(57)【要約】【課題】触媒の暖機を促進し、その活性を維持することのできる技術を提供する。【解決手段】ディーゼルエンジンの始動後の早期暖気期間においては、触媒暖機促進用の第１の暖機運転モードを実行し、後期暖気期間においては触媒活性維持用の第２の暖機運転モードを実行する。触媒暖機促進用の第１の暖機運転モードは、触媒を流れる排気ガスのエネルギが通常運転モードよりも高いモードである。触媒活性維持用の第２の暖機運転モードは、触媒を流れる排気ガスの温度が、通常運転モードよりも高い運転モードである。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジンであって、
燃焼室と、
前記燃焼室に燃料を噴射するための燃料噴射装置と、
前記燃焼室からの排気ガスを浄化するための触媒と、
前記燃料噴射装置を含む前記ディーゼルエンジンの複数の装置を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記触媒の暖機および活性維持のために、前記ディーゼルエンジンの始動後の早期暖気期間において第１の暖機運転モードを実行するとともに、前記早期暖機期間後の後期暖気期間において第２の暖機運転モードを実行し、
前記第１の暖機運転モードは、前記触媒を流れる排気ガスのエネルギが、前記後期暖機期間後における前記ディーゼルエンジンの通常の運転モードにおいて前記触媒を流れる排気ガスのエネルギよりも高いモードであり、
前記第２の暖機運転モードは、前記触媒を流れる排気ガスの温度が、前記通常の運転モードにおいて前記触媒を流れる排気ガスの温度よりも高い運転モードである、ディーゼルエンジン。
【請求項２】
請求項１記載のディーゼルエンジンであって、
前記第２の暖機運転モードは、前記第１の暖機運転モードおよび前記通常の運転モードのいずれよりも前記触媒を流れる排気ガスの流量が少ないモードである、ディーゼルエンジン。
【請求項３】
請求項１または２記載のディーゼルエンジンであって、
前記第２の暖機運転モードは、前記第１の暖機運転モードおよび前記通常の運転モードのいずれよりも前記燃焼室における空気過剰率が小さいモードである、ディーゼルエンジン。
【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であって、
前記第２の暖機運転モードは、前記第１の暖機運転モードよりも燃料効率が高く、前記通常の運転モードよりも燃料効率が低いモードである、ディーゼルエンジン。
【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であって、
前記早期暖機期間は、前記ディーゼルエンジンの冷却水温が所定の温度に達するまでの期間である、ディーゼルエンジン。
【請求項６】
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であって、
前記早期暖機期間は、前記触媒の温度が所定の温度に達するまでの期間である、ディーゼルエンジン。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載のディーゼルエンジンであって、
前記第２の暖機運転モードは、前記ディーゼルエンジンへの要求負荷が所定値よりも低いことを含む所定の運転条件を満たしたときに実行される、ディーゼルエンジン。
【請求項８】
請求項７記載のディーゼルエンジンであって、
前記第２の暖機運転モードは、低温燃焼モードである、ディーゼルエンジン。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載のディーゼルエンジンであって、
前記制御部は、前記第１の暖機運転モードにおいて、
（ｉ）燃料噴射をパイロット噴射とメイン噴射とに分割して行うように前記燃料噴射装置を制御し、
（ｉｉ）前記パイロット噴射の噴射量割合を、前記通常の運転モードにおいて実行されるパイロット噴射の噴射量割合よりも高い値に設定するとともに、
（ｉｉｉ）前記メイン噴射の噴射時期を、前記通常の運転状態において実行されるメイン噴射の噴射量時期よりも遅い時点に設定する、
ディーゼルエンジン。
【請求項１０】
請求項９記載のディーゼルエンジンであって、
前記第１の暖機運転モードにおける前記パイロット噴射の噴射量割合は、前記通常の運転モードにおいて実行されるパイロット噴射の噴射量割合の約２倍ないし約５倍の範囲の値である、ディーゼルエンジン。
【請求項１１】
請求項９または１０記載のディーゼルエンジンであって、
前記第１の暖機運転モードにおける前記パイロット噴射の噴射時期は圧縮上死点手前に設定されており、前記メイン噴射の噴射時期は圧縮上死点以降に設定されている、ディーゼルエンジン。
【請求項１２】
請求項９ないし１１のいずれかに記載のディーゼルエンジンであって、さらに、
前記触媒の床温を実質的に示す温度を検出するための温度検出部を備えており、
前記制御部は、前記触媒の床温に応じて、前記第１の暖機運転モードにおける前記パイロット噴射の噴射割合と前記メイン噴射の時期とを調整する、ディーゼルエンジン。
【請求項１３】
請求項９ないし１１のいずれかに記載のディーゼルエンジンであって、さらに、
前記燃焼室の冷却水温を実質的に示す温度を検出するための温度検出部を備えており、
前記制御部は、前記冷却水温に応じて、前記第１の暖機運転モードにおける前記パイロット噴射の噴射割合と前記メイン噴射の時期とを調整する、ディーゼルエンジン。
【請求項１４】
請求項９記載のディーゼルエンジンであって、
前記第１の暖機運転モードにおける前記パイロット噴射の噴射量割合と前記メイン噴射の噴射時期は、前記メイン噴射が失火限界直前の時期に相当するように設定されている、ディーゼルエンジン。
【請求項１５】
請求項１４記載のディーゼルエンジンであって、
前記失火限界直前の時期は、失火限界から失火限界の手前約２°までのクランク角度の範囲である、ディーゼルエンジン。
【請求項１６】
請求項１４または１５記載のディーゼルエンジンであって、さらに、
前記燃焼室からの排気ガスを前記燃焼室への吸気流路に還流するためのＥＧＲ装置と、
前記燃焼室の吸気ポートに設けられたグロープラグと、
を備えており、
前記制御部は、前記第１の暖機運転モードにおいて、
（ａ）前記ＥＧＲ装置による排気ガスの還流を停止するＥＧＲカット運転と、
（ｂ）前記グロープラグによる継続的な吸気加熱運転と、
（ｃ）前記ディーゼルエンジンのアイドル回転数を前記通常の運転モードにおけるアイドル回転数よりも上昇させるアイドル回転数上昇運転と、
のうちの少なくとも１つを実行する、ディーゼルエンジン。
【請求項１７】
請求項９ないし１６のいずれかに記載のディーゼルエンジンであって、さらに、
前記燃焼室からの排気ガスのエネルギを用いて前記燃焼室に供給される吸気を圧縮する過給機を備え、
前記過給機は、前記過給機に供給される排気の作動圧を調整することによって、前記吸気の過給圧を調整可能な可変型過給機であり、
前記制御部は、前記第１の暖機運転モードにおいて、前記可変型過給機の排気の作動圧を前記通常の運転モードにおける作動圧よりも高めることを特徴とするディーゼルエンジン。
【請求項１８】
請求項１７記載のディーゼルエンジンであって、さらに、
前記燃焼室への吸気流路を絞るための吸気絞り弁を備え、
前記制御部は、前記第１の暖機運転モードにおいて、さらに、前記吸気絞り弁の絞り量を前記通常の運転モードにおける絞り量よりも増加させる、ディーゼルエンジン。
【請求項１９】
請求項１７記載のディーゼルエンジンであって、さらに、
前記燃焼室への吸気流路を絞るための吸気絞り弁を備え、
