JP5601049B2 - 自動車搭載用ターボ過給機付ディーゼルエンジン - Google Patents

Description

ここに開示する技術は、自動車搭載用ターボ過給機付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、ターボ過給機付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、トルクの向上を目的の一つとして、ターボ過給機を備えたターボ過給機付ディーゼルエンジンにおいて、高負荷（全負荷）領域では、トルクの増大を優先させる観点から、前述したような５回の噴射を行うのではなく、噴射回数を減らしつつ、主噴射による燃料噴射量を増大させることが考えられる。

しかしながら、主噴射による燃料噴射量を増大させることは、その主噴射に伴う主燃焼の熱発生率（ｄＱ／ｄθ）を急峻にすると共に、燃焼圧を高くするから、燃焼音、特に低周波数の音乃至振動を増大させて、ＮＶＨ性能を低下させるという問題がある。また、高負荷領域内でも相対的に回転数の低い領域では、ＮＶＨ性能が問題となり易い。

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、自動車搭載用ターボ過給機付ディーゼルエンジンにおいて、高負荷の運転領域において、高トルクの確保と共に、ＮＶＨ性能の向上を図ることにある。

ここに開示する技術は、自動車搭載用ターボ過給機付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供給される、ターボ過給機付エンジン本体と、前記エンジン本体の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燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁を通じた、前記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、前記エンジン本体が高負荷でかつ、少なくとも低回転乃至中回転である所定の運転領域にあるときには、前記噴射制御手段は、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、当該主噴射よりも前のタイミングで燃料を噴射する前段噴射と、を実行する。

前記噴射制御手段はまた、前記所定の運転領域内における相対的に低回転の第１領域では、１回の前段噴射と、２回に分割した主噴射との合計３回の燃料噴射を実行すると共に、相対的に高回転の第２領域では、１回の前段噴射と、１回の主噴射との合計２回の燃料噴射を実行し、前記噴射制御手段はさらに、前記所定の運転領域に対し低負荷側に隣接する第３領域では、２回又は１回の前段噴射と１回の主噴射とを実行する。

ここで、「主噴射の分割」は、トルク発生のための燃料噴射を、複数回に分けて行うことであり、分割した主噴射は、圧縮上死点付近において続けて実行され得ると共に、分割した主噴射同士の間隔は、複数回の燃料噴射による熱発生率が連続するように、比較的狭く設定され得る。

この構成によると、エンジン本体が高負荷でかつ低回転乃至中回転である所定の運転領域にあるときには、負荷の低い領域と比較して燃料噴射量が増大し、燃焼音ひいてはＮＶＨ性能の観点では不利になり得る。特にこのエンジン本体はターボ過給機付であり、高負荷の領域において高トルク化しているため、ＮＶＨ性能は低下し易い。

この所定の運転領域において、相対的に高回転の第２領域では、噴射制御手段は、圧縮上死点付近において燃料を噴射する主噴射と、それよりも前のタイミングで燃料を噴射する前段噴射とを実行する。これにより、高いトルクを確保し得る。

一方、前記所定の運転領域において、相対的に低回転の第１領域では、噴射制御手段は、前記第２領域と同様に前段噴射と主噴射とを実行する一方で、その主噴射の回数が第２領域での主噴射の回数よりも増えるように、主噴射を分割して実行する。主噴射の分割は、１回当たりの主噴射によって噴射される燃料噴射量を少なくして、主燃焼の熱発生率の上昇を緩慢にすると共に、その燃焼圧（筒内最高圧力）を抑制する。その結果、燃焼音の低減及びＮＶＨ性能の向上に有利になり得る。また、主噴射を分割して行うことは、主燃焼を継続させることにもなるから、高トルクの確保の点でも有利になり得る。従って、特にＮＶＨ性能が問題となり易い相対的に低回転側の第１領域において、高トルクの確保とＮＶＨ性能の向上とが共に達成し得る。

