JPH1172039A - 圧縮着火式内燃機関 - Google Patents

圧縮着火式内燃機関

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JPH1172039A
JPH1172039A JP10039244A JP3924498A JPH1172039A JP H1172039 A JPH1172039 A JP H1172039A JP 10039244 A JP10039244 A JP 10039244A JP 3924498 A JP3924498 A JP 3924498A JP H1172039 A JPH1172039 A JP H1172039A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 全運転領域に亘ってＮＯX および煤の発生量
を抑制する。 【解決手段】 機関の運転領域を低負荷側の第１の運転
領域Ｆと高負荷側の第２の運転領域Ｇとに分割する。機
関の運転状態が第１の運転領域Ｆにあるときには圧縮上
死点前５０度以前に一回だけ燃焼噴射Ｉを行う。機関の
運転状態が第２の運転領域Ｇにあるときには噴射時期領
域IIにおいて最大噴射量の３０パーセント以下の第１回
目の燃料噴射Ｉ1 を行うと共にほぼ圧縮上死点において
第２回目の燃料噴射Ｉ2 を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は圧縮着火式内燃機関
に関する。
【０００２】
【従来の技術】圧縮着火式内燃機関においては燃焼室内
に噴射された燃料の分散度合が燃焼に大きな影響を与え
る。即ち、燃焼室全体に燃料が分散せしめられると単位
容積当りの発熱量が低くなるために燃焼温度が低くな
り、斯くしてＮＯX の発生しないおだやかな燃焼が行わ
れる。また、燃料粒子の周りには十分な空気が存在する
ために煤も発生しなくなる。そこで燃焼室内全体に噴射
燃料を分散させるために圧縮上死点前６０度よりも前の
圧縮行程中に燃料を噴射するようにした圧縮着火式内燃
機関が公知である（特開平７−３１７５８８号公報参
照）。
【０００３】即ち、燃焼室内の圧力が高くなると空気抵
抗が大きくなるために噴射燃料が燃焼室内全体に広がり
ずらくなり、従って、この圧縮着火式内燃機関では燃料
室内の圧力が低い圧縮上死点前６０度以前に燃料を噴射
するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところでこのように燃
焼室内全体に噴射燃料を分散させるようにした場合、燃
料噴射量が少ないときにはＮＯX およびＨＣが発生しな
いおだやかな燃料が行われる。しかしながら燃料噴射量
が多くなるとたとえ燃焼室内全体に噴射燃料を分散させ
るようにしても燃料が早期に着火し出し、一旦燃料が早
期に着火すると燃焼室内の温度が上昇するために燃料は
更に早期に着火するようになる。その結果、燃焼が次第
に激しくなり、ノッキングが発生するばかりでなく多量
のＮＯX および煤が発生することになる。
【０００５】このように上述の圧縮着火式内燃機関では
燃料噴射量が多くなると着火時期をおだやかな燃焼の得
られる着火時期に制御しえなくなる。この場合、もし着
火時期をおだやかな燃焼の得られる着火時期に制御しえ
ればＮＯX および煤の発生量の少ないおだやかな燃焼を
得ることができる。本発明の目的は着火時期をおだやか
な燃焼の得られる着火時期に制御することのできる圧縮
着火式内燃機関を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に１番目の発明では、燃焼室内に燃料を噴射するように
した圧縮着火式内燃機関において、機関の運転領域を低
負荷側の第１の運転領域と高負荷側の第２の運転領域と
に分割し、機関の運転状態が第１の運転領域にあるとき
には圧縮上死点前５０度以前に少くとも一回だけ燃料噴
射を行って噴射燃料を燃焼せしめ機関の運転状態が第２
の運転領域にあるときには噴射しても燃焼を生じない量
の第１回目の燃料を圧縮行程後半の予め定められた噴射
時期領域において噴射し、該予め定められた噴射時期領
域よりも遅い時期に第２回目の燃料を噴射して第１回目
の燃料および第２回目の燃料を燃焼させるようにしてい
る。
【０００７】２番目の発明では１番目の発明において、
機関の運転状態が第２の運転領域にあるときに噴射して
も燃焼を生じない第１回目の燃料量が最大噴射量の３０
パーセント以下である。３番目の発明では１番目の発明
において、予め定められた噴射時期領域がほぼ圧縮上死
点前９０°からほぼ圧縮上死点前２０°である。
【０００８】４番目の発明では１番目の発明において、
予め定められた噴射時期領域は機関回転数が高くなるほ
ど圧縮下死点側となる。５番目の発明では１番目の発明
において、機関の運転状態が第２の運転領域にあるとき
に最大噴射量に対する第１回目の燃料噴射量の割合が小
さくなるほど同一の機関回転数に対する予め定められた
噴射時期領域の巾が大きくなる。
【０００９】６番目の発明では１番目の発明において、
機関の運転状態が第２の運転領域にあるときに機関回転
数が高くなるにつれて第１回目の燃料噴射時期が早めら
れる。７番目の発明では１番目の発明において、機関の
