JP4403641B2 - ディーゼルエンジンの燃料噴射装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気筒内の燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えたディーゼルエンジンの燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のディーゼルエンジンにおいては、圧縮行程上死点付近で１回の燃焼サイクルに要する燃料を一括して噴射すること（以下、一括噴射という。）が行なわれ、また必要に応じてこの一括噴射の前に少量の燃料を噴射するパイロット噴射が行なわれている。これに対して、燃料を一括して噴射するのではなく、圧縮行程上死点付近で複数回に分けて噴射せんとする分割噴射も知られている。
【０００３】
例えば特開平９−２０９８６６号公報には、圧縮行程上死点を起点として分割噴射を開始すること、各回の噴射量を後の回になるほど多くすることが記載されている。燃焼室での熱発生率を広範に且つ適切に制御せんとするものである。特開平１０−１２２０８４号公報には、少量の燃料を噴射する前噴射を行なうことにより燃焼室での着火を惹起し、続く主噴射を複数回に分けて噴射することにより、煤及びＮＯｘ（窒素酸化物）の発生量を抑えることが記載されている。
【０００４】
また、特開平１０−１４１１２４号公報には、吸気行程初期に燃料を噴射する予備噴射と、圧縮行程上死点付近で燃料を噴射する主噴射と、主噴射前のパイロット噴射とを行なうことにより、部分的な希薄予混合圧縮着火燃焼を行なわせて、ＮＯｘの生成を抑制しつつ、黒煙の排出量を低減させ、燃費を改善すること、寒冷時のエンジン始動時には主噴射のみとして始動性を確保するとともに白煙の過剰な生成を抑制することが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如くディーゼルエンジンにおいて、適切な分割噴射を行なうと、燃焼室での熱発生率の制御や排煙・ＮＯｘの低減に有利になる。しかし、例えばエンジンの始動時のような筒内温度が低いときに分割噴射を実行すると、燃焼が不安定になり、始動性の悪化、エミッション性の悪化を招く。これは、燃料を分割して噴射する場合は所定の噴射休止時間（燃料噴射弁が閉じてから次に開くまでの期間）を設ける必要があるから、燃料の噴射終了時が遅くなり、そのころには筒内温度が相当に低くなるためである。
【０００６】
また、アイドル運転時等の低回転・低負荷運転時には燃焼騒音の低減を目的とするパイロット噴射や、予混合圧縮着火燃焼として吸気行程から圧縮行程前半にかけて燃料を噴射するプレ噴射が行なわれることがある。その際に触媒による排気ガス浄化効率向上のために排気ガス温度を高めるべく噴射開始時期を遅角させることがあるが、その場合にも燃料の分割噴射を実行すると、燃料の噴射終了時が相当に遅くなり、その燃焼性が悪化する。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決せんとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そのために、本発明は、燃料の分割噴射を適宜抑制ないしは禁止するようにしている。
【０００９】
すなわち、本発明は、エンジンの気筒内燃焼室に臨むように配設された燃料噴射弁と、
エンジンの要求出力を検出するための要求出力検出手段と、
上記要求出力検出手段による検出結果に応じて燃料噴射量を決定する噴射量決定手段と、
エンジン回転数と目標トルクとに基づいて燃料噴射開始時期を設定する噴射時期設定手段とを備え、
上記噴射量決定手段により決定された噴射量の燃料を上記燃料噴射弁により気筒の圧縮行程上死点付近で、かつ、燃料の噴射による燃焼が継続するよう複数回に分割して噴射させるディーゼルエンジンの燃料噴射装置において、
上記エンジンの完爆前、並びに該完爆から所定時間を経過する前の非加速運転時は、上記エンジンの筒内温度が低温状態にあると推定し、上記完爆から所定時間を経過した後は上記筒内温度が高温状態にあると推定する温度状態推定手段と、
上記温度状態推定手段により上記エンジンが上記筒内温度に関して上記低温状態にあると推定されたときには、上記高温状態にあると推定されたとき（但し、エンジン水温が所定値よりも高く且つエンジンが中回転ないし高回転の運転状態にあるときを除く）よりも燃料の噴射終了時期が早まるように、上記噴射量決定手段で決定された燃料噴射量及び上記噴射時期設定手段で設定された燃料噴射開始時期を変更することなく、上記燃料の分割噴射の形態を変更し又は燃料を分割することなく一括して噴射する噴射形態とする噴射形態変更手段とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
従って、エンジンの筒内温度が高く燃焼性が良い状態にあるときには、分割噴射を実行してエミッション性の向上、燃費の向上、排気圧力の増大（過給性の向上）、排気ガス温度の上昇など所期の効果を得ながら、エンジンの筒内温度の低いときには、分割噴射形態の変更又は分割噴射の禁止により、燃料の噴射終了時期が早まるから、燃焼安定性の確保に有利になり、煤の発生などエミッション性の悪化を避けることができる。噴射終了時期は、エンジン低負荷運転時には例えば圧縮行程上死点後３５゜ＣＡを越えないように、エンジン高負荷運転時には圧縮行程上死点後４５゜ＣＡを越えないようにすればよい。
【００１１】
上記分割噴射の形態の変更は、分割回数の減少によって又は上記燃料噴射弁が閉じてから次に開くまでの噴射休止時間の短縮によって実行することができる。
【００１２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、エンジンの筒内温度が低いときに、噴射量決定手段で決定された燃料噴射量及び噴射時期設定手段で設定された燃料噴射開始時期を変更することなく、燃料の分割噴射形態を変更し又は分割噴射を禁止することにより、燃料の噴射終了時期が遅くならないようにしたから、通常時には分割噴射を実行してエミッション性の向上、燃費の向上、排気圧力の増大（過給性の向上）、排気ガス温度の上昇など分割噴射による所期の効果を得ながら、燃焼安定性の確保を優先すべきときには、燃料の噴射終了時期を早めて、燃焼性の悪化を避けることができ、煤発生の低減などエミッション性の向上に有利になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１は本発明の実施形態に係る水冷式ディーゼルエンジンの燃料噴射装置Ａの全体構成を示し、１は車両に搭載された多気筒ディーゼルエンジンのエンジン本体である。このエンジン本体１は複数の気筒２（１つのみ図示する）を有し、その各気筒２内にピストン３が往復動可能に嵌挿されていて、この気筒２とピストン３によって各気筒２内に燃焼室４が形成されている。また、燃焼室４の上面の略中央部には、インジェクタ（燃料噴射弁）５が先端部の噴孔を燃焼室４に臨ませて配設され、各気筒毎に所定の噴射タイミングで噴孔が開閉作動されて、燃焼室４に燃料を直接噴射するようになっている。
【００１５】
上記各インジェクタ５は高圧の燃料を蓄える共通のコモンレール（蓄圧室）６に接続されていて、そのコモンレール６にはクランク軸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、圧力センサ６ａによって検出されるコモンレール６内の燃圧が所定値以上に保持されるように作動する。また、クランク軸７の回転角度を検出するクランク角センサ９が設けられており、このクランク角センサ９は、クランク軸７の端部に設けた被検出用プレート（図示省略）と、その外周に相対向するように配置され電磁ピックアップとからなり、その電磁ピックアップが被検出用プレートの外周部全周に所定角度おきに形成された突起部の通過に対応してパルス信号を出力するようになっている。
【００１６】
１０はエンジン本体１の燃焼室４に対しエアクリーナ（図示省略）で濾過した吸気（空気）を供給する吸気通路であり、この吸気通路１０の下流端部には、図示しないがサージタンクが設けられ、このサージタンクから分岐した各通路が吸気ポートにより各気筒２の燃焼室４に接続されている。また、サージタンクには各気筒２に供給される過給圧力を検出する吸気圧センサ１０ａが設けられている。上記吸気通路１０には上流側から下流側に向かって順に、エンジン本体１に吸入される吸気流量を検出するホットフィルム式エアフローセンサ１１と、後述のタービン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により圧縮した吸気を冷却するインタークーラ１３と、吸気通路１０の断面積を絞る吸気絞り弁（吸入空気量調節手段）１４とがそれぞれ設けられている。この吸気絞り弁１４は、全閉状態でも吸気が流通可能なように切り欠きが設けられたバタフライバルブからなり、後述のＥＧＲ弁２４と同様、ダイヤフラム１５に作用する負圧の大きさが負圧制御用の電磁弁１６により調節されることで、弁の開度が制御されるようになっている。また、上記吸気絞り弁１４にはその開度を検出するセンサ（図示省略）が設けられている。
