JP4122803B2

JP4122803B2 - ディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置

Info

Publication number: JP4122803B2
Application number: JP2002066544A
Authority: JP
Inventors: 忍石山; 久大木; 孝太郎林; 尚史曲田; 正明小林; 大介柴田; 孝宏大羽; 秋彦根上
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-03-12
Filing date: 2002-03-12
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2022-03-12
Also published as: EP1344922A3; JP2003269229A; EP1344922A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低圧縮比のディーゼルエンジンに採用して好適な燃料噴射制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンは、燃焼室内に導入された空気を高圧に圧縮することによって燃焼室内の温度を上げ、そこへ燃料を噴射供給して自己着火させることで機関燃焼を生じさせるため、安定した運転状態を確保するためには燃焼室内の空気を十分に圧縮する必要がある。このため、ディーゼルエンジンの圧縮比は、ガソリンエンジン等に比べて高い値に設定される。またディーゼルエンジンの本体は、高圧縮比での機関運転に耐えられるだけの高い剛性を備える必要がある。
【０００３】
近年、ディーゼルエンジンの圧縮比を低くし、その機関出力を高める試みがなされている。エンジン本体に要求される剛性の高さは、運転中のエンジンにかかる力学的な負担によって決定づけられ、またそのような力学的な負担は、エンジンの圧縮比の高さと、機関燃焼に伴う爆発力の大きさ（燃焼圧の高さ）との総和に関係する。また、燃焼圧の高さは、燃焼室内に噴射供給される燃料量によって決定づけられる。このため、同等の剛性を有するエンジンであっても、その圧縮比が低いものほど、１回の機関燃焼に供し得る噴射燃料の量が多く、高い機関出力を発生することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述の通り、燃焼室内に噴射供給された燃料に自己着火を促して機関燃焼を生じさせるディーゼルエンジンの特性上、圧縮比を低くするほどその着火性は低下することになる。
【０００５】
ここで、基本的には、燃焼室内の圧力が最大となるタイミングで燃料を噴射供給するように制御を行うことで、噴射燃料の着火性を高めることはできる。
【０００６】
ところが、機関排気特性の最適化を図るといった観点から求められる燃料の噴射供給タイミングは、必ずしも噴射燃料の着火性を最適化するタイミングと合致するわけではない。
【０００７】
またとくに、ディーゼルエンジンでは、排気中ＮＯｘ量を低減する目的、或いは排気浄化用触媒の活性状態を維持すべく排気の温度を上昇させる目的で、機関燃焼状態の安定を損なわない限り燃焼室に導入される空気量を低減し、また排気の一部を吸気系に還流させるといった処理を適宜行うのが通常である。しかし、排気特性の向上を優先するこれらの処理が行われることで、噴射燃料の着火性を最適化するのが困難になることも否めない。
【０００８】
すなわち、ディーゼルエンジンの圧縮比を低くすることでその機関出力を増大させる場合、燃焼状態の安定性確保と、排気特性の最適化とを両立して図ることが困難となっていた。
【０００９】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、低圧縮比のディーゼルエンジンについて、燃焼状態の安定性確保と、排気特性の最適化とを両立して図ることのできる燃料噴射制御装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、低圧縮比ディーゼルエンジンの燃焼室に燃料を噴射供給する燃料噴射弁を備え、当該エンジンの一燃焼サイクル中における燃料の噴射パターンとして、前記燃焼室への主たる燃料噴射と、この主たる燃料噴射に先立つ複数回の副噴射とを実行する機能を有するディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置であって、前記主たる燃料噴射に先立つ副噴射の実行回数を、当該エンジンの運転条件に応じて変更することを要旨とする。
【００１１】
なお、エンジンの運転中、当該エンジンのピストンが気筒内を往復運動することにより、燃焼室内の容積が最小となる容積を隙間容積Ｖｃ、ピストンの一行程（往動若しくは復動）によって燃焼室から排除されるガスの容積を行程容積Ｖｓとすると、当該エンジンの圧縮比εは、例えば次式（ｉ）によって表すことができる。
