JP6332203B2

JP6332203B2 - 燃料噴射制御装置

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Publication number: JP6332203B2
Application number: JP2015171804A
Authority: JP
Inventors: 弘行南條
Original assignee: Denso Corp
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Filing date: 2015-09-01
Publication date: 2018-05-30
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Description

本発明は、ディーゼルエンジンに適用される燃料噴射制御装置に関する。

ディーゼルエンジンは、燃料噴射弁から噴射された燃料を燃焼室の圧縮により自着火させるため、ガソリンエンジンに比べて圧縮比が高く、燃料の燃焼により発生する燃焼室内の筒内圧のピークが高くなる。筒内圧のピークがその許容上限値を超えると、エンジンの信頼性が低下する懸念がある。このため、エンジンの強度を向上させることにより許容上限値を高くすることも考えられる。しかしながら、エンジンの強度を向上させると、エンジンの重量及びコストが増加する懸念がある。

そこで、下記特許文献１に見られるように、燃料噴射弁の燃料噴射開始直後から噴射率を徐々に増加させるように噴射制御を行う燃料噴射装置が知られている。これにより、筒内圧のピークを低下させる。

特許第４１８８５３９号公報

上記特許文献１に記載された燃料噴射装置においては、燃料噴射弁の噴射初期に噴射された燃料の運動量が低いと、噴射燃料と吸気との混合が不十分となるおそれがある。この場合、燃料の燃焼により発生するスモークが増加するおそれがある。

本発明は、ディーゼルエンジンにおいて発生するスモークを低減できる燃料噴射制御装置を提供することを主たる目的とする。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。

本発明は、燃焼室（１０ａ）内に燃料噴霧を直接噴射する燃料噴射弁（１８）を備えるディーゼルエンジン（１０）に適用され、前記燃焼室内での自着火開始位置における前記燃料噴霧及び吸気の混合度合いと相関を有するパラメータが噴霧特性値と定義されており、前記エンジンの運転状態に基づいて、前記噴霧特性値の目標値を設定する目標値設定部（４４；５０）と、実際の前記噴霧特性値を前記目標値とすべく前記燃料噴射弁の噴射開始タイミングにおける開始時噴射率を設定する噴射率設定部（４６）と、前記燃料噴射弁の噴射率を前記開始時噴射率から徐々に増加させる噴射率時系列を含む指令噴射率に実際の噴射率を制御する噴射制御を行う噴射制御部（３０）と、を備える。

燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧と吸気との混合が不十分なまま燃料噴霧が自着火し始めると、燃料の燃焼により発生するスモークが増加する。ここで、燃焼室内での自着火開始位置における燃料噴霧及び吸気の混合度合いと相関を有するパラメータを噴霧特性値と定義する。噴霧特性値を、エンジンの運転状態に応じた適正な値とすることにより、燃料の燃焼により発生するスモークを低減することができる。

そこで上記発明では、エンジンの運転状態に基づいて、噴霧特性値の目標値を設定し、実際の噴霧特性値を目標値とすべく燃料噴射弁の噴射開始タイミングにおける開始時噴射率を設定する。これにより、開始時噴射率に従って噴射された燃料噴霧、及び開始時噴射率に続く噴射率に従って噴射された燃料噴霧を吸気と十分に混合させることができ、燃料の燃焼により発生するスモークを低減することができる。

第１実施形態に係る車載エンジンシステムの全体構成図。等圧燃焼モードを判定するフローチャート。燃料噴射制御処理のブロック図。噴霧角の定義を示す図。噴霧角の設定手法を示す図。目標移動距離の定義を示す図。目標移動距離の設定手法を示す図。収縮係数の設定手法を示す図。噴射率と熱発生率との関係を示す図。噴射率の設定手法を示す図。第２実施形態に係る燃料噴射制御処理のブロック図。目標当量比の設定手法を示す図。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る燃料噴射制御装置をコモンレール式燃料噴射装置が備えられる多気筒ディーゼルエンジンに適用した第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

本実施形態において、図１に示すエンジン１０は、車載主機として車両に搭載されており、吸気、圧縮、膨張及び排気行程からなる４サイクルエンジンである。エンジン１０の吸気通路１１には、上流側から順に、吸入される空気量を検出するエアフローメータ１２、後述するターボチャージャ１６によって過給された吸気を冷却するインタークーラ１３、更にはスロットルバルブ装置１４が設けられている。スロットルバルブ装置１４は、ＤＣモータ等のアクチュエータにより、スロットルバルブ１４ａの開度を調節する。

