JP2003148222A - 圧縮着火式内燃機関 - Google Patents

圧縮着火式内燃機関

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JP2003148222A
JP2003148222A JP2001350138A JP2001350138A JP2003148222A JP 2003148222 A JP2003148222 A JP 2003148222A JP 2001350138 A JP2001350138 A JP 2001350138A JP 2001350138 A JP2001350138 A JP 2001350138A JP 2003148222 A JP2003148222 A JP 2003148222A
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engine
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Yutaka Uematsu
豊 上松
Hitoshi Yokoyama
仁 横山
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Isuzu Motors Ltd
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M26/13Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低発熱率パイロット・メイン燃焼を実現する
場合において、低負荷領域での燃焼の不安定を抑制す
る。 【解決手段】 燃料噴射弁から噴射される燃料の量とタ
イミングとをエンジン運転状態に基づき制御する圧縮着
火式内燃機関において、パイロット噴射による最大熱発
生率が60kJ/s以下になるような量とタイミングと
でパイロット噴射を実行させ、その後圧縮上死点以降の
タイミングでメイン噴射を実行させる第一噴射モード
と、第一噴射モードの条件を満たさない条件に基づいて
パイロット・メイン噴射を実行させる第二噴射モードと
を備え、エンジンの低負荷領域IIでは第二噴射モー
ド、高負荷領域Iでは第一噴射モードにより燃料噴射制
御を実行する。低負荷領域では通常のパイロット・メイ
ン噴射を行うので燃焼の不安定を抑制できる。

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
に係り、特に、燃焼形態の改善により排ガスの清浄化を
図った圧縮着火式内燃機関に関する。
【0002】
【従来の技術】内燃機関、特にディーゼルエンジンに対
する環境対応の要請が近年益々高まっており、その排ガ
スの改善が急務となっている。このため、黒煙などの煤
を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ(DP
F)や、NOxを還元浄化するNOx触媒等種々の後処
理技術が目覚ましい発展を遂げているが、やはり燃焼形
態そのものを改善する方が抜本的対策に繋がり望まし
い。
【0003】通常のディーゼル燃焼は、筒内圧力及び温
度が十分高まっている圧縮上死点付近(一般的には10
°BTDC〜10°ATDC程度)で単段(1回)の燃
料噴射を行い、その燃料を所定の着火遅れ期間を経た後
一部着火させ、その後燃料の拡散に応じて燃料の蒸発、
空気との混合及び燃焼を進行させ、火炎を順次乱流状態
で拡散させながら燃焼を行うという拡散燃焼の形態を採
る。
【0004】一方、近年の排ガスに対するスモークやN
Ox低減要求の高まりに対しては、様々な改良がなされ
てきている。NOxの低減にはEGR(Exthaus
tGas Recirculation:排気再循環)
が有効であることが従来から知られており、広く実現さ
れている。しかし、EGRは排ガスを環流するため、ス
モークの悪化を回避できない。
【0005】また、通常燃焼では急激な初期燃焼による
筒内圧力の急増が生じ、大きな燃焼騒音が発生する場合
がある。そこでこれを防止するため、通常のタイミング
で行われるメイン噴射(主噴射)の前に、少量のパイロ
ット噴射を実行するという2段噴射を行うことがある。
この場合、パイロット噴射による燃料が着火して火種が
作られた後、この火種を基にメイン噴射による燃料が燃
焼されるため、急激な初期燃焼及び筒内圧力の急増が抑
えられ、燃焼騒音が防止される。なおこのときの燃焼形
態は基本的に拡散燃焼と同様である。
【0006】しかしこのような通常のパイロット・メイ
ン噴射では、パイロット噴射を行うことでスモークが悪
化してしまうという問題がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところで近年、これら
の技術に対して新たな燃焼システムが提唱されている。
一つは、NOxとスモークとの同時低減を目的としたM
K(Modulated Kinetics)燃焼と称
するものである。これは低温予混合燃焼とも表現できる
もので、その概略は以下の通りである。即ち、NOx低
減には燃焼温度の低下が有効であるため、これを比較的
大量のEGRによって行う。するとスモークの増加が懸
念されるが、これは燃料の予混合化で対処する。予混合
化には、通常より早期に燃料噴射を行う早期噴射と、通
常より遅い時期に燃料噴射を行うリタード噴射との二つ
の方法があるが、早期噴射は着火時期制御の困難性等問
題を抱えていることから、リタード噴射を採用する。ま
とめていえば、大量EGRとリタード噴射との組み合せ
によりNOxとスモークとの同時低減を図るのがMK燃
焼である。なお参考文献としては「自動車技術会論文集
vol.28,No.1,1997−1,p.41」、
「同vol.28,No.2,1997−4,p.2
9」等がある。
【0008】しかしながら、MK燃焼では、圧縮上死点
以降で単段噴射を行い、比較的長期の予混合化期間を経
て緩やかに着火、燃焼させるため、燃費の悪化を招き易