前記制御部は、前記第１の暖機運転モードにおいて、前記吸気絞り弁を連続的に開閉させることを特徴とするディーゼルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ディーゼルエンジンにおける触媒の暖機技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンには、排気ガスを浄化するために触媒が用いられるのが普通である。このような触媒は、一定の温度以上にならないと浄化機能を発揮することができない。そこで、通常は、ディーゼルエンジンの始動時に、触媒の床温を上昇させるための暖機運転が行われる。
【０００３】
ディーゼルエンジンにおける触媒の暖機運転の技術としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。この技術では、通常の第１のＥＧＲ通路とは別に、触媒昇温用の第２のＥＧＲ通路を設けている。この第１のＥＧＲ通路は、触媒の上流側から吸気側に排気ガスを還流させるものであり、一方、第２のＥＧＲ通路は、触媒の下流側から吸気側に排気ガスを還流させるものである。触媒が低温である場合には、第２のＥＧＲ通路を用いて触媒の下流側から排気ガスを還流させることによって、エンジンから排出される排気ガスの全量を触媒に流すようにして、触媒の温度上昇を早めている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１ー２２９９７３号公報
【特許文献２】特開平５−４４４８号公報
【特許文献３】特開平１０−２７４０８６号公報
【特許文献４】特開平１０−２７４０８７号公報
【特許文献５】特許第３０９２５６９号公報
【特許文献６】特許第３３３１９３５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、触媒の暖機を行った後で直ちに通常の運転を実行すると、大量の排気によって触媒が冷却されてしまい、触媒の活性が低下してしまう場合があった。そこで、従来から、触媒の暖機を促進し、その活性を維持することのできる技術が望まれていた。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、触媒の暖機を促進し、その活性を維持することのできる技術を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明のディーゼルエンジンは、
燃焼室と、
前記燃焼室に燃料を噴射するための燃料噴射装置と、
前記燃焼室からの排気ガスを浄化するための触媒と、
前記燃料噴射装置を含む前記ディーゼルエンジンの複数の装置を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記触媒の暖機および活性維持のために、前記ディーゼルエンジンの始動後の早期暖気期間において第１の暖機運転モードを実行するとともに、前記早期暖機期間後の後期暖気期間において第２の暖機運転モードを実行し、
前記第１の暖機運転モードは、前記触媒を流れる排気ガスのエネルギが、前記後期暖機期間後における前記ディーゼルエンジンの通常の運転モードにおいて前記触媒を流れる排気ガスのエネルギよりも高いモードであり、
前記第２の暖機運転モードは、前記触媒を流れる排気ガスの温度が、前記通常の運転モードにおいて前記触媒を流れる排気ガスの温度よりも高い運転モードである。
【０００８】
早期暖機期間では、触媒を流れる排気ガスのエネルギが通常の運転モードよりも高いので、触媒を素早く活性化することができる。また、後期暖機期間では、触媒を流れる排気ガスの温度が通常の運転モードよりも高いので、触媒を過度に冷却することなく、その活性を維持することができる。
【０００９】
前記第２の暖機運転モードは、前記第１の暖機運転モードおよび前記通常の運転モードのいずれよりも前記触媒を流れる排気ガスの流量が少ないモードであるとしてもよい。
【００１０】
触媒を流れる排気ガスの流量が少ないモードでは、排気ガス温度が多少低い場合にも触媒を冷却する効果が少ないので、触媒の活性を維持することが可能である。
【００１１】
また、前記第２の暖機運転モードは、前記第１の暖機運転モードおよび前記通常の運転モードのいずれよりも前記燃焼室における空気過剰率が小さい運転モードであるとしてもよい。
【００１２】
空気過剰率が小さい運転モードでは、排気ガス温度が高いので、触媒の活性を効率良く維持することができる。
【００１３】
前記第２の暖機運転モードは、前記第１の暖機運転モードよりも燃料効率が高く、前記通常の運転モードよりも燃料効率が低いモードであるとしてもよい。
【００１４】
この構成によれば、燃料効率をあまり悪化させずに、触媒の活性を維持することができる。
【００１５】
前記早期暖機期間は、前記ディーゼルエンジンの冷却水温が所定の温度に達するまでの期間であるとしてもよい。
【００１６】
あるいは、前記早期暖機期間は、前記触媒の温度が所定の温度に達するまでの期間であるとしてもよい。
【００１７】
これらの構成によれば、早期暖機期間において触媒を十分に活性させることができる。
【００１８】
前記第２の暖機運転モードは、前記ディーゼルエンジンへの要求負荷が所定値よりも低いことを含む所定の運転条件を満たしたときに実行されるものとしてもよい。
【００１９】
この構成では、後期暖機期間において、比較的低負荷の場合にのみ第２の暖機運転モードが実行されるので、エンジンの運転性能や燃料効率を過度に犠牲にすることなく、触媒の活性を維持することができる。
【００２０】
なお、前記第２の暖機運転モードは、低温燃焼モードであるとしてもよい。
【００２１】
低温燃焼モードでは、通常運転モードに比べて燃焼排ガスがより少なく、燃焼排ガス温度がより高くなる傾向にある。したがって、第２の暖機運転モードとして低温燃焼モードを採用すれば、触媒の活性を維持することができる。
【００２２】
前記制御部は、前記第１の暖機運転モードにおいて、（ｉ）燃料噴射をパイロット噴射とメイン噴射とに分割して行うように前記燃料噴射装置を制御し、（ｉｉ）前記パイロット噴射の噴射量割合を、前記通常の運転モードにおいて実行されるパイロット噴射の噴射量割合よりも高い値に設定するとともに、（ｉｉｉ）前記メイン噴射の噴射時期を、前記通常の運転モードにおいて実行されるメイン噴射の噴射量時期よりも遅い時点に設定するようにすることが好ましい。
【００２３】
この構成では、早期暖機期間の第１の暖機運転モードにおいてパイロット噴射の噴射量割合を高い値に設定しているので、メイン噴射前に燃焼室の温度と圧力を十分に高めることができる。この結果、メイン噴射で噴射された燃料を十分に燃焼させてＨＣ濃度を抑制することができ、また、排気エネルギを増大させるためにメイン噴射の噴射時期を遅角させても、失火せずにエンジンを運転することができる。この結果、排気ガス中のＨＣ濃度を抑制しつつ、触媒の暖機を促進することができる。
【００２４】
なお、前記第１の暖機運転モードにおける前記パイロット噴射の噴射量割合は、前記通常の運転モードにおいて実行されるパイロット噴射の噴射量割合の約２倍ないし約５倍の範囲の値であることが好ましい。
【００２５】
パイロット噴射の噴射割合をこの範囲の値に設定すれば、排気エネルギが十分に高くなる程度にメイン噴射の噴射時期を十分に遅く設定することが可能である。
【００２６】
なお、前記第１の暖機運転モードの前記パイロット噴射の噴射時期は圧縮上死点手前に設定されており、前記メイン噴射の噴射時期は圧縮上死点以降に設定されていることが好ましい。
【００２７】
