JP2018204471A - 圧縮着火式エンジン及び圧縮着火式エンジンの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】煤及びＣＯの発生を抑制することが可能な圧縮着火式エンジンを提供する。
【解決手段】圧縮着火式エンジンは、エンジン本体（ディーゼルエンジン１）と、燃焼室１４ａに、第１燃料を供給する第１燃料供給部（ナフサ用インジェクタ１９）と、圧縮着火に至る圧力及び温度の少なくとも一方が第１燃料よりも低くかつ、第１燃料よりも気化しにくい第２燃料を供給する第２燃料供給部（ディーゼル燃料用インジェクタ１８）と、エンジン本体が、少なくとも高負荷の運転領域において運転しているときに、燃焼室の空燃比が１４．５〜１５．０の範囲になるよう、第１燃料及び第２燃料を燃焼室に供給するよう構成された制御部（ＰＣＭ１０）と、を備えている。
【選択図】図１

Description

ここに開示する技術は、圧縮着火式エンジン及び圧縮着火式エンジンの制御方法に関する。

特許文献１には、ディーゼルエンジンが記載されている。このディーゼルエンジンは、高コストな選択還元型触媒システムを省略することを目的として、三元触媒を用いた排気ガス浄化システムを備えている。三元触媒を用いて排気ガスを浄化するために、このディーゼルエンジンは、ディーゼル燃料を燃焼室内に噴射する噴射孔の大きさと噴射圧力とを調整する。これにより、燃焼室内の全体にディーゼル燃料を拡散させて理論空燃比の混合気を形成すると共に、その混合気を圧縮着火によって燃焼させる。

特許文献２には、二次燃料としてのガソリンを、気化器を通じて吸気通路に導入すると共に、燃焼室内にディーゼル燃料を噴射するディーゼルエンジンが記載されている。特許文献２には、ディーゼル燃料とガソリンとの割合として、総燃料量に対しディーゼル燃料を５０％以上にすることが記載されている。

特許文献３には、気化したナフサを、吸気通路を通じて燃焼室内に供給すると共に、液体ナフサを、燃焼室内に噴射するディーゼルエンジンが記載されている。特許文献３には、吸気通路を通じて燃焼室内に供給するナフサの量は、総燃料量に対し５０％を超えないようにすることが記載されている。

特許第５６２０７１５号公報 英国特許第７１４６７２号明細書 英国特許第８２１７２５号明細書

特許文献１に記載されたディーゼルエンジンは、燃焼室内の全体にディーゼル燃料を拡散することによって、理論空燃比の混合気の形成及び燃焼を行う。しかしながら、ディーゼル燃料は気化し難いため、特許文献１に記載されたディーゼルエンジンでは、燃焼室内に、燃料濃度が局所的に濃くなる部分が発生してしまうという問題がある。燃料濃度が局所的に濃くなると、燃焼室内において煤及び一酸化炭素（ＣＯ）が発生してしまう。

ここに開示する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、煤及びＣＯの発生を抑制することが可能な圧縮着火式エンジンを提供することにある。

具体的に、ここに開示する技術は、圧縮着火式エンジンに係る。この圧縮着火式エンジンは、燃焼室を有するエンジン本体と、前記燃焼室に、第１燃料を供給するよう構成された第１燃料供給部と、圧縮着火に至る圧力及び温度の少なくとも一方が前記第１燃料よりも低くかつ、前記第１燃料よりも気化しにくい第２燃料を、着火用の燃料として前記燃焼室に供給するよう構成された第２燃料供給部と、前記第１燃料供給部及び前記第２燃料供給部に接続されかつ、前記エンジン本体が、少なくとも高負荷の運転領域において運転しているときに、前記燃焼室の空燃比が１４．５〜１５．０の範囲になるよう、前記第１燃料及び前記第２燃料を前記燃焼室に供給するよう構成された制御部と、を備えている。

この構成によると、圧縮着火式エンジンは、第１燃料供給部と第２燃料供給部とを備えている。燃焼室には、第１燃料と第２燃料との二種類の燃料が供給される。第１燃料は、圧縮着火に至る圧力及び温度の少なくとも一方が第２燃料よりも高くかつ、第２燃料よりも気化しやすい。第２燃料は、圧縮着火に至る圧力及び温度の少なくとも一方が第１燃料よりも低くかつ、第１燃料よりも気化しにくい。第２燃料は、着火性に優れており、着火用の燃料として、燃焼室に供給される。一方、第１燃料は、着火用ではなく、圧縮着火式エンジンのトルク生成に用いられる。第１燃料は、気化しやすいため均質な混合気を形成する。これにより、燃焼時に煤及びＣＯが発生することを抑制することができる。圧縮着火式エンジンのエミッション性能が向上する。

また、エンジン本体が、少なくとも高負荷の運転領域において運転しているときに、燃焼室の空燃比が１４．５〜１５．０の範囲になる。この圧縮着火式エンジンは、混合気の空燃比を理論空燃比よりも燃料リーンにして運転する従来のディーゼルエンジンよりも、トルクが高まる。高負荷の運転領域におけるトルクの向上は、燃費性能の向上に有利になる。尚、空燃比は、燃焼室に供給する燃料の総重量と、燃焼室に充填する空気の重量との比である。

よって、この構成の圧縮着火式エンジンは、エミッション性能の向上と、トルクの向上、及び、燃費性能の向上とが図られる。

尚、低負荷の運転領域も含めたエンジン本体の運転領域の全域において、空燃比を１４．５〜１５．０の範囲にしてもよい。

前記第１燃料は、前記第２燃料に対して沸点が低い燃料である、としてもよい。

こうすることで、第１燃料は、燃焼室内の圧力や温度が低い条件下で気化するため、燃焼室内の圧力が低い吸気行程から燃料供給が可能となる。早目の燃料供給タイミングが可能なことと、気化性能が高いことから、第１燃料は燃料供給量を多くしても、均質な混合気形成が可能となる。よって、煤及びＣＯが発生することを抑制することが可能になると共に、トルクの向上及び燃費性能の向上を図ることができる。

