JP5640028B2

JP5640028B2 - ディーゼルエンジン

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Publication number: JP5640028B2
Application number: JP2012034584A
Authority: JP
Inventors: 浩大橋; 智宏福田; 太一富樫
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2029-10-21
Also published as: JP2012145115A

Description

本発明は、ディーゼルエンジンに関し、特にディーゼルエンジンに備えられる排気浄化装置に関する。

従来、ディーゼルエンジンには、その排気ガスに含まれる粒子状物質（以下、「ＰＭ」と記す。）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、「ＤＰＦ」と記す。）を備える排気浄化装置が設けられている。前記ＤＰＦは、例えば、セラミックスからなるハニカム構造の多孔質部材であり、その内部を排気ガスが通過することでＰＭが捕集され、排気ガスが浄化される。

上記のようなディーゼルエンジンにおいては、排気浄化装置によって排気ガスを浄化する過程で、ＤＰＦの内部にＰＭが堆積し、排気浄化装置の機能低下を引き起こすばかりか、排気抵抗の増加等によりディーゼルエンジンに悪影響を及ぼす恐れがある。そのため、ＤＰＦに堆積したＰＭを定期的に除去するように、ＤＰＦの再生を行う制御がなされている。当該ＤＰＦの再生は、排気ガスの流動方向におけるＤＰＦの上流側と下流側との差圧（以下、単に「ＤＰＦ前後の差圧」と記す。）に基づいて推定されるＰＭの堆積量が所定の閾値を越えた場合に行われる。

しかし、ＰＭには、燃焼除去することができる煤等の可燃成分の他に、燃料添加剤や潤滑油添加剤等に由来するアッシュが含まれる。当該アッシュは、燃焼除去することができないため、ＤＰＦへの堆積が進行すると、ＤＰＦ前後の差圧から推定されるＰＭの堆積量と、実際に堆積しているＰＭの堆積量との乖離が大きくなり、適切にＤＰＦの再生を行えない等の問題が生じる。

このような問題を解決するために、特許文献１には、ディーゼルエンジンの運転時間からアッシュのＤＰＦへの堆積量を推定し、ＤＰＦの再生を行った直後には、ＤＰＦ前後の差圧から推定されるＰＭの堆積量をアッシュの堆積量とみなして、アッシュの堆積量を高精度に算出することで、適切にＤＰＦの再生を行う技術が開示されている。

しかし、特許文献１に記載の技術は、ＤＰＦ前後の差圧から推定されるＰＭの堆積量が所定の閾値を越えた場合のみ、ポスト噴射等によってＰＭを燃焼除去する。つまり、ディーゼルエンジンの運転状態や排気ガスの温度等を考慮しないため、効率良くＤＰＦの再生を行うことができず、ポスト噴射による再生頻度の増加による潤滑油希釈、及び燃費の悪化を招く点で不利である。

特開２００７−１６６８４号公報

本発明は、潤滑油の希釈を防止すると共に、運転状態に応じて効率良くディーゼルパティキュレートフィルタの再生を行うことができるディーゼルエンジンを提供することを課題とする。排気ガスの温度を上昇させるにあたって吸気絞りの開度変更を採用する場合には、段階的に排気ガスの温度を上昇させるように吸気絞りの開度を制御する。

本発明は、吸気絞りの開度を制御して、吸気絞りを第一再生の目標温度（３００［℃］強）まで上昇させるために必要な最終的な開度まで一気に閉じず、一旦、酸化触媒が炭化水素を浄化可能な活性温度（約２００［℃］）に達するのに必要な開度まで閉じることにより、炭化水素の排出量を低減することを目的とする。第二再生、第三再生においても、同様に吸気絞りを絞る制御を行うものである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

請求項１においては、酸化触媒と、ディーゼルパティキュレートフィルタと、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側と下流側との差圧を検知する手段と、前記差圧に基づいて前記ディーゼルパティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質の量を推定し、当該推定量に基づいて前記ディーゼルパティキュレートフィルタを再生する制御手段とを備えるディーゼルエンジンにおいて、前記制御手段による前記ディーゼルパティキュレートフィルタの再生制御は、ポスト噴射を使用せずに吸入空気の量を調整する吸気絞りの開度を制御して酸化触媒の活性温度領域で粒子状物質を燃焼除去する第一再生制御と、自動制御でポスト噴射を使用して粒子状物質を燃焼除去する第二再生制御と、手動操作でポスト噴射を使用して粒子状物質を燃焼除去する第三再生制御とを具備し、前記粒子状物質の推定量が第一閾値を超え、かつエンジン出力が自己再生の行われる運転領域における負荷よりも小さい負荷がかかる運転領域にある場合に、前記第一再生制御が行われるにようにし、前記粒子状物質の推定量が前記第一閾値を超えた状態で第一設定時間が経過した場合、又は、第二設定時間経過毎でエンジン出力が軽負荷かつ低回転の運転領域以外の第二再生可能領域にある場合に、前記第二再生制御が行われるようにし、前記粒子状物質の堆積量が第二閾値を超えた状態で、第三再生制御を促す緊急再生指示ランプが点灯されて緊急再生開始スイッチがＯＮの場合、又は、前回実施した第二再生制御又は第三再生制御から第三設定時間以上経過した状態で緊急再生開始スイッチがＯＮの場合に、前記第三再生制御が行われるようにし、前記第一再生制御、前記第二再生制御、又は、前記第三再生制御を実施する場合には、前記吸気絞りの開度を、排気ガスの温度が酸化触媒の活性温度となる開度としてから、前記吸気絞りの開度を排気ガスの温度が前記第一再生制御の目標温度、前記第二再生制御の目標温度、又は、前記第三再生制御の目標温度となる開度に制御する構成としたものである。

請求項２においては、請求項１記載のディーゼルエンジンにおいて、前記制御手段は、前記第三再生制御を行わせるように緊急再生開始スイッチを押す必要がある場合には、第三再生制御を行うように警告する緊急再生指示ランプを点灯させ、前記制御手段は、粒子状物質の堆積量が第二閾値を超えて、前記緊急再生指示ランプが点灯した状態で、第四設定時間以上経過したか否かを判定し、粒子状物質の堆積量が第二閾値を超えた状態で第四設定時間以上経過している場合には、エンジン出力を制限する構成としたものである。