この構成によれば、パイロット噴射を圧縮上死点手前に設定することによって、メイン噴射前に燃焼室内の温度や圧力を十分に高めることができ、また、メイン噴射を圧縮上死点以降に設定することによって、排気エネルギを高めることができる。
【００２８】
上記ディーゼルエンジンは、さらに、前記触媒の床温を実質的に示す温度を検出するための温度検出部を備えており、前記制御部は、前記触媒の床温に応じて、前記第１の暖機運転モードにおける前記パイロット噴射の噴射割合と前記メイン噴射の時期とを調整するようにしてもよい。
【００２９】
あるいは、上記ディーゼルエンジンは、さらに、前記燃焼室の冷却水温を実質的に示す温度を検出するための温度検出部を備えており、前記制御部は、前記冷却水温に応じて、前記第１の暖機運転モードにおける前記パイロット噴射の噴射割合と前記メイン噴射の時期とを調整するようにしてもよい。
【００３０】
これらの構成によれば、暖機状態に応じた適切な燃料噴射状態を設定することができ、これによって触媒の暖機をさらに効率よく促進することが可能である。
【００３１】
なお、前記第１の暖機運転モードにおける前記パイロット噴射の噴射量割合と前記メイン噴射の噴射時期は、前記メイン噴射が失火限界直前の時期に相当するように設定されていてもよい。
【００３２】
メイン噴射時期を失火限界直前に設定すれば、失火させることなく、かつ、排気エネルギを可能な限り高めることができる。従って、触媒の暖機をより促進することが可能である。
【００３３】
前記失火限界直前の時期は、失火限界から失火限界の手前約２°までのクランク角度の範囲であることが好ましい。
【００３４】
この範囲では、排気エネルギを十分に高めることが可能である。
【００３５】
上記ディーゼルエンジンは、さらに、前記燃焼室からの排気ガスを前記燃焼室への吸気流路に還流するためのＥＧＲ装置と、前記燃焼室の吸気ポートに設けられたグロープラグと、を備えており、前記制御部は、前記第１の暖機運転モードにおいて、（ａ）前記ＥＧＲ装置による排気ガスの還流を停止するＥＧＲカット運転と、（ｂ）前記グロープラグによる継続的な吸気加熱運転と、（ｃ）前記ディーゼルエンジンのアイドル回転数を前記通常の運転モードにおけるアイドル回転数よりも上昇させるアイドル回転数上昇運転と、のうちの少なくとも１つを実行するようにしてもよい。
【００３６】
これらの３種類の運転は、いずれも排気エネルギの上昇に寄与するので、触媒の暖機をより促進することが可能である。
【００３７】
上記ディーゼルエンジンは、さらに、前記燃焼室からの排気ガスのエネルギを用いて前記燃焼室に供給される吸気を圧縮する過給機を備え、前記過給機は、前記過給機に供給される排気の作動圧を調整することによって、前記吸気の過給圧を調整可能な可変型過給機としてもよい。このとき、前記制御部は、前記第１の暖機運転モードにおいて、前記可変型過給機の排気の作動圧を前記通常の運転モードにおける作動圧よりも高めるようにしてもよい。
【００３８】
可変型過給機の排気の作動圧を高めると、ポンプ損失が増加して排気エネルギが増大する。この結果、ＨＣ濃度を増加させることなく触媒の暖機を促進することが可能である。
【００３９】
上記ディーゼルエンジンは、さらに、前記燃焼室への吸気流路を絞るための吸気絞り弁を備え、前記制御部は、前記第１の暖機運転モードにおいて、さらに、前記吸気絞り弁の絞り量を前記通常の運転モードにおける絞り量よりも増加させるようにしてもよい。
【００４０】
吸気絞り量を増加させるとポンプ損失が増加するので、排気エネルギが増大する。また、吸気を絞ると吸気量が低下するので、排気温度が上昇する。この結果、ＨＣ濃度を増加させることなく触媒の暖機をさらに促進することが可能である。
【００４１】
上記ディーゼルエンジンは、さらに、前記燃焼室への吸気流路を絞るための吸気絞り弁を備え、前記制御部は、前記第１の暖機運転モードにおいて、前記吸気絞り弁を連続的に開閉させるようにしてもよい。
【００４２】
このディーゼルエンジンでは、吸気絞り弁を連続的に開閉させるので、その機械的エネルギによって排気エネルギを増大させることができる。この結果、ＨＣ濃度を増加させることなく触媒の暖機を促進することが可能である。
【００４３】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、ディーゼルエンジン（圧縮着火型内燃機関）、ディーゼルエンジンの触媒の暖機制御装置またはその方法、ディーゼルエンジンを用いた車両または移動体、等の態様で実現することができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の構成と動作の概要：
Ｂ．エンジン始動時の触媒の暖機促進と活性維持の考え方：
Ｃ．暖機制御の第１実施例：
Ｄ．暖機制御の第２実施例：
Ｅ．暖機制御の第３実施例：
Ｆ．暖機制御の第４実施例：
Ｇ．変形例
【００４５】
Ａ．装置の構成と動作の概要：
図１は、本発明の実施例によるディーゼルエンジン１０の概略構成を示す説明図である。このディーゼルエンジン１０は、いわゆる４気筒エンジンであり、４つの燃焼室＃１〜＃４を有している。各燃焼室には、吸気管１２を介して空気が供給される。燃料噴射装置は、燃料ポンプ１８とコモンレール１９と燃料噴射弁１４とを備えている。燃料は、燃料ポンプ１８によって昇圧され、コモンレール１９を介して各燃焼室の燃料噴射弁１４に分配される。燃料噴射弁１４は、制御ユニット３０によって制御されて、適切な噴射時期および噴射量で各燃焼室内に燃料を噴射する。燃焼によって生成された排気ガスは、排気管１６に排出される。なお、本実施例のディーゼルエンジン１０は、車両の駆動力を発生するための原動機として使用されている。
【００４６】
このエンジン１０には、過給機２０が設けられている。過給機２０は、排気管１６内に設けられたタービン２１と、吸気管１２内に設けられたコンプレッサ２２と、両者をつなぐシャフト２３と、タービン２１の入口ノズル２５の開口面積を調節するためのアクチュエータ２６とを備えている。燃焼室から排出された燃焼排ガスが過給機２０のタービン２１を回すと、シャフト２３を介してコンプレッサ２２が回転し、空気を圧縮して各燃焼室内に供給する。なお、この過給機２０は、アクチュエータ２６によって排気の駆動圧を変更可能な可変型過給機であり、一般に、可変ノズルターボ（ＶＮＴ）あるいは可変容量ターボと呼ばれているものである。
【００４７】
コンプレッサ２２の上流側にはエアクリーナ（図示せず）が設けられている。コンプレッサ２２はエアクリーナを介して取り入れた空気を圧縮して各燃焼室に供給する。また、コンプレッサ２２の下流側にはインタークーラ２４が設けられている。コンプレッサ２２で圧縮された空気は、インタークーラ２４で冷却された後に各燃焼室に供給される。インタークーラ２４の下流側には、スロットル弁２８（吸気絞り弁）が設けられている。
【００４８】
タービン２１の下流側の排気管１６内には、メイン触媒４０が設けられている。メイン触媒４０としては、例えば、燃焼排ガス中に含まれる煤やＳＯＦ（Ｓｏｌｕｂｌｅ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｆｒａｃｔｉｏｎ）などの粒子状物質と、ＮＯｘとの両方を除去可能な触媒であるＮＯｘ吸蔵還元型触媒が利用される。
【００４９】
ＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、燃焼室で燃焼反応が進行する際の空燃比が理論空燃比よりも薄い場合（いわゆるリーンな場合）には、ＮＯｘを蓄積する。また、上記空燃比が理論空燃比よりも濃い場合（いわゆるリッチな場合）あるいは理論空燃比の場合（いわゆるストイキオメトリの場合）には、蓄積したＮＯｘを放出する。このような動作によって、燃焼排ガス中のＮＯｘが浄化される。また、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒は、酸化触媒としての活性も備えている。燃焼排ガス中の煤およびＳＯＦが上記触媒上で酸化されることによって、燃焼排ガスが浄化される。
【００５０】
排気管１６と吸気管１２とはＥＧＲ流路６０でつながっており、このＥＧＲ流路６０を介して燃焼排ガスの一部を吸気管１２に還流可能である。吸気管１２に還流する排ガス量は、ＥＧＲ弁６２とスロットル弁２８の開度とを調節することによって制御される。ＥＧＲ流路６０にはさらにＥＧＲクーラ６４が設けられており、このＥＧＲクーラ６４によって、吸気管１２内に導入するのに先立って燃焼排ガスが冷却される。また、ＥＧＲクーラ６４の上流側には、ＥＧＲ触媒６６が設けられている。ＥＧＲ触媒６６は、酸化触媒を備えており、吸気管１２内に導入される燃焼排ガス中のＳＯＦなどの粒子状物質を酸化して除去する。なお、ＥＧＲ触媒６６は省略してもよい。
【００５１】
制御ユニット３０は、エンジン回転数Ｎｅと、アクセルの踏み込み量Ｌと、エンジン冷却水温Ｔｅｎとをそれぞれ検出するためのセンサからの測定値を受け取り、これらの測定値に応じて燃料ポンプ１８や、燃料噴射弁１４、ＥＧＲ弁６２、スロットル弁２８等を制御する。センサとしては、これら以外にも種々のセンサが設けられている。例えば、コモンレール１９には、燃料の圧力を検出するための圧力センサ５０が設けられている。また、吸気管１２のコンプレッサ２２の上流側には、吸気量を検出するためのエアフロメータ５２が設けられている。排気管１６には、空燃比を検出するための空燃比センサ７２が設けられている。さらに、メイン触媒４０には、触媒床温を検出するための温度センサ４２が設けられている。
【００５２】
図２は、ＥＧＲ率（［ＥＧＲガス量］／［ＥＧＲガス量＋吸入空気量］）を次第に増加させていったときに、燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度、スモーク、ＣＯ（一酸化炭素）濃度、ＨＣ（未燃炭化水素系化合物）濃度が変化する様子を概念的に示した説明図である。図２の例において、燃焼噴射時期は一定とされている。ここで、スモークとは、排気ガス中の煤などの含炭素浮遊微粒子の濃度を表す指標であり、スモークメータと呼ばれる専用の測定装置によって計測される。排気ガスに煤などの含炭素浮遊微粒子が全く含まれていない場合にはスモークの値は０であり、微粒子の濃度が大きくなるほどスモークの値が大きくなる。図２の例では、ＥＧＲ率が４０％を越えるあたりから、スモークの値が増加し始めるが、ＥＧＲ率をさらに増加させて約６０％を越えるとスモークがほとんど発生しなくなる。また、ＥＧＲ率を大きくするほどＮＯｘ濃度は減少する。すなわち、ＥＧＲ率を十分に大きくすると、ＮＯｘの排出量をほとんど０（高々１０ｐｐｍ程度）にするとともに、スモークもほとんど０にすることができる。本明細書においては、ＥＧＲ率を６０％以上の値に設定してスモークおよびＮＯｘ濃度を低減する燃焼モードを、「低温燃焼」と呼ぶ。また、低温燃焼よりも低いＥＧＲ率で行われる通常の燃焼モードを、「通常燃焼」と呼ぶ。通常燃焼では、ＥＧＲ率は５０％以下に抑えられている。「低温燃焼」という名称は、この燃焼モードにおいては、ＥＧＲガスの働きによって燃焼室内の局所的な燃焼温度が通常よりもかなり低い温度に抑えられていることに由来している。局所的な燃焼温度が低いと、スモークとＮＯｘの発生量が低減される傾向にあることが知られている。なお、低温燃焼については、例えば本出願人により開示された特許第３０９２５６９号に詳述されている。
【００５３】
図２の最上部に示すように、空燃比はＥＧＲ率の増大に伴って減少する。一回の吸気工程で燃焼室内に供給される吸気量（吸入空気量とＥＧＲガス量との和）が一定とすれば、ＥＧＲガス量が多くなるほど空気の吸入量は減少する。ＥＧＲガス中の酸素濃度は、通常の空気の酸素濃度より低いので、ＥＧＲガス量が増加するほど、すなわちＥＧＲ率が大きくなるほど、空燃比がリッチ側に近づいていく。図２に示されているように、低温燃焼ではＥＧＲ率が通常燃焼よりも高いので、空燃比は通常燃焼に比べてリッチ側にシフトしている。
【００５４】
ディーゼルエンジンの燃焼は、通常は、リーン空燃比の下で行われる。ＥＧＲを行なう場合にも、通常燃焼では、空燃比はリーンに保たれる。さらにＥＧＲガス量を増加させると、空燃比が理論空燃比（ストイキオメトリ）となる条件で燃焼を行なうことができる。空燃比は厳密には燃料の組成にも依存するが、理論空燃比は、ほとんどの燃料で１４．７〜１４．８付近の値をとる。理論空燃比の状態よりもＥＧＲガス量をさらに増加させると、空燃比はリッチとなる。
【００５５】
図３は、ＥＧＲ率を変えて空燃比（Ａ／Ｆ）を変化させたときの各種の燃焼関連特性（燃焼排ガス中のスモーク量、ディーゼルエンジンの燃費、触媒床温、および触媒入りガス温度）が変化する様子を概念的に示した説明図である。ここで、触媒床温および触媒入りガス温度とは、それぞれ、図１のメイン触媒４０における触媒床温と、この触媒に流入する燃焼排ガス温度を表わす。図３に示すように、低温燃焼は、理論空燃比よりもリーン側で行なうリーン低温燃焼と、理論空燃比よりもリッチ側で行なうリッチ低温燃焼に区分される。
【００５６】
リーン低温燃焼は、スモークを充分に抑えることができると共に、通常燃焼と比較しても充分に許容できる程度に優れた燃費を示す。なお、リーン低温燃焼を行なうときには、図２に示したように、通常燃焼に比べて燃焼排ガス中のＨＣ濃度およびＣＯ濃度が高くなる。しかしながら、低温燃焼では、通常燃焼に比べて、燃焼排ガスがより少なく、燃焼排ガス温度がより高くなる傾向にある。したがって、低温燃焼を行なうときには、触媒床温をより高く維持することができる（図３）。このように触媒床温が高く保たれることにより、外部に排出される排ガス中のＨＣ濃度およびＣＯ濃度を容易に低減することができる。このように、リーン低温燃焼は、メイン触媒４０と組み合わせることにより、極めてクリーンな排ガスを排出することができる優れた燃焼モードである。
【００５７】
低温燃焼は、上述したように、多量のＥＧＲガスを環流させて燃焼温度を低下させる燃焼モードである。したがって、低温燃焼を採用可能なのは、実質的には低負荷時に限られることになる。すなわち、エンジンをより高い負荷で運転するためには、燃料の噴射量と吸入する空気量とを増加する必要がある。ここで、１回の吸気で燃焼室内に吸入する空気量と、吸気側への排気ガスの還流量との合計値は、原則として変わらないので、空気量が増加すれば排気ガスの還流量がその分だけ減少する。そのため、負荷が高いときには、ＥＧＲ率を低温燃焼が成立する程に高い値に維持できないことになる。従って、中高負荷時には、通常燃焼が行われる。中高負荷時に通常燃焼を行なうことで発生するＮＯｘは、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒であるメイン触媒に吸蔵される。こうして吸蔵されたＮＯｘは、低負荷の下で低温燃焼が実行される際に排出されるＨＣやＣＯによって還元される。
【００５８】