吸気通路１１においてスロットルバルブ装置１４の下流側には、サージタンク１５を介してエンジン１０の各気筒の燃焼室１０ａが接続されている。燃焼室１０ａは、エンジン１０のシリンダ１０ｂ及びピストン１７にて区画されている。エンジン１０には、燃焼室１０ａ内に先端部が突出した燃料噴射弁１８が設けられている。燃料噴射弁１８には、蓄圧容器としてのコモンレール１９から高圧の燃料（具体的には軽油）が供給される。コモンレール１９には、燃料ポンプ２０から燃料が圧送される。なお、図１では、１つの気筒のみを示している。

燃料噴射弁１８は、ニードルと、燃料を噴射する円形の噴孔が先端部に複数形成され、内部にニードルが収容されるボディとを備えている。ボディの内面とニードルの外面との間には、ボディの軸方向に延びてかつコモンレール１９から供給された燃料が通過する環状の燃料通路が形成されている。ボディ先端部の内面には、ニードルの先端部が着座する着座面が形成されている。この構成において、ニードルを着座面に着座させることにより、上記燃料通路と噴孔との間が遮断され、燃料噴射が停止される。一方、通電操作によってニードルを着座面から離座させることにより、上記燃料通路と噴孔との間が連通される。その結果、燃料通路の燃料は、噴孔から燃焼室１０ａへと直接噴射供給される。

燃料噴射弁１８は、噴射率を自在に制御できる構成とされている。本実施形態において、燃料噴射弁１８は、噴射率を自在に制御すべく、ニードルのリフト量を自在に制御できる構成とされている。

エンジン１０の各気筒の吸気ポート及び排気ポートのそれぞれは、吸気バルブ２１及び排気バルブ２２のそれぞれにより開閉される。ここでは、吸気バルブ２１の開弁によってインタークーラ１３で冷却された吸気や、後述する外部ＥＧＲガスが燃焼室１０ａに導入される。吸気等が導入された状態で燃料噴射弁１８から燃焼室１０ａに燃料が噴射されると、燃焼室１０ａの圧縮によって燃料が自己着火し、燃焼によってエネルギが発生する。このエネルギは、ピストン１７を介して、ディーゼルエンジン１０のクランク軸２３の回転エネルギとして取り出される。燃焼に供されたガスは、排気バルブ２２の開弁によって、排気通路２４に排気として排出される。なお、クランク軸２３付近には、クランク軸２３の回転角度を検出するクランク角度センサ２５が設けられている。

車両には、ターボチャージャ１６が設けられている。ターボチャージャ１６は、吸気通路１１に設けられた吸気コンプレッサ１６ａと、排気通路２４に設けられた排気タービン１６ｂと、これらを連結する回転軸１６ｃとを備えている。詳しくは、排気通路２４を流れる排気のエネルギによって排気タービン１６ｂが回転し、その回転エネルギが回転軸１６ｃを介して吸気コンプレッサ１６ａに伝達され、吸気コンプレッサ１６ａによって吸気が圧縮される。すなわち、ターボチャージャ１６によって吸気が過給される。なお本実施形態では、ターボチャージャ１６として、通電操作によって吸気の過給圧を調節可能なものを想定している。

なお、排気通路２４のうちターボチャージャ１６の下流側には、排気を浄化する浄化装置２６が設けられている。

排気通路２４に排出された排気の一部は、ＥＧＲ通路２７を介して吸気通路１１に還流される。詳しくは、排気通路２４のうち排気タービン１６ｂの上流側は、ＥＧＲ通路２７を介してサージタンク１５に接続されている。ＥＧＲ通路２７には、ＥＧＲバルブ装置２８が設けられている。ＥＧＲバルブ装置２８は、ＤＣモータ等のアクチュエータにより、ＥＧＲバルブ２８ａの開度を調節する。ＥＧＲバルブ２８ａの開度に応じて、排気通路２４に排出された排気の一部が、ＥＧＲクーラ２９によって冷却された後に外部ＥＧＲガスとしてサージタンク１５に供給される。

エンジンシステムを制御対象とする電子制御装置であるＥＣＵ３０は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成されている。ＥＣＵ３０には、吸気圧センサ３１、吸気温センサ３２、排気温センサ３３、圧力検出部としての筒内圧センサ３４、燃圧センサ３５、水温センサ３６、アクセルセンサ３７、エアフローメータ１２、及びクランク角度センサ２５の検出値が入力される。吸気圧センサ３１は、サージタンク１５内のガス圧力を検出し、吸気温センサ３２は、サージタンク１５内のガス温度を検出する。排気温センサ３３は、燃焼室１０ａから排出された排気の温度を検出し、筒内圧センサ３４は、燃焼室１０ａ内の圧力である筒内圧を検出する。燃圧センサ３５は、コモンレール１９内の燃料圧力を検出し、水温センサ３６は、エンジン１０の冷却水温を検出する。アクセルセンサ３７は、ドライバのアクセル操作部材のアクセル操作量を検出し、具体的にはアクセルペダルの踏み込み量を検出する。

