JP2012062880A - ディーゼルエンジンの制御装置及びディーゼルエンジンの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ディーゼルエンジン１の制御装置において、予混合燃焼モードを実行可能な運転領域を、高負荷側に拡大する。
【解決手段】ＥＧＲ率制御手段は、エンジン本体１の負荷の増大に伴い、所定負荷までは気筒１１ａ内のＯ_２濃度が次第に低下する一方、所定負荷以上ではＯ_２濃度が次第に上昇するように、エンジン本体の負荷に応じてＥＧＲ率を調整し、噴射制御手段（ＰＣＭ１０）は、気筒内のＯ_２濃度が最も低い所定負荷を含む低負荷の運転領域においては（黒四角又は黒丸）、燃料噴射を圧縮上死点前に終了し、その後、燃料を着火及び燃焼させる予混合燃焼モードとする一方、予混合燃焼モードの運転領域よりも負荷が高い運転領域においては、燃料の噴射と当該燃料の着火及び燃焼とを並行して行う拡散燃焼モードとする。
【選択図】図７

Description

ここに開示する技術は、ディーゼルエンジンの制御装置及び制御方法に関する。

自動車に搭載されたディーゼルエンジンでは、排ガス中のＮＯｘや煤の低減、騒音乃至振動の低減、燃費やトルクの向上等を図るため、エンジン１サイクル中に、気筒内に複数回の燃料の噴射を行うことがある。例えば特許文献１には、ターボ過給機付ディーゼルエンジンにおいて、トルク発生のためのメイン噴射、気筒を予熱するためにメイン噴射に先立ち行われるパイロット噴射、パイロット噴射とメイン噴射との間でメイン噴射による燃料の着火遅れを抑制するためのプレ噴射、メイン噴射後において排気ガス温度を上昇させるためのアフタ噴射、及び、アフタ噴射後に排気系に燃料を直接導入して触媒の昇温を図るポスト噴射の５つのタイミングで、燃料噴射を実行することが記載されている。

特開２００９−２９３３８３号公報

ところで、前記特許文献１に記載されている燃料の噴射形態において、圧縮上死点付近において噴射するメイン噴射は、燃料の噴射と燃料の着火及び燃焼とを並行して行う拡散燃焼に係る。こうした拡散燃焼とは異なり、噴射した燃料と空気とを十分に混合した後に、これを圧縮上死点付近において着火及び燃焼させる予混合着火燃焼（ＰＣＩ（Premixed Charge compression Ignition）燃焼、以下においては、単に予混合燃焼という）モードが知られており、こうした予混合燃焼モードは、煤やＮＯｘの発生が抑制されると共に、燃焼の緩慢化によりＮＶＨ（Noise Vibration Harshness）性能にも優れた燃焼モードとして利用され、例えば、気筒内に噴射した燃料が着火に至るまでの遅れ時間（着火遅れ）を長く確保することができる比較的低負荷の運転領域において実行される。

しかしながら、エンジンの負荷が高まって、燃料噴射量が増大したときには着火遅れは次第に短くなる。特にターボ過給機付エンジンにおいては、負荷の上昇に伴い過給量が増えて圧縮端温度及び圧縮端圧力が上昇し、着火遅れはさらに短くなる。その結果、十分に長い着火遅れが確保できずに予混合燃焼が成立しなくなる。つまり、エミッション性能やＮＶＨ性能で有利な予混合燃焼モードを実行可能な運転領域は、低負荷側の一部のみに制限され、その運転領域が比較的狭いという不都合がある。

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、ディーゼルエンジンの制御装置において、予混合燃焼モードを実行可能な運転領域を、高負荷側に拡大することにある。

本願発明者らの検討によると、詳細は後述するが、図７に例示するように、エンジンが所定の運転状態において、気筒内の温度と圧力とをパラメータとする温度−圧力平面上で燃料の着火遅れが一定となる温度・圧力状態をつないだ等時間線を描いたときに、その等時間線は、Ｓ字を反転させた逆Ｓ字状のカーブ特性を有していることを見いだした。

ここで、図７に示すようなコンター図では、右乃至上に行けば行くほど着火遅れが短くなり、左乃至下に行けば行くほど着火遅れが長くなる。このため、例えば気筒内の温度・圧力状態が、実線で示す等時間線よりも右乃至上側の領域にあるときには、着火遅れは当該等時間線の着火遅れ以下となる。これに対し、気筒内の温度・圧力状態が、実線の等時間線よりも左乃至下側の領域にあるときには、着火遅れは当該等時間線の着火遅れよりも長くなる。

ここで、前記等時間線に対応する着火遅れτと、燃料の噴射期間（パルス幅Ｐ／Ｗ）とが互いに等しい（τ＝Ｐ／Ｗ）と仮定する。この仮定において、気筒内の温度・圧力状態が、実線で示す等時間線よりも右乃至上側の領域にあるときには、着火遅れは燃料の噴射期間よりも短いため、気筒内に燃料を噴射している途中で燃料が着火して燃焼してしまうことになる。つまり、拡散燃焼が主体の燃焼モードとなる。これに対し、気筒内の温度・圧力状態が、実線で示す等時間線よりも左乃至下側の領域にあるときには、着火遅れは燃料の噴射期間よりも長いため、気筒内に燃料を噴射した後に、燃料が着火して燃焼する。つまり、予混合燃焼が主体の燃焼となる。

ディーゼルエンジンにおいて予混合燃焼を実行可能な運転領域が比較的狭いことは、例えば図７において一点鎖線で示すように、予混合燃焼が成立する着火遅れτに対応した等時間線よりも左乃至下側の領域が狭いことに対応する。本願発明者らは、予混合燃焼を実行可能な運転領域を拡大するために、等時間線を右乃至上方向に移動をさせて等時間線よりも左乃至下側の領域を広げる観点から、着火遅れに関連する各種のパラメータの内、気筒内のＯ_２濃度に着目した。つまり、図７に実線で示すように、気筒内のＯ_２濃度の変化が等時間線の位置をずらすことを利用し、気筒内のＯ_２濃度を下げることによって、等時間線を右乃至上方向に移動をさせることとした。

具体的にここに開示する技術は、ディーゼルエンジンの制御装置を対象とし、このディーゼルエンジンは、幾何学的圧縮比が１５以下に設定されかつ、気筒内に供給した燃料を圧縮自着火させるエンジン本体と、前記気筒内に臨んで配設されかつ、当該気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁を通じた前記気筒内への前記燃料の噴射形態を制御する噴射制御手段と、前記気筒内に導入するＥＧＲガス量の調整に伴うＥＧＲ率の調整により、当該気筒内のＯ_２濃度を調整するＥＧＲ率制御手段と、を備える。

そして、前記ＥＧＲ率制御手段は、前記エンジン本体の負荷の増大に伴い、所定負荷までは前記気筒内のＯ_２濃度が次第に低下する一方、所定負荷以上では前記Ｏ_２濃度が次第に上昇するように、前記エンジン本体の負荷に応じて前記ＥＧＲ率を調整し、前記噴射制御手段は、前記気筒内のＯ_２濃度が最も低い所定負荷を含む低負荷の運転領域においては、燃料噴射を圧縮上死点前に終了し、その後、燃料を着火及び燃焼させる予混合燃焼モードとする一方、前記予混合燃焼モードの運転領域よりも負荷が高く、前記気筒内のＯ_２濃度が相対的に高い運転領域においては、燃料の噴射と当該燃料の着火及び燃焼とを並行して行う拡散燃焼モードとする。

ここで、エンジン本体の幾何学的圧縮比は、１２〜１５に設定してもよい。また、ＥＧＲ率（％）は、
ＥＧＲ率（％）＝ＥＧＲガス質量（ｇ）／（新気の質量（ｇ）＋ＥＧＲガス質量（ｇ））であり、
（吸気通路内のＣＯ_２濃度（％）−大気中のＣＯ_２濃度（％））／（排気中のＣＯ_２濃度（％）−大気中のＣＯ_２濃度（％））
によって算出可能である。

ＥＧＲ率調整手段は、従来のエンジン制御においては、エンジン負荷の増大に従って新気の割合を高めるべく、ＥＧＲ率を次第に低下（例えばエンジン負荷の増大に対し線形的に低下）させるのに対し、前記の構成では、ＥＧＲ率調整手段は、所定負荷までは気筒内のＯ_２濃度が次第に低下するように、エンジン本体の負荷の増大に対し、例えば比較的高いＥＧＲ率を維持する。一方、所定負荷以上では前記Ｏ_２濃度が次第に上昇するように、ＥＧＲ率調整手段は、エンジン本体の負荷の増大に対して、例えばＥＧＲ率を線形的に低下させる。