ε＝（Ｖｃ＋Ｖｓ）／Ｖｃ …（ｉ）
ディーゼルエンジンの圧縮比を低下させると、一燃焼サイクル中において供給することのできる燃料噴射量が増大するため、当該エンジンの発生し得る出力も増大するようになるが、その反面、機関燃焼状態が比較的不安定になりやすく、排気特性を最適な状態に保持するのが難しくなる。同構成によれば、前記副噴射の実行回数の調整を通じ、機関燃焼状態（とくに燃焼圧の推移態様等）を当該エンジンの運転状態（運転領域）に応じて緻密に制御することできる。すなわち、ディーゼルエンジンの圧縮比の低下に起因する機関燃焼の不安定や排気特性の悪化を解消することができるため、圧縮比を低下させることでディーゼルエンジンの高出力化を図りつつ、機関燃焼状態の安定性や排気特性の最適化を広い運転領域で確保することができる。
【００１２】
また、当該エンジンの負荷が高くなるほど、また、当該エンジンの回転数が高くなるほど前記副噴射の実行回数を減少させるのが好ましい。
【００１３】
同構成によれば、例えば前記燃料噴射弁の１回の開閉弁動作によって噴射することができる総燃料噴射量の上下限、当該燃料噴射弁の動作速度の限度、或いは機関温度等に照らし、燃焼騒音の抑制、排気特性の最適化、及び機関燃焼状態の安定化（失火の防止を含む）等々といった観点から最適な燃料の噴射パターンが選択されるようになる。例えば、当該エンジンの運転条件が低負荷・低回転数の領域に属する場合には、副噴射や主噴射の実行タイミングや各噴射の実行間隔の設定範囲の自由度が比較的高いため、主噴射に先立つ副噴射を複数回実行することにより、燃焼騒音の抑制や排気特性の最適化を優先して図るようにする。また、当該エンジンの運転条件が高負荷・高回転に移行するにつれ、副噴射や主噴射の実行タイミングや各噴射の実行間隔の設定範囲の自由度が低くなり、また、機関温度が高くなり燃焼騒音も低くなる傾向があるため、副噴射の実行回数を減じることにより、当該エンジンの燃焼状態の安定化を優先的に図るようにする。
【００１４】
また、当該エンジンの負荷が所定値を上回った場合に限り、前記副噴射を実行するのが好ましい。
【００１５】
一燃焼サイクル中において、燃焼室内に燃料噴射を行うことのできる期間は当該エンジンのピストンが圧縮上死点近傍にある所定期間内に限られ、また、燃料噴射弁の動作速度にはその機械的な特性としての限界がある。同構成によれば、当該エンジンの負荷が所定値を上回っている場合、言い換えれば、噴射燃料の総量を副噴射による燃料量と主噴射による燃料量とに振り分けても十分に精度の高い燃料噴射を実行することのできる場合にのみ副噴射を実行し、噴射燃料の総量を副噴射による燃料量と主噴射による燃料量とに振り分けると噴射燃料の定量性を確保することが困難な場合（機関燃焼の状態が不安定になりやすい場合）には、主噴射のみによる機関燃焼を行うことで、機関燃焼状態の安定を確実に担保することができる。よって、当該エンジンの運転状態に関わらず、前記燃焼室内における燃料の着火性や燃焼状態の安定性が保証される。
【００１６】
また、当該エンジンは、前記燃焼室内に吸入される空気の圧力を増大させる過給手段と、前記過給手段によって増大される空気の圧力を制御する制御手段と、を備えるのが好ましい。
【００１７】
同構成によれば、前記燃焼室内に吸入される空気の圧力を制御することにより、当該エンジンの燃焼室内における圧力を可変調整することができる。このため、騒音防止や排気特性の向上に有利な燃料噴射パターンとして、複数回の副噴射を実行する燃料噴射パターンを選択可能な運転領域を拡大することができるようになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、ディーゼルエンジンシステムの燃料噴射制御装置、及び同装置を通じて行われる燃料の噴射供給方法に適用した一実施の形態について説明する。
【００１９】
〔エンジンシステムの構造及び機能〕
図１において、内燃機関（以下、エンジンという）１は、燃料供給系１０、燃焼室２０、吸気系３０及び排気系４０等を主要部として構成され、吸気、圧縮、膨張（燃焼）及び排気行程を一燃焼サイクルとして機関運転を行う低圧縮比（ε≒１６程度）・直列４気筒のディーゼルエンジンシステムである。
【００２０】
先ず、燃料供給系１０は、サプライポンプ１１、コモンレール１２、燃料噴射弁１３、遮断弁１４、調量弁１６、燃料添加弁１７、機関燃料通路Ｐ１及び添加燃料通路Ｐ２等を備えて構成される。
【００２１】
サプライポンプ１１は、燃料タンク（図示略）から汲み上げた燃料を高圧にし、機関燃料通路Ｐ１を介してコモンレール１２に供給する。コモンレール１２は、サプライポンプ１１から供給された高圧燃料を所定圧力に保持（蓄圧）する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各燃料噴射弁１３に分配する。燃料噴射弁１３は、その内部に電磁ソレノイド（図示略）を備えた電磁弁であり、適宜開弁して燃焼室２０内に燃料を噴射供給する。