また、第１領域では、１回の前段噴射と、２回に分割した主噴射との合計３回の燃料噴射を実行すると共に、前記第２領域では、１回の前段噴射と、１回の主噴射との合計２回の燃料噴射を実行して、燃料噴射の回数を可及的に少なくすることは、燃料噴射の精度を高めて、ロバスト性の向上に寄与し得る。

前記噴射制御手段は、前記第１領域での前記前段噴射と主噴射との間隔を、前記第２領域での前記前段噴射と主噴射との間隔よりも短く設定する。

このことにより、第１領域では、前段噴射と主噴射との間隔（尚、第１領域では主噴射は分割されているため、ここでは最初に実行される主噴射と前段噴射との間隔とする）が相対的に短く、前段噴射は圧縮上死点に近いタイミングで実行されることになる。こうした前段噴射は、いわゆるプレ噴射であり、主噴射によって噴射される燃料の着火遅れを短くして、熱発生率の急上昇を抑制し得る。このことはＮＶＨ性能の向上に寄与し得る。

これに対し、第２領域では、前段噴射と主噴射との間隔が相対的に長く、前段噴射は圧縮上死点から離れたタイミングで実行されることになる。こうした前段噴射は、いわゆるパイロット噴射であり、燃料の予混合性を高めて煤の発生を抑制する上で有利になり得る。つまり、第２領域は、相対的に回転数が高く、燃料噴射量が増大して煤の発生について不利であると共に、ターボ過給機による過給遅れが生じる場合もあって、煤の発生についてはさらに不利になり得る。そのため、前段噴射（パイロット噴射）の実行によって、煤の発生を抑制することは、この第２領域において特に有効となり得る。

前記噴射制御手段は、前記第１領域での主噴射のタイミングを、前記第２領域での主噴射のタイミングよりも早いタイミングに設定する。尚、ここで言う「第１領域での主噴射のタイミング」は、分割実行される主噴射の内、最初の主噴射のタイミングを言う。

つまり、主噴射を分割して行う第１領域では、相対的に早いタイミングで主噴射を開始しつつ、その主噴射を複数回実行することにより、熱発生率の上昇を緩やかにしつつ、高トルクを確保し得る。一方、第２領域では、相対的に遅いタイミングで主噴射を実行することにより、熱効率を高めて、高トルクの確保及び燃費の向上を図り得る。

前記噴射制御手段は、前記第１領域での主噴射のタイミングを、前記第３領域での主噴射のタイミングよりも早いタイミングに設定する、としてもよい。

以上説明したように、前記の自動車搭載用ターボ過給機付ディーゼルエンジンによると、所定の運転領域（高負荷でかつ低回転乃至中回転の運転領域）にあるときには、前段噴射と主噴射とを実行すると共に、相対的に低回転の領域では、主噴射を分割して実行することにより、高トルクを確保しながら、ＮＶＨ性能を向上し得る。

ターボ過給機付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。 ディーゼルエンジンの状態に応じた、インジェクタの燃料噴射モードのマップの一例である。 領域Ａ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。 領域Ｂ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。 領域Ｃ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。 領域Ｄ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。 領域Ｅ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。 領域Ｆ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。 領域Ｇ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。 領域Ｈ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。 φ−Ｔマップの一例である。 領域Ｆと領域Ｇとのそれぞれにおける、筒内圧の変化の一例を比較する図である。

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）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。尚、ＶＶＭ７１による内部ＥＧＲ制御は、主に燃料の着火性が低いエンジン１の冷間時に行われる。

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の冷間時に各気筒１１ａ内の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以下とした、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。

（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。

図３は、エンジン１の温間時の、エンジンの状態に応じたインジェクタ１８の燃料噴射モードを示すマップである。図３に示すように、エンジン１は、温間時には、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、Ａ〜Ｈの９個（この内、Ｂの運転領域は２個存在している）の運転領域が設定されており、各運転領域毎に燃焼モードが設定されている。