このように、比較的高負荷側までＥＧＲ率を高く維持することは、エンジンの負荷領域を高、中、低の３つに分けたときの、特に低負荷乃至中負荷の領域での筒内Ｏ_２濃度を、従来のエンジン制御と比較して低い濃度にする。このことは、前述したように、コンター図において、等時間線を右乃至上方向に移動をさせて、当該等時間線よりも左乃至下側の領域を拡大させる。すなわち、ＥＧＲガスは、相対的に分子量の大きい（比熱の大きい）ＣＯ_２やＨ_２Ｏを含んでおり、気筒内に導入する気体の一部をＥＧＲガスに置き換えることは、気筒内の気体の熱容量を大きくして、温度上昇を抑制する。このことが、燃料の着火遅れを長くする、換言すれば等時間線をずらす要因の一つと考えられる。

そして、等時間線を右乃至上方向に移動をさせて、当該等時間線よりも左乃至下側の領域を拡大させた結果として、エンジン本体の負荷が高まって、気筒内の温度及び／又は圧力状態が高まったときでも、気筒内の温度及び／又は圧力状態と等時間線との間隔が離れているため、予混合燃焼モードが安定して実行可能になる。このことは、エミッション性能に優れた予混合燃焼モードの実行可能な領域を、高負荷側に拡大させたことと等価である。

一方、予混合燃焼モードを実行する領域よりも、さらに負荷が高い領域では、長い着火遅れを確保することが困難であるため拡散燃焼モードとし、高トルクを安定して得ることで、燃費性能の向上に有利になる。

前記ＥＧＲ率制御手段は、低温のＥＧＲガスを前記エンジン本体の吸気通路に還流させる冷却ＥＧＲ手段の制御を通じて前記ＥＧＲ率を調整することにより、前記気筒内のＯ_２濃度を変化させる、としてもよい。

前述の通り、ＥＧＲ率を高くして気筒内のＯ_２濃度を低下させ、そのことにより、コンター図での等時間線を右乃至上にずらすことが可能になるものの、高温のＥＧＲガスを吸気に還流させた場合は、例えば図７に示すコンター図において白丸で示すように、気筒内の温度が高くなってしまい、等時間線をずらしたとしても、気筒内の温度・圧力状態と等時間線との間隔が短くなってしまう。これは、安定した予混合燃焼を阻害する。従って、筒内のＯ_２濃度を低下させることにより等時間線を右乃至上にずらすときには、低温のＥＧＲガスを吸気に還流させる冷却ＥＧＲ手段によって、ＥＧＲ率の調整を行うことが望ましい。ここで、冷却ＥＧＲ手段には、例えば排気ガス還流通路上にＥＧＲクーラを介設する構成が含まれる。

前記ＥＧＲ率制御手段は、前記エンジン本体の排気通路において、ターボ過給機のタービンよりも上流側で分岐して前記エンジン本体の吸気通路にＥＧＲガスを還流させる高圧ＥＧＲシステムと、前記タービンよりも下流側で分岐して前記エンジン本体の吸気通路にＥＧＲガスを還流させる低圧ＥＧＲシステムと、を含んでおり、前記ＥＧＲ率制御手段は、前記低圧ＥＧＲシステムの制御を通じて前記ＥＧＲ率を調整することにより、前記気筒内のＯ_２濃度を変化させる、としてもよい。

低圧ＥＧＲシステムは、排気通路上のタービンよりも下流側で分岐させたＥＧＲガスを吸気に還流させるため、タービンよりも上流側で分岐させたＥＧＲガスを吸気に還流させる高圧ＥＧＲシステムと比較して、相対的に低温のＥＧＲガスを吸気に還流することが可能であるため、前述したように、予混合燃焼の安定化の上で有利になる。

また、ターボ過給機付ディーゼルエンジンでは、一般的に、その吸気通路上に圧縮空気を冷却するためのインタークーラが設けられるが、低圧ＥＧＲシステムは、インタークーラよりも上流側で、吸気通路にＥＧＲガスを還流させる。このため、インタークーラは、ＥＧＲガスをも冷却する。このことは、気筒内の温度上昇をより一層抑制して、着火遅れを長くし、安定した予混合燃焼を実現する上でより有利になる。

前記噴射制御手段は、前記拡散燃焼モードでは、拡散燃焼を主体とした主燃焼を行うために前記燃料を噴射する主噴射と、前記主燃焼よりも前に前段燃焼を行うために、前記主噴射よりも前のタイミングで燃料を噴射する複数回の前段噴射とを実行し、前記噴射制御手段はさらに、前記前段燃焼による熱発生率がピークを迎えると共に、その熱発生率が低下をし始めた後に、前記主燃焼による熱発生率が上昇を開始するように、前記前段噴射の噴射態様と前記主噴射の噴射態様とをそれぞれ制御する、としてもよい。

つまり、このエンジン本体は幾何学的圧縮比が１５以下の、比較的低い圧縮比に設定されており、圧縮端温度及び圧縮端圧力が低くなることに起因して、エンジン負荷が相対的に高い拡散燃焼モードでも着火遅れは比較的長くなる。長い着火遅れは、主燃焼による熱発生率（＝ｄＱ／ｄθ、但し、Ｑは熱量、θはクランク角）の傾きを急峻にする。つまり、燃焼音が大きくなってＮＶＨ性能を低下させる。

そこで、拡散燃焼モードでは、主噴射よりも前のタイミングで複数回の前段噴射を実行する。前段噴射の実行により前段燃焼が生じ、気筒内（言い換えると燃焼室内）の温度及び圧力が高まる。着火遅れは気筒内の温度及び圧力に主に依存し、温度が高いほど、また、圧力が高いほど着火遅れは短くなる。すなわち、前段噴射により気筒内の温度及び圧力を高めておくことによって、その後の主燃焼の着火遅れは短くなる。その結果、主燃焼の熱発生率の傾きが急峻にならず緩やかになると共に、その熱発生率の高さも抑制されるため、ＮＶＨ性能の向上に有利になる。

特に、前記の構成では、前段燃焼による熱発生率がピークを迎えると共に、その熱発生率が低下を始めた後に、主燃焼による熱発生率の上昇が開始するように、前段噴射の噴射態様と主噴射の噴射態様とを設定する。このことは、クランク角の変化に対する熱発生率の変化を示すグラフ上においては、前段燃焼による相対的に低い山と、主燃焼による相対的に高い山との間に、極小値が生じることを意味する。つまり、前段燃焼による熱発生率の山のピークは、主燃焼による熱発生率の上昇開始よりも前にずれるため、前段燃焼により得られるエネルギによって、主燃焼の開始時点で、気筒内の温度及び圧力を、着火遅れを短くする上で必要十分な状態にまで高める。このことは、着火遅れを短くすることは勿論のこと、前段噴射の噴射量を必要最小限にし、燃費の向上に有利になる。

ここで、着火遅れは、主燃焼だけでなく、前段燃焼にも存在する。前段燃焼の、長い着火遅れは、前段燃焼の制御性を悪化させる。特に、前段噴射は、圧縮行程中の、気筒内の温度及び圧力がそれほど高くない状況で行われるため、前段燃焼は、着火遅れの観点からは主燃焼よりも不利な状況にある。

そこで、前記の構成では、前段噴射を複数回行うことによって、前段燃焼の着火遅れを短縮している。すなわち、着火遅れは、温度及び圧力だけでなく当量比にも依存し、当量比が高いほど、着火遅れは短くなる。ここで、前段噴射の総噴射量は、主燃焼のための所望の雰囲気（つまり、所望の筒内温度及び圧力）を作り出すために必要な熱量により決まる。必要な前段噴射の総噴射量を１回の燃料噴射で気筒内に供給すると、噴射期間が長くなることに起因して燃料は一気に拡散し、気筒内はオーバーリーンな状態となり、前段燃焼の着火遅れは長くなってしまう。それに対して、必要な前段噴射の総噴射量を複数回の燃料噴射で供給すると、前段噴射の１回当たりの噴射量が少なくなるため、燃料が一気に拡散せず、また、複数回の燃料噴射が間欠的に行われることによって、先に噴射した燃料噴霧に、後から噴射した燃料噴霧が衝突するようになって、局所的に当量比が高い混合気を作り出すことができる。すなわち、複数回の前段噴射は、局所的に当量比が高い混合気を作って、前段燃焼の着火遅れを短縮する。前段燃焼の着火遅れが短くなると、前段燃焼の発生タイミングの制御性を向上させることができる。このことは、前記拡散燃焼モードにおいて、複数回の前段噴射と主噴射との組み合わせによりＮＶＨ性能を向上させる制御のロバスト性を高める。

