(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
圧縮行程上死点付近で燃料噴射弁に燃料を噴射させて主噴射を実行する主噴射手段と、
主噴射後において膨張行程の所定期間内で、主噴射により噴射された燃料の燃焼が終了する時期に基づいて、燃料噴射弁に燃料を噴射させて後噴射を実行する後噴射手段とを備えているディーゼルエンジンの燃料噴射装置であって、
燃焼室への吸入酸素量を検出する吸入酸素量検出手段が設けられていて、
後噴射手段が、吸入酸素量検出手段によって検出される吸入酸素量と主噴射量に基づいて前記主噴射により噴射された燃料の燃焼が終了する時期に後噴射の燃焼が開始するように後噴射時期を設定することを特徴とするディーゼルエンジンの燃料噴射装置。
【請求項２】
吸入酸素量検出手段が、燃焼室への吸入空気量に基づいて吸入酸素量を検出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装置。
【請求項３】
排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気系に還流させるＥＧＲ手段と、ＥＧＲガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段とが設けられていて、
吸入酸素量検出手段が、酸素濃度検出手段によって検出されるＥＧＲガス中の酸素濃度に基づいて吸入酸素量を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載のディーゼルエンジンの燃料噴射装置。
【請求項４】
吸入酸素量検出手段が、吸気負圧に基づいて燃焼室への吸入空気量を算出し、該吸入空気量と新気量と基づいてＥＧＲガス量を算出し、該ＥＧＲガス量とＥＧＲガス中の酸素濃度とに基づいて吸入酸素量を検出することを特徴とする請求項３に記載のディーゼルエンジンの燃料噴射装置。
【請求項５】
後噴射手段が、吸入酸素量が多いときほど、主噴射時期と後噴射時期との間の期間を短くすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のディーゼルエンジンの燃料噴射装置。
【請求項６】
前記後噴射手段が、主噴射量が同一であるとき吸入酸素量検出手段によって検出される吸入酸素量が多いほど前記主噴射により噴射された燃料の燃焼の燃焼時間が短くなることを考慮し後噴射時期を進角するように設定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料噴射装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車用の直噴式ディーゼルエンジンにおいては、吸気行程で燃焼室内にエアを吸入し、圧縮行程でこのエアを圧縮して高温・高圧状態にし、圧縮行程上死点付近で燃料噴射弁からこのエア中に燃料を噴射するようにしている。そして、この燃料は、高温・高圧のエア中で自己着火して燃焼する。かかるディーゼルエンジンでは、普通、燃焼室内へはほぼ一定量（最大限）のエアが吸入され、燃料噴射弁からの燃料噴射量を増減させることによりエンジン出力を制御するようにしているので、エア過剰状態であることが多い。
【０００３】
ところで、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスには、ＮＯｘ（窒素酸化物）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）等の大気汚染物質が含まれているので、これらの大気汚染物質を浄化するため、排気通路には排気ガス浄化触媒が設けられる。かかる排気ガス浄化触媒は、その温度が低いと十分な浄化力を発揮しない。しかしながら、ディーゼルエンジンでは、多くはエア過剰状態であるので、排気ガス温度が比較的低いことが多く、冷間時等においては排気ガス浄化触媒の浄化力が充分でないときもある。
【０００４】
そこで、燃料噴射を、圧縮行程上死点付近で実行される主噴射と、主噴射後の膨張行程で実行される後噴射とに分けて行い、後噴射によって噴射された燃料の燃焼熱により排気ガス温度を高め、エンジンの暖機ないしは排気ガス浄化触媒の昇温・活性化を促進するようにしたディーゼルエンジンが提案されている（例えば、特開２０００−１７０５８５号公報参照）。
【０００５】
しかしながら、このように後噴射を行う場合、後噴射の態様（噴射時期、噴射量等）が適切でないと、煤あるいはＨＣの発生量が増加し、ひいては燃費性能が低下するといった問題が生じる。そこで、前記特開２０００−１７０５８５号公報に開示されたディーゼルエンジンでは、後噴射時期を圧縮上死点後１０〜２０°ＣＡに設定することにより、煤の発生を防止するとともに燃費性能の低下を抑制するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
かくして、本願発明者は、実験により、主噴射後の膨張行程において、主噴射燃料の燃焼が終了する時期（すなわち、該燃料の燃焼により発生する熱がほぼ０となる時期）付近で後噴射を実行すれば、煤及びＨＣの発生量を大幅に低減することができるといった事実を見出した。しかしながら、主噴射燃料の燃焼が終了する時期は、自動車ないしはエンジン運転状態、例えば吸入空気量等に応じて変化する。したがって、実際問題としては、主噴射燃料の燃焼が終了する時期に後噴射時期を設定するのは、なかなかむずかしいといった問題がある。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、主噴射燃料の燃焼が終了する時期付近で後噴射を実行することができ、煤及びＨＣの発生量を低減することができるディーゼルエンジンの燃料噴射装置を提供することを解決すべき課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた本発明にかかるディーゼルエンジンの燃料噴射装置は、（ｉ）燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、（ii）圧縮行程上死点付近で燃料噴射弁に燃料を噴射させて主噴射（主噴射を短期間で燃焼が連続するように複数回に分割して行う多段噴射を含む）を実行する主噴射手段と、（iii）主噴射後において膨張行程の所定期間内で、主噴射により噴射された燃料（以下、「主噴射燃料」という。）の燃焼（予混合燃焼、拡散燃焼を含む）が終了する時期（主噴射燃料の燃焼による熱発生率がほぼ０となる時期）に基づいて、燃料噴射弁に燃料を噴射させて後噴射（多段噴射を含む）を実行する後噴射手段とを備えているディーゼルエンジンの燃料噴射装置であって、（iv）燃焼室への吸入酸素量を検出する吸入酸素量検出手段が設けられていて、（ｖ）後噴射手段が、吸入酸素量検出手段によって検出される吸入酸素量と主噴射量に基づいて主噴射により噴射された燃料の燃焼が終了する時期に後噴射の燃焼が開始するように後噴射時期を設定することを特徴とするものである。
【０００９】
