JP7724168B2 - ディーゼルエンジン及びその制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、ディーゼルエンジン及びその制御方法に関する。

ディーゼルエンジンにおいて、燃焼温度が高くなると排気ガス中のＮＯｘ量が増加するため、燃焼室内に水を噴射することにより燃焼室内の燃焼温度を低下させてＮＯｘの発生を抑制することが知られている。

例えば、実開平５－１０７６１号公報（特許文献１）には、エンジンの回転数及び負荷に応じて、ＮＯｘ量を低減するのに必要な燃焼温度を得るための水噴射量を設定することが開示されている（特許文献１参照）。

実開平５－１０７６１号公報

エンジンの回転数及び負荷では、エンジンの状態が変化する過渡運転時にエンジンの状態変化を十分に反映できない可能性がある。その場合、燃焼状態に応じた適量の水噴射量にならず、ＮＯｘ量を十分に抑制できなかったり、燃焼温度の過度な低下による出力低下が生じたりする可能性がある。

本開示は、かかる問題を解決するためになされたものであり、本開示の目的は、エンジンの状態が変化する過渡運転時においても適量の水を噴射可能なディーゼルエンジン及びその制御方法を提供することである。

本開示のディーゼルエンジンは、燃焼室を有するエンジン本体と、燃焼室内に燃料を噴射するように構成された燃料噴射装置と、燃焼室内に水を噴射するように構成された水噴射装置と、水噴射装置を制御する制御装置と、燃焼室内に供給される吸気ガスに含まれる酸素の量を示す状態量を取得する取得部とを備える。制御装置は、上記状態量と燃焼室内に噴射された燃料の噴霧温度との予め求められた関係に従って、取得部により取得された上記状態量から噴霧温度を推定し、その推定された噴霧温度と噴霧温度の目標との温度差から、水噴射装置による水噴射量を決定する。

また、本開示の制御方法は、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置と燃焼室内に水を噴射する水噴射装置とを備えるディーゼルエンジンの制御方法であって、燃焼室内に供給される吸気ガスに含まれる酸素の量を示す状態量を取得するステップと、上記状態量と燃焼室内に噴射された燃料の噴霧温度との予め求められた関係に従って、取得された上記状態量から噴霧温度を推定するステップと、推定された噴霧温度と噴霧温度の目標との温度差から、水噴射装置による水噴射量を決定するステップとを含む。

上記のディーゼルエンジン及び制御方法では、燃焼室内の燃焼状態に直接関与する上記状態量から水噴射量が決定されるので、過渡運転時においても燃焼状態に基づいて適切な水噴射量を決定することができる。したがって、このディーゼルエンジン及び制御方法によれば、過渡運転時においても適量の水を噴射することができる。その結果、ＮＯｘ量を十分に抑制することができ、また、燃焼温度の過度な低下による出力低下を抑制することができる。

ディーゼルエンジンは、ＥＧＲ装置をさらに備えてもよい。ＥＧＲ装置は、エンジン本体を経由せずに排気通路を吸気通路と接続し、排気ガスの一部を吸気通路に還流するように構成される。そして、制御装置は、ＥＧＲ装置による排気ガスの還流量の変更時に、上記温度差から水噴射量を決定してもよい。

ＥＧＲ装置により排気ガスの一部を燃焼室内に還流させることにより、燃焼温度を抑制してＮＯｘ量の発生を抑制することができる。しかしながら、例えば、必要なＥＧＲガス量が増加する過渡運転時に、実際のＥＧＲガス量の増加には遅れが生じる。この場合、エンジンの回転数及び負荷に応じた水噴射量の設定では、実際のＥＧＲガス量が必要量に到達するまで水量が不足し、その結果ＮＯｘ量を十分に抑制できない可能性がある。上記のディーゼルエンジンでは、燃焼室内の燃焼状態に直接関与する上記状態量から上記温度差及び水噴射量が決定されるので、過渡運転時に上記のような水量不足が生じるのを抑制することができる。したがって、ＮＯｘ量を十分に抑制することができる。

制御装置は、ＥＧＲ装置の作動が制限されるエンジン本体の冷間始動時に、上記温度差から水噴射量を決定してもよい。

エンジンの冷間始動時は、ＥＧＲ装置を作動させると凝縮水が生成されるため、ＥＧＲ装置の作動が制限される場合がある。ＥＧＲ装置の作動が制限されると、燃焼温度が高くなりＮＯｘ量が増加する可能性がある。このディーゼルエンジンでは、上述のとおり上記状態量から水噴射量が決定されるので、燃焼温度を適切に抑制することができる。したがって、ＮＯｘ量を十分に抑制することができる。

