JP2008038601A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関し、燃料を噴射する噴孔を小噴孔から大噴孔へ切り替えた際に、燃焼騒音を増大させることなく、スモークの増加を抑制することを目的とする。
【解決手段】比較的低速側の運転領域を小噴孔使用域とし、比較的高速側の運転領域を大噴孔使用域とする。大噴孔使用域のうち、少なくとも小噴孔使用域との境界に近い所定の範囲においては、スワール比が小噴孔使用域のスワール比より高くなるように、スワール比をアップする。小噴孔から大噴孔へ切り替えたとき、噴霧の粒径が大きくなるが、スワール比のアップが同時に実施されるので、スモークの生成を有効に抑制することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

実開平５−３６０６８号公報には、一つの気筒の燃焼室に、互いに噴孔径の異なる第１噴射ノズルおよび第２噴射ノズルを設け、低負荷側の運転域では噴孔径が小さい方のノズルから燃料を噴射し、高負荷側の運転域では噴孔径が大きい方のノズルから燃料を噴射するようにしたディーゼル機関の燃料噴射装置が開示されている。

一般に、噴孔径が小さいほど、噴霧を微粒化することができるので、空気と燃料との混合を促進することができる。一方、噴孔径が大きいほど、燃料を短時間に噴射することができるとともに、噴射された燃料の貫徹力を強くすることができる。上記公報に開示されたような、噴孔径が小さいノズルと大きいノズルとを切り替えて使用可能なディーゼル機関においては、運転状態に応じて、小噴孔および大噴孔のうち、有利な方を選択して使用することができる。

実開平５−３６０６８号公報 特開平５−２９６１２４号公報

しかしながら、上記のようなディーゼル機関においては、小噴孔から大噴孔へ切り替えた際には、噴霧の微粒化が悪くなる（粒径が大きくなる）。このため、小噴孔から大噴孔へ切り替えたときに、スモークが増加し易いという問題がある。レール圧（燃料噴射圧力）をアップすれば、そのときのスモークの増加を抑制することはできるが、レール圧をアップすると燃焼騒音が増大するので、レール圧はアップしたくないという事情がある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料を噴射する噴孔を小噴孔から大噴孔へ切り替えた際に、燃焼騒音を増大させることなく、スモークの増加を有効に抑制することのできる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の燃料噴射制御装置であって、
大噴孔と、前記大噴孔より開口面積が小さい小噴孔とを有し、前記大噴孔と前記小噴孔との何れか一方から内燃機関の筒内に燃料を噴射可能な燃料噴射手段と、
前記内燃機関の運転領域を比較的低速側の小噴孔使用域とそれより高速側の大噴孔使用域とに分けて、前記小噴孔使用域では前記小噴孔から燃料が噴射され、前記大噴孔使用域では前記大噴孔から燃料が噴射されるように、前記燃料噴射手段を制御する噴孔切替手段と、
スワール比を可変とするスワール比可変手段と、
前記大噴孔使用域のうち、少なくとも前記小噴孔使用域との境界に近い所定の範囲においては、スワール比が前記小噴孔使用域のスワール比より高くなるように前記スワール比可変手段を制御するスワール制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記小噴孔の数が前記大噴孔の数がより多いことを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記小噴孔使用域と前記大噴孔使用域との境界より高速側の所定の範囲においては、燃料噴射圧力が、前記小噴孔から前記大噴孔に切り替わる直前の燃料噴射圧力以下となるように制御し、それ以外の範囲においては、機関回転速度が高くなるほど燃料噴射圧力が高くなるように制御する噴射圧制御手段を更に備えることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
１サイクル中に、メイン噴射に先立ってパイロット噴射を１回または複数回実施可能なパイロット噴射手段と、
前記内燃機関の運転領域を比較的低速側の第１領域とそれより高速側の第２領域とに分けて、前記第２領域でのパイロット噴射の回数を前記第１領域でのパイロット噴射の回数より少なくするパイロット噴射回数切替手段と、
機関負荷の増大を伴って機関回転速度が上昇する場合には、パイロット噴射の回数を切り替える境界の機関回転速度を、定常状態のときと比べて高速側にシフトするシフト手段と、
を更に備えることを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記スワール比可変手段は、吸気弁のバルブタイミングを変化させることでスワール比を変化させるものであることを特徴とする。