主噴射燃料の燃焼が終了する時期（以下、「主噴射燃焼終了時期」という。）は、燃焼室への吸入酸素量に応じて変化する。そして、このディーゼルエンジンの燃料噴射装置においては、吸入酸素量と主噴射量に基づいて後噴射時期が設定される。そこで、この酸素吸入量の変化に起因する主噴射燃焼終了時期の変化に応じて、この変化を相殺するように、主噴射により噴射された燃料の燃焼が終了する時期に後噴射の燃焼が開始するよう後噴射時期を好ましく設定することにより、主噴射燃焼終了時期付近で後噴射燃料の燃焼を正確に開始させることができ、ＨＣ及び煤の発生を有効に抑制することができる。
【００１０】
上記ディーゼルエンジンの燃料噴射装置においては、吸入酸素量検出手段が、燃焼室への吸入空気量に基づいて吸入酸素量を検出するのが好ましい。このようにすれば、燃焼室への酸素吸入量を、容易かつ迅速に検出することができる。
【００１１】
上記ディーゼルエンジンの燃料噴射装置において、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気系に還流させるＥＧＲ手段と、ＥＧＲガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段とが設けられている場合は、吸入酸素量検出手段が、酸素濃度検出手段によって検出されるＥＧＲガス中の酸素濃度に基づいて吸入酸素量を検出するのが好ましい。この場合、吸入酸素量検出手段は、例えば、吸気負圧に基づいて燃焼室への吸入空気量を算出し、この吸入空気量と新気量（新気吸入量）と基づいてＥＧＲガス量を算出し、該ＥＧＲガス量とＥＧＲガス中の酸素濃度とに基づいて、容易に吸入酸素量を検出することができる。
このようにすれば、ＥＧＲガス中の酸素濃度に基づいて、容易に主噴射燃焼終了時期付近で後噴射燃料の燃焼を開始させることができる。なお、酸素濃度検出手段は、例えば排気通路に設けられた既設のリニアＯ２センサ等を活用すれば、新たに設ける必要はない。
【００１２】
上記ディーゼルエンジンの燃料噴射装置においては、後噴射手段が、吸入酸素量が多いときほど、主噴射時期と後噴射時期との間の期間を短くする（例えば、後噴射時期を進角させる）のが好ましい。吸入酸素量が多いときほど、主噴射燃焼終了時期が進角する。そこで、この主噴射燃焼終了時期の進角に応じて、主噴射時期と後噴射時期との間の期間を短くすれば（例えば、後噴射時期を進角させれば）、主噴射燃焼終了時期付近で後噴射燃料の燃焼を正確に開始させることができ、ＨＣ及び煤の発生をより有効に抑制することができる。
また、上記ディーゼルエンジンの燃料噴射装置においては、後噴射手段が、主噴射量が同一であるとき吸入酸素量検出手段によって検出される吸入酸素量が多いほど主噴射により噴射された燃料の燃焼の燃焼時間が短くなることを考慮し後噴射時期を進角するように設定するのも好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
図１は、本発明にかかる燃料噴射装置を備えた自動車用ディーゼルエンジン（以下、単に「エンジン」という。）の構成を示している。図１に示すように、このエンジンの本体部１（以下、「エンジン本体１」という。）は、複数の気筒２（１つのみ図示）を有し、各気筒２内にはそれぞれピストン３が往復動可能に嵌挿されている。そして、ピストン３の上面によって気筒２内に燃焼室４が画成されている。また、燃焼室４の天井面のほぼ中央部には燃料噴射弁５が配設され、この燃料噴射弁５から燃焼室４内に所定のタイミングで燃料が直接噴射されるようになっている。さらに、エンジン本体１のウォータジャケット（図示せず）に臨んで、エンジンの冷却水温度（エンジン温度）を検出する水温センサ１６が設けられている。
【００１４】
各燃料噴射弁５は、高圧の燃料を蓄えるコモンレール６に接続されている。このコモンレール６には、その内部の燃料圧（コモンレール圧）を検出する圧力センサ６ａが配設されるとともに、クランク軸７によって駆動される高圧燃料供給ポンプ８が接続されている。高圧燃料供給ポンプ８は、燃料の供給圧力を制御することにより、圧力センサ６ａによって検出されたコモンレール６内の燃料圧を、例えばアイドル運転時にはおよそ２０ＭＰａ以上に保持し、その以外の運転時にはおよそ５０ＭＰａ以上に保持するようになっている。
【００１５】
また、クランク軸７には、その回転角度を検出するクランク角センサ９が設けられている。このクランク角センサ９は、詳しくは図示していないが、クランク軸７の端部に設けられた被検出プレートと、その外周部に対向するように配設された電磁ピックアップとからなり、電磁ピックアップが被検出プレートの外周部に形成された突起部の通過を検出してパルス信号を出力するようになっている。
【００１６】
エンジン本体１に接続された吸気通路１０の下流端は、サージタンク（図示せず）を介して各気筒２ごとに分岐し、この分岐部がそれぞれ吸気ポートを介して各気筒２の燃焼室４に接続されている。また、サージタンクには、各気筒２内に供給される吸気の圧力を検出する吸気圧センサ１０ａが設けられている。
【００１７】
吸気通路１０には、吸気流れ方向にみて上流側から順に、エンジン本体１内に吸入される吸気流量を検出するエアフローセンサ１１と、後で説明するタービン２１によって駆動され吸気を圧縮するブロワ１２と、このブロワ１２によって圧縮されて高温化した空気を冷却するインタークーラ１３と、吸気の流通面積を変化させる吸気絞り弁１４とが設けられている。
【００１８】
吸気絞り弁１４は、全閉状態でも吸気が流通できるように切欠きが設けられたバタフライバルブからなる。この吸気絞り弁１４は、後で説明するＥＧＲ弁２４と同様に、負圧制御用の電磁弁１６によってダイヤフラム式のアクチュエータ１５に作用する負圧の大きさに応じて、弁開度が変更される。また、吸気絞り弁１４の設置部には、その弁開度を検出するセンサ（図示せず）が設けられている。
【００１９】
エンジン本体１に接続された排気通路２０の上流端は、各気筒２ごとに分岐し、この分岐部がそれぞれ排気ポートを介して各気筒２の燃焼室４に接続されている。排気通路２０には、排気流れ方向にみて上流側から順に、排気ガス中のＯ２濃度を検出するリニアＯ２センサ１７と、排気ガス流により回転駆動されるタービン２１と、排気ガス中のＮＯx等の大気汚染物質を浄化する排気浄化装置２２と、この排気浄化装置２２を通過した排気ガス中のＮＯx濃度を検出するＮＯxセンサ１９とが配設されている。この排気浄化装置２２は、Ｏ２過剰雰囲気でＮＯｘを吸収する一方、Ｏ２濃度の低下によりこのＮＯｘを放出するＮＯｘ吸収材を備えたＮＯｘトラップ触媒（排気ガス浄化触媒）を用いている。
【００２０】
このＮＯｘトラップ触媒は、触媒成分であるＰｔと、ＮＯｘ吸収材であるＢａと、担体であるＡｌ２Ｏ３とを含んでいる。ここで、Ｂａは排気ガス中のＯ２含有率が比較的高いとき（リーンなとき）は、排気ガス中のＮＯｘ（ＮＯ、ＮＯ２）を吸収する。なお、Ｂａは、Ｂａ（ＮＯ３）２の形態でＮＯｘを吸収することが多い。他方、Ｂａは、排気ガス中のＯ２含有率が低いとき（リッチなとき）は、吸収しているＮＯｘを、排気ガス中にＮＯあるいはＮＯ２の形態で放出する。そして、このときＰｔは、排気ガス中のＨＣを還元剤として利用して、ＮＯｘを無害のＮ２に還元・浄化する。
