JP3580099B2 - ディーゼルエンジンの制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この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】
ディーゼルエンジンの燃焼形態は、着火遅れ期間中にシリンダ内に噴射された燃料が、蒸発、混合しつつ一気に燃焼（予混合燃焼）し、それに拡散燃焼が引き続く燃焼形態（この燃焼形態を以下、通常の拡散燃焼方式という）であり、初期の予混合燃焼による急激な熱発生により、いわゆるディーゼルノック音が発生するので、その対策として、コモンレール式燃料噴射装置を用いるとともに、主噴射に先立ち小量の燃料を噴射する、いわゆるパイロット噴射を行うものが提案されている（１９９５年ウィーンモータシンポジウム、ＦＩＡＴ発表、タイトル ：ＴＨＥ ＰＯＴＥＮＴＩＡＬＳ ＯＦ Ａ ＮＥＷ ＣＯＭＭＯＮ ＲＡＩＬ ＤＩＥＳＥＬ ＦＵＥＬ ＩＮＪＥＣＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＴＨＥ ＮＥＸＴ ＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮ ＯＦ ＤＩ ＤＩＥＳＥＬ ＥＮＧＩＮＥＳ ）。このものでは、パイロット噴射された小量の燃料の燃焼を火種とし、主噴射された燃料を、拡散燃焼を主体とした緩やかな燃焼とすることにより、ディーゼルノック音を抑制するのである。また、暖機完了前（冷機時）にパイロット噴射を行うと、早期に噴射されたパイロット噴射の燃料が着火しやすいため、それが火種となり、主噴射された燃料の失火を抑制する効果がある。拡散燃焼を主体とした緩やかな燃焼となることからはＮＯｘの排出量の抑制にも効果がある。
【０００３】
このほか、コモンレール式燃料噴射装置を用いるとともに、パイロット噴射を行うものとして、特開平５−３０２５３７号や特開平９−８９１４７号等の公報に記載されたものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、暖機完了前でＥＧＲを行っていない場合は、パイロット噴射により失火や白煙の抑制、ディーゼルノック音の低減、ＮＯｘ排出量の低減の各効果が期待できる。
【０００５】
しかしながら、極低温時にパイロット噴射量が少ないと、パイロット噴射燃料による発熱のみでは十分な昇温が得られず、失火やＨＣの増加を抑制しきれない。かといってパイロット噴射燃料が大き過ぎるときはディーゼルノック音が増大してしまう。よって、パイロット噴射はエンジンの暖機状態に応じてきめ細かく制御する必要があるが、そのような制御は従来提案されていなかった。
【０００６】
一方、パイロット噴射以外の燃焼騒音低減手段として、予混合燃焼を主体とする低温予混合燃焼をさせる方法がある。この低温予混合燃焼と拡散燃焼を促進する上記のパイロット噴射は全く異なる燃焼形態であり、組み合わせることは不可能である。すなわち、パイロット噴射により拡散燃焼割合が増加するため、低温予混合燃焼は実現不可能となる。また、暖機完了後にＥＧＲを行っている状態で多量のパイロット噴射を行ったのでは、スモークや粒子状物質が、パイロット噴射を行わない場合と比べ激しく増大するのである。
【０００７】
そこで、暖機完了前は暖機完了後よりもパイロット噴射量を多くすることにより、暖機完了前のエンジン温度状態に関係なく、失火、白煙の抑制と燃焼騒音、ＮＯｘ排出量の抑制との両立を図ることが考えられる。
しかしながら、要求パイロット噴射量が多くなり過ぎた場合にも、そのすべてをパイロット噴射したのでは、その多量のパイロット噴射燃料によりディーゼルノックを発生させてしまう。
そこで本発明は、さらに極低温時にパイロット噴射にさらに先行して、小量の燃料を噴射することにより、要求パイロット噴射量が多くなる極低温時においても、失火や白煙排出量の増加を抑制しつつ、ディーゼルノックをも抑制することを第１の目的とする。
一方、ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンと比べ冷却水への放熱量が少ない（暖機完了までの時間が長い）ので、冬場には特に冷間始動から車室内の暖房が効き始めるまでの時間が長くなる。このような問題に対処するため、従来は、排気絞り弁等を付加し、冷機時のみ排気を絞ることによってエンジンの負荷を上げ、等出力での燃料噴射量を多くし、冷却水放熱量を増やす等の対策が行われてきた（１９８４年１１月、（株）グランプリ出版発行の『ディーゼル乗用車』第１０２頁参照）のであるが、暖機促進のための排気絞りは、排気を絞るためのバタフライ弁等の付加装置が必要となり、コストが増大してしまう。
そこで本発明は、低温時に主噴射の後にポスト噴射として小量の燃料を噴射することにより、排気絞り弁等の付加装置を設けることなく暖機完了までの時間を短縮することを第２の目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第１、第２の発明は、図１６に示すように、主噴射に先立ってパイロット噴射を行う手段６１と、暖機が完了したかどうかを判定する手段６２と、この判定結果より暖機完了前は暖機完了後よりも前記パイロット噴射の噴射量を多く設定する手段６３とを設けるとともに、または、図１７に示すように、主噴射に先立ってパイロット噴射を行う手段６１と、暖機が完了したかどうかを判定する手段６２と、この判定結果より暖機完了後は前記パイロット噴射を中止する手段７１とを設けるとともに、極低温時に前記パイロット噴射に先行して小量の燃料を噴射する。
【００１４】
第３の発明では、第１または第２の発明において前記パイロット噴射に先行する小量の噴射量をエンジン温度が低いほど多くする。
【００１７】
第４、第５の発明は、図１６に示すように、主噴射に先立ってパイロット噴射を行う手段６１と、暖機が完了したかどうかを判定する手段６２と、この判定結果より暖機完了前は暖機完了後よりも前記パイロット噴射の噴射量を多く設定する手段６３とを設けるとともに、または、図１７に示すように、主噴射に先立ってパイロット噴射を行う手段６１と、暖機が完了したかどうかを判定する手段６２と、この判定結果より暖機完了後は前記パイロット噴射を中止する手段７１とを設けるとともに、低温時に主噴射の後にポスト噴射として小量の燃料を噴射する。
【００１８】
第６の発明では、第４または第５の発明において前記ポスト噴射量をエンジン温度が低いほど多くする。
第７の発明では、第１または第４の発明において前記暖機完了前のパイロット噴射の噴射量をエンジン温度が低いほど多くする。
第８の発明では、第２または第５の発明において前記パイロット噴射の噴射量をエンジン温度が低いほど多くする。
第９の発明では、第１から第８までのいずれか一つの発明においてエンジン温度が第１の所定値より低い温度域でＥＧＲを行わず、この第１の所定値と第１の所定値より高い第２の所定値の温度域でエンジン温度が高いほどＥＧＲ率を高くする。
第１０の発明では、第１から第９までのいずれか一つの発明において低温時に前記パイロット噴射時期を進める。
第１１の発明では、第１０の発明において前記パイロット噴射時期の進角量をエンジン温度が低いほど大きくする。
【００１９】
第１２の発明では、第１から第１１までのいずれか一つの発明において前記エンジン温度が冷却水温である。
【００２０】
第１３の発明では、第１から第１２までのいずれか一つの発明において前記パイロット噴射を低負荷域または低回転域に限る。
【００２１】
【発明の効果】
主噴射に先立ちパイロット噴射を行うものがすでに提案されており、このものによれば、パイロット噴射された小量の燃料の燃焼を火種とし、主噴射された燃料を、拡散燃焼を主体とした緩やかな燃焼とするので、ＮＯｘ排出量（およびディーゼルノック音）の抑制に効果があり、かつ暖機完了前（冷機時）にパイロット噴射を行うと、早期に噴射されたパイロット噴射の燃料が着火しやすいため、それが火種となり、主噴射された燃料の失火を抑制する効果もあることを前述した。
【００２２】