運転状態が第２の運転領域にあるときにほぼ圧縮上死点
又は圧縮上死点後に第２回目の燃料噴射が行われる。
【００１０】８番目の発明では１番目の発明において、
機関の運転状態が第２の運転領域にあるときに空燃比を
ほぼ理論空燃比に制御する空燃比制御手段を具備してい
る。９番目の発明では８番目の発明において、空燃比制
御手段は再循環排気ガス量を制御することによって空燃
比をほぼ理論空燃比に制御するようにしている。１０番
目の発明では８番目の発明において、機関排気通路内に
三元触媒を配置している。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１を参照すると、１は機関本
体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４は
ピストン、５は燃焼室、６は電気制御式燃料噴射弁、７
は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポ
ートを夫々示す。吸気ポート８は対応する吸気枝管１１
を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１
２は吸気ダクト１３を介して排気ターボチャージャ１４
のコンプレッサ１５に連結される。一方、排気ポート１
０は排気マニホルド１６および排気管１７を介して排気
ターボチャージャ１４の排気タービン１８に連結され、
排気タービン１８の出口は三元触媒１９を内蔵した触媒
コンバータ２０に連結される。また、排気マニホルド１
６内には空燃比センサ２１が配置される。
【００１２】排気マニホルド１６とサージタンク１２と
は排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２２を介
して互いに連結され、ＥＧＲ通路２２内には電気制御式
ＥＧＲ制御弁２３が配置される。各燃料噴射弁６は燃料
供給管２４を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレー
ル２５に連結される。このコモンレール２５内へは電気
制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２６から燃料が供給さ
れ、コモンレール２５内に供給された燃料は各燃料供給
管２４を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレー
ル２５にはコモンレール２５内の燃料圧を検出するため
の燃料圧センサ２７が取付けられ、燃料圧センサ２７の
出力信号に基づいてコモンレール２５内の燃料圧が目標
燃料圧となるように燃料ポンプ２６の吐出量が制御され
る。
【００１３】電子制御ユニット３０はデジタルコンピュ
ータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続さ
れたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ラン
ダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッ
サ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備
する。空燃比センサ２１の出力信号は対応するＡＤ変換
器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、燃
料圧センサ２７の出力信号も対応するＡＤ変換器３７を
介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル４
０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力
電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ
４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力
ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクラ
ンクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを
発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出
力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射
弁６、ＥＧＲ制御弁２３および燃料ポンプ２６に接続さ
れる。
【００１４】図２は空燃比センサ２１の出力電流Ｉを示
している。図２に示されるように空燃比センサ２１は空
気過剰率λ、即ち空燃比に応じた出力電流Ｉを発生し、
従って空燃比センサ２１の出力電流Ｉから空燃比を求め
ることができる。この出力電流Ｉは電圧に変換されて対
応するＡＤ変換器３７に入力される。図１に示す実施例
では噴射燃料をできるだけ均一に燃焼室５内に分散させ
るために燃料噴射弁６は多数のノズル口を有するホール
ノズルからなる。このような燃料噴射弁６を用いて噴射
燃料を燃焼室５内に分散させると噴射量および噴射時期
にによって噴射燃料が燃焼する場合と、噴射燃料が燃焼
