(57)【要約】【課題】スワールの強さを制御する機能を有するディーゼルエンジンにおいて、燃焼が不安定になり易い条件下での燃焼状態を改善する。【解決手段】低水温低気圧側の運転領域にある場合（Ｓ２０）のように、燃焼が不安定になり易い条件下で、ＥＣＵ３０がスワールを弱めるようにＳＣＶ２１を制御すると共に、混合気の着火を促進する着火促進制御として［１］パイロット細分化制御、［２］過給圧増大制御、［３］有効噴孔数増大制御および［４］グロープラグ通電制御のうち少なくともいずれかを実行する（Ｓ４０）。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内のスワールの強さを変更するスワール変更手段と、前記燃焼室内の混合気の着火を促進する着火促進手段と、前記スワール変更手段及び前記着火促進手段を制御する制御手段と、を有するディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、
前記制御手段は、燃焼が不安定になり易い所定の条件下で、前記スワールを弱めるように前記スワール変更手段を制御すると共に、混合気の着火を促進するように前記着火促進手段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。
【請求項２】
請求項１に記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置であって、
前記着火促進手段は、
パイロット噴射の開始タイミングを遅延させるパイロット遅延手段、及び
パイロット噴射の回数を増大させるパイロット回数増大手段、
のうちの少なくとも一方を含むことを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置であって、
前記着火促進手段は、過給機の過給圧を増大させる過給圧増大手段を含むことを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置であって、
前記着火促進手段は、燃料噴射弁の有効噴孔数を増大させる有効噴孔数増大手段を含むことを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置であって、
前記着火促進手段は、前記燃焼室のグロープラグを通電するグロープラグ通電手段を含むことを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置であって、
前記所定の条件は、低水温低気圧側の運転領域にあることを含むことを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
【請求項７】
請求項６に記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置であって、
前記所定の条件は、低水温低気圧側の運転領域にある場合において高回転高噴射量側の運転領域にある場合を含まないことを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンの燃焼を制御するディーゼルエンジンの燃焼制御装置に関し、特に、燃焼室内のスワールの強さを制御する機能を有するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンにおいて、気筒内にスワールを生成すると、燃焼室内での空気と燃料との混合が促進されると共に、スワールによる燃焼室内の乱れによって燃焼速度を速めることができ、燃焼を改善することができる。しかしながら、常に強いスワールが生成されるようにすると、高回転高負荷側の運転領域等では、多量の吸入空気によってさらにスワールが強められ、スワールによる燃焼室内の乱れが過剰となって燃焼速度が速くなり過ぎ、却って燃焼が悪化してしまう。このため、低回転低負荷側の運転領域ではスワールを強め、高回転高負荷側の運転領域ではスワールを弱めるような吸気制御装置が用いられている。
【０００３】
