ディーゼルエンジン
【課題】エンジンの暖機前でもＤＰＦの再生を実行可能とする。
【解決手段】エンジン１は、排気通路４０内に配設される酸化触媒４１ａと、排気通路４０内において酸化触媒４１ａの下流に配設されるＤＰＦ４１ｂとを備えている。エンジン１は、ＤＰＦ４１ｂのフィルタ再生を実行するＰＣＭ１０をさらに備えている。ＰＣＭ１０は、エンジン１が所定の低負荷の運転領域にあるときに、主噴射と主燃焼に継続する燃焼を発生させるために燃料を噴射するアフタ噴射とをインジェクタ１８に行わせると共に、アフタ噴射の回数をエンジン１の温度が低いときほど多くなるように調整する。また、ＰＣＭ１０は、エンジン１の温度が、暖機が完了したと判定できる温度である第２温度よりも低い所定の第１温度以上になると、主燃焼に継続する燃焼を生じさせないタイミングで燃料を噴射するポスト噴射をインジェクタ１８に行わせることによってフィルタ再生を実行する。
【解決手段】エンジン１は、排気通路４０内に配設される酸化触媒４１ａと、排気通路４０内において酸化触媒４１ａの下流に配設されるＤＰＦ４１ｂとを備えている。エンジン１は、ＤＰＦ４１ｂのフィルタ再生を実行するＰＣＭ１０をさらに備えている。ＰＣＭ１０は、エンジン１が所定の低負荷の運転領域にあるときに、主噴射と主燃焼に継続する燃焼を発生させるために燃料を噴射するアフタ噴射とをインジェクタ１８に行わせると共に、アフタ噴射の回数をエンジン１の温度が低いときほど多くなるように調整する。また、ＰＣＭ１０は、エンジン１の温度が、暖機が完了したと判定できる温度である第２温度よりも低い所定の第１温度以上になると、主燃焼に継続する燃焼を生じさせないタイミングで燃料を噴射するポスト噴射をインジェクタ１８に行わせることによってフィルタ再生を実行する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化機能を有する触媒とパティキュレートフィルタとを排気通路に備えたディーゼルエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、「ＤＰＦ」ともいう）が排気通路に設けられたディーゼルエンジンがよく知られている。このＤＰＦは、排気中の粒子状物質（ＰＭ：Particulate matter。以下、「ＰＭ」ともいう）を捕捉するものであり、ＰＭの堆積量が増加すると、再生する必要がある。このようなＤＰＦの上流側には、通常、酸化機能を有する触媒、例えば、酸化触媒が設けられており、ＤＰＦの再生には、この触媒が利用される。例えば、特許文献１に係るディーゼルエンジンでは、気筒内にトルク発生のための燃料を噴射する主噴射を行った後に、ポスト噴射を行って、未燃状態の燃料を排気通路へ導入している。未燃燃料が触媒まで到達すると、そこで酸化反応して、排気温度を上昇させる。その結果、ＤＰＦに堆積したＰＭが高温の排気によって焼却除去される。こうして、ＤＰＦの再生が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２９３３８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のＤＰＦの再生では、未燃燃料を触媒で酸化反応させるため、排気温度が或る程度高いことが必要である。つまり、排気温度が低いと、触媒での未燃燃料の反応が不十分となり、ひいては、ＤＰＦの再生が困難となる。
【０００５】
ところで、ドライバの中には、１度の運転時間が非常に短いドライバも少なからず存在する。例えば、自動車には乗るものの、遠出をすることがなく、ちょっとした近所への移動にしか自動車を利用しないようなドライバがその一例である。このように、乗車時間が短いと、エンジンの暖機が完了する前に、運転が終了する場合も多くある。エンジンの暖機が完了していない状態では、排気温度も十分上昇していないため、上述のＤＰＦの再生を適切に行うことができない。
【０００６】
ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エンジンの暖機前でもＤＰＦの再生を実行可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ここに開示された技術は、軽油を主成分とする燃料が供給されるエンジン本体と、該エンジン本体の気筒内に臨んで配設され且つ該気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、該エンジン本体に接続された排気通路内に配設される酸化機能を有する触媒と、該排気通路内において該触媒の下流に配設されるＤＰＦとを備えたディーゼルエンジンが対象である。そして、上記ＤＰＦのフィルタ再生を実行する再生制御部をさらに備え、上記再生制御部は、上記エンジン本体が所定の低負荷の運転領域にあるときに、主燃焼を発生させるための燃料を噴射する主噴射と該主燃焼に継続する燃焼を発生させるために燃料を噴射する第１後段噴射とを上記燃料噴射弁に行わせると共に、上記第１後段噴射の回数を上記エンジン本体の温度が低いときほど多くなるように調整し、上記エンジン本体の温度が、該エンジン本体の暖機が完了したと判定できる温度である第２温度よりも低い所定の第１温度以上になると、主燃焼に継続する燃焼を生じさせないタイミングで燃料を噴射する第２後段噴射を上記燃料噴射弁に行わせることによって上記フィルタ再生を実行するものとする。
【０００８】
上記の構成によれば、エンジン本体が低負荷の運転領域にあるときに、上記第１後段噴射が行われる。エンジン本体が低負荷の運転領域にあるときには、排気温度が上昇し難いが、第１後段噴射によって、該第１後段噴射に起因する燃焼が主燃焼に継続するため、気筒内での燃焼を長期化させることができ、膨張行程中の気筒内の温度低下を抑制することができる。これにより、気筒内温度及び排気温度を上昇させることができる。そして、エンジン本体の温度が低いときほど、第１後段噴射の回数を増やすので、エンジン本体の温度が低いときほど、気筒内温度及び排気温度をより大きく上昇させることができる。そして、エンジン本体の温度が上記第１温度以上となると、上記第２後段噴射が実行される。第２後段噴射により噴射された燃焼は、気筒内で燃焼することなく、排気通路へ導入され、触媒まで到達する。ここで、エンジン本体の温度が第１温度以上となったときには、排気温度もある程度上昇しているので、未燃燃料は、触媒において効率良く酸化反応し、その反応熱でＤＰＦの再生を行うことができる。
【０００９】
すなわち、エンジン本体の暖機が完了する前においては排気温度が低く、それに加えて、エンジン本体が低負荷の運転領域にあるときには、排気温度が上昇し難い。このような場合であっても、上記第１後段噴射を行うことによって排気温度を早期に上昇させる。そして、暖機完了前ではあるが、エンジン温度が上記第１温度以上となったときには、上記第２後段噴射を行ってフィルタ再生を実行する。このように、エンジン本体の暖機完了前であっても、排気温度を早期に上昇させてフィルタ再生を実行することができる。
【００１０】
また、上記再生制御部は、上記エンジン本体の温度が上記第１温度以上であって上記第２温度未満のときは、上記第１後段噴射と上記第２後段噴射とを上記燃料噴射弁に行わせるようにしてもよい。
【００１１】
上記の構成によれば、エンジン本体の温度が上記第１温度以上となった場合であっても、直ちに上記第１後段噴射を停止するのではなく、エンジン本体の暖機が完了するまで（即ち、エンジン本体の温度が上記第２温度となるまで）の間は、上記第２後段噴射に加えて、第１後段噴射も行う。つまり、エンジン本体の温度が上記第１温度以上であるとはいっても、エンジン本体の暖機完了前であるため、上記第１後段噴射によって排気温度を可及的に上昇させて、未燃燃料の酸化反応にとって有利な環境を実現している。こうして、エンジン本体の暖機が完了する前であっても、未燃燃料を触媒で効率良く反応させて、良好なフィルタ再生を確実なものとしている。
【００１２】
さらに、上記再生制御部は、上記エンジン本体の温度が上記第２温度以上であるときには、上記燃料噴射弁に上記第１後段噴射を行わせることなく、上記第２後段噴射を行わせるようにしてもよい。
【００１３】
上記の構成によれば、エンジン本体の暖機が完了した後は、排気温度も十分上昇しているため、上記第１後段噴射を停止して、第２後段噴射を行う。第１後段噴射は、トルクの発生というよりも、気筒内温度及び排気温度の上昇を目的としているため、燃費の観点からは好ましくない燃料噴射である。また、第１後段噴射は、主燃焼を継続させる燃焼を発生させるため、多少なりとも、エンジンのトルクに影響を与える。したがって、排気温度が十分上昇した後は、第１後段噴射を停止することによって、燃費の低下を防止することができると共に、トルクへの悪影響を防止することができる。
【００１４】
また、上記第１後段噴射を行うときの上記エンジン本体の燃焼は、拡散燃焼を主体とした燃焼であることが好ましい。
【００１５】
拡散燃焼は、予混合燃焼と比較して、燃焼期間が長くなる。つまり、拡散燃焼は、上記第１後段噴射を組み合わせることによって、より効果的に燃焼期間を長期化させて、気筒内温度及び排気温度を上昇させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
