(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、この燃料噴射弁から主噴射された燃料を少なくとも膨張行程の前半で主燃焼させてエンジンの要求トルクが得られるように制御する主燃焼制御手段と、上記燃料噴射弁から後噴射された燃料を上記主燃焼が終了する時期を基準にして後燃焼させるように制御する後燃焼制御手段とを備え、
エンジンの運転状態に基づいて燃焼室内に生成されるスワールの強度を判別するスワール判別手段を有し、
上記後噴射制御手段は、燃料噴射弁から主噴射された燃料の燃焼終了時点付近で後噴射された燃料の燃焼が開始されるように、後噴射燃料の噴射時期を制御するものであり、上記スワール判別手段により判別されたスワール強度に基づいて該スワール強度が大きくなるほど、上記後噴射燃料の後燃焼時期を早くするように設定することを特徴とするエンジンの排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等に搭載されるエンジンの排気浄化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開平２０００−１７０５８５号公報に示されるように、エンジンの気筒内燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、上記燃焼室から排気を排出排気通路に配設され、排気中の酸素濃度が高い酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸収する一方、酸素濃度の減少によって吸収したＮＯｘを放出するＮＯｘ吸着材とを備えたディーゼルエンジンの排気浄化装置において、排気中の酸素濃度を上記酸素過剰雰囲気よりも減少させるエンジンの運転状態で、気筒の吸気行程初期から圧縮上死点近傍までの間に上記燃料噴射弁により燃料を少なくとも２回に分けて噴射させる燃料噴射制御手段を設け、上記ＮＯｘ吸着材をリフレッシュするときの燃料噴射時期の制御に工夫を凝らして、燃費の著しい悪化やスモークの急増を招くことなく、ＮＯｘ吸着材によるＮＯｘの吸着性能の安定確保を図ることが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにエンジンの運転状態に対応した燃料の主噴射以外に、後燃料噴射を行って排気ガス中のＨＣ量を増大させることにより、各触媒装置の加熱を抑制しつつＮＯｘの浄化率を向上させるように構成したものでは、上記後噴射の時期が適切でないと、エンジンの燃焼室で発生した煤が排気通路に導出され、大気中に排出される煤量が増えるという問題がある。すなわち、上記主噴射された燃料は、着火して予混合燃焼した後に拡散燃焼し、この拡散燃焼時に煤が発生する傾向があり、この拡散燃焼が継続している状態で燃料が後噴射されると、煤の発生量がより増大して多量の煤が大気中に放出されるという問題がある。
【０００４】
なお、上記後噴射された燃料が拡散燃焼することに起因して煤の排出量が増大するのを防止するため、燃料の後噴射時期を極力遅らせることも考えられるが、この場合には、燃費が悪化するという問題がある。また、燃料の燃焼効率を向上させるために燃焼室内においてスワールが形成されるように構成されたエンジンでは、このスワールの状態に応じて上記主噴射された燃料の燃焼状態が変化するため、上記燃料の後噴射が行われることによる煤の排出量の増大を効果的に防止することが困難であるという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑み、エンジンの燃焼室内において発生した煤が大気中に排出されるのを効果的に抑制して排気ガスを効果的に浄化することができるエンジンの排気浄化装置および排気浄化方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、この燃料噴射弁から主噴射された燃料を少なくとも膨張行程の前半で主燃焼させてエンジンの要求トルクが得られるように制御する主燃焼制御手段と、上記燃料噴射弁から後噴射された燃料を上記主燃焼が終了する時期を基準にして後燃焼させるように制御する後燃焼制御手段とを備え、エンジンの運転状態に基づいて燃焼室内に生成されるスワールの強度を判別するスワール判別手段を有し、上記後噴射制御手段は、燃料噴射弁から主噴射された燃料の燃焼終了時点付近で後噴射された燃料の燃焼が開始されるように、後噴射燃料の噴射時期を制御するものであり、上記スワール判別手段により判別されたスワール強度に基づいて該スワール強度が大きくなるほど、上記後噴射燃料の後燃焼時期を早くするように設定するものである。
【０００７】
