JP5900626B2 - ディーゼルエンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの制御装置に関する。

ＪＰ２００３−９７３２９Ａには、可変圧縮比機構を備え、始動時や低負荷時に圧縮比を相対的に高くし、かつ高負荷時に圧縮比を相対的に低くするディーゼルエンジンが開示されている。このディーゼルエンジンでは、低圧縮比となる高負荷時に、他段階（例えば５回）のパイロット噴射が実行される。

ＪＰ２００３−９７３２９Ａに記載のディーゼルエンジンでは、高圧縮比となる始動時や低負荷時にも、多段階のパイロット噴射が実行される。このように複数回のパイロット噴射が実行されると、パイロット噴射された燃料の着火が早まり、燃焼室内での燃焼が拡散燃焼となって、炭化水素（ＨＣ）が多く発生する。そのため、始動時や低負荷時には、前半のパイロット噴射を中止し、中止した分のパイロット噴射量を後半のパイロット噴射量に加算するようにしている。

しかしながら、ＪＰ２００３−９７３２９Ａでは、低圧縮比状態での燃焼性の改善は検討されていない。そのため、低圧縮比状態においてパイロット噴射を多段化するだけでは、グロープラグへの通電時かつ低外気温条件での冷間始動時における燃焼性の改善は望めない。

本発明の目的は、グロープラグへの通電時かつ低外気温条件での冷間始動時において、燃焼性を改善可能なディーゼルエンジンの制御装置を提供することである。

本発明のある態様によれば、冷間始動時にディーゼルエンジンの燃焼室を加熱するグロープラグと、メイン噴射に先立つパイロット噴射を多段階で実行可能なコモンレール式燃料噴射装置と、コモンレール式燃料噴射装置を制御する制御部と、を備えるディーゼルエンジンの制御装置が提供される。制御部は、グロープラグへの通電時かつ外気温が０℃以下での冷間始動時に、パイロット噴射を２回以上の多段階で実行するようにコモンレール式燃料噴射装置を制御する。また、制御部は、初回のパイロット噴射の噴射量を、メイン噴射の噴射量を超えず、かつ各パイロット噴射の噴射量の和である総パイロット噴射量に対して３５％から８０％までの範囲内で設定する、と共に、冷却水温、油温、外気温の少なくとも一つの温度が低下するほど、初回のパイロット噴射量の総パイロット噴射量に占める比率が大きくなるように、初回のパイロット噴射量を設定する。さらに、制御部は、初回以降に実行される残りのパイロット噴射の１回分の噴射量を、初回のパイロット噴射の噴射量よりも小さく設定する。

図１は、本発明の実施形態によるディーゼルエンジンの制御装置の概略構成図である。 図２は、ディーゼルエンジンの１つの気筒を上から見た模式図である。 図３は、本発明者らが検討した異なる４つのケースのパイロット噴射パターンを例示した図である。 図４は、多段階のパイロット噴射全体による熱発生量をクランク角で微分した値と、図示平均有効圧との関係を示した特性図である。 図５は、異なる４つのパイロット噴射パターンの図示平均有効圧及び図示平均有効圧変動率を示す図である。 図６Ａは、異なる４つのパイロット噴射パターンの平均グロープラグ近傍温度を示す図である。 図６Ｂは、異なる４つのパイロット噴射パターンの平均グロープラグ近傍当量比を示す図である。 図７は、ディーゼルエンジンの燃焼室内における１回の燃焼時の熱発生率を示す特性図である。 図８は、冷却水温と初回パイロット噴射量比率との関係を示す特性図である。 図９は、コントローラが実行する燃料噴射制御処理のルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面等を参照して、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態によるディーゼルエンジン１の制御システムの概略構成図である。

図１に示すように、ディーゼルエンジン１は、車両用のエンジンであって、吸気通路２を備えている。ディーゼルエンジン１に供給される吸気は、吸気通路２に備えられる過給器１０の吸気コンプレッサ１０Ａによって過給される。過給された吸気は、インタークーラ３で冷却され、吸気絞り弁４を通過した後、コレクタ５を経て各気筒の燃焼室内へ流入する。

ディーゼルエンジン１は、コモンレール式燃料噴射装置６をさらに備えている。コモンレール式燃料噴射装置６は、高圧燃料ポンプ７と、コモンレール８と、燃料噴射弁９と、を備えている。燃料タンクに貯蔵されている燃料は、コモンレール式燃料噴射装置６によってディーゼルエンジン１に供給される。つまり、燃料は高圧燃料ポンプ７により燃料タンクからコモンレール８に送られ、コモンレール８内の高圧状態の燃料は各燃料噴射弁９からそれぞれの燃焼室に噴射供給される。燃焼室内に流入した吸気と燃料噴射弁９から噴射された燃料は燃焼室内で圧縮着火により燃焼し、燃焼後の排気は排気通路１１へ排出される。

排気通路１１に排出された排気の一部は、ＥＧＲガスとして、ＥＧＲ通路１２を通じて吸気側に還流される。ＥＧＲ通路１２には、当該ＥＧＲ通路１２を流れるＥＧＲガスの流量を制御するためのＥＧＲ弁１３が設けられている。