上記ディーゼルエンジンによれば、エンジン本体の暖機前であって且つ、エンジン本体が低負荷の運転領域にあるとき、すなわち、排気温度が低く且つ上昇し難い状況であっても、第１後段噴射によって気筒内での燃焼を長期化させて排気温度を早期に上昇させることができ、エンジン本体の暖機前であってもフィルタ再生の実行を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ターボ過給機付ディーゼルエンジンの構成を示す概略図である。
【図２】ディーゼルエンジンの制御に係るブロック図である。
【図３】通常モードのフィルタ再生における燃料噴射形態の一例と、それに伴う気筒１１ａ内の熱発生率の履歴の一例を示す図である。
【図４】第１冷間モードのフィルタ再生における燃料噴射形態の一例と、それに伴う気筒１１ａ内の熱発生率の履歴の一例を示す図である。
【図５】第２冷間モードのフィルタ再生における燃料噴射形態の一例と、それに伴う気筒１１ａ内の熱発生率の履歴の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、実施形態に係るディーゼルエンジンを図面に基づいて説明する。尚、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。図１，２は、実施形態に係るエンジン（エンジン本体）１の概略構成を示す。このエンジン１は、車両に搭載されると共に、軽油を主成分とした燃料が供給されるディーゼルエンジンであって、複数の気筒１１ａ（１つのみ図示）が設けられたシリンダブロック１１と、このシリンダブロック１１上に配設されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１の下側に配設され、潤滑油が貯溜されたオイルパン１３とを有している。このエンジン１の各気筒１１ａ内には、ピストン１４が往復動可能にそれぞれ嵌挿されていて、このピストン１４の頂面にはリエントラント形燃焼室１４ａを区画するキャビティが形成されている。このピストン１４は、コンロッド１４ｂを介してクランクシャフト１５と連結されている。
【００１９】
上記シリンダヘッド１２には、各気筒１１ａ毎に吸気ポート１６及び排気ポート１７が形成されているとともに、これら吸気ポート１６及び排気ポート１７の燃焼室１４ａ側の開口を開閉する吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ配設されている。
【００２０】
これら吸排気弁２１，２２をそれぞれ駆動する動弁系において、排気弁側には、当該排気弁２２の作動モードを通常モードと特殊モードとに切り替える油圧作動式の可変機構（図２参照。以下、ＶＶＭ（Variable Valve Motion）と称する）７１が設けられている。このＶＶＭ７１は、その構成の詳細な図示は省略するが、カム山を１つ有する第１カムとカム山を２つ有する第２カムとの、カムプロファイルの異なる２種類のカム、及び、その第１及び第２カムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に排気弁に伝達するロストモーション機構を含んで構成されており、第１カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２は、排気行程中において一度だけ開弁される通常モードで作動するのに対し、第２カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２が、排気行程中において開弁すると共に、吸気行程中においても開弁するような、いわゆる排気の二度開きを行う特殊モードで作動する。
【００２１】
ＶＶＭ７１の通常モードと特殊モードとの切り替えは、エンジン駆動の油圧ポンプ（図示省略）から供給される油圧によって行われ、特殊モードは、内部ＥＧＲに係る制御の際に利用され得る。尚、こうした通常モードと特殊モードとの切り替えを可能にする上で、排気弁２２を電磁アクチュエータによって駆動する電磁駆動式の動弁系を採用してもよい。また、内部ＥＧＲの実行としては、排気の二度開きに限定されるものではなく、例えば吸気弁２１を２回開く、吸気の二度開きによって内部ＥＧＲ制御を行ってもよいし、排気行程乃至吸気行程において吸気弁２１及び排気弁２２の双方を閉じるネガティブオーバーラップ期間を設けて既燃ガスを残留させる内部ＥＧＲ制御を行ってもよい。
【００２２】
上記シリンダヘッド１２には、燃料を噴射するインジェクタ１８と、エンジン１の冷間時に吸入空気を暖めて燃料の着火性を高めるためのグロープラグ１９とが設けられている。上記インジェクタ１８は、その燃料噴射口が燃焼室１４ａの天井面から該燃焼室１４ａに臨むように配設されていて、基本的には圧縮行程上死点付近で、燃焼室１４ａに燃料を直接噴射供給するようになっている。このインジェクタ１８が燃料噴射弁を構成する。
【００２３】
上記エンジン１の一側面には、各気筒１１ａの吸気ポート１６に連通するように吸気通路３０が接続されている。一方、上記エンジン１の他側面には、各気筒１１ａの燃焼室１４ａからの既燃ガス（排気ガス）を排出する排気通路４０が接続されている。これら吸気通路３０及び排気通路４０には、詳しくは後述するが、吸入空気の過給を行う大型ターボ過給機６１と小型ターボ過給機６２とが配設されている。
【００２４】
吸気通路３０の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ３１が配設されている。一方、吸気通路３０における下流端近傍には、サージタンク３３が配設されている。このサージタンク３３よりも下流側の吸気通路３０は、各気筒１１ａ毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒１１ａの吸気ポート１６にそれぞれ接続されている。
【００２５】
吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とサージタンク３３との間には、大型及び小型ターボ過給機６１，６２のコンプレッサ６１ａ，６２ａと、該コンプレッサ６１ａ，６２ａにより圧縮された空気を冷却するインタークーラ３５と、上記各気筒１１ａの燃焼室１４ａへの吸入空気量を調節するスロットル弁３６とが配設されている。このスロットル弁３６は、基本的には全開状態とされるが、エンジン１の停止時には、ショックが生じないように全閉状態とされる。
【００２６】
上記排気通路４０の上流側の部分は、各気筒１１ａ毎に分岐して排気ポート１７の外側端に接続された独立通路と該各独立通路が集合する集合部とを有する排気マニホールドによって構成されている。
【００２７】
この排気通路４０における排気マニホールドよりも下流側には、上流側から順に、小型ターボ過給機６２のタービン６２ｂ、大型ターボ過給機６１のタービン６１ｂと、排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置４１と、サイレンサ４２とが配設されている。
【００２８】
この排気浄化装置４１は、酸化触媒４１ａと、ＤＰＦ４１ｂとを有しており、上流側から、この順に並んでいる。酸化触媒４１ａ及びＤＰＦ４１ｂは１つのケース内に収容されている。上記酸化触媒４１ａは、白金又は白金にパラジウムを加えたもの等を担持した酸化触媒を有していて、排気ガス中のＣＯ及びＨＣが酸化されてＣＯ２及びＨ２Ｏが生成する反応を促すものである。この酸化触媒４１ａが、酸化機能を有する触媒を構成する。また、上記ＤＰＦ４１ｂは、エンジン１の排気ガス中に含まれる煤等のＰＭを捕集するものであって、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）やコーディエライト等の耐熱性セラミック材によって形成されたウォールフロー型フィルタ、或いは耐熱性セラミックス繊維によって形成された三次元網目状フィルタである。尚、ＤＰＦ４１ｂに酸化触媒をコーティングしてもよい。
【００２９】
上記吸気通路３０における上記サージタンク３３とスロットル弁３６との間の部分（つまり小型ターボ過給機６２の小型コンプレッサ６２ａよりも下流側部分）と、上記排気通路４０における上記排気マニホールドと小型ターボ過給機６２の小型タービン６２ｂとの間の部分（つまり小型ターボ過給機６２の小型タービン６２ｂよりも上流側部分）とは、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するための排気ガス還流通路５１によって接続されている。この排気ガス還流通路５１には、排気ガスの吸気通路３０への還流量を調整するための排気ガス還流弁５１ａ及び排気ガスをエンジン冷却水によって冷却するためのＥＧＲクーラ５２とが配設されている。
【００３０】
大型ターボ過給機６１は、吸気通路３０に配設された大型コンプレッサ６１ａと、排気通路４０に配設された大型タービン６１ｂとを有している。大型コンプレッサ６１ａは、吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とインタークーラ３５との間に配設されている。一方、大型タービン６１ｂは、排気通路４０における排気マニホールドと酸化触媒４１ａとの間に配設されている。