なお、ＮＯｘトラップ触媒以外のＮＯｘ浄化触媒、あるいはその他の排気ガス浄化触媒を用いてもよいのはもちろんである。
【００２１】
ＮＯxトラップ触媒を用いた排気浄化装置２２は、詳しくは図示していないが、排気の流れ方向に沿って互いに平行に延びる多数の小径の孔部（貫通孔）を有するハニカム構造に形成されたコージェライト製の担体を備え、その各貫通孔壁面にＮＯｘトラップ触媒層を形成したものである。具体的には、前記のＮＯｘトラップ触媒を含む触媒層が、多孔質材であるＭＦＩ型ゼオライト（ＺＳＭ５）等の担体に担持されている。そして、排気ガスは、担体に形成された多数の孔部内を流通する。このため、排気ガスに含まれる煤（スモーク）の量が多いと、該孔部が目詰まりを起こすおそれがある。しかしながら、このエンジンでは、後で説明するように、後噴射により煤の発生量が低減されているので、このような不具合は生じない。
【００２２】
吸気通路１０に配設されたブロワ１２と排気通路２０に配設されたタービン２１とを備えたターボ過給機２５は、排気通路２０のノズル断面積を変化させることができるバリアブルジオメトリーターボ（ＶＧＴ）である。このターボ過給機２５には、そのノズル断面積を変化させるためのダイヤフラム式のアクチュエータ３０と、このアクチュエータ３０の負圧を制御するための電磁弁３１とが設けられている。
【００２３】
タービン２１の上流側において排気通路２０には、排気ガスの一部をＥＧＲとして吸気通路１０に還流させるための排気還流通路２３（以下、「ＥＧＲ通路２３」という。）が接続されている。、そして、ＥＧＲ通路２３の下流端は、吸気絞り弁１４の下流側において吸気通路１０に接続されている。ＥＧＲ通路２３の下流側部分には、弁開度が調節可能な負圧作動式の排気還流量調節弁２４（以下、「ＥＧＲ弁２４」という。）が配設され、このＥＧＲ弁２４とＥＧＲ通路２３とにより排気ガス還流手段３３が構成されている。なお、排気ガス還流手段３３は、主として、燃料の燃焼温度を低下させてＮＯｘ発生量を低減するために設けられている。
【００２４】
ＥＧＲ弁２４は、詳しくは図示していないが、弁本体がスプリングによって閉弁方向に付勢されるとともに、ダイヤフラム式のアクチュエータ２４ａにより開弁方向に駆動され、これによりＥＧＲ通路２３の開度をリニアに調節する。アクチュエータ２４ａには負圧通路２７が接続され、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２９（負圧源）に接続されている。そして、電磁弁２８は、負圧通路２７を連通させ又は遮断することによりＥＧＲ弁駆動用の負圧を調節し、これによりＥＧＲ弁２４が開閉駆動される。また、ＥＧＲ弁２４の設置部には、その弁本体の位置を検出するリフトセンサ２６が設けられている。
【００２５】
燃料噴射弁５、高圧燃料供給ポンプ８、吸気絞り弁１４、ＥＧＲ弁２４、ターボ過給機２５等は、後で説明するエンジンコントロールユニット３５（以下、「ＥＣＵ３５」という。）から出力される制御信号に応じて、その作動状態が制御される。また、ＥＣＵ３５には、圧力センサ６ａの出力信号と、クランク角センサ９の出力信号と、エアフローセンサ１１の出力信号と、水温センサ１８の出力信号と、運転者によって操作されるアクセルペダルの操作量を検出するアクセルセンサ３２の出力信号とが入力される。
【００２６】
ＥＣＵ３５は、活性状態判定手段３７と、排気還流制御手段３９と、主噴射制御手段４０と、後噴射制御手段４１とを備えている。ここで、活性状態判定手段３７は、排気浄化装置２２（ＮＯｘトラップ触媒）が活性状態にあるか否かを判定する。排気還流制御手段３９は、エンジンの運転状態に応じてＥＧＲ弁２４を駆動して、排気還流量を制御する。
【００２７】
主噴射制御手段４０（主噴射手段）は、エンジンの運転状態に応じて、圧縮行程上死点付近で燃料噴射弁５から主噴射により噴射される燃料（主噴射燃料）の噴射状態を制御する。後噴射制御手段４１（後噴射手段）は、燃料の主噴射時期から膨張行程までの間の所定時期（主噴射後における膨張行程の所定期間内）に、主噴射燃焼終了時期に基づいて、燃料噴射弁５から後噴射により噴射される燃料（後噴射燃料）の噴射状態を制御する。なお、後で説明するように、後噴射制御手段４１は、燃焼室４への吸入酸素量に基づいて後噴射時期を設定する。
【００２８】
燃焼室４内からのＲａｗＮＯxの排出量が多い運転状態、例えばエンジンが中負荷・中回転以上の運転状態にある場合、あるいは排気浄化装置２２（ＮＯｘトラップ触媒）が不活性状態にある場合等においては、後噴射は、主噴射後においてＡＴＤＣ（圧縮上死点後）３０°〜６０°ＣＡ（クランク角）の範囲内における所定時期に行われる。これにより、大気中へのＮＯxの放出が抑制（制御）される。
【００２９】
このエンジンにおいては、主噴射後の所定時期に後噴射を行うことにより、主噴射により発生したＨＣ及び煤を低減することができる。この場合、燃焼室４から排出される煤の量が多くなる傾向にある運転状態では、主噴射による燃料の拡散燃焼が終了した時点を基準にして設定された所定時期（エンジン回転数が１５００ｒｐｍ以上の運転状態では、ＡＴＤＣ３０°〜６０°ＣＡの時期）に後噴射が行われ、これにより煤の排出量が低減される。なお、上記の煤の排出量が多い運転状態としては、例えば、エンジン負荷が中負荷以上の運転状態、エンジン回転数が２０００ｒｐｍ程度の中回転数以上の運転状態、あるいは排気通路２０にディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が設置されている場合においてＤＰＦが３００°以下の低温状態にあり、その浄化機能が低い場合などがあげられる。
【００３０】
なお、主噴射とは、要求出力に相当する噴射量、あるいはそれ以上の噴射量でもって、吸気行程から膨張行程初期の所定時期に行われる噴射である。この主噴射により燃料の全部又は一部の拡散燃焼が行われる場合は、煤が発生するため、後噴射は、煤を低減するために行われる。この場合、圧縮行程上死点付近から膨張行程初期にかけての所期時期に主噴射を行えば、軽負荷の場合を除き、全ての燃料について拡散燃焼が行われる。他方、軽負荷の場合には、一部の燃料について予混合燃焼が行われ、残りの燃料について拡散燃焼が行われる。
【００３１】
また、主噴射を、吸気行程から圧縮行程上死点より前にかけて行うと、予混合燃焼が主体となり、この燃焼の場合、煤はほとんど発生しない。ただし、燃焼室壁面に付着した燃料が、圧縮行程上死点付近で着火して拡散燃焼が行われ、煤を発生させる場合もある。しかしながら、このような場合でも、後噴射により煤を低減することができる。なお、これには、主噴射が、吸気行程から圧縮上死点までの所定時期と、圧縮上死点付近から膨張行程初期までの所定時期との少なくとも２回に分けて行われる場合も含まれる。
【００３２】
以下、このエンジンにおける燃料噴射制御の制御手法を説明する。まず、図２に示すフローチャートを参照しつつ、この燃料噴射制御における基本制御の制御手法を説明する。
