(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射手段と、
上記機関から排出される排気の吸気系への還流量を制御するＥＧＲ率調整手段と、
上記機関の排気通路に設けられ、排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯxを吸蔵すると共に、吸蔵したＮＯxを排気空燃比がリッチ又はストイキのときに放出還元するＮＯx吸蔵触媒と、
上記燃料噴射手段による燃料噴射時期を、空気過剰率の低下に対するスモーク排出量特性が増加傾向を示してからピークを越えて低下傾向を示す特性が最も顕著な特定噴射時期よりも進角側の上記ピークが殆ど発生しない噴射時期で、且つ噴射燃料がピストンに形成されたキャビティを外れてシリンダ壁面に到達する噴射時期よりも遅角側に設定すると共に、上記空気過剰率が１．０以下となるように上記ＥＧＲ率調整手段の作動を制御する第１制御モードを実行する第１制御手段と、
上記特定噴射時期より噴射時期を遅角して圧縮上死点近傍に設定すると共に、上記第１制御モードの制御状態よりＥＧＲ率を減量した第２制御モードを実行する第２制御手段と、
上記ＮＯx吸蔵触媒からＮＯxを放出すべきときに上記第１制御モードに切換え、上記ＮＯxを放出すべきでないときに上記第２制御モードに切換えると共に、上記第１制御モードと第２制御モードとの制御モードの切換時には、ＥＧＲ率が徐々に変化するＥＧＲ率変化期間の中期で噴射時期を瞬時的に切換えるモード切換手段と
を備えたことを特徴とするディーゼル機関。
【請求項２】
上記燃料噴射手段による燃料噴射時期を上記第１制御モードの制御状態と同様に設定すると共に、スモーク排出量とＮＯx排出量とを同時に低減させるように上記ＥＧＲ率調整手段の作動を制御する第３制御モードを実行する第３制御手段を備え、
上記ＮＯxを放出すべきでなく、且つ、上記機関の運転領域が低負荷域のときに上記第３制御モードに切換えることを特徴とする請求項１に記載のディーゼル機関。
【請求項３】
上記第１制御手段は、上記第１制御モードの実行時には機関トルクの低下を補償するように上記燃料噴射手段の噴射量を増加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機関。
【請求項４】
上記第１制御手段は、機関回転速度の増加に伴い噴射時期を進角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機関。
【請求項５】
上記第１制御手段は、負荷変化に対して噴射時期をほぼ一定に保つことを特徴とする請求項４に記載のディーゼル機関。
【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機関に係り、特に排気中のＮＯxを吸蔵及び放出還元する吸蔵型ＮＯx触媒を備えたディーゼル機関に関するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】
周知のようにＮＯx低減の対策の一つである吸蔵型のＮＯx触媒は、排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯxを吸蔵し、吸蔵したＮＯxを排気空燃比がリッチ又はストイキのときに放出還元する機能を果たす。排気空燃比の調整は、専用の還元剤供給手段を設けてもよいが、機関の空気過剰率を制御すれば、還元剤供給手段等の構成を追加することなく排気空燃比の調整を実現できるため、この手法が実施される場合がある。
【０００３】
しかしながら、上記手法はディーゼル機関には適用し難いという問題がある。即ち、ディーゼル機関は、理論空燃比に相当する１．０より大幅にリーン側の空気過剰率で運転されており、このときの燃焼形態は、噴射燃料と周囲の圧縮空気との境界の可燃混合気層で燃焼を生じさせる拡散燃焼を主体としている。従って、空気過剰率をリッチ側に変更すべく燃料噴射量を増量しても、増量された燃料の大半は燃え残って空気過剰率のリッチ化に寄与しないばかりか、スモーク排出量の増加の要因となってしまう。
【０００４】
そこで、特開平８−２１８９２０号公報では、吸気行程で燃料を噴射すると共にＥＧＲを大量導入し、これにより空気過剰率を１．０以下に低下させてＮＯxを放出還元させる技術が提案されている。このときの燃焼状態は、噴射燃料が圧縮上死点までに拡散・気化して予め空気と混合した状態で燃焼する予混合燃焼に切換えられることから、燃料の燃え残りが生じ難くなってＥＧＲ率の上限値が高められ、結果として１．０以下の空気過剰率を達成可能になると推測される。
【０００５】
一方、特許第３１１６８７６号には、ＥＧＲ率を上記した上限値を越えて増加させると、スモーク排出量が急増した後にピークを越えて低下傾向に転じる特性があることに着目し、スモーク排出量が低下傾向に転じたときのＥＧＲ率に制御して、スモークとＮＯxの両立を図る技術が開示されている。そこで、ＮＯxパージを要するときには、この技術を利用して空気過剰率を１．０以下に制御してＮＯxを放出還元することも考えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前段の技術では、吸気行程の燃料噴射から圧縮行程の着火までの期間が長いことから、着火タイミングにバラツキが生じて、過早着火や着火遅れ等の着火不良を招き易くなり、安定性に欠けるという問題がある。又、吸気行程で噴射された燃料の一部は筒内に拡散してシリンダ壁に付着するため、オイルダイリューションの要因になるという問題もある。