しかしながら、極低温時にパイロット噴射量が少ないと、パイロット噴射燃料による発熱のみでは十分な昇温が得られず、失火やＨＣの増加を抑制しきれない。かといってパイロット噴射燃料が大き過ぎるときはディーゼルノック音が増大してしまう。
【００２３】
これに対して第１、第４の発明では、暖機完了前のほうがパイロット噴射量を多くすることで、主噴射された燃料に着火するときの筒内が暖機完了後とほぼ同じ温度に保たれる。
【００２４】
このように暖機完了前に主噴射された燃料に着火するときの筒内温度を暖機完了後とほぼ同じに保つことにより、パイロット噴射量の不足による主噴射燃料の失火やＨＣ排出の増加の心配もなく、暖機完了前の熱発生パターンが暖機完了後とほぼ同等なり、これによって、失火、白煙の抑制と燃焼騒音、ＮＯｘ排出量の抑制との両立を図ることが可能となった。
【００２６】
一方、パイロット噴射により拡散燃焼割合が増加し、スモークや粒子状物質が、パイロット噴射を行わない場合と比べ激しく増大してしまうのであるが、第２、第５の発明では、暖機完了後はパイロット噴射をやめるようにしたので、暖機完了後もパイロット噴射を行うことによる、スモーク、粒子状物質の増大を防ぐことができる。
【００２７】
第１、第２の発明では、パイロット噴射量の限度を超える燃料分を、パイロット噴射にさらに先行して噴射することで、パイロット噴射量がディーゼルノックを生じる限度を超えないようにしたので、要求パイロット噴射量が多くなる極低温時においても、失火や白煙排出量の増加を抑制しつつ、ディーゼルノックをも抑制することができる。
【００２８】
特に極低温時にはパイロット噴射された燃料の着火遅れ期間が長びいてしまうが、第１０の発明のように、低温時にパイロット噴射の噴射時期を進角させることで、パイロット噴射された燃料の燃焼するタイミングを最適化することができ、これによって、第１、第２の発明と同様の効果が生じる（要求パイロット噴射量が多くなる極低温時においても、失火や白煙排出増加を抑制しつつ、ディーゼルノックをも抑制することができる）。
【００２９】
暖機促進のための排気絞りは、排気を絞るためのバタフライ弁等の付加装置が必要となり、コストが増大してしまうのであるが、第４、第５の発明によれば、ポスト噴射に伴う燃焼期間の増加で排気温度が上昇し、排気ポートまわりから冷却水へと伝達される放熱量が増加するので、暖機完了前の暖機促進に効果があり、排気絞り弁等の付加装置を設けることなく暖機完了までの時間を短縮することができる。
第７の発明では、暖機完了前のパイロット噴射の噴射量をエンジン温度が低いほど多くするので、冷間始動時のエンジン温度状態や暖機完了までのエンジン温度の変化に関わらず、パイロット噴射量を過不足なく与えることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１において、１はディーゼルエンジンの本体で、コモンレール式の燃料噴射装置１０を備える。
【００３１】
ここで、コモンレール式の燃料噴射装置１０の構成そのものは公知（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）であるので、図２により概説する。
【００３２】
この燃料噴射装置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、コモンレール（蓄圧室）１６、気筒毎に設けられるノズル１７からなり、サプライポンプ１４により加圧された燃料は燃料供給通路１５を介して蓄圧室１６にいったん蓄えられたあと、蓄圧室１６の高圧燃料が気筒数分のノズル１７に分配される。
【００３３】
ノズル１７は、針弁１８、ノズル室１９、ノズル室１９への燃料供給通路２０、リテーナ２１、油圧ピストン２２、針弁１８を閉弁方向（図で下方）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、この通路２４に介装される三方弁（電磁弁）２５などからなり、ノズル内の通路２０と２４が連通して油圧ピストン２２上部とノズル室１９にともに高圧燃料が導かれる三方弁２５のＯＦＦ時（ポートＡとＢが連通、ポートＢとＣが遮断）には、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が着座状態にあるが、三方弁２５がＯＮ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。これによって針弁１８が上昇してノズル先端の噴孔より燃料が噴射される。三方弁２５をふたたびＯＦＦ状態に戻せば、油圧ピストン２２に蓄圧室１６の高圧燃料が導びかれて燃料噴射が終了する。つまり、三方弁２５のＯＮ時間により燃料噴射量が調整され、蓄圧室１６の圧力が同じであれば、ＯＮ時間が長くなるほど燃料噴射量が多くなる。２６は逆止弁、２７はオリフィスである。
【００３４】
この燃料噴射装置１０にはさらに、蓄圧室圧力を調整するため、サプライポンプ１４から吐出された燃料を戻す通路１３に圧力調整弁３１を備える。この調整弁３１は通路１３の流路を開閉するもので、蓄圧室１６への燃料吐出量を調整することにより蓄圧室圧力を調整する。蓄圧室１６の燃料圧力によっても燃料噴射量は変化し、三方弁２５のＯＮ時間が同じであれば、蓄圧室１６の燃料圧力が高くなるほど燃料噴射量が多くなる。
【００３５】
アクセル開度センサ３３、エンジン回転数とクランク角度を検出するセンサ３４、気筒判別のためのセンサ３５、水温センサ３６からの信号が入力されるコントロールユニット４１では、エンジン回転数とアクセル開度に応じて主噴射の目標燃料噴射量と蓄圧室１６の目標圧力を演算し、圧力センサ３２により検出される蓄圧室圧力がこの目標圧力と一致するように圧力調整弁３１を介して蓄圧室１６の燃料圧力をフィードバック制御する。また、演算した主噴射の目標燃料噴射量に対応して三方弁２５のＯＮ時間を制御する。
【００３６】
さて、冷機時でＥＧＲを行っていない場合は、主噴射に先立ち、短時間だけ三方弁２５をＯＮ状態にして小量の燃料を噴射する、いわゆるパイロット噴射により、失火や白煙の抑制、ディーゼルノック音の低減、ＮＯｘ排出量の低減の各効果が期待できるのであるが、極低温時にパイロット噴射の噴射量が少ないと、パイロット噴射燃料による発熱のみでは十分な昇温が得られず、失火やＨＣ増加が抑制しきれない。かといってパイロット噴射量が大き過ぎるときはディーゼルノック音が増大してしまう。
【００３７】
これに対処するため本発明の第１実施形態では、暖機完了前のパイロット噴射量を暖機完了後より多く設定するとともに、後述する第１の追加部分で極低温時にパイロット噴射に先行して少量の燃料を噴射する。
【００３８】
コントロールユニット４１で行われるこの制御を図３のフローチャートに基づいて説明する。
【００３９】
図３はパイロット噴射量を演算するためのもので、一定時間ごとに実行する。まずステップ１ではエンジンの回転数Ｎｅ、主噴射の目標燃料噴射量（エンジンの負荷相当である）Ｑｆ、エンジンの冷却水温Ｔｗを読み込み、ステップ２においてこれらに応じてパイロット噴射量を決定する。このパイロット噴射量は図示しないが、さらに三方弁２５のＯＮ期間に換算される。
【００４０】
そして、図示しないフローにおいて、主噴射に先立つ所定のタイミングでパイロット噴射量に対応する期間だけ三方弁２５がＯＮ状態にされる。なお、主噴射の噴射開始時期は暖機完了前（図では低水温時）も基本的に暖機完了後と同等である（図５参照）。暖機完了後の主噴射の噴射時期は、重視する項目（ＮＯｘ、粒子状物質、燃焼騒音、燃費）等により異なり、ここではＮＯｘの排出量を低減するため、遅角側の値を採用している。
【００４１】
上記のパイロット噴射量は主噴射燃料の着火時の筒内が、冷却水温Ｔｗに関係なく、失火を生じないほぼ一定温度に保たれるように設定するもので、たとえば、低回転域かつ低負荷域で、図４に示したように冷却水温Ｔｗが低いほど多くなるように設定している。
【００４２】