ＥＣＵ３０は、上述した各種センサの検出値に基づいて、燃料噴射弁１８の燃料噴射制御、燃料ポンプ２０の駆動制御、ＥＧＲバルブ装置２８の駆動制御、及びターボチャージャ１６による過給圧制御を含むエンジン１０の燃焼制御を行う。

特にＥＣＵ３０は、エンジン１０の高負荷領域において、等圧燃焼を実現するための燃料噴射制御を行う。等圧燃焼は、燃焼開始後における筒内圧のピークを略一定に保つようにしたものである。

図２に、本実施形態に係る燃料噴射制御処理の手順を示す。この処理は、ＥＣＵ３０によって例えば所定周期で繰り返し実行される。

この一連の処理では、まずステップＳ１０において、エンジン１０の運転状態を取得する。本実施形態において、運転状態には、エンジン回転速度ＮＥ、アクセルセンサ３７によって検出されたアクセル操作量Ａｃｃ、吸気圧センサ３１によって検出されたガス圧力Ｐｉｍ、及び吸気温センサ３２によって検出されたガス温度Ｔｉｍが含まれる。なお、エンジン回転速度ＮＥは、クランク角度センサ２５の検出値に基づいて算出されればよい。

続くステップＳ１１では、ステップＳ１０で取得したエンジン１０の運転状態に基づいて、等圧燃焼モードで燃料噴射制御を行う状況であるか否かを判定する。具体的には例えば、運転状態から把握されるエンジン１０の要求出力が所定出力以上であるか否か、又はエンジン１０の要求出力がエンジン回転速度ＮＥから定まる最高出力であるか否かを判定する。

ステップＳ１１で肯定判定した場合には、ステップＳ１２に進み、等圧燃焼モードで燃料噴射制御を行う。

図３に、等圧燃焼モードにおける燃料噴射制御処理のブロック図を示す。図３に示す各部の処理は、ＥＣＵ３０によって実行される。

噴射設定部４０は、アクセル操作量Ａｃｃ及びエンジン回転速度ＮＥに基づいて、燃料噴射量Ｑｉｎｊ、燃料噴射弁１８の噴射開始タイミングｔｉｎｊ、及び燃料噴射弁１８の燃料噴射圧Ｐｉｎｊを設定する。ここで、燃料噴射量Ｑｉｎｊは、１燃焼サイクルあたりに要求されるエンジン１０の出力トルク生成に寄与する燃料噴射量である。

ガス密度推定部４１は、ガス圧力Ｐｉｍ及びガス温度Ｔｉｍに基づいて、噴射開始タイミングｔｉｎｊにおける燃焼室１０ａ内のガス密度ρａを算出する。詳しくは、下式（ｅｑ１），（ｅｑ２）に基づいて、ガス密度ρａを算出する。

上式（ｅｑ１）において、Ｍｃｙｌは燃焼室１０ａ内に吸気行程で吸入される総ガス量［ｍｇ］を示し、Ｖ（ｔｉｎｊ）は噴射開始タイミングｔｉｎｊ［ｄｅｇ］における燃焼室１０ａの容積［Ｌ］を示す。また、上式（ｅｑ２）において、Ｒは気体定数［Ｊ／Ｋ／ｍｏｌ］を示し、Ｍａｉｒは空気の分子量［ｍｇ／ｍｏｌ］を示し、Ｖ（ｔｃｌｓ）は吸気行程終了タイミング［ｄｅｇ］、すなわち吸気バルブ２１の全閉タイミングにおける燃焼室１０ａの容積を示す。容積Ｖ（ｔｃｌｓ）は、シリンダ１０ｂの設計値及び吸気バルブ２１の全閉タイミングに基づいて算出され、容積Ｖ（ｔｉｎｊ）はシリンダ１０ｂの設計値及び噴射開始タイミングｔｉｎｊに基づいて算出される。なお、上式（ｅｑ２）において、Ｐｉｍの単位は［ｋＰａ］を想定しており、Ｔｉｍの単位は［Ｋ］を想定している。

ちなみに、ＥＧＲガスの再循環を行っている場合等は、空気の分子量に代えてガスの組成を考慮した分子量を用いてもよい。

角度算出部４２は、噴射設定部４０で設定された噴射圧Ｐｉｎｊと、ガス密度推定部４１で推定されたガス密度ρａとに基づいて、燃料噴射弁１８から噴射された燃料噴霧の噴霧角θｓｐを算出する。本実施形態では、図４に示すように、噴霧角θｓｐは、燃料噴射弁１８の噴孔１８ａからの噴射方向Ｃに対する燃料噴霧Ａの広がり角として定義される。