請求項３においては、請求項１記載のディーゼルエンジンにおいて、前記第一再生制御の目標温度は、酸化触媒の活性温度よりも高い温度であって、暴走再生が生じない温度に設定されていることを特徴とするディーゼルエンジン。

請求項４においては、請求項１記載のディーゼルエンジンにおいて、前記第二再生制御の目標温度は、前記第一再生の目標温度より高い温度に設定されていることを特徴とするディーゼルエンジンである。

請求項５においては、請求項１記載のディーゼルエンジンにおいて、前記第三再生制御の目標温度は、前記第二再生の目標温度より高い温度に設定されていることを特徴とするのディーゼルエンジンである。

本発明は以上の如く構成したことにより、次のような効果を奏するものである。

本発明によれば、過度に再生制御が実施されるのを防止し、効率良くディーゼルパティキュレートフィルタの再生を行うことができる。また、第二再生及び第三再生の実施頻度を減らし、第一再生、第二再生、又は第三再生の実施を効率化することが可能となり、潤滑油の希釈、及び燃費の悪化を防止することができる。
また、炭化水素の排出量を低減することができる。

ディーゼルエンジンの構成を示す概略図。制御パネルの構成を示す図。第一再生と第二再生と第三再生との関係を示す図。再生制御を示すフローチャート。自己再生領域と第一再生領域とを示す図。再生時に吸気絞りの開度変更を採用した場合における吸気絞りの開度変更のタイミングを示す図。第二再生領域を示す図。

以下では、図１〜図３を参照して、本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジン１について説明する。

図１に示すように、ディーゼルエンジン１は、直噴式直列四気筒のディーゼルエンジンであり、エンジン本体２、吸気通路３、排気通路４、ＥＧＲ装置５、排気浄化装置６、制御パネル７、及びＥＣＵ８等から構成されている。

エンジン本体２は、圧縮された空気に燃料を供給することによって燃焼させ、この燃焼による膨張エネルギーから回転動力を得るものである。エンジン本体２は、筒状のシリンダ、及び当該シリンダの内部に摺動可能に設けられるピストンを含むシリンダブロックと、前記シリンダの開口を塞ぐように前記シリンダブロックに取り付けられたシリンダヘッドとを具備する。前記ピストンと、前記シリンダと、前記シリンダヘッドとの間には、燃焼室２１が形成されている。

燃焼室２１は、前記ピストンと前記シリンダと前記シリンダヘッドとの間に形成された空間であり、前記シリンダヘッドに設けられた燃料噴射弁２２によって、燃料が燃焼室２１に噴射される。燃焼室２１は、本実施形態においては、エンジン本体２に四つ形成されている。

燃料噴射弁２２は、前記シリンダヘッドにおいて、燃焼室２１と同数設けられ、各燃焼室２１に燃料を噴射できるようにそれぞれ配置されている。燃料噴射弁２２は、燃料の噴射を適宜の回数及び時期に行うことができ、当該燃料噴射の状態を変更することによってエンジン本体２のエンジン回転数、及びトルク等が変更可能となっている。また、エンジン本体２には、回転センサ２３が設けられている。回転センサ２３は、エンジン本体２のエンジン回転数を計測する部材であり、エンジン本体２のクランク軸、又はフライホイール等の近傍に配置されている。

また、エンジン本体２には、エンジン本体２の燃焼室２１に吸入空気を導く通路となる吸気通路３と、エンジン本体２から排出される排気ガスの通路となる排気通路４が接続されている。吸気通路３は、吸気マニホールド３１、吸気管３２、及び吸気絞り３３等から構成されている。

吸気マニホールド３１は、吸入空気を各燃焼室２１に均等に配分するための部材であり、前記シリンダヘッドに固定されている。本実施形態においては、エンジン本体２に四つの燃焼室２１が直列に形成されているため、吸気マニホールド３１の一端部は、四つの通路に分岐するように形成され、各燃焼室２１と連通するようにエンジン本体２に接続されている。一方、吸気マニホールド３１の他端部は、吸気管３２に接続されている。

吸気管３２は、吸気マニホールド３１の他端部に接続された管であり、吸入空気の流動方向における最も上流側に配置されている。つまり、吸気管３２から外気が吸入され、図示しないエアクリーナによって浄化された後、吸気マニホールド３１を介してエンジン本体２の各燃焼室２１へ供給される。吸気管３２の中途部には、吸気絞り３３が設けられている。

吸気絞り３３は、エンジン本体２の燃焼室２１へ供給される吸入空気の量を調整する部材であり、吸気管３２の中途部に設けられている。吸気絞り３３には、例えば、バタフライバルブが採用され、ＤＣサーボモータ等によって開度を調整することで、吸気管３２の内部空間の断面積を変化させ、燃焼室２１へ供給される吸入空気の量を調整することが可能となっている。

排気通路４は、排気マニホールド４１、排気管４２、上流側排気絞り４３、及び下流側排気絞り４４等から構成されている。排気マニホールド４１は、エンジン本体２の燃焼室２１から排出された排気ガスを集合させるための部材である。排気マニホールド４１の一端部は、吸気マニホールド３１と同様に四つの通路に分岐するように形成され、各燃焼室２１と連通するようにエンジン本体２に接続されている。一方、排気マニホールド４１の他端部は、排気管４２に接続されている。

排気管４２は、排気マニホールド４１の他端部に接続された管であり、排気ガスの流動方向における最も下流側に配置されている。排気管４２の中途部には、排気ガスを浄化する排気浄化装置６が設けられており、それを挟むように上流側排気絞り４３、及び下流側排気絞り４４が設けられている。つまり、エンジン本体２の各燃焼室２１から排気マニホールド４１を介して排気管４２に排出された排気ガスは、排気浄化装置６によって浄化された後に外部に排出される。

上流側排気絞り４３、及び下流側排気絞り４４は、エンジン本体２の燃焼室２１から排出された排気ガスによって排気通路４の内部に生じる圧力を調整する部材であり、吸気絞り３３と同様に、バタフライバルブ等が採用される。上流側排気絞り４３は、排気ガスの流動方向における排気浄化装置６の上流側に設けられ、下流側排気絞り４４は、排気ガスの流動方向における排気浄化装置６の下流側に設けられている。ＤＣサーボモータ等によって上流側排気絞り４３、及び下流側排気絞り４４の開度を調整することで、排気管４２の内部空間の断面積を変化させ、排気浄化装置６へ流入する排気ガスの量、及び排気浄化装置６から流出する排気ガスの量を調整することが可能となっている。

