JP2010138829A - ディーゼルエンジンの燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ディーゼルエンジンにおいて、各運転状態に適した情報に基づきエンジンの運転条件を制御することで、エンジンの応答性を向上させることができるとともに、ＮＯｘ及びスモークを抑制し、排気性能を向上させることのできるディーゼルエンジンの燃焼制御装置を提供すること。
【解決手段】エンジンの運転状態が、予混合燃焼モード及び通常燃焼モードの切替を伴う過渡運転時であって、燃料混合期間が通常燃焼閾値から予混合燃焼閾値までの所定の範囲にある場合には、燃料混合期間に基づきＥＧＲバルブ及び吸気スロットルバルブの指示値を算出する燃料混合期間参照制御を行う（Ｓ６）。
【選択図】図４

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの燃焼制御装置に係り、詳しくはエンジンの各運転状態に応じた燃焼制御を行う技術に関する。

通常、ディーゼルエンジンでは、燃料噴射中に圧縮による自発着火（圧縮着火）が生じて所謂拡散燃焼が生起される。このような燃焼を一般にディーゼル燃焼といい、当該ディーゼル燃焼での運転を通常燃焼モードという。
また、近年ディーゼルエンジンでは、スモーク及びＮＯｘを同時に低減させることを目的として、ＥＧＲガスを多量に導入するとともに、比較的進角側で燃料を噴射し予め燃料と空気とを混合した後に圧縮着火により燃焼させるいわゆる低温予混合燃焼燃モード（以下、予混合燃焼モードという）がある。

ただし、予混合燃焼モードはエンジンの運転が低負荷低回転数である領域に限られており、高負荷高回転数領域では通常燃焼モードに切り替える必要がある。
加速や減速等の過渡運転時には、運転者の操作に応じてエンジンの運転条件を移行させていく必要があり、特に燃焼モードが切り替わるような過渡運転時には吸排気条件及び燃料噴射条件を大幅に変更することとなる。

このような過渡運転時には、ＥＧＲバルブ、吸気スロットルバルブ等の吸排気系のアクチュエータを、過渡運転移行後の運転条件に対応した指示値に変更していくが、指示値通りのＥＧＲガス量、吸気量となるのに遅れが生じる。
このため、例えば予混合燃焼モードから通常燃焼モードへ移行させる場合、燃料噴射量を増加させるのに対してＥＧＲガス量の減少が遅れて燃料過多となり、スモークが発生するという問題が生じる。

そこで、予混合燃焼モードから通常燃焼モードへ移行する際に、通常燃焼モードにおける目標ＥＧＲガス量に変更するようＥＧＲバルブに対して指令が出された後、第一所定期間は、予混合燃焼モードにおける燃料噴射制御を維持し、第一所定期間経過時点から、変更されるＥＧＲガス量に応じて、通常燃焼モードにおいて行われる燃料噴射制御に変更する技術が開示されている（特許文献１参照）。
特開２００７−１００６７８号公報

しかしながら、上記特許文献１では、第一所定期間はメイン噴射の噴射数で約６噴射程度等と予め設定した一定値であり、吸気状態に応じて設定されるものではない。吸気状態はエンジンの運転状態等によって変化することから、このように一定値の所定期間では吸気状態の遅れに正確に対応できるものではない。さらに、第一所定期間の間燃料噴射制御が維持されるため、エンジンの応答性が悪化するという問題ある。

また、上記特許文献１では、第一所定期間経過時点から、メイン噴射時期を通常燃焼モードにおける噴射時期に一定の割合で変更しているが、これも吸気状態を考慮しているものではなく、このように噴射時期を遅角させると吸気状態の変化に対し噴射時期を遅角させるのが速くなりスモークが発生するという問題がある。
また、予混合燃焼モードから通常燃焼モードへ移行させる場合には、燃料噴射量が減少するのに対して新気量の減少が遅れて酸素過多となり、ＮＯｘが発生するという問題が生じるが、上記特許文献１ではそのような問題には対処することができない。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ディーゼルエンジンにおいて、各運転状態に適した情報に基づきエンジンの運転条件を制御することで、エンジンの応答性を向上させることができるとともに、ＮＯｘ及びスモークを抑制し、排気性能を向上させることのできるディーゼルエンジンの燃焼制御装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１のディーゼルエンジンの燃焼制御装置では、排気の一部をＥＧＲガスとして吸気側に還流するＥＧＲ機構を備えたディーゼルエンジンの燃焼制御装置であって、前記ディーゼルエンジンの吸気量を調整する吸気調整手段と、前記ＥＧＲガスの吸気側への還流量を調整するＥＧＲ調整手段と、前記ディーゼルエンジンの筒内に燃料を供給する燃料噴射手段と、前記ディーゼルエンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、燃料噴射終了時期から着火時期までの燃料混合期間を検出する燃料混合期間検出手段と、燃焼モードとして、第１の燃焼モード、及び該第１の燃焼モードよりも進角側で燃料を噴射するとともにＥＧＲガス量が比較的多く設定された第２の燃焼モードを有し、前記運転状態検出手段により検出された運転状態が過渡運転であり、且つ前記第１の燃焼モード及び前記第２の燃焼モードの間の切替移行時には、前記燃料混合期間検出手段により検出される燃料混合期間に応じて前記吸気調整手段及び前記ＥＧＲ調整手段を制御する燃焼制御手段とを備えることを特徴特徴としている。

