JP6217398B2 - ディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置 - Google Patents

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Description

ここに開示する技術は、ディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置に関する。
特許文献１には、ディーゼルエンジンの燃料噴射に関し、主噴射後に後噴射を行うことによって、主噴射による燃焼によって発生した煤を低減することが記載されている。特許文献１にはまた、後噴射の時期に関し、エンジンが高負荷にあるときには、中負荷にあるときよりも遅角させる、つまり、後噴射の時期を主噴射から遠ざけることによって、煤の発生量が顕著に低減することが記載されている。
特開２００２−１９５０７４号公報
ところで、特許文献１に記載されたディーゼルエンジンは、排気通路におけるタービンの上流側から取った排気ガスを、吸気通路におけるコンプレッサの下流側に導入する高圧ＥＧＲシステムを備えている。高圧ＥＧＲシステムは、排気通路におけるタービンの上流側から排気ガスを取る分、ターボ過給機の回転数が低下し得る。
これに対し、排気通路におけるタービンの下流側から取った排気ガスを、吸気通路におけるコンプレッサの上流側に導入する低圧ＥＧＲシステムが知られている。低圧ＥＧＲシステムは、ターボ過給機による過給を行う運転領域においても、大量の排気ガスを吸気側に導入することが可能になる。これにより、燃焼温度の低減が図られるため、排気エミッション性能の向上、特にＮＯｘの排出低減に有利になる。
しかしながら、大量の排気ガスを導入することによって燃焼温度が低くなっていると、特許文献１に記載されているように後噴射の時期を遅らせたのでは、その噴射時点でのシリンダ内の温度状態が低くなることから、後噴射による煤の低減が十分に行われない。一方で、特にエンジンの負荷が高いときには、主噴射の噴射量が増える上に、低圧ＥＧＲシステムによって大量の排気ガスを導入することに伴い、主噴射により発生する煤が増えてしまう。そのため、大量の煤を、後噴射によって十分に減らすことができないと、煤の排出が増えてしまう点に、本願発明者等は気づいた。この問題は、負荷の高い領域での加速過渡時に顕著であり、これは、加速過渡時はターボ過給機による過給が遅れる上に、低圧ＥＧＲシステムは、エンジンの運転状態の変化に対する応答性が低いことに起因する。
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、低圧ＥＧＲシステムを備えたディーゼルエンジンにおいて、高負荷時における煤の排出を低減することにある。
ここに開示する技術は、ディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置に係り、この装置は、シリンダを有して構成されたエンジン本体と、前記シリンダ内に燃料を噴射するよう構成された燃料噴射弁と、前記エンジン本体の排気通路に配設されたタービン及び吸気通路に配設されたコンプレッサを有して構成されたターボ過給機と、前記排気通路における前記ターボ過給機よりも下流側で取った排気ガスを、前記吸気通路における前記ターボ過給機よりも上流側で導入するよう構成された低圧ＥＧＲシステムと、少なくとも、前記燃料噴射弁を通じた燃料の噴射態様、及び、前記低圧ＥＧＲシステムによる排気ガスの還流を制御することによって、前記エンジン本体を運転するように構成された制御器と、を備える。
そして、前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が、前記ターボ過給機による過給が行われる所定の、負荷の高い運転領域にあるときに、前記低圧ＥＧＲシステムを作動させると共に、主噴射の後に後噴射を行うよう前記燃料噴射弁を制御し、前記制御器は、前記後噴射を行う運転領域において、所定負荷以下の低負荷領域では、前記後噴射の噴射量を第１噴射量にすると共に、当該後噴射の噴射時期を第１時期に設定し、前記所定負荷を超える高負荷領域では、前記後噴射の噴射量を前記第１噴射量よりも少ない第２噴射量にすると共に、当該後噴射の噴射時期を前記第１時期よりも進角した第２時期にすることによって、前記主噴射と前記後噴射との間隔を、前記低負荷領域における前記主噴射と前記後噴射との間隔よりも狭くする。
この構成によると、エンジン本体の運転状態が、ターボ過給機による過給が行われる負荷の高い運転領域にあるときに、低圧ＥＧＲシステムが作動する。低圧ＥＧＲシステムの作動により、ＮＯｘの低減が図られる。
一方で、主噴射の後に後噴射を行うよう前記燃料噴射弁を制御することによって、主噴射によって発生した煤が、後噴射によって燃焼し、煤の排出も低減される。
そして、前記の構成では、後噴射を行う運転領域において、所定負荷以下の低負荷領域では、後噴射の噴射量を第１噴射量にすると共に、当該後噴射の噴射時期を第１時期に設定する。第１噴射量は相対的に多い噴射量であり、第１時期は相対的に遅い噴射時期である。この低負荷領域では、負荷が低いため、主噴射によって発生する煤が少ない。後噴射によって大量の煤を燃焼させる必要はないことから、主噴射から離れた時期に、噴射量が比較的多い後噴射を行う。このことで、残存した空気と燃料とが十分に混合して、後噴射による燃焼が安定して行われる。その結果、主噴射によって生じた煤を減らしつつ、後噴射による燃焼によって煤が生じることを抑制して、低負荷領域における煤の排出を低減する。