【０００７】
又、後段の技術では、通常運転とＮＯxパージとの間で制御モードを切換えるときに、スモーク排出量のピークを通過することになるため、必然的にモード切換毎に過渡的にスモーク排出量が急増してしまうという問題がある。
本発明の目的は、着火不良による安定性の低下やオイルダイリューションの発生等の弊害を防止した上で、スモークの排出を抑制可能なＥＧＲ率の上限値を引き上げ、もって、スモーク排出量を増加させることなくＮＯx吸蔵触媒からＮＯxを放出還元することができるディーゼル機関を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、機関の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射手段と、機関から排出される排気の吸気系への還流量を制御するＥＧＲ率調整手段と、機関の排気通路に設けられ、排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯxを吸蔵すると共に、吸蔵したＮＯxを排気空燃比がリッチ又はストイキのときに放出還元するＮＯx吸蔵触媒と、燃料噴射手段による燃料噴射時期を、空気過剰率の低下に対するスモーク排出量特性が増加傾向を示してからピークを越えて低下傾向を示す特性が最も顕著な特定噴射時期よりも進角側のピークが殆ど発生しない噴射時期で、且つ噴射燃料がピストンに形成されたキャビティを外れてシリンダ壁面に到達する噴射時期よりも遅角側に設定すると共に、空気過剰率が１．０以下となるようにＥＧＲ率調整手段の作動を制御する第１制御モードを実行する第１制御手段と、特定噴射時期より噴射時期を遅角して圧縮上死点近傍に設定すると共に、第１制御モードの制御状態よりＥＧＲ率を減量した第２制御モードを実行する第２制御手段と、ＮＯx吸蔵触媒からＮＯxを放出すべきときに第１制御モードに切換え、ＮＯxを放出すべきでないときに第２制御モードに切換えると共に、第１制御モードと第２制御モードとの制御モードの切換時には、ＥＧＲ率が徐々に変化するＥＧＲ率変化期間の中期で噴射時期を瞬時的に切換えるモード切換手段とを備えたものである。
【０００９】
空気過剰率に対するスモーク排出量の特性は噴射時期に応じて変化する。図５はある運転領域で燃料噴射時期を変化させた試験結果の一例を示しており、一般的なディーゼル機関に適用される１０°BTDCに比較して２０°BTDCまで進角すると（特定噴射時期）、空気過剰率の低下に対するスモーク排出量は、増加傾向を示してからピークを越えて低下傾向を示す特性となる。この場合には、ＥＧＲ率と共に空気過剰率を変化させるとスモーク排出量がピークとなる領域を越えるため、過渡的なスモーク排出量の急増が避けられない。これに対して噴射時期を更に進角させた３６°BTDCでは、空気過剰率を低下させてもスモーク排出量は低い値に抑制され、高いＥＧＲ率によりＮＯx排出量も抑制されることから、スモークとＮＯxを共に低減可能となり、しかも、上記スモーク排出量のピークが形成されないことから、過渡的なスモーク増加も抑制される。
【００１０】
このように噴射時期の進角によりスモーク排出量が抑制されるのは、燃料噴射から着火までの期間が延長化されて、その間に噴射燃料と吸入空気との予混合が促進されるためと考えられるが、例えば吸気行程噴射のように噴射時期を極端に進角させていないため、噴射燃料は圧縮上死点近傍での所定タイミングで確実に着火され、着火不良を生じることなく安定した運転が可能である。
【００１１】
一方、図６は上記図５と同一の運転領域で噴射時期を変更してＴＨＣ排出量と希釈燃料量とを測定した試験結果を示しており、噴射時期を進角させると、４０°BTDC付近からエンジンオイルに混入する燃料量が増加してオイルダイリューションの虞が生じる。
以上の要因に基づき、空気過剰率の低下に対するスモーク排出量特性が増加傾向を示してからピークを越えて低下傾向を示す特性が最も顕著な特定噴射時期よりも進角側のピークが殆ど発生しない噴射時期で、且つ、噴射燃料がピストンに形成されたキャビティを外れてシリンダ壁面に到達する噴射時期よりも遅角側に噴射時期を設定すれば、過度の進角によるオイルダイリューション等の弊害を防止した上で、スモークの排出を抑制可能なＥＧＲ率の上限値が引き上げられる。
【００１２】
そして、第１制御モードでは、上記噴射時期の下で、ＥＧＲ率は１．０以下の空気過剰率を達成する値に設定され、このＥＧＲ率に基づいてＥＧＲ率調整手段により還流量が制御される。