図２に示すように、この燃料噴射制御においては、まずステップＳ１で各センサの検出データが入力される。続いて、ステップＳ２で、エンジンの要求トルクに対応する主噴射における燃料噴射量Ｑｂ及び主噴射時期Ｉｂが、予め設定されたマップから読み出されて設定される。この後、ステップＳ３で、エンジンが定常運転状態にあるか否かが判定される。
【００３３】
ステップＳ３でエンジンが定常状態にあると判定された場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ４で、ＥＣＵ３５に設けられた活性状態判定手段３７により、排気浄化装置２２（ＮＯｘトラップ触媒）が所定温度以上の活性状態にあるか否かが判定される。ここで、排気浄化装置２２が活性状態にあると判定されれば（ＹＥＳ）、ステップＳ５で、エンジン負荷が中負荷以上であるか否かが判定される。そして、エンジン負荷が中負荷以上でないと判定されれば（ＮＯ）、ステップＳ６で、エンジン回転数が中回転以上であるか否かが判定される。
【００３４】
かくして、ステップＳ４で排気浄化装置２２（ＮＯｘトラップ触媒）が活性状態でない（不活性状態である）と判定された場合（ＮＯ）、ステップＳ５でエンジン負荷が中負荷以上であると判定された場合（ＹＥＳ）、又はステップＳ６でエンジン回転数が中回転以上であると判定された場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ７で、予め設定されたマップからエンジンの運転状態に対応する後噴射における燃料噴射量ＱＦ及び後噴射時期ＩＦが読み出されて設定される。これにより、主噴射後におけるＡＴＤＣ３０°〜６０°ＣＡの範囲内の所定時期に、後噴射時期が設定される。この後、ステップＳ８で、燃料の噴射制御が実行される。
【００３５】
このように、例えば主噴射後のＡＴＤＣ３０°〜６０°ＣＡの範囲内で後噴射を行う場合、主噴射により燃焼室４内に噴射された燃料（主噴射燃料）が予混合燃焼した後に生じる拡散燃焼が終了した時点（以下、「拡散燃焼終了時期」という。）で、後噴射により燃焼室４内に噴射された燃料（後噴射燃料）の燃焼が行われる。このため、拡散燃焼終了時期に燃焼室４内に存在する煤と酸素との混合が促進される。このように、着火し易い状態で、後噴射燃料が噴射されてその燃焼が始まるため、煤の発生を低減することができる。
【００３６】
ここで、拡散燃焼終了時期について詳細に説明する。拡散燃焼の態様は熱発生率に基づいて求められる。例えば、書籍「内燃機関講義（株式会社養賢堂出版、長尾不二夫著）」によれば、熱発生率は、次の式１で表される。
【００３７】
0004524530.tif 000002
Ａ ：熱の仕事当量
Ｋθ：比熱比
Ｖθ：行程容積
Ｐθ：筒内圧力
θ ：クランク角
【００３８】
例えば、小野測器株式会社製の燃料解析装置ＣＢ５６６のマニュアル書によれば、比熱比Ｋθは、次の式２〜式５で表される。
0004524530.tif 000003
Ｃｐ：定圧比熱
Ｃｖ：定容比熱
Ｒｏ：ガス定数
Ｍ  ：空気の分子量
Ｔθ ：ガス温度
Ｇ  ：ガス重量
ａｐ、ｂ、ｃ、ｄ：その他の定数
【００３９】
式２〜式５によれば、式１で表される熱発生率ｄＱ／ｄθは、筒内圧力Ｐθと行程容積Ｖθとを独立変数とする関数ｆ（Ｐθ，Ｖθ）となる。また、行程容積Ｖθを、ボア径Ｂ及びストロークＳに基づいて表すと、次の式６のようになる。
Ｖθ＝（π・Ｂ２・Ｓ／８）・（１−ｃｏｓθ）………………………式６
したがって、熱発生率ｄＱ／ｄθは、次の式７で表される。
ｄＱ／ｄθ＝[ｆ（Ｐθ＋Δθ，Ｖθ＋Δθ)−ｆ（Ｐθ，Ｖθ）]／Δθ……式７
よって、クランク角毎の筒内圧力データがあれば、これに基づいて熱発生率を計算することができる。
【００４０】
図３（ａ）〜（ｃ）に、それぞれ、ニードルリフトパターン（燃料噴射量）が互いに異なる３つのケースについて、このようにして求めた熱発生率の経時変化をグラフで示す。図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、主噴射燃料の燃焼に伴って熱発生率が正方向に大きな値を示した後、拡散燃焼の終了に伴って熱発生率が０となる。このため、熱発生率がほぼ０となる時点ｔ１に基づき、拡散燃焼終了時期を求めることができる。なお、図３（ａ）〜（ｃ）において、Ａ１〜Ａ３（破線）は、それぞれ、後噴射燃料の燃焼による熱発生率（Ｆ／ＵＰによる熱発生）を示している。
【００４１】
この実施の形態では、このようにして予め求められた時点ｔ１の近傍で後噴射燃料の燃焼が開始されるよう、後噴射時期が設定されている。この後噴射時期は、運転状態に基づいて予め設定された着火遅れ時間τＦ（例えば、０.４〜０.７ｍｓの間）を考慮して、ｔ１よりもこの着火遅れ時間τＦ分だけ早く設定されている。着火遅れ時間τＦは、エンジン排気量、燃料噴射圧力にもよるが、１０００〜３０００ｃｃクラスのエンジンにおいて、噴射圧力が５０〜２００ＭＰaの場合は、０.４〜０.７ｍｓ程度となる（運転状態によりまちまちである）。
【００４２】
なお、この後噴射燃料の着火遅れ時間τＦは、圧縮行程上死点付近で行われる主噴射の着火遅れ時間τｍａｉｎ（約０.１（高回転時）〜０.３ｍｓ（低回転時））よりも長いが、これは後噴射が圧縮上死点後の筒内温度が比較的低い温度の時に行われるからである。
また、燃料噴射弁５への噴射駆動信号は、着火遅れ時間τＦ、τｍａｉｎに加えて、さらに噴射弁開閉信号から実際に噴射の開始・終了が起こる間の無効時間（駆動遅れ時間）も考慮されて、ＥＣＵに記憶されている。
【００４３】
拡散燃焼終了時期は、エンジンの運転状態に応じて変化し、エンジン負荷あるいは回転数が上昇するほど、拡散燃焼終了時期が遅くなる傾向がある。例えば、エンジン回転数が２０００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０.５７ＭＰａに制御される中負荷・中回転時に、クランク角に対応するシリンダ内の圧力変化と、シリンダの容積変化とに基づき、燃焼室４内の熱発生率を熱力学的に計算してグラフ化すると、図３（ｂ）に示すようになる。この場合、、ピストンの圧縮上死点近傍で噴射された主噴射燃料の予混合燃焼による熱発生Ｙと、これとほぼ同程度の拡散燃焼による熱発生Ｋとが生じる。そして、ＡＴＤＣ３５°ＣＡ程度より約０.５ｍｓ遅れた時点ｔ１で、拡散燃焼が終了することが確認されている。
【００４４】
これに対して、例えば、エンジン回転数が２５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０.９ＭＰａに制御される高負荷・高回転時には、図３（ｃ）に示すように、主噴射燃料の予混合燃焼による熱発生Ｙに比べて、かなりの長期間にわたって拡散燃焼による熱発生Ｋが生じる。この場合、拡散燃焼は、ＡＴＤＣ４７°ＣＡ程度より約０.７ｍｓ遅れた、かなり遅い時点ｔ１で終了することが確認されている。
【００４５】