【００３１】
小型ターボ過給機６２は、吸気通路３０に配設された小型コンプレッサ６２ａと、排気通路４０に配設された小型タービン６２ｂとを有している。小型コンプレッサ６２ａは、吸気通路３０における大型コンプレッサ６１ａの下流側に配設されている。一方、小型タービン６２ｂは、排気通路４０における大型タービン６１ｂの上流側に配設されている。
【００３２】
すなわち、吸気通路３０においては、上流側から順に大型コンプレッサ６１ａと小型コンプレッサ６２ａとが直列に配設され、排気通路４０においては、上流側から順に小型タービン６２ｂと大型タービン６１ｂとが直列に配設されている。これら大型及び小型タービン６１ｂ，６２ｂが排気ガス流により回転し、これら大型及び小型タービン６１ｂ，６２ｂの回転により、該大型及び小型タービン６１ｂ，６２ｂとそれぞれ連結された上記大型及び小型コンプレッサ６１ａ，６２ａがそれぞれ作動する。
【００３３】
小型ターボ過給機６２は、相対的に小型のものであり、大型ターボ過給機６１は、相対的に大型のものである。すなわち、大型ターボ過給機６１の大型タービン６１ｂの方が小型ターボ過給機６２の小型タービン６２ｂよりもイナーシャが大きい。
【００３４】
そして、吸気通路３０には、小型コンプレッサ６２ａをバイパスする小型吸気バイパス通路６３が接続されている。この小型吸気バイパス通路６３には、該小型吸気バイパス通路６３へ流れる空気量を調整するための小型吸気バイパス弁６３ａが配設されている。この小型吸気バイパス弁６３ａは、無通電時には全閉状態（ノーマルクローズ）となるように構成されている。
【００３５】
一方、排気通路４０には、小型タービン６２ｂをバイパスする小型排気バイパス通路６４と、大型タービン６１ｂをバイパスする大型排気バイパス通路６５とが接続されている。小型排気バイパス通路６４には、該小型排気バイパス通路６４へ流れる排気量を調整するためのレギュレートバルブ６４ａが配設され、大型排気バイパス通路６５には、該大型排気バイパス通路６５へ流れる排気量を調整するためのウエストゲートバルブ６５ａが配設されている。レギュレートバルブ６４ａ及びウエストゲートバルブ６５ａは共に、無通電時には全開状態（ノーマルオープン）となるように構成されている。
【００３６】
このように構成されたディーゼルエンジン１は、パワートレイン・コントロール・モジュール（以下、ＰＣＭという）１０によって制御される。ＰＣＭ１０は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。このＰＣＭ１０が再生制御部を構成する。ＰＣＭ１０には、図２に示すように、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサＳＷ１、サージタンク３３に取り付けられて、燃焼室１４ａに供給される空気の圧力を検出する過給圧センサＳＷ２、吸入空気の温度を検出する吸気温度センサＳＷ３、クランクシャフト１５の回転角を検出するクランク角センサＳＷ４、車両のアクセルペダル（図示省略）の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサＳＷ５、ＤＰＦ４１ｂの上流側の排気圧力を検出する上流側排圧センサＳＷ６，及び、ＤＰＦ４１ｂの下流側の排気圧力を検出する下流側排圧センサＳＷ７の検出信号が入力され、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン１や車両の状態を判定し、これに応じてインジェクタ１８、グロープラグ１９，動弁系のＶＶＭ７１、各種の弁３６、５１ａ、６３ａ、６４ａ、６５ａのアクチュエータへ制御信号を出力する。
【００３７】
そうして、このエンジン１は、その幾何学的圧縮比を１２以上１５以下とした、比較的低圧縮比となるように構成されており、これによって排気エミッション性能の向上及び熱効率の向上を図るようにしている。一方で、このエンジン１では、前述した大型及び小型ターボ過給機６１，６２によってトルクを高めるようにして、幾何学的圧縮比の低圧縮比化を補っている。
【００３８】
（エンジンの燃焼制御の概要）
上記ＰＣＭ１０は、エンジン１の基本的な制御として、主にエンジン回転数及びアクセル開度に基づいて目標トルク（目標となる負荷）を決定し、これに対応する燃料の噴射量や噴射時期等をインジェクタ１８の作動制御によって実現する。目標トルクは、アクセル開度が大きくなるほど、またエンジン回転数が高くなるほど大きくなるように設定される。目標トルクとエンジン回転数とに基づいて燃料の噴射量が設定される。噴射量は、目標トルクが高くなるほど、またエンジン回転数が高くなるほど大きくなるようにされる。
【００３９】
また、ＰＣＭ１０は、スロットル弁３６や排気ガス還流弁５１ａの開度の制御（外部ＥＧＲ制御）や、ＶＶＭ７１の制御（内部ＥＧＲ制御）によって、気筒１１ａ内への排気の還流割合を制御する。
【００４０】
さらに、ＰＣＭ１０は、ＤＰＦ４１ｂの再生条件が成立したときに、インジェクタ１８を作動制御することによって、フィルタ再生を実行する。フィルタ再生としては、温間時に行われる通常モードと、冷間時に行われる冷間モードとがある。以下、図３〜５を参照しながら、通常モードと冷間モードについて説明する。尚、図３〜図５に示す燃料噴射量や熱発生率は、これらの図を相互に比較したときに、必ずしも、相対的な燃料噴射量の大小や熱発生率の大小を示してはいない。
【００４１】
通常モードでは、ＰＣＭ１０は、ＤＰＦ４１ｂの再生条件が成立したときに、インジェクタ１８に主噴射に続いてポスト噴射を行わせる。図３は、通常モードにおける燃料噴射形態（上図）及びそれに伴う気筒１１ａ内の熱発生率の履歴の一例（下図）を示している。
【００４２】
ここで、ＤＰＦ４１ｂの再生条件とは、ＤＰＦ４１ｂの再生が必要と判定し得る所定の条件である。一例として、本実施形態では、上流側及び下流側排圧センサＳＷ６，ＳＷ７より検出されるＤＰＦ４１ｂの上流側の排気圧力と下流側の排気圧力との差圧ΔＰが所定値以上となることをもって、ＤＰＦ４１ｂの再生条件成立としている。すなわち、ＤＰＦ４１ｂのＰＭ捕集量が多くなるほど、ＤＰＦ４１ｂでの排気の流れが悪くなり、上記差圧ΔＰが上昇する。尚、フィルタ再生は、上記差圧ΔＰが、再生条件としての所定値よりも小さい所定の下限値を下回ることをもって、終了する。
【００４３】
図３の例では、圧縮上死点前の圧縮行程中において、プレ噴射を１回実行し、その後の圧縮上死点付近において主噴射を１回実行し、主噴射の後にポスト噴射を２回実行する。ここで、プレ噴射は、圧縮上死点前の所定の時期にプレ燃焼を発生させて、主噴射による燃料の着火遅れを抑制するための燃料噴射である。上記主噴射は、エンジン１のトルクを発生させるための燃焼である主燃焼を発生させるための燃料噴射である。主噴射は、基本的には各気筒１１ａの圧縮行程上死点付近に設定されているが、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、そのことを考慮して補正される。この主噴射により、気筒１１ａ内では主燃焼として、拡散燃焼を主体とした燃焼が発生する。ポスト噴射は、未燃燃料を排気通路４０に導入するための燃料噴射であって、主燃焼後に噴射される。換言すれば、ポスト噴射は、気筒１１ａ内で燃焼を発生させない燃料噴射である。このポスト噴射が、第２後段噴射に相当する。つまり、ポスト噴射により気筒１１ａ内に噴射された燃料は、燃焼することなく、未燃燃料として排気通路４０へ排出される。その後、この未燃燃料は、酸化触媒４１ａまで到達し、酸化触媒４１ａにおいて酸化反応を生じる。このとき生じる反応熱によってＤＰＦ４１ｂに流入する排気ガスの温度が高まる。こうして、ＤＰＦ４１ｂに捕集されたＰＭが焼却除去され、フィルタ再生が実行される。
【００４４】
尚、プレ噴射、主噴射及びポスト噴射の噴射形態は、エンジン１の運転状態に応じて適宜変更される。例えば、プレ噴射、主噴射及びポスト噴射の回数、タイミングは適宜変更し得る。また、プレ噴射は省略され得る。さらに、プレ噴射の代わりに、プレ噴射よりも早いタイミングで噴射される、燃料の予混合性を高めるためのパイロット噴射が行われる場合もあり得る。これは、以下の冷間モードの燃料噴射形態においても同様である。
【００４５】
図４，５は、冷間モードにおける燃料噴射形態（上図）及びそれに伴う気筒１１ａ内の熱発生率の履歴の一例（下図）を示しており、図４は半暖機前に行われる第１冷間モードを、図５は半暖機後に行われる第２冷間モードを示す。この冷間モードは、エンジン１の暖機前であって、エンジン１の運転状態が相対的に低負荷の運転領域（エンジンの運転領域を、低負荷側と高負荷側との２つに分けた場合の低負荷側の領域）にあるときに実行される。尚、エンジン１の暖機前であっても、エンジン１の運転状態が相対的に高負荷の運転領域にあるときには、通常モードによってフィルタ再生が実行される。
【００４６】