図４は上記図５と同一の運転領域で噴射時期を更に細分化した試験結果を示しており、図中の●印は噴射時期を８°BTDCに設定したときの特性を示し、以下同様に、○印は１０°BTDC、▲印は１２°BTDC 、△印は１４°BTDC 、×印は１６°BTDC 、＊印は２０°BTDC 、◆印は２４°BTDC 、◇印は２８°BTDC 、■印は３２°BTDC 、□印は３６°BTDCのときの特性を示す。この図のＴＨＣ特性から明らかなように、噴射時期が３６°BTDCで、空気過剰率λが１．０以下の領域ではＨＣやＣＯの排出量が増加する。よって、ＮＯx吸蔵触媒に吸蔵されたＮＯxは還元雰囲気中で効率よく放出還元される。
【００１３】
好ましい態様として、上記第１制御モードは機関の運転領域が低負荷域のときに実行することが望ましく、大量のＥＧＲにより空気量が減少しても、要求燃料量が少ない低負荷領域であれば、支障なく制御を実行可能である。
【００１４】
以上の第１制御モードに比較して第２制御モードでは、噴射時期を遅角すると共にＥＧＲ率を減量していることから、運転者の出力要求が高い運転領域では、モード切換手段によりこの第２制御モードに切換えることで、出力要求に応じることが可能となる。
【００１５】
一方、モード切換手段により制御モードが切換えられたとき、排ガス還流に起因してＥＧＲ率は徐々にしか変化しないが、その変化特性に合わせて噴射時期を徐々に変化させると、スモークが急増する領域の条件を満足するような噴射時期とＥＧＲ率となる状態を通過して、一時的にスモークを増加させてしまう場合がある。
【００１６】
例えば、上記図４中において、第２制御モードは大きい●印で示されており、噴射時期として８°BTDCが設定されると共に、ＥＧＲ率として４５％が設定されて、空気過剰率λは１．８に制御される。これに対して、第１制御モードは大きい□印で示されており、噴射時期が遥かに進角側の３６°BTDCに設定されると共に、ＥＧＲ率Ｒegrが５６％に設定され、結果として空気過剰率λは１．０以下に制御される。
【００１７】
空気過剰率λ＝１．０〜１．８の過渡領域において、噴射時期を１４〜３２°BTDCの何れかに設定した場合には、主にリーン側で騒音が増加する現象、或いは主にリッチ側でスモークが増加する現象が生じるため、騒音とスモークを両立できないことがわかる。従って、第１制御モードと第２制御モードとの間で切換を行う場合、図中の破線に従って噴射時期を徐々に変化させると、必然的にこの１４〜３２°BTDCの領域を通過するため、騒音やスモークが急増する領域の発生が避けられない。
【００１８】
これに対して、噴射時期を８若しくは１０°BTDCに設定した場合には、空気過剰率λが１．３付近よりリーン側の領域では騒音及びスモークを共に低減可能であり、一方、噴射時期を３６°BTDCに設定した場合には、空気過剰率λが１．３付近よりリッチ側の領域では騒音及びスモークを共に低減可能であることがわかる。よって、この例示では図中に実線で示すように、空気過剰率λ＝１．３を境界として瞬時的に噴射時期を切換えればよい。
【００１９】
以上の例示に従って、本請求項の発明では、ＥＧＲ率が徐々に変化するＥＧＲ率変化期間の中期で噴射時期を瞬時的に切換えるため、スモークが急増する領域を飛び越して制御モードの切換が行われ、結果として、ＥＧＲ率変化期間中に生じる一時的なスモークの増加が未然に回避される。
請求項２の発明は、燃料噴射手段による燃料噴射時期を第１制御モードの制御状態と同様に設定すると共に、スモーク排出量とＮＯx排出量とを同時に低減させるようにＥＧＲ率調整手段の作動を制御する第３制御モードを実行する第３制御手段を備え、ＮＯxを放出すべきでなく、且つ、機関の運転領域が低負荷域のときに第３制御モードに切換えるものである。
【００２０】
例えば、上記図４中において、第３制御モードのキャリブレーション点は破線の大きい□印で示されており、噴射時期は第１制御モードと同じ３６°BTDCに設定され、空気過剰率は１．０より若干リーン側に設定される。この第３制御モードでは、余剰酸素の増加に伴って第１制御モードよりＨＣやＣＯ排出量が減少する一方、第１制御モードと同じくスモークとＮＯxが低減することから、この第３制御モードによれば、ＨＣやＣＯの増加を抑制しながらスモークとＮＯxを共に低減させた運転が可能となる。
【００２１】
請求項３の発明は、第１制御手段が、第１制御モードの実行時に機関トルクの低下を補償するように燃料噴射手段の噴射量を増加するものである。
従って、燃料噴射量の増加により機関トルクの低下が補償されるため、トルク変動を生じることなく制御モードの切換が可能となる。
請求項４の発明は、第１制御手段が、機関回転速度の増加に伴い噴射時期を進角するものである。
【００２２】
機関回転速度と共にピストン速度が増加すると、噴射燃料がキャビティ内に到達する時期が相対的に早められるため、適切な時期に噴射燃料をキャビティ内に到達させるには、ピストン位置が未だ低い時期まで燃料噴射を早める必要が生じる。よって、機関回転速度の増加に伴い噴射時期を進角すれば、機関回転速度に関わらず、常に適切な時期に噴射燃料がピストンのキャビティ内に到達し、第１制御モードを安定した燃焼状態で実現可能となる。
【００２３】
請求項５の発明は、第１制御手段が、負荷変化に対して噴射時期をほぼ一定に保つものである。
従って、機関回転速度に比較して機関負荷に対する噴射時期の依存性は低いため、負荷変化に対して噴射時期をほぼ一定に保てば、機関負荷の変動に影響されることなく、第１制御モードを安定した燃焼状態で実現可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