さらに、吸気制御装置によってスワールの強さが制御されても、低温始動時など筒内温度が低い場合や大気圧の低い高地のような燃焼が不安定になり易い条件下では、燃焼が悪化することがある。このため、特許文献１ないし３が開示する吸気制御装置では、低負荷低回転側の運転領域であっても、低温始動時などの燃焼が不安定になり易い条件下では、スワールを弱めるように制御している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２‐２０１９４９号公報
【特許文献２】特開平６‐１０１４９０号公報
【特許文献３】実開平５‐４２６４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、燃焼が不安定になり易い条件下では、スワールを弱めても、依然として燃焼が良好でない場合がある。このことは、排出ＮＯｘの低減やフリクションロスの低減を目的として低圧縮比化がされた近年のディーゼルエンジンにおいて、燃焼不良によるＨＣの増加などの問題点として顕在化しうる。
【０００６】
そこで本発明の目的は、スワールの強さを制御する機能を有するディーゼルエンジンにおいて、燃焼が不安定になり易い条件下での燃焼状態を改善することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の本発明は、燃焼室内のスワールの強さを変更するスワール変更手段と、前記燃焼室内の混合気の着火を促進する着火促進手段と、前記スワール変更手段及び前記着火促進手段を制御する制御手段と、を有するディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、前記制御手段は、燃焼が不安定になり易い所定の条件下で、前記スワールを弱めるように前記スワール変更手段を制御すると共に、混合気の着火を促進するように前記着火促進手段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である。
【０００８】
第１の本発明では、燃焼が不安定になり易い所定の条件下で、制御手段がスワールを弱めるように前記スワール変更手段を制御すると共に、混合気の着火を促進するように前記着火促進手段を制御するので、燃焼が不安定になり易い条件下での燃焼状態を改善することができる。
【０００９】
前記着火促進手段は、パイロット噴射の開始タイミングを遅延させるパイロット遅延手段、及びパイロット噴射の回数を増大させるパイロット回数増大手段、のうちの少なくとも一方を含むこととするのが特に好適である。パイロット噴射のタイミングを遅延させる場合には、パイロット噴射の開始からメイン噴射までの間にパイロット噴射による燃料がシリンダ壁に付着する可能性を抑制できるので、着火性を向上できる。また、パイロット回数を増大させることにより、パイロット噴射１回あたりの噴射量が低減されるので、着火性を向上できる。パイロット噴射の間隔を短くすれば、パイロット噴射のタイミングの遅延とパイロット回数の増大の両者を実現することができ特に好適である。
【００１０】
前記着火促進手段は、過給機の過給圧を増大させる過給圧増大手段を含むこととしてもよい。この場合には過給圧の増大によって、吸気温度が上昇するため、着火性を向上することができる。
【００１１】
前記着火促進手段は、燃料噴射弁の有効噴孔数を増大させる有効噴孔数増大手段を含むこととしてもよい。この場合には、有効噴孔数の増大により、噴孔あたりの噴射量が低減され、着火性を向上することができる。
【００１２】
前記着火促進手段は、前記燃焼室のグロープラグを通電するグロープラグ通電手段を含むこととしてもよい。この場合には、グロープラグの通電により、着火性を向上することができる。
【００１３】
前記所定の条件は、低水温低気圧側の運転領域にあることを含むのが特に好適である。
【００１４】