ＰＣＭ１０は、水温センサＳＷ１の検出信号に基づいて、エンジン１が半暖機前であると判定したとき（例えば、エンジン１の温度が所定の第１温度（例えば、４０℃）未満のとき）には、第１冷間モードを実行する。第１冷間モードにおいては、図４に示すように、圧縮上死点前の圧縮行程中において、プレ噴射を１回実行し、その後の圧縮上死点付近において主噴射を１回実行し、主噴射の後にアフタ噴射を複数回実行する。ここで、アフタ噴射は、主燃焼期間中に噴射され、主燃焼に継続して燃焼を発生させるための燃料噴射である。主燃焼期間は、少なくともＴＤＣを含み、主燃焼による熱発生が開始してから終了するまでの期間である。詳しくは、アフタ噴射は、主燃焼期間の比較的遅いタイミング（主燃焼期間を二分割した場合の少なくとも後半に含まれるタイミング）で実行される。アフタ噴射は、主燃焼を継続させて、燃焼期間を長期化させる。尚、図４中の破線は、アフタ噴射をしない場合、即ち、圧縮上死点後に主噴射だけ行った場合の主燃焼による熱発生率を表している。これにより、気筒１１ａ内の温度の低下を抑制して、膨張行程中の気筒１１ａ内の温度を高い温度のままに保持する。これによって、アフタ噴射を行わない場合に比べて、筒内温度及び排気温度が上昇する。このとき、ＰＣＭ１０は、エンジン１の温度が低いほど、アフタ噴射の回数が多くなるように、アフタ噴射の回数を調整する。これにより、エンジン１の温度が低いときほど、筒内温度及び排気温度をより大きく上昇させることができる。このアフタ噴射が第１後段噴射に相当する。
【００４７】
このように、第１冷間モードでは、主噴射後において、ポスト噴射を行うことなく、アフタ噴射のみを複数回行う。つまり、第１冷間モードでは、フィルタ再生よりも、筒内温度及び排気温度を上昇させることを優先している。
【００４８】
そして、ＰＣＭ１０は、水温センサＳＷ１の検出信号に基づいて、エンジン１が半暖機状態になり且つ未暖機状態であると判定したとき（例えば、エンジン１の温度が上記第１温度以上であって、暖機が完了したと判定し得る所定の第２温度（例えば、６０℃）未満のとき）には、第２冷間モードを実行する。第２冷間モードにおいては、図５に示すように、圧縮上死点前の圧縮行程中において、プレ噴射を１回実行し、その後の圧縮上死点付近において主噴射を１回実行し、主噴射の後にアフタ噴射を１回実行し、アフタ噴射の後にポスト噴射を２回実行する。つまり、第２冷間モードでは、第１冷間モードよりもアフタ噴射の回数が減り、ポスト噴射が追加されている。半暖機状態では、半暖機前と比較して排気温度が上昇しているため、ポスト噴射を実行してフィルタ再生を開始する。ただし、暖機状態と比べると、排気温度が低いため、アフタ噴射による排気温度の上昇を継続している。こうして、酸化触媒４１ａの活性化が促進されつつ、フィルタ再生が実行される。
【００４９】
尚、エンジン１の暖機が完了すると、第２冷間モードから通常モードに切り換わり、アフタ噴射を行うことなく、ポスト噴射を行って、フィルタ再生が実行される。
【００５０】
したがって、本実施形態によれば、エンジン１の半暖機前の状態においては、主噴射後に、ポスト噴射を行うことなく、アフタ噴射のみを複数回行うことによって、筒内温度及び排気温度を早急に上昇させることができる。そして、エンジン１が半暖機状態となると、ポスト噴射を行うことによって、フィルタ再生を実行することができる。こうして、エンジン１の暖機前であっても、フィルタ再生を実行可能な状態に早急にすることができる。
【００５１】
特に、本実施形態のエンジン１は、幾何学的圧縮比が１２以上１５以下と低圧縮比に設定されている。低圧縮比のエンジン１においては、排気温度が上昇し難く、冷間時におけるフィルタ再生には不利である。それに加えて、エンジン１の運転領域が相対的に低負荷の運転領域にあるときには、排気温度が上昇し難い。このようにフィルタ再生に不利な状況においても、上記第１冷間モード及び第２冷間モードを実行することによって、フィルタ再生可能な状態に早期にすることができる。
【００５２】
また、エンジン１の半暖機状態においては、ポスト噴射だけでなく、アフタ噴射も行うことによって、酸化触媒４１ａの活性化を促進しつつ、フィルタ再生を実行することができる。酸化触媒４１ａでの未燃燃料の酸化反応をさらに促進させ、フィルタ再生を良好に行うことができる。
【００５３】
さらに、エンジン１が暖機状態なると、アフタ噴射を停止して、ポスト噴射だけを行うことによって、燃費を向上させ且つエンジン１のトルクへの影響を防止しつつ、フィルタ再生を実行することができる。つまり、アフタ噴射は、トルクの発生というよりも、気筒内温度及び排気温度の上昇を目的としているため、燃費の観点からは好ましくない燃料噴射である。また、アフタ噴射は、主燃焼を継続させる燃焼を発生させるため、多少なりとも、エンジンのトルクに影響を与える。よって、排気温度が十分に上昇している暖機完了後は、アフタ噴射を停止することによって、燃費を向上させると共に、エンジン１のトルクへの影響を防止することができる。
【００５４】
さらにまた、エンジン１の主燃焼を拡散燃焼を主体とする燃焼とすることによって、アフタ噴射による燃焼期間の長期化を実現可能とすることができる。
【００５５】
尚、ＰＣＭ１０は、第１冷間モードにおいて、エンジン１の温度に応じて、アフタ噴射の回数を調整しているが、これに限られるものではない。例えば、ＰＣＭ１０は、第１冷間モードにおけるアフタ噴射の回数を一定とし、第２冷間モード、通常モードとモードがエンジン温度の高い方へ移行する度に、アフタ噴射の回数を減らすように調整してもよい。すなわち、アフタ噴射の回数を、第１冷間モードにおいては常に５回、第２冷間モードでは常に１回、通常モードでは常に０回としてもよい。
【００５６】
さらに、上記実施形態では、第２冷間モードにおけるアフタ噴射の回数は１回であるが、これに限られるものではない。第２冷間モードにおけるアフタ噴射の回数を２回又はそれ以上としてもよい。あるいは、第２冷間モードの中で、エンジン１の温度が低いほど、アフタ噴射の回数が増えるように、アフタ噴射の回数を調整してもよい。
【００５７】
また、ＰＣＭ１０は、ＤＰＦ４１ｂの再生条件が成立したときの冷間時に第１冷間モードを実行しているが、これに限られるものではない。すなわち、ＰＣＭ１０は、エンジン１の暖機前においては、ＤＰＦ４１ｂの再生条件の成立か否かにかかわらず、第１冷間モードを実行して、エンジン１を早期に半暖機状態にするように構成してもよい。かかる場合には、ＰＣＭ１０は、エンジン１が半暖機状態になったときに、ＤＰＦ４１ｂの再生条件が成立している場合には第２冷間モードを実行する一方、ＤＰＦ４１ｂの再生条件が成立していない場合には第１冷間モードを停止するか又はエンジン１が暖機状態となるまで第１冷間モードを続行するようにしてもよい。
【００５８】
さらに、ＰＣＭ１０は、エンジン１が相対的に低負荷の運転領域にあるときに冷間モードを実行しているが、低負荷の運転領域内における相対的に低回転側の運転領域（エンジンの運転領域を、低回転側と高回転側との２つに分けた場合の低回転側の領域）でのみ冷間モードを実行するようにしてもよい。低負荷の運転領域であっても、相対的に高回転側の運転領域においては排気温度が比較的上昇し易い。すなわち、低負荷であって且つ低回転側の運転領域は、排気温度が特に上昇し難い。そのため、上記冷間モードが特に有効となる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
以上説明したように、本発明は、酸化機能を有する触媒とＤＰＦとを排気通路に備えたディーゼルエンジンについて有用である。
【符号の説明】
【００６０】
１ ディーゼルエンジン（エンジン本体）
１０ ＰＣＭ（再生制御部）
１１ａ 気筒
１４ ピストン
１８ インジェクタ（燃料噴射弁）
４０ 排気通路
４１ａ 酸化触媒（触媒）
４１ｂ ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化機能を有する触媒とパティキュレートフィルタとを排気通路に備えたディーゼルエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、「ＤＰＦ」ともいう）が排気通路に設けられたディーゼルエンジンがよく知られている。このＤＰＦは、排気中の粒子状物質（ＰＭ：Particulate matter。以下、「ＰＭ」ともいう）を捕捉するものであり、ＰＭの堆積量が増加すると、再生する必要がある。このようなＤＰＦの上流側には、通常、酸化機能を有する触媒、例えば、酸化触媒が設けられており、ＤＰＦの再生には、この触媒が利用される。例えば、特許文献１に係るディーゼルエンジンでは、気筒内にトルク発生のための燃料を噴射する主噴射を行った後に、ポスト噴射を行って、未燃状態の燃料を排気通路へ導入している。未燃燃料が触媒まで到達すると、そこで酸化反応して、排気温度を上昇させる。その結果、ＤＰＦに堆積したＰＭが高温の排気によって焼却除去される。こうして、ＤＰＦの再生が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２９３３８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のＤＰＦの再生では、未燃燃料を触媒で酸化反応させるため、排気温度が或る程度高いことが必要である。つまり、排気温度が低いと、触媒での未燃燃料の反応が不十分となり、ひいては、ＤＰＦの再生が困難となる。