前記エンジン本体の排気通路には、前記燃焼室から排出した排気ガスを浄化するよう構成された三元触媒が配設され、前記制御部は、前記排気通路における前記三元触媒の上流の排気ガスの空燃比（以下、排気ガスの空燃比という）が理論空燃比になるように、前記第１燃料及び前記第２燃料を前記燃焼室に供給する、としてもよい。

排気ガスの空燃比を理論空燃比にすれば、三元触媒によって排気ガスのＣＯ、ＨＣ及びＮＯｘを浄化することができる。圧縮着火式エンジンのエミッション性能がさらに向上する。尚、１４．５〜１５．０の空燃比範囲は、三元触媒の浄化ウインドウに相当するが、理論空燃比にすれば、三元触媒の浄化はより確実なものとなる。

なお、従来のディーゼルエンジンでは、過給能力を高めて燃焼時の空燃比をリーンとし、煤やＣＯ、ＮＯｘの低減を図る必要があったものの、本構成では、第１燃料の供給により、排気空燃比を理論空燃比とすることができ、三元触媒との組み合わせによって、従来のように過給に頼らなくても、煤やＣＯの低減とともに、ＮＯｘの低減を図ることができる。よって、過給機を装着しない安価なエンジンを提供することも可能である。

前記第２燃料の、前記燃焼室への供給重量は、前記燃焼室へ供給する全燃料重量に対して１０％以下である、としてもよい。こうすることで、第２燃料を、混合気の圧縮着火に用いることができる。

前記第１燃料はナフサを含み、前記第２燃料はディーゼル燃料を含む、としてもよい。ナフサは、ディーゼル燃料と比較して気化しやすいため、燃焼室内に均質な混合気を形成する上で有利である。ディーゼル燃料は、ナフサと比較して着火しやすいため、混合気は、適切なタイミングで圧縮着火する。また、ナフサは、比較的安価であるため、ナフサの利用は、経済性に優れる。

前記第１燃料はガソリンを含み、前記第２燃料はディーゼル燃料を含む、としてもよい。前記と同様に、燃焼室内に均質な混合気を形成することができると共に、混合気を、適切なタイミングで圧縮着火させることができる。

前記第１燃料供給部は、前記エンジン本体の吸気ポートに前記第１燃料を噴射し、前記第２燃料供給部は、前記燃焼室内に前記第２燃料を噴射する、としてもよい。

吸気ポートに第１燃料を噴射すると、第１燃料は吸気流動によって燃焼室内に拡散するから、均質な混合気を形成することができる。煤の発生及びＣＯの発生を抑制する上で、有利になる。

第２燃料供給部は燃焼室内に第２燃料を噴射するから、圧縮上死点前の適宜のタイミングで、燃焼室内に第２燃料を供給することができる。第２燃料の供給タイミングを調整することにより、混合気の圧縮着火及び燃焼タイミングを調整することが可能になる。混合気が適切なタイミングで圧縮着火をして燃焼するよう、第２燃料の燃焼室への供給タイミングを調整すれば、圧縮着火式エンジンの熱効率が向上する。

ここに開示する圧縮着火式エンジンの制御方法は、エンジンが、少なくとも高負荷の運転領域において運転しているときに、前記エンジンの燃焼室に第１燃料を供給し、圧縮着火に至る圧力及び温度の少なくとも一方が前記第１燃料よりも低くかつ、前記第１燃料よりも気化しにくい第２燃料を、着火用の燃料として前記燃焼室に供給し、前記第１燃料及び前記第２燃料を前記燃焼室に供給した後に、前記燃焼室内の混合気が圧縮着火し、前記燃焼室の空燃比を、１４．５〜１５．０の範囲にする。

これにより、煤及びＣＯの発生を抑制することができるから、圧縮着火式エンジンのエミッション性能が向上する。また、混合気の空燃比を略理論空燃比にするから、圧縮着火式エンジンのトルクの向上、及び、燃費性能の向上を図ることができる。

以上説明したように、前記の圧縮着火式エンジン及び圧縮着火式エンジンの制御方法によると、煤及びＣＯの発生を抑制することができるから、圧縮着火式エンジンのエミッション性能が向上する。

図１は、エンジンシステムの構成を例示する概略図である。 図２は、エンジンシステムの制御に関する構成を例示するブロック図である。 図３は、燃料噴射タイミングを例示する図である。 図４は、エンジンシステムの好適な運転領域を例示する図である。 図５は、吸気遅閉じ制御を説明する図である。 図６は、エンジンシステムの制御の具体例を示すフローチャートである。 図７は、エンジンシステムの主な諸元を示す図である。 図８は、実施例に係る、図示平均有効圧（ＩＭＥＰ）と、図示燃料消費率（ｇｒｏｓｓ ＩＳＦＣ）との関係を例示する図である。 図９は、実施例に係る、図示平均有効圧（ＩＭＥＰ）と、ＮＯｘ排出量との関係を例示する図である。 図１０は、実施例の筒内圧力のクランク角度に対する変化を例示する図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１は、エンジンシステムの概略構成を示している。図２は、エンジンシステムの制御に係る構成を例示している。エンジンシステムは、四輪車両に搭載される。ここに開示するエンジンシステムは、例えば大型トラック等の大型車両に適している。但し、ここに開示するエンジンシステムは、車両の大きさに関わらず、様々な四輪車両に広く適用することが可能である。

