(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、エンジン回転数が所定値以下で且つエンジン負荷が所定値以下である予混合運転領域では、燃料の少なくとも一部が吸気行程に又は圧縮行程の上死点前６０゜ＣＡまでに噴射され、上記予混合運転領域以外の他の運転領域では燃料の全量が圧縮行程上死点付近で噴射されるように上記燃料噴射弁の作動を制御する噴射制御手段とを備えたディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、
エンジンの実圧縮比を変更させる圧縮比変更手段と、
上記予混合運転領域では上記他の運転領域よりもエンジンの実圧縮比が低くなるように上記圧縮比変更手段の作動を制御する圧縮比制御手段とを備え、
上記圧縮比変更手段として、エンジンの吸気通路に該吸気通路の開度を変える吸気絞り手段と、吸気バルブの開閉タイミング又は開度量を変えるバルブ調節手段とを備え、
上記圧縮比制御手段は、エンジン温度が所定温度よりも低い上記予混合運転領域では上記吸気絞り手段の作動によってエンジンの実圧縮比が低くなり、エンジン温度が上記所定温度以上である上記予混合運転領域では上記バルブ調節手段の作動によってエンジンの実圧縮比が低くなるように、上記吸気絞り手段と上記バルブ調節手段とをエンジン温度に応じて択一的に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において、
上記噴射制御手段は、上記予混合運転領域では、吸気行程に燃料の少なくとも一部を噴射するように上記燃料噴射弁を作動させ、
上記圧縮比制御手段は、エンジン温度が上記所定温度以上である上記予混合運転領域では、上記吸気バルブの閉時期を吸気行程下死点に又は該下死点よりも進角側にするように上記バルブ調節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３】
請求項２に記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、
上記圧縮比制御手段は、エンジン温度が上記所定温度以上である上記予混合運転領域では、エンジン回転数が増大するほど上記吸気バルブの閉時期を遅角し又は吸気バルブの開度量を大きくするように上記バルブ調節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４】
請求項２に記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、
上記圧縮比制御手段は、エンジン温度が上記所定温度以上である上記予混合運転領域では、エンジン負荷が増大するほど上記吸気バルブの開度量を小さくするように上記バルブ調節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５】
請求項１に記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、
上記予混合運転領域は、エンジン温度が低くなるほどエンジン回転数が高い側に又はエンジン負荷が高い側に拡大され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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はディーゼルエンジンの燃焼制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にエンジンの燃焼形態は、予混合燃焼と拡散燃焼に大別されるが、従来は火花点火式エンジンでは前者の予混合燃焼が主であり、ディーゼルエンジンでは後者の拡散燃焼が主となっている。これに対して、近年、ディーゼルエンジンにおいても、黒煙とＮＯｘ（窒素酸化物）とを同時に低減すべく予混合圧縮着火燃焼方式を採用する研究が進められている。
【０００３】
例えば、特開平９−１５８８１０号公報には、気筒内に、吸気行程の初期に燃料の総供給量の５０％を予備噴射し、圧縮行程上死点付近で残りの燃料を主噴射することが記載されている。すなわち、予備噴射によって気筒内に形成される希薄混合気は余剰酸素を含むから黒煙の発生が少なくなり、また、その混合気の一部が着火することによって発生する燃焼ガスが内部ＥＧＲ効果をもたらすために主噴射によるＮＯｘの生成が少なくなることが述べられている。また、予混合圧縮着火燃焼方式のみを採用すると、限られた負荷・回転領域でしかエンジンを運転することができないが、燃料の予備噴射及び主噴射の噴射量、噴射時期、又は噴射回数をコントロールすることによってエンジンの運転状態に応じた制御が可能になることが述べられている。
【０００４】
特開平１０−１４１１２４号公報には、気筒内に、吸気行程の初期に燃料の総供給量の５％以下を予備噴射し、圧縮行程の中期又は後期に２〜１５％量の燃料をパイロット噴射した後、圧縮行程上死点付近で残りの燃料を主噴射することにより、部分的な希薄予混合圧縮着火燃焼を行なわせてＮＯｘの生成を抑制しつつ、黒煙の排出量を低減させることが記載されている。また、予混合圧縮着火燃焼方式のみを採用すると、限られた負荷・回転領域でしかエンジンを運転することができないが、燃料の予備噴射量及びパイロット噴射量をコントロールすることによって全負荷領域でエンジンを運転することができることが述べられている。
