JP2017186934A - ディーゼルエンジンの燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高負荷時におけるＮＯｘの生成及び煤の排出を抑制することができるディーゼルエンジンの燃焼制御装置を提供する。【解決手段】燃焼制御装置３０は、エンジン負荷が負荷閾値以上であるときに、第２燃料噴射を前段噴射と後段噴射とに分割する燃料噴射分割処理部３６と、インジェクタ１０を制御するインジェクタ制御部３７とを備え、燃料噴射分割処理部３６は、後段噴射の燃料噴射量が前段噴射の燃料噴射量よりも少量となるように後段噴射の燃料噴射量を決定する共に、第２燃料噴射の燃料噴射量から後段噴射の燃料噴射量を減量することで、前段噴射の燃料噴射量を決定し、インジェクタ制御部３７は、エンジン負荷が負荷閾値以上であるときは、決定された燃料噴射量に応じて第１燃料噴射を実施すると共に、決定された燃料噴射量に応じて前段噴射及び後段噴射を実施するように、インジェクタ１０を制御する。【選択図】図３

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの燃焼制御装置に関する。

従来におけるディーゼル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、燃料を２回に分割して噴射させるディーゼルエンジンにおいて、エンジンの負荷が増加する過程にあるときは、１回目及び２回目の燃料噴射の噴射量を増加させると共に、１回目の燃料噴射の噴射時期を進角させて、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射とのインターバルを拡大させている。

特開２００９−２６４３３２号公報

しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、エンジンの負荷が高くなって、２回目の燃料噴射の噴射量が増加すると、燃焼室の燃焼温度が上昇してＮＯｘの生成量が増加してしまう。また、２回目の燃料噴射の噴射量が増加することで、燃焼室のキャビティ内に形成されるリッチ混合気領域が増加して、結果的に煤（soot）の生成量が増加してしまう。

本発明の目的は、高負荷時におけるＮＯｘの生成及び煤の排出を抑制することができるディーゼルエンジンの燃焼制御装置を提供することである。

本発明の一態様は、シリンダ内に往復昇降可能に配置されたピストンを有し、主燃料噴射を少なくとも第１燃料噴射と第２燃料噴射とに分割して実施する予混合圧縮着火燃焼式のディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、シリンダ及びピストンにより画成される燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁と、エンジンの負荷を検出する負荷検出部と、エンジンの回転数を検出する回転数検出部と、負荷検出部により検出されたエンジンの負荷と回転数検出部により検出されたエンジンの回転数とに基づいて、ピストンが圧縮上死点に達する前に実施が開始される第１燃料噴射の燃料噴射量と、第１燃料噴射の後においてピストンが圧縮上死点に達する前に実施が開始される第２燃料噴射の燃料噴射量とを決定する燃料噴射量決定部と、負荷検出部により検出されたエンジンの負荷が負荷閾値以上であるときに、第２燃料噴射を、前段噴射と当該前段噴射の後に噴射休止期間を挟んで実施される後段噴射とに分割する燃料噴射分割処理部と、燃料噴射弁を制御する燃料噴射弁制御部とを備え、燃料噴射分割処理部は、後段噴射の燃料噴射量が前段噴射の燃料噴射量よりも少量となるように後段噴射の燃料噴射量を決定する共に、燃料噴射量決定部により決定された第２燃料噴射の燃料噴射量から後段噴射の燃料噴射量を減量することで、前段噴射の燃料噴射量を決定し、燃料噴射弁制御部は、エンジンの負荷が負荷閾値よりも低いときは、燃料噴射量決定部により決定された燃料噴射量に応じて第１燃料噴射及び第２燃料噴射を実施するように、燃料噴射弁を制御し、エンジンの負荷が負荷閾値以上であるときは、燃料噴射量決定部により決定された燃料噴射量に応じて第１燃料噴射を実施すると共に、燃料噴射分割処理部により決定された燃料噴射量に応じて前段噴射及び後段噴射を実施するように、燃料噴射弁を制御することを特徴とする。

このような燃焼制御装置においては、エンジンの負荷が負荷閾値以上であるときに、第２燃料噴射を、前段噴射と当該前段噴射の後に噴射休止期間を挟んで実施される後段噴射とに分割し、後段噴射の燃料噴射量が前段噴射の燃料噴射量よりも少量となるように後段噴射の燃料噴射量を決定する共に、エンジンの負荷とエンジンの回転数とに基づいて決定された第２燃料噴射の燃料噴射量から後段噴射の燃料噴射量を減量することで、前段噴射の燃料噴射量を決定することにより、第１燃料噴射の次に実施される燃料噴射の燃料噴射量が減少する。従って、燃焼室の燃焼温度の上昇が抑えられるため、ＮＯｘの生成が抑制される。また、第１燃料噴射の次に実施される燃料噴射の燃料噴射量が減少するため、燃焼室に形成されるリッチ混合気領域が減少する。従って、煤の生成が抑制されるため、煤の排出が抑制される。さらに、エンジンの負荷が負荷閾値以上であるときは、前段噴射の後に噴射休止期間を挟んで後段噴射を実施することにより、燃焼後半における燃焼室の温度が高くなる。これにより、煤の酸化が促進されるため、煤の排出が更に抑制される。