前記噴射制御手段は、前記拡散燃焼モードでは、拡散燃焼を主体とした主燃焼を行うために前記燃料を噴射する主噴射と、前記主燃焼よりも前に前段燃焼を行うために、前記主噴射よりも前のタイミングで燃料を噴射する複数回の前段噴射とを実行すると共に、前記前段燃焼が気筒内の温度及び圧力を高めることによって、前記主噴射の開始から前記主燃焼が開始するまでの着火遅れが０．１〜０．３ｍｓｅｃとなるように、前記前段噴射の噴射態様と前記主噴射の噴射態様とをそれぞれ制御する、としてもよい。

この構成では、前記と同様に、主噴射よりも前のタイミングで複数回の前段噴射を実行し、それによって前段燃焼を生じさせる。その結果、気筒内の温度及び圧力が高まり、主燃焼に係る着火遅れは短くなる。ここでは特に、当該着火遅れが０．１〜０．３ｍｓｅｃとなるように、前段噴射の噴射態様を制御する。主燃焼の着火遅れが０．３ｍｓｅｃよりも長くなることは、主燃焼の熱発生率の傾きが急峻になってＮＶＨ性能が低下する。一方、主燃焼の着火遅れが０．１ｍｓｅｃよりも短くなることは、燃料噴霧のペネトレーションが低下して混合気形成が悪くなり、排気性能を低下させる。

ここで、拡散燃焼モードでは、前記前段燃焼の熱発生率のピークを圧縮上死点よりも前に発生させかつ、前記主燃焼が前記圧縮上死点付近で開始するようにしてもよい。主燃焼を圧縮上死点付近で開始させることは、燃費の向上及び耐失火性の向上の観点から有利である。そのように主燃焼を圧縮上死点付近で正確に開始させる上で、前述した前段燃焼による着火遅れの短縮化は、極めて有効である。つまり、熱発生率のピークが圧縮上死点よりも前に発生するようなタイミングで前段燃焼を生じさせておけば、圧縮上死点付近の適切なタイミングで主噴射を行うことによって、主燃焼を圧縮上死点付近で安定して発生させることが可能になる。

前記前段噴射は、各噴射ごとに噴射される燃料が前記気筒に嵌挿したピストン頂面のキャビティ内に至るようなタイミングで実行される、としてもよい。

前記の構成によれば、噴射された燃料がキャビティ外へ拡散することを抑制し、当量比が高い混合気をキャビティ内に作り出すことができる。このことは、前段燃焼をより安定して発生させる上で有利である。ここで、「燃料が、キャビティ内に至る」とは、圧縮上死点に向かってピストンが移動している最中に、燃料噴射弁から噴射した燃料噴霧が、キャビティ内に直接入る場合、及び、燃料噴射弁から噴射した燃料噴霧が、キャビティのリップ部等に当たって外に漏れたとしても、その後、ピストンが圧縮上死点付近にまで移動することに伴い、漏れた燃料噴霧がキャビティ内に入る場合、の双方を含む。つまり、前段噴射の進角限界は、その分だけ拡大する。

ここに開示する別の技術は、幾何学的圧縮比が１５以下に設定されかつ、気筒内に供給した燃料を圧縮自着火させるディーゼルエンジンの制御方法である。

この制御方法は、前記ディーゼルエンジンの負荷の増大に伴い、所定負荷までは前記気筒内のＯ_２濃度が次第に低下する一方、所定負荷以上では前記Ｏ_２濃度が次第に上昇するように、前記ディーゼルエンジンの負荷に応じてＥＧＲ率を調整し、前記気筒内のＯ_２濃度が最も低い所定負荷を含む低負荷の運転領域では、燃料噴射を圧縮上死点前に終了し、その後、燃料を着火及び燃焼させる予混合燃焼モードで、前記ディーゼルエンジンを運転し、前記予混合燃焼モードの運転領域よりも負荷が高く、前記気筒内のＯ_２濃度が相対的に高い運転領域においては、燃料の噴射と当該燃料の着火及び燃焼とを並行して行う拡散燃焼モードで、前記ディーゼルエンジンを運転する。

以上説明したように、前記のディーゼルエンジンの制御装置及び制御方法によると、温度−圧力平面上でのコンター図の等時間線が気筒内Ｏ_２濃度を低下させることによって移動をし、予混合燃焼を実行可能な範囲が拡大するとの知見から、所定負荷までは気筒内のＯ_２濃度が次第に低下する一方、所定負荷以上では前記Ｏ_２濃度が次第に上昇するように、エンジン本体の負荷に応じて前記ＥＧＲ率を調整することにより、予混合燃焼を実行可能な運転領域を拡大させて、エミッション性能を高める上で有利になり得る。

ディーゼルエンジンの構成を示す概略図である。 ディーゼルエンジンの制御に係るブロック図である。 （ａ）予混合燃焼モードにおける燃料噴射形態の一例と、それに伴う熱発生率の履歴の一例とを示す図、（ｂ）拡散燃焼モードにおける燃料噴射形態の一例と、それに伴う熱発生率の履歴の一例とを示す図である。 （ａ）局所当量比を変化させたときの、局所温度に対する着火遅れの関係の一例を示す図、（ｂ）気筒内圧力を変化させたときの、局所温度に対する着火遅れの関係の一例を示す図である。 気筒内温度と気筒内圧力とをパラメータとした温度−圧力平面上における、着火遅れについてのコンター図の一例であり、ＥＧＲ率を変化させたときの等時間線の変化を示す図である。 （ａ）エンジン負荷に対するＥＧＲ率の制御特性図の一例、（ｂ）エンジン負荷に対する筒内Ｏ_２濃度の変化特性図の一例である。 ディーゼルエンジンの制御装置が実行する特定制御をコンター図上で示した説明図である。 拡散燃焼モードにおける気筒内の状態変化の一例を示す、着火遅れに係るコンター図である。 噴射態様が相違する場合の気筒内の局所当量比の分布頻度を示し、（ａ）の噴射態様は８噴孔で噴射１回、（ｂ）の噴射態様は８噴孔で噴射３回、（ｃ）の噴射態様は１２噴孔で噴射３回である。

以下、実施形態に係るディーゼルエンジンを図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。図１，２は、実施形態に係るエンジン（エンジン本体）１の概略構成を示す。このエンジン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であって、複数の気筒１１ａ（１つのみ図示）が設けられたシリンダブロック１１と、このシリンダブロック１１上に配設されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１の下側に配設され、潤滑油が貯溜されたオイルパン１３とを有している。このエンジン１の各気筒１１ａ内には、ピストン１４が往復動可能にそれぞれ嵌挿されていて、このピストン１４の頂面にはリエントラント形燃焼室１４ａを区画するキャビティが形成されている。このピストン１４は、コンロッド１４ｂを介してクランクシャフト１５と連結されている。

前記シリンダヘッド１２には、各気筒１１ａ毎に吸気ポート１６及び排気ポート１７が形成されているとともに、これら吸気ポート１６及び排気ポート１７の燃焼室１４ａ側の開口を開閉する吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ配設されている。

これら吸排気弁２１，２２をそれぞれ駆動する動弁系において、排気弁側には、当該排気弁２２の作動モードを通常モードと特殊モードとに切り替える油圧作動式の可変機構（図２参照。以下、ＶＶＭ（Variable Valve Motion）と称する）が設けられている。このＶＶＭ７１は、その構成の詳細な図示は省略するが、カム山を１つ有する第１カムとカム山を２つ有する第２カムとの、カムプロファイルの異なる２種類のカム、及び、その第１及び第２カムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に排気弁に伝達するロストモーション機構を含んで構成されており、第１カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２は、排気行程中において一度だけ開弁される通常モードで作動するのに対し、第２カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２が、排気行程中において開弁すると共に、吸気行程中においても開弁するような、いわゆる排気の二度開きを行う特殊モードで作動する。

ＶＶＭ７１の通常モードと特殊モードとの切り替えは、エンジン駆動の油圧ポンプ（図示省略）から供給される油圧によって行われ、特殊モードは、内部ＥＧＲに係る制御の際に利用される。尚、こうした通常モードと特殊モードとの切り替えを可能にする上で、排気弁２２を電磁アクチュエータによって駆動する電磁駆動式の動弁系を採用してもよい。また、内部ＥＧＲの実行としては、排気の二度開きに限定されるものではなく、例えば吸気弁２１を２回開く、吸気の二度開きによって内部ＥＧＲ制御を行ってもよいし、排気行程乃至吸気行程において吸気弁２１及び排気弁２２の双方を閉じるネガティブオーバーラップ期間を設けて既燃ガスを残留させる内部ＥＧＲ制御を行ってもよい。尚、ＶＶＭ７１による内部ＥＧＲ制御は、主に燃料の着火性が低いエンジン１の冷間時に行われる。