また、第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、
前記内燃機関は、ディーゼル機関であることを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料を噴射する噴孔を大噴孔と小噴孔とに切り替え可能な内燃機関において、比較的低速側の運転領域を小噴孔使用域とし、それより高速側の運転領域を大噴孔使用域とすることができる。そして、大噴孔使用域のうち、少なくとも小噴孔使用域との境界に近い所定の範囲においては、スワール比が小噴孔使用域のスワール比より高くなるように、スワール比を変化させることができる。これにより、小噴孔から大噴孔への切り替えが実施された場合には、スワール比をアップすることができる。このため、大噴孔へ切り替えによって噴霧の粒径が大きくなっても、スワール比のアップが同時に実施されるので、スモークの生成を有効に抑制することができる。つまり、小噴孔から大噴孔へ切り替えたときにスモークが排出されることを有効に防止することができる。また、燃料噴射圧力を高くすることなしにスモークを抑制することができるので、燃焼騒音が大きくなるという問題が生ずることもない。

第２の発明によれば、小噴孔の数が大噴孔の数がより多くなっているので、小噴孔使用域であっても、必要に応じて十分な量の燃料を噴射することができる。

第３の発明によれば、小噴孔使用域と大噴孔使用域との境界より高速側の所定の範囲においては、燃料噴射圧力が、小噴孔から大噴孔に切り替わる直前の燃料噴射圧力以下となるように制御し、それ以外の範囲においては、機関回転速度が高くなるほど燃料噴射圧力が高くなるように制御することができる。このため、第３の発明によれば、小噴孔から大噴孔へ切り替わった後、燃料噴射圧力を比較的低く抑えることができる。よって、燃焼騒音が大きくなり易い大噴孔への切り替えが実施されたときに、燃焼騒音が増加することをより確実に防止することができる。なお、本発明では、小噴孔から大噴孔へ切り替わった後には、スワール比のアップが実施されているので、燃料噴射圧力を比較的低く抑えても、スモークが増加することはない。

第４の発明によれば、比較的高速側の領域でのパイロット噴射の回数をそれより低速側の領域でのパイロット噴射の回数より少なくする内燃機関において、機関負荷の増大を伴って機関回転速度が上昇する場合には、パイロット噴射の回数を切り替える境界の機関回転速度を、定常状態のときと比べて高速側にシフトすることができる。パイロット噴射の回数が少なくなる方向に噴射パターンを切り替えると、燃焼騒音が増大するが、その切り替わる機関回転速度を高速側にシフトすると、燃焼騒音の増加を運転者が感じにくくすることができる。これは、機関回転速度が高速であるほど、機械騒音や、車両の風切り音、ロードノイズなどの他の騒音が大きく、燃焼騒音が相対的に小さくなるからである。よって、第４の発明によれば、パイロット噴射の回数が少なくなる方向に噴射パターンを切り替える際に、運転者が燃焼騒音の増加を感ずることを確実に抑制することができる。

第５の発明によれば、吸気弁のバルブタイミングを変化させることでスワール比を変化させるものであることができる。このため、スワール比を、高い自由度で、かつ精度良く変化させることができる。

第６の発明によれば、ディーゼル機関において、上記効果を得ることができる。

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、４サイクルのディーゼル機関１０を備えている。ディーゼル機関１０は、車両に搭載され、その動力源とされているものとする。本実施形態のディーゼル機関１０は、直列４気筒型であるが、本発明におけるディーゼル機関の気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。

ディーゼル機関１０の各気筒には、燃料を筒内に直接噴射するインジェクタ１２が設置されている。各気筒のインジェクタ１２は、共通のコモンレール１４に接続されている。コモンレール１４内には、サプライポンプ１６によって加圧された高圧の燃料が貯留されている。そして、コモンレール１４内から、各インジェクタ１２へ、燃料が供給される。本実施形態のディーゼル機関１０では、コモンレール１４内の燃料の圧力（以下、「レール圧」と称する）が、インジェクタ１２からの燃料噴射圧力に相当する。