上記構成によれば、燃料の主噴射により燃焼室内で発生した主燃焼の終了時点を基準にして燃料の後燃焼が行われるように、燃焼室内におけるスワールの状態に基づいて、上記後燃焼時期が設定されることにより、エンジンの燃焼室内に存在する炭素と酸素とが充分に混合された状態で、上記後噴射された燃料とともに上記炭素が燃焼するため、炭素の凝縮体からなる煤の排出量が効果的に低減されることになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係るエンジンの排気浄化装置を自動車に搭載されるディーゼルエンジンに適用した第１実施形態を示している。上記エンジンの本体１は、複数の気筒（図には一つのみを示す）２を有し、各気筒２内にはピストン３が往復動可能に嵌挿され、このピストン３により各気筒２内に燃焼室４が区画されている。また、上記燃焼室４の上面略中央には燃料噴射弁５が配設され、各気筒２の燃焼室４内に燃料が所定のタイミングで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）に臨むように、エンジンの冷却水温度を検出する水温センサ１８が設けられている。
【００１７】
上記各燃料噴射弁５は、高圧の燃料を蓄えるコモンレール６に接続され、このコモンレール６には、内部の燃圧（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、燃料の供給圧力を制御することにより、上記圧力センサ６ａにより検出されたコモンレール６内の燃圧を、例えばエンジンのアイドル運転時に約２０ＭＰａ以上に保持し、その以外の運転時には５０ＭＰａ以上に保持するように構成されている。
【００１８】
また、上記クランク軸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、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、この電磁ピックアップが被検出用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構成されている。
【００１９】
上記エンジン本体１に接続された吸気通路１０の下流端部は、図示を省略したサージタンクを介して各気筒２毎に分岐し、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、上記サージタンクには、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。
【００２０】
上記吸気通路１０には、その上流側から順に、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、下記タービン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により圧縮され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とがそれぞれ設けられている。
【００２１】
上記吸気絞り弁１４は、全閉状態でも吸気の流通が可能なように切欠きが設けられたバタフライバルブからなり、後述する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アクチュエータ１５に作用する負圧の大きさが調節されるのに応じ、弁開度が変更されるようになっている。また、上記吸気絞り弁１４の設置部には、その弁開度を検出するセンサが設けられている。
【００２２】
上記サージタンク１４よりも下流側の吸気通路１０は、各気筒２毎に分岐する独立通路とされ、各独立通路の下流端部が二つに分岐するとともに、各分岐通路が、図２に示すように、燃焼室４の一方の側に形成された第１吸気ポート４１および第２吸気ポート４２にそれぞれ連通している。上記第１吸気ポート４１は、その軸線がシリンダ２の壁面に沿う方向を指向することにより、スワールの生成を促進するように構成されている。これ対して上記第２吸気ポート４２は、シリンダ２の内壁面に沿う方向よりも中心側を指向している。
【００２３】
上記第１吸気ポート４１および第２吸気ポート４２には、それぞれ第１吸気弁４３および第２吸気弁４４が設置されるとともに、この第１吸気弁４３および第２吸気弁４４の駆動部には、そのリフトを調節するリフト量調節機構４５，４６がそれぞれ設けられている。なお、上記燃焼室４の一方の側には、第１排気ポート４７と第２排気ポート４８とが設けられている。
【００２４】
そして、エンジンの運転状態に応じて上記リフト量調節機構４５，４６が制御され、図３（ａ）に示すように、第１吸気弁４３のリフト量ＩｎＬ１が、第２吸気弁４４のリフト量ＩｎＬ２に比べて大きな値に設定されることにより、第１吸気ポート４１から燃焼室４内に導入される多量の吸気によって強い吸気スワールが生成される。一方、図３（ｂ）に示すように、上記第１吸気弁４３のリフト量ＩｎＬ１に比べて、第２吸気弁４４のリフト量ＩｎＬ２が大きな値に設定されることにより、上記吸気スワールが弱められることになる。なお、図３（ａ），（ｂ）において、ＥｘＬは、排気弁のリフト量である。
