JP2013245565A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮自着火式の内燃機関において、プレ噴霧とメイン噴霧とが重ならないように両者の間隔を調整するとともに、そのプレ噴霧を好適なタイミングで着火、燃焼させて、プレ噴射によるスモークの抑制と燃焼騒音の低減とを高い次元で両立させる。
【解決手段】気筒内に直接、噴射した燃料の空気との混合をスワール流によって促進するようにした内燃機関において、機関トルクを制御するための燃料のメイン噴射と、このメイン噴射の直前のプレ噴射とを少なくとも実行するとともに、そのプレ噴射およびメイン噴射の間隔を、プレ噴射による燃料の噴霧がメイン噴射による燃料の噴霧と重ならないように調整する。プレ噴射の際の筒内温度が所定の目標温度になるように、プレ噴射に先立つ燃料の先行噴射量などを制御する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ディーゼルエンジンに代表される圧縮自着火式の内燃機関の燃料噴射制御装置に係り、特に、排気エミッションの改善や燃焼騒音の低減のための対策に関する。

従来より、ディーゼルエンジンに代表されるように気筒内に直接、燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、気筒の圧縮上死点近傍で行う主噴射（メイン噴射）の他に、より進角側で少量の燃料を副噴射するようにした内燃機関が知られている。この副噴射はパイロット噴射やプレ噴射と呼ばれ、メイン噴射の前に筒内温度を上昇させて、その燃料噴霧の蒸発を促進したり、着火遅れを短縮して燃焼を緩やかに開始させるといった効果がある。

ところが、それらパイロット噴射やプレ噴射のメイン噴射との間隔が短くなると、先に噴射された燃料の火炎や燃焼ガス中にメイン噴射の噴霧が重なってしまい、この重なり部分において酸素不足に起因してスモーク発生量が増大する虞があった。なお、一般にパイロット噴射やプレ噴射のうち、メイン噴射の直前に行われるものはプレ噴射と呼ばれることが多いので、メイン噴射との間隔が短いものは以下、「プレ噴射」と呼ぶことにする。

前記の不具合につき特許文献１、２には、メイン噴射の噴霧がプレ噴射（文献中では「パイロット噴射」と記載）による火炎もしくは燃焼ガスと重ならないように、両者の噴射間隔を設定するという技術が開示されている。すなわち、まず、プレ噴射された燃料の噴霧（以下、プレ噴霧ともいう）が気筒内のスワール流に乗って周方向に流されることを考慮して、このスワール流の流速からプレ噴霧の周方向への移動速度を算出する。

そして、そのプレ噴霧が、メイン噴射による燃料の噴霧（以下、メイン噴霧ともいう）が形成される時点において、気筒の円周方向に隣り合う２つのメイン噴霧の中間に位置するように、プレ噴射とメイン噴射との間隔（インターバル）を設定する。特に特許文献２に記載のものでは、プレ噴射の開始からではなく、その終了からメイン噴射の開始までの間隔をスワール流速に応じて設定するようにしている。

特開平１１−８２１３９号公報 特開２０１０−１８０７６１号公報

しかしながら前記従来の技術では、プレ噴霧とメイン噴霧とが重ならないように、相互の位置関係を設定することはできるものの、プレ噴霧の着火タイミングについて十分に考慮されていないため、２つのメイン噴霧の中間において適切なタイミングでプレ噴霧が着火、燃焼するとは限らない。

すなわち、一般的に筒内温度が高いほど噴霧の着火遅れは短くなるので、プレ噴霧の着火時期が早まる傾向があり、この結果としてメイン噴霧の着火遅れが短くなってしまい、スモークの増大を十分に抑制できない虞がある。反対に筒内温度が低くプレ噴霧の着火遅れが長いときには、その着火時期が遅くなる結果としてメイン噴霧の着火遅れが長くなってしまい、燃焼騒音を十分に低減できない虞がある。

かかる点に鑑みて本発明の目的は、プレ噴射した燃料の噴霧（プレ噴霧）と重ならないようにメイン噴射を行うとともに、そのプレ噴霧を好適なタイミングで着火、燃焼させることにより、プレ噴射によるスモークの抑制と燃焼騒音の低減とを高い次元で両立させることにある。

前記の目的を達成するために本発明では、プレ噴射に先立って行う燃料噴射を利用して、プレ噴射の際の気筒内の温度を調整することにより、プレ噴霧を好適なタイミングで着火、燃焼させるようにした。

−解決手段−
具体的に本発明は、気筒内に直接、噴射した燃料の空気との混合をスワール流によって促進するようにした内燃機関の燃料噴射制御装置が対象であって、機関トルクを制御するための燃料のメイン噴射と、このメイン噴射の直前のプレ噴射とを少なくとも実行するとともに、そのプレ噴射およびメイン噴射の間隔を、プレ噴射による燃料の噴霧（プレ噴霧）がメイン噴射による燃料の噴霧（メイン噴霧）と重ならないように調整する制御手段を備えている。そして、この制御手段を、前記プレ噴射に先立つ燃料の先行噴射を実行するとともに、この先行噴射による燃料の燃焼によって前記プレ噴射の際の筒内温度が所定の目標温度になるように、当該先行噴射の噴射制御を行う構成とした。