【００１７】
２０は各気筒２の燃焼室４から排気ガスを排出する排気通路で、排気マニホールドを介して各気筒２の燃焼室４に接続されている。この排気通路２０には、上流側から下流側に向かって順に、排気ガス中の酸素濃度を検出するリニアＯ2センサ１７と、排気流により回転されるタービン２１と、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを浄化可能な触媒コンバータ２２とが配設されている。
【００１８】
上記排気通路２０のタービン２１よりも上流側の部位からは、排気ガスの一部を吸気側に還流させる排気還流通路（以下ＥＧＲ通路という）２３が分岐し、このＥＧＲ通路２３の下流端は吸気絞り弁１４よりも下流側の吸気通路１０に接続されている。ＥＧＲ通路２３の途中の下流端寄りには、開度調節可能な排気還流量調節弁（吸入空気量調節手段：以下ＥＧＲ弁という）２４が配置されていて、排気通路２０の排気ガスの一部をＥＧＲ弁２４により流量調節しながら吸気通路１０に還流させるようになっている。
【００１９】
上記ＥＧＲ弁２４は、負圧応動式のものであって、その弁箱の負圧室に負圧通路２７が接続されている。この負圧通路２７は、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に接続されており、電磁弁２８が後述のＥＣＵ３５からの制御信号（電流）によって負圧通路２７を連通・遮断することによって、負圧室のＥＧＲ弁駆動負圧が調節され、それによって、ＥＧＲ通路２３の開度がリニアに調節されるようになっている。
【００２０】
上記ターボ過給機２５は、ＶＧＴ（バリアブルジオメトリーターボ）であって、これにはダイヤフラム３０が取り付けられていて、負圧制御用の電磁弁３１によりダイヤフラム３０に作用する負圧が調節されることで、排気ガス流路の断面積が調節されるようになっている。
【００２１】
上記各インジェクタ５、高圧供給ポンプ８、吸気絞り弁１４、ＥＧＲ弁２４、ターボ過給機２５等はコントロールユニット（Engine Contorol Unit：以下ＥＣＵという）３５からの制御信号によって作動するように構成されている。一方、このＥＣＵ３５には、上記圧力センサ６ａからの出力信号と、クランク角センサ９からの出力信号と、圧力センサ１０ａからの出力信号と、エアフローセンサ１１からの出力信号と、Ｏ2センサ１７からの出力信号と、温度センサ１８からの出力信号と、ＥＧＲ弁２４のリフトセンサ２６からの出力信号と、車両の運転者による図示しないアクセルペダルの操作量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ３２からの出力信号と、エンジン水温を検出するセンサ（図示省略）からの出力信号とが少なくとも入力されている。
【００２２】
そして、インジェクタ５による燃料噴射量（燃料供給量）及び燃料噴射時期（着火時期）がエンジン本体１の運転状態に応じて制御されるとともに、高圧供給ポンプ８の作動によるコモンレール圧力、即ち燃量噴射圧の制御が行なわれ、これに加えて、ＥＧＲ弁２４の作動による排気還流量（吸入空気量）の制御と、ターボ過給機２５の作動制御（ＶＧＴ制御）とが行なわれるようになっている。
【００２３】
（燃料噴射制御）
上記ＥＣＵ３５には、アクセル開度（エンジン負荷）とエンジン回転数の変化に対して目標トルクの最適値を実験的に決定して記録した目標トルクマップ、並びにこの目標トルク及び回転数の変化に応じて実験的に決定した最適な燃料噴射量Ｑを記録した燃料噴射量マップが、メモリ上に電子的に格納して備えられている。通常は、アクセル開度センサ３２からの出力信号によるアクセル開度とクランク角センサ９からの出力信号によるエンジン回転数とに基づいて目標トルクを求め、この目標トルクとエンジン回転数とに基づいて燃料噴射量Ｑを求め、燃料噴射量Ｑと圧力センサ６ａにより検出されたコモンレール圧力とに基づいて、各インジェクタ５の励磁時間（開弁時間）が決定されるようになっている。尚、前記のようにして求めた燃料噴射量をエンジン水温や大気圧等に応じて補正した上で、この補正後の燃料噴射量を燃料噴射量Ｑとしてもよい。
【００２４】
上記のような基本的な燃料噴射制御によって、エンジン１の目標トルク（エンジン１への要求出力）に対応する分量の燃料が供給され、エンジン１は燃焼室４における平均的空燃比がかなりリーン（Ａ/Ｆ≧１８）な状態で運転される。上記アクセル開度センサ３２及びクランク角センサ９がエンジン１への要求出力を検出する要求出力検出手段に対応している。
【００２５】
本発明の特徴は、上記要求出力検出手段による検出結果に基づいて決定された燃料噴射量Ｑを上記インジェクタ５により気筒の圧縮行程上死点付近で、かつ、燃料の噴射による燃焼が継続するよう複数回に分割して噴射させるようにし、しかも、エンジン運転状態に応じて分割噴射形態を変更し又は分割噴射を禁止することにより主噴射の終了時期が遅くならないようにして燃焼安定性の確保、エミッション性の向上を図るようにしたことである。
【００２６】
−分割噴射について−
すなわち、エンジンの運転状態に応じて図２（ａ）に示すように主噴射燃料を圧縮上死点近傍で一括して噴射するか（以下、一括噴射という）、或いは、同図（ｂ）に示すように２回に分割して噴射するか（２分割噴射という）、同図（ｃ）に示すように３回に分割して噴射するか（３分割噴射という）のいずれかが選択される。また、そのように燃料を２回又は３回に分割して噴射させる場合には、その間の噴射休止時間Δｔを変更して、エンジン１の燃費性能や排気特性等が最適なものになるよう、燃焼状態を変化させるようにしている。また、エンジンのアイドル運転時又は低回転運転時にはパイロット噴射（早期噴射）が行なわれるとともに、主噴射開始時期の遅角（リタード）が行なわれる。
【００２７】
尚、前記図２の（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示す燃料噴射形態において、インジェクタ５の実際の励磁時間（開弁時間）は、燃料噴射量だけではなく、圧力センサ６ａにより検出されたコモンレール圧を加味して決定される。
【００２８】
ここで、主噴射を分割したときの燃焼状態について説明すると、気筒２の圧縮上死点付近でインジェクタ５により燃料を噴射する場合、該インジェクタ５の噴孔から噴射された燃料は、全体として円錐形状の噴霧を形成しながら燃焼室４に広がるとともに、空気との摩擦により分裂して微小な油滴になり（燃料の微粒化）、それらの油滴の表面から燃料が蒸発して燃料蒸気が生成される（燃料の気化霧化）。このとき、燃焼室４内の空気は極めて高圧で粘性の高い状態になっているので、前記図２（ａ）に示すように、燃料を一括して噴射する場合にその噴射量が多いと、そのうちの先に噴出した燃料油滴に後続の燃料油滴が追いついて再結合してしまい、燃料の微粒化ひいては気化霧化が阻害されることがある。
【００２９】
これに対し、前記図２（ｂ），（ｃ）に示すように燃料を複数回に分割して噴射するようにすれば、先のインジェクタ５の開弁により噴出した燃料油滴に、次の開弁により噴出した燃料油滴が追いつくことが少なくなり、油滴同士の再結合に起因して燃料の微粒化が阻害されることを概ね回避できる。また、燃料の噴射圧力をさらに高めて、燃料の微粒化をより一層、促進することも可能になり、こうすれば、燃焼室における燃料噴霧の分布の均一化や空気利用率の向上度合いをさらに高めることができる。そして、このような分割噴射による燃料噴霧と空気との混合状態の変化は、燃料噴射量、噴射時期、噴射率、燃料圧力、分割噴射回数、噴射休止時間等の種々のパラメータ及びそれら相互の関係によっても変化し、これに伴い燃焼状態が変化することで、エンジン１の燃費性能や排気温度、或いは排気ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等のガス成分の濃度が変化すると考えられている。
【００３０】
この実施形態のものと同様のターボ過給機を装備した４気筒ディーゼルエンジン（排気量は約２０００ｃｃ）を比較的低負荷かつ低回転状態（約１５００ｒｐｍ）で運転し、一括噴射、２分割噴射及び３分割噴射のそれぞれについて、インジェクタ５の噴射休止時間Δｔを３５０〜９００マイクロ秒（μｓ）の範囲で適宜変更しながら、これに伴い変化する噴射終了時のクランク角度と、排気ガス温度、排気圧力、燃費率、スモーク（煤）量等との関係を計測した実験結果の一例を、図３〜図１０に示す。