【００２２】
他方、サプライポンプ１１は、燃料タンクから汲み上げた燃料の一部を添加燃料通路Ｐ２を介して燃料添加弁１７に供給する。添加燃料通路Ｐ２には、サプライポンプ１１から燃料添加弁１７に向かって遮断弁１４及び調量弁１６が順次配設されている。遮断弁１４は、緊急時において添加燃料通路Ｐ２を遮断し、燃料供給を停止する。調量弁１６は、燃料添加弁１７に供給する燃料の圧力（燃圧）ＰＧを制御する。燃料添加弁１７は、その内部に電磁ソレノイド（図示略）を備えた電磁弁であり、還元剤として機能する燃料を、適宜の量、適宜のタイミングで排気系４０のＮＯｘ触媒ケーシング４２上流に添加供給する。
【００２３】
吸気系３０は、各燃焼室２０内に供給される吸入空気の通路（吸気通路）を形成する。一方、排気系４０は、各燃焼室２０から排出される排気ガスの通路（排気通路）を形成する。
【００２４】
また、このエンジン１には、遠心過給機（ターボチャージャ）５０が設けられている。ターボチャージャ５０は、シャフト５１を介して連結された２つの回転体５２，５３を備える。一方の回転体（タービンホイール）５２は排気系４０内の排気に晒され、他方の回転体（コンプレッサホイール）５３は、吸気系３０内の吸気に晒される。このような構成を有するターボチャージャ５０は、タービンホイール５２が受ける排気流（排気圧）を利用してコンプレッサホイール５３を回転させ、吸気圧を高めるといったいわゆる過給を行う。タービンホイール５２を収容するタービンハウジング５２Ａには、排気系４０上流から導入された排気をタービンホイール５２に案内するノズル通路（図示略）が形成されている。
【００２５】
ターボチャージャ５０には、このノズル通路の断面積を可変にする機構（以下、ＶＮＴ機構という）が設けられている。ＶＮＴ機構は、タービンハウジング５２Ａ内において、ノズル通路内に設けられた羽体（ノズルベーン）と、ＥＣＵ９０の指令信号に基づきこのノズルベーンを動作させるＶＮＴアクチュエータ５２ａとを備えて構成される。ＥＣＵ９０は、ノズル通路内において排気の流れに対峙するノズルベーンの角度や面積を調整することにより、ノズル通路の実質的な断面積を可変制御し、ターボチャージャ５０の機能（過給効率）を最適化する。例えば、エンジン１の回転数が比較的低い場合には、ノズル通路の断面積を縮小し、タービンホイール５２に吹き付けられる排気の流速や圧力を高めることにより、タービンホイール５２の回転速度やトルクを高める。一方、エンジン１の回転数が比較的高い場合には、タービンホイール５２に吹き付けられる排気の流速や圧力が過剰に大きくならないように、ノズル通路の断面積を拡大する。なお、ターボチャージャ５０は本発明における過給手段を構成し、ＶＮＴアクチュエータ５２ａやＥＣＵ９０等は、過給手段によって増大される空気の圧力を制御する制御手段を構成する。
【００２６】
吸気系３０において、コンプレッサホイール５３の下流に設けられたインタークーラ３１は、過給によって昇温した吸入空気を強制冷却する。インタークーラ３１よりもさらに下流に設けられたスロットル弁３２は、その開度を無段階に調節することのできる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を変更し、同吸入空気の供給量（流量）を調整する機能を有する。
【００２７】
また、エンジン１には、吸気系３０と排気系４０とを連通する排気還流通路（ＥＧＲ通路）６０が形成されている。このＥＧＲ通路６０は、排気の一部を適宜吸気系３０に戻す機能を有する。ＥＧＲ通路６０には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気（ＥＧＲガス）の流量を自在に調整することができるＥＧＲ弁６１と、ＥＧＲ通路６０を通過（還流）する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ６２が設けられている。
【００２８】
また、排気系４０において、同排気系４０及びＥＧＲ通路６０の連絡部位の下流には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒及びパティキュレートフィルタを収容したＮＯｘ触媒ケーシング４２が設けられている。また、排気系４０のＮＯｘ触媒ケーシング下流には、酸化触媒を収容した酸化触媒ケーシング４３が設けられている。
【００２９】
また、エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、当該部位の環境条件や、エンジン１の運転状態に関する信号を出力する。
【００３０】