エンジンシステムは、圧縮着火式エンジンとしてのディーゼルエンジン１を備えている。ディーゼルエンジン１の作動によって、車両が進む。

このエンジンシステムは、ディーゼルエンジン１に、ディーゼル燃料（つまり、軽油又は軽油を主成分とした燃料）と、ディーゼル燃料とは特性が相違する異種燃料とを供給するよう構成されている。異種燃料は、圧縮着火に至る圧力及び温度の少なくとも一方がディーゼル燃料よりも高くかつ、沸点がディーゼル燃料よりも低い特性を有している。異種燃料は、ディーゼル燃料よりも気化しやすく、ディーゼル燃料よりも着火しにくい。異種燃料は第１燃料に相当し、ディーゼル燃料は第２燃料に相当する。異種燃料は、主にトルク生成用の燃料である。ディーゼル燃料は、主に着火用の燃料である。

異種燃料は、具体的にはナフサである。このエンジンシステムに使用可能なナフサは、軽質ナフサ、重質ナフサ、及び、ホールレンジナフサを含む。軽質ナフサ、重質ナフサ、及び、ホールレンジナフサは、沸点範囲が相違する。また、ナフサに、原油あるいは重油を少量混入した変成ナフサを、このエンジンシステムに使用してもよい。

前記の異種燃料は、ナフサ以外に、ガソリンとしてもよい。また、異種燃料は、一種類の燃料とは限らず、二種類以上の燃料を混合した燃料としてもよい。例えばナフサとガソリンとの混合燃料、ナフサと他の燃料との混合燃料、又は、ガソリンと他の燃料との混合燃料を、異種燃料として使用してもよい。

以下においては、ディーゼル燃料とナフサとをディーゼルエンジン１に供給するエンジンシステムの説明をする。

＜エンジンシステムの構成＞
ディーゼルエンジン１は、複数のシリンダ１１ａ（図１においては、一つのみ図示）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。ディーゼルエンジン１の各シリンダ１１ａ内には、ピストン１４が、シリンダ中心軸に沿って往復動するよう嵌挿されている。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。ピストン１４の頂面にはリエントラント形の燃焼室１４ａを区画するキャビティが形成されている。ディーゼルエンジン１は、その幾何学的圧縮比が１３以上１８以下に構成されている。

シリンダヘッド１２には、シリンダ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。吸気ポート１６には、燃焼室１４ａの開口を開閉する吸気弁２１が配設されている。排気ポート１７には、燃焼室１４ａの開口を開閉する排気弁２２が配設されている。

ディーゼルエンジン１は、吸気弁２１を駆動する動弁機構として、バルブタイミングを可変にする吸気Ｓ-ＶＴ（Sequential-Valve Timing）７１を備えている（図２参照）。吸気Ｓ-ＶＴ７１は、液圧式又は電動式といった、公知の様々な構成を採用することができる。ディーゼルエンジン１は、運転状態に応じて、吸気弁２１のバルブタイミングを変更する。

シリンダヘッド１２には、第１燃料供給部としてのナフサ用インジェクタ１９と、第２燃料供給部としてのディーゼル燃料用インジェクタ１８とが取り付けられている。

ナフサ用インジェクタ１９は、吸気ポート１６の中に、ナフサを噴射するよう構成されている。つまり、ナフサ用インジェクタ１９は、ナフサを噴射する噴孔が、各シリンダ１１ａの吸気ポート１６の中に臨むように配設されている。ナフサ用インジェクタ１９には、第１燃料タンク１９１に貯留しているナフサが、図示を省略するナフサ供給経路を通じて供給される。

ディーゼル燃料用インジェクタ１８は、燃焼室１４ａの中に、ディーゼル燃料を直接噴射するよう構成されている。つまり、ディーゼル燃料用インジェクタ１８は、ディーゼル燃料を噴射する噴孔が、シリンダヘッド１２の底面からシリンダ１１ａの中に臨むように配設されている。図例では、ディーゼル燃料用インジェクタ１８を、シリンダ１１ａの中心軸上に配設しているが、ディーゼル燃料用インジェクタ１８の配設位置は、適宜の位置にすることができる。ディーゼル燃料用インジェクタ１８には、第２燃料タンク１８１に貯留しているディーゼル燃料が、図示を省略するディーゼル燃料供給経路を通じて供給される。

シリンダヘッド１２にはまた、着火アシスト装置が取り付けられている。着火アシスト装置は、ディーゼルエンジン１が特定の運転状態にあるときに、混合気の着火をアシストする。着火アシスト装置は、具体的には、火花点火により混合気を着火する点火装置２０である。点火装置２０は、詳細な図示は省略するが、電極が、燃焼室１４ａ内に臨んで配設されている。着火アシスト装置は、点火装置に代えて、シリンダ１１ａ内の空気を暖めることによって燃料の着火性を高めるグロープラグとしてもよい。

ディーゼルエンジン１の一側面には、吸気通路３０が接続されている。吸気通路３０は、各シリンダ１１ａの吸気ポート１６に連通している。吸気通路３０は、各シリンダ１１ａに、空気及びＥＧＲガスを導入する。ディーゼルエンジン１の他側面には、排気通路４０が接続されている。排気通路４０は、各シリンダ１１ａの排気ポート１７に連通している。排気通路４０は、各シリンダ１１ａから既燃ガスを排出する。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、空気を過給するターボ過給機６１が配設されている。

吸気通路３０の上流端部には、空気を濾過するエアクリーナ３１が配設されている。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、シリンダ１１ａ毎に分岐する独立通路を構成する。各独立通路の下流端が各シリンダ１１ａの吸気ポート１６に接続されている。

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、ターボ過給機６１のコンプレッサ６１ａと、コンプレッサ６１ａにより圧縮された空気を冷却するインタークーラ３５と、空気量を調節するスロットル弁３６とが配設されている。インタークーラ３５は、空冷式又は水冷式に構成すればよい。スロットル弁３６は、基本的には全開状態であるが、例えば大量のＥＧＲガスを吸気通路３０に還流するときには、吸気通路３０に負圧を発生させるために絞られる。