【０００５】
また、特開平８−２１８９２０号公報には、ディーゼルエンジンの排気通路に排気ガス中のＮＯｘを吸収するＮＯｘ吸収材を配置し、このＮＯｘ吸収材からＮＯｘを放出させるときにエンジンの燃焼における空気過剰率を低下させるとともに、拡散燃焼主体の燃焼方式から予混合燃焼主体の燃焼方式に切り換えることが記載されている。また、圧縮着火時期を遅延させることにより、予混合燃焼主体の燃焼方式にすること、圧縮着火時期を遅延させるために筒内圧力を低減させることが記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の予混合圧縮着火燃焼方式は、黒煙及びＮＯｘの同時低減に有効であるものの、圧縮行程において予混合気が圧縮されることに伴って気筒内温度が高くなると、圧縮行程上死点付近に達する前に着火するおそれがある。すなわち、早期着火を起こし、予混合燃焼による黒煙の低減効果が充分に得られないおそれがあるとともに、その着火燃焼に伴ってエンジンに負のトルクが発生し、燃料消費率が大きくなるおそれがある。本発明はこのような問題を解決することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、予混合燃焼手段と圧縮比低減手段とを組み合わせることにより、上記早期着火の問題を解決した。
【０００８】
請求項１に係る発明は、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、エンジン回転数が所定値以下で且つエンジン負荷が所定値以下である予混合運転領域では、燃料の少なくとも一部が吸気行程に又は圧縮行程の上死点前６０゜ＣＡまでに噴射され、上記予混合運転領域以外の他の運転領域では燃料の全量が圧縮行程上死点付近で噴射されるように上記燃料噴射弁の作動を制御する噴射制御手段とを備えたディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、
エンジンの実圧縮比を変更させる圧縮比変更手段と、
上記予混合運転領域では上記他の運転領域よりもエンジンの実圧縮比が低くなるように上記圧縮比変更手段の作動を制御する圧縮比制御手段とを備え、
上記圧縮比変更手段として、エンジンの吸気通路に該吸気通路の開度を変える吸気絞り手段と、吸気バルブの開閉タイミング又は開度量を変えるバルブ調節手段とを備え、
上記圧縮比制御手段は、エンジン温度が所定温度よりも低い上記予混合運転領域では上記吸気絞り手段の作動によってエンジンの実圧縮比が低くなり、エンジン温度が上記所定温度以上である上記予混合運転領域では上記バルブ調節手段の作動によってエンジンの実圧縮比が低くなるように、上記吸気絞り手段と上記バルブ調節手段とをエンジン温度に応じて択一的に制御することを特徴とする。
【０００９】
従って、本発明によれば、燃料の少なくとも一部を吸気行程に又は圧縮行程の上死点前６０゜ＣＡまでに噴射して燃料と空気との予混合化の程度を高めた予混合運転領域では、エンジンの実圧縮比が低くなるから、それだけ圧縮行程における筒内温度の上昇が抑えられ、早期着火が避けられる。一方、燃料の全量が圧縮行程上死点付近で噴射される他の運転領域では、実圧縮比が高くなるから、圧縮行程上死点付近で噴射する燃料を確実に着火させることができる。
【００１０】
しかも、エンジン温度が所定温度よりも低い上記予混合運転領域では、吸気絞り手段の作動によってエンジンの実圧縮比を低下させるから、エンジン温度を高める（暖機を促進する）ことができる。すなわち、吸気通路を絞る（開度を小さくする）と、それによって気筒への空気の流入が妨げられるため、吸気行程下死点での気筒内圧力は負圧になり、吸気通路を絞らない場合に比べて実圧縮比が低くなる。しかし、吸気通路を絞っても、吸気行程ではその下死点に至るまで空気が気筒内に流入するから、当該下死点での負圧度は吸気バルブの閉時期を早める場合や遅くする場合のような大きなものにはならず、筒内温度はそれほど低くならない。かえって、吸気通路の絞りによって吸気速度が高くなってその運動エネルギーが高くなり、そのエネルギーが気筒内で熱に変わるため、筒内温度が高くなる。
【００１１】
また、エンジン温度が上記所定温度以上である上記予混合運転領域では上記バルブ調節手段の作動によってエンジンの実圧縮比を低下させるから、筒内温度の上昇を抑えて早期着火を防止することができる。すなわち、吸気バルブの閉時期を吸気通路における吸気バルブ前の圧力と気筒内圧力とが略同じになるとき（気筒内に空気が実質的に吸入されなくなるとき）よりも早めると、例えば吸気行程下死点よりも早めると、吸入空気量が少なくなり、吸気バルブの閉時期を上記圧力が略同じになるときよりも遅らせると、気筒内に吸入された空気の一部が圧縮行程初期に吸気通路へ戻されるために気筒内に残る空気量が少なくなり、また、吸気バルブの開度量を小さくするとそれだけ吸入空気量が少なくなり、実圧縮比が低くなる。これにより、圧縮行程での筒内温度の上昇が抑えられ、好ましくない早期着火が避けられる。
【００１２】
上記予混合運転領域での燃料噴射制御は、圧縮行程上死点付近での圧縮着火前に比較的均一な希薄混合気が形成されるように燃料を気筒内に噴射する早期噴射（吸気行程で噴射又は圧縮行程における例えば上死点前６０゜ＣＡまでに噴射）を実行するものであればよい。例えば、圧縮行程上死点付近で燃料を噴射する主噴射を行なう場合は、燃料の一部を早期噴射し、残りを主噴射するという噴射制御を採用することができる。圧縮行程上死点付近での燃料噴射量（主噴射量）は零としてもよい。