ＥＧＲ装置５は、排気マニホールド４１から吸気マニホールド３１へ排気ガスの一部を再循環ガスとして還元して、燃焼室２１に供給される吸入空気の酸素濃度を低減するための装置である。ＥＧＲ装置５は、ＥＧＲ管５１、及びＥＧＲバルブ５２等から構成されている。ＥＧＲ管５１は、吸気マニホールド３１と排気マニホールド４１とを連通させる管であり、一端が吸気マニホールド３１に接続され、他端が排気マニホールド４１に接続されている。

ＥＧＲバルブ５２は、排気マニホールド４１から吸気マニホールド３１へ還元される再循環ガスの量を調整する部材であり、ＥＧＲ管５１の中途部に設けられている。ＥＧＲバルブ５２は、ＤＣサーボモータ等によって開度を調整することで、再循環ガス通路の通路断面積を変化させ、再循環ガスの量を調整することが可能となっている。

排気浄化装置６は、エンジン本体２の燃焼室２１から排出される排気ガスに含まれる粒子状物質（以下、「ＰＭ」と記す。）を除去して、排気ガスを浄化する装置である。排気浄化装置６は、排気管４２の中途部に設けられ、上流側排気絞り４３と下流側排気絞り４４との間に配置されている。排気浄化装置６は、酸化触媒６１、ＤＰＦ６２、圧力センサ６３ａ・６３ｂ、及び温度センサ６４等から構成されている。ここで、ＰＭとは、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ：ＰＭ）であり、燃焼除去することができる煤等の可燃成分と、燃料添加剤や潤滑油添加剤等に由来し、燃焼除去することができないアッシュとからなる。

酸化触媒６１は、エンジン本体２の燃焼室２１から排出される排気ガスに含まれるＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）、及びＳＯＦ（可溶性有機成分）を酸化して除去する部材である。また、酸化触媒６１は、排気ガスに多く含まれるＮＯ（一酸化窒素）を酸化することによって、ＮＯ２（二酸化窒素）に変化させる。

ＤＰＦ６２は、ＰＭを捕集することで排気を濾過すると共に、堆積したＰＭを酸化して除去するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ：ＤＰＦ）である。ＤＰＦ６２は、酸化触媒６１よりも排気ガスの流動方向における下流側に配置されている。本実施形態においては、ＤＰＦ６２は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）からなり、排気ガスに含まれるＰＭがＤＰＦ６２に形成された微細な穴を通過する際に捕集される。ＤＰＦ６２によって捕集されたＰＭに含まれる可燃成分は、排気ガスが酸化反応を進行させることができる温度の場合に、排気ガスに含まれるＯ２（酸素）、及び酸化触媒６１で生成されたＮＯ２（二酸化窒素）によって酸化されて除去される。一方、捕集されたＰＭに含まれるアッシュは、燃焼除去されず、ＤＰＦ６２に堆積する。

圧力センサ６３ａ・６３ｂは、エンジン本体２から排出される排気ガスの圧力を計測する部材であり、それぞれ排気ガスの流動方向におけるＤＰＦ６２の上流側と下流側とに配置されている。温度センサ６４は、エンジン本体２から排出される排気ガスの温度を計測する部材であり、酸化触媒６１とＤＰＦ６２との間に配置されている。なお、温度センサ６４を排気ガスの流動方向における酸化触媒６１の上流側、又はＤＰＦ６２の下流側に配置してもよい。

制御パネル７は、ディーゼルエンジン１の現在の制御状態（ＤＰＦ６２の再生制御状態）を示すと共に、作業者が手動でＥＣＵ８に所定の制御信号を送信するための部材であり、例えば、ディーゼルエンジン１が作業車両に搭載される場合においては、作業者によって視認及び操作可能となるように運転席近傍に配置される。

図２に示すように、制御パネル７は、ＤＰＦ６２の再生制御状態に応じて点灯する通常再生中ランプ７１、リセット再生中ランプ７２、緊急再生中ランプ７３、緊急再生禁止中ランプ７４、及び緊急再生指示ランプ７５と、作業者が手動でＥＣＵ８に所定の制御信号を送信するための緊急再生開始スイッチ７６とを具備する。

ＥＣＵ８は、エンジンコントロールユニット（ＥｎｇｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ：ＥＣＵ）であり、ディーゼルエンジン１を制御する手段として機能する。ＥＣＵ８は、各種演算処理を実行する中央処理装置（ＣＰＵ）、制御プログラム等を記憶させた読み出し専用のメモリ（ＲＯＭ）、及び各種プログラムやデータ等を一時的に記憶させて随時読み書き可能なメモリ（ＲＡＭ）等で構成されている。

ＥＣＵ８は、燃料噴射弁２２と電気的に接続されており、燃料噴射弁２２の燃料噴射状態（時期、回数、圧力等）を制御可能である。ＥＣＵ８は、回転センサ２３と電気的に接続されており、回転センサ２３によって計測されたエンジン本体２のエンジン回転数を取得可能である。ＥＣＵ８は、吸気絞り３３と電気的に接続されており、吸気絞り３３の開度を制御可能である。ＥＣＵ８は、上流側排気絞り４３、及び下流側排気絞り４４とそれぞれ電気的に接続されており、上流側排気絞り４３、及び下流側排気絞り４４の開度を制御可能である。

ＥＣＵ８は、ＥＧＲバルブ５２と電気的に接続されており、ＥＧＲバルブ５２の開度を制御可能である。ＥＣＵ８は、圧力センサ６３ａ・６３ｂとそれぞれ電気的に接続されており、圧力センサ６３ａ・６３ｂによって計測されたＤＰＦ６２通過前後の排気ガスの圧力を取得可能である。ＥＣＵ８は、温度センサ６４と電気的に接続されており、温度センサ６４によって計測された排気ガスの温度を取得可能である。ＥＣＵ８は、制御パネル７と電気的に接続されており、所定の制御信号の制御パネル７への送信、及び制御パネル７からの所定の制御信号の受信が可能である。ＥＣＵ８は、電気的に接続された上記の複数の部材を制御することにより、ＤＰＦ６２の再生制御を行う。