排気通路４０の上流側の部分は、排気マニホールドによって構成されている。排気マニホールドは、シリンダ１１ａ毎に分岐して排気ポート１７の外側端に接続された複数の独立通路と、複数の独立通路が集合する集合部と、を有している。

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、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。

排気浄化装置４１は、三元触媒４１ａを有している。三元触媒４１ａは、排気ガス中の、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を同時に浄化する。三元触媒４１ａは、炭化水素を水と二酸化炭素とに酸化し、一酸化炭素を二酸化炭素に酸化し、窒素酸化物を窒素に還元する。三元触媒４１ａは、排気ガスの空燃比（空気と燃料との重量比）が、理論空燃比にあるときに十二分に排気ガスを浄化できるが、空燃比が１４．５〜１５．０の略理論空燃比の浄化ウインドウにあるときでも、排気ガスを浄化することが可能である。

排気浄化装置４１は、三元触媒４１ａに加えて、排気ガス中に含まれる煤等の微粒子を捕集するパティキュレートフィルタを有するようにしてもよい。

吸気通路３０と排気通路４０との間には、排気ガス還流通路５１が介設している。排気ガス還流通路５１は、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流する。排気ガス還流通路５１の上流端は、排気通路４０における排気マニホールドとタービン６１ｂとの間の部分（つまりタービン６１ｂよりも上流側部分）に接続されている。排気ガス還流通路５１の下流端は、吸気通路３０におけるサージタンク３３とスロットル弁３６との間の部分（つまり、コンプレッサ６１ａよりも下流側部分）に接続されている。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ＥＧＲ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が配設されている。

ターボ過給機６１は、吸気通路３０に配設されたコンプレッサ６１ａと、排気通路４０に配設されたタービン６１ｂとを有している。コンプレッサ６１ａとタービン６１ｂとは互いに連結されており、コンプレッサ６１ａとタービン６１ｂとは一体に回転する。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。タービン６１ｂは、排気通路４０における排気マニホールドと排気浄化装置４１との間に配設されている。タービン６１ｂが排気ガス流により回転することによって、コンプレッサ６１ａが回転し、空気を圧縮する。

排気通路４０には、タービン６１ｂをバイパスする排気バイパス通路６５が接続されている。排気バイパス通路６５には、排気バイパス通路６５を流れる排気量を調整するためのウエストゲート弁６５ａが配設されている。ウエストゲート弁６５ａは、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。

＜エンジンの制御装置の構成＞
図１及び図２に示すように、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が制御装置（及び制御部）を構成する。ＰＣＭ１０には、図２に示すように、様々なセンサの検出信号が入力される。ここに含まれるセンサは、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、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、三元触媒４１ａの上流側と下流側の排気通路に取り付けられ、排気中の酸素濃度を検出するＯ_２センサＳＷ６、排気通路４０におけるタービン６１ｂよりも上流側における排気圧力を検出する排気圧力センサＳＷ７、吸気通路３０内に吸入される吸気流量を検出するエアフローセンサＳＷ８、ＥＧＲ弁５１ａの開度を検出するＥＧＲ弁開度センサＳＷ９、吸気弁２１の位相角を検出する吸気弁位相角センサＳＷ１０、及び、ウエストゲート弁６５ａの開度を検出するウエストゲート弁開度センサＳＷ１１である。

ＰＣＭ１０は、これらのセンサＳＷ１〜ＳＷ１１の検出信号に基づいて種々の演算を行うことにより、ディーゼルエンジン１や車両の状態を判定すると共に、ディーゼル燃料用インジェクタ１８、ナフサ用インジェクタ１９、点火装置２０、吸気Ｓ-ＶＴ７１、スロットル弁３６、ＥＧＲ弁５１ａ、及び、ウエストゲート弁６５ａそれぞれのアクチュエータへ制御信号を出力する。

＜エンジンの制御＞
ＰＣＭ１０によるディーゼルエンジン１の基本的な制御は、主にアクセル開度に基づいて目標トルクを決定し、ディーゼル燃料用インジェクタ１８及びナフサ用インジェクタ１９に、目標トルクに対応する燃料の噴射を実行させることである。

ＰＣＭ１０はまた、ディーゼルエンジン１の運転状態に応じて、シリンダ１１ａ内へ導入する空気量を調整する。具体的にＰＣＭ１０は、スロットル弁３６やＥＧＲ弁５１ａの開度の制御（つまり、ＥＧＲ制御）、及び／又は、吸気Ｓ-ＶＴ７１による吸気弁２１のバルブタイミングの制御（つまり、吸気遅閉じ制御）を行うことにより、空気量を調整する。吸気弁２１を圧縮行程の中期（圧縮行程のクランク角１８０°を三等分した前期、中期、後期とした場合の中期）の、吸気下死点後６０°〜１２０°の範囲内で閉弁（吸気弁２１のリフト高さが０．４ｍｍ時点を閉弁時期と定義）する遅閉じ制御を行うと、ポンプ損失を増やすことなく、シリンダ１１ａ内へ導入する空気量を調整することができる。また、ＥＧＲガスを還流させると、シリンダ１１ａ内へ導入する空気量を調整することができる他に、シリンダ１１ａ内の温度を高めて（吸気遅閉じ制御による有効圧縮比の低下に伴って、圧縮上死点付近でのシリンダ１１ａ内の温度上昇が不足するものの、これを補完して）混合気の着火性を高めることができる。さらには、シリンダ１１ａ内の温度が高くなる高負荷域において、ＥＧＲガスを還流させると、ＥＧＲクーラ５２内を流通した低温の不活性ガスが燃焼室１４ａに還流されるため、混合気（ナフサ）の過早着火が抑えられ、高いエンジントルクが生成できる適正な着火時期で混合気を着火させることができる。