【００３１】
図３は排気ガス温度についての試験結果を示す。同図によれば、一括噴射よりも２分割噴射の方が排気ガス温度が高く、その２分割噴射よりも３分割噴射の方がさらに排気ガス温度が高くなっている。また、同図において２分割噴射及び３分割噴射は、それぞれインジェクタ５の噴射休止時間Δｔを３５０〜９００マイクロ秒（μｓ）の範囲で適宜変更しながら排気ガス温度を計測しており、この範囲であれば噴射休止時間Δｔを拡げた方が排気ガス温度が高くなることが分かる。２分割噴射では、Δｔ＝３５０，４００，７００，９００μｓのときの排気ガス温度をそれぞれプロットしており、また、３分割噴射では、Δｔ＝４００，５５０，７００，９００μｓのときの排気ガス温度をそれぞれプロットしている。
【００３２】
図４は排気圧力についての試験結果を示し、同図によれば、燃料噴射の分割回数及び噴射休止時間Δｔを増やすと、排気圧力も排気ガス温度と同様に高まることが分かる。つまり、燃料を分割して噴射すれば、その分、燃焼の終了時期が遅れるので、自ずと排気エネルギーが増大する上に、燃焼性の改善により、同じ分量の燃料であっても燃焼のエネルギーそのものが増大するので、前記試験結果の如く排気ガス温度及び排気圧力がいずれも高くなるのである。そして、そのようにして排気エネルギーが増大すれば、ターボ過給機２５の過給能力も向上するので、図５に示すように、過給圧（ブースト圧力）を高めることができる。
【００３３】
また、同様にして燃費率の変化を計測した試験結果を図６に示すと、一括噴射よりも２分割噴射の方が燃費率が改善されているが、３分割噴射とした場合には、インジェクタ５の噴射休止時間Δｔが短いときは燃費率がやや改善される一方、噴射休止時間Δｔが長くなるに連れて燃費率が悪化することが分かる。これは、分割噴射により燃焼性が改善しかつ機械効率が向上する一方、それと同時に熱効率が低下するためであり、このことから、噴射の終了時期はあまり遅くしないほうが好ましいと言うことができる。
【００３４】
さらに、同様にして排気ガス中の有害成分であるスモーク、ＮＯｘ、ＣＯ及びＨＣの排出量の計測結果を、それぞれ図７〜図１０に示す。すなわち、図７によれば、２分割及び３分割噴射のいずれの場合も、インジェクタ５の噴射休止時間Δｔが短いときはスモーク量を低減できる一方、噴射休止時間Δｔが長くなるに連れてスモーク量が増大することが分かる。また、図８に示すＮＯｘの場合は、反対に２分割及び３分割噴射のいずれの場合も、インジェクタ５の噴射休止時間Δｔが長い方がＮＯｘの生成を低減できることが分かる。さらにまた、図９及び図１０にそれぞれ示すように、ＣＯ及びＨＣの排出量についてはスモークと同様の傾向が見られる。
【００３５】
また、分割回数に関しては、前記各図に示すように分割回数を３回に設定すれば、排気ガス温度、排気圧力、過給圧が上昇し、ＮＯｘ量が低減する。一方、スモークやＣＯの排出量に関しては、インジェクタ５の噴射休止時間Δｔを短くすれば、分割回数を多くしても大きく増大することはなく、むしろ低減することもある。また、ＨＣについては２分割又は３分割噴射とすることで一括噴射よりも排出量が低減している。
【００３６】
以下に、具体的な燃料噴射制御の処理手順について説明する。
【００３７】
−制御例１−
図１１は制御例１に関するフローチャートである。この制御は各気筒毎にクランク角信号に同期して実行される。
【００３８】
スタート後のステップＡ１において、クランク角信号、エアフローセンサ出力、アクセル開度等のデータを読み込む。続くステップＡ２において、アクセル開度とエンジン回転数とに基づいてマップを参照して目標トルクを設定し、エンジン回転数と目標トルクと吸入空気量とに基づいてマップを参照して燃料噴射量Ｑを決定する。このステップＡ２は噴射量決定手段を構成している。
【００３９】
続くステップＡ３において、エンジン回転数と目標トルクとに基づいてマップを参照して基本噴射時期Ｉｔを設定する。基本噴射時期Ｉｔは主噴射（分割噴射する場合は１回目の燃料噴射）の開始時期に当たるものであり、圧縮行程上死点前に設定されている。また、エンジン水温やエンジン回転数が異なれば燃料噴霧の着火遅れ時間が異なるので、このことに対応するように、基本的な噴射時期Ｉｔはエンジン水温が低いほど、またエンジン回転数が高いほど早められるように設定されている。
【００４０】
続くステップＡ４ではエンジン始動時か否か、つまり完爆していないか否かをクランク角信号に基づいて判別し、始動時（完爆前）であれば、エンジンの筒内温度が低温状態にあると判別され、ステップＡ５に進んでステップＡ２で決定された燃料噴射量Ｑ、ステップＡ３で設定された噴射時期Ｉｔで燃料の一括噴射が実行される。すなわち、エンジンの筒内温度が低いために分割噴射を禁止するものであり、燃焼安定性を高めてエンジンを確実に始動させるためである。
【００４１】
完爆したときはステップＡ６に進みアクセル開度に基づいてエンジンがアイドル運転時か否かを判別する。すなわち、アクセル開度の増大変化速度が所定値以上であるときにエンジンは加速運転時であると判別する。加速運転時であれば、ステップＡ７に進んで３分割噴射を設定して噴射を実行する（ステップＡ５）。すなわち、燃料噴射量Ｑを等分割して１回目の噴射量Ｑ１、２回目の噴射量Ｑ２及び３回目の噴射量Ｑ３として与え、噴射休止時間Δｔとしては比較的長い５００〜１０００μｓの範囲から最適値を与える。噴射休止時間Δｔを長くするのは、これにより排気圧力の上昇が図れ（図４参照）、加速に有利になるからである。
【００４２】
エンジンが加速運転時でないときはステップＡ８に進んでエンジンは完爆から所定時間を経過しているか否かを判別する。すなわち、エンジンは筒内温度が高い運転状態か否かを判別する。所定時間を経過しているときに筒内温度が高い状態であると判別する。
【００４３】
ステップＡ８で所定時間を経過していない（筒内温度が低温状態である）と判別されたときはステップＡ５に進み、ステップＡ２で決定された燃料噴射量Ｑ、ステップＡ３で設定された噴射時期Ｉｔで燃料の一括噴射が実行される。すなわち、分割噴射を行なった場合は燃料の噴射終了時期が遅くなり、燃焼性が悪化することから分割噴射を禁止するものである。
【００４４】
ステップＡ８で所定時間経過と判別されたときはステップＡ９に進んでエンジンの冷却水温が低い状態（冷却水温が７０℃以下又は８０℃以下の冷間時）か否かを判別する。冷却水温が低い状態であるときは、ステップＡ１０に進んでアイドル運転時が否かを判別し、アイドル運転時であれば、ステップＡ１１に進んでパイロット噴射を行なうべくその噴射量及び噴射時期を設定する。さらにステップＡ１２に進んで主噴射の開始時期Ｉｔをクランク角度Ｉc1だけリタードさせてから、ステップＡ５に進んでパイロット噴射及び主噴射（一括噴射）を実行する。また、アイドル運転時でないときでもステップＡ１３でエンジン回転数が低い運転状態であると判別されたときも、同様のパイロット噴射及び一括噴射を実行する。
【００４５】
アイドル運転時又は低回転運転時にはエンジンの燃焼騒音を低減すべくパイロット噴射を行なうものである。また、パイロット噴射を行なった場合は、噴射開始時期が多少遅くなっても燃焼性が得られることから噴射開始時期をリタードさせ、そのことによって噴射終了時期を遅くして排気ガス温度を上昇させ触媒の活性を図るものである。但し、冷却水温が低い冷間時においては、分割噴射を行なうと、噴射終了時期が遅くなりすぎて燃焼性が悪化し煤やＨＣの発生量が多くなることから、分割噴射を禁止して一括噴射とするものである。
【００４６】
ステップＡ１３でエンジンが低回転運転時でない、つまり中回転ないし高回転の運転状態にあると判別されたときは、ステップＡ１４に進んで３分割噴射を設定して噴射を実行する（ステップＡ５）。すなわち、燃料噴射量Ｑを等分割して１回目、２回目、３回目の各噴射量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３として与え、噴射休止時間Δｔとして５０〜７００μｓの範囲から最適値を与える。この場合は、噴射開始時期のリタードは行なわないから、分割噴射を採用するものである。
【００４７】
ステップＡ９で冷却水温が高い温間時であると判別されたときは、ステップＡ１５に進んでアイドル運転時が否かを判別し、アイドル運転時であれば、ステップＡ１６に進んでパイロット噴射を行なうべくその噴射量及び噴射時期を設定する。さらにステップＡ１７に進んで主噴射の開始時期Ｉｔをクランク角度Ｉc2だけリタードさせ、ステップＡ１８に進んで２分割噴射を実行すべく各噴射量Ｑ１，Ｑ２及び噴射休止時間Δｔ（５０〜５００μｓの範囲から適切なΔｔ）を設定し、ステップＡ５に進んでパイロット噴射及び２分割噴射を実行する。また、アイドル運転時でないときでもステップＡ１９でエンジン回転数が低い運転状態であると判別されたときも、同様のパイロット噴射及び２分割噴射を実行する。