図３に示すように、ＥＣＵ８によるＤＰＦ６２の再生制御は、第一再生、第二再生、及び第三再生を含む。第一再生は、ＥＣＵ８によって推定された、ＰＭのＤＰＦ６２への堆積量（以下、単に「ＰＭ堆積量」と記す。）［ｇ／ｌ］が第一閾値を超えた場合に、ＤＰＦ６２に堆積したＰＭを酸化触媒６１の活性温度領域で２０［ｍｉｎ］燃焼することで除去する制御である。ここで、「活性温度領域」とは、酸化触媒６１の活性温度（約２００［℃］）よりも高い温度であって、暴走再生が生じない程度の比較的低い温度であり、本実施形態においては、３００［℃］強である。

第二再生は、ＰＭ堆積量が第一閾値を超えた状態で第一設定時間経過した場合、又は第二設定時間（１００［ｈ］）毎に、ポスト噴射を使用して、ＤＰＦ６２に堆積したＰＭを約５６０［℃］で３０［ｍｉｎ］燃焼することで、アッシュ以外のＰＭを完全に除去する制御である。

第三再生は、ＰＭ堆積量が第二閾値を超えた状態で作業者が制御パネル７の緊急再生開始スイッチ７６を押した場合、又は前回実施した第二再生又は第三再生から第三設定時間（５０［ｈ］）以上経過した状態で作業者が制御パネル７の緊急再生開始スイッチ７６を押した場合に、ポスト噴射を使用して、ＤＰＦ６２に堆積したＰＭを約６００［℃］で１５［ｍｉｎ］燃焼することで、アッシュ以外のＰＭを完全に除去する制御である。

ここで、「第一閾値」、及び「第二閾値」とは、それぞれＥＣＵ８によるＤＰＦ６２の再生制御において最適な値として、予め実験等によって求められたものである。第一閾値は、第二閾値よりも若干小さい値に設定されている。第二閾値は、ＥＣＵ８によるＤＰＦ６２の暴走再生が起こりうる限界値から所定の安全率をもって設定されている。

また、「第一設定時間」、「第二設定時間」、及び「第三設定時間」とは、ＥＣＵ８によるＤＰＦ６２の再生制御において最適な時間として、予め実験等によって求められたものである。本実施形態においては、第二設定時間は、１００［ｈ］に設定され、第三設定時間は、５０［ｈ］に設定されている。

以下では、図４〜図７を参照して、ＥＣＵ８によるＤＰＦ６２の再生制御について詳細に説明する。図４に示すように、ＥＣＵ８は、ステップＳ１〜ステップＳ２０の処理を行う。

ステップＳ１において、ＥＣＵ８は、ＰＭのＤＰＦ６２への堆積量（以下、単に「ＰＭ堆積量」と記す。）を算出する。ＰＭ堆積量の算出は、以下の二種類の手法で行われる。ＰＭ堆積量を算出するための第一の手法は、排気ガスの流動方向におけるＤＰＦ６２の上流側と下流側との差圧（以下、単に「ＤＰＦ６２前後の差圧」と記す。）に基づいてＰＭ堆積量を推定するものである。

ＤＰＦ６２前後の差圧は、ＤＰＦ６２の上流側と下流側とに設けられた圧力センサ６３ａ・６３ｂによって、ＤＰＦ６２通過前後の排気ガスの圧力をそれぞれ計測し、これらの計測値をＥＣＵ８が圧力センサ６３ａ・６３ｂから取得して演算を行うことで算出される。ＤＰＦ６２前後の差圧に対するＰＭ堆積量は、予め実験等によって求められ、差圧マップとしてＥＣＵ８に記憶されているため、ＥＣＵ８は、上記のように算出したＤＰＦ６２前後の差圧に基づいてＰＭ堆積量を求める。第一の手法によって算出されたＰＭ堆積量を以下において「第一ＰＭ堆積量」と記す。

ＰＭ堆積量を算出するための第二の手法は、エンジン本体２から排出されるＰＭの量（以下、単に「ＰＭ排出量」と記す。）からＤＰＦ６２で再生されるＰＭの量（以下、単に「ＰＭ再生量」と記す。）を減じて算出される値を積算することでＰＭ堆積量を推定するものである。ＰＭ排出量、及びＰＭ再生量は、それぞれエンジン本体２のエンジン出力に基づいて求めることができる。

エンジン本体２のエンジン出力は、エンジン本体２に設けられた回転センサ２３によって計測されたエンジン本体２のエンジン回転数と、燃料噴射弁２２が燃焼室２１に噴射する燃料の噴射量とをＥＣＵ８が取得し、ＥＣＵ８に記憶された所定のマップを参照することで求められる。

エンジン本体２のエンジン出力に対するＰＭ排出量、及びエンジン本体２のエンジン出力に対するＰＭ再生量は、それぞれ予め実験等によって求められ、マップとしてＥＣＵ８に記憶されているため、上記のように算出したエンジン本体２のエンジン出力に基づいてＰＭ排出量、及びＰＭ再生量が求められる。

ＥＣＵ８は、所定の時間毎にＰＭ排出量、及びＰＭ再生量を上記のように求め、ＰＭ排出量からＰＭ再生量を減じた値をＤＰＦ６２に単位時間あたりに堆積するＰＭの量とみなして、当該値を積算することでＰＭ堆積量を算出する。第二の手法によって算出されたＰＭ堆積量を以下において「第二ＰＭ堆積量」と記す。

ＥＣＵ８は、第一ＰＭ堆積量、及び第二ＰＭ堆積量を算出した後、制御段階をステップＳ２に移行する。ステップＳ２において、ＥＣＵ８は、ＰＭ堆積量が第二閾値以上であるか否かを判定する。詳細には、ＥＣＵ８は、第一ＰＭ堆積量が第二閾値以上であるか否かを判定し、更に第二ＰＭ堆積量が第二閾値以上であるか否かを判定する。第一ＰＭ堆積量が第二閾値以上でない場合、又は第二ＰＭ堆積量が第二閾値以上でない場合、ＥＣＵ８は、制御段階をステップＳ３に移行する。第一ＰＭ堆積量が第二閾値以上である場合、又は第二ＰＭ堆積量が第二閾値以上である場合、ＥＣＵ８は、制御段階をステップＳ１７に移行する。