【０００５】
ところで、ドライバの中には、１度の運転時間が非常に短いドライバも少なからず存在する。例えば、自動車には乗るものの、遠出をすることがなく、ちょっとした近所への移動にしか自動車を利用しないようなドライバがその一例である。このように、乗車時間が短いと、エンジンの暖機が完了する前に、運転が終了する場合も多くある。エンジンの暖機が完了していない状態では、排気温度も十分上昇していないため、上述のＤＰＦの再生を適切に行うことができない。
【０００６】
ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エンジンの暖機前でもＤＰＦの再生を実行可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ここに開示された技術は、軽油を主成分とする燃料が供給されるエンジン本体と、該エンジン本体の気筒内に臨んで配設され且つ該気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、該エンジン本体に接続された排気通路内に配設される酸化機能を有する触媒と、該排気通路内において該触媒の下流に配設されるＤＰＦとを備えたディーゼルエンジンが対象である。そして、上記ＤＰＦのフィルタ再生を実行する再生制御部をさらに備え、上記再生制御部は、上記エンジン本体が所定の低負荷の運転領域にあるときに、主燃焼を発生させるための燃料を噴射する主噴射と該主燃焼に継続する燃焼を発生させるために燃料を噴射する第１後段噴射とを上記燃料噴射弁に行わせると共に、上記第１後段噴射の回数を上記エンジン本体の温度が低いときほど多くなるように調整し、上記エンジン本体の温度が、該エンジン本体の暖機が完了したと判定できる温度である第２温度よりも低い所定の第１温度以上になると、主燃焼に継続する燃焼を生じさせないタイミングで燃料を噴射する第２後段噴射を上記燃料噴射弁に行わせることによって上記フィルタ再生を実行するものとする。
【０００８】
上記の構成によれば、エンジン本体が低負荷の運転領域にあるときに、上記第１後段噴射が行われる。エンジン本体が低負荷の運転領域にあるときには、排気温度が上昇し難いが、第１後段噴射によって、該第１後段噴射に起因する燃焼が主燃焼に継続するため、気筒内での燃焼を長期化させることができ、膨張行程中の気筒内の温度低下を抑制することができる。これにより、気筒内温度及び排気温度を上昇させることができる。そして、エンジン本体の温度が低いときほど、第１後段噴射の回数を増やすので、エンジン本体の温度が低いときほど、気筒内温度及び排気温度をより大きく上昇させることができる。そして、エンジン本体の温度が上記第１温度以上となると、上記第２後段噴射が実行される。第２後段噴射により噴射された燃焼は、気筒内で燃焼することなく、排気通路へ導入され、触媒まで到達する。ここで、エンジン本体の温度が第１温度以上となったときには、排気温度もある程度上昇しているので、未燃燃料は、触媒において効率良く酸化反応し、その反応熱でＤＰＦの再生を行うことができる。
【０００９】
すなわち、エンジン本体の暖機が完了する前においては排気温度が低く、それに加えて、エンジン本体が低負荷の運転領域にあるときには、排気温度が上昇し難い。このような場合であっても、上記第１後段噴射を行うことによって排気温度を早期に上昇させる。そして、暖機完了前ではあるが、エンジン温度が上記第１温度以上となったときには、上記第２後段噴射を行ってフィルタ再生を実行する。このように、エンジン本体の暖機完了前であっても、排気温度を早期に上昇させてフィルタ再生を実行することができる。
【００１０】
また、上記再生制御部は、上記エンジン本体の温度が上記第１温度以上であって上記第２温度未満のときは、上記第１後段噴射と上記第２後段噴射とを上記燃料噴射弁に行わせるようにしてもよい。
【００１１】
上記の構成によれば、エンジン本体の温度が上記第１温度以上となった場合であっても、直ちに上記第１後段噴射を停止するのではなく、エンジン本体の暖機が完了するまで（即ち、エンジン本体の温度が上記第２温度となるまで）の間は、上記第２後段噴射に加えて、第１後段噴射も行う。つまり、エンジン本体の温度が上記第１温度以上であるとはいっても、エンジン本体の暖機完了前であるため、上記第１後段噴射によって排気温度を可及的に上昇させて、未燃燃料の酸化反応にとって有利な環境を実現している。こうして、エンジン本体の暖機が完了する前であっても、未燃燃料を触媒で効率良く反応させて、良好なフィルタ再生を確実なものとしている。
【００１２】
さらに、上記再生制御部は、上記エンジン本体の温度が上記第２温度以上であるときには、上記燃料噴射弁に上記第１後段噴射を行わせることなく、上記第２後段噴射を行わせるようにしてもよい。
【００１３】
上記の構成によれば、エンジン本体の暖機が完了した後は、排気温度も十分上昇しているため、上記第１後段噴射を停止して、第２後段噴射を行う。第１後段噴射は、トルクの発生というよりも、気筒内温度及び排気温度の上昇を目的としているため、燃費の観点からは好ましくない燃料噴射である。また、第１後段噴射は、主燃焼を継続させる燃焼を発生させるため、多少なりとも、エンジンのトルクに影響を与える。したがって、排気温度が十分上昇した後は、第１後段噴射を停止することによって、燃費の低下を防止することができると共に、トルクへの悪影響を防止することができる。
【００１４】
また、上記第１後段噴射を行うときの上記エンジン本体の燃焼は、拡散燃焼を主体とした燃焼であることが好ましい。
【００１５】
拡散燃焼は、予混合燃焼と比較して、燃焼期間が長くなる。つまり、拡散燃焼は、上記第１後段噴射を組み合わせることによって、より効果的に燃焼期間を長期化させて、気筒内温度及び排気温度を上昇させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
上記ディーゼルエンジンによれば、エンジン本体の暖機前であって且つ、エンジン本体が低負荷の運転領域にあるとき、すなわち、排気温度が低く且つ上昇し難い状況であっても、第１後段噴射によって気筒内での燃焼を長期化させて排気温度を早期に上昇させることができ、エンジン本体の暖機前であってもフィルタ再生の実行を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ターボ過給機付ディーゼルエンジンの構成を示す概略図である。
【図２】ディーゼルエンジンの制御に係るブロック図である。
【図３】通常モードのフィルタ再生における燃料噴射形態の一例と、それに伴う気筒１１ａ内の熱発生率の履歴の一例を示す図である。
【図４】第１冷間モードのフィルタ再生における燃料噴射形態の一例と、それに伴う気筒１１ａ内の熱発生率の履歴の一例を示す図である。
【図５】第２冷間モードのフィルタ再生における燃料噴射形態の一例と、それに伴う気筒１１ａ内の熱発生率の履歴の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、実施形態に係るディーゼルエンジンを図面に基づいて説明する。尚、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。図１，２は、実施形態に係るエンジン（エンジン本体）１の概略構成を示す。このエンジン１は、車両に搭載されると共に、軽油を主成分とした燃料が供給されるディーゼルエンジンであって、複数の気筒１１ａ（１つのみ図示）が設けられたシリンダブロック１１と、このシリンダブロック１１上に配設されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１の下側に配設され、潤滑油が貯溜されたオイルパン１３とを有している。このエンジン１の各気筒１１ａ内には、ピストン１４が往復動可能にそれぞれ嵌挿されていて、このピストン１４の頂面にはリエントラント形燃焼室１４ａを区画するキャビティが形成されている。このピストン１４は、コンロッド１４ｂを介してクランクシャフト１５と連結されている。
【００１９】
上記シリンダヘッド１２には、各気筒１１ａ毎に吸気ポート１６及び排気ポート１７が形成されているとともに、これら吸気ポート１６及び排気ポート１７の燃焼室１４ａ側の開口を開閉する吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ配設されている。
【００２０】
これら吸排気弁２１，２２をそれぞれ駆動する動弁系において、排気弁側には、当該排気弁２２の作動モードを通常モードと特殊モードとに切り替える油圧作動式の可変機構（図２参照。以下、ＶＶＭ（Variable Valve Motion）と称する）７１が設けられている。このＶＶＭ７１は、その構成の詳細な図示は省略するが、カム山を１つ有する第１カムとカム山を２つ有する第２カムとの、カムプロファイルの異なる２種類のカム、及び、その第１及び第２カムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に排気弁に伝達するロストモーション機構を含んで構成されており、第１カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２は、排気行程中において一度だけ開弁される通常モードで作動するのに対し、第２カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２が、排気行程中において開弁すると共に、吸気行程中においても開弁するような、いわゆる排気の二度開きを行う特殊モードで作動する。
