(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの運転状態に応じてエンジンの燃焼温度を低下させる燃焼温度低下手段と、前記燃焼温度低下手段の作動時に熱発生パターンが単段燃焼の形態となるように着火遅れ期間を大幅に長くする着火遅れ期間長期化手段とを備えたディーゼルエンジンの制御装置において、
エンジンの冷間時に、燃料噴射完了から着火開始までの期間を所定の範囲内に保つよう、エンジン運転条件に応じて設定される基本噴射時期及び基本噴射期間を、エンジン冷却水温度と燃料温度との少なくとも一方に応じて設定される噴射時期補正量及び噴射期間補正量でそれぞれ補正して、温度が低いほど、噴射時期を早期化すると共に、噴射期間を長期化する制御手段を備えることを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。
【請求項２】
前記制御手段は、燃料噴射圧力を制御して、前記噴射期間を制御することを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの制御装置。
【請求項３】
前記制御手段は、燃料噴射率を制御して、前記噴射期間を制御することを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの制御装置。
【請求項４】
前記制御手段は、所定温度以上では、噴射期間を一定にすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のディーゼルエンジンの制御装置。
【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制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の直噴ディーゼルエンジンにおいて、大量ＥＧＲによりエンジンの燃焼温度を低下させ、熱発生パターンが単段燃焼の形態となるように着火遅れ期間を大幅に長くし（着火遅れ期間を燃料噴射期間より長期化させ）、いわゆる低温予混合燃焼（予混合燃焼を主燃焼とする燃焼状態）により、ＮＯｘとスモークの同時低減を行う技術がある。この技術では更に高スワールと燃焼室形状の円筒化で燃料を燃焼室全体に分散せしめ、予混合化を促進している（特開平８−８６２５１号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の直噴ディーゼルエンジンにおいては、冷間時に、燃料噴射期間に対して着火遅れ期間が長期化しすぎ、燃料噴射完了から着火開始までの時間が極めて大きくなる場合、燃料が燃焼室全体に拡散しすぎ、シリンダ中心近傍（ピストンキャビティ内）での当量比が極リーンな状態となり、未燃ＨＣの排出量が増大するといった問題点があった。
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明では、エンジンの運転状態に応じてエンジンの燃焼温度を低下させる燃焼温度低下手段と、前記燃焼温度低下手段の作動時に熱発生パターンが単段燃焼の形態となるように着火遅れ期間を大幅に長くする着火遅れ期間長期化手段とを備えたディーゼルエンジンの制御装置において、エンジンの冷間時に、燃料噴射完了から着火開始までの期間を所定の範囲内に保つよう、エンジン運転条件に応じて設定される基本噴射時期及び基本噴射期間を、エンジン冷却水温度と燃料温度との少なくとも一方に応じて設定される噴射時期補正量及び噴射期間補正量でそれぞれ補正して、温度が低いほど、噴射時期を早期化すると共に、噴射期間を長期化する制御手段を備えることを特徴とする。
【０００５】
前記制御手段は、燃料噴射圧力を制御して、前記噴射期間を制御してもよいし、燃料噴射圧力を制御して、前記噴射期間を制御してもよい。
また、前記制御手段は、所定温度以上では、噴射期間を一定にするとよい。
【０００６】
【発明の効果】
本発明によれば、冷間時において、着火遅れ期間が長期化する場合、通常の噴射時期（基本噴射時期）では燃焼が遅れすぎるため、まず、噴射時期を進角側に補正して、早期化する。
しかし、単に噴射時期を早めるだけでは、着火遅れ期間が長期化しているため、燃料が噴射完了してから着火するまでの時間が長くなり、それまでに燃料が燃焼室全体に拡散し、極リーンになりすぎたり、シリンダ壁近傍の所謂クエンチゾーンに入り込むため、ＨＣが急増する。
これを避けるため、通常の噴射期間（基本噴射期間）に対し、噴射期間を長期化させる方向に補正することで、噴射完了時期と着火開始時期との差を所定の範囲内（未燃ＨＣの排出量が急増し始めるクランク角度以内）に抑える。これにより、燃料が燃焼室内に過度に拡散しすぎるのを防止し、最適な当量比分布を実現することができる。