【００２５】
また、エンジン本体１に接続された排気通路２０の上流端部は、各気筒２毎に分岐し、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。上記排気通路２０には、その上流側から順に、排気流により回転駆動されるタービン２１と、排気ガス中の少なくともＮＯｘを還元して浄化するＮＯｘ浄化触媒２２と、このＮＯｘ浄化触媒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。
【００２６】
上記ＮＯｘ浄化触媒２２は、排気の流れ方向に沿って互いに平行に延びる多数の貫通孔を有するハニカム構造に形成されたコージュライト製担体を備え、その各貫通孔壁面に触媒層を２層に形成したものである。具体的には、白金（Ｐｔ）と、ロジウム（Ｒｈ）とが、多孔質材であるＭＦＩ型ゼオライト（ＺＳＭ５）等をサポート材として担持されることにより上記触媒層が形成されている。そして、上記ＮＯｘ浄化触媒２２は、所定温度領域で、排気ガス中の還元剤とＮＯｘとを反応させることにより、ＮＯｘを還元して浄化するように構成されている。
【００２７】
なお、排気ガスの酸素過剰雰囲気でＮＯｘを化学吸着または化学結合により吸着するとともに、酸素濃度の低下に伴って吸着したＮＯｘを脱離するＮＯｘ吸着材を備え、このＮＯｘ吸着材から脱離したＮＯｘを貴金属の触媒作用により還元して浄化するように構成されたＮＯｘ吸着触媒からなるＮＯｘ浄化触媒２２を排気通路２０に設置してもよい。
【００２８】
また、吸気通路１０に配設された上記ブロワ１１と、排気通路２０に配設された上記タービン２１とにより、排気通路２０のノズル断面積が変化バリアブルジオメトリーターボ（ＶＧＴ）からなるターボ過給機２５が構成されている。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アクチュエータ３０と、このダイヤフラム式アクチュエータ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。
【００２９】
上記排気通路２０には、排気ガスの一部を吸気通路１０に還流させる排気還流通路（以下ＥＧＲ通路という）２３が、タービン２１の上流側部に接続されている。そして、上記ＥＧＲ通路２３の下流端は、上記吸気絞り弁１４の下流側において吸気通路１０に接続されるとともに、上記ＥＧＲ通路２３の下流側には、弁開度が調節可能に構成された負圧作動式の排気還流量調節弁（以下ＥＧＲ弁という）２４が配設され、このＥＧＲ弁２４と、上記ＥＧＲ通路２３とにより排気ガス環流手段３３が構成されている。
【００３０】
上記ＥＧＲ弁２４は、図示を省略した弁本体がスプリングによって閉方向に付勢されるとともに、ダイヤフラム式アクチュエータ２４ａにより開方向に駆動されることにより、ＥＧＲ通路２３の開度をリニアに調節するように構成されている。すなわち、上記ダイヤフラム式アクチュエータ２４ａには、負圧通路２７が接続されるとともに、この負圧通路２７が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に接続されている。そして、上記電磁弁２８が負圧通路２７を連通または遮断することにより、ＥＧＲ弁駆動用の負圧が調節されてＥＧＲ弁２４が開閉駆動されるようになっている。また、上記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。
【００３１】
上記燃料噴射弁５、高圧供給ポンプ８、吸気絞り弁１４、ＥＧＲ弁２４およびターボ過給機２５等は、後述するエンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）３５から出力される制御信号に応じて作動状態が制御されるように構成されている。また、上記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ようになっている。
【００３２】
上記ＥＣＵ３５は、燃料噴射弁５から主噴射された燃料を少なくとも膨張行程の前半で主燃焼させてエンジンの要求トルクが得られるように制御する主噴射制御手段からなる主燃焼制御手段３６と、燃焼室４内において生成されるスワールの状態を判別するスワール判別手段３７と、上記主噴射された燃料の主燃焼が終了時期を基準にして上記後噴射された燃料を後燃焼させるように制御する後噴射制御手段からなる後燃焼制御手段３８とを有している。
【００３３】
上記主燃焼制御手段３６は、エンジンの運転状態に応じて上記燃料噴射弁５から噴射される燃料の主噴射量を設定するとともに、この燃料の主噴射時期を、吸気行程から膨張行程までの所定時期、例えば圧縮上死点近傍に設定して少なくとも膨張行程の前半で上記主噴射された燃料を燃焼させ、かつ上記高圧供給ポンプ８によって調節されるコモンレール圧、つまり燃料の噴射圧力を制御し、さらに上記吸気絞り弁１４によって調節される吸気量を制御する等により、エンジンの要求出力が得られるように制御するものである。なお、上記燃料の主噴射を、吸気行程から圧縮工程上死点までの間の所定時期と、圧縮行程上死点付近から膨張行程初期までの間の所定時期との少なくとも二回に分けて行うようにしてもよい。