【００１３】
なお、ここでいう実圧縮比とは、圧縮行程上死点での気筒内容積に対する、圧縮行程において実際に圧縮される吸気量（標準状態での体積）と圧縮行程上死点での気筒内容積との和の比をいう。
【００１４】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、
上記噴射制御手段は、上記予混合運転領域では、吸気行程に燃料の少なくとも一部を噴射するように上記燃料噴射弁を作動させ、
上記圧縮比制御手段は、エンジン温度が上記所定温度以上である上記予混合運転領域では、上記吸気バルブの閉時期を吸気行程下死点に又は該下死点よりも進角側にするように上記バルブ調節手段を制御することを特徴とする。
【００１５】
従って、吸気行程噴射によって生じた予混合気が圧縮行程で吸気通路に吹き返されて燃焼すべき混合気の空燃比にバラツキを生ずることを避けることができる。
【００１６】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、
上記圧縮比制御手段は、エンジン温度が上記所定温度以上である上記予混合運転領域では、エンジン回転数が増大するほど上記吸気バルブの閉時期を遅角し又は吸気バルブの開度量を大きくするように上記バルブ調節手段を制御することを特徴とする。
【００１７】
すなわち、エンジン回転数が増大するほど吸気バルブの閉時期を遅角させるようにすれば、吸気通路の動的効果を利用して吸気の充填効率を高めることができエンジン出力の確保に有利になる。また、エンジン回転数が増大するほど吸気バルブの開度量を大きくすれば、それだけ吸入空気量が多くなるから、同じくエンジン出力の確保に有利になる。
【００１８】
請求項４に係る発明は、請求項２に記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、
上記圧縮比制御手段は、エンジン温度が上記所定温度以上である上記予混合運転領域では、エンジン負荷が増大するほど上記吸気バルブの開度量を小さくするように上記バルブ調節手段を制御することを特徴とする。
【００１９】
すなわち、エンジン負荷が高くなるとそれだけ燃料噴射量が多くなるため早期着火を招き易くなるが、吸気バルブの開度量を小さくなるから、実圧縮比が低くなり、早期着火が避けられる。また、吸気バルブの閉時期を遅らせる場合のような吸気の吹き返しの問題もない。
【００２０】
請求項５に係る発明は、請求項１に記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、
上記予混合運転領域は、エンジン温度が低くなるほどエンジン回転数が高い側に又はエンジン負荷が高い側に拡大されることを特徴とする。
【００２１】
従って、黒煙及びＮＯｘの低減に有利になる。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、予混合運転領域では、他の運転領域よりもエンジンの実圧縮比が低くなるようにしたから、圧縮行程における筒内温度の上昇が抑えられて早期着火が避けられ、黒煙の発生を抑えることができるとともに、エンジンに負のトルクが発生することが防止され、さらに予混合化の程度が高い燃焼形態で運転する領域をエンジン高温側に、エンジン高回転側に、エンジン高負荷側に拡大することができ、しかも、エンジン温度が所定温度よりも低い予混合運転領域では吸気絞り手段の作動によってエンジンの実圧縮比が低くなり、エンジン温度が上記所定温度以上である予混合運転領域ではバルブ調節手段の作動によってエンジンの実圧縮比が低くなるように、上記吸気絞り手段と上記バルブ調節手段とをエンジン温度に応じて択一的に制御するから、エンジン温度が低いときの暖機促進、並びにエンジン温度が高いときの筒内温度の上昇（早期着火）防止に有利になる。
【００２３】
請求項２に係る発明によれば、請求項１に記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、上記予混合運転領域では、燃料の少なくとも一部を吸気行程で噴射する一方、エンジン温度が上記所定温度以上であるときの吸気バルブの閉時期を吸気行程下死点に又は該下死点よりも進角側にしたから、予混合気が圧縮行程初期に吸気通路に吹き返されて燃焼すべき混合気の空燃比にバラツキを生ずることを避けることができる。
【００２４】
請求項３に係る発明によれば、請求項２に記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、エンジン温度が上記所定温度以上である上記予混合運転領域では、エンジン回転数が増大するほど吸気バルブの閉時期を遅角し又は吸気バルブの開度量を大きくするようにしたから、吸気通路の動的効果を利用して吸気の充填効率を高め、あるいは吸気バルブの開度量の増大によって吸入空気量を多くすることができ、エンジン出力の確保に有利になる。
【００２５】
請求項４に係る発明によれば、請求項２に記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、エンジン温度が上記所定温度以上である上記予混合運転領域では、エンジン負荷が増大するほど吸気バルブの開度量を小さくするようにしたから、吸気の吹き返しの問題を避けながら、実圧縮比を下げて早期着火を防止することができる。