図４は、低温燃焼運転領域と通常燃焼運転領域とを示すグラフである。図４に示すように、エンジン運転条件が比較的低出力の領域Ｒ１にある場合は低温燃焼を行うことが可能であり、比較的高出力の領域Ｒ２にある場合は通常燃焼が行われる。但し、低温燃焼運転領域において通常燃焼を実行することも可能である。従って、低温燃焼運転領域では、必要に応じて低温燃焼と通常燃焼のいずれかが選択される。より具体的には、エンジン回転速度とエンジンの要求トルクとをパラメータとして、制御の目標とする排気ガス空燃比を設定したマップを、低温燃焼用のマップと、通常燃焼用のマップとしてそれぞれ記憶しておき、選択された燃焼モードにおいて、排気管１６に装着した空燃比センサ７２の検出する空燃比が目標空燃比となるように制御する。このようなマップは、制御ユニット３０のＲＯＭ（図示せず）に記憶されている。
【００５９】
なお、リッチ低温燃焼は、図３に示したように燃費が悪化する燃焼モードであるため通常は用いないが、図３に示すように触媒床温を上昇させることができるため、触媒の再生のために短時間行なわれるのが普通である。すなわち、通常燃焼を継続する場合には、燃焼排ガス温度が低いために触媒床温が次第に低下し、触媒活性が低下するおそれがあるので、このような場合に短時間リッチ低温燃焼を行なうと、触媒床温を上昇させて触媒活性を回復させることができる。
【００６０】
Ｂ．エンジン始動時の触媒の暖機促進と活性維持の考え方：
触媒４０の暖機は、触媒４０を通過する排気ガスの熱によって行われる。ここで、触媒４０内の排気ガスの流れとして円管内乱流モデルを採用すると、排気ガスから触媒４０への伝熱量Ｑは、以下の（１）式で与えられる。
【００６１】
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ここで、Ｃ１，Ｃ２は定数、Ｒｅはレイノズル数、Ｐｒはプラントル数、Ｔｇは排気ガスの温度、Ｔｃは触媒の温度、Ｖは排気ガスの流量である。なお、プラントル数は流体の物性値だけで決まるので、定数Ｃ２で代表されている。また、レイノルズ数Ｒｅは、排気ガスの流量Ｖに比例する。
【００６２】
伝熱量Ｑが多いほど、触媒４０の暖機が促進される。従って、触媒４０の暖機を促進するためには、次の２つの手段を採用することが可能である。
（ａ）排気ガスの温度Ｔｇを上昇させる。
（ｂ）排気ガスの流量Ｖを増大させる。
【００６３】
以下に説明する各種の実施例は、これらの２つの手段の少なくとも一方を利用して触媒４０の暖機を促進する。また、触媒４０が活性温度まで達した後も、しばらくの間は活性を維持するための運転を実行する。この触媒活性維持のための運転では、排気ガスの温度Ｔｇを上昇させる手段が利用される。
【００６４】
図５は、本発明の実施例における触媒暖機の概要を示している。横軸は、始動時（コールドスタート）からの経過時間であり、縦軸は車速と触媒床温である。グラフの上部に示されているように、暖機期間は、早期暖機期間（早期暖機フェーズ）と後期暖機期間（後期暖機フェーズ）とに分かれている。この例における車速の変化は、所定の車両性能テストパターンに適合するものである。
【００６５】
早期暖機期間ｔ０〜ｔ１は、触媒床温を常温から活性温度（例えば約２５０℃）まで上昇させるための期間である。この早期暖機期間では、触媒暖機促進運転モード（後述する）が実行され、これによって、早期暖機期間の終了時には触媒床温が活性温度に達する。後期暖機期間ｔ１〜ｔ２は、触媒床温を活性温度以上に維持するための期間である。この後期暖機期間では、エンジンへの要求負荷が所定値よりも低いことを含む所定の運転条件を満たしたときに、触媒活性維持運転モード（後述する）が実行される。図５の例では、図の上部に示すように、触媒活性維持運転モードは、エンジンの要求負荷が低く回転数がほぼ一定である運転条件（具体的には、定速走行時とアイドリング時）に触媒活性維持運転モードが実行されている。
【００６６】
後期暖機期間の後（時刻ｔ２以降）は、通常の運転が行われる。後期暖機期間の終了時には、触媒床温が十分に上昇しており、また、エンジンの冷却水や排気経路なども十分に昇温している。従って、触媒暖機促進運転モードや触媒活性時運転モードを行わずに、通常の運転を行っても触媒床温を活性温度以上に維持することが可能である。なお、本明細書において、後期暖機期間後において通常行われる運転モードを「通常運転モード」と呼ぶ。また、早期暖機期間と後期暖機期間とをまとめて単に「暖機期間」と呼ぶことがある。
【００６７】
早期暖機期間中における触媒暖機促進運転モードとしては、暖機期間後の通常運転モードに比べて触媒を流れる排気のエネルギがより高い運転モードを採用することができる。ここで、「通常運転モードに比べて」という文言は、「通常運転モードとほぼ同じエンジン負荷および回転数の場合と比べて」、という意味である。触媒暖機促進運転モードの具体例については後に詳述する。後期暖機期間中における触媒活性維持運転モードとしては、暖機期間後の通常運転モードに比べて触媒を流れる排気の温度がより高い運転モードを採用することができる。例えば、触媒活性維持運転モードとして、図２、図３で説明した低温燃焼を採用することができる。
【００６８】
触媒活性維持運転モードにおいて排気ガス温度を高めるためには、一般に、通常運転モードよりも空気過剰率を低下（すなわち空燃比を低下）させれば良い。特に、触媒活性維持運転モードとして、通常運転モードと触媒暖機促進運転モードのいずれよりも空気過剰率を低下させることが好ましい。この理由は、空気過剰率が高いと多量の空気によって排気温度が低下してしまい、逆に、空気過剰率を低くすれば排気温度を高められるからである。図３に示したように、低温燃焼は空燃比がかなり低く、排気温度が通常運転モードよりも高くなるので、触媒活性維持運転モードとして採用することができる。また、触媒活性維持運転モードとして低温燃焼以外の燃焼モードを採用し、その際、空気過剰率を暖機期間後の通常運転モードよりも低下させることによって、排気温度を高めることが可能である。空気過剰率を低下させる手段としては、スロットル弁２８（図１）の開度の低下や、ＥＧＲ率の上昇があり、これらの２つを同時に採用することも可能である。
【００６９】
また、触媒活性維持運転モードとしては、通常運転モードよりも触媒を流れる排気ガス量を低下させるモードを採用することも可能である。特に、触媒活性維持運転モードとして、通常運転モードと触媒暖機促進運転モードのいずれよりも触媒を流れる排気ガス量を低下させることが好ましい。こうすれば、多量の排気によって触媒を冷却してしまうことを防止することができるので、触媒の活性を維持することが可能である。排気ガス量を低下させる手段としては、スロットル弁２８の開度の低下や、ＥＧＲ率の増大を利用することができる。
【００７０】
なお、触媒活性維持運転モードは、触媒４０の活性温度を維持することを意図しているので、触媒暖機促進運転モードよりも触媒４０に与えるエネルギは少なくて良い。従って、触媒活性維持運転モードは、通常運転モードよりも燃費は多少悪化するが、触媒暖機促進運転モードよりも燃費が良好な（燃料効率の良い）運転モードとすることが好ましい。
【００７１】
Ｃ．暖機制御の第１実施例：
図６は、暖機制御の第１実施例におけるディーゼルエンジン１０の運転状態を示す説明図である。図５の横軸は始動（コールドスタート）からの時間であり、縦軸は、上から順に、エンジン冷却水温、燃料噴射時期、および、ＥＧＲ率である。時刻ｔ０でエンジンが始動すると、エンジン冷却水温が所定の温度ＣＡＴｏｎに到達する時刻ｔ１までの早期暖機期間では、触媒４０を暖機するための触媒暖機促進運転（触媒暖機用燃焼）が行われる。なお、早期暖機期間は、エンジン冷却水温が所定の温度ＣＡＴｏｎに達するまでの期間として設定される。あるいは、触媒床温が所定の温度に達するまでの期間してもよい。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの後期暖機期間では、触媒活性維持運転モードと通常運転モードとが行われる。本実施例では、触媒活性維持運転モードでは、図２、図３で説明した低温燃焼が行われ、通常運転モードでは通常燃焼が行われる。時刻ｔ２以降は、暖機後の通常の運転モード（通常燃焼）が行われる。なお、図６では、後期暖機期間ｔ１〜ｔ２における低温燃焼と通常燃焼の期間は、図示の便宜上、簡略化されて描かれている。