く、また筒内温度が低いため燃焼が不安定であり、失火
や白煙を生じやすい。また大量のEGRを実行すること
が前提となるため、スモークの低減効果も大きく期待で
きない。
【0009】一方、特開2000−310150に示さ
れるように、パイロット噴射を通常より早期のタイミン
グで行い、メイン噴射を、パイロット噴射無しでは失火
するようなタイミングで行うようにするものがある。こ
れはNOxのさらなる低減を狙いとしている。
【0010】しかし、これはNOx低減には有効である
ものの、パイロット噴射による連続的な燃焼がやはりメ
イン噴射の前に発生し、パイロット噴射による燃焼によ
りスモークが発生するため、スモークの悪化要因とな
る。
【0011】従って、これらの技術では特にスモークの
改善が困難であり、今後の厳しい排ガス規制に対処する
には必ずしも十分でない。
【0012】そこでこの解決策として、本発明者らは、
低発熱率パイロット・メイン燃焼(噴射)なる燃焼(噴
射)形態を新たに発明し、先に出願を行った(特願20
01−315289)。低発熱率パイロット噴射は、パ
イロット噴射による最大熱発生率が60kJ/s以下に
抑えるようにパイロット噴射の量とタイミングとを制御
することで、パイロット噴射によるスートの発生を低減
するものである。
【0013】しかし、この低発熱率パイロット噴射によ
れば、エンジンの運転状態が低負荷領域のときに燃料の
着火性の悪化により燃焼が不安定になるという問題があ
る。
【0014】そこで、以上の問題に鑑みて本発明は創案
され、その目的は、低発熱率パイロット噴射において、
エンジンの低負荷領域での燃焼の不安定を抑制すること
にある。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明は、筒内の燃焼室
に燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、この燃料噴射弁か
ら噴射される燃料の量とタイミングとをエンジン運転状
態に基づき制御するようにした圧縮着火式内燃機関にお
いて、燃料噴射制御モードとして、パイロット噴射によ
る最大熱発生率が60kJ/s以下になるような燃料噴
射量と燃料噴射タイミングとで上記燃料噴射弁からパイ
ロット噴射を実行させ、その後圧縮上死点以降のタイミ
ングで上記燃料噴射弁からメイン噴射を実行させる第一
噴射モードと、上記第一噴射モードの条件を満たさない
条件に基づいて上記燃料噴射弁からパイロット噴射及び
メイン噴射を実行させる第二噴射モードとを備え、エン
ジンの低負荷領域では第二噴射モードにより燃料噴射制
御を実行し、エンジンの高負荷領域では第一噴射モード
により燃料噴射制御を実行するよう、上記燃料噴射制御
モードを切り換えるものである。
【0016】これによれば、低負荷領域において、低発
熱率パイロット・メイン噴射を行わず、通常のパイロッ
ト・メイン噴射を行う。これにより低負荷領域での燃焼
の不安定を抑制することができる。
【0017】ここで、エンジンの低負荷領域において、
エンジンの低速側領域では上記第二噴射モードにより燃
料噴射制御を実行し、エンジンの高速側領域では上記第
一噴射モードにより燃料噴射制御を実行するよう、上記
燃料噴射制御モードを切り換えるのが好ましい。
【0018】上記燃料噴射制御モードの切換点にヒステ
リシスが設けられるのが好ましい。
【0019】上記燃料噴射制御モードの切り換え時に所
定のなまし制御が実行されるのが好ましい。
【0020】車両に搭載される上記圧縮着火式内燃機関
であって、燃料噴射量が急激に変化するときエンジンと
車両との連成振動を防止するためのダンパ制御が実行さ
れ、このダンパ制御の実行中に上記燃料噴射制御モード
の切り換えが生じるとき、上記ダンパ制御の実行開始か
ら所定時間経た後に上記燃料噴射制御モードの切り換え
が実行されるのが好ましい。
【0021】上記第一噴射モードにおいて、EGR装置
によるEGRが実行されるのが好ましい。
【0022】上記圧縮着火式内燃機関が、コモンレール
式ディーゼルエンジンであってもよい。
【0023】また本発明は、筒内の燃焼室に燃料を噴射
する燃料噴射弁と、この燃料噴射弁に高圧燃料を常時供
給するコモンレールと、燃料噴射弁から実際に噴射され
る燃料の量とタイミングとがエンジン運転状態に基づい
て予め決定された目標燃料噴射量と目標燃料噴射タイミ
ングとになるようにインジェクタを制御する制御手段と
を備えたコモンレール式ディーゼルエンジンにおいて、
上記制御手段が、燃料噴射制御モードとして、パイロッ
ト噴射による最大熱発生率が60kJ/s以下になるよ
うな燃料噴射量と燃料噴射タイミングとで上記燃料噴射
弁からパイロット噴射を実行させ、その後圧縮上死点以
降のタイミングで上記燃料噴射弁からメイン噴射を実行
させる第一噴射モードと、上記第一噴射モードの条件を
満たさない条件に基づいて上記燃料噴射弁からパイロッ
ト噴射及びメイン噴射を実行させる第二噴射モードとを
備え、エンジンの低負荷領域では第二噴射モードにより
燃料噴射制御を実行し、エンジンの高負荷領域では第一
噴射モードにより燃料噴射制御を実行するよう、上記燃
料噴射制御モードを切り換えるものである。
【0024】また本発明は、燃料噴射弁から筒内の燃焼
室に噴射される燃料の量とタイミングとをエンジン運転
状態に基づき制御するようにした圧縮着火式内燃機関の
制御方法において、燃料噴射制御モードとして、パイロ
ット噴射による最大熱発生率が60kJ/s以下になる
ような燃料噴射量と燃料噴射タイミングとで上記燃料噴
射弁からパイロット噴射を実行させ、その後圧縮上死点
以降のタイミングで上記燃料噴射弁からメイン噴射を実
行させる第一噴射モードと、上記第一噴射モードの条件
を満たさない条件に基づいて上記燃料噴射弁からパイロ
ット噴射及びメイン噴射を実行させる第二噴射モードと
を設定し、エンジンの低負荷領域では第二噴射モードに
より燃料噴射制御を実行し、エンジンの高負荷領域では
第一噴射モードにより燃料噴射制御を実行するよう、上