ここで、図３における、領域Ａ，Ｄ，Ｅの、相対的に負荷が低くかつ回転数が低い領域においては、前記排気ガス還流弁５１ａ及びスロットル弁３６の開度の制御により、気筒１１ａ内には比較的大量の外部ＥＧＲガスが導入されて、排気エミッション（ＮＯｘ）の向上が図られている。この大量の外部ＥＧＲガスの導入と、前述したようにエンジン１が低圧縮比であることとが相俟って、これらの運転領域では特に、気筒１１ａ内は燃料の着火性が低下した状態となり得る。

以下、各運転領域の燃料噴射形態について、図４〜１１を参照しながら説明する。尚、図４〜図１１に示す燃料噴射量や熱発生率は、これらの図を相互に比較したときに、必ずしも、相対的な燃料噴射量の大小や熱発生率の大小を示してはいない。

先ず、図４は、運転領域Ａにおける燃料噴射形態（上図）及びそれに伴う気筒１１ａ内の熱発生率の履歴の一例（下図）を示している。運転領域Ａは、アイドル領域を含む、相対的に低回転でかつ低負荷の運転領域である。この領域Ａにおける燃料噴射形態は、圧縮上死点前の圧縮行程中において、比較的噴射量の多い燃料噴射（プレ噴射）を、所定の時間間隔を空けて２回実行すると共に、圧縮上死点後に、比較的パルス幅の短い主噴射を実行し、さらにその後に、１回の燃料噴射を実行する。従って、この運転領域Ａでは、合計４回の燃料噴射を実行する。

図５は、運転領域Ｂにおける燃料噴射形態（上図）及びそれに伴う気筒１１ａ内の熱発生率の履歴の一例（下図）を示している。運転領域Ｂは、運転領域Ａよりも相対的に高回転側の運転領域、又は、運転領域Ａよりも相対的に高負荷側の運転領域である。この運転領域Ｂでは、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２回の燃料噴射（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、運転領域Ｂでは合計３回の燃料噴射を実行する。２回のプレ噴射の実行は、十分な熱発生率を有するプレ燃焼（前段燃焼）を、圧縮上死点前の所定の時期に発生させ、そのことが、その後の主燃焼の安定性を高めると共に、その熱発生率の上昇を緩慢にさせる。このように熱発生率の急上昇を回避することは、燃焼音を低減して、ＮＶＨ性能を高める上で有利になり得る。

図６は、運転領域Ｃにおける燃料噴射形態（上図）及びそれに伴う気筒１１ａ内の熱発生率の履歴の一例（下図）を示している。運転領域Ｃは、運転領域Ｂよりも相対的に高回転側でかつ、相対的に高負荷側の運転領域である。この運転領域Ｃでは、圧縮行程中において、１回の燃料噴射（プレ噴射）を実行すると共に、圧縮上死点付近において主噴射を実行することで、合計２回の燃料噴射を実行する。運転領域Ｃは、運転領域Ｂと比較して高回転でかつ高負荷であり、十分な過給量が得られると共に、燃料噴射量も増大している。このため、運転領域Ｃでは、筒内温度が高くなって、運転領域Ｂよりも燃料の着火性は向上しており、プレ噴射の回数を減らしても、運転領域Ｂと同様に、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得る。つまり、運転領域Ｂと運転領域Ｃとで、プレ燃焼の高さ（熱発生率）やそのピークの位置は、互いにほぼ同じになるように、各領域Ｂ，Ｃにおけるプレ噴射が設定、具体的には、プレ噴射の回数が増減される。その結果、運転領域Ｃにおいても、主燃焼の安定性が高まると共に、その熱発生率が急上昇することを回避して、ＮＶＨ性能を高める上で有利になり得る。

このように、運転領域Ａよりも運転領域Ｂ、また、運転領域Ｂよりも運転領域Ｃのように、エンジン１の回転数が高くなるほど、また、エンジン１の負荷が高くなるほど、燃料噴射の回数は少なくなるように設定されている。これは、エンジン１の回転数が高くなるほど、また、負荷が高くなるほど、燃料噴射量は増大することで燃料の着火には有利になるため、燃料噴射の回数を減らしても所望の燃焼形態を達成し得る一方で、燃料噴射の回数を減らすことは燃料の噴射精度を高めて、ロバスト性の向上に寄与するためでもある。