しない場合とがあることが判明した。そこでまず初めに
このことについて図３（Ａ）、（Ｂ）および図４
（Ａ）、（Ｂ）を参照しつつ説明する。
【００１５】図３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）、
（Ｂ）において縦軸はクランク角を示しており、横軸は
機関回転数Ｎを示している。また、図３（Ａ）は最大噴
射量の５パーセントの燃料を噴射した場合を示してお
り、図３（Ｂ）は最大噴射量の１０パーセントの燃料を
噴射した場合を示しており、図４（Ａ）は最大噴射量の
２０パーセントの燃料を噴射した場合を示しており、図
４（Ｂ）は最大噴射量の３０パーセント以上の燃料を噴
射した場合を示している。
【００１６】また、図３（Ａ）、（Ｂ）および図４
（Ａ）、（Ｂ）においてＩはこの領域の噴射時期でもっ
て燃料噴射が行われると従来より行われている通常の燃
焼が行われる噴射時期領域を示しており、IIはこの領域
の噴射時期でもって燃料噴射が行われると燃焼が生じな
い噴射時期領域を示しており、III はこの領域の噴射時
期でもって燃料噴射が行われるとＮＯX および煤のほと
んど発生しない噴射時期領域を示している。
【００１７】噴射燃料が燃焼するか否かは燃料粒子の密
度と燃料粒子の温度に依存している。簡単に云うと燃料
粒子の密度が比較的小さいときには燃料粒子の温度が高
くなれば燃焼が行われ、燃料粒子の温度が低ければ燃料
が行われない。これに対して燃料粒子の密度が高くなる
と燃料粒子の温度にかかわらずに燃焼が行われる。この
ように燃料粒子の密度が高くなると燃料粒子の温度にか
かわらずに燃焼が行われるがこのときには燃焼が爆発的
となり、多量のＮＯX が発生すると共に煤が発生する。
即ち、噴射燃料が化学反応を生ずるのは燃料室５内に温
度が７００°Ｋ以上のときである。ほぼＢＴＤＣ３０度
前では燃焼室５内の温度は７００°Ｋ以下となってお
り、従ってほぼＢＴＤＣ３０度前に燃料噴射が行われる
と噴射燃料は化学反応を生ずることなく燃焼室５内に分
散することになる。次いでピストン４が上昇し、燃焼室
５内の温度が一定温度以上になると燃料粒子周りの蒸発
燃料が酸素と結合する。もう少し詳しく言うと直鎖炭化
水素の末端炭素を酸素ラジカルが攻撃し、直鎖炭化水素
の末端にアルデヒド基が形成され、次いでこのアルデヒ
ド基が水酸基となる。
【００１８】一方、このとき燃料粒子が集まっている
と、即ち、燃料粒子の密度が高いと燃料粒子は周囲の燃
料粒子の蒸発燃料の酸化反応熱を受けて高温となる。そ
の結果、燃料粒子内の炭化水素が水素分子Ｈ2 や炭素Ｃ
に熱分解される。この熱分解により発生した水素分子Ｈ
2 は爆発的に燃焼して高温を発生し、斯くしてＮＯX が
発生することになる。一方、熱分解により炭素Ｃが発生
するとこれら炭素同志が結合し、その一部がすすとして
排出されることになる。このように燃料粒子の密度が高
いとたとえ燃料粒子が化学反応を生ずることなく燃焼室
５内に分散せしめられても燃料粒子内の炭化水素の熱分
解作用に起因してＮＯX やすすが発生することになる。
【００１９】一方、ほぼＢＴＤＣ３０度以後に燃料噴射
が行われると噴射燃料はただちに化学反応を生じ、燃料
粒子内の炭化水素が熱分解される。その結果、ＮＯX お
よび煤が発生することになる。即ち、燃料粒子の密度が
高いとき、云い換えると燃料噴射量が多いときにはいつ
噴射してもＮＯX および煤が発生することになる。これ
に対して燃料粒子の密度が低いときには全く状況が異な
る。そこで次に燃料粒子の密度が低いとき、即ち燃料噴
射量が最大噴射量の３０パーセント以下であって燃料粒
子が分散せしめられているときの燃焼について、即ち図
３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）、（Ｂ）の噴射時期
領域III において燃料噴射が行われた場合について説明
する。
【００２０】図５の曲線はピストン４の圧縮作用のみに
よる燃焼室５内の圧力Ｐの変化を示している。図５から
わかるように燃焼室５内の圧力Ｐはほぼ圧縮上死点前Ｂ
ＴＤＣ６０度を越えると急速に上昇する。これは吸気弁
７の開弁時期とは無関係であっていかなる往復動式内燃
機関であっても燃焼室５内の圧力Ｐは図５に示されるよ
うに変化する。燃焼室５の圧力Ｐが高くなると空気抵抗
が大きくなるために噴射燃焼は広範囲に分散せず、噴射
燃料を広範囲に分散させるためには燃焼室５内の圧力Ｐ
が低いときに燃料噴射を行うことが必要となる。
【００２１】図３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）、
（Ｂ）に示されるように噴射時期領域III はほぼＢＴＤ
Ｃ５０度前であり、従って噴射時期領域III において燃
料噴射が行われると燃料粒子は広範囲に分散されること
になる。また、このときの燃料噴射量は最大噴射量の３
０パーセント以下であり、従って燃焼室５内における燃
料粒子の密度はかなり小さくなっている。
【００２２】このように燃料粒子の密度が小さいと燃料
粒子間の間隔が広くなっている。従って燃料粒子周りの
蒸発燃料が酸素と結合したときに各燃料粒子は周囲の燃
料粒子の蒸発燃料の酸化反応熱をあまり受けず、斯くし
て各燃料粒子は熱分解しない。その結果、水素分子Ｈ2