【００７２】
早期暖機期間ｔ０〜ｔ１中においては、燃料噴射は、パイロット噴射とメイン噴射とに分割して行なわれる。パイロット噴射の噴射量は、１燃焼サイクルの全噴射量の約３０％に設定されており、メイン噴射の噴射量は約７０％に設定されている。また、パイロット噴射の噴射時期は、圧縮上死点ＴＤＣの約１０°手前（すなわちＴＤＣ−約１０°）であり、メイン噴射の噴射時期は圧縮上死点ＴＤＣの約１０°後ろ（すなわちＴＤＣ＋約１０°）に設定されている。なお、本明細書において、「噴射時期」とは噴射開始時期を意味する。暖機期間中における噴射量や噴射時期の設定値の意味については後述する。
【００７３】
早期暖機期間中は、ＥＧＲ率が０に設定されている。すなわち、ＥＧＲ弁６２が閉鎖されており、燃焼排ガスの還流がカットされている。この理由は、早期暖機期間中にＥＧＲを行うと、ＥＧＲクーラ６４（図１）によって排気温度が低下してしまうので、却って暖機が抑制される可能性があるからである。これから理解できるように、暖機期間中のＥＧＲカット運転は、上述した（１）式における排気ガスの温度Ｔｇを上昇させる手段として使用することができる。但し、暖機期間中に、ある程度のＥＧＲを行うようにしても良い。例えば、加速中はＥＧＲ率を１０〜２０％に設定しても良い。ＥＧＲ率をこのような低い値に設定することによって、触媒４０の暖機を促進するとともに、ＥＧＲカットによるＮＯｘの過度の増加を防止することができる。
【００７４】
後期暖機期間ｔ１〜ｔ２では、比較的低負荷の運転条件において低温燃焼が行われ、比較的高負荷の運転条件では通常燃焼が行われる。図３で説明したように、低温燃焼は、通常燃焼に比べて触媒入ガス温度が高いので、触媒４０の活性を維持することができる。また、触媒４０は早期暖機期間中に活性温度に達しているので、後期暖機期間において低温燃焼（触媒活性維持運転）を継続的に行う必要はなく、間欠的に低温燃焼を行えば十分である。これに対して、早期暖機期間ｔ０〜ｔ１では、エンジンの負荷に拘わらず、触媒暖機促進運転を継続的に行うことが好ましい。なお、後期暖機期間の終了時期は、単に後期暖機期間の時間を計測して決定することができる。あるいは、触媒床温やエンジン冷却水温が所定の値に達したときに後期暖機期間を終了させるようにしてもよい。
【００７５】
後期暖機期間中の通常燃焼の際にも、早期暖機期間中の触媒暖機用燃焼と同様に、パイロット噴射とメイン噴射とが行われる。但し、通常燃焼時には、パイロット噴射の噴射量は、１燃焼サイクルの全噴射量の約１０％に設定され、メイン噴射の噴射量は約９０％に設定される。また、パイロット噴射の噴射時期は、（ＴＤＣ−約１５°）であり、メイン噴射の噴射時期は（ＴＤＣ＋約５°）である。時刻ｔ２以降の通常運転モードでは、後期暖機期間中と同じ通常燃焼が行われる。
【００７６】
図７（Ａ）は、早期暖機期間中の燃焼室内の圧力変化を示しており、図７（Ｂ）は熱発生量の変化を示している。図７（Ａ），（Ｂ）の横軸はクランク角度θである。早期暖機期間中においては、パイロット噴射もメイン噴射も圧縮上死点ＴＤＣから離れた時点で行われるので、圧縮上死点ＴＤＣ付近における圧力上昇率は低い。このため、いわゆる等容度が低下する。ディーゼルエンジンでは、一般に、等容度が低下すると熱効率が低下し、排気エネルギが増加することが知られている。具体的には、パイロット噴射された燃料は、圧縮上死点ＴＤＣ前に燃焼して熱を発生するが、この熱はほとんど外部に対して仕事をせず、燃焼室内の温度・圧力の上昇に利用される。メイン噴射も、圧縮上死点ＴＤＣからかなり離れた時点で行われるので、その熱発生量のかなりの部分が排気の温度上昇に利用される。
【００７７】
早期暖機期間中のパイロット噴射およびメイン噴射の噴射時期と噴射量とは、以下のような事項を考慮して決定されている。排気エネルギを増加させるためには、メイン噴射を圧縮上死点ＴＤＣ以降のなるべく遅い時点で（すなわち、なるべく大幅に遅角させて）行うことが望ましい。但し、メイン噴射をあまり遅角させると失火する可能性がある。そこで、パイロット噴射の噴射量を増加させると燃焼室の温度が上昇するので、メイン噴射を遅角させたときに失火する可能性を低下させることができる。また、パイロット噴射とメイン噴射の噴射時期の間隔には、ある程度の好ましい値（例えばクランク角度で２０°）が存在する。従って、パイロット噴射とメイン噴射の噴射時期は、失火する可能性が低く、かつ、メイン噴射の噴射時期がなるべく遅くなるように決定される。また、パイロット噴射とメイン噴射の噴射時期と噴射量は、排気エネルギの増大分を含み、かつ、要求負荷を満足するように決定される。この結果、早期暖機期間中では、通常燃焼に比べて、パイロット噴射の噴射量が多く、かつ、メイン噴射の噴射時期がより遅い時期に設定される。
【００７８】
なお、等負荷の運転条件では、早期暖機期間中の触媒暖機用燃焼の方が、通常燃焼よりも全噴射量は多くなる。早期暖機期間中のパイロット噴射の噴射割合（パイロット噴射量／全噴射量）は、通常燃焼におけるパイロット噴射の噴射割合の約２倍〜約５倍であることが好ましい。
【００７９】
以上の説明から理解できるように、第１実施例の早期暖機期間中の燃料噴射には、以下のような特徴がある。
（１）早期暖機期間中におけるパイロット噴射の噴射量割合は、早期暖機期間後における通常燃焼において実行されるパイロット噴射の噴射量割合よりも高い。（２）早期暖機期間中におけるメイン噴射の噴射時期は、暖機期間後における通常燃焼において実行されるメイン噴射の噴射量時期よりも遅い。
【００８０】
このような制御を行うことによって、メイン噴射をかなりの遅角させて、排気エネルギを増大させることが可能であり、触媒４０をより効率的に暖機することが可能である。また、パイロット噴射の噴射量が多いので、メイン噴射の際には、燃焼室内の温度と圧力がかなり上昇している。このため、メイン噴射で噴射された燃料が十分に燃焼するので、燃焼排ガス中のＨＣ濃度を低減することができる。すなわち、第１実施例では、ＨＣ濃度を抑制しつつ、触媒の暖機を効率良く行うことが可能である。
【００８１】
なお、パイロット噴射とメイン噴射の時期にはある程度の融通性があるが、触媒の暖機のためには、パイロット噴射を圧縮上死点の手前で行い、メイン噴射を圧縮上死点以降で行うことが好ましい。こうすることによって、ＨＣ濃度を抑制しつつ、触媒の暖機をより効率良く行うことが可能である。
【００８２】
図８は、第１実施例に従って暖機運転（触媒暖機促進運転および触媒活性維持運転）の実行例を示している。車速の変化は図５に示したものと同じである。暖機運転を行った場合には、始動後約７０秒経過した早期暖機期間の終了時ｔ１に、触媒床温が活性温度に達しており、その後も活性温度以上に維持されている。一方、暖機運転を行わない場合には、始動後約１０００秒経過した後に活性温度に到達している。これから理解できるように、第１実施例の触媒暖機運転を行うことによって、短時間で触媒４０を活性化させることが可能であり、また、その後も活性を維持することができる。
【００８３】