これに対し、後噴射を行う運転領域において、所定負荷を超える高負荷領域では、後噴射の噴射量を第２噴射量にすると共に、当該後噴射の噴射時期を第２時期に設定する。第２噴射量は相対的に少ない噴射量であり、第２時期は相対的に進んだ噴射時期である。高負荷領域では、主噴射によって大量の煤が発生し得るため、後噴射によって煤を十分に燃焼させる必要がある。その一方で、低圧ＥＧＲシステムを作動させているため、前述した低負荷領域のように後噴射の噴射時期を遅らせたのでは、その噴射時点におけるシリンダ内の温度状態が低くて着火性が悪くなり、後噴射による燃焼を十分に行うことができない。そこで、高負荷領域では、主噴射に近い時期に後噴射を行う。こうすることで、シリンダ内の温度状態が高いうちにシリンダ内に燃料を噴射することになるため、着火性を高めることが可能になる。こうして、後噴射による燃焼を十分に行うことができ、大量に発生した煤を、十分に燃焼させることが可能になる。また、高負荷領域では、後噴射の時期を主噴射に近づける分、その噴射量を少なくすることで、後噴射によって発生する煤を抑制することが可能になる。こうして、主噴射によって発生した大量の煤を十分に燃焼させることと、後噴射によって発生する煤を抑制することとが組み合わさって、高負荷領域での煤の排出を低減する。
前記制御器は、前記後噴射の噴射量を、シリンダ内混合気の空気過剰率に応じて調整し、前記後噴射の噴射量は、前記空気過剰率が１よりも大きい所定値において最大となるように、前記空気過剰率が前記所定値に近づくよう小さくなるに従い増量すると共に、前記空気過剰率が１のときにゼロになるように、前記空気過剰率が前記所定値を下回って１に近づくに従い減量するよう調整される、としてもよい。ここでいう「空気過剰率」は、シリンダ内の平均空気過剰率である。
シリンダ内混合気の空気過剰率が１のときには、シリンダ内の空気が少ないため、後噴射による燃焼を十分に行うことができず、その結果、煤の低減効果が十分に得られない。そこで、空気過剰率が１のときには、後噴射の噴射量をゼロにする、つまり後噴射を行わないことによって、不要な燃料噴射を回避して燃費悪化及びエミッション性能の悪化が未然に回避される。
また、シリンダ内の空気が相対的に少なくなることを考慮すれば、空気過剰率が１に近づくに従い後噴射の噴射量を減量することになるが、空気過剰率が１に近づくに従い主噴射によって生じる煤が増えるため、後噴射によって、可能な限り煤の排出を低減したいという要求がある。
この点につき、本願発明者等は、空気過剰率（つまり、平均空気過剰率）が１よりも大きい所定値以上のときには、シリンダ内に局所的に存在する空気を利用することによって後噴射による煤の低減効果が得られることを見出した。従って、後噴射の噴射量は、空気過剰率が１よりも大きい所定値において最大となるように、空気過剰率が前記所定値に近づくように小さくなるに従い増量するよう補正することが好ましい。こうすることで、空気過剰率が１に近いときに、煤の排出をさらに低減することが可能になる。一方、前述の通り空気過剰率が１になれば、後噴射による煤の低減効果がほとんど得られないことから、空気過剰率が前記所定値を下回って１に近づくに従い、後噴射の噴射量がゼロになるよう減量することが好ましい。
前記制御器は、前記主噴射の前に前噴射をさらに行い、前記制御器は、前記後噴射の噴射量を増減したときには、その噴射量の増減を相殺するように、前記前噴射の噴射量を増減する、としてもよい。
シリンダ内への燃料噴射として、前噴射、主噴射及び後噴射を少なくとも実行する場合において、各噴射の合計噴射量を一定にしつつ、後噴射の噴射量を増減するときには、主噴射の噴射量を増減するのではなく、前噴射の噴射量を増減することが好ましい。こうすることで、トルクの発生に寄与する主噴射の噴射量は変更されないため、トルクの減少又は増大が回避される。また、前噴射は、混合気の着火性に寄与する噴射であるが、その噴射量は、後噴射と比較して多いため、後噴射の噴射量の増減に対応して、前噴射の噴射量を増減したとしても、前噴射の量の変更割合は小さくなり、混合気の着火性に対する影響は小さい。
前記制御器は、前記後噴射を行う運転領域において、前記エンジン本体が加速過渡にあるときに、所定負荷以下の低負荷領域では、前記後噴射の噴射量を第１噴射量にすると共に、当該後噴射の噴射時期を第１時期に設定し、前記所定負荷を超える高負荷領域では、前記後噴射の噴射量を前記第１噴射量よりも少ない第２噴射量にすると共に、当該後噴射の噴射時期を前記第１時期よりも進角した第２時期にする、としてもよい。
つまり、ターボ過給機による過給が遅れるような加速過渡時には、過給圧が目標を下回るため煤が発生し易くなるところ、前述した後噴射の量及び噴射時期を、負荷に応じて変更する制御を行うことにより、高負荷領域及び低負荷領域のそれぞれにおいて煤の排出を抑制することが可能になる。
前記制御器は、前記後噴射を行う運転領域において、前記エンジン本体が加速過渡にあるときであって、シリンダ内混合気の空気過剰率が、前記エンジン本体の運転状態に応じて設定される閾値未満のときに、所定負荷以下の低負荷領域では、前記後噴射の噴射量を第１噴射量にすると共に、当該後噴射の噴射時期を第１時期に設定し、前記所定負荷を超える高負荷領域では、前記後噴射の噴射量を前記第１噴射量よりも少ない第２噴射量にすると共に、当該後噴射の噴射時期を前記第１時期よりも進角した第２時期にする、としてもよい。
低圧ＥＧＲシステムは、前述したように、排気通路におけるターボ過給機よりも下流側で取った排気ガスを、吸気通路におけるターボ過給機よりも上流側で導入するよう構成される。このため、エンジンの運転状態の変化に対する、低圧ＥＧＲシステムの応答性は低い。そこで、前述したターボ過給機の過給遅れだけでなく、低圧ＥＧＲシステムの応答性に関連するシリンダ内混合気の空気過剰率を考慮して、前述した後噴射の量及び噴射時期を、負荷に応じて変更する制御を行うことにより、煤の排出を効果的に抑制することが可能になる。
以上説明したように、前記のディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置によると、後噴射を行う運転領域において、所定負荷以下の低負荷領域では、後噴射の噴射量を相対的に多くすると共に、噴射時期を相対的に遅角させることにより、主燃焼による煤の発生が少ないときに後噴射による燃焼を安定して行って、煤の排出を低減することが可能になる一方、所定負荷を超える高負荷領域では、後噴射の噴射量を相対的に少なくすると共に、噴射時期を相対的に進角させることにより、燃焼温度が比較的低いときでも後噴射による燃焼を十分にかつ安定して行うことが可能になり、主噴射によって発生した大量の煤を十分に燃焼させて、煤の排出を低減することが可能になる。