前記シリンダヘッド１２には、燃料を噴射するインジェクタ１８と、エンジン１の冷間時に各気筒１１ａ内の吸入空気を暖めて燃料の着火性を高めるためのグロープラグ１９とが設けられている。前記インジェクタ１８は、その燃料噴射口が燃焼室１４ａの天井面から該燃焼室１４ａに臨むように配設されていて、基本的には圧縮行程上死点付近で、燃焼室１４ａに燃料を直接噴射供給するようになっている。

前記エンジン１の一側面には、各気筒１１ａの吸気ポート１６に連通するように吸気通路３０が接続されている。一方、前記エンジン１の他側面には、各気筒１１ａの燃焼室１４ａからの既燃ガス（排気ガス）を排出する排気通路４０が接続されている。これら吸気通路３０及び排気通路４０には、詳しくは後述するが、吸入空気の過給を行う大型ターボ過給機６１と小型ターボ過給機６２とが配設されている。

吸気通路３０の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ３１が配設されている。一方、吸気通路３０における下流端近傍には、サージタンク３３が配設されている。このサージタンク３３よりも下流側の吸気通路３０は、各気筒１１ａ毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒１１ａの吸気ポート１６にそれぞれ接続されている。

吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とサージタンク３３との間には、大型及び小型ターボ過給機６１，６２のコンプレッサ６１ａ，６２ａと、該コンプレッサ６１ａ，６２ａにより圧縮された空気を冷却するインタークーラ３５と、前記各気筒１１ａの燃焼室１４ａへの吸入空気量を調節するスロットル弁３６とが配設されている。このスロットル弁３６は、基本的には全開状態とされるが、エンジン１の停止時には、ショックが生じないように全閉状態とされる。

前記排気通路４０の上流側の部分は、各気筒１１ａ毎に分岐して排気ポート１７の外側端に接続された独立通路と該各独立通路が集合する集合部とを有する排気マニホールドによって構成されている。

この排気通路４０における排気マニホールドよりも下流側には、上流側から順に、小型ターボ過給機６２のタービン６２ｂ、大型ターボ過給機６１のタービン６１ｂと、排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置４１と、サイレンサ４２とが配設されている。

この排気浄化装置４１は、酸化触媒４１ａと、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、フィルタという）４１ｂとを有しており、上流側から、この順に並んでいる。酸化触媒４１ａ及びフィルタ４１ｂは１つのケース内に収容されている。前記酸化触媒４１ａは、白金又は白金にパラジウムを加えたもの等を担持した酸化触媒を有していて、排気ガス中のＣＯ及びＨＣが酸化されてＣＯ_２及びＨ_２Ｏが生成する反応を促すものである。また、前記フィルタ４１ｂは、エンジン１の排気ガス中に含まれる煤等の微粒子を捕集するものである。尚、フィルタ４１ｂに酸化触媒をコーティングしてもよい。

前記吸気通路３０における前記サージタンク３３とスロットル弁３６との間の部分（つまり小型ターボ過給機６２の小型コンプレッサ６２ａよりも下流側部分）と、前記排気通路４０における前記排気マニホールドと小型ターボ過給機６２の小型タービン６２ｂとの間の部分（つまり小型ターボ過給機６２の小型タービン６２ｂよりも上流側部分）とは、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するための排気ガス還流通路５０によって接続されている（高圧ＥＧＲシステム）。この排気ガス還流通路５０は、排気ガスの吸気通路３０への還流量を調整するための排気ガス還流弁５１ａ及び排気ガスをエンジン冷却水によって冷却するためのＥＧＲクーラ５２とが配設された主通路５１と、ＥＧＲクーラ５２をバイパスするためのクーラバイパス通路５３と、を含んで構成されている。このクーラバイパス通路５３には、クーラバイパス通路５３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５３ａが配設されている。

この高圧ＥＧＲシステムとは別に、低圧ＥＧＲシステムとして、吸気通路３０における大型ターボ過給機６１の大型コンプレッサ６１ａよりも上流側部分と、排気通路４０におけるフィルタ４１ｂよりも下流側部分とは、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するための排気ガス還流通路５４によって接続されている。この排気ガス還流通路５４は、排気ガスの吸気通路３０への還流量を調整するためのＬ／Ｐ（Low Pressure）ＥＧＲ弁５４ａ及び排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ５４ｂとが配設されて構成されている。

大型ターボ過給機６１は、吸気通路３０に配設された大型コンプレッサ６１ａと、排気通路４０に配設された大型タービン６１ｂとを有している。大型コンプレッサ６１ａは、吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とインタークーラ３５との間に配設されている。一方、大型タービン６１ｂは、排気通路４０における排気マニホールドと酸化触媒４１ａとの間に配設されている。

小型ターボ過給機６２は、吸気通路３０に配設された小型コンプレッサ６２ａと、排気通路４０に配設された小型タービン６２ｂとを有している。小型コンプレッサ６２ａは、吸気通路３０における大型コンプレッサ６１ａの下流側に配設されている。一方、小型タービン６２ｂは、排気通路４０における大型タービン６１ｂ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６１ａと小型コンプレッサ６２ａ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６２ｂと大型タービン６１ｂ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６１ｂ，６２ｂが排気ガス流により回転し、これら大型及び小型タービン６１ｂ，６２ｂの回転により、該大型及び小型タービン６１ｂ，６２ｂとそれぞれ連結された前記大型及び小型コンプレッサ６１ａ，６２ａがそれぞれ作動する。

小型ターボ過給機６２は、相対的に小型のものであり、大型ターボ過給機６１は、相対的に大型のものである。すなわち、大型ターボ過給機６１の大型タービン６１ｂの方が小型ターボ過給機６２の小型タービン６２ｂよりもイナーシャが大きい。

吸気通路３０には、小型コンプレッサ６２ａをバイパスする小型吸気バイパス通路６３が接続されている。この小型吸気バイパス通路６３には、該小型吸気バイパス通路６３へ流れる空気量を調整するための小型吸気バイパス弁６３ａが配設されている。この小型吸気バイパス弁６３ａは、無通電時には全閉状態（つまり、ノーマルクローズ）となるように構成されている。

一方、排気通路４０には、小型タービン６２ｂをバイパスする小型排気バイパス通路６４と、大型タービン６１ｂをバイパスする大型排気バイパス通路６５とが接続されている。小型排気バイパス通路６４には、該小型排気バイパス通路６４へ流れる排気量を調整するためのレギュレートバルブ６４ａが配設され、大型排気バイパス通路６５には、該大型排気バイパス通路６５へ流れる排気量を調整するためのウエストゲートバルブ６５ａが配設されている。レギュレートバルブ６４ａ及びウエストゲートバルブ６５ａは共に、無通電時には全開状態（つまり、ノーマルオープン）となるように構成されている。

これら大型ターボ過給機６１と小型ターボ過給機６２は、それらが配設された吸気通路３０及び排気通路４０の部分も含めて、一体的にユニット化されて、過給機ユニット６０を構成している。この過給機ユニット６０がエンジン１に取り付けられている。

このように構成されたディーゼルエンジン１は、パワートレイン・コントロール・モジュール（以下、ＰＣＭという）１０によって制御される。ＰＣＭ１０は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。このＰＣＭ１０が制御装置を構成する。ＰＣＭ１０には、図２に示すように、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサＳＷ１、サージタンク３３に取り付けられて、燃焼室１４ａに供給される空気の圧力を検出する過給圧センサＳＷ２、吸入空気の温度を検出する吸気温度センサＳＷ３、クランクシャフト１５の回転角を検出するクランク角センサＳＷ４、車両のアクセルペダル（図示省略）の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサＳＷ５、吸気中の二酸化炭素濃度を検出する吸気ＣＯ_２センサＳＷ６、及び、排気中の二酸化炭素濃度を検出する排気ＣＯ_２センサＳＷ７の検出信号が入力され、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン１や車両の状態を判定し、これに応じてインジェクタ１８、グロープラグ１９，動弁系のＶＶＭ７１、各種の弁３６、５１ａ、５３ａ、５４ａ、６３ａ、６４ａ、６５ａのアクチュエータへ制御信号を出力する。

そうして、このエンジン１は、その幾何学的圧縮比を１２以上１５以下（例えば１４）とした、比較的低圧縮比となるように構成されており、これによって排気エミッション性能の向上及び熱効率の向上を図るようにしている。

（エンジンの燃焼制御の概要）
前記ＰＣＭ１０によるエンジン１の基本的な制御は、主にアクセル開度に基づいて目標トルク（言い換えると、目標となる負荷）を決定し、これに対応する燃料の噴射量や噴射時期等をインジェクタ１８の作動制御によって実現するものである。目標トルクは、アクセル開度が大きくなるほど、またエンジン回転数が高くなるほど、大きくなるように設定され、目標トルクとエンジン回転数とに基づいて燃料の噴射量が設定される。噴射量は、目標トルクが高くなるほど、また、エンジン回転数が高くなるほど大きくなるように設定される。また、スロットル弁３６や排気ガス還流弁５１ａ及びＬ／Ｐ ＥＧＲ弁５４ａの開度の制御（つまり、外部ＥＧＲ制御）や、ＶＶＭ７１の制御（つまり、内部ＥＧＲ制御）によって、気筒１１ａ内への排気の還流割合（つまり、ＥＧＲ率）を制御する。