インジェクタ１２は、１サイクル中に複数回、任意のタイミングで燃料を筒内に噴射可能になっている。すなわち、本実施形態のディーゼル機関１０では、１サイクル中に、主たる燃料噴射であるメイン噴射に先立って、パイロット噴射を１回または２回実施可能になっている。また、メイン噴射の直後に行われるアフター噴射や、より後のタイミングで行われる、出力に寄与しないポスト噴射などを更に実施可能になっていてもよい。

ディーゼル機関１０の排気通路１８は、排気マニホールド２０により枝分かれして、各気筒の排気ポート２２（図２参照）に接続されている。本実施形態のディーゼル機関１０は、ターボ過給機２４を備えている。排気通路１８は、ターボ過給機２４の排気タービンに接続されている。

排気通路１８の、ターボ過給機２４より下流側には、排気ガスを浄化する排気浄化装置２６が設けられている。排気浄化装置２６としては、例えば、酸化触媒、吸蔵還元型または選択還元型のＮＯｘ触媒、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、ＤＰＮＲ（Diesel Particulate-NOx-Reduction system）のうちの一つ、またはこれらの組み合わせなどを用いることができる。

ディーゼル機関１０の吸気通路２８の入口付近には、エアクリーナ３０が設けられている。エアクリーナ３０を通って吸入された空気は、ターボ過給機２４の吸気圧縮機で圧縮された後、インタークーラ３２で冷却される。インタークーラ３２を通過した吸入空気は、吸気マニホールド３４により、各気筒の吸気ポート３５（図２参照）に分配される。

吸気通路２８の、インタークーラ３２と吸気マニホールド３４との間には、吸気絞り弁３６が設置されている。また、吸気通路２８の、エアクリーナ３０の下流近傍には、吸入空気量を検出するエアフローメータ３８が設置されている。

吸気通路２８の吸気マニホールド３４の近傍には、外部ＥＧＲ通路４０の一端が接続されている。外部ＥＧＲ通路４０の他端は、排気通路１８の排気マニホールド２０近傍に接続されている。本システムでは、この外部ＥＧＲ通路４０を通して、排気ガス（既燃ガス）の一部を吸気通路２８に還流させること、つまり外部ＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)を行うことができる。

外部ＥＧＲ通路４０の途中には、外部ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４２が設けられている。外部ＥＧＲ通路４０におけるＥＧＲクーラ４２の下流には、ＥＧＲ弁４４が設けられている。このＥＧＲ弁４４の開度を変えることにより、外部ＥＧＲ通路４０を通る排気ガス量、すなわち外部ＥＧＲ量を調整することができる。

また、本システムにおいて、外部ＥＧＲ量は、ＥＧＲ弁４４の開度だけでなく、吸気絞り弁３６の開度によっても調整することができる。吸気絞り弁３６の開度を小さくして吸気を絞ると、吸気圧が小さくなるので、背圧（排気圧）との差圧が大きくなる。つまり、外部ＥＧＲ通路４０の前後の差圧が大きくなる。このため、外部ＥＧＲ量を多くすることができる。

そして、本実施形態のシステムは、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ４８と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０とを更に備えている。ＥＣＵ５０には、上述した各種のセンサおよびアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、各センサの出力に基づき、所定のプログラムに従って各アクチュエータを作動させることにより、ディーゼル機関１０の運転状態を制御する。

図２は、図１に示すシステムにおけるディーゼル機関１０の一つの気筒の断面を示す図である。以下、ディーゼル機関１０について更に説明する。図２に示すように、ディーゼル機関１０のクランク軸６０の近傍には、クランク軸６０の回転角度を検出するクランク角センサ６２が取り付けられている。このクランク角センサ６２は、ＥＣＵ５０に接続されている。クランク角センサ６２によれば、機関回転速度を検出することができる。