還流されない残りの排気は、排気通路１１の下流側へと導かれ、過給器１０の排気タービン１０Ｂを通過する時に当該排気タービン１０Ｂを駆動する。排気タービン１０Ｂのスクロール入口には、可変ノズル１０Ｄが設けられている。なお、可変ノズル１０Ｄを駆動するため、過給器１０には油圧駆動式又は電気駆動式のアクチュエータ１０Ｅが設けられている。

可変ノズル１０Ｄを絞って可変ノズル開度を小さくすると、排気の流速が増加し、排気タービン１０Ｂの回転速度が上昇する。これにより、排気タービン１０Ｂと同軸に連結された吸気コンプレッサ１０Ａの回転速度が上昇し、吸気コンプレッサ１０Ａによって吸気が過給される。

一方、可変ノズル１０Ｄを開いて可変ノズル開度を大きくすると、排気の流速が低下し、排気タービン１０Ｂの回転速度が低下する。これにより、吸気コンプレッサ１０Ａの回転速度も低下し、吸気コンプレッサ１０Ａによる吸気の過給が停止される。

ディーゼルエンジン１は、制御部としてのコントローラ２１によって制御される。コントローラ２１は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成されている。

コントローラ２１には、アクセルセンサ２２によって検出されるアクセルペダル踏込量（アクセル開度信号）と、クランク角センサ２３によって検出されるエンジン回転速度信号とが入力される。

コントローラ２１は、エンジン負荷（アクセル開度）及びエンジン回転速度に基づいて、メイン噴射の燃料噴射時期及び燃料噴射量を算出し、これらに対応する開弁指令信号を燃料噴射弁９に出力する。また、コントローラ２１は、目標ＥＧＲ率と目標吸入空気量とが得られるようにＥＧＲ制御と過給圧制御を協調して行う。

排気タービン１０Ｂよりも下流の排気通路１１には、排気に含まれるパティキュレートを捕集するフィルタ１４が配置されている。フィルタ１４のパティキュレート堆積量が所定の閾値に達すると、コントローラ２１は、メイン噴射直後の膨張行程又は排気行程でポスト噴射を行うことにより、フィルタ１４の再生処理を実行する。

コントローラ２１には、目標となる再生温度が得られるポスト噴射量及びポスト噴射時期がエンジン負荷とエンジン回転速度とに対応して記憶されている。そして、コントローラ２１は、エンジン負荷とエンジン回転速度とに応じた最適なポスト噴射量とポスト噴射時期で、ポスト噴射を行う。これにより、フィルタ１４に堆積しているパティキュレートを燃焼除去し、フィルタ１４を再生する。

フィルタ１４に堆積しているパティキュレートの全てを燃焼除去する完全再生を実行するためには、再生処理時にフィルタ１４の許容温度を超えない範囲で、フィルタ１４内の温度（パティキュレート燃焼温度）を高めることが必要となる。そのため、フィルタ１４よりも上流の排気通路１１には、酸化触媒１５が配置されている。

再生処理時におけるポスト噴射によって流入する排気に含まれるＨＣ及びＣＯを触媒１５により燃焼させることで、フィルタ１４内の温度を高めて、フィルタ１４でのパティキュレートの燃焼を促進させる。

なお、触媒１５は、酸化触媒に限られず、酸化機能を備える触媒（例えば三元触媒）であってもよい。

また、触媒１５をフィルタ１４の上流側に別体で設けるのではなく、フィルタ１４を構成する担体に酸化触媒をコーティングしてもよい。この場合には、パティキュレートが燃焼する際の酸化反応が促進されるので、フィルタ１４内の温度が上昇しやすく、パティキュレートの燃焼を効率的に促進させることが可能となる。

ところで、ディーゼルエンジン１では冷間時に始動性が低下するため、ディーゼルエンジン１は、燃焼室ごとに冷間始動用のグロープラグ３１を備えている。グロープラグ３１は、燃焼室内に臨むように設けられており、冷間始動時等に燃焼室内の混合気の温度を上昇させて着火を補助する。

図２は、ディーゼルエンジン１の１つの気筒４１を上から見た模式図である。

図２に示すように、気筒４１のシリンダボア４２の上部に燃焼室４３が形成され、燃料噴射弁９は燃焼室４３内に臨んで設けられるとともに燃焼室４３の上部中央位置に配置される。燃料噴射弁９の周囲には、２つの吸気弁４４、４５と２つの排気弁４６、４７が配置されている。燃料噴射弁９の先端には例えば８つの噴孔が形成されており、燃料は各噴孔からシリンダボア４２の壁面に向けて噴射される。燃料噴射弁９から噴射された燃料は、周方向に等しい間隔をあけて８方向に噴射される。燃焼室４３内には図中矢印方向のスワール流が生じるようになっており、このスワール流によって噴霧燃料Ｆは図２において時計回転方向に曲げられる。

グロープラグ３１は、例えば２つの吸気弁４４、４５の間の位置から燃焼室４３内に臨むように設けられている。エンジン冷間時には、グロープラグ３１に電流が通電される。燃料噴射弁９からの噴霧燃料Ｆが、通電によって加熱されたグロープラグ３１の周辺に供給されると、グロープラグ３１近傍の混合気が着火して種火となり、混合気全体に燃え広がる。

なお、グロープラグ３１が設けられる位置は、２つの吸気弁４４、４５の間に限られるものでなく、吸気弁４４、４５と排気弁４６、４７の間や２つの排気弁４６、４７の間であってもよい。また、吸気弁の数や排気弁の数、燃料噴射弁の噴孔の数は、必要に応じて任意に設定される。