図３（ａ）（ｂ）は、エンジン１が実行する２つの燃焼モードの燃料噴射形態（上図）及びそれに伴う気筒１１ａ内の熱発生率の履歴の一例（下図）を示している。図３（ａ）は、予混合燃焼モードであり、図３（ｂ）は、拡散燃焼モードである。尚、図３（ａ）（ｂ）に示す燃料噴射量や熱発生率は、これらの図を相互に比較したときに、必ずしも、相対的な燃料噴射量の大小や熱発生率の大小を示してはいない。このディーゼルエンジン１においては、エンジン負荷が相対的に低い領域においては予混合燃焼モードとし、エンジン負荷が相対的に高い領域においては拡散燃焼モードとする。

図３（ａ）は、前述の通り、予混合燃焼モードでの燃焼噴射形態（上図）及びそれに伴う気筒１１ａ内の熱発生率の履歴の一例（下図）を示している。予混合燃焼モードでは、圧縮行程中（圧縮上死点前）において、所定の時間間隔を空けて３回の燃料噴射を実行する。この３回の燃料噴射は、その各回の噴射によって噴射された燃料の全てが、キャビティ内に至るタイミングで実行される。尚、予混合燃焼モード領域における燃料噴射の回数は３回に限定されるものではなく適宜設定すればよい。こうして噴射した燃料は、空気と十分に混合された状態で圧縮上死点付近において自着火により燃焼する。このような予混合燃焼モードは、エンジンの低負荷かつ低回転領域において、燃費及び排気エミッションの点で有利になる。

ＰＣＭ１０はまた、拡散燃焼モードにおいては、図３（ｂ）に示すように、圧縮行程中における圧縮上死点に比較的近いタイミングで、比較的短い時間間隔を空けて３回のプレ噴射（前段噴射）を実行すると共に、その後の圧縮上死点付近において主噴射を１回、実行する。つまり、合計４回の燃料噴射を実行する。このエンジン１は低圧縮比であるため、圧縮端温度及び圧縮端圧力が比較的低くなり、エンジン負荷が相対的に高い拡散燃焼モードにおいても着火遅れが長くなる傾向にある。着火遅れが長くなることによって、拡散燃焼が主体の主燃焼の熱発生率の傾きが急峻になり、燃焼音が大きくなってＮＶＨ性能が低下する。そこで、このエンジン１では、そうした着火遅れを短くするために、主燃焼よりも前に、特徴的なプレ燃焼を行うようにする。つまり、３回のプレ噴射の実行は、十分な熱発生率を有するプレ燃焼（前段燃焼に相当する）を、その熱発生率のピークが圧縮上死点前の所定の時期に発生するように生起させる。これにより、主噴射を行う圧縮上死点よりも前に、気筒１１ａ内の温度及び圧力を高めておく。そして、圧縮上死点付近（詳しくは、圧縮上死点の直前）で主噴射を実行すると、短い着火遅れτ_ｍａｉｎを伴って主燃焼が圧縮上死点付近において開始される。ここで、図３（ｂ）の例では、主燃焼の着火遅れτ_ｍａｉｎを、主噴射の開始から、主燃焼の熱発生率が上昇を開始するまで、と定義している。この制御では、プレ燃焼による熱発生率がピークを迎えると共に、その熱発生率が低下を始めた後に、主燃焼による熱発生率の上昇が開始するように、プレ噴射の噴射態様と主噴射の噴射態様とを設定しており、プレ燃焼の熱発生率の山と主燃焼の熱発生率との山との間には、極小値が存在している。主燃焼の着火遅れτ_ｍａｉｎは、主噴射の開始から前記の極小値までと定義することも可能である。

プレ燃焼によって、主噴射よりも前に筒内温度及び圧力を確実に高めておくことにより、主燃焼の着火遅れτ_ｍａｉｎを短縮して、主燃焼を所望のタイミングで発生させることができるようになる。また、着火遅れτ_ｍａｉｎを短くすることによって、主燃焼の熱発生率の上昇が緩慢になる。このように熱発生率の急上昇を回避することは、燃焼音を下げてＮＶＨ性能を高める上で有利になる。

ここで、プレ燃焼と主燃焼の着火遅れとの関係について、図を参照しながら説明する。図８は、詳細は後述するが、化学反応シミュレーションソフトウエアを用いて、気筒１１ａ内の圧縮着火（より正確には低温度自着火）現象を解析したシミュレーション結果に基づき、縦軸を気筒内温度（より正確には圧縮端温度）、横軸を気筒内圧力（より正確には圧縮端圧力）とした温度−圧力平面上で、着火遅れが一定となる温度・圧力状態をつないだ等時間線を含むコンター図の一例を示している。このコンター図において、着火遅れが短くなるほど、等時間線は右乃至上側に位置する。また、このコンター図における各等時間線は、局所当量比φが変化することに応じて位置を変化させる。具体的には、局所当量比が低いほど右乃至上方に位置して、当該等時間線よりも左乃至下側の領域が大きくなるのに対し、局所当量比が高いほど等時間線は左乃至下方に位置して、当該等時間線よりも左乃至下側の領域が小さくなる。

例えば、図８に示すコンター図において、最も右上に位置する等時間線は０．２ｍｓｅｃであると仮定すると、気筒内の温度・圧力状態が、当該０．２ｍｓｅｃの等時間線よりも右乃至上側の領域にあるとき（例えば図８における白四角）には、着火遅れは０．２ｍｓｅｃよりも短くなり、逆に、気筒内の温度・圧力状態が、当該等時間線よりも左乃至下側の領域にあるときには着火遅れが０．２ｍｓｅｃよりも長くなることになる。

図８において白丸で示す状態は、プレ燃焼を行わないときの圧縮端温度及び圧縮端圧力の一例を示している。これは、モータリング時の圧縮端温度及び圧縮端圧力に対応する。この白丸は、エンジン１が１２〜１５の比較的低い幾何学的圧縮比に構成されていることに起因して、図８における比較的左下の位置に位置しており、着火遅れが比較的長い状態に相当する。このことは、主燃焼の燃焼音を大きくし、ＮＶＨ性能を低下させる。

そこで、主噴射により噴射された燃料の着火遅れを短くして、主燃焼の制御性及びＮＶＨ性能を高めるためには、主噴射を開始する時点での気筒１１ａ内の温度・圧力状態を、図８に白四角で示すような、例えば０．２ｍｓｅｃの等時間線よりも右乃至上側の領域にしなければならない。

プレ燃焼は、気筒１１ａ内の温度及び圧力を高めることに伴い、図８における白丸の状態から白四角の状態へと移行させるための燃焼である。言い換えると、プレ燃焼は、図８において実線の矢印で示すように、気筒内の状態を、所望の等時間線よりも左乃至下側の領域から右乃至上側の領域への移行させるように、等時間線を跨ぐための燃焼であり、図８における矢印の長さは、プレ燃焼によって発生する熱量に対応する。そうしたプレ燃焼によって、主燃焼の着火遅れτ_ｍａｉｎは０．１〜０．３ｍｓｅｃに設定すること好ましい。０．３ｍｓｅｃよりも長い着火遅れは、主燃焼の熱発生率の傾きを急峻にして、ＮＶＨ性能の低下を招く。一方、０．１ｍｓｅｃよりも短い着火遅れは、燃料噴霧のペネトレーションが低下して混合気形成が悪くなり、排気性能が低下する。

ここで、モータリング時の圧縮端温度及び圧縮端圧力は、前述した幾何学的圧縮比にのみ依存するのではなく、吸気温、大気圧（又は吸気圧）、エンジン水温、有効圧縮比、及びエンジン負荷等の、エンジン１の運転に係る環境条件によって変化する。具体的には、吸気温が高いほど、大気圧（又は吸気圧）が高いほど、エンジン水温が高いほど、有効圧縮比が高いほど、又は、エンジン負荷が高いほど、モータリング時の圧縮端温度及び圧縮端圧力（図８の白丸）は、右上に位置し、逆に、吸気温が低いほど、大気圧（又は吸気圧）が低いほど、エンジン水温が低いほど、有効圧縮比が低いほど、又は、エンジン負荷が低いほど、モータリング時の圧縮端温度及び圧縮端圧力（図８の白丸）は、左下に位置する。従って、圧縮端温度及び圧縮端圧力が左下の方に位置すればするほど、等時間線との距離が離れることから着火性が悪化し、その結果、プレ燃焼に要求される熱量が増えることになる。