【００２１】
ＶＶＭ７１の通常モードと特殊モードとの切り替えは、エンジン駆動の油圧ポンプ（図示省略）から供給される油圧によって行われ、特殊モードは、内部ＥＧＲに係る制御の際に利用され得る。尚、こうした通常モードと特殊モードとの切り替えを可能にする上で、排気弁２２を電磁アクチュエータによって駆動する電磁駆動式の動弁系を採用してもよい。また、内部ＥＧＲの実行としては、排気の二度開きに限定されるものではなく、例えば吸気弁２１を２回開く、吸気の二度開きによって内部ＥＧＲ制御を行ってもよいし、排気行程乃至吸気行程において吸気弁２１及び排気弁２２の双方を閉じるネガティブオーバーラップ期間を設けて既燃ガスを残留させる内部ＥＧＲ制御を行ってもよい。
【００２２】
上記シリンダヘッド１２には、燃料を噴射するインジェクタ１８と、エンジン１の冷間時に吸入空気を暖めて燃料の着火性を高めるためのグロープラグ１９とが設けられている。上記インジェクタ１８は、その燃料噴射口が燃焼室１４ａの天井面から該燃焼室１４ａに臨むように配設されていて、基本的には圧縮行程上死点付近で、燃焼室１４ａに燃料を直接噴射供給するようになっている。このインジェクタ１８が燃料噴射弁を構成する。
【００２３】
上記エンジン１の一側面には、各気筒１１ａの吸気ポート１６に連通するように吸気通路３０が接続されている。一方、上記エンジン１の他側面には、各気筒１１ａの燃焼室１４ａからの既燃ガス（排気ガス）を排出する排気通路４０が接続されている。これら吸気通路３０及び排気通路４０には、詳しくは後述するが、吸入空気の過給を行う大型ターボ過給機６１と小型ターボ過給機６２とが配設されている。
【００２４】
吸気通路３０の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ３１が配設されている。一方、吸気通路３０における下流端近傍には、サージタンク３３が配設されている。このサージタンク３３よりも下流側の吸気通路３０は、各気筒１１ａ毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒１１ａの吸気ポート１６にそれぞれ接続されている。
【００２５】
吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とサージタンク３３との間には、大型及び小型ターボ過給機６１，６２のコンプレッサ６１ａ，６２ａと、該コンプレッサ６１ａ，６２ａにより圧縮された空気を冷却するインタークーラ３５と、上記各気筒１１ａの燃焼室１４ａへの吸入空気量を調節するスロットル弁３６とが配設されている。このスロットル弁３６は、基本的には全開状態とされるが、エンジン１の停止時には、ショックが生じないように全閉状態とされる。
【００２６】
上記排気通路４０の上流側の部分は、各気筒１１ａ毎に分岐して排気ポート１７の外側端に接続された独立通路と該各独立通路が集合する集合部とを有する排気マニホールドによって構成されている。
【００２７】
この排気通路４０における排気マニホールドよりも下流側には、上流側から順に、小型ターボ過給機６２のタービン６２ｂ、大型ターボ過給機６１のタービン６１ｂと、排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置４１と、サイレンサ４２とが配設されている。
【００２８】
この排気浄化装置４１は、酸化触媒４１ａと、ＤＰＦ４１ｂとを有しており、上流側から、この順に並んでいる。酸化触媒４１ａ及びＤＰＦ４１ｂは１つのケース内に収容されている。上記酸化触媒４１ａは、白金又は白金にパラジウムを加えたもの等を担持した酸化触媒を有していて、排気ガス中のＣＯ及びＨＣが酸化されてＣＯ２及びＨ２Ｏが生成する反応を促すものである。この酸化触媒４１ａが、酸化機能を有する触媒を構成する。また、上記ＤＰＦ４１ｂは、エンジン１の排気ガス中に含まれる煤等のＰＭを捕集するものであって、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）やコーディエライト等の耐熱性セラミック材によって形成されたウォールフロー型フィルタ、或いは耐熱性セラミックス繊維によって形成された三次元網目状フィルタである。尚、ＤＰＦ４１ｂに酸化触媒をコーティングしてもよい。
【００２９】
上記吸気通路３０における上記サージタンク３３とスロットル弁３６との間の部分（つまり小型ターボ過給機６２の小型コンプレッサ６２ａよりも下流側部分）と、上記排気通路４０における上記排気マニホールドと小型ターボ過給機６２の小型タービン６２ｂとの間の部分（つまり小型ターボ過給機６２の小型タービン６２ｂよりも上流側部分）とは、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するための排気ガス還流通路５１によって接続されている。この排気ガス還流通路５１には、排気ガスの吸気通路３０への還流量を調整するための排気ガス還流弁５１ａ及び排気ガスをエンジン冷却水によって冷却するためのＥＧＲクーラ５２とが配設されている。
【００３０】
大型ターボ過給機６１は、吸気通路３０に配設された大型コンプレッサ６１ａと、排気通路４０に配設された大型タービン６１ｂとを有している。大型コンプレッサ６１ａは、吸気通路３０におけるエアクリーナ３１とインタークーラ３５との間に配設されている。一方、大型タービン６１ｂは、排気通路４０における排気マニホールドと酸化触媒４１ａとの間に配設されている。
【００３１】
小型ターボ過給機６２は、吸気通路３０に配設された小型コンプレッサ６２ａと、排気通路４０に配設された小型タービン６２ｂとを有している。小型コンプレッサ６２ａは、吸気通路３０における大型コンプレッサ６１ａの下流側に配設されている。一方、小型タービン６２ｂは、排気通路４０における大型タービン６１ｂの上流側に配設されている。
【００３２】
すなわち、吸気通路３０においては、上流側から順に大型コンプレッサ６１ａと小型コンプレッサ６２ａとが直列に配設され、排気通路４０においては、上流側から順に小型タービン６２ｂと大型タービン６１ｂとが直列に配設されている。これら大型及び小型タービン６１ｂ，６２ｂが排気ガス流により回転し、これら大型及び小型タービン６１ｂ，６２ｂの回転により、該大型及び小型タービン６１ｂ，６２ｂとそれぞれ連結された上記大型及び小型コンプレッサ６１ａ，６２ａがそれぞれ作動する。
【００３３】
小型ターボ過給機６２は、相対的に小型のものであり、大型ターボ過給機６１は、相対的に大型のものである。すなわち、大型ターボ過給機６１の大型タービン６１ｂの方が小型ターボ過給機６２の小型タービン６２ｂよりもイナーシャが大きい。
【００３４】
そして、吸気通路３０には、小型コンプレッサ６２ａをバイパスする小型吸気バイパス通路６３が接続されている。この小型吸気バイパス通路６３には、該小型吸気バイパス通路６３へ流れる空気量を調整するための小型吸気バイパス弁６３ａが配設されている。この小型吸気バイパス弁６３ａは、無通電時には全閉状態（ノーマルクローズ）となるように構成されている。
【００３５】
一方、排気通路４０には、小型タービン６２ｂをバイパスする小型排気バイパス通路６４と、大型タービン６１ｂをバイパスする大型排気バイパス通路６５とが接続されている。小型排気バイパス通路６４には、該小型排気バイパス通路６４へ流れる排気量を調整するためのレギュレートバルブ６４ａが配設され、大型排気バイパス通路６５には、該大型排気バイパス通路６５へ流れる排気量を調整するためのウエストゲートバルブ６５ａが配設されている。レギュレートバルブ６４ａ及びウエストゲートバルブ６５ａは共に、無通電時には全開状態（ノーマルオープン）となるように構成されている。
【００３６】
このように構成されたディーゼルエンジン１は、パワートレイン・コントロール・モジュール（以下、ＰＣＭという）１０によって制御される。ＰＣＭ１０は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。このＰＣＭ１０が再生制御部を構成する。ＰＣＭ１０には、図２に示すように、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサＳＷ１、サージタンク３３に取り付けられて、燃焼室１４ａに供給される空気の圧力を検出する過給圧センサＳＷ２、吸入空気の温度を検出する吸気温度センサＳＷ３、クランクシャフト１５の回転角を検出するクランク角センサＳＷ４、車両のアクセルペダル（図示省略）の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサＳＷ５、ＤＰＦ４１ｂの上流側の排気圧力を検出する上流側排圧センサＳＷ６，及び、ＤＰＦ４１ｂの下流側の排気圧力を検出する下流側排圧センサＳＷ７の検出信号が入力され、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン１や車両の状態を判定し、これに応じてインジェクタ１８、グロープラグ１９，動弁系のＶＶＭ７１、各種の弁３６、５１ａ、６３ａ、６４ａ、６５ａのアクチュエータへ制御信号を出力する。