また、図６は冷却水温が一定の条件での暖機完了後に対する暖機完了前のパイロット噴射量の増量特性を示し、低回転かつ低負荷になるほど暖機完了前のパイロット噴射量の増量が多くなっている。これは低回転のほうが圧縮端温度が低く、また圧縮行程の熱損失も大きいこと、また、低負荷のほうが、いったん火がついたとしても燃焼が持続しにくいこと（すなわち低回転かつ低負荷ほど失火、白煙の問題は大きい）により、それをリカバーするための要求パイロット噴射量が多くなるためである。
【００４３】
ここで、第１実施形態の作用効果を説明する。
【００４４】
一般的にディーゼルエンジンでは、燃料の着火は圧縮されたシリンダ内高温空気による自己着火であるため、圧縮端温度の低い暖機完了前は、失火に陥りやすい。また、失火に至らないまでも、未燃燃料の排出により、白煙、ＨＣの排出が増加するという問題がある。従来は、このような問題に対処するため、低水温時の燃料噴射時期を進めることが一般的に行われている（昭和６３年６月、（株）山海堂発行の『ディーゼル燃料噴射』ｐ．１５４参照）。しかしながら、失火対策のための上記燃料噴射時期（主噴射の噴射時期）の進角は、その一方でＮＯｘ排出量の増大という別の問題を招く。つまり、主噴射の噴射時期の変更では、失火の抑制とＮＯｘ排出量の抑制との両方を満足させることはできないのである。
【００４５】
これに対処するものとして、コモンレール式燃料噴射装置を用いるとともに、主噴射に先立ちパイロット噴射を行うものが提案されており、このものによれば、パイロット噴射された小量の燃料の燃焼を火種とし、主噴射された燃料を、拡散燃焼を主体とした緩やかな燃焼とするので、ＮＯｘ排出量（およびディーゼルノック音）の抑制に効果があり、かつ暖機完了前にパイロット噴射を行うと、早期に噴射されたパイロット噴射の燃料が燃焼し、それが火種となり、主噴射された燃料の失火を抑制する効果もあることを前述した。
【００４６】
しかしながら、極低温時にパイロット噴射の噴射量が少ないと、パイロット噴射燃料による発熱量のみでは十分な昇温が得られず、失火やＨＣ増加が抑制しきれない。
【００４７】
これに対して、この実施形態では主噴射の噴射開始時期は暖機完了前も基本的に暖機完了後と同等であるとともに、回転数と負荷（Ｑｆ）が同一の条件で暖機完了前は暖機完了後よりパイロット噴射量が増やされるので、パイロット噴射による発熱量が多くなる。つまり、回転数と負荷が同一であれば暖機完了前のほうがパイロット噴射量を多くすることで、主噴射された燃料に着火するときの筒内が暖機完了後とほぼ同じ温度に保たれる。
【００４８】
このように暖機完了前に主噴射された燃料に着火するときの筒内温度を暖機完了後とほぼ同じに保つことにより、パイロット噴射量の不足による主噴射燃料の失火やＨＣ排出の増加の心配もなく、冷間始動時の水温状態や暖機完了までの水温状態の変化に関わらず、ほぼ同等の熱発生パターンとなり、これによって、失火、白煙の抑制と燃焼騒音、ＮＯｘ排出量の抑制との両立を図ることが可能となった。
【００４９】
図７、図８、図９、図１０は第２実施形態で、それぞれ第１実施形態の図１、図３、図４、図５に対応する。なお、第１実施形態と同一部分には、同一の番号やステップ番号を付けている。
【００５０】
第２実施形態は、暖機完了前に第１実施形態と同じにパイロット噴射を行い、暖機完了とともにパイロット噴射を中止して低温予混合燃焼をさせるようにしたものであり、この第２実施形態においても後述する第１の追加部分で極低温時にパイロット噴射に先行して少量の燃料を噴射する。
【００５１】
ここで、低温予混合燃焼は、ＥＧＲ量を増やすことによる酸素濃度の低下と、燃料噴射時期の大幅な遅角化により、燃料の噴射開始から着火までの着火遅れ期間を長期化し、着火遅れ期間中に十分燃料を蒸発、混合させ、拡散燃焼量を抑制して予混合燃焼割合を増加させる燃焼である。通常は、予混合燃焼量が多いと、急激な燃焼により燃焼騒音が増加するのであるが、この燃焼では、多量のＥＧＲによる酸素濃度の低下と、噴射時期の遅角化と着火遅れ期間長期化による燃焼開始時の温度低下により燃焼速度が低下するため、燃焼騒音が大幅に低減し、同時に拡散燃焼割合が少ないこと、低温で燃焼することにより、ＮＯｘ、スモークや粒子状物質の排出を抑制することも可能となるのである。こうした低温予混合燃焼をさせる方法はたとえば特開平７−４２８７号、特開平９−４２０１５号公報により公知であるので、詳細な説明は省略し、図７にＥＧＲ通路５１とＥＧＲ量を調整するためのバルブ５２だけを示している。
【００５２】
図８において図３と相違する部分を主に説明すると、ステップ１１ではエンジン運転条件（Ｎｅ、Ｑｆ）と冷却水温Ｔｗに応じて目標ＥＧＲ率とパイロット噴射量を決定する。
【００５３】
ＥＧＲ率は、ＮＯｘと粒子状物質の排出のバランスによりマッチングすべき値であり、低温予混合燃焼が可能な必要最低限の値よりも多く入れる運転域があり、図９はこのような運転域を想定した場合のものである。
【００５４】
ここで、目標ＥＧＲ率は、図９に示すように、冷却水温Ｔｗが第１の所定値Ｔｗ１未満となる場合に０である（つまりＥＧＲを行わない）。これは従来と同様である。ＴｗがＴｗ１未満となる低温時にＥＧＲを行わないのは次の理由からである。ディーゼルエンジンでＮＯｘ排出量を低減するためにはＥＧＲが有効であることが知られているが、エンジンの低温時は、失火の発生、白煙、ＨＣの増加、シリンダボア、ピストンリングの摩耗による耐久性低下、バルブへのデポジット堆積の問題が特に顕著なため、ＥＧＲを行わないのである。
【００５５】
Ｔｗが所定値Ｔｗ１以上の場合は冷却水温Ｔｗの上昇に合わせて目標ＥＧＲ率を徐々に大きくしていき、Ｔｗが所定値Ｔｗ１よりも高い第２の所定値Ｔｗ２となったら、暖機完了と判断し、目標ＥＧＲ率を所定値にする。なお、図９では負荷と回転が同一の条件で考えているため、暖機完了後の目標ＥＧＲ率が一定になっている。Ｔｗ１よりＴｗ２までの温度域で冷却水温Ｔｗに応じて目標ＥＧＲ率を徐々に増加させるのは、低水温時のＥＧＲによる弊害（摩耗、失火等）が問題にならない範囲で最大限にＥＧＲ率を大きくしたからで、このとき、必然的に右上がり特性となるのである。最大限にＥＧＲ率を大きくしたいのは、ＮＯｘの排出抑制のためである。
【００５６】
一方、パイロット噴射量は、第１実施形態と同様にＴｗの上昇とともに減少させ、Ｔｗ、目標ＥＧＲ率とも十分高くなったタイミング、つまりＴｗが所定値Ｔｗ３以上で低温予混合燃焼が可能と判断し、０とする（つまりパイロット噴射を行わない）。これは次の理由からである。低温予混合燃焼させる場合には、ＥＧＲ率を所定値以上にする必要がある。また、低温予混合燃焼させることにより、パイロット噴射に頼ることなく燃焼騒音を低減することが可能である。したがって、ＥＧＲ率が所定値を超えたタイミングでパイロット噴射を止めるのである。
【００５７】
さて、拡散燃焼を促進するパイロット噴射と予混合燃焼を主体とする低温予混合燃焼とを組み合わせることは不可能であった。これは、パイロット噴射により拡散燃焼割合が増加するため、暖機完了後にＥＧＲを行っている状態でパイロット噴射を行ったのでは、スモークや粒子状物質が、パイロット噴射を行わない場合と比べ激しく増大してしまうからである。
【００５８】
これに対して、第２実施形態では、暖機完了後はパイロット噴射をやめるようにしたので、暖機完了後もパイロット噴射を行うことによる、スモーク、粒子状物質の増大を防ぐことができる。
【００５９】
図１１、図１２は第１、第２実施形態に対する第１の追加部分である。
【００６０】
この第１の追加部分は、極低温時に、図１２に示すように、パイロット噴射にさらに先行して、小量の燃料を噴射するようにしたものである。これは、要求パイロット噴射量が多くなり過ぎた場合にも、そのすべてをパイロット噴射したのでは、その多量のパイロット噴射燃料によりディーゼルノックを発生させてしまうからである。
【００６１】
図１１は冷却水温Ｔｗが所定値Ｔｗ４以下となる極低温時にパイロット噴射に先行させる小量噴射量の特性を、パイロット噴射量の特性に重ねて示したもので、この小量噴射量もパイロット噴射量と同様、Ｔｗが低くなるほど多くなる特性である。
【００６２】
