燃焼による熱発生率の立ち上がりが生じる場合、及び、熱発生率が立ち上がって最大となった後、熱発生率がほとんど下がることなく、主燃焼による熱発生率の立ち上がりにつながる場合の双方を含み得る。
この構成によると、圧縮上死点付近において燃料を噴射する主噴射の前に、少なくとも1回の前段噴射を実行することによって、圧縮上死点前の所定時期に熱発生率がピークとなるプレ燃焼が発生する。ここで、前段噴射は、噴射した燃料噴霧の少なくとも一部が、前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実行することが好ましい。前段噴射により噴射した燃料噴霧の実質的に全量が、キャビティ内に至ることがより好ましい。また、前記のキャビティ内において局所的に燃料をリッチにし、着火性を向上させる上で、前段噴射は、複数回、実行することが好ましく、その回数は多い方が望ましい。
こうした前段噴射の実行により、圧縮上死点前の所定時期に熱発生率がピークとなるプレ燃焼が発生し、このプレ燃焼が、主噴射によって噴射された燃料の着火遅れを短くして、主燃焼を安定化させる。
そうして1気筒当たりの燃料噴射量が所定量よりも少なくなるような、エンジン本体が低負荷の状態にあるときには、プレ噴射により噴射する燃料の量が少なくなって、十分な熱発生率を有するプレ燃焼を発生させることができずに、主噴射によって噴射された燃料の着火遅れが長くなって、主燃焼が不安定化し得るところ、前記の構成では、エンジン本体が、そうした低負荷の状態にあるときには、複数の気筒の内の一部の気筒に対する燃料供給を休止する減筒運転モードを実行する。このことは、燃料が供給される気筒については、1気筒当たりの燃料噴射量が増えることになり、プレ噴射により噴射される燃料量として十分な量を確保することを可能にする。その結果、十分な熱発生率を有するプレ燃焼を、圧縮上死点前の所定時期に発生させて、主噴射により噴射された燃料の着火遅れを短くし、主燃焼の安定化が図られ得る。
ディーゼルエンジンでは、火花点火式エンジンとは異なり、基本的に吸気を絞らないため、気筒内に吸入した空気の圧縮に伴う指圧波形(モータリング波形)が生じ得る一方で、前記の減筒運転モードはエンジン本体が低負荷の状態にあるときに実行するため、稼働している気筒において燃焼による筒内圧力の上昇は小さい。従って、指圧波形は、モータリング波形が支配的になり、その変動は概ね規則的になる。このことは、減筒運転モードにおけるNVH性能の悪化を抑制し得るという利点を生む。
前記所定量は、前記複数の気筒の全てに燃料供給を行う場合において、所定の熱発生率を有する前記プレ燃焼を発生させるために必要最低限の前段噴射の噴射量と、前記エンジン本体の負荷に応じた燃焼トルクを前記拡散燃焼により発生させるために必要最低限の主噴射の噴射量と、の合計噴射量に基づいて設定される、としてもよい。
つまり、減筒運転モードの実行要否に係るしきい値としての燃料噴射に係る所定量を、前記のように、必要最低限の前段噴射の噴射量と必要最低限の主噴射の噴射量との合計に基づいて設定する(それらの合計を所定量としてもよい)ことで、十分な熱発生率を有するプレ燃焼を確実に発生させて、主燃焼の安定化を図りつつ、必要な燃焼トルクをその主燃焼によって確保することが可能になる。
前記エンジン本体は、その幾何学的圧縮比が15未満、12以上に設定されている、としてもよい。
つまり、前記の減筒運転モードは、低圧縮比化によって着火性が比較的低くなると共に、熱効率の向上により、少ない燃料噴射量に設定されるエンジン本体において、低負荷領域での主燃焼の安定化を図る上で、特に有効である。
前記噴射制御手段は、前記減筒運転モードを実行する毎に、前記燃料供給を休止する気筒を交番させる、としてもよい。
燃料供給の休止中は、当該気筒において燃焼が行われないため、気筒内温度が低下し得る。このことは、減筒運転モードの実行条件が不成立となって通常の運転モードに復帰したときに、休止中であった気筒に供給された燃料が、気筒内温度が低すぎることで、着火し難い又は着火しなくなる状態を招き得る。
そこで、減筒運転モードを実行する毎に、燃料供給を休止する気筒を交番させることにより、同じ気筒が休止し続けることが回避され、特定の気筒内の温度が大幅に低下してしまうことを回避し得る。
前記噴射制御手段はさらに、前記エンジン本体が所定回転数以上のときに、前記減筒運転モードを実行する。