請求項２のディーゼルエンジンの燃焼制御装置では、請求項１において、前記燃焼制御手段は、前記運転状態検出手段により検出された運転状態が過渡運転であり、且つ前記第１の燃焼モード及び前記第２の燃焼モードの間の切替移行時であり、さらに燃料混合期間が所定の範囲内にある場合に、前記燃料混合期間検出手段により検出される燃料混合期間に応じて前記吸気調整手段及び前記ＥＧＲ調整手段を制御することを特徴とする。

請求項３のディーゼルエンジンの燃焼制御装置では、請求項１または２において、前記ディーゼルエンジンの筒内に吸入される吸気の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、前記ディーゼルエンジンの筒内の空気過剰率を検出する空気過剰率検出手段とを備え、前記燃焼制御手段は、前記運転状態検出手段により検出された運転状態が、定常運転である場合には、前記酸素濃度検出段により検出される酸素濃度に基づくフィードバック制御により前記吸気調整手段及び前記ＥＧＲ調整手段を制御し、前記第１の燃焼モード及び第２の燃焼モードの切替移行時以外の過渡運転である場合には、前記空気過剰率検出手段により検出される空気過剰率に基づくフィードバック制御により、前記吸気調整手段及び前記ＥＧＲ調整手段を制御することを特徴としている。

請求項４のディーゼルエンジンの燃焼制御装置では、請求項１から３のいずれかにおいて、前記燃焼制御手段は、前記運転状態検出手段により検出された運転状態が過渡運転である場合に、前記空気過剰率検出手段により検出される空気過剰率が所定の閾値以下となる場合には、燃料噴射量を制限するよう前記燃料噴射手段を制御することを特徴としている。

上記手段を用いる本発明の請求項１のディーゼルエンジンの燃焼制御装置によれば、ディーゼルエンジンにおいて、燃焼モードとして、上死点（ＴＤＣ）近傍で燃料を噴射する第１の燃焼モードと、比較的進角側で燃料を噴射するとともにＥＧＲガス還流量が比較的多く設定された第２の燃焼モードを有し、当該燃焼モードが切り替わるような過渡運転時には、燃料混合期間に応じて吸気調整手段及びＥＧＲ調整手段を制御する。

このように、燃料噴射時期を大きく調整し、燃料混合期間が大きく変化するような燃焼モード切替移行時に、燃料混合期間に応じて吸排気条件を制御することで、切替後の燃焼モードにおける燃料混合期間へと早期に移行させることができ、エンジンの応答性を向上させることができる。
また、燃焼モードの切替移行の際に燃料混合期間が短く、燃料と空気との混合が不十分となると、燃料が多ければスモークが発生し、酸素量が多ければＮＯｘが発生することとなるが、当該燃料混合期間に基づき吸排気条件を制御することで、早期に安定した燃焼へと移行させることができるため、スモーク及びＮＯｘの発生を抑えることができる。

このように運転状態に応じた最適な情報に基づき吸排気条件を制御することで、ＮＯｘ及びスモークを抑制することができ、排気性能を向上させることができる。
請求項２に係るディーゼルエンジンの燃焼装置装置によれば、燃焼モードが切り替わるような過渡運転時であって、燃料混合期間が所定の範囲内にあるときに、当該燃料混合期間に応じて吸気調整手段及びＥＧＲ調整手段を制御する。

これにより、燃料混合期間に応じた吸排気条件の制御を行うのに適した範囲で、当該制御を行うことができ、より適切に運転状態に応じた吸排気条件とすることができる。
請求項３に係るディーゼルエンジンの燃焼制御装置によれば、定常運転時には筒内に吸入される吸気の酸素濃度に基づくフィードバック制御により吸排気条件を決める吸気調整手段及びＥＧＲ調整手段の調整を行い、燃料混合期間に応じた吸気調整手段及びＥＧＲ調整手段の制御を実行しない過渡運転時には筒内の空気過剰率に基づくフィードバック制御により吸気調整手段及びＥＧＲ調整手段の調整を行うこととする。

一般にディーゼルエンジンでは、燃焼の安定している定常運転時にはできる限りＮＯｘを低減するエンジン制御が必要であり、燃焼が不安定となりやすい過渡運転時となるとスモークが発生するおそれがあることから、スモークを発生させない制御が必要である。
そこで、定常運転時には、酸素濃度に基づくフィードバック制御により吸気調整手段及びＥＧＲ調整手段を調整することで、筒内の吸気状態及び燃料供給状態に適切に応じた吸排気制御を行うことができ、当該定常運転時におけるＮＯｘを効果的に抑えることができる。