噴霧温度の目標は、エンジン本体の回転数及び負荷に基づいて決定されてもよい。
これにより、エンジン本体の回転数及び負荷に基づき決定される目標噴霧温度に噴霧温度を近づけることができる。したがって、ＮＯｘ量を適切に抑制することができる。

予め求められた関係は、上記状態量と、エンジン本体の１ストロークにおける噴霧温度の最大値との関係であってもよい。そして、制御装置は、その関係に従って、取得部により取得された上記状態量から噴霧温度の最大値を推定し、その推定された噴霧温度の最大値と、噴霧温度の最大値の目標との温度差から、水噴射量を決定してもよい。

このように噴霧温度の最大値を用いることにより、噴霧温度を十分かつ適切に抑制することができる。

制御装置は、エンジン本体の運転状態に応じて定まる燃焼室内の噴霧ガスの質量、噴霧内ガス定圧比熱、及び上記温度差を乗算した値を、水の蒸発潜熱値で除算することにより、水噴射量を算出してもよい。

これにより、水噴射量を適切に算出することができる。

本開示のディーゼルエンジン及びその制御方法によれば、エンジンの状態が変化する過渡運転時においても適量の水を噴射することができる。その結果、ＮＯｘ量を十分に抑制することができ、また、燃焼温度の過度な低下による出力低下を抑制することができる。

本開示の実施の形態に従うディーゼルエンジンの全体構成図である。 シリンダにおける燃料噴射弁及び水噴射弁の配置例を示す図である。 参考例として、エンジンの過渡運転時におけるＮＯｘ量の推移の一例を示す図である。 燃焼室内における噴霧平均温度の最大値の推移例を示す図である。 ベース条件からの噴霧温度の温度差と水噴射量との関係の一例を示す図である。 制御装置により実行される水噴射弁の水噴射量の算出処理を説明するフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、本開示の実施の形態に従うディーゼルエンジンの全体構成図である。図１を参照して、ディーゼルエンジン１は、エンジン本体１０と、吸気管１１Ａ，１１Ｂと、吸気マニホールド１１Ｃと、排気マニホールド１２Ａと、排気管１２Ｂ，１２Ｃと、ターボ過給機３０と、ＥＧＲ装置１３と、制御装置５０とを備える。

また、ディーゼルエンジン１は、吸気流量センサ２１と、インタークーラ１６と、スロットル装置４７と、圧力センサ２４とをさらに備える。

吸気管１１Ａは、ターボ過給機３０のコンプレッサ３５の流入側に接続され、コンプレッサ３５の流出側に吸気管１１Ｂが接続される。エンジン本体１０の吸気側には、吸気マニホールド１１Ｃが設けられており、吸気管１１Ｂは、吸気マニホールド１１Ｃに接続される。

吸気流量センサ２１は、吸気管１１Ａに設けられ、吸気管１１Ａに導入される空気の流量を検出する。ターボ過給機３０は、コンプレッサインペラ３５Ａを有するコンプレッサ３５と、タービンインペラ３６Ａを有するタービン３６とを含む。コンプレッサインペラ３５Ａは、排気ガスによって回転駆動されるタービンインペラ３６Ａにより回転駆動され、吸気管１１Ａを通じて吸入される空気を過給して吸気管１１Ｂに供給する。

インタークーラ１６は、吸気管１１Ｂに設けられ、コンプレッサ３５により過給された空気を冷却する空冷式又は水冷式の熱交換器である。スロットル装置４７は、吸気管１１Ｂにおいてインタークーラ１６の下流側に設けられ、制御装置５０からの制御信号に基づいてスロットルバルブ４７Ａを駆動することにより吸気流量を調整する。圧力センサ２４は、吸気管１１Ｂにおいてスロットル装置４７の下流側に設けられ、吸気マニホールド１１Ｃに供給される吸気ガスの圧力を検出して制御装置５０へ出力する。

ディーゼルエンジン１は、コモンレール４１と、燃料配管４２Ａ～４２Ｄと、燃料噴射弁４３Ａ～４３Ｄと、水供給用コモンレール６１と、水配管６２Ａ～６２Ｄと、水噴射弁６３Ａ～６３Ｄと、供給管６５と、ポンプ６６と、水タンク６７とをさらに備える。

エンジン本体１０には、複数のシリンダ４５Ａ～４５Ｄが設けられている。なお、この例では、４つのシリンダ４５Ａ～４５Ｄが示されているが、シリンダの数はこれに限定されるものではない。