この特定事項により、内燃機関の運転中には制御手段によって、機関トルクを制御するためのメイン噴射とその直前のプレ噴射とが少なくとも実行されるとともに、それらプレ噴射およびメイン噴射の間隔は、プレ噴霧とメイン噴霧とが互いに重ならないように調整される。

また、前記制御手段によってプレ噴射に先立つ燃料の先行噴射が実行されるとともに、この先行噴射の制御、即ち噴射量、噴射圧力、噴射時期および噴射回数の少なくとも１つの制御が行われて、前記プレ噴射の際の筒内温度が目標温度になるように調整される。これによりプレ噴霧の着火遅れが好適なものとなり、メイン噴霧を効果的に加熱することができる好適なタイミングで着火、燃焼するようになる。

つまり、プレ噴霧とメイン噴霧とが重ならないようにするだけでなく、そのプレ噴霧を好適なタイミングで着火、燃焼させることができ、このプレ噴霧の燃焼によってメイン噴霧の着火遅れを好適に調整し、スモークの抑制と燃焼騒音の低減とを高い次元で両立させることができる。

より具体的に、前記内燃機関が、複数の噴孔からそれぞれ気筒内の外周側に向けて放射状に燃料を噴射する燃料噴射弁を備えている場合に、スワール流により気筒の周方向に移動されるプレ噴射の燃料噴霧が、前記燃料噴射弁の複数の噴孔からの噴射領域のうち、周方向に隣り合う２つの噴射領域の間で燃焼するように、前記プレ噴射の際の目標温度を決定するのがよい。

特に好ましいのは、前記プレ噴霧の燃焼が、前記２つの噴射領域の略中央においてピークとなるように、前記プレ噴射の際の目標温度を決定することである。燃焼のピークとは例えば熱発生率のピークとすればよく、燃焼の開始からピークまでの時間は気筒内の状態や噴霧の特性によって変化するので、この時間は予め実験やシミュレーション等によって調べて、例えば機関運転状態などに関連づけてマップ化しておき、このマップから読み込むようにすればよい。

そして、スワール流の速度等に基づいて、プレ噴霧が２つの噴射領域の略中央に到達するまでの移動時間を算出し、この移動時間から、前記の燃焼開始からピークまでの時間を減算すれば、プレ噴霧の好適な着火遅れ期間が求められる。そこで、この着火遅れ期間になるように気筒内の状態（例えば筒内圧）やプレ噴霧の特性（例えば噴霧内平均当量比）を考慮して、プレ噴射の際の目標温度を決定すればよい。

そうしてプレ噴射の際の目標温度を決定する一方で、前記先行噴射の噴射条件などからその発熱量を予測して（先行噴射の噴霧特性や筒内温度の履歴も加味することが好ましい）、前記プレ噴射の際の筒内温度を予測する。そして、この予測した温度の前記目標温度からの偏差に応じて、前記先行噴射の噴射条件、即ち噴射量、噴射圧力、噴射時期、噴射回数等を補正することにより、プレ噴射の際の筒内温度を目標温度に近づけることができる。

一例として制御手段は、前記プレ噴射の際の筒内温度の予測温度が目標温度よりも低いときには、前記先行噴射する燃料を増量する一方、目標温度よりも高いときには先行噴射する燃料を減量する構成とすればよい。また、予測温度が目標温度よりも低いときに先行噴射の時期を遅らせたり、その噴射回数を増やしたりしてもよい。

本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置によると、燃料のプレ噴射およびメイン噴射を行う場合に両者の噴射間隔を適切に設定して、プレ噴霧とメイン噴霧とが重ならないようにするとともに、そのプレ噴霧を好適なタイミングで着火、燃焼させることができる。よって、プレ噴霧の燃焼によりメイン噴霧の着火遅れを好適に調整し、スモークの抑制と燃焼騒音の低減とを高い次元で両立できる。

実施形態に係る機関制御システムの全体構成を示す模式図である。 気筒内におけるプレ噴霧等とメイン噴霧との位置関係を模式的に示す図であって、(a)はメイン噴射の開始直後を、(b)はメイン噴射の終了時をそれぞれ示す。 プレ噴射およびメイン噴射の間隔とスモークや燃焼騒音との関係を示すグラフ図である。 パイロット噴射の噴射量補正マップの一例を示す図である。 パイロット噴射の補正制御ルーチンを示すフローチャート図である。 プレ噴射開始前温度が目標温度よりも低い場合のプレ噴霧およびメイン噴霧の燃焼状態を示すグラフ図であって、(a)は燃料噴射率を、(b)は筒内温度を、また(c)は熱発生率を、それぞれ示す。 パイロット噴射量を補正した場合についての図６相当図である。 プレ噴射開始前温度が目標温度よりも高い場合についての図６相当図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

−システムの全体構成−
図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関１の制御システムの全体構成を示す模式図である。この内燃機関１は、一例として４つの気筒２，２，…を備えた筒内噴射式のディーゼルエンジンであり、一列に並んだ気筒２，２，…を取り囲むように冷却水流路（ウォータジャケット）３が形成されている。この冷却水流路３には、冷却水の水温に応じた出力を発する水温センサ２１が配設されている。

各気筒２，２，…内にはピストン（図１では図示省略）が配置され、それぞれコネクティングロッド４，４，…を介してクランクシャフト５に連結されている。このクランクシャフト５の近傍には、クランクシャフト５が所定角度だけ回転する度にパルス信号を発信するクランク角センサ２２が配設されている。