【００２６】
請求項５に係る発明によれば、請求項１に記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、上記予混合運転領域は、エンジン温度が低くなるほどエンジン回転数が高い側に又はエンジン負荷が高い側に拡大されるようにしたから、黒煙及びＮＯｘの低減に有利になる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２８】
図１は本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの燃料制御装置の全体構成を示し、１は車両に搭載された多気筒ディーゼルエンジンのエンジン本体である。このエンジン本体１は複数の気筒２（１つのみ図示する）を有し、その各気筒２内にピストン３が往復動可能に嵌挿されていて、この気筒２とピストン３によって各気筒２内に燃焼室４が形成される。また、気筒２の頂部略中央には、インジェクタ（燃料噴射弁）５が先端部の噴孔を気筒２内に臨ませて配設され、各気筒毎に所定の噴射タイミングで噴孔が開閉作動されて、気筒２内に燃料を直接噴射するようになっている。
【００２９】
上記各インジェクタ５は高圧の燃料を蓄える共通のコモンレール（蓄圧室）６に接続されていて、そのコモンレール６にはクランク軸７により駆動される高圧供給ポンプ８が接続されている。この高圧供給ポンプ８は、圧力センサ６ａによって検出されるコモンレール６内の燃圧が所定値以上に保持されるように作動する。また、クランク軸７の回転角度を検出するクランク角センサ９が設けられており、このクランク角センサ９は、クランク軸７の端部に設けた被検出用プレート（図示省略）と、その外周に相対向するように配置され電磁ピックアップとからなり、その電磁ピックアップが被検出用プレートの外周部全周に所定角度おきに形成された突起部の通過に対応してパルス信号を出力するようになっている。
【００３０】
１０はエンジン本体１の気筒２内にエアクリーナ（図示省略）で濾過した吸気（空気）を供給する吸気通路であり、この吸気通路１０の下流端部には、図示しないがサージタンクが設けられ、このサージタンクから分岐した各通路が吸気ポートにより各気筒２に接続されている。また、吸気ポートは比較的強いスワールを生ずるようにされている。例えばヘリカルポートとされ、又は吸気が気筒壁面に沿って流入するように吸気ポートが気筒に対して偏心して設けられ（タンジェンシャルポート）、あるいはシュラウド弁が設けられる。また、サージタンクには各気筒２に供給される過給圧力を検出する吸気圧センサ１０ａが設けられている。
【００３１】
上記吸気通路１０には上流側から下流側に向かって順に、エンジン本体１に吸入される吸気流量を検出するホットフィルム式エアフローセンサ１１と、後述のタービン２１により駆動されて吸気を圧縮するブロワ１２と、このブロワ１２により圧縮した吸気を冷却するインタークーラ１３と、吸気通路１０の断面積を絞る吸気絞り弁（吸入空気量調節手段）１４とがそれぞれ設けられている。この吸気絞り弁１４は、全閉状態でも吸気が流通可能なように切り欠きが設けられたバタフライバルブからなり、後述のＥＧＲ弁２４と同様、ダイヤフラム１５に作用する負圧の大きさが負圧制御用の電磁弁１６により調節されることで、弁の開度が制御されるようになっている。また、上記吸気絞り弁１４にはその開度を検出するセンサ（図示省略）が設けられている。
【００３２】
２０は各気筒２から排気ガスを排出する排気通路で、排気マニホールドを介して各気筒２に接続されている。この排気通路２０には、上流側から下流側に向かって順に、排気ガス中の酸素濃度を検出するリニアＯ2 センサ１７と、排気流により回転されるタービン２１と、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを浄化可能な触媒２２とが配設されている。
【００３３】
上記排気通路２０のタービン２１よりも上流側の部位からは、排気ガスの一部を吸気側に還流させる排気還流通路（以下ＥＧＲ通路という）２３が分岐し、このＥＧＲ通路２３の下流端は吸気絞り弁１４よりも下流側の吸気通路１０に接続されている。ＥＧＲ通路２３の途中には還流排気ガスを冷却するクーラー２３ａが設けられている。ＥＧＲ通路２３のクーラー２３ａよりも下流端寄りには、開度調節可能な排気還流量調節弁（吸入空気量調節手段：以下ＥＧＲ弁という）２４が配置されていて、排気通路２０の排気ガスの一部をＥＧＲ弁２４により流量調節しながら吸気通路１０に還流させるようになっている。
【００３４】
上記ＥＧＲ弁２４は、負圧応動式のものであって、その弁箱の負圧室に負圧通路２７が接続されている。この負圧通路２７は、負圧制御用の電磁弁２８を介してバキュームポンプ（負圧源）２９に接続されており、電磁弁２８が後述のＥＣＵ３５からの制御信号（電流）によって負圧通路２７を連通・遮断することによって、負圧室のＥＧＲ弁駆動負圧が調節され、それによって、ＥＧＲ通路２３の開度がリニアに調節されるようになっている。
【００３５】
上記ターボ過給機２５は、ＶＧＴ（バリアブルジオメトリーターボ）であって、これにはダイヤフラム３０が取り付けられていて、負圧制御用の電磁弁３１によりダイヤフラム３０に作用する負圧が調節されることで、排気ガス流路の断面積が調節されるようになっている。
【００３６】