最近のディーゼルエンジン１においては、エンジン圧縮比は、１５前後、より具体的には１５．５以下の低圧縮比に設定される傾向にある。このように低圧縮比化することのメリットは、ディーゼルエンジン１の出力を向上させ、排気中のＮＯｘを低減し、ポンピングロスを低減できる点にある。つまり、低圧縮比化により気筒内圧の最大値が低下する分、燃料噴射弁９から燃料をより多く燃焼室４３内に噴射することが可能となり、これによってエンジンの出力が向上する。低圧縮比化により燃焼室４３内における燃焼温度を低下させることができ、これによりＮＯｘの発生を抑制することが可能となる。また、圧縮比が低下するため、ポンピングロスも低減される。

その一方で、低圧縮比化により、例えば−２５℃といった低外気温条件での冷間始動時に、失火が発生する等、燃焼室４３内における混合気の燃焼性が悪化する。

本発明者らは、低外気温条件での冷間始動時における失火を抑制するためには、グロープラグ３１の有する燃料着火源としての機能を有効活用することが重要であることに着目した。つまり、ディーゼルエンジン１では、メイン噴射に先立って行われるパイロット噴射による燃料をグロープラグ３１の近傍に導いて燃焼の核となる火種を形成することで、冷間始動時における燃焼安定性の改善を図る。

しかしながら、グロープラグ３１近傍に導く燃料が多すぎると、燃料気化時にグロープラグ３１から奪われる熱量が増えてしまう。そうすると、グロープラグ３１が冷却されすぎて、グロープラグ３１によって火種を形成させることができなくなる。

１回のパイロット噴射による燃料過多に起因するグロープラグ３１の冷却を回避するためには、パイロット噴射を２回以上に多段化することによって、１回当たりのパイロット噴射の燃料量（パイロット噴射量）を低減する必要がある。１回当たりのパイロット噴射量を低減すれば、所定時間当たりにグロープラグ３１から奪われる熱量が少なくなり、グロープラグ３１の温度低下を抑制することが可能となる。

ところで、上述したＪＰ２００３−９７３２９Ａには、可変圧縮比機構を備え、始動時や低負荷時に圧縮比を相対的に高くし、かつ高負荷時に圧縮比を相対的に低くするディーゼルエンジンが開示されている。このディーゼルエンジンでは、低圧縮比となる高負荷時に複数回のパイロット噴射を実行し、高圧縮比となる始動時や低負荷時にも複数回のパイロット噴射を実行する。しかしながら、ＪＰ２００３−９７３２９Ａ１では低圧縮比状態での燃焼性の改善は検討されておらず、低圧縮比状態においてパイロット噴射を多段化する場合には、グロープラグへの通電時かつ低外気温条件での冷間始動時における燃焼性の改善は望めない。

これに対して、本実施形態では、グロープラグ３１への通電時かつ低外気温条件での冷間始動時に、複数回分のパイロット噴射全体の熱発生量をクランク角で微分した値が予め定められた所定値以上となるように、パイロット噴射の回数及び各パイロット噴射量を決定する。これによって、着火時のグロープラグ３１の温度低下を抑制でき、かつグロープラグ３１の近傍の当量比を高く維持することが可能となる。その結果、グロープラグ３１への通電時かつ低外気温条件での冷間始動時に、燃焼室４３内での混合気の燃焼性を改善することができる。

図３は、本発明者らが検討した異なる４つのパイロット噴射パターンを示す図である。

図３に示すように、ケース４は本実施形態の噴射パターンであり、ケース１〜３は参考例１〜３としての噴射パターンである。各パイロット噴射パターンでは、複数回のパイロット噴射が実行され、最終回のパイロット噴射後にメイン噴射が実行される。ＩＴ１〜ＩＴ４はパイロット噴射の噴射時期を示し、ＩＴ５はメイン噴射の噴射時期を示す。ＩＴ５は、圧縮上死点ＴＤＣの直前に設定されている。パイロット噴射及びメイン噴射の燃料量は三角印の高さで表されており、その高さが高いほど燃料量が多いことを意味している。

メイン噴射の燃料量（以下「メイン噴射量」という。）と、全てのパイロット噴射量の合計（総パイロット噴射量）とを合わせた燃料量は、ケース１〜４においてそれぞれ同じに設定されている。さらに、ケース１〜４とも、メイン噴射量よりも総パイロット噴射量のほうが多くなっている。

参考例１としてのケース１では、初回のパイロット噴射量Ｑ３をＩＴ１で、２回目のパイロット噴射量Ｑ４をＩＴ３で噴射する。ケース１はメイン噴射の前にパイロット噴射が２回行われる噴射パターンであり、２回目のパイロット噴射量Ｑ４の方が初回のパイロット噴射量Ｑ３よりも多く設定されている。

参考例２としてのケース２では、ケース１の初回のパイロット噴射を２回に分割して噴射時期をＩＴ１、ＩＴ２とし、３回目のパイロット噴射の噴射時期をＩＴ４としたものである。分割された各パイロット噴射量Ｑ５はＱ３の半分に設定され、３回目のパイロット噴射量はＱ４に設定される。

