JP2006274857A - ディーゼル式内燃機関の制御装置 - Google Patents

ディーゼル式内燃機関の制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 燃焼騒音を小さく維持しつつスモークの発生を抑制することができるディーゼル式内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】 燃料噴射弁３と、燃料噴射弁に目標燃料供給圧力で燃料を供給しようとする燃料供給手段１８とを具備し、燃料噴射弁は圧縮上死点付近で行われるメイン噴射に加えて一回パイロット噴射を行うシングルパイロット噴射モードと、メイン噴射に加えて複数回パイロット噴射を行うマルチパイロット噴射モードとで燃料噴射を実行することが可能であり、シングルパイロット噴射モードで燃料噴射を実行する場合には少なくとも燃料噴射量に応じて設定される基準目標燃料供給圧力が上記目標燃料供給圧力とされるディーゼル式内燃機関の制御装置において、マルチパイロット噴射モードで燃料噴射を実行する場合には目標燃料供給圧力が上記基準目標燃料供給圧力よりも高い燃料供給圧力とされる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ディーゼル式内燃機関の制御装置に関する。
ディーゼル式内燃機関では、燃焼室における燃焼状態によっては燃焼室から排出される排気ガス中に粒子状物質（particulate）等から成るスモークが混入される。従って、多くのディーゼル式内燃機関では、機関排気通路上にパティキュレートフィルタを設けて大気中に放出されるスモークの低減を図ると共に、燃焼室での燃焼状態を改善して燃焼室でのスモークの発生を抑制するようにしている。
例えば、特許文献１に記載の発明では、機関運転状態が低負荷運転状態にあるときには、燃料噴射弁からの燃料噴射時期を遅角させると共に、燃料噴射弁からの燃料の噴射圧を相対的に高くすることで噴射期間を短くするようにしている。これにより、着火遅れ期間が長くなると共に着火遅れ期間中に全ての燃料が噴射される。このため、燃焼のほとんどが予混合燃焼となり、スモークの発生を抑制することができる。
特開平８−２５４１５２号公報 特開平７−１５８５１７号公報 特許第２９５３３２４号明細書 特開平６−４２４３０号公報 特開平７−２７９８００号公報 特開２００４−１１５０１号公報 特開２００４−１６９６３３号公報
ところで、ディーゼル式内燃機関についてはスモーク発生の問題の他にも、燃焼騒音の問題がある。燃焼騒音は、主に多量の燃料が一気に燃焼することにより大きくなる傾向にあり、例えば特許文献１の装置では、燃料噴射弁からの燃料の噴射終了後に混合気への自着火が行われるため燃焼騒音の増大を避けられない。
燃焼騒音の低減には、メイン噴射の前に複数回燃料噴射を行うマルチパイロット噴射モードで燃料噴射を実行することが効果的である。すなわち、マルチパイロット噴射モードで燃料噴射を実行すると、メイン噴射の開始前又は開始直後に混合気への自着火が行われることになる。従って、メイン噴射による燃料がほとんど噴射されていない状態で自着火が行われることになるため、自着火時には燃焼室内に噴射されている燃料は少なく、よって多量の燃料が一気に燃焼することがないため、燃焼騒音を低減させることができる。
しかしながら、マルチパイロット噴射モードでは、燃料噴射弁のシートチョーク範囲を多く用いて燃料噴射を行うことになるため、燃料の微粒化が十分に行われなかったり、燃料噴射弁から噴射された燃料（以下、「噴射燃料」と称す）の貫徹力が不足して噴射燃料が燃焼室内に分散せずに燃焼室の中央付近に漂ったりし易い。従って、混合気の燃焼状態が悪化して、スモークの増加を招く結果になる。
そこで、本発明の目的は、燃焼騒音を小さく維持しつつスモークの発生を抑制することができるディーゼル式内燃機関の制御装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、第１の発明では、燃料噴射弁と、該燃料噴射弁に目標燃料供給圧力で燃料を供給しようとする燃料供給手段とを具備し、上記燃料噴射弁は圧縮上死点付近で行われるメイン噴射に加えて該メイン噴射の前に一回パイロット噴射を行うシングルパイロット噴射モードと、上記メイン噴射に加えて該メイン噴射の前に複数回パイロット噴射を行うマルチパイロット噴射モードとで燃料噴射を実行することが可能であり、シングルパイロット噴射モードで燃料噴射を実行する場合の基準目標燃料供給圧力が上記目標燃料供給圧力とされるディーゼル式内燃機関の制御装置において、マルチパイロット噴射モードで燃料噴射を実行する場合には上記目標燃料供給圧力が上記基準目標燃料供給圧力よりも高い燃料供給圧力とされる。
第１の発明によれば、マルチパイロット噴射モードで燃料噴射が実行されている場合に目標燃料供給圧力が高いものとされる。燃料供給圧力が高くなると、噴射燃料の燃焼室内での微粒化が促進されると共に、噴射燃料の圧力が高くなるため噴射燃料の貫徹力が高くなり、噴射燃料が燃焼室内全体に分散するようになる。このため、混合気の燃焼状態が改善され、スモークの発生が抑制せしめられる。
第２の発明では、第１の発明において、上記マルチパイロット噴射モードは、機関負荷が中基準負荷以下である低・中負荷運転領域に機関運転状態がある場合に実行される。
