WO2013031380A1

WO2013031380A1 - 燃焼制御装置

Info

Publication number: WO2013031380A1
Application number: PCT/JP2012/066983
Authority: WO
Inventors: 裕史葛山; 謹河合; 青木　秀樹; 佳央杉山; 梅原　努
Original assignee: 株式会社豊田自動織機
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2013-03-07
Also published as: JP5141807B1; JP2013050092A

Abstract

　燃焼制御装置２８は、エンジン１の燃焼室４内に燃料を噴射する燃料噴射弁５と、燃料噴射弁５を操作する電子制御ユニット２４と、を備える。電子制御ユニット２４は、第一燃料噴射の燃料噴射時期を決定すると共に、決定した燃料噴射時期で第一燃料噴射を実施するように燃料噴射弁５を制御する。電子制御ユニット２４は、目標空燃比と燃焼室内の空燃比との偏差を算出し、算出された目標空燃比と燃焼室内の空燃比との偏差に応じて、決定した第一燃料噴射の燃料噴射時期を変更する。

Description

燃焼制御装置

　本発明は、予混合圧縮着火（ＰＣＣＩ：Premixed Charge Compression Ignition）燃焼を行うエンジンの燃焼制御装置に関する。

　予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃焼制御装置としては、例えば特許文献１に記載されている燃焼制御装置が知られている。特許文献１に記載の燃焼制御装置は、低温予混合圧縮着火燃焼に入ってからの経過時間が所定値以下であるときは、通常燃焼から低温予混合圧縮着火燃焼に移行した直後の酸素濃度の高い状態にあると判断し、燃料のパイロット噴射を行う。

特開２００１－９０５９５号公報

　上記従来技術においては、酸素濃度が高い期間にパイロット噴射を行うことで、燃焼騒音を低減できる。しかし、パイロット噴射の追加だけでは、ＮＯｘの排出量増加を十分に抑制することはできない。上記従来技術では、予混合圧縮着火燃焼から通常燃焼への燃焼切替時等に発生しやすい失火等の不具合については、何ら考慮されていない。

　本発明の目的は、燃焼切替時等において適切な燃焼を実現することができる燃焼制御装置を提供することである。

　本発明は、予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃焼制御装置であって、エンジンの燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、第一燃料噴射を実施するように燃料噴射弁を制御する第一噴射制御手段と、燃焼室内の空燃比を検出する空燃比検出手段と、目標空燃比と空燃比検出手段により得られた検出空燃比との偏差を算出する偏差算出手段と、を備え、第一噴射制御手段は、第一燃料噴射の燃料噴射時期を決定する噴射時期決定手段と、偏差算出手段により算出された目標空燃比と検出空燃比との偏差に応じて、噴射時期決定手段により決定された第一燃料噴射の燃料噴射時期を変更する噴射時期変更手段と、を有する。

　燃焼室内の空燃比が検出され、目標空燃比と検出空燃比との偏差が算出され、その偏差に応じて第一燃料噴射の燃料噴射時期が変更されることにより、燃焼切替時等において適切な燃焼を実現することができる。例えば、通常燃焼から予混合圧縮着火燃焼への燃焼切替時には、燃焼室内の空燃比が予混合圧縮着火燃焼を行う目標空燃比に対してリーンとなることがある。この場合、第一燃料噴射の燃料噴射時期が遅角されることにより、燃焼騒音を低減しつつ、ＮＯｘの排出量増加を十分に抑制することができる。予混合圧縮着火燃焼から通常燃焼への燃焼切替時には、燃焼室内の空燃比が通常燃焼を行う目標空燃比に対してリッチとなることがある。この場合には、第一燃料噴射の燃料噴射時期が進角されることにより、燃料と空気との予混合気の失火を抑制することができる。

　噴射時期変更手段は、目標空燃比と検出空燃比との偏差がリーン側にずれている場合に、目標空燃比と検出空燃比との偏差の絶対値が予め決められた遅角用閾値の絶対値よりも大きいかどうかを判断し、目標空燃比と検出空燃比との偏差の絶対値が遅角用閾値の絶対値よりも大きいと判断すると、第一燃料噴射の燃料噴射時期を遅角してもよい。

　目標空燃比と検出空燃比との偏差がリーン側にずれている場合に、目標空燃比と検出空燃比との偏差の絶対値が遅角用閾値の絶対値よりも大きいときは、第一燃料噴射の燃料噴射時期が遅角される。これにより、燃料と空気との予混合気の早期着火が抑制される。したがって、通常燃焼から予混合圧縮着火燃焼への燃焼切替時に、燃焼騒音を低減しつつ、ＮＯｘの排出量増加を十分に抑制することができる。

　第一燃料噴射を実施する前に第二燃料噴射を実施するように燃料噴射弁を制御する第二噴射制御手段を更に備え、第二噴射制御手段は、目標空燃比と検出空燃比との偏差がリーン側にずれている場合に、目標空燃比と検出空燃比との偏差の絶対値が予め決められた第二燃料噴射用閾値の絶対値よりも大きいかどうかを判断する手段を有し、目標空燃比と検出空燃比との偏差の絶対値が第二燃料噴射用閾値の絶対値よりも大きいと判断されたときに、第二燃料噴射を実施するように燃料噴射弁を制御してもよい。

　目標空燃比と検出空燃比との偏差がリーン側にずれている場合に、目標空燃比と検出空燃比との偏差の絶対値が第二燃料噴射用閾値の絶対値よりも大きいときに、第二燃料噴射が実施される。これにより、通常燃焼から予混合圧縮着火燃焼への燃焼切替時に、燃焼騒音を低減することができる。燃料と空気との予混合気の失火に対する耐性を高くし、燃焼安定性を向上させることができる。