や炭素Ｃはほとんど発生しない。次いで圧縮行程が進
み、燃料粒子の温度が高くなると各燃料粒子の蒸発燃料
がほぼ同時に燃焼を開始する。
【００２３】このように各燃料粒子の蒸発燃料がほぼ同
時に燃焼を開始すると局所的に高温となることがなく、
また燃料粒子が分散されているために単位容積当りの発
熱量は低くなる。その結果、燃焼温が全体的に低くな
り、斯くしてＮＯX の発生しないおだやかな燃焼が行わ
れる。また、燃料粒子の周りには十分な空気が存在する
ために煤も発生しなくなる。
【００２４】前述したように図３（Ａ）、（Ｂ）および
図４（Ａ）は夫々燃料噴射量が最大噴射量の５パーセン
ト、１０パーセントおよび２０パーセントのときを示し
ており、このとき噴射時期領域III において燃料噴射を
行えばＮＯX および煤の発生しないおだやかな燃焼が得
られる。また、図４（Ｂ）は燃料噴射量が最大噴射量の
３０パーセント以上のときを示しているが噴射時期領域
III において燃料噴射したときにＮＯX および煤の発生
しないおだやかな燃焼が得られるのは燃料噴射量が最大
噴射量のほぼ５０パーセントまでである。燃料噴射量が
最大噴射量のほぼ５０パーセントを越えると燃料粒子が
分散されていても燃料粒子の密度が高くなるためにＮＯ
X および煤が発生する。
【００２５】従って燃料噴射量が最大噴射量のほぼ５０
パーセント以下の場合には噴射時期領域III において燃
料噴射を行えばＮＯX および煤の発生しないおだやかな
燃焼が得られることになる。図３（Ａ）、（Ｂ）および
図４（Ａ）、（Ｂ）に示されるように噴射時期領域III
の最も遅い噴射時期、即ち図３（Ａ）、（Ｂ）および図
４（Ａ）、では噴射時期領域III と噴射時期領域IIの境
界Ｙ、図４（Ｂ）では噴射時期領域III と噴射時期領域
Ｉの境界ＸＹは噴射量にかかわらずほぼ同じ時期であ
る。即ち、境界Ｙ，ＸＹは機関回転数Ｎが６００r.p.m
のときにはＢＴＤＣ５０度付近であり、機関回転数Ｎが
高くなるにつれて圧縮下死点側となり、機関回転数Ｎが
４０００r.p.m のときにはＢＴＤＣ９０度程度となる。
即ち、噴射燃料が分散するには時間を要し、従って噴射
燃料を分散させるためには、即ち燃料粒子の密度を小さ
くするためには機関回転数Ｎが高くなるにつれて噴射時
期を早めなければならない。また、機関回転数Ｎが高く
なるほど燃料粒子の加熱時間が短かくなり、従って燃料
粒子が着火するのに必要な十分の熱を燃料粒子に与える
には機関回転数Ｎが高くなるにつれて噴射時期を早めな
ければならない。従って図３（Ａ）、（Ｂ）および図４
（Ａ）、（Ｂ）に示されるように境界Ｙ，ＸＹは機関回
転数Ｎが高くなるにつれて圧縮下死点側となる。
【００２６】なお、境界Ｙ，ＸＹは実際には図３
（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）、（Ｂ）に示されるよ
うに明瞭に表われず、従って境界Ｙ，ＸＹは噴射時期領
域III の最も遅い噴射時期のおおよその時期を表わして
いる。次に噴射時期領域IIについて説明する。前述した
ように噴射時期領域IIにおいて最大噴射量のほぼ３０パ
ーセント以下の燃料を噴射すると燃焼が行われない。
【００２７】即ち、前述したようにほぼＢＴＤＣ３０度
前では燃焼室５内の温度は７００°Ｋ以下となってお
り、従って噴射時期領域IIにおいて燃料噴射を行うと噴
射燃料は化学反応を生じない。また、噴射時期領域IIで
は噴射時期領域III に比べて燃焼室５内の圧力Ｐが高く
なっているので噴射時期領域III に比べれば燃料粒子の
分散度合は低下する。しかしながら燃料噴射量が最大噴
射量の３０パーセント以下なので燃料粒子の分散度合が
多少低下しても燃料粒子の密度は比較的小さい。このよ
うに燃料粒子の密度が小さいと燃料粒子間の間隔が広く
なり、斯くして前述したように各燃料粒子は周囲の燃料
粒子の蒸発燃料の酸化反応熱をあまり受けないために熱
分解を生じない。従って爆発的な燃焼が生じることがな
い。
【００２８】一方、前述したように燃料粒子の蒸発燃料
の酸化反応が行われると直鎖炭化水素の末端に水酸基が
生成される。次いでピストン４が上昇すると水酸基をも
つ直鎖炭化水素、即ち酸素を含んだ燃えやすい炭化水素
の量が増大する。しかしながら噴射時期領域IIは噴射時
期領域III に比べて噴射時期が遅く、従って噴射時期領
域IIにおいて噴射された燃料粒子の温度は着火に到るほ
ど高くならない。従って酸素を含んだ燃えやすい炭化水
素の量が増大しても燃焼は開始されない。
【００２９】次いでこの状態で、即ち燃焼することなく
酸素を含んだ燃えやすい炭化水素の量が増大した状態で
圧縮上死点となる。次いでこのまま何もしなければ燃料
は着火せず、失火することになる。図３（Ａ）、（Ｂ）
および図４（Ａ）に示されるように噴射時期領域IIの最
も遅い噴射時期、即ち噴射時期領域IIと噴射時期領域Ｉ
の境界Ｘは境界Ｙとほぼ平行をなす。即ち、噴射時期領
域IIの巾、云い換えると境界Ｘと境界Ｙの巾は機関回転
数Ｎにかかわらずにほぼ一定となる。また、図３
（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）に示されるように境界
Ｘと境界Ｙの巾は最大噴射量に対する噴射量の割合が増
大するにつれて狭くなり、図４（Ｂ）に示されるように