一般に、燃焼騒音が問題となるのは、燃料噴射量の少ない場合、すなわち機関負荷が比較的低い場合である。第２の発明によれば、機関運転状態が低・中負荷運転領域にあるときにマルチパイロット噴射モードが実行されるため、効果的に燃焼騒音の問題が解消される。
第３の発明では、第２の発明において、機関負荷が上記中基準負荷よりも低い低基準負荷以下である低負荷運転領域に機関運転状態がある場合には、機関負荷が中基準負荷以下であって低基準負荷よりも高い中負荷運転領域に機関運転状態がある場合に比べて基準目標燃料供給圧力からの目標燃料供給圧力の増分が大きくなるようにした。
第４の発明では、第３の発明において、上記燃料噴射弁は、ノズルボディと、該ノズルボディの先端部に形成された噴孔と、前記ノズルボディ内でリフトするニードル弁とを具備し、該ニードル弁がリフトされると該ニードル弁と上記ノズルボディ内面との間に環状隙間が形成され、上記低負荷運転領域は、上記ニードル弁がリフトすることによって形成される上記環状隙間の断面積が上記噴孔の総断面積よりも小さい程度にニードル弁がリフトされることによってパイロット噴射及びメイン噴射が行われるような運転領域に相当する。
通常、上記環状の燃料流路の断面積が噴孔の総断面積よりも小さい程度にニードル弁がリフトされることによって燃料噴射（以下、「低リフト燃料噴射」と称す）が行われるのはパイロット噴射に限られるが、機関運転状態が低負荷運転領域にある場合には、メイン噴射も低リフト燃料噴射によって行われる。低リフト燃料噴射においては、環状の燃料流路が絞りとなるため、環状の燃料流路と噴孔との間の圧力が低いものとなり、結果として噴孔からの噴射圧が低くなり、燃料の微粒化や噴射燃料の分散が不足する。第４の発明によれば、機関運転状態が低負荷運転領域にあるときには燃料供給圧力がより高くされるため、噴孔からの噴射圧も高くなり、よって燃料の微粒化や噴射燃料の分散が促進される。
第５の発明では、第３又は第４の発明において、ディーゼル式内燃機関の燃焼室に流入する吸気ガスのスワール比を変更可能なスワール比制御手段をさらに具備し、上記スワール比制御手段は機関運転状態が上記低負荷運転領域にある場合には上記低負荷運転領域以外の運転領域にある場合に比べてスワール比が大きくなるように制御する。
上述したように機関運転状態が低負荷運転領域にある場合には噴射燃料の分散が不足するが、第５の発明によれば斯かる場合にスワール比が大きくされるため噴射燃料の分散が促進される。
第６の発明では、第３〜第５のいずれか一つの発明において、上記マルチパイロット噴射モードでは、メイン噴射の前に二回のパイロット噴射が行われると共に、該マルチパイロット噴射モードとしては、一回目のパイロット噴射が二回目のパイロット噴射に近接した遅い時期に行われる近接マルチパイロット噴射モードと一回目のパイロット噴射が二回目のパイロット噴射から離間した早い時期に行われる離間マルチパイロット噴射とを実行可能であり、上記低負荷運転領域にある場合には近接マルチパイロット噴射モードを実行するようにした。
一般に、マルチパイロット噴射モードでは、一回目のパイロット噴射は二回目の燃料噴射に近接した遅い時期に行われるのが好ましい。これは、一回目のパイロット噴射が早い時期に行われると燃焼室内の温度及び圧力が十分でないため、気化せずにボアに付着してしまい、燃費の悪化を招くためである。しかしながら、一回目のパイロット噴射が遅い時期に行われると、このパイロット噴射により二回目のパイロット噴射及びメイン噴射時に燃料供給圧力が低くなり、噴射燃料の微粒化が不十分となる傾向にある。斯かる燃料供給圧力の低下の対策として目標燃料供給圧力を高めることが考えられるが、目標燃料供給圧力を高めると噴射率が上昇し、これに伴って着火遅れ期間中に燃焼室内に噴射される燃料量が増大して燃焼騒音の増大を招いてしまう。
第６の発明によれば、機関運転状態が低負荷運転領域にあるときに近接マルチパイロット噴射モードでの燃料噴射が実行される。機関運転状態が低負荷運転領域、特に低リフト燃料噴射によってパイロット噴射及びメイン噴射が行われる運転領域では、上述したように目標燃料供給圧力が高められるため、噴射燃料は十分に微粒化される。さらに、目標燃料供給圧力を上昇させても噴射率は上昇しにくく、よって着火遅れ期間中に燃焼室内に噴射される燃料量は増大しにくい。従って、燃焼騒音の増大を招くことなく効果的に近接マルチパイロット噴射モードでの燃料噴射を行うことができる。
第７の発明では、第２〜第６のいずれか一つの発明において、内燃機関の冷間時には上記中基準負荷よりも高い負荷以下である運転領域に機関運転状態があるときにマルチパイロット噴射モードを実行する。
内燃機関の冷間時には温間時に比べて着火遅れ時間が長くなり、燃焼騒音が問題となる。第６の発明によれば、冷間時にマルチパイロット噴射モードを実行する領域が拡大され、これにより燃焼騒音の低減が図られる。
第８の発明では、第１〜７のいずれか一つの発明において、各気筒あたり二つの吸気ポートと連通し、上記スワール比制御手段は一方の吸気ポート内に配置された開閉可能なスワールコントロールバルブを具備し、機関始動時には上記スワールコントロールバルブを開弁させる。
