JP2006274981A

JP2006274981A - ディーゼル機関の制御装置

Info

Publication number: JP2006274981A
Application number: JP2005098005A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Okude; 圭一奥出; Shiro Shiino; 始郎椎野; Takeshi Moriya; 猛森屋
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2006-10-12
Also published as: US20060219214A1; US7165527B2; CN1840882A; KR20060106664A; DE102006013041A1; KR100787884B1

Abstract

【課題】実情により合致した燃料噴霧の貫徹力を考慮し、噴射毎に異なる最適な圧力を設定することができるディーゼル機関の制御装置を提供する。
【解決手段】気筒内にて圧縮された空気に燃料を噴射し、燃料を自発火によって燃焼させるディーゼル機関であって、燃料の噴射時期を圧縮上死点よりも早期に設定して予め空気と燃料とを混合し、気筒内にて圧縮された混合気を自発火によって燃焼させる予混合燃焼制御手段を具備し、この制御手段は、機関の運転状態に応じて燃料を複数段階に分けて噴射させるとともに、気筒内の気体密度及び気体温度に基づいて分けられた各段階の噴射圧力を個々に調整している（S306−S310）。
【選択図】図３

Description

本発明は、ディーゼル機関の制御装置に係り、詳しくは、燃料の噴射時期をディーゼル燃焼に比して進角させ、且つ、複数段階に分けて噴射させた予混合燃焼を実施するディーゼル機関の制御装置に関する。

一般に、ディーゼル燃焼（拡散燃焼）では、気筒内に空気を取り込んで圧縮し、圧縮された空気に燃料を噴射し、この燃料を自発火によって燃焼させる。これに対して、燃料の噴射時期をより大幅に早めて着火遅れ期間を長くした燃焼方式、つまり、予混合圧縮着火燃焼がある。この燃焼方式によれば燃料の希薄な混合気が形成され、その燃焼が低温で行われることからＮＯｘやスモークの発生を抑えることが可能となる。

ここで、この予混合圧縮着火燃焼では、要求負荷の増加に伴って噴射量が多くなると燃料が過早着火し、燃焼が激しくなってノッキングが発生するとともに、多量のＮＯｘやスモークが発生するとの懸念がある。そのため、燃料の噴射時期をディーゼル燃焼に比してより大幅に早めるものの、複数段階に分けて噴射させた予混合燃焼方式がある。例えば、総燃料噴射量の一部を圧縮行程のうちの早い時点で複数段階に分けて噴射させ、残りを圧縮上死点付近で噴射させる。

しかし、この圧縮行程のうちの早い時点で噴射された燃料は気筒の壁面にまで到達し、オイルダイリューションやスモークの発生の原因になる。この時点では、ピストンの位置が未だ低い位置にあり、しかも、気筒内の雰囲気密度（気体密度）が低いからである。そこで、気筒の壁面に到達させないように低圧の燃料で噴射を行う技術（例えば、特許文献１参照）や、上記早い時点で噴射された燃料に対して気筒内の気体密度を考慮した技術（例えば、特許文献２参照）がそれぞれ開示されている。
特開２００２−２０１９９１号公報特開２００３−２８６８７９号公報

ところで、上記特許文献１に記載の技術では、低圧用と高圧用との２種類のコモンレールを備えた燃焼噴射装置を利用して噴射圧力を制御する。そして、この低圧用のコモンレールからの燃料に対して噴射を複数段階に分けて実施すれば、上述の予混合燃焼方式は実現可能となる。
しかしながら、燃料噴霧の貫徹力は気筒内の雰囲気によって逐次増減するものである。つまり、噴射圧力は噴射時の気筒内の状態に応じて変更しなければ、気筒の壁面への到達を真に回避することができない。

換言すれば、燃料を複数段階に分けて噴射させる場合には、本来ならば、噴射毎に最適な噴射圧力が存在すべきであるが、上記特許文献１に記載の技術によれば、各段階の噴射圧力は総て一律の圧力に設定されてしまい、特に、第１段階で噴射された燃料は気筒の壁面に到達し易くなるとの問題がある。なお、当該文献の上記壁面に付着する燃料量の評価はポスト噴射に関するものであって、主噴射を考慮しておらず、総ての燃料を気筒内で燃焼させる場合には適用が困難である。