　第二燃料噴射用閾値の絶対値が遅角用閾値の絶対値よりも大きくてもよい。目標空燃比と検出空燃比との偏差がリーン側にずれている場合に、目標空燃比と空燃比との偏差の絶対値が第二燃料噴射用閾値の絶対値よりも大きいときは、第一燃料噴射の燃料噴射時期が遅角されると共に、第二燃料噴射が実施される。これにより、燃焼騒音を十分に低減しつつ、ＮＯｘの排出量増加を十分に抑制することができる。燃料と空気との予混合気の失火に対する耐性を高くし、燃焼安定性を向上させることができる。

　第一噴射制御手段は、第一燃料噴射を複数回に分けて実施するように燃料噴射弁を制御し、第二噴射制御手段は、１回目の第一燃料噴射の燃料噴射量を減量して、第二燃料噴射の燃料噴射量を設定する手段を更に有する。この場合、第二燃料噴射による燃焼と１回目の第一燃料噴射による燃焼とが同時に行われる際に生じる燃焼騒音の増加を抑制することができる。

　噴射時期変更手段は、目標空燃比と検出空燃比との偏差がリッチ側にずれている場合に、目標空燃比と検出空燃比との偏差の絶対値が予め決められた進角用閾値の絶対値よりも大きいかどうかを判断し、目標空燃比と検出空燃比との偏差の絶対値が進角用閾値の絶対値よりも大きいと判断されると、第一燃料噴射の燃料噴射時期を進角してもよい。

　目標空燃比と検出空燃比との偏差がリッチ側にずれている場合に、目標空燃比と検出空燃比との偏差の絶対値が進角用閾値の絶対値よりも大きいときは、第一燃料噴射の燃料噴射時期が進角される。これにより、燃料と空気との予混合気の着火時期の遅角が抑制される。したがって、予混合圧縮着火燃焼から通常燃焼への燃焼切替時に、予混合気の失火を抑制することができる。

　エンジンのクランク角を検出するクランク角検出手段を更に備え、偏差算出手段は、クランク角検出手段により検出されたクランク角が所定角度になった時点で、目標空燃比と検出空燃比との偏差を算出してもよい。

　目標空燃比と検出空燃比との偏差の算出が時間同期で周期的に行われると、偏差の算出から燃料噴射までの期間が長く且つ一定でないため、偏差の算出精度が悪化する。エンジンのクランク角が検出され、クランク角が所定角度になった時点で、目標空燃比と検出空燃比との偏差が算出されることにより、偏差の算出から燃料噴射までの期間が短く且つ一定となる。このため、偏差の算出精度が良くなる。この結果、燃焼切替等において、燃焼騒音の低減効果、ＮＯｘの排出量増加の抑制効果、及び失火の抑制効果を一層高めることができる。

　本発明によれば、燃焼切替時等において適切な燃焼を実現することができる燃焼制御装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃焼制御装置を備えたディーゼルエンジンを示す概略構成図である。図２は、図１に示されたＥＣＵにより実行される処理手順を示すフローチャートである。図３は、図２に示された予混合圧縮着火燃焼制御の処理手順を示すフローチャートである。図４は、図３に示された偏差算出処理手順を示すフローチャートである。図５は、噴射時期調整マップの一例を示すグラフである。図６は、プレ噴射追加マップの一例を示すグラフである。図７は、メイン燃料噴射の燃料噴射時期と、燃焼騒音及び図示平均有効圧（Ｐｉ）変動率と、の関係の一例を示すグラフである。図８は、プレ燃料噴射の実施時における、メイン燃料噴射の燃料噴射時期と、燃焼騒音、ＮＯｘ排出濃度、及び図示平均有効圧（Ｐｉ）変動率と、の関係の一例を示すグラフである。図９は、ＥＧＲ率が０％であり且つ燃料噴射に関する条件が変更された合での熱発生率波形の各例を示すグラフである。図１０は、プレ燃料噴射が実施され且つＥＧＲ率が変更された場合での熱発生率波形の各例を示すグラフである。図１１は、メイン燃料噴射の燃料噴射時期と、図示平均有効圧（Ｐｉ）変動率と、の関係の一例を示すグラフである。図１２は、燃焼モードが通常燃焼から予混合圧縮着火燃焼に切り替わるときの空燃比偏差の算出タイミングの一例を、時間同期と角度同期とで比較して示す図である。

　以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

　図１は、本発明の実施形態に係る燃焼制御装置を備えたディーゼルエンジンを示す概略構成図である。図１に示されるように、ディーゼルエンジン１は、予混合圧縮着火（ＰＣＣＩ）を行う４気筒直列ディーゼルエンジンであり、コモンレール式の燃料噴射装置を備えている。ディーゼルエンジン１はエンジン本体２を備え、このエンジン本体２には４つのシリンダ３が配置されている。

　各シリンダ３には、燃焼室４内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）５がそれぞれ配設されている。インジェクタ５は、噴射ノズル５ａから放射状に燃料を噴射する。各インジェクタ５はコモンレール６に接続されており、コモンレール６に貯留された高圧燃料が各インジェクタ５に常時供給されている。

　エンジン本体２には、燃焼室４内に空気を吸入するための吸気通路７がインテークマニホールド８を介して接続されている。エンジン本体２には、燃焼後の排気ガスを排出するための排気通路９がエキゾーストマニホールド１０を介して接続されている。

　吸気通路７には、上流側から下流側に向けてエアクリーナー１１、ターボ過給機１２のコンプレッサ１３、インタークーラー１４、及びスロットルバルブ１５が配置されている。スロットルバルブ１５は、吸気通路７の通路面積を絞る。吸気通路７の通路面積がスロットルバルブ１５により絞られると、吸気通路７を通過する空気量が減少すると共に、スロットルバルブ１５の下流側の圧力が低下する。排気通路９には、ターボ過給機１２のタービン１６及び触媒付きＤＰＦ１７が設けられている。