ＥＧＲを導入しているような場合、機関運転状態が内燃機関の冷間始動時等以外の運転状態にあるときには、高温のＥＧＲガスを導入することにより燃焼室内温度は高温であるため混合気への自着火が行われ易い。一方、内燃機関の冷間始動時等にはＥＧＲガスが導入されていないため混合気への自着火が行われにくい。第７の発明によれば、機関始動時にスワールコントロールバルブが開弁されるため燃焼室内に充填される空気量が増大し、よってピストンによる圧縮で燃焼室内が高温・高圧となり混合気への自着火が行われ易くなる。
本発明によれば、マルチパイロット噴射モードで燃料噴射を実行することにより燃焼騒音が低減されると共に燃料供給圧力が高圧にされるためスモークの発生が抑制され、よって燃焼騒音を小さく維持しつつスモークの発生を抑制することができるディーゼル式内燃機関の制御装置が提供される。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は本発明の第一実施形態の制御装置を圧縮自着火式内燃機関に適用した場合を示している。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内にそれぞれ燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド４は吸気管６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口はエアクリーナ８に連結される。吸気管６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁９が配置され、さらに吸気管６周りには吸気管６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１０が配置される。図１に示した実施形態では機関冷却水が冷却装置１０内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は排気浄化触媒１１を内蔵したケーシング１２に連結される。
排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路１４を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１４内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１５が配置される。また、ＥＧＲ通路１４周りにはＥＧＲ通路１４内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲ冷却装置１６が配置される。図１に示した実施形態では機関冷却水が冷却装置１６内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管１７を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール１８に連結される。このコモンレール１８内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１９から燃料が供給され、コモンレール１８内に供給された燃料は各燃料供給管１７を介して燃料噴射弁３に供給される。なお、以下では、ＥＧＲガスを含む空気も単に空気として説明する。
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。排気浄化触媒１１には排気浄化触媒１１の温度を検出するための温度センサ２０が取付けられ、この温度センサ２０の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。さらに入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続され、このクランク角センサ４２により機関回転数が検出される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁９駆動用ステップモータ、ＥＧＲ制御弁１５及び燃料ポンプ１９に接続される。
図２は、燃料噴射弁３の先端部の断面図である。図２に示したように、燃料噴射弁３は、内部に中空空間を有するほぼ円筒状のノズルボディ５１と、このノズルボディ５１の中空空間内で摺動（移動）するほぼ円柱形のニードル弁５２とを具備する。ノズルボディ５１とニードル弁５２とはこれらの軸線が同軸になるように配置される。ノズルボディ５１の内壁面とニードル弁５２との間には燃料が流れる環状流路５３が画成され、この環状流路５３はコモンレール１８に接続され、コモンレール１８から環状流路５３に燃料が供給される。ノズルボディ５１の先端部５４はほぼ円錐状であり、この先端部５４にはサック部５５が形成されると共にノズルボディ５１を貫通する複数の噴孔５６が設けられる。これら噴孔５６は環状流路５３と連通している。
ニードル弁５２はノズルボディ５１の中空空間内で摺動可能であり、これにより燃料噴射弁３からの燃料噴射が制御せしめられる。すなわち、ニードル弁５２の先端部５７がノズルボディ５１の内壁面と接触すると環状流路５３が遮断されて噴孔５６まで燃料が流れなくなり、よって噴孔５６から燃料が噴射されない。一方、ニードル弁５２がリフトしてニードル弁５２の先端部５７がノズルボディ５１の内壁面から離れていると、ニードル弁５２とノズルボディ５１の内壁面との間に環状隙間５８が形成され、この環状隙間５８を通って燃料が流れるようになり、よって噴孔５６から燃料が噴射される。したがって、ニードル弁５２のリフト量が零のときには燃料が噴射されず、ニードル弁５２がリフトされると燃料が噴射される。