【００３７】
そうして、このエンジン１は、その幾何学的圧縮比を１２以上１５以下とした、比較的低圧縮比となるように構成されており、これによって排気エミッション性能の向上及び熱効率の向上を図るようにしている。一方で、このエンジン１では、前述した大型及び小型ターボ過給機６１，６２によってトルクを高めるようにして、幾何学的圧縮比の低圧縮比化を補っている。
【００３８】
（エンジンの燃焼制御の概要）
上記ＰＣＭ１０は、エンジン１の基本的な制御として、主にエンジン回転数及びアクセル開度に基づいて目標トルク（目標となる負荷）を決定し、これに対応する燃料の噴射量や噴射時期等をインジェクタ１８の作動制御によって実現する。目標トルクは、アクセル開度が大きくなるほど、またエンジン回転数が高くなるほど大きくなるように設定される。目標トルクとエンジン回転数とに基づいて燃料の噴射量が設定される。噴射量は、目標トルクが高くなるほど、またエンジン回転数が高くなるほど大きくなるようにされる。
【００３９】
また、ＰＣＭ１０は、スロットル弁３６や排気ガス還流弁５１ａの開度の制御（外部ＥＧＲ制御）や、ＶＶＭ７１の制御（内部ＥＧＲ制御）によって、気筒１１ａ内への排気の還流割合を制御する。
【００４０】
さらに、ＰＣＭ１０は、ＤＰＦ４１ｂの再生条件が成立したときに、インジェクタ１８を作動制御することによって、フィルタ再生を実行する。フィルタ再生としては、温間時に行われる通常モードと、冷間時に行われる冷間モードとがある。以下、図３〜５を参照しながら、通常モードと冷間モードについて説明する。尚、図３〜図５に示す燃料噴射量や熱発生率は、これらの図を相互に比較したときに、必ずしも、相対的な燃料噴射量の大小や熱発生率の大小を示してはいない。
【００４１】
通常モードでは、ＰＣＭ１０は、ＤＰＦ４１ｂの再生条件が成立したときに、インジェクタ１８に主噴射に続いてポスト噴射を行わせる。図３は、通常モードにおける燃料噴射形態（上図）及びそれに伴う気筒１１ａ内の熱発生率の履歴の一例（下図）を示している。
【００４２】
ここで、ＤＰＦ４１ｂの再生条件とは、ＤＰＦ４１ｂの再生が必要と判定し得る所定の条件である。一例として、本実施形態では、上流側及び下流側排圧センサＳＷ６，ＳＷ７より検出されるＤＰＦ４１ｂの上流側の排気圧力と下流側の排気圧力との差圧ΔＰが所定値以上となることをもって、ＤＰＦ４１ｂの再生条件成立としている。すなわち、ＤＰＦ４１ｂのＰＭ捕集量が多くなるほど、ＤＰＦ４１ｂでの排気の流れが悪くなり、上記差圧ΔＰが上昇する。尚、フィルタ再生は、上記差圧ΔＰが、再生条件としての所定値よりも小さい所定の下限値を下回ることをもって、終了する。
【００４３】
図３の例では、圧縮上死点前の圧縮行程中において、プレ噴射を１回実行し、その後の圧縮上死点付近において主噴射を１回実行し、主噴射の後にポスト噴射を２回実行する。ここで、プレ噴射は、圧縮上死点前の所定の時期にプレ燃焼を発生させて、主噴射による燃料の着火遅れを抑制するための燃料噴射である。上記主噴射は、エンジン１のトルクを発生させるための燃焼である主燃焼を発生させるための燃料噴射である。主噴射は、基本的には各気筒１１ａの圧縮行程上死点付近に設定されているが、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、そのことを考慮して補正される。この主噴射により、気筒１１ａ内では主燃焼として、拡散燃焼を主体とした燃焼が発生する。ポスト噴射は、未燃燃料を排気通路４０に導入するための燃料噴射であって、主燃焼後に噴射される。換言すれば、ポスト噴射は、気筒１１ａ内で燃焼を発生させない燃料噴射である。このポスト噴射が、第２後段噴射に相当する。つまり、ポスト噴射により気筒１１ａ内に噴射された燃料は、燃焼することなく、未燃燃料として排気通路４０へ排出される。その後、この未燃燃料は、酸化触媒４１ａまで到達し、酸化触媒４１ａにおいて酸化反応を生じる。このとき生じる反応熱によってＤＰＦ４１ｂに流入する排気ガスの温度が高まる。こうして、ＤＰＦ４１ｂに捕集されたＰＭが焼却除去され、フィルタ再生が実行される。
【００４４】
尚、プレ噴射、主噴射及びポスト噴射の噴射形態は、エンジン１の運転状態に応じて適宜変更される。例えば、プレ噴射、主噴射及びポスト噴射の回数、タイミングは適宜変更し得る。また、プレ噴射は省略され得る。さらに、プレ噴射の代わりに、プレ噴射よりも早いタイミングで噴射される、燃料の予混合性を高めるためのパイロット噴射が行われる場合もあり得る。これは、以下の冷間モードの燃料噴射形態においても同様である。
【００４５】
図４，５は、冷間モードにおける燃料噴射形態（上図）及びそれに伴う気筒１１ａ内の熱発生率の履歴の一例（下図）を示しており、図４は半暖機前に行われる第１冷間モードを、図５は半暖機後に行われる第２冷間モードを示す。この冷間モードは、エンジン１の暖機前であって、エンジン１の運転状態が相対的に低負荷の運転領域（エンジンの運転領域を、低負荷側と高負荷側との２つに分けた場合の低負荷側の領域）にあるときに実行される。尚、エンジン１の暖機前であっても、エンジン１の運転状態が相対的に高負荷の運転領域にあるときには、通常モードによってフィルタ再生が実行される。
【００４６】
ＰＣＭ１０は、水温センサＳＷ１の検出信号に基づいて、エンジン１が半暖機前であると判定したとき（例えば、エンジン１の温度が所定の第１温度（例えば、４０℃）未満のとき）には、第１冷間モードを実行する。第１冷間モードにおいては、図４に示すように、圧縮上死点前の圧縮行程中において、プレ噴射を１回実行し、その後の圧縮上死点付近において主噴射を１回実行し、主噴射の後にアフタ噴射を複数回実行する。ここで、アフタ噴射は、主燃焼期間中に噴射され、主燃焼に継続して燃焼を発生させるための燃料噴射である。主燃焼期間は、少なくともＴＤＣを含み、主燃焼による熱発生が開始してから終了するまでの期間である。詳しくは、アフタ噴射は、主燃焼期間の比較的遅いタイミング（主燃焼期間を二分割した場合の少なくとも後半に含まれるタイミング）で実行される。アフタ噴射は、主燃焼を継続させて、燃焼期間を長期化させる。尚、図４中の破線は、アフタ噴射をしない場合、即ち、圧縮上死点後に主噴射だけ行った場合の主燃焼による熱発生率を表している。これにより、気筒１１ａ内の温度の低下を抑制して、膨張行程中の気筒１１ａ内の温度を高い温度のままに保持する。これによって、アフタ噴射を行わない場合に比べて、筒内温度及び排気温度が上昇する。このとき、ＰＣＭ１０は、エンジン１の温度が低いほど、アフタ噴射の回数が多くなるように、アフタ噴射の回数を調整する。これにより、エンジン１の温度が低いときほど、筒内温度及び排気温度をより大きく上昇させることができる。このアフタ噴射が第１後段噴射に相当する。
【００４７】
このように、第１冷間モードでは、主噴射後において、ポスト噴射を行うことなく、アフタ噴射のみを複数回行う。つまり、第１冷間モードでは、フィルタ再生よりも、筒内温度及び排気温度を上昇させることを優先している。
【００４８】
そして、ＰＣＭ１０は、水温センサＳＷ１の検出信号に基づいて、エンジン１が半暖機状態になり且つ未暖機状態であると判定したとき（例えば、エンジン１の温度が上記第１温度以上であって、暖機が完了したと判定し得る所定の第２温度（例えば、６０℃）未満のとき）には、第２冷間モードを実行する。第２冷間モードにおいては、図５に示すように、圧縮上死点前の圧縮行程中において、プレ噴射を１回実行し、その後の圧縮上死点付近において主噴射を１回実行し、主噴射の後にアフタ噴射を１回実行し、アフタ噴射の後にポスト噴射を２回実行する。つまり、第２冷間モードでは、第１冷間モードよりもアフタ噴射の回数が減り、ポスト噴射が追加されている。半暖機状態では、半暖機前と比較して排気温度が上昇しているため、ポスト噴射を実行してフィルタ再生を開始する。ただし、暖機状態と比べると、排気温度が低いため、アフタ噴射による排気温度の上昇を継続している。こうして、酸化触媒４１ａの活性化が促進されつつ、フィルタ再生が実行される。
【００４９】
尚、エンジン１の暖機が完了すると、第２冷間モードから通常モードに切り換わり、アフタ噴射を行うことなく、ポスト噴射を行って、フィルタ再生が実行される。
【００５０】
したがって、本実施形態によれば、エンジン１の半暖機前の状態においては、主噴射後に、ポスト噴射を行うことなく、アフタ噴射のみを複数回行うことによって、筒内温度及び排気温度を早急に上昇させることができる。そして、エンジン１が半暖機状態となると、ポスト噴射を行うことによって、フィルタ再生を実行することができる。こうして、エンジン１の暖機前であっても、フィルタ再生を実行可能な状態に早急にすることができる。
【００５１】
