ディーゼルエンジンの燃焼制御装置

【課題】予混合燃焼モードと通常燃焼モードとの切り換え移行時でのＮＯxの排出を抑制する。
【解決手段】通常燃焼モードと予混合燃焼モードとこれらの間の移行モードとに切り換え可能に燃料噴射時期を制御するディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、移行モード時にエンジン運転状態に基づいて窒素酸化物の排出を抑制する低エミッションモードとスモークの排出を抑制する低スモークモードに切り換えて吸気酸素濃度に対応する燃料噴射時期を制御し、更にＮＯx触媒が非活性状態である場合には強制的に低エミッションモードを選択する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、予混合燃焼モードと通常燃焼モードとに切り換え可能に燃料噴射を制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの燃焼制御において、ピストンの圧縮上死点近傍で燃料を噴射し、燃料噴射中に着火する通常燃焼モードと、燃料の自己着火時期より前に燃料噴射を完了して、その後に着火する予混合燃焼モードとに切り換える技術が知られている。
通常燃焼モードでは、着火後も燃料を追加供給することから、筒内への燃料供給量が増加して高出力を確保することができる。一方、予混合燃焼モードでは、燃料噴射完了後、混合気が十分に希薄、均一化されてから着火するので、局所的な燃焼温度の上昇が抑えられＮＯx（窒素酸化物）の発生量が低減する。したがって、低回転低負荷時またはアイドリング時には排気性能を考慮して予混合燃焼モードを、その他の場合には出力性能を考慮して通常燃焼モードを選択して燃焼制御することが一般的に行われている。
【０００３】
予混合燃焼モードと通常燃焼モードとでは、燃料噴射時期等の制御パラメータの目標値がマップ等に設定されており、予混合燃焼モードと通常燃焼モードとの切り換え移行時には、夫々のモードに対応した２つのマップが繋がるように制御パラメータの目標値を徐々に変更するよう制御しているものがある（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００６−１０５０４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の特許文献１に記載されている燃焼制御では、予混合燃焼モードのマップと通常燃焼モードのマップとを単に繋ぐように制御しているので、例えばＥＧＲ装置を有するエンジンでは、これらの燃焼モードの切り換え移行時（移行モード時）において、ＥＧＲ装置の作動遅れにより、適切な燃料噴射が困難となり、スモークが発生したりＮＯxが発生したりする虞がある。
【０００５】
ところで、ディーゼルエンジンの排気通路には、排気中のＮＯxを捕捉して還元除去する排気浄化触媒が広く備えられている。しかしながら、冷態始動直後のように排気浄化触媒が非活性状態である場合には、排気浄化触媒においてＮＯxの除去が十分に行われずに外部へ排出されてしまうといった問題点もある。
本発明はこのような問題点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、移行モード時において、スモークの発生を抑制するとともに、排気浄化触媒が非活性状態である場合でもＮＯxの排出を抑制できる燃焼制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、請求項１は、燃料の噴射期間内に着火する通常燃焼モードと、燃料噴射完了後に予混合期間を経て着火する予混合燃焼モードと、通常燃焼モードと予混合燃焼モードとの間を移行する移行モードとのいずれかに切り換えて燃料噴射時期を制御するディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、移行モード時における吸気酸素濃度に対応する燃料噴射時期が設定されたマップとして、窒素酸化物の排出を抑制する低エミッションモード用マップとスモークの排出を抑制する低スモークモード用マップとを備え、移行モード時にエンジン運転状態に基づいて低エミッションモード用マップ及び低スモークモード用マップのいずれかを選択し用いて燃料噴射時期を制御する