また、ディーゼル機関１０には、吸気弁５２のバルブタイミング（開閉時期）を連続的に可変とする吸気可変動弁機構５４と、排気弁５６のバルブタイミングを連続的に可変とする排気可変動弁機構５８とが備えられている。吸気可変動弁機構５４および排気可変動弁機構５８は、それぞれ、ＥＣＵ５０に接続されている。

吸気可変動弁機構５４および排気可変動弁機構５８の具体的な構造は、特に限定されず、カム機構などの機械的な機構を利用するものであっても、任意の時期に開閉可能な電磁駆動弁あるいは油圧駆動弁などを利用するものであってもよい。

なお、本実施形態では、排気可変動弁機構５８は、なくてもよい。すなわち、排気弁５６のバルブタイミングは、固定されていてもよい。

（可変噴孔インジェクタ）
図３は、ディーゼル機関１０が備えるインジェクタ１２のノズル先端部を示す断面図である。以下に説明するように、本実施形態では、インジェクタ１２は、開口面積の異なる２種の噴孔を備えた可変噴孔インジェクタで構成されている。図面の枚数を節約するための便宜上、図３では、大噴孔７２から燃料を噴射しているときの状態を中心線の右側に表し、小噴孔７４から燃料を噴射しているときの状態を中心線の左側に表している。

図３に示すように、インジェクタ１２のノズルボディー７０の先端付近には、複数の大噴孔７２が形成されている。更に、ノズルボディー７０の、大噴孔７２より基端側の部位には、複数の小噴孔７４が形成されている。小噴孔７４の孔径は、大噴孔７２の孔径より小さくなっている。すなわち、小噴孔７４の開口面積は、大噴孔７２の開口面積より小さくなっている。また、小噴孔７４の数は、大噴孔７２の数より多くされていることが好ましい。

ノズルボディー７０の先端部内面には、バルブシートが形成されている。そして、ノズルボディー７０の内部には、アウターニードル７６とインナーニードル７８とが配置されている。アウターニードル７６は、中空（筒状）になっている。このアウターニードル７６の内側に、インナーニードル７８が挿通されている。アウターニードル７６がバルブシートに着座すると、小噴孔７４が封鎖される。インナーニードル７８がバルブシートに着座すると、大噴孔７２が封鎖される。

アウターニードル７６と、インナーニードル７８とは、別々にリフト可能になっている。インナーニードル７８を着座させたままアウターニードル７６をリフトさせると、小噴孔７４が開通する。これにより、燃料溜まり８０に溜まっていた燃料が小噴孔７４を通って噴射される（図３の中心線の左側参照）。一方、アウターニードル７６を着座させたままインナーニードル７８をリフトさせると、大噴孔７２が開通する。これにより、燃料溜まり８２に溜まっていた燃料が大噴孔７２を通って噴射される（図３の中心線の右側参照）。なお、アウターニードル７６がバルブシートに着座している状態であっても、図３中に現れていない通路を通って、燃料溜まり８２へ燃料が供給されるようになっている。

ディーゼル機関１０では、上述したような可変噴孔式のインジェクタ１２を用いることにより、開口面積が比較的大きい大噴孔７２と、開口面積が比較的小さい小噴孔７４との一方を選択して、燃料を噴射することができる。

（可変スワール比）
図４は、ディーゼル機関１０の一つの気筒の模式的な平面図である。同図に示すように、ディーゼル機関１０には、１気筒当たり、ヘリカルポート３５ａとタンジェンシャルポート３５ｂとの二つの吸気ポート３５が設けられている。ヘリカルポート３５ａおよびタンジェンシャルポート３５ｂは、別々の吸気弁５２により開閉される。ヘリカルポート３５ａは、空気を螺旋状に旋回させながら、筒内へ流入させる。つまり、ヘリカルポート３５ａは、スワール比の大きい吸気ポート３５である。一方、タンジェンシャルポート３５ｂは、シリンダボアの接線方向に向けて空気を流入させる。このタンジェンシャルポート３５ｂは、ヘリカルポート３５ａと比べ、スワール比は小さいが、より多くの空気を筒内に流入させることのできる吸気ポート３５である。