すなわち、着火開始時の燃焼室内の当量比分布を、シリンダ中心付近の当量比がシリンダ壁付近の当量比に比べてリッチとなり、かつシリンダ中心付近からシリンダ壁付近に至る当量比の変化が緩やかとなるように制御することができ、シリンダ中心付近の当量比がリーンになりすぎて未燃ＨＣの排出量が増大するという問題点を解決でき、スモークと未燃ＨＣとの両方を低減することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
一般的に、ディーゼルエンジンでは、燃料噴射が開始すると燃料の蒸発による混合気化が進み、筒内温度及び筒内圧が所定値に達したときに存在する混合気が初期燃焼（予混合燃焼）し、この燃焼により筒内が高温高圧となるため、その後は噴射された燃料が噴射と同時に蒸発しながら燃焼（拡散燃焼）を行うことが知られている。ここで、噴射開始から予混合燃焼が起こるまでの期間（着火遅れ期間）は燃焼期間全体に対して短いため、拡散燃焼が主燃焼となる。
【０００８】
これに対して、特許第２８６４８９６号公報には、燃焼温度を低下させて着火遅れ期間を大幅に長くすると共に、この着火遅れ期間内に燃料を全量噴射することで、予混合燃焼の割合を拡散燃焼の割合より大きくして、予混合燃焼を主燃焼とする技術が開示されている。
そして、拡散燃焼を主燃焼とする燃焼状態（以下では単に拡散燃焼と略称）と、予混合燃焼を主燃焼とする燃焼状態（以下では単に低温予混合燃焼と略称）とは運転状態に応じて切換えることが一般的である。
【０００９】
図１に、低温予混合燃焼を行わせるためのエンジン構成を示す。この構成そのものは、特開平８−８６２５１号公報などにより公知である。
ＮＯｘの生成は燃焼温度に大きく依存するため、その低減には燃焼温度の低温化が有効である。低温予混合燃焼では、ＥＧＲによる酸素濃度の低減で、低温燃焼を実現するため、エンジン１の排気通路２と吸気通路３とを結ぶＥＧＲ通路４に、負圧制御弁５からの制御負圧に応動するダイヤフラム式のＥＧＲ弁６を備えている。
【００１０】
負圧制御弁５は、コントロールユニット４１からのデューティ制御信号により駆動されるもので、これによって運転条件に応じた所定のＥＧＲ率を得るようにしている。
ＥＧＲ通路４の途中には、ＥＧＲガスの冷却装置７を備える。これは、ＥＧＲ通路４の周りに形成されエンジン冷却水の一部が循環されるウォータージャケット８と、その冷却水導入口８ａに設けられて冷却水の循環量を調整可能な流量制御弁９とからなり、コントロールユニット４１からの指令によって、流量制御弁９を介して循環量を増やすなどＥＧＲガスの冷却度をコントロールできる。
【００１１】
エンジン１にはコモンレール式の燃料噴射装置１０を備える。このコモンレール式の燃料噴射装置１０の構成も公知であり（第１３回内燃機関シンポジウム講演論文集第７３頁〜第７７頁参照）であり、図２により概説する。
このコモンレール式の燃料噴射装置１０は、主に燃料タンク１１、燃料供給通路１２、サプライポンプ１４、燃料供給通路１５、コモンレール１６、気筒毎に設けられる燃料噴射ノズル１７から構成される。サプライポンプ１４によって加圧された燃料は、燃料供給通路１５を介してコモンレール１６に一旦蓄えられた後、各気筒の燃料噴射ノズル１７に分配される。
【００１２】
燃料噴射ノズル１７は、針弁１８、ノズル室１９、コモンレール１６からノズル室１９への燃料供給通路２０、針弁１８に取付けられるリテーナ２１、針弁１８をリテーナ２１を介して閉方向に押圧可能な油圧ピストン２２、針弁１８をリテーナ２１を介して閉方向に付勢するリターンスプリング２３、油圧ピストン２２への燃料供給通路２４、燃料供給通路２４に介装される三方電磁弁２５、同じく燃料供給通路２４に介装される一方向遅延弁（並列配置の一方向弁２６及びオリフィス２７）などから構成されている。
【００１３】
ここで、針弁１８は、三方弁２５によってその開閉が制御され、例えば、三方弁２５がＯＦＦの状態（ポートＡとＢが連通、ポートＢとＣが遮断）では、油圧ピストン２２の受圧面積が針弁１８の受圧面積より大きいことから、針弁１８は閉じている。一方、三方弁２５がＯＮの状態（ポートＡとＢが遮断、ポートＢとＣが連通）になると、油圧ピストン２２上部の燃料が戻し通路２８を介して燃料タンク１１に戻され、油圧ピストン２２に作用する燃料圧力が低下する。これにより、ノズル室１９にて針弁１８に作用する燃料圧力により針弁１８がリターンスプリング２３の付勢力に抗して上昇し、針弁１８が開弁することで、噴射が開始する。この三方弁２５を再びＯＦＦ状態に戻せば、油圧ピストン１１に再び燃料圧力が作用して、針弁１８が閉弁することで、燃料噴射は終了する。この三方弁２５のＯＦＦからＯＮへの切換時期によって燃料噴射時期が決まり、ＯＮの時間と噴射圧（コモンレール１６内の圧力）とで燃料噴射量が決定される。