なお、例えば、エンジン回転数が１５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０.３ＭＰａに制御される低負荷・低回転時には、図３（ａ）に示すように、主噴射燃料の予混合燃焼と拡散燃焼とを熱発生状態によって区別することは困難である。この場合、ＡＴＤＣ３０°ＣＡ程度より約０.６ｍｓ遅れた、比較的に早い時点ｔ１で燃焼が終了することが確認されている。
【００４６】
次に、拡散燃焼終了時期付近で後噴射を開始することによる煤の低減効果について説明する。
図４（ａ）に、エンジン回転数が１５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０.３ＭＰａに制御されたエンジンの低負荷・低回転時において、主噴射後に後噴射時期を種々変化させて煤の発生量を測定した結果を示す。図４（ａ）に示すように、後噴射時期を、主噴射後においてＡＴＤＣ３０°ＣＡ以降に設定した場合、煤の発生量が顕著に低減される。
【００４７】
図４（ｂ）に、エンジン回転数が２０００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０.５７ＭＰａに制御された中負荷・中回転時において、主噴射後に後噴射時期を種々変化させて煤の発生量を測定した結果を示す。図４（ｂ）に示すように、後噴射時期を、主噴射後においてＡＴＤＣ３５°ＣＡ以降に設定した場合、煤の発生量が顕著に低減される。
【００４８】
図４（ｃ）に、エンジン回転数が２５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０.９ＭＰａに制御された高負荷・高回転時において、主噴射後に後噴射時期を種々変化させて煤の発生量を測定した結果を示す。図４（ｃ）に示すように、後噴射時期を、主噴射後においてＡＴＤＣ４７°以降に設定した場合、煤の発生量が顕著に低減される。なお、上記測定では、エンジン負荷を一定に設定するとともに、主噴射燃料量に対する後噴射燃料量の比率を２０％に設定している。
図４（ａ）〜図４（ｃ）において、縦軸のＳは、後噴射を行わない場合の煤発生量（以下、「基準値」という。）を示している。なお、後で説明するＨＣ量（図５）、燃費率（図６）、ＮＯｘ量（図７）の場合も同様である。
【００４９】
図８（ａ）中の実線のグラフは、エンジン回転数が１５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０.３ＭＰａに制御された低負荷・低回転時に、主噴射燃料の拡散燃焼終了時点の近傍よりも着火遅れ分だけ進角した時点であると考えられるＡＴＤＣ３０°ＣＡの時点で後噴射を行った場合において、主噴射燃料量に対する後噴射燃料量の比率（以下、「後噴射割合」という。）を１０〜４５％の範囲内で種々変化させて煤の発生量を測定した結果を示す。図８（ａ）中に実線で示すように、後噴射割合の増加に伴って煤発生量が減少する。これに対して、図８（ａ）中に破線で示すように、拡散燃焼終了時期より前であると考えられるＡＴＤＣ８°ＣＡの時点で後噴射を行った場合は、後噴射量割合の増大に伴って煤発生量が増加する。
【００５０】
図８（ｂ）に、エンジン回転数が２０００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０.５７ＭＰａに制御された中負荷・中回転時において、拡散燃焼終了時点の近傍よりも着火遅れ分だけ進角した時点であると考えられるＡＴＤＣ３５°ＣＡの時点と、拡散燃焼終了時期より前であると考えられるＡＴＤＣ２０°ＣＡの時点とで後噴射を行って、図８（ａ）の場合と同様に煤の発生量を測定した結果を示す。
【００５１】
図８（ｃ）に、エンジン回転数が２５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０.９ＭＰａに制御された高負荷・高回転時において、拡散燃焼終了時期の近傍よりも着火遅れ分だけ進角した時点であると考えられるＡＴＤＣ４８°ＣＡの時点と、拡散燃焼終了時期より前であると考えられるＡＴＤＣ２０°ＣＡの時点とで後噴射を行って、図８（ａ）の場合と同様に煤の発生量を測定した結果を示す。
図８（ｂ）、（ｃ）から明らかなとおり、図８（ａ）に示す低負荷・低回転時の場合と同傾向の結果が得られている。
【００５２】
上記測定結果によれば、主噴射燃料の拡散燃焼終了時期を基準にして後噴射時期を設定し、拡散燃焼終了時期又はその前後近傍で後噴射燃料が着火するようにすれば、燃焼室４内に存在する炭素と酸素とが充分に混合された状態で後噴射が行われ、炭素が効果的に燃焼させられ、燃焼室４内から排気通路２０への煤の排出量が低減されることがわかる。
【００５３】
拡散燃焼終了時期は、エンジン負荷あるいはエンジン回転数等に応じて変化する。このため、例えば図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すような、拡散燃焼による熱発生率が０となる時点ｔ１を、それぞれエンジンの運転状態が異なる種々の実験データに基づいてマップ化し、このマップからを読み出すことにより設定することができる。
【００５４】
また、燃焼室４内の温度を検出する温度センサの検出信号、燃焼光センサの検出信号、あるいは燃焼室４内に存在する電荷が偏った反応性の高い水素や炭化水素等の量を検出するセンサの検出信号等に基づいて拡散燃焼状態を判別する燃焼状態判別手段を設けてもよい。この場合、燃焼状態判別手段により、主噴射後の温度が所定温度以下の低温となった否か、燃焼光の発光ががなくなったか否か、あるいは水素や炭化水素の量が急減したか否か等を判別することにより、拡散燃焼終了時期を求め、これを基準にして次の燃焼サイクルでの後噴射時期を設定するようにしてもよい。さらに、温度センサによって検出された気筒内温度から断熱膨張温度を減算した値の微分値を求め、この微分値が−の値から０になった時点を検出することにより、拡散燃焼終了時期を判別するようにしてもよい。
【００５５】
このように、エンジンの運転状態に基づいて判別された拡散燃焼終了時期に基づいて、この拡散燃焼終了時期付近（クランク角で±５°以内）の時期、好ましくは拡散燃焼終了直後に後噴射燃料の燃焼が開始されるように、それぞれの運転状態に応じて燃料の後噴射の開始時期を設定すれば、エンジンの運転状態に応じて最適時期に後噴射を行うことができ、煤の排出量を効果的に低減することができる。
【００５６】
以下、このエンジンの燃料噴射制御によるＮＯx低減効果について説明する。図５（ａ）に、エンジン回転数が１５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０.３ＭＰａに制御された低負荷・低回転時において、主噴射後のＡＴＤＣ２.５〜５０°ＣＡの範囲内で後噴射時期を種々変化させてＨＣ量を測定した結果を示す。図５（ａ）に示すように、後噴射時期を、主噴射後のＡＴＤＣ３０°ＣＡ以降に設定した場合、ＨＣ量が顕著に増加する。
【００５７】
図５（ｂ）に、エンジン回転数が２０００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０.５７ＭＰａに制御された中負荷・中回転時において、後噴射時期を種々変化させてＨＣ量を測定した結果を示す。図５（ｂ）に示すように、後噴射時期を、主噴射後のＡＴＤＣ３５°ＣＡ以降に設定した場合、ＨＣ量が顕著に増加する。