図３は、ニードル弁５２のリフト量と環状隙間５８の断面積との関係を示した図である。図中の三つの直線は、シート径φ（図２参照）が異なる場合におけるリフト量と断面積との関係をそれぞれ示しており、実線はシート径φが２．０ｍｍ、一点鎖線はシート径φが２．２５ｍｍ、破線はシート径２．５ｍｍである場合である。図から分かるように、環状隙間５８の断面積はリフト量が大きくなるのに比例して増大せしめられる。
複数の噴孔５６の総断面積は、例えばノズルボディ５１の先端部に直径が０．１４５ｍｍの噴孔が９つ設けられている場合、約０．１４９ｍｍ2となる。従って、図３からわかるように、例えばシート径φが２．０ｍｍである場合、ニードル弁５２のリフト量が０．０５ｍｍに達するまでは環状隙間５８の断面積は噴孔総断面積よりも小さい。このように、環状隙間５８の断面積が噴孔総断面積よりも小さくなるようなリフト量の範囲（以下、「シートチョーク範囲」と称す）では、環状流路５３に流入して噴孔５６から噴射される燃料の流れに対して噴孔５６ではなく環状隙間５８が絞りとなる。なお、以下の説明では、リフト量がシートチョーク範囲内で行われる燃料噴射を「小リフト燃料噴射」と称する。
また、本実施形態では、複数の噴射モードによって燃料噴射弁３から燃料が噴射される。これら噴射モードにおいては圧縮上死点付近で行われるメイン噴射に加えてこのメイン噴射の前にパイロット噴射が行われる。以下では、図４を用いて、本実施形態において用いられる噴射モードについて説明する。図４は、本実施形態において行われる三つの噴射モードを示している。
図４（ａ）は、シングルパイロット噴射モードにおける燃料噴射パターンを示している。図４（ａ）からわかるように、シングルパイロット噴射モードではメイン噴射の前に一回のパイロット噴射が行われる。特に、本実施形態では、パイロット噴射は、メイン噴射よりもかなり早い時期（例えばメイン噴射開始よりクランク角で２０度（２０°ＣＡ）以上早い時期）に行われるパイロット噴射（以下、「早期パイロット噴射」と称す）である。
図４（ｂ）及び（ｃ）は、マルチパイロット噴射モードにおける燃料噴射パターンを示している。図４（ｂ）及び（ｃ）からわかるように、マルチパイロット噴射モードではメイン噴射の前に複数回（図示した実施形態では二回）のパイロット噴射が行われる。特に、本実施形態では、複数のパイロット噴射のうちの少なくとも一回以上のパイロット噴射が早期パイロット噴射であると共に残りのパイロット噴射がメイン噴射の直前（例えば、メイン噴射開始より２０°ＣＡ以内）に行われるパイロット噴射（以下、「近接パイロット噴射」と称す）である離間マルチパイロット噴射モード（図４（ｂ）参照）と、複数のパイロット噴射の全てが近接パイロット噴射である近接マルチパイロット噴射モード（図４（ｃ）参照）とを実行可能である。
図５は、各種噴射モードと混合気への自着火時期との関係を示している。図５（ａ）は、パイロット噴射が行われずにメイン噴射のみが行われる噴射モード（以下、「シングル噴射モード」と称す）で燃料噴射が行われる場合を示している。この場合、メイン噴射の開始時には燃焼室２内の空気の温度及び圧力はあまり高くないため着火遅れが生じ、メイン噴射開始から混合気への自着火までに時間がかかる。この着火遅れ期間中にも燃料が噴射されているため、混合気への自着火が行われる頃には燃焼室２内には既に多量の燃料が噴射されている（図５（ａ）の斜線部に相当）。このため、混合気への自着火が行われる時には燃焼室２内に既に噴射されている多量の燃料が一気に燃焼することになり、よって燃焼騒音が大きなものとなる。
図５（ｂ）は、シングルパイロット噴射モードで燃料噴射が行われる場合を示している。シングルパイロット噴射モードでは、早期パイロット噴射が行われることにより燃焼室２内の温度と圧力が上昇せしめられるため、上述したシングル噴射モードの場合に比べてメイン噴射開始時における燃焼室２内の温度及び圧力が高いものとなっており、着火遅れ期間が短縮される。このため、着火遅れ期間中に噴射される燃料の量が少なく、よって混合気への自着火が行われる時に既に燃焼室２内に噴射されている燃料の量が少ないため、シングル噴射モードの場合に比べて燃焼騒音が低減される。
図５（ｃ）は、マルチパイロット噴射モードで燃料噴射が行われる場合を示している。マルチパイロット噴射モードでは、近接パイロット噴射が行われるため、メイン噴射開始時には近接パイロット噴射による噴射燃料が反応しているか又は自着火している。すなわち、マルチパイロット噴射モードでは、メイン噴射開始直前又は直後に混合気への自着火が行われる。このため、メイン噴射による噴射燃料が一気に燃焼することがなくなり、燃焼騒音は非常に小さいものとなる。
ところで、近年、ディーゼル式内燃機関に対して高出力化の要請が高く、斯かる要請に応えるべく多くのディーゼル式内燃機関では圧縮比を低いものとしている。すなわち、機関本体１の強度上の問題から燃焼室２内圧力の最大値は自ずと決まっており、燃焼室２内の燃焼による混合気の圧力上昇幅を大きくするためには、燃焼前の燃焼室２内圧力、すなわちモータリングによる燃焼室２内圧力を低くする必要があり、よって圧縮比を低く設定している。
ところが、このように圧縮比を低く設定し、モータリングによる燃焼室２内圧力を低いものとすると、メイン噴射開始時における燃焼室２内の温度及び圧力が低いものとなる。このため、着火遅れ期間が長くなり、燃焼騒音が大きくなってしまう。