　ディーゼルエンジン１は、燃焼後の排気ガスの一部を排気再循環ガス（ＥＧＲガス）として燃焼室４内に還流する排気再循環（ＥＧＲ）装置１８を備えている。ＥＧＲ装置１８は、吸気通路７とエキゾーストマニホールド１０とを繋ぐように配置されている。ＥＧＲ装置１８は、ＥＧＲ通路１９と、ＥＧＲバルブ２０と、ＥＧＲクーラ２１と、バイパス通路２２と、切替弁２３と、を有している。ＥＧＲ通路１９は、吸気通路７とエキゾーストマニホールド１０とを繋いでおり、ＥＧＲガスを還流させる。ＥＧＲバルブ２０は、エキゾーストマニホールド１０から吸気通路７へのＥＧＲガスの還流量を調整する。ＥＧＲクーラ２１は、ＥＧＲ通路１９を通るＥＧＲガスを冷却する。バイパス通路２２は、ＥＧＲクーラ２１をバイパスするようにＥＧＲ通路１９に接続されている。切替弁２３は、ＥＧＲガスの流路をＥＧＲクーラ２１側またはバイパス通路２２側に切り替える。

　上記の各インジェクタ５、スロットルバルブ１５、ＥＧＲバルブ２０、及び切替弁２３は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）（コントローラ）２４によって制御される。ＥＣＵ２４には、クランク角センサ２５、アクセル開度センサ２６、及びエアーフローメータ２７が接続されている。

　クランク角センサ２５は、図示しないピストンが連結されるクランク軸の回転角度（クランク角）を検出する。クランク角センサ２５からの出力に基づいて、エンジン本体２の回転数（エンジン回転数）を算出することができる。アクセル開度センサ２６は、エンジン本体２の負荷（エンジン負荷）の代替値として、アクセルペダルの踏込み角（アクセル開度）を検出する。アクセル開度センサ２６は、負荷検出手段（負荷センサ）として機能する。コモンレール式燃料噴射装置を備えたディーゼルエンジンでは、燃料噴射量を電子制御しており、エンジン負荷の代替値として燃料噴射量を用いることも可能である。エアーフローメータ（吸入空気量検出手段）２７は、燃焼室４内に吸入される空気量を検出する。エアーフローメータ２７は、吸気通路７に配置されている。

　ＥＣＵ２４には、クランク角センサ２５、アクセル開度センサ２６、及びエアーフローメータ２７の各検出信号が入力される。ＥＣＵ２４は、所定の処理を行い、インジェクタ５、スロットルバルブ１５、ＥＧＲバルブ２０、及び切替弁２３を制御する。

　インジェクタ５、スロットルバルブ１５、排気再循環装置１８、ＥＣＵ２４、クランク角センサ２５、アクセル開度センサ２６、及びエアーフローメータ２７は、本実施形態の燃焼制御装置２８を構成している。燃焼制御装置２８は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、及び排気行程という１サイクルにおいて、燃焼室４内に空気を吸入させると共に各インジェクタ５から燃焼室４内に燃料を複数回に分けて噴射（分割噴射）させて、予混合圧縮着火燃焼を行うように制御する。

　予混合圧縮着火燃焼は、燃焼過程において、低温酸化反応と高温酸化反応とを伴う。低温酸化反応では、燃焼室４内に噴射された燃料より、熱発生が緩やかに生じる。高温酸化反応では、低温酸化反応後に熱発生が急激に高まる。本実施形態では、燃料噴射完了後に高温酸化反応が生じる燃焼状態、すなわち、高温酸化反応前に予混合時間が存在する燃焼状態が、予混合圧縮着火燃焼である。

　図２は、ＥＣＵ２４により実行される処理手順を示すフローチャートである。本処理では、クランク角センサ２５、アクセル開度センサ２６、及びエアーフローメータ２７の検出信号に基づいてインジェクタ５が制御される。

　図２に示されるように、ＥＣＵ２４は、まず、燃焼モードが予混合圧縮着火燃焼モードであるか否かを判断する（Ｓ１０１）。ＥＣＵ２４は、燃焼モードが予混合圧縮着火燃焼モードであると判断したときに、予混合圧縮着火燃焼制御を実行し（Ｓ１０２）、燃焼モードが予混合圧縮着火燃焼モードでないと判断したときに、通常燃焼制御を実行する（Ｓ１０３）。

　図３は、ＥＣＵ２４により実行される予混合圧縮着火燃焼制御の処理手順を示すフローチャートである。図３に示されるように、ＥＣＵ２４は、まず、プレ噴射追加フラグＦを「０」に初期設定する（Ｓ１１１）。続いて、ＥＣＵ２４は、クランク角センサ２５により検出及び算出されたエンジン回転数とアクセル開度センサ２６により検出されたアクセル開度（エンジン負荷）とに基づいて、１回目のメイン燃料噴射及びこの後に実施される２回目のメイン燃料噴射の燃料噴射量及び燃料噴射時期をそれぞれ決定する（Ｓ１１２）。

　続いて、ＥＣＵ２４は、アクセル開度センサ２６により検出されたエンジン負荷が所定値以下であるか否かを判断する（Ｓ１１３）。ＥＣＵ２４は、エンジン負荷が所定値以下であると判断したときは、１回目のメイン燃料噴射の前に実施される補助的なプレ燃料噴射の燃料噴射量を決定する（Ｓ１１４）。プレ燃料噴射の燃料噴射量は、例えばエンジン負荷に応じた量であってもよく、予め設定された一定量であってもよい。そして、ＥＣＵ２４は、プレ噴射追加フラグＦを「１」に設定する（Ｓ１１５）。ＥＣＵ２４は、エンジン負荷が所定値以下でないと判断したときは、上述したＳ１１４及びＳ１１５を実行しない。

　続いて、ＥＣＵ２４は、目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）と検出空燃比（検出Ａ／Ｆ）との空燃比偏差（ΔＡ／Ｆ）を算出する（Ｓ１１６）。目標空燃比は、例えば予め設定されたマップを用いて、エンジン回転数及びアクセル開度等から得られる。空燃比偏差算出処理手順が図４に示されている。

　図４に示されるように、ＥＣＵ２４は、クランク角センサ２５により検出されたクランク角が燃料噴射を行う角度よりも所定角度（例えば８０度）だけ手前の偏差算出クランク角に達したか否かを判断する（Ｓ１５１）。