第１の追加部分では、パイロット噴射量の限度を超える燃料分を、パイロット噴射にさらに先行して噴射することで、パイロット噴射量がディーゼルノックを生じる限度を超えないようにしたので、要求パイロット噴射量が多くなる極低温時においても、失火や白煙排出量の増加を抑制しつつ、ディーゼルノックをも抑制することができる。
【００６３】
図１３は第３実施形態で、第１実施形態の図４に対応する。
【００６４】
この実施形態は、第１（または第２）実施形態を前提として、図１３に示すようにパイロット噴射の燃料噴射時期を、Ｔｗが低くなるほど進角させるようにしたものである。
【００６５】
特に極低温時にはパイロット噴射された燃料の着火遅れ期間が長びいてしまうが、この実施形態のように、Ｔｗが低くなるほどパイロット噴射の噴射時期を進角させることで、パイロット噴射された燃料の燃焼するタイミングを最適化することができ、これによって、前記第１の追加部分と同様の作用効果が生じる（要求パイロット噴射量が多くなる極低温時においても、失火や白煙排出増加を抑制しつつ、ディーゼルノックをも抑制することができる）。
【００６６】
図１４、図１５は第２の追加部分である。
この第２の追加部分は、第１（または第２）実施形態に追加して、低水温時に、図１５に示したように、主噴射の後に小量の燃料の噴射（この噴射をポスト噴射という）を行うようにしたものである。
【００６７】
図１４は冷却水温Ｔｗが所定値Ｔｗ５以下となる低温時のポスト噴射量の特性、パイロット噴射量の特性に重ねて示したもので、ポスト噴射量もパイロット噴射量と同様、Ｔｗが低くなるほど多くなる特性である。
【００６８】
さて、ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンと比べ冷却水への放熱量が少ない（暖機完了までの時間が長い）ので、冬場には特に冷間始動から車室内の暖房が効き始めるまでの時間が長くなる。このような問題に対処するため、従来は、排気絞り弁等を付加し、冷機時のみ排気を絞ることによってエンジンの負荷を上げ、等出力での燃料噴射量を多くし、冷却水放熱量を増やす等の対策が行われてきた（１９８４年１１月、（株）グランプリ出版発行の『ディーゼル乗用車』第１０２頁参照）のであるが、暖機促進のための排気絞りは、排気を絞るためのバタフライ弁等の付加装置が必要となり、コストが増大してしまう。
【００６９】
これに対して、第２の追加部分では、ポスト噴射に伴う燃焼期間の増加で排気温度が上昇し、排気ポートまわりから冷却水へと伝達される放熱量が増加するので、暖機完了前の暖機促進に効果があり、排気絞り弁等の付加装置を設けることなく暖機完了までの時間を短縮することができる。
【００７０】
第１実施形態、第２の追加部分では、図４（第１実施形態）、図１３（第３実施形態）、図１４（第２の追加部分）のようにパイロット噴射を暖機完了後も行っているが、暖機完了後に低温予混合燃焼を行わせるときは暖機完了後にパイロット噴射をやめる必要がある。ただし、低温予混合燃焼を行わせない場合は、暖機完了後にパイロット噴射を行わせても、行わせなくても、かまわない。低温予混合燃焼を行わせない場合に、暖機完了後にパイロット噴射を行わせるかどうかは重視する項目により異なるからである（燃焼騒音やＮＯｘ排出量の抑制を重視するなら暖機完了後もパイロット噴射を行い、粒子状物質やスモークの抑制を重視するならパイロット噴射を行わないのが一般的である）。
【００７１】
実施形態では、回転数と負荷とで定まる運転域を限定せずに（つまり全運転域で）パイロット噴射を行うものとして説明したが、低回転域や低負荷域にだけパイロット噴射を行わせるようにしてもかまわない。ディーゼルエンジンには、冷機時に、失火しやすい、白煙やＨＣ排出が多くなる、ＥＧＲをかけられないためＮＯｘ排出が多くなる、ディーゼルノック音が大きい、暖機が遅いという問題があり、これらの問題のうち、失火、白煙、ディーゼルノック音は特に低回転域かつ低負荷域で大きな問題となる傾向であるので、低回転域や低負荷域でだけパイロット噴射を行わせることでもよいわけである。
【００７２】
実施形態では、コモンレール式燃料噴射装置を用いて、パイロット噴射（各実施形態に共通）、これに先行させる小量噴射（第１の追加部分）、ポスト噴射（第２の追加部分）を行わせる場合で説明したが、これに限定されるものでなく、たとえばジャーク式燃料噴射装置を用い、燃料のスピルポートの開閉を複数回行うことにより、パイロット噴射、これに先行させる小量噴射、ポスト噴射を行わせるように構成してもかまわない。
【００７３】
実施形態では、インジェクタは３方弁タイプのインジェクタで説明したが、２方弁タイプのインジェクタでもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のエンジンの概略平面図である。
【図２】コモンレール式燃料噴射装置のシステム図である。
【図３】第１実施形態のパイロット噴射量の決定を説明するためのフローチャートである。
【図４】冷却水温に対するパイロット噴射量の特性図である。
【図５】クランク角度に対する燃料噴射率の特性図である。
【図６】冷却水温が一定の条件での暖機完了後に対する冷機時のパイロット噴射量の増量を示す特性図である。
【図７】第２実施形態のエンジンの概略平面図である。
【図８】第２実施形態のパイロット噴射量の決定を説明するためのフローチャートである。
【図９】第２実施形態の冷却水温に対するパイロット噴射量と目標ＥＧＲ率の特性図である。
【図１０】第２実施形態のクランク角度に対する燃料噴射率の特性図である。
【図１１】第１の追加部分の冷却水温に対するパイロット噴射量とこれに先行する噴射量の特性図である。
【図１２】第１の追加部分のクランク角度に対する燃料噴射率の特性図である。
【図１３】第３実施形態の冷却水温に対するパイロット噴射量とパイロット噴射時期の特性図である。
【図１４】第２の追加部分の冷却水温に対するパイロット噴射量とポスト噴射量の特性図である
【図１５】第２の追加部分のクランク角度に対する燃料噴射率の特性図である。
【図１６】第１、第４の発明のクレーム対応図である。
【図１７】第２、第５の発明のクレーム対応図である。
【符号の説明】
１ エンジン本体
１０ コモンレール式燃料噴射装置
１６ 蓄圧室
１７ インジェクタ
２４ 三方弁
３６ 水温センサ
４１ コントロールユニット
【発明の属する技術分野】
この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】
ディーゼルエンジンの燃焼形態は、着火遅れ期間中にシリンダ内に噴射された燃料が、蒸発、混合しつつ一気に燃焼（予混合燃焼）し、それに拡散燃焼が引き続く燃焼形態（この燃焼形態を以下、通常の拡散燃焼方式という）であり、初期の予混合燃焼による急激な熱発生により、いわゆるディーゼルノック音が発生するので、その対策として、コモンレール式燃料噴射装置を用いるとともに、主噴射に先立ち小量の燃料を噴射する、いわゆるパイロット噴射を行うものが提案されている（１９９５年ウィーンモータシンポジウム、ＦＩＡＴ発表、タイトル ：ＴＨＥ ＰＯＴＥＮＴＩＡＬＳ ＯＦ Ａ ＮＥＷ ＣＯＭＭＯＮ ＲＡＩＬ ＤＩＥＳＥＬ ＦＵＥＬ ＩＮＪＥＣＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＴＨＥ ＮＥＸＴ ＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮ ＯＦ ＤＩ ＤＩＥＳＥＬ ＥＮＧＩＮＥＳ ）。このものでは、パイロット噴射された小量の燃料の燃焼を火種とし、主噴射された燃料を、拡散燃焼を主体とした緩やかな燃焼とすることにより、ディーゼルノック音を抑制するのである。また、暖機完了前（冷機時）にパイロット噴射を行うと、早期に噴射されたパイロット噴射の燃料が着火しやすいため、それが火種となり、主噴射された燃料の失火を抑制する効果がある。拡散燃焼を主体とした緩やかな燃焼となることからはＮＯｘの排出量の抑制にも効果がある。
【０００３】