エンジン本体が所定回転数以上のときの高回転域においては、クランク角速度が高くなるため、複数回の前段噴射を行おうとしたときにその時間間隔が短くなることで、多数回の前段噴射の実行が困難となる。つまり、高回転域においては、前段噴射の回数を減らさなければならず、このことは気筒内の着火性を低下させる。その結果、前段燃焼が発生し難くなり、その熱発生率が抑制され、ひいては、主燃焼を不安定にさせ得る。
そのため、エンジン本体が低負荷でかつ高回転の状態にあるときに、前記減筒運転モードを実行することは、前段燃焼及び主燃焼の不安定性を回避し得るため、特に効果的である。
ここに開示する、前記とは別のディーゼルエンジンは、自動車に搭載されかつ、軽油を主成分とした燃料がそれぞれ供給される複数の気筒を有するエンジン本体と、前記エンジン本体の前記各気筒内に臨んで配設されかつ、当該気筒内に前記燃料を直接噴射する複数の燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁を通じた、前記各気筒内への前記燃料の噴射形態を制御する噴射制御手段と、を備え、前記エンジン本体は、その幾何学的圧縮比が15未満、12以上に設定される。
そして、前記噴射制御手段は、少なくとも前記エンジン本体の負荷の大きさに応じて1気筒当たりの燃料噴射量を設定すると共に、設定した燃料噴射量に従って、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、前記圧縮上死点前の所定時期に熱発生率がピークとなるプレ燃焼が発生するように、前記主噴射の前に燃料を噴射する、少なくとも1回の前段噴射と、を実行しかつ、前記エンジン本体の回転数が高くなるほど、噴射と噴射との時間間隔が広がるように、前記前段噴射の回数を少なくし、前記噴射制御手段はまた、前記エンジン本体の回転数が所定回転数よりも高いときであって、前記エンジン本体が、前記1気筒当たりの燃料噴射量が所定量よりも少なくなるような低負荷の状態にあるときには、前記複数の気筒の内の一部の気筒に対する燃料供給を休止することによって、前記前段噴射の噴射量を増量する減筒運転モードを実行し、前記所定量は、前記複数の気筒の全てに燃料供給を行う場合において、所定の熱発生率を有する前記プレ燃焼を発生させるために必要最低限の前段噴射の噴射量と、前記エンジン本体の負荷に応じた燃焼トルクを前記拡散燃焼により発生させるために必要最低限の主噴射の噴射量と、の合計噴射量に基づいて設定される。
以上説明したように、前記の自動車搭載用ディーゼルエンジンによると、1気筒当たりの燃料噴射量が所定量よりも少なくなるような、エンジン本体が低負荷の状態にあるときには、減筒運転モードを実行することによって、1気筒当たりの燃料噴射量を増やし、燃料が供給される稼働気筒においては、プレ噴射により噴射される燃料量を十分に確保して、十分な熱発生率を有するプレ燃焼を圧縮上死点前の所定時期に発生させ得る。その結果、主噴射により噴射された燃料の着火遅れを短くし、主燃焼の安定化が図られ得る。
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。 所定の運転領域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。 エンジン回転数に対する、1気筒当たりの必要最低限の燃料噴射量の関係を示す図である。 4気筒の内の2気筒を休止する場合の、気筒の休止動作を説明する図である。 2気筒運転時における指圧線図の一例である。 4気筒の内の1気筒を休止する場合の、気筒の休止動作を説明する図である。 所定のサイクル毎に気筒を休止する場合の、気筒休止動作を説明する図である。
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。尚、ここでは、第1〜第4気筒を含む直列4気筒エンジンとする)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。
前記シリンダヘッド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。
前記シリンダヘッド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。前記インジェクタ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。
前記エンジン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、前記エンジン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、前記各気筒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。