ＰＣＭ１０はさらに、Ｏ_２センサＳＷ６が検出した排気中の酸素濃度と、エアフローセンサＳＷ８が検出した吸気流量とに基づいて、空気量及び燃料量の調整を行う空燃比フィードバック制御を行う。ＰＣＭ１０は、燃焼室１４ａ内の混合気の空燃比（つまり、燃焼室１４ａ内の空気（Ａ）と燃料（Ｆ）との重量比（Ａ／Ｆ））を理論空燃比にして燃焼室１４ａから排出する排気ガスの空燃比を理論空燃比 にする。

なお、Ａ／Ｆ＝１４．５〜１５．０は、三元触媒４１ａの浄化ウインドウに相当する空燃比であるため、燃焼室１４ａ内の空燃比を略理論空燃比（１４．５〜１５．０）にし、燃焼室１４ａから排出する排気ガスの空燃比を１４．５〜１５．０の範囲にしてもよい。ここでいう燃料量は、ディーゼル燃料及びナフサの両方を含む全燃料量である。このエンジンシステムは、ディーゼルエンジン１の運転域の全域に亘って、空燃比フィードバック制御を行う。このことによってエンジンシステムは、ディーゼルエンジン１の運転域の全域に亘って、三元触媒４１ａを利用した排気ガスの浄化を行う。

（燃料噴射制御）
次に、ＰＣＭ１０が実行する燃料噴射制御について説明をする。前述したように、このエンジンシステムは、主にトルク生成用のナフサと、主に着火用のディーゼル燃料とをディーゼルエンジン１に供給する。ナフサの供給重量と、ディーゼル燃料の供給重量とを比較したときに、ナフサの供給重量の方が、ディーゼル燃料の供給重量よりも多い。ディーゼル燃料は、燃焼室１４ａに供給する全燃料量に対して、重量比で１０％以下にする。ディーゼル燃料は、例えば、全燃料重量に対して５％としてもよい。

ナフサは、ディーゼル燃料よりも沸点が低いため、燃焼室１４ａ内において気化しやすい。そこで、ナフサによって燃焼室１４ａ内に、均質かつ、理論空燃比に近い混合気を形成する。これによって、煤の発生を抑制すると共に、ＣＯの発生を抑制する。

一方で、ナフサは、圧縮着火に至る圧力及び温度の少なくとも一方がディーゼル燃料よりも高い。つまり、ナフサは、着火性が低い。前述したように、ディーゼルエンジン１は、幾何学的圧縮比が１３以上１８以下の低い圧縮比に構成されており、燃料の着火には不利である。

そこで、このエンジンシステムでは、着火性に優れたディーゼル燃料を、燃焼室１４ａ内に供給する。ディーゼル燃料は、着火用燃料として機能するから、混合気は、所定のタイミングで確実に圧縮着火することができる。ナフサ及びディーゼル燃料を含む混合気が、燃焼する。

図３は、所定のエンジン回転数における、ナフサ及びディーゼル燃料の噴射タイミングを例示している。吸気ポート１６に取り付けられたナフサ用インジェクタ１９は、吸気弁２１が開いている吸気行程期間に、吸気ポート１６内にナフサを噴射する。ナフサの噴射タイミングは、吸気行程の中期から前期の期間内に設定すればよい。ここで、吸気行程の前期及び中期はそれぞれ、吸気行程を、前期、中期及び後期の三つの期間に三等分したときの、前期及び中期とすればよい。吸気行程の中期から前期の期間は、シリンダ１１ａ内の吸気流動が高くなる。この期間にナフサを噴射することによって、吸気流動を利用して、ナフサを、燃焼室１４ａ内の全体に拡散させることができると共に、混合気を均質化することが可能になる。

燃焼室１４ａ内に臨んで取り付けられたディーゼル燃料用インジェクタ１８は、圧縮行程期間に、燃焼室１４ａ内にディーゼル燃料を噴射する。ディーゼル燃料の噴射タイミングは、圧縮上死点付近、具体的には、圧縮上死点前３０〜１０°ＣＡの期間内に設定すればよい。こうすることで、圧縮上死点付近において混合気が圧縮着火し、燃焼を開始することができる。この燃焼の燃焼重心が、圧縮上死点後５〜１０°ＣＡとなるようにすれば、ディーゼルエンジン１の熱効率が高まる。また、前述したように、ディーゼルエンジン１の幾何学的圧縮比が低いため、ディーゼル燃料を噴射する前に、ナフサを含む混合気が過早着火してしまうことを回避することができる。ディーゼル燃料の噴射タイミングを調整することによって、混合気が圧縮着火するタイミングを調整することができる。

ここに、本実施形態では、図４に示すエンジン１の運転域の中負荷域（Ｓ１域）及び高負荷域（Ｓ２域）において、ディーゼル燃料を着火用燃料として使用する。低負荷域（Ｐ域）並びにエンジン１の冷間時又は強制始動時（ＣＳ域）では、ディーゼル燃料は供給せず、ナフサ燃料が１００％となるようにして、着火アシスト装置によって燃料を着火させる。

エンジン負荷が低いとき及びエンジン冷間時は、燃焼室温度が低いため、ディーゼル燃料を供給しても所期の着火性を得ることが難しい。また、上述の吸気遅閉じ制御によりエンジンの有効圧縮比が低くなり、燃料の着火性が悪くなる。

そこで、低負荷域（Ｐ域）並びにエンジン１の冷間時又は強制始動時（ＣＳ域）では、ディーゼル燃料を使用せず、着火アシスト装置によって燃料を着火させるものである。ディーゼル燃料を供給して着火アシスト装置を作動させるようにしてもよい。