一方、過渡運転時には、吸気状態に加えて燃料噴射状態も考慮される空気過剰率に基づき吸気調整手段及びＥＧＲ調整手段を調整することで、燃焼が不安定となることを抑制することができ、スモークの発生を抑えることができる。
このように、より細かく各運転状態に応じた最適な情報に基づく吸排気条件を制御することで、ＮＯｘ及びスモークをより確実に抑制することができる。

請求項４に係るディーゼルエンジンの燃焼制御装置によれば、過渡運転時に燃料混合期間や空気過剰率に基づき吸排気条件を制御しても、空気過剰率が所定の閾値以下となるような燃料過多状態となる場合には、燃料供給量を制限する。
これにより、過渡運転時の燃料過多によるスモークの発生を確実に抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１を参照すると本発明に係るディーゼルエンジンの燃焼制御装置の概略構成図が示されており、以下、同図に基づき説明する。
図１に示すエンジン１（内燃機関）は、図示しないコモンレールに蓄圧された高圧燃料を各気筒２内に直接噴射する４気筒コモンレール式ディーゼルエンジンである。なお、図１には４気筒のうちの１つの気筒の断面が示されている。

エンジン１は、複数の気筒２が形成されたシリンダブロック４の上部に、シリンダヘッド６が載置されて構成されている。
各気筒２には上下摺動可能にピストン８が設けられおり、当該ピストン８の頂面と気筒２の内壁、及びシリンダヘッド６下面に囲まれて燃焼室１０が形成されている。
シリンダヘッド６には、燃焼室１０内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１２（燃料噴射手段）が設けられている。

また、シリンダヘッド６には、燃焼室１０と連通しエンジン１の幅方向一側に延びた吸気ポート１４及び燃焼室１０と連通しエンジン１の幅方向他側に延びた排気ポート１６が形成されている。さらに、当該シリンダヘッド６には、吸気ポート１４及び排気ポート１６に対応して、当該各ポート１４、１６と燃焼室１０との連通及び遮断を行う吸気バルブ１８及び排気バルブ２０がそれぞれ設けられている。なお、当該吸気ポート１４及び排気ポート１６は１気筒につきそれぞれ２箇所設けられており、それに対応して吸気バルブ１８及び排気バルブ２０はそれぞれ２本設けられている。

そして、エンジン１の幅方向一側には、吸気ポート１４と連通する吸気管２２が接続されている。
当該吸気管２２には、吸気上流側に図示しないエアクリーナが設けられており、その吸気下流側にはエンジン１に吸入される新気の量（以下、新気量という）を検出するエアフローセンサ２４が設けられている。また、当該吸気管２２には、エアフローセンサ２４より吸気下流側に、吸気を過給するターボチャージャ２６のコンプレッサ２６ａ、過給された吸気を冷却するインタークーラ２８、吸気量を調整する吸気スロットルバルブ３０（吸気調整手段）が順に設けられている。

一方、エンジン１の幅方向他側には排気ポート１６と連通する排気管３２が接続されている。
当該排気管３２には、上記ターボチャージャ２６のコンプレッサ２６ａと回転軸が連結され排気流により回転するタービン２６ｂが設けられている。
また、当該排気管３２の排気上流側部分と、吸気管２２の吸気下流側部分とは、ＥＧＲ通路３４を介して連通されており、排気の一部をＥＧＲガスとして吸気系に還流可能に構成されている。当該ＥＧＲ通路３４には、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３６及び吸気系へ還流させるＥＧＲガス量を調整するＥＧＲバルブ３８（ＥＧＲ調整手段）が設けられている。

また、当該エンジン１を搭載した車両には、エンジン１の運転制御等をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置としてＥＣＵ４０（燃焼制御手段）が設けられている。当該ＥＣＵ４０は、ＣＰＵ、メモリ、タイマカウンタなどから構成され、様々な制御量の演算を行うとともに、その制御量に基づき各種デバイスの制御を行っている。
例えば、ＥＣＵ４０の入力側には、上記エアフローセンサ２４、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ４２、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ４４、吸気ポート１６に臨んで設けられておりブースト圧（過給圧）、即ち筒内に吸入される吸気の吸気圧を検出するブースト圧センサ４６、同じく吸気ポート１４に設けられており吸気温度を検出する吸気温度センサ４８等の各種センサ類（運転状態検出手段）が接続されており、これらの検出値から、筒内の酸素濃度（Ｏ_２）、燃焼噴射量に対する空気量の割合に相当する空気過剰率（λ）、アクセル開度に応じたエンジン１に作用する負荷、エンジン回転数等が算出可能である。

一方、ＥＣＵ４０の出力側には各気筒の燃料噴射弁１２、吸気スロットルバルブ３０、ＥＧＲバルブ３８などの各種デバイス類が接続されている。
そして、ＥＣＵ４０は、上記各種センサ類から取得される情報に基づき、エンジン１の燃焼制御を行う。
以下、当該燃焼制御に係るＥＣＵ４０の構成について詳しく説明する。