内燃機関１のシリンダヘッド（図示省略）には、各気筒２，２，…毎にそれぞれ直噴式の燃料噴射弁６，６，…が取り付けられている。これらの燃料噴射弁６，６，…は、気筒２内に直接、燃料を噴射するようにその天井部の中央に配設されており、一例として、ピエゾアクチュエータによってノズルニードルを進退移動させ、噴孔を開閉するピエゾインジェクタにより構成されている。

本実施形態では燃料噴射弁６の先端部分には複数（例えば周方向に亘って等間隔に６個）の噴孔が形成されていて、ノズルニードルが前進位置にある状態では、このノズルニードルの先端部によって各噴孔が閉鎖される一方、ノズルニードルが後退移動（リフト）されると各噴孔が開放されて、気筒２内の外周側に向けて放射状に燃料を噴射する構成となっている。

また、燃料噴射弁６はＥＤＵ（Electrical Driving Unit）４０を介してＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０に接続されている。ＥＤＵ４０は、ＥＣＵ３０からの制御信号に基づいて前記ピエゾアクチュエータのピエゾスタックの充電と放電とを実行する周知の駆動回路で構成されている。この燃料噴射弁６の動作による燃料噴射制御の詳細については後述する。

前記シリンダヘッドには吸気マニホールド７およびスロットルバルブ８を含む吸気系、並びに、図示しない排気マニホールドおよび触媒装置を含む排気系が接続されている。そして、各気筒２，２，…に設けられた図示しない吸気バルブの開弁動作によって吸気系から気筒２内に空気が吸入され、圧縮行程において空気が圧縮されて高温高圧となった気筒２内に向けて、燃料噴射弁６から燃料が噴射される。

そして、詳しくは後述するが、燃料の噴霧が空気と混合し自着火して燃焼することによりピストン５０が押し下げられて、コネクティングロッド４を介してクランクシャフト５を回転させる。こうしてピストン５０の往復運動がクランクシャフト５の回転運動に変換されて機関トルクが出力される。また、図示しない排気バルブの開弁動作にともなって気筒２内から排出される既燃ガス（排気ガス）は、排気系に備えられた触媒装置によって浄化される。

前記各燃料噴射弁６，６，…は、それぞれ燃料蓄圧容器としてのコモンレール９に接続されている。このコモンレール９には、その内圧（燃料圧力）を検出するコモンレール圧センサ２３が取り付けられている。コモンレール９には燃料配管１０を介して昇圧ポンプ１１が接続され、この昇圧ポンプ１１の吸入側には燃料タンク１２が接続されている。つまり、燃料タンク１２内の燃料が昇圧ポンプ１１により昇圧されてコモンレール９に供給される構成となっている。この供給された高圧燃料はコモンレール９から各燃料噴射弁６，６，…に分配される。

前記の水温センサ２１、クランク角センサ２２、コモンレール圧センサ２３からの出力信号はＥＣＵ３０に入力される。また、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ２４、吸気系に備えられて吸入空気量を検出するエアフローメータ２５、吸気圧を検出する吸気圧センサ２６もＥＣＵ３０に電気的に接続されていて、これらのセンサ２４〜２６からの出力信号もＥＣＵ３０に入力される。一方、ＥＣＵ３０は、例えば、燃料噴射弁６、昇圧ポンプ１１等に電気的に接続され（燃料噴射弁６に対しては前記ＥＤＵ４０を介して接続され）、必要に応じて制御信号を出力する。

具体的にＥＣＵ３０は、昇圧ポンプ１１に制御信号を発することで、燃料タンク１２からコモンレール９に供給される燃料の圧力（燃料噴射圧Ｐ_injに相当）を制御する。また、燃料噴射弁６に向けて制御信号を発することで、燃料噴射弁６の燃料噴射制御を行う。すなわち、一例としてパイロット噴射（先行噴射）、プレ噴射およびメイン噴射等、１回の燃焼サイクル中に複数回の噴射動作を実行するとともに、それらの噴射量Ｑ_pre，Ｑ_main，…や噴射時期ｔ_pre，ｔ_main，…を制御する。

一般的に燃料噴射圧Ｐ_injはコモンレール９の内圧により決定され、コモンレール内圧は、基本的には機関負荷が高いほど、および、機関回転数が高いほど高いものとされる。つまり、ＥＣＵ３０は、コモンレール内圧が内燃機関１の運転状態に基づいて設定される目標レール圧と等しくなるように、即ち燃料噴射圧が目標噴射圧になるように、昇圧ポンプ１１の燃料吐出量を調量する。

また、一般的にパイロット噴射は、メイン噴射から大きく進角したタイミングで行われ、気筒２内に形成した希薄な予混合気の燃焼（低温燃焼）により筒内温度を上昇させる。プレ噴射は、メイン噴射の直前に少量の燃料を噴射して燃焼させることで、メイン噴射される燃料の着火遅れを調整し、初期の燃焼が過度に激しくなることを防止する。

一方、メイン噴射は主として内燃機関１のトルク発生に寄与する、トルク制御のための噴射動作である。このメイン噴射での燃料の噴射量は、基本的には機関回転数、アクセル操作量（アクセル開度）、冷却水温度、吸気温度等の運転状態に応じ、要求トルクが得られるように決定される。例えば、機関回転数（前記クランク角センサ２２の検出値に基づいて算出される機関回転数）が高いほど、また、アクセル開度（アクセル開度センサ２４により検出されるアクセルペダルの踏み込み量）が大きいほど、内燃機関１のトルク要求値は高くなるので、それに応じてメイン噴射の燃料噴射量も多く設定されることになる。