ここで、上記特許文献２に記載の技術の如く、気筒内の気体密度を考慮して噴射圧力等を制御する技術を組み合わせることも考えられる。しかし、燃料噴霧の貫徹力は気体密度のみならず、気筒内の雰囲気温度（気体温度）をも考慮しなければ実情に即さず、実際に気筒の壁面に付着する燃料量を評価することができない。なぜならば、気筒内の容積が大きくなると、気体密度が小さくなるのみならず気体温度も低くなるので、この場合の燃料噴霧の貫徹力はより増加傾向にあり、燃料が気筒の壁面に到達する可能性はより一層増すからである。また、吸気温度が高くなると、気体密度は低くなるのに対して気体温度は上昇するので、この場合の燃料噴霧の貫徹力は燃料の蒸発によって減少傾向になり、燃料が気筒の壁面に到達する可能性は減るからである。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、実情により合致した燃料噴霧の貫徹力を考慮し、噴射毎に異なる最適な圧力を設定することができるディーゼル機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、請求項１記載のディーゼル機関の制御装置は、気筒内にて圧縮された空気に燃料を噴射し、燃料を自発火によって燃焼させるディーゼル機関であって、燃料の噴射時期を圧縮上死点よりも早期に設定して予め空気と燃料とを混合し、気筒内にて圧縮された混合気を自発火によって燃焼させる予混合燃焼制御手段を具備し、この制御手段は、機関の運転状態に応じて燃料を複数段階に分けて噴射させるとともに、気筒内の気体密度及び気体温度に基づいて分けられた各段階の噴射圧力を個々に調整していることを特徴としている。

また、請求項２記載の発明では、予混合燃焼制御手段は、気筒内に向けて噴射された総燃料量及び気筒内にて燃焼された燃料量から気筒内にて付着し得る燃料量を推定し、この推定された燃料量に基づいて各段階の噴射圧力を補正することを特徴としている。
更に、請求項３記載の発明では、予混合燃焼制御手段は、推定された気筒内にて付着し得る燃料量が所定値よりも多い場合には、各段階の噴射圧力を減圧補正していることを特徴としている。

更にまた、請求項４記載の発明では、予混合燃焼制御手段は、気筒内に向けて噴射された早期分の総燃料量と、気筒内の気体密度及び気体温度から求めた１段階あたりに気筒内に向けて噴射される燃料量とに基づいて複数段階に分けられた噴射回数を決定していることを特徴としている。

本発明は、機関の運転状態に応じて燃料の噴射時期を圧縮上死点よりも早期に設定し、且つ、この燃料を複数段階に分けて噴射させる場合には、本来ならば、噴射毎に最適な噴射圧力が存在すべき点に着目したものである。そして、請求項１記載の本発明のディーゼル機関の制御装置によれば、この複数段階に分けられた各噴射圧力をそれぞれ別個に設定している。これにより、各段階の噴射圧力は、総て一律の圧力に設定されてしまうのではなく、噴射毎に異なる圧力に設定可能となる。

しかも、各段階の噴射圧力は、気筒内の気体密度及び気体温度に基づいて調整されることから、実情により合致した燃料噴霧の貫徹力が考慮されている。この結果、各段階の噴射は、燃料噴霧が気筒の壁面に付着しない範囲内のうちで最も高い最適な圧力にそれぞれ設定可能となり、オイルダイリューションの抑制や、スモークの低減及び燃焼効率の改善を達成できる。

また、請求項２記載の発明によれば、気筒内に向けて噴射された総燃料量と気筒内にて燃焼された燃料量とから気筒内にて付着し得る燃料量が推定され、リアルタイムで各段階の噴射圧力に反映されているので、より一層最適な圧力に設定可能となる。
更に、請求項３記載の発明によれば、各段階の噴射圧力は、この気筒内にて付着し得る燃料量が予め定められた値を下回るように減圧されていることから、気筒の壁面に付着し得る燃料量を可及的速やかに減らすことができる。

更にまた、請求項４記載の発明によれば、複数段階に分けられた噴射回数もまた、実情により合致した燃料噴霧の貫徹力を考慮して決定されている。よって、最適な回数に設定可能となる。

以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図１は、コモンレール式燃料噴射装置の全体構成図である。当該燃料噴射装置に本発明のディーゼル機関の制御装置が適用されている。
当該ディーゼル機関（以下、単にエンジンという）を備えた車両には燃料タンク２が設置されており、この燃料タンク２はタンク燃料路４を介してフィードポンプ６に接続され、フィードポンプ６はサプライポンプ８に接続されている。このサプライポンプ８には電磁式の燃料供給量調整弁１８が備えられ、また、サプライポンプ８は逆止弁１０を備えた一対のサプライ燃料路１２を介してコモンレール１４に接続されている。なお、フィードポンプ６及びサプライポンプ８は一体化され、駆動軸１６を介してエンジンによって駆動される。