すなわち、レール圧センサ７０は、コモンレール１２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。燃圧センサ７１は、添加燃料通路Ｐ２内を流通する燃料のうち、調量弁１６を介して燃料添加弁１７に導入される燃料の圧力（燃圧）ＰＧに応じた検出信号を出力する。エアフロメータ７２は、吸気系３０内のコンプレッサホイール５３上流において吸入空気の流量（吸気量）ＧＡに応じた検出信号を出力する。酸素濃度センサ７３は、排気系４０のＮＯｘ触媒ケーシング４２下流（酸化触媒ケーシング４３上流）において排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。酸素濃度センサ７３の検出信号は、エンジン１の機関燃焼に供される混合気中の空燃比Ａ／Ｆを演算するためのパラメータとして活用される。排気温度センサ７４は、排気系４０においてＮＯｘ触媒ケーシング４２内の所定部位（後述するハニカム構造体４２ａとパティキュレートフィルタ４２ｂとの間）に取り付けられ、当該部位における排気温度（フィルタ入りガス温度）に応じた検出信号を出力する。
【００３１】
また、アクセルポジションセンサ７６はアクセルペダル（図示略）に取り付けられ、同ペダルの踏み込み量ＡＣＣに応じた検出信号を出力する。クランク角センサ７７は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力する。これら各センサ７０〜７７は、電子制御装置（ＥＣＵ）９０と電気的に接続されている。
【００３２】
ＥＣＵ９０は、中央処理装置（ＣＰＵ）９１、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）９２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）９３、バックアップＲＡＭ９４及びタイマーカウンタ９５等を備え、これら各部９１〜９５と、Ａ／Ｄ変換器を含む外部入力回路９６と、外部出力回路９７とが双方向性バス９８により接続されて構成される論理演算回路を備える。
【００３３】
このように構成されたＥＣＵ９０は、上記各種センサの検出信号の処理、例えば酸素濃度センサ７３の検出信号に基づいて機関燃焼に供される混合気中の空燃比Ａ／Ｆを算出するといった演算処理等を行う他、これら各種センサの検出信号等に基づき、燃料噴射弁１３の開閉動作に関する制御や、ＥＧＲ弁６１の開度調整、或いはスロットル弁３２の開度調整等、エンジン１の運転状態に関する各種制御を実施する。
【００３４】
〔ＮＯｘ触媒ケーシングの構造及び機能〕
次に、以上説明したエンジン１の構成要素のうち、排気系４０に設けられたＮＯｘ触媒ケーシング４２について、その構造及び機能を詳しく説明する。
【００３５】
ＮＯｘ触媒ケーシング４２の内部には、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分とするストレートフロー型のハニカム構造体４２ａと、多孔質材料を主成分とするウォールフロー型のパティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタという）４２ｂとが、各々排気浄化用触媒として、所定の間隔をあけて直列に配置されている。
【００３６】
ハニカム構造体４２ａを形成する複数の通路には、例えばアルミナからなる担体の層が形成されており、その担体層の表面にＮＯｘ吸蔵剤として機能する例えばカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）のようなアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタン（Ｌａ）、或いはイットリウム（Ｙ）のような希土類と、酸化触媒（貴金属触媒）として機能する例えば白金（Ｐｔ）のような貴金属とが担持されている。なお、担体（ここではアルミナからなる担体層が形成されたハニカム構造体）４２ａ上に混在するよう担持されたこれらＮＯｘ吸蔵剤及び貴金属触媒は、併せてＮＯｘ触媒（吸蔵還元型ＮＯｘ触媒）を構成する。
【００３７】
ＮＯｘ吸蔵剤は、排気中の酸素濃度が高い状態ではＮＯｘを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低い状態（還元成分の濃度が高い状態）ではＮＯｘを放出する特性を有する。また、排気中にＮＯｘが放出されたとき、排気中にＨＣやＣＯ等が存在していれば、貴金属触媒がこれらＨＣやＣＯの酸化反応を促すことで、ＮＯｘを酸化成分、ＨＣやＣＯを還元成分とする酸化還元反応が両者間で起こる。すなわち、ＨＣやＣＯはＣＯ₂やＨ₂Ｏに酸化され、ＮＯｘはＮ₂に還元される。
【００３８】
一方、ＮＯｘ吸蔵剤は排気中の酸素濃度が高い状態にあるときでも所定の限界量のＮＯｘを吸蔵すると、それ以上ＮＯｘを吸蔵しなくなる。エンジン１では、後述する燃料添加やポスト噴射を通じて排気通路のＮＯｘ触媒ケーシング４２上流に断続的に還元成分が供給され、排気中の還元成分の濃度が高まる。すなわち、ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ吸蔵剤）のＮＯｘ吸蔵量が限界量に達する前に、この還元成分がＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを周期的に放出および還元浄化し、ＮＯｘ吸蔵剤のＮＯｘ吸蔵能力を回復させる。