このほか、コモンレール式燃料噴射装置を用いるとともに、パイロット噴射を行うものとして、特開平５−３０２５３７号や特開平９−８９１４７号等の公報に記載されたものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、暖機完了前でＥＧＲを行っていない場合は、パイロット噴射により失火や白煙の抑制、ディーゼルノック音の低減、ＮＯｘ排出量の低減の各効果が期待できる。
【０００５】
しかしながら、極低温時にパイロット噴射量が少ないと、パイロット噴射燃料による発熱のみでは十分な昇温が得られず、失火やＨＣの増加を抑制しきれない。かといってパイロット噴射燃料が大き過ぎるときはディーゼルノック音が増大してしまう。よって、パイロット噴射はエンジンの暖機状態に応じてきめ細かく制御する必要があるが、そのような制御は従来提案されていなかった。
【０００６】
一方、パイロット噴射以外の燃焼騒音低減手段として、予混合燃焼を主体とする低温予混合燃焼をさせる方法がある。この低温予混合燃焼と拡散燃焼を促進する上記のパイロット噴射は全く異なる燃焼形態であり、組み合わせることは不可能である。すなわち、パイロット噴射により拡散燃焼割合が増加するため、低温予混合燃焼は実現不可能となる。また、暖機完了後にＥＧＲを行っている状態で多量のパイロット噴射を行ったのでは、スモークや粒子状物質が、パイロット噴射を行わない場合と比べ激しく増大するのである。
【０００７】
そこで、暖機完了前は暖機完了後よりもパイロット噴射量を多くすることにより、暖機完了前のエンジン温度状態に関係なく、失火、白煙の抑制と燃焼騒音、ＮＯｘ排出量の抑制との両立を図ることが考えられる。
しかしながら、要求パイロット噴射量が多くなり過ぎた場合にも、そのすべてをパイロット噴射したのでは、その多量のパイロット噴射燃料によりディーゼルノックを発生させてしまう。
そこで本発明は、さらに極低温時にパイロット噴射にさらに先行して、小量の燃料を噴射することにより、要求パイロット噴射量が多くなる極低温時においても、失火や白煙排出量の増加を抑制しつつ、ディーゼルノックをも抑制することを第１の目的とする。
一方、ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンと比べ冷却水への放熱量が少ない（暖機完了までの時間が長い）ので、冬場には特に冷間始動から車室内の暖房が効き始めるまでの時間が長くなる。このような問題に対処するため、従来は、排気絞り弁等を付加し、冷機時のみ排気を絞ることによってエンジンの負荷を上げ、等出力での燃料噴射量を多くし、冷却水放熱量を増やす等の対策が行われてきた（１９８４年１１月、（株）グランプリ出版発行の『ディーゼル乗用車』第１０２頁参照）のであるが、暖機促進のための排気絞りは、排気を絞るためのバタフライ弁等の付加装置が必要となり、コストが増大してしまう。
そこで本発明は、低温時に主噴射の後にポスト噴射として小量の燃料を噴射することにより、排気絞り弁等の付加装置を設けることなく暖機完了までの時間を短縮することを第２の目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第１、第２の発明は、図１６に示すように、主噴射に先立ってパイロット噴射を行う手段６１と、暖機が完了したかどうかを判定する手段６２と、この判定結果より暖機完了前は暖機完了後よりも前記パイロット噴射の噴射量を多く設定する手段６３とを設けるとともに、または、図１７に示すように、主噴射に先立ってパイロット噴射を行う手段６１と、暖機が完了したかどうかを判定する手段６２と、この判定結果より暖機完了後は前記パイロット噴射を中止する手段７１とを設けるとともに、極低温時に前記パイロット噴射に先行して小量の燃料を噴射する。
【００１４】
第３の発明では、第１または第２の発明において前記パイロット噴射に先行する小量の噴射量をエンジン温度が低いほど多くする。
【００１７】
第４、第５の発明は、図１６に示すように、主噴射に先立ってパイロット噴射を行う手段６１と、暖機が完了したかどうかを判定する手段６２と、この判定結果より暖機完了前は暖機完了後よりも前記パイロット噴射の噴射量を多く設定する手段６３とを設けるとともに、または、図１７に示すように、主噴射に先立ってパイロット噴射を行う手段６１と、暖機が完了したかどうかを判定する手段６２と、この判定結果より暖機完了後は前記パイロット噴射を中止する手段７１とを設けるとともに、低温時に主噴射の後にポスト噴射として小量の燃料を噴射する。
【００１８】
第６の発明では、第４または第５の発明において前記ポスト噴射量をエンジン温度が低いほど多くする。
第７の発明では、第１または第４の発明において前記暖機完了前のパイロット噴射の噴射量をエンジン温度が低いほど多くする。
第８の発明では、第２または第５の発明において前記パイロット噴射の噴射量をエンジン温度が低いほど多くする。
第９の発明では、第１から第８までのいずれか一つの発明においてエンジン温度が第１の所定値より低い温度域でＥＧＲを行わず、この第１の所定値と第１の所定値より高い第２の所定値の温度域でエンジン温度が高いほどＥＧＲ率を高くする。
第１０の発明では、第１から第９までのいずれか一つの発明において低温時に前記パイロット噴射時期を進める。
第１１の発明では、第１０の発明において前記パイロット噴射時期の進角量をエンジン温度が低いほど大きくする。
【００１９】
第１２の発明では、第１から第１１までのいずれか一つの発明において前記エンジン温度が冷却水温である。
【００２０】
第１３の発明では、第１から第１２までのいずれか一つの発明において前記パイロット噴射を低負荷域または低回転域に限る。
【００２１】
【発明の効果】
主噴射に先立ちパイロット噴射を行うものがすでに提案されており、このものによれば、パイロット噴射された小量の燃料の燃焼を火種とし、主噴射された燃料を、拡散燃焼を主体とした緩やかな燃焼とするので、ＮＯｘ排出量（およびディーゼルノック音）の抑制に効果があり、かつ暖機完了前（冷機時）にパイロット噴射を行うと、早期に噴射されたパイロット噴射の燃料が着火しやすいため、それが火種となり、主噴射された燃料の失火を抑制する効果もあることを前述した。
【００２２】
しかしながら、極低温時にパイロット噴射量が少ないと、パイロット噴射燃料による発熱のみでは十分な昇温が得られず、失火やＨＣの増加を抑制しきれない。かといってパイロット噴射燃料が大き過ぎるときはディーゼルノック音が増大してしまう。
【００２３】
これに対して第１、第４の発明では、暖機完了前のほうがパイロット噴射量を多くすることで、主噴射された燃料に着火するときの筒内が暖機完了後とほぼ同じ温度に保たれる。
【００２４】
このように暖機完了前に主噴射された燃料に着火するときの筒内温度を暖機完了後とほぼ同じに保つことにより、パイロット噴射量の不足による主噴射燃料の失火やＨＣ排出の増加の心配もなく、暖機完了前の熱発生パターンが暖機完了後とほぼ同等なり、これによって、失火、白煙の抑制と燃焼騒音、ＮＯｘ排出量の抑制との両立を図ることが可能となった。
【００２６】
一方、パイロット噴射により拡散燃焼割合が増加し、スモークや粒子状物質が、パイロット噴射を行わない場合と比べ激しく増大してしまうのであるが、第２、第５の発明では、暖機完了後はパイロット噴射をやめるようにしたので、暖機完了後もパイロット噴射を行うことによる、スモーク、粒子状物質の増大を防ぐことができる。
【００２７】
第１、第２の発明では、パイロット噴射量の限度を超える燃料分を、パイロット噴射にさらに先行して噴射することで、パイロット噴射量がディーゼルノックを生じる限度を超えないようにしたので、要求パイロット噴射量が多くなる極低温時においても、失火や白煙排出量の増加を抑制しつつ、ディーゼルノックをも抑制することができる。
【００２８】
特に極低温時にはパイロット噴射された燃料の着火遅れ期間が長びいてしまうが、第１０の発明のように、低温時にパイロット噴射の噴射時期を進角させることで、パイロット噴射された燃料の燃焼するタイミングを最適化することができ、これによって、第１、第２の発明と同様の効果が生じる（要求パイロット噴射量が多くなる極低温時においても、失火や白煙排出増加を抑制しつつ、ディーゼルノックをも抑制することができる）。