燃料タンク２内の燃料はフィードポンプ６により汲み上げられてサプライポンプ８に供給され、サプライポンプ８で更に加圧されてコモンレール１４に供給される。サプライポンプ８への燃料吸入量は燃料供給量調整弁１８の開度に応じて制限され、これに応じてサプライポンプ８からの燃料吐出量も制御され、コモンレール１４内の燃料圧力が調整されている。

コモンレール１４にはコモンレール燃料路２２を介して燃料噴射弁２０が接続されており、燃料噴射弁２０はエンジンの気筒内に臨ませた姿勢で気筒毎にそれぞれ配設されている。また、この燃料噴射弁２０は、気筒内への燃料噴射を制御する燃料噴射機構２６と、この燃料噴射機構２６に供給される燃料を事前に増圧する増圧機構５４とを備えている。
まず、燃料噴射機構２６は、弁本体２４の先端側から順に噴孔部２８、燃料溜り３０、ばね室３２及び圧力室３４が形成され、これら噴孔部２８から圧力室３４に亘ってニードル弁３６が配設されており、このニードル弁３６はばね室３２内のばね３８の付勢力によって下方向に向けて付勢されている。燃料溜り３０は燃料供給路４０の一端側に接続されており、この燃料供給路４０の他端側はコモンレール燃料路２２に接続され、また、この燃料供給路４０の途中には逆止弁４２が設けられている。そして、コモンレール燃料路２２からの燃料は燃料供給路４０及び燃料溜り３０を経て噴孔部２８に導かれる。

この燃料供給路４０において、逆止弁４２の配設位置よりも下流側の適宜位置にはオリフィス４４を備えた圧力路４６の一端側が接続され、この圧力路４６の他端側は圧力室３４の上部に接続されている。従って、燃料供給路４０の燃料圧は圧力室３４内ではニードル弁３６の上面側にバックプレッシャとして作用する一方、燃料溜り３０内ではニードル弁３６に上方向への圧力が作用している。なお、上記バックプレッシャ及びばね３８の付勢力の合力は燃料溜り３０に作用する燃料圧力を上回っており、この場合のニードル弁３６は下方向に向けて付勢されて噴孔部２８に圧接され、閉弁状態が保持される。

圧力室３４の上部にはオリフィス４８を介して電磁式の噴射制御弁（インジェクタ電磁弁）５０が接続されており、この噴射制御弁５０はリターン路５２を介して燃料タンク２に接続されている。噴射制御弁５０の開弁に伴い、圧力室３４内の燃料はリターン路５２を経て燃料タンク２に回収される。これにより、上記バックプレッシャが急減され、ニードル弁３６は上方向に向けて付勢され、開弁状態に切り換えられる。

次に、増圧機構５４は燃料噴射機構２６の上側に配設され、大径部及び小径部からなるシリンダ５６を備えている。このシリンダ５６内には増圧ピストン５８が上下動可能に配設されており、この増圧ピストン５８もまた大径部及び小径部からなり、シリンダ５６内のばね６２が増圧ピストン５８の大径部の下側を上方向に向けて付勢している。
ここで、燃料供給路４０とシリンダ５６とは３箇所にて接続されている。詳しくは、燃料供給路４０において、逆止弁４２の配設位置よりも上流側部分がシリンダ５６の大径部の上側に接続されるとともに、オリフィス５７を介してシリンダ５６の大径部の下側にも接続されている。よって、燃料供給路４０の燃料圧力は増圧ピストン５８の大径部の下側にバックプレッシャとして作用する。一方、逆止弁４２の配設位置よりも下流側部分は加圧路６４を介してシリンダ５６の小径部の下側に接続されており、増圧ピストン５８の小径部の下側によって区画された部分が加圧室６０として形成されている。なお、上記バックプレッシャ及びばね６２の付勢力の合力は増圧ピストン５８の大径部の上側に作用する燃料圧力を上回っており、この場合の増圧ピストン５８は上方向に向けて付勢されて加圧室６０が最大容積に保持される。