【００１４】
噴射圧（コモンレール１６内の圧力）の調整は、サプライポンプ１４にて、吐出された燃料を吸入側へ戻すリリーフ通路１３に備えられた圧力調整弁３１によって行われる。すなわち、この圧力調整弁３１による吐出量の調整によって燃料の噴射圧が調整され、これによって噴射率がコントロールできる。
コントロールユニット４１には、各種制御のため、コモンレール１６内の圧力（噴射圧）を検出する圧力センサ３２、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ３３、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ３４、気筒判別センサ３５、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ３６、燃料温度を検出する燃料温度センサ３７などから信号が入力されている。
【００１５】
次に、低温予混合燃焼を行った場合、冷間時において、着火遅れ期間が長期化しすぎる場合（すなわち、図８の基準ａに対し、低温時ｂの場合）の制御例について、図３の制御フローチャートにより説明する。
Ｓ１では、エンジン回転数Ｎｅ、アクセル開度ＡＣＣ、エンジン冷却水温度ＴＷ、燃料温度ＴＦを読込む。
【００１６】
Ｓ２では、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度ＡＣＣをエンジン運転条件のパラメータとして、基本噴射時期ＩＴｍ及び基本噴射期間ＩＴｄｍを設定する。
Ｓ３では、エンジン冷却水温度Ｔｗ及び／又は燃料温度ＴＦから、噴射時期補正量ΔＩＴ及び噴射期間補正量ΔＩＴｄを設定する。
Ｓ４では、基本噴射時期ＩＴｍに噴射時期補正量ΔＩＴを加算して、最終的な噴射時期ＩＴ＝ＩＴｍ＋ΔＩＴを求め、また、基本噴射期間ＩＴｄｍに噴射期間補正量ΔＩＴｄを加算して、最終的な噴射期間ＩＴｄ＝ＩＴｄｍ＋ΔＩＴｄを求める。
【００１７】
Ｓ５では、Ｓ４で得た噴射時期ＩＴ及び噴射期間ＩＴｄを所定アドレスに格納し、これらＩＴ、ＩＴｄに基づいて燃料噴射制御を行わせる。
すなわち、エンジン運転条件、冷却水温度、燃料温度をモニターし、冷間時において、着火遅れ期間が長期化しすぎる故、補正が必要な条件か否かを判定する。
【００１８】
着火遅れ期間が長期化する場合、通常の噴射時期（基本噴射時期ＩＴｍ）では燃焼が遅れすぎるため、まず、噴射時期を進角側に補正して、補正噴射時期を算出する（ＩＴ＝ＩＴｍ＋ΔＩＴ）。
しかし、単に噴射時期を早めるだけでは、着火遅れ期間が長期化しているため、燃料が噴射完了してから着火するまでの時間が長くなり、それまでに燃料が燃焼室全体に拡散し、極リーンになりすぎたり、シリンダ壁近傍の所謂クエンチゾーンに入り込むため、ＨＣが急増する。
【００１９】
これを避けるため、通常の噴射期間（基本噴射期間ＩＴｄｍ）に対し、噴射期間を長期化させる方向に補正して、補正噴射期間を算出する（ＩＴｄ＝ＩＴｄｍ＋ΔＩＴｄ）。具体的には、噴射圧力（コモンレール内の燃料圧力）を低下させることで、噴射期間を長期化させ、噴射完了時期と着火開始時期との差をクランク角度で１５度（すなわち未燃ＨＣの排出量が急増し始めるクランク角度）以内に抑える。
【００２０】
冷却水温度ＴＷ、燃料温度ＴＦの変化に対する噴射時期、噴射期間の制御例を図４、図５に示す。温度が低いほど、噴射時期ＩＴを早期化し、噴射期間ＩＴｄは長期化する。逆に、温度上昇に伴って、噴射時期ＩＴを遅延させ、噴射期間ＩＴｄを短縮するが、噴射期間ＩＴｄは、噴射圧力の制御限界があるので、ある温度以上では一定となり、噴射時期ＩＴの遅延化によって着火遅れ期間を長期化させる。
【００２１】
この実施形態の効果を図６に示す。図６は噴射期間と着火遅れ期間との差（噴射期間−着火遅れ期間；着火開始時期より噴射終了時期が早いほどマイナス側に大きくなる）に対して、スモークの排出量と、未燃ＨＣの排出量とを示したものである。
スモークは、低温予混合燃焼の特性で、着火遅れ期間が噴射期間より長期化することで、大幅に低減される。この状態（噴射期間−着火遅れ期間＝０）から、着火遅れ期間が長引く場合は、初めは問題無いが、−１５度以上になるあたりから未燃ＨＣが急増しはじめる。
【００２２】