以下、本発明をコモンレール式のディーゼル機関の第１実施形態を説明する。
図１は本実施形態のディーゼル機関を示す全体構成図である。この図ではディーゼル機関の１気筒分が表されており、シリンダブロック１内に配設されたピストン２は、コンロッド３を介して図示しないクランクシャフトと連結されている。機関のシリンダヘッド４には筒内に臨むように燃料噴射弁５が配設され、この燃料噴射弁５は各気筒共通のコモンレール６に接続されている。コモンレール６には燃料ポンプ７が接続され、燃料ポンプ７から供給される高圧燃料がコモンレール６内に貯留されている。
【００２５】
燃料噴射弁５は圧縮上死点近傍の所定タイミングで開弁され、コモンレール６内の高圧燃料が燃料噴射弁５からピストン頭部のキャビティ２ａに向けて噴射されて、圧縮空気中で着火・燃焼してピストン２を押し下げる（燃料噴射手段）。コモンレールシステムの構成は公知のものであるため詳述しないが、燃料噴射弁５の開弁状態を制御することで、燃料噴射量及び噴射時期を自由に設定可能である。
【００２６】
一方、各気筒の筒内は、シリンダヘッド４に形成された吸気ポート８を介して共通の吸気通路９に接続され、吸気通路９には上流側より、エアクリーナ１０、ターボチャージャ１１のコンプレッサ１１ａ、吸気絞り弁１２が設けられている。又、各気筒の筒内は、シリンダヘッド４の排気ポート１３を介して共通の排気通路１４に接続され、排気通路１４には上流側より、排気絞り弁１５、上記コンプレッサ１１ａと同軸上に設けられたターボチャージャ１１のタービン１１ｂ、吸蔵型ＮＯx触媒１６、酸化触媒１７、及び図示しない消音器が設けられている。ＮＯx触媒１６は、機関の排気空燃比がリーンのときに排気中のＮＯxを吸蔵すると共に、吸蔵したＮＯxを排気空燃比がリッチ又はストイキのとき（排ガス中にＨＣやＣＯが存在するとき）に放出還元する機能を有し、酸化触媒１７は、排ガス中のＨＣ，ＣＯを酸化浄化する機能を有する。
【００２７】
エアクリーナ１０を経て吸気通路９に導入された吸入空気は、コンプレッサ１１ａにより過給された後に各気筒の吸気弁１８の開弁に伴って筒内に導入され、ピストン２の上昇に伴って圧縮されて上記のように燃焼に利用される。燃焼後の排ガスは排気弁１９の開弁に伴って排気通路１４に排出されてタービン１１ｂを駆動した後に、ＮＯx触媒１６及び酸化触媒１７を通過し、消音器を経て大気中に排出される。
【００２８】
一方、上記吸気通路９の吸気絞り弁１２の下流位置にはＥＧＲ通路２３の一端が接続され、このＥＧＲ通路２３にはＥＧＲ弁２１及びＥＧＲクーラ２５が設けられると共に、ＥＧＲ通路２３の他端は上記排気通路１４の排気絞り弁１５の上流位置に接続されている。排気通路１４から吸気通路９へのＥＧＲの還流は２ＥＧＲ通路２３を経て行われ、ＥＧＲ弁２１の開弁時には、ＥＧＲ通路２３を経てＥＧＲクーラ２５で冷却された排ガスが還流される。尚、このときのＥＧＲ率は、ＥＧＲ弁２１の開度、吸気絞り弁１２による吸入空気の制限、排気絞り弁１５による排ガスの制限に応じて適宜調整される（ＥＧＲ率調整手段）。
【００２９】
一方、車室内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子制御ユニット）３１が設置されている。ＥＣＵ３１の入力側には、アクセル操作量ＡＰＳを検出するアクセルセンサ３２、エンジン回転速度Ｎeを検出する回転速度センサ３３等の各種センサ類が接続され、出力側には上記燃料噴射弁５、吸気絞り弁１２、排気絞り弁１５、ＥＧＲ弁１２等の各種デバイス類が接続されている。
【００３０】
そして、ＥＣＵ３１はアクセル操作量ＡＰＳ及びエンジン回転速度Ｎeに基づき、図示しないマップから燃料噴射量Ｑを算出する一方、エンジン回転速度Ｎe及び燃料噴射量Ｑに基づき、図示しないマップから燃料噴射時期ＩＴを算出し、これらの算出値に基づいて燃料噴射弁５を駆動制御する。
又、エンジン回転速度Ｎe及び燃料噴射量Ｑの算出値に基づき、図示しないマップから目標空気過剰率λtgtを算出し、この目標空気過剰率λtgtと実際の空気過剰率λ（例えば、図示しないエアフローセンサ出力から求まる吸入空気量に、ＥＧＲガス中の残存酸素量の推定値を加算した新気量及び燃料噴射量Ｑから算出したり、排気通路１４にリニア空燃比センサを設けて、該センサ出力から求めたりできる）に基づき、実際の空気過剰率λが目標空気過剰率tgtλとなるようにＥＧＲ弁２１の開度（つまり、ＥＧＲ率Ｒegr）をフィードバック制御する。
【００３１】
ここで、本実施形態のディーゼル機関では、機関の運転状態に応じて燃焼モードを切換えて燃料噴射時期ＩＴを大幅に変更しており、以下に当該燃焼モードの切換について詳述する。
図２はＥＣＵ３１が実行する燃焼モード切換ルーチンを示すフローチャートである。まず、ＥＣＵ３１はステップＳ２で冷却水温等に基づいて機関の暖機が完了しているか否かを判定し、続くステップＳ４で燃料噴射量Ｑ及びエンジン回転速度Ｎeに基づき、図３に示すマップに従って現在の運転領域が予め設定された特定領域か否かを判定する。ここで、特定領域としては、燃料噴射量Ｑ（機関負荷と相関する）及びエンジン回転速度Ｎeが所定値Ｑ0,Ｎe0以下の低負荷低回転域に設定されている。