【００２９】
暖機促進のための排気絞りは、排気を絞るためのバタフライ弁等の付加装置が必要となり、コストが増大してしまうのであるが、第４、第５の発明によれば、ポスト噴射に伴う燃焼期間の増加で排気温度が上昇し、排気ポートまわりから冷却水へと伝達される放熱量が増加するので、暖機完了前の暖機促進に効果があり、排気絞り弁等の付加装置を設けることなく暖機完了までの時間を短縮することができる。
第７の発明では、暖機完了前のパイロット噴射の噴射量をエンジン温度が低いほど多くするので、冷間始動時のエンジン温度状態や暖機完了までのエンジン温度の変化に関わらず、パイロット噴射量を過不足なく与えることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１において、１はディーゼルエンジンの本体で、コモンレール式の燃料噴射装置１０を備える。
【００３１】
ここで、コモンレール式の燃料噴射装置１０の構成そのものは公知（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）であるので、図２により概説する。
【００３２】
この燃料噴射装置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、コモンレール（蓄圧室）１６、気筒毎に設けられるノズル１７からなり、サプライポンプ１４により加圧された燃料は燃料供給通路１５を介して蓄圧室１６にいったん蓄えられたあと、蓄圧室１６の高圧燃料が気筒数分のノズル１７に分配される。
【００３３】
ノズル１７は、針弁１８、ノズル室１９、ノズル室１９への燃料供給通路２０、リテーナ２１、油圧ピストン２２、針弁１８を閉弁方向（図で下方）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、この通路２４に介装される三方弁（電磁弁）２５などからなり、ノズル内の通路２０と２４が連通して油圧ピストン２２上部とノズル室１９にともに高圧燃料が導かれる三方弁２５のＯＦＦ時（ポートＡとＢが連通、ポートＢとＣが遮断）には、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が着座状態にあるが、三方弁２５がＯＮ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。これによって針弁１８が上昇してノズル先端の噴孔より燃料が噴射される。三方弁２５をふたたびＯＦＦ状態に戻せば、油圧ピストン２２に蓄圧室１６の高圧燃料が導びかれて燃料噴射が終了する。つまり、三方弁２５のＯＮ時間により燃料噴射量が調整され、蓄圧室１６の圧力が同じであれば、ＯＮ時間が長くなるほど燃料噴射量が多くなる。２６は逆止弁、２７はオリフィスである。
【００３４】
この燃料噴射装置１０にはさらに、蓄圧室圧力を調整するため、サプライポンプ１４から吐出された燃料を戻す通路１３に圧力調整弁３１を備える。この調整弁３１は通路１３の流路を開閉するもので、蓄圧室１６への燃料吐出量を調整することにより蓄圧室圧力を調整する。蓄圧室１６の燃料圧力によっても燃料噴射量は変化し、三方弁２５のＯＮ時間が同じであれば、蓄圧室１６の燃料圧力が高くなるほど燃料噴射量が多くなる。
【００３５】
アクセル開度センサ３３、エンジン回転数とクランク角度を検出するセンサ３４、気筒判別のためのセンサ３５、水温センサ３６からの信号が入力されるコントロールユニット４１では、エンジン回転数とアクセル開度に応じて主噴射の目標燃料噴射量と蓄圧室１６の目標圧力を演算し、圧力センサ３２により検出される蓄圧室圧力がこの目標圧力と一致するように圧力調整弁３１を介して蓄圧室１６の燃料圧力をフィードバック制御する。また、演算した主噴射の目標燃料噴射量に対応して三方弁２５のＯＮ時間を制御する。
【００３６】
さて、冷機時でＥＧＲを行っていない場合は、主噴射に先立ち、短時間だけ三方弁２５をＯＮ状態にして小量の燃料を噴射する、いわゆるパイロット噴射により、失火や白煙の抑制、ディーゼルノック音の低減、ＮＯｘ排出量の低減の各効果が期待できるのであるが、極低温時にパイロット噴射の噴射量が少ないと、パイロット噴射燃料による発熱のみでは十分な昇温が得られず、失火やＨＣ増加が抑制しきれない。かといってパイロット噴射量が大き過ぎるときはディーゼルノック音が増大してしまう。
【００３７】
これに対処するため本発明の第１実施形態では、暖機完了前のパイロット噴射量を暖機完了後より多く設定するとともに、後述する第１の追加部分で極低温時にパイロット噴射に先行して少量の燃料を噴射する。
【００３８】
コントロールユニット４１で行われるこの制御を図３のフローチャートに基づいて説明する。
【００３９】
図３はパイロット噴射量を演算するためのもので、一定時間ごとに実行する。まずステップ１ではエンジンの回転数Ｎｅ、主噴射の目標燃料噴射量（エンジンの負荷相当である）Ｑｆ、エンジンの冷却水温Ｔｗを読み込み、ステップ２においてこれらに応じてパイロット噴射量を決定する。このパイロット噴射量は図示しないが、さらに三方弁２５のＯＮ期間に換算される。
【００４０】
そして、図示しないフローにおいて、主噴射に先立つ所定のタイミングでパイロット噴射量に対応する期間だけ三方弁２５がＯＮ状態にされる。なお、主噴射の噴射開始時期は暖機完了前（図では低水温時）も基本的に暖機完了後と同等である（図５参照）。暖機完了後の主噴射の噴射時期は、重視する項目（ＮＯｘ、粒子状物質、燃焼騒音、燃費）等により異なり、ここではＮＯｘの排出量を低減するため、遅角側の値を採用している。
【００４１】
上記のパイロット噴射量は主噴射燃料の着火時の筒内が、冷却水温Ｔｗに関係なく、失火を生じないほぼ一定温度に保たれるように設定するもので、たとえば、低回転域かつ低負荷域で、図４に示したように冷却水温Ｔｗが低いほど多くなるように設定している。
【００４２】
また、図６は冷却水温が一定の条件での暖機完了後に対する暖機完了前のパイロット噴射量の増量特性を示し、低回転かつ低負荷になるほど暖機完了前のパイロット噴射量の増量が多くなっている。これは低回転のほうが圧縮端温度が低く、また圧縮行程の熱損失も大きいこと、また、低負荷のほうが、いったん火がついたとしても燃焼が持続しにくいこと（すなわち低回転かつ低負荷ほど失火、白煙の問題は大きい）により、それをリカバーするための要求パイロット噴射量が多くなるためである。
【００４３】
ここで、第１実施形態の作用効果を説明する。
【００４４】
一般的にディーゼルエンジンでは、燃料の着火は圧縮されたシリンダ内高温空気による自己着火であるため、圧縮端温度の低い暖機完了前は、失火に陥りやすい。また、失火に至らないまでも、未燃燃料の排出により、白煙、ＨＣの排出が増加するという問題がある。従来は、このような問題に対処するため、低水温時の燃料噴射時期を進めることが一般的に行われている（昭和６３年６月、（株）山海堂発行の『ディーゼル燃料噴射』ｐ．１５４参照）。しかしながら、失火対策のための上記燃料噴射時期（主噴射の噴射時期）の進角は、その一方でＮＯｘ排出量の増大という別の問題を招く。つまり、主噴射の噴射時期の変更では、失火の抑制とＮＯｘ排出量の抑制との両方を満足させることはできないのである。
【００４５】
これに対処するものとして、コモンレール式燃料噴射装置を用いるとともに、主噴射に先立ちパイロット噴射を行うものが提案されており、このものによれば、パイロット噴射された小量の燃料の燃焼を火種とし、主噴射された燃料を、拡散燃焼を主体とした緩やかな燃焼とするので、ＮＯｘ排出量（およびディーゼルノック音）の抑制に効果があり、かつ暖機完了前にパイロット噴射を行うと、早期に噴射されたパイロット噴射の燃料が燃焼し、それが火種となり、主噴射された燃料の失火を抑制する効果もあることを前述した。
【００４６】
しかしながら、極低温時にパイロット噴射の噴射量が少ないと、パイロット噴射燃料による発熱量のみでは十分な昇温が得られず、失火やＨＣ増加が抑制しきれない。
【００４７】