【００３９】
一方、フィルタ４２ｂを形成する多孔質材料は、例えばコージライト等のセラミック材料にアルミナ、チタニア、ジルコニア若しくはゼオライト等のコート材をウォッシュコートしたものであり、排気を透過する性質を有する。また、フィルタ４２ｂは、互いに平行をなして延びる上流端が開放され下流端が閉ざされた排気流入通路と、上流端が閉ざされ下流端が開放された排気流出通路とを備えるいわゆるウォールフロー型である。そして、両排気通路間に位置する隔壁の表面及び内部に形成された細孔内に、ＮＯｘ吸蔵剤と貴金属触媒とを担持するアルミナ等のコート層（担体層）が形成されている。
【００４０】
このような構造を有するフィルタ４２ｂは、排気中に含まれる煤等の微粒子やＮＯｘ等の有害成分を、以下のメカニズムに基づいて浄化する。
【００４１】
ＮＯｘ吸蔵剤が、貴金属触媒との協働により、排気中の酸素濃度や還元成分量に応じてＮＯｘの吸蔵、放出及び浄化を繰り返し行うことは上述した通りである。その一方、ＮＯｘ吸蔵剤は、このようなＮＯｘの浄化を行う過程で、副次的に活性酸素を生成する特性を有する。フィルタ４２ｂを排気が透過過する際、その排気中に含まれる煤等の微粒子は構造体（多孔質材料）に捕捉される。ここで、ＮＯｘ吸蔵剤の生成する活性酸素は、酸化剤として極めて高い反応性（活性）を有しているため、捕捉された微粒子のうちＮＯｘ触媒の表面や近傍に堆積した微粒子は、この活性酸素と（輝炎を発することなく）速やかに反応し、浄化されることになる。
【００４２】
また、ＮＯｘ触媒ケーシング４２内の上流側に配置されたハニカム構造体（同構造体に担持されたＮＯｘ触媒）４２ａから発生する反応熱は、下流側に配置されたフィルタ４２ｂを効率的に昇温し、当該フィルタ４２ｂによる微粒子の分解作用を高めることになる。
【００４３】
〔燃料添加〕
エンジン１では、燃料添加弁１７を通じ、噴霧状態の燃料（還元剤）を所定のインターバルで排気系４０に直接添加することにより、排気中の還元成分濃度を高める制御（燃料添加）を実施する。燃料添加により供給される還元成分は、排気系４０に設けられたＮＯｘ触媒（ＮＯｘ吸蔵剤）のＮＯｘ吸蔵量が限界量に達する前に、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを周期的に放出および還元浄化し、ＮＯｘ吸蔵剤のＮＯｘ吸蔵能力を回復させる。
【００４４】
〔燃料噴射制御の概要〕
ＥＣＵ９０は、各種センサの検出信号から把握されるエンジン１の運転条件に基づき燃料噴射制御を実施する。本実施の形態において燃料噴射制御とは、各燃料噴射弁１３を通じた各燃焼室２０内への燃料噴射の実施に関し、燃料の噴射量、噴射タイミング、噴射パターンといったパラメータを設定し、これら設定されたパラメータに基づいて個々の燃料噴射弁１３の開閉操作を実行する一連の処理をいう。
【００４５】
ＥＣＵ９０は、このような一連の処理をエンジン１の運転中所定時間毎に繰り返し行う。燃料の総噴射量（噴射時間）Ｑ及び噴射タイミングは、基本的にはアクセルペダルの踏み込み量ＡＣＣおよびエンジン回転数ＮＥ（クランク角センサのパルス信号に基づいて演算することができるパラメータ）に基づき、予め設定されたマップ（図示略）を参照して決定する。
【００４６】
また、一燃焼サイクルにおける燃料噴射パターンの設定に関し、ＥＣＵ９０は、圧縮上死点近傍での燃料噴射を主噴射として各気筒について行うことで機関出力を得る他、主噴射に先立つ燃料噴射（パイロット噴射）を、副噴射として適宜選択された時期、選択された気筒について行う。
【００４７】
なお、このような燃料噴射制御を実行すべく、エンジン１の各種構成要素の動作を統括制御するＥＣＵ９０は、コモンレール１２や燃料噴射弁１３等と併せて、本実施の形態にかかる燃料噴射制御装置を構成する。
【００４８】
〔パイロット噴射〕
ディーゼルエンジンでは一般に、圧縮行程終期において、燃焼室内が燃料の自己着火を誘発する温度に達する。とくにエンジンの運転条件が中高負荷領域にある場合、燃焼に供される燃料が燃焼室内に一括して噴射供給されると、この燃料は騒音を伴い爆発的に燃焼する。パイロット噴射を実行することにより、主噴射に先立って供給された燃料が熱源（或いは火種）となり、その熱源が燃焼室内で徐々に拡大して燃焼に至るようになるため、燃焼室内における燃料の燃焼状態が比較的緩慢となり、しかも着火遅れ時間が短縮されるようになる。このため、機関運転に伴う騒音が軽減され、さらには排気中のＮＯｘ量も低減される。
【００４９】
本実施の形態にかかる燃料噴射制御装置は、適宜の運転条件下で、エンジン１の各気筒についてその一燃焼サイクル中に、最大２回のパイロット噴射と、これらに後続する主噴射とを連続的に実行する機能を有する。以下、一燃焼サイクル中に２回のパイロット噴射と１回の主噴射とを連続して行う燃料噴射パターンのことをマルチパイロット噴射といい、１回のパイロット噴射と１回の主噴射とを連続して行う燃料噴射パターンのことを通常パイロット噴射という。また、パイロット噴射を行わずに１回の主噴射のみを行う燃料噴射パターンのことをシングル噴射という。