ディーゼルエンジンの構成を示す概略図である。 エンジンの運転制御に係るマップの一例である。 所定の運転領域における燃料噴射態様の例示である。 （ａ）低負荷領域での後噴射の噴射量及び噴射時期と煤の排出量との関係、（ｂ）高負荷領域での後噴射の噴射量及び噴射時期と煤の排出量との関係を示す図である。 加速過渡時の燃料噴射制御に係るフローチャートである。 加速判定に係る過給圧閾値の設定マップである。 ＥＧＲ判定に係るλ閾値の設定マップである。 エンジン回転数に対する、後噴射の噴射量のベース補正量を例示する図である。 空気過剰率に関する補正後の、後噴射の噴射量の変化傾向の一例を示す図である。 空気過剰率に応じて後噴射の噴射量の補正を行った場合と、行わない場合とで、煤の排出量を比較する図である。
以下、ディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明は例示である。図１は、実施形態に係るエンジンシステム１の構成を示すブロック図である。このエンジンシステム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のシステムである。
エンジン本体（以下、単にエンジンという）１０は、図１では１つのみ示すが、複数のシリンダ１１を有している。各シリンダ１１には、図示を省略するクランク軸に連結されたピストン１２が嵌挿していると共に、シリンダ１１内に燃料を噴射するインジェクタ２１が設けられている。
エンジン１０には、シリンダ１１毎に吸気ポート及び排気ポートが形成されていると共に、これら吸気ポート及び排気ポートに、ポートを開閉する吸気弁１５及び排気弁１６が配設されている。吸気弁１５及び排気弁１６を駆動する動弁系には、少なくとも吸気弁１５の開弁時期及び排気弁１６の開弁時期を変更可能な動弁機構２２が設けられている。
各シリンダ１１の吸気ポートは、図１において明示されない吸気マニホールドを介して吸気通路３０に連通している。また、各シリンダ１１の排気ポートは、同様に明示されない排気マニホールドを介して排気通路４０に連通している。
吸気通路３０には、ターボ過給システム６の大型コンプレッサ６１１及び小型コンプレッサ６２１と、該コンプレッサ６１１，６２１により圧縮された空気を冷却するインタークーラ３１と、各シリンダ１１への吸入空気量を調節するスロットル弁３２とが、上流から下流に向かって順に配設されている。
排気通路４０には、ターボ過給システムの小型タービン６２２及び大型タービン６１２と、排気ガス中の有害成分を浄化する酸化触媒及び排気ガス中の粒子状物質を捕捉するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）を含む排気浄化装置４１と、排気シャッター弁４２とが、上流から下流に向かって順に配設されている。
吸気通路３０における小型コンプレッサ６２１の下流側部分（より正確には、スロットル弁３２の下流側部分）と、排気通路４０における小型タービン６２２の上流側部分とは、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するための高圧ＥＧＲ通路５１０によって接続されている。高圧ＥＧＲ通路５１０は、主通路５１１と、主通路５１１に対して並列に設けられたクーラバイパス通路５１２とを含んで構成されている。主通路５１１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高圧ＥＧＲ弁５１３及び排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ５１４が配設され、クーラバイパス通路５１２には、このクーラバイパス通路５１２を流通する排気ガスの流量を調整するためのクーラバイパス弁５１５が配設されている。これら高圧ＥＧＲ通路５１０、高圧ＥＧＲ弁５１３及びクーラバイパス弁５１５、並びにＥＧＲクーラ５１４を含んで、高圧ＥＧＲシステム５１が構成される。
また、吸気通路３０における大型コンプレッサ６１１の上流側部分と、排気通路４０における大型タービン６１２の下流側部分（より正確には、排気浄化装置４１と排気シャッター弁４２との間）とは、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するための低圧ＥＧＲ通路５２０によって接続されている。この低圧ＥＧＲ通路５２０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低圧ＥＧＲ弁５２１及び排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ５２２が介設されている。
排気シャッター弁４２は、排気通路４０において低圧ＥＧＲ通路５２０の接続部よりも下流側に配設されている。排気シャッター弁４２は、その開度を調整することが可能な流量調整弁であり、排気シャッター弁４２を閉じ側にすることによって、通過する流量が低減して、低圧ＥＧＲ通路５２０の排気通路４０側の圧力を、吸気通路３０側の圧力に対して相対的に高めることが可能になる。低圧ＥＧＲ通路５２０と低圧ＥＧＲ弁５２１とＥＧＲクーラ５２２と排気シャッター弁４２とを含んで、低圧ＥＧＲシステム５２が構成される。
ターボ過給システム６は、大型ターボ過給機と小型ターボ過給機とを含む２ステージターボ過給機によって構成されている。大型ターボ過給機は、相対的に大型のものであり、小型ターボ過給機は、相対的に小型のものである。
大型ターボ過給機は、吸気通路３０に配設された大型コンプレッサ６１１と、排気通路４０に配設された大型タービン６１２とを有し、大型コンプレッサ６１１と大型タービン６１２とは、図１では図示を省略するが、互いに連結されている。