また、上記ディーゼルエンジンは吸気バルブの開閉タイミング又は開度量を変えるバルブ調節手段（可変バルブタイミング手段（ＶＶＴ）又は可変バルブリフト手段（ＶＶＬ））３６を備えている。すなわち、図２に示すように、上記エンジン燃焼室４の吸気口を開閉する吸気バルブ３３には、エンジンの運転状態に応じて該エンジンの実圧縮比が変化するようにバルブの開閉タイミング又は開度量を変えるためのソレノイド式のバルブ調節手段３６が設けられている。燃焼室４の排気口を開閉する排気バルブ３４にはこのバルブを一定のタイミングで開閉させる動弁機構（図示省略）が設けられている。
【００３７】
上記各インジェクタ５、高圧供給ポンプ８、吸気絞り弁１４、ＥＧＲ弁２４、ターボ過給機２５、バルブ調節手段３６等はコントロールユニット（Engine Contorol Unit：以下ＥＣＵという）３５からの制御信号によって作動するように構成されている。一方、このＥＣＵ３５には、エンジン運転状態を検出するためのクランク角センサ９からの出力信号と、エアフローセンサ１１からの出力信号と、車両の運転者による図示しないアクセルペダルの操作量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ３２からの出力信号と、エンジン水温を検出するセンサ１８からの出力信号とが入力され、さらに上記圧力センサ６ａからの出力信号と、圧力センサ１０ａからの出力信号と、Ｏ2センサ１７からの出力信号と、ＥＧＲ弁２４のリフトセンサ２６からの出力信号等も入力されている。
【００３８】
そして、燃料噴射制御手段３９によりインジェクタ５による燃料噴射量（燃料供給量）及び燃料噴射時期がエンジンの運転状態に応じて制御されるとともに、圧縮比制御手段３８によりバルブ調節手段３６又は吸気絞り弁１４によるエンジンの実圧縮比がエンジンの運転状態に応じて制御され、また、高圧供給ポンプ８の作動によるコモンレール圧力、即ち燃量噴射圧の制御が行なわれ、これに加えて、ＥＧＲ弁２４の作動による排気還流量（吸入空気量）の制御と、ターボ過給機２５の作動制御（ＶＧＴ制御）とが行なわれるようになっている。
【００３９】
（燃料噴射制御）
この実施形態における燃料噴射制御の特徴とするところは、エンジンの運転状態に応じて、燃料を空気との予混合化の程度が高い状態で燃焼させる燃焼形態と予混合化の程度が低い状態で燃焼させる燃焼形態とに切り換わるように上記インジェクタ５の作動を制御する、というものである。
【００４０】
すなわち、上記ＥＣＵ３５には、アクセル開度（エンジン負荷）とエンジン回転数の変化に対して目標トルクの最適値を実験的に決定して記録した目標トルクマップ、並びにこの目標トルク、吸入空気量及び回転数の変化に応じて実験的に決定した最適な燃料噴射量Ｑｂを記録した燃料噴射量マップが、メモリ上に電子的に格納して備えられている。通常は、アクセル開度とエンジン回転数とに基づいて目標トルクを求め、この目標トルクとエンジン回転数とエアフローセンサ１１の出力信号による吸入空気量とに基づいて燃料噴射量Ｑｂを求め、燃料噴射量Ｑと圧力センサ６ａにより検出されたコモンレール圧力とに基づいて、各インジェクタ５の励磁時間（開弁時間）が決定されるようになっている。尚、前記のようにして求めた燃料噴射量をエンジン水温や大気圧等に応じて補正した上で、この補正後の燃料噴射量を燃料噴射量Ｑｂとしてもよい。
【００４１】
上記のような基本的な燃料噴射制御によって、エンジン１の目標トルク（エンジン１への要求出力）に対応する分量の燃料が供給され、エンジン１は燃焼室４における平均的空燃比がかなりリーン（Ａ/Ｆ≧１８，酸素濃度４％以上）な状態で運転される。上記アクセル開度センサ３２及びクランク角センサ９がエンジン１への要求出力を検出する要求出力検出手段を構成している。
【００４２】
上記ＥＣＵ３５のメモリには、上記燃料噴射量マップと同様に目標トルク（又はアクセル開度）とエンジン回転数とに応じてエンジンの燃焼形態（換言すれば燃料の噴射形態）を設定したマップが電子的に格納されており、エンジン１の目標トルクとエンジン回転数とに基づいて当該マップからエンジンの運転状態に応じた燃焼形態が選択される。
【００４３】
すなわち、図３（ａ）は、予混合化の程度が高い状態で燃料を燃焼させる燃焼形態をとるときの噴射形態を示し、吸気行程の初期に燃料を噴射する早期噴射と、圧縮行程上死点付近で燃料を噴射する通常噴射とが行なわれる。この予混合化の程度が高い燃焼形態は、エンジン温度が所定値以下、エンジン回転数が所定値以下、又は目標トルク（エンジン負荷）が所定値以下のときにとられる。具体的には、図４に一例を示すように、予混合化の程度が高い燃焼形態をとるべき運転領域がエンジン回転数と目標トルクとの関係で定められていて、エンジン温度が低くなるほど当該運転領域がエンジン回転数が高い側に、また目標トルクが高い側に拡大される。
【００４４】
なお、図３（ａ）では早期噴射時期を吸気行程初期に設定しているが、例えば圧縮行程上死点前６０゜ＣＡまでに噴射するようにすれば、予混合化が図れる。また、早期噴射量はこの実施形態では総噴射量Ｑｂの例えば５０％程度としているが、数％であってもよく、あるいは１００％としてもよい。
【００４５】
図３（ｂ）は、上記高予混合化の運転領域以外の領域で実行される予混合化の程度が低い燃焼形態をとるときの噴射形態を示し、早期噴射は行なわず、圧縮行程上死点付近で燃料の全量を噴射する通常噴射が行なわれる。
【００４６】