なお、上述したプレ噴射およびメイン噴射の他に、アフタ噴射やポスト噴射が必要に応じて行われる。アフタ噴射は、排気ガス温度を上昇させるための噴射動作である。具体的には、供給された燃料の燃焼エネルギが内燃機関１のトルクに変換されることなく、その大部分が排気の熱エネルギとして得られるタイミングでアフタ噴射は実行される。また、ポスト噴射は、排気系に燃料を直接的に導入して前記触媒装置の昇温を図るための噴射動作である。

−燃料噴射制御−
前記のように燃料噴射圧Ｐ_injや噴射量Ｑ_pre，Ｑ_main，…等の基本的な噴射制御を行う他に、本実施形態の特徴としてＥＣＵ３０は、プレ噴射およびメイン噴射の間隔が好適なものとなるよう、それらの噴射時期ｔ_pre，ｔ_main，…を制御し、その上さらにプレ噴霧を好適なタイミングで着火させるために、パイロット噴射の補正制御を行う。

以下に図２を参照して燃料噴射制御の概略を説明する。この図２は、気筒２内における一部の領域（隣り合う２つの噴孔の噴射領域周辺）を気筒２の軸線方向に見て模式的に示すもので、プレ噴射された燃料の噴霧やその火炎、或いは燃焼ガス等（以下、まとめてプレ噴霧等Ｐともいう）がスワール流によって気筒２の周方向に移動され、その後のメイン噴射による燃料噴霧（以下、メイン噴霧Ｍ１，Ｍ２ともいう）との相互の位置関係が変化する様子が表れている。

図２(a)はメイン噴射の開始直後であり、その前に噴射されたプレ噴霧Ｐは、既にスワール流の下流側に向かって移動方向を変えつつある。こうして移動するプレ噴霧Ｐの内部では微小な燃料液滴が蒸発しながら空気との混合が進行し、いわゆる着火遅れ期間の後に混合気が自着火して（予混合燃焼）火炎を生成し、周囲の空気を巻き込みながら燃焼するようになる（拡散燃焼）。

図２(b)はメイン噴射の終了時点を示し、前記のように燃焼するプレ噴霧等Ｐが、気筒２の周方向に隣り合う２つのメイン噴霧Ｍ１，Ｍ２の中間に位置する様子が表れている。この図２(b)における２つのメイン噴霧Ｍ１，Ｍ２が燃料噴射弁６の噴孔からの燃料噴射領域を表しており、メイン噴射の終了時点でプレ噴霧等Ｐは隣り合う２つの噴射領域の略中央に位置している。

このようにプレ噴霧等Ｐをメイン噴霧Ｍ１，Ｍ２の略中央に位置づけるためには、まず、プレ噴射とメイン噴射との間隔を適切に設定する必要がある。本実施形態では、燃料噴射弁６に６個の噴孔が等間隔に形成されていて、隣り合う噴孔同士の軸線Ｌ１，Ｌ２の挟み角は６０°になるので、メイン噴射の終了時点でプレ噴霧等Ｐが、噴孔の軸線Ｌ１，Ｌ２から３０°（図２にθ_trgで示す角度）だけ周方向に移動した位置にあればよい。つまり、メイン噴射終了時点のプレ噴霧等Ｐの目標位置を図中Ｌ３上に設定する。

なお、図示はしないが、仮に燃料噴射弁６に１０個の噴孔が形成されている場合（前記挟み角が３６°である場合）、メイン噴射の終了時点でのプレ噴霧等Ｐの目標位置は、噴孔の軸線Ｌ１，Ｌ２から１８°だけ周方向に移動した位置になる。つまり、目標位置θ_trgは、燃料噴射弁６の噴孔数をｎとして、 θ_trg ＝３６０／２ｎ と表される。

そのようにメイン噴射の終了時点でプレ噴霧等Ｐが目標位置に到達していれば、メイン噴霧Ｍ１，Ｍ２との重なりが防止されるとともに、プレ噴霧Ｐの燃焼によってメイン噴霧Ｍ１，Ｍ２を効果的に加熱し、その着火遅れ期間を好適に調整することが可能になる。そこで本実施形態では、プレ噴霧等Ｐがスワール流によって前記目標位置に移動されるまでの時間を計算し、この時間からプレ噴射およびメイン噴射の間隔（インターバル）を設定している。

図３には、プレ噴射およびメイン噴射の間隔と、内燃機関１からの燃焼騒音や排気スモークとの関係を示している。この図の例では、噴射間隔が中程度のときにプレ噴霧等が、スワール流の下流側に位置するメイン噴霧（図のＭ２）と重なるため、スモークが増大することが分かる。これに対し、図にハッチを入れて示すように噴射間隔を短くすれば、プレ噴霧等がメイン噴霧と重ならないようになり、スモークが減少することが分かる。