小型ターボ過給機は、吸気通路３０に配設された小型コンプレッサ６２１と、排気通路４０に配設された小型タービン６２２とを有し、小型コンプレッサ６２１と小型タービン６２２とは、図１では図示を省略するが、互いに連結されている。小型コンプレッサ６２１は、吸気通路３０における大型コンプレッサ６１１の下流側に配設されている。一方、小型タービン６２２は、排気通路４０における大型タービン６１２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６１１と小型コンプレッサ６２１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６２２と大型タービン６１２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６１２，６２２が排気ガス流により回転し、それによって、大型及び小型コンプレッサ６１１，６２１がそれぞれ作動する。
尚、図１では図示を省略するが、吸気通路３０には、小型コンプレッサ６２１をバイパスする吸気バイパス通路が接続され、この吸気バイパス通路には、そこを流れるガス量を調整するためのバイパスバルブが配設されている。一方、排気通路４０には、小型タービン６２２をバイパスする小型排気バイパス通路と、大型タービン６１２をバイパスする大型排気バイパス通路とが接続されており、小型排気バイパス通路４５には、そこを流れるガス量を調整するためのレギュレートバルブが配設され、大型排気バイパス通路４６には、そこを流れるガス量を調整するためのウエストゲートバルブが配設されている。
符号１００は、エンジンシステム１を制御するコントロールユニットである。コントロールユニット１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、例えばＲＡＭやＲＯＭにより構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号の入出力をする入出力（Ｉ／Ｏ）バスと、を備えている。
コントロールユニット１００には、エンジン１０の回転数を検出するエンジン回転数センサ７１、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ７２、エンジン１０の冷却水温を検出する水温センサ７３の各センサが接続されている。
吸気通路３０上には、吸気通路３０を流れる新気の流量（及び温度）を検出するエアフローセンサ７４が配設されており、エアフローセンサ７４は、検出した流量及び外気温度をコントロールユニットに出力する（図１の破線の矢印参照）。
また、吸気通路３０、排気通路４０、高圧ＥＧＲ通路５１０及び低圧ＥＧＲ通路５２０における所定の箇所には、温度を検出する温度センサ、圧力を検出する圧力センサが配設されている。各センサは、コントロールユニット１００に接続されており、その検出値をコントロールユニット１００に出力する（図１の破線の矢印参照）。
ここで、温度センサとしては、吸気通路３０において、インタークーラ３１の下流におけるガス温度を検出するセンサ８１、吸気マニホールド内のガス温度を検出するセンサ８２、高圧ＥＧＲ通路５１０内におけるガス温度を検出するセンサ８３、を含んでいる。また、圧力センサとしては、吸気マニホールド内の圧力を検出するセンサ（つまり、吸気圧センサ）９１を含んでいる。さらに、排気浄化装置４１の下流側には、排気ガスの酸素濃度を検出するＯ２センサ９２が配設されており、Ｏ２センサ９２もまた、その検出値をコントロールユニット１００に出力する。
そして、コントロールユニット１００は、前述した各センサ等からの信号に基づいて、エンジン１０の運転状態を判断し、少なくとも、インジェクタ２１、動弁機構２２、スロットル弁３２、排気シャッター弁４２、高圧ＥＧＲ弁５１３、クーラバイパス弁５１５、及び、低圧ＥＧＲ弁５２１を制御する。
図２は、エンジン１０の運転制御に係るマップの一例である。このマップは主に、インジェクタ２１を通じた燃料の噴射態様に関するマップであって、エンジン回転数及びエンジン負荷に応じて、複数の領域に区画されている。複数の領域それぞれについて、個別に燃料の噴射態様が設定されている。複数の領域の内、エンジン回転数が低回転側でかつ、エンジン負荷が低乃至中負荷の領域（但し、軽負荷の領域を除く）は、比較的早い時期に燃料をシリンダ１１内に噴射し、圧縮上死点付近で燃焼させるような予混合燃焼を行う領域である。この予混合燃焼を行う領域以外の領域は、圧縮上死点付近において、トルクの発生に寄与する主噴射を実行するような拡散燃焼を行う領域である。
図３は、燃料噴射態様、つまり、燃料の噴射時期と燃料噴射量との一例を示している。この燃料噴射態様は、図２に示すマップの高負荷側の領域（１）（２）における燃料噴射態様に対応する。これらの領域（１）（２）では、パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、及びアフタ噴射の４回の燃料噴射を、順に行う。このうち、メイン噴射は主噴射に対応し、パイロット噴射及びプレ噴射は、主噴射の前に行う前噴射に対応し、アフタ噴射は、主噴射の後に行う後噴射に対応する。パイロット噴射及びプレ噴射は主に、メイン噴射によって噴射した燃料の着火性に寄与する。メイン噴射は主に、トルクの発生に寄与する。アフタ噴射は主に、メイン噴射による燃焼によって発生した煤を燃焼し、煤の排出を低減することに寄与する。尚、領域（１）と領域（２）とでは、各噴射の噴射量が相違している。
また、図示は省略するが、図２に示すマップの、実質的に全領域において、小型ターボ過給機及び／又は大型ターボ過給機が作動をする。さらに、エンジン１０の運転領域のほぼ全体に亘って、高圧ＥＧＲシステム５１及び／又は低圧ＥＧＲシステム５２により、排気ガスが吸気通路３０に導入されている。尚、排気ガスの導入量は、エンジン１０の運転状態によって相違する。エンジン１０の負荷が相対的に高い領域においては特に、低圧ＥＧＲシステム５２によって排気ガスが吸気通路３０に導入されている。低圧ＥＧＲシステム５２は、排気通路４０におけるタービン６１２、６２２の下流側から排気ガスを取って、吸気通路３０に導入するため、ターボ過給機の回転数を低下させることなく、排気ガスを還流させることが可能である。このエンジン１０では、ターボ過給システム６と、高圧及び低圧ＥＧＲシステム５１、５２とが共に作動をする運転状態が存在しており、高負荷側の領域（１）（２）では、ターボ過給システム６と低圧ＥＧＲシステム５２とが作動をしている。