記燃料噴射制御モードを切り換える制御方法である。
【0025】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を添付図面に基づいて詳述する。
【0026】図1に本実施形態に係る圧縮着火式内燃機
関を示す。ここでいう圧縮着火式内燃機関とは、筒内の
燃焼室に噴射された燃料を筒内の圧縮により自己着火さ
せる形式のエンジンをいい、代表的にはディーゼルエン
ジン、特に本実施形態ではコモンレール式燃料噴射装置
を備えたコモンレール式ディーゼルエンジンである。図
は便宜上単気筒で示すが、当然多気筒であってもよい。
このエンジンは車両に搭載されるものである。
【0027】1がエンジン本体で、これはシリンダ
(筒)2、シリンダヘッド3、ピストン4、吸気ポート
5、排気ポート6、吸気弁7、排気弁8、燃料噴射弁と
してのインジェクタ9等から構成される。シリンダ2内
に燃焼室10が形成され、燃焼室10内にインジェクタ
9から燃料が噴射される。ピストン4の頂部にキャビテ
ィ11が形成され、キャビティ11は燃焼室10の一部
をなす。キャビティ11は底部中央が***したリエント
ラント型燃焼室の形態をなす。インジェクタ9から噴射
される燃料は常にキャビティ11内に到達する。これは
燃料がシリンダ2側壁等に付着すると未燃HC排出等の
問題が生じるからである。
【0028】吸気ポート5は吸気管12に、排気ポート
6は排気管13にそれぞれ接続される。またこのエンジ
ンにはターボチャージャ14が設けられ、排気エネルギ
を利用して吸気を過給するようになっている。15がタ
ービン、16がコンプレッサである。コンプレッサ16
の上流側に吸気量を検出するための吸気量センサ17が
設けられ、コンプレッサ16の下流側に吸気を冷却する
ためのインタクーラ18が設けられる。ただし、本発明
はターボチャージャの無い自然吸気エンジンにも有効で
あることはいうまでもない。
【0029】さらにこのエンジンはEGR装置19も具
備している。EGR装置19は、吸気管12と排気管1
3とを結ぶEGR管20と、EGR量を調節するための
EGR弁21と、EGR弁21の上流側にてEGRガス
を冷却するEGRクーラ22とを備える。吸気管12に
おいては、EGR管20との接続部の上流側にて吸気を
適宜絞るための吸気絞り弁23が設けられる。
【0030】インジェクタ9はコモンレール24に接続
され、そのコモンレール24に貯留された噴射圧力相当
の高圧燃料(20〜200MPa)がインジェクタ9に
常時供給されている。コモンレール24には高圧ポンプ
25により加圧圧送された燃料が随時供給される。
【0031】このエンジンを電子制御するため電子制御
ユニット(以下ECUという)26が設けられる。EC
U26は各種センサ類から実際のエンジン運転状態を検
出し、このエンジン運転状態に基づきインジェクタ9、
EGR弁21、吸気絞り弁23、及び高圧ポンプ25か
らの燃料圧送量を調節する調量弁(図示せず)等を制御
する。前記センサ類としては前記吸気量センサ17の
他、アクセル開度センサ、エンジン回転センサ、コモン
レール圧センサ(いずれも図示せず)等が含まれ、実際
の吸気量、アクセル開度、エンジン回転速度(回転
数)、エンジンのクランク角、コモンレール圧等がEC
U26により検知されるようになっている。
【0032】インジェクタ9は、ECU26によりON
/OFFされる電磁ソレノイドを有し、電磁ソレノイド
がONのとき開状態となって燃料を噴射すると共に、電
磁ソレノイドがOFFのとき閉状態となって燃料噴射を
停止する。ECU26は、主にエンジン回転速度とアク
セル開度とから目標燃料噴射量と目標燃料噴射タイミン
グ(時期)とを決定し、実際にそのタイミングが到来し
たと同時に、目標燃料噴射量に応じた時間だけ電磁ソレ
ノイドをONする。目標燃料噴射量が多いほどON時間
は長期である。
【0033】より詳しく述べると、ECU26は、比較
的少量のパイロット噴射と比較的多量のメイン噴射とに
よる2段噴射を実行する。具体的には、ECU26によ
り、エンジン運転状態に基づく目標燃料噴射タイミング
と目標燃料噴射量とを、予め定められたマップ等に従っ
てパイロット噴射及びメイン噴射各々について決定し、
それぞれの目標燃料噴射タイミングが到来したら、それ
ぞれの目標燃料噴射量に応じた時間だけインジェクタ9
をONし、それぞれの目標燃料噴射タイミングと目標燃
料噴射量とに見合ったパイロット噴射とメイン噴射とを
実行する。
【0034】またECU26は、エンジンの運転状態に
応じて目標コモンレール圧を決定し、実際のコモンレー
ル圧が目標コモンレール圧に近づくようコモンレール圧
をフィードバック制御する。
【0035】インジェクタ9はシリンダ2と略同軸に位
置され、複数の噴孔から同時に放射状に燃料を噴射す
る。各燃料噴霧の軸線Lとシリンダ中心Cとのなす角は
常に一定である。
【0036】次に、このエンジンにおける燃料噴射制御
の内容を説明する。
【0037】このエンジンないしECU26は二つの燃
料噴射制御モードを備えている。一つは低発熱率パイロ
ット・メイン噴射モードと称するもの(本発明の第一噴
射モードに相当)、一つは通常噴射モードと称するもの
(本発明の第二噴射モードに相当)である。
【0038】通常噴射モードとは、通常のパイロット噴
射及びメイン噴射を実行するモードで、それら燃料噴射
タイミング及び燃料噴射量は通常同様である。燃料噴射
タイミングについては、メイン噴射が通常同様の圧縮上
死点付近即ち10°BTDC〜10°ATDC程度に設
定され、パイロット噴射がメイン噴射前の15〜20°
BTDC程度に設定され、パイロット噴射とメイン噴射
との間の時間的間隔(パイロットインターバル)は比較
的短い。この燃焼形態については前述したように、パイ
ロット噴射により作られた火種を基にメイン噴射による
燃料が着火して燃焼され、基本的に拡散燃焼の形態を採
る。このような2段噴射により急激な初期燃焼及び筒内
圧力の急増が防止され、燃焼騒音が抑制される。