噴射量が最大噴射量の３０パーセント以上になると噴射
時期領域IIは消滅する。
【００３０】即ち、噴射量が最大噴射量の５パーセント
であるときには図３（Ａ）に示されるように機関回転数
Ｎが６００r.p.m のときの境界ＸはほぼＢＴＤＣ２０度
であって境界Ｘと境界Ｙの巾はほぼ３０クランク角度か
らほぼ４０クランク角度であり、噴射量が最大噴射量の
１０パーセントであるときには図３（Ｂ）に示されるよ
うに機関回転数Ｎが６００r.p.m のときの境界Ｘはほぼ
ＢＴＤＣ３０度であって境界Ｘと境界Ｙの巾はほぼ２０
クランク角度からほぼ３０クランク角度であり、噴射量
が最大噴射量の２０パーセントであるときには図４
（Ａ）に示されるように機関回転数Ｎが６００r.p.m の
ときの境界はほぼＢＴＤＣ４０度であって境界Ｘと境界
Ｙの巾はほぼ１０クランク角度からほぼ１５クランク角
度であり、噴射量が最大噴射量の３０パーセント以上で
あるときには図４（Ｂ）に示されるように噴射時期領域
IIは消滅する。
【００３１】燃料噴射量が増大すると燃料粒子の密度が
大きくなり、従って燃料噴射量が増大したときには燃料
粒子の分散度合が大きくなければ燃焼が生じる。燃料粒
子の分散度合は噴射時期が早くなるほど大きくなり、従
って噴射時期領域IIの巾は噴射量が増大するほど小さく
なる。また、噴射時期領域IIは機関回転数Ｎが高くなる
ほど低負荷側となる。即ち、前述したように噴射燃料が
分散するには時間を要し、機関回転数Ｎが高くなるほど
噴射時期を早くしないと燃料粒子の分散度合が小さくな
らない。従って噴射時期領域IIは機関回転数Ｎが高くな
るほど低負荷側となる。
【００３２】なお、境界Ｘは境界Ｙ，ＸＹと比べて比較
的明瞭に表われる。一方、噴射時期領域Ｉにおいて燃料
噴射が行われると従来より行われている通常の燃焼が行
われる。即ち、噴射時期領域Ｉでは燃焼室５内の圧力Ｐ
（図５）が高く、従って噴射燃料が十分に分散しないた
めに燃料粒子の密度が高くなる。その結果、燃料粒子が
熱分解し、爆発的燃焼を生じて多量ＮＯX および煤が発
生する。
【００３３】前述したように燃料噴射量が最大噴射量の
３０パーセント以下であれば噴射時期領域IIにおいて燃
料噴射を行うと燃焼が生じない。これに対し燃料噴射量
が最大噴射量の３０パーセント以上になるとどの燃料噴
射領域においても噴射燃料は燃焼し、この場合図４
（Ｂ）に示れるように噴射時期領域がＩとIII のみにな
る。
【００３４】このように噴射燃料を分散させるようにす
ると燃料噴射量が最大噴射量の３０パーセント以下のと
きには噴射時期領域が、爆発的燃焼の行われる噴射時期
領域Ｉと、ＮＯX およびすすの発生しないおだやかな燃
焼が行われる噴射時期領域III と、噴射時期領域ＩとII
I の間の燃焼が生じない噴射時期領域IIとに分かれる。
一方、燃料噴射量が最大噴射量の３０パーセント以上で
あってほぼ５０パーセント以下のときには噴射時期領域
が噴射時期領域Ｉと噴射時期領域III に分かれ、燃料噴
射量がほぼ５０パーセント以上のときには全噴射時期領
域において従来より行われている通常の燃焼が行われ
る。
【００３５】なお、図３（Ａ）、（Ｂ）および図４
（Ａ）に示される噴射時期領域IIは圧縮比およびＥＧＲ
率（＝ＥＧＲガス量／（吸入空気量＋ＥＧＲガス量））
の影響も受ける。即ち、機関の圧縮比が高くなると図３
（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）に示される噴射時期領
域IIでは燃焼室５内の圧力が高くなるために燃料粒子が
分散しずらくなり、しかも燃焼室５内のガス温も高くな
る。従って図３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）に示さ
れる噴射時期領域IIにおいて燃料噴射を行うと燃料粒子
が熱分解を生じ、斯くして着火することになる。従って
機関の圧縮比が高くなると燃焼の生じない噴射時期領域
IIは消滅する。
【００３６】一方、ＥＧＲ率を大きくしていくと燃料粒
子周りの酸素の密度が小さくなり、その結果燃料粒子の
蒸発燃料の酸化反応熱が低くなるために燃料粒子の分散
度合が多少小さくなっても燃料粒子が熱分解しなくな
る。従ってＥＧＲ率が高い場合には多少機関の圧縮比を
高くしても燃焼を生じない噴射時期領域IIが存在する。
図６における実線Ｅは図３（Ａ）、（Ｂ）および図４
（Ａ）に示されるような燃焼の生じない噴射時期領域II
が存在する機関圧縮比の上限値を示している。図６に示
されるようにＥＧＲ率が零のときに燃焼が生じない噴射
時期領域IIが存在する機関圧縮比の上限値Ｅはほぼ１
６．０であり、このとき 機関圧縮比がほぼ１６．０より
も大きくなると燃焼が生じない噴射時期領域IIが存在し
なくなる。
【００３７】一方、燃焼の生じない噴射時期領域IIの存
在する機関圧縮比の上限値ＥはＥＧＲ率が高くなるほど
大きくなる。また、圧縮着火を生じさせるには機関の圧
縮比はほぼ１２．０以上にする必要がある。従って燃焼
の生じない噴射時期領域IIが存在する機関圧縮比の範囲
は図６においてハッチングで示す範囲となる。前述した
ように噴射時期領域IIにおいて最大噴射量の３０パーセ
ント以下の燃料を噴射すると圧縮上死点付近では燃焼室