【００３２】
次いで、ステップＳ６でＮＯxパージを実行すべきＮＯxパージ時期か否かを判定する。具体的な判定手法としては種々のものがあるが、例えば、図示しないＮＯxセンサの検出値が所定以上で、ＮＯx触媒１６からのＮＯxの漏洩が推測されるとき、或いは、機関の運転領域から推定したＮＯx排出量を順次積算して現在のＮＯx触媒１６上でのＮＯx吸蔵量を求め、その値が所定値を越えたとき等には、ＮＯxパージ時期と見なす。
【００３３】
上記ステップＳ２〜６の何れかでＮＯ（否定）の判定を下したときには、ステップＳ８に移行して通常燃焼モード（第２制御モード）を実行した後にルーチンを終了する（第２制御手段）。又、ステップＳ２〜６の全てでＹＥＳ（肯定）の判定を下したときには、ステップＳ１０に移行してＮＯxパージ燃焼モード（第１制御モード）を実行した後にルーチンを終了する（第１制御手段）。
【００３４】
上記した通常燃焼モードは、一般的なディーゼル機関で実施される制御内容と同様の制御モードであり、ＮＯxパージ燃焼モードは、本発明特有の燃焼モードである。
図４は通常燃焼モード及びＮＯxパージ燃焼モードにおける燃料噴射時期ＩＴとＥＧＲ率Ｒegrの制御状況、及び燃料噴射時期ＩＴを８〜３６°BTDCに設定したときのＴＨＣ排出量、ＮＯx排出量、騒音、スモーク排出量を測定した試験結果を示す特性図であり、図中の●印はＩＴ＝８°BTDCに設定したときの特性を示し、以下同様に、○印は１０°BTDC、▲印は１２°BTDC 、△印は１４°BTDC 、×印は１６°BTDC 、＊印は２０°BTDC 、◆印は２４°BTDC 、◇印は２８°BTDC 、■印は３２°BTDC 、□印は３６°BTDCのときの特性を示す。尚、この試験結果は、機関の運転領域を目標平均有効圧Ｐe＝０．２MPa（機関負荷と相関する）、エンジン回転速度Ｎe＝２０００rpmとしたときのものである。
【００３５】
通常燃焼モードのキャリブレーション点は大きい●印の位置であり、燃料噴射時期ＩＴが８°BTDCに、ＥＧＲ率Ｒegrが４５％に設定されて、空気過剰率は１．８付近に制御される。これに対して、ＮＯxパージ燃焼モードのキャリブレーション点は大きい□印の位置に設定され、燃料噴射時期ＩＴが遥かに進角側の３６°BTDCに設定されると共に、ＥＧＲ率Ｒegrが５６％に設定され、結果として空気過剰率λは、１．０（理論空燃比）若しくは若干リッチ側（λ≦１．０）に制御される。
【００３６】
ＮＯxパージ燃焼モードの燃料噴射時期ＩＴ＝３６°BTDCは、以下のようにして設定されたものである。
図５は上記図４から燃料噴射時期ＩＴが１０，２０，３６°BTDCのときの試験結果を抜粋した特性図であり、図中に○印で示すＩＴ＝１０°BTDCは、一般的なディーゼル機関に適用される燃料噴射時期ＩＴ（上記通常燃焼モードにも近い ）に相当し、＊印で示すＩＴ＝２０°BTDCは、従来技術として説明した特許第３１１６８７６号に適用される燃料噴射時期ＩＴに相当し、□印で示すＩＴ＝３６°BTDCは、本実施形態のＮＯxパージ燃焼モードでの燃料噴射時期ＩＴに相当する。
【００３７】
１０°BTDCでは、ＥＧＲ率Ｒegrの増加に伴ってＮＯx排出量が低下するものの、図では省略しているが、λ＝１．８を超えるとスモークが急増することから、スモークの排出を抑制可能なＥＧＲ率Ｒegrの上限値はかなり低い。
又、２０°BTDCでは、スモークの排出量がＥＧＲ率Ｒegrの増加に対して一旦増加傾向を示し、ピークを越えた後に低下傾向を示すが、最小値となるλ＝１．０５付近でも、十分なスモーク低減が達成できないし、燃焼モードの切換に伴って空気過剰率λが変化する度にスモーク排出量のピークを越えるため、過渡的にスモーク排出量が急増することが推測される。
【００３８】
これに対して、燃料噴射時期ＩＴを更に進角した３６°BTDCでは、ＥＧＲ率Ｒegrを５６％程度まで高めてもスモーク排出量が極めて低い値に抑制され、この高いＥＧＲ率ＲegrによりＮＯx排出量も抑制されることから、結果としてスモークとＮＯxを共に低減した上で、実現可能な空気過剰率λは１．０付近の領域まで拡大される。しかも、上記スモーク排出量のピークが形成されないことから、過渡的なスモーク増加も抑制される。そして、図４のＴＨＣ特性からも明らかなように、空気過剰率λが１．０以下の領域ではＨＣやＣＯの排出量が増加することから、上記ステップＳ１０のＮＯxパージ燃焼モードが実行されると、ＮＯx触媒１６に吸蔵されたＮＯxが還元雰囲気中で効率よく放出還元される。
【００３９】
尚、このように燃料噴射時期ＩＴの進角によりスモーク排出量が抑制されるのは、燃料噴射から着火までの期間が延長化されて、その間に噴射燃料と吸入空気との予混合が促進されるためと考えられる。但し、従来技術として説明した特開平８−２１８９２０号公報のように、燃料噴射時期ＩＴを吸気行程まで極端に進角させてはいないため、このＮＯxパージ燃焼モードでも、噴射燃料は圧縮上死点近傍での所定タイミングで確実に着火され、着火不良を生じることなく安定した運転が行われる。