吸気可変動弁機構５４は、タンジェンシャルポート３５ｂ側の吸気弁５２をヘリカルポート３５ａ側の吸気弁５２よりも早く閉じる動作（以下、「吸気弁５２の片弁早閉じ」と称する）を行うことができるようになっている。

ヘリカルポート３５ａ側の吸気弁５２とタンジェンシャルポート３５ｂ側の吸気弁５２とが共に開いている状態では、ヘリカルポート３５ａから流入する空気が作る強いスワールが、タンジェンシャルポート３５ｂからの流れによって弱められてしまう。これに対し、タンジェンシャルポート３５ｂ側の吸気弁５２を早く閉じると、その後はヘリカルポート３５ａのみから空気が流入するので、強いスワールを発生させることができる。よって、タンジェンシャルポート３５ｂ側の吸気弁５２の閉じ時期を早くするほど、スワール比を大きくすることができる。ディーゼル機関１０では、吸気可変動弁機構５４により、吸気弁５２の片弁早閉じを行う場合において、タンジェンシャルポート３５ｂ側の吸気弁５２の閉じ時期を連続的に変化させることにより、スワール比を自由に調整することができる。

本実施形態のディーゼル機関１０では、上述した方法以外に、吸気弁５２の開き時期を変化させることによっても、スワール比を変化させることができる。図５は、吸気弁５２のリフト特性を示す図である。図５中の実線は、通常時の吸気弁５２のリフトカーブである。このリフトカーブから分かるように、通常時は、吸気上死点（ＴＤＣ）での吸気弁５２のリフト量は比較的小さい。このため、吸気行程の初期には吸気ポート３５内の流速が比較的遅い。

これに対し、図５中の破線は、吸気弁５２の開き時期を通常時よりも進角させた場合のリフトカーブである。このリフトカーブに示すように、吸気弁５２の開き時期を進角させると、吸気上死点での吸気弁５２のリフト量を比較的大きくすることができる。このため、吸気行程の初期から吸気ポート３５内の流速を比較的速くすることができる。その結果、筒内に強いスワールを形成させることができ、スワール比を高くすることができる。

なお、本実施形態では、上記の何れかの手法によってスワール比を変化させるものとして説明するが、本発明では、スワール比を変化させる手法は上記の手法に限定されるものではない。例えば、吸気ポート３５に設けたスワール制御弁の開度を調整することでスワール比を変化させるようにしてもよい。

［実施の形態１の特徴］
（小噴孔７４から大噴孔７２への切り替えに伴うスワール比の制御）
図６は、ディーゼル機関１０の運転領域を示す図である。図６に示すように、可変噴孔式のインジェクタ１２を備えた本実施形態のシステムでは、比較的低速側の領域（以下、「小噴孔使用域」と称する）では小噴孔７４から燃料を噴射して運転し、比較的高速側の領域（以下、「大噴孔使用域」と称する）では大噴孔７２から燃料を噴射して運転することとしている。

一般に、低速域では、高速域と比べ、空気流動が小さい（遅い）ために空気と燃料とが混合しにくく、スモークが生成し易くなる。これに対し、本実施形態では、低速域で小噴孔７４から燃料を噴射するので、燃料の微粒化が促進され、噴霧の粒径を小さくすることができる。よって、低速域でのスモークを少ないレベルに抑えることができる。

一方、高速域では、ターボ過給機２４の回転が上昇し、過給圧が高くなる。このため、圧縮上死点近傍における筒内の空気の密度が大きくなる。このような状況下では、噴孔径が小さいと、噴霧の貫徹力が弱いので、噴霧の到達距離が短くなり易い。噴霧の到達距離が短いと、インジェクタ１２のノズルから遠い位置にある空気を有効に活用しにくくなる。これに対し、本実施形態では、高速域で大噴孔７２から燃料を噴射するので、噴霧の貫徹力を強くすることができ、密度の大きい空気中であっても噴霧を十分に飛ばすことができる。