　ＥＣＵ２４は、クランク角が偏差算出クランク角に達したと判断したときは、次気筒の燃料噴射量を算出する（Ｓ１５２）。次気筒の燃料噴射量は、例えば上記Ｓ１１２で決定された１回目のメイン燃料噴射及び２回目のメイン燃料噴射の燃料噴射量から算出される。続いて、ＥＣＵ２４は、エアーフローメータ２７により検出された吸入空気量に基づいて、次気筒の空気量を算出する（Ｓ１５３）。そして、ＥＣＵ２４は、次気筒の空気量を次気筒の燃料噴射量で除することで、検出空燃比を算出する（１５４）。続いて、ＥＣＵ２４は、次気筒における目標空燃比と検出空燃比との空燃比偏差（ΔＡ／Ｆ＝目標Ａ／Ｆ－検出Ａ／Ｆ）を算出する（Ｓ１５５）。

　図３に戻り、ＥＣＵ２４は、上記Ｓ１１６を実行した後、空燃比偏差がリーン側にずれている（ΔＡ／Ｆ＜０）か否かを判断する（Ｓ１１７）。ＥＣＵ２４は、空燃比偏差がリーン側にずれていると判断したときは、空燃比偏差が予め決められた遅角用閾値Ａ_０（図５参照）よりも小さいか否かを判断する（Ｓ１１８）。すなわち、ＥＣＵ２４は、空燃比偏差の絶対値が遅角用閾値Ａ_０の絶対値よりも大きいか否かを判断する。

　ＥＣＵ２４は、空燃比偏差が遅角用閾値Ａ_０よりも小さいと判断したときは、図５に示される噴射時期調整マップにしたがって、１回目のメイン燃料噴射及び２回目のメイン燃料噴射の燃料噴射時期を遅角する（Ｓ１１９）。ＥＣＵ２４は、空燃比偏差が遅角用閾値Ａ_０よりも小さくないと判断したときは、上記Ｓ１１９を実行しない。

　噴射時期調整マップには、図５に示されるように、空燃比偏差と燃料噴射時期との関係が格納されている。噴射時期調整マップは、空燃比偏差がリーン側にずれている（ΔＡ／Ｆ＜０）ときは、燃料噴射時期を遅角させ、空燃比偏差がリッチ側にずれている（ΔＡ／Ｆ＞０）ときは、燃料噴射時期を進角させるように設定されている。具体的には、噴射時期調整マップは、空燃比偏差が遅角用閾値Ａ_０よりも小さいときに、空燃比偏差に応じて遅角量が比例的に大きくなり、空燃比偏差が遅角限界値Ａ_１よりも小さくなると、遅角量が一定になるように設定されている。噴射時期調整マップは、空燃比偏差が進角用閾値Ｂ_０よりも大きいときに、空燃比偏差に応じて進角量が比例的に大きくなり、空燃比偏差が進角限界値Ｂ_１よりも大きくなると、進角量が一定になるように設定されている。

　続いて、ＥＣＵ２４は、空燃比偏差がプレ燃料噴射用閾値Ｃ（図６参照）よりも小さいか否かを判断する（Ｓ１２０）。すなわち、ＥＣＵ２４は、空燃比偏差の絶対値がプレ燃料噴射用閾値Ｃの絶対値よりも大きいか否かを判断する。プレ燃料噴射用閾値Ｃは、遅角用閾値Ａ_０よりも小さい。したがって、プレ燃料噴射用閾値Ｃの絶対値は、遅角用閾値Ａ_０の絶対値よりも大きい。ＥＣＵ２４は、空燃比偏差がプレ燃料噴射用閾値Ｃよりも小さいときは、プレ噴射追加フラグＦが「０」であるか否かを判断する（Ｓ１２１）。

　ＥＣＵ２４は、プレ噴射追加フラグＦが「０」であると判断したときは、図６に示されるプレ噴射追加マップにしたがって、１回目のメイン燃料噴射の前に実施される補助的なプレ燃料噴射の燃料噴射量を決定する（Ｓ１２２）。プレ噴射追加マップには、図６に示されるように、空燃比偏差と燃料噴射量との関係が格納されている。プレ噴射追加マップは、空燃比偏差がプレ燃料噴射用閾値Ｃよりも小さいときに、空燃比偏差に応じて燃料噴射量が段階的に大きくなるように設定されている。

　続いて、ＥＣＵ２４は、プレ噴射追加フラグＦを「１」に設定する（Ｓ１２３）。そして、ＥＣＵ２４は、１回目のメイン燃料噴射の燃料噴射量からプレ燃料噴射の燃料噴射量分を減量する（Ｓ１２４）。

　ＥＣＵ２４は、Ｓ１２０にて空燃比偏差がプレ燃料噴射用閾値Ｃよりも小さくないと判断したとき、及び、Ｓ１２１にてプレ噴射追加フラグＦが「１」であると判断したときは、上記Ｓ１２２～Ｓ１２４を実行しない。

　ＥＣＵ２４は、Ｓ１１７で空燃比偏差がリーン側ではなくリッチ側にずれている（ΔＡ／Ｆ＞０）と判断したときは、空燃比偏差が進角用閾値Ｂ_０（図５参照）よりも大きいか否かを判断する（Ｓ１２５）。

　ＥＣＵ２４は、空燃比偏差が進角用閾値Ｂ_０よりも大きいと判断したときは、図５に示される噴射時期調整マップにしたがって、１回目のメイン燃料噴射及び２回目のメイン燃料噴射の燃料噴射時期を進角する（Ｓ１２６）。噴射時期調整マップは、上述した通りである。ＥＣＵ２４は、空燃比偏差が進角用閾値Ｂ_０よりも大きくないと判断したときは、Ｓ１２６を実行しない。