負荷の高い領域においても排気ガスを還流することにより、燃焼温度を低くしてＮＯｘの低減に有利になる。一方で、エンジン１０の負荷が高くなるに従いメイン噴射の噴射量が増える上に、排気ガスも還流させていることで、そのメイン噴射による燃焼に伴い大量の煤が発生し得る。そのため、アフタ噴射による燃焼によって、大量に発生した煤を十分に燃焼させなければならない。
ここで、前述の通り、排気ガスの還流によって燃焼温度を低くしていることは、アフタ噴射による燃焼の安定性に不利になる。つまり、アフタ噴射の噴射時期をメイン噴射から大きく離してしまうと、その噴射時点でのシリンダ１１内の温度状態が低くなっていることから、アフタ噴射による燃焼が不安定になり、メイン噴射によって発生した煤を十分に減らすことができなくなる。
この問題は、ターボ過給システム６の過給遅れと、低圧ＥＧＲシステム５２の低い応答性に起因して、エンジン１０の負荷が高い領域（１）（２）での加速過渡時に顕著である。但し、領域（１）（２）においても、エンジン１０の負荷が相対的に低い領域では、メイン噴射によって発生する煤が元々少ないため、アフタ噴射による燃焼によって大量の煤を十分に減らすという要求が低い。
そこで、このエンジンシステム１では、負荷が高い領域での加速過渡時に、エンジン負荷の高低に応じて、燃料噴射形態、特にアフタ噴射の噴射量及び噴射時期を変更する制御を行う。具体的には、図２に示すマップにおいて破線で示す所定負荷以下の低負荷領域では、アフタ噴射の噴射量を、相対的に多い第１噴射量にすると共に、その噴射時期を相対的に遅い第１噴射時期にする。このアフタ噴射の噴射形態を、アフタ噴射とメイン噴射との間隔が広いことから、遠隔アフタ噴射セットと呼ぶ。一方、所定負荷を超える高負荷領域では、アフタ噴射の噴射量を、相対的に少ない第２噴射量にすると共に、その噴射時期を相対的に進んだ第２噴射時期にする。このアフタ噴射の噴射形態を、アフタ噴射とメイン噴射との間隔が狭いことから、近接アフタ噴射セットと呼ぶ。
図４は、アフタ噴射の噴射時期（つまり、噴射開始時期）と、煤の排出量との関係を示している。図４（ａ）は、所定負荷（図２に示すマップの破線で示す負荷）以下の低負荷領域での結果であり、図４（ｂ）は、所定負荷を超える高負荷領域での結果である。図４（ａ）（ｂ）における横軸はクランク角を示しているが、同図（ａ）（ｂ）の間で、破線によってつながれたクランク角は、互いに同じクランク角を示している。
先ず図４（ｂ）によると、高負荷領域では、アフタ噴射の噴射時期が相対的に遅くかつ、噴射量が多いときには、煤の排出量が増えるのに対し、アフタ噴射の噴射時期を進めかつ、噴射量を少なくすることによって、煤の排出量が低減していることがわかる（同図の矢印参照）。
これは前述したように、排気ガスの還流によって燃焼温度が低いため、アフタ噴射の噴射時期を遅くしてしまうと、その噴射時点でのシリンダ内の温度状態が低くなってしまう結果、アフタ噴射による燃焼が安定せず、メイン噴射により発生した煤の燃焼が十分に行われないのに対し、アフタ噴射の噴射時期を進めた場合には、シリンダ内の温度状態が比較的高いうちに、燃料を噴射することになるため、燃焼の安定化が図られ、メイン噴射により発生した大量の煤を十分に燃焼させることが可能になるためと考えられる。また、アフタ噴射を、メイン噴射に近づけて行うため、その噴射量が多すぎると、アフタ噴射による煤の増大を招くところ、アフタ噴射の噴射量を少なくすることによって、アフタ噴射による煤の発生が抑制される。こうして、高負荷領域において、アフタ噴射の噴射時期を相対的に進角させかつ、噴射量を相対的に少なくすることにより、メイン噴射により発生した煤の低減と、アフタ噴射による煤の発生の抑制とが組み合わさって、煤の排出が低減すると考えられる。
このような高負荷領域に対し、図４（ａ）に示す低負荷領域では、アフタ噴射の噴射時期が相対的に早くかつ、噴射量が少ないときには、煤の排出量が増えるのに対し、アフタ噴射の噴射時期が相対的に遅くかつ、噴射量を多くすることによって、煤の排出量が低減していることがわかる（同図の矢印参照）。
これは前述したように、低負荷領域では、メイン噴射により発生する煤が、元々少ないため、アフタ噴射によって大量の煤をできるだけ燃焼させることよりも、アフタ噴射によって発生する煤を十分に少なくすることが、煤の排出量を低減する上で有効になるためである。つまり、アフタ噴射の時期を早めて、メイン噴射に近づけたのでは、そのアフタ噴射によって発生する煤が増えてしまうのに対し、アフタ噴射の時期を遅くして、メイン噴射から離すことにより、アフタ噴射の着火遅れが長くなって、噴射した燃料と、残存する空気とを十分に混合させる時間を確保することが可能になる。その結果、アフタ噴射による燃焼を安定して行うことが可能になり、メイン噴射により発生した煤を低減しつつ、アフタ噴射により発生する煤も抑制することが可能になると考えられる。
図４（ａ）において破線で囲んだ燃料噴射時期及び燃料噴射量が、遠隔アフタ噴射セットに対応する。また、図４（ｂ）において破線で囲んだ燃料噴射時期及び燃料噴射量が、近接アフタ噴射セットに対応する。図４（ａ）（ｂ）の比較から明らかなように、近接アフタ噴射セットの噴射時期は、遠隔アフタ噴射セットの噴射時期よりも進角している。また、近接アフタ噴射セットの噴射量（三角）は、遠隔アフタ噴射セットの噴射量（丸又はバツ）よりも少ない。
こうして、加速過渡時には、エンジン１０の運転状態が領域（１）又は領域（２）内にあって、パイロット、プレ、メイン及びアフタの４回の燃料噴射を行うとしても、エンジン１０の負荷に応じて、アフタ噴射の噴射態様を、近接アフタ噴射セットと、遠隔アフタ噴射セットとで切り換える。つまり、パイロット、プレ、メイン及びアフタの４回の燃料噴射の内、アフタ噴射の噴射時期及び噴射量が、少なくとも変更される。