また、シリンダ５６の大径部の下側には電磁式の増圧制御弁（増圧ピストン電磁弁）６６が接続されており、この増圧制御弁６６はリターン路６８を介して燃料タンク２に接続されている。増圧制御弁６６の開弁に伴い、シリンダ５６の大径部の下側の燃料はリターン路６８を経て燃料タンク２に戻される。これにより、上記バックプレッシャが急減され、増圧ピストン５８は下方向に向けて付勢されて加圧室６０の容積が縮小される。

一方、車室内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子コントロールユニット）８０が設置されている。ＥＣＵ８０の入力側には、吸気通路内の温度、圧力及び流量をそれぞれ検出する吸気温度センサ７０、吸気圧力センサ７２及び吸気流量センサ７４、並びに排気通路内のＣＯ₂濃度を検出する排気センサ７６、コモンレール１４内の燃料圧力を検出するレール圧センサ７８の他、アクセル操作量を検出するアクセルセンサ、エンジンの回転に同期したクランク角信号を出力するクランク角センサ等のセンサ類が接続されている。これに対し、ＥＣＵ８０の出力側には、燃料供給量調整弁１８、各燃料噴射弁２０の噴射制御弁５０及び増圧制御弁６６等のデバイス類が接続されている。

そして、ＥＣＵ８０はエンジン運転状態に関する各種情報に基づいて、コモンレール圧、燃料噴射量、燃料噴射時期、増圧機構５４による燃料増圧の有無や増圧機構５４の作動時期等の各目標値を設定し、上記デバイス類を駆動制御してエンジン運転状態に対して最適な噴射圧波形で燃料噴射を実行している。
より具体的には、まず、コモンレール圧の燃料をそのまま気筒内に向けて噴射する場合には、増圧制御弁６６を閉弁状態にして噴射制御弁５０を開弁させる。これにより、圧力室３４内の燃料がリターン路５２を介して燃料タンク２側に戻され、ニードル弁３６が上方向に向けて付勢されて噴孔部２８から燃料噴射が開始される。なお、その後、噴射制御弁５０が閉弁されると、燃料タンク２への燃料流通がなくなり、ニードル弁３６が下方向に向けて付勢されて燃料噴射は中止される。

これに対し、増圧機構５４による燃料増圧を実施する場合には、噴射制御弁５０の開閉に対して所定のタイミングで増圧制御弁６６が開閉駆動される。
つまり、図２に実線で示されるように、増圧制御弁６６は噴射制御弁５０の開弁に先行した所定時期に開弁される。この増圧制御弁６６の開弁に伴い、シリンダ５６の大径部の下側の燃料がリターン路６８を介して燃料タンク２側に戻され、増圧ピストン５８は下方向に向けて付勢される。これにより、加圧室６０内の燃料が加圧され、燃料供給路４０において逆止弁４２の配設位置よりも下流側に存在する燃料が元々のコモンレール圧に相当する燃料圧力よりも更に増加される。

次いで、噴射制御弁５０が開弁されると、噴射圧力が噴射初期から急激に立ち上がってコモンレール圧よりも高圧に保持される。なお、その後、噴射制御弁５０及び増圧制御弁６６が相前後して閉弁されると、噴射圧力が急減して燃料噴射は中止される。また、図２の破線や一点鎖線で示されるように、増圧制御弁６６の開弁時期を噴射制御弁５０の開弁時期に接近させるに連れて噴射初期における噴射圧力の立ち上がりが緩やかになり、抑制された噴射圧波形が実現される。

ところで、本実施形態におけるＥＣＵ８０は、エンジンの中負荷域では燃料の噴射時期をディーゼル燃焼（拡散燃焼）に比してより大幅に早め、且つ、複数段階に分けて噴射させる予混合燃焼方式（予混合燃焼領域ＩＩとする）を実施する。この燃焼方式の実施のために、ＥＣＵ８０は予混合燃焼制御部（予混合燃焼制御手段）８２を備えている。また、この予混合燃焼制御部８２は、噴射毎に異なる最適な圧力及び最適な噴射回数を設定すべく、噴射圧力制御部８４及び噴射回数決定部８６を有している。そして、アクセル操作量やエンジン回転速度等に基づいて噴射制御弁５０や増圧制御弁６６の開弁時期等を制御し、常に最適な噴射圧波形に調整する。