【００４０】
一方、図６は上記図４，５と同一の運転領域で燃料噴射時期ＩＴを変更してＴＨＣ排出量と希釈燃料量とを測定した試験結果を示す特性図である。この図に示すように、燃料噴射時期ＩＴを進角させると、４０°BTDC付近から希釈燃料量（エンジンオイルに混入して希釈作用を奏する燃料の量）が増加してオイルダイリューションの虞が生じる。この要因は、早期の燃料噴射により噴射された燃料の一部が拡散して、ピストン２のキャビティ２ａ内に補足されずにシリンダ壁面に付着するためであり、付着した燃料がピストンクリアランスを経てオイルパン中のオイルに混入して引き起こされる。又、キャビティリップや逆スキッシュ流による燃料噴霧と吸入空気との混合作用が十分に得られないと、スモーク増加にも繋がるため、この点からも過度の進角は望ましくない。
【００４１】
更に、燃料噴射時期ＩＴを過度に進角させた場合には、吸気行程で燃料噴射を実施する特開平８−２１８９２０号公報の従来技術と同様に、燃料の圧縮上死点近傍での着火タイミングにバラツキが生じて、過早着火や着火遅れ等の着火不良を招き易くなるため、この不具合を回避するためにも進角には限界がある。
以上の要因により燃料噴射時期ＩＴは進角側において４０°BTDCまでの制限を受け、結果として、上記のようにＮＯxパージ燃焼モードでの燃料噴射時期ＩＴが３６°BTDCに設定されている。
【００４２】
そして、このようにＮＯxパージ燃焼モードでは空気過剰率λのリッチ化のために大量のＥＧＲを還流させることから、機関負荷やエンジン回転速度Ｎeが高い領域では、多量の燃料を燃焼させるための空気量が不足して、機関負荷及びエンジン回転速度Ｎeの面で制限を受け、その実施が図３のマップの特定領域に限られるのである。但し、本実施形態では、ターボチャージャ１１の過給によりＮＯxパージ燃焼モードでも比較的多くの空気を供給可能なため、自然吸気型のディーゼル機関に比較すれば、特定領域の上限値は格段に拡大されている。
【００４３】
一方、特定領域内において、最適な燃料噴射時期ＩＴは機関の運転領域に応じて変化するが、燃料噴射量Ｑ（機関負荷）に対する依存性は低い一方、エンジン回転速度Ｎeに対して最適な燃料噴射時期ＩＴは大きく変化する。
つまり、エンジン回転速度Ｎeと共にピストン速度が増加すると、噴射燃料がキャビティ２ａ内に到達する時期が相対的に早められるため、適切な時期に噴射燃料をキャビティ２ａ内に到達させるには、ピストン位置が未だ低い時期まで燃料噴射を早める必要が生じるためである。よって、図３のマップの特定領域内において、燃料噴射時期ＩＴは、エンジン回転速度Ｎeが増加するほど進角側に変化するように設定され、燃料噴射量Ｑの増減に対してはほとんど変化しないようにほぼ一定に設定される。
【００４４】
一方、図４に基づいて説明したように、機関の運転領域の変化に伴って燃焼モードが切換わると、燃料噴射時期ＩＴは８°BTDCと３６°BTDCとの間で切換えられ、 空気過剰率λは１．８と１．０との間で（ＥＧＲ率Ｒegrで４５％と５６％との間）で切換えられる。
ここで、応答性の高いコモンレール式の燃料噴射制御では燃料噴射時期ＩＴをステップ状に切換え可能であるが、ＥＧＲ制御では排ガス還流に起因してＥＧＲ率Ｒegrが緩やかに変化することから、必然的にモード切換時のＥＧＲ率Ｒegrには過渡領域が存在することになる。そして、モード切換時においては、図４中に破線で示すようにＥＧＲ率Ｒegrの変化に応じて燃料噴射時期ＩＴをテーリングさせることなく、実線で示すようにＥＧＲ率変化期間中の所定ポイントを境界として燃料噴射時期ＩＴをステップ的に変化させており（モード切換手段）、以下、当該モード切換時の制御の必要性を説明する。
【００４５】
図４に示すように、空気過剰率λ＝１．０〜１．８の過渡領域において、燃料噴射時期ＩＴを１４〜３２°BTDCの何れかに設定した場合には、主にリーン側で騒音が増加する現象、或いは主にリッチ側でスモークが増加する現象が生じるため、騒音とスモークを両立できないことがわかる。図４の破線に従って燃料噴射時期ＩＴをテーリングすると、必然的にこの１４〜３２°BTDCの領域を通過するため、騒音やスモークが急増する領域の発生が避けられない。
【００４６】
これに対して、燃料噴射時期ＩＴを８若しくは１０°BTDCに設定した場合には、空気過剰率λが１．３付近よりリーン側の領域では騒音及びスモークを共に低減可能であり、一方、燃料噴射時期ＩＴを３６°BTDCに設定した場合には、空気過剰率λが１．３付近よりリッチ側の領域では騒音及びスモークを共に低減可能であることがわかる。
【００４７】
よって、通常燃焼モードからＮＯxパージ燃焼モードに切換える場合には、空気過剰率λが１．３以上の領域では燃料噴射時期ＩＴを８〜１０°BTDCに漸増させた後に、λ＝１．３を境界としてステップ状に３６°BTDCに切換える。又、ＮＯxパージ燃焼モードから通常燃焼モードに切換える場合には、その逆の手順で制御すればよい。
【００４８】
一方、通常燃焼モードに対して空気過剰率λをリッチ側に設定したＮＯxパージ燃焼モードでは、同一噴射量の下でトルク低下が生じる。従って、本実施形態では、予め空気過剰率λ毎に必要燃料量を求めておき、空気過剰率λに応じて実際の燃料噴射量Ｑを補正し、これにより燃焼モードの切換時のトルク変動を防止している。