燃料噴射弁４３Ａ～４３Ｄは、それぞれシリンダ４５Ａ～４５Ｄに設けられる。燃料噴射弁４３Ａ～４３Ｄには、コモンレール４１からそれぞれ燃料配管４２Ａ～４２Ｄを通じて燃料が供給される。燃料噴射弁４３Ａ～４３Ｄは、制御装置５０からの制御信号によって駆動され、それぞれシリンダ４５Ａ～４５Ｄ内に燃料を噴射する。

水噴射弁６３Ａ～６３Ｄも、それぞれシリンダ４５Ａ～４５Ｄに設けられる。水噴射弁６３Ａ～６３Ｄには、水供給用コモンレール６１からそれぞれ水配管６２Ａ～６２Ｄを通じて水（非燃焼性液体）が供給される。水噴射弁６３Ａ～６３Ｄは、制御装置５０からの制御信号によって駆動され、それぞれシリンダ４５Ａ～４５Ｄ内に水を噴射する。

水供給用コモンレール６１は、供給管６５を通じて水タンク６７に連結されている。供給管６５には、ポンプ６６が設けられ、ポンプ６６により水タンク６７から供給管６５を通じて水供給用コモンレール６１へ水が供給される。

エンジン本体１０の排気側には、排気マニホールド１２Ａが設けられており、排気マニホールド１２Ａに排気管１２Ｂが接続される。排気管１２Ｂの流出側は、ターボ過給機３０のタービン３６の流入側に接続され、タービン３６の流出側に排気管１２Ｃが接続されている。

ディーゼルエンジン１は、温度センサ２９と、圧力センサ２６とをさらに備える。温度センサ２９は、排気管１２Ｂに設けられ、エンジン本体１０から排出される排気温度を検出する。圧力センサ２６は、排気管１２Ｂに設けられ、排気管１２Ｂ内の排気ガスの圧力を検出して制御装置５０へ出力する。

なお、図１には示されていないが、排気管１２Ｃには、排気ガス浄化装置が設けられている。排気ガス浄化装置は、例えば、酸化触媒、微粒子捕集フィルタ、選択還元触媒等を含んで構成される。

ＥＧＲ装置１３は、ＥＧＲ配管１３Ａ，１３Ｂと、経路切替装置１４Ａと、ＥＧＲバルブ１４Ｂと、ＥＧＲクーラ１５と、バイパス配管１３Ｃとを含む。ＥＧＲ配管１３Ａは、排気管１２Ｂに接続され、ＥＧＲ配管１３Ｂは、吸気管１１Ｂに接続される。ＥＧＲ配管１３Ａ，１３Ｂによって排気管１２Ｂと吸気管１１Ｂとが連通し、排気管１２Ｂの排気ガスの一部（ＥＧＲガス）をエンジン本体１０の吸気側に還流させることができる。

経路切替装置１４Ａは、ＥＧＲ配管１３Ａを通じて還流されるＥＧＲガスを、ＥＧＲクーラ１５を経由して吸気管１１Ｂに戻すＥＧＲクーラ経路と、バイパス配管１３ＣによりＥＧＲクーラ１５をバイパスして吸気管１１Ｂに戻すバイパス経路とを切り替える経路切替弁である。

ＥＧＲバルブ１４Ｂは、ＥＧＲ配管１３Ｂに設けられ、バイパス配管１３Ｃの合流部よりも下流側に設けられる。ＥＧＲバルブ１４Ｂは、制御装置５０からの制御信号に基づいて、ＥＧＲ配管１３Ｂ内を流れるＥＧＲガスの流量（すなわち、吸気管１１Ｂに還流されるＥＧＲガスの流量）を調整する。

ＥＧＲクーラ１５は、ＥＧＲ配管１３ＡとＥＧＲ配管１３Ｂとの間に設けられ、ＥＧＲガスを冷却する熱交換器である。ＥＧＲクーラ１５は、ＥＧＲ配管１３Ａから流入するＥＧＲガスを冷却してＥＧＲ配管１３Ｂへ吐出する。

制御装置５０は、少なくとも、プロセッサ５１と、記憶装置５３とを含んで構成される。プロセッサ５１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）等によって構成される。記憶装置５３は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ハードディスク等を含んで構成される。ＲＯＭには、プロセッサ５１により実行される処理プログラムが記憶されており、プロセッサ５１は、ＲＯＭに格納されている処理プログラムをＲＡＭに展開して実行する。

制御装置５０は、各種センサからの検出信号に基づいてディーゼルエンジン１の運転状態を検出し、燃料噴射弁４３Ａ～４３Ｄ、水噴射弁６３Ａ～６３Ｄ、ＥＧＲバルブ１４Ｂ等を含む各種のアクチュエータを制御する。