ここで、図２、図３を参照すると、図２には本実施形態における燃焼制御に対応した制御ブロック図、図３には燃料混合期間参照制御部の詳細制御ブロック図がそれぞれ示されており、以下、これらの図に基づき説明する。
図２に示すように、ＥＣＵ４０は、酸素濃度算出部５０（酸素濃度検出手段）、空気過剰率算出部５２（空気過剰率検出手段）、燃料混合期間算出部５４（燃料混合期間検出手段）、燃焼モード切替部５６、運転状態判定部５８、Ｏ_２フィードバック制御部６０、燃料混合期間参照制御部６２、λフィードバック制御部６４を有している。

詳しくは、酸素濃度算出部５０は、筒内に吸入される吸気の酸素濃度（以下、Ｏ_２ともいう）を算出する機能を有している。当該酸素濃度の算出は、例えば、まずエアフローセンサ２４により検出される新気量から各気筒に供給されるＥＧＲガス量を算出する。そして、当該ＥＧＲガス中の残存酸素濃度を燃料噴射量から推定する。こうして求められた残存酸素濃度と新気中の酸素濃度とから、筒内に吸入される吸気の酸素濃度を算出する。

空気過剰率算出部５２は、筒内の空気過剰率（以下、λともいう）を算出する機能を有している。当該空気過剰率の算出は、例えば新気量、ＥＧＲガス量、及び燃料噴射量に基づく演算によるものであり、吸気に含まれるＥＧＲガス量を考慮した空気過剰率を算出する。
燃料混合期間算出部５４は、燃料噴射終了時期から着火時期までの燃料混合期間を算出する機能を有している。当該燃料混合期間算出部５４には、例えば新気量、ＥＧＲガス量、アクセル開度センサ４４の情報から算出されるエンジン負荷、及びクランク角センサ４２の情報から算出されるエンジン回転数等のエンジン１の運転状態に応じた着火遅れを算出するマップが予め記憶されており、当該マップにより算出される着火遅れから燃料混合期間を算出する。

燃焼モード切替部５６は、予めＥＣＵ４０に記憶されている通常燃焼モード（第１の燃焼モード）及び予混合燃焼モード（第２の燃焼モード）をエンジン１の運転状態に応じて切り替える機能を有している。
通常燃焼モードは、予混合期間を経た後の燃料噴射中に拡散燃焼が生起される一般的なディーゼル燃焼による運転を行う燃焼モードであり、燃料噴射時期が比較的遅角側となるよう設定されている。

予混合燃焼モードは、予め空気と燃料とを混合した後に圧縮着火による燃焼が生起される予混合燃焼による運転を行う燃焼モードであり、燃料噴射時期が比較的進角側となるよう設定されている。なお、当該予混合燃焼モードでは、ＥＧＲガス量を比較的多くすることで低温化を図り、ＮＯｘの抑制を図る。
燃焼モード切替部５６は、これら２つの燃焼モードを、エンジン１の負荷及び回転数に応じたマップに基づき切り替える。当該マップは、例えば低負荷低回転数領域では予混合燃焼モード、それ以外の高負荷高回転数領域では通常燃焼モードを選択するよう設定されている。

運転状態判定部５８は、ＥＣＵ４０に入力される上記各種センサからの情報、上記酸素濃度算出部５０、空気過剰率算出部５２、燃料混合期間算出部５４、燃焼モード切替部５６から出力される酸素濃度、空気過剰率、燃料混合期間、燃焼モード等の情報に基づきエンジン１の運転状態を判定し、当該運転状態に応じた制御を選択する機能を有している。
詳しくは、運転状態判定部５８は、例えばアクセル開度センサ４４により検出されるアクセル開度の変化率から、エンジン１の運転状態が定常運転及び過渡運転の判定を行い、当該運転状態に応じて、Ｏ_２フィードバック制御またはλフィードバック制御のいずれかを選択する。具体的には、定常運転と判定した場合には、Ｏ_２フィードバック制御部６０に信号を出力し、過渡運転と判定した場合には、λフィードバック制御部６４に信号を出力する。

さらに、運転状態判定部５８は、通常燃焼モード及び予混合燃焼モードが切り替わるような過渡運転時であって、燃料混合期間が所定の範囲内にある場合には、燃料混合期間参照制御を行うよう燃焼混合期間参照制御部６２に信号を出力する。この所定の範囲は、通常燃焼モードが成立する所定の燃料混合期間、すなわち燃料混合期間０近傍を下限値とし、安定した予混合燃焼が成立する所定の燃料混合期間を上限値とするものである。以下、この所定の範囲の下限値を通常燃焼閾値、上限値を予混合燃焼閾値という。

Ｏ_２フィードバック制御部６０は、上記酸素濃度算出部５０において算出される酸素濃度と、目標とする所定の酸素濃度との差分を算出し、当該差分を減少させるようＥＧＲバルブ３８、吸気スロットルバルブ３０、燃料噴射弁１２への指示値を算出し出力する機能を有している。なお、当該指示値は、例えば、比例動作、積分動作、微分動作からなるＰＩＤ制御により算出する。

