JP5585246B2

JP5585246B2 - 自動車搭載用ディーゼルエンジン

Info

Publication number: JP5585246B2
Application number: JP2010150151A
Authority: JP
Inventors: 英二中井; 貞治松元; 尚俊白橋; 真一森永
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2030-06-30
Also published as: DE102011105110B4; DE102011105110A1; CN102312744A; CN102312744B; US20120000441A1; JP2012012998A

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_２及びＨ_２Ｏ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_２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）
１０ＰＣＭ（噴射制御手段）
１１ａ気筒
１８インジェクタ（燃料噴射弁）

Claims

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。
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。
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。
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。
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。