本実施形態では、図５に示すように、噴射圧Ｐｉｎｊ及びガス密度ρａに基づいて、噴霧角θｓｐを算出する。詳しくは、噴射圧Ｐｉｎｊが高いほど、噴霧角θｓｐを大きく算出する。これは、噴射圧Ｐｉｎｊが高いほど、噴孔１８ａから噴射される燃料の平均運動量が大きくなり、噴霧角θｓｐが大きくなるためである。また、ガス密度ρａが大きいほど、噴霧角θｓｐを大きく算出する。これは、ガス密度ρａが大きいほど、噴孔１８ａから噴射された燃料が燃焼室１０ａ内のガスに当たって拡散する度合いが強くなるためである。ちなみに、噴霧角θｓｐは、噴射圧Ｐｉｎｊ及びガス密度ρａと噴霧角θｓｐとが関係付けられたマップ又は実験式に基づいて算出されればよい。

遅れ時間設定部４３は、着火遅れ時間ｔｄを設定する。本実施形態において、着火遅れ時間ｔｄは、噴射開始タイミングｔｉｎｊから、噴射された燃料噴霧が自着火し始めるまでの時間として定義される。なお、着火遅れ時間ｔｄは、一定値に設定されてもよいし、エンジン１０の運転状態及び着火遅れ時間ｔｄが関係付けられたマップ又は実験式に基づいて可変設定されてもよい。

目標値設定部４４は、噴射設定部４０で設定された燃料噴射量Ｑｉｎｊと、エンジン回転速度ＮＥとに基づいて、目標移動距離Ｌｉｇを設定する。本実施形態において、目標移動距離Ｌｉｇは、図６に示すように、噴射開始タイミングｔｉｎｊから着火遅れ時間ｔｄが経過したタイミングにおける燃料噴霧の噴射方向Ｃの先端と、噴孔１８ａとの間の距離として定義される。なお図６に、噴孔１８ａから噴射された燃料噴霧が未だ燃焼していない未燃焼噴霧と、噴射された燃料噴霧の燃焼により生じた火炎とを示す。

目標移動距離Ｌｉｇは、燃料の燃焼により発生するスモークを低減するために設定される噴霧特性値である。つまり、噴射開始タイミングｔｉｎｊから着火遅れ時間ｔｄが経過するタイミングにおける燃料噴霧の噴孔１８ａからの移動距離が短いと、燃焼室１０ａ内における燃料噴霧と吸気との混合が不十分となり得る。この場合、噴射初期の燃料の燃焼により発生するスモークが増加するのみならず、噴射初期以降の燃料の燃焼により発生するスモークも増加する。ここで、噴射開始タイミングｔｉｎｊから着火遅れ時間ｔｄが経過したタイミングにおける燃料噴霧先端の噴孔１８ａからの移動距離を、エンジン１０の運転状態に応じた適正な値とする。これにより、自着火開始位置における燃料噴霧及び吸気の混合度合いを、スモークを低減できる適正な混合度合いとすることができる。上記混合度合いは、上記移動距離と正の相関を有する。

本実施形態では、図７に示すように、燃料噴射量Ｑｉｎｊ及びエンジン回転速度ＮＥに基づいて、目標移動距離Ｌｉｇを設定する。詳しくは、燃料噴射量Ｑｉｎｊが多かったり、エンジン回転速度ＮＥが高かったりするほど、目標移動距離Ｌｉｇを大きく設定する。これは、燃料噴射量Ｑｉｎｊが多かったり、エンジン回転速度ＮＥが高かったりするほど、燃料噴霧と吸気との混合を促進させるために必要な噴射方向Ｃの空間が大きくなるためである。ちなみに、目標移動距離Ｌｉｇは、燃料噴射量Ｑｉｎｊ及びエンジン回転速度ＮＥと目標移動距離Ｌｉｇとが関係付けられたマップ又は実験式に基づいて算出されればよい。

速度設定部４５は、ガス密度推定部４１で推定されたガス密度ρａ、遅れ時間設定部４３で設定された着火遅れ時間ｔｄ、目標値設定部４４で設定された目標移動距離Ｌｉｇ、及び角度算出部４２で算出された噴霧角θｓｐに基づいて、噴射開始タイミングｔｉｎｊにおける噴孔１８ａからの燃料噴霧の噴射速度Ｖｉｎｉを設定する。本実施形態では、下式（ｅｑ３）に基づいて噴射速度Ｖｉｎｉを設定する。