特に、本実施形態のエンジン１は、幾何学的圧縮比が１２以上１５以下と低圧縮比に設定されている。低圧縮比のエンジン１においては、排気温度が上昇し難く、冷間時におけるフィルタ再生には不利である。それに加えて、エンジン１の運転領域が相対的に低負荷の運転領域にあるときには、排気温度が上昇し難い。このようにフィルタ再生に不利な状況においても、上記第１冷間モード及び第２冷間モードを実行することによって、フィルタ再生可能な状態に早期にすることができる。
【００５２】
また、エンジン１の半暖機状態においては、ポスト噴射だけでなく、アフタ噴射も行うことによって、酸化触媒４１ａの活性化を促進しつつ、フィルタ再生を実行することができる。酸化触媒４１ａでの未燃燃料の酸化反応をさらに促進させ、フィルタ再生を良好に行うことができる。
【００５３】
さらに、エンジン１が暖機状態なると、アフタ噴射を停止して、ポスト噴射だけを行うことによって、燃費を向上させ且つエンジン１のトルクへの影響を防止しつつ、フィルタ再生を実行することができる。つまり、アフタ噴射は、トルクの発生というよりも、気筒内温度及び排気温度の上昇を目的としているため、燃費の観点からは好ましくない燃料噴射である。また、アフタ噴射は、主燃焼を継続させる燃焼を発生させるため、多少なりとも、エンジンのトルクに影響を与える。よって、排気温度が十分に上昇している暖機完了後は、アフタ噴射を停止することによって、燃費を向上させると共に、エンジン１のトルクへの影響を防止することができる。
【００５４】
さらにまた、エンジン１の主燃焼を拡散燃焼を主体とする燃焼とすることによって、アフタ噴射による燃焼期間の長期化を実現可能とすることができる。
【００５５】
尚、ＰＣＭ１０は、第１冷間モードにおいて、エンジン１の温度に応じて、アフタ噴射の回数を調整しているが、これに限られるものではない。例えば、ＰＣＭ１０は、第１冷間モードにおけるアフタ噴射の回数を一定とし、第２冷間モード、通常モードとモードがエンジン温度の高い方へ移行する度に、アフタ噴射の回数を減らすように調整してもよい。すなわち、アフタ噴射の回数を、第１冷間モードにおいては常に５回、第２冷間モードでは常に１回、通常モードでは常に０回としてもよい。
【００５６】
さらに、上記実施形態では、第２冷間モードにおけるアフタ噴射の回数は１回であるが、これに限られるものではない。第２冷間モードにおけるアフタ噴射の回数を２回又はそれ以上としてもよい。あるいは、第２冷間モードの中で、エンジン１の温度が低いほど、アフタ噴射の回数が増えるように、アフタ噴射の回数を調整してもよい。
【００５７】
また、ＰＣＭ１０は、ＤＰＦ４１ｂの再生条件が成立したときの冷間時に第１冷間モードを実行しているが、これに限られるものではない。すなわち、ＰＣＭ１０は、エンジン１の暖機前においては、ＤＰＦ４１ｂの再生条件の成立か否かにかかわらず、第１冷間モードを実行して、エンジン１を早期に半暖機状態にするように構成してもよい。かかる場合には、ＰＣＭ１０は、エンジン１が半暖機状態になったときに、ＤＰＦ４１ｂの再生条件が成立している場合には第２冷間モードを実行する一方、ＤＰＦ４１ｂの再生条件が成立していない場合には第１冷間モードを停止するか又はエンジン１が暖機状態となるまで第１冷間モードを続行するようにしてもよい。
【００５８】
さらに、ＰＣＭ１０は、エンジン１が相対的に低負荷の運転領域にあるときに冷間モードを実行しているが、低負荷の運転領域内における相対的に低回転側の運転領域（エンジンの運転領域を、低回転側と高回転側との２つに分けた場合の低回転側の領域）でのみ冷間モードを実行するようにしてもよい。低負荷の運転領域であっても、相対的に高回転側の運転領域においては排気温度が比較的上昇し易い。すなわち、低負荷であって且つ低回転側の運転領域は、排気温度が特に上昇し難い。そのため、上記冷間モードが特に有効となる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
以上説明したように、本発明は、酸化機能を有する触媒とＤＰＦとを排気通路に備えたディーゼルエンジンについて有用である。
【符号の説明】
【００６０】
１ ディーゼルエンジン（エンジン本体）
１０ ＰＣＭ（再生制御部）
１１ａ 気筒
１４ ピストン
１８ インジェクタ（燃料噴射弁）
４０ 排気通路
４１ａ 酸化触媒（触媒）
４１ｂ ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽油を主成分とする燃料が供給されるエンジン本体と、該エンジン本体の気筒内に臨んで配設され且つ該気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、該エンジン本体に接続された排気通路内に配設される酸化機能を有する触媒と、該排気通路内において該触媒の下流に配設されるディーゼルパティキュレートフィルタとを備えたディーゼルエンジンであって、
上記ディーゼルパティキュレートフィルタのフィルタ再生を実行する再生制御部をさらに備え、
上記再生制御部は、
上記エンジン本体が所定の低負荷の運転領域にあるときに、主燃焼を発生させるための燃料を噴射する主噴射と該主燃焼に継続する燃焼を発生させるために燃料を噴射する第１後段噴射とを上記燃料噴射弁に行わせると共に、上記第１後段噴射の回数を上記エンジン本体の温度が低いときほど多くなるように調整し、
上記エンジン本体の温度が、該エンジン本体の暖機が完了したと判定できる温度である第２温度よりも低い所定の第１温度以上になると、主燃焼に継続する燃焼を生じさせないタイミングで燃料を噴射する第２後段噴射を上記燃料噴射弁に行わせることによって上記フィルタ再生を実行するディーゼルエンジン。
【請求項２】
請求項１に記載のディーゼルエンジンにおいて、
上記再生制御部は、上記エンジン本体の温度が上記第１温度以上であって上記第２温度未満のときは、上記第１後段噴射と上記第２後段噴射とを上記燃料噴射弁に行わせるディーゼルエンジン。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のディーゼルエンジンにおいて、
上記再生制御部は、上記エンジン本体の温度が上記第２温度以上であるときには、上記燃料噴射弁に上記第１後段噴射を行わせることなく、上記第２後段噴射を行わせるディーゼルエンジン。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１つに記載のディーゼルエンジンにおいて、
上記第１後段噴射を行うときの上記エンジン本体の燃焼は、拡散燃焼を主体とした燃焼であるディーゼルエンジン。
【請求項１】
軽油を主成分とする燃料が供給されるエンジン本体と、該エンジン本体の気筒内に臨んで配設され且つ該気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、該エンジン本体に接続された排気通路内に配設される酸化機能を有する触媒と、該排気通路内において該触媒の下流に配設されるディーゼルパティキュレートフィルタとを備えたディーゼルエンジンであって、
上記ディーゼルパティキュレートフィルタのフィルタ再生を実行する再生制御部をさらに備え、
上記再生制御部は、
上記エンジン本体が所定の低負荷の運転領域にあるときに、主燃焼を発生させるための燃料を噴射する主噴射と該主燃焼に継続する燃焼を発生させるために燃料を噴射する第１後段噴射とを上記燃料噴射弁に行わせると共に、上記第１後段噴射の回数を上記エンジン本体の温度が低いときほど多くなるように調整し、
上記エンジン本体の温度が、該エンジン本体の暖機が完了したと判定できる温度である第２温度よりも低い所定の第１温度以上になると、主燃焼に継続する燃焼を生じさせないタイミングで燃料を噴射する第２後段噴射を上記燃料噴射弁に行わせることによって上記フィルタ再生を実行するディーゼルエンジン。
【請求項２】
請求項１に記載のディーゼルエンジンにおいて、
上記再生制御部は、上記エンジン本体の温度が上記第１温度以上であって上記第２温度未満のときは、上記第１後段噴射と上記第２後段噴射とを上記燃料噴射弁に行わせるディーゼルエンジン。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のディーゼルエンジンにおいて、
上記再生制御部は、上記エンジン本体の温度が上記第２温度以上であるときには、上記燃料噴射弁に上記第１後段噴射を行わせることなく、上記第２後段噴射を行わせるディーゼルエンジン。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１つに記載のディーゼルエンジンにおいて、
上記第１後段噴射を行うときの上記エンジン本体の燃焼は、拡散燃焼を主体とした燃焼であるディーゼルエンジン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１２９９７（Ｐ２０１２−１２９９７Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５０１５０（Ｐ２０１０−１５０１５０）
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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