尚、加速過渡時における、遠隔アフタ噴射セットの選択は、図２に示すマップにおける領域（１）（２）内に限定されず、図２において破線と一点鎖線で囲まれた、アフタ噴射を実行する他の領域においても適用される。
次に、このエンジンシステム１における加速過渡時の制御について、図５に示すフローチャートを参照しながら説明する。このフローチャートは、コントロールユニット１００が実行をするものである。
先ず、スタート後のステップＳ１では、各種の信号を読み込む。具体的には、但し、これに限定されないが、アクセル開度センサ７２によるアクセル開度Ａｃｃ、エンジン回転数センサ７１によるエンジン回転数ＮＥ、エアフローセンサ７４による新気流量ＡＦＳ、吸気圧センサ９１による吸気圧力（過給圧力ＰＩＭ）、温度センサ８２による吸気温度Ｔａｉｒ、及び、水温センサ７３による冷却水温Ｔｗである。
続くステップＳ２では、ステップＳ１で読み込んだ信号に基づいて、要求トルクを求め、その要求トルクに基づく燃料の総噴射量を設定する。そして、ステップＳ３で、エンジン１０の運転状態からマップにおける運転領域を決定し、燃料噴射態様を決定する。つまり、領域（１）又は（２）であれば、パイロット噴射、プリ噴射、メイン噴射及びアフタ噴射のそれぞれの、基本噴射量（言い換えると定常時の噴射量）と、基本噴射時期（言い換えると定常時の噴射時期）と、を設定する。
ステップＳ４では、燃料噴射量、トータルの吸気充填量（新気及び排気ガスを含む）、並びに、高圧ＥＧＲシステム５１及び低圧ＥＧＲシステム５２の制御履歴に基づいて、空気過剰率λを算出する。続くステップＳ５では、計測した過給圧ＰＩＭと、算出した空気過剰率λとに基づいて、加速過渡時であるか否かを判定する。具体的には、過給圧ＰＩＭが閾値未満でありかつ、空気過剰率λが閾値未満であるときに、加速過渡時であると判定し、それ以外のときには、加速過渡時でないと判定する。
ここで、図６は、過給圧の閾値を設定するマップを示している。このマップは予め設定されてコントロールユニット１００に記憶されている。過給圧の閾値は、エンジン回転数と燃料噴射量と基づいて設定される。過給圧の閾値は、エンジン回転数が高くなるほど、また、燃料噴射量が多くなるほど、大きい値に設定され、エンジン回転数が低くなるほど、また、燃料噴射量が少なくなるほど、小さい値に設定される。ステップＳ４において、過給圧と閾値とを比較することは、大型ターボ過給機及び／又は小型ターボ過給機による過給が遅れているか否かを判定することであり、過給圧が閾値未満であることは、過給が遅れており、エンジン回転数及び燃料噴射量によって定められるエンジン１０の運転状態に見合った過給圧が得られていないことを意味する。
図７は、空気過剰率λの閾値を設定するマップを示している。このマップも予め設定されてコントロールユニット１００に記憶されている。空気過剰率λの閾値は、エンジン回転数と、燃料噴射量と基づいて設定される。空気過剰率λの閾値は、エンジン回転数が低くなるほど、また、燃料噴射量が多くなるほど、大きい値に設定され、エンジン回転数が高くなるほど、また、燃料噴射量が少なくなるほど、λ≧１の範囲で小さい値に設定される。また、図７において一点鎖線で示す所定のエンジン回転数以上のときには、燃料噴射量の大小に拘わらず、空気過剰率λの閾値は所定値（但し、小さい値）に設定される。空気過剰率λと閾値とを比較することは、高圧ＥＧＲシステム５１及び／又は低圧ＥＧＲシステム５２によって導入される排気ガス量の状態を判定することであり、空気過剰率λが閾値未満であることは、エンジン１０の運転状態に対して、必要以上の排気ガスがシリンダ１１内に導入されていることを意味している。
ステップＳ５の判定がＮＯのときには、ステップＳ５を繰り返し、判定がＹＥＳのときには、フローはステップＳ６に移行する。
ステップＳ６では、エンジン１０の運転状態が高負荷領域であるか否かを判定する。ここでの「高負荷領域」とは、図２に示すマップにおいて、破線で示す直線よりも上側の高負荷領域のことである。ステップＳ６の判定がＹＥＳのとき（つまり、高負荷領域である）には、フローはステップＳ７に移行する。一方、ステップＳ６の判定がＮＯのとき（つまり、低負荷領域である）には、フローはステップＳ１０に移行する。
ステップＳ７〜１２の各ステップでは、アフタ噴射の設定を行う。先ず、高負荷領域であるとして移行したステップＳ７では、アフタ噴射の噴射態様として、近接アフタ噴射セットを選択する。つまり、アフタ噴射の時期を相対的に進角した時期（予め設定された噴射時期）に設定すると共に、燃料噴射量を相対的に少なく設定する（予め設定された噴射量）。そうして、続くステップＳ８では、ステップＳ７で設定したアフタ噴射の噴射量に対し、エンジン回転数ＮＥの高低に応じた補正、及び、空気過剰率λの大小に応じた補正を行う。
図８は、エンジン回転数と、燃料噴射の補正量との関係を示している。この補正量は、ステップＳ７で設定をした基本噴射量に対して加える（増量する）ベース補正量を示している。エンジン回転数が低いときには、ベース補正量は多く、逆に、エンジン回転数が高いときには、ベース補正量は少なくなる。エンジン回転数が中程度のときには、ベース補正量はエンジン回転数に応じて変化し、エンジン回転数が高くなるほど、ベース補正量は少なくなる。ベース補正量がこうした特性となるのは、エンジン回転数が高いときには、クランク角変化に対する実時間が短くなるため、アフタ噴射の噴射量が多すぎると、アフタ噴射による燃焼が悪化するためである。
図９は、空気過剰率λとアフタ噴射の噴射量との関係を示している。ここで言うアフタ噴射量は、ステップＳ８におけるエンジン回転数ＮＥ及び空気過剰率λに応じた補正を行った後の、アフタ噴射の噴射量を示している。つまり、図８に示すように、エンジン回転数に応じてベース補正量を設定したとしても、空気過剰率λによっては、そのベース補正量をアフタ噴射の噴射量に加えない場合（つまり、実質的に噴射量の補正を行わない）、アフタ噴射の噴射量に加える補正量を、ベース補正量よりもさらに増やす場合、及び、アフタ噴射の噴射量を減らす場合（アフタ噴射の噴射量をゼロにしてアフタ噴射を行わないことも含む）がある。アフタ噴射の噴射量は、空気過剰率λに応じて、図８のマップに基づいて設定したベース補正量を補正した上で、基本噴射量に加えることにより補正される。尚、空気過剰率λに応じてベース補正量がマイナスに補正される場合は、基本噴射量は減少するように補正されることになる。