上記早期噴射では燃料を複数回に分割して噴射する所謂多段噴射が採用されている。図３の例では３分割噴射であるが、２分割噴射であっても、さらに分割回数を多くしてもよい。もちろん、本発明は、燃料を一括して早期噴射する一括噴射を排除するものではない。早期噴射を多段噴射にすると、各回に噴射される燃料の量が少なくなるため、燃料が空気と混合し易くなり、希薄混合気の均一化、黒煙及びＮＯｘの生成抑制に有利になる。また、吸気ポートのスワール生成手段によって気筒内に比較的強いスワールが生成されるため混合の均一化がより進み易くなる。
【００４７】
但し、混合の均一化が進み過ぎると、圧縮による自己着火を特徴とするディーゼルエンジンでは全混合気が一時に燃焼してエンジン破損を引き起こす懸念があり、特に早期噴射量を多くした場合にその懸念が強い。これに対して、エンジン温度が低いときはそのような懸念は少ない。従って、エンジン温度が低いほど早期噴射の分割噴射回数を多くし又は前の噴射から次の噴射までの噴射休止間隔を長くして混合の均一化を図り、黒煙及びＮＯｘの低減させることになる。
【００４８】
図５は燃料噴射制御の流れを示す。この制御は気筒毎にクランク角信号に同期して実行される。
【００４９】
スタート後のステップＡ１において、クランク角信号、エアフローセンサ出力、アクセル開度など必要なデータを読み込む。続くステップＡ２において、アクセル開度とエンジン回転数とに基づいて目標トルクを求め、この目標トルクとエンジン回転数と吸入空気量とに基づいて、燃料噴射量マップから燃料噴射量Ｑｂを読み込む。
【００５０】
続くステップＡ３では、エンジン温度に応じて予混合化の程度の高い燃焼形態をとる運転領域（以下、この領域を予混合ゾーンと呼ぶ。）を設定する。エンジン温度は、吸気圧センサ１０ａによって検出される過給圧に基づいて推定する。すなわち、この実施形態では吸気圧センサ１０ａがエンジン温度検出手段を構成している。もちろん、吸気通路に吸入空気の温度を検出する温度センサを設けて、上記過給圧に基づくエンジン温度の推定値を補正し、さらにはエアフローセンサ１１によって検出される吸入空気量やエンジン水温を加味して当該推定値を補正するようにすることができる。
【００５１】
続くステップＡ４では、目標トルクとエンジン回転数とに基づいてエンジンの運転状態がステップＡ３で設定された予混合ゾーンに存するか否かを判定する。予混合ゾーンであれば、ステップＡ５に進んで上記燃料噴射量Ｑｂを分割して早期噴射量ＱL と通常噴射量ＱT とを設定するとともに、早期噴射時期ＩL 及び通常噴射時期ＩT を設定し、さらにステップＡ６に進んで時期ＩL での噴射量ＱL の早期噴射及び時期ＩT での噴射量ＱT の通常噴射を実行する。この実施形態では早期噴射に多段噴射を採用しているから、早期噴射は、噴射量ＱL を等分割して各段の噴射量を設定するとともに、噴射休止間隔を設定し、時期ＩL を起点として多段噴射を実行する。
【００５２】
エンジンの運転状態が予混合ゾーンになければ、通常噴射のみを行なうべきステップＡ７に進み、通常噴射量ＱT 及び通常噴射時期ＩT を設定し、ステップＡ６に進んで通常噴射を実行する。この場合、ＱT ＝Ｑｂである。
【００５３】
なお、予混合ゾーン及び他のゾーンでの通常噴射にも多段噴射を採用するようにしてよい。その場合、噴射休止間隔は例えば５０〜１０００μ秒とすることが好ましい。
【００５４】
（圧縮比変更制御）
エンジンの実圧縮比の変更は、圧縮比制御手段３８により、エンジン温度とエンジンの運転ゾーンとに基づいて、バルブ調節手段３６及び吸気絞り弁１４を択一的に利用して行なわれる。すなわち、上記ＥＣＵ３５のメモリには、エンジン温度閾値ＴAoが記憶されていて、エンジン温度ＴA が閾値ＴAoよりも高いときにバルブ調節手段３６を用いた実圧縮比の変更制御が実行され、エンジン温度ＴA が閾値ＴAo以下であるときは吸気絞り弁１４を用いた実圧縮比の変更制御が実行される。
【００５５】
−バルブ調節手段３６による実圧縮比変更制御−
上記ＥＣＵ３５のメモリには、吸気バルブ３３の開閉タイミングに関して、上記予混合ゾーンか否か並びにエンジン運転状態に応じた最適なタイミングが予め設定されて記憶されており、これに基づいて吸気バルブ３３の開閉タイミングが制御される。
【００５６】
図６（ａ）はエンジンの運転状態が非予混合ゾーンにあるとき（拡散燃焼を主体とする低予混合燃焼時）の吸気バルブ３３及び排気バルブ３４の開閉タイミングを示す。吸気バルブ３３の開時期は、空気が実質的に吸入されない無効角を考慮して排気行程上死点よりも少し進角させた時点とされ、閉弁時期は吸気通路の動的効果による空気の充填効率を高めるために吸気行程下死点よりも少し遅角させた時期とされる。その遅角度は、エンジン回転数が高くなるほど大きくなされる。
【００５７】
図６（ｂ）はエンジン運転状態が予混合ゾーンにあるとき（高予混合燃焼時）の吸気バルブ３３及び排気バルブ３４の開閉タイミングを示す。吸気バルブ３３の開弁時期は、実線で示すようにその閉弁時期が吸気行程下死点よりも進角される（早閉じ）。これにより、気筒に吸入される空気量が少なくなり、エンジンの実圧縮比が低下する。従って、圧縮行程での気筒内温度の上昇が低予混合燃焼時よりも抑えられるため、早期着火が防がれ、黒煙及びＮＯｘの発生量を少なくすることができる。
【００５８】