ステップＳ３において、ＥＣＵ８は、緊急再生開始スイッチ７６が作業者によって押されたかどうか、つまり緊急再生開始スイッチ７６がＯＮであるか否かを判定する。緊急再生開始スイッチ７６がＯＮでない場合、ＥＣＵ８は、制御段階をステップＳ４に移行する。緊急再生開始スイッチ７６がＯＮである場合、ＥＣＵ８は、制御段階をステップＳ１３に移行する。

ステップＳ４において、ＥＣＵ８は、ＰＭ堆積量が第一閾値以上であるか否かを判定する。詳細には、ＥＣＵ８は、第一ＰＭ堆積量が第一閾値以上であるか否かを判定し、更に第二ＰＭ堆積量が第一閾値以上であるか否かを判定する。第一ＰＭ堆積量が第一閾値以上である場合、又は第二ＰＭ堆積量が第一閾値以上である場合、ＥＣＵ８は、制御段階をステップＳ５に移行する。第一ＰＭ堆積量が第一閾値以上でない場合、又は第二ＰＭ堆積量が第一閾値以上でない場合、ＥＣＵ８は、制御段階をステップＳ９に移行する。

ステップＳ５において、ＥＣＵ８は、ＰＭ堆積量が第一閾値を超えた状態で第一設定時間経過したか否かを判定する。ＰＭ堆積量が第一閾値を超えた状態で第一設定時間経過していない場合、ＥＣＵ８は、制御段階をステップＳ６に移行する。ＰＭ堆積量が第一閾値を超えた状態で第一設定時間経過している場合、ＥＣＵ８は、制御段階をステップＳ１０に移行する。

ステップＳ６において、ＥＣＵ８は、エンジン本体２のエンジン出力が第一再生を実施可能な運転領域にあるか否かを判定する。図５に示すように、エンジン本体２の運転領域は、「自己再生領域」と、「第一再生領域」と、それ以外の領域である「低負荷領域」とからなる。

自己再生領域は、エンジン本体２が出力境界値Ｐｔｒ１以上のエンジン出力となる運転領域である。自己再生領域においては、エンジン本体２の負荷が比較的高く、エンジン本体２から排出される排気ガスがＰＭを充分に燃焼除去することができる程度の温度（例えば、３５０［℃］以上）を有し、いわゆる自己再生が行われる。

第一再生領域は、エンジン本体２が出力境界値Ｐｔｒ１未満かつ出力境界値Ｐｔｒ２以上のエンジン出力となる運転領域である。第一再生領域においては、自己再生領域よりもエンジン本体２の負荷が低く、自己再生が行われないが、第一再生を行うことで自己再生が行われるのと同等の効果を奏する。つまり、第一再生領域は、自己再生領域を拡大した運転領域といえる。

低負荷領域は、エンジン本体２が出力境界値Ｐｔｒ２未満のエンジン出力となる運転領域である。低負荷領域においては、エンジン本体２が低負荷で、エンジン本体２から排出される排気ガスの温度が低く、再生に時間がかかるため、自己再生、及び第一再生が行われない。

エンジン本体２のエンジン出力が第一再生を実施可能な運転領域、つまり第一再生領域にある場合、ＥＣＵ８は、制御段階をステップＳ７に移行する。エンジン本体２のエンジン出力が第一再生を実施しない運転領域、つまり自己再生領域等、第一再生領域以外の運転領域にある場合、ＥＣＵ８は、制御段階をステップＳ１に移行する。

ステップＳ７において、ＥＣＵ８は、通常再生中ランプ７１を点灯させる。これは、作業者が制御パネル７によって通常再生、つまり第一再生が行われているということを視認できるようにするためである。ＥＣＵ８は、通常再生中ランプ７１を点灯させた後、制御段階をステップＳ８に移行する。

ステップＳ８において、ＥＣＵ８は、第一再生を行う。前述のように、第一再生は、ＤＰＦ６２に堆積したＰＭを３００［℃］強で２０［ｍｉｎ］燃焼することで除去する制御である。第一再生は、エンジン本体２のエンジン出力が第一再生領域にある場合にのみ行われる。換言すれば、エンジン本体２のエンジン出力が高負荷で排気ガスの温度が高くなる自己再生領域にある場合、及びエンジン本体２のエンジン出力が低負荷で排気ガスの温度が低くなる低負荷領域にある場合には、第一再生が行われない。これは、自己再生領域では、排気ガスの温度が充分に高く、ＰＭの再生が適切に行われているためであり、低負荷領域では、排気ガスの温度が低すぎて、酸化触媒６１が活性温度（約２００［℃］）に達さず再生が行われないため、又は再生に長時間を要するためである。これにより、第一再生の実施を効率化することが可能となる。したがって、燃費の悪化を防止することができる。

第一再生においては、燃料噴射弁２２の燃料噴射状態（時期、回数、圧力等）変更、吸気絞り３３の開度変更、上流側排気絞り４３の開度変更、下流側排気絞り４４の開度変更、及びＥＧＲバルブ５２の開度変更等のうちの一つ、又はそれらの組み合わせによってエンジン本体２から排出される排気ガスの温度を目標温度（３００［℃］強）まで上昇させる。なお、排気ガスの温度を上昇させるにあたって吸気絞り３３の開度変更を採用する場合には、段階的に排気ガスの温度を上昇させるように吸気絞り３３の開度を制御することが好ましい。

図６に示すように、吸気絞り３３は、再生開始時から酸化触媒６１が活性温度（約２００［℃］）に達するまでの間、第一再生の目標温度（３００［℃］強）まで上昇させるために必要な最終的な開度よりも若干開いた状態に制御される。酸化触媒６１が活性温度（約２００［℃］）に達した後、吸気絞り３３は、第一再生の目標温度（３００［℃］強）まで上昇させるために必要な開度となるように制御される。