【００５０】
図２には、エンジン１が実行する３種類の燃料噴射パターンについて、各パターンに対応するＥＣＵ９０の指令信号を示すタイムチャートである。
【００５１】
先ず図２（ａ）に示す指令信号は、シングル噴射に対応するものである。同図２（ａ）に示すように、ＥＣＵ９０は、シングル噴射を採用する場合、燃料噴射弁１３を開弁させる所定の駆動パルス（指令信号）を、一燃焼サイクルにおいて、一定時間１回に限り出力する。
【００５２】
また図２（ｂ）に示す指令信号は、マルチパイロット噴射に対応するものである。同図２（ｂ）に示すように、ＥＣＵ９０は、マルチパイロット噴射を採用する場合、一燃焼サイクルにおいて、２回のパイロット噴射と１回の主噴射とに各々対応する駆動パルス（指令信号）を出力する。すなわち、計３回の駆動パルスを断続的に出力することになる。
【００５３】
そして図２（ｃ）に示す指令信号は、通常パイロット噴射に対応するものである。同図２（ｃ）に示すように、ＥＣＵ９０は、１回のパイロット噴射を行う燃料噴射パターンを採用する場合、一燃焼サイクルにおいて、１回のパイロット噴射と１回の主噴射とに各々対応する駆動パルスを出力する。すなわち、計２回の駆動パルスを断続的に出力することになる。
【００５４】
ここで、マルチパイロット噴射を行う場合、１回目のパイロット噴射は主に、燃焼室２０内において確実に火種を形成し、燃料の着火性を高める作用を有することから、機関燃焼に伴う騒音を抑制する効果を奏する。一方、２回目のパイロット噴射（主噴射に近接したタイミングで行うパイロット噴射）は主に、燃焼室内において緩やかな火炎伝播を生じさせ、着火遅れを防止する作用を有する。このことから、２回目のパイロット噴射を行うことで、主噴射の開始タイミングを遅角させても失火が起きにくくなる。主噴射の開始タイミングが遅角されるほど排気中のスモーク発生量は低減される傾向にあるため、２回目のパイロット噴射を行うことで主噴射の開始タイミングを遅角させることが可能になり、間接的に、排気中のスモーク発生量を低減することができる。
【００５５】
なお、通常パイロット噴射を行う場合にも、マルチパイロット噴射を行う場合に準ずる効果を奏することはできるものの、機関燃焼に伴う騒音の抑制といった観点からも、燃焼の安定性からも、マルチパイロット噴射を採用する方がより顕著な効果を奏することができる。
【００５６】
本実施の形態にかかる燃料噴射制御装置では、機関燃焼に伴う騒音を抑制し、燃焼の安定性を向上させるといった観点から、基本的には、最も好ましい燃料噴射パターンであるマルチパイロット噴射を可能な限り広い運転領域で実行する。ただし、燃焼室２０内に噴射供給される燃料の総量（総燃料噴射量）Ｑと、エンジン回転数ＮＥとの関係に基づいて、適宜、通常パイロット噴射とシングル噴射とを採用する。
【００５７】
図３には、本実施の形態の燃料噴射制御装置が燃料噴射パターンの選択に用いる制御マップを概略的に示す。
【００５８】
同図３に示すように、マップ上において、総燃料噴射量Ｑ及びエンジン回転数ＮＥの関係、言い換えるとエンジン１の運転条件によって決定づけられる４つの領域が予め設定される。
【００５９】
エンジン１の運転条件が領域Ｉにある場合、すなわち総燃料噴射量Ｑが所定値ＱＬを下回っている場合には、燃料噴射パターンとしてシングル噴射が採用される。このような条件下においては、同弁１３を通じて噴射供給される燃料の総量を複数に分割することが難しくなるためである。このことは、一燃焼サイクル中において、燃焼室２０内に燃料噴射を行うことのできる期間はエンジン１のピストン（図示略）が圧縮上死点近傍にある所定期間内に限られること、また、燃料噴射弁１３の動作速度にはその機械的な特性としての限界があることといった諸事情に起因する。従って、総燃料噴射量Ｑが予め設定された下限値ＱＬを下回った場合には燃料噴射パターンとしてシングル噴射を採用する（総燃料噴射Ｑが下限値ＱＬを上回った場合にのみパイロット噴射を実行する）ことにより、（失火防止も含め）エンジン１の燃焼状態の安定性を確実に保証することができる。
【００６０】