負荷閾値は、第１負荷閾値と、第１負荷閾値よりも大きい第２負荷閾値とを有し、燃料噴射弁制御部は、エンジンの負荷が第１負荷閾値以上であり且つ第２負荷閾値よりも低いときは、後段噴射を１回実施するように燃料噴射弁を制御し、エンジンの負荷が第２負荷閾値以上であるときは、後段噴射を第１後段噴射と当該第１後段噴射の後に噴射休止期間を挟んで実施される第２後段噴射とに分割して実施するように燃料噴射弁を制御してもよい。このようにエンジンの負荷が第１負荷閾値以上であり且つ第２負荷閾値よりも低いときは、後段噴射の実施回数が１回のみであるため、燃焼波形の重心が圧縮上死点に近づくようになる。これにより、燃費の向上を図ることができる。

燃料噴射弁制御部は、エンジンの負荷が負荷閾値以上であるときに、後段噴射を第１後段噴射と当該第１後段噴射の後に噴射休止期間を挟んで実施される第２後段噴射とに分割して実施するように燃料噴射弁を制御してもよい。この場合には、エンジンの負荷が負荷閾値以上であるときは、エンジンの負荷とエンジンの回転数とに基づいて決定された第２燃料噴射の燃料噴射量から、第１後段噴射の燃料噴射量及び第２後段噴射の燃料噴射量の合計分が減量されるため、第１燃料噴射の次に実施される燃料噴射の燃料噴射量が十分に減少する。これにより、ＮＯｘ及び煤の生成が一層抑制される。

燃料噴射弁制御部は、燃焼室のスワール流によって第１後段噴射による燃料噴霧が規定角度分だけ流された後に第２後段噴射を実施するように、燃料噴射弁を制御してもよい。この場合には、第１後段噴射による燃料噴霧と第２後段噴射による燃料噴霧との干渉が発生しにくいため、燃焼室の空気利用率が向上する。これにより、煤の酸化が更に促進されるため、煤の排出が一層抑制される。

燃料噴射弁制御部は、ピストンが圧縮上死点に達する前に第１燃料噴射及び前段噴射を順次実施し、ピストンが圧縮上死点に達した後において前段噴射による燃料噴霧との空間距離が確保される時期に後段噴射を実施するように、燃料噴射弁を制御してもよい。この場合には、前段噴射による高温の燃料噴霧と後段噴射による燃料噴霧との間に存在するリーン混合気の燃焼温度の上昇が抑えられる。これにより、ＮＯｘの生成が一層抑制される。

本発明によれば、高負荷時におけるＮＯｘの生成及び煤の排出を抑制することができるディーゼルエンジンの燃焼制御装置が提供される。

本発明の一実施形態に係る燃焼制御装置が適用されるディーゼルエンジンを示す概略構成図である。 図１に示されたエンジン本体の一部を示す拡大断面図である。 図１に示されたＥＣＵの機能ブロック図である。 図３に示されたＥＣＵにより実行される制御処理手順を示すフローチャートである。 図４に示された制御処理手順において使用される負荷閾値マップを示すグラフである。 １番目〜４番目の燃料噴射が実施されたときに燃料噴霧が溜まる領域を示す断面図である。 １番目〜４番目の燃料噴射が実施されたときに燃料噴霧が溜まる領域を示す平面図である。 ４発の燃料噴射を行う場合及び２発の燃料噴射を行う場合における熱発生率波形の一例を燃料噴射パターンと共に比較して示すグラフである。 ４発の燃料噴射を行う場合及び２発の燃料噴射を行う場合における筒内温度の一例を比較して示すグラフである。 低負荷時及び高負荷時における燃焼室の当量比分布及び温度分布を示すイメージ図である。 本発明の他の実施形態に係る燃焼制御装置において、ＥＣＵにより実行される制御処理手順を示すフローチャートである。 図１１に示された制御処理手順において使用される負荷閾値マップを示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃焼制御装置が適用されるディーゼルエンジンを示す概略構成図である。同図において、ディーゼルエンジン１は、予混合圧縮着火燃焼式の４気筒直列型ディーゼルエンジンである。ディーゼルエンジン１は、４つのシリンダ２を有するエンジン本体３を備えている。

エンジン本体３は、図２に示されるように、４つのシリンダ２を構成するシリンダブロック４及びシリンダヘッド５を有している。シリンダヘッド５は、シリンダブロック４の上面に固定されている。シリンダブロック４内には、４つのピストン６（１つのみ図示）が往復昇降可能に配置されている。シリンダブロック４とシリンダヘッド５とピストン６とで囲まれる空間は、燃焼室７を画成している。ピストン６の上部（頂部）には、燃焼室７の一部を構成する凹状のキャビティ部８が設けられている。キャビティ部８は、環状溝構造のボール部８ａを有している。ボール部８ａは、断面略半円形状を呈している。

ピストン６の頂部には、ピストン６の径方向内側に突出するリップ部９が設けられている。リップ部９は、ピストン６の頂面６ａとボール部８ａとの間の部分である。つまり、リップ部９の上端位置は、ピストン６の頂面６ａとの境界の位置である。リップ部９の下端位置は、ボール部８ａとの境界の位置である。