燃料混合期間参照制御部６２は、上記燃料混合期間算出部５４において算出される燃料混合期間に応じた指示ＥＧＲ率を算出し、当該ＥＧＲ率となるようにＥＧＲバルブ３８、吸気スロットルバルブ３０への指示値を算出する機能を有している。
詳しくは図３に示すように、燃料混合期間参照部６２はマップ部６２ａ及びＰＩ制御部６２ｂを有している。

当該マップ部６２ａには、吸気温度センサ４８により検出される吸気温度Ｔｂ、及び切替後の燃焼モードに対応した目標とする所定の燃料混合期間（以下、目標混合期間という）が入力される。そして、当該マップ部６２ａには、吸気温度Ｔｂ及び目標混合期間に応じた第１指示ＥＧＲ率を算出するマップが記憶されている。当該マップは、図３に示すように、目標混合期間が大であるほど、吸気温度Ｔｂが大であるほど、高い第１指示ＥＧＲ率を出力するものである。

また、ＰＩ制御部６２ｂには、目標混合期間、及び上記燃料混合期間算出部５４において算出される燃料混合期間（以下、実混合期間という）の差分が入力される。そして、当該ＰＩ制御部６２ｂは、当該差分に対して比例動作及び積分動作を実行して第２指示ＥＧＲ率を出力するものである。
燃料混合期間参照部６２は、上記第１指示ＥＧＲ率及び第２指示ＥＧＲ率を加算して、指示ＥＧＲ率を算出し、当該指示ＥＧＲ率を実現するＥＧＲバルブ開度及び吸気スロットルバルブ開度の指示値を出力する。なお、当該指示ＥＧＲ率を実現するＥＧＲバルブ３８及び吸気スロットルバルブ３０の指示値の算出について、本実施形態ではＥＧＲバルブ３８の調整を優先し、当該ＥＧＲバルブ３８が限界まで開閉した場合に吸気スロットル開度の調整を行うよう演算する。

λフィードバック制御部６４は、上記空気過剰率算出部５２において算出される空気過剰率と、目標とする所定の空気過剰率との差分を算出し、当該差分を減少させるようＥＧＲバルブ３８、吸気スロットルバルブ３０、燃料噴射弁１２への指示値を算出する機能を有している。なお、当該指示値は例えばＰＩＤ制御により算出する。
なお、λフィードバック制御部６４は、上記燃料混合期間参照制御部６２からＥＧＲバルブ３８及び吸気スロットルバルブ３０への指示値が入力される場合には、当該燃料混合期間参照制御部６２で算出された指示値を優先して出力する。

さらに、当該λフィードバック制御部６４には予めＥＣＵ４０に記憶されているλ閾値が入力される。当該λ閾値は、スモークが発生し始める閾値であり、上記空気過剰率算出部５２において算出される空気過剰率（以下、実λともいう）が当該λ閾値未満となる場合には、燃料噴射量を制限するよう燃料噴射弁１２への指示値を修正する。当該燃料噴射弁１２への指示値の修正は、例えば空気過剰率がそれ以上低下しないよう、現状の燃料噴射量を維持する指示値とする。

以上のように構成されたＥＣＵ４０は、上記Ｏ_２フィードバック制御部６０またはλフィードバック制御部６４から出力される指示値に基づきＥＧＲバルブ３８、吸気スロットルバルブ３０、燃料噴射弁１２を制御する。
以下、本発明に係るディーゼルエンジンの燃焼制御装置による燃焼制御の流れについて詳しく説明する。

図４には、本発明に係るディーゼルエンジンの燃焼制御装置による燃焼制御ルーチンがフローチャートにより示されており、上記図２を参照しつつ同フローチャートに沿って説明する。
まず、ＥＣＵ４０は、ステップＳ１として、運転状態判定部５８においてエンジン１の運転状態が過渡運転であるか否かを判別する。つまり、アクセル開度の変化率が所定値より大であるか否かを判別する。当該判別結果が偽（Ｎｏ）である場合、即ち定常運転である場合は、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２では、Ｏ_２フィードバック制御部６０から出力される酸素濃度に基づくフィードバック制御により算出された指示値に基づきＥＧＲバルブ３８、吸気スロットルバルブ３０、燃料噴射弁１２を制御する。
一方、上記ステップＳ１の判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合、即ち過渡運転時である場合は、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、運転状態判定部５８において、エンジン１の運転状態が加速運転等で予混合燃焼モードから通常燃焼モードへの切替移行時であるか否かを判別する。当該判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合はステップＳ４に進む。
ステップＳ４では、燃料混合期間算出部５４において、燃料混合期間を算出する。
続くステップＳ５では、運転状態判定部５８において、上記ステップＳ４で算出した燃料混合期間が通常燃焼閾値より大であるか否かを判別する。当該判別結果が偽（Ｎｏ）である場合は、即ち燃焼モードの切替を伴う過渡運転時であるが、燃料混合期間が所定の範囲内にない場合は、燃料混合期間参照制御を行わないようステップＳ１０に進む。これに対し、当該判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合、即ち燃料混合期間が所定の範囲内にある場合は、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、燃料混合期間参照制御部６２において、燃料混合期間に応じたＥＧＲバルブ３８及び吸気スロットルバルブ３０の指示値を算出する。
一方、上記ステップＳ３の判別結果が偽（Ｎｏ）である場合、即ち予混合燃焼モードから通常燃焼モードへの切替でない過渡運転時である場合は、ステップＳ７に進む。
ステップＳ７では、運転状態判定部５８において、エンジン１の運転状態が減速運転等で通常燃焼モードから予混合燃焼モードへの切替移行時であるか否かを判別する。当該判別結果が偽（Ｎｏ）である場合、即ち燃焼モードの切替を伴わない過渡運転である場合には、燃料混合期間参照制御を行わないようステップＳ１０に進む。