（ＥＧＲ制御）
ＰＣＭ１０は、上述の如く、燃焼室１４ａの空燃比Ａ／Ｆを略理論空燃比にするために、並びに、燃料の着火性を高めるために、ナフサ及びディーゼル燃料の両方を燃焼室１４ａに供給するときは、少なくとも低負荷側の運転域において、ＥＧＲ弁５１ａを制御して、排気通路４０から排気ガスの一部を吸気通路３０に還流させる（ＥＧＲ）。

図４に示すエンジン１の運転域において、中負荷域（Ｓ１域）及び高負荷域（Ｓ２域）がナフサ及びディーゼル燃料の両方を燃焼室１４ａに供給する運転域であり、その少なくとも低負荷側の運転域である中負荷域（Ｓ１域）において、ＥＧＲを実行するものである。

本実施形態では、ＰＣＭ１０は、図４に示すエンジン１の低負荷域（Ｐ域）、中負荷域（Ｓ１域）及び高負荷域（Ｓ２域）において、ＥＧＲを実行する。エンジン負荷が高い運転域では低い運転域に比べてＥＧＲ率（還流排気ガス量と吸入空気量の総量に占める還流排気ガス量の割合）を低くする。具体的には、低負荷域（Ｐ域）及び中負荷域（Ｓ１域）では、ＥＧＲ率が４０％となるようにＥＧＲ弁５１ａが制御され、高負荷域（Ｓ２域）では、ＥＧＲ率が３０％〜０％の範囲で負荷が高くなるほどＥＧＲ率が低くなるようにＥＧＲ弁５１ａが制御される。

（吸気遅閉じ制御）
ＰＣＭ１０は、燃焼室１４ａの空燃比Ａ／Ｆを略理論空燃比にするために、上述のＥＧＲ制御に加えて、エンジン低負荷域（Ｐ域）において、吸気Ｓ-ＶＴ７１による吸気遅閉じ制御を実行する。

ここに、スロットル弁３６は、基本的にはＥＧＲのために、吸気負圧を得るべく、閉じ方向に制御される。すなわち、空燃比Ａ／Ｆを略理論空燃比にするための手段（新気導入量を少なくする手段）として、スロットル制御を利用することも可能であるが、そのスロットル制御により、ポンプ損失が大きくなる。

そこで、本実施形態では、当該空燃比制御において、吸気弁２１の遅閉じ制御（圧縮行程での開弁期間が長くなる制御）を行なうようにしている。

図５において、仮想線は、吸気弁２１の基準となるバルブタイミングを示しており、本実施形態では、その閉時期は吸気下死点後３０°ＣＡである。ＰＣＭ１０は、エンジン負荷が低くなるほど、吸入空気量が少なくなるように吸気弁２１の閉時期を遅らせる。図５の実線は、吸気弁２１の閉時期を吸気下死点後９０°ＣＡとなるように遅らせたバルブタイミングを示す。尚、吸気弁２１の閉弁時期は、吸気弁２１のリフト量が０．４ｍｍに低下した時点と定義する。

＜エンジン制御の具体例＞
図６に示すように、各センサＳＷ１〜ＳＷ１１の検知信号が読込まれ、エンジン１の運転状態がＣＳ域（冷間時又は強制始動時）にあるか否かを判別される（Ｓ１，Ｓ２）。

エンジン１の運転状態がＣＳ域にあるときは、ステップＳ３に進んで、ウエストゲート弁６５ａが開とされる。これにより、排気ガスはタービン６１ｂをバイパスして三元触媒４１ａに送られる。従って、排気ガスからタービン６１ｂに熱が奪われることが避けられ、排気ガスの熱による三元触媒４１ａの早期昇温に有利になる。続くステップＳ４において、燃焼室１４ａに供給される燃料がナフサ１００％となり且つ空燃比が理論空燃比以下（Ａ／Ｆが１５以下のリッチ）となるように、吸気行程の所定タイミングでナフサ用インジェクタ１９が駆動される。続くステップＳ５において、圧縮上死点近傍の所定のタイミングで燃料が着火するように点火装置２０を作動される。

ステップＳ２において、エンジン１の運転状態がＣＳ域にないときは、ステップＳ６に進んでエンジン１の運転状態がＰ域（低負荷域）にあるか否かが判別される。

エンジン１の運転状態がＰ域にあるときは、ステップＳ７に進んで、ＥＧＲ率が４０％になるように、ＥＧＲ弁５１ａの開度が制御される。続くステップＳ８において、吸気弁２１の閉時期が所定の遅閉じタイミングとなるように、吸気Ｓ-ＶＴ７１が駆動される。続くステップＳ９において、燃焼室１４ａに供給される燃料がナフサ１００％となり且つ空燃比が理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７付近）となるように、吸気行程の所定タイミングでナフサ用インジェクタ１９が駆動される。続くステップＳ１０において、圧縮上死点近傍の所定のタイミングで燃料が着火するように点火装置２０を作動される。

ステップＳ６において、エンジン１の運転状態がＰ域にないときは、ステップＳ１１に進んでエンジン１の運転状態がＳ１域（中負荷域）にあるか否かが判別される。

エンジン１の運転状態がＳ１域にあるときは、ステップＳ１２に進んで、ＥＧＲ率が４０％になるように、ＥＧＲ弁５１ａの開度が制御される。また、吸気弁２１のバルブタイミングは基準タイミング（図５の仮想線）となるように制御される。続くステップＳ１３において、ナフサが燃焼室１４ａに供給される燃料総量の９５％となり且つ空燃比が理論空燃比となるように、吸気行程の所定タイミングでナフサ用インジェクタ１９が駆動される。続くステップＳ１４において、ディーゼル燃料が燃焼室１４ａに供給される燃料総量の５％となり且つ空燃比が理論空燃比となるように、圧縮行程後半の所定タイミングでディーゼル燃料用インジェクタ１８が駆動される。