図１に戻り、ディーゼルエンジン１は、各燃焼室７に燃料を噴射する４つのインジェクタ１０（燃料噴射弁）と、各インジェクタ１０と接続され、高圧燃料を貯留すると共に各インジェクタ１０に高圧燃料を供給するコモンレール１１とを備えている。インジェクタ１０は、図２に示されるように、シリンダヘッド５に取り付けられている。インジェクタ１０は、４つの噴孔（図示せず）を有し、各噴孔から所定の噴射角（コーン角）で燃料を噴射する。

また、ディーゼルエンジン１は、エンジン本体３にインテークマニホールド１２を介して接続され、燃焼室７に空気を吸入するための吸気通路１３と、エンジン本体３にエキゾーストマニホールド１４を介して接続され、燃焼室７で発生した排気ガスを排出するための排気通路１５とを備えている。

吸気通路１３には、上流側から下流側に向けてエアクリーナー１６、ターボ過給機１７のコンプレッサ１８、インタークーラー１９及びスロットルバルブ２０が配設されている。排気通路１５には、上流側から下流側に向けてターボ過給機１７のタービン２１及び触媒付きＤＰＦ２２が配設されている。

また、ディーゼルエンジン１は、燃焼室７で発生した排気ガスの一部をＥＧＲ（排気再循環）ガスとして燃焼室７に還流させるＥＧＲユニット２３を備えている。ＥＧＲユニット２３は、吸気通路１３とエキゾーストマニホールド１４とを接続するように設けられたＥＧＲ通路２４と、このＥＧＲ通路２４に配設され、エキゾーストマニホールド１４から吸気通路１３へのＥＧＲガスの還流量を調整するＥＧＲバルブ２５と、ＥＧＲ通路２４におけるＥＧＲバルブ２５よりも上流側に配設され、ＥＧＲ通路２４を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２６と、このＥＧＲクーラ２６をバイパスするようにＥＧＲ通路２４に接続されたバイパス通路２７と、ＥＧＲ通路２４におけるバイパス通路２７との接続部に配設され、ＥＧＲガスの流路をＥＧＲクーラ２６及びバイパス通路２７の何れかに切り替える切替弁２８とを有している。

本実施形態の燃焼制御装置３０は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程という１サイクル毎に、燃焼室７に空気を吸入すると共にインジェクタ１０から燃焼室７に燃料を複数回に分けて噴射（分割噴射）することにより、予混合圧縮着火燃焼及び拡散燃焼を行う装置である。

燃焼制御装置３０は、上記のインジェクタ１０と、アクセル開度センサ３１と、エンジン回転数センサ３２と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３３とを備えている。アクセル開度センサ３１は、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷（エンジン負荷）として検出する負荷検出部である。エンジン回転数センサ３２は、ディーゼルエンジン１のエンジン本体３の回転数（エンジン回転数）を検出する回転数検出部である。

ＥＣＵ３３は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及び入出力インターフェース等により構成されている。ＥＣＵ３３は、図３に示されるように、燃料噴射量決定部３４と、負荷閾値設定部３５と、燃料噴射分割処理部３６と、インジェクタ制御部３７（燃料噴射弁制御部）とを有している。

燃料噴射量決定部３４は、アクセル開度センサ３１及びエンジン回転数センサ３２の検出値に基づいて、第１燃料噴射及び当該第１燃料噴射の後に噴射休止期間を挟んで実施される第２燃料噴射の燃料噴射量を決定する。第１燃料噴射及び第２燃料噴射は、主燃料噴射である。

負荷閾値設定部３５は、エンジン回転数センサ３２の検出値に基づいて、燃料噴射を実施する回数を決めるための負荷閾値を設定する。

燃料噴射分割処理部３６は、アクセル開度センサ３１により検出されたエンジン負荷が負荷閾値Ｔ１（後述）以上であるときに、第２燃料噴射を、前段噴射と当該前段噴射の後に噴射休止期間を挟んで実施される後段噴射とに分割する。このとき、燃料噴射分割処理部３６は、後段噴射の燃料噴射量が前段噴射の燃料噴射量よりも少量となるように後段噴射の燃料噴射量を決定する共に、燃料噴射量決定部３４により決定された第２燃料噴射の燃料噴射量から後段噴射の燃料噴射量を減量することで、前段噴射の燃料噴射量を決定する。

インジェクタ制御部３７は、燃料噴射量決定部３４により決定された燃料噴射量及び燃料噴射分割処理部３６により決定された燃料噴射量に応じて第１燃料噴射及び第２燃料噴射を実施するように、インジェクタ１０を制御する。

図４は、ＥＣＵ３３により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。以下、当該フローチャートを参照して、燃焼制御装置３０の動作を説明する。

図４において、ＥＣＵ３３は、まずアクセル開度センサ３１により検出されたエンジン負荷及びエンジン回転数センサ３２により検出されたエンジン回転数を取得する（手順Ｓ１０１）。

続いて、ＥＣＵ３３は、手順Ｓ１０１において取得されたエンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて、１番目の燃料噴射（第１燃料噴射）の燃料噴射量及び２番目の燃料噴射（第２燃料噴射）の燃料噴射量をそれぞれ決定する（手順Ｓ１０２）。１番目の燃料噴射及び２番目の燃料噴射は、予混合圧縮着火燃焼を行うための主燃料噴射である。なお、２番目の燃料噴射は、予混合圧縮着火燃焼及び拡散燃焼を行ってもよい。２番目の燃料噴射の燃料噴射量は、１番目の燃料噴射の燃料噴射量よりも多くなるように設定される。１番目の燃料噴射の燃料噴射量及び２番目の燃料噴射の燃料噴射量は、エンジン負荷及びエンジン回転数が高くなるほど多くなるように設定される。このとき、２番目の燃料噴射の燃料噴射量の増加率は、１番目の燃料噴射の燃料噴射量の増加率よりも高い。