制御手段と、ディーゼルエンジンの排気中の窒素酸化物を除去する排気浄化触媒が非活性状態であるか否かを推定する触媒状態推定手段と、を備え、制御手段は、触媒状態推定手段により排気浄化触媒が非活性状態であると推定された場合に低エミッションモード用マップを選択することを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２では、請求項１において、触媒状態推定手段により排気浄化触媒が非活性状態であると推定された場合に、制御手段においてエンジン運転状態に基づいて低エミッションモードが選択されるようにアクセル開度を制限する制限手段を更に備えたことを特徴とする。
また、請求項３では、請求項１または２において、制御手段は、エンジン運転状態として、アクセル開度変化率、吸気酸素濃度変化率及び排気浄化触媒の触媒温度に基づいて、低エミッションモード用マップ及び低スモークモード用マップのいずれかを選択することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
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、移行モード時に、エンジン運転状態に基づいて低エミッションモードと低スモークモードとで切り換えて燃料噴射時期を制御することで、窒素酸化物の排出の抑制とスモークの排出の抑制との両立が可能となる。更に、排気浄化触媒が非活性状態である場合には低エミッションモードが選択されることにより、窒素酸化物の発生が抑制されるので、冷態始動直後のように排気浄化触媒が非活性状態であっても窒素酸化物の排出を抑制することができる。
【０００９】
本発明の請求項２のディーゼルエンジンの燃焼制御装置によれば、排気浄化触媒が非活性状態である場合に、制御手段において低エミッションモードが選択されるようにアクセル開度が制限されるので、吸気状態の急激な変化が抑制され、燃料噴射遅れを要因とする窒素酸化物の発生を確実に抑制することができる。
本発明の請求項３のディーゼルエンジンの燃焼制御装置によれば、アクセル開度変化率、吸気酸素濃度変化率及び排気浄化触媒の触媒温度に基づいて、低エミッションモード用マップまたは低スモークモード用マップが選択されるので、移行モード時における窒素酸化物の排出の抑制とスモークの排出の抑制とを正確に両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
本実施形態の燃焼制御装置を備えたディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）の排気通路には、排気中のＮＯx（窒素酸化物）を捕捉して無害な物質に還元浄化するＮＯx触媒（排気浄化触媒）が備えられている。また、エンジンには、ＥＧＲシステム及びコモンレールシステムが備えられている。ＥＧＲシステムは、排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路を有し、ＥＧＲ通路に介装されたＥＧＲ弁を開閉制御することにより、排気の一部を吸気に環流して燃焼温度を低下させることで、ＮＯxの発生を抑制する機能を有する。
【００１１】
コモンレールシステムは、燃料ポンプにより高圧化した燃料をコモンレールに蓄え、各気筒に設けられたインジェクタにコモンレールから高圧の燃料を供給して筒内に噴射させる。コモンレール内の圧力は、燃料ポンプを作動制御することで調整可能となっている。各インジェクタは、燃焼制御装置により作動制御され、筒内への燃料噴射量、燃料噴射時期が制御される。
【００１２】
燃焼制御装置は、エンジンの各種運転状態を入力して、インジェクタによる燃料噴射を、通常燃焼モードまたは予混合燃焼モードに切り換える機能を有している。
通常燃焼モードでは、ピストンの圧縮上死点近傍で燃料噴射するよう制御され、着火後も燃料が追加供給されることから、筒内への燃料供給量が増加して高出力を得ることができる。予混合燃焼モードでは、燃料自己着火時期より前に燃料噴射が完了するよう制御され、燃料噴射完了後、混合気が十分に希薄、均一化されてから着火するので、局所的な燃焼温度の上昇が抑えられＮＯx発生量が低減される。また、通常燃焼モードと予混合燃焼モードとの間には、これら２つのモードの間の移行期間である移行モードが設けられている。