なお、噴射間隔を長くすることによってもプレ噴霧等とメイン噴霧とが重ならないようにすることはでき、この場合もスモークは減少するが、こうすると、図２(b)に仮想線で示すようにプレ噴霧等Ｐがスワール下流側のメイン噴霧Ｍ２よりもさらに下流側にまで移動してしまい、かつ噴霧が大きく拡散することになるから、その燃焼によってメイン噴霧Ｍ２を効果的に加熱することはできなくなる。よって、メイン噴霧の着火遅れが長くなってしまい、燃焼騒音が増大する。

さらに、前記のようにプレ噴射およびメイン噴射の間隔を好適なものとし、図２(b)に示すようにメイン噴射の終了時点でプレ噴霧等Ｐが２つのメイン噴霧Ｍ１，Ｍ２の中間に位置するようにしたとしても、このプレ噴霧等Ｐの着火するタイミングがずれてしまうと、前記のようにメイン噴霧を効果的に加熱して着火遅れ期間を調整することが難しくなり、スモークの減少および燃焼騒音の低減という効果が十分に得られないことが分かった。

例えば気筒２内の温度が高いほど噴霧の着火遅れは短くなるので、前記図２(a)に実線で示すような過早なタイミングでプレ噴霧Ｐが着火してしまい、これによりメイン噴霧Ｍ１が早くから加熱される結果としてその着火遅れが短くなり、スモークの抑制効果が低下する懸念がある。反対に筒内温度が低ければ、図２(b)に示すメイン噴射の終了時点でもプレ噴霧Ｐが十分に着火、燃焼していないことがあり、この場合にはメイン噴霧の着火遅れが長くなって、燃焼騒音の低減効果が低下する懸念がある。

かかる点に着目して本実施形態では、プレ噴射に先立って行うパイロット噴射を利用し、例えばその噴射量等を補正することによってプレ噴射の際の筒内温度を調整するようにした。こうすることで、プレ噴霧をメイン噴霧の間にある好適なタイミングで着火、燃焼させて、メイン噴霧の着火遅れを好適に調整し、スモークの抑制効果および燃焼騒音の低減効果を十分に確保することができる
このような燃料噴射制御のための構成としてＥＣＵ３０には、図１に模式的に示すようにメモリ３１、筒内状態算出手段３２、スワール速度算出手段３３、噴霧特性算出手段３４、目標位置到達時間算出手段３５、目標着火遅れ期間算出手段３６、プレ噴射開始前目標温度算出手段３７、プレ噴射開始前温度算出手段３８、および噴射条件補正手段３９を備えている。

なお、前記各手段の機能は、ＥＣＵ３０のＲＯＭなどに記憶されている所定の制御ルーチンがＣＰＵによって実行されることで、実現する。つまり、各手段はソフトウエアの態様でＥＣＵ３０に備えられている。そして、ＥＣＵ３０の前記噴射条件補正手段３９からの制御信号を受けてＥＤＵ４０が、以下に説明するように燃料噴射弁６によるパイロット噴射の噴射量を補正する。

以下、前記各手段の機能について詳細に説明すると、まず、筒内状態算出手段３２は、前記クランク角センサ２２からのパルス信号、前記水温センサ２１からの冷却水温検知信号、前記アクセル開度センサ２４からのアクセル開度信号、前記エアフローメータ２５からの吸入空気量検知信号などの内燃機関１の運転状態に関する信号を読み込み、気筒２内の状態（筒内温度、筒内密度、筒内圧力、吸入空気量など）を算出する。

なお、筒内温度の算出に関しては種々の方法が公知であるが、一例として筒内密度は、吸入空気量および空気圧力に燃料噴射量や図示しないＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置による排気ガスの還流量、さらには冷却水温などを加味して算出すればよい。また、前記各センサの出力信号と筒内密度との関係を予め実験やシミュレーションによって規定したマップをＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶させておき、このマップから筒内密度を求めるようにしてもよい。

スワール速度算出手段３３は、機関回転数および吸入空気量などから気筒２内におけるスワール速度Ｖ_swを算出する。このスワール速度Ｖ_swの算出は、ＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶され前記機関回転数および吸入空気量をパラメータとする演算式により行われる。なお、前記各センサの出力信号とスワール速度Ｖ_swとの関係を予め実験やシミュレーションによって規定したマップをＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶させておき、このマップからスワール速度Ｖ_swを求めるようにしてもよい。

噴霧特性算出手段３４は、パイロット噴射やプレ噴射も含めた全ての燃料噴射動作について、その噴射条件の初期値（メイン噴射を分割して行う場合はそれぞれの噴射動作の初期値）と、前記筒内状態算出手段３２によって算出された気筒２内の状態とから、噴霧の貫徹力、噴霧角、噴射期間、蒸発量、噴霧内平均当量比等の噴霧特性を算出する。噴射条件としては、コモンレール圧センサ２３によって検出される燃料圧力（燃料噴射圧力に相当）、燃料噴射量の他、噴射時期や噴射回数等がある。燃料噴射量はＥＣＵ３０からＥＤＵ４０に出力される制御信号に基づいて認識される。

なお、貫徹力および噴霧角は、燃料噴射圧力が高いほど大きくなる。噴射期間は、燃料噴射量と燃料噴射圧力とから求められ、目標とする燃料噴射量が得られる期間として算出される。蒸発量や噴霧内平均当量比は貫徹力および噴霧角から求められる。噴霧角の算出手法としては、周知の演算式（例えば「廣安の式」）を利用すればよい。また、予め実験やシミュレーション等によって燃料の噴射量や噴射圧力と噴霧角との関係をマップ化してＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶させておき、このマップから噴霧角を求めるようにしてもよい。貫徹力や蒸発量、噴霧内平均当量比についても同様である。