続いて、ＥＣＵ３３は、手順Ｓ１０１において取得されたエンジン回転数に基づいて、負荷閾値Ｔ１（第１負荷閾値）及び負荷閾値Ｔ２（第２負荷閾値）を設定する（手順Ｓ１０３）。負荷閾値Ｔ１は、燃料噴射を実施する回数を２回にするか３回以上にするかを決めるための閾値である。負荷閾値Ｔ２は、燃料噴射を実施する回数を３回にするか４回にするかを決めるための閾値である。負荷閾値Ｔ２は、負荷閾値Ｔ１よりも大きい。負荷閾値Ｔ１，Ｔ２は、図５に示されるような負荷閾値マップを用いて設定される。負荷閾値マップは、エンジン回転数とエンジン負荷と負荷閾値Ｔ１，Ｔ２との関係を表すマップである。

続いて、ＥＣＵ３３は、手順Ｓ１０１において取得されたエンジン負荷が負荷閾値Ｔ１よりも低いかどうかを判断する（手順Ｓ１０４）。ＥＣＵ３３は、エンジン負荷が負荷閾値Ｔ１よりも低いと判断したときは、手順Ｓ１０２において決定された１番目の燃料噴射の燃料噴射量に応じて１番目の燃料噴射を実施するように、インジェクタ１０を制御する（手順Ｓ１０５）。

このとき、ＥＣＵ３３は、ピストン６が圧縮上死点（ＴＤＣ）に達する前の早期に１番目の燃料噴射を実施するように、インジェクタ１０を制御する。具体的には、１番目の燃料噴射の噴射開始時期Ｔ_１ｓは、ｔ_１≦Ｔ_１ｓ≦ｔ_２となるように設定される。ｔ_１は、ピストン６が圧縮上死点に達する前にインジェクタ１０から噴射される燃料噴霧の中心がリップ部９の上端に位置する時期である。ｔ_２は、ピストン６が圧縮上死点に達する前にインジェクタ１０から噴射される燃料噴霧の中心がリップ部９の下端に位置する時期である。

これにより、燃料と空気との予混合気は、ピストン６が圧縮上死点に達する前の早期に着火する（図８参照）。そして、１番目の燃料噴射による最初の熱発生ピークは、ピストン６が圧縮上死点に達する前に現れる（図８参照）。

１番目の燃料噴射の噴射完了時期Ｔ_１ｅは、Ｔ_１ｅ＜ｔ_３となるように設定される。ｔ_３は、燃焼室７の温度（筒内温度）が予混合気の着火温度（例えば１１００Ｋ程度）となる時期である。

このように１番目の燃料噴射の噴射時期が設定されることにより、インジェクタ１０から噴射される燃料噴霧の大部分がリップ部９の上部で受け止められる。このため、１番目の燃料噴射による燃料噴霧は、図６に示されるように、燃焼室７におけるリップ部９の上方領域及びスキッシュエリアを含む領域Ａに溜まるようになる。そして、１番目の燃料噴射による燃焼が領域Ａにおいて行われる。

続いて、ＥＣＵ３３は、手順Ｓ１０２において決定された２番目の燃料噴射の燃料噴射量に応じて２番目の燃料噴射を実施するように、インジェクタ１０を制御し（手順Ｓ１０６）、本処理の実行を終了する。

このとき、ＥＣＵ３３は、ピストン６が圧縮上死点に達する前に２番目の燃料噴射を実施するように、インジェクタ１０を制御する。具体的には、２番目の燃料噴射の噴射開始時期Ｔ_２ｓは、Ｔ_２ｓ＞ｔ_４となるように設定される。ｔ_４は、ピストン６が圧縮上死点に達する前にインジェクタ１０から噴射される燃料噴霧の中心がリップ部９の頂点よりも下側（ボール部８ａ側）に位置する時期である。

これにより、燃料と空気との予混合気は、ピストン６が圧縮上死点に達する前に着火する（図８参照）。そして、２番目の燃料噴射による２つ目の熱発生ピークは、ピストン６が圧縮上死点に達する前後に現れる（図８参照）。このとき、２つ目の熱発生ピーク値は、最初の熱発生ピーク値よりも高くなる。

２番目の燃料噴射の噴射完了時期Ｔ_２ｅは、ピストン６が圧縮上死点に達する直前の時期である。

このように２番目の燃料噴射の噴射時期が設定されることにより、インジェクタ１０から噴射される燃料噴霧の大部分がボール部８ａで受け止められる。このため、２番目の燃料噴射による燃料噴霧は、図６に示されるように、燃焼室７におけるキャビティ部８の領域Ｂに溜まるようになる。そして、２番目の燃料噴射による燃焼がキャビティ部８の領域Ｂにおいて行われる。

ＥＣＵ３３は、手順Ｓ１０４においてエンジン負荷が負荷閾値Ｔ１以上であると判断したときは、エンジン負荷が負荷閾値Ｔ１以上であり且つ負荷閾値Ｔ２よりも低いかどうかを判断する（手順Ｓ１０７）。