【0039】次に、低発熱率パイロット・メイン噴射モ
ードについて説明する。
【0040】このモードは、スートの発生を抑えるた
め、パイロット噴射による最大熱発生率が60kJ/s
以下に抑えられるようにパイロット噴射の量とタイミン
グとを制御することを特徴とする。パイロット噴射によ
る最大熱発生率を抑えることで、パイロット噴射によっ
て気筒内に噴射された燃料がメイン噴射が行われるまで
の間、連続的な燃焼とならず、パイロット噴射によるス
ートの発生を抑制することでエンジンから排出されるス
ートの量を低減することができる。この燃焼(噴射)形
態を低発熱率パイロット・メイン燃焼(噴射)と称し、
この燃焼(噴射)形態が実現されるような燃料噴射制御
モードが低発熱率パイロット・メイン噴射モードであ
る。
【0041】図2は、パイロット噴射タイミングの変化
に対するシリンダ内の熱発生状況を調べた実機試験結果
である。横軸がクランク角である。縦軸については、最
下段の(a)図がインジェクタ9の電磁ソレノイドに流
れるソレノイド電流、(b)図が熱発生率(秒間当たり
の熱発生量;kJ/s)である。なお、(b)図の熱発
生率は筒内圧力の実測値から求めた計算結果である。
【0042】図は、メイン噴射のタイミング及び量と、
パイロット噴射の量とを一定とし、パイロット噴射のタ
イミングのみを変化させた四つの噴射形態〜を併記
している。、、、のパイロット噴射タイミング
はそれぞれ48°BTDC(−48°ATDC、以下同
様)、38°BTDC、28°BTDC、18°BTD
Cである。メイン噴射タイミングは5°ATDCであ
る。なおこれらタイミングは全てインジェクタ9のON
開始時刻で規定している。
【0043】一般的なパイロット噴射タイミングはなる
べくメイン噴射に近付けるように設定される。現在広く
使われているハードウェアの制約下では2500rpm
以下の中低速回転において15〜20°BTDC程度で
あるので、は一般的なパイロット噴射タイミングとい
える。これに対して、、、という順でパイロット
噴射タイミングが順次早期化ないし進角(アドバンス)
されている。
【0044】一方、本実施形態のメイン噴射タイミング
は圧縮上死点TDC以降に設定され、同一の運転条件に
おける一般的なメイン噴射タイミングに比較して遅角側
に設定される。即ちメインリタード噴射が実行されるの
である。これは筒内温度が低下した領域で燃料の希薄
化、予混合化を促進してスモークの低減を図るためであ
る。
【0045】(b)図から理解されるように、、の
場合、パイロット噴射による熱発生率の顕著なピークが
見られ、、の場合このような顕著なピークは見られ
ない。そしてからへとパイロット噴射タイミングが
遅角化されるにつれ、熱発生率のピーク値(極大値)は
大きくなる傾向にある。、の場合、ピーク発生時期
でパイロット噴射による燃料(軽油)が連続的な着火或
いは燃焼を生じ、そのためスートが発生しているものと
予測される。従って、のパイロット噴射タイミング
はあまり好ましいものではない。
【0046】逆に、、の場合のように、パイロット
噴射タイミングが早いほど、筒内圧力及び筒内温度が低
い状態で燃料が噴射されるので、着火可能な筒内圧力及
び筒内温度に達するまでに十分な予混合化が可能にな
り、熱発生率の顕著なピークは生じず、スートの発生も
ないと考えられる。
【0047】この結果から、本発明者らは、パイロット
噴射による熱発生率に着目し、後述の試験を行ったとこ
ろ、パイロット噴射による熱発生率ピークと、メイン噴
射を合わせて実施した場合のスートの発生との間に強い
相関関係があることを新たに見出した。そこでパイロッ
ト噴射における燃料噴射量と燃料噴射タイミングとを後
述のように最適に定めることとした。
【0048】ところで、図示されるように、、では
、に比較して熱発生率のピークが生じなかった分、
パイロット噴射燃料が上死点後に実行されるメイン噴射
燃料と共に燃焼する傾向が強くなり、メイン噴射燃料の
燃焼時に熱発生率のピーク値が高くなる傾向にある。メ
イン噴射後に生じる熱発生率のピーク値は、で最も高
く、以下、、となるにつれ低くなっていく。つま
りパイロット噴射が早期に行われる程着火遅れが長くな
り、メイン噴射燃料と一緒に一気に燃焼する傾向が強く
なる。
【0049】このように早期パイロット噴射では、通常
のパイロット噴射に比べ、上死点後に実行されるメイン
噴射後に高い熱発生率のピーク値が得られるので、燃焼
が比較的急激に行われ、出力の向上及び燃費低減が見込
まれる。
【0050】前述したように、パイロット噴射タイミン
グは早期の方が良いということがいえるが、あまりに早
期だとピストンがかなり下方に位置するためインジェク
タから噴射された燃料がキャビティに入らなくなってし
まう。そうなるとシリンダ側壁等に噴射燃料が付着し、
オイル希釈化、未燃HC増大等の問題を生じてしまう。
従って、パイロット噴射タイミングの進角側の限界は、
インジェクタから噴射された燃料がぎりぎりキャビティ
に入るようなタイミングが好ましい。言い換えれば、図
1に示されるように、インジェクタ9から噴射された燃
料Lがキャビティ11の入口端縁27を通過するような
クランク角になった時である。このクランク角は通常約
50°BTDC程度である。
【0051】一方、パイロット噴射タイミングの遅角側
の限界と、パイロット噴射量とは、上記のような熱発生
率及びスートの相関関係を考慮して最適に定めるべきで
ある。即ち、パイロット噴射タイミングをあまりに遅角
させたり、パイロット噴射量をあまりに多く設定してし
まうと、顕著な熱発生率のピークが生じ、スートが発生
してしまう。
【0052】そこでこれらを決定するために行った試験
の結果が図5及び図6である。
【0053】図5は、パイロット噴射タイミングとパイ
ロット噴射による最大熱発生率との関係を調べたもの
で、横軸がパイロット噴射タイミング(°ATDC)、
縦軸が最大熱発生率(kJ/s;キロジュール毎秒)で
ある。また図6は、パイロット噴射による最大熱発生率