図７は、運転領域Ｄにおける燃料噴射形態（上図）及びそれに伴う気筒１１ａ内の熱発生率の履歴の一例（下図）を示している。運転領域Ｄは、エンジンの回転数を低回転側と高回転側との２つに分けた場合の低回転側の領域内における相対的に高回転の領域である。運転領域Ｄは、一例として、但しこれに限定されないが、１６００〜２２００ｒｐｍ程度の回転数領域に相当する。運転領域Ｄはまた、負荷としては部分負荷（中負荷）の領域である。この運転領域Ｄでは、圧縮行程中において２回の燃料噴射を実行する。この内、最初の燃料噴射は、圧縮上死点に対して相対的に離れた、換言すれば比較的早いタイミングで実行されるパイロット噴射である一方、２回目の噴射は、圧縮上死点に近いタイミングで実行されるプレ噴射である。パイロット噴射の実行は、燃料の予混合性を高めて煤の発生を抑制する上で有利になり得る。つまり、前述したように運転領域Ｄは、大量の外部ＥＧＲガスが導入されていると共に、後述する運転領域Ｅと比較して低負荷の領域であるため過給量も少なく、煤の発生に関しては不利な状態である。このため、パイロット噴射の実行によって、煤の発生を効果的に抑制し得る。

また、運転領域Ｄは、前述したように大量の外部ＥＧＲガスが導入されていると共に、そもそもエンジン１の幾何学的圧縮比が低圧縮比化されている上に、過給量も少ないため、気筒１１ａ内の燃料の着火性は低くなる領域である。そのため、前段噴射としてのパイロット噴射及びプレ噴射の組み合わせは、主燃焼前に十分なプレ燃焼を発生させて、圧縮上死点付近における主噴射によって噴射された燃料の着火遅れを短くして、熱発生率の急上昇を抑制し得る。このことはＮＶＨ性能の向上に寄与し得る。

運転領域Ｄではまた、主噴射の後に後段噴射（アフタ噴射）を１回実行する。このアフタ噴射は、主燃焼の最中、言い換えると主燃焼によって熱発生している最中に実行される燃料噴射であり、アフタ噴射によって噴射された燃料噴霧の少なくとも一部は、圧縮上死点後で下降しているピストン１４のキャビティ内に至る。好ましくは、アフタ噴射によって噴射された燃料噴霧の大部分がキャビティ内に至ることである。このアフタ噴射は、主燃焼を促進して後燃え期間を短縮させる。すなわち、図７の下図において実線で示す波形は、アフタ噴射を実行する場合の波形の例、一点鎖線で示す波形はアフタ噴射を実行しない場合の波形の例であるが、アフタ噴射の実行は、主燃焼の立ち上がりに対しては何の影響を与えることなく、その燃焼期間を短くすることを可能にする。このことは、トルク向上に有利になり、ひいては燃費の向上に寄与し得る。

図８は、運転領域Ｅにおける燃料噴射形態（上図）及びそれに伴う気筒１１ａ内の熱発生率の履歴の一例（下図）を示している。運転領域Ｅは、運転領域Ｄに隣接する、相対的に高負荷側の領域である。従って、運転領域Ｅは、エンジン１の回転数を低回転側と高回転側との２つに分けた場合の低回転側の領域内における相対的に高回転の領域であって、部分負荷（中負荷）の領域に相当する。運転領域Ｅでは、圧縮行程中においてプレ噴射を１回実行する。従って、運転領域Ｄと比較して、パイロット噴射を省略しており、前段噴射の回数は減っている。運転領域Ｅは、相対的に負荷が高いことで過給量が増大していると共に、燃料噴射量も相対的に多く、着火性は運転領域Ｄよりも改善している。前段噴射の回数を減少させることは、過剰な前段噴射に起因するプレ燃焼の熱発生率が高くなりすぎることを未然に回避して、ＮＶＨ性能の低下を回避する上で有利になる。すなわち、過剰な前段噴射は、主燃焼の前に、高い熱発生率のピークを有するプレ燃焼を発生させることになり、このプレ燃焼の高いピークと主燃焼のピークとの２つのピークが発生することで、特に低周波の燃焼騒音の点で不利になる。前述したように、運転領域Ｅにおけるパイロット噴射の省略は、プレ燃焼のピークを抑えて、ＮＶＨ性能を向上し得るのである。