【００１３】
図１は、燃焼モードの切換判定手順を示すフローチャートである。本ルーチンはエンジンの作動中に繰り返し実行される。
図１に示すように、まずステップＳ１０では、エンジン回転速度Ｎe及び負荷Ｌ（例えば燃料噴射量）を入力し、図２に示すようなあらかじめ記憶しておいた燃焼モード判定マップにより予混合燃焼モードに適した運転状態であるか否かを判別する。予混合燃焼モードに適した運転状態であると判定した場合には、ステップＳ２０に進む。このマップでは、低回転低負荷時には予混合燃焼（ＰＣＩ）モードが、その他の領域では通常燃焼（Conventional）モードが選択されるように設定されている。なお、予混合燃焼モードと通常燃焼モードとの間の領域が移行モードに該当する。
【００１４】
ステップＳ２０では、予混合燃焼モードを選択する。そして本ルーチンをリターンする。
ステップＳ１０において、エンジンの運転条件が予混合燃焼モードに適していないと判定した場合には、ステップＳ３０に進む。
ステップＳ３０では、吸気酸素濃度が所定値より大きいか否かを判定する。所定値より大きい場合は、ステップＳ４０に進む。この所定値は、例えば通常燃焼が可能となる下限値に設定すればよい。
【００１５】
ステップＳ４０では、通常燃焼モードを選択する。そして、本ルーチンをリターンする。
ステップＳ３０において、吸気酸素濃度が所定値以下であると判定した場合は、移行モードを選択し、更にステップＳ５０に進む。
ステップＳ５０では、ＮＯx触媒が活性状態であるか否かを判別する。活性状態である場合は、ステップＳ６０に進む。
【００１６】
ステップＳ６０では、移行モードのうち通常移行モードを選択する。そして、本ルーチンをリターンする。
ステップＳ５０において、ＮＯx触媒が活性状態でないと判定された場合、即ち非活性状態である場合には、ステップＳ７０に進む。
ステップＳ７０では、移行モードのうち制限移行モードを選択する。そして、本ルーチンをリターンする。
【００１７】
次に、移行モード時における燃料噴射時期及びアクセル開度の算出要領を図３のブロック図を用いて説明する。
燃焼制御装置は、移行モード時における燃料噴射時期を吸気酸素濃度に基づいて設定する。具体的には、吸気酸素濃度に対応する燃料噴射時期が設定されたマップを２種類持ち、これをエンジンの運転状態に基づいて切り換える制御を行う（制御手段）。更に、燃焼制御装置は、アクセル開度を制限する機能を有する（制限手段）。
【００１８】
図３に示すように、第１の噴射時期演算部１０は、吸気酸素濃度及びエンジン回転速度を入力して低スモークモード時の燃料噴射時期を演算する。低スモークモード時の燃料噴射時期は、図４に示すようなマップを用いて行われる。一方、第２の噴射時期演算部２０は、吸気酸素濃度及びエンジン回転速度を入力して、低エミッションモード時の燃料噴射時期を演算する。低エミッションモード時の燃料噴射時期は、図５に示すようなマップを用いて行われる。図４及び図５では、いずれも吸気酸素濃度が増加するにしたがって燃料噴射時期が遅くなるように、またエンジン回転速度の変化によって燃料噴射時期が変化するように設定されている。
【００１９】
ＮＯx触媒状態判定部３０（触媒状態推定手段）は、ＮＯx触媒判定情報を入力してＮＯx触媒が活性状態であるか否かを判別する。ＮＯx触媒判定情報は、例えばＮＯx触媒の触媒温度や還元剤のＮＯx触媒への供給状態のように、ＮＯx触媒が非活性状態であるか否かを推定可能な情報であればよい。
モード選択部４０は、ＮＯx触媒活性状態判定部３０からＮＯx触媒の触媒状態の判定結果を入力するととともに、アクセル開度変化率、吸気酸素濃度変化率を入力して、低エミッションモード及び低スモークモードのうちいずれを選択するか判別する。ここでは、アクセル開度や吸気酸素濃度の変化率が少ない場合、ＮＯx触媒が非活性状態である場合には低エミッションモードを、アクセル開度や吸気酸素濃度の変化率が大きい場合、ＮＯx触媒が活性状態である場合には低スモークモードを選択するように設定すればよい。
【００２０】
第１の切換部５０は、モード選択部４０において選択されたモードに該当する噴射時期演算部１０または２０によって演算された値を最終的な燃料噴射時期として出力する。