吸気絞り３３を閉じるに従ってエンジン本体２における燃焼効率が悪化し、排気ガスに含まれる炭化水素の量が増加する。当該炭化水素は、酸化触媒６１によって酸化し浄化されるが、酸化触媒６１が活性温度（約２００［℃］）に達していない場合には浄化されない。そのため、吸気絞り３３を第一再生の目標温度（３００［℃］強）まで上昇させるために必要な最終的な開度まで一気に閉じず、一旦、酸化触媒６１が炭化水素を浄化可能な活性温度（約２００［℃］）に達するのに必要な開度まで閉じる。これにより、炭化水素の排出量を低減することができる。

ＥＣＵ８は、第一再生を行った後、通常再生中ランプ７１を消灯させて、制御段階をステップＳ１に移行する。

ステップＳ９において、ＥＣＵ８は、エンジン本体２の運転時間が運転開始から、又は第二再生又は第三再生が終了してから第二設定時間（１００［ｈ］）であるか否かを判定する。エンジン本体２の運転時間が運転開始から、又は第二再生又は第三再生が終了してから第二設定時間（１００［ｈ］）である場合、ＥＣＵ８は、制御段階をステップＳ１０に移行する。エンジン本体２の運転時間が運転開始から、又は第二再生又は第三再生が終了してから第二設定時間（１００［ｈ］）でない場合、ＥＣＵ８は、制御段階をステップＳ１に移行する。なお、本実施形態においては、第二設定時間を１００［ｈ］としたが、燃費の悪化等の問題を招かなければそれに限定しない。また、時間ではなく、燃料噴射弁２２の燃焼室２１への燃料噴射量を基準としてもよい。

ステップＳ１０において、ＥＣＵ８は、エンジン本体２のエンジン出力が第二再生を実施可能な運転領域にあるか否かを判定する。図７に示すように、エンジン本体２の運転領域は、「第二再生領域」と、それ以外の領域、つまり第二再生を行うことができない領域とからなる。

第二再生領域は、出力境界値Ｐｔｒ３以上のエンジン出力となる運転領域である。第二再生領域は、第一再生領域（図５参照）よりも広い。詳細には、第二再生領域は、軽負荷かつ低回転の運転領域以外の運転領域である。これは、第二再生が第一再生と異なり、吸気絞り３３の開度変更等によって、ＰＭを燃焼除去させることができる温度（ＮＯｘ転換温度）まで排気ガスの温度を上昇させる必要はなく、第二再生においてポスト噴射を行うのに必要な温度（酸化触媒６１の活性温度）まで上昇させればよいためである。そのため、ディーゼルエンジン１が作業車両に搭載される場合においては、作業車両を停止させたりせずに、作業を継続しながら第二再生を行うことができる。

出力境界値Ｐｔｒ３未満のエンジン出力となる運転領域では、エンジン本体２が低負荷で、エンジン本体２から排出される排気ガスの温度が低く、酸化触媒６１の活性温度に達しないため、又は活性温度に達するまでの時間がかかるため、第二再生が行われない。

エンジン本体２のエンジン出力が第二再生を実施可能な運転領域、つまり第二再生領域にある場合、ＥＣＵ８は、制御段階をステップＳ１１に移行する。エンジン本体２のエンジン出力が第二再生を実施しない運転領域、つまり第二再生領域以外の運転領域にある場合、ＥＣＵ８は、制御段階をステップＳ６に移行する。

ステップＳ１１において、ＥＣＵ８は、リセット再生中ランプ７２を点灯させる。これは、作業者が制御パネル７によってリセット再生、つまり第二再生が行われているということを視認できるようにするためである。ＥＣＵ８は、リセット再生中ランプ７２を点灯させた後、制御段階をステップＳ１２に移行する。

ステップＳ１２において、ＥＣＵ８は、第二再生を行う。前述のように、第二再生は、ポスト噴射を使用して、ＤＰＦ６２に堆積したＰＭを約５６０［℃］で３０［ｍｉｎ］燃焼することで除去する制御である。第二再生は、ＰＭ堆積量が第一閾値を超えた状態で第一設定時間経過した場合に行われる。これにより、第一再生で充分にＰＭを燃焼除去できず、ＤＰＦ６２に堆積したＰＭを、充分に燃焼除去することができ、ＰＭがＤＰＦ６２に過剰に堆積することによって起こる暴走再生を防止することができる。

また、第二再生は、エンジン本体２の運転時間が運転開始から、又は第二再生又は第三再生が終了してから第二設定時間（１００［ｈ］）である場合に行われる。これにより、定期的にＤＰＦ６２に堆積したＰＭを充分に燃焼除去することができ、ＰＭ堆積量の算出時における誤差を低減することができる。なお、作業者が緊急再生開始スイッチ７６を押すことによって実施される第三再生と同様に、作業者が適宜のスイッチを押すことによって第二再生が実施されるように構成してもよい。

また、第二再生におけるＰＭの燃焼温度（約５６０［℃］）は、第三再生におけるＰＭの燃焼温度（約６００［℃］）よりも若干低く設定されている。これにより、第三再生よりも時間がかかるが、エンジン本体２の負荷変動が激しい作業環境下においても、酸化触媒６１の過昇温による熱劣化を防ぐと共に、作業を継続しつつ再生を行うことができる。

第二再生においては、まず、第一再生と同様に、燃料噴射弁２２の燃料噴射状態（時期、回数、圧力等）変更、吸気絞り３３の開度変更、上流側排気絞り４３の開度変更、下流側排気絞り４４の開度変更、及びＥＧＲバルブ５２の開度変更等のうちの一つ、又はそれらの組み合わせによってエンジン本体２から排出される排気ガスの温度を酸化触媒６１の活性温度（約２００［℃］）まで上昇させる。その後、ポスト噴射を行うことで排気ガスの温度を第二再生の目標温度（約５６０［℃］）まで上昇させる。なお、排気ガスの温度を上昇させるにあたって吸気絞り３３の開度変更を採用する場合には、第一再生と同様に、段階的に排気ガスの温度を上昇させるように吸気絞り３３の開度を制御することが好ましい。