図３は、予混合燃焼制御部８２による噴射圧力制御及び噴射回数決定のフローチャートであり、上記の如く構成されたディーゼル機関の制御装置の本発明に係る作用について説明する。
同図のステップＳ３０１では、燃料噴射弁２０による気筒内に向けて噴射された総燃料量（総燃料噴射量Ｑ_ALL）を演算する。ステップＳ３０２ではアクセル操作量（要求負荷）やエンジン回転速度に基づいて上述の予混合燃焼領域ＩＩであるか否かがマップから判別され、ＹＥＳである場合、すなわち、予混合燃焼領域ＩＩであると判定されたときにはステップＳ３０３に進む。このマップは、図４に示されるように、要求負荷が中程度のときには予混合燃焼領域ＩＩが選択され、早期分である燃料を圧縮上死点前、且つ、少なくとも２回以上に分割して噴射する。例えば、前後の２段階に分割される場合には、前段は６０〜８０°ＢＴＤＣに、後段は２０〜４０°ＢＴＤＣにそれぞれ設定され、この後段の燃料量は総燃料噴射量Ｑ_ALLの約５０〜７０％程度に設定される。

一方、図３のステップＳ３０２にて予混合燃焼領域ＩＩではないと判定されたときには一連のルーチンを抜け、拡散燃焼領域或いは予混合燃焼領域Ｉが選択される。詳しくは、図４の如く、要求負荷が低いときには予混合燃焼領域Ｉが選択され、燃料を圧縮上死点よりも早期（例えば、２０〜５０°ＢＴＤＣ）にて分割せずに噴射する。これに対し、要求負荷が高いときには拡散燃焼領域が選択され、燃料を圧縮上死点近傍にて噴射する。

図３のステップＳ３０３では、予混合燃焼領域ＩＩにおける早期分の総燃料量（早期噴射燃料量Ｑ_E）を演算し、ステップＳ３０４ではこの早期分の基準となる噴射時期（基準早期噴射時期θ₀）を演算する。これら早期噴射燃料量Ｑ_E及び基準早期噴射時期θ₀はいずれも総燃料噴射量Ｑ_ALLとエンジン回転速度Ｎｅとのマップから求められる。具体的には、総燃料噴射量Ｑ_ALLが多く、エンジン回転速度Ｎｅが高くなるに連れて、早期噴射燃料量Ｑ_Eは多めに設定され（図５（ａ））、基準早期噴射時期θ₀は早めに設定される（図５（ｂ））。

早期噴射燃料量Ｑ_E及び基準早期噴射時期θ₀が求められると、図３のステップＳ３０５では段階を示す指数ｉを１に設定してステップＳ３０６に進み、ｉ番目に噴射される噴射時期θｉを演算する。この噴射時期θｉは後述する気筒内の雰囲気密度（気体密度ρｉ）及び雰囲気温度（気体温度Ｔｉ）の演算に用いられる。また、このステップＳ３０６では各噴射の間に適切な間隔（例えば、一定期間）を決定し、ステップＳ３０７及びステップＳ３０８に進む。

まず、ステップＳ３０７では、上記ｉ番目に噴射される噴射量Ｑｉを演算する。この噴射量Ｑｉは噴射１回あたりの最大の噴射量であり、図６のように求められる。つまり、同図のステップＳ６０１にて、上記噴射時期θｉから気筒内の気体密度ρｉ及び気体温度Ｔｉを演算し、ステップＳ６０２にて、これら気体密度ρｉ及び気体温度Ｔｉのマップから噴射量Ｑｉを演算する。より具体的には、噴射量Ｑｉは、気筒内の気体温度Ｔｉが高く、気体密度ρｉが高くなるに連れて多めに設定される一方、気体温度Ｔｉは高いものの気体密度ρｉが低くなると、少なめに設定される（図７（ａ））。

また、図３のステップＳ３０８では、噴射圧力制御部８４にて上記ｉ番目に噴射される噴射圧力Ｐｉを演算する。この噴射圧力Ｐｉもまた、上記噴射時期θｉから気筒内の気体密度ρｉ及び気体温度Ｔｉを演算し（ステップＳ６０１）、これら気体密度ρｉ及び気体温度Ｔｉのマップから噴射圧力Ｐｉを演算する（ステップＳ６０２）。そして、この噴射圧力Ｐｉは、気体温度Ｔｉが低く、気体密度ρｉが低くなるに連れて高めに設定され、気体温度Ｔｉが高く、気体密度ρｉが高くなるに連れて高めに設定されるが、気体温度Ｔｉが高いものの気体密度ρｉが低くなると、少なめに設定される（図７（ｂ））。