とスート(煤)との関係を調べたもので、横軸がスート
(g/kWh)、縦軸が最大熱発生率(kJ/s)であ
る。ここでいう最大熱発生率とは、図2の熱発生率の線
図において上死点前に生じている、パイロット噴射によ
る熱発生率のピーク値(最大値)のことである。
【0054】試験は、気筒当たりの排気量約800cc
の多気筒エンジンにおける2種類のパイロット噴射量
(A;3mm3/st、B;6mm3/st)と、気筒当
たりの排気量約400ccの多気筒エンジンにおける1
種類のパイロット噴射量(C;1.2mm3/st)と
に対して行った。A〜Cそれぞれについて、パイロット
噴射タイミングを−10〜−50°ATDCの範囲で変
化させてグラフ中の三本の線図A,B,Cを得ている。
共通の試験条件としては、エンジンの出力トルクがA〜
C各条件で一定になるようにトータルの燃料噴射量が設
定され、総噴射量が中負荷程度に設定され、メイン噴射
タイミングが圧縮上死点以降に設定される。ここでメイ
ン噴射は、圧縮上死点以降であってパイロット噴射無し
でも緩やかに燃焼が進行する程度のタイミングで行わ
れ、且つ、メイン噴射が完了するまでに着火しない程度
のタイミングと量とで行われる。ちなみにメイン噴射を
上死点前及び上死点付近で行ったのでは即座に着火が始
まり、スモーク及びNOxを低減することはできない。
【0055】なお、これらA,B,Cにそれぞれ対応す
るのが図2,図3,図4のグラフである。言い換えれ
ば、A,B,Cの各条件における試験の結果に基づき図
2,図3,図4のグラフが作成され、さらに図5,図6
のグラフが作成される。
【0056】図5から分かるように、パイロット噴射タ
イミングが早期化(アドバンス)されるほど最大熱発生
率が小さくなる傾向にある。また、パイロット噴射量が
少ないほど最大熱発生率が小さくなり、タイミングの遅
角化に対する最大熱発生率の上昇率(つまり線図の傾
き)も小さくなる傾向にある。
【0057】次に、図6においては、線図が左側に向か
うにつれパイロット噴射タイミングが早期化され、最大
熱発生率が減少し、スートも減少する。そして最大熱発
生率が60kJ/s以下であれば、A,B,Cいずれの
条件においても良好なスートレベルを得られる。
【0058】そこで、この結果から、パイロット噴射に
おける燃料噴射量と燃料噴射タイミングとは、燃焼室内
における最大熱発生率が60kJ/s以下となるような
燃料噴射量と燃料噴射タイミングとに設定するものとす
る。このような燃料噴射量と燃料噴射タイミングとで行
われるパイロット噴射を低発熱率パイロット噴射と称
す。言い換えれば、最大熱発生率が60kJ/sとなる
パイロット噴射量及びタイミングが、噴射量の上限値及
びタイミングの遅角側限界値である。これにより、パイ
ロット噴射燃料単独での燃焼が防止され、結果的に上死
点以降に実施されるメイン噴射と合わせてスモークが抑
制できる。
【0059】図5に戻って、最大熱発生率が60kJ/
s以下となるのは、条件A(3mm 3/st)では約−
39°ATDC(39°BTDC)以前、条件B(6m
3/st)では約−40°ATDC(40°BTD
C)以前、条件C(1.2mm3/st)では約−27
°ATDC(27°BTDC)以前である。そこでこれ
らA,B,Cの条件では各々に対応するパイロット噴射
タイミングに設定するものとする。
【0060】以上のような、最大熱発生率が60kJ/
s以下となるようなパイロット噴射を伴う本実施形態の
燃焼(噴射)形態を低発熱率パイロット・メイン燃焼
(噴射)と称する。この燃焼形態をまとめていうと以下
のようになる。まず、上記のような最適量、最適タイミ
ングでパイロット噴射を行うと、この噴射燃料は燃焼室
内に十分拡散して希薄化、予混合化し、シリンダ内での
燃料が連続的に着火、燃焼することが抑制される。そし
てこの状態は圧縮上死点TDCを越えてメイン噴射の燃
焼時期まで持続される。上死点以降に設定されたメイン
噴射時期においてメイン噴射が実行されると、通常より
筒内圧力及び温度が低いため、通常より長期の着火遅れ
期間を経て、メイン噴射燃料がパイロット噴射による希
薄予混合気と一緒に着火、燃焼する。このとき既にメイ
ン噴射燃料の予混合化も十分進んでいるため、燃焼によ
るスートの発生は抑えられる。
【0061】低発熱率パイロット・メイン燃焼(以下
「本燃焼方式」ともいう)によれば、リタードメイン噴
射に併せて低発熱率パイロット噴射を行うため、単段噴
射のリタード燃焼に比べメイン噴射後の予混合化期間を
短縮でき、例えば図2のに示されるようにメイン噴射
後の燃焼をシリンダ内が低温である状態で急激に行うこ
とができる。これにより燃費の悪化を防止できる。また
パイロット噴射燃料の予混合化によりメイン噴射燃料燃
焼時の筒内温度を高くすることができ、燃焼を安定化さ
せることができる。
【0062】一方、本燃焼方式は上記のような最適量、
最適タイミングでパイロット噴射を行うため、メイン噴
射前におけるパイロット噴射燃料の燃焼は発生せず、特
開2000−310150の技術に比較してスモークを
改善できる。
【0063】このように、パイロット噴射を行い且つ圧
縮上死点以降にリタードメイン噴射を行う圧縮着火式内
燃機関において、パイロット噴射の量とタイミングとを
適正化することができ、パイロット噴射によるスモーク
を抑制することができる。
【0064】なお、低発熱率パイロット・メイン噴射モ
ード(第一噴射モード)においてはEGR装置19によ
るEGRが実行され、NOxが抑制される。
【0065】さて、以上のような利点を有した本燃焼方
式ではあるが、エンジンの運転状態が低負荷領域のとき
に、燃料の着火性の悪化により燃焼が不安定になるとい
う問題がある。
【0066】そこで、本実施形態のエンジンは、低負荷
領域では燃料噴射制御モードを通常噴射モード(第二噴
射モード)に切り換えて燃料噴射制御を実行する。以下
これについて詳しく説明する。
【0067】図7はECU26に予め記憶された燃料噴
射制御モードの切換えマップで、ECU26はこのマッ