目標位置到達時間算出手段３５は、図２を参照して上述したように、プレ噴射された燃料噴霧がスワール流によって気筒２の周方向に移動されて、２つのメイン噴霧Ｍ１，Ｍ２の中間の目標位置Ｌ３に到達するまでの時間（目標位置到達時間ｔθ_trg）を、スワール流速および噴射条件に基づいて所定の算出式やマップ等により算出する。

すなわち、仮に同じ条件でプレ噴射が実行された場合であっても、スワール流速が異なれば、プレ噴霧が目標位置に達するまでの時間は変化するし、反対にスワール流速が同じであっても噴射圧力や噴射量などが異なれば、プレ噴霧が目標位置に達するまでの時間は異なるからである。

目標着火遅れ期間算出手段３６は、プレ噴霧が着火してからその燃焼がピークになるまでの時間ｔ_dlyを前記の目標位置到達時間ｔθ_trgから減算して、目標着火遅れ期間τ_preを算出する。すなわち、プレ噴霧が目標位置に到達する前に着火し、かつその燃焼が目標位置においてピークになるような着火遅れ期間τ_preを算出する。燃焼のピークとは、例えば熱発生率のピークとすればよい。

なお、噴霧の着火から燃焼ピークまでの時間ｔ_dlyは、気筒２内の状態や噴霧の特性によって変化するので、予め実験やシミュレーション等によって、前記筒内状態算出手段３２によって算出される気筒２内の状態と、前記噴霧特性算出手段３４によって算出される噴霧特性などと、燃焼ピークまでの時間ｔ_dlyとの関係を調べる。そして、その結果をマップ化してＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶させておき、このマップから求めるようにしてもよい。また、内燃機関１の運転状態と燃焼ピークまでの時間ｔ_dlyとの関係を調べてマップを作成してもよい。

そして、プレ噴射開始前目標温度算出手段３７は、前記の目標着火遅れ期間τ_preから例えば公知のアレニウスの式などを用いてプレ噴射開始前目標温度Ｔ_tgtを算出する。すなわち、プレ噴射の開始直前の筒内圧とプレ噴霧内の平均当量比とから、前記の目標着火遅れ期間ｔθ_trgとなるような筒内の目標温度Ｔ_tgtを算出する。なお、この目標温度Ｔ_tgtについても気筒２内の状態および噴霧特性との関係をマップ化してＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶させておき、このマップから求めるようにしてもよい。

一方、プレ噴射開始前温度算出手段３８は、プレ噴射の開始直前の気筒２内の温度（プレ噴射開始前温度）Ｔ_preを予測する。これは例えば筒内温度の履歴とパイロット噴射の噴霧特性から求められる燃焼量と、プレ噴射の噴射条件初期値とから算出する。すなわち、予め実験やシミュレーション等によって、筒内温度とパイロット噴射の燃焼量とプレ噴射の噴射量、噴射圧力などとプレ噴射開始前温度Ｔ_preとの関係を調べ、その結果をマップ化してＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶させておき、このマップから求めるようにすればよい。パイロット噴射の燃焼量も、同様にその噴霧内の平均当量比と筒内温度との関係を調べてマップ化すればよい。

そうして予測したプレ噴射開始前温度Ｔ_preのプレ噴射開始前目標温度Ｔ_tgtからの偏差ΔＴに応じて、噴射条件補正手段３９がパイロット噴射量を補正する。すなわち、予測したプレ噴射開始前温度Ｔ_preがその目標温度（プレ噴射開始前目標温度Ｔ_tgt）よりも低いときには、パイロット噴射量を増量することによって筒内温度を上昇させる。反対に目標温度Ｔ_tgtよりも高いときにはパイロット噴射量を減量することによって、筒内温度を低下させる。

このパイロット噴射量の補正量は、予め実験やシミュレーション等によって、内燃機関１の運転状態とパイロット噴射量とプレ噴射開始前温度Ｔ_preとの関係を調べてマップ化し、一例を図４に示すような噴射量補正マップとしてＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶させておき、この噴射量補正マップから求めるようにすればよい。図４に示す噴射量補正マップでは、図示のように温度偏差ΔＴの絶対値が大きいほどパイロット噴射の増量または減量補正量が大きくなっている。

−パイロット噴射の補正ルーチン−
以下、パイロット噴射の補正制御の具体的な手順について、図５のフローチャートを参照して説明する。なお、このフローチャートに示される処理は、内燃機関１の運転開始後、ＥＣＵ３０により所定の周期で繰り返し実行される。

まず、ステップＳＴ１において現在の内燃機関１の運転状態を読み込む。例えば、水温センサ２１による冷却水温度の読み込み、クランク角センサ２２の検出値に基づいて算出される機関回転数の読み込み、コモンレール圧センサ２３によるコモンレール９の内圧の読み込み、アクセル開度センサ２４により検出されるアクセル開度の読み込み、エアフローメータ２５による吸入空気量の読み込み、吸気圧センサ２６による吸気圧の読み込み等が行われる。