前記排気通路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。前記酸化触媒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及びHOが生成する反応を促すものである。また、前記フィルタ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。
前記吸気通路30における前記サージタンク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、前記排気通路40における前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。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及び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。
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前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。
そして、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が制御装置を構成する。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、及び、排気中の酸素濃度を検出するOセンサSW6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、63a、64a、65aのアクチュエータへ制御信号を出力する。
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未満とした、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。一方で、このエンジン1では、前述した大型及び小型ターボ過給機61,62によってトルクを高めるようにして、幾何学的圧縮比の低圧縮比化を補っている。但し、エンジン1の幾何学的圧縮比は、必ずしもこれに限定されるものではない。
(エンジンの燃焼制御の概要)
前記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。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を制御する。
エンジン1については、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、複数の運転領域が区画設定されており、その各運転領域毎に、互いに異なる燃料噴射形態が設定されている。図3は、比較的低負荷の運転領域における燃料噴射形態の一例と、それに伴う気筒11a内の熱発生率の履歴の一例(下図)とを示している。この領域における燃料噴射形態は、図3の上図に実線で示すように、圧縮行程中における圧縮上死点に比較的近いタイミングで、比較的短い時間間隔を空けて3回の前段噴射(プレ噴射)を実行すると共に、その後の圧縮上死点付近において主噴射を1回、実行する。つまり、この運転領域では合計4回の燃料噴射を実行する。
ここで、3回のプレ噴射の実行は共に、噴射した燃料の少なくとも一部、好ましくは実質的に全量がピストン14に形成したキャビティ内に至ることである。こうすることで、キャビティ内で燃料を局所的にリッチにすることが可能になる。こうしたプレ噴射は、図3の下図に実線で示すように、圧縮上死点前の所定の時期(例えばBTDC5°CA)に、所定の熱発生率を有するプレ燃焼を発生させ、そのことが、比較的低圧縮比に構成されていることで、気筒11a内の着火性が低下してしまう前記のディーゼルエンジン1において、主噴射により噴射された燃料の着火遅れを短くして、その後の主燃焼の安定性を高める。前記のプレ燃焼はまた、主燃焼の熱発生率の上昇を緩慢にして燃焼音を低減し、NVH性能を高める上でも有利になり得る。
エンジン1の負荷が、さらに低下した領域では、その負荷の低下に応じて1気筒当たりの総燃料噴射量(プレ噴射による噴射量と、主噴射による噴射量との合計)が減少することになる。特に低圧縮比化により熱効率が高くなって、エンジン1の総燃料噴射量は、元々少なく設定されているため、負荷の低下に伴い総燃料噴射量はさらに少なくなる。このときに、主噴射の燃料噴射量は、要求トルクが満足するように設定されるため、例えば図3の上図に一点鎖線で示すように、各プレ噴射による燃料噴射量は、総燃料噴射量が減少する分、相対的に少なくなる。このことは、図3の下図に一点鎖線で示すように、プレ燃焼の熱発生率を低下させ、そのことが、主噴射により噴射された燃料の着火遅れを長くして、着火性を低下させると共に、熱発生を抑制する。つまり、主燃焼が不安定になる。