運転領域Ｅではさらに、主噴射の後に、第１のアフタ噴射及び第２のアフタ噴射の２回のアフタ噴射を実行する。この内、第１のアフタ噴射は、主噴射の後の相対的に早いタイミングで実行する噴射であり、運転領域Ｄにおけるアフタ噴射と同様に、この第１のアフタ噴射によって噴射された燃料噴霧の少なくとも一部は、圧縮上死点後で下降しているピストン１４のキャビティ内に至る。第１のアフタ噴射は、その燃料噴霧の大部分がキャビティ内に至るようなタイミングとすることが好ましい。このことにより、前述したように、主燃焼を促進して、その燃焼期間が短縮し得る（図８の下図の一点鎖線を参照）。

一方、第２のアフタ噴射は、第１のアフタ噴射後の、相対的に遅いタイミングで実行する噴射である。第２のアフタ噴射は、主燃焼を継続させるようなタイミング（遅角限界）でかつ、燃料噴霧が、下降しているピストン１４のキャビティ外に至るようなタイミング（進角限界）で実行する噴射である。第２のアフタ噴射は、主燃焼を継続させて、気筒１１ａ内の温度の低下を抑制し、膨張行程中の気筒１１ａ内の温度を高い温度のままに保持する機能を有しており、これによって、燃焼後期において煤の酸化を促進する。

つまり、運転領域Ｅは、運転領域Ｄよりも負荷が高く、燃料の噴射量は増大する一方で、前述したようにパイロット噴射を省略している分、煤が発生し易くなる。また、図７、８を比較すると明らかなように、トルク向上の観点から、主噴射のタイミングは、運転領域Ｅの方が運転領域Ｄよりも早いタイミングに設定されており、このこともまた、煤の発生の点で不利である。さらに、前記の第１のアフタ噴射の実行は、主燃焼の期間内において燃料を追加で噴射することであるから、このことも、煤の発生の点では不利である。

これに対し第２のアフタ噴射は、前述したように、主燃焼を継続させるようにして、気筒内の温度の低下を抑制し、膨張行程中の気筒内の温度を高い温度のままに保持する。このことは、換言すれば、気筒内の温度が次第に低下する燃焼後期に、例えば図１２に一例を示すφ−ＴマップにおいてＯＨ帯に留まる時間を長くすることである。また、第２のアフタ噴射は、その燃料噴霧がキャビティ外に至るタイミングで実行するため、キャビティ外の空気の利用率が高まる。従って、気筒１１ａ内を高温に保持することと、キャビティ外の空気の利用率が高まることとが組み合わさって、燃焼後期に煤の酸化が促進する。このことは、煤の発生に関して不利な運転領域Ｅにおいて、煤の排出を可及的に低減し得る。

図９は、運転領域Ｆにおける燃料噴射形態（上図）及びそれに伴う気筒１１ａ内の熱発生率の履歴の一例（下図）を示している。運転領域Ｆは、高負荷（全負荷）領域における、相対的に低回転側の領域であり、第１領域に相当する。この運転領域Ｆでは、圧縮行程中において、１回の燃料噴射（プレ噴射）を実行すると共に、主噴射を２回に分割して実行する。つまり、圧縮上死点付近における第１の主噴射と、その後の第２の主噴射との２回の主噴射を行うことで、この運転領域Ｆでは、合計３回の燃料噴射が実行される。