続いてステップＳＴ２では、現在の内燃機関１の運転状態がプレ噴射を実行する運転状態か否か判定し、実行しない運転状態であればリターンする一方、プレ噴射を実行する運転状態であればステップＳＴ３に進んで、気筒２内の状態量を算出する。つまり、前記した筒内状態算出手段３２による筒内温度、筒内密度、筒内圧力、吸入空気量等の算出を行う。

続くステップＳＴ４では、前記スワール速度算出手段３３によるスワール流速Ｖ_swの算出を行い、ステップＳＴ５では、パイロット噴射やプレ噴射も含めた全ての燃料噴射動作について、その噴射条件の初期値を読み込む。そして、ステップＳＴ６では、その読み込んだ噴射条件の初期値、および、前記ステップＳＴ３で算出された気筒２内の状態から、噴霧の特性を算出する。つまり、前記した噴霧特性算出手段３４による噴霧特性の算出を行う。

次にステップＳＴ７では、前記プレ噴射開始前温度算出手段３８によるプレ噴射開始前温度Ｔ_preの算出を行い、ステップＳＴ８では、前記目標位置到達時間算出手段３５によるプレ噴霧の目標位置Ｌ３への到達時間（目標位置到達時間ｔθ_trg）の算出を行う。続いてステップＳＴ９では、前記目標着火遅れ期間算出手段３６による目標着火遅れ期間τ_preの算出を行い、ステップＳＴ１０では、前記プレ噴射開始前目標温度算出手段３７によるプレ噴射開始前目標温度Ｔ_tgtの算出を行う。

ステップＳＴ１１では、そうして算出したプレ噴射開始前目標温度Ｔ_tgtを、前記ステップＳＴ７で算出したプレ噴射開始前温度Ｔ_preから減算して温度偏差ΔＴを算出する。そして、この温度偏差ΔＴが零（０）よりも小さいかどうか判定し（ステップＳＴ１２）、判定がＹＥＳで目標温度Ｔ_tgtの方が高ければ、ステップＳＴ１３に進んでパイロット噴射量を増量する。一方、前記ステップＳＴ１２の判定がＮＯで、プレ噴射開始前温度Ｔ_preよりも目標温度Ｔ_tgtの方が低ければ、ステップＳＴ１４に進んでパイロット噴射量を減量する。

そのパイロット噴射の増量分または減量分は、図４の噴射量補正マップを参照して温度偏差ΔＴの大きさに応じて決定する。温度偏差ΔＴの絶対値が大きいほどパイロット噴射の増量分または減量分が多くなるので、プレ噴射の際の気筒２内の温度Ｔ_preを速やかに目標温度Ｔ_tgtに近づけることができる。なお、噴射量補正マップにおいて温度偏差ΔＴ＝０のときには、パイロット噴射量の補正量も零（０）になるので、実質、補正は行われない。

図６〜８はそれぞれ、プレ噴霧およびメイン噴霧の燃焼状態を示すグラフ図であって、(a)は燃料噴射率を、(b)は筒内温度を、また(c)は熱発生率を示している。図６は、筒内温度が低くてプレ噴霧の着火タイミングが遅くなる結果、燃焼騒音の低減効果が低下する場合を示し、図７は、温度偏差に応じてパイロット噴射量が増量されることで、プレ噴霧が好適なタイミングで着火、燃焼する場合を示す。また、図８は、筒内温度が高くてプレ噴霧の着火タイミングが早くなる結果、スモークの抑制効果が低下する場合を示す。

具体的に筒内温度が低い場合は、図６(a)において左端に示すようにパイロット噴射された燃料が燃焼しても、同図(b)に示すように筒内温度があまり高くはならないため、同図(c)に示すようにプレ噴霧の着火が遅れてしまい、その燃焼によってメイン噴霧の着火遅れを十分に短縮することができない。この結果、メイン噴霧の初期の予混合燃焼が過度に激しくなってしまい、同図(c)に表れているように熱発生率が急峻に立ち上がり、燃焼騒音が大きくなることが分かる。

また、そうしてプレ噴霧の着火が遅れると、図２(b)に仮想線で示すようにプレ噴霧等Ｐが大きく拡散することになるから、その燃焼によってメイン噴霧Ｍ２を効果的に加熱することが難しくなる。

これに対し、本実施形態のようにプレ噴射の開始直前の筒内温度Ｔ_preを予測し、その目標温度Ｔ_tgtからの偏差ΔＴに応じてパイロット噴射量を増量（図７(a)の左端における破線の噴射率波形を実線のように増量）すれば、同図(b)に実線で示すように筒内温度が十分に高くなる。このため、図２(b)を参照して上述したようにプレ噴霧が２つのメイン噴霧の間の好適なタイミングで着火、燃焼するようになる。

そのプレ噴霧の燃焼によってメイン噴霧が効果的に加熱されて、その着火遅れ期間が好適に調整されることにより、図７(c)に示すようにプレ噴霧の燃焼とメイン噴霧の燃焼とがスムーズに繋がって、このメイン噴霧の初期の燃焼が緩慢でなく急峻でもない適切な速度で進行するようになる。よって、スモークの発生を抑制しながら燃焼騒音を低減することができる。