５内に酸素を含んだ燃えやすい炭化水素がかなり生成さ
れる。このとき燃焼は生じておらず、従ってこのとき再
度燃料噴射を行うと燃料粒子は燃焼することなく燃焼室
５内に分散される。燃料粒子が分散され、温度上昇する
といずれかの箇所において燃料粒子が熱分解する。燃料
粒子が熱分解すると生成された水素分子Ｈ2 が燃焼し、
その結果燃焼室５内全体の圧力が上昇するために燃焼室
５内全体の温度が上昇する。
【００３８】燃焼室５内全体の温度が上昇すると燃焼室
５内全体に分散している、酸素を含んだ燃えやすい炭化
水素が同時に燃焼を開始し、それによって第２回目に噴
射された燃料粒子が燃焼せしめられる。このように燃焼
室５内全体において同時に燃焼が開始されると局所的に
燃焼温が高くなることがなく、燃焼室５内の燃焼温は全
体的に低くなるためにＮＯX の発生が抑制される。ま
た、第２回目に噴射された燃料は分散せしめられた後に
燃焼せしめられるので燃料粒子の周りには十分な量の空
気が存在し、斯くして煤の発生も抑制されることにな
る。
【００３９】このように最大噴射量の３０パーセント以
下の第１回目の燃料を噴射時期領域IIにおいて噴射し、
その後ほぼ圧縮上死点又は圧縮上死点後に第２回目の燃
料を噴射するとＮＯX および煤の発生量の少ないおだや
かな燃焼を得ることができる。ところで前述したように
噴射時期領域III において燃料噴射を行うとＮＯX およ
び煤がほとんど発生せず、噴射時期領域III において燃
料噴射をした場合の方が噴射時期領域IIにおいて噴射
し、次いでほぼ圧縮上死点又は圧縮上死点後に燃料噴射
を行うようにした場合に比べてＮＯX および煤の発生量
が少なくなる。従ってできる限り噴射時期領域III にお
いて燃料噴射することが好ましい。しかしながら前述し
たように噴射時期領域III において燃料噴射を行ったと
きにＮＯXおよび煤がほとんど発生しなくなるのは燃料
噴射量が最大噴射量のほぼ５０パーセント以下のときで
ある。
【００４０】従って本発明では図７に示されるように機
関の運転領域を低負荷側の第１の運転領域Ｆと高負荷側
の第２の運転領域Ｇとに分割し、機関の運転状態が運転
領域Ｆであるときには噴射時期領域III において少くと
も一回燃料を噴射するようにし、機関の運転状態が運転
領域Ｇであるときには最大噴射量の３０パーセント以下
の第１回目の燃料を噴射時期領域IIにおいて噴射し、そ
の後ほぼ圧縮上死点又は圧縮上死点後に第２回目の燃料
を噴射するようにしている。
【００４１】なお、従来より圧縮着火式内燃機関では主
噴射に先立って少量の燃料を噴射する、いわゆるパイロ
ット噴射を行うようにしている。このパイロット噴射は
通常、図３（Ａ）、（Ｂ）および図４（Ａ）に示される
噴射時期領域Ｉにおいて行われ、従ってパイロット噴射
された燃料は自ら着火する。これに対して本発明では噴
射時期領域IIにおいて噴射された燃料は自ら着火しな
い。従って噴射時期領域IIにおける噴射作用と従来のパ
イロット噴射作用とは明瞭に区別しうる。なお、図７に
おいて縦軸Ｑは全燃料噴射量を示しており、横軸Ｎは機
関回転数を示している。
【００４２】図８（Ａ）は特定の機関回転数Ｎ、例えば
１５００r.p.m のときの運転領域Ｆにおける燃料噴射Ｉ
と運転領域Ｇにおける第１回目の燃料噴射Ｉ1 および第
２回目の燃料噴射Ｉ2 の噴射時期を示しており、図８
（Ｂ）は運転領域Ｇにおける第１回目の燃料噴射Ｉ1 の
噴射時期を示している。なお、図８（Ａ）の横軸Ｑは全
燃料噴射量を表しており、図８（Ｂ）の横軸Ｎは機関回
転数を表わしている。
【００４３】また、図８（Ａ）、（Ｂ）において運転領
域ＦにおけるθＳおよびθＥは夫々燃料噴射Ｉの噴射開
始時期および噴射完了時期を示しており、運転領域Ｇに
おけるθＳ１およびθＥ１は第１回目の燃料噴射Ｉ1 の
噴射開始時期および噴射完了時期を夫々示しており、運
転領域ＧにおけるθＳ２およびθＥ２は第２回目の燃料
噴射Ｉ2 の噴射開始時期および噴射完了時期を夫々示し
ている。また、図８（Ａ）、（Ｂ）はコモンレール２５
内の燃料圧が或る一定圧に維持されている場合を示して
おり、従って図８（Ａ）、（Ｂ）において燃料噴射量は
噴射期間に比例している。
【００４４】図８（Ａ）に示されるように本発明による
実施例では燃料噴射Ｉの噴射完了時期θＥがほぼ圧縮上
死点前ＢＴＤＣ７０度に固定されており、従ってこの実
施例ではＢＴＤＣ７０度付近において一回燃料噴射が行
われる。無論、この場合、燃料噴射Ｉを二回に分けて行
うこともできる。一方、図８（Ｂ）に示されるように運
転領域Ｇにおける第１回目の燃料噴射Ｉ 1 は噴射時期領
域II内において比較的境界Ｘに近い時期に行われ、従っ
て第１回目の燃料噴射Ｉ1 の時期は機関回転数Ｎが高く
なるほど早められる。なお、図８（Ａ）、（Ｂ）に示す
実施例では第１回目の燃料噴射Ｉ1 の噴射量が最大噴射
量の１０パーセントとされている。また、図８（Ａ）、
（Ｂ）に示す実施例では第２回目の燃料噴射Ｉ2 の噴射
開始時期θＳ２が圧縮上死点（ＴＤＣ）に固定されてい
る。
【００４５】図８（Ａ）において全燃料噴射量Ｑはアク
セルペダル４０の踏込み量Ｌと機関回転数Ｎの関数であ
り、この全燃料噴射量Ｑは図９（Ａ）に示すようなマッ
プの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。一方、運