ステップＳ１１において、エンジン１の運転状態がＳ１域にないときは、エンジン１の運転状態がＳ２域（高負荷域）にあるときである。このときはステップＳ１５に進んで、ＥＧＲ率が３０％以下になるように、ＥＧＲ弁５１ａの開度が制御される。また、吸気弁２１のバルブタイミングは基準タイミング（図５の仮想線）となるように制御される。続くステップＳ１３において、ナフサが燃焼室１４ａに供給される燃料総量の９５％となり且つ空燃比が理論空燃比となるように、吸気行程の所定タイミングでナフサ用インジェクタ１９が駆動される。続くステップＳ１４において、ディーゼル燃料が燃焼室１４ａに供給される燃料総量の５％となり且つ空燃比が理論空燃比となるように、圧縮行程後半の所定タイミングでディーゼル燃料用インジェクタ１８が駆動される。

＜制御例＞
図７は、幾何学的圧縮比が１６のエンジン１において、エンジン回転数１５００ｒｐｍでの、低負荷域（Ｐ域）、中負荷域（Ｓ１域）、及び高負荷域（Ｓ２）での燃焼制御に関する主な諸元の一例を示す。なお、ここで示す数値は、例示であり、仕様に応じて変更可能である。また、各数値は、基準値を示しており、実用上は多少のばらつきを含み得る。

低負荷域では、ＥＧＲ率が４０％とされ、比較的多量のＥＧＲガスが燃焼室に導入される。吸気弁の閉時期（ＩＶＣ）は、吸気遅閉じ制御が行われ、吸気下死点後の９０°ＣＡとされている。吸気遅閉じ制御による有効圧縮比の低下も加わって、安定した圧縮着火が困難なことから、着火アシスト装置による強制的な着火が行われ、燃料には、安価であることに加え、均質な混合気が形成でき、エミッションの低減に有利なナフサのみが用いられる。

中負荷域では、ＥＧＲ率は、低負荷域と同じ４０％とされ、比較的多量のＥＧＲガスが燃焼室に導入される。吸気弁の閉時期（ＩＶＣ）は、基準の設定に戻され、吸気下死点後の３０°ＣＡとされている。安定した圧縮着火が可能なことから、着火アシスト装置は使用せず、圧縮着火によって燃焼が行わる。主燃料であるナフサに、５％のディーゼル燃料を加えることで、安定した圧縮着火が行えるようにしている。そして、ＥＧＲクーラ５２により冷却された比較的低温の不活性ガス（ＥＧＲガス）が燃焼室に導入されるため、混合気着火後の急峻な燃焼の立ち上がりが抑制され、燃焼騒音の増大や、熱負荷の増大が抑制される。

高負荷域では、ＥＧＲ率は３０％とされ、効率的な燃焼を実現するため、空気量を相対的に増加させている。吸気弁の閉時期（ＩＶＣ）は、中負荷域と同様に、吸気下死点後の３０°ＣＡとされ、安定した圧縮着火が可能なことから、圧縮着火によって燃焼が行われる。燃料には、中負荷域と同様に、５％のディーゼル燃料と９５％のナフサが用いられる。そして、ＥＧＲクーラ５２により冷却された比較的低温の不活性ガス（ＥＧＲガス）が燃焼室に導入されるため、混合気（ナフサ）の過早着火が抑制され、高いエンジントルクが生成できる着火時期とすることができる。

また、エンジン高速域でも、ＥＧＲ率は３０％とされ、効率的な燃焼を実現するため、空気量を相対的に増加させている。吸気弁の閉時期（ＩＶＣ）は、高速域で吸気充填量が多くできるタイミングとされており、吸気下死点後の４５°ＣＡ程度とされている。高速域では、吸気行程から圧縮行程までのクランク角経過時間が低速域に対して短くなるため、クランク角で見た場合の、吸気ポート１６を介してのナフサ供給期間が長くなる一方、ナフサ供給終了時点から圧縮上死点付近までの時間間隔は格段に短くなり、ナフサの均質混合気の形成が低下するものの、ＥＧＲガスの還流によるナフサの気化促進によって均質化の悪化が抑制され、煤の発生が無くなってエンジントルクを高めることができる。なお、高速域においても５％のディーゼル燃料と９５％のナフサが用いられるが、エンジン速度とナフサの供給から圧縮上死点付近までの時間間隔との兼ね合いから、最適な着火時期が得られない場合は、１００％のナフサを供給して、着火アシスト装置による強制的な着火を行っても良い。

このように、高速域でＥＧＲガスを還流した場合は、主体燃料がディーゼル燃料の場合は煤が増大するためＥＧＲガスの還流が不可能であったものの、ナフサ主体の燃料供給においては、ＥＧＲガスの還流が効果的である。

図８は、図７に示す制御諸元に係る実施例と従来例（ディーゼル燃料１００％）の、図示平均有効圧（ＩＭＥＰ）と図示燃料消費率（ｇｒｏｓｓ ＩＳＦＣ）の関係を示す。実施例は、空燃比を略理論空燃比にしているため、低負荷、中負荷及び高負荷のそれぞれにおいて、リーン運転である従来例よりも図示燃料消費率が低下している。すなわち、ここに開示するエンジンシステムは、従来のディーゼルエンジンシステムよりも、エンジントルク及び燃費性能が向上している。

図９は、上記実施例及び従来例の、図示平均有効圧（ＩＭＥＰ）と、ＮＯｘ排出量との関係を例示している。従来例は、エンジン負荷が高くなると、燃焼室からのＮＯｘ排出量が増えている。これに対し、実施例は、三元触媒４１ａよりも下流の、テールパイプにおける排出量を示しているが、燃焼室１４ａから排出される排気ガスの空燃比を理論空燃比にすると共に、三元触媒４１ａによってＮＯｘを浄化しているため、ＮＯｘの排出量は、実質的にゼロである。すなわち、ここに開示するエンジンシステムは、エミッション性能が、従来のディーゼルエンジンシステムよりも向上している。