プレ噴射を３回に分けて行うことは、プレ噴射によって噴射された燃料の着火性を高め、それによってプレ燃焼の制御性を向上する。すなわち、プレ噴射の総噴射量は、プレ燃焼により発生させたい熱量によって決まる。仮に、必要な総噴射量を１回のプレ噴射で気筒１１ａ内に供給すると、燃料が一気に拡散して、混合気の当量比が低くなってしまう。その結果、プレ燃焼の着火遅れτ_ｐｒｅが長くなってしまう（図３（ｂ）の下図参照）。それに対して、必要な総噴射量を３回に分けてプレ噴射を行うことによって、プレ噴射の１回当たりの噴射量が少なくなる。このように少量の燃料を間欠的に噴射することによって、燃料の拡散を抑制して、当量比の高い混合気（例えば、当量比が１〜３）が局所的に作られる。こうして、当量比の高い混合気を作ることによって、プレ燃焼の着火遅れτ_ｐｒｅを短縮することができる。プレ燃焼の着火遅れτ_ｐｒｅが短くなると、プレ燃焼のタイミングを精度良く制御することができるようになる。つまり、プレ燃焼を、上述のように、その熱発生率のピークが圧縮上死点前の所定の時期に精度良く発生させるように制御することができる。このことは、主燃焼を所望のタイミングで安定させて開始することにつながる。プレ燃焼の着火遅れτ_ｐｒｅは、１．５ｍｓｅｃ以下に設定することが好ましい。こうすることで、プレ燃焼の熱発生率のピークを圧縮上死点前に発生させることが、より確実になり、主燃焼の制御性を高める上で有利になる。

図９は、噴射態様が相違する場合の気筒１１ａ内の局所当量比の分布頻度を示している。（ａ）は、インジェクタ１８の噴孔数を８とし、噴射を１回だけ行った場合の局所当量比の分布頻度であり、局所当量比φが１以上となる頻度は４．４％と低い。この場合、着火性が悪いため、着火遅れは長くなる。また、着火性の悪さに起因して、プレ燃焼によって所望の熱量を得るには、燃料噴射量を増量しなければならない。

これに対し、（ｂ）は、８噴孔で噴射回数を３回にした場合の局所当量比の分布頻度である。局所当量比φが１以上となる頻度は４８．６％となり、噴射回数を増やすことによって着火性が改善している。つまり、噴射１回当たりの噴射量が少なくなる上に、間欠的に燃料を噴射することによって、先に噴射した燃料噴霧に、後から噴射した燃料噴霧が衝突するようになって、当量比が局所的に高くなると考えられる。

また、（ｃ）は、インジェクタ１８の噴孔数を１２に増やし、噴射回数を３回にした場合の局所当量比の分布頻度である。この場合は、局所当量比φが１以上となる頻度は６０．４％となり、噴孔数を増やすことによっても着火性が改善する。

以上から、プレ噴射によって局所当量比を高めて、プレ燃焼の制御性を高める観点からは、噴射回数は多い方が有利であるが、噴射回数が多すぎると、噴射と噴射との間に十分な間隔を空けられずに、当量比がそれほど高まらないことも予想される。従って、プレ噴射の噴射回数は、最大でも３回程度が好ましい。尚、例えばエンジン負荷が高まるといった、着火性に有利な条件においては、プレ噴射の噴射回数を減らしてもよい。また、インジェクタ１８の噴孔数は多い方が、プレ噴射による局所当量比を高めて、プレ燃焼の制御性を高める上で有利になるが、噴孔数が増えれば増えるほど、孔径の縮小により噴霧の到達距離が短くなることから、インジェクタの噴孔数は８〜１２程度が適している。

このような複数回のプレ噴射は、各プレ噴射による燃料噴霧が全てキャビティ内、即ち、燃焼室１４ａ内に至るタイミングで実行される。これは、圧縮行程中において、圧縮上死点に向かってピストン１４が上昇している最中に、インジェクタ１８から噴射した燃料噴霧が、キャビティ内に直接入る場合、及び、インジェクタ１８から噴射した燃料噴霧が、キャビティのリップ部等に当たって外に漏れたとしても、その後、ピストン１４が圧縮上死点付近にまで上昇したときには、その漏れた燃料噴霧がキャビティ内に入る場合の双方を含んでいる。これによって、局所的に作られる、当量比の高い混合気は全てキャビティ内に収まり、プレ燃焼の着火遅れτ_ｐｒｅがより一層、短縮され、プレ燃焼の制御性がさらに高まる。

拡散燃焼モードにおいては、プレ燃焼の山のピークが主燃焼の山の上昇開始よりも前にずれるようにしているため、主燃焼の燃焼音が大きくなることを回避しつつ、プレ燃焼により得られるエネルギによって、燃焼の開始時点で、気筒１１ａ内の温度及び圧力を、着火遅れを短くする上で必要十分な状態にまで高めることが可能になる。このことは、主燃焼の着火遅れを短くすることは勿論のこと、プレ噴射の噴射量を必要最小限にして、燃費の向上に有利になる。

そして、このディーゼルエンジン１においては、予混合燃焼モードを実行する領域を、従来よりも、高負荷側に拡大させたことを特徴とする。このことについて、図を参照しながら説明する。

図４は、化学反応シミュレーションソフトウエアを用いて、気筒内の圧縮着火（低温度自着火）現象を解析したシミュレーション結果の一例を示している。図４（ａ）は、所定の筒内圧力（例えば４ＭＰａ）において、混合気の局所当量比φを低（φ＝１．０）、中（φ＝２．０）、高（φ＝３．０）にそれぞれ変更した場合の、混合気の局所温度の変化に対する着火遅れの変化の関係を示している。図４（ａ）にプロットされている局所温度範囲は、７００〜１２００Ｋに相当する。これによると、局所当量比が低いほど着火遅れは長くなり、局所当量比が高いほど着火遅れは短くなる。また基本的には、局所当量比が一定であれば、局所温度が高いほど（図の左側ほど）着火遅れは短くなり、局所温度が低いほど（図の右側ほど）着火遅れは長くなるものの、着火遅れは、局所温度の変化に対して一様には変化せずに、局所温度を低温度側から高温度側へと変化させたときには、着火遅れが、一旦長くなる温度帯が存在している。

また、図４（ｂ）に示すように、所定の局所当量比（φ＝１．０）において、筒内圧力Ｐを低（Ｐ＝２ＭＰａ）、中（Ｐ＝３ＭＰａ）、高（Ｐ＝４ＭＰａ）にそれぞれ変更した場合の、局所温度の変化に対する着火遅れの変化の関係を示している。図４（ｂ）にプロットされている局所温度範囲も、７００〜１２００Ｋに相当する。これによると、筒内圧力が低いほど着火遅れは長くなり、筒内圧力が高いほど着火遅れは短くなる。また基本的には、筒内圧力が一定であれば、局所温度が高いほど（図の左側ほど）着火遅れは短くなり、局所温度が低いほど（図の右側ほど）着火遅れは長くなるものの、着火遅れは、局所温度の変化に対して一様には変化せずに、局所温度を低温度側から高温度側へと変化させたときには、着火遅れが、一旦長くなる温度帯が存在している。

このように着火遅れが混合気の局所温度の変化に対し一様に変化しない理由は、次のように考えられる。つまり低温度自着火では、発熱を伴う熱炎と、熱炎の前の冷炎と呼ばれる低温度炎とが発現すると共に、冷炎反応が活発になる温度域が存在している。つまり、冷炎反応が活発になる温度域では、冷炎反応が長く継続し、その後に熱炎反応が発現するため、熱炎反応が発現するまでの時間が長く、換言すれば気筒内における着火遅れが長くなってしまうのである。

こうした図４（ａ）（ｂ）に例示するシミュレーション結果に基づき、縦軸を気筒内温度、横軸を気筒内圧力とした温度−圧力平面上で、着火遅れが一定となる温度・圧力状態をつないだ等時間線を含むコンター図を作成することが可能であり、これを図５に例示する。同図において相対的に右上に位置する３つの等時間線はそれぞれ着火遅れτがτ_１＝０．２ｍｓｅｃに相当し、相対的に左下に位置する３つの等時間線はそれぞれ着火遅れτがτ_０＝１．５ｍｓｅｃに相当する。比較的長い着火遅れを確保して予混合燃焼を実現するためには、気筒内の温度・圧力状態が、その長い着火遅れに対応する等時間線よりも左乃至下側である必要があるが、着火遅れが長くなるほど等時間線は、コンター図における左乃至下方に位置し、その等時間線よりも左乃至下側の領域は狭くなる。このことが、予混合燃焼モードを実行し得る運転領域が、低負荷側の一部のみに制限されることに対応する。