【００４９】
以上のように本実施形態のディーゼル機関では、一般的に適用される値に比較して燃料噴射時期ＩＴを大幅に進角させた領域で、スモークの排出を抑制可能なＥＧＲ率Ｒegrの上限値が増加することに着目し、ＮＯx触媒１６がＮＯxパージ時期に達したときには、燃料噴射時期ＩＴを進角側に設定したＮＯxパージ燃焼モードを実行するようにした。そして、このＮＯxパージ燃焼モードでは、大量のＥＧＲにより１．０以下の空気過剰率λが実現されて、ＨＣやＣＯの排出量が増加するため、結果としてスモーク排出量を増加させることなく、ＮＯx触媒１６からＮＯxを極めて効率よく放出還元することができる。
【００５０】
しかも、本実施形態ではターボチャージャ１１の過給により空気量を確保し、これによりＮＯxパージ燃焼モードが実行される特定領域の上限を拡大しているため、広い運転領域でＮＯxパージ燃焼モードを実施可能であり、ＮＯxパージ時期に至ったときには速やかにＮＯxの放出還元を開始することができる。
加えて、ＮＯxパージ燃焼モードでの燃料噴射時期ＩＴは、着火不良による安定性の低下やオイルダイリューションの発生等に起因する進角限界を考慮した上で設定されているため、これらの弊害を未然に防止した上で上記作用効果を得ることができる。
【００５１】
又、空気過剰率λのリッチ化に伴う機関トルクの低下を補償するように、ＮＯxパージ燃焼モードでは燃料噴射量Ｑが増加補正されるため、燃焼モードの切換時のトルク変動を防止して、良好な走行フィーリングを保つことができる。
更に、エンジン回転速度Ｎeの増加に伴って燃料噴射時期ＩＴを進角側に制御するため、エンジン回転速度Ｎeに関わらず、常に適切な時期に噴射燃料をピストン２のキャビティ２ａ内に到達させることができ、結果としてＮＯxパージ燃焼モードを安定した燃焼状態で実現できる。
【００５２】
一方、燃料噴射量Ｑ（機関負荷）の増減に対しては、燃料噴射時期ＩＴの依存性が低いものと見なして、燃料噴射量Ｑの増減に対してほぼ一定に制御するため、機関負荷の変動に影響されることなく、ＮＯxパージ燃焼モードを安定した燃焼状態で実現できる。
又、ＮＯxパージ時期にはＮＯxパージ燃焼モードを実行すると共に、それ以外の通常時には、一般的なディーゼル機関と同様の通常燃焼モードに切換えるため、運転者の要求出力に確実に応じることが可能となり、ひいては良好な車両の走行特性を実現することができる。特に本実施形態では、ＥＧＲクーラ２５で冷却された排ガスを還流するため、実現可能な機関トルクが増加して、上記車両の走行性能を一層向上させることができる。
【００５３】
しかも、燃焼モードの切換時には、ＥＧＲ率Ｒegrの変化に応じて燃料噴射時期ＩＴをテーリングさせることなく、所定ポイント（λ＝１．３）を境界としてステップ状に切換えている。従って、ＥＧＲ率Ｒegrの過渡領域中に存在する騒音やスモークが急増する領域（ＩＴ＝１４〜３２°BTDC）を飛び越してモード切換が行われ、モード切換に伴う一時的な騒音やスモークの増加を未然に回避できる。
【００５４】
尚、ＮＯxパージ燃焼モードでは、燃料噴射時期ＩＴを３６°BTDCに設定したが、図４からもわかるように、３２°BTDCや２８°BTDCでも、騒音及びスモーク特性はほとんど悪化しない。従って、この運転領域を前提としたＮＯxパージ燃焼モードでは、燃料噴射時期ＩＴの下限を２８°BTDCとし、上限を上記オイルダイリューション等から制限される４０°BTDCとし、その間で任意に設定してもよい。
【００５５】
［第２実施形態］
次に、本発明を具体化したディーゼル機関の第２実施形態を説明する。本実施形態のディーゼル機関は、第１実施形態で説明したものに対して、ＮＯxパージ時期でないときに、通常燃焼モードに加えて低ＮＯx燃焼モードを実行する点が相違しており、その他の部分は共通している。よって、共通箇所の説明は省略し、相違点を重点的に説明する。
【００５６】
図７はＥＣＵ３１が実行する燃焼モード切換ルーチンを示すフローチャートであり、ステップＳ６でＮＯxパージ時期か否かを判定し、ＹＥＳのときにはステップＳ１０に移行してＮＯxパージ燃焼モードを実行する。又、ステップＳ６の判定がＮＯのときにはステップＳ１２に移行して、低ＮＯx燃焼モード（第３制御モード）を実行する（第３制御手段）。
【００５７】
図４中において、低ＮＯx燃焼モードのキャリブレーション点は破線の大きい□印で示されており、燃料噴射時期ＩＴはＮＯxパージ燃焼モードと同じ値（図４では３６°BTDC）に設定され、空気過剰率λはＮＯxパージ燃焼モードとは異なり、１．０より若干リーン側（λ＞１．０）に設定されている。即ち、図４の特性から明らかなように、低ＮＯx燃焼モードでは、余剰酸素の増加に伴ってＮＯxパージ燃焼モードよりＨＣやＣＯ排出量が減少する一方、ＮＯxパージ燃焼モードと同じくスモークとＮＯxが低減する特徴が維持されていることになる。
【００５８】
低ＮＯx燃焼モードと通常燃焼モードとの間の切換は、第１実施形態で述べたＮＯxパージ燃焼モードの場合と同様であり、所定ポイント（λ＝１．３）を境界として燃料噴射時期ＩＴをステップ状に切換え、これにより過渡領域での一時的な騒音やスモークの増加を防止している。