【００４８】
ステップＡ１４では３分割噴射であるのにステップＡ１８で２分割噴射とするのは、主噴射開始時期Ｉｔをリタードさせているからである。すなわち、３分割噴射とすると噴射終了時期が遅くなり過ぎるために、燃焼安定性の確保、エミッション性の向上の観点から分割数の少ない２分割噴射を採用しているものである。なお、ステップＡ１８は３分割噴射として噴射休止時間Δｔを短くするものであってもよい。
【００４９】
ステップＡ１６のパイロット噴射の設定はエンジン燃焼騒音の低減のためであるが、ステップＡ１７のリタード量Ｉc2は冷間時のステップＡ１２によるリタード量Ｉc1よりも小さくする。これは、アイドル運転時や低回転運転時は触媒温度が低いことから、触媒の活性向上のためにステップＡ１８の分割噴射による排気ガス温度の上昇（図３参照）を優先させるためである。すなわち、リタード量Ｉc2を大きくすると、噴射終了時期が分割噴射によってさらに遅くなり、燃焼性の悪化、煤の発生に繋がることから、ここでのリタード量Ｉc2は小さい範囲に抑えているものである。
【００５０】
ステップＡ１９でエンジンが低回転運転時でない、つまり中回転ないし高回転の運転状態にあると判別されたときは、ステップＡ１４に進んで３分割噴射を設定して噴射を実行する（ステップＡ５）。
【００５１】
なお、上記制御例ではアイドル運転時及び低回転運転時のみにパイロット噴射を行なうようにしたが、ステップＡ１３又はＡ１９において中回転ないし高回転運転時と判別されたときにもパイロット噴射を継続するようにして、エンジンの音が急に変わらないようしてもよい。
【００５２】
−制御例２−
図１２は制御例２のフローチャートであり、制御例１では筒内温度が低いときは分割噴射を禁止するようにしたが、当該制御例２では分割噴射は実行するが、噴射終了時期が遅くならないように、換言すれば主噴射の開始から終了までの時間が長くならないような分割噴射形態とするものである。
【００５３】
スタート後のステップＢ１〜Ｂ８は制御例１と同じである。ステップＢ８で完爆から所定時間を経過していないと判別されたときはステップＢ９に進んで２分割噴射を設定して噴射を実行する（ステップＢ５）。すなわち、燃料噴射量Ｑを等分割して１回目の噴射量Ｑ１及び２回目の噴射量Ｑ２として与え、噴射休止時間Δｔとして７００〜１０００μｓの範囲から最適値を与える。分割噴射は行なうが、筒内温度が低いことから２分割噴射として噴射終了時期が遅くなることを回避するものである。但し、触媒の早期昇温を図るべく噴射休止時間Δｔは可能な限り長くするものである（図３参照）。
【００５４】
ステップＢ８で所定時間経過と判別されたときはステップＢ１０に進んでエンジンの冷却水温が低い状態（冷却水温が７０℃以下又は８０℃以下の冷間時）か否かを判別する。冷却水温が低い状態であるときは、ステップＢ１１に進んでアイドル運転時が否かを判別し、アイドル運転時であれば、ステップＢ１２に進んでパイロット噴射を行なうべくその噴射量及び噴射時期を設定する。さらにステップＢ１３に進んで主噴射の開始時期Ｉｔをクランク角度Ｉｃだけリタードさせ、ステップＢ１４に進んで２分割噴射を実行すべく各噴射量Ｑ１，Ｑ２及び噴射休止時間Δｔを設定し、ステップＢ５に進んでパイロット噴射及び２分割噴射を実行する。また、アイドル運転時でないときでもステップＢ１５でエンジン回転数が低い運転状態であると判別されたときも、同様のパイロット噴射及び２分割噴射を実行する。
【００５５】
ステップＢ１２のパイロット噴射の設定はエンジン燃焼騒音の低減のためであり、ステップＢ１３のリタード量Ｉｃの設定は排気ガスの昇温のためであり、ステップＢ１４の２分割噴射も排気ガスの昇温のためである（図３参照）。噴射休止時間Δｔは短めに設定する方がスモーク、ＣＯ及びＨＣの発生を抑える上で有利になる（図７、図９及び図１０参照）。
【００５６】
ステップＢ１５でエンジンが低回転運転時でない、つまり中回転ないし高回転の運転状態にあると判別されたときは、ステップＢ１６に進んで３分割噴射を設定して噴射を実行する（ステップＢ５）。すなわち、燃料噴射量Ｑを等分割して１回目、２回目、３回目の各噴射量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３として与え、噴射休止時間Δｔとして２００〜１０００μｓの範囲から最適値を与える。噴射休止時間Δｔは冷却水温が低いほど長くして排気ガスの昇温を図る（図３参照）。
【００５７】
ステップＢ１６は３分割噴射であるのにステップＢ１４で２分割噴射とするのは、主噴射開始時期Ｉｔをリタードさせているからである。すなわち、３分割噴射とすると噴射終了時期が遅くなり過ぎるために、燃焼安定性の確保、エミッション性の向上の観点から分割数の少ない２分割噴射を採用しているものである。なお、ステップＢ１４は３分割噴射として噴射休止時間Δｔを短くするものであってもよい。
【００５８】
ステップＢ１０で冷却水温が高い温間時であると判別されたときは、ステップＢ１７に進んでアイドル運転時が否かを判別し、アイドル運転時であれば、ステップＢ１２〜Ｂ１４に進んでパイロット噴射、主噴射開始時期のリタード、２分割噴射を行なう。アイドル運転時でなくてもステップＢ１８で低回転運転時であると判別されたときも同様にステップＢ１２〜Ｂ１４に進む。
【００５９】
ステップＢ１８でエンジンが低回転運転時でない、つまり中回転ないし高回転の運転状態にあると判別されたときは、ステップＢ１９に進んで２分割噴射を設定して噴射を実行する（ステップＢ５）。エンジンの中回転ないし高回転運転時は触媒温度もかなり高くなっているから、３分割噴射による排気ガス温度の上昇は図らず、燃費の向上を優先すべく２分割噴射とするものである。
【００６０】
なお、上記制御例ではアイドル運転時及び低回転運転時のみにパイロット噴射を行なうようにしたが、ステップＢ１５又はＢ１８において中回転ないし高回転運転時と判別されたときにもパイロット噴射を継続するようにして、エンジンの音が急に変わらないようしてもよい。
【００６１】
また、分割噴射の分割数は２〜７程度の範囲で本発明の主旨に沿って任意に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るディーゼルエンジンの燃料噴射装置の構成図。
【図２】 本発明に係る一括噴射、分割噴射、パイロット噴射の説明図。
【図３】 主噴射の噴射形態を変化させたときの、エンジンの排気ガス温度の変化特性を示すグラフ図。
【図４】 主噴射の噴射形態を変化させたときの、エンジンの排気圧力の変化特性を示すグラフ図。
【図５】 主噴射の噴射形態を変化させたときの、エンジンのブースト圧の変化特性を示すグラフ図。
【図６】 主噴射の噴射形態を変化させたときの、エンジンの燃費率の変化特性を示すグラフ図。
【図７】 主噴射の噴射形態を変化させたときの、エンジンからのスモーク排出量の変化特性を示すグラフ図。
【図８】 主噴射の噴射形態を変化させたときの、エンジンからのＮＯｘ排出量の変化特性を示すグラフ図。
【図９】 主噴射の噴射形態を変化させたときの、エンジンからのＣＯ排出量の変化特性を示すグラフ図。
【図１０】 主噴射の噴射形態を変化させたときの、エンジンからのＨＣ排出量の変化特性を示すグラフ図。
【図１１】 本発明に係る燃料噴射制御例１のフロー図。
【図１２】 本発明に係る燃料噴射制御例２のフロー図。
【符号の説明】
Ｂ 燃料噴射装置
１ ディーゼルエンジン
２ 気筒
４ 燃焼室
５ インジェクタ（燃料噴射弁）
９ クランク角センサ（要求出力検出手段）
２２ 触媒
２３ 排気還流通路
２４ 排気還流量調節弁
２５ ターボ過給機
３２ アクセル開度センサ（要求出力検出手段）
３５ ＥＣＵ（コントロールユニット）
【発明の属する技術分野】
本発明は、気筒内の燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えたディーゼルエンジンの燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のディーゼルエンジンにおいては、圧縮行程上死点付近で１回の燃焼サイクルに要する燃料を一括して噴射すること（以下、一括噴射という。）が行なわれ、また必要に応じてこの一括噴射の前に少量の燃料を噴射するパイロット噴射が行なわれている。これに対して、燃料を一括して噴射するのではなく、圧縮行程上死点付近で複数回に分けて噴射せんとする分割噴射も知られている。
【０００３】