第二再生においては、ＤＰＦ６２に堆積したＰＭをポスト噴射を使用することで約５６０［℃］で３０［ｍｉｎ］燃焼するため、ＤＰＦ６２に堆積したＰＭが完全に除去されたものとみなして、ＥＣＵ８は、記憶されている現在のＰＭ堆積量をゼロにする。しかし、ＰＭには燃焼除去できないアッシュが含まれており、実際のＰＭ堆積量はゼロではない。そのため、予め実験等によって求められてＥＣＵ８に記憶された、ＤＰＦ６２前後の差圧とアッシュとの関係を示すマップを参照し、第二再生直後に算出されたＤＰＦ６２前後の差圧に基づいて、ＤＰＦ６２に残存するアッシュの量を推定する。そして、当該アッシュの推定量に基づいて、ステップ１において第一ＰＭ堆積量を算出する際に用いられ、ＤＰＦ６２前後の差圧に対するＰＭ堆積量を示す差圧マップを更新する。これにより、第一ＰＭ堆積量の算出時において、アッシュの堆積量が考慮されることになり、過度に第一再生、第二再生、又は第三再生が実施されるのを防止することができる。また、第二ＰＭ堆積量の算出時において、積算誤差を低減することができる。

ＥＣＵ８は、第二再生を行った後、リセット再生中ランプ７２を消灯させると共に、緊急再生禁止中ランプ７４を点灯させて、制御段階をステップＳ１に移行する。

ステップＳ１３において、ＥＣＵ８は、第二再生又は第三再生が終了してから第三設定時間（５０［ｈ］）以上経過したか否かを判定する。なお、ＥＣＵ８は、第二再生又は第三再生が終了してからの運転時間が第三設定時間（５０［ｈ］）となった時点で、緊急再生禁止中ランプ７４を消灯させるものとする。第二再生又は第三再生が終了してから第三設定時間（５０［ｈ］）以上経過している場合、ＥＣＵ８は、制御段階をステップＳ１４に移行する。第二再生又は第三再生が終了してから第三設定時間（５０［ｈ］）以上経過していない場合、ＥＣＵ８は、制御段階をステップＳ４に移行する。なお、本実施形態においては、第三設定時間を５０［ｈ］としたが、燃費の悪化等の問題を招かなければそれに限定しない。また、時間ではなく、燃料噴射弁２２の燃焼室２１への燃料噴射量を基準としてもよい。

ステップＳ１４において、ＥＣＵ８は、エンジン本体２がアイドル状態（ディーゼルエンジン１が作業車両に搭載される場合においては、作業車両が中立状態）にあるか否かを判定する。エンジン本体２がアイドル状態である場合、ＥＣＵ８は、制御段階をステップＳ１５に移行する。エンジン本体２がアイドル状態でない場合、ＥＣＵ８は、制御段階をステップＳ４に移行する。

ステップＳ１５において、ＥＣＵ８は、緊急再生中ランプ７３を点灯させる。これは、作業者が制御パネル７によって緊急再生、つまり第三再生が行われているということを視認できるようにするためである。ＥＣＵ８は、緊急再生中ランプ７３を点灯させた後、制御段階をステップＳ１６に移行する。

ステップＳ１６において、ＥＣＵ８は、第三再生を行う。前述のように、第三再生は、ポスト噴射を使用して、ＤＰＦ６２に堆積したＰＭを約６００［℃］で１５［ｍｉｎ］燃焼することで除去する制御である。第三再生は、ＰＭ堆積量が第二閾値を超えた状態で作業者が制御パネル７の緊急再生開始スイッチ７６を押した場合に行われる。これにより、緊急時の再生としてＤＰＦ６２の再生を行うことができ、ＰＭがＤＰＦ６２に過剰に堆積することによって起こる暴走再生を防止することができる。

また、第三再生は、ＰＭ堆積量が第二閾値を超えていない状態であっても、作業者が制御パネル７の緊急再生開始スイッチ７６を押した場合に行われるが、前回実施した第二再生又は第三再生から第三設定時間（５０［ｈ］）以上経過していなければ第三再生を実施できない。これにより、無制限に第三再生を実施するのを防ぐことが可能となる。したがって、ポスト噴射によるエンジン本体２の潤滑油希釈を防止することができる。

第三再生においては、まず、第二再生と同様に、燃料噴射弁２２の燃料噴射状態（時期、回数、圧力等）変更、吸気絞り３３の開度変更、上流側排気絞り４３の開度変更、下流側排気絞り４４の開度変更、及びＥＧＲバルブ５２の開度変更等のうちの一つ、又はそれらの組み合わせによってエンジン本体２から排出される排気ガスの温度を酸化触媒６１の活性温度（約２００［℃］）まで上昇させる。その後、ポスト噴射を行うことで排気ガスの温度を第三再生の目標温度（約６００［℃］）まで上昇させる。なお、排気ガスの温度を上昇させるにあたって吸気絞り３３の開度変更を採用する場合には、第一再生と同様に、段階的に排気ガスの温度を上昇させるように吸気絞り３３の開度を制御することが好ましい。

第三再生においては、ＤＰＦ６２に堆積したＰＭをポスト噴射を使用することで約６００［℃］で１５［ｍｉｎ］燃焼するため、第二再生と同様に、ＤＰＦ６２に堆積したＰＭが完全除去されたものとみなして、ＥＣＵ８は、記憶されている現在のＰＭ堆積量をゼロにすると共に、第三再生直後におけるＤＰＦ６２前後の差圧から算出したＰＭ堆積量に基づいて、ＤＰＦ６２前後の差圧に対するＰＭ堆積量を示す差圧マップを更新する。これにより、第一ＰＭ堆積量の算出時において、アッシュの堆積量が考慮されることになり、過度に第一再生、第二再生、又は第三再生が実施されるのを防止することができる。また、第二ＰＭ堆積量の算出時において、積算誤差を低減することができる。

ＥＣＵ８は、第三再生を行った後、緊急再生中ランプ７３及び緊急再生指示ランプ７５を消灯させると共に、緊急再生禁止中ランプ７４を点灯させて、制御段階をステップＳ１に移行する。

ステップＳ１７において、ＥＣＵ８は、緊急再生指示ランプ７５を点灯させる。これは、作業者が制御パネル７によって緊急再生、つまり第三再生を行うために、緊急再生開始スイッチ７６を押す必要があるという警告が出されていることを視認できるようにするためである。なお、警告音を出すことにより、作業者に緊急再生開始スイッチ７６の押下を促すように構成してもよい。ＥＣＵ８は、緊急再生指示ランプ７５を点灯させた後、制御段階をステップＳ１８に移行する。