図９に示すように、空気過剰率λが大きいときには、アフタ噴射の噴射量は、ステップＳ７で設定した近接アフタ噴射セットの基本噴射量となる。つまり、噴射量の補正は実質的に行われない。空気過剰率λが大きいことにより、メイン噴射によって発生する煤を、基本噴射量のアフタ噴射によって十分に低減することが可能なためである。
空気過剰率λが１のときには、シリンダ１１内の空気が少ないことから、アフタ噴射による燃焼を十分に行うことができないため、煤の低減効果が低下する。そこで、空気過剰率λが１のときには、アフタ噴射による噴射量をゼロにし、アフタ噴射を行わない。こうすることで、無用な燃料噴射が行われることを回避して、燃費の悪化及び排気エミッション性能の悪化が未然に回避される。
また、空気過剰率λが１に近づくに従い、前述の通り、シリンダ１１内の空気も少なくなるため、アフタ噴射の噴射量を単調に少なくすることも可能である。しかしながら、空気過剰率λが１に近づくに従い、メイン噴射による燃焼によって発生する煤が増えることから、単にアフタ噴射による噴射量を少なくしたのでは、排出する煤が増えてしまう。
そこで、このエンジン１０では、シリンダ１１内に局所的に存在する空気を利用してアフタ噴射による煤の低減を図るように、空気過剰率λに応じて、アフタ噴射の噴射量を増量する。具体的には、空気過剰率λが１よりも大きい所定値λ１において、アフタ噴射の噴射量が最大になるように、空気過剰率λが所定値λ１に近づくに従い、アフタ噴射の噴射量が増えるようにする。こうすることで、アフタ噴射による煤の低減効果が可及的に得られ、結果として、煤の排出を低減することが可能になる。例えば空気過剰率λが所定値λ１のときには、アフタ噴射の噴射量が、最大で、基本噴射量の２倍となるようにしてもよい。
一方、空気過剰率λが所定値λ１を超えると、シリンダ１１内の空気が少なくなって、アフタ噴射による煤の低減効果が得られないばかりか、アフタ噴射による燃焼によって煤が増える可能性がある。そこで、空気過剰率λが所定値λ１を超えた後は、１に近づくに従い、アフタ噴射の噴射量を減量し、前述したように、空気過剰率λが１のときには、アフタ噴射の噴射量をゼロにする。
このように、空気過剰率λに応じてアフタ噴射の噴射量を増減することにより、例えば図１０に示すように、煤の排出を低減することが可能になる。図１０は、空気過剰率λと、煤の排出量との関係を示しており、同図における破線は、アフタ噴射の噴射量を、空気過剰率λに応じて増減をせずに基本噴射量のままにしたときの煤の排出量を示している。これに対し、図１０における実線は、アフタ噴射の噴射量を、図９に示すように空気過剰率λに応じて増減したときの煤の排出量を示している。これによると、どちらの場合も、空気過剰率λが１に近づくに従い煤の排出量は増えるものの、アフタ噴射の噴射量を増減することによって、同一の空気過剰率λで比較したときの煤の排出量は低減することがわかる。その結果、空気過剰率λに応じてアフタ噴射の噴射量を増減した場合は、空気過剰率λが１付近となるまで、煤の排出を抑制し得ることになる。
図５のフローに戻り、ステップＳ８でアフタ噴射の噴射量を補正すれば、続くステップＳ９で、アフタ噴射の噴射時期をエンジン回転数に応じて進角設定する。つまり、アフタ噴射の噴射時期は、近接アフタ噴射セットの選択により、相対的に進角した所定時期に設定されているが、エンジン回転数に応じてその時期を微調整する。
このステップＳ７〜Ｓ９に対し、ステップＳ１０では、低負荷領域であるため、アフタ噴射の噴射態様として、遠隔アフタ噴射セットを選択する。つまり、アフタ噴射の時期を相対的に遅角した時期（予め設定された噴射時期）に設定すると共に、燃料噴射量を相対的に多く設定する（予め設定された噴射量）。そうして、続くステップＳ１１においては、ステップＳ８と同様に、ステップＳ１０で設定したアフタ噴射の基本噴射量に対し、エンジン回転数ＮＥの高低に応じた補正、及び、空気過剰率λの大小に応じた補正を行う（図８、９参照）。尚、近接アフタ噴射セット選択時の補正に係るマップと、遠隔アフタ噴射セット選択時の補正に係るマップとは互いに異なるが、その傾向は同じである。また、ステップＳ１２においては、ステップＳ９と同様に、エンジン回転数に応じて、アフタ噴射の噴射時期を進角させる（微調整する）。
こうして、ステップＳ７〜１２において、アフタ噴射の噴射量及び噴射時期がそれぞれ設定されれば、ステップＳ１３において、設定したアフタ噴射の噴射量に応じて、前噴射の噴射量を増減する。具体的には、ステップＳ７〜Ｓ１２において、アフタ噴射の噴射量を増減したときには、その増減を相殺するように、前噴射（パイロット噴射及びプリ噴射を含む）の噴射量を増減する。こうすることで、ステップＳ２で設定した総噴射量、及び、ステップＳ３で設定したメイン噴射の噴射量を一定に維持しつつ、アフタ噴射の噴射量を増減することが可能になる。メイン噴射の噴射量を一定に維持することによって、トルクの増減が生じることを回避する。また、前噴射の噴射量は、アフタ噴射の噴射量と比較して大幅に多いため、アフタ噴射の噴射量の増減に対応して前噴射の噴射量を増減したとしても、その増減割合は比較的小さくなる。その結果、前噴射は、混合気の着火性に寄与するが、前噴射の噴射量を増減したときの着火性に対する影響は小さいという利点もある。
そうして、前噴射の噴射量も設定されれば、ステップＳ１４において、燃料噴射を実行し、フローはリターンする。
このようにターボ過給システム６の作動時に少なくとも低圧ＥＧＲシステム５２が作動し得るエンジンシステム１の加速過渡時において、エンジン１０の負荷の高低に従い、近接アフタ噴射セット、又は、遠隔アフタ噴射セットを切り換えることにより、高負荷領域では、メイン噴射に近づけて行うアフタ噴射によって燃焼の安定性が図られて、メイン噴射によって発生した大量の煤を減らして、煤の排出を低減することが可能になり、低負荷領域では、メイン噴射から離して行うアフタ噴射によって、アフタ噴射による煤の発生を抑制して、煤の排出を低減することが可能になる。