なお、前記図６の場合とは反対に筒内温度が高いと、図８(b)に示すように筒内温度が高くなり過ぎて、同図(c)に示すようにプレ噴霧が過早なタイミングで着火してしまい、図２(a)を参照して上述したように、メイン噴霧の着火遅れが短くなって空気との混合が不十分な状態で燃料噴霧が燃焼するため（初期燃焼の悪化）、スモークの抑制効果が低下してしまう。この場合は、図示は省略するがパイロット噴射量を減量することによって、プレ噴霧を好適なタイミングで着火、燃焼させることができ、図７を参照して前述したようにスモークの発生を抑制しながら燃焼騒音を低減することができる。

つまり、本実施形態に係る燃料噴射制御装置によると、圧縮自着火式の内燃機関１においてメイン噴射の直前にプレ噴射を行う場合に、両者の噴射間隔を適切に設定することにより、プレ噴霧とメイン噴霧とが重ならないようにすることができ、その上で、そのプレ噴射に先行するパイロット噴射量の補正によって、プレ噴霧を好適なタイミングで着火、燃焼させることができる。

特に本実施形態では、隣り合う２つのメイン噴霧の中央でプレ噴霧の燃焼がピークを迎えるようにしているので、その燃焼によってメイン噴霧を効果的に加熱して着火遅れ期間を好適に調整することができる。これにより、プレ噴射によるスモークの抑制と燃焼騒音の低減とを極めて高い次元で両立できる。

−他の実施形態−
以上、説明した実施形態は、コモンレール式の筒内直噴型ディーゼルエンジンに本発明を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、コモンレール以外の例えばユニットインジェクタを装備したディーゼルエンジンにも適用可能であるし、ディーゼルエンジンにも限定されず、軽油以外の燃料を使用する圧縮自着火式の種々の内燃機関に対して本発明を適用することができる。

また、前記の実施形態では、プレ噴射の開始直前の筒内温度（プレ噴射開始前温度Ｔ_pre）の目標温度（プレ噴射開始前目標温度Ｔ_tgt）からの偏差（温度偏差ΔＴ）に応じて、パイロット噴射量を補正するようにしているが、これにも限定されず、パイロット噴射量の補正に代えて、或いはこれに加えて噴射時期や噴射回数を補正するようにしてもよい。補正する燃料噴射は、いわゆるパイロット噴射に限定されず、プレ噴射よりも進角側で先行して行われる燃料噴射であればよい。

さらに前記の実施形態では、プレ噴霧の燃焼がピークになる目標位置を、隣り合う２つのメイン噴霧の略中央に設定しているが、必ずしも中央でなくてもよく、プレ噴霧の燃焼が２つのメイン噴霧の間でピークとなるようにしてもよい。

本発明は、圧縮自着火式の内燃機関における排気エミッションの改善や燃焼騒音の低減に有効であり、特に自動車に搭載されるディーゼルエンジンに適用して効果が高い。

１ 内燃機関
２ 気筒
６ 燃料噴射弁
３０ ＥＣＵ（制御手段）
３２ 筒内状態算出手段
３３ スワール速度算出手段
３４ 噴霧特性算出手段
３５ 目標位置到達時間算出手段
３６ 目標着火遅れ期間算出手段
３７ プレ噴射開始前目標温度算出手段
３８ プレ噴射開始前温度算出手段
３９ 噴射条件補正手段
Ｐ プレ噴霧等（プレ噴射による燃料の噴霧）
Ｍ１，Ｍ２ メイン噴霧（メイン噴射による燃料の噴霧、燃料の噴射領域）
Ｌ３ 隣り合う２つの噴射領域の略中央

Claims (5)

1. 気筒内に直接、噴射した燃料の空気との混合をスワール流によって促進するようにした内燃機関の燃料噴射制御装置であって、
   機関トルクを制御するための燃料のメイン噴射と、このメイン噴射の直前のプレ噴射とを少なくとも実行するとともに、そのプレ噴射およびメイン噴射の間隔を、プレ噴射による燃料の噴霧がメイン噴射による燃料の噴霧と重ならないように調整する制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記プレ噴射に先立つ燃料の先行噴射を実行するとともに、この先行噴射による燃料の燃焼によって前記プレ噴射の際の筒内温度が所定の目標温度になるように、当該先行噴射の制御を行う構成としたことを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記内燃機関は、複数の噴孔からそれぞれ気筒内の外周側に向けて放射状に燃料を噴射する燃料噴射弁を備えており、
   前記制御手段は、スワール流により気筒の周方向に移動されるプレ噴射の燃料噴霧が、前記燃料噴射弁の複数の噴孔からの噴射領域のうち、周方向に隣り合う２つの噴射領域の間で燃焼するように、前記プレ噴射の際の目標温度を決定する構成である、内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記制御手段は、前記プレ噴射の燃料噴霧の燃焼が、前記２つの噴射領域の略中央においてピークとなるように、前記プレ噴射の際の目標温度を決定する構成である、内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. 請求項２または３のいずれかに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記制御手段は、少なくとも前記先行噴射の噴射条件に基づいて前記プレ噴射の際の筒内温度を予測し、この予測温度の前記目標温度からの偏差に応じて前記先行噴射の噴射条件を補正する構成である、内燃機関の燃料噴射制御装置。
5. 請求項４に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記制御手段は、前記プレ噴射の際の筒内温度の予測温度が目標温度よりも低いときには、前記先行噴射する燃料を増量する一方、目標温度よりも高いときには先行噴射する燃料を減量する構成である、内燃機関の燃料噴射制御装置。

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