【００３４】
上記スワール判別手段３７は、例えば上記クランク角センサ９の出力信号に応じて検出されたエンジン回転数と、上記アクセルセンサ３２の出力信号に応じて検出されたエンジン負荷とに基づき、予め行われた実験により求められたデータに応じて設定されたマップから、スワールの強さを示す値、例えばスワール比を読み出すことにより、現在の運転状態に対応したスワールの状態を判定し、この判定信号を後燃焼制御手段３８に出力するように構成されている。
【００３５】
上記スワール比とは、一般的には燃焼室４内における混合気（吸入空気）の横渦の旋回数をエンジン回転数で割った値で定義される値である。
【００３６】
そして、混合気の横渦の旋回数は、例えば図４に示すようなボア径がＤであるエンジンにおいては、シリンダヘッド下面Ｆ1から１．７５Ｄの距離だけ下方の位置Ｆ2 にインパルススワールメータ８０を配置し、このインパルススワールメータ８０に作用するトルク（インパルススワールメータトルク）を検出し、このインパルススワールメータトルクに基づいてよく知られた手法で算出する。なお、図４において、Ｆ3 は下死点位置にあるピストン３の頂面を示している。
【００３７】
インパルススワールメータトルクは、次のような手順で測定する。すなわち、上記Ｆ２ の位置にインパルススワールメータ８０を配置し、ピストン頂面に作用するスワールのエネルギーをインパルススワールメータ８０で再現させることによって、通常時においてピストン頂面付近にどの程度の旋回エネルギーが存在するかを測定する。インパルススワールメータ８０は多数のハニカムを備えていて、インパルススワールメータ８０にスワールが作用すると、各ハニカムにそれぞれスワール流れ方向の力が作用し、各ハニカムにかかる力を積算することによって全体に作用するインパルススワールメータトルクＧを算出する。
【００３８】
より詳しくは、吸気弁が開いてから下死点までの期間は燃焼室４内に混合気が吸入されていると仮定した場合、この期間中は混合気が燃焼室４の内周面に沿って旋回し、その旋回速度が下死点位置で最大となる。従って、吸気弁が開き始めてから下死点までの各クランク各毎の角運動量を積算すれば、スワール比が求まることになる。かかる知見に基づいて、本例においては、スワール比Ｓｒを次の(1)式及び(2)式により算出するようにしている。
【００３９】
Ｓr＝ηv・[Ｄ・Ｓ・∫(cf・Ｎr・dα)]／[ｎ・ｄ2・(∫cf・dα)2]  ……(1)
Ｎr＝８・Ｇ／(Ｍ・Ｄ・Ｖｏ)    ……(2)
ただし、Ｓrはスワール比、ηvは体積効率（ηv＝１）、Ｄはボア径、Ｓはストローク、ｎは吸気弁数、ｄはスロート径、ｃｆは各バルブリフトに対する流量係数、Ｎrは各バルブリフトに対する無次元リグスワール値、αはクランク角、Ｇはインパルススワールメータトルク、Ｍは吸気行程中にシリンダ内に充填された空気の質量、Ｖｏは速度ヘッドである。
【００４０】
なお、上記(2)式は、次のような手順で導き出される。
【００４１】
0004506042.tif 000002
ただし、Ｉは吸気行程終期（ピストン下死点）におけるシリンダ内の空気の慣性モーメント、ωrはリグスワール値である。
【００４２】
上記後燃焼制御手段３８は、燃料噴射弁５から主噴射された燃料の主燃焼が終了した時点を基準にして設定された所定時期（例えばエンジン回転数が１５００ｒｐｍ以上の運転状態では、圧縮行程上死点後の３０°〜６０°ＣＡの時期）に、燃料の後噴射を行うように構成されている。これにより、上記燃料の主噴射による主燃焼が終了した時点以後の０°〜３°ＣＡの時期に、上記後噴射による後燃焼が行われることにより煤の排出が抑制されるようになっている。
【００４３】
すなわち、上記主燃焼制御手段３６により、エンジンの要求出力に相当する噴射量か、それ以上の量を、吸気行程から膨張行程初期までの所定時期に行う主噴射が行われ、この主噴射された燃料の全部または一部が拡散燃焼すると、煤が発生するが、上記拡散燃焼の終了時点で燃焼室４内に存在する煤と酸素との混合が促進されて着火し易い状態で、上記燃料が後噴射されることによって後燃焼が始まるため、上記煤の燃焼が促進されてその排出が抑制されることになる。
【００４４】
そして、上記主燃焼の終了時期は、主噴射された燃料の燃焼規模と、燃焼室４内に吸入された酸素量と、燃焼室４内におけるスワールの状態に対応して変化するため、これらの値に基づいて上記後噴射の時期を設定することにより、上記燃料の主噴射による主燃焼が終了した時点以後の０°〜３°ＣＡの時期に、上記燃料の後噴射による後燃焼が行われるようになっている。
【００４５】