以上のように本実施形態のディーゼル機関では、第１実施形態の作用効果に加えて、ＮＯxパージ時期でなく、且つ、機関の運転領域が特定領域のときに、通常燃焼モードに比較して燃料噴射時期ＩＴを進角側に設定した低ＮＯx燃焼モードを実行するため、スモークとＮＯxの低減を極めて高い次元で両立することができる。
【００５９】
一方、低ＮＯx燃焼モードのＨＣやＣＯ排出量は、通常燃焼モードに比較すると若干増加するが、ＨＣやＣＯはスモークに比較して後処理が簡単であり、排気通路１４の酸化触媒１７により確実に酸化浄化できる。又、未だ酸化触媒１７が活性化していないときには、図７のステップＳ２の判定がＮＯとなり、低ＮＯx燃焼モードの実行が禁止されて、よりＨＣやＣＯの排出量が少ない通常燃焼モードに切換えられるため、結果として、いかなる運転領域でもＨＣやＣＯの排出を確実に防止することができる。
【００６０】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記第１及び第２実施形態では、燃料噴射時期ＩＴの精密な制御のためにディーゼル機関をコモンレール式として構成し、低ＮＯx燃焼モードの特定領域を拡大するためにターボチャージャ１１による過給を行い、機関トルクを増加させるためにＥＧＲクーラ２５を作動させたが、これらの態様に限定されることはなく、燃料噴射をガバナで制御する一般的なディーゼル機関に具体化したり、ターボチャージャ１１を可変ノズル式としたり、ターボチャージャ１１やＥＧＲクーラ２５を省略したりしてもよい。
【００６１】
又、上記第１及び第２実施形態では、所定運転領域（Ｐe＝０．２MPa、Ｎe＝２０００rpm）に相当する図４〜６の特性に基づいて燃料噴射時期ＩＴ、ＥＧＲ率Ｒegr、空気過剰率λの制御状態を例示したが、上記のように、これらの設定は運転領域に応じて異なる上に、機関の仕様を変更すれば相違する。従って、当然ながら上記設定に限定されることはなく、運転領域や機関の仕様等に対応する特性に基づいて設定すればよい。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明のディーゼル機関によれば、着火不良による安定性の低下やオイルダイリューションの発生等の弊害を防止した上で、スモークの排出を抑制可能なＥＧＲ率の上限値を引き上げ、もって、スモーク排出量を増加させることなくＮＯx吸蔵触媒からＮＯxを放出還元でき、且つ、第２制御モードの実行により、運転者の出力要求に応じた良好な車両の走行特性を実現でき、しかも、制御モードの切換時には、噴射時期を瞬時的に切換えてスモークが急増する領域を飛び越し、これにより一時的なスモークの増加を未然に回避することができる。
【００６４】
請求項２の発明のディーゼル機関によれば、請求項１の発明に加えて、ＮＯxを放出すべきでない低負荷域では第３制御モードに切換えるため、スモークとＮＯxの低減を極めて高い次元で両立することができる。
請求項３の発明のディーゼル機関によれば、請求項１又は２の発明に加えて、制御モードの切換時のトルク変動を防止して、良好な走行フィーリングを保つことができる。
【００６５】
請求項４の発明のディーゼル機関によれば、請求項１又は２の発明に加えて、機関回転速度に関わらず、常に適切な時期に噴射燃料をピストンのキャビティ内に到達させて、安定した燃焼状態でＮＯxを放出還元することができる。
請求項５の発明のディーゼル機関によれば、請求項４の発明に加えて、機関負荷の変動に影響されることなく、安定した燃焼状態でＮＯxを放出還元することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のディーゼル機関を示す全体構成図である。
【図２】第１実施形態のＥＣＵが実行する燃焼モード切換ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】燃焼モードを設定するためのマップを示す説明図である。
【図４】通常燃焼モード及びＮＯxパージ燃焼モードにおける燃料噴射時期ＩＴとＥＧＲ率Ｒegrの制御状況、及び燃料噴射時期ＩＴを８〜３６°BTDCに設定したときのＴＨＣ排出量、ＮＯx排出量、騒音、スモーク排出量を測定した試験結果を示す特性図である。
【図５】図４から燃料噴射時期ＩＴが１０，２０，３６°BTDCのときの試験結果を抜粋した特性図である。
【図６】燃料噴射時期ＩＴを変更してＴＨＣ排出量と希釈燃料量とを測定した試験結果を示す特性図である。
【図７】第２実施形態のＥＣＵが実行する燃焼モード切換ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
５    燃料噴射弁（燃料噴射手段）
１７  酸化触媒
２１  ＥＧＲ弁（ＥＧＲ率調整手段）
３１  ＥＣＵ（第１制御手段、第２制御手段、第３制御手段、モード切換手段）
【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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