アクセル開度制限値演算部６０は、アクセル開度及びエンジン回転速度を入力し、補正アクセル開度を演算する。補正アクセル開度は、図６に示すようなマップを用いて求められる。図６では、モード選択部４０において低エミッションモードが選択されるように、エンジン回転速度に基づくアクセル開度の上限値が設定されている。
【００２１】
第２の切換部７０は、モード選択部４０を通してＮＯx触媒状態判定部３０からＮＯx触媒の触媒状態の判定結果を入力し、ＮＯx触媒が活性状態である場合は、アクセル開度を補正せずにそのまま最終的なアクセル開度として出力する。ＮＯx触媒が非活性状態であると判定した場合は、アクセル開度制限値演算部６０において演算された補正アクセル開度を最終的なアクセル開度として出力する。
【００２２】
図７は、吸気酸素濃度と燃料噴射時期との関係を示すグラフであり、低エミッションモードと低スモークモードとの移行経路の違いを示す参考図である。なお、図中には参考としてスモーク濃度を等高線として示しており、図中中央部ではスモーク濃度が高くなっていることを示している。図８は、吸気酸素濃度及び燃料噴射時期とスモーク濃度との関係を示すグラフであって、図中数字が大きい程スモーク濃度が高いことを示している。図９は吸気酸素濃度及び燃料噴射時期とＮＯx濃度との関係を示すグラフであって、図中数字が大きい程ＮＯx濃度が高いことを示している。図１０は吸気酸素濃度及び燃料噴射時期と出力トルクとの関係を示すグラフであって、図中数字が大きい程出力トルクが大きいことを示している。
【００２３】
図７に示すように、移行モード時には、図中下部の予混合燃焼モードの領域と、図中右上部の通常燃焼モードの領域との間を移行するが、その移行経路が低エミッションモードと低スモークモードとで異なる。低スモークモードでは、図８に示すスモーク濃度の特性を鑑みて、スモーク濃度が高くなる領域を避けるように、予混合燃焼モードの領域と通常燃焼モードの領域とを略直線で結ぶように設定されている。低エミッションモードでは、図９に示すＮＯx濃度の特性を鑑みて、ＮＯx濃度が低くなる領域を極力移行するように設定されている。また、図１０に示すように、エンジンの出力トルクは、予混合燃焼モードと通常燃焼モードとの間では吸気酸素濃度に殆ど影響されず、燃料噴射時期に応じて変化する特性である。したがって、図中に示すように低スモークモードでは低エミッションモードに比べて傾き（燃料噴射時期／吸気酸素濃度）が小さく設定されることで、吸気酸素濃度の変化に対し燃料噴射時期の変化が小さくなり、したがって出力トルクの変化も小さくなる。また、エンジンの出力トルクは燃料噴射時期が早い（進角側である）と大きくなる特性でもあり、同一の吸気酸素濃度において低スモークモードは低エミッションモードより燃焼噴射時期が早く設定されているので、予混合燃焼モードと通常燃焼モードとの間の移行時にエンジンの出力トルクを高く維持することができる。
【００２４】
以上のように、本実施形態では、通常燃焼モードと移行モードとの切り換え、更には移行モード時における燃料噴射時期を、吸気酸素濃度に基づいて設定するので、例えばＥＧＲ装置の応答が遅れたとしても、吸気の状態に見合った正確な燃料噴射時期の設定が可能となり、スモークの発生を抑制することができる。
また、この燃料噴射時期を設定する際に用いられるマップとして、低エミッションモード及び低スモークモードの２つのマップを用意しており、アクセル開度が急激に変化したときやＮＯx触媒の触媒温度が十分に上昇しているときには、低スモークモードが選択されてスモークの発生が抑制されるとともに出力トルク変動も抑制されてスムーズな移行が可能となる。一方、アクセル開度や吸気酸素濃度の変化が少ない場合には、スモークが発生しにくくまた出力トルク変動もしにくいので、上記のように低エミッションモードを選択することでＮＯxの発生を抑制することができる。
【００２５】
特に、本実施形態では、移行モード時にＮＯx触媒が非活性状態である場合には、強制的に低エミッションモードを選択する。したがって、エンジンにおいてＮＯxの発生が抑制されるので、ＮＯx触媒が非活性状態であってもＮＯxの排出を抑制することができる。更に、移行モード時にＮＯx触媒が非活性状態である場合に、低エミッションモードが維持されるようにアクセル開度が抑制されるので、吸気状態の急激な変化が抑制されて、吸気酸素濃度に対する最適な噴射時期とのずれを要因とする窒素酸化物の発生を確実に抑制することができる。