　ＥＣＵ２４は、Ｓ１２４またはＳ１２６を実行した後、プレ噴射追加フラグＦが「１」であるかどうかを判断する（Ｓ１２７）。ＥＣＵ２４は、プレ噴射追加フラグＦが「１」であると判断したときは、Ｓ１１４またはＳ１２２で決定された燃料噴射量にしたがってプレ燃料噴射を実施するように、各インジェクタ５を制御する（Ｓ１２８）。ＥＣＵ２４は、プレ噴射追加フラグＦが「０」であると判断したときは、Ｓ１２８を実行しない。

　続いて、ＥＣＵ２４は、１回目のメイン燃料噴射及び２回目のメイン燃料噴射を順次実施するように、各インジェクタ５を制御する（Ｓ１２９）。このとき、ＥＣＵ２４は、Ｓ１１９、Ｓ１２４、及びＳ１２６を実行していないときは、Ｓ１１２で決定された燃料噴射量及び燃料噴射時期にしたがって各メイン燃料噴射を実施する。ＥＣＵ２４は、Ｓ１１９を実行したときは、Ｓ１１９で補正された燃料噴射時期にしたがって各メイン燃料噴射を実施する。ＥＣＵ２４は、Ｓ１２４を実行したときは、Ｓ１２４で補正された燃料噴射量にしたがって１回目のメイン燃料噴射を実施すると共に、Ｓ１１２で決定された燃料噴射量にしたがって２回目のメイン燃料噴射を実施する。ＥＣＵ２４は、Ｓ１２６を実行したときは、Ｓ１２６で補正された燃料噴射時期にしたがって各メイン燃料噴射を実施する。

　ＥＣＵ２４（特に、Ｓ１１２、Ｓ１１７～Ｓ１１９、Ｓ１２５、Ｓ１２６、及びＳ１２９での処理）は、メイン燃料噴射（第一燃料噴射）を実施するように燃料噴射弁５を制御する第一噴射制御手段を構成する。エアーフローメータ２７及びＥＣＵ２４（特に、Ｓ１１６の一部（Ｓ１５１～Ｓ１５４）での処理）は、燃焼室４内の空燃比を検出する空燃比検出手段（空燃比センサ）を構成する。ＥＣＵ２４（特に、Ｓ１１６の他の一部（Ｓ１５５）での処理）は、目標空燃比と空燃比検出手段により得られた検出空燃比との偏差を算出する偏差算出手段を構成する。ＥＣＵ２４（特に、Ｓ１１７、Ｓ１２０、Ｓ１２２～Ｓ１２４、Ｓ１２７、及びＳ１２８での処理）は、メイン燃料噴射を実施する前に補助的なプレ燃料噴射（第二燃料噴射）を実施するように燃料噴射弁５を制御する第二噴射制御手段を構成する。クランク角センサ２５は、エンジンのクランク角を検出するクランク角検出手段を構成する。

　ＥＣＵ２４（特に、Ｓ１１２での処理）は、メイン燃料噴射の燃料噴射時期を決定する噴射時期決定手段を構成し、ＥＣＵ２４（特に、Ｓ１１７～Ｓ１１９、Ｓ１２５、及びＳ１２６での処理）は、偏差算出手段により算出された目標空燃比と検出空燃比との偏差に応じて、噴射時期決定手段により決定されたメイン燃料噴射の燃料噴射時期を変更する噴射時期変更手段を構成する。ＥＣＵ２４（特に、Ｓ１１７及びＳ１２０での処理）は、目標空燃比と検出空燃比との偏差がリーン側にずれている場合に、目標空燃比と検出空燃比との偏差の絶対値が予め決められたプレ燃料噴射用閾値（第二燃料噴射用閾値）Ｃの絶対値よりも大きいかどうかを判断する手段を構成する。ＥＣＵ２４（特に、Ｓ１２４での処理）は、１回目のメイン燃料噴射の燃料噴射量を減量して、プレ燃料噴射の燃料噴射量を設定する手段を構成する。

　通常燃焼から予混合圧縮着火燃焼への燃焼切替時、及び、減速又はシフトチェンジ等の燃料噴射カット時には、ＥＧＲ還流遅れにより燃焼室４内に吸入される空気量が多い。このため、燃焼室４内の空燃比がリーンとなる場合があり、目標空燃比と検出空燃比とのズレが発生し、燃焼騒音やＮＯｘ排出量が増加する可能性がある。予混合圧縮着火燃焼から通常燃焼への燃焼切替時、及び、加速の際の過給遅れ時には、逆に燃焼室４内の空燃比がリッチとなる場合がある。この場合には、目標空燃比と検出空燃比とのズレが発生し、失火が生じる可能性がある。

　これに対し本実施形態では、目標空燃比と検出空燃比との空燃比偏差がリーン側にずれている場合に、空燃比偏差が遅角用閾値Ａ_０よりも小さいときは、１回目のメイン燃料噴射及び２回目のメイン燃料噴射の燃料噴射時期が遅角される。これにより、燃料と空気との予混合気の早期着火が抑制される。したがって、燃焼騒音を低減すると共に、ＮＯｘの排出量増加を抑制することができる。

　空燃比偏差がリーン側にずれている場合に、空燃比偏差がプレ燃料噴射用閾値Ｃよりも小さいときは、１回目のメイン燃料噴射及び２回目のメイン燃料噴射の燃料噴射時期が遅角されると共に、１回目のメイン燃料噴射の前にプレ燃料噴射が実施される。したがって、上述したように、燃焼騒音を低減すると共に、ＮＯｘの排出量増加を抑制することができる。このとき、１回目のメイン燃料噴射の燃料噴射量がプレ燃料噴射の燃料噴射量分だけ減量されるため、プレ燃料噴射による燃焼と１回目のメイン燃料噴射による燃焼が同時に行われる際に発生する燃焼騒音の増大が抑制される。

　上記のプレ燃料噴射が実施されることにより、失火耐性が向上する。このため、燃焼安定性が良くなることに加え、メイン燃料噴射の燃料噴射時期の遅角量が十分確保される。したがって、燃焼騒音の低減効果及びＮＯｘの排出量増加の抑制効果を高めることができる。