上式（ｅｑ３）において、ρｆは燃料密度を示し、ｄは噴孔１８ａの直径を示し、ｃは収縮係数を示す。収縮係数ｃは、噴射圧Ｐｉｎｊを用いて、図８のマップを参照して算出される。図８は、噴射圧Ｐｉｎｊと収縮係数ｃとの関係を示すマップであり、実験等に基づいて予め設定されている。図８に示すように、噴射圧Ｐｉｎｊが高いほど、収縮係数ｃが小さくなる。

ちなみに、上式（ｅｑ３）は、「ディーゼル機関燃料噴霧の到達距離に関する研究和栗雄太郎、他３名、日本機械学会論文集、１９５９年、第２５巻、第１５６号、ｐ．８２０−８２６」の記載事項に基づいて導かれる。詳しくは、燃焼室１０ａ内における噴孔１８ａと、噴孔１８ａから目標移動距離Ｌｉｇ離れた位置との差圧ΔＰを用いて、噴射速度Ｖｉｎｉを下式（ｅｑ４）のように表すことができる。

また、目標移動距離Ｌｉｇを下式（ｅｑ５）のように表すことができる。

上式（ｅｑ５）をΔＰについて変形すると、下式（ｅｑ６）が導かれる。

上式（ｅｑ６）を上式（ｅｑ４）に代入することにより、上式（ｅｑ３）が導かれる。

第１噴射算出部４６は、速度設定部４５で設定された噴射速度Ｖｉｎｉに基づいて、噴射開始タイミングｔｉｎｊにおける噴射率である開始時噴射率Ｑｓｔを算出する。本実施形態では、下式（ｅｑ７）に基づいて、開始時噴射率Ｑｓｔを算出する。

上式（ｅｑ７）において、Ｎｈは燃料噴射弁１８の噴孔１８ａの数を示し、Ｓは燃料噴射弁１８の総噴孔面積を示す。開始時噴射率Ｑｓｔを大きくすることで、噴射開始タイミングにおける燃料噴射弁１８の燃料噴射速度が高くなり、ひいては目標移動距離Ｌｉｇが大きくなる。本実施形態において、第１噴射算出部４６が噴射率設定部を構成する。

ちなみに本実施形態では、噴射率を、燃料噴射弁１８から単位時間あたりに噴射される燃料の体積とした。噴射率を、燃料噴射弁１８から単位時間あたりに噴射される燃料の質量とする場合、上式（ｅｑ７）の右辺に燃料密度ρｆを乗算すればよい。

第１熱推定部４７は、第１噴射算出部４６で算出された開始時噴射率Ｑｓｔに基づいて、自着火開始タイミング「ｔｉｎｊ＋ｔｄ」における開始時熱発生率Ｊｓｔを算出する。詳しくは、下式（ｅｑ８）に基づいて、開始時熱発生率Ｊｓｔを算出する。

上式（ｅｑ８）において、Ｊｕは単位体積あたりの燃料が燃焼した時の発熱量を示す。なお図９に、噴射開始タイミングｔｉｎｊにおける開始時噴射率Ｑｓｔと、開始時噴射率Ｑｓｔに基づいて推定された開始時熱発生率Ｊｓｔとを示す。

第２熱推定部４８は、筒内圧をその閾値Ｐｍａｘ以下にすることを条件として、エンジン１０の図示平均有効圧を最大とする自着火開始タイミング以降における熱発生率の上昇速度θＨＲＲを算出する。なお、上記閾値Ｐｍａｘは、例えば、エンジン１０の信頼性を維持可能な筒内圧の許容上限値以下の値に設定される。

本実施形態において、第２熱推定部４８は、上昇速度θＨＲＲを算出するための処理部として、熱発生率推定部と、筒内圧推定部と、熱勾配算出部とを含む。

熱発生率推定部は、開始時熱発生率Ｊｓｔと、熱発生率の上昇速度の仮設定値θＨｍとに基づいて、図９（ｂ）に示すように、自着火開始タイミング「ｔｉｎｊ＋ｔｄ」から、熱発生率が総発生率Ｊｑに到達するまでの期間における都度の熱発生率を推定する。ここで、総発生率Ｊｑは、燃料噴射量Ｑｉｎｊを入力として、下式（ｅｑ９）に基づいて算出される。

筒内圧推定部は、熱発生率推定部により推定された熱発生率に基づいて、規定期間における都度の筒内圧Ｐｃｙｌを推定する。本実施形態において、規定時間は、自着火開始タイミングから、このタイミングを起点とする熱発生率の積分値が総発生率Ｊｑに到達するまでの期間である。ここで、あるクランク角度αｒにおける筒内圧Ｐｃｙｌ（αｒ）は、下式（ｅｑ１０）に示す関数ｆに基づいて算出されればよい。