転領域Ｇにおける第１回目の燃料噴射Ｉ1 の噴射量Ｑ１
は全燃料噴射量Ｑと機関回転数Ｎの関数であり、この噴
射量Ｑ１も図９（Ｂ）に示すようなマップの形で予めＲ
ＯＭ３２内に記憶されている。また、第１回目の燃料噴
射Ｉ1 の噴射開始時期θＳ１も全燃料噴射量Ｑと機関回
転数Ｎの関数であり、この噴射開始時期θＳ１も図９
（Ｃ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記
憶されている。
【００４６】図１０は噴射制御ルーチンを示している。
図１０を参照するとまず初めにステップ５０において図
９（Ａ）に示すマップから全燃料噴射量Ｑが算出され、
次いでステップ５１において機関の運転状態が図７の運
転領域Ｆであるか否かが判別される。機関の運転状態が
運転領域Ｆであるときにはステップ５２に進んで全燃料
噴射量Ｑ等に基づき燃料噴射Ｉの噴射開始時期θＳが算
出される。これに対して機関の運転状態が運転領域Ｆで
ないとき、即ち図７の運転領域Ｇであるときにはステッ
プ５３に進んで、図９（Ｂ）に示すマップから第１回目
の燃料噴射Ｉ1の噴射量Ｑ１が算出される。次いでステ
ップ５４において図９（Ｃ）に示すマップから第１回目
の燃料噴射Ｉ1 の噴射開始時期θＳ１が算出される。次
いでステップ５５では噴射量Ｑ１および噴射開始時期θ
Ｓ１等に基づいて第１回目の燃料噴射Ｉ1 の噴射完了時
期θＥ１が算出される。次いでステップ５６では全燃料
噴射量Ｑおよび噴射量Ｑ１等に基づいて第２回目の燃料
噴射Ｉ2 の噴射完了時期θＥ２が算出される。
【００４７】図１１から図１４に別の実施例を示す。前
述したように運転領域ＦではＮＯX および煤がほとんど
発生しない。一方、運転領域ＧではＮＯX および煤の発
生量は少ないものの、若干のＮＯX および煤が発生す
る。この実施例では運転領域ＧにおいてはＮＯX および
煤、即ちＨＣが大気に放出されるのを阻止するために図
１１においてλ２で示されるように空気過剰率λが１．
０に制御される。即ち、空燃比が理論空燃比に制御され
る。空燃比が理論空燃比に制御されるとＮＯX およびＨ
Ｃは三元触媒１９において良好に浄化され、斯くしてＮ
ＯX およびＨＣが大気に放出されるのを阻止することが
できる。
【００４８】一方、この実施例ではＥＧＲガス量を制御
することによって空燃比が理論空燃比に制御される。空
燃比を理論空燃比にするのに必要なＥＧＲ制御弁２３の
基本開度Ｇθ２は全燃料噴射量Ｑと機関回転数Ｎの関数
となり、この基本開度Ｇθ２は図１２に示すようなマッ
プの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。通常の圧
縮着火式内燃機関においてＥＧＲガス量を制御すること
により空燃比を理論空燃比に維持することは不可能であ
る。しかしながら本発明における運転領域Ｇでは前述し
たようにほぼ圧縮上死点付近において第１回目の燃料噴
射Ｉ1により酸素を含有した炭化水素が生成されてい
る。従ってＥＧＲガス量を制御することにより空燃比を
理論空燃比に維持しても炭化水素自身が酸素を含有して
いるので第２回目の燃料噴射Ｉ2 が開始されたときに燃
料が良好に着火し、燃焼せしめられる。
【００４９】また、この実施例では運転領域Ｆにおいて
は図１１においてλ１で示されるように空気過剰率λは
１．０よりも大きな値に維持され、しかも空気過剰率λ
は全燃料噴射量Ｑが増大するにつれて低下せしめられ
る。運転領域Ｆにおける目標空気過剰率λ１は実際には
燃料噴射量Ｑと機関回転数Ｎの関数であり、この目標空
気過剰率λ１は図１３（Ａ）に示すようなマップの形で
予めＲＯＭ３２内に記憶されている。また、空気過剰率
λをこの目標空気過剰率λ１とするのに必要なＥＧＲ制
御弁２３の基本開度Ｇθ１は燃料噴射量Ｑおよび機関回
転数Ｎの関数であり、この基本開度Ｇθ１も図１３
（Ｂ）に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記
憶されている。
【００５０】図１４に噴射制御ルーチンを示す。図１４
を参照するとまず初めにステップ６０において図９
（Ａ）に示すマップから全燃料噴射量Ｑが算出される。
次いでステップ６１では機関の運転状態が図７に示され
る運転領域Ｆにあるか否かが判別される。機関の運転状
態が運転領域Ｆにあるときにはステップ６２に進む。ス
テップ６２では全燃料噴射量Ｑ等に基づいて噴射開始時
期θＳが算出される。次いでステップ６３では図１３
（Ａ）に示すマップから目標空気過剰λ１が算出され、
次いでステップ６４では図１３（Ｂ）に示すマップから
ＥＧＲ制御弁２３の基本開度Ｇθ１が算出される。次い
でステップ６５では空燃比センサ２１により検出された
空気過剰率λが目標空気過剰率λ１よりも大きいか否か
が判別される。λ＞λ１のときにはステップ６６に進ん
で補正値Δθ１に一定値αが加算され、次いでステップ
６８に進む。これに対しλ≦λ１のときにはステップ６
７に進んで補正値Δθ１から一定値αが減算され、次い
でステップ６８に進む。ステップ６８では基本開度Ｇθ
１に補正値Δθ１を加算することによって最終的なＥＧ
Ｒ制御弁２３の開度Ｇθが算出される。
【００５１】一方、ステップ６１において機関の運転状