更に、低水温低気圧側の運転領域にあっても高回転高噴射量側の運転領域にない場合には、前記所定の条件を満たさないこととするのが好適である。低水温低気圧側の運転領域にあっても、高回転高噴射量側の運転領域にある場合には、燃焼は良好であり、スワールを弱める制御や混合気の着火を促進する制御を行うと、着火が早くなりすぎ、燃料が十分拡散しない間に着火してしまうため、過濃な状態で燃焼することに相当し、スモークが発生しやすくなるおそれがある。したがって、このような場合にスワールを弱める制御や混合気の着火を促進する制御を抑制ないし禁止することによって、スモークの発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。図１は本発明の実施形態に係る燃焼制御装置１を示す。エンジン１０は軽油を燃料とする４気筒ディーゼルエンジンであって、吸気通路１１、排気通路１２及び燃焼室１６等を備えて構成されている。エンジン１０の各シリンダ１３にはピストン１４が上下動可能に配設されている。ピストン１４の頂面１４ａの中央には、燃焼室１６を構成する凹部（キャビティ）１５が形成されている。燃焼室１６の上方には、燃料を噴射するインジェクタ１７が設けられている。
【００１６】
エンジン１０は吸排気二弁式であり、図２に示されるように、二つの吸気弁Ｖi1，Ｖi2を介して、二つのポート１８ａ，１８ｂからなる吸気ポート１８が気筒内へ接続され、また、二つの排気弁Ｖe1，Ｖe2を介して、二つのポート１９ａ，１９ｂからなる排気ポート１９が気筒内へ接続されている。二つの吸気ポートの一方は、吸入空気に特に旋回速度成分を付与しないストレートポート１８ａである。二つの吸気ポートの他方は、気筒内への吸入空気の導入に際して、気筒内を横方向に旋回する気流、すなわち、スワールが生成されるように、吸入空気に横方向旋回速度成分を付与するヘリカルポート１８ｂである。ヘリカルポート１８ｂは、先端が平面図上において渦巻き状に湾曲しており、燃焼室１６内に図示の矢印Ｂのように時計回りの強いスワールを生成する。また、ヘリカルポート１８ｂには、ヘリカルポート１８ｂを開放及び閉鎖可能とするバタフライ弁などのスワールコントロールバルブ（以下、ＳＣＶ）２１が設けられている。
【００１７】
ＳＣＶ２１は、機関吸気系のスロットル弁より下流側の負圧を利用する負圧アクチュエータ又はステップモータ等の駆動装置によって駆動され、ＳＣＶ２１によってヘリカルポート１８ｂが開放されれば、吸入空気はポート１８ａ，１８ｂの両者によって気筒内へ導入され、気筒内には強いスワールが生成される。一方、ＳＣＶ２１によってヘリカルポート１８ｂが閉鎖されれば、強いスワールを生成することができない。
各吸気弁Ｖi1，Ｖi2および各排気弁Ｖe1，Ｖe2は、図１に示される動弁機構２２によって開閉させられ、この動弁機構２２は、吸気弁Ｖi1，Ｖi2および排気弁Ｖe1，Ｖe2の開弁特性を変化させることができる可変バルブタイミング機構を含む。更に、エンジン１０は、気筒数に応じた数のグロープラグ２３を有し、グロープラグ２３は、対応する燃焼室１６内に臨むようにシリンダヘッドに設置されている。
【００１８】
インジェクタ１７は、各シリンダ１３のための共通の燃料蓄圧室である不図示のコモンレールに接続されている。動作の際には、燃料が加圧されてコモンレールに蓄圧され、この燃料の圧力は各シリンダ１３のインジェクタ１７に印加される。
【００１９】
図３に示されるように、インジェクタ１７は可変噴孔型であって、例えば環状かつ周方向に等角度間隔に配置された１０個の第１噴孔２４ａと、これらの内側かつ先端側に環状かつ周方向に等角度間隔に配置された６個の第２噴孔２４ｂとを有する。第１噴孔２４ａの個数は第２噴孔２４ｂの個数よりも多くするのが好適である。インジェクタ１７のボディ２５の内部には、第１噴孔２４ａを開閉する第１ニードル２６ａと、第２噴孔２４ｂを開閉する第２ニードル２６ｂとが収容されている。第１ニードル２６ａの内腔に第２ニードル２６ｂが滑動可能に収容されている。これらニードル２６ａ，２６ｂは、それぞれバネ２７ａ，２７ｂによって先端側に常時付勢され、不図示のソレノイドまたはピエゾ素子などのアクチュエータにより個別に基部側に変位（後退）させられる。これによって、第１・第２噴孔２４ａ，２４ｂが共に塞がれた閉状態、第１噴孔２４ａのみが開かれた半開状態（図３）、及び第１・第２噴孔２４ａ，２４ｂが共に開かれた全開状態（図４）が選択的に実現される。燃料圧力が等しい場合には、半開状態の場合に比べ、全開状態の場合のほうが噴孔あたりの噴射量が低減され、着火性を向上することができる。これら噴孔２４ａ，２４ｂからは、水平面に対してやや下向きに等角度間隔で燃料Ｆが噴射される。圧縮行程末期に噴射された燃料Ｆは燃焼室５内へ進入し、燃焼室５内の空気と混合して着火燃焼する。