上式（ｅｑ１０）において、Δαは筒内圧を算出するクランク角度の間隔を示し、Ｖ（αｒ）はあるクランク角度αｒにおける燃焼室１０ａの容積を示し、ＨＲＲ（αｒ）はあるクランク角度αｒにおける熱発生率を示す。上式（ｅｑ１０）に示す関数ｆは、熱力学方程式及び気体の状態方程式から導かれる下式（ｅｑ１１）を変形することにより得られる。

上式（ｅｑ１１）において、Ｃｖは定積モル比熱［Ｊ／ｍｏｌ／Ｋ］を示し、Ｒは気体定数［Ｊ／Ｋ／ｍｏｌ］を示す。ちなみに、筒内圧Ｐｃｙｌの初期値、すなわち自着火タイミング直前の筒内圧Ｐｃｙｌは、例えばガス圧力Ｐｉｍとすればよい。

熱勾配算出部は、上昇速度の仮設定値θＨｍを様々な値に設定した場合において、熱発生率が総発生率Ｊｑとなるタイミングにおける筒内圧Ｐｃｙｌが閾値Ｐｍａｘ以下となって、かつ、図示平均有効圧が最大となる仮設定値θＨｍを上昇速度θＨＲＲとして算出する。

第２噴射算出部４９は、開始時噴射率Ｑｓｔ、開始時熱発生率Ｊｓｔ、噴射開始タイミングｔｉｎｊ及び着火遅れ時間ｔｄに基づいて、開始時噴射率Ｑｓｔ以降における噴射率の上昇速度θｉｎｊを算出する。本実施形態において、第２熱推定部４８及び第２噴射算出部４９が上昇設定部を構成する。以下、図１０を用いて、上昇速度θｉｎｊの算出手法について説明する。ここで、図１０（ａ）は筒内圧の推移を示し、図１０（ｂ）は熱発生率の推移を示し、図１０（ｃ）は噴射率の推移を示す。なお図１０（ａ）では、等圧燃焼が実施される場合の筒内圧波形を実線にて示し、燃焼室１０ａ内で燃料の燃焼が行われない場合の筒内圧波形を破線にて示す。また図１０では、便宜上、着火遅れ時間ｔｄを０として各波形を記載している。

図１０に示すように、自着火開始タイミングｔ１よりも後の規定タイミングｔｍｅｄにおける熱発生率Ｊｍｅｄを、開始時熱発生率Ｊｓｔ及び熱発生率の上昇速度θＨＲＲに基づいて算出する。そして、単位体積あたりの燃料が燃焼した時の発熱量Ｊｕを用いて、算出した熱発生率Ｊｍｅｄを噴射率Ｑｍｅｄに換算する。そして、開始時噴射率Ｑｓｔ、換算した噴射率Ｑｍｅｄ、噴射開始タイミングｔｉｎｊ、及び規定タイミングｔｍｅｄに基づいて、噴射率の上昇速度θｉｎｊを算出する。

上述した手法で算出された開始時噴射率Ｑｓｔ及び噴射率の上昇速度θｉｎｊに基づいて、図１０（ｃ）に示すような指令噴射率の時系列が設定される。指令噴射率は、開始時噴射率Ｑｓｔと、噴射開始タイミングｔｉｎｊ以降において一定の上昇速度θｉｎｊで上昇する上昇噴射率とからなる。上昇噴射率のうち噴射終了タイミングの噴射率は、１燃焼サイクルにおいて最大の噴射率となる。図１０（ｃ）では、上昇噴射率が設定される期間がＴＤＣを跨いでいる例を示した。ＥＣＵ３０は、燃料噴射弁１８の噴射率を上記指令噴射率に制御するように燃料噴射弁１８と通電操作する噴射制御部として機能する。

以上説明した本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。

エンジン１０の運転状態に基づいて、目標移動距離Ｌｉｇを設定した。そして、噴射開始タイミングｔｉｎｊから着火遅れ時間ｔｄが経過したタイミングにおける燃料噴霧先端の噴孔１８ａからの移動距離を目標移動距離Ｌｉｇとするための開始時噴射率Ｑｓｔを設定した。これにより、開始時噴射率Ｑｓｔに従って噴射された燃料噴霧、及び開始時噴射率Ｑｓｔに続く噴射率に従って噴射された燃料噴霧を吸気と十分に混合させることができ、燃料の燃焼により発生するスモークを低減することができる。

また、開始時噴射率Ｑｓｔに従って噴射された燃料噴霧の燃焼により発生するスモークを低減できるため、開始時噴射率Ｑｓｔ以降の噴射率を大きくでき、エンジン１０の出力トルクを向上できる。