本実施形態では、噴射時期、噴射圧力の制御による噴射期間の調整によって、「−１５度＜噴射期間−着火遅れ期間＜０度」の関係を保つことで、スモーク、ＨＣの悪化を防いでいる。
スモーク、ＨＣの悪化のメカニズムを図７で説明する。着火遅れ期間が短い場合（例えば噴射期間−着火遅れ期間＝５ＣＡの場合）、燃料の拡散時間が短いため、筒内の当量比分布は極めてリッチな状態となり、大量ＥＧＲによる酸素濃度低減とあいまって、スモークが大量に発生する。
【００２３】
これに対し、着火遅れ期間の長期化によって全体的にリーン化が進むが、噴射期間−着火遅れ期間＝−２０ＣＡを超えた場合には、燃焼室全体がほぼ均一となり、極リーンとなるのに加え、シリンダ壁近傍の燃料が増加している。この状況と、燃焼温度の低下した状態とが組み合わせられて、未燃ＨＣの排出量が急増することになる。
【００２４】
図７中の噴射期間−着火遅れ期間＝０ＣＡ又は−１０ＣＡの場合には、シリンダ中心付近の当量比がシリンダ壁付近の当量比に比べてリッチとなり、かつシリンダ中心付近からシリンダ壁付近に至る当量比の変化が緩やかとなり、最適な特性となる。但し、当量比の最大値はシリンダ中心側にあればよく、シリンダ中心にある必要はない。
【００２５】
以上のように、スモークと未燃ＨＣの排出量は、図６に示すように、燃料噴射完了から着火開始までの期間（噴射期間−着火遅れ期間）に相関しており、「−１５度＜噴射期間−着火遅れ期間＜０度」の関係を満たせば、スモークと未燃ＨＣの両方を低減することができる。
そして、当量比分布は、燃料噴射完了から着火開始までの期間の変化に応じて図７のように変化する。したがって、当量比分布を図７の太線のような分布に制御することで、スモークと未燃ＨＣの両方を低減することができるのである。
【００２６】
尚、本実施形態では、噴射時期を早期化すると共に、噴射圧力の調整により噴射期間を長期化して、「−１５度＜噴射期間−着火遅れ期間＜０度」を実現しているが、次の比較例（１）又は（２）のように、噴射時期又は噴射期間のいずれか一方を制御することも考えられる。
（１）噴射時期を進角して噴射完了から着火開始までの期間を小さくする。噴射時期を進角することで、着火遅れ期間を短くし、結果として噴射完了から着火開始までの期間を小さくする（図８のｃ参照）。
【００２７】
（２）噴射期間を大きくして噴射完了から着火開始までの期間を小さくする。噴射期間を大きくすることで、噴射終了時期を着火時期に近づけ、結果として噴射完了から着火開始までの期間を小さくする（図８のｄ参照）。
上記の比較例（１）、（２）の場合に対し、本実施形態のごとく、噴射時期を進角すると共に噴射期間を大きくして燃料噴射完了から着火開始までの期間を小さくすることで（図８のｅ参照）、次のような効果が得られる。
【００２８】
噴射時期を進角するだけでは噴射完了から着火開始までのクランク角度が１５度より小さくならない場合があるが、併せて噴射期間を大きくすることで、１５度より小さくすることができる。また、噴射期間を大きくするだけでは燃焼開始時期を変化できず、図８のｄのように遅れたままであるが、併せて燃料噴射時期を進角することで、図８のｅのように燃焼開始時期を最適時期（低温予混合燃焼では上死点後１５度前後が好ましい）に設定できる。
【００２９】
また、上記実施形態では、燃料噴射圧力を低下させることで噴射期間を大きくしているが、これとは別に、針弁のリフト量を制御することで（但し、圧電素子によって針弁リフト量を任意に制御可能な燃料噴射ノズルの場合に限る）、噴射率を低下させ噴射期間を大きくすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態を示すエンジン構成図
【図２】  同上実施形態でのコモンレール噴射系の構成図
【図３】  同上実施形態での制御フローチャート
【図４】  同上実施形態での制御例を示す図
【図５】  同上実施形態での制御例を示す図
【図６】  同上実施形態の効果（スモーク、ＨＣ）を示す図
【図７】  同上実施形態の効果（当量比分布）を示す図
【図８】  着火遅れ期間と噴射期間との関係を示す図
【符号の説明】
１  エンジン
２  排気通路
３  吸気通路
４  ＥＧＲ通路
６  ＥＧＲ弁
１０  コモンレール式の燃料噴射装置
１４  サプライポンプ
１６  コモンレール
１７  燃料噴射ノズル
４１  コントロールユニット
【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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