ところで、噴射時期を示すクランク角θのときの気体密度ρθとすると、この気体密度ρθは次式（１）のように示される。この式（１）のρ_INは吸気の初期密度であり、次式（２）のように求められる。また、式（１）のＶθはクランク角θのときの気筒内の容積であり、次式（３）のように求められる。なお、この式（３）のＬθはクランク角度θのときのピストンの位置(上死点からの距離)であり、次式（４）のように求められる。

ρθ＝ρ_IN×（Ｖ_BDC／Ｖθ）・・・（１）
ρ_IN＝ρ₀×（Ｔ₀／Ｔ_IN）×（Ｐ_IN／Ｐ₀）・・・（２）
Ｖθ＝（Ｂ²×π／４）×Ｌθ＋Ｖ_TDC ・・・（３）
Ｌθ＝Ｌ_C＋（Ｓ_t／２）
−（Ｓ_tcosθ／２＋√（Ｌ_C ²−（Ｓ_tsinθ／２）²））・・・（４）
なお、上式（２）のρ₀は標準状態（温度Ｔ₀、圧力Ｐ₀）における吸気の密度、Ｔ₀及びＰ₀はそれぞれ基準状態の温度及び圧力であり、いずれも吸気の組成によって決定される。また、Ｔ_IN及びＰ_INはそれぞれ初期の吸気の温度及び圧力であり、吸気温度センサ７０及び吸気圧力センサ７２でそれぞれ検出される。また、上式（１）のＶ_BDCはピストンが下死点位置にあるときの気筒内の容積、上式（３）のＢは気筒のボア径、Ｖ_TDCはピストンが上死点位置にあるときの気筒内の容積、上式（４）のＬ_Cはコンロッドの長さ、Ｓ_tはピストンのストローク量であり、これらはいずれもエンジンの仕様で決定される。

次に、クランク角θのときの気体温度Ｔθとすると、次式（５）のように示される。この式（５）のｋは吸気の比熱比であり、吸気の組成や状態によって決定される。
Ｔθ＝Ｔ_IN×（Ｖ_BDC／Ｖθ）^k-1 ・・・（５）
そして、これら気体密度ρｉ及び気体温度Ｔｉは真の燃料噴霧の貫徹力を得るために考慮される。

続いて、図３のステップＳ３０６にてｉ番目に噴射される噴射時期θｉ、ステップＳ３０７にて噴射量Ｑｉ、及びステップＳ３０８にて噴射圧力Ｐｉがそれぞれ演算されると、ステップＳ３０９では、噴射回数決定部８６にて、噴射量Ｑｉの総和が早期噴射燃料量Ｑ_Eよりも多いか否かが判別され、ＹＥＳである場合にはステップＳ３１１に進む。
一方、ステップＳ３０９にて噴射量Ｑｉの総和が早期噴射燃料量Ｑ_Eよりも少ないと判定されたときには、早期分の分割回数を更に増やすことができるので、ステップＳ３１０に進み、指数ｉを１つ増加する。この場合には、ステップＳ３０６にてｉ＋１番目に噴射される噴射時期θｉ＋１、ステップＳ３０７にて噴射量Ｑｉ＋１、及びステップＳ３０８にて噴射圧力Ｐｉ＋１がそれぞれ演算される。そして、ステップＳ３０９にて噴射量Ｑ１＋Ｑ２＋・・・＋Ｑｉ＋Ｑｉ＋１の合計量が早期噴射燃料量Ｑ_Eよりも多いか否かが判別され、ＹＥＳと判定されるまで早期分の分割回数が増やされる。

このように、予混合燃焼領域ＩＩにおける早期分の燃料の噴射圧力は、気筒内の気体密度ρｉ及び気体温度Ｔｉに基づいて個々に調整される。なお、上述のステップＳ３０９では、早期噴射燃料量Ｑ_Eを１回目の噴射量Ｑ１で除することにより分割回数を決定しても良い。この場合、早期の噴射量Ｑｉは総て同じ量（＝Ｑ１）となり、噴射圧力Ｐｉのみ演算される。また、上記ｉが予め決められた数（ｉｍａｘ）を超えても噴射量Ｑｉの総和が早期噴射燃料量Ｑ_Eに達しない場合にはループを抜け、残りの燃料（Ｑ_E−Ｑｉの総和）はメイン噴射（上死点付近の噴射）に回すようにしても良い。これにより、制御の発散が確実に防止される。