例えば特開平９−２０９８６６号公報には、圧縮行程上死点を起点として分割噴射を開始すること、各回の噴射量を後の回になるほど多くすることが記載されている。燃焼室での熱発生率を広範に且つ適切に制御せんとするものである。特開平１０−１２２０８４号公報には、少量の燃料を噴射する前噴射を行なうことにより燃焼室での着火を惹起し、続く主噴射を複数回に分けて噴射することにより、煤及びＮＯｘ（窒素酸化物）の発生量を抑えることが記載されている。
【０００４】
また、特開平１０−１４１１２４号公報には、吸気行程初期に燃料を噴射する予備噴射と、圧縮行程上死点付近で燃料を噴射する主噴射と、主噴射前のパイロット噴射とを行なうことにより、部分的な希薄予混合圧縮着火燃焼を行なわせて、ＮＯｘの生成を抑制しつつ、黒煙の排出量を低減させ、燃費を改善すること、寒冷時のエンジン始動時には主噴射のみとして始動性を確保するとともに白煙の過剰な生成を抑制することが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如くディーゼルエンジンにおいて、適切な分割噴射を行なうと、燃焼室での熱発生率の制御や排煙・ＮＯｘの低減に有利になる。しかし、例えばエンジンの始動時のような筒内温度が低いときに分割噴射を実行すると、燃焼が不安定になり、始動性の悪化、エミッション性の悪化を招く。これは、燃料を分割して噴射する場合は所定の噴射休止時間（燃料噴射弁が閉じてから次に開くまでの期間）を設ける必要があるから、燃料の噴射終了時が遅くなり、そのころには筒内温度が相当に低くなるためである。
【０００６】
また、アイドル運転時等の低回転・低負荷運転時には燃焼騒音の低減を目的とするパイロット噴射や、予混合圧縮着火燃焼として吸気行程から圧縮行程前半にかけて燃料を噴射するプレ噴射が行なわれることがある。その際に触媒による排気ガス浄化効率向上のために排気ガス温度を高めるべく噴射開始時期を遅角させることがあるが、その場合にも燃料の分割噴射を実行すると、燃料の噴射終了時が相当に遅くなり、その燃焼性が悪化する。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決せんとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そのために、本発明は、燃料の分割噴射を適宜抑制ないしは禁止するようにしている。
【０００９】
すなわち、本発明は、エンジンの気筒内燃焼室に臨むように配設された燃料噴射弁と、
エンジンの要求出力を検出するための要求出力検出手段と、
上記要求出力検出手段による検出結果に応じて燃料噴射量を決定する噴射量決定手段と、
エンジン回転数と目標トルクとに基づいて燃料噴射開始時期を設定する噴射時期設定手段とを備え、
上記噴射量決定手段により決定された噴射量の燃料を上記燃料噴射弁により気筒の圧縮行程上死点付近で、かつ、燃料の噴射による燃焼が継続するよう複数回に分割して噴射させるディーゼルエンジンの燃料噴射装置において、
上記エンジンの完爆前、並びに該完爆から所定時間を経過する前の非加速運転時は、上記エンジンの筒内温度が低温状態にあると推定し、上記完爆から所定時間を経過した後は上記筒内温度が高温状態にあると推定する温度状態推定手段と、
上記温度状態推定手段により上記エンジンが上記筒内温度に関して上記低温状態にあると推定されたときには、上記高温状態にあると推定されたとき（但し、エンジン水温が所定値よりも高く且つエンジンが中回転ないし高回転の運転状態にあるときを除く）よりも燃料の噴射終了時期が早まるように、上記噴射量決定手段で決定された燃料噴射量及び上記噴射時期設定手段で設定された燃料噴射開始時期を変更することなく、上記燃料の分割噴射の形態を変更し又は燃料を分割することなく一括して噴射する噴射形態とする噴射形態変更手段とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
従って、エンジンの筒内温度が高く燃焼性が良い状態にあるときには、分割噴射を実行してエミッション性の向上、燃費の向上、排気圧力の増大（過給性の向上）、排気ガス温度の上昇など所期の効果を得ながら、エンジンの筒内温度の低いときには、分割噴射形態の変更又は分割噴射の禁止により、燃料の噴射終了時期が早まるから、燃焼安定性の確保に有利になり、煤の発生などエミッション性の悪化を避けることができる。噴射終了時期は、エンジン低負荷運転時には例えば圧縮行程上死点後３５゜ＣＡを越えないように、エンジン高負荷運転時には圧縮行程上死点後４５゜ＣＡを越えないようにすればよい。
【００１１】
上記分割噴射の形態の変更は、分割回数の減少によって又は上記燃料噴射弁が閉じてから次に開くまでの噴射休止時間の短縮によって実行することができる。
【００１２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、エンジンの筒内温度が低いときに、噴射量決定手段で決定された燃料噴射量及び噴射時期設定手段で設定された燃料噴射開始時期を変更することなく、燃料の分割噴射形態を変更し又は分割噴射を禁止することにより、燃料の噴射終了時期が遅くならないようにしたから、通常時には分割噴射を実行してエミッション性の向上、燃費の向上、排気圧力の増大（過給性の向上）、排気ガス温度の上昇など分割噴射による所期の効果を得ながら、燃焼安定性の確保を優先すべきときには、燃料の噴射終了時期を早めて、燃焼性の悪化を避けることができ、煤発生の低減などエミッション性の向上に有利になる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１は本発明の実施形態に係る水冷式ディーゼルエンジンの燃料噴射装置Ａの全体構成を示し、１は車両に搭載された多気筒ディーゼルエンジンのエンジン本体である。このエンジン本体１は複数の気筒２（１つのみ図示する）を有し、その各気筒２内にピストン３が往復動可能に嵌挿されていて、この気筒２とピストン３によって各気筒２内に燃焼室４が形成されている。また、燃焼室４の上面の略中央部には、インジェクタ（燃料噴射弁）５が先端部の噴孔を燃焼室４に臨ませて配設され、各気筒毎に所定の噴射タイミングで噴孔が開閉作動されて、燃焼室４に燃料を直接噴射するようになっている。
【００１５】
上記各インジェクタ５は高圧の燃料を蓄える共通のコモンレール（蓄圧室）６に接続されていて、そのコモンレール６にはクランク軸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、圧力センサ６ａによって検出されるコモンレール６内の燃圧が所定値以上に保持されるように作動する。また、クランク軸７の回転角度を検出するクランク角センサ９が設けられており、このクランク角センサ９は、クランク軸７の端部に設けた被検出用プレート（図示省略）と、その外周に相対向するように配置され電磁ピックアップとからなり、その電磁ピックアップが被検出用プレートの外周部全周に所定角度おきに形成された突起部の通過に対応してパルス信号を出力するようになっている。
【００１６】
１０はエンジン本体１の燃焼室４に対しエアクリーナ（図示省略）で濾過した吸気（空気）を供給する吸気通路であり、この吸気通路１０の下流端部には、図示しないがサージタンクが設けられ、このサージタンクから分岐した各通路が吸気ポートにより各気筒２の燃焼室４に接続されている。また、サージタンクには各気筒２に供給される過給圧力を検出する吸気圧センサ１０ａが設けられている。上記吸気通路１０には上流側から下流側に向かって順に、エンジン本体１に吸入される吸気流量を検出するホットフィルム式エアフローセンサ１１と、後述のタービン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により圧縮した吸気を冷却するインタークーラ１３と、吸気通路１０の断面積を絞る吸気絞り弁（吸入空気量調節手段）１４とがそれぞれ設けられている。この吸気絞り弁１４は、全閉状態でも吸気が流通可能なように切り欠きが設けられたバタフライバルブからなり、後述のＥＧＲ弁２４と同様、ダイヤフラム１５に作用する負圧の大きさが負圧制御用の電磁弁１６により調節されることで、弁の開度が制御されるようになっている。また、上記吸気絞り弁１４にはその開度を検出するセンサ（図示省略）が設けられている。
【００１７】
２０は各気筒２の燃焼室４から排気ガスを排出する排気通路で、排気マニホールドを介して各気筒２の燃焼室４に接続されている。この排気通路２０には、上流側から下流側に向かって順に、排気ガス中の酸素濃度を検出するリニアＯ2センサ１７と、排気流により回転されるタービン２１と、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ及びＮＯｘを浄化可能な触媒コンバータ２２とが配設されている。
【００１８】