ＥＣＵ３３は、エンジン負荷が負荷閾値Ｔ１以上であり且つ負荷閾値Ｔ２よりも低いと判断したときは、手順Ｓ１０２において決定された２番目の燃料噴射（前段噴射）の燃料噴射量から、３番目の燃料噴射（後段噴射）の燃料噴射量分を減量することにより、２番目の燃料噴射の燃料噴射量を補正する（手順Ｓ１０８）。３番目の燃料噴射の燃料噴射量は、１番目の燃料噴射の燃料噴射量及び２番目の燃料噴射の燃料噴射量よりも少ない。なお、３番目の燃料噴射の燃料噴射量は、固定値として予め設定されていてもよいし、或いはエンジン負荷に基づいて決定してもよい。

続いて、ＥＣＵ３３は、手順Ｓ１０２において決定された１番目の燃料噴射の燃料噴射量に応じて１番目の燃料噴射を実施するように、インジェクタ１０を制御する（手順Ｓ１０９）。このとき、１番目の燃料噴射の燃料噴射時期は、上記の手順Ｓ１０５と同様である。

続いて、ＥＣＵ３３は、手順Ｓ１０８において補正された２番目の燃料噴射の燃料噴射量に応じて２番目の燃料噴射を実施するように、インジェクタ１０を制御する（手順Ｓ１１０）。このとき、２番目の燃料噴射の燃料噴射時期は、上記の手順Ｓ１０６と同様である。

続いて、ＥＣＵ３３は、３番目の燃料噴射の燃料噴射量に応じて３番目の燃料噴射を実施するように、インジェクタ１０を制御し（手順Ｓ１１１）、本処理の実行を終了する。このとき、ＥＣＵ３３は、ピストン６が圧縮上死点に達した後に、３番目の燃料噴射を実施するように、インジェクタ１０を制御する。具体的には、ＥＣＵ３３は、ピストン６が圧縮上死点に達した後において２番目の燃料噴射による燃料噴霧との空間距離が確保される時期に３番目の燃料噴射を実施するように、インジェクタ１０を制御する。

このように３番目の燃料噴射の噴射時期が設定されることにより、３番目の燃料噴射による燃料噴霧は、図６に示されるように、燃焼室７の中央部におけるキャビティ部８の上方の領域Ｃに溜まるようになり、２番目の燃料噴射による燃料噴霧と干渉することは少ない。

ＥＣＵ３３は、手順Ｓ１０７においてエンジン負荷が負荷閾値Ｔ２以上であると判断したときは、手順Ｓ１０２において決定された２番目の燃料噴射（前段噴射）の燃料噴射量から、３番目の燃料噴射（後段噴射の第１後段噴射）の燃料噴射量と４番目の燃料噴射（後段噴射の第２後段噴射）の燃料噴射量との合計分を減量する（図８参照）ことにより、２番目の燃料噴射の燃料噴射量を補正する（手順Ｓ１１２）。つまり、後段噴射は、第１後段噴射と当該第１後段噴射の後に噴射休止期間を挟んで実施される第２後段噴射とに分割される。４番目の燃料噴射の燃料噴射量は、１番目の燃料噴射の燃料噴射量及び２番目の燃料噴射の燃料噴射量よりも少ない。４番目の燃料噴射の燃料噴射量は、３番目の燃料噴射の燃料噴射量と同じでもよいし、異なっていてもよい。なお、４番目の燃料噴射の燃料噴射量は、３番目の燃料噴射の燃料噴射量と同様に、固定値として予め設定されていてもよいし、或いはエンジン負荷に基づいて決定してもよい。

続いて、ＥＣＵ３３は、手順Ｓ１０２において決定された１番目の燃料噴射の燃料噴射量に応じて１番目の燃料噴射を実施するように、インジェクタ１０を制御する（手順Ｓ１１３）。このとき、１番目の燃料噴射の燃料噴射時期は、上記の手順Ｓ１０５と同様である。

続いて、ＥＣＵ３３は、手順Ｓ１１２において補正された２番目の燃料噴射の燃料噴射量に応じて２番目の燃料噴射を実施するように、インジェクタ１０を制御する（手順Ｓ１１４）。このとき、２番目の燃料噴射の燃料噴射時期は、上記の手順Ｓ１０６と同様である。

続いて、ＥＣＵ３３は、３番目の燃料噴射の燃料噴射量に応じて３番目の燃料噴射を実施するように、インジェクタ１０を制御する（手順Ｓ１１５）。このとき、３番目の燃料噴射の燃料噴射時期は、上記の手順Ｓ１１１と同様である。

続いて、ＥＣＵ３３は、４番目の燃料噴射の燃料噴射量に応じて４番目の燃料噴射を実施するように、インジェクタ１０を制御する（手順Ｓ１１６）。このとき、ＥＣＵ３３は、図７に示されるように、燃焼室７のスワール流によって３番目の燃料噴射による燃料噴霧が規定角度分だけ流された後で且つ２番目の燃料噴射による燃料噴霧との空間距離が確保される時期に４番目の燃料噴射を実施するように、インジェクタ１０を制御する。