【００５８】
図５（ｃ）に、エンジン回転数が２５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０.９ＭＰａに制御された高負荷・高回転時において、後噴射時期を種々変化させてＨＣ量を測定した結果を示す。図５（ｃ）に示すように、後燃料時期を、主噴射後のＡＴＤＣ４５°ＣＡ以降に設定した場合、ＨＣ量が顕著に増加する。上記測定では、エンジン負荷を一定に制御するとともに、主噴射燃料量に対する後噴射燃料量の比率をそれぞれ２０％に設定している。
なお、図５（ａ）〜図５（ｃ）において、縦軸のＳは、ＨＣ量の基準値を示している。
【００５９】
上記測定結果によれば、主噴射後のＡＴＤＣ３０°ＣＡ以降に後噴射を行った場合、ＨＣ量が増加してＮＯxの還元剤となる電荷が偏った反応性の高い水素や炭化水素量が増加し、燃焼室４内から排気通路２０へのＲａｗＮＯxの排出量を低減することができることがわかる。
【００６０】
図６（ａ）〜図６（ｃ）に、それぞれ、低負荷・低回転時と、中負荷・中回転時と、高負荷・高回転時とにおいて、後噴射時期を種々変化させて燃費率（燃料消費率）を測定した結果を示す。なお、図６（ａ）〜図６（ｃ）において、縦軸のＳは、燃費率の基準値を示している。図６（ａ）〜図６（ｃ）に示すように、後噴射時期が遅くなるほど燃費率が悪化することがわかる。これは、後噴射時期を遅くするほど、後噴射燃料がエンジン出力の向上に寄与しなくなるからである。したがって、燃費が悪化するのを防止するには、後噴射時期を、主噴射後のＡＴＤＣ６０°ＣＡ以前に設定するのが好ましい。かくして、例えば、主噴射後のＡＴＤＣ３０〜６０°ＣＡの範囲内における所定時期に後噴射を行うことにより、燃費性能を悪化させることなく、大気中へのＮＯxの放出を効果的に防止して排気ガスを浄化できる。
【００６１】
図７（ａ）〜図７（ｃ）に、それぞれ、低負荷・低回転時と、中負荷・中回転時と、高負荷・高回転時とにおいて、後噴射時期を種々変化させてＮＯｘ排出量を測定した結果を示す。なお、図７（ａ）〜図７（ｃ）において、縦軸のＳは、ＮＯｘ排出量の基準値を示している。図７（ａ）〜図７（ｃ）に示すように、主噴射後のＡＴＤＣ３０〜６０°ＣＡの範囲内における所定時期に後噴射を行うことにより、燃費を悪化させることなく、大気中へのＮＯxの放出を効果的に防止して排気ガスを浄化することができる。上記測定では、排気還流率は一定となるように制御されている。排気還流制御手段３９による排気ガスの還流制御が実行されると、後噴射によって生じる排圧上昇によるＥＧＲ効果によりＲａｗＮＯxの発生量が変化し、後噴射によるＲａｗＮＯxの低減効果を正確に確認することが困難となるからである。
【００６２】
なお、後噴射時期を、クランク角に応じて設定するのではなく、タイマに基づいて設定される時間に応じて設定してもよい。この場合、主噴射後において圧縮上死点後の１.２〜４ｍｓの範囲内における所定時期に後噴射を行うことにより、燃費を悪化させることなく、大気中へのＮＯxの放出を効果的に防止することができる。
【００６３】
このように、このエンジンの燃料噴射制御によれば、煤の発生量の低減と、ＮＯxの発生量の低減とを両立させるでき、かつ後噴射時期を主噴射後の拡散燃焼終了時期を基準にして設定して燃費性能を向上させることができる。例えば、エンジン回転数が１５００ｒｐｍで低負荷の場合は、拡散燃焼終了時期はＡＴＤＣ３０°ＣＡより約０.５ｍｓ遅れた時点である。したがって、煤の発生量及びＮＯxの発生量を低減するには、後噴射時期を、ＡＴＤＣ３０°ＣＡ付近、例えばＡＴＤＣ２７〜３５°ＣＡに設定すればよく、最適な時期はＡＴＤＣ３０°ＣＡである。
【００６４】
エンジン回転数が２０００ｒｐｍで中負荷の場合は、拡散燃焼終了時期はＡＴＤＣ３５°ＣＡより約０.５ｍｓ遅れた時点である。したがって、後噴射時期を、ＡＴＤＣ３５°ＣＡ付近、例えばＡＴＤＣ３３〜４０°ＣＡに設定すればよく、最適な時期はＡＴＤＣ３５°ＣＡである。
また、エンジン回転数が２５００ｒｐｍで高負荷の場合は、拡散燃焼終了時期はＡＴＤＣ４７°ＣＡより約０．７ｍｓ遅れた時点である。したがって、後噴射時期を、ＡＴＤＣ４７°付近、例えばＡＴＤＣ４５〜４８°ＣＡに設定すればよく、最適な時期はＡＴＤＣ４７°ＣＡである。
【００６５】
また、排気ガスにより駆動されて吸気を過給するターボ過給機２５を備えたこのディーゼルエンジンでは、上記のように、主噴射後に所定量の燃料が後噴射されると排気ガス圧力が上昇してターボ過給機２５の過給作用が高められる。その結果、燃焼室４内に導入される新気量が増大され、これにより燃焼室４内に残存する炭素の燃焼が促進され、煤の発生が効果的に抑制される。そして、ターボ過給機２５の過給作用により吸入空気量が増大すると、主噴射燃料の拡散燃焼終了時期が早くなる傾向がある。このため、この拡散燃焼終了時期に応じて後噴射時期を補正することにより、煤の発生を効果的に抑制して排気通路２０に排出される煤の導出量を、より低減することができる。
【００６６】
また、ターボ過給機２５を備えたこのディーゼルエンジンには、排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス還流手段３３が設けられている。ここで、ＥＣＵ３５に設けられた排気還流制御手段３９により排気ガスの還流率を目標値に追従するようフィードバック制御する場合、ターボ過給機２５の過給作用により吸入空気量が増大すると、これに対応して吸気系に還流される排気ガスが増量される。このため、燃焼室４内から排気通路２０へＲａｗＮＯxの排出量が、さらに効果的に低減される。
【００６７】
さらに、排気通路２０に介設された排気浄化装置２２内のＮＯxトラップ触媒が不活性状態にある場合、拡散燃焼終了時期を基準にして後噴射時期を設定するといった制御を行えば、上記のとおり、燃焼室４内で反応性の高い炭化水素量等を増大させてＲａｗＮＯxを低減する作用と、炭素の燃焼を促進させて煤の排出量を低減する作用とが同時に得られる。
【００６８】
とくに、ＮＯｘトラップ触媒が活性状態にある場合は、ＮＯxトラップ触媒に供給される還元剤の量が充分に確保される時期、すなわちＡＴＤＣ６０°〜１８０°ＣＡの範囲内における所定時期に後噴射時期を設定する一方、ＮＯxトラップ触媒が不活性状態にある場合は、後噴射時期を進角させることにより拡散燃焼終了時期に対応させて後噴射を行うようにしてもよい。このようにすれば、ＮＯxトラップ触媒の活性時には、その浄化作用により大気中へのＮＯxの放出を抑制することができる。他方、ＮＯxトラップ触媒の不活性時には、燃焼室４内における反応性の高い炭化水素量を増大させるなどして、燃焼室４から排気通路２０へのＮＯx排出量を効果的に低減することができる。
【００６９】
前に説明した図８（ａ）〜図８（ｃ）中に実線で示すように、実験に基づく後噴射割合と煤発生量との対応関係によれば、低負荷・低回転時、中負荷・中回転時及び高負荷・高回転時のいずれの運転状態においても、後噴射割合を大きくすればするほど、煤の発生を抑制することができることがわかる。