また、吸気バルブ３３の閉弁時期は、図６（ｂ）に１点鎖線で示すようにエンジン回転数が高くなるほど遅角される。これにより、吸気通路の動的効果の利用度が高まり、気筒への空気の充填効率が高まって、エンジン出力の向上に有利になる。また、吸気バルブ３３のバルブリフト量（バルブ開度量）は、図６（ｂ）に２点鎖線で示すようにエンジン負荷が高くなるほど小さくされる。従って、燃料噴射量が多くなっても、実圧縮比の低下が大きくなるから、早期着火を防ぐ上で有利になる。
【００５９】
なお、高予混合化燃焼形態にするための早期噴射の時期を圧縮行程にする場合は、上記早閉じではなく、破断線で示すように当該閉弁時期を低予混合燃焼時よりも遅角させるようにしてもよい（遅閉じ）。吸気行程噴射の場合は遅閉じによって希薄混合気が吸気通路１０に吹き返される懸念があるが、圧縮行程噴射であれば、その懸念がない。但し、吸気バルブ３３が閉じた後に燃料を噴射する必要がある。
【００６０】
また、上記高予混合燃焼時の吸気バルブ３３の開時期は低予混合燃焼時の場合よりも少し進角される。これにより、前回燃焼時の排気ガスが気筒内に残り（内部ＥＧＲ）、気筒の酸素濃度が低下するため、早期着火防止に有利になるとともに、ＮＯｘの低減にも有利になる。
【００６１】
図７はバルブ調節手段３６によって実圧縮比を変更する制御の流れを示す。この制御は気筒毎にクランク角信号に同期して実行される。
【００６２】
スタート後のステップＢ１において、クランク角信号、エアフローセンサ出力、アクセル開度など必要なデータを読み込む。続くステップＢ２において、エンジン温度ＴA が閾値ＴAoよりも高いか否かを判別する。エンジン温度ＴA が閾値ＴAoよりも高いときはステップＢ３に進み、目標トルクとエンジン回転数とに基づいてエンジンの運転状態が予混合ゾーンに存するか否かを判定する。予混合ゾーンであればステップＢ４に進み、吸気バルブ３３に対して高予混合燃焼時のバルブタイミング（図６（ｂ））が設定されて、バルブ調節手段３６が駆動される（ステップＢ５）。
【００６３】
ステップＢ２でエンジン温度ＴA が閾値ＴAo以下と判別されたとき、並びにステップＢ３で予混合ゾーンでないと判別されたときは、ステップＢ６に進んで低予混合燃焼時のバルブタイミング（図６（ａ））が設定される。
【００６４】
−吸気絞り弁１４による実圧縮比変更制御−
上記ＥＣＵ３５のメモリには、吸気絞り弁１４の開度に関して、上記予混合ゾーンか否か並びにエンジン運転状態に応じた最適開度が予め設定されて記憶されており、これに基づいて吸気絞り弁１４の開度が制御される。
【００６５】
すなわち、吸気絞り弁１４は、ＥＧＲ通路２３から吸気通路１０に排気ガスを流入させるに必要な負圧が該吸気通路１０に生ずるようにエンジン運転状態に応じて開度Ｔvbが設定されてＥＣＵ３５のメモリに記憶されている。実圧縮比を低下させるときは、この吸気絞り弁１４の開度Ｔvbを設定開度Ｔvbよりもエンジンの運転状態に応じた量αだけ小さくすることにより、気筒の吸入空気量を少なくするものである。このαはエンジン温度が高くなるほど、またエンジン負荷が高くなるほど大きくなるように設定されてＥＣＵ３５のメモリに記憶されている。
【００６６】
図８は吸気絞り弁１４によって実圧縮比を変更する制御の流れを示す。この制御は気筒毎にクランク角信号に同期して実行される。
【００６７】
スタート後のステップＣ１において、クランク角信号、エアフローセンサ出力、アクセル開度など必要なデータを読み込む。続くステップＣ２において、吸気絞り弁１４の開度Ｔvbをエンジン運転状態に応じて設定する。続くステップＣ３において、エンジン温度ＴA が閾値ＴAo以下か否かを判別する。エンジン温度ＴA が閾値ＴAo以下であれば、ステップＣ４に進んで、目標トルクとエンジン回転数とに基づいてエンジンの運転状態が予混合ゾーンに存するか否かを判定する。予混合ゾーンであればステップＣ５に進み、エンジン温度及びエンジン負荷に応じた減算量αを設定し、設定開度Ｔvbからαを減算することによって新たな開度Ｔvbを設定し、その開度Ｔvbになるように吸気絞り弁１４を駆動する（ステップＣ６）。
【００６８】
ステップＣ３でエンジン温度ＴA が閾値ＴAoよりも高いと判別されたとき、並びにステップＣ４で予混合ゾーンでないと判別されたときは、ステップＣ６に進んで、先にステップＣ２で設定した開度Ｔvbになるように吸気絞り弁１４を駆動する。
【００６９】
従って、予混合化の程度が高い燃焼形態をとる場合、エンジン温度が高いときは吸気バルブ３３の早閉じで実圧縮比が低下し、エンジン温度が低いときは吸気絞り弁１４による吸気通路１０の絞りによって実圧縮比が低下することになる。これにより、エンジン温度が低いときは実圧縮比を低下させても気筒内温度が大きく低下することが避けられ、エンジンの暖機に有利になる。
【００７０】
すなわち、図９の太線は吸気バルブ早閉じ時のＰＶ線図、細線は吸気絞り弁使用時のＰＶ線図である。同図の太線（吸気バルブ早閉じ時）において、ａ→ｂ→ｃが吸気行程、ｃ→ｂ→ｄが圧縮行程、ｄ→ｅ→ｆが仕事工程（膨張行程）、ｆ→ａが排気行程である。同図の細線（吸気絞り弁使用時）において、ａ→ｃ’が吸気行程、ｃ’→ｄ’が圧縮行程、ｄ’→ｅ’→ｆが仕事工程（膨張行程）、ｆ→ａが排気行程である。
【００７１】