ディーゼルエンジン１は、回転角センサ２２と、大気圧センサ２３と、アクセルペダルセンサ２５と、車速センサ２７とをさらに備える。回転角センサ２２は、エンジン本体１０のクランクシャフトの回転角（クランク角度）を検出する。大気圧センサ２３は、周囲の大気圧を検出する。アクセルペダルセンサ２５は、運転者によるアクセルペダルの踏込量を検出する。車速センサ２７は、ディーゼルエンジン１が搭載される車両の車輪の回転速度を検出する。

上記のディーゼルエンジン１においては、シリンダ４５Ａ～４５Ｄ内に形成される燃焼室内の燃焼温度が高くなると排気ガス中のＮＯｘ量が増加するため、シリンダ４５Ａ～４５Ｄ内（燃焼室内）に水を噴射して燃焼温度を低下させるための水噴射弁６３Ａ～６３Ｄが設けられている。

図２は、シリンダ４５Ａにおける燃料噴射弁４３Ａ及び水噴射弁６３Ａの配置例を示す図である。なお、その他のシリンダ４５Ｂ～４５Ｄにおける燃料噴射弁４３Ｂ～４３Ｄ及び水噴射弁６３Ｂ～６３Ｄの配置も、シリンダ４５Ａにおける燃料噴射弁４３Ａ及び水噴射弁６３Ａの配置と同様である。

図２を参照して、エンジン本体１０は、シリンダ４５Ａが形成されるシリンダブロック７１と、シリンダヘッド７２とを備えている。シリンダ４５Ａ内には、シリンダ４５Ａ内を往復運動するピストン７３が設けられている。ピストン７３とシリンダヘッド７２との間のシリンダ４５Ａ内に、混合気が燃焼する燃焼室７５が形成される。ピストン７３の頂面には、凹状に形成されたキャビティ７６が形成されている。

燃料噴射弁４３Ａは、燃焼室７５の上壁面の中央に配置され、ピストン７３に形成されたキャビティ７６内の周辺部に向けて燃料Ｆが直接噴射されるように構成されている（図２の下図参照）。水噴射弁６３Ａは、燃焼室７５の上壁面の周辺部に、燃料噴射弁４３Ａに対して斜めに傾斜して配置される。水噴射弁６３Ａは、燃料噴射弁４３Ａの複数（例えば８個）の燃料噴射口（図示せず）の周囲の所定領域ＦＬに水６８を噴射（供給）するように構成されている（図２の上図参照）。これにより、所定領域ＦＬが水６８の気化熱によって燃料Ｆの着火温度よりも低い温度に冷却される。

水噴射弁６３Ａ～６３Ｄによる燃焼室内への水噴射により、燃焼温度を抑制して排気ガス中のＮＯｘ量を抑制できる一方で、過度の水噴射は燃焼温度の過度な低下による出力低下を招くため、水噴射弁６３Ａ～６３Ｄによる水噴射については適量が求められる。そこで、例えば、エンジンの回転数及び負荷に応じて、燃焼温度を過度に低下させることなくＮＯｘ量を低減可能な水噴射量を設定することが考えられる。

しかしながら、エンジンの回転数及び負荷に応じた水噴射量の設定では、エンジンの状態が変化する過渡運転時にＮＯｘ量を十分に抑制できない可能性がある。具体的には、必要なＥＧＲガス量が増加する過渡運転時において、実際のＥＧＲガス量の増加には遅れが生じる。そのため、エンジンの回転数及び負荷に応じた水噴射量の設定では、実際のＥＧＲガス量が必要量に到達するまで水量が不足し、その結果ＮＯｘ量を十分に抑制できない可能性がある。

図３は、参考例として、エンジンの過渡運転時におけるＮＯｘ量の推移の一例を示す図である。図３において、ＥＧＲ率とは、エンジン本体に供給される吸気ガス中に占めるＥＧＲガス量の割合を示す。線Ｌ１（点線）は、ＥＧＲ率の目標値（目標ＥＧＲ率）であり、目標ＥＧＲ率は、この例ではエンジンの回転数及び負荷（燃料噴射量等）から決定される。線Ｌ２（実線）は、ＥＧＲ率の実績値（実績ＥＧＲ率）である。線Ｌ３は、ＮＯｘ量の推移を示す。

図３を参照して、実績ＥＧＲ率の変化（線Ｌ２）は、目標ＥＧＲ率の変化（線Ｌ１）に対して遅れを有する。具体的には、目標ＥＧＲ率については、時刻ｔ１においてピークとなっているのに対して、実績ＥＧＲ率については、時刻ｔ１よりも遅れた時刻ｔ２においてピークとなっている。これは、目標ＥＧＲ率の上昇に応じてＥＧＲバルブの開度が増加してからその開度変化が燃焼室に供給される吸気ガスのＥＧＲ率の変化に表れるまでにはタイムラグが生じるためである。この遅れにより、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間は、目標ＥＧＲ率に対して実績ＥＧＲ率が低くなっている。