参考例３としてのケース３では、初回のパイロット噴射をＩＴ１で行い、２回目のパイロット噴射をＩＴ３で行う。また、メイン噴射量をＱ１からＱ２へと減少させ、その減少分の燃料（Ｑ１−Ｑ２）を初回のパイロット噴射量に加算している。したがって、初回のパイロット噴射量は、Ｑ３に（Ｑ１−Ｑ２）を加算したＱ６に設定される。２回目のパイロット噴射量はＱ４に設定される。

本実施形態としてのケース４では、初回のパイロット噴射をＩＴ１で行い、２回目のパイロット噴射をＩＴ２で行い、三回目のパイロット噴射をＩＴ４で行う。初回のパイロット噴射量はＱ４であり、２回目及び３回目のパイロット噴射量はＱ５（＝Ｑ３の半分）である。これにより、初回のパイロット噴射量Ｑ４が総パイロット噴射量Ｑｐｉｔｏｔａｌに占める比率は、２回目のパイロット噴射量Ｑ５及び３回目のパイロット噴射量Ｑ５の和が総パイロット噴射量Ｑｐｉｔｏｔａｌに占める比率よりも大きく設定される。以下、初回のパイロット噴射量が総パイロット噴射量に占める比率を初回パイロット噴射量比率といい、２回目及び３回目の各パイロット噴射量の和が総パイロット噴射量に占める比率を残りパイロット噴射量比率という。

なお、ケース４では、初回のパイロット噴射の噴射量Ｑ４はメイン噴射の噴射量Ｑ１よりも小さく設定されており、２回目及び３回目のパイロット噴射の噴射量Ｑ５は初回のパイロット噴射の噴射量Ｑ４よりも小さく設定されている。

上記４つのケースについて実機での実験を行うことにより、グロープラグ３１への通電時かつ低外気温条件での冷間始動時における図４及び図５に示す特性を得た。また、４つのケースについてシミュレーションを行うことにより、グロープラグ３１への通電時かつ低外気温条件での冷間始動時における図６Ａ及び図６Ｂの特性を得た。

図４は、本発明者らが初めて見い出した特性である。図４の横軸は、多段階のパイロット噴射全体による熱発生量をクランク角で微分した値ｄＱｐｉｌｏｔ／ｄθ［Ｊ／ｄｅｇ］を示す。図４の縦軸は、多段階のパイロット噴射及びメイン噴射による１サイクルの燃焼により得られる図示平均有効圧Ｐｉ［ＭＰａ］を示す。ここで、１サイクルとは、１つの気筒における吸気行程、圧縮行程、爆発行程、排気行程の４行程分の期間を意味する。

パイロット噴射全体による熱発生量Ｑｐｉｌｏｔの計算の仕方について、図７を参照して説明する。図７の横軸はクランク角［ｄｅｇ］を示し、図７の縦軸は１サイクル中における燃焼室での熱発生率［Ｊ／ｄｅｇ］を示す。

図７に示すように、パイロット噴射を実行する場合には、複数回のパイロット噴射全体にる熱発生で熱発生率は低ピークＰ１（１山目）を有する波形となり、その後のメイン噴射による熱発生で熱発生率は高ピークＰ２（２山目）を有する波形となる。このように熱発生率の波形は２つのピークを有する波形となり、１山目の面積（図７のハッチング部の面積）を計算することで、パイロット噴射全体による熱発生量Ｑｐｉｌｏｔ［Ｊ］が得られる。

このように得られたパイロット噴射全体による熱発生量Ｑｐｉｌｏｔ［Ｊ］を複数回のパイロット噴射によって熱発生が生じたクランク角区間［ｄｅｇ］で除算することで、ｄＱｐｉｌｏｔ／ｄθ［Ｊ／ｄｅｇ］を算出することができる。

図７では、圧縮上死点ＴＤＣで熱発生の低ピークＰ１が生じているが、これは実機実験に使用したディーゼルエンジンがたまたま圧縮上死点ＴＤＣで熱発生のピークが生じるエンジンであったからである。したがって、本発明は、このようなエンジンにのみ適用されるのではなく、圧縮上死点ＴＤＣよりも前や後ろで低ピークＰ１が生じるディーゼルエンジンにも適用可能である。

図４に戻り、実機実験により得られた図示平均有効圧特性について説明する。

図４に示すように、ｄＱｐｉｌｏｔ／ｄθが大きくなるほど、図示平均有効圧ＰｉはＡからＢへと増加する。ｄＱｐｉｌｏｔ／ｄθが所定値Ｄ以上の領域（Ｂ〜Ｃの範囲）では、図示平均有効圧Ｐｉはほぼ一定値となる。ここで、図３に示したケース１〜３におけるｄＱｐｉｌｏｔ／ｄθはＤ未満の領域に含まれ、ケース４におけるｄＱｐｉｌｏｔ／ｄθはＤ以上の領域に含まれることが判明した。

図４において、ｄＱｐｉｌｏｔ／ｄθが所定値Ｄ未満の領域は、ｄＱｐｉｌｏｔ／ｄθの値が大きいほど、多段階のパイロット噴射全体による発熱量が大きくなり、この影響を受けて図示平均有効圧Ｐｉが上昇することを示している。一方、ｄＱｐｉｌｏｔ／ｄθが所定値Ｄ以上の領域は、図示平均有効圧Ｐｉが所定値Ｄでの値より大きくならず平衡値となることを示している。