ここで、気筒１１ａ内に噴射した燃料の着火遅れを決定する要因としては、気筒内の温度及び圧力の他に、気筒内のＯ_２濃度が含まれる。つまり、気筒内のＯ_２濃度が高くなるほど着火遅れが短くなり、逆に気筒内のＯ_２濃度が低くなるほど着火遅れが長くなる。図５には、ＥＧＲ率を変化させることにより、気筒内のＯ_２濃度を変化させた場合の等時間線の位置の変化を示している。ここで、ＥＧＲ率（％）は、ＥＧＲガス質量（ｇ）／（新気の質量（ｇ）＋ＥＧＲガス質量（ｇ））で定義され、このエンジン１においては、吸気側のＣＯ_２濃度及び排気側のＣＯ_２濃度に基づいて、ＥＧＲ率（％）＝（吸気通路内のＣＯ_２濃度（％）−大気中のＣＯ_２濃度（％））／（排気中のＣＯ_２濃度（％）−大気中のＣＯ_２濃度（％））によって算出される。

ＥＧＲ率を４０％に設定し、気筒内のＯ_２濃度を、ＥＧＲ率が０％のときのＯ_２濃度よりも下げたときには、等時間線は、実線から破線へと右乃至上方に移動をし、同様に、ＥＧＲ率を６０％に設定し、気筒内のＯ_２濃度を、ＥＧＲ率が４０％のときのＯ_２濃度よりもさらに下げたときには、等時間線は、破線から点線へと右乃至上方にさらに移動をする。これは、相対的に分子量の大きいＣＯ_２やＨ_２Ｏを含むＥＧＲガスを、気筒１１ａ内に導入することによって、気筒１１ａ内の気体の熱容量が大きくなって温度上昇が抑制され、このことが、燃料の着火遅れを長くする、つまり等時間線を右乃至上方に移動させると考えられる。

このようにして等時間線を右乃至上方に移動させることは、その分、当該等時間線よりも左乃至下側の領域を拡大させることになるため、着火遅れを長くして、予混合燃焼を実行する上で有利になる。つまり、エンジン１の負荷の上昇に伴い気筒内の温度及び圧力が高まっても、等時間線よりも左乃至下側に位置するようになって、予混合燃焼が可能となることから、予混合燃焼が可能となる運転領域が高負荷側に拡大することになる。

着火遅れに係るコンター図に基づいた前記の知見から、このディーゼルエンジン１においては、ＥＧＲ率の調整制御を、従来とは異ならせることによって、予混合燃焼モードを実行する運転領域を高負荷側に拡大している。具体的には、吸気ＣＯ_２センサＳＷ６及び排気ＣＯ_２センサＳＷ７等の検出信号に基づく、排気ガス還流弁５１ａや、Ｌ／Ｐ ＥＧＲ弁５４ａ等の開度調整によって、図６（ａ）に示すように、エンジン負荷に対するＥＧＲ率の変化特性を、エンジン負荷を低負荷側から高負荷側へと変化させたときに、所定負荷まではＥＧＲ率を実質的に一定にし、所定負荷以降は、ＥＧＲ率をエンジン負荷の増大に伴い、線形的に低下させるような特性とする。尚、図示は省略するが、所定負荷までは、ＥＧＲ率をわずかに低下させるようにしてもよい。

エンジン負荷に対するＥＧＲ率の変化特性は、従来であれば、図６（ａ）に破線で示すように、エンジン負荷の増大に従って、ＥＧＲ率が線形的に低下するように設定される。これは、エンジン負荷の増大に伴うトルク要求に応えるためである。こうしたＥＧＲ率の変化特性により、気筒１１ａ内のＯ_２濃度は、図６（ｂ）に破線で示すような特性を有する。ここで、Ｏ_２濃度の変化特性は、極軽負荷でのＯ_２濃度が、それよりも負荷が少し上がったときのＯ_２濃度よりも若干高くなる特性を有しているが、これはスロットリングを行わないディーゼルエンジン１においては、燃料噴射量が極めて少ない極軽負荷時には、排気中のＯ_２濃度が高くなることに起因する。

これに対し、このエンジン１においては、図６（ａ）に実線で示すように、低負荷乃至中負荷におけるＥＧＲ率を、従来よりも高めるようにし、このことにより、図６（ｂ）に実線で示すように、気筒内のＯ_２濃度を、所定のエンジン負荷（エンジンの負荷領域を、低、中、高の３つに分けた場合の低負荷乃至中負荷に相当する負荷領域）では、従来よりも低下させる。

こうした制御によって、図７に示すように、従来であれば一点鎖線で示す位置に位置していた等時間線を、実線の位置にまで右乃至上方に移動させることが可能になる。ここで、等時間線に対応する着火遅れτは、エンジン１の運転状態に応じて設定される燃料の噴射期間Ｐ／Ｗに応じて決定され、τ＞Ｐ／Ｗとされている。尚、プレ噴射の回数が１回のシングル噴射では、τ＝Ｐ／Ｗとしてもよいし、余裕を持ってτ＞Ｐ／Ｗとしてもよい。また、噴射期間Ｐ／Ｗは、総噴射量、噴射の回数（段数）、噴射した燃料がキャビティ内に至る上での進角限界（インジェクタ１８の噴射方向やキャビティ形状等のハード構成に関係する）等の様々な要因によって設定され得る。これにより、例えば図７において黒丸で示す状態は、従来の制御（一点鎖線の等時間線）であれば、等時間線よりも右側に位置していて予混合燃焼が不可能であったところ、等時間線が実線まで移動することによって、これを等時間線よりも左側に位置させることが可能になり、予混合燃焼を可能にする。

そうして、図６に示すように、ＥＧＲ率の特定の調整制御によって気筒１１ａ内のＯ_２濃度が最も低くなる負荷領域を含む相対的に低負荷の運転領域は、予混合燃焼モードとし、その予混合燃料モードよりも高負荷側の運転領域は、拡散燃焼モードとする。

ここで、前述したような、予混合燃焼モードの領域を拡大するために行うＥＧＲ率の調整に際しては、外部ＥＧＲ制御及び内部ＥＧＲ制御のいずれを利用してもよいが、好ましくは、外部ＥＧＲ制御である。またその内でも、高圧ＥＧＲシステム（特にクーラバイパス通路５３及びクーラバイパス弁５３ａ）と低圧ＥＧＲシステム（排気ガス還流通路５４及びＬ／Ｐ ＥＧＲ弁５４ａ）との内、低圧ＥＧＲシステムの制御を通じて、ＥＧＲガスを吸気に還流させることが特に好ましい。低圧ＥＧＲシステムは、大型及び小型タービン６１ｂ、６２ｂよりも下流側であって、さらに、フィルタ４１ｂよりも下流側で排気を分岐させるため、排気ガスの温度が相対的に低くなっている上に、低圧ＥＧＲシステムよって吸気通路３０に還流されるＥＧＲガスは、そのＥＧＲクーラ５４ｂ及びインタークーラ３５の双方によって冷却されるため、気筒内の温度上昇を抑制可能であるためである。つまり、ＥＧＲ率の調整によって、予混合燃焼モードの領域を拡大したとしても、高温のＥＧＲガスを吸気通路３０に還流させたときには、気筒内の温度が上昇することに伴い、図７に白丸で示すように、気筒内の温度、圧力状態が、移動させた等時間線の近傍に位置する場合がある。この場合は、予混合燃焼を安定して行うことが困難になる。このため、予混合燃焼モードの領域を拡大して、予混合燃焼を安定して行うためには、気筒内の温度上昇を抑制して、気筒内の状態が等時間線から離れるように、低圧ＥＧＲシステムよって吸気通路３０にＥＧＲガスを還流させることが好ましい。尚、高圧ＥＧＲシステムにおける主通路５１上のＥＧＲクーラ５２によって冷却したＥＧＲガスを、吸気通路に還流させてもよい。

尚、ディーゼルエンジン１の制御として、例えば図５及び図７に示すコンター図をマップとしてＰＣＭ１０に保存しておき、各種パラメータの検出を通じて気筒内の温度・圧力状態（例えば図７のコンター図における黒四角や黒丸）を推定し、その位置と等時間線との相対位置に応じて、ＥＧＲ率を設定するような制御を行ってもよい。また、コンター図をマップとしてＰＣＭ１０に保存するのではなく、着火遅れに係るモデルをＰＣＭ１０に保存しておき、各種パラメータの検出とモデルとに基づいて、気筒内の温度・圧力状態（黒四角や黒丸）と等時間線とをそれぞれ推定し、それらに応じてＥＧＲ率を設定するような制御を行ってもよい。