プと、実際のエンジン回転数及び負荷とを比較して、第
一噴射モード又は第二噴射モードのいずれか一方を選択
して燃料噴射制御を実行する。このマップから分かるよ
うに、低負荷且つ低回転側の領域IIでは第二噴射モー
ドによる燃料噴射制御を実行し、高負荷となる(低負荷
を越える)か又は高回転側となる領域Iでは第一噴射モ
ードによる燃料噴射制御を実行する。ここで、低負荷領
域において一律第二噴射モードとしてもよいが、低負荷
であっても高回転側の領域では燃料着火性悪化の問題が
発生しないので、低負荷であっても高回転側の領域では
第一噴射モードによる燃料噴射制御を実行し、本燃焼方
式による利益を得るようにしている。なお、全運転領域
の中で第一噴射モードを使用する領域Iは第二噴射モー
ドを使用する領域IIより格段に広いので、広範な運転
領域で本燃焼方式による利益を得ることができる。
【0068】このように、低回転側のみではあるが、低
負荷領域では燃料噴射制御モードを第二噴射モードに切
り換えるので、燃焼の不安定を抑制することができる。
【0069】ここでモードの切り換えは、最も単純に
は、実際の運転状態が切換点Hを越えたときに行う。し
かし、この方法だと運転状態が切換点H付近で保持され
ているときに頻繁な切換えが行われ、ハンチングが生じ
る不都合がある。
【0070】そこでこれを防止するため、図8に示すよ
うに、切換点にヒステリシスを設けるのが好ましい。即
ち図8はエンジン負荷に対してのヒステリシスである
が、第二噴射モードから第一噴射モードへの切換え負荷
は高負荷側の値H1とし、第一噴射モードから第二噴射
モードへの切換え負荷は低負荷側の値H2とする。この
ようなヒステリシスを設けることでハンチングを防止し
制御を安定化できる。なおこのようなヒステリシスはエ
ンジン回転数の切換点にも設けるのが好ましい。
【0071】一方、このモード切換えには次のような問
題がある。即ち、第一噴射モードと第二噴射モードとで
は、それぞれ異なる目標燃料噴射タイミング及び目標燃
料噴射量のマップが予め用意され、ECU26に記憶さ
れている。そして、切換えが行われるとき、燃料噴射タ
イミング及び量が変化することがあり、車両に搭載され
たエンジンの場合だとその変化に基づく切換えショック
が乗員に認識されてしまう。
【0072】そこで、この切換えショックを防止するた
め、以下に示す如きなまし制御を実行するのが好まし
い。
【0073】図9はなまし制御の内容を示し、上段に燃
料噴射制御モードを、下段にメイン噴射タイミングを示
す。下段に示されるように、モード切換点付近における
メイン噴射タイミングの値(より具体的にはメイン噴射
の目標燃料噴射タイミングの値)は両モードでそれぞれ
異なる。第二噴射モードの値をt2、第一噴射モードの
値をt1とする。
【0074】まず、エンジン運転状態の変化に基づき燃
料噴射制御モードが第二噴射モードから第一噴射モード
に切り換わったとき(a1)、メイン噴射タイミングは
即座に第二噴射モードの値t2から第一噴射モードの値
t1へと切り換えず、第二噴射モードの値t2から徐々
に第一噴射モードの値t1へと移行させる(b1)。な
お図示例は移行に関してのランプ関数を設定した場合
で、そのランプ定数は切換えショックが出ない範囲の値
に設定される。
【0075】次に、エンジン運転状態の変化に基づき燃
料噴射制御モードが第一噴射モードから第二噴射モード
に切り換わったとき(a2)にも、メイン噴射タイミン
グは即座に第一噴射モードの値t1から第二噴射モード
の値t2へと切り換えず、第一噴射モードの値t1から
徐々に第二噴射モードの値t2へと移行させる(b
2)。このときの移行も前記同様にランプ関数に従って
行われる。
【0076】このようななまし制御を実行することによ
り、メイン噴射タイミングの急変が防止され、燃料噴射
制御モードの切換え時における切換えショックを防止で
きる。
【0077】なお、図示例はメイン噴射タイミングにつ
いてのものであったが、このようななまし制御はメイン
噴射量、パイロット噴射タイミング及びパイロット噴射
量についても必要に応じて行うのが好ましい。
【0078】また、本実施形態のエンジンでは、ターボ
チャージャ14のタービン15に設けられた可変ベーン
をエンジン運転状態に応じて制御すると共に、吸気絞り
弁23をエンジン運転状態に応じて制御し、吸気量を制
御可能としてある。そして可変ベーン開度、吸気絞り弁
開度、吸気量については、エンジン運転状態に応じた目
標値をそれぞれ各燃料噴射制御モード別にマップ形式で
ECU26に予め記憶させておき、実際のエンジン運転
状態とマップとを比較して各目標値を決定するようにし
ている。
【0079】この場合において、燃料噴射制御モードの
切換え時に、各モード間で可変ベーン開度、吸気絞り弁
開度又は吸気量の目標値が変化するようなときは、これ
らについても上述のなまし制御を実行するのが好まし
い。
【0080】次に、本実施形態のエンジンでは、燃料噴
射量が比較的急激に変化するときエンジンと車両との連
成振動を防止するためのダンパ制御が実行されるように
なっている。
【0081】この制御内容を概略的に示したのが図10
である。例えば図示されるように、ドライバがアクセル
を急激に踏み込むなどして実際のエンジン運転状態が急
変し、目標燃料噴射量Qtが急激に増加したとする。通
常だとこの目標燃料噴射量Qtに等しい燃料噴射量が実
際に噴射されるので、エンジントルクが急激に増加し、
車両が急加速しようとする。しかし、エンジンマウント
が弾性体とみなせることから、エンジントルクの急増に
伴ってエンジンが振動し、この振動が車両の振動と連成
して図示の如く車両に大きな連成振動Rが発生してしま
う場合がある。従ってこの連成振動Rに対し逆位相の振
動(破線で示す)を与えて連成振動Rを抑制するよう
に、エンジンの燃料噴射量を自動的に制御するのがダン
パ制御である。ダンパ制御は、目標燃料噴射量Qtの微
分値ΔQt(=dQt/dt)が、予め設定されたしき
い値Sを越えたときに行われる。