また、エンジン１の運転条件が領域IIにある場合には、燃料噴射パターンとしてマルチパイロット噴射を採用する。また、エンジン１の運転条件が領域IIIにある場合には、燃料噴射パターンとして通常パイロット噴射を採用する。さらに、エンジン１の運転条件が領域IVにある場合には、燃料噴射パターンとしてシングル噴射を採用する。低負荷・低回転の運転条件に相当する領域IIでは、パイロット噴射や主噴射の実行タイミングや各噴射の実行間隔（図２（ｂ）中の期間Δｔ１や、期間Δｔ２）の設定範囲の自由度が比較的高いため、マルチ噴射を採用することにより、燃焼騒音の抑制や排気特性の最適化を優先して図るようにする。また、中負荷・中回転の運転条件に相当する領域IIIでは、領域IIに比べ、パイロット噴射や主噴射の実行タイミングや各噴射の実行間隔の設定範囲の自由度が比較的低いため、パイロット噴射の実行回数を減じて１回とする（通常パイロット噴射を採用する）ことにより、機関燃焼状態の安定化及び排気特性の最適化を図るようにする。さらに、高負荷・高回転の運転条件に相当する領域IVでは、領域IIIに比べ、パイロット噴射や主噴射の実行タイミングや各噴射の実行間隔の設定範囲の自由度がさらに低く、パイロット噴射の実行する上で十分な制御精度を確保するのが困難となる他、エンジン１の温度が高くなり燃焼騒音が低くなる傾向があるためパイロット噴射を実行する必要性も低い。このため、シングル噴射を採用することにより、機関燃焼状態の安定化を優先的に図るようにする。
【００６１】
〔燃料噴射の具体的な制御手順〕
図４は、燃焼室２０への燃料噴射を実行するにあたり、燃料噴射弁１３の駆動パルスの波形を決定するための処理手順（ルーチン）を示すフローチャートである。本ルーチンは、エンジン１の運転中ＥＣＵ９０を通じて所定時間毎に実行される。
【００６２】
本ルーチンに処理が移行すると、ＥＣＵ９０は先ずステップＳ１０１において、駆動パルスを決定するために必要なエンジン１の運転条件に関するパラメータとして、総燃料噴射量Ｑ及びエンジン回転数ＮＥの最新値を読み込む。ここで、上述したように、総燃料噴射量Ｑは、アクセルペダルの踏み込み量ＡＣＣやエンジン回転数ＮＥ等に基づき別途算出される。
【００６３】
ステップＳ１０２においては、エンジン１の運転条件が、先の図３に示したマップ上における領域Ｉ又は領域IVに属するか否かを判断する。そして、その判断が肯定であればＥＣＵ９０は処理をステップＳ１０３に移行し、その判断が否定であれば処理をステップＳ１０４に移行する。
【００６４】
ステップＳ１０４においては、エンジン１の運転条件は領域Ｉにも領域IVにも属しないとの前提の下、エンジン１の運転条件が領域IIに属するか否かを判断する。そして、その判断が肯定であれば処理をステップＳ１０５に移行し、その判断が否定であれば処理をステップＳ１０６に移行する。
【００６５】
ＥＣＵ９０の処理がステップＳ１０２を経てステップＳ１０３に移行した場合、現在、エンジン１の運転条件は領域Ｉ或いは領域IVに属することになる。この場合、ＥＣＵ９０はシングル噴射を行う（パイロット噴射を行わずに主噴射のみを行う）べく燃料噴射弁１３の開弁タイミングや開弁時間を演算し、その演算結果に応じて先の図２（ａ）に示した波形の駆動パルス（指令信号）を出力する。
【００６６】
また、ＥＣＵ９０の処理がステップＳ１０２、ステップＳ１０４を経てステップＳ１０５に移行した場合、現在、エンジン１の運転条件は領域IIに属することになる。この場合、ＥＣＵ９０はマルチパイロット噴射を行う（２回のパイロット噴射と１回の主噴射を行う）べく燃料噴射弁１３の開弁タイミングや開弁時間を演算し、その演算結果に応じて先の図２（ｂ）に示した波形の駆動パルス（指令信号）を出力する。
【００６７】
また、ＥＣＵ９０の処理がステップＳ１０２、Ｓ１０４を経てステップＳ１０６に移行した場合、現在、エンジン１の運転条件は領域IIIに属することになる。この場合、ＥＣＵ９０は通常パイロット噴射を行う（１回のパイロット噴射と１回の主噴射を行う）べく燃料噴射弁１３の開弁タイミングや開弁時間を演算し、その演算結果に応じて先の図２（ｃ）に示した波形の駆動パルス（指令信号）を出力する。
【００６８】
ステップＳ１０３，Ｓ１０５，Ｓ１０６の何れかを経た後、ＥＣＵ９０は本ルーチンを一旦抜ける。
【００６９】
このような制御構造を適用する本実施の形態の燃料噴射制御装置によれば、負荷（総燃料噴射量Ｑ）と回転数ＮＥとの関係から決定づけられるエンジン１の運転領域毎に、異なる燃料噴射パターンを選択することにより、ディーゼルエンジンの低圧縮比化に伴う機関燃焼状態の不安定を解消し、エンジンを低圧縮比化することによって得られる機関出力を向上といった効果を十分に発揮しつつ、機関燃焼に伴う騒音の抑制や、排気特性の向上を両立して図ることができる。
【００７０】
なお、本実施の形態では、（圧縮比ε≒１６）のディーゼルエンジン１を低圧縮比ディーゼルエンジンとして、これに本発明の燃料噴射制御装置を適用することにした。しかしながら、これに限らず、概ね（圧縮比ε＜１７）のディーゼルエンジンに広く本発明を適用し、本実施の形態と同等若しくはこれに準ずる効果を奏することができる。
【００７１】
要は、ディーゼルエンジンの圧縮比を低下させると、一燃焼サイクル中において供給することのできる燃料噴射量が増大し、当該エンジンの出力を増大させることが可能になる反面、機関燃焼状態が比較的不安定になりやすく、排気特性を最適な状態に保持するのが難しくなる。そこで、本発明の燃料噴射制御装置を採用することにより、ディーゼルエンジンの圧縮比の低下に起因する機関燃焼の不安定や排気特性の悪化を解消することができるようになる。すなわち、圧縮比を低下させることでディーゼルエンジンの高出力化を図りつつ、機関燃焼状態の安定性や排気特性の最適化を広い運転領域で確保することができるようになる。