つまり、ｄＱｐｉｌｏｔ／ｄθが所定値Ｄ以上の領域にある場合には、グロープラグ３１の近傍に形成される火種が順調に成長しており、燃焼室内での混合気の燃焼が安定している。この逆に、ｄＱｐｉｌｏｔ／ｄθが所定値Ｄ未満の領域にある場合には、多段階のパイロット噴射を実行しても発熱の程度が小さく、グロープラグ３１の近傍に火種が形成されていないか、又は火種が形成されていても順調に成長しておらず、失火が生じる可能性がある。したがって、グロープラグ３１への通電時かつ低外気温条件での冷間始動時における燃焼性を改善するためには、ｄＱｐｉｌｏｔ／ｄθが所定値Ｄ以上となるように、パイロット噴射の回数及び各パイロット噴射量を決定すればよいこととなる。

なお、図４に示した図示平均有効圧の傾向はエンジン仕様によって変化しないが、Ｂ〜Ｃの期間における図示平均有効圧Ｐｉの値及び所定値Ｄの値はエンジン仕様によって変化する。したがって、エンジン仕様毎に図４に示すような特性を得て、その特性に基づいて所定値Ｄは定められる。

次に、図５は、ケース１〜４における図示平均有効圧Ｐｉ及び図示平均有効圧の変動率（Ｐｉ変動率）を示す図である。図示平均有効圧Ｐｉは棒グラフで表わされており、Ｐｉ変動率は折れ線で表わされている。

図５に示すように、ケース２における図示平均有効圧はケース１及びケース３の図示平均有効圧よりも高くなっているものの、これらケース１〜３の図示平均有効圧はケース４の図示平均有効圧よりも低くなっている。これは、図４を参照して説明した通りである。これに対して、Ｐｉ変動率は、ケース１、ケース２、ケース３の順に大きくなり、ケース４が最も小さくなっている。燃焼室内の燃焼が安定している場合には、Ｐｉ変動率は小さくなる。

次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照して、ケース１〜４における平均グロープラグ近傍温度及び平均グロープラグ近傍当量比を説明する。図６Ａは、ケース１〜４における平均グロープラグ近傍温度を示す図である。図６Ｂは、ケース１〜４における平均グロープラグ近傍当量比を示す図である。

ここで、グロープラグ近傍温度とは、燃焼室内においてグロープラグ３１の近傍の温度をシミュレーションによって算出した値である。また、当量比は空燃比の逆数を理論空燃比の逆数で除した値であり、当量比１．０が理論空燃比に相当する。グロープラグ近傍当量比は、グロープラグ３１の近傍の局所的な当量比であり、燃焼室全体の平均的な当量比ではない。グロープラグ近傍当量比は、グロープラグ３１の近傍の当量比をシミュレーションによって算出した値である。グロープラグ近傍当量比が１．０より大きい場合にはグロープラグ３１の近傍の混合気はリッチとなり、グロープラグ近傍当量比が１．０より小さい場合にはグロープラグ３１の近傍の混合気はリーンとなる。

図６Ａ及び図６Ｂに示すように、ケース１の場合よりケース２の場合の方が、平均グロープラグ近傍温度が高く、かつ平均グロープラグ近傍当量比も大きくなっている。ところが、ケース３の場合は、ケース２の場合と比較して、平均グロープラグ近傍当量比は大きくなるものの、平均グロープラグ近傍温度は低下している。この現象は、ケース３ではメイン噴射量を低下させる代わりに初回のパイロット噴射量を増加させていることに起因している。したがって、ケース３では、初回のパイロット噴射によってグロープラグ３１の近傍に一度に到達する燃料が多く、グロープラグ３１が冷却され、失火が生じやすい状態になっている。

一方、ケース４の場合には、ケース１〜３のいずれの場合よりも、平均グロープラグ近傍温度が高く、かつ平均グロープラグ近傍当量比が大きくなっている。このようにケース４の場合は、燃焼室内の混合気が安定的に燃焼する状態となっている。

次に、図８を参照して、初回パイロット噴射量比率の特性について説明する。図８は、冷却水温と初回パイロット噴射量比率との関係を示す特性図である。初回パイロット噴射量比率は、初回のパイロット噴射の噴射量を決定するために用いられる値である。

図８に示すように、初回パイロット噴射量比率は、零下の領域において冷却水温Ｔｗ［℃］が低くなるほど大きく設定される。冷却水温が０℃では初回パイロット噴射量比率は約３５％に設定され、冷却水温が−３０℃では初回パイロット噴射量比率は約８０％に設定される。このように冷却水温Ｔｗが低くなるほど初回パイロット噴射量比率を大きくするのは、−３０℃といった極低温の温度域においても、噴射された燃料がグロープラグ３１に接触する確率を向上させるためである。図８の特性はエンジン仕様によってほとんど変化することがなく、初回パイロット噴射量比率はエンジン仕様によらず３５％から８０％の間の値に設定される。

図８の横軸は、冷却水温Ｔｗの代わりに、外気温や、ディーゼルエンジン１の潤滑に使用される油の温度であってもよい。本実施形態はグロープラグ３１への通電時かつ低外気温条件での冷間始動時を対象とするので、このような状態では冷却水温、油温、及び外気温を同一視することができる。

次に、図９を参照して、コントローラ２１が実行する燃料噴射制御処理について説明する。

図９は、コントローラ２１が実行する燃料噴射制御処理のルーチンを示すフローチャートである。燃料噴射制御処理は、メイン噴射量及び３回の各パイロット噴射量を算出して出力するための処理である。燃料噴射制御処理は、今回の燃料噴射時における初回のパイロット噴射時期よりも所定クランク角前のタイミングで一回実行される。