特にエンジン回転数が高くなるほどクランク角速度が高くなり、複数回のプレ噴射における噴射と噴射との時間間隔が短くなるため、プレ噴射の回数を減らして、噴射の間隔を空ける必要がある。しかしながら、前述したように、複数回のプレ噴射はキャビティ内に局所的に燃料をリッチにすることで着火性を高めるため、プレ噴射の回数が減ることは、着火性をさらに低下させることになる。つまり、エンジンの負荷が、総燃料噴射量が所定量よりも少なくなるような低負荷のときであって、エンジン回転数が高回転になればなるほど、前述した、プレ燃焼が生成し難くなって主燃焼の不安定性は増大する。このようなエンジン1の運転状態は、例えば平坦路乃至下り勾配路を、概ね一定車速で走行しているような状態に相当し得る。
そこで、前記のエンジン1では、総燃料噴射量が減少するような、エンジン1の低負荷時には、燃料供給を行う気筒数を減らす、具体的には4気筒から2気筒にすることによって、1気筒当たりの燃料噴射量を増量させる減筒運転モードを実行する。
具体的にPCM10は、エンジン負荷等に応じて総燃料噴射量(4気筒の全てに燃料を供給するとした場合の1気筒当たりの燃料噴射量)を設定したときには、当該燃料噴射量と、予め設定した所定量とを比較する。ここで、所定量は、図4に示すように、前記プレ燃焼を確実に発生させる上で必要となる、プレ噴射による最低限の燃料噴射量(図4の破線参照)と、要求トルクを発生させる上で必要となる、主噴射による最低限の燃料噴射量(図4の破線と実線との上下方向の間隔に相当する燃料噴射量)との合計によって設定すればよい。図4に破線で示されるプレ噴射による最低限の燃料噴射量は、エンジン回転数が高くなるにつれて、プレ噴射の回数が減ることを補うように増大すると共に、所定回転数以上のときは概ね一定となるような特性を有する。また、主燃焼による最低限の燃料噴射量も、プレ噴射による最低限の燃料噴射量と同様の特性を有する。従って、図4に実線で示される前記の所定量は、エンジン回転数が高くなるにつれて、次第に増大するような特性を有している。
そうして、図4に黒丸で示すように、エンジン負荷に応じて設定した総燃料噴射量が、所定量を下回るときには、主燃焼が不安定になることから、減筒運転モードを実行する。これによって、燃料が供給される気筒数が4気筒から2気筒に減るため、図4に白抜きの矢印で示すように、1気筒当たりの燃料噴射量が増大して(ここでは、おおよそ2倍に増えて)白丸の状態となる。その結果、前述したように、十分な熱発生率を有するプレ燃焼が、圧縮上死点前の所定の時期に発生して主燃焼の安定化、ひいてはトルクの安定化が図られる。
ここで、減筒運転モードの実行要否の判定においては、エンジン回転数が所定回転数よりも高いという条件を含めてもよい。前述したように、エンジン回転数が高く、プレ噴射の回数を減らさなければならない場合に、特に主燃焼の不安定性が問題になるためである。
減筒運転モードでは、前述したように、エンジン1が有する4つの気筒の内、2つの気筒に対する燃料供給を休止して、2つの気筒のみで運転をする。具体的には図5に示すように、第1、第3、第4、第2の順番で燃焼を行う4気筒エンジン1において、燃料が供給されて稼働する気筒11aと、燃料が供給されずに休止する気筒11aとが交互になるように、第1及び第4気筒については燃料を供給する一方、第2及び第3気筒については燃料の供給を休止する。このことにより気筒11aの休止が規則的になるため、減筒運転モードにおけるNVH性能の低下を抑制する上で有利になる。
また、ディーゼルエンジン1においては、図6に指圧波形の一例を示すように、火花点火式エンジンとは異なり、スロットル弁36が全開であるため、気筒11a毎に、吸入空気の圧縮が行われ、それによってモータリング波形が生じる。その一方で、前述したように減筒運転モードは、総燃料噴射量が所定量を下回るような低負荷の領域で実行されるモードであり、燃焼による筒内圧力の上昇は、図6に一点鎖線で示すように、ほとんどない。このため、減筒運転モードにおいて、指圧の変化はモータリングが支配的になるため、一部の気筒11aを休止していても、その変化は、ほぼ規則的になる。このことは、減筒運転モードにおいてNVH性能が悪化してしまうようなことを回避し得ることになる。