　空燃比偏差がリッチ側にずれている場合に、空燃比偏差が進角用閾値Ｂ_０よりも大きいときは、１回目のメイン燃料噴射及び２回目のメイン燃料噴射の燃料噴射時期が進角される。これにより、予混合気の着火時期の遅角が抑制される。の結果、失火を防止し、燃焼安定性を良くすることができる。

　図７には、メイン燃料噴射の燃料噴射時期と、燃焼騒音及び図示平均有効圧（Ｐｉ）変動率と、の関係の一例が示されている。図中、丸印Ｐ、四角印Ｑ、及び三角印Ｒで示される特性では、ＥＧＲ率つまり空燃比（Ａ／Ｆ）が異なっている。

　図７（ａ）から分かるように、メイン燃料噴射の燃料噴射時期が遅角されるに従い、燃焼騒音が低くなる。図７（ｂ）から分かるように、メイン燃料噴射の燃料噴射時期がある程度まで遅角されても、Ｐｉ変動率は殆ど変わらない。

　図８には、プレ燃料噴射の実施時における、メイン燃料噴射の燃料噴射時期と、燃焼騒音、ＮＯｘ排出濃度、及び図示平均有効圧（Ｐｉ）変動率と、の関係の一例が示されている。図中、菱形印Ｓで示される特性は、プレ燃料噴射が実施されず、ＥＧＲ率が０％であるときのデータである。丸印Ｐで示される特性は、プレ燃料噴射が実施され、ＥＧＲ率が０％であるときのデータである。三角印Ｑで示される特性は、プレ燃料噴射が実施され、ＥＧＲ率が３３％であるときのデータである。四角印Ｒで示される特性は、プレ燃料噴射が実施され、ＥＧＲ率が４２％であるときのデータである。

　図８（ａ）から分かるように、プレ燃料噴射が実施されることで、燃焼騒音が低くなる。メイン燃料噴射の燃料噴射時期が遅角されるに従い、燃焼騒音が低くなる。図８（ｂ）から分かるように、ＥＧＲ率が低い（Ａ／Ｆがリーン側にある）ときは、メイン燃料噴射の燃料噴射時期が遅角されるに従い、ＮＯｘの発生率が低くなる。図８（ｃ）から分かるように、ＥＧＲ率が低いときは、メイン燃料噴射の燃料噴射時期が遅角されても、Ｐｉ変動率は殆ど変わらず、燃焼安定性が確保されている。

　図９には、ＥＧＲ率が０％であり且つ燃料噴射に関する条件が変更された合での熱発生率波形の各例が示されている。図中、太実線Ｐで示される特性は、プレ燃料噴射が実施されず、メイン燃料噴射の燃料噴射時期が遅角されないときの熱発生率波形である。細実線Ｑで示されるは、プレ燃料噴射が実施され、メイン燃料噴射の燃料噴射時期が遅角されないときの熱発生率波形である。破線Ｒで示される特性は、プレ燃料噴射が実施され、更にメイン燃料噴射の燃料噴射時期が遅角されたときの熱発生率波形である。

　図９から分かるように、プレ燃料噴射が実施されることにより、３段着火の状態となり、燃焼騒音が十分低くなる。プレ燃料噴射の実施に加え、メイン燃料噴射の燃料噴射時期が遅角されることにより、着火時期が遅れる。着火時期の遅れに対応して、熱発生率波形の山の位置がずれている。

　図１０では、プレ燃料噴射が実施され且つＥＧＲ率が変更された場合での熱発生率波形の各例が示されている。図中、太実線Ｐで示される特性は、ＥＧＲ率が０％であるときの熱発生率波形である。破線Ｑで示される特性は、ＥＧＲ率が３３％であるときの熱発生率波形である。細実線Ｒで示される特性は、ＥＧＲ率が４２％であるときの熱発生率波形である。図１０から分かるように、プレ燃料噴射が実施される場合には、ＥＧＲ率が０から高くなる、つまり燃焼室内の空燃比がリッチ側となる（空気量が少なくなる）ほど、熱発生率波形（燃焼状態）が狙いの波形に近づいている。

　図１１は、メイン燃料噴射の燃料噴射時期と、図示平均有効圧（Ｐｉ）変動率と、の関係の一例が示されている。図中、黒丸印Ｐで示される特性は、ＥＧＲ率が所定値であるときのデータである。白丸印Ｑで示される特性は、ＥＧＲ率が所定値よりも３％高いときのデータである。図１１から分かるように、ＥＧＲ率が高くなる、つまり燃焼室内の空燃比がリッチ側となると、燃焼安定領域が進角側にシフトしている（矢印参照）。

　目標空燃比と検出空燃比との空燃比偏差の算出が、時間同期で周期的に行われる場合には、図１２に示されるように、空燃比偏差の算出から燃料噴射までの期間が長く且つ一定でない。このため、空燃比偏差の算出精度が悪化する。したがって、例えば燃焼モードが通常燃焼から予混合圧縮着火燃焼に切り替わったときに、以下の不具合が生じる。

　実際の空燃比が目標空燃比に近づいているために本来ならばプレ燃料噴射の実施が不要な状況下で、プレ燃料噴射が実施されると、スモークの発生量が多くなる。検出空燃比が実際の空燃比より大きい（リーン）側にずれた状況下で、空燃比偏差が算出されると、メイン燃料噴射の燃料噴射時期が遅角され過ぎる。このため、燃焼が不安定となり、失火する可能性もある。検出空燃比が実際の空燃比より小さい（リッチ）側にずれた状況下で、空燃比偏差が算出されると、メイン燃料噴射の燃料噴射時期の遅角量が不足する。このため、燃料と空気との予混合気が早期着火して、燃焼音が大きくなる。