そして、斯かる燃焼騒音の増大は、特に機関回転数及び機関負荷が低い場合に問題となる。すなわち、機関回転数又は機関負荷が高い場合には、内燃機関全体から発生する騒音については燃焼騒音よりも機械騒音の方が大きく、よって燃焼騒音が大きくなっても内燃機関全体から発生する騒音はほとんど変わらない。一方、機関回転数及び機関負荷が低い場合には、機械騒音よりも燃焼騒音の方が大きいため、燃焼騒音が大きくなると内燃機関全体から発生する騒音が大きくなってしまう。
このため、本実施形態では、燃焼騒音の増大が問題となる機関回転数及び機関負荷が低い場合にはマルチパイロット噴射モードによって燃料噴射を行うと共に、機関回転数または機関負荷が高い場合には燃焼騒音の増大が問題とならないためシングルパイロット噴射モードによって燃料噴射を行う。より具体的には、内燃機関の通常運転時（冷間時及び始動時等を除いた運転時）においてシングルパイロット噴射モードで燃料噴射を行うと燃焼騒音の増大が問題となる図６の運転領域Ａ及びＢに機関運転状態がある場合にはマルチパイロット噴射モードによって燃料噴射を行い、図６の運転領域Ａ及びＢに機関運転状態がない場合にはシングルパイロット噴射モードで燃料噴射を行う。運転領域Ａ及びＢは、中基準負荷Ｌｂよりも機関負荷が小さく且つ中基準回転数Ｎｂ（本実施形態では、機関負荷に応じて変わる値）よりも機関回転数が低い領域である。上述したようにマルチパイロット噴射モードで燃料噴射を行うことで燃焼騒音を低減することができるため、燃焼騒音が問題となるような機関運転状態にある場合に燃焼騒音を低減することができる。
ところが、マルチパイロット噴射モードで燃料噴射を行うと、一般に、スモーク増加を招く結果となる。すなわち、マルチパイロット噴射モードにおける各パイロット噴射による噴射量は少量であり、各パイロット噴射は低リフト燃料噴射となっている。低リフト燃料噴射では、上述したように環状流路５３に流入して噴孔５６から噴射される燃料の流れに対して噴孔５６ではなく環状隙間５８が絞りとなるため、サック部５６内の燃料の圧力が低下し、よって噴孔５６から噴射される燃料の微粒化が不十分となる。このように、燃料の微粒化が不足すると燃焼室２内での燃焼状態が悪化し、スモークが発生することとなる。
そこで、本発明に係る実施形態では、マルチパイロット噴射モードで燃料噴射が実行される場合には、シングルパイロット噴射モードで燃料噴射が実行されると想定した場合に設定されるコモンレール１８内の燃料の圧力の目標値（以下、「基準レール圧」と称す）よりも高いレール圧を目標レール圧としている。
より具体的に説明すると、一般に、コモンレール１８から燃料噴射弁３へ供給される燃料の圧力の目標値、すなわち目標レール圧は、図７に示したように、機関負荷が高くなるほど及び機関回転数が高くなるほど高いものとされる。すなわち、機関負荷が高い場合には燃焼室２内に吸入される空気量が多いため、燃料噴射時における燃焼室２内の圧力が高いと共に多量の燃料を噴射しなければならず、よって燃料噴射弁３からの噴射圧力を高いものとする必要がある。また、機関回転数が高い場合には噴射時間が短いため、単位時間当たりに噴射される燃料量（以下、「噴射流量」と称す）を多くしなければならず、よって燃料噴射弁３からの噴射圧力を高いものとする必要がある。このように、目標レール圧は一般に機関負荷及び機関回転数に基づいて設定される。従って、シングルパイロット噴射モードのみで燃料噴射が行われる場合には図７に示したようなマップに基づいて目標レール圧が設定される。
しかしながら、本実施形態のようにシングルパイロット噴射モード及びマルチパイロット噴射モードで燃料噴射が可能な場合、図７に示したマップのみに基づいて目標レール圧を設定すると、上述したようにスモークの増大を招くこととなる。従って、本実施形態では、マルチパイロット噴射モードで燃料噴射が行われる場合、目標レール圧は、図７に示したマップに基づいて算出される圧力に所定値を加えた圧力となるように制御される。
このように、マルチパイロット噴射モードで燃料噴射が行われる場合に目標レール圧を高いものとすることにより、上述したように各パイロット噴射時に環状隙間５８が絞りとなったとしてもサック部５６内の燃料圧力が高いものとなると共に、サック部５６内の燃料に大きな乱れが生じるため、噴孔５６から噴射される燃料が微粒化され易くなる。従って、燃焼室２内での燃焼状態の悪化が抑制されてスモークの発生が抑制される。
さらに、本実施形態では、低リフト燃料噴射のみでパイロット噴射及びメイン噴射を含む全ての燃料噴射を行うような場合には、レール圧をさらに高い値にするようにしている。
すなわち、機関負荷が小さくなり、各サイクルにおける各気筒の燃焼室２へ噴射すべき総燃料噴射量（以下、単に「総燃料噴射量」と称す）が少なくなった場合、マルチパイロット噴射モードで燃料噴射が行われていると、パイロット噴射だけでなくメイン噴射も低リフト燃料噴射によって燃料噴射が行われることになる。従って、この場合、低リフト燃料噴射時の噴射燃料の微粒化性能をより高いものとすることが必要である。また、本実施形態ではマルチパイロット噴射モードにおいては、近接パイロット噴射とメイン噴射が極めて短い時間間隔で行われることになる。従って、メイン噴射時には、近接パイロット噴射の影響によりレール圧が若干低下することになるため、メイン噴射時における微粒化が不十分となりやすい。