減筒運転モードの最中に、例えば負荷が高まること等によって減筒運転モードの実行条件が成立しなくなったときには、PCM10は、減筒運転モードから、通常の運転モード、つまり4気筒運転に切り替える。その後、再度、減筒運転モードを実行するときには、図5に示すように、燃料の供給を停止する気筒11aを、前回の減筒運転モード時における第2及び第3気筒から、第1及び第4気筒に変更する。つまり、PCM10は、減筒運転モードを実行する毎に、燃料供給を休止する気筒11aを交番させる。このことは、減筒運転モード中に燃料の供給を停止することに伴い、気筒11a内の温度が下がりすぎることを未然に回避し、休止状態から稼働状態へと変更したときの、当該気筒11aの着火性を確保する上で有利になる。
すなわち、このエンジン1は自己着火のディーゼルエンジンであり、燃料の着火性を確保する上で、気筒内温度は極めて重要である。一方で、減筒運転モード中に、燃料の供給が休止している気筒11aは燃焼が起こらないため、気筒内温度は時間の経過と共に下がることになる。そのため、休止状態が実質的に長く続いて筒内温度が低下してしまうことを回避すべく、減筒運転モードを実行する毎に、燃料供給を休止する気筒11aを交番させる。このことは、エンジン1の安定運転の上で有利になる。
このように、このエンジン1では、主噴射の前に複数回のプレ噴射を実行することにより、圧縮上死点前の所定の時期に、所定の熱発生率を有するプレ燃焼を発生させることが可能になり、このことが、低圧縮比エンジン1における着火性を高めて、主燃焼を安定化させる(図3の実線参照)。
そうして、エンジン1の負荷が低下して、1気筒当たりの燃料噴射量が所定量を下回るときには、一部の気筒(ここでは2気筒)に対する燃料の供給を休止することによって、燃料を供給する気筒について、1気筒当たりの燃料噴射量を増やす。このことで、所定の熱発生率を有するプレ燃焼が確実に発生するようになり、これにより、低負荷時においても着火性を高めて、主燃焼を安定化させることが可能になる。特に低圧縮比エンジン1では、総燃料噴射量が少なく設定されるため、減筒運転モードによって主燃焼を安定化させることが、効果的である。
こうした減筒運転は、火花点火式エンジンにおいては、特定の気筒における燃焼が行われない分、通常運転と比較して指圧波形が不規則になり、NVH性能を低下させるが、前述したように、ディーゼルエンジン1ではモータリング波形が生じると共に、前記の減筒運転モードは、エンジン1が低負荷であるときに実行されることで、指圧波形はモータリング波形が支配的になり、概ね規則的になる。また、2気筒運転とすることも、指圧波形を規則的にする上で有利である。その結果、前述した減筒運転モードにおいても、NVH性能を悪化することが回避され得る。また特に、エンジン1が高回転であるときに、減筒運転モードを実行するようにすれば、NVH性能の悪化は、さらに抑制され得る。
また、減筒運転モードを実行する毎に燃料供給を休止する気筒を交番させることは、特定の気筒11aの温度低下を抑制して、エンジン1の安定運転の点で有利になり得る。
尚、ここでは減筒運転モードを実行する毎に休止気筒を変更するようにしているが、例えば減筒運転モードが長時間継続することによって、燃料供給を休止している気筒11aの温度が大きく低下してしまう虞があるときには、そのモードの最中において、燃料供給を休止する気筒11aを切り替えるようにしてもよい。この場合、気筒11a内の温度を計測乃至推定することによって、休止気筒の切り替えを行ってもよいし、気筒11aの休止時間に基づいて、休止気筒の切り替えを行ってもよい。
また、ここでは、減筒運転モードでは2気筒運転をするようにしているが、例えば、図7に示すように、減筒運転モードにおいては、1気筒のみを休止して3気筒運転としてもよい。この場合においても、同図に示すように、減筒運転モードを実行する毎に、休止する気筒11aを変更することが、気筒内の温度低下を抑制する上で有利になる。また、3気筒運転においても、減筒運転モードの実行最中に、休止気筒を変更してもよい。
さらに、図6や図7に示すように減筒運転モードにおいて休止する気筒11aを、特定の気筒に設定するのではなく、図8に示すように、所定サイクル(ここでは4サイクル)毎に、1回、気筒11aを休止するように構成してもよい。こうすることで休止する気筒11aが順次変更されることになり、特定の気筒11aの筒内温度が低下してしまうことを回避することが可能になる。