この参考例では、目標ＥＧＲ率がエンジンの回転数及び負荷から決定されることに応じて、水噴射量もエンジンの回転数及び負荷に基づいて決定される。そのため、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間において、目標ＥＧＲ率よりも低い実績ＥＧＲ率に対しては水噴射量が少ない状態となり、その結果、燃焼温度を十分に抑制できずにＮＯｘ量が増加している（線Ｌ３）。時刻ｔ３，ｔ４についても同様であり、時刻ｔ３から時刻ｔ４の間のＥＧＲ遅れによりＮＯｘ量が増加している。

そこで、本実施の形態に従うディーゼルエンジン１においては、エンジン本体１０の回転数及び負荷に基づく水噴射量をベースとしつつ、燃焼状態に直接関与する状態量である吸気酸素の量を用いて水噴射量が決定される。吸気酸素は、燃焼室に供給される吸気ガスに含まれる酸素であり、本実施の形態では、上記状態量として、吸気ガス中の吸気酸素の質量分率が用いられる。このような燃焼室内の燃焼状態に直接関与する状態量から水噴射量を決定することにより、過渡運転時においても燃焼状態に基づいて適切な水噴射量を決定することができる。

図４は、燃焼室内における噴霧平均温度の最大値の推移例を示す図である。図４において、線Ｌ４は、噴霧平均温度の最大値（以下、単に「噴霧温度」と称する場合がある。）Ｔｍａｘを示し、線Ｌ５は、噴霧温度Ｔｍａｘの目標値（以下、単に「目標噴霧温度」と称する。）Ｔｍａｘ０を示す。この図４では、参考例として、線Ｌ４については、上記のような本実施の形態における水噴射量の設定が行なわれない場合の温度推移が示されている。

なお、噴霧平均温度とは、燃焼室内の燃焼温度の空間的平均値を示し、噴霧平均温度の最大値とは、エンジンの１ストロークにおける噴霧平均温度の最大値を示す。目標噴霧温度Ｔｍａｘ０は、目標のＮＯｘ量を得るのに必要な噴霧温度Ｔｍａｘであり、この実施の形態では、エンジン本体１０の回転数及び負荷に基づいて決定される。目標噴霧温度Ｔｍａｘ０は、実験やシミュレーション等により予め求められ、エンジン本体１０の回転数及び負荷をパラメータとするマップとして記憶装置５３に記憶されている。

図４を参照して、エンジン本体１０の状態が変化（例えば、図３で説明した過渡変化）したことにより、時刻ｔ１１，ｔ１２において噴霧温度Ｔｍａｘ（線Ｌ４）が目標噴霧温度Ｔｍａｘ０（線Ｌ５）に対して上昇している。この例では、時刻ｔ１１において、噴霧温度Ｔｍａｘと目標噴霧温度Ｔｍａｘ０との温度差ΔＴ（１）が生じており、時刻ｔ１２において、噴霧温度Ｔｍａｘと目標噴霧温度Ｔｍａｘ０との温度差ΔＴ（２）が生じている。このような噴霧温度Ｔｍａｘの上昇は、ＮＯｘ量の増加を招く。

本実施の形態では、この温度差ΔＴを吸気酸素量（吸気酸素の質量分率）から推定する。そして、推定された温度差ΔＴに基づいて、温度差ΔＴを抑制するように水噴射弁６３Ａ～６３Ｄの水噴射量を決定する。これにより、過渡運転時においても適量の水を噴射することができる。その結果、ＮＯｘ量を十分に抑制することができ、また、噴霧温度の過度な低下によるエンジンの出力低下を抑制することができる。以下、上記の温度差ΔＴ及びそれに基づく水噴射量の算出方法について説明する。

本実施の形態に従うディーゼルエンジン１においては、事前の実験或いはシミュレーション等から導出された以下の実験式（１）を用いて、燃料の噴霧温度Ｔｍａｘ（Ｋ）が算出される。

この式（１）は、ＮＯｘ発生量と噴霧温度との間にアレニウスの式が成り立つと仮定して、温度パラメータをｅ（ネイピア数）の指数項に有するアレニウス型のモデルを採用したものである。式（１）において、Ｙは吸気酸素の質量分率を示し、Ｙ０はベース条件における吸気酸素の質量分率を示す。