Ｓ１（ステップ１）では、コントローラ２１は、メイン噴射量Ｑｍａｉｎ［ｍｍ3／ｓｔ．］を算出する。

例えばアイドル運転状態であれば目標アイドル回転速度が予め定めており、この目標アイドル回転速度が得られるようにメイン噴射量Ｑｍａｉｎが予め定められている。したがって、コントローラ２１は、予め定められているメイン噴射量Ｑｍａｉｎを読み出す。メイン噴射量Ｑｍａｉｎは一定値であり、メイン噴射量Ｑｍａｉｎで目標アイドル回転速度が得られない場合には、フィードバック制御することで、目標アイドル回転速度が得られるようにメイン噴射量Ｑｍａｉｎが調整される。

Ｓ２〜５では、コントローラ２１は、以下の条件〔１〕〜〔４〕が全て成立するか否かを判定し、全て成立する場合にＳ６の処理を実行する。一方、条件〔１〕〜〔４〕のいずれかかが成立しない場合には、コントローラ２１は、Ｓ１３の処理を実行してメイン噴射量Ｑｍａｉｎをレジスタに出力する。なお、Ｓ１３において、メイン噴射量Ｑｍａｉｎをメモリに保存してもよい。このように条件〔１〕〜〔４〕のいずれかかが成立しない場合には、パイロット噴射は実行されず、メイン噴射だけが実行されることとなる。

〔１〕グロープラグ３１への通電中であること。

〔２〕外気温Ｔａが０℃以下であること。

〔３〕アイドル運転状態であること。

〔４〕冷却水温Ｔｗが所定値未満であること。

グロープラグ３１に通電する期間は、エンジン冷間始動時から例えば数十秒といった短い期間である。上記〔１〕を条件とするのは、低圧縮化したディーゼルエンジン１での極低温時にグロープラグ３１の燃料着火源としての機能を有効活用するためである。

上記〔２〕を条件とするのは、外気温Ｔａが０℃以下である低外気温条件で、燃焼が不安定となるからである。外気温Ｔａは、外気温センサ３２（図１参照）によって検出される。

上記〔３〕を条件とするのは、アイドル運転状態で最も燃焼が不安定となるためである。コントローラ２１は、例えばアクセル開度がゼロの場合に、アイドル運転状態であると判定する。

上記〔４〕を条件とするのは、冷却水温Ｔｗが所定値未満であるエンジン冷間時に燃焼が不安定となるためである。冷却水温Ｔｗは、水温センサ３３（図１参照）によって検出される。なお、条件〔３〕及び条件〔４〕については必要に応じて省略してもよい。

Ｓ６では、コントローラ２１は、総パイロット噴射量Ｑｐｉｔｏｔａｌ［ｍｍ3／ｓｔ．］を算出する。総パイロット噴射量Ｑｐｉｔｏｔａｌは、エンジン負荷とエンジン回転速度から総パイロット噴射量マップを検索することにより算出される。グロープラグ３１への通電時かつ低外気温条件での冷間始動時には、総パイロット噴射量Ｑｐｉｔｏｔａｌはメイン噴射量Ｑｍａｉｎより多くなることがある。

Ｓ７では、コントローラ２１は、冷却水温Ｔｗから図８に示したテーブルを検索することにより、初回パイロット噴射量比率を算出する。図８に示したように、初回パイロット噴射量比率は冷却水温Ｔｗが低くなるほど大きく設定される。これは、極低温になるほど燃料噴霧が気化しにくくなり、その分多く燃料を噴射することで燃料噴霧がグロープラグ３１に接触する確率を高める必要があるためである。

本実施形態では、Ｓ３で外気温Ｔａを用い、Ｓ５及びＳ７で冷却水温Ｔｗを用いているが、これに限られるものでない。例えば、Ｓ５及びＳ７では、冷却水温Ｔｗに代えて、油温を用いてもよい。また、Ｓ７のみで、冷却水温Ｔｗに代えて、油温を用いてもよい。さらに、Ｓ７では冷却水温Ｔｗに代えて外気温Ｔａを用いてもよく、この場合にはＳ３の処理を省略することができる。

Ｓ８では、コントローラ２１は、失火が発生する程度までエンジン回転の角速度が低下しているか否かを判定する。

例えば４気筒直列エンジンではクランク角で１８０度毎に燃料噴射時期が訪れるので、コントローラ２１は１８０度間隔でエンジン回転の角速度を算出する。クランク角センサ２３（角速度検出部）により検出されるエンジン回転速度Ｎｅは単位がｒｐｍであるので、これを６０で除算すると、分母を秒とする回転速度Ｖ［回／ｓ］が得られる。前々サイクルに得た回転速度Ｖから前サイクルに得た回転速度Ｖを差し引いた回転速度差ΔＶに（３６０／所定時間）［ｄｅｇ／（回・ｓ）］を乗ずれば、エンジン回転の角速度ωを時間で微分した角加速度α［ｄｅｇ／ｓ2］が得られる。

燃焼が良好であるか、あるいは失火が生じているかは、エンジン回転の角速度ωに現れる。失火が生じているときには、エンジン回転の角速度ωが低下する。エンジン回転の角速度ωが低下するときには、エンジン回転の角加速度αはマイナスとなるので、絶対値で扱えばよい。コントローラ２１は、角加速度αの絶対値が閾値以上となっている場合に、エンジン回転の角速度ωが低下していると判断し、Ｓ９の処理を実行する。