また、上記後燃焼制御手段３８は、ＮＯｘ浄化触媒２２が活性温度領域にあってＮＯｘの浄化を行う場合、またはＮＯｘ吸着触媒のＮＯｘ吸着材からＮＯｘが脱離する運転状態にある場合に、上記燃料の主噴射後で圧縮行程上死点後のクランク角（ＣＡ）にして３０°〜６０°の範囲内における所定時期に燃料を後噴射することにより、上記燃料の主噴射による主燃焼が終了した時点以後の５°〜１５°ＣＡの時期に、後噴射された燃料を後燃焼させて焼排気通路２０に導出されるＨＣ等からなる還元剤量を増量するように構成されている。
【００４６】
上記エンジンの排気浄化装置において実行される制御動作を、図５に示すフローチャートに基づいて説明する。上記制御動作がスタートすると、まず上記各センサによって検出されたデータを入力した後（ステップＳ１）、エンジンの要求トルクに対応した燃料の主噴射量Ｑｍおよび主噴射時期Ｉｍを予め設定したマップから読み出して設定する（ステップＳ２）。
【００４７】
その後、上記燃料の後噴射を行う条件が成立したか否か、つまり上記燃料の主噴射により発生した煤を後噴射された燃料とともに燃焼させる運転状態、あるいはＮＯｘ浄化触媒２２によるＮＯｘの浄化を行うためにＨＣの排出量を増大させる運転状態にあるか否かを判定する（ステップＳ３）。
【００４８】
上記ステップＳ３でＹＥＳと判定された場合には、予め設定されたマップからエンジンの運転状態に対応した燃料の後噴射量Ｑｐを読み出して設定するとともに（ステップＳ４）、上記主噴射の燃焼規模に対応した後噴射の基準時期Ｉｐｏを予め設定されたマップから読み出して設定する（ステップＳ５）。
【００４９】
上記後噴射の基準時期Ｉｐｏを設定するためのマップは、図６に示すように、上記燃料の主噴射量Ｑｍと、エンジン回転数Ｎｅとをパラメータとして設定され、燃料噴射量Ｑｍが多く、かつエンジン回転数Ｎｅが高いほど、上記後噴射の基準時期Ｉｐｏが遅角されるように設定されている。なお、上記基準時期Ｉｐｏを設定するためのマップは、上記スワール強度に関する値が一定であることを条件として作成されている。
【００５０】
次いで、上記スワール判別手段３７において、燃焼室４内におけるスワール強度に関する値であるスワール比を判定した後（ステップＳ６）、このスワール強度に関する値に対応した後噴射時期の第１補正係数Ｉｐ１を、予め設定されたマップから読み出して設定する（ステップＳ７）。上記第１補正係数Ｉｐ１のマップは、図７に示すように、スワール比をパラメータとし、このスワール比が大きい場合に、上記第１補正係数Ｉｐ１の値が１よりも小さくなり、上記スワール比が小さい場合に、第１補正係数Ｉｐ１の値が１よりも大きくなるように設定されている。なお、上記第１補正係数Ｉｐ１用のマップは、主噴射された燃料の燃焼規模および燃焼室４内に吸入された酸素量等をパラメータとするエンジンの運転状態に対応した各種のものが予め設定され、その中から現在の運転状態に対応したマップが選択されて使用されるようになっている。
【００５１】
また、上記エアフローセンサ１１の検出値等に基づいて推定された吸入酸素量に対応した後噴射時期の第２補正係数Ｉｐ２を、予め設定されたマップから読み出して設定する（ステップＳ８）。上記第２補正係数Ｉｐ２のマップは、図８に示すように、吸入酸素量をパラメータとし、この吸入酸素量が多い場合に、上記第２補正係数Ｉｐ２の値が１よりも小さくなり、上記吸入酸素量が少ない場合に、第２補正係数Ｉｐ２の値が１よりも大きくなるように設定されている。
【００５２】
次いで、上記後噴射の基準時期Ｉｐｏと第１，第２補正係数Ｉｐ１，Ｉｐ２とに基づいて最終的な後噴射時期Ｉｐを求めた後（ステップＳ９）、燃料の噴射時期となった時点で、設定量Ｑｍ，Ｑｐの燃料を噴射する燃料の噴射制御を実行する（ステップＳ１０）。
【００５３】
上記のように後噴射制御手段からなる後燃焼制御手段３８により、燃料の主噴射後であって圧縮行程上死点後の例えば３０°〜６０°（ＣＡ）の範囲内で燃料の後噴射を行うように構成した場合には、燃焼室４内に主噴射された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で、上記燃料の後噴射による燃焼が行われることになる。したがって、上記拡散燃焼の終了時点で燃焼室４内に存在する煤と酸素との混合が促進され、着火し易い状態で、燃料が後噴射されることによる燃焼が始まるため、煤の排出量が低減されることになる。
【００５４】
ここで、拡散燃焼の終了時期について詳細に説明する。この拡散燃焼は、熱発生率に基づいて求められ、「内燃機関講義」(出版社株式会社養賢堂、著者長尾不二夫)によれば、上記熱発生率は下記式（８）に示すように表される。
【００５５】
ｄＱ／ｄθ＝Ａ／（Ｋ(θ)−１）×[Ｖ(θ)・（ｄＰ(θ)／ｄθ）＋Ｋ(θ)・Ｐ(θ)・（ｄＶ(θ)／ｄθ）]…（８）
ただし、Ａは熱の仕事当量、Ｋ(θ)は比熱比、Ｖ(θ)は行程容積、Ｐ(θ)は筒内圧力、θはクランク角である。
【００５６】