運転領域Ｆは負荷が高いため燃料噴射量は増大するが、大量の燃料を１回の主噴射で筒内に供給したのでは、熱発生率が急峻になると共に燃焼圧が高くなりすぎるため、燃焼音、ひいてはＮＶＨ性能（特に振動）の点で不利になり得る。特にこのエンジン１は、ターボ過給機付で、高負荷領域において高トルク化を図っているため、ＮＶＨ性能は低下し易いと共に、この運転領域Ｆは、エンジン回転数が比較的低い領域であることから、ＮＶＨ性能に関しては不利な状況でもある。そこで、運転領域Ｆでは、主噴射を複数回、ここでは２回に分割することによって、１回当たりの燃料噴射量を少なくする。このことと、前記プレ噴射を行いプレ燃焼を発生させることと、によって、熱発生率の急上昇を回避すると共に、燃焼圧が高くなってしまうことを抑制する。その結果、ＮＶＨ性能の向上に有利になり得る。一方で、主噴射を分割することは、その分、主燃焼の期間を長くすることになるため、トルクの向上の点では有利になり得る。図９の下図に示すように、第１の主噴射による熱発生率と、第２の主噴射による熱発生率とは連続するようになり、それらのピークが並ぶようになって、主燃焼の期間が実質的に長くなっている。よって、高負荷でかつ相対的に低回転の運転領域Ｆにおいて、高トルクの確保とＮＶＨ性能の向上とが共に達成し得る。

図１０は、運転領域Ｇにおける燃料噴射形態（上図）及びそれに伴う気筒１１ａ内の熱発生率の履歴の一例（下図）を示している。運転領域Ｇは、高負荷（全負荷）領域における、運転領域Ｆよりも高回転側の領域であり、第２領域に相当する。この運転領域Ｇでは、圧縮行程中において、１回の燃料噴射（パイロット噴射）を実行すると共に、圧縮上死点付近で主噴射を１回実行することによって、この運転領域Ｇでは、合計２回の燃料噴射を実行する。

運転領域Ｆは負荷が高くかつ、回転数も高いため、燃料噴射量が増大し煤の発生については不利な領域である。また、加速時等において過給遅れが生じ得る領域でもあり、煤の発生については、さらに不利になり得る。そのため、前段噴射としてパイロット噴射を実行することにより、燃料の予混合性を高めて煤の発生の点で有利にしつつ、燃料噴射回数を、パイロット噴射及び主噴射の２回だけにすることで、主噴射時の燃料噴射量を十分に確保して、高トルクを確保し得る。

ここで、運転領域Ｆと運転領域Ｇとは、同じ高負荷の領域であるものの、回転数域が互いに相違している。低回転側の運転領域Ｆでは、前述の通り、ＮＶＨ性能をより高めることが要求される。この点について、図１３を参照しながら説明する。図１３は、運転領域Ｆと運転領域Ｇとにおける、筒内圧の変化を比較する図である。運転領域Ｇの燃料噴射形態は、前述したように、パイロット噴射と１回の主噴射とからなる（図１３の中図参照）ため、そのときの筒内圧は、同図の上図において一点鎖線で示すように、圧縮上死点後において比較的高いピークが発生することになる。こうしたピークの発生は、ＮＶＨ、特に振動の点では不利である。これに対し、運転領域Ｆの燃料噴射形態は、前述したように、プレ噴射と２回に分割した主噴射とからなる（図１３の下図参照）ため、そのときの筒内圧は、同図の上図において実線で示すように明確なピークが発生せず、モータリング波形と大きな相違はない。このことは、エンジン１の振動を低減して、ＮＶＨ性能を高める上で、特に有利である。

図１１は、運転領域Ｈにおける燃料噴射形態（上図）及びそれに伴う気筒１１ａ内の熱発生率の履歴の一例（下図）を示している。運転領域Ｈは、高負荷（全負荷）領域において、運転領域Ｇよりもさらに高回転側の領域である。この運転領域Ｈでは、圧縮上死点付近で主噴射を１回だけ実行する。つまり、この運転領域Ｈでは、特にロバスト性を高めつつ、出力を高めて最高トルクを確保する。