このような問題を解決すべく、本実施形態では、上記マルチパイロット噴射モードで燃料噴射が行われる運転領域Ａ及びＢのうち、機関負荷が小さい領域、すなわち総燃料噴射量が少ない領域（運転領域Ａ）では、基準レール圧からの目標レール圧の上昇幅を運転領域Ｂにおける上昇幅に比べて高いものとしている。これにより、各サイクルにおける各気筒の燃焼室２への全ての燃料噴射が低リフト燃料噴射によって行われる場合であっても、噴射燃料を微粒化させることができる。なお、運転領域Ａは、低基準負荷Ｌａよりも機関負荷が小さく且つ中基準回転数Ｎａ’よりも機関回転数が低い領域である。
図８の下図は、機関回転数が図６のＸである場合における機関負荷と目標レール圧との関係を示している。図示したように、機関運転状態が運転領域Ａ及びＢにない場合、目標レール圧は機関負荷の増大に伴って増大せしめられる。また、機関運転状態が運転領域Ｂにある場合、すなわちマルチパイロット噴射モードで燃料噴射が実行される場合、基準レール圧（図中の破線）から所定圧力Ｐｂだけ高いものとされる。さらに、機関運転状態が運転領域Ａにある場合、すなわち全ての燃料噴射が低リフト燃料噴射によって行われる場合、基準レール圧から上記所定圧力Ｐｂよりも大きい所定圧力Ｐａだけ高いものとされる。なお、図８では、運転領域Ａと運転領域Ｂとの間及び運転領域Ｂと運転領域Ｃとの間で目標レール圧を急激に変更しているが、多少の機関負荷の幅に亘って目標レール圧を徐々に変更するようにしてもよい。
図９は、一つの気筒についての燃焼室２と吸気マニホルド４とを模式的に示した拡大上面図である。図示したように、燃焼室２には二つの吸気開口６１、６２及び二つの排気開口６３、６４が設けられている。また、各気筒の燃焼室２に連通する吸気マニホルド４は二つの分岐管４ａ、４ｂに分けられており、各分岐管４ａ、４ｂはそれぞれ吸気開口６１、６２に連通せしめられる。
このうち一方の分岐管４ｂには、この分岐管４ｂ内を流れる空気の流量を連続的に制御可能なスワールコントロールバルブ（以下、「ＳＣＶ」と称す）６５が設けられる。ＳＣＶ６５を閉弁すると空気は分岐管４ａのみを通って燃焼室２内に吸入され、よって燃焼室２内には大きな渦巻き流（スワール）が生成される。一方、ＳＣＶ６５を開弁すると空気は両分岐管４ａ、４ｂを通って燃焼室２内に吸入され、よって燃焼室２内には小さなスワールが生成されるか、またはほとんどスワールが生成されない。ＳＣＶ６５は連続的に調整可能であるため、燃焼室２内に生成されるスワールも連続的に変更することができる。
一般に、機関負荷が低い場合には燃焼室２内に吸入される空気量が少ないため燃焼室２内に吸入される空気の流速が遅く、燃焼室２内に空気の乱れが生じにくい。また、機関回転数が低い場合にも同様に空気の流速が遅く、よって燃焼室２内に空気の乱れが生じにくい。このため、機関負荷が低い場合及び機関回転数が低い場合にはＳＣＶ６５の開度を小さくして燃焼室２内に大きなスワールを生成するようにしている。本実施形態では、図６の運転領域Ａ〜ＣにおいてＳＣＶ６５の開度を小さくしており、その他の運転領域では全開としている。
上述したように、各気筒の燃焼室２への全ての噴射が低リフト燃料噴射によって行われる場合には、燃料噴射弁３から噴射される燃料が微粒化されにくい。そこで、本実施形態では、各気筒の燃焼室２への全ての噴射が低リフト燃料噴射によって行われる場合には、目標レール圧を高めることに加えてＳＣＶ６５を全閉にしてスワール比を高めるようにしている。これにより、燃料の微粒化が促進される。
図７の上図は、機関負荷とＳＣＶ６５の開度との関係を示している。図から分かるように、機関運転状態が運転領域Ａ〜ＣにないときにはＳＣＶ６５は全開とされており、運転領域ＡにあるときにはＳＣＶ６５は全閉とされている。
さらに、本実施形態では、各気筒の燃焼室２への全ての噴射が低リフト燃料噴射によって行われる場合に近接マルチパイロット噴射モードで燃料噴射を行い、それ以外のマルチパイロット噴射モードで燃料噴射を行う領域では離間マルチパイロット噴射モードで燃料噴射を行うこととしている。以下、各気筒の燃焼室２への全ての噴射が低リフト燃料噴射によって行われる場合にのみ近接マルチパイロット噴射モードで燃料噴射を行う理由について説明する。
一般に、早期パイロット噴射を行うと、パイロット噴射時に燃焼室２内の温度及び圧力が十分に上昇していないため燃料が気化しにくく、よって噴射燃料の一部が燃焼室２を画成するシリンダボアに付着してしまう（ボアフラッシング）。斯かる観点から、パイロット噴射を行う場合には早期パイロット噴射よりも近接パイロット噴射を行う方が好ましい。しかしながら、機関運転状態が運転領域Ａ以外の運転領域にある場合、近接マルチパイロットモードで燃料噴射を行うのは困難である。
すなわち、近接マルチパイロットモードで行われる二回の近接パイロット噴射の噴射時期はメイン噴射の噴射時期に近接しているためメイン噴射時にはレール圧が低下しており、噴射燃料の微粒化が不十分となる。このため、近接マルチパイロット噴射モードで燃料噴射を行う場合、目標レール圧を高いものとする必要がある。
ところが、機関運転状態が運転領域Ａ以外の運転領域にある場合、目標レール圧を高めると燃料噴射弁３からの噴射率が高くなる。このため、着火遅れ期間中に燃焼室２内に噴射される燃料量が多くなり、騒音上昇を招く。