小野測器株式会社製の燃焼解析装置ＣＢ５６６のマニュアルによれば、上記比熱比Ｋ(θ)は、下記式（９）〜（１２）に基づいて表される。
【００５７】
Ｋ(θ)＝Ｃｐ／Ｃｖ…（９）
Ｃｐ＝ａｐ＋ｂ（Ｔ(θ)／１００）＋ｃ（Ｔ(θ)／１００）2＋ｄ（１００／Ｔ(θ)）…（１０）
Ｃｖ＝Ｃｐ−（Ａ・Ｒｏ）／Ｍ…（１１）
Ｔ(θ)＝（Ｐ(θ)・Ｖ(θ)）／２９．２７・ｇ…（１２）
なお、Ｃｐは定圧比熱、Ｃｖは定容比熱、Ｒｏはガス定数、Ｍは空気の分子量、Ｔ(θ)はガス温度、ｇはガス重量、ａｐ，ｂ，ｃ，ｄはその他の定数である。
【００５８】
上記式（９）〜（１２）より、式（８）で示す熱発生率ｄＱ／ｄθは、筒内圧力Ｐ(θ)と、行程容積Ｖ(θ)との関数ｆ（Ｐ(θ)，Ｖ(θ)）になる。また、上記行程容積Ｖ(θ)を、ボア径ＤおよびストロークＳに基づいて表すと、下記式（１３）に示すようになるため、上記熱発生率ｄＱ／ｄθは、下記式（１４）に示すようになる。
【００５９】
Ｖ(θ)＝（π・Ｄ2Ｓ／８）・（１−ｃｏｓθ）…（１３）
ｄＱ／ｄθ＝[ｆ（Ｐ(θ+Δθ)，Ｖ(θ+Δθ)）−ｆ（Ｐ(θ)，Ｖ(θ)）]／Δθ…（１４）
したがって、クランク角毎の筒内圧力データがあれば、これに基づいて上記熱発生率を計算することができる。このようにして求めた熱発生率を図示すると、図９に示すようになり、主噴射時点ｔｍで主噴射された燃料の主燃焼に応じて熱発生率が正の方向に大きな値を示した後、上記拡散燃焼の終了に応じて熱発生率が０となるため、この熱発生率が略０となる時点ｔ１に基づき、上記拡散燃焼の終了時点が求められる。
【００６０】
本実施形態では、上記のようにして予め求められた主燃焼による熱発生率が略０となる時点ｔ１の近傍で、図９の破線で示すように、後噴射による燃焼が開始されるように、運転状態に基づいて予め設定された着火遅れ時間Ｔｆ（例えば０．４ｍｓ〜０．７ｍｓ程度の時間）を考慮して、上記熱発生率が略０となる時点ｔ１よりも上記着火遅れ時間Ｔｆに相当する分だけ、後噴射の開始時点ｔｆを早くするように設定している。
【００６１】
なお、上記着火遅れ時間Ｔｆは、エンジンの排気量および燃料の噴射圧力に応じて変化するが、１０００ｃｃ〜３０００ｃｃクラスのエンジンで、噴射圧力が５０ＭＰａ〜２００ＭＰａの場合には、０．４ｍｓ〜０．７ｍｓ程度となる。また、圧縮行程上死点付近ｔ０で開始される主噴射の着火遅れ時間Ｔｍ（０．１ｍｓ〜０．３ｍｓ）よりも長く、これは圧縮行程上死点後の筒内温度が比較的低いときに、上記後噴射が行われるためである。また、燃料噴射弁５に対する噴射駆動信号の出力タイミングとしては、上記の着火遅れ時間Ｔｆ，Ｔｍに、さらに噴射弁開閉信号の出力時点から実際に燃料の噴射が開始される間の無効時間（駆動遅れ時間）も考慮されたものがＥＣＵ３５に記憶されている。
【００６２】
そして、上記主噴射された燃料の主燃焼が終了する時期は、この燃料の主噴射量に対応した主燃焼の規模と、燃焼室４内に吸入された酸素量とに応じて変化するとともに、燃焼室４内におけるスワールの状態に応じて変化し、このスワールの強さを示す値、例えばスワール比が大きいほど、上記主燃焼の終了時期が早くなる傾向がある。これは、燃焼室４内において強いスワールが生じると、燃料と空気との混合が促進されて燃焼性が向上するからである。
【００６３】
したがって、主燃焼の規模と、燃焼室４内に吸入された酸素量と、スワールの状態とに応じて主燃焼の終了時期を求め、この主燃焼の拡散燃焼が終了した時点の近傍で後燃焼が行われるように、上記後噴射の時期を設定することにより、燃焼室４内に存在する煤と酸素との混合を促進し、着火し易い状態で上記後燃焼を行わせて煤の排出量を効果的に低減することができる。
【００６４】
特に、上記実施形態に示すように、主噴射された燃料の燃焼規模と、燃焼室４内に吸入された酸素利用とが同一の条件にある場合に、スワールの強さを示す値が大きいほど、上記のように後噴射時期ｔｍを早めて主燃焼の開始時期ｔ０と後燃焼の開始時期（熱発生率が略０となる時点）ｔ１との間隔を短くするようにした場合には、簡単な構成で上記煤の排出量を、より効果的に低減することができる。
【００６５】
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、かつ排気ガス中のＮＯｘ濃度が５０ｐｐｍ程度となるようにしたエンジンの運転状態において、スワール比を大きくした場合と、小さくした場合とで、燃料の主噴射後のクランク角（ＣＡ）にして３°〜４０°程度の範囲内で、燃料の後噴射時期をそれぞれ種々に変化させて煤の発生量を測定する実験を行ったところ、図１０に示すようなデータが得られた。
【００６６】
上記データから、スワール比が大きい場合には、図１０の実線で示すように、圧縮行程上死点後の３０°（ＣＡ）よりもやや後の時点で、燃料の後噴射時期を設定した場合に、煤の発生量が顕著に低減されるのに対し、スワール比が小さい場合には、図１０の破線で示すように、圧縮行程上死点後の３０°（ＣＡ）よりもやや前の時点で、燃料の後噴射時期を設定した場合に、煤の発生量が顕著に低減されることが確認された。