【００２０】
本実施形態のエンジン１０は、排気経路中に設置されたタービンによって、吸気経路中に設置されたブロワを駆動することで過給を行う不図示のターボ過給機を備えている。ターボ過給機は、排気側のタービンの回転翼の周りに可動式のノズルベーンを設けて過給圧を可変とした可変ノズル型であって、このノズルベーンを駆動するためのターボノズルアクチュエータ２８を有する。ターボノズルアクチュエータ２８はステップモータからなるが、機関吸気系のスロットル弁より下流側の負圧を利用する負圧アクチュエータであってソレノイドによって制御されるものでもよい。
【００２１】
エンジン１０は、制御手段として機能する電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）３０を含む。ＥＣＵ３０は、データバスで相互接続されたＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、及び、各種情報やマップ等が記憶されるバックアップＲＡＭなどの記憶装置を含むものである。このＥＣＵ３０の入力ポートには、エンジン冷却水温を検出する水温センサ３１、大気圧を検出する大気圧センサ３２、エンジン１０のクランクシャフトの近傍に設けられたクランク角センサ３３、吸気通路１１中に設けられたエアフローメータ３４等の各種センサが、不図示のＡ／Ｄ変換器を介して接続されている。ＥＣＵ３０は、これら各センサの検出信号が入力されることによって、各検出値を取得する。また、ＥＣＵ３０の出力ポートには、上述の各インジェクタ１７、ＳＣＶ２１、動弁機構２２、グロープラグ２３、ターボノズルアクチュエータ２８などの各種アクチュエータが、不図示のＤ／Ａ変換器を介して接続されている。
【００２２】
ＥＣＵ３０は、記憶装置に記憶されている各種マップ、基準値、設定値等を用いると共に、これらの情報および各種センサの検出値等に基づいて、各インジェクタ１７、ＳＣＶ２１、動弁機構２２、グロープラグ２３、ターボノズルアクチュエータ２８等を制御する。特に、ＥＣＵ３０の記憶装置には、図５に示されるような水温及び大気圧に基づく運転領域を示すマップと、図６に示されるようなエンジン回転数及び燃料噴射量に基づく運転領域を示すマップとが記憶されており、これらマップは、次に述べるスワール及び着火性改善処理ルーチンにおいて用いられる。
【００２３】
本実施形態では、着火促進手段として、［１］パイロット噴射のタイミングを遅延させ且つパイロット噴射の回数を増大させるパイロット細分化制御、［２］過給機の過給圧を増大させる過給圧増大制御、［３］燃料噴射弁の有効噴孔数を増大させる有効噴孔数増大制御、および［４］燃焼室のグロープラグを通電するグロープラグ通電制御、の４種類の制御が実行可能とされている。
【００２４】
［１］パイロット細分化制御は、通常よりもパイロット噴射の開始タイミングを遅延させ且つパイロット噴射の回数を増大させるものである。パイロット噴射の開始タイミングを遅延させると、メイン噴射までの時間が短縮されるため、パイロット噴射による燃料がシリンダ壁に付着する可能性を抑制でき、着火性を向上できる。パイロット回数を増大させると、パイロット噴射１回あたりの噴射量が低減されるので、着火性を向上できる。具体的には、図７に（Ｉ）で示される通常のパイロット噴射制御の場合に対し、（ＩＩ）で示されるパイロット細分化制御の場合には、パイロット噴射の合計量（開時間の合計）は変わらないが、インジェクタ１７の開指令の開始時期が遅延され（ｔ１に対しｔ３）、且つパイロット噴射１回あたりの開時間が短縮される（Δｔ１に対しΔｔ２）。また、パイロット噴射の間隔も短縮される（ｔｉ１に対しｔｉ２）ので、パイロット噴射の開始タイミングの遅延とパイロット回数の増大の両者を実現することができ特に好適である。
【００２５】