ステップＳ１８において、ＥＣＵ８は、ＰＭ堆積量が第二閾値を超えた状態で第四設定時間（１０［ｍｉｎ］）以上経過したか否かを判定する。ＰＭ堆積量が第二閾値を超えた状態で第四設定時間（１０［ｍｉｎ］）以上経過している場合、ＥＣＵ８は、制御段階をステップＳ１９に移行する。ＰＭ堆積量が第二閾値を超えた状態で第四設定時間（１０［ｍｉｎ］）以上経過していない場合、ＥＣＵ８は、制御段階をステップＳ２０に移行する。ここで、「第四設定時間」とは、ＥＣＵ８によるＤＰＦ６２の再生制御において最適な時間として、予め実験等によって求められたものである。本実施形態においては、第四設定時間は、１０［ｍｉｎ］に設定されている。ただし、第四設定時間は、暴走再生等の問題を招かなければ、１０［ｍｉｎ］に限定しない。また、時間ではなく、燃料噴射弁２２の燃焼室２１への燃料噴射量を基準としてもよい。

ステップＳ１９において、ＥＣＵ８は、エンジン本体２のエンジン出力を制限する。詳細には、ＥＣＵ８は、エンジン本体２のエンジン回転数、及びトルク等が通常時の数値まで上昇しないように制限する。これにより、作業者が警報を無視して作業を続けた場合であっても、エンジン出力が上がらないため作業の続行が困難となり、再生を余儀なくすることとなって、作業者に第三再生の実施、つまり緊急再生開始スイッチ７６の押下を促すことができる。更に、排気ガスの高温化を防止することができ、ＰＭがＤＰＦ６２に過剰に堆積した時に、排気ガスの高温化に伴う暴走再生を防止することができる。更に、排気ガスの圧力が低下することで、ＰＭがＤＰＦ６２に過剰に堆積した時に、排気ガスが漏れるのを防止することができる。また、ＥＣＵ８は、エンジン本体２の最低エンジン回転数を上昇させる。これにより、ＰＭがＤＰＦ６２に過剰に堆積した時に、排気ガスの減少に伴う暴走再生を防止することができる。

ステップＳ２０において、ＥＣＵ８は、ステップＳ３と同様に、緊急再生開始スイッチ７６が作業者によって押されたかどうか、つまり緊急再生開始スイッチ７６がＯＮであるか否かを判定する。緊急再生開始スイッチ７６がＯＮである場合、ＥＣＵ８は、制御段階をステップＳ１４に移行する。緊急再生開始スイッチ７６がＯＮでない場合、ＥＣＵ８は、制御段階をステップＳ１に移行する。

１ディーゼルエンジン
２エンジン本体
３吸気通路
４排気通路
５ＥＧＲ装置
６排気浄化装置
７制御パネル
８ＥＣＵ
２１燃焼室
２２燃料噴射弁
３３吸気絞り
４３上流側排気絞り
４４下流側排気絞り
５２ＥＧＲバルブ
６１酸化触媒
６２ＤＰＦ

Claims

酸化触媒と、ディーゼルパティキュレートフィルタと、前記ディーゼルパティキュレートフィルタの上流側と下流側との差圧を検知する手段と、前記差圧に基づいて前記ディーゼルパティキュレートフィルタに堆積した粒子状物質の量を推定し、当該推定量に基づいて前記ディーゼルパティキュレートフィルタを再生する制御手段とを備えるディーゼルエンジンにおいて、
前記制御手段による前記ディーゼルパティキュレートフィルタの再生制御は、ポスト噴射を使用せずに吸入空気の量を調整する吸気絞りの開度を制御して酸化触媒の活性温度領域で粒子状物質を燃焼除去する第一再生制御と、
自動制御でポスト噴射を使用して粒子状物質を燃焼除去する第二再生制御と、
手動操作でポスト噴射を使用して粒子状物質を燃焼除去する第三再生制御とを具備し、
前記粒子状物質の推定量が第一閾値を超え、かつエンジン出力が自己再生の行われる運転領域における負荷よりも小さい負荷がかかる運転領域にある場合に、前記第一再生制御が行われるにようにし、
前記粒子状物質の推定量が前記第一閾値を超えた状態で第一設定時間が経過した場合、又は、第二設定時間経過毎でエンジン出力が軽負荷かつ低回転の運転領域以外の第二再生可能領域にある場合に、前記第二再生制御が行われるようにし、
前記粒子状物質の堆積量が第二閾値を超えた状態で、第三再生制御を促す緊急再生指示ランプが点灯されて緊急再生開始スイッチがＯＮの場合、又は、前回実施した第二再生制御又は第三再生制御から第三設定時間以上経過した状態で緊急再生開始スイッチがＯＮの場合に、前記第三再生制御が行われるようにし、
前記第一再生制御、前記第二再生制御、又は、前記第三再生制御を実施する場合には、前記吸気絞りの開度を、排気ガスの温度が酸化触媒の活性温度となる開度としてから、前記吸気絞りの開度を排気ガスの温度が前記第一再生制御の目標温度、前記第二再生制御の目標温度、又は、前記第三再生制御の目標温度となる開度に制御する構成とした
ことを特徴とするディーゼルエンジン。
請求項１記載のディーゼルエンジンにおいて、前記制御手段は、前記第三再生制御を行わせるように緊急再生開始スイッチを押す必要がある場合には、第三再生制御を行うように警告する緊急再生指示ランプを点灯させ、前記制御手段は、粒子状物質の堆積量が第二閾値を超えて、前記緊急再生指示ランプが点灯した状態で、第四設定時間以上経過したか否かを判定し、粒子状物質の堆積量が第二閾値を超えた状態で第四設定時間以上経過している場合には、エンジン出力を制限する構成としたことを特徴とするディーゼルエンジン。
請求項１記載のディーゼルエンジンにおいて、前記第一再生制御の目標温度は、酸化触媒の活性温度よりも高い温度であって、暴走再生が生じない温度に設定されていることを特徴とするディーゼルエンジン。
請求項１記載のディーゼルエンジンにおいて、前記第二再生制御の目標温度は、前記第一再生の目標温度より高い温度に設定されていることを特徴とするディーゼルエンジン。
請求項１記載のディーゼルエンジンにおいて、前記第三再生制御の目標温度は、前記第二再生の目標温度より高い温度に設定されていることを特徴とするのディーゼルエンジン。