なお、後期暖機期間を行わずに、触媒が活性温度に達した後は通常燃焼（通常運転モード）を行うことも可能である。但し、図３で説明したように、通常燃焼では、触媒入りガス温度が低温燃焼よりも低く、また、ＥＧＲ率が低温燃焼よりも低いので触媒４０を通過する排気ガス量が多い。従って、早期暖機期間の後にすぐに通常燃焼のみで運転を行うと、図８に一点鎖線で示すように、触媒４０が多量の排気ガスで冷却されて活性温度以下になる可能性がある。これに対して、本実施例では、後期暖機期間において、比較的低負荷の運転条件において低温燃焼を行うので、触媒４０の活性を維持することが可能である。
【００８４】
なお、図６の例では、早期暖機期間中は、パイロット噴射とメイン噴射の噴射割合および噴射時期が一定に保たれるものとしたが、暖機の程度に応じてこれらを変更するようにしてもよい。図９は、エンジン冷却水温に応じて噴射割合と噴射時期とを変更する場合の例を示すグラフである。この例では、エンジン冷却水温が上昇するにつれて、パイロット噴射の噴射割合が低下し、一方、メイン噴射の噴射時期が進角する。換言すれば、エンジン冷却水温が上昇するにつれて、通常燃焼の噴射状態に近づくように調整が行われる。こうすることによって、暖機の程度に応じた適切な噴射噴射で触媒を暖機することが可能である。なお、エンジン冷却水温の代わりに、触媒床温に応じてパイロット噴射とメイン噴射の噴射割合および噴射時期を変更するようにしてもよい。
【００８５】
Ｄ．暖機制御の第２実施例：
図１０は、暖機制御の第２実施例におけるディーゼルエンジン１０の運転状態を示す説明図である。第２実施例では、以下に説明するように、早期暖機期間におけるパイロット噴射とメイン噴射の噴射時期および噴射量が、第１実施例よりも最適化されている。
【００８６】
図１１は、メイン噴射時期およびメイン噴射量と失火領域との関係を示す説明図である。この図から解るように、あるメイン噴射量のときにメイン噴射時期を遅角させると、失火限界を超えて失火領域に入ってしまう。但し、メイン噴射量が少ないほど、失火限界のクランク角度は遅角側にずれる。図１１の実線は、パイロット噴射量を一定としたときに、同一のトルクを発生させるためのメイン噴射の時期と噴射量との関係を示している。一般に、メイン噴射の噴射時期を遅角させると熱効率が低下する。従って、パイロット噴射量が一定値に保たれる条件下では、メイン噴射の噴射時期を遅角させるほど、同一のトルクを発生するために必要なメイン噴射量が増大する。また、パイロット噴射量を増加させた場合には、同一のメイン噴射量でメイン噴射時期を遅角させても同一のトルクを発生することができる。
【００８７】
ところで、失火限界の近傍の臨界領域では、メイン噴射が十分に遅角しているので、排気ガス温度が高められる。臨界領域における排気ガス温度は、各種の燃料噴射条件に依存している。図１２は、燃料噴射条件による排気ガス温度Ｔｇの変化を示す説明図である。図１２の横軸は、メイン噴射時期であり、縦軸は燃焼排ガスの温度である。また、実線は、パイロット噴射割合Ｑｐ（全噴射量に対するパイロット噴射量の割合）が０％のときのグラフであり、一点鎖線はこれが２０％、二点鎖線は４０％のときのグラフである。この図から理解できるように、パイロット噴射量割合Ｑｐを０％から２０％に増加させると、失火限界となるメイン噴射時期が遅角するので、失火限界の臨界領域における排気ガス温度Ｔｇも上昇する。ところが、パイロット噴射量割合Ｑｐを過度に（例えば４０％に）増大させると、メイン噴射量の割合が低下してしまうので、逆に排気ガス温度Ｔｇが低下することになる。図１３は、図１２の関係を、パイロット噴射量割合と排気ガス温度Ｔｇとの関係に書き直したものである。この図からも理解できるように、メイン噴射の条件を図１１の臨界領域内に設定したときに、排気ガス温度Ｔｇが最も高くなるようなパイロット噴射量割合の最適な条件が存在する。このような最適な噴射条件は、各エンジン毎に実験的に決定される。また、この最適な噴射条件はエンジンの温度にも依存するので、例えばエンジン冷却水温度に応じて変更することが好ましい。
【００８８】
なお、メイン噴射量とパイロット噴射量との合計が一定であるときには、以下の２つの場合を考慮して、噴射条件を最適化することが可能である。すなわち、パイロット噴射量が多い場合には、メイン噴射量は少なくなるがメイン噴射の時期は遅らせることが可能である。一方、パイロット噴射量が少ない場合には、メイン噴射量が多くなるが、メイン噴射の時期は進める必要が生じる。排気ガス温度Ｔｇが最も高くなるようなパイロット噴射とメイン噴射の最適な条件は、これらの２つの場合のバランスを考慮して決定される。すなわち、この最適な条件は、失火が生じない範囲においてパイロット噴射量が最大可能量となる条件と、最小可能量となる条件と、の中間に存在する。従って、これらの２つの極端な条件の中間を探索することによって、最適な条件を見いだすことが可能である。
【００８９】
以上のように、第２実施例では、早期暖機期間中において、排気ガス温度Ｔｇが最も高くなるように、パイロット噴射の噴射量割合とメイン噴射の噴射時期とが、失火限界直前の臨界領域の時期に相当するように設定されている。これによって、排気エネルギが増加し、触媒の暖機を効率的に促進することが可能である。なお、この臨界領域の範囲としては、クランク角度で失火限界から失火限界の手前約２°までの範囲とすることが好ましく、失火限界からその手前の約１°までの範囲とすることがさらに好ましい。
【００９０】
第２実施例では、さらに、排気ガスの温度上昇を促進する手段として、噴射条件の調整の他に、ＥＧＲカット運転と、アイドル回転数の上昇と、グロープラグの継続使用と、の３つの手段が利用されている。
【００９１】
図１０に示したように、第２実施例では、第１実施例と同様に、早期暖機期間中においてＥＧＲがカットされている。この結果、ＥＧＲクーラ６４（図１）における熱損失によって排気温度が低下してしまうことを防止し、触媒の暖機を促進することが可能である。また、図１０の例では、アイドル回転数は、早期暖機期間中は１２００ｒｐｍに設定されており、早期暖機期間後は９５０ｒｐｍに設定されている。このように、早期暖機期間中にアイドル回転数を増加させると、上述した（１）式における排気ガス流量Ｖを増大させることができ、これによって触媒４０の暖機を促進することが可能である。
【００９２】
図１０の最下部に示すように、早期暖機期間中は、さらに、グロープラグが継続的に利用されている。図１４は、燃焼室の縦断面を示している。燃焼室１１０は、シリンダ壁１１２と、シリンダヘッド１１４と、ピストン１１６とで構成されている。シリンダヘッド１１４には、吸気ポート１２２と排気ポート１２４とが設けられている。吸気ポート１２２には吸気弁１３２とが設けられており、排気ポート１２４には排気弁１３４が設けられている。また、シリンダヘッド１１４の燃焼室のほぼ中心位置には、燃料噴射弁１４が設けられており、燃料噴射弁１４のノズル１５に隣接した位置にはグロープラグ１２６が設けられている。なお、グロープラグ１２６は、吸気を加熱できる位置に配置されていればよく、例えば、吸気ポート１２２に設けられていてもよい。
【００９３】
グロープラグ１２６は、通常は、エンジン１０の始動性の向上を図るために、始動時の極く短い時間のみに利用される。これに対して、第２実施例では、早期暖機期間中において、グロープラグ１２６がかなり長時間の間、継続的にオン状態に保たれている。こうすることによって、排気ガス温度をさらに高めて、触媒４０の暖機を促進することが可能である。
【００９４】