なお、コントローラ２１は、クランク角センサ２３により検出されるエンジン回転速度に基づいて算出されるエンジン回転の角速度ωが失火判定用閾値よりも低下した場合に、エンジン回転の角速度ωが低下したと判定してもよい。

Ｓ９では、コントローラ２１は、Ｓ７で算出された初回パイロット噴射量比率に一定値である減少割合を乗算し、改めて初回パイロット噴射量比率を算出する。減少割合は、予め適合された値である。

エンジン回転の角速度ωが低下し、失火が生じている場合には、ディーゼルエンジン１のシリンダ内に燃焼していない燃料が残留する。シリンダ内に残留する燃料は加熱されているので、着火性が高くなっている。したがって、今サイクルの燃料噴射時における初回のパイロット噴射時には、前サイクルの燃料噴射時における初回のパイロット噴射量より少ない燃料を供給すればよい。そのため、Ｓ９において、今回の初回パイロット噴射量比率を減少させる。上記したＳ８及びＳ９の処理を実行することで、エンジン回転の角速度ωが低下している場合であっても良好な燃焼状態を得ることが可能となる。

一方、Ｓ８においてエンジン回転の角速度ωが低下していないと判定された場合には、コントローラ２１は、失火が生じていないと判断してＳ１０の処理を実行する。

Ｓ１０では、コントローラ２１は、Ｓ７で算出された初回パイロット噴射量比率又はＳ９で減量された初回パイロット噴射量比率を用いて、次式により初回パイロット噴射量Ｑｐｉ１［ｍｍ3／ｓｔ．］を算出する。初回パイロット噴射量Ｑｐｉ１は、Ｓ１で算出されたメイン噴射量Ｑｍａｉｎを超えないように設定される。

Ｓ１１では、コントローラ２１は、Ｓ６で算出されたＱｐｉｔｏｔａｌ及びＳ１０で算出されたＱｐｉ１を用いて、次式により２回目のパイロット噴射量Ｑｐｉ２［ｍｍ3／ｓｔ．］、３回目のパイロット噴射量Ｑｐｉ３［ｍｍ3／ｓｔ．］を算出する。２回目及び３回目のパイロット噴射量Ｑｐｉ２、Ｑｐｉ３は、初回パイロット噴射量Ｑｐｉ１よりも小さく設定される。

上記のように算出される初回パイロット噴射量Ｑｐｉ１、２回目パイロット噴射量Ｑｐｉ２、及び３回目パイロット噴射量Ｑｐｉ３は、グロープラグ３１への通電時かつ低外気温条件での冷間始動時において、多段階のパイロット噴射全体による熱発生量をクランク角で微分した値が図４の所定値Ｄ以上となるように適合された値となっている。

Ｓ１２では、コントローラ２１は、メイン噴射量Ｑｍａｉｎ、初回パイロット噴射量Ｑｐｉ１、２回目パイロット噴射量Ｑｐｉ２、及び３回目パイロット噴射量Ｑｐｉ３をレジスタに出力する。なお、Ｓ１２において、各噴射量をメモリに保存してもよい。

初回のパイロット噴射、２回目のパイロット噴射、３回目のパイロット噴射、及びメイン噴射の各噴射時期は、図３のケース４に示すように予め定められた時期に設定されている。つまり、初回パイロット噴射の噴射時期は時期ＩＴ１に設定され、２回目パイロット噴射の噴射時期は時期ＩＴ２に設定され、３回目パイロット噴射の噴射時期は時期ＩＴ４に設定される。また、メイン噴射の噴射時期は時期ＩＴ５に設定される。

コントローラ２１は、初回のパイロット噴射、２回目のパイロット噴射、３回目のパイロット噴射、及びメイン噴射の各噴射時期となった時に、燃料噴射弁９を開弁制御する。これにより、燃料噴射弁９は、Ｑｐｉ１、Ｑｐｉ２、Ｑｐｉ３、及びＱｍａｉｎの各噴射量の燃料を燃焼室に供給する。

ここで、本実施形態によるディーゼルエンジン１の制御装置の作用効果について説明する。

本実施形態によるディーゼルエンジン１の制御装置は、冷間始動時に燃焼室を加熱するグロープラグ３１と、メイン噴射に先立つパイロット噴射を多段階で実行可能なコモンレール式燃料噴射装置６と、コモンレール式燃料噴射装置６を制御するコントローラ２１と、を備える。コントローラ２１は、グロープラグ３１への通電時かつ低外気温条件での冷間始動時において、多段階のパイロット噴射全体による熱発生量をクランク角で微分した値（ｄＱｐｉｌｏｔ／ｄθ）が予め定められた所定値Ｄ以上となるように、パイロット噴射の回数及び各パイロット噴射の噴射量を決定する。

より具体的には、コントローラ２１は、グロープラグ３１への通電時かつ外気温が０℃以下での冷間始動時に、パイロット噴射を２回以上の多段階で実行するようにコモンレール式燃料噴射装置６を制御する。そして、コントローラ２１は、初回のパイロット噴射の噴射量を、メイン噴射の噴射量を超えず、かつ各パイロット噴射の噴射量の和である総パイロット噴射量に対して３５％から８０％までの範囲内で設定する。この時、コントローラ２１は、初回以降に実行される残りのパイロット噴射の１回分の噴射量を、初回のパイロット噴射の噴射量よりも小さく設定する。なお、パイロット噴射の回数は、図３におけるケース４のように３回程度が好ましい。