これに対して、この実施形態では主噴射の噴射開始時期は暖機完了前も基本的に暖機完了後と同等であるとともに、回転数と負荷（Ｑｆ）が同一の条件で暖機完了前は暖機完了後よりパイロット噴射量が増やされるので、パイロット噴射による発熱量が多くなる。つまり、回転数と負荷が同一であれば暖機完了前のほうがパイロット噴射量を多くすることで、主噴射された燃料に着火するときの筒内が暖機完了後とほぼ同じ温度に保たれる。
【００４８】
このように暖機完了前に主噴射された燃料に着火するときの筒内温度を暖機完了後とほぼ同じに保つことにより、パイロット噴射量の不足による主噴射燃料の失火やＨＣ排出の増加の心配もなく、冷間始動時の水温状態や暖機完了までの水温状態の変化に関わらず、ほぼ同等の熱発生パターンとなり、これによって、失火、白煙の抑制と燃焼騒音、ＮＯｘ排出量の抑制との両立を図ることが可能となった。
【００４９】
図７、図８、図９、図１０は第２実施形態で、それぞれ第１実施形態の図１、図３、図４、図５に対応する。なお、第１実施形態と同一部分には、同一の番号やステップ番号を付けている。
【００５０】
第２実施形態は、暖機完了前に第１実施形態と同じにパイロット噴射を行い、暖機完了とともにパイロット噴射を中止して低温予混合燃焼をさせるようにしたものであり、この第２実施形態においても後述する第１の追加部分で極低温時にパイロット噴射に先行して少量の燃料を噴射する。
【００５１】
ここで、低温予混合燃焼は、ＥＧＲ量を増やすことによる酸素濃度の低下と、燃料噴射時期の大幅な遅角化により、燃料の噴射開始から着火までの着火遅れ期間を長期化し、着火遅れ期間中に十分燃料を蒸発、混合させ、拡散燃焼量を抑制して予混合燃焼割合を増加させる燃焼である。通常は、予混合燃焼量が多いと、急激な燃焼により燃焼騒音が増加するのであるが、この燃焼では、多量のＥＧＲによる酸素濃度の低下と、噴射時期の遅角化と着火遅れ期間長期化による燃焼開始時の温度低下により燃焼速度が低下するため、燃焼騒音が大幅に低減し、同時に拡散燃焼割合が少ないこと、低温で燃焼することにより、ＮＯｘ、スモークや粒子状物質の排出を抑制することも可能となるのである。こうした低温予混合燃焼をさせる方法はたとえば特開平７−４２８７号、特開平９−４２０１５号公報により公知であるので、詳細な説明は省略し、図７にＥＧＲ通路５１とＥＧＲ量を調整するためのバルブ５２だけを示している。
【００５２】
図８において図３と相違する部分を主に説明すると、ステップ１１ではエンジン運転条件（Ｎｅ、Ｑｆ）と冷却水温Ｔｗに応じて目標ＥＧＲ率とパイロット噴射量を決定する。
【００５３】
ＥＧＲ率は、ＮＯｘと粒子状物質の排出のバランスによりマッチングすべき値であり、低温予混合燃焼が可能な必要最低限の値よりも多く入れる運転域があり、図９はこのような運転域を想定した場合のものである。
【００５４】
ここで、目標ＥＧＲ率は、図９に示すように、冷却水温Ｔｗが第１の所定値Ｔｗ１未満となる場合に０である（つまりＥＧＲを行わない）。これは従来と同様である。ＴｗがＴｗ１未満となる低温時にＥＧＲを行わないのは次の理由からである。ディーゼルエンジンでＮＯｘ排出量を低減するためにはＥＧＲが有効であることが知られているが、エンジンの低温時は、失火の発生、白煙、ＨＣの増加、シリンダボア、ピストンリングの摩耗による耐久性低下、バルブへのデポジット堆積の問題が特に顕著なため、ＥＧＲを行わないのである。
【００５５】
Ｔｗが所定値Ｔｗ１以上の場合は冷却水温Ｔｗの上昇に合わせて目標ＥＧＲ率を徐々に大きくしていき、Ｔｗが所定値Ｔｗ１よりも高い第２の所定値Ｔｗ２となったら、暖機完了と判断し、目標ＥＧＲ率を所定値にする。なお、図９では負荷と回転が同一の条件で考えているため、暖機完了後の目標ＥＧＲ率が一定になっている。Ｔｗ１よりＴｗ２までの温度域で冷却水温Ｔｗに応じて目標ＥＧＲ率を徐々に増加させるのは、低水温時のＥＧＲによる弊害（摩耗、失火等）が問題にならない範囲で最大限にＥＧＲ率を大きくしたからで、このとき、必然的に右上がり特性となるのである。最大限にＥＧＲ率を大きくしたいのは、ＮＯｘの排出抑制のためである。
【００５６】
一方、パイロット噴射量は、第１実施形態と同様にＴｗの上昇とともに減少させ、Ｔｗ、目標ＥＧＲ率とも十分高くなったタイミング、つまりＴｗが所定値Ｔｗ３以上で低温予混合燃焼が可能と判断し、０とする（つまりパイロット噴射を行わない）。これは次の理由からである。低温予混合燃焼させる場合には、ＥＧＲ率を所定値以上にする必要がある。また、低温予混合燃焼させることにより、パイロット噴射に頼ることなく燃焼騒音を低減することが可能である。したがって、ＥＧＲ率が所定値を超えたタイミングでパイロット噴射を止めるのである。
【００５７】
さて、拡散燃焼を促進するパイロット噴射と予混合燃焼を主体とする低温予混合燃焼とを組み合わせることは不可能であった。これは、パイロット噴射により拡散燃焼割合が増加するため、暖機完了後にＥＧＲを行っている状態でパイロット噴射を行ったのでは、スモークや粒子状物質が、パイロット噴射を行わない場合と比べ激しく増大してしまうからである。
【００５８】
これに対して、第２実施形態では、暖機完了後はパイロット噴射をやめるようにしたので、暖機完了後もパイロット噴射を行うことによる、スモーク、粒子状物質の増大を防ぐことができる。
【００５９】
図１１、図１２は第１、第２実施形態に対する第１の追加部分である。
【００６０】
この第１の追加部分は、極低温時に、図１２に示すように、パイロット噴射にさらに先行して、小量の燃料を噴射するようにしたものである。これは、要求パイロット噴射量が多くなり過ぎた場合にも、そのすべてをパイロット噴射したのでは、その多量のパイロット噴射燃料によりディーゼルノックを発生させてしまうからである。
【００６１】
図１１は冷却水温Ｔｗが所定値Ｔｗ４以下となる極低温時にパイロット噴射に先行させる小量噴射量の特性を、パイロット噴射量の特性に重ねて示したもので、この小量噴射量もパイロット噴射量と同様、Ｔｗが低くなるほど多くなる特性である。
【００６２】
第１の追加部分では、パイロット噴射量の限度を超える燃料分を、パイロット噴射にさらに先行して噴射することで、パイロット噴射量がディーゼルノックを生じる限度を超えないようにしたので、要求パイロット噴射量が多くなる極低温時においても、失火や白煙排出量の増加を抑制しつつ、ディーゼルノックをも抑制することができる。
【００６３】
図１３は第３実施形態で、第１実施形態の図４に対応する。
【００６４】
この実施形態は、第１（または第２）実施形態を前提として、図１３に示すようにパイロット噴射の燃料噴射時期を、Ｔｗが低くなるほど進角させるようにしたものである。
【００６５】
特に極低温時にはパイロット噴射された燃料の着火遅れ期間が長びいてしまうが、この実施形態のように、Ｔｗが低くなるほどパイロット噴射の噴射時期を進角させることで、パイロット噴射された燃料の燃焼するタイミングを最適化することができ、これによって、前記第１の追加部分と同様の作用効果が生じる（要求パイロット噴射量が多くなる極低温時においても、失火や白煙排出増加を抑制しつつ、ディーゼルノックをも抑制することができる）。
【００６６】
図１４、図１５は第２の追加部分である。
この第２の追加部分は、第１（または第２）実施形態に追加して、低水温時に、図１５に示したように、主噴射の後に小量の燃料の噴射（この噴射をポスト噴射という）を行うようにしたものである。
【００６７】
図１４は冷却水温Ｔｗが所定値Ｔｗ５以下となる低温時のポスト噴射量の特性、パイロット噴射量の特性に重ねて示したもので、ポスト噴射量もパイロット噴射量と同様、Ｔｗが低くなるほど多くなる特性である。
【００６８】
さて、ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンと比べ冷却水への放熱量が少ない（暖機完了までの時間が長い）ので、冬場には特に冷間始動から車室内の暖房が効き始めるまでの時間が長くなる。このような問題に対処するため、従来は、排気絞り弁等を付加し、冷機時のみ排気を絞ることによってエンジンの負荷を上げ、等出力での燃料噴射量を多くし、冷却水放熱量を増やす等の対策が行われてきた（１９８４年１１月、（株）グランプリ出版発行の『ディーゼル乗用車』第１０２頁参照）のであるが、暖機促進のための排気絞りは、排気を絞るためのバタフライ弁等の付加装置が必要となり、コストが増大してしまう。