燃焼室７のスワール流によって３番目の燃料噴射による燃料噴霧が規定角度分だけ流されたかどうかは、例えばスワール流の流速、インジェクタ１０のコーン角、燃料噴霧のペネトレーション、吸入空気量、燃料噴射量、燃料噴射圧及び筒内圧（燃焼室７の圧力）を用いて予めマップ化しておき、吸入空気量、燃料噴射量、燃料噴射圧及び筒内圧を取得して判断する。なお、規定角度は、４番目の燃料噴射による燃料噴霧が３番目の燃料噴射による燃料噴霧と干渉しないような角度である。

このように４番目の燃料噴射の噴射時期が設定されることにより、図７に示されるように、３番目の燃料噴射による燃料噴霧と４番目の燃料噴射による燃料噴霧との干渉が発生することは少ない。また、４番目の燃料噴射による燃料噴霧は、図６に示されるように、燃焼室７の中央部におけるキャビティ部８の上方の領域Ｄに溜まるようになり、２番目の燃料噴射による燃料噴霧との干渉が発生することは少ない。このとき、４番目の燃料噴射による燃料噴霧は、燃焼室７の中央部において３番目の燃料噴射による燃料噴霧よりも僅かに高い位置に溜まる。

以上において、燃料噴射量決定部３４は、上記の手順Ｓ１０１，Ｓ１０２を実行する。負荷閾値設定部３５は、上記の手順Ｓ１０１，Ｓ１０３を実行する。燃料噴射分割処理部３６は、上記の手順Ｓ１０４，Ｓ１０７，Ｓ１０８，Ｓ１１２を実行する。インジェクタ制御部３７は、上記の手順Ｓ１０４〜Ｓ１０７，Ｓ１０９〜Ｓ１１１，Ｓ１１３〜Ｓ１１６を実行する。

図８は、４発の燃料噴射を行う場合及び２発の燃料噴射を行う場合における熱発生率波形の一例を燃料噴射パターンと共に比較して示すグラフである。図８において、実線Ｐが４発の燃料噴射を行う場合を示し、破線Ｑが２発の燃料噴射を行う場合を示している。なお、各場合においてエンジン負荷は同じである。

４発の燃料噴射を行う場合には、エンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて決定された２番目の燃料噴射の燃料噴射量から、３番目の燃料噴射の燃料噴射量と４番目の燃料噴射の燃料噴射量との合計分だけ減量される。このため、２発の燃料噴射を行う場合に比べて、２番目の燃料噴射による２つ目の熱発生ピークが早く立ち下がる。しかし、４発の燃料噴射を行う場合には、３番目の燃料噴射及び４番目の燃料噴射が実施されるため、ピストン６が圧縮上死点に達した後に、３番目の燃料噴射及び４番目の燃料噴射による小さな熱発生ピークが現れる。

図９は、４発の燃料噴射を行う場合及び２発の燃料噴射を行う場合における筒内温度（燃焼室７の温度）の一例を比較して示すグラフである。図９において、実線Ｐが４発の燃料噴射を行う場合を示し、破線Ｑが２発の燃料噴射を行う場合を示している。

４発の燃料噴射を行う場合には、２番目の燃料噴射の燃料噴射量が減量されるため、２発の燃料噴射を行う場合に比べて、筒内温度の最大値が低い。しかし、４発の燃料噴射を行う場合には、３番目の燃料噴射及び４番目の燃料噴射が実施されるため、２発の燃料噴射を行う場合に比べて、燃焼後半における筒内温度が高くなる。

図１０（ａ）は、低負荷時における燃焼室７の当量比分布及び温度分布の一例を示し、図１０（ｂ）は、高負荷時における燃焼室７の当量比分布及び温度分布の一例を示している。

エンジン負荷が高くなると、２番目の燃料噴射の燃料噴射量が増加するため、燃焼室７の燃焼温度が上昇する。従って、燃焼室７においてリーン混合気が存在する領域Ｘの温度が上昇するため、ＮＯｘの生成量が増加する。また、エンジン負荷が高くなると、２番目の燃料噴射の燃料噴射量が増加するため、２番目の燃料噴射によりボール部８ａの底部に存在するリッチ混合気が増加し、結果的に煤（soot）及びＣＯの生成量が増加する。

これに対し本実施形態においては、エンジン負荷が負荷閾値Ｔ１以上であるときに、３番目の燃料噴射の燃料噴射量及び４番目の燃料噴射の燃料噴射量が２番目の燃料噴射の燃料噴射量よりも少量となるように、３番目の燃料噴射の燃料噴射量及び４番目の燃料噴射の燃料噴射量が決定されると共に、エンジン負荷とエンジン回転数とに基づいて決定された２番目の燃料噴射の燃料噴射量から、３番目の燃料噴射の燃料噴射量分、または３番目の燃料噴射の燃料噴射量と４番目の燃料噴射の燃料噴射量との合計分を減量することで、２番目の燃料噴射の燃料噴射量が決定される。このため、１番目の燃料噴射の次に実施される２番目の燃料噴射の燃料噴射量が減少する。従って、燃焼室７の燃焼温度の上昇が抑えられるため、燃焼室７においてリーン混合気が存在する領域の温度上昇が抑えられる。これにより、ＮＯｘの生成が抑制される。また、１番目の燃料噴射の次に実施される２番目の燃料噴射の燃料噴射量が減少するため、燃焼室７に形成されるリッチ混合気領域が減少する。従って、煤及びＣＯの生成が抑制されるため、煤及びＣＯの排出が抑制される。さらに、エンジン負荷が負荷閾値Ｔ１以上であるときは、２番目の燃料噴射の後に噴射休止期間を挟んで、３番目の燃料噴射のみ、または３番目の燃料噴射及び４番目の燃料噴射を実施することにより、燃焼後半における燃焼室７の温度が高くなる。これにより、煤及びＣＯの酸化が促進されるため、煤及びＣＯの排出が更に抑制される。このように高負荷時におけるＮＯｘの生成、煤及びＣＯの排出を抑制することができる。