上記排気通路２０のタービン２１よりも上流側の部位からは、排気ガスの一部を吸気側に還流させる排気還流通路（以下ＥＧＲ通路という）２３が分岐し、このＥＧＲ通路２３の下流端は吸気絞り弁１４よりも下流側の吸気通路１０に接続されている。ＥＧＲ通路２３の途中の下流端寄りには、開度調節可能な排気還流量調節弁（吸入空気量調節手段：以下ＥＧＲ弁という）２４が配置されていて、排気通路２０の排気ガスの一部をＥＧＲ弁２４により流量調節しながら吸気通路１０に還流させるようになっている。
【００１９】
上記ＥＧＲ弁２４は、負圧応動式のものであって、その弁箱の負圧室に負圧通路２７が接続されている。この負圧通路２７は、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に接続されており、電磁弁２８が後述のＥＣＵ３５からの制御信号（電流）によって負圧通路２７を連通・遮断することによって、負圧室のＥＧＲ弁駆動負圧が調節され、それによって、ＥＧＲ通路２３の開度がリニアに調節されるようになっている。
【００２０】
上記ターボ過給機２５は、ＶＧＴ（バリアブルジオメトリーターボ）であって、これにはダイヤフラム３０が取り付けられていて、負圧制御用の電磁弁３１によりダイヤフラム３０に作用する負圧が調節されることで、排気ガス流路の断面積が調節されるようになっている。
【００２１】
上記各インジェクタ５、高圧供給ポンプ８、吸気絞り弁１４、ＥＧＲ弁２４、ターボ過給機２５等はコントロールユニット（Engine Contorol Unit：以下ＥＣＵという）３５からの制御信号によって作動するように構成されている。一方、このＥＣＵ３５には、上記圧力センサ６ａからの出力信号と、クランク角センサ９からの出力信号と、圧力センサ１０ａからの出力信号と、エアフローセンサ１１からの出力信号と、Ｏ2センサ１７からの出力信号と、温度センサ１８からの出力信号と、ＥＧＲ弁２４のリフトセンサ２６からの出力信号と、車両の運転者による図示しないアクセルペダルの操作量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ３２からの出力信号と、エンジン水温を検出するセンサ（図示省略）からの出力信号とが少なくとも入力されている。
【００２２】
そして、インジェクタ５による燃料噴射量（燃料供給量）及び燃料噴射時期（着火時期）がエンジン本体１の運転状態に応じて制御されるとともに、高圧供給ポンプ８の作動によるコモンレール圧力、即ち燃量噴射圧の制御が行なわれ、これに加えて、ＥＧＲ弁２４の作動による排気還流量（吸入空気量）の制御と、ターボ過給機２５の作動制御（ＶＧＴ制御）とが行なわれるようになっている。
【００２３】
（燃料噴射制御）
上記ＥＣＵ３５には、アクセル開度（エンジン負荷）とエンジン回転数の変化に対して目標トルクの最適値を実験的に決定して記録した目標トルクマップ、並びにこの目標トルク及び回転数の変化に応じて実験的に決定した最適な燃料噴射量Ｑを記録した燃料噴射量マップが、メモリ上に電子的に格納して備えられている。通常は、アクセル開度センサ３２からの出力信号によるアクセル開度とクランク角センサ９からの出力信号によるエンジン回転数とに基づいて目標トルクを求め、この目標トルクとエンジン回転数とに基づいて燃料噴射量Ｑを求め、燃料噴射量Ｑと圧力センサ６ａにより検出されたコモンレール圧力とに基づいて、各インジェクタ５の励磁時間（開弁時間）が決定されるようになっている。尚、前記のようにして求めた燃料噴射量をエンジン水温や大気圧等に応じて補正した上で、この補正後の燃料噴射量を燃料噴射量Ｑとしてもよい。
【００２４】
上記のような基本的な燃料噴射制御によって、エンジン１の目標トルク（エンジン１への要求出力）に対応する分量の燃料が供給され、エンジン１は燃焼室４における平均的空燃比がかなりリーン（Ａ/Ｆ≧１８）な状態で運転される。上記アクセル開度センサ３２及びクランク角センサ９がエンジン１への要求出力を検出する要求出力検出手段に対応している。
【００２５】
本発明の特徴は、上記要求出力検出手段による検出結果に基づいて決定された燃料噴射量Ｑを上記インジェクタ５により気筒の圧縮行程上死点付近で、かつ、燃料の噴射による燃焼が継続するよう複数回に分割して噴射させるようにし、しかも、エンジン運転状態に応じて分割噴射形態を変更し又は分割噴射を禁止することにより主噴射の終了時期が遅くならないようにして燃焼安定性の確保、エミッション性の向上を図るようにしたことである。
【００２６】
−分割噴射について−
すなわち、エンジンの運転状態に応じて図２（ａ）に示すように主噴射燃料を圧縮上死点近傍で一括して噴射するか（以下、一括噴射という）、或いは、同図（ｂ）に示すように２回に分割して噴射するか（２分割噴射という）、同図（ｃ）に示すように３回に分割して噴射するか（３分割噴射という）のいずれかが選択される。また、そのように燃料を２回又は３回に分割して噴射させる場合には、その間の噴射休止時間Δｔを変更して、エンジン１の燃費性能や排気特性等が最適なものになるよう、燃焼状態を変化させるようにしている。また、エンジンのアイドル運転時又は低回転運転時にはパイロット噴射（早期噴射）が行なわれるとともに、主噴射開始時期の遅角（リタード）が行なわれる。
【００２７】
尚、前記図２の（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示す燃料噴射形態において、インジェクタ５の実際の励磁時間（開弁時間）は、燃料噴射量だけではなく、圧力センサ６ａにより検出されたコモンレール圧を加味して決定される。
【００２８】
ここで、主噴射を分割したときの燃焼状態について説明すると、気筒２の圧縮上死点付近でインジェクタ５により燃料を噴射する場合、該インジェクタ５の噴孔から噴射された燃料は、全体として円錐形状の噴霧を形成しながら燃焼室４に広がるとともに、空気との摩擦により分裂して微小な油滴になり（燃料の微粒化）、それらの油滴の表面から燃料が蒸発して燃料蒸気が生成される（燃料の気化霧化）。このとき、燃焼室４内の空気は極めて高圧で粘性の高い状態になっているので、前記図２（ａ）に示すように、燃料を一括して噴射する場合にその噴射量が多いと、そのうちの先に噴出した燃料油滴に後続の燃料油滴が追いついて再結合してしまい、燃料の微粒化ひいては気化霧化が阻害されることがある。
【００２９】
これに対し、前記図２（ｂ），（ｃ）に示すように燃料を複数回に分割して噴射するようにすれば、先のインジェクタ５の開弁により噴出した燃料油滴に、次の開弁により噴出した燃料油滴が追いつくことが少なくなり、油滴同士の再結合に起因して燃料の微粒化が阻害されることを概ね回避できる。また、燃料の噴射圧力をさらに高めて、燃料の微粒化をより一層、促進することも可能になり、こうすれば、燃焼室における燃料噴霧の分布の均一化や空気利用率の向上度合いをさらに高めることができる。そして、このような分割噴射による燃料噴霧と空気との混合状態の変化は、燃料噴射量、噴射時期、噴射率、燃料圧力、分割噴射回数、噴射休止時間等の種々のパラメータ及びそれら相互の関係によっても変化し、これに伴い燃焼状態が変化することで、エンジン１の燃費性能や排気温度、或いは排気ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等のガス成分の濃度が変化すると考えられている。
【００３０】
この実施形態のものと同様のターボ過給機を装備した４気筒ディーゼルエンジン（排気量は約２０００ｃｃ）を比較的低負荷かつ低回転状態（約１５００ｒｐｍ）で運転し、一括噴射、２分割噴射及び３分割噴射のそれぞれについて、インジェクタ５の噴射休止時間Δｔを３５０〜９００マイクロ秒（μｓ）の範囲で適宜変更しながら、これに伴い変化する噴射終了時のクランク角度と、排気ガス温度、排気圧力、燃費率、スモーク（煤）量等との関係を計測した実験結果の一例を、図３〜図１０に示す。
【００３１】
図３は排気ガス温度についての試験結果を示す。同図によれば、一括噴射よりも２分割噴射の方が排気ガス温度が高く、その２分割噴射よりも３分割噴射の方がさらに排気ガス温度が高くなっている。また、同図において２分割噴射及び３分割噴射は、それぞれインジェクタ５の噴射休止時間Δｔを３５０〜９００マイクロ秒（μｓ）の範囲で適宜変更しながら排気ガス温度を計測しており、この範囲であれば噴射休止時間Δｔを拡げた方が排気ガス温度が高くなることが分かる。２分割噴射では、Δｔ＝３５０，４００，７００，９００μｓのときの排気ガス温度をそれぞれプロットしており、また、３分割噴射では、Δｔ＝４００，５５０，７００，９００μｓのときの排気ガス温度をそれぞれプロットしている。
【００３２】