上記のように設定された多段階のパイロット噴射を実行することで、着火時のグロープラグ３１の温度低下を防止しつつ、グロープラグ３１近傍の当量比を高く維持することが可能となる。その結果、低外気温条件での冷間始動時に、燃焼室での混合気の燃焼を安定させることができる。

本実施形態では、パイロット噴射を初回のパイロット噴射とこれに続く残りのパイロット噴射とで構成される２回以上の多段とし、初回パイロット噴射量比率を残りパイロット噴射量比率より大きく設定する。パイロット噴射の２回以上の多段化により燃料の気化を促進して、グロープラグ３１近傍の当量比を高めることができる。また、初回パイロット噴射量比率の増大及び残りパイロット噴射量比率の減少により、メイン噴射直前でのグロープラグ３１からの熱の吸収を低減し、グロープラグ３１の温度低下を抑制できる。これにより、グロープラグ３１近傍の当量比、グロープラグ３１の温度を高く保つことが可能となり、燃焼室での混合気の燃焼を安定させることができる。

本実施形態では、初回パイロット噴射量比率は、図８に示すように冷却水温Ｔｗが低下するほど大きく設定される。これにより、グロープラグ３１への通電時かつ低外気温条件での冷間始動時における冷却水温Ｔｗに応じた最適な燃料噴射制御を実行することができる。その結果、外気温等によらず、グロープラグ３１近傍の当量比及びグロープラグ３１の温度を高く保つことが可能となり、燃焼室内における燃焼をより安定させることができる。

本実施形態では、クランク角センサ２３により検出されるエンジンの角速度ωが失火判定用閾値よりも低下している場合に、初回パイロット噴射量比率が小さくなるように補正する。これにより、グロープラグ３１への通電時かつ低外気温条件での冷間始動時に、失火によりエンジン回転の角速度が低下した場合であっても、良好な燃焼状態を得ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

本実施形態では、図３のケース４に示すようにパイロット噴射の回数は３回であるが、パイロット噴射の回数は２回以上であればよい。また、本実施形態では、２回目のパイロット噴射量と３回目のパイロット噴射量を同量としているが、初回パイロット噴射量よりも２回目及び３回目のパイロット噴射量が少なければよく、これらパイロット噴射量を同量に設定する必要はない。

本願は２０１２年９月３日に日本国特許庁に出願されたＪＰ２０１２−１９２９４１、及び２０１２年９月７日に日本国特許庁に出願されたＪＰ２０１２−１９７７７０に基づく優先権を主張し、これら出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (3)

1. ディーゼルエンジンの制御装置であって、
   冷間始動時に前記ディーゼルエンジンの燃焼室を加熱するグロープラグと、
   メイン噴射に先立つパイロット噴射を多段階で実行可能なコモンレール式燃料噴射装置と、
   前記コモンレール式燃料噴射装置を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記グロープラグへの通電時かつ外気温が０℃以下での冷間始動時に、前記パイロット噴射を２回以上の多段階で実行するように前記コモンレール式燃料噴射装置を制御し、
   初回のパイロット噴射の噴射量を、前記メイン噴射の噴射量を超えず、かつ各パイロット噴射の噴射量の和である総パイロット噴射量に対して３５％から８０％までの範囲内で設定する、と共に、冷却水温、油温、外気温の少なくとも一つの温度が低下するほど、前記初回のパイロット噴射量の前記総パイロット噴射量に占める比率が大きくなるように、前記初回のパイロット噴射量を設定し、
   初回以降に実行される残りのパイロット噴射の１回分の噴射量を、前記初回のパイロット噴射の噴射量よりも小さく設定する、
   ディーゼルエンジンの制御装置。
2. 請求項１に記載のディーゼルエンジンの制御装置であって、
   前記制御部は、前記グロープラグへの通電時かつ外気温が０℃以下での冷間始動時に、前記パイロット噴射を３回以上の多段階で実行するように前記コモンレール式燃料噴射装置を制御する、
   ディーゼルエンジンの制御装置。
3. ディーゼルエンジンの制御装置であって、
   冷間始動時に前記ディーゼルエンジンの燃焼室を加熱するグロープラグと、
   メイン噴射に先立つパイロット噴射を多段階で実行可能なコモンレール式燃料噴射装置と、
   前記コモンレール式燃料噴射装置を制御する制御部と、
   エンジンの角速度を検出する角速度検出部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記グロープラグへの通電時かつ外気温が０℃以下での冷間始動時に、前記パイロット噴射を３回以上の多段階で実行するように前記コモンレール式燃料噴射装置を制御し、
   初回のパイロット噴射の噴射量を、前記メイン噴射の噴射量を超えず、かつ各パイロット噴射の噴射量の和である総パイロット噴射量に対して３５％から８０％までの範囲内で設定する、と共に、
   前記角速度検出部により検出されたエンジンの角速度が閾値より低下した場合に、前記初回のパイロット噴射量の前記総パイロット噴射量に占める比率が小さくなるように、前記初回のパイロット噴射量を設定する、
   ディーゼルエンジンの制御装置。

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