１ ディーゼルエンジン（エンジン本体）
１０ ＰＣＭ（噴射制御手段、ＥＧＲ率制御手段）
１１ａ 気筒
１８ インジェクタ（燃料噴射弁）
３５ インタークーラ（冷却ＥＧＲ手段）
５０ 排気ガス還流通路（高圧ＥＧＲシステム）
５１ 主通路（ＥＧＲ率制御手段）
５１ａ 排気ガス還流弁（ＥＧＲ率制御手段）
５２ ＥＧＲクーラ（冷却ＥＧＲ手段）
５３ クーラバイパス通路（ＥＧＲ率制御手段）
５３ａ クーラバイパス弁（ＥＧＲ率制御手段）
５４ 排気ガス還流通路（低圧ＥＧＲシステム）
５４ａ Ｌ／Ｐ ＥＧＲ弁（ＥＧＲ率制御手段）
５４ｂ ＥＧＲクーラ（冷却ＥＧＲ手段）
７１ ＶＶＭ（ＥＧＲ率制御手段）

Claims (12)

1. 幾何学的圧縮比が１５以下に設定されかつ、気筒内に供給した燃料を圧縮自着火させるエンジン本体と、
   前記気筒内に臨んで配設されかつ、当該気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁を通じた前記気筒内への前記燃料の噴射形態を制御する噴射制御手段と、
   前記気筒内に導入するＥＧＲガス量の調整に伴うＥＧＲ率の調整により、当該気筒内のＯ_２濃度を調整するＥＧＲ率制御手段と、を備え、
   前記ＥＧＲ率制御手段は、前記エンジン本体の負荷の増大に伴い、所定負荷までは前記気筒内のＯ_２濃度が次第に低下する一方、所定負荷以上では前記Ｏ_２濃度が次第に上昇するように、前記エンジン本体の負荷に応じて前記ＥＧＲ率を調整し、
   前記噴射制御手段は、前記気筒内のＯ_２濃度が最も低い所定負荷を含む低負荷の運転領域においては、燃料噴射を圧縮上死点前に終了し、その後、燃料を着火及び燃焼させる予混合燃焼モードとする一方、前記予混合燃焼モードの運転領域よりも負荷が高く、前記気筒内のＯ_２濃度が相対的に高い運転領域においては、燃料の噴射と当該燃料の着火及び燃焼とを並行して行う拡散燃焼モードと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において、
   前記ＥＧＲ率制御手段は、低温のＥＧＲガスを前記エンジン本体の吸気通路に還流させる冷却ＥＧＲ手段の制御を通じて前記ＥＧＲ率を調整することにより、前記気筒内のＯ_２濃度を変化させるディーゼルエンジンの制御装置。
3. 請求項２に記載のディーゼルエンジンの制御装置において、
   前記ＥＧＲ率制御手段は、前記エンジン本体の排気通路において、ターボ過給機のタービンよりも上流側で分岐して前記エンジン本体の吸気通路にＥＧＲガスを還流させる高圧ＥＧＲシステムと、前記タービンよりも下流側で分岐して前記エンジン本体の吸気通路にＥＧＲガスを還流させる低圧ＥＧＲシステムと、を含んでおり、
   前記ＥＧＲ率制御手段は、前記低圧ＥＧＲシステムの制御を通じて前記ＥＧＲ率を調整することにより、前記気筒内のＯ_２濃度を変化させるディーゼルエンジンの制御装置。
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制御装置において、
   前記噴射制御手段は、前記拡散燃焼モードでは、拡散燃焼を主体とした主燃焼を行うために前記燃料を噴射する主噴射と、前記主燃焼よりも前に前段燃焼を行うために、前記主噴射よりも前のタイミングで燃料を噴射する複数回の前段噴射とを実行し、
   前記噴射制御手段はさらに、前記前段燃焼による熱発生率がピークを迎えると共に、その熱発生率が低下をし始めた後に、前記主燃焼による熱発生率が上昇を開始するように、前記前段噴射の噴射態様と前記主噴射の噴射態様とをそれぞれ制御するディーゼルエンジンの制御装置。
5. 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制御装置において、
   前記噴射制御手段は、前記拡散燃焼モードでは、拡散燃焼を主体とした主燃焼を行うために前記燃料を噴射する主噴射と、前記主燃焼よりも前に前段燃焼を行うために、前記主噴射よりも前のタイミングで燃料を噴射する複数回の前段噴射とを実行し、
   前記噴射制御手段はさらに、前記前段燃焼が気筒内の温度及び圧力を高めることによって、前記主噴射の開始から前記主燃焼が開始するまでの着火遅れが０．１〜０．３ｍｓｅｃとなるように、前記前段噴射の噴射態様と前記主噴射の噴射態様とをそれぞれ制御するディーゼルエンジンの制御装置。
6. 請求項４又は５に記載のディーゼルエンジンの制御装置において、
   前記前段噴射は、各噴射ごとに噴射される燃料が前記気筒に嵌挿したピストン頂面のキャビティ内に至るようなタイミングで実行されるディーゼルエンジンの制御装置。
7. 幾何学的圧縮比が１５以下に設定されかつ、気筒内に供給した燃料を圧縮自着火させるディーゼルエンジンの制御方法であって、
   前記ディーゼルエンジンの負荷の増大に伴い、所定負荷までは前記気筒内のＯ_２濃度が次第に低下する一方、所定負荷以上では前記Ｏ_２濃度が次第に上昇するように、前記ディーゼルエンジンの負荷に応じてＥＧＲ率を調整し、
   前記気筒内のＯ_２濃度が最も低い所定負荷を含む低負荷の運転領域では、燃料噴射を圧縮上死点前に終了し、その後、燃料を着火及び燃焼させる予混合燃焼モードで、前記ディーゼルエンジンを運転し、
   前記予混合燃焼モードの運転領域よりも負荷が高く、前記気筒内のＯ_２濃度が相対的に高い運転領域においては、燃料の噴射と当該燃料の着火及び燃焼とを並行して行う拡散燃焼モードで、前記ディーゼルエンジンを運転するディーゼルエンジンの制御方法。
8. 請求項７に記載のディーゼルエンジンの制御方法において、
   前記気筒内のＯ_２濃度は、低温のＥＧＲガスを前記ディーゼルエンジンの吸気通路に還流させることによって変化させるディーゼルエンジンの制御方法。
9. 請求項８に記載のディーゼルエンジンの制御方法において、
   前記ディーゼルエンジンには、その排気通路における、ターボ過給機のタービンよりも上流側で分岐して前記ディーゼルエンジンの吸気通路にＥＧＲガスを還流させる高圧ＥＧＲシステムと、前記タービンよりも下流側で分岐して前記ディーゼルエンジンの吸気通路にＥＧＲガスを還流させる低圧ＥＧＲシステムと、が設けられ、
   前記気筒内のＯ_２濃度は、前記低圧ＥＧＲシステムの制御を通じて変化させるディーゼルエンジンの制御方法。
10. 請求項７〜９のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンの制御方法において、
    前記拡散燃焼モードでは、拡散燃焼を主体とした主燃焼と、当該主燃焼よりも前の前段燃焼とが行われるように、主噴射と、前段噴射とを行い、
    前記前段燃焼による熱発生率がピークを迎えると共に、その熱発生率が低下をし始めた後に、前記主燃焼による熱発生率が上昇を開始するように、前記前段噴射の噴射態様と前記主噴射の噴射態様とをそれぞれ決定し、
    前記決定した噴射態様に従って、圧縮行程中に複数回の前記前段噴射を実行し、そして、
    前記前段噴射の後に、前記決定した噴射態様に従って前記主噴射を実行するディーゼルエンジンの制御方法。
11. 請求項７〜９のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンの制御方法において、
    前記拡散燃焼モードでは、拡散燃焼を主体とした主燃焼と、当該主燃焼よりも前の前段燃焼とが行われるように、主噴射と、前段噴射とを行い、
    前記前段燃焼が気筒内の温度及び圧力を高めることによって、前記主噴射の開始から前記主燃焼が開始するまでの主燃焼の着火遅れが０．１〜０．３ｍｓｅｃとなるように、前記前段噴射の噴射態様と前記主噴射の噴射態様とをそれぞれ決定し、
    前記決定した噴射態様に従って、圧縮行程中に複数回の前記前段噴射を実行し、そして、
    前記前段噴射の後に、前記決定した噴射態様に従って前記主噴射を実行するディーゼルエンジンの制御方法。
12. 請求項１０又は１１に記載のディーゼルエンジンの制御方法において、
    前記前段噴射は、各噴射ごとに噴射される燃料が前記気筒に嵌挿したピストン頂面のキャビティ内に至るようなタイミングで実行するディーゼルエンジンの制御方法。

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