また、本実施形態では、エンジン負荷が負荷閾値Ｔ１以上であり且つ負荷閾値Ｔ２よりも低いときは、２番目の燃料噴射が実施された後に、３番目の燃料噴射のみが実施されるので、燃焼波形の重心が圧縮上死点（ＴＤＣ）に近づくようになる。これにより、燃費の向上を図ることができる。

また、本実施形態では、燃焼室７のスワール流によって３番目の燃料噴射による燃料噴霧が規定角度分だけ流された後に４番目の燃料噴射が実施されるので、３番目の燃料噴射による燃料噴霧と４番目の燃料噴射による燃料噴霧との干渉が発生しにくい。このため、燃焼室７の空気利用率が向上する。しかも、３番目の燃料噴射の燃料噴射量及び４番目の燃料噴射の燃料噴射量は少量であるため、燃料が空気と混合されやすい。これにより、煤及びＣＯの酸化が更に促進されるため、煤及びＣＯの排出が一層抑制される。

また、本実施形態では、ピストン６が圧縮上死点に達する前に１番目の燃料噴射及び２番目の燃料噴射が順次実施され、ピストン６が圧縮上死点に達した後において２番目の燃料噴射による燃料噴霧との空間距離が確保される時期に３番目の燃料噴射及び４番目の燃料噴射が実施される。このため、２番目の燃料噴射による高温の燃料噴霧と３番目の燃料噴射及び４番目の燃料噴射による燃料噴霧との間に存在するリーン混合気の燃焼温度の上昇が抑えられる。これにより、ＮＯｘの生成が一層抑制される。

図１１は、本発明の他の実施形態に係る燃焼制御装置３０において、ＥＣＵ３３により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。

図１１において、ＥＣＵ３３は、図４に示されるフローチャートと同様に手順Ｓ１０１，Ｓ１０２を実行した後、エンジン回転数に基づいて負荷閾値Ｔを設定する（手順Ｓ１０３Ａ）。負荷閾値Ｔは、燃料噴射を実施する回数を２回にするか４回にするかを決めるための閾値である。負荷閾値Ｔは、図１２に示されるような負荷閾値マップを用いて設定される。負荷閾値マップは、エンジン回転数とエンジン負荷と負荷閾値Ｔとの関係を表すマップである。

続いて、ＥＣＵ３３は、エンジン負荷が負荷閾値Ｔよりも低いかどうかを判断する（手順Ｓ１０４Ａ）。ＥＣＵ３３は、エンジン負荷が負荷閾値Ｔよりも低いと判断したときは、図４に示されるフローチャートと同様に手順Ｓ１０５，Ｓ１０６を実行する。ＥＣＵ３３は、エンジン負荷が負荷閾値Ｔ以上であると判断したときは、図４に示されるフローチャートと同様に手順Ｓ１１２〜Ｓ１１６を実行する。

以上において、負荷閾値設定部３５は、上記の手順Ｓ１０１，Ｓ１０３Ａを実行する。燃料噴射分割処理部３６は、上記の手順Ｓ１０４Ａ，Ｓ１１２を実行する。インジェクタ制御部３７は、上記の手順Ｓ１０４Ａ〜Ｓ１０６，Ｓ１１３〜Ｓ１１６を実行する。

このように本実施形態においては、エンジン負荷が負荷閾値Ｔ以上であるときに、３番目の燃料噴射の燃料噴射量及び４番目の燃料噴射の燃料噴射量が２番目の燃料噴射の燃料噴射量よりも少量となるように、３番目の燃料噴射の燃料噴射量及び４番目の燃料噴射の燃料噴射量が決定されると共に、エンジン負荷とエンジン回転数とに基づいて決定された２番目の燃料噴射の燃料噴射量から、３番目の燃料噴射の燃料噴射量と４番目の燃料噴射の燃料噴射量との合計分を減量することで、２番目の燃料噴射の燃料噴射量が決定される。このため、１番目の燃料噴射の次に実施される２番目の燃料噴射の燃料噴射量が減少する。従って、燃焼室７の燃焼温度の上昇が抑えられるため、燃焼室７においてリーン混合気が存在する領域の温度の上昇が抑えられる。これにより、ＮＯｘの生成が抑制される。また、１番目の燃料噴射の次に実施される２番目の燃料噴射の燃料噴射量が減少するため、燃焼室７に形成されるリッチ混合気領域が減少する。従って、煤及びＣＯの生成が抑制されるため、煤及びＣＯの排出が抑制される。さらに、エンジン負荷が負荷閾値Ｔ以上であるときは、２番目の燃料噴射の後に噴射休止期間を挟んで３番目の燃料噴射及び４番目の燃料噴射を実施することにより、燃焼後半における燃焼室７の温度が高くなる。これにより、煤及びＣＯの酸化が促進されるため、煤及びＣＯの排出が更に抑制される。