次いで、ステップＳ３１１では早期噴射が実行され、ステップＳ３１２では、気筒の壁面に付着し得る燃料量（壁面付着量Ｑ_Wall）を演算する。詳しくは、図８に示されるように、ステップＳ８０１にて、上記総燃料噴射量Ｑ_ALL、吸気流量センサ７４で検出された空気流量ＧＮ、及び排気センサ７６で検出されたＣＯ₂濃度［ＣＯ₂］を読み込み、ステップＳ８０２にて、気筒内にて燃焼された燃料量Ｑ_outをカーボンバランス法によって演算する。

このステップＳ８０２に示された式は、燃料噴射量Ｑ、空気流量ＧＮ及び空気過剰率λの関係式（Ｑ＝ＧＮ／（１４．５×λ））において、この空気過剰率λの代わりにＣＯ₂濃度［ＣＯ₂］からλを演算する式を代入したものである。また、この式の１４．５は量論混合比、０．２１は大気中のＯ₂の体積割合、［ＣＯ₂］は排気中のＣＯ₂の体積割合をそれぞれ意味する。また、この式の１．４８は燃料により決まる定数であり、燃料中のＨ／Ｃ比をαとすれば、１＋（α／４）から求められる。なお、軽油の場合にはα＝１．９２である。

そして、ステップＳ８０３では、総燃料噴射量Ｑ_ALLと燃焼された燃料量Ｑ_outとの差から燃焼に寄与しなかった燃料量として壁面付着量Ｑ_Wallを推定し、図３のステップＳ３１３に進む。
このステップＳ３１３では、上記推定された壁面付着量Ｑ_Wallが付着量の許容値である所定量よりも多いか否かが判別され、ＹＥＳである場合、すなわち、壁面付着量Ｑ_Wallが多いと判定されたときにはステップＳ３１４に進み、噴射圧力制御部８４にて、この推定された壁面付着量Ｑ_Wallに基づいて各段階の噴射圧力を減圧補正した後、一連のルーチンを抜ける。一方、ステップＳ３１３にて壁面付着量Ｑ_Wallが少ないと判定されたときには、そのままの噴射圧力で実施すべく、補正せずに一連のルーチンを抜ける。

以上のように、本発明は、予混合燃焼領域ＩＩ、すなわち、燃料の噴射時期を圧縮上死点よりも早期に設定し、且つ、この燃料を複数段階に分けて噴射させる場合には、本来ならば、噴射毎に最適な噴射圧力が存在すべき点に着目したものである。
そして、上記ディーゼル機関の制御装置によれば、早期分の複数段階に分けられた各噴射圧力をそれぞれ別個に設定していることから、各段階の噴射圧力Ｐｉは、従来のように総て一律の圧力に設定されてしまうのではなく、噴射毎に異なる圧力に設定可能となる。

更に、各段階の噴射圧力Ｐｉは、気筒内の気体密度ρｉ及び気体温度Ｔｉに基づいて調整され、実情により合致した燃料噴霧の貫徹力が考慮されている。この結果、各段階の噴射Ｐｉは、燃料噴霧が気筒の壁面に付着しない範囲内の圧力であって、最も高い最適な圧力にそれぞれ設定可能となる。
より詳しくは、図９を参照すると、予混合燃焼制御部８２による噴射圧力及び回数の決定を行った場合のタイムチャートが示されているが、同図では、噴射回数決定部８６によって早期分の噴射回数が３回に分割され、圧縮上死点よりも早期のクランク角θ₁、θ₂、θ₃の時点にてそれぞれ噴射されている。

ここで、予混合燃焼制御部８２は、気筒内の容積が次第に小さくなると、気体密度ρｉや気体温度Ｔｉが次第に高くなる状態等を考慮し、クランク角θ₁の時点における噴射圧力は、噴射圧力制御部８４によって最も低い圧力Ｐ_Bに設定され、クランク角θ₂の時点、クランク角θ₃の時点へ進むに連れて次第に増圧傾向に設定されており、噴射制御弁５０や増圧制御弁６６の開弁時期等の制御によって図示の噴射が可能となる。