【００２６】
なお、本実施形態では、排気浄化触媒が非活性状態である場合に、強制的な低エミッションモードへの切り換えとアクセル開度の制限との両方を実施しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これらの何れか一方を実施してもよい。
また、本実施形態では、モード選択部４０において、低エミッションモード用マップまたは低スモークモード用マップを、アクセル開度変化率、吸気酸素濃度変化率及びＮＯx触媒状態としての触媒温度に基づいて選択するが、本発明はこれに限定されるものではなく、エンジンが過渡運転状態であるか否か、あるいはＮＯx触媒が活性状態であるか否かが推定できる情報に基づいて適宜選択すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る燃焼制御装置における燃焼モードの切り換え判定手順を示すフローチャートである。
【図２】燃焼モード判定用のマップである。
【図３】移行モード時における燃料噴射時期及びアクセル開度の算出要領を示すブロック図である。
【図４】低スモークモード時における燃料噴射時期演算用のマップである。
【図５】低エミッションモード時における燃料噴射時期演算用のマップである。
【図６】補正アクセル開度演算用のマップである。
【図７】燃料噴射時期と吸気酸素濃度との関係を示し、低スモークモードと低エミッションモードとでの燃料噴射時期の移行経路の違いを示す参考図である。
【図８】燃料噴射時期及び吸気酸素濃度と排気中のスモーク濃度との関係を示すグラフである。
【図９】燃料噴射時期及び吸気酸素濃度と排気中のＮＯx濃度との関係を示すグラフである。
【図１０】燃料噴射時期及び吸気酸素濃度とエンジン出力トルクとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１０第１の噴射時期演算部
２０第２の噴射時期演算部
３０ＮＯx触媒状態判定部
４０モード選択部
５０第１の切換部
６０アクセル開度制限値演算部
７０第２の切換部

【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料の噴射期間内に着火する通常燃焼モードと、燃料噴射完了後に予混合期間を経て着火する予混合燃焼モードと、前記通常燃焼モードと予混合燃焼モードとの間を移行する移行モードとのいずれかに切り換えて燃料噴射時期を制御するディーゼルエンジンの燃焼制御装置において、
前記移行モード時における吸気酸素濃度に対応する燃料噴射時期が設定されたマップとして、窒素酸化物の排出を抑制する低エミッションモード用マップとスモークの排出を抑制する低スモークモード用マップとを備え、前記移行モード時にエンジン運転状態に基づいて前記低エミッションモード用マップ及び低スモークモード用マップのいずれかを選択し用いて燃料噴射時期を制御する制御手段と、
前記ディーゼルエンジンの排気中の窒素酸化物を除去する排気浄化触媒が非活性状態であるか否かを推定する触媒状態推定手段と、を備え、
前記制御手段は、前記触媒状態推定手段により排気浄化触媒が非活性状態であると推定された場合に前記低エミッションモード用マップを選択す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。
【請求項２】
前記触媒状態推定手段により前記排気浄化触媒が非活性状態であると推定された場合に、前記制御手段においてエンジン運転状態に基づいて低エミッションモードが選択されるようにアクセル開度を制限する制限手段を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの燃焼制御装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記エンジン運転状態として、アクセル開度変化率、吸気酸素濃度変化率及び排気浄化触媒の触媒温度に基づいて、前記低エミッションモード用マップ及び低スモークモード用マップのいずれかを選択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燃焼制御装置。

【図１】