一方、機関運転状態が運転領域Ａにある場合、目標レール圧を上昇させると、噴射燃料の微粒化が促進されつつ、燃料噴射弁３からの噴射率があまり上昇しない。すなわち、目標レール圧を上昇させると、それに伴って燃料噴射弁３の環状流路５３内の燃料の圧力は上昇するが、環状隙間５８が絞りとなるためサック部５５内の燃料の圧力はレール圧の上昇分ほどは上昇しない。しかしながら、レール圧の上昇に伴ってサック部５５内での燃料の流れの乱れが大きくなり、よって燃料噴射弁３からの噴射燃料は十分に微粒化される。このため、本実施形態では、機関運転状態が運転領域Ａにある場合にのみ近接マルチパイロット噴射モードで燃料噴射を行い、それ以外の運転領域（すなわち運転領域Ｂ）にある場合には離間マルチパイロット噴射モードで燃料噴射を行うこととしている。
図１０は、本発明の内燃機関の制御装置による目標レール圧及びＳＣＶ開度の制御方法の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、一定時間間隔の割り込みによって行われる。
まず、ステップ１０１において、クランク角センサ４２の出力に基づいて機関回転数Ｒｅが検出されると共に、負荷センサ４１の出力に基づいて機関負荷Ａｃｃｐが検出される。次いで、ステップ１０２では、ステップ１０１で検出された機関回転数Ｒｅ及び機関負荷Ａｃｃｐから図７に示したようなマップに基づいて基準レール圧Ｐｒｂａｓｅが算出される。斯かるマップは予め実験または計算により求められ、ＥＣＵ３０のＲＯＭ３２に保存されている。
次いで、ステップ１０３〜１０５では、ステップ１０１で検出された機関回転数Ｒｅ及び機関負荷Ａｃｃｐから現在の機関運転状態が図６の運転領域のうちのどの運転領域にあるかが判別される。ステップ１０３〜１０５において、現在の機関運転状態が運転領域Ａに該当すると判別された場合には、ステップ１０６へと進む。ステップ１０６では、目標レール圧Ｐｒｔｒｇが基準レール圧Ｐｒｂａｓｅに所定値ａを加算した値とされる。次いで、ステップ１０７ではＳＣＶ６５の開度が全閉とされ、制御ルーチンが終了せしめられる。これにより、コモンレール１８内の燃料圧力が目標レール圧Ｐｒｔｒｇとなるように燃料ポンプ１９が駆動せしめられる。
また、ステップ１０３〜１０５において、現在の機関運転状態が運転領域Ｂに該当すると判別された場合には、ステップ１０８へと進む。ステップ１０８では、目標レール圧Ｐｒｔｒｇが基準レール圧Ｐｒｂａｓｅに所定値ｂを加算した値とされる。次いで、ステップ１０９ではＳＣＶ６５の開度が機関回転数Ｒｅ及び機関負荷Ａｃｃｐからマップに基づいて決定せしめられる。斯かるマップは予め実験または計算により求められ、ＥＣＵ３０のＲＯＭ３２に保存されており、機関回転数Ｒｅ及び機関負荷Ａｃｃｐが小さくなるにつれて目標ＳＣＶ開度が小さくなるようなマップとなっている。
また、ステップ１０３〜１０５において、現在の機関運転状態が運転領域Ｃに該当すると判別された場合には、ステップ１１０へと進む。ステップ１１０では、目標レール圧Ｐｒｔｒｇが基準レール圧Ｐｒｂａｓｅとされ、ステップ１０９へと進む。さらに、ステップ１０３〜１０５において、現在の機関運転状態が運転領域Ａ〜Ｃのいずれにも該当しないと判別された場合には、ステップ１１１へと進む。ステップ１１１では、目標レール圧Ｐｒｔｒｇが基準レール圧Ｐｒｂａｓｅとされ、次いでステップ１１２ではＳＣＶ６５が全開とされる。
ところで、内燃機関の冷間時には温間時に比べて燃焼室２内の温度が低いため、内燃機関の全運転領域に亘って着火遅れが長くなる。これに伴って、内燃機関の全運転領域において燃焼騒音が大きなものとなる。このため、上述したような温間時においては燃焼騒音が問題にならないとしてシングルパイロット噴射モードで燃料噴射を行っていた運転領域においても、冷間時においては燃焼騒音が問題となる領域が存在する。
そこで、本実施形態では、内燃機関の冷間時においては、温間時に比べてマルチパイロット噴射モードで燃料噴射を行う領域を拡大することとしている。具体的には、図６に破線で示したように、温間時においてマルチパイロット噴射モードで燃料噴射を行う運転領域Ａ及びＢを冷間時には運転領域Ａ’及びＢ’（破線で囲まれた領域）に拡大する。図６からわかるように、運転領域Ａ’及びＢ’には、運転領域Ａ及びＢに比べて高い機関回転数及び機関負荷の運転領域が含まれている。
これに伴って、本実施形態では、温間時において近接マルチパイロット噴射モードで燃料噴射を行う運転領域Ａを冷間時には運転領域Ａ’に拡大している。図６からわかるように、運転領域Ａ’には、運転領域Ａに比べて高い機関回転数及び機関負荷の領域が含まれている。同様に、温間時においてＳＣＶ６５を開弁する運転領域Ｃも冷間時には運転領域Ｃ’に拡大される。
このように、本実施形態では、冷間時にマルチパイロット噴射モードで燃料噴射を行う領域等を温間時に比べて拡大することにより、着火遅れ期間が長くなることによって生じる燃焼騒音の増大を抑制することができる。
ところで、本実施形態のようにＥＧＲ機構を有する内燃機関では、冷間始動時以外の機関運転時にはＥＧＲ通路１４を介して高温のＥＧＲガスが燃焼室２に導入される。このため、燃焼室２内に導入された吸気ガス（空気及びＥＧＲガス）は燃焼室２内に吸入された時点で既に温度が高くなっている。このため、燃焼室２内への噴射燃料は気化し易く、よって自着火し易い。