また、本実施形態では、エンジン負荷が負荷閾値Ｔ以上であるときは、２番目の燃料噴射の燃料噴射量から、３番目の燃料噴射の燃料噴射量と４番目の燃料噴射の燃料噴射量との合計分が減量されるため、１番目の燃料噴射の次に実施される２番目の燃料噴射の燃料噴射量が十分に減少する。これにより、ＮＯｘ、煤及びＣＯの生成が一層抑制される。

なお、本発明は、上記実施形態には限定されない。例えば、上記実施形態では、ピストン６が圧縮上死点（ＴＤＣ）に達する前に２番目の燃料噴射の実施が終了しているが、特にその形態には限られず、ピストン６が圧縮上死点に達する前に２番目の燃料噴射の実施が開始されていれば、ピストン６が圧縮上死点に達した後に２番目の燃料噴射の実施が終了してもよい。この場合、例えばインジェクタ１０から噴射された燃料の５０％以上が空気と予混合すればよい。

また、上記実施形態では、２番目の燃料噴射（前段噴射）の後に実施される後段噴射が１回または２回実施されているが、特にその形態には限られず、エンジン負荷が十分に高いときには、後段噴射を３回以上実施してもよい。

１…ディーゼルエンジン、２…シリンダ、６…ピストン、７…燃焼室、１０…インジェクタ（燃料噴射弁）、３０…燃焼制御装置、３１…アクセル開度センサ（負荷検出部）、３２…エンジン回転数センサ（回転数検出部）、３４…燃料噴射量決定部、３６…燃料噴射分割処理部、３７…インジェクタ制御部（燃料噴射弁制御部）。

Claims (5)

1. シリンダ内に往復昇降可能に配置されたピストンを有し、主燃料噴射を少なくとも第１燃料噴射と第２燃料噴射とに分割して実施する予混合圧縮着火燃焼式のディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、
   前記シリンダ及び前記ピストンにより画成される燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記エンジンの負荷を検出する負荷検出部と、
   前記エンジンの回転数を検出する回転数検出部と、
   前記負荷検出部により検出された前記エンジンの負荷と前記回転数検出部により検出された前記エンジンの回転数とに基づいて、前記ピストンが圧縮上死点に達する前に実施が開始される前記第１燃料噴射の燃料噴射量と、前記第１燃料噴射の後において前記ピストンが前記圧縮上死点に達する前に実施が開始される前記第２燃料噴射の燃料噴射量とを決定する燃料噴射量決定部と、
   前記負荷検出部により検出された前記エンジンの負荷が負荷閾値以上であるときに、前記第２燃料噴射を、前段噴射と当該前段噴射の後に噴射休止期間を挟んで実施される後段噴射とに分割する燃料噴射分割処理部と、
   前記燃料噴射弁を制御する燃料噴射弁制御部とを備え、
   前記燃料噴射分割処理部は、前記後段噴射の燃料噴射量が前記前段噴射の燃料噴射量よりも少量となるように前記後段噴射の燃料噴射量を決定する共に、前記燃料噴射量決定部により決定された前記第２燃料噴射の燃料噴射量から前記後段噴射の燃料噴射量を減量することで、前記前段噴射の燃料噴射量を決定し、
   前記燃料噴射弁制御部は、前記エンジンの負荷が前記負荷閾値よりも低いときは、前記燃料噴射量決定部により決定された燃料噴射量に応じて前記第１燃料噴射及び前記第２燃料噴射を実施するように、前記燃料噴射弁を制御し、前記エンジンの負荷が前記負荷閾値以上であるときは、前記燃料噴射量決定部により決定された燃料噴射量に応じて前記第１燃料噴射を実施すると共に、前記燃料噴射分割処理部により決定された燃料噴射量に応じて前記前段噴射及び前記後段噴射を実施するように、前記燃料噴射弁を制御することを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
2. 前記負荷閾値は、第１負荷閾値と、前記第１負荷閾値よりも大きい第２負荷閾値とを有し、
   前記燃料噴射弁制御部は、前記エンジンの負荷が前記第１負荷閾値以上であり且つ前記第２負荷閾値よりも低いときは、前記後段噴射を１回実施するように前記燃料噴射弁を制御し、前記エンジンの負荷が前記第２負荷閾値以上であるときは、前記後段噴射を第１後段噴射と当該第１後段噴射の後に噴射休止期間を挟んで実施される第２後段噴射とに分割して実施するように前記燃料噴射弁を制御することを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
3. 前記燃料噴射弁制御部は、前記エンジンの負荷が前記負荷閾値以上であるときに、前記後段噴射を第１後段噴射と当該第１後段噴射の後に噴射休止期間を挟んで実施される第２後段噴射とに分割して実施するように前記燃料噴射弁を制御することを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
4. 前記燃料噴射弁制御部は、前記燃焼室のスワール流によって前記第１後段噴射による燃料噴霧が規定角度分だけ流された後に前記第２後段噴射を実施するように、前記燃料噴射弁を制御することを特徴とする請求項２または３記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
5. 前記燃料噴射弁制御部は、前記ピストンが圧縮上死点に達する前に前記第１燃料噴射及び前記前段噴射を順次実施し、前記ピストンが前記圧縮上死点に達した後において前記前段噴射による燃料噴霧との空間距離が確保される時期に前記後段噴射を実施するように、前記燃料噴射弁を制御することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置。

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