図１０は、上記実施例の筒内圧力のクランク角度に対する変化を示す。同図によれば、ディーゼル燃料を着火用燃料としたIMEP=852（中負荷域）のケース及びIMEP=1440（高負荷域）のケースのいずれも、圧縮上死点後の２０゜ＣＡ付近までに筒内圧力のピークが出ている。ディーゼル燃料による着火によって熱効率が高くなるタイミングで燃料（ナフサ及びディーゼル燃料）が燃焼することがわかる。

以上説明したように、このエンジンシステムは、トルク生成用のナフサと、着火用のディーゼル燃料とをディーゼルエンジン１に供給する。気化性能に優れたナフサによって、燃焼室１４ａ内の全体に、均質かつ理論空燃比に近い混合気を形成することによって、煤及びＣＯの発生を抑制することができる。また、燃焼室１４ａ内の混合気について、ナフサ及びディーゼル燃料の両方を含む燃料と空気との重量比（Ａ／Ｆ）を、略理論空燃比にすると共に、燃焼室１４ａから排出される排気ガスの空燃比を、理論空燃比にすることによって、排気通路４０に設けた三元触媒４１ａを利用して、排気ガスを浄化することができる。従来のディーゼルエンジンにおいて必要であったＮＯｘ浄化用の後処理システムを省略することができ、エンジンシステムの簡略化、及び、低コスト化が実現する。また、リーン運転をしていた従来のディーゼルエンジンに対し、前記のエンジンシステムは、混合気の空燃比を略理論空燃比にしているため、エンジントルクを向上させることができる。

なお、ここに開示する発明は、前記の構成に限定されない。例えば、燃料の総噴射量が少ない低負荷域や軽負荷域においては、混合気の空燃比を、理論空燃比よりも大幅に燃料リーン（例えばＡ／Ｆ＝３０〜４５）にしてもよい。空燃比を３０〜４５程度にすれば、燃焼室１４ａ内においてＮＯｘが生成することを抑制することができる。また、ナフサ（第１燃料）は燃焼室に直接噴射するようにすることもできる。

また、前記の構成においては、ターボ過給機６１を装着しているが、必ずしもターボ過給機を装着しなくて良い。すなわち、従来のディーゼルエンジンでは、過給機を装着して燃焼時の空燃比をリーンとし、煤やＣＯを低減するとともに、高コストな選択還元型触媒を用いてＮＯｘの低減を図る必要があったものの、あるいは、複数の過給機を装着して格段に過給圧を高め、燃焼時の空燃比を大幅にリーンとしつつ、エンジン本体の圧縮比も下げて燃焼温度を下げ、煤やＣＯ、ＮＯｘの低減を図る必要があったものの、本発明においては、第１燃料の供給により、混合気の空燃比を１４．５〜１５．０の範囲とすることができるため、三元触媒４１ａとの組み合わせにより、過給に頼らなくても、煤やＣＯの低減とともに、ＮＯｘも十二分に浄化できるため、過給機を装着しない安価なエンジンを提供することもできる。

１ ディーゼルエンジン（エンジン本体）
１０ ＰＣＭ（制御部）
１４ａ 燃焼室
１６ 吸気ポート
１８ ディーゼル燃料用インジェクタ（第２燃料供給部）
１９ ナフサ用インジェクタ（第１燃料供給部）
４０ 排気通路
４１ａ 三元触媒

Claims (8)

1. 燃焼室を有するエンジン本体と、
   前記燃焼室に、第１燃料を供給するよう構成された第１燃料供給部と、
   圧縮着火に至る圧力及び温度の少なくとも一方が前記第１燃料よりも低くかつ、前記第１燃料よりも気化しにくい第２燃料を、着火用の燃料として前記燃焼室に供給するよう構成された第２燃料供給部と、
   前記第１燃料供給部及び前記第２燃料供給部に接続されかつ、前記エンジン本体が、少なくとも高負荷の運転領域において運転しているときに、前記燃焼室の空燃比が１４．５〜１５．０の範囲になるよう、前記第１燃料及び前記第２燃料を前記燃焼室に供給するよう構成された制御部と、を備えている圧縮着火式エンジン。
2. 請求項１に記載の圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記第１燃料は、前記第２燃料に対して沸点が低い燃料である圧縮着火式エンジン。
3. 請求項１又は２に記載の圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記エンジン本体の排気通路には、前記燃焼室から排出した排気ガスを浄化するよう構成された三元触媒が配設され、
   前記制御部は、前記排気通路における前記三元触媒の上流の排気ガスの空燃比が理論空燃比になるように、前記第１燃料及び前記第２燃料を前記燃焼室に供給する圧縮着火式エンジン。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記第２燃料の、前記燃焼室への供給重量は、前記燃焼室へ供給する全燃料重量に対して１０％以下である圧縮着火式エンジン。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記第１燃料はナフサを含み、前記第２燃料はディーゼル燃料を含む圧縮着火式エンジン。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記第１燃料はガソリンを含み、前記第２燃料はディーゼル燃料を含む圧縮着火式エンジン。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記第１燃料供給部は、前記エンジン本体の吸気ポートに前記第１燃料を噴射し、
   前記第２燃料供給部は、前記燃焼室内に前記第２燃料を噴射する圧縮着火式エンジン。
8. エンジンが、少なくとも高負荷の運転領域において運転しているときに、前記エンジンの燃焼室に第１燃料を供給し、
   圧縮着火に至る圧力及び温度の少なくとも一方が前記第１燃料よりも低くかつ、前記第１燃料よりも気化しにくい第２燃料を、着火用の燃料として前記燃焼室に供給し、
   前記第１燃料及び前記第２燃料を前記燃焼室に供給した後に、前記燃焼室内の混合気が圧縮着火し、
   前記燃焼室の空燃比を、１４．５〜１５．０の範囲にする圧縮着火式エンジンの制御方法。

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