開始時噴射率Ｑｓｔの算出に噴射速度Ｖｉｎｉを用いた。これにより、スモークを低減すべく、自着火開始タイミングにおける燃料噴霧の運動量を加味した燃料噴射制御を行うことができる。

筒内圧をその閾値Ｐｍａｘ以下にすることを条件として、エンジン１０の図示平均有効圧を最大とする開始時噴射率Ｑｓｔ以降における噴射率の上昇速度θｉｎｊを設定した。これにより、エンジンの強度を向上させることなく、エンジン１０の出力トルクを向上させることができる。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について、上記第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、目標移動距離Ｌｉｇに代えて、目標当量比φｉｇを用いて噴射率を設定する。目標当量比φｉｇは、燃焼室１０ａ内において、燃料噴射弁１８から噴射された燃料噴霧の自着火開始位置での燃料噴霧及び吸気の当量比の目標値である。

図１１に、本実施形態に係る等圧燃焼モードにおける燃料噴射制御処理のブロック図を示す。図１１に示す各部の処理は、ＥＣＵ３０によって実行される。なお図１１において、先の図３に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。

本実施形態に係る目標値設定部５０は、燃料噴射量Ｑｉｎｊと、エンジン回転速度ＮＥとに基づいて、目標当量比φｉｇを設定する。目標当量比φｉｇは、燃料の燃焼により発生するスモークを低減するために設定される噴霧特性値である。噴射開始タイミングｔｉｎｊから着火遅れ時間ｔｄが経過したタイミングにおける自着火開始位置における当量比を、エンジン１０の運転状態に応じた適正な値とすることにより、燃料の燃焼により発生するスモークを低減することができる。自着火開始位置における当量比と、その位置における燃料噴霧及び吸気の混合度合いとは、負の相関を有する。この点に鑑み、目標値設定部５０は、目標当量比φｉｇを設定する。

本実施形態では、図１２に示すように、燃料噴射量Ｑｉｎｊ及びエンジン回転速度ＮＥに基づいて、目標当量比φｉｇを設定する。詳しくは、燃料噴射量Ｑｉｎｊが多かったり、エンジン回転速度ＮＥが低かったりするほど、目標当量比φｉｇを大きく設定する。

速度設定部５１は、ガス密度ρａ、着火遅れ時間ｔｄ、噴霧角θｓｐ、及び目標値設定部５０で設定された目標当量比φｉｇに基づいて、噴射開始タイミングｔｉｎｊにおける噴孔１８ａからの燃料噴霧の噴射速度Ｖｉｎｉを設定する。本実施形態では、下式（ｅｑ１２）に基づいて噴射速度Ｖｉｎｉを設定する。

上式（ｅｑ１２）において、φｔｈは理論当量比を示し、酸素過剰率の逆数である。

ちなみに、上式（ｅｑ１２）は、上述した「ディーゼル機関燃料噴霧の到達距離に関する研究」の記載事項に基づいて導かれる。詳しくは、この記載事項に基づいて、下式（ｅｑ１３）が導かれる。

上式（ｅｑ１３）を上式（ｅｑ４）に代入することにより、上式（ｅｑ１２）が導かれる。

噴射速度Ｖｉｎｉの算出の後、上記第１実施形態と同様の処理により、指令噴射率が設定される。このように本実施形態では、エンジン１０の運転状態に基づいて、目標当量比φｉｇを設定した。そして、自着火開始位置における実際の当量比を目標当量比φｉｇとするための開始時噴射率Ｑｓｔを設定した。これにより、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

（その他の実施形態）
なお、上記各実施形態を、以下のように変更して実施してもよい。

・上記各実施形態では、開始時噴射率Ｑｓｔ以降の噴射率の上昇態様を、一定の上昇速度で上昇する噴射率波形としたがこれに限らない。例えば、開始時噴射率Ｑｓｔ以降の噴射率の上昇態様を、段階的に上昇させる波形としたり、円弧状に上昇させる波形としてもよい。この場合であっても、開始時噴射率Ｑｓｔがスモークを低減できる適正な値に設定されているため、スモークを低減できる。また、上記各実施形態において、一定の上昇速度で上昇する噴射率波形の後に続けて、噴射率が一定となる噴射率波形を含む指令噴射率を設定してもよい。

・上記第１実施形態において、目標移動距離Ｌｉｇの設定に、燃料噴射量Ｑｉｎｊ及びエンジン回転速度ＮＥのうちいずれか一方のみを用いてもよい。また、上記第２実施形態において、目標当量比φｉｇの設定に、燃料噴射量Ｑｉｎｊ及びエンジン回転速度ＮＥのうちいずれか一方のみを用いてもよい。