【００６７】
また、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上記運転状態で、燃料の主噴射後のクランク角（ＣＡ）にして３°〜４０°程度の範囲内で、燃料の後噴射時期を種々に変化させた場合と、燃料の後噴射を実行しない場合とで、燃費率を測定する実験を行ったところ、図１１に示すように、上記燃料の後噴射時期が遅くなるほど燃費率が悪化することが確認された。これは、上記燃料の後噴射時期を遅くするほど、後噴射された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。このため、燃費が悪化するのを防止するためには、上記燃料の後噴射時期を早くすることが好ましいが、過度に早くすると、上記のよう煤の発生が増大するので、これらを考慮して燃料の後噴射時期を設定する必要がある。
【００６８】
なお、上記燃料の後噴射時期をクランク角（ＣＡ）に応じて設定してなる上記実施形態に代え、タイマーに基づいて設定される時間に応じて上記燃料の後噴射時期を設定してもよく、この場合、燃料の主噴射後で圧縮行程上死点後の所定時期に上記燃料の後噴射を行うことにより、燃費を悪化させることなく、大気中への煤の放出を効果的に防止することができる。
【００６９】
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を備えたディーゼルエンジンでは、上記のように燃料の主噴射後に所定量の燃料が後噴射されるとともに、燃焼室４内においてスワールを生成させると、排気ガス圧力が上昇して上記ターボ過給機２５の過給作用が高められる。この結果、燃焼室４内に導入される新気量が増大されることにより、燃焼室４内に残存する炭素の燃焼が促進されて煤の発生が効果的に抑制されるという効果が得られる。そして、上記ターボ過給機２５の過給作用により吸入空気量が増大すると、主噴射された燃料の拡散燃焼の終了時期が早くなる傾向があるので、この拡散燃焼の終了時期に対応させて上記燃料の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に導出される煤の導出量を、より低減することができる。
【００７０】
また、上記ターボ過給機２５を備えたディーゼルエンジンにおいて、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を設けるとともに、上記ＥＣＵ３５に設けられた排気還流制御手段３９により排気ガスの環流率が目標値となるようにフィードバック制御するように構成した場合には、上記ターボ過給機２５の過給作用に応じて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ため、燃焼室４内から排気通路２０に導出されるＲａｗＮＯｘ量が効果的に低減されるという利点がある。
【００７１】
また、エンジン回転数が１５００ｒｐｍに制御されるとともに、平均有効圧力が０．３Ｍｐａに制御されたエンジンの運転状態で、燃料の主噴射による拡散燃焼の終了時点（熱発生率が略０となる時点）ｔ１の近傍より上記着火遅れ時間Ｔｆに相当する時間だけ進角させた時点ｔｆであると考えられる圧縮上死点後の３０°（ＣＡ）の時点で、燃料を後噴射するとともに、この後噴射量と総噴射量との比率（Ｐ／Ｔ）と、煤の発生量との対応関係を調べる実験を行ったところ、図１２の実線で示すように、上記比率（Ｐ／Ｔ）を大きくするほど、煤の発生を抑制できることが確認された。
【００７２】
なお、上記拡散燃焼の終了前であると考えられる圧縮上死点後８°（ＣＡ）の時点で、燃料の後噴射を行うとともに、この後噴射量と総噴射量との比率（Ｐ／Ｔ）と、煤の発生量との対応関係を調べる実験を行ったところ、図１２の破線で示すように、上記比率（Ｐ／Ｔ）を大きしても、煤の発生率にほとんど変化が見られなかった。
【００７３】
一方、上記エンジンの運転状態で、上記拡散燃焼の終了前であると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の８°（ＣＡ）の時点で、燃料の後噴射を行う燃料の主噴射量に対する後噴射量の比率（Ｐ／Ｔ）を、種々に変化させて燃費率の変化を測定する実験を行ったところ、図１３の破線で示すように、上記後噴射量の比率（Ｐ／Ｔ）の増大に応じて燃費率にほとんど変化がないのに対し、燃料の主噴射による拡散燃焼の終了時点ｔ１の近傍で、後噴射による燃焼が行われると考えられる圧縮行程上死点後（ＡＴＤＣ）の３０°（ＣＡ）の時点で、上記燃料の後噴射を行った場合には、図１３の実線で示すように、上記後噴射量の比率（Ｐ／Ｔ）の増大に応じて燃費率が顕著に悪化した。
【００７４】