　これに対し本実施形態では、クランク角センサ２５により検出されたクランク角が燃料噴射を行う角度よりも所定角度だけ手前の偏差算出クランク角に達した時点で、つまりクランク角に同期して、目標空燃比と検出空燃比との空燃比偏差が算出される。これにより、空燃比偏差の算出から燃料噴射までの期間が短く且つ一定となる。また、気筒毎に燃料噴射直前で、空燃比偏差が高精度に算出される。したがって、気筒毎の空気状態に応じて最適な燃料噴射補正（上記のメイン燃料噴射の燃料噴射時期の変更及びプレ燃料噴射の追加）を行うことができる。この結果、空燃比偏差の算出を時間同期で行うときの不具合を解消することが可能となる。

　以上のように本実施形態によれば、目標空燃比と検出空燃比との空燃比偏差に応じて、メイン燃料噴射の燃料噴射時期の変更及びプレ燃料噴射の追加が行われる。これにより、燃焼切替時などに生じる燃焼騒音の増大、失火、及びエミッションの悪化を抑制することができる。空燃比偏差の算出精度が高いので、そのような抑制効果を安定化させることができる。

　別の観点では、本実施形態は、予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃焼制御装置であって、エンジンの燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃料噴射弁を操作するコントローラと、を備え、コントローラは、第一燃料噴射（メイン燃料噴射）の燃料噴射時期を決定し、目標空燃比と燃焼室内の空燃比との偏差を算出し、算出された目標空燃比と燃焼室内の空燃比との偏差に応じて、決定した第一燃料噴射の燃料噴射時期を変更し、変更した燃料噴射時期で第一燃料噴射を実施するように燃料噴射弁を操作する。コントローラは、目標空燃比と燃焼室内の空燃比との偏差がリーン側にずれている場合に、目標空燃比と燃焼室内の空燃比との偏差の絶対値が予め決められた遅角用閾値の絶対値よりも大きいかどうかを判断し、目標空燃比と燃焼室内の空燃比との偏差の絶対値が遅角用閾値の絶対値よりも大きいと判断すると、第一燃料噴射の燃料噴射時期を遅角してもよい。コントローラは、目標空燃比と燃焼室内の空燃比との偏差がリーン側にずれている場合に、目標空燃比と燃焼室内の空燃比との偏差の絶対値が予め決められた第二燃料噴射用閾値の絶対値よりも大きいかどうかを判断し、目標空燃比と燃焼室内の空燃比との偏差の絶対値が第二燃料噴射用閾値（プレ燃料噴射用閾値）の絶対値よりも大きいと判断したときに、第一燃料噴射を実施する前に第二燃料噴射（プレ燃料噴射）を実施するように燃料噴射弁を操作してもよい。コントローラは、第一燃料噴射を複数回に分けて実施するように燃料噴射弁を操作すると共に、１回目の第一燃料噴射の燃料噴射量を減量して、第二燃料噴射の燃料噴射量を設定してもよい。コントローラは、目標空燃比と燃焼室内の空燃比との偏差がリッチ側にずれている場合に、目標空燃比と燃焼室内の空燃比との偏差の絶対値が予め決められた進角用閾値の絶対値よりも大きいかどうかを判断し、目標空燃比と燃焼室内の空燃比との偏差の絶対値が進角用閾値の絶対値よりも大きいと判断されると、第一燃料噴射の燃料噴射時期を進角してもよい。燃焼制御装置は、エンジンのクランク角を検出するクランク角センサを更に備え、コントローラは、クランク角センサにより検出されたクランク角が所定角度になった時点で、目標空燃比と燃焼室内の空燃比との偏差を算出してもよい。コントローラは、吸入空気量と第一燃料噴射の燃料噴射量とにより、燃焼室内の空燃比（検出空燃比）を算出してもよい。燃焼制御装置は、吸入空気量を検出するエアーフローメータを更に備えてもよい。

　更に別の観点では、本実施形態は、予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃焼制御装置であって、予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃焼制御装置であって、エンジンの燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、第一燃料噴射（メイン燃料噴射）の燃料噴射時期を決定し、目標空燃比と燃焼室内の空燃比との偏差を算出し、算出された目標空燃比と燃焼室内の空燃比との偏差に応じて、決定した第一燃料噴射の燃料噴射時期を変更し、変更した燃料噴射時期で第一燃料噴射を実施するように燃料噴射弁を操作するように構成されたコントローラと、を備える。

　なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、エンジン負荷が所定値より低いためにプレ燃料噴射が実施される場合には、目標空燃比と検出空燃比との空燃比偏差がプレ燃料噴射用閾値Ｃよりも小さいときに、新たなプレ燃料噴射が実施されないが、これに限られない。エンジン負荷が所定値より低いためにプレ燃料噴射が実施される場合、空燃比偏差がプレ燃料噴射用閾値Ｃよりも小さいときは、プレ燃料噴射の燃料噴射量が増やされてもよい。この場合には、エンジン負荷が極低負荷状態にあっても、プレ燃料噴射の燃料噴射量が増加するため、燃焼安定性が向上する。

　上記実施形態では、目標空燃比と検出空燃比との空燃比偏差以外の要因によるプレ燃料噴射の実施の要否として、エンジン負荷が所定値以下であるか否かが判断されたが、これに限られない。プレ燃料噴射が実施されるための既知の他の制御内容によって、プレ燃料噴射の実施の要否が判断されてもよい。

　エンジン負荷が所定値より低いときに、プレ燃料噴射が実施されなくてもよい。この場合には、空燃比偏差がプレ燃料噴射用閾値Ｃよりも小さいときには、エンジン負荷にかかわらずプレ燃料噴射が実施される。

　上記実施形態では、空燃比偏差が遅角用閾値Ａ_０よりも小さいか否かが判断され、空燃比偏差が遅角用閾値Ａ_０よりも小さいときに、１回目のメイン燃料噴射及び２回目のメイン燃料噴射の燃料噴射時期が遅角されるが、これに限られない。遅角用閾値Ａ_０が設定されることなく、空燃比偏差に応じて１回目のメイン燃料噴射及び２回目のメイン燃料噴射の燃料噴射時期が遅角されてもよい。上記実施形態では、空燃比偏差が進角用閾値Ｂ_０よりも大きいか否かが判断され、空燃比偏差が進角用閾値Ｂ_０よりも大きいときに、１回目のメイン燃料噴射及び２回目のメイン燃料噴射の燃料噴射時期が進角されるが、これに限られない。進角用閾値Ｂ_０が設定されることなく、空燃比偏差に応じて１回目のメイン燃料噴射及び２回目のメイン燃料噴射の燃料噴射時期が進角されてもよい。