一方、当該判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合は、ステップＳ８に進む。
ステップＳ８では、燃料混合期間算出部５４において、燃料混合期間を算出する。
続くステップＳ９では、運転状態判定部５８において、上記ステップＳ８で算出した燃料混合期間が予混合燃焼閾値より小であるか否かを判別する。当該判別結果が偽（Ｎｏ）である場合は、即ち燃焼モードの切替を伴う過渡運転時であるが、燃料混合期間が所定の範囲内にない場合は、燃料混合期間参照制御を行わないようステップＳ１０に進む。これに対し、当該判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合、即ち燃料混合期間が所定の範囲内にある場合は、上記ステップＳ６に進み燃料混合期間参照制御を行う。

そして、ステップＳ１０では、λフィードバック制御部６４において、実λがλ閾値未満であるか否かを判別する。当該判別結果が偽（Ｎｏ）である場合は、ステップＳ１１に進む。
ステップＳ１１では、λフィードバック制御部６４から出力される空気過剰率に基づくフィードバック制御により算出された指示値に基づきＥＧＲバルブ３８、吸気スロットルバルブ３０、燃料噴射弁１２を制御する。なお、上記ステップＳ６における燃料混合期間参照制御を経ている場合には、燃料混合期間参照制御部６２から出力される燃料混合期間に応じた指示値に基づきＥＧＲバルブ３８及び吸気スロットルバルブ３０を制御する。

一方、上記ステップＳ１０の判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合、即ち実λがλ閾値を下回るような場合は、ステップＳ１２に進む。
ステップＳ１２では、上記ステップＳ１１と同様にＥＧＲバルブ３８及び吸気スロットルバルブ３０を制御するとともに、空気過剰率がλ閾値以下とならないよう燃料噴射量を制限した指示値に基づき燃料噴射弁１２を制御する。

上記ステップＳ２、Ｓ１１、Ｓ１２のいずれかを経た後、当該ルーチンをリターンする。
ここで、図５には予混合燃焼モードから通常燃焼モードへの切替時において、図６には通常燃焼モードから予混合燃焼モードへの切替時において、それぞれ当該燃焼制御を行った場合における各種運転状態の変化を示したタイムチャートが示されており、以下当該タイムチャートに基づき上記燃焼制御を行ったときの作用効果について説明する。

まず図５に示すように、予混合燃焼モード及び通常燃焼モードの定常運転時には、それぞれＯ_２フィードバック制御により、ＥＧＲバルブ開度、吸気スロットルバルブ開度、燃料噴射量が制御される（上記ステップＳ２に対応）。具体的には、予混合燃焼モードは、ＥＧＲバルブ開度は開側、吸気スロットルバルブ開度は閉側、燃料噴射量は少なめに設定され、通常燃焼モードは、ＥＧＲバルブ開度は若干閉側、吸気スロットルバルブ開度は開側、燃料噴射量は多めに設定される。

そして、予混合燃焼モードから通常燃焼モードへと移行するｔ１時点からｔ２時点まではλフィードバック制御が実行される。
詳しくは、予混合燃料モードからの切替開始直後には、燃料噴射量は一定の割合で通常燃焼モードに対応する燃料噴射量に向けて増加するが（上記ステップＳ１１に対応）、空気量が十分に確保されていないことから空気過剰率が低下する。この空気過剰率を低下させるないようＥＧＲ量を減らすためＥＧＲバルブ３８は全閉近傍まで閉じられ、吸気スロットルバルブ３０は通常燃焼モードに対応する開度まで開かれる。

そこから、ＥＧＲバルブ３８及び吸気スロットルバルブ３０の制御は燃料混合期間参照制御となり、燃料混合期間が通常燃焼閾値に達するまで、切替後の通常燃焼モードのＥＧＲ率に近づくようにＥＧＲバルブ開度が徐々に開かれていく（上記ステップＳ６に対応）。なお、本実施形態では吸気スロットルバルブ３０に対し、ＥＧＲバルブ３８を優先的に制御するため、このとき吸気スロットルバルブ開度は変化させていない。