従って、各噴射圧力がそれぞれ別個に設定される結果、壁面付着が防止されてオイルダイリューションの抑制が達成され、また、不完全燃焼にならずにスモークの低減が達成されるし、燃焼効率の改善も達成される。
また、総燃料噴射量Ｑ_ALLと燃焼された燃料量Ｑ_OUTとから壁面付着量Ｑ_Wallが推定されており、噴射圧力制御部８４にてリアルタイムで各段階の噴射圧力Ｐｉに反映されているので、より一層最適な圧力に設定可能となる。更に、各段階の噴射圧力Ｐｉは、壁面付着量Ｑ_Wallが予め定められた値を下回るように減圧されていることから、壁面付着量Ｑ_Wallを可及的速やかに減らすことができる。

更に、早期分の噴射回数もまた、実情により合致した燃料噴霧の貫徹力を考慮して決定されており、最適な回数に設定可能となる。
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では、コモンレール式燃料噴射装置を用いて噴射圧力を基準値Ｐ_Bから増加させる構成が示されているが、本発明は必ずしもこの形態に限定されるものではなく、例えば、他の燃料噴射装置を用い、噴射圧力の基準値を圧縮上死点近傍の圧力とし、早期分の噴射圧力はこの基準値よりも減圧させて図９の如くの波形を形成させても良い。この場合にも上記と同様に、実情により合致した燃料噴霧の貫徹力を考慮し、噴射毎に異なる最適な圧力が設定可能となる。

また、上記実施形態では噴射圧力の補正によって壁面付着量Ｑ_Wallを減らすことが説明されているが、この形態の他、早期噴射燃料量Ｑ_Eや基準早期噴射時期θ₀を補正する、或いは、燃焼噴射弁２０の噴孔径を補正するものであっても良い。更に、上記壁面付着量Ｑ_Wallの演算にあたり、ＣＯ₂濃度［ＣＯ₂］の他、排気中のＨＣやＣＯ等のカーボンを含む成分を検出しても良い。この場合、ＣＯ₂に代えてＨＣやＣＯを検出することで、壁面付着量Ｑ_Wallの推定精度が向上する。

本発明の一実施形態に係るディーゼル機関の制御装置が適用されるコモンレール式燃料噴射装置の全体構成図である。増圧機構の作動時期と噴射圧波形との関係を示す図である。ＥＣＵが実行する噴射圧力制御及び噴射回数決定ルーチンを示すフローチャートである。燃焼方式の切り換えるためのマップを示す図である。早期噴射燃料量や基準早期噴射時期を設定するためのマップを示す図である。ＥＣＵが実行する噴射量や噴射圧力の演算ルーチンを示すフローチャートである。早期分の１回あたりの最大噴射量や噴射圧力を設定するためのマップを示す図である。ＥＣＵが実行する壁面付着量の演算ルーチンを示すフローチャートである。ＥＣＵによる補正後の噴射圧力及び噴射回数の一例を示す図である。

符号の説明

８０ＥＣＵ（電子コントロールユニット）
８２予混合燃焼制御部（予混合燃焼制御手段）
８４噴射圧力制御部
８６噴射回数決定部

Claims

気筒内にて圧縮された空気に燃料を噴射し、該燃料を自発火によって燃焼させるディーゼル機関において、
前記燃料の噴射時期を圧縮上死点よりも早期に設定して予め空気と燃料とを混合し、前記気筒内にて圧縮された混合気を自発火によって燃焼させる予混合燃焼制御手段を備え、
該予混合燃焼制御手段は、機関の運転状態に応じて前記燃料を複数段階に分けて噴射させるとともに、前記気筒内の気体密度及び気体温度に基づいて前記分けられた各段階の噴射圧力を個々に調整していることを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
前記予混合燃焼制御手段は、前記気筒内に向けて噴射された総燃料量及び前記気筒内にて燃焼された燃料量から前記気筒内にて付着し得る燃料量を推定し、該推定された燃料量に基づいて前記各段階の噴射圧力を補正することを特徴とする請求項１に記載のディーゼル機関の制御装置。
前記予混合燃焼制御手段は、前記推定された前記気筒内にて付着し得る燃料量が所定値よりも多い場合には、前記各段階の噴射圧力を減圧補正していることを特徴とする請求項２に記載のディーゼル機関の制御装置。
前記予混合燃焼制御手段は、前記気筒内に向けて噴射された早期分の総燃料量と、前記気筒内の気体密度及び気体温度から求めた１段階あたりに前記気筒内に向けて噴射される燃料量とに基づいて前記複数段階に分けられた噴射回数を決定していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のディーゼル機関の制御装置。