吸気酸素の質量分率Ｙは、吸気流量センサ２１により検出される吸入空気量と、ＥＧＲ量（率）とから、公知の手法を用いて算出することができる。なお、ＥＧＲ量（率）は、吸気流量センサ２１により検出される吸入空気量と、圧力センサ２４の検出値とから、公知の手法を用いて推定することができる。

ベース条件とは、ディーゼルエンジン１の定常運転下における、演算時のエンジン回転数及びエンジン負荷に基づく条件である。具体的には、Ｙ０は、演算時のエンジン本体１０の回転数及び負荷における吸気酸素の質量分率であり、Ｔｍａｘ０は、演算時のエンジン本体１０の回転数及び負荷における噴霧温度（噴射平均温度の最大値）である。このベース条件における吸気酸素の質量分率Ｙ０及び噴霧温度Ｔｍａｘ０は、それぞれ吸気酸素の質量分率Ｙ及び噴霧温度Ｔｍａｘの目標値に相当する。吸気酸素の質量分率Ｙ０及び噴霧温度Ｔｍａｘ０は、エンジン本体１０の回転数及び負荷をパラメータとして実験やシミュレーション等により予め求められ、マップとして記憶装置５３に記憶されている。

ベース条件における吸気酸素の質量分率Ｙ０及び噴霧温度Ｔｍａｘ０を演算時のエンジン本体１０の回転数及び負荷に基づいて上記マップから取得し、式（１）を用いて吸気酸素の質量分率Ｙから噴霧温度Ｔｍａｘを算出することができる。なお、エンジン本体１０の回転数は、回転角センサ２２の検出値から算出することができる。エンジン本体１０の負荷は、例えば、燃料噴射弁４３Ａ～４３Ｄからの燃料噴射量、及び／又はアクセルペダルセンサ２５により検出されるアクセルペダルの踏込量から算出される。

そして、算出された噴霧温度Ｔｍａｘとベース条件における噴霧温度Ｔｍａｘ０との温度差ΔＴが次式（２）により算出される。

ΔＴ＝Ｔｍａｘ－Ｔｍａｘ０ …（２）
本実施の形態では、この温度差ΔＴから、各水噴射弁６３Ａ～６３Ｄの水噴射量Ｑｗ（ｇ）が算出される。水噴射量Ｑｗは、噴霧温度Ｔｍａｘを温度差ΔＴだけ下げるのに必要な量として、次式により算出される。

Ｑｗ＝Ｍｓ×Ｃｐ×ΔＴ／Ｈｗ …（３）
Ｍｓは、燃焼室内に燃料が噴霧されることにより生成される噴霧ガス（吸気ガスと燃料との混合ガス）の質量（ｇ）を示す。また、Ｃｐは噴霧内ガス定圧比熱（ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ））を示し、Ｈｗは水の蒸発潜熱（ｋＪ／ｋｇ）を示す。

なお、噴霧ガス質量Ｍｓは、各燃料噴射弁４３Ｂ～４３Ｄからの燃料の噴射量或いは噴射圧力に依存し、エンジン本体１０の運転条件によって変化するパラメータである。噴霧ガス質量Ｍｓは、例えば、エンジン本体１０の回転数及び負荷（燃料噴射量等）をパラメータとして実験やシミュレーション等により予め求められ、マップとして記憶装置５３に記憶されている。

図５は、ベース条件からの噴霧温度の温度差ΔＴと水噴射量Ｑｗとの関係の一例を示す図である。図５において、横軸は、噴霧温度Ｔｍａｘとベース条件における噴霧温度Ｔｍａｘ０との温度差ΔＴを示し、縦軸は水噴射量Ｑｗを示す。

図５を参照して、線Ｌ１１は、エンジンの回転数が１２００ｒｐｍで燃料噴射量が２０ｑｖ（ｍｍ³／ｓｔ）（「ｓｔ」はストロークを示す）であるときの関係を示す。また、線Ｌ１２は、エンジンの回転数が１６００ｒｐｍで燃料噴射量が３０ｑｖであるときの関係を示し、線Ｌ１３は、エンジンの回転数が２０００ｒｐｍで燃料噴射量が５０ｑｖであるときの関係を示す。

このように、本実施の形態に従うディーゼルエンジン１では、式（１）を用いて吸気酸素量（吸気酸素の質量分率Ｙ）から燃料の噴霧温度Ｔｍａｘが算出され、ベース条件からの噴霧温度の温度差ΔＴに基づいて、各水噴射弁６３Ａ～６３Ｄの水噴射量Ｑｗが決定される。