［２］過給圧増大制御は、過給機の排気側のタービンの回転翼の周りに設けられた可動式のノズルベーンを絞るようにターボノズルアクチュエータ２８で駆動することによって、タービンに作用する排ガスの流速を高め、コンプレッサ側による過給圧を増大させるものである。この過給圧の増大によって、吸気温度が上昇するため、着火性を向上することができる。
【００２６】
［３］有効噴孔数増大制御は、インジェクタ１７を図３に示される半開状態から、図４に示される全開状態に変更することによって、有効噴孔数を増大させるものである。燃料圧力が等しい場合には、半開状態の場合に比べ、全開状態の場合のほうが噴孔あたりの噴射量が低減され、着火性を向上することができる。
【００２７】
［４］グロープラグ通電制御は、燃焼室のグロープラグを通電するものである。グロープラグの通電により筒内温度が上昇し、着火性を向上することができる。
【００２８】
以上のとおり構成された本実施形態において、ＥＣＵ３０によって行われる処理について説明する。図８において、まずＥＣＵ３０は、エンジン水温・大気圧・燃料噴射量・エンジン回転数の各検出値を読み込む（Ｓ１０）。次にＥＣＵ３０は、水温及び大気圧により定まる現在の運転領域が領域Ｂであるかを判断する（Ｓ２０）。この判断は図５に示されるマップに従って行われ、このマップでは、高水温高気圧側の領域Ａと、低水温低気圧側の領域Ｂとに運転領域が二分割されている。
【００２９】
ステップＳ２０で肯定の場合、すなわち現在の運転領域が領域Ｂである場合には、次にＥＣＵ３０は、エンジン回転数及び燃料噴射量により定まる現在の運転領域が領域Ｄであるかを判断する（Ｓ３０）。この判断は図６に示されるマップに従って行われ、このマップでは、高回転数高噴射量側の領域Ｃと、低回転数低噴射量側の領域Ｄとに運転領域が二分割されている。
【００３０】
ステップＳ３０で肯定の場合、すなわち現在の運転領域が領域Ｂかつ領域Ｄである場合には、低スワール制御及び着火促進制御が実行される（Ｓ４０）。
【００３１】
ステップＳ４０で実行される低スワール制御は、ＳＣＶ２１を開弁させる制御である。その結果、吸入空気はポート１８ａ，１８ｂの両者によって気筒内へ導入され、ヘリカルポート１８ｂの作用によって、気筒内には強いスワールが生成される。
【００３２】
ステップＳ４０で実行される着火促進制御は、上記着火促進手段としての［１］パイロット細分化制御、［２］過給圧増大制御、［３］有効噴孔数増大制御および［４］グロープラグ通電制御の４種類の制御を全て実行するものである。
【００３３】
他方、現在の運転領域が領域Ａ又は領域Ｃである場合には、低スワール制御及び着火促進制御は行われず、通常のスワール制御及び通常の燃焼制御が実行される（Ｓ５０）。
【００３４】
ステップＳ５０で実行される通常スワール制御は、ＳＣＶ２１を閉弁させる制御である。その結果、吸入空気はストレートポート１８ａのみによって気筒内に導入され、気筒内に強いスワールは生成されない。
【００３５】
ステップＳ５０で実行される通常燃焼制御は、上記着火促進手段としての［１］パイロット細分化制御、［２］過給圧増大制御、［３］有効噴孔数増大制御および［４］グロープラグ通電制御の４種類の制御をいずれも実行しないものである。
【００３６】
以上の処理の結果、本実施形態では、燃焼が不安定になり易い条件下である低水温低気圧側の運転領域にある場合に、ＥＣＵ３０がスワールを弱めるようにＳＣＶ２１を制御すると共に、混合気の着火を促進するように着火促進制御を実行するので、燃焼が不安定になり易い条件下での燃焼状態を改善することができる。
【００３７】
また本実施形態では、着火促進手段として、パイロット噴射の開始タイミングを遅延させると共にパイロット噴射の回数を増大させるパイロット細分化制御を実行するので、着火性を好適に向上できる。また本実施形態では、パイロット噴射の間隔を短くすることによって、パイロット噴射の開始タイミングの遅延とパイロット回数の増大の両者を好適に実現できる。なお、パイロット噴射の開始タイミングの遅延と、パイロット噴射の回数の増大は、いずれか一方のみを実行することとしてもよく、その限りにおいて本発明に所期の効果を実現できる。
【００３８】