図４は排気圧力についての試験結果を示し、同図によれば、燃料噴射の分割回数及び噴射休止時間Δｔを増やすと、排気圧力も排気ガス温度と同様に高まることが分かる。つまり、燃料を分割して噴射すれば、その分、燃焼の終了時期が遅れるので、自ずと排気エネルギーが増大する上に、燃焼性の改善により、同じ分量の燃料であっても燃焼のエネルギーそのものが増大するので、前記試験結果の如く排気ガス温度及び排気圧力がいずれも高くなるのである。そして、そのようにして排気エネルギーが増大すれば、ターボ過給機２５の過給能力も向上するので、図５に示すように、過給圧（ブースト圧力）を高めることができる。
【００３３】
また、同様にして燃費率の変化を計測した試験結果を図６に示すと、一括噴射よりも２分割噴射の方が燃費率が改善されているが、３分割噴射とした場合には、インジェクタ５の噴射休止時間Δｔが短いときは燃費率がやや改善される一方、噴射休止時間Δｔが長くなるに連れて燃費率が悪化することが分かる。これは、分割噴射により燃焼性が改善しかつ機械効率が向上する一方、それと同時に熱効率が低下するためであり、このことから、噴射の終了時期はあまり遅くしないほうが好ましいと言うことができる。
【００３４】
さらに、同様にして排気ガス中の有害成分であるスモーク、ＮＯｘ、ＣＯ及びＨＣの排出量の計測結果を、それぞれ図７〜図１０に示す。すなわち、図７によれば、２分割及び３分割噴射のいずれの場合も、インジェクタ５の噴射休止時間Δｔが短いときはスモーク量を低減できる一方、噴射休止時間Δｔが長くなるに連れてスモーク量が増大することが分かる。また、図８に示すＮＯｘの場合は、反対に２分割及び３分割噴射のいずれの場合も、インジェクタ５の噴射休止時間Δｔが長い方がＮＯｘの生成を低減できることが分かる。さらにまた、図９及び図１０にそれぞれ示すように、ＣＯ及びＨＣの排出量についてはスモークと同様の傾向が見られる。
【００３５】
また、分割回数に関しては、前記各図に示すように分割回数を３回に設定すれば、排気ガス温度、排気圧力、過給圧が上昇し、ＮＯｘ量が低減する。一方、スモークやＣＯの排出量に関しては、インジェクタ５の噴射休止時間Δｔを短くすれば、分割回数を多くしても大きく増大することはなく、むしろ低減することもある。また、ＨＣについては２分割又は３分割噴射とすることで一括噴射よりも排出量が低減している。
【００３６】
以下に、具体的な燃料噴射制御の処理手順について説明する。
【００３７】
−制御例１−
図１１は制御例１に関するフローチャートである。この制御は各気筒毎にクランク角信号に同期して実行される。
【００３８】
スタート後のステップＡ１において、クランク角信号、エアフローセンサ出力、アクセル開度等のデータを読み込む。続くステップＡ２において、アクセル開度とエンジン回転数とに基づいてマップを参照して目標トルクを設定し、エンジン回転数と目標トルクと吸入空気量とに基づいてマップを参照して燃料噴射量Ｑを決定する。このステップＡ２は噴射量決定手段を構成している。
【００３９】
続くステップＡ３において、エンジン回転数と目標トルクとに基づいてマップを参照して基本噴射時期Ｉｔを設定する。基本噴射時期Ｉｔは主噴射（分割噴射する場合は１回目の燃料噴射）の開始時期に当たるものであり、圧縮行程上死点前に設定されている。また、エンジン水温やエンジン回転数が異なれば燃料噴霧の着火遅れ時間が異なるので、このことに対応するように、基本的な噴射時期Ｉｔはエンジン水温が低いほど、またエンジン回転数が高いほど早められるように設定されている。
【００４０】
続くステップＡ４ではエンジン始動時か否か、つまり完爆していないか否かをクランク角信号に基づいて判別し、始動時（完爆前）であれば、エンジンの筒内温度が低温状態にあると判別され、ステップＡ５に進んでステップＡ２で決定された燃料噴射量Ｑ、ステップＡ３で設定された噴射時期Ｉｔで燃料の一括噴射が実行される。すなわち、エンジンの筒内温度が低いために分割噴射を禁止するものであり、燃焼安定性を高めてエンジンを確実に始動させるためである。
【００４１】
完爆したときはステップＡ６に進みアクセル開度に基づいてエンジンがアイドル運転時か否かを判別する。すなわち、アクセル開度の増大変化速度が所定値以上であるときにエンジンは加速運転時であると判別する。加速運転時であれば、ステップＡ７に進んで３分割噴射を設定して噴射を実行する（ステップＡ５）。すなわち、燃料噴射量Ｑを等分割して１回目の噴射量Ｑ１、２回目の噴射量Ｑ２及び３回目の噴射量Ｑ３として与え、噴射休止時間Δｔとしては比較的長い５００〜１０００μｓの範囲から最適値を与える。噴射休止時間Δｔを長くするのは、これにより排気圧力の上昇が図れ（図４参照）、加速に有利になるからである。
【００４２】
エンジンが加速運転時でないときはステップＡ８に進んでエンジンは完爆から所定時間を経過しているか否かを判別する。すなわち、エンジンは筒内温度が高い運転状態か否かを判別する。所定時間を経過しているときに筒内温度が高い状態であると判別する。
【００４３】
ステップＡ８で所定時間を経過していない（筒内温度が低温状態である）と判別されたときはステップＡ５に進み、ステップＡ２で決定された燃料噴射量Ｑ、ステップＡ３で設定された噴射時期Ｉｔで燃料の一括噴射が実行される。すなわち、分割噴射を行なった場合は燃料の噴射終了時期が遅くなり、燃焼性が悪化することから分割噴射を禁止するものである。
【００４４】
ステップＡ８で所定時間経過と判別されたときはステップＡ９に進んでエンジンの冷却水温が低い状態（冷却水温が７０℃以下又は８０℃以下の冷間時）か否かを判別する。冷却水温が低い状態であるときは、ステップＡ１０に進んでアイドル運転時が否かを判別し、アイドル運転時であれば、ステップＡ１１に進んでパイロット噴射を行なうべくその噴射量及び噴射時期を設定する。さらにステップＡ１２に進んで主噴射の開始時期Ｉｔをクランク角度Ｉc1だけリタードさせてから、ステップＡ５に進んでパイロット噴射及び主噴射（一括噴射）を実行する。また、アイドル運転時でないときでもステップＡ１３でエンジン回転数が低い運転状態であると判別されたときも、同様のパイロット噴射及び一括噴射を実行する。
【００４５】
アイドル運転時又は低回転運転時にはエンジンの燃焼騒音を低減すべくパイロット噴射を行なうものである。また、パイロット噴射を行なった場合は、噴射開始時期が多少遅くなっても燃焼性が得られることから噴射開始時期をリタードさせ、そのことによって噴射終了時期を遅くして排気ガス温度を上昇させ触媒の活性を図るものである。但し、冷却水温が低い冷間時においては、分割噴射を行なうと、噴射終了時期が遅くなりすぎて燃焼性が悪化し煤やＨＣの発生量が多くなることから、分割噴射を禁止して一括噴射とするものである。
【００４６】
ステップＡ１３でエンジンが低回転運転時でない、つまり中回転ないし高回転の運転状態にあると判別されたときは、ステップＡ１４に進んで３分割噴射を設定して噴射を実行する（ステップＡ５）。すなわち、燃料噴射量Ｑを等分割して１回目、２回目、３回目の各噴射量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３として与え、噴射休止時間Δｔとして５０〜７００μｓの範囲から最適値を与える。この場合は、噴射開始時期のリタードは行なわないから、分割噴射を採用するものである。
【００４７】
ステップＡ９で冷却水温が高い温間時であると判別されたときは、ステップＡ１５に進んでアイドル運転時が否かを判別し、アイドル運転時であれば、ステップＡ１６に進んでパイロット噴射を行なうべくその噴射量及び噴射時期を設定する。さらにステップＡ１７に進んで主噴射の開始時期Ｉｔをクランク角度Ｉc2だけリタードさせ、ステップＡ１８に進んで２分割噴射を実行すべく各噴射量Ｑ１，Ｑ２及び噴射休止時間Δｔ（５０〜５００μｓの範囲から適切なΔｔ）を設定し、ステップＡ５に進んでパイロット噴射及び２分割噴射を実行する。また、アイドル運転時でないときでもステップＡ１９でエンジン回転数が低い運転状態であると判別されたときも、同様のパイロット噴射及び２分割噴射を実行する。
【００４８】
ステップＡ１４では３分割噴射であるのにステップＡ１８で２分割噴射とするのは、主噴射開始時期Ｉｔをリタードさせているからである。すなわち、３分割噴射とすると噴射終了時期が遅くなり過ぎるために、燃焼安定性の確保、エミッション性の向上の観点から分割数の少ない２分割噴射を採用しているものである。なお、ステップＡ１８は３分割噴射として噴射休止時間Δｔを短くするものであってもよい。
【００４９】
ステップＡ１６のパイロット噴射の設定はエンジン燃焼騒音の低減のためであるが、ステップＡ１７のリタード量Ｉc2は冷間時のステップＡ１２によるリタード量Ｉc1よりも小さくする。これは、アイドル運転時や低回転運転時は触媒温度が低いことから、触媒の活性向上のためにステップＡ１８の分割噴射による排気ガス温度の上昇（図３参照）を優先させるためである。すなわち、リタード量Ｉc2を大きくすると、噴射終了時期が分割噴射によってさらに遅くなり、燃焼性の悪化、煤の発生に繋がることから、ここでのリタード量Ｉc2は小さい範囲に抑えているものである。