尚、前述した各運転領域における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。例えば前段噴射の回数、後段噴射の回数及び主噴射の回数を、適宜の範囲で増減させることが可能である。

このように、エンジン１が高負荷でかつ相対的に高回転の運転領域Ｇにあるときには、パイロット噴射を実行することにより、煤の発生に関して不利な運転領域Ｇにおいて燃料の予混合性を高めて、煤の発生を抑制し得る。一方で、この運転領域Ｆでは、燃料噴射回数を２回に制限していることで、圧縮上死点付近の主噴射の燃料噴射量を十分に確保して、高いトルクを、確実に確保し得る。

これに対し、エンジン１が高負荷でかつ相対的に低回転の運転領域Ｆにあるときには、プレ噴射と２回に分割した主噴射とを実行することにより、熱発生率の急上昇や、燃焼圧が高くなってしまうことを回避して、ＮＶＨ性能の向上の点で有利になり得る。また、主噴射を分割して行うことによって、主燃焼の期間を長く継続させることが可能になるから、高トルクの確保の点でも有利になり得る。その結果、特にＮＶＨ性能が問題となり易い、相対的に低回転側の運転領域Ｆにおいて、高トルクの確保とＮＶＨ性能の向上とが共に達成し得る。

また、運転領域Ｆでの主噴射のタイミング（図９参照）と、運転領域Ｇでの最初の主噴射のタイミング（図１０参照）とを比較すると、運転領域Ｆでの主噴射のタイミングの方が、運転領域Ｇでの主噴射のタイミングよりも早い。つまり、運転領域Ｆでは、主噴射の開始を早くすると共に、複数回の主噴射によって燃料噴射の期間を実質的に長くすることで、発生率の上昇を緩やかにしつつ、高トルクを確保し得る。一方、運転領域Ｆでは、相対的に遅いタイミングで１回の主噴射を実行することにより、熱効率を高めて、高トルクを確保及び燃費の向上を図り得る。

また、運転領域Ｆでは合計３回の燃料噴射を実行し、運転領域Ｇでは合計２回の燃料噴射を実行することによって、燃料噴射の回数を可及的に少なくして、燃料噴射の精度を高めて、ロバスト性の向上に有利になり得る。

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）
６１ 大型ターボ過給機
６２ 小型ターボ過給機

Claims (2)

1. 自動車に搭載されかつ軽油を主成分とした燃料が供給される、ターボ過給機付エンジン本体と、
   前記エンジン本体の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燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁を通じた、前記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、
   前記エンジン本体が高負荷でかつ、少なくとも低回転乃至中回転である所定の運転領域にあるときには、前記噴射制御手段は、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、当該主噴射よりも前のタイミングで燃料を噴射する前段噴射と、を実行し、
   前記噴射制御手段はまた、前記所定の運転領域内における相対的に低回転の第１領域では、１回の前段噴射と、２回に分割した主噴射との合計３回の燃料噴射を実行すると共に、相対的に高回転の第２領域では、１回の前段噴射と、１回の主噴射との合計２回の燃料噴射を実行し、
   前記噴射制御手段はまた、前記第１領域での前記前段噴射と主噴射との間隔を、前記第２領域での前記前段噴射と主噴射との間隔よりも短く設定すると共に、前記第１領域での主噴射のタイミングを、前記第２領域での主噴射のタイミングよりも早いタイミングに設定し、
   前記噴射制御手段はさらに、前記所定の運転領域に対し低負荷側に隣接する第３領域では、２回又は１回の前段噴射と１回の主噴射とを実行する自動車搭載用ターボ過給機付ディーゼルエンジン。
2. 請求項１に記載の自動車搭載用ターボ過給機付ディーゼルエンジンにおいて、
   前記噴射制御手段は、前記第１領域での主噴射のタイミングを、前記第３領域での主噴射のタイミングよりも早いタイミングに設定する自動車搭載用ターボ過給機付ディーゼルエンジン。

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