【0082】ところで、このダンパ制御と燃料噴射制御
モード切換とが互いに干渉し、同時に実行されると、ダ
ンパ制御による燃料噴射量変化と、モード切換による燃
料噴射量及び燃料噴射タイミング変化とが協調せず、逆
に車両の振動を増幅させてしまう場合がある。そしてこ
れによりモード切換の事実を乗員に認識させてしまう場
合がある。
【0083】そこで、これを防止するため、これらが干
渉したときは燃料噴射制御モード切換を一時中止し、遅
延(ディレイ)させてから行うようにした。
【0084】図11はこの制御の内容を示すもので、
(a)は目標燃料噴射量Qt、(b)は目標燃料噴射量
Qtの微分値ΔQt(=dQt/dt)、(c)は燃料
噴射制御モードである。ここでは微分値ΔQtが正のし
きい値Sを越えた場合のみダンパ制御を実行し、微分値
ΔQtが負の値のときはダンパ制御を実行しない。もっ
とも負の値のときも実行するようにするのは任意であ
る。
【0085】最初に現れる目標燃料噴射量Qtの急増c
1については、微分値ΔQtが正のしきい値Sを越えて
いないので、ダンパ制御が実行されない。従ってこのと
きエンジン運転状態が燃料噴射制御モードの切換点に差
し掛かれば、d1に示されるように即座にモードが切り
換えられる。
【0086】一方、次に現れる目標燃料噴射量Qtの急
増c2については、微分値ΔQtが正のしきい値Sを越
えている。従ってダンパ制御が実行される。このとき
は、エンジン運転状態が燃料噴射制御モードの切換点に
差し掛かっても、d2に示されるように直ちにモードの
切り換えは実行せず、ダンパ制御実行開始から所定の遅
延時間tdを経過した後にモードの切り換えを実行す
る。遅延時間tdは、ダンパ制御が完全に終了するか或
いはほぼ収束するような時間に設定され、例えば0.6
sである。
【0087】このように、ダンパ制御の実行中に燃料噴
射制御モードの切り換えが生じるとき、ダンパ制御の実
行開始から所定時間経た後に燃料噴射制御モードの切り
換えを実行するので、車両の振動が増幅されるのを防止
できる。
【0088】以上、燃料噴射制御モードの切換に際し、
上記のような各切換制御(ヒステリシス制御、なまし制
御及び遅延制御)を実行することで、モード切換に伴う
ドライバビリティへの影響を抑えることが可能となり、
切換えショック等の発生を抑えることができる。そして
乗員に切換えの事実を認識されるのも防止でき、商品性
能上も切換えを行うことが可能になって、エンジンの全
運転領域に亘って排ガスを改善することができる。上記
各切換制御は適宜組み合わせることが可能である。
【0089】なお、本発明の実施の形態は他にも様々な
ものが採用可能である。例えば、エンジンの暖機状態に
応じて図7の切換えマップの切換点Hを補正することも
可能である。即ち、当該マップはエンジンが暖機した後
の状態を基本に決められるが、一方、エンジン冷機時等
のように筒内温度が低い場合は、パイロット噴射による
熱発生が低下し燃焼が不安定になる虞がある。そこでこ
のような場合は上記のような補正が有効である。例え
ば、水温が低いほど、切換点Hを高負荷側及び/又は高
回転側に補正(移動)するのが好ましい。
【0090】また、本実施形態では本発明にいう第二噴
射モードの一例として通常噴射モードを挙げたが、これ
に限らず、要は、第一噴射モードの条件を満たさない条
件に基づいてパイロット噴射及びメイン噴射を実行する
全ての噴射モードを第二噴射モードとすることができ
る。
【0091】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、低発熱率
パイロット・メイン燃焼を実現する場合において、低負
荷領域での燃焼の不安定を抑制できるという、優れた効
果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る圧縮着火式内燃機関を
示す構成図である。
【図2】パイロット噴射タイミングと熱発生率との関係
を示したグラフである。
【図3】パイロット噴射タイミングと熱発生率との関係
を示したグラフである。
【図4】パイロット噴射タイミングと熱発生率との関係
を示したグラフである。
【図5】パイロット噴射タイミングと最大熱発生率との
関係を示したグラフである。
【図6】スートと最大熱発生率との関係を示したグラフ
である。
【図7】燃料噴射制御モードの切換マップである。
【図8】モード切換点のヒステリシスを示す。
【図9】なまし制御の内容を示すタイムチャートであ
る。
【図10】ダンパ制御の内容を概略的に示すタイムチャ
ートである。
【図11】モード切換えの遅延制御の内容を示すタイム
チャートである。
【符号の説明】
1 エンジン本体 2 シリンダ 4 ピストン 9 インジェクタ 10 燃焼室 11 キャビティ 19 EGR装置 24 コモンレール 26 電子制御ユニット(制御手段) 27 入口端縁 H,H1,H2 燃料噴射制御モードの切換点 L 噴射燃料の軸線 R 連成振動
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F02M 25/07 570 F02M 25/07 570J 45/02 45/02 47/00 47/00 E Fターム(参考) 3G062 AA01 AA03 AA05 BA04 BA05 BA06 CA06 EA10 ED01 ED04 ED08 ED10 FA02 FA03 FA23 GA01 GA04 GA06 GA15 3G066 AA07 AA11 AA13 AB02 AC09 AD12 BA14 BA24 BA25 CB01 CB12 CC05U CD28 CD29 CE22 DA01 DA04 DA09 DB08 DC04 DC05 DC09 DC11 DC18 3G084 AA01 BA13 BA15 BA20 CA03 DA10 DA39 EA13 EB08 EB09 EB25 FA00 FA07 FA10 FA33 FA38 3G092 AA02 AA13 AA17 AA18 BB01 BB06 BB08 BB13 DB03 DC03 DC08 DE03S DE06S DG07 EA01 EA02 EB05 EC09 FA15 GA03 GA16 HA01Z HB03Z HE01Z HF08Z 3G301 HA02 HA11 HA13 JA23 JA24 JA25 JA37 KA07 KA08 LC01 MA11 MA18 MA23 NA01 NA08 NC02 NC04 NE11 NE12 NE21 NE26 PA01Z PB08A PB08Z PE01Z PE03Z PF03Z