【００５０】
ステップＡ１９でエンジンが低回転運転時でない、つまり中回転ないし高回転の運転状態にあると判別されたときは、ステップＡ１４に進んで３分割噴射を設定して噴射を実行する（ステップＡ５）。
【００５１】
なお、上記制御例ではアイドル運転時及び低回転運転時のみにパイロット噴射を行なうようにしたが、ステップＡ１３又はＡ１９において中回転ないし高回転運転時と判別されたときにもパイロット噴射を継続するようにして、エンジンの音が急に変わらないようしてもよい。
【００５２】
−制御例２−
図１２は制御例２のフローチャートであり、制御例１では筒内温度が低いときは分割噴射を禁止するようにしたが、当該制御例２では分割噴射は実行するが、噴射終了時期が遅くならないように、換言すれば主噴射の開始から終了までの時間が長くならないような分割噴射形態とするものである。
【００５３】
スタート後のステップＢ１〜Ｂ８は制御例１と同じである。ステップＢ８で完爆から所定時間を経過していないと判別されたときはステップＢ９に進んで２分割噴射を設定して噴射を実行する（ステップＢ５）。すなわち、燃料噴射量Ｑを等分割して１回目の噴射量Ｑ１及び２回目の噴射量Ｑ２として与え、噴射休止時間Δｔとして７００〜１０００μｓの範囲から最適値を与える。分割噴射は行なうが、筒内温度が低いことから２分割噴射として噴射終了時期が遅くなることを回避するものである。但し、触媒の早期昇温を図るべく噴射休止時間Δｔは可能な限り長くするものである（図３参照）。
【００５４】
ステップＢ８で所定時間経過と判別されたときはステップＢ１０に進んでエンジンの冷却水温が低い状態（冷却水温が７０℃以下又は８０℃以下の冷間時）か否かを判別する。冷却水温が低い状態であるときは、ステップＢ１１に進んでアイドル運転時が否かを判別し、アイドル運転時であれば、ステップＢ１２に進んでパイロット噴射を行なうべくその噴射量及び噴射時期を設定する。さらにステップＢ１３に進んで主噴射の開始時期Ｉｔをクランク角度Ｉｃだけリタードさせ、ステップＢ１４に進んで２分割噴射を実行すべく各噴射量Ｑ１，Ｑ２及び噴射休止時間Δｔを設定し、ステップＢ５に進んでパイロット噴射及び２分割噴射を実行する。また、アイドル運転時でないときでもステップＢ１５でエンジン回転数が低い運転状態であると判別されたときも、同様のパイロット噴射及び２分割噴射を実行する。
【００５５】
ステップＢ１２のパイロット噴射の設定はエンジン燃焼騒音の低減のためであり、ステップＢ１３のリタード量Ｉｃの設定は排気ガスの昇温のためであり、ステップＢ１４の２分割噴射も排気ガスの昇温のためである（図３参照）。噴射休止時間Δｔは短めに設定する方がスモーク、ＣＯ及びＨＣの発生を抑える上で有利になる（図７、図９及び図１０参照）。
【００５６】
ステップＢ１５でエンジンが低回転運転時でない、つまり中回転ないし高回転の運転状態にあると判別されたときは、ステップＢ１６に進んで３分割噴射を設定して噴射を実行する（ステップＢ５）。すなわち、燃料噴射量Ｑを等分割して１回目、２回目、３回目の各噴射量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３として与え、噴射休止時間Δｔとして２００〜１０００μｓの範囲から最適値を与える。噴射休止時間Δｔは冷却水温が低いほど長くして排気ガスの昇温を図る（図３参照）。
【００５７】
ステップＢ１６は３分割噴射であるのにステップＢ１４で２分割噴射とするのは、主噴射開始時期Ｉｔをリタードさせているからである。すなわち、３分割噴射とすると噴射終了時期が遅くなり過ぎるために、燃焼安定性の確保、エミッション性の向上の観点から分割数の少ない２分割噴射を採用しているものである。なお、ステップＢ１４は３分割噴射として噴射休止時間Δｔを短くするものであってもよい。
【００５８】
ステップＢ１０で冷却水温が高い温間時であると判別されたときは、ステップＢ１７に進んでアイドル運転時が否かを判別し、アイドル運転時であれば、ステップＢ１２〜Ｂ１４に進んでパイロット噴射、主噴射開始時期のリタード、２分割噴射を行なう。アイドル運転時でなくてもステップＢ１８で低回転運転時であると判別されたときも同様にステップＢ１２〜Ｂ１４に進む。
【００５９】
ステップＢ１８でエンジンが低回転運転時でない、つまり中回転ないし高回転の運転状態にあると判別されたときは、ステップＢ１９に進んで２分割噴射を設定して噴射を実行する（ステップＢ５）。エンジンの中回転ないし高回転運転時は触媒温度もかなり高くなっているから、３分割噴射による排気ガス温度の上昇は図らず、燃費の向上を優先すべく２分割噴射とするものである。
【００６０】
なお、上記制御例ではアイドル運転時及び低回転運転時のみにパイロット噴射を行なうようにしたが、ステップＢ１５又はＢ１８において中回転ないし高回転運転時と判別されたときにもパイロット噴射を継続するようにして、エンジンの音が急に変わらないようしてもよい。
【００６１】
また、分割噴射の分割数は２〜７程度の範囲で本発明の主旨に沿って任意に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るディーゼルエンジンの燃料噴射装置の構成図。
【図２】 本発明に係る一括噴射、分割噴射、パイロット噴射の説明図。
【図３】 主噴射の噴射形態を変化させたときの、エンジンの排気ガス温度の変化特性を示すグラフ図。
【図４】 主噴射の噴射形態を変化させたときの、エンジンの排気圧力の変化特性を示すグラフ図。
【図５】 主噴射の噴射形態を変化させたときの、エンジンのブースト圧の変化特性を示すグラフ図。
【図６】 主噴射の噴射形態を変化させたときの、エンジンの燃費率の変化特性を示すグラフ図。
【図７】 主噴射の噴射形態を変化させたときの、エンジンからのスモーク排出量の変化特性を示すグラフ図。
【図８】 主噴射の噴射形態を変化させたときの、エンジンからのＮＯｘ排出量の変化特性を示すグラフ図。
【図９】 主噴射の噴射形態を変化させたときの、エンジンからのＣＯ排出量の変化特性を示すグラフ図。
【図１０】 主噴射の噴射形態を変化させたときの、エンジンからのＨＣ排出量の変化特性を示すグラフ図。
【図１１】 本発明に係る燃料噴射制御例１のフロー図。
【図１２】 本発明に係る燃料噴射制御例２のフロー図。
【符号の説明】
Ｂ 燃料噴射装置
１ ディーゼルエンジン
２ 気筒
４ 燃焼室
５ インジェクタ（燃料噴射弁）
９ クランク角センサ（要求出力検出手段）
２２ 触媒
２３ 排気還流通路
２４ 排気還流量調節弁
２５ ターボ過給機
３２ アクセル開度センサ（要求出力検出手段）
３５ ＥＣＵ（コントロールユニット）
Claims (2)
- エンジンの気筒内燃焼室に臨むように配設された燃料噴射弁と、
エンジンの要求出力を検出するための要求出力検出手段と、
上記要求出力検出手段による検出結果に応じて燃料噴射量を決定する噴射量決定手段と、
エンジン回転数と目標トルクとに基づいて燃料噴射開始時期を設定する噴射時期設定手段とを備え、
上記噴射量決定手段により決定された噴射量の燃料を上記燃料噴射弁により気筒の圧縮行程上死点付近で、かつ、燃料の噴射による燃焼が継続するよう複数回に分割して噴射させるディーゼルエンジンの燃料噴射装置において、
上記エンジンの完爆前、並びに該完爆から所定時間を経過する前の非加速運転時は、上記エンジンの筒内温度が低温状態にあると推定し、上記完爆から所定時間を経過した後は上記筒内温度が高温状態にあると推定する温度状態推定手段と、
上記温度状態推定手段により上記エンジンが上記筒内温度に関して上記低温状態にあると推定されたときには、上記高温状態にあると推定されたとき（但し、エンジン水温が所定値よりも高く且つエンジンが中回転ないし高回転の運転状態にあるときを除く）よりも燃料の噴射終了時期が早まるように、上記噴射量決定手段で決定された燃料噴射量及び上記噴射時期設定手段で設定された燃料噴射開始時期を変更することなく、上記燃料の分割噴射の形態を変更し又は燃料を分割することなく一括して噴射する噴射形態とする噴射形態変更手段とを備えていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃料噴射装置。 - 請求項１に記載されているディーゼルエンジンの燃料噴射装置において、
上記分割噴射の形態の変更は、分割回数の減少によって又は上記燃料噴射弁が閉じてから次に開くまでの噴射休止時間の短縮によって実行されることを特徴とするディーゼルエンジンの燃料噴射装置。
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