したがって、上記のように燃焼室４内におけるスワール状態に基づき、燃料の主噴射により燃焼室４内で発生した拡散燃焼の終了時点を基準にして後噴射された燃料を後燃焼させるように構成されたエンジンの排気浄化装置において、燃費を悪化させることなく、上記煤の排出量を効果的に低減できるようにするためには、上記燃料の後噴射量を、総噴射量の１５％〜３５％の範囲内に設定することが好ましい。
【００７５】
また、上記実施形態では、第１吸気弁４３および第２吸気弁４４の駆動部に、そのリフトを調節するリフト量調節機構４５，４６を設け、このリフト量調節機構４５，４６を制御して第１，第２吸気弁４３のリフト量ＩｎＬ１，ＩｎＬ２を調節することにより、吸気スワールの強度を制御するように構成したため、吸入空気量が変動することに起因したポンピングロスの変化を生じることなく、上記吸気スワールの強度を制御できるという利点がある。
【００７６】
さらに、上記実施形態に示すように、ＮＯｘ浄化触媒２２が活性温度領域にあるときに、燃料の主噴射後で圧縮行程上死点後のクランク角（ＣＡ）にして３０°〜６０°の範囲内における所定時期に燃料の後噴射を行うことにより、上記燃料の主噴射による主燃焼が終了した時点以後の５°〜１５°ＣＡの時期に、後噴射された燃料を後燃焼させて後燃焼排気通路２０に導出されるＨＣ等からなる還元剤量を増量する制御を実行するように構成した場合には、排気通路２０に導出されるＨＣからなる還元剤量を増大させることにより、この還元剤を使用してＮＯｘの浄化を効果的に促進できるという利点がある。
【００７７】
そして、上記排気通路２０に導出されるＨＣからなる還元剤量は、燃焼室４内におけるスワールの状態に応じて変化するため、このスワールの状態に基づいて上記燃料の後噴射時期を制御することにより、適正量の還元剤が排気通路２０に導出されるように構成することが望ましい。
【００７８】
なお、上記実施形態では、燃焼室４内に燃料を直接噴射する直噴式ディーゼルエンジンについて本発明を適用した例について説明したが、理論空燃比よりも薄い混合気を燃焼させるリーンバーン運転を行う直噴式ガソリンエンジンについても本発明を適用可能である。この場合には、燃焼室４内におけるスワール状態に基づき、後噴射された燃料の点火時期を設定し、燃料の主噴射によって燃焼室４内で発生した拡散燃焼の終了時点の近傍で、上記後燃焼を生じさせる制御を、後燃焼制御手段３８において実行することにより、煤の発生を抑制して大気中に排出される煤の量を効果的に低減することができる。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、この燃料噴射弁から主噴射された燃料を少なくとも膨張行程の前半で主燃焼させてエンジンの要求トルクが得られるように制御する主燃焼制御手段と、上記燃料噴射弁から後噴射された燃料を上記主燃焼が終了する時期を基準にして後燃焼させるように制御する後燃焼制御手段とを備え、エンジンの運転状態に基づいて燃焼室内に生成されるスワールの強度を判別するスワール判別手段を有し、上記後噴射制御手段は、燃料噴射弁から主噴射された燃料の燃焼終了時点付近で後噴射された燃料の燃焼が開始されるように、後噴射燃料の噴射時期を制御するものであり、上記スワール判別手段により判別されたスワール強度に基づいて該スワール強度が大きくなるほど、上記後噴射燃料の後燃焼時期を早くするように設定するものであるため、煤の発生を抑制して大気中への煤の放出量を効果的に低減して排気ガスを浄化できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るエンジンの排気浄化装置の実施形態を示す説明図である。
【図２】燃焼室構造を示す概略平面図である。
【図３】バルブリフト量を示す説明図である。
【図４】スワール比の測定手段を示す説明図である。
【図５】排気ガス浄化の制御方法を示すフローチャートである。
【図６】後噴射時期を設定するためのマップである。
【図７】後噴射時期の第１補正係数を設定するためのマップである。
【図８】後噴射時期の第２補正係数を設定するためのマップである。
【図９】燃焼室内における熱発生率の変化状態を示すタイムチャートである。
【図１０】煤発生量と後噴射時期との対応関係を示すグラフである。
【図１１】燃費率と後噴射時期との対応関係を示すグラフである。
【図１２】煤発生量と後噴射量の比率との対応関係を示すグラフである。
【図１３】燃費率と後噴射量の比率との対応関係を示すグラフである。
【符号の説明】
４  燃焼室
５  燃料噴射弁
２０  排気通路
３６  主燃焼制御手段
３７  スワール判別手段
３８  後燃焼制御手段
【図１】
0004506042.tif 000003
【図２】
0004506042.tif 000004
【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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