態が運転領域Ｆでないと判断されたとき、即ち機関の運
転状態が運転領域Ｇであるときにはステップ６９に進ん
で図９（Ｂ）に示すマップから第１回目の燃料噴射Ｉ1
の噴射量Ｑ1 が算出される。次いで、ステップ７０にお
いて図９（Ｃ）に示すマップから第１回目の燃料噴射Ｉ
1 の噴射開始時期θＳ１が算出される。次いでステップ
７１では噴射量Ｑ１および噴射開始時期θＳ１等に基づ
いて第１回目の燃料噴射Ｉ1 の噴射完了時期θＥ１が算
出される。次いでステップ７２では全燃料噴射量Ｑおよ
び噴射量Ｑ１等に基づいて第２回目の燃料噴射Ｉ2 の噴
射完了時期θＥ２が算出される。
【００５２】次いでステップ７３では図１２に示すマッ
プからＥＧＲ制御弁２３の基本開度Ｇθ２が算出され
る。次いでステップ７４では空燃比センサ２１により検
出された空気過剰率λが１．０よりも大きいか否かが判
別される。λ＞１．０のときにはステップ７５に進んで
補正値Δθ２に一定値βが加算され、次いでステップ７
７に進む。これに対しλ≦１．０のときにはステップ７
６に進んで補正値Δθ２から一定値βが減算され、次い
でステップ７７に進む。ステップ７７では基本開度Ｇθ
２に補正値Δθ２を加算することによって最終的なＥＧ
Ｒ制御弁２３の開度Ｇθが算出される。
【００５３】
【発明の効果】全運転領域に亘ってＮＯX および煤の発
生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】空燃比センサの出力を示す図である。
【図３】各噴射時期領域を示す図である。
【図４】各噴射時期領域を示す図である。
【図５】燃焼室内の圧力変化を示す図である。
【図６】機関の圧縮比の範囲を示す図である。
【図７】機関の運転領域を示す図である。
【図８】噴射時期を示す図である。
【図９】全燃料噴射量Ｑ等のマップを示す図である。
【図１０】噴射制御を行うためのフローチャートであ
る。
【図１１】噴射時期等を示す図である。
【図１２】ＥＧＲ制御弁の基本開度Ｇθ２のマップを示
す図である。
【図１３】目標空気過剰率等のマップを示す図である。
【図１４】噴射制御を行うためのフローチャートであ
る。
【符号の説明】
５…燃焼室 ６…燃料噴射弁 ２３…ＥＧＲ制御弁

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃焼室内に燃料を噴射するようにした圧
    縮着火式内燃機関において、機関の運転領域を低負荷側
    の第１の運転領域と高負荷側の第２の運転領域とに分割
    し、機関の運転状態が第１の運転領域にあるときには圧
    縮上死点前５０度以前に少くとも一回だけ燃料噴射を行
    って噴射燃料を燃焼せしめ機関の運転状態が第２の運転
    領域にあるときには噴射しても燃焼を生じない量の第１
    回目の燃料を圧縮行程後半の予め定められた噴射時期領
    域において噴射し、該予め定められた噴射時期領域より
    も遅い時期に第２回目の燃料を噴射して第１回目の燃料
    および第２回目の燃料を燃焼させるようにした圧縮着火
    式内燃機関。
  2. 【請求項２】 機関の運転状態が第２の運転領域にある
    ときに噴射しても燃焼を生じない第１回目の燃料量が最
    大噴射量の３０パーセント以下である請求項１に記載の
    圧縮着火式内燃機関。
  3. 【請求項３】 上記予め定められた噴射時期領域がほぼ
    圧縮上死点前９０°からほぼ圧縮上死点前２０°である
    請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関。
  4. 【請求項４】 上記予め定められた噴射時期領域は機関
    回転数が高くなるほど圧縮下死点側となる請求項１に記
    載の圧縮着火式内燃機関。
  5. 【請求項５】 機関の運転状態が第２の運転領域にある
    ときに最大噴射量に対する第１回目の燃料噴射量の割合
    が小さくなるほど同一の機関回転数に対する上記予め定
    められた噴射時期領域の巾が大きくなる請求項１に記載
    の圧縮着火式内燃機関。
  6. 【請求項６】 機関の運転状態が第２の運転領域にある
    ときに機関回転数が高くなるにつれて第１回目の燃料噴
    射時期が早められる請求項１に記載の圧縮着火式内燃機
    関。
  7. 【請求項７】 機関の運転状態が第２の運転領域にある
    ときにほぼ圧縮上死点又は圧縮上死点後に第２回目の燃
    料噴射が行われる請求項１に記載の圧縮着火式内燃機
    関。
  8. 【請求項８】 機関の運転状態が第２の運転領域にある
    ときに空燃比をほぼ理論空燃比に制御する空燃比制御手
    段を具備した請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関。
  9. 【請求項９】 上記空燃比制御手段は再循環排気ガス量
    を制御することによって空燃比をほぼ論理空燃比に制御
    する請求項８に記載の圧縮着火式内燃機関。
  10. 【請求項１０】 機関排気通路内に三元触媒を配置した
    請求項８に記載の圧縮着火式内燃機関。
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