【００７０】
図９（ａ）に、エンジン回転数が１５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０.３ＭＰａに制御された低負荷・低回転時に、ＡＴＤＣ３０°ＣＡの時点とＡＴＤＣ８°ＣＡの時点とで後噴射を行った場合において、後噴射割合を種々変化させてＨＣ量を測定した結果を示す。図９（ａ）中に実線で示すように、拡散燃料終了時期付近であるＡＴＤＣ３０°ＣＡの時点で後噴射を行った場合、後噴射割合の増加に伴ってＨＣ量が増加する。これに対して、図９（ａ）中に破線で示すように、拡散燃料終了時期よりかなり前のＡＴＤＣ８°ＣＡの時点で後噴射を行った場合は、ＨＣ量はほとんど変化しない。
【００７１】
図９（ｂ）に、エンジン回転数が２０００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０.５７ＭＰａに制御された中負荷・中回転時において、ＡＴＤＣ３５°ＣＡの時点とＡＴＤＣ２０°ＣＡの時点とで後噴射を行って、図９（ａ）の場合と同様にＨＣ量を測定した結果を示す。この場合も、図９（ｂ）中に実線で示すように、拡散燃料終了時期付近であるＡＴＤＣ３５°ＣＡの時点で後噴射を行った場合は、後噴射割合の増加に伴ってＨＣ量が増加する。これに対して、図９（ｂ）中に破線で示すように、拡散燃料終了時期よりかなり前のＡＴＤＣ２０°ＣＡの時点で後噴射を行った場合は、ＨＣ量は後噴射割合に対して単調には増加・減少しない。
【００７２】
図９（ｃ）に、エンジン回転数が２５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０.９ＭＰａに制御された高負荷・高回転時において、ＡＴＤＣ４８°ＣＡの時点とＡＴＤＣ２０°ＣＡの時点とで後噴射を行って、図９（ａ）の場合と同様にＨＣ量を測定した結果を示す。この場合は、いずれにおいても、ＨＣ量は後噴射割合に対して単調には増加・減少しない。
【００７３】
図１０（ａ）に、エンジン回転数が１５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０.３ＭＰａに制御された低負荷・低回転時において、ＡＴＤＣ３０°ＣＡの時点とＡＴＤＣ８°ＣＡの時点とで後噴射を行った場合において、後噴射割合を種々変化させて燃費率を測定した結果を示す。図１０（ａ）中に破線で示すように、拡散燃料終了時期よりかなり前のＡＴＤＣ８°ＣＡの時点で後噴射を行った場合、後噴射割合の増大に対して燃費率はほとんで変化しない。これに対して、図１０（ａ）中に実線で示すように、拡散燃焼終了時期付近で後噴射燃料の燃焼が行われると考えられるＡＴＤＣ３０°ＣＡの時点で後噴射を行った場合には、後噴射割合の増加に伴って、燃費率が顕著に悪化する。
【００７４】
図１０（ｂ）に、エンジン回転数が２０００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０.５７ＭＰａに制御された中負荷・中回転時において、ＡＴＤＣ３５°ＣＡの時点とＡＴＤＣ２０°ＣＡの時点とで後噴射を行って、図１０（ａ）の場合と同様に燃費率を測定した結果を示す。
また、図１０（ｃ）に、エンジン回転数が２５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力Ｐｅが０.９ＭＰａに制御された高負荷・高回転時において、ＡＴＤＣ４８°ＣＡの時点とＡＴＤＣ２０°ＣＡの時点とで後噴射を行って、図１０（ａ）の場合と同様に燃費率を測定した結果を示す。
図１０（ｂ）、（ｃ）から明らかなとおり、図１０（ａ）に示す低負荷・低回転時の場合と同傾向の結果が得られている。
【００７５】
したがって、拡散燃焼終了時期を基準にして後噴射時期を設定し、拡散燃焼終了時期、又はその前後付近で後噴射燃料が着火するようにすれば、後噴射燃料量を、総燃料噴射量の０.２％〜５０％に、好ましくは１５％〜３５％の範囲内に設定することにより、燃費を悪化させることなく、煤の発生量を効果的に低減することができる。
【００７６】
なお、この実施の形態では、ＮＯxトラップ触媒の活性状態や、エンジン負荷及びエンジン回転数に応じて後噴射を実行するようにしているが、後噴射の実行形態はこれに限られず、種々の変形が可能である。例えば、エンジンの全ての運転状態で燃料の後噴射を実行するようにしてもよい。
【００７７】
以下、図１１及び図１２に示すフローチャートを参照しつつ、燃焼室４への吸入酸素量に基づいて燃料噴射制御を行う制御ルーチンを説明する。
【００７８】
図１１に示すように、この制御ルーチンにおいては、まずステップＳ１１で各種データが入力された後、ステップＳ１２で、アクセル開度αと車速Ｖとに基づいて目標トルクＴｒが設定（セット）される。
図１３（ａ）に示すように、目標トルクＴｒは、アクセル開度αが大きいときほど、また車速Ｖが高いときほど大きくなるように設定される。
【００７９】
次に、ステップＳ１３で、主噴射燃料量Ｑｂと主噴射時期Ｉｂとが設定（セット）される。
図１３（ｂ）に示すように、主噴射燃料量Ｑｂは、目標トルクＴｒが大きいときほど、またエンジン回転数Ｎｅが高いときほど大きくなるように設定される。続いて、ステップＳ１４で燃焼室４への吸入酸素量Ｏ２ＴＯＴＡＬが算出される。なお、吸入酸素量Ｏ２ＴＯＴＡＬの具体的な算出方法は、後で図１２を参照しつつ説明する。
【００８０】
そして、ステップＳ１５で、主噴射燃料量Ｑｂと、主噴射時期Ｉｂと、吸入酸素量Ｏ２ＴＯＴＡＬとに基づいて、後噴射時期ＩＦが設定（セット）される。
図１３（ｃ）に示すように、主噴射燃料の燃焼時間は、吸入酸素量Ｏ２ＴＯＴＡＬと主噴射燃料量Ｑｂとに依存する。すなわち、主噴射燃料の燃焼時間は、吸入酸素量Ｏ２ＴＯＴＡＬが多いときほど、また主噴射燃料量Ｑｂが少ないときほど短くなる。したがって、吸入酸素量Ｏ２ＴＯＴＡＬが多いときほど、主噴射燃焼終了時期は進角することになる。なお、吸入酸素量Ｏ２ＴＯＴＡＬが多いときほど主噴射燃料の燃焼時間が短くなるのは、酸素が多いときほど燃料の燃焼が促進され、燃料が早く燃え尽きるからである。
【００８１】
そこで、酸素吸入量Ｏ２ＴＯＴＡＬの変化に起因する主噴射燃焼終了時期の変化に応じて、この変化を相殺するように後噴射時期ＩＦを好ましく設定することにより、主噴射燃焼終了時期付近で後噴射燃料の燃焼を正確に開始させ、ＨＣ及び煤の発生を有効に抑制するようにしている。具体的には、まず、図１３（ｃ）に示すような特性をもつ燃焼時間マップを用いて、吸入酸素量Ｏ２ＴＯＴＡＬと主噴射燃料量Ｑｂとに対応する主噴射燃料の燃焼時間を演算する。そして、主噴射燃料量Ｑｂから求まる主噴射開始タイミングと、着火遅れ時間とに基づいて後噴射時期ＩＦを設定する。
図１５に示すように、主噴射及び後噴射の両方に着火遅れがあるので、両者の着火遅れを考慮して、後噴射時期ＩＦが設定される。
【００８２】
次に、ステップＳ１６で、目標トルクＴｒとエンジン回転数Ｎｅとに基づいて後噴射燃料量ＱＦが設定（セット）され、続いてステップＳ１７で燃料噴射が実行される。この後、ステップＳ１１に復帰する。