吸気バルブ早閉じ時は、吸気バルブ３３が吸気行程下死点前に閉となることにより、吸気行程のｂ点で気筒への空気の流入が途絶え、その後はピストンの下降に伴って気筒内圧力がｂ→ｃと低下する。これに対して、吸気絞り弁使用時は、吸気通路１０の開度が小さくなることによって吸気行程に入ると気筒内圧力が大きく低下し、その後は空気の流入に伴って気筒内圧力が漸次上昇し、吸気行程下死点ｃ’では気筒内圧力が吸気バルブ早閉じ時よりも高くなる。この吸気行程下死点での圧力差が圧縮行程で気筒内圧力が上昇するときもそのまま反映されて残る。この圧力差により、吸気絞り弁使用時には吸気バルブ早閉じ時よりもエンジン温度が高くなり、エンジンの暖機に有利になるものである。
【００７２】
また、吸気絞り弁使用時には、吸気通路の絞りによって空気の気筒への流入速度が高くなってその運動エネルギーが高くなり、そのエネルギーが気筒内で熱に変わるため、筒内温度が高くなる。このことも、上記エンジンの暖機に有利に働く。
【００７３】
（ＥＧＲ制御）
次にＥＧＲ量の制御による高予混合燃焼形態採用時の早期着火防止について説明する。
【００７４】
高予混合燃焼形態採用時の混合気の着火性には気筒内の酸素濃度が影響する。すなわち、その酸素濃度が高くなるほど着火性が高くなり、早期着火・燃焼を引き起こす。そこで、高予混合燃焼形態のときは燃焼に不活性なＥＧＲ量を増大させることにより、気筒内の空気量、換言すれば酸素濃度を低下させて、早期着火を防止するようにしたものである。このような早期着火防止のためのＥＧＲ制御は上述の圧縮比低減制御と併用してもよいが、圧縮比を低減させずに単独で行なうことができる。
【００７５】
以下、図１０に示す制御フローに従って具体的に説明する。なお、この制御は所定時間毎に実行される。
【００７６】
スタート後のステップＤ１において、クランク角信号、アクセル開度信号、エアフローセンサ出力、Ｏ2 センサ出力など必要なデータを読み込む。続くステップＤ２においてエンジンの運転状態に応じた目標ＥＧＲ率に対応する目標新気量（目標吸入空気量）Airrefを、予め設定して電子的に格納された新気量マップから読み込んで設定する。目標ＥＧＲ率は、図１１に示すように、エンジン回転数と燃料噴射量とに対応させて、エンジン回転数が高くなるほど、また燃料噴射量が多くなるほど小さくなるように設定されている。一方、新気量マップは図１２に示すように、エンジン回転数が高くなるほど、また燃料噴射量が多くなるほど目標新気量Airrefが多くなるように設定されている。
【００７７】
続くステップＤ３においてエンジンの運転状態が予混合ゾーンに存するか否かを判別する。予混合ゾーンにあればステップＤ４に進んで、目標新気量Airrefから所定値βを減算して、予混合ゾーンになければステップＤ２で設定した目標新気量Airrefを変更することなく、それぞれステップＤ５に進む。
【００７８】
ステップＤ５ではエアフローセンサ１１の出力信号より求めた実新気量（実Air ）を上記目標新気量Airrefから減算することによって制御偏差ΔAir を求める。続くステップＤ６において制御偏差ΔAir に基づいてＥＧＲフィードバック制御量EGRf/b をＰＩＤ動作により求め、続くステップＤ７において当該ＥＧＲフィードバック制御量EGRf/b によりＥＧＲ弁２４を駆動する。
【００７９】
従って、このようなＥＧＲ制御であれば、高予混合燃焼形態のときは目標新気量Airrefが所定値βだけ少なくなる（ＥＧＲ量が所定値βに対応する量だけ増大する）から、その分気筒内の酸素濃度が低下し、早期着火を生じ難くなる。よって、黒煙及びＮＯｘの発生量が少なくなる。また、ＥＧＲガスはクーラー２３ａによって冷却されて吸気系に供給されるから、ＥＧＲによる筒内温度の上昇は抑えられる。
【００８０】
なお、上記所定値βは予混合の程度が高くなるほど大きくするようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの燃焼制御装置の全体構成図。
【図２】  同エンジンの燃料噴射制御系及び圧縮比変更系の構成図。
【図３】  同実施形態の燃料噴射形態の説明図。
【図４】  同実施形態の予混合ゾーンの説明図。
【図５】  同実施形態の燃料噴射制御のフロー図。
【図６】  同実施形態のバルブタイミングの説明図。
【図７】  同実施形態のバルブ調節による圧縮比変更制御のフロー図。
【図８】  同実施形態の吸気絞りによる圧縮比変更制御のフロー図。
【図９】  同実施形態の吸気バルブ早閉じ時及び吸気絞り時のＰＶ線図。
【図１０】  本発明の気筒内酸素濃度低減制御（ＥＧＲ制御）のフロー図。
【図１１】  同ＥＧＲ制御における目標新気量を燃料噴射量及びエンジン回転数に対応づけて示すグラフ図。
【図１２】  同ＥＧＲ制御における目標酸素濃度を燃料噴射量及びエンジン回転数に対応づけて示すグラフ図。
【符号の説明】
１  ディーゼルエンジン
２  気筒
４  燃焼室
５  インジェクタ（燃料噴射弁）
１０  吸気通路（吸気系）
１１  エアフローセンサ（吸入空気量検出手段）
２０  排気通路（排気系）
２３  ＥＧＲ通路（排気還流通路）
２４  ＥＧＲ弁（排気還流量調節手段）
３３  吸気バルブ
３５  ＥＣＵ（コントロールユニット）
３６  バルブ調節手段（圧縮比変更手段）
３７  運転状態検出手段
３８  圧縮比制御手段
３９  燃料噴射制御手段
【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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