・噴射率を自在に設定可能な燃料噴射弁としては、上記第１実施形態で説明したものに限らない。例えば、特開２００８−１６３７９９号公報に記載されているように、増圧機構付きの燃料噴射弁であってもよい。

１０…エンジン、１０ａ…燃焼室、１８…燃料噴射弁、３０…ＥＣＵ、４４…目標値設定部、４６…第１噴射算出部。

Claims

燃焼室（１０ａ）内に燃料噴霧を直接噴射する燃料噴射弁（１８）を備えるディーゼルエンジン（１０）に適用され、
前記燃焼室内での自着火開始位置における前記燃料噴霧及び吸気の混合度合いと相関を有するパラメータが噴霧特性値と定義されており、
前記エンジンの運転状態に基づいて、前記噴霧特性値の目標値を設定する目標値設定部（４４；５０）と、
実際の前記噴霧特性値を前記目標値とすべく前記燃料噴射弁の噴射開始タイミングにおける開始時噴射率を設定する噴射率設定部（４６）と、
前記燃料噴射弁の噴射率を前記開始時噴射率から徐々に増加させる噴射率時系列を含む指令噴射率に実際の噴射率を制御する噴射制御を行う噴射制御部（３０）と、を備える燃料噴射制御装置。
前記燃料噴射弁の噴射開始タイミングから、噴射された燃料噴霧が自着火し始めるまでの時間が着火遅れ時間と定義されており、
前記噴霧特性値は、前記噴射開始タイミングから前記着火遅れ時間が経過するタイミングにおける前記燃料噴霧の先端と前記燃料噴射弁の噴孔（１８ａ）との距離である請求項１に記載の燃料噴射制御装置。
前記噴射率設定部は、前記目標値が大きいほど、前記開始時噴射率を大きく設定する請求項２に記載の燃料噴射制御装置。
前記噴射率設定部は、前記目標値が大きいほど、前記噴射開始タイミングにおける前記燃料噴射弁の燃料噴射速度を高く設定する速度設定部（４５）を含み、前記速度設定部により設定された前記燃料噴射速度が高いほど、前記開始時噴射率を大きく設定する請求項３に記載の燃料噴射制御装置。
前記噴霧特性値は、前記燃焼室内での自着火開始位置における前記燃料噴霧及び吸気の当量比である請求項１に記載の燃料噴射制御装置。
前記噴射率設定部は、前記目標値が小さいほど、前記開始時噴射率を大きく設定する請求項５に記載の燃料噴射制御装置。
前記噴射率設定部は、前記目標値が小さいほど、前記噴射開始タイミングにおける前記燃料噴射弁の燃料噴射速度を高く設定する速度設定部（５１）を含み、前記速度設定部により設定された前記燃料噴射速度が高いほど、前記開始時噴射率を大きく設定する請求項６に記載の燃料噴射制御装置。
前記エンジンの１燃焼サイクルあたりに要求される燃料噴射量を設定する噴射量設定部（４０）を備え、
前記目標値設定部は、前記噴射量設定部により設定された前記燃料噴射量が多いほど前記目標値を大きく設定する処理、及び前記エンジンの回転速度に基づいて前記目標値を設定する処理のうち少なくとも一方を行う請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料噴射制御装置。
前記エンジンの１燃焼サイクルあたりに要求される燃料噴射量を設定する噴射量設定部（４０）と、
前記燃焼室内の圧力をその閾値以下にすることを条件として、前記エンジンの１燃焼サイクルあたりに前記エンジンから出力する仕事を最大化する前記開始時噴射率以降における噴射率の上昇態様を設定する上昇設定部（４８，４９）と、を備え、
前記噴射制御部は、前記開始時噴射率と、前記上昇設定部により設定された前記上昇態様とに基づいて、前記指令噴射率を設定する請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料噴射制御装置。
前記上昇設定部は、前記燃料噴射弁の噴射率に基づいて、熱発生率を推定する熱発生率推定部と、前記熱発生率推定部により推定された前記開始時噴射率に対応する熱発生率、及び前記燃料噴射量を熱発生率に換算した総発生率に基づいて、前記燃焼室内の圧力を推定する筒内圧推定部と、を含み、前記筒内圧推定部により推定された圧力を前記閾値以下にすることを条件として、前記開始時噴射率以降における噴射率の上昇速度を設定する請求項９に記載の燃料噴射制御装置。
前記噴射制御部は、前記燃料噴射弁の噴射率を前記開始時噴射率から一定の上昇速度で増加させるとともに、前記エンジンの１燃焼サイクルにおいて前記燃料噴射弁の噴射終了タイミングの噴射率が最大となる噴射率時系列を前記指令噴射率に設定する請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料噴射制御装置。