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 筒内の燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射
    弁を備え、該燃料噴射弁から噴射される燃料の量とタイ
    ミングとをエンジン運転状態に基づき制御するようにし
    た圧縮着火式内燃機関において、 燃料噴射制御モードとして、 パイロット噴射による最大熱発生率が60kJ/s以下
    になるような燃料噴射量と燃料噴射タイミングとで上記
    燃料噴射弁からパイロット噴射を実行させ、その後圧縮
    上死点以降のタイミングで上記燃料噴射弁からメイン噴
    射を実行させる第一噴射モードと、 上記第一噴射モードの条件を満たさない条件に基づいて
    上記燃料噴射弁からパイロット噴射及びメイン噴射を実
    行させる第二噴射モードとを備え、 エンジンの低負荷領域では上記第二噴射モードにより燃
    料噴射制御を実行し、エンジンの高負荷領域では上記第
    一噴射モードにより燃料噴射制御を実行するよう、上記
    燃料噴射制御モードを切り換えることを特徴とする圧縮
    着火式内燃機関。
  2. 【請求項2】 エンジンの低負荷領域において、エンジ
    ンの低速側領域では上記第二噴射モードにより燃料噴射
    制御を実行し、エンジンの高速側領域では上記第一噴射
    モードにより燃料噴射制御を実行するよう、上記燃料噴
    射制御モードを切り換える請求項1記載の圧縮着火式内
    燃機関。
  3. 【請求項3】 上記燃料噴射制御モードの切換点にヒス
    テリシスが設けられる請求項1又は2記載の圧縮着火式
    内燃機関。
  4. 【請求項4】 上記燃料噴射制御モードの切り換え時に
    所定のなまし制御が実行される請求項1乃至3いずれか
    に記載の圧縮着火式内燃機関。
  5. 【請求項5】 車両に搭載される請求項1乃至4いずれ
    かに記載の圧縮着火式内燃機関であって、燃料噴射量が
    急激に変化するときエンジンと車両との連成振動を防止
    するためのダンパ制御が実行され、該ダンパ制御の実行
    中に上記燃料噴射制御モードの切り換えが生じるとき、
    上記ダンパ制御の実行開始から所定時間経た後に上記燃
    料噴射制御モードの切り換えが実行される請求項1乃至
    4いずれかに記載の圧縮着火式内燃機関。
  6. 【請求項6】 上記第一噴射モードにおいて、EGR装
    置によるEGRが実行される請求項1乃至5いずれかに
    記載の圧縮着火式内燃機関。
  7. 【請求項7】 上記圧縮着火式内燃機関が、コモンレー
    ル式ディーゼルエンジンである請求項1乃至6いずれか
    に記載の圧縮着火式内燃機関。
  8. 【請求項8】 筒内の燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射
    弁と、該燃料噴射弁に高圧燃料を常時供給するコモンレ
    ールと、燃料噴射弁から実際に噴射される燃料の量とタ
    イミングとがエンジン運転状態に基づいて予め決定され
    た目標燃料噴射量と目標燃料噴射タイミングとになるよ
    うにインジェクタを制御する制御手段とを備えたコモン
    レール式ディーゼルエンジンにおいて、 上記制御手段が、燃料噴射制御モードとして、 パイロット噴射による最大熱発生率が60kJ/s以下
    になるような燃料噴射量と燃料噴射タイミングとで上記
    燃料噴射弁からパイロット噴射を実行させ、その後圧縮
    上死点以降のタイミングで上記燃料噴射弁からメイン噴
    射を実行させる第一噴射モードと、 上記第一噴射モードの条件を満たさない条件に基づいて
    上記燃料噴射弁からパイロット噴射及びメイン噴射を実
    行させる第二噴射モードとを備え、 エンジンの低負荷領域では上記第二噴射モードにより燃
    料噴射制御を実行し、エンジンの高負荷領域では上記第
    一噴射モードにより燃料噴射制御を実行するよう、上記
    燃料噴射制御モードを切り換えることを特徴とするコモ
    ンレール式ディーゼルエンジン。
  9. 【請求項9】 燃料噴射弁から筒内の燃焼室に噴射され
    る燃料の量とタイミングとをエンジン運転状態に基づき
    制御するようにした圧縮着火式内燃機関の制御方法にお
    いて、 燃料噴射制御モードとして、 パイロット噴射による最大熱発生率が60kJ/s以下
    になるような燃料噴射量と燃料噴射タイミングとで上記
    燃料噴射弁からパイロット噴射を実行させ、その後圧縮
    上死点以降のタイミングで上記燃料噴射弁からメイン噴
    射を実行させる第一噴射モードと、 上記第一噴射モードの条件を満たさない条件に基づいて
    上記燃料噴射弁からパイロット噴射及びメイン噴射を実
    行させる第二噴射モードとを設定し、 エンジンの低負荷領域では上記第二噴射モードにより燃
    料噴射制御を実行し、エンジンの高負荷領域では上記第
    一噴射モードにより燃料噴射制御を実行するよう、上記
    燃料噴射制御モードを切り換えることを特徴とする圧縮
    着火式内燃機関の制御方法。
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