このように燃料噴射量が一定の割合で通常燃焼モードに対応する燃料噴射量に向けて増加するのに対し、上記ＥＧＲバルブ３８及び吸気スロットルバルブ３０の制御によりＥＧＲガス量や吸気量が応答遅れを伴い変化していき、筒内では燃料量に対する空気量の割合である空気過剰率が変化していく。
そして、当該空気過剰率がλ閾値に達すると、噴射量を制限するλフィードバック制御となり（上記ステップＳ１２に対応）、空気過剰率の低下が防止される。

次に、図６を参照すると、通常燃焼モードから予混合燃焼モードへと移行するｔ３時点からｔ４時点まではλフィードバック制御が実行される。
詳しくは、通常燃料モードから切替開始直後にはＥＧＲ量を増大させるようＥＧＲバルブ３８は予混合燃焼モードに対応する開度まで開かれ、吸気スロットルバルブ３０は全閉近傍まで閉じられる。

そこから、ＥＧＲバルブ３８及び吸気スロットルバルブ３０の制御は、燃料混合期間が予混合燃焼閾値に達するまで燃料混合期間参照制御となる。具体的には、ＥＧＲバルブ３８は予混合燃焼モードに対応してほぼ全開まで開いているため、吸気スロットルバルブ３０の開度が変更される。つまり、吸気スロットルバルブ３０の開度は、切替後の予混合燃焼モードのＥＧＲ率に近づくように徐々に開かれていく（上記ステップＳ６に対応）。

一方、燃料噴射量は一定の割合で予混合燃焼モードに対応する燃料噴射量に向けて減少する。通常燃焼モードから予混合燃焼モードへと移行する際には、燃料噴射量が減少し空気過剰率は増加していく傾向にあることから、スモークの発生のおそれはなく、上記ステップＳ１２に対応する噴射量制限λフィードバック制御を行うことはない。
なお、図示していないが、燃焼モードの切替を伴わず上記燃料混合期間参照制御を行わないような過渡運転時である場合には、λフィードバック制御部６４で算出される指示値に基づきＥＧＲバルブ開度、吸気スロットルバルブ開度、燃料噴射量が制御される。

以上のように、燃料噴射時期が大きく変動し、燃料混合期間が大きく変化するような燃焼モード切替移行時であって燃料混合期間が所定の範囲である場合に、燃料混合期間に応じてＥＧＲバルブ開度及び吸気スロットルバルブ開度等の吸排気条件を制御することで、切替後の燃焼モードにおける燃料混合期間へと早期に移行させることができ、エンジン１の応答性を向上させることができる。

また、燃焼モードの切替移行の際に燃料混合期間が短く、燃料と空気との混合が不十分となると、燃料が多ければスモークが発生し、酸素量が多ければＮＯｘが発生することとなるが、当該燃料混合期間に基づき吸排気条件を制御することで、早期に安定した燃焼へと移行させることができるため、スモーク及びＮＯｘの発生を抑えることができる。
さらに、一般にディーゼルエンジンでは、燃焼の安定している定常運転時にはできる限りＮＯｘを低減するエンジン制御が必要であり、燃焼が不安定となりやすい過渡運転時となるとスモークが発生するおそれがあることから、スモークを発生させない制御が必要である。

そのため、本実施形態では、定常運転時には、酸素濃度に基づくフィードバック制御によりＥＧＲバルブ３８及び吸気スロットルバルブ３０を調整することで、筒内の吸気状態及び燃料噴射状態に適切に応じた吸排気制御を行うことができ、当該定常運転時におけるＮＯｘを効果的に抑えることができる。
一方、上記燃料混合期間参照制御を行わない過渡運転時には、吸気状態に加えて燃料噴射状態も考慮される空気過剰率に基づきＥＧＲバルブ３８及び吸気スロットルバルブ３０を調整することで、燃焼が不安定となることを抑制することができ、スモークの発生を抑えることができる。

さらに、過渡運転時において燃料混合期間や空気過剰率に基づき吸排気条件を制御しても、空気過剰率がλ閾値以下となるような燃料過多状態となる場合には、燃料噴射量を制限することで、過渡運転時のスモークの発生を確実に抑制することができる。
これらのことから本発明に係るディーゼルエンジンの燃焼制御装置によれば、各運転状態に応じた最適な情報に基づき吸排気条件を制御することで、エンジン１の応答性を向上させることができるとともに、ＮＯｘ及びスモークを抑制することができ、排気性能を向上させることができる。

以上で本発明に係るディーゼルエンジンの燃焼制御装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
上記実施形態では、エンジン１は４気筒コモンレール式ディーゼルエンジンだが、当該構成のエンジンに限るものではなく、他の構成のディーゼルエンジンであっても構わない。