　上記実施形態では、メイン燃料噴射が２回に分けて行われているが、メイン燃料噴射が１回だけ行われてもよく、また、メイン燃料噴射が３回以上に分けて行われてもよい。

　上記実施形態では、目標空燃比と検出空燃比との空燃比偏差が算出される際に、エアーフローメータ２７により検出された吸入空気量に基づいて空気量を算出し、その空気量を燃料噴射量で除して検出空燃比を算出するようにしたが、これに限られない。燃焼室４内の空燃比を直接検出する空燃比センサが配置され、この空燃比センサにより検出された空燃比が検出空燃比とされてもよい。

　上記実施形態では、エアーフローメータ２７により燃焼室４内への吸入空気量が検出されているが、吸入空気量を含む空気状態を検出するセンサとしては、インテークマニホールド１１に取り付けられる酸素濃度センサを使用することも可能である。

　上記実施形態では、ＥＧＲバルブ２０によりＥＧＲガスの流量が調整されることにより、燃焼室４内の空燃比が制御されているが、空燃比の制御方法としては特にそれには限られない。例えばターボ過給機１２の過給圧を調整することにより、燃焼室４内の空燃比が制御されてもよい。

　本発明は、燃焼切替時、燃料噴射カット時、又は加速時以外にも、ＬＰＬ（Low　Pressure　Loop）ＥＧＲなどＥＧＲ還流遅れが生じるのであれば、適用可能である。

　本発明は、予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃料噴射装置に利用できる。

　１…ディーゼルエンジン、４…燃焼室、５…インジェクタ（燃料噴射弁）、２４…ＥＣＵ（第一噴射制御手段、空燃比検出手段、偏差算出手段、第二噴射制御手段、噴射時期決定手段、噴射時期変更手段）、２５…クランク角センサ（クランク角検出手段）、２７…エアーフローメータ（空燃比検出手段、吸入空気量検出手段）、２８…燃焼制御装置。

Claims

　予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃焼制御装置であって、
　前記エンジンの燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
　第一燃料噴射を実施するように前記燃料噴射弁を制御する第一噴射制御手段と、
　前記燃焼室内の空燃比を検出する空燃比検出手段と、
　目標空燃比と前記空燃比検出手段により得られた検出空燃比との偏差を算出する偏差算出手段と、を備え、
　前記第一噴射制御手段は、
　　前記第一燃料噴射の燃料噴射時期を決定する噴射時期決定手段と、
　　前記偏差算出手段により算出された前記目標空燃比と前記検出空燃比との偏差に応じて、前記噴射時期決定手段により決定された前記第一燃料噴射の燃料噴射時期を変更する噴射時期変更手段と、を有する。
　請求項１に記載の燃焼制御装置であって、
　前記噴射時期変更手段は、前記目標空燃比と前記検出空燃比との偏差がリーン側にずれている場合に、前記目標空燃比と前記検出空燃比との偏差の絶対値が予め決められた遅角用閾値の絶対値よりも大きいかどうかを判断し、前記目標空燃比と前記検出空燃比との偏差の絶対値が前記遅角用閾値の絶対値よりも大きいと判断すると、前記第一燃料噴射の燃料噴射時期を遅角する。
　請求項２に記載の燃焼制御装置であって、
　前記第一燃料噴射を実施する前に第二燃料噴射を実施するように前記燃料噴射弁を制御する第二噴射制御手段を更に備え、
　前記第二噴射制御手段は、前記目標空燃比と前記検出空燃比との偏差がリーン側にずれている場合に、前記目標空燃比と前記検出空燃比との偏差の絶対値が予め決められた第二燃料噴射用閾値の絶対値よりも大きいかどうかを判断する手段を有し、前記目標空燃比と前記検出空燃比との偏差の絶対値が前記第二燃料噴射用閾値の絶対値よりも大きいと判断されたときに、前記第二燃料噴射を実施するように前記燃料噴射弁を制御する。
　請求項３に記載の燃焼制御装置であって、
　前記第二燃料噴射用閾値の絶対値が前記遅角用閾値の絶対値よりも大きい。
　請求項３又は４に記載の燃焼制御装置であって、
　前記第一噴射制御手段は、前記第一燃料噴射を複数回に分けて実施するように前記燃料噴射弁を制御し、
　前記第二噴射制御手段は、１回目の前記第一燃料噴射の燃料噴射量を減量して、前記第二燃料噴射の燃料噴射量を設定する手段を更に有する。
　請求項１に記載の燃焼制御装置であって、
　前記噴射時期変更手段は、前記目標空燃比と前記検出空燃比との偏差がリッチ側にずれている場合に、前記目標空燃比と前記検出空燃比との偏差の絶対値が予め決められた進角用閾値の絶対値よりも大きいかどうかを判断し、前記目標空燃比と前記検出空燃比との偏差の絶対値が前記進角用閾値の絶対値よりも大きいと判断されると、前記第一燃料噴射の燃料噴射時期を進角する。
　請求項１～６のいずれか一項に記載の燃焼制御装置であって、
　前記エンジンのクランク角を検出するクランク角検出手段を更に備え、
　前記偏差算出手段は、前記クランク角検出手段により検出された前記クランク角が所定角度になった時点で、前記目標空燃比と前記検出空燃比との偏差を算出する。
　請求項１～７のいずれか一項に記載の燃焼制御装置であって、
　前記燃焼室内に吸入される空気量を検出する吸入空気量検出手段を更に備え、
　前記空燃比検出手段は、前記吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量と前記第一燃料噴射の燃料噴射量とにより、前記検出空燃比を検出する。