【００７２】
また、本実施の形態では、ＶＮＴ機構を搭載し、過給圧を可変とすることのできるディーゼルエンジンに本発明を適用することとしたが、このような過給圧可変機構を備えていないエンジン、或いは過給機を備えていないエンジンに本発明を適用することもできる。しかしながら、過給圧可変機構を備えたエンジンでは、過給圧を可変とすることにより、エンジンの各気筒内の圧力（筒内圧）を調整し、当該エンジンの圧縮比を実質的に可変制御することができる。このような圧縮比の可変制御によれば、図３に示した制御マップの特性を変更し、パイロット噴射（特に複数回のパイロット噴射）を好適に実施することのできる運転領域を拡大することも容易になる。例えば、制御マップ（図３）中における総燃料噴射量Ｑの下限値ＱＬをより小さな値に設定することができるようになる。ちなみに、過給機を通じ、実質的な圧縮比が特定条件下で高められるだけでも、パイロット噴射の実行機会は増大する。
【００７３】
すなわち、過給機を備えたディーゼルエンジン、特に、過給圧を可変とすることのできるディーゼルエンジンに本発明を適用することで、上記実施の形態による効果はより顕著になるといえる。
【００７４】
また、本実施の形態では、燃料噴射弁１３としてその内部に電磁ソレノイド（図示略）を備えた電磁弁を採用することとしたが、印加電圧等の大きさに応答して伸縮するピエゾ素子の特性を利用したいわゆるピエゾ駆動式の燃料噴射弁を適用しても、本実施の形態と同等の効果を奏することができる。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、例えば燃料噴射弁の１回の開閉弁動作によって噴射することができる総燃料噴射量の上下限、当該燃料噴射弁の動作速度の限度、或いは機関温度等に照らし、燃焼騒音の抑制、排気特性の最適化、及び機関燃焼状態の安定化（失火の防止を含む）等々といった観点から最適な燃料の噴射パターンが選択されるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態にかかるディーゼルエンジンシステムを示す概略構成図。
【図２】同実施の形態にかかるエンジンについて、各種の燃料噴射パターンに対応する駆動パルスを示すタイムチャート。
【図３】燃料噴射弁に対する駆動パルスの波形が決定される手順を模式的に説明するタイムチャート。
【図４】パイロット噴射を実行するにあたり、燃料噴射弁の駆動パルスを決定するための処理手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
１エンジン
１０燃料供給系
１１サプライポンプ
１２コモンレール
１３燃料噴射弁
１６調量弁
１７燃料添加弁
２０燃焼室
３０吸気系
３１インタークーラ
３２スロットル弁
４０排気系
４２ＮＯｘ触媒ケーシング
４３酸化触媒ケーシング
５０ターボチャージャ（過給手段）
５１シャフト
５２タービンホイール
５２ａＶＮＴアクチュエータ
５３コンプレッサホイール
６０ＥＧＲ通路
６１ＥＧＲ弁
６２ＥＧＲクーラ
７０レール圧センサ
７１燃圧センサ
７２エアフロメータ
７３酸素濃度センサ
７４排気温度センサ
７６アクセルポジションセンサ
７７クランク角センサ
９０電子制御装置（ＥＣＵ）
Ｐ１機関燃料通路
Ｐ２添加燃料通路

Claims

低圧縮比ディーゼルエンジンの燃焼室に燃料を噴射供給する燃料噴射弁を備え、当該エンジンの一燃焼サイクル中における燃料の噴射パターンとして、前記燃焼室への主たる燃料噴射と、この主たる燃料噴射に先立つ複数回の副噴射とを実行する機能を有するディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置であって、
前記燃焼室内に吸入される空気の圧力を増大させる過給手段と、
前記過給手段によって増大される空気の圧力を制御する制御手段と、
を備え、
前記主たる燃料噴射に先立つ副噴射の実行回数を、当該エンジンの運転条件に応じて変更し、当該エンジンの負荷が高くなるほど、また、当該エンジンの回転数が高くなるほど、前記副噴射の実行回数を減少させ、さらに総燃料噴射量が所定値を上回った場合に限り前記副噴射を実行することを特徴とするディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。
前記過給手段によって増大される空気の圧力が高くなるほど前記所定値を小さくすることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。
当該エンジンの負荷が所定値を上回った場合の前記副噴射の実行回数を、低負荷・低回転のときには２とし、中負荷・中回転のときには１とし、高負荷・高回転のときには０とする請求項１または２に記載のディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。