【００６９】
これに対して、第２の追加部分では、ポスト噴射に伴う燃焼期間の増加で排気温度が上昇し、排気ポートまわりから冷却水へと伝達される放熱量が増加するので、暖機完了前の暖機促進に効果があり、排気絞り弁等の付加装置を設けることなく暖機完了までの時間を短縮することができる。
【００７０】
第１実施形態、第２の追加部分では、図４（第１実施形態）、図１３（第３実施形態）、図１４（第２の追加部分）のようにパイロット噴射を暖機完了後も行っているが、暖機完了後に低温予混合燃焼を行わせるときは暖機完了後にパイロット噴射をやめる必要がある。ただし、低温予混合燃焼を行わせない場合は、暖機完了後にパイロット噴射を行わせても、行わせなくても、かまわない。低温予混合燃焼を行わせない場合に、暖機完了後にパイロット噴射を行わせるかどうかは重視する項目により異なるからである（燃焼騒音やＮＯｘ排出量の抑制を重視するなら暖機完了後もパイロット噴射を行い、粒子状物質やスモークの抑制を重視するならパイロット噴射を行わないのが一般的である）。
【００７１】
実施形態では、回転数と負荷とで定まる運転域を限定せずに（つまり全運転域で）パイロット噴射を行うものとして説明したが、低回転域や低負荷域にだけパイロット噴射を行わせるようにしてもかまわない。ディーゼルエンジンには、冷機時に、失火しやすい、白煙やＨＣ排出が多くなる、ＥＧＲをかけられないためＮＯｘ排出が多くなる、ディーゼルノック音が大きい、暖機が遅いという問題があり、これらの問題のうち、失火、白煙、ディーゼルノック音は特に低回転域かつ低負荷域で大きな問題となる傾向であるので、低回転域や低負荷域でだけパイロット噴射を行わせることでもよいわけである。
【００７２】
実施形態では、コモンレール式燃料噴射装置を用いて、パイロット噴射（各実施形態に共通）、これに先行させる小量噴射（第１の追加部分）、ポスト噴射（第２の追加部分）を行わせる場合で説明したが、これに限定されるものでなく、たとえばジャーク式燃料噴射装置を用い、燃料のスピルポートの開閉を複数回行うことにより、パイロット噴射、これに先行させる小量噴射、ポスト噴射を行わせるように構成してもかまわない。
【００７３】
実施形態では、インジェクタは３方弁タイプのインジェクタで説明したが、２方弁タイプのインジェクタでもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のエンジンの概略平面図である。
【図２】コモンレール式燃料噴射装置のシステム図である。
【図３】第１実施形態のパイロット噴射量の決定を説明するためのフローチャートである。
【図４】冷却水温に対するパイロット噴射量の特性図である。
【図５】クランク角度に対する燃料噴射率の特性図である。
【図６】冷却水温が一定の条件での暖機完了後に対する冷機時のパイロット噴射量の増量を示す特性図である。
【図７】第２実施形態のエンジンの概略平面図である。
【図８】第２実施形態のパイロット噴射量の決定を説明するためのフローチャートである。
【図９】第２実施形態の冷却水温に対するパイロット噴射量と目標ＥＧＲ率の特性図である。
【図１０】第２実施形態のクランク角度に対する燃料噴射率の特性図である。
【図１１】第１の追加部分の冷却水温に対するパイロット噴射量とこれに先行する噴射量の特性図である。
【図１２】第１の追加部分のクランク角度に対する燃料噴射率の特性図である。
【図１３】第３実施形態の冷却水温に対するパイロット噴射量とパイロット噴射時期の特性図である。
【図１４】第２の追加部分の冷却水温に対するパイロット噴射量とポスト噴射量の特性図である
【図１５】第２の追加部分のクランク角度に対する燃料噴射率の特性図である。
【図１６】第１、第４の発明のクレーム対応図である。
【図１７】第２、第５の発明のクレーム対応図である。
【符号の説明】
１ エンジン本体
１０ コモンレール式燃料噴射装置
１６ 蓄圧室
１７ インジェクタ
２４ 三方弁
３６ 水温センサ
４１ コントロールユニット
Claims (13)
- 主噴射に先立ってパイロット噴射を行う手段と、
暖機が完了したかどうかを判定する手段と、
この判定結果より暖機完了前は暖機完了後よりも前記パイロット噴射の噴射量を多く設定する手段と
を設けるとともに、
極低温時に前記パイロット噴射に先行して小量の燃料を噴射することを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。 - 主噴射に先立ってパイロット噴射を行う手段と、
暖機が完了したかどうかを判定する手段と、
この判定結果より暖機完了後は前記パイロット噴射を中止する手段と
を設けるとともに、
極低温時に前記パイロット噴射に先行して小量の燃料を噴射することを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。 - 前記パイロット噴射に先行する小量の噴射量をエンジン温度が低いほど多くすることを特徴とする請求項１または２に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
- 主噴射に先立ってパイロット噴射を行う手段と、
暖機が完了したかどうかを判定する手段と、
この判定結果より暖機完了前は暖機完了後よりも前記パイロット噴射の噴射量を多く設定する手段と
を設けるとともに、
低温時に主噴射の後にポスト噴射として小量の燃料を噴射することを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。 - 主噴射に先立ってパイロット噴射を行う手段と、
暖機が完了したかどうかを判定する手段と、
この判定結果より暖機完了後は前記パイロット噴射を中止する手段と
を設けるとともに、
低温時に主噴射の後にポスト噴射として小量の燃料を噴射することを特徴とするディーゼルエンジンの制御装置。 - 前記ポスト噴射量をエンジン温度が低いほど多くすることを特徴とする請求項４または５に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
- 前記暖機完了前のパイロット噴射の噴射量をエンジン温度が低いほど多くすることを特徴とする請求項１または４に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
- 前記パイロット噴射の噴射量をエンジン温度が低いほど多くすることを特徴とする請求項２または５に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
- エンジン温度が第１の所定値より低い温度域でＥＧＲを行わず、この第１の所定値と第１の所定値より高い第２の所定値の温度域でエンジン温度が高いほどＥＧＲ率を高くすることを特徴とする請求項１から８までのいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの制御装置。
- 低温時に前記パイロット噴射時期を進めることを特徴とする請求項１から９までのいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの制御装置。
- 前記パイロット噴射時期の進角量をエンジン温度が低いほど大きくすることを特徴とする請求項１０に記載のディーゼルエンジンの制御装置。
- 前記エンジン温度が冷却水温であることを特徴とする請求項１から１１までのいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの制御装置。
- 前記パイロット噴射を低負荷域または低回転域に限ることを特徴とする請求項１から１１までのいずれか一つに記載のディーゼルエンジンの制御装置。
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