図６は、制御装置５０により実行される水噴射弁６３Ａ～６３Ｄの水噴射量の算出処理を説明するフローチャートである。このフローチャートに示される一連の処理は、ディーゼルエンジン１の運転中に、所定時間毎或いは所定の条件が成立する毎に繰り返し実行される。

図６を参照して、制御装置５０は、まず、燃焼室内の燃焼状態に直接関与する状態量である吸気酸素量を示す吸気酸素の質量分率Ｙを算出する（ステップＳ１０）。吸気酸素の質量分率Ｙは、吸気流量センサ２１により検出される吸入空気量と、ＥＧＲ量（率）とから、公知の手法を用いて算出することができる。

次いで、制御装置５０は、エンジン本体１０の回転数及び負荷を検出する（ステップＳ２０）。回転数は、回転角センサ２２の検出値から算出される。エンジン本体１０の負荷は、燃料噴射弁４３Ａ～４３Ｄからの燃料噴射量、及び／又はアクセルペダルセンサ２５により検出されるアクセルペダルの踏込量から算出される。

さらに、制御装置５０は、定常運転下におけるエンジン回転数及びエンジン負荷と、吸気酸素の質量分率及び噴霧温度の各々との関係を示すマップを用いて、ステップＳ２０において検出された回転数及び負荷に基づいて、ベース条件における吸気酸素の質量分率Ｙ０及び噴霧温度Ｔｍａｘ０を取得する（ステップＳ３０）。このベース条件における噴霧温度Ｔｍａｘ０は、噴霧温度Ｔｍａｘの目標値（ＮＯｘ低減に必要な目標噴霧温度）に相当する。

そして、制御装置５０は、予め求められた実験式の上記式（１）を用いて、ステップＳ１０において算出された吸気酸素の質量分率Ｙ、並びにステップＳ３０において取得されたベース条件における吸気酸素の質量分率Ｙ０及び噴霧温度Ｔｍａｘ０から、演算時の噴霧温度Ｔｍａｘを算出する（ステップＳ４０）。

次いで、制御装置５０は、ステップＳ４０において算出された噴霧温度Ｔｍａｘと、ベース条件における噴霧温度Ｔｍａｘ０（ＮＯｘ低減に必要な目標噴霧温度）との温度差ΔＴ（＝Ｔｍａｘ－Ｔｍａｘ０）を算出する（ステップＳ５０）。

続いて、制御装置５０は、演算時のエンジン本体１０の運転状態下における噴霧ガス質量Ｍｓを算出する（ステップＳ６０）。具体的には、制御装置５０は、エンジン本体１０の回転数及び負荷（燃料噴射量等）と、噴霧ガス質量Ｍｓとの関係を示すマップを用いて、ステップＳ２０において検出された回転数及び負荷に基づいて噴霧ガス質量Ｍｓを算出する。

そして、制御装置５０は、ステップＳ５０において算出された温度差ΔＴから、各水噴射弁６３Ａ～６３Ｄによる水噴射量Ｑｗを算出する（ステップＳ７０）。具体的には、上述の式（３）を用いて、ステップＳ５０において算出された温度差ΔＴ及びステップＳ６０において算出された噴霧ガス質量Ｍｓから水噴射量Ｑｗを算出する。

以上のように、この実施の形態においては、燃焼室内の燃焼状態に直接関与する状態量である吸気酸素の質量分率（燃料酸素量）と、燃焼室内に噴射された燃料の噴霧温度との予め求められた関係（式（１））に従って、吸気酸素の質量分率Ｙから噴霧温度Ｔｍａｘが推定される。そして、その推定された噴霧温度Ｔｍａｘとベース条件における噴霧温度Ｔｍａｘ０（目標噴霧温度）との温度差ΔＴから、各燃料噴射弁４３Ａ～４３Ｄの水噴射量Ｑｗが決定される。

これにより、過渡運転時においても燃焼状態に基づいて適切な水噴射量Ｑｗを決定することができる。したがって、この実施の形態によれば、過渡運転時においても適量の水を噴射することができる。その結果、ＮＯｘ量を十分に抑制することができ、また、燃焼温度の過度な低下による出力低下を抑制することができる。

また、上記の実施の形態では、ＥＧＲ装置１３が設けられており、ＥＧＲ装置１３による排気ガスの還流量の変更時に、吸気酸素の質量分率（吸気酸素量）から水噴射量Ｑｗが決定される。これにより、過渡運転時にＥＧＲガスの応答遅れによる水噴射不足の問題は生じない。したがって、この実施の形態によれば、ＮＯｘ量を十分に抑制することができる。