また、近接アフタ噴射セットを選択する高負荷領域、及び、遠隔アフタ噴射セットを選択する低負荷領域のそれぞれにおいて、エンジン回転数、及び／又は、空気過剰率に応じてアフタ噴射の噴射量、及び／又は、噴射時期を補正することにより、煤の排出をさらに低減することが可能になる。
尚、前記の説明では、近接アフタ噴射セット及び遠隔アフタ噴射セットの選択を、加速過渡時においてのみ行っているが、エンジンシステム１の定常時においても、エンジンの負荷の高低に応じて、近接アフタ噴射セット及び遠隔アフタ噴射セットの選択を行うようにしてもよい。
また、前記のエンジンは、ターボ過給システム６が、大型ターボ過給機及び小型ターボ過給機を備えた、いわゆる２ステージターボ過給機によって構成されているが、これに代えて、一つのタービン及び一つのコンプレッサを有するシングルターボ過給機によってターボ過給システム６を構成することも可能である。また、シングルターボ過給機及び２ステージターボ過給機に拘わらず、ターボ過給機は、可変ベーン付きのＶＧＴとしてもよい。
１０ エンジン（エンジン本体）
１００ コントロールユニット（制御器）
１１ シリンダ
２１ インジェクタ（燃料噴射弁）
３０ 吸気通路
４０ 排気通路
５２ 低圧ＥＧＲシステム
６ ターボ過給システム（ターボ過給機）
６１１ 大型コンプレッサ
６１２ 大型タービン
６２１ 小型コンプレッサ
６２２ 小型タービン

Claims (5)

  1. シリンダを有して構成されたエンジン本体と、
    前記シリンダ内に燃料を噴射するよう構成された燃料噴射弁と、
    前記エンジン本体の排気通路に配設されたタービン及び吸気通路に配設されたコンプレッサを有して構成されたターボ過給機と、
    前記排気通路における前記ターボ過給機よりも下流側で取った排気ガスを、前記吸気通路における前記ターボ過給機よりも上流側で導入するよう構成された低圧ＥＧＲシステムと、
    少なくとも、前記燃料噴射弁を通じた燃料の噴射態様、及び、前記低圧ＥＧＲシステムによる排気ガスの還流を制御することによって、前記エンジン本体を運転するように構成された制御器と、を備え、
    前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が、前記ターボ過給機による過給が行われる所定の、負荷の高い運転領域にあるときに、前記低圧ＥＧＲシステムを作動させると共に、主噴射の後に後噴射を行うよう前記燃料噴射弁を制御し、
    前記制御器は、前記後噴射を行う運転領域において、所定負荷以下の低負荷領域では、前記後噴射の噴射量を第１噴射量にすると共に、当該後噴射の噴射時期を第１時期に設定し、前記所定負荷を超える高負荷領域では、前記後噴射の噴射量を前記第１噴射量よりも少ない第２噴射量にすると共に、当該後噴射の噴射時期を前記第１時期よりも進角した第２時期にすることによって、前記主噴射と前記後噴射との間隔を、前記低負荷領域における前記主噴射と前記後噴射との間隔よりも狭くするディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。
  2. 請求項１に記載のディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置において、
    前記制御器は、前記後噴射の噴射量を、シリンダ内混合気の空気過剰率に応じて調整し、
    前記後噴射の噴射量は、前記空気過剰率が１よりも大きい所定値において最大となるように、前記空気過剰率が前記所定値に近づくよう小さくなるに従い増量すると共に、前記空気過剰率が１のときにゼロになるように、前記空気過剰率が前記所定値を下回って１に近づくに従い減量するよう調整されるディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。
  3. 請求項２に記載のディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置において、
    前記制御器は、前記主噴射の前に前噴射をさらに行い、
    前記制御器は、前記後噴射の噴射量を増減したときには、その噴射量の増減を相殺するように、前記前噴射の噴射量を増減するディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置において、
    前記制御器は、前記後噴射を行う運転領域において、前記エンジン本体が加速過渡にあるときに、所定負荷以下の低負荷領域では、前記後噴射の噴射量を第１噴射量にすると共に、当該後噴射の噴射時期を第１時期に設定し、前記所定負荷を超える高負荷領域では、前記後噴射の噴射量を前記第１噴射量よりも少ない第２噴射量にすると共に、当該後噴射の噴射時期を前記第１時期よりも進角した第２時期にするディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。
  5. 請求項４に記載のディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置において、
    前記制御器は、前記後噴射を行う運転領域において、前記エンジン本体が加速過渡にあるときであって、シリンダ内混合気の空気過剰率が、前記エンジン本体の運転状態に応じて設定される閾値未満のときに、所定負荷以下の低負荷領域では、前記後噴射の噴射量を第１噴射量にすると共に、当該後噴射の噴射時期を第１時期に設定し、前記所定負荷を超える高負荷領域では、前記後噴射の噴射量を前記第１噴射量よりも少ない第２噴射量にすると共に、当該後噴射の噴射時期を前記第１時期よりも進角した第２時期にするディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。
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