図１４に示すように、後噴射燃料量ＱＦは、目標トルクＴｒが大きいときほど、またエンジン回転数Ｎｅが高いときほど大きくなるように設定される。なお、図１４中において、斜線を付した領域、すなわち高負荷・高回転領域は、煤あるいはＮＯｘの発生量が多い領域である。このため、この領域では、煤あるいはＮＯｘの発生を有効に低減するため、後噴射燃料量ＱＦが大きい値に設定される。
【００８３】
以下、図１２に示すフローチャートを参照しつつ、燃焼室４への吸入酸素量Ｏ２ＴＯＴＡＬの具体的な算出方法を説明する。なお、図１２に示すフローチャートは、前記ステップＳ１４を実行するためのサブルーチンである。
図１２に示すように、このサブルーチンでは、まずステップＳ２１で各種データが入力され、続いてステップＳ２２で新気量Ａｉｒが検出される。なお、新気量Ａｉｒは、外部からエンジンに導入されるエア量、すなわちエアフローセンサ１１によって検出されるエア量である。
【００８４】
次に、ステップＳ２３で、大気中の酸素濃度が約２１％であることに鑑み、新気量Ａｉｒに０．２１を乗算することにより、新気中の酸素量Ｏ２Ａｉｒ（以下、「新気酸素量Ｏ２Ａｉｒ」という。）が算出される（Ｏ２Ａｉｒ＝Ａｉｒ＊０．２１）。続いて、ステップＳ２４でＥＧＲ量ＡＥＧＲが算出される。このＥＧＲ量ＡＥＧＲは、吸入空気量Ａｉｒｉｎ（燃焼室４へのエアの最終的な吸入量）から新気量Ａｉｒを減算することにより算出される。（ＡＥＧＲ＝Ａｉｒｉｎ−Ａｉｒ）。また、吸入空気量Ａｉｒｉｎは、吸気負圧に基づいて算出される。
【００８５】
そして、ステップＳ２５で、エンジンの運転状態に基づいて、現時点で燃焼室４に吸入されているＥＧＲガスがリニアＯ２センサ１７に接触した時点ないしは該ＥＧＲガスの還流時間が算出される。
図１６に示すように、ＥＧＲガスの還流時間は、エンジン回転数Ｎｅと目標トルクＴｒとに応じて定まるが、目標トルクＴｒに対する依存性は非常に小さい。したがって、ＥＧＲガスの還流時間は、実質的には、エンジン回転数Ｎｅのみに依存し、エンジン回転数Ｎｅが高いときほど短くなる。
【００８６】
次に、ステップＳ２６で、該ＥＧＲガスがリニアＯ２センサ１７に接触した時点、すなわち現時点より該ＥＧＲガスの還流時間だけ前の時点におけるリニアＯ２センサ１７の出力値Ｏ２ｘ（以下、「ＥＧＲ酸素濃度Ｏ２ｘ」という。）が読み込まれる。続いて、ステップＳ２７で、ＥＧＲガス量ＡＥＧＲとＥＧＲ酸素濃度Ｏ２ｘとを乗算することにより、ＥＧＲガス中の酸素量Ｏ２ＥＧＲ（以下、「ＥＧＲ酸素量Ｏ２ＥＧＲ」という。）が算出される（Ｏ２ＥＧＲ＝ＡＥＧＲ＊Ｏ２ｘ）。
【００８７】
この後、ステップＳ２８で、新気酸素量Ｏ２ＡｉｒとＥＧＲ酸素量Ｏ２ＥＧＲとを加算することにより、燃焼室４への吸入酸素量Ｏ２ＴＯＴＡＬが算出される（Ｏ２ＴＯＴＡＬ＝Ｏ２Ａｉｒ＋Ｏ２ＥＧＲ）。
このように、吸気負圧に基づいて燃焼室４への吸入空気量Ａｉｒｉｎを算出し、吸入空気量Ａｉｒｉｎと新気量Ａｉｒと基づいてＥＧＲガス量ＡＥＧＲを算出し、ＥＧＲガス量ＡＥＧＲとＥＧＲ酸素濃度Ｏ２ｘとに基づいて吸入酸素量Ｏ２ＴＯＴＡＬを検出するようにしているので、該吸入酸素量Ｏ２ＴＯＴＡＬを容易かつ迅速に検出することができる。
【００８８】
以上、本発明によれば、主噴射燃料の燃焼が終了する時期付近で後噴射を実行することができ、煤及びＨＣの発生量を低減することができるディーゼルエンジンの燃料噴射装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明にかかる燃料噴射装置を備えた直噴ディーゼルエンジンのシステム構成図である。
【図２】  図１に示すエンジンにおける燃料噴射制御の基本的な制御方法を示すフローチャートである。
【図３】  （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、燃焼室内における熱発生率の経時変化を示すタイムチャートである。
【図４】  （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、後噴射時期と煤発生量との関係を示すグラフである。
【図５】  （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、後噴射時期と排気ガス中のＨＣ量との関係を示すグラフである。
【図６】  （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、後噴射時期と燃費率との関係を示すグラフである。
【図７】  （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、後噴射時期と排気ガス中のＮＯｘ量との関係を示すグラフである。
【図８】  （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、後噴射割合と煤発生量との関係を示すグラフである。
【図９】  （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、後噴射割合と排気ガス中のＨＣ量との関係を示すグラフである。
【図１０】  （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、後噴射割合と燃費率との関係を示すグラフである。
【図１１】  吸入酸素量に基づいて後噴射時期が補正されるようになっている燃料噴射制御の制御方法を示すフローチャートである。
【図１２】  燃焼室への吸入酸素量の算出方法を示すフローチャートである。
【図１３】  （ａ）は車速とアクセル開度とをパラメータとする目標トルクマップの特性を示す図であり、（ｂ）はエンジン回転数と目標トルクとをパラメータとする主噴射燃料量マップの特性を示す図であり、（ｃ）は主噴射燃料量と吸入酸素量とをパラメータとする主噴射燃料の燃焼時間マップの特性を示す図である。
【図１４】  エンジン回転数と目標トルクとをパラメータとする後噴射燃料量マップの特性を示す図である。
【図１５】  主噴射及び後噴射の着火遅れの態様を示すタイムチャートである。
【図１６】  エンジン回転数と目標トルクとをパラメータとするＥＧＲガスの還流時間マップの特性を示す図である。
【符号の説明】
１…エンジン本体、２…気筒、３…ピストン、４…燃焼室、５…燃料噴射弁、６…コモンレール、７…クランク軸、８…高圧燃料供給ポンプ、９…クランク角センサ、１０…吸気通路、１１…エアフローセンサ、１２…ブロワ、１３…インタークーラ、１４…吸気絞り弁、１７…リニアＯ２センサ、２０…排気通路、２１…タービン、２２…排気浄化装置（ＮＯxトラップ触媒）、２４…ＥＧＲ弁、２５…ターボ過給機、３３…排気ガス還流手段、３５…ＥＣＵ（コントロールユニット）、３７…活性状態判定手段、３９…排気還流制御手段、４０…主噴射制御手段、４１…後噴射制御手段。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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