ところが、冷間始動時においてはＥＧＲ通路１４を介して燃焼室２内に導入されるＥＧＲガスは温度が高くなっておらず、よって燃焼室２内に導入される吸気ガスは燃焼室２内に吸入されたときには温度が低い。このため、燃焼室２内への噴射燃料は気化しにくく、自着火しにくいため、燃焼騒音が大きいものとなってしまう。
そこで、本実施形態では、機関運転状態が如何なる運転領域にあっても、冷間始動時にはＳＣＶ６５を全開にすることとしている。これにより、ＳＣＶ６５による吸気抵抗が低減され、燃焼室２内には多量の吸気ガスが吸入される。このように、燃焼室２内に多量の空気が吸入されると、ピストンが圧縮上死点に達する頃には燃焼室２内の吸気ガスの圧力及び温度は高いものとなっており、よって燃料噴射弁３から噴射される燃料も気化され易くなり、燃焼騒音の増大を抑制することができる。
本発明が適用される内燃機関全体を示す図である。 燃料噴射弁の先端部の断面図である。 ニードル弁とノズルボディの内壁面との間に形成される環状隙間の断面積と、ニードル弁のリフト量との関係を示す図である 各種噴射モードにおける燃料噴射パターンを示す図である。 各種噴射モードと混合気への自着火時期との関係を示す図である。 各種運転領域を示す図である。 一般的なレール圧の設定方法を説明するための図である。 機関負荷とレール圧及びスワール比との関係を示す図である。 一つの気筒についての燃焼室と吸気マニホルドとを模式的に示した拡大上面図である。 レール圧及びＳＣＶ開度の制御方法の制御ルーチンを示すフローチャートである。
符号の説明
１ 機関本体
２ 燃焼室
３ 燃料噴射弁
４ 吸気マニホルド
５ 排気マニホルド
１８ コモンレール
１９ 燃料ポンプ
３０ ＥＣＵ
４０ アクセルペダル

Claims (8)

  1. 燃料噴射弁と、該燃料噴射弁に目標燃料供給圧力で燃料を供給しようとする燃料供給手段とを具備し、上記燃料噴射弁は圧縮上死点付近で行われるメイン噴射に加えて該メイン噴射の前に一回パイロット噴射を行うシングルパイロット噴射モードと、上記メイン噴射に加えて該メイン噴射の前に複数回パイロット噴射を行うマルチパイロット噴射モードとで燃料噴射を実行することが可能であり、シングルパイロット噴射モードで燃料噴射を実行する場合の基準目標燃料供給圧力が上記目標燃料供給圧力とされるディーゼル式内燃機関の制御装置において、
    マルチパイロット噴射モードで燃料噴射を実行する場合には上記目標燃料供給圧力が上記基準目標燃料供給圧力よりも高い燃料供給圧力とされる、ディーゼル式内燃機関の制御装置。
  2. 上記マルチパイロット噴射モードは、機関負荷が中基準負荷以下である低・中負荷運転領域に機関運転状態がある場合に実行される、請求項１に記載のディーゼル式内燃機関の制御装置。
  3. 機関負荷が上記中基準負荷よりも低い低基準負荷以下である低負荷運転領域に機関運転状態がある場合には、機関負荷が中基準負荷以下であって低基準負荷よりも高い中負荷運転領域に機関運転状態がある場合に比べて基準目標燃料供給圧力からの目標燃料供給圧力の増分が大きくなるようにした、請求項２に記載のディーゼル式内燃機関の制御装置。
  4. 上記燃料噴射弁は、ノズルボディと、該ノズルボディの先端部に形成された噴孔と、前記ノズルボディ内でリフトするニードル弁とを具備し、該ニードル弁がリフトされると該ニードル弁と上記ノズルボディ内面との間に環状隙間が形成され、
    上記低負荷運転領域は、上記ニードル弁がリフトすることによって形成される上記環状隙間の断面積が上記噴孔の総断面積よりも小さい程度にニードル弁がリフトされることによってパイロット噴射及びメイン噴射が行われるような運転領域に相当する、請求項３に記載のディーゼル式内燃機関の制御装置。
  5. ディーゼル式内燃機関の燃焼室に流入する吸気ガスのスワール比を変更可能なスワール比制御手段をさらに具備し、
    上記スワール比制御手段は機関運転状態が上記低負荷運転領域にある場合には上記低負荷運転領域以外の運転領域にある場合に比べてスワール比が大きくなるように制御する、請求項３又は４に記載のディーゼル式内燃機関の制御装置。
  6. 上記マルチパイロット噴射モードでは、メイン噴射の前に二回のパイロット噴射が行われると共に、該マルチパイロット噴射モードとしては、一回目のパイロット噴射が二回目のパイロット噴射に近接した遅い時期に行われる近接マルチパイロット噴射モードと一回目のパイロット噴射が二回目のパイロット噴射から離間した早い時期に行われる離間マルチパイロット噴射とを実行可能であり、
    上記低負荷運転領域にある場合には近接マルチパイロット噴射モードを実行するようにした、請求項３〜５のいずれか１項に記載のディーゼル式内燃機関の制御装置。
  7. 内燃機関の冷間時には上記中基準負荷よりも高い負荷以下である運転領域に機関運転状態があるときにマルチパイロット噴射モードを実行する、請求項２〜６のいずれか１項に記載のディーゼル式内燃機関の制御装置。
  8. 各気筒あたり二つの吸気ポートと連通し、上記スワール比制御手段は一方の吸気ポート内に配置された開閉可能なスワールコントロールバルブを具備し、
    機関始動時には上記スワールコントロールバルブを開弁させる、請求項１〜７のいずれか１項に記載のディーゼル式内燃機関の制御装置。
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