なお、エンジン本体１０の冷間始動時は、ＥＧＲ装置１３を作動させると凝縮水が生成されるため、ＥＧＲ装置１３の作動が制限される場合がある。ＥＧＲ装置１３の作動が制限されると、燃焼温度が高くなりＮＯｘ量が増加する可能性がある。この実施の形態では、燃焼状態に直接関与する状態量である吸気酸素量（吸気酸素の質量分率Ｙ）から水噴射量Ｑｗが決定されるので、エンジン本体１０の冷間始動時においても、ＮＯｘ量を十分に抑制することができる。

今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示により示される技術的範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ ディーゼルエンジン、１０ エンジン本体、１１Ａ，１１Ｂ 吸気管、１１Ｃ 吸気マニホールド、１２Ａ 排気マニホールド、１２Ｂ，１２Ｃ 排気管、１３ ＥＧＲ装置、１３Ａ，１３Ｂ ＥＧＲ配管、１３Ｃ バイパス配管、１４Ａ 経路切替装置、１４Ｂ ＥＧＲバルブ、１５ ＥＧＲクーラ、１６ インタークーラ、２１ 吸気流量センサ、２２ 回転角センサ、２３ 大気圧センサ、２４，２６ 圧力センサ、２５ アクセルペダルセンサ、２７ 車速センサ、２９ 温度センサ、３０ ターボ過給機、３５ コンプレッサ、３５Ａ コンプレッサインペラ、３６ タービン、３６Ａ タービンインペラ、４１ コモンレール、４２Ａ～４２Ｄ 燃料配管、４３Ａ～４３Ｄ 燃料噴射弁、４５Ａ～４５Ｄ シリンダ、４７ スロットル装置、４７Ａ スロットルバルブ、５０ 制御装置、５１ プロセッサ、５３ 記憶装置、６１ 水供給用コモンレール、６２Ａ～６２Ｄ 水配管、６３Ａ～６３Ｄ 水噴射弁、６５ 供給管、６６ ポンプ、６７ 水タンク、７１ シリンダブロック、７２ シリンダヘッド、７３ ピストン、７５ 燃焼室、７６ キャビティ。

Claims (7)

1. 燃焼室を有するエンジン本体と、
   前記燃焼室内に燃料を噴射するように構成された燃料噴射装置と、
   前記燃焼室内に水を噴射するように構成された水噴射装置と、
   前記水噴射装置を制御する制御装置と、
   前記燃焼室内に供給される吸気ガスに含まれる酸素の量を示す状態量を取得する取得部とを備え、
   前記制御装置は、
   前記状態量と前記燃焼室内に噴射された燃料の噴霧温度との予め求められた関係に従って、前記取得部により取得された前記状態量から前記噴霧温度を推定し、
   推定された前記噴霧温度と前記噴霧温度の目標との温度差から、前記水噴射装置による水噴射量を決定する、ディーゼルエンジン。
2. 前記エンジン本体を経由せずに排気通路を吸気通路と接続し、排気ガスの一部を前記吸気通路に還流するように構成されたＥＧＲ装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記ＥＧＲ装置による排気ガスの還流量の変更時に、前記温度差から前記水噴射量を決定する、請求項１に記載のディーゼルエンジン。
3. 前記制御装置は、前記ＥＧＲ装置の作動が制限される前記エンジン本体の冷間始動時に、前記温度差から前記水噴射量を決定する、請求項２に記載のディーゼルエンジン。
4. 前記噴霧温度の目標は、前記エンジン本体の回転数及び負荷に基づいて決定される、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン。
5. 前記関係は、前記状態量と、前記エンジン本体の１ストロークにおける前記噴霧温度の最大値との関係であり、
   前記制御装置は、
   前記関係に従って、前記取得部により取得された前記状態量から前記噴霧温度の最大値を推定し、
   推定された前記噴霧温度の最大値と、前記噴霧温度の最大値の目標との温度差から、前記水噴射量を決定する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン。
6. 前記制御装置は、前記エンジン本体の運転状態に応じて定まる前記燃焼室内の噴霧ガスの質量、噴霧内ガス定圧比熱、及び前記温度差を乗算した値を、水の蒸発潜熱値で除算することにより、前記水噴射量を算出する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン。
7. 燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置と前記燃焼室内に水を噴射する水噴射装置とを備えるディーゼルエンジンの制御方法であって、
   前記燃焼室内に供給される吸気ガスに含まれる酸素の量を示す状態量を取得するステップと、
   前記状態量と前記燃焼室内に噴射された燃料の噴霧温度との予め求められた関係に従って、取得された前記状態量から前記噴霧温度を推定するステップと、
   推定された前記噴霧温度と前記噴霧温度の目標との温度差から、前記水噴射装置による水噴射量を決定するステップとを含む、ディーゼルエンジンの制御方法。