また本実施形態では、着火促進手段として、過給機の過給圧を増大させる過給圧増大制御を実行するので、吸気温度の上昇によって、着火性を好適に向上できる。
【００３９】
また本実施形態では、着火促進手段として、インジェクタ１７の有効噴孔数を増大させる有効噴孔数増大制御を実行するので、有効噴孔数の増大により噴孔あたりの噴射量が低減され、着火性を好適に向上できる。
【００４０】
また本実施形態では、着火促進手段として、グロープラグ２３を通電するグロープラグ通電制御を実行するので、グロープラグ２３の通電により着火性を好適に向上できる。
【００４１】
また本実施形態では、燃焼が不安定になり易い所定の条件を、低水温低気圧側の運転領域（領域Ｂ）にあることとしたので、簡易な構成によって本発明に所期の効果を得ることができる。
【００４２】
また本実施形態では、低水温低気圧側の運転領域（領域Ｂ）にあっても高回転高噴射量側の運転領域（領域Ｃ）にある場合を含まない場合には、前記所定の条件を満たさないこととして、着火促進制御を実行しないこととしたので、着火が早くなりすぎたり、燃料が十分拡散しない間に着火してしまうことによるスモークの発生を回避ないし抑制することができる。
【００４３】
なお、上記実施形態では、ストレートポート１８ａとヘリカルポート１８ｂとを有し且つヘリカルポート１８ｂにＳＣＶ２１を有する機械的構造に本発明を適用した例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばストレートポートにＳＣＶを有する構造や、吸入空気に同じ方向の旋回速度成分を与える二つのヘリカルポートを有して、その一方にＳＣＶが配置されている構造のように、スワールの強さを調整しうる機構を有するディーゼルエンジンにも適用可能である。
また、上記実施形態におけるＳＣＶ２１は、全開と全閉とが切り換えられるものとしたが、例えば、ＳＣＶを全開と全閉との間の中間開度にするなど、スワールの強さを多段階的又は無段階的に調整することとしてもよい。
【００４４】
また、上記実施形態では、着火促進手段として、［１］パイロット細分化制御、［２］過給圧増大制御、［３］有効噴孔数増大制御および［４］グロープラグ通電制御の４種類の制御を実行可能に構成されたエンジンに本発明を適用した例について説明したが、本発明における着火促進手段は他の種類のものであってもよく、また［１］ないし［４］のうちの少なくともいずれかを含んでいてもよい。
【００４５】
また、上記実施形態では単一のＥＣＵ３０によって上述の各処理を行う構成について説明したが、本発明は互いに接続された複数のＥＣＵによる分散処理によって上記各処理を実行するようにした構成によっても実現可能であって、かかる構成も本発明の範疇に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃焼制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１のディーゼルエンジンのシリンダヘッド底面図である。
【図３】インジェクタの半開状態を示す断面図である。
【図４】インジェクタの全開状態を示す断面図である。
【図５】水温及び大気圧に基づく運転領域を示すマップである。
【図６】エンジン回転数及び燃料噴射量に基づく運転領域を示すマップである。
【図７】（Ｉ）通常のパイロット噴射制御の場合及び（ＩＩ）パイロット細分化制御の場合におけるインジェクタに対する開指令を示すタイミングチャートである。
【図８】ＳＣＶ及び着火促進手段の制御処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４７】
１０      エンジン
１７      インジェクタ
１８ａ      ストレートポート
１８ｂ      ヘリカルポート
２６ａ      第１ニードル
２６ｂ      第２ニードル
Ｖe1，Ｖe2      排気弁
Ｖi1，Ｖi2      吸気弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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