尚、前述した燃料噴射形態は一例であり、これに限定されるものではない。例えば前段噴射(プレ噴射)の回数は3回に限定されず、適宜の範囲で増減させることが可能である。また、エンジン1の気筒数や、エンジン1の形式も、特に限定されるものではない。
1 ディーゼルエンジン(エンジン本体)
10 PCM(噴射制御手段)
11a 気筒
18 インジェクタ(燃料噴射弁)

Claims (5)

  1. 自動車に搭載されかつ、軽油を主成分とした燃料がそれぞれ供給される複数の気筒を有するエンジン本体と、
    前記エンジン本体の前記各気筒内に臨んで配設されかつ、当該気筒内に前記燃料を直接噴射する複数の燃料噴射弁と、
    前記燃料噴射弁を通じた、前記各気筒内への前記燃料の噴射形態を制御する噴射制御手段と、を備え、
    前記噴射制御手段は、少なくとも前記エンジン本体の負荷の大きさに応じて1気筒当たりの燃料噴射量を設定すると共に、設定した燃料噴射量に従って、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、前記圧縮上死点前の所定時期に熱発生率がピークとなるプレ燃焼が発生するように、前記主噴射の前に燃料を噴射する、少なくとも1回の前段噴射と、を実行しかつ、前記エンジン本体の回転数が高くなるほど、噴射と噴射との時間間隔が広がるように、前記前段噴射の回数を少なくし
    前記噴射制御手段はまた、前記エンジン本体の回転数が所定回転数よりも高いときであって、前記エンジン本体が、前記1気筒当たりの燃料噴射量が所定量よりも少なくなるような低負荷の状態にあるときには、前記複数の気筒の内の一部の気筒に対する燃料供給を休止することによって、前記前段噴射の噴射量を増量する減筒運転モードを実行する自動車搭載用ディーゼルエンジン。
  2. 請求項1に記載の自動車搭載用ディーゼルエンジンにおいて、
    前記所定量は、前記複数の気筒の全てに燃料供給を行う場合において、所定の熱発生率を有する前記プレ燃焼を発生させるために必要最低限の前段噴射の噴射量と、前記エンジン本体の負荷に応じた燃焼トルクを前記拡散燃焼により発生させるために必要最低限の主噴射の噴射量と、の合計噴射量に基づいて設定される自動車搭載用ディーゼルエンジン。
  3. 請求項1又は2に記載の自動車搭載用ディーゼルエンジンにおいて、
    前記エンジン本体は、その幾何学的圧縮比が15未満、12以上に設定されている自動車搭載用ディーゼルエンジン。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の自動車搭載用ディーゼルエンジンにおいて、
    前記噴射制御手段は、前記減筒運転モードを実行する毎に、前記燃料供給を休止する気筒を交番させる自動車搭載用ディーゼルエンジン。
  5. 自動車に搭載されかつ、軽油を主成分とした燃料がそれぞれ供給される複数の気筒を有するエンジン本体と、
    前記エンジン本体の前記各気筒内に臨んで配設されかつ、当該気筒内に前記燃料を直接噴射する複数の燃料噴射弁と、
    前記燃料噴射弁を通じた、前記各気筒内への前記燃料の噴射形態を制御する噴射制御手段と、を備え、
    前記エンジン本体は、その幾何学的圧縮比が15未満、12以上に設定され、
    前記噴射制御手段は、少なくとも前記エンジン本体の負荷の大きさに応じて1気筒当たりの燃料噴射量を設定すると共に、設定した燃料噴射量に従って、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、前記圧縮上死点前の所定時期に熱発生率がピークとなるプレ燃焼が発生するように、前記主噴射の前に燃料を噴射する、少なくとも1回の前段噴射と、を実行しかつ、前記エンジン本体の回転数が高くなるほど、噴射と噴射との時間間隔が広がるように、前記前段噴射の回数を少なくし、
    前記噴射制御手段はまた、前記エンジン本体の回転数が所定回転数よりも高いときであって、前記エンジン本体が、前記1気筒当たりの燃料噴射量が所定量よりも少なくなるような低負荷の状態にあるときには、前記複数の気筒の内の一部の気筒に対する燃料供給を休止することによって、前記前段噴射の噴射量を増量する減筒運転モードを実行し、
    前記所定量は、前記複数の気筒の全てに燃料供給を行う場合において、所定の熱発生率を有する前記プレ燃焼を発生させるために必要最低限の前段噴射の噴射量と、前記エンジン本体の負荷に応じた燃焼トルクを前記拡散燃焼により発生させるために必要最低限の主噴射の噴射量と、の合計噴射量に基づいて設定される自動車搭載用ディーゼルエンジン。
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