また、上記実施形態では、燃料混合期間算出部５４ではエンジン１の運転状態に応じたマップに基づき燃料混合期間を算出しているが、燃料混合期間の算出はこれに限られるものでない。例えば、筒内圧を検出する筒内圧センサを設け、筒内圧に基づく熱発生量や燃焼割合から着火時期を検出し、燃料噴射弁への駆動信号から燃料噴射終了時期を検出して、燃料混合期間を算出しても構わない。

また、上記実施形態では、燃料混合期間参照制御部６２では、ＥＧＲバルブ３８の調整を優先し、当該ＥＧＲバルブ３８が限界まで開閉した場合に吸気スロットル開度の調整を行うよう演算することとしているが、これに限られるものではない。例えば、ＥＧＲバルブ３８及び吸気スロットルバルブ３０を協調して調整する指示値を演算するものとしても構わない。

本発明に係るディーゼルエンジンの一実施形態における燃焼制御装置の概略構成図である。 本発明に係るディーゼルエンジンの燃焼制御装置の一実施形態における制御ブロック図である。 燃料混合期間参照制御部の詳細制御ブロック図である。 本発明に係るディーゼルエンジンの燃焼制御装置の一実施形態における燃焼制御ルーチンを示すフローチャートである。 予混合燃焼モードから通常燃焼モードへの切替時に本発明に係る燃焼制御を行った場合の各種運転状態の変化を示したタイムチャートである。 通常燃焼モードから予混合燃焼モードへの切替時に本発明に係る燃焼制御を行った場合の各種運転状態の変化を示したタイムチャートである。

符号の説明

１ エンジン
２ 気筒
１２ 燃料噴射弁（燃料噴射手段）
３０ 吸気スロットルバルブ（吸気調整手段）
３８ ＥＧＲバルブ（ＥＧＲ調整手段）
４０ ＥＣＵ（燃焼制御手段）
４２ クランク角センサ（運転状態検出手段）
４４ アクセル開度センサ（運転状態検出手段）
４６ ブースト圧センサ（運転状態検出手段）
４８ 吸気温度センサ（運転状態検出手段）
５０ 酸素濃度算出部（酸素濃度検出手段）
５２ 空気過剰率算出部（空気過剰率検出手段）
５４ 燃料混合期間算出部（燃料混合期間検出手段）
５６ 燃焼モード切替部
５８ 運転状態判定部
６０ Ｏ_２フィードバック制御部
６２ 燃料混合期間参照制御部
６４ λフィードバック制御部

Claims (4)

1. 排気の一部をＥＧＲガスとして吸気側に還流するＥＧＲ機構を備えたディーゼルエンジンの燃焼制御装置であって、
   前記ディーゼルエンジンの吸気量を調整する吸気調整手段と、
   前記ＥＧＲガスの吸気側への還流量を調整するＥＧＲ調整手段と、
   前記ディーゼルエンジンの筒内に燃料を供給する燃料噴射手段と、
   前記ディーゼルエンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   燃料噴射終了時期から着火時期までの燃料混合期間を検出する燃料混合期間検出手段と、
   燃焼モードとして、第１の燃焼モード、及び該第１の燃焼モードよりも進角側で燃料を噴射するとともにＥＧＲガス量が該第１の燃焼モードよりも多く設定された第２の燃焼モードを有し、前記運転状態検出手段により検出された運転状態が過渡運転であり、且つ前記第１の燃焼モード及び前記第２の燃焼モードの間の切替移行時には、前記燃料混合期間検出手段により検出される燃料混合期間に応じて前記吸気調整手段及び前記ＥＧＲ調整手段を制御する燃焼制御手段とを備え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。
2. 前記燃焼制御手段は、前記運転状態検出手段により検出された運転状態が過渡運転であり、且つ前記第１の燃焼モード及び前記第２の燃焼モードの間の切替移行時であり、さらに燃料混合期間が所定の範囲内にある場合に、前記燃料混合期間検出手段により検出される燃料混合期間に応じて前記吸気調整手段及び前記ＥＧＲ調整手段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燃焼制御装置。
3. 前記ディーゼルエンジンの筒内に吸入される吸気の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
   前記ディーゼルエンジンの筒内の空気過剰率を検出する空気過剰率検出手段とを備え、
   前記燃焼制御手段は、前記運転状態検出手段により検出された運転状態が、定常運転である場合には、前記酸素濃度検出手段により検出される酸素濃度に基づくフィードバック制御により前記吸気調整手段及び前記ＥＧＲ調整手段を制御し、前記燃料混合期間に応じた吸気調整手段及びＥＧＲ調整手段の制御を実行しない過渡運転である場合には、前記空気過剰率検出手段により検出される空気過剰率に基づくフィードバック制御により、前記吸気調整手段及び前記ＥＧＲ調整手段を制御することを特徴とする請求項１または２記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
4. 前記燃焼制御手段は、前記運転状態検出手段により検出された運転状態が過渡運転である場合に、前記空気過剰率検出手段により検出される空気過剰率が所定の閾値以下となる場合には、燃料噴射量を制限するよう前記燃料噴射手段を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置。

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