なお、ＥＧＲカット運転と、グロープラグによる継続的な吸気加熱運転と、アイドル回転数上昇運転と、の３種類の運転は、同時に行う必要はないが、これらのうちの少なくとも１つを早期暖機期間中の少なくとも一部の期間で実行することが好ましい。また、これらの運転の程度は、エンジン冷却水温度や触媒昇温に依存して変化させることが好ましく、早期暖機期間中に必要がなくなったときにはこれらの運転を停止してもよい。
【００９５】
Ｅ．暖機制御の第３実施例：
図１５は、暖機制御の第３実施例におけるディーゼルエンジン１０の運転状態を示す説明図である。第３実施例では、燃料噴射の時期や噴射量は図６に示した第１実施例と同じであるが、可変ノズルターボ（ＶＮＴ）２０の入口ノズル２５（図１）と吸気絞り（スロットル弁２８）の開度を早期暖機期間中に絞っている点に特徴がある。なお、早期暖機期間後は、負荷要求に応じてＶＮＴや吸気絞りの開度が調整されるが、図１５の例では簡略化して描かれている。
【００９６】
図１６は、ＶＮＴと吸気絞りの調整による触媒の暖機効果を説明している。ＶＮＴのノズル開度を低下させると、エンジンの背圧（排気管１６の圧力）が上昇する（ブロックＢ２）。また、吸気絞りの開度が低下すると、吸気圧が低下する。エンジン背圧の上昇と吸気圧の低下は、エンジンのポンプ損失の増加を引き起こし（ブロックＢ３）、必要な動力を発生するために要する燃料を増加させる（ブロックＢ４）。この結果、排気エネルギが増加し（ブロックＢ５）、触媒の暖機を促進させることができる（ブロックＢ６）。なお、吸気絞りの開度低下は、吸気量を減らして吸気温度を上昇させる効果も有している。
【００９７】
一方、エンジン背圧の上昇は、タービン回転数を増加させるという効果もある（ブロックＢ７）。タービン回転数が増加すると、これに伴って吸気圧が上昇する（ブロックＢ８）。また、吸気絞り弁が絞られているので、吸気管内の流速は増加する（ブロックＢ９）。これは吸気のエントロピが増加することを意味するので、吸気温度が上昇する（ブロックＢ１０，Ｂ１１）。この結果、排気エネルギが増加し（ブロックＢ５）、触媒の暖機を促進させることができる（ブロックＢ６）。
【００９８】
このように、早期暖機期間中にＶＮＴと吸気絞りを暖機後よりも絞ることによって、触媒の暖機を促進させることが可能である。また、これらの制御は、ＨＣ濃度を増加させる可能性が低い。従って、ＨＣ濃度を抑制しつつ触媒の暖機を促進することができる。
【００９９】
Ｆ．暖機制御の第４実施例：
図１７は、暖機制御の第４実施例におけるディーゼルエンジン１０の運転状態を示す説明図である。第４実施例は、燃料噴射の時期や噴射量は図６に示した第１実施例と同じであるが、早期暖機期間中に吸気絞り（スロットル弁２８）を高速で開閉している点に特徴がある。吸気絞りを高速で開閉すると、そのエネルギが吸気に与えられて吸気のエントロピが増加し、吸気温度が上昇する。従って、排気温度も上昇し、触媒の暖機を促進させることができる。また、この制御はＨＣ濃度を増加させる可能性が低いので、ＨＣ濃度を抑制しつつ触媒の暖機を促進することができる。
【０１００】
第３実施例や第４実施例の説明から理解できるように、早期暖機期間中に、吸気絞りやＶＮＴの開度を調整することによって、排気温度を上昇させ、ＨＣ濃度を増加させること無く触媒の暖機を促進することが可能である。なお、第３実施例や第４実施例で採用した制御は、燃料噴射の時期や噴射量とは直接的な関係が無いので、第１および第２実施例における制御と任意に組み合わせて利用することが可能である。
【０１０１】
Ｇ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１０２】
Ｇ１．変形例１：
また、本発明は、自動車に限らず、自動車以外の車両や、飛行機、船舶などの種々の移動体のエンジンにも適用可能である。
【０１０３】
Ｇ２．変形例２：
上記実施例では、エンジン冷却水温や触媒床温を用いて運転期間の切換を行っていたが、他の測定値を用いて運転期間の切換を行うようにしてもよい。また、ある運転期間が所定の長さに達したときに他の運転期間に切換えるようにしてもよい。
【０１０４】
Ｇ３．変形例３：
上記実施例では、温度センサを用いて触媒床温やエンジン冷却水温を直接測定していたが、これらの温度は間接的に測定してもよい。すなわち、触媒やエンジン冷却水以外の温度を測定して、これから触媒床温やエンジン冷却水温を推定してもよい。換言すれば、触媒の床温やエンジン冷却水温を実質的に示す温度を検出するための温度検出部を用いるようにしてもよい。
【０１０５】
Ｇ４．変形例４：
上記実施例で、採用した各種の設定値（例えば燃料噴射量や噴射時期）は、単なる例示であり、これ以外の種々の値を採用することが可能である。また、上述した各種の実施例に採用されている各種の運転を、様々に組み合わせて触媒の暖機を行うことが可能である。
【０１０６】
Ｇ５．変形例５：
上述した触媒暖機用の各種の運転（運転モード）は、暖機期間中にわたって継続して行われる必要はなく、少なくともその一部の期間において実行されていればよい。すなわち、本明細書において、「暖機期間において」あるいは「暖機期間中に」という文言は、特に断らない限り「暖機期間の少なくとも一部において」という意味を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例のディーゼルエンジン１０の概略構成を表わす説明図。
【図２】ＥＧＲ率を次第に増加させていったときに、燃焼排ガス中の種々の物質の濃度が変化する様子を概念的に示した説明図。
【図３】空燃比（Ａ／Ｆ）を変化させたときに、燃焼排ガス中のスモークと燃費が変化する様子を概念的に示した説明図。
【図４】低温燃焼運転領域と通常燃焼運転領域とを示すグラフ。
【図５】触媒暖機運転の概要を示す説明図。
【図６】暖機制御の第１実施例におけるディーゼルエンジン１０の運転状態を示す説明図。
【図７】第１実施例における暖機期間中の燃焼室内の圧力変化と、熱発生量との関係を示す説明図。
【図８】触媒暖機運転の実行結果の一例を示すグラフ。
【図９】エンジン冷却水温に応じて噴射割合と噴射時期とを変更する場合の例を示すグラフ。
【図１０】暖機制御の第２実施例におけるディーゼルエンジン１０の運転状態を示す説明図。
【図１１】メイン噴射時期およびメイン噴射量と失火領域との関係を示す説明図。
【図１２】燃料噴射条件による排気ガス温度Ｔｇの変化を示す説明図。
【図１３】パイロット噴射量割合と排気ガス温度Ｔｇとの関係を示す説明図。
【図１４】燃焼室の縦断面を示す説明図。
【図１５】暖機制御の第３実施例におけるディーゼルエンジン１０の運転状態を示す説明図。
【図１６】ＶＮＴと吸気絞りの調整による触媒の暖機効果の説明図。
【図１７】暖機制御の第４実施例におけるディーゼルエンジン１０の運転状態を示す説明図。
【符号の説明】
１０…ディーゼルエンジン
１２…吸気管
１４…燃料噴射弁
１５…ノズル
１６…排気管
１８…燃料ポンプ
１９…コモンレール
２０…過給機
２１…タービン
２２…コンプレッサ
２３…シャフト
２４…インタークーラ
２５…入口ノズル
２６…アクチュエータ
２８…スロットル弁
３０…制御ユニット
４０…メイン触媒
４２…温度センサ
５０…圧力センサ
５２…エアフロメータ
６０…ＥＧＲ流路
６２…ＥＧＲ弁
６４…ＥＧＲクーラ
６６…ＥＧＲ触媒
７２…空燃比センサ
１１０…燃焼室
１１２…シリンダ壁
１１４…シリンダヘッド
１１６…ピストン
１２２…吸気ポート
１２４…排気ポート
１２６…グロープラグ
１３２…吸気弁
１３４…排気弁
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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