また、機関回転速度が高速になるほど、１サイクルの時間が短くなるので、短時間のうちに燃料噴射を完了することが要求される。本実施形態では、高速域で大噴孔７２から燃料を噴射するので、短時間に燃料噴射を完了することができ、熱効率を改善することができる。

なお、図６に示す例では、小噴孔使用域と大噴孔使用域との境界９０の機関回転速度が機関負荷（燃料噴射量）にかかわらず一定となっているが、この境界９０の機関回転速度は、機関負荷に応じて変化するようになっていてもよい。すなわち、図６中で、境界９０は、横軸に対し垂直になっていなくてもよい。

ところで、高速域では、空気流動が大きい（速い）ため、低速域よりは空気と燃料とが混合し易い。このため、噴霧の微粒化状態（粒径）が同じであれば、低速域よりもスモークは生成しにくい。しかしながら、本実施形態の場合、ディーゼル機関１０の運転状態が小噴孔使用域から大噴孔使用域へ移行した際には、小噴孔７４から大噴孔７２への切り替えが実施されるので、噴霧の微粒化が悪くなる（粒径が大きくなる）。このため、小噴孔使用域から大噴孔使用域へ移行したとき、スモークが増加するおそれがある。

このスモークの増加を回避する方法としては、燃料噴射圧力を高くすることも考えられる。燃料噴射圧力を高くすれば、噴霧をより微粒化することができるので、スモークの増加を回避することができる。しかしながら、燃料噴射圧力を高くすると、燃焼騒音が大きくなる。このため、燃料噴射圧力は高くしたくないという事情がある。

本実施形態のディーゼル機関１０は、前述したように、スワール比を変化させることが可能である。小噴孔使用域から大噴孔使用域へ移行したときのスモークの増加を回避するための他の方法として、スワール比をアップする方法が考えられる。スワール比をアップすれば、空気と燃料との混合を促進することができるので、スモークの生成を有効に抑制することができる。また、スワール比をアップしても、燃焼騒音が大きくなるなどの弊害が生ずることもない。

そこで、本実施形態では、小噴孔７４から大噴孔７２へ切り替える際には、スワール比をアップする制御を併せて実施することとした。具体的には、大噴孔使用域のうち、図６中でハッチングを付した領域（以下、「スワールアップ領域」と称する）では、スワール比が小噴孔使用域のスワール比より大きくなるように、吸気可変動弁機構５４を制御することとした。

なお、大噴孔使用域のうち、図６中にＡで示す高速高負荷の領域はスワールアップ領域とされていない。すなわち、この領域Ａでは、スワール比のアップは実施されず、基本のスワール比となるように制御されるものとする。これにより、特に多量の空気を必要とする高速高負荷の領域Ａにおいて、筒内の空気量を十分に確保することができる。

一般に、機関回転速度が高速になるほど、空気流動が大きくなり、空気と燃料との混合が促進されるので、スモークは生成しにくくなる。このため、上記領域Ａにおいては、スワール比のアップを実施しなくても、スモークが増加するおそれはない。

ところで、スワール比可変機構を備えた従来のディーゼル機関では、空気流動の小さい低速域において、空気と燃料との混合を助けるために、スワール比をアップさせることが普通である。本実施形態では、これとは逆に、低速域（小噴孔使用域）よりも高速域（大噴孔使用域）のスワール比が高くなるように制御している。このように、小噴孔７４と大噴孔７２とを切り替えるディーゼル機関１０においては、低速域と高速域とのスワール比の関係を従来と逆にすることにより、エミッション性能等の最適化を図ることができる。

（小噴孔７４から大噴孔７２への切り替えに伴う燃料噴射圧力の制御）
小噴孔７４から大噴孔７２へ切り替わると、噴射率（時間当たりの噴射量）が大きくなるため、着火遅れ期間中に筒内に溜まる燃料量（可燃混合気量）も多くなる。よって、自己着火が生じたとき、その多量の燃料が一気に燃焼して筒内圧が急上昇する。燃焼騒音は、筒内圧が急上昇する場合ほど、大きくなり易い。このため、小噴孔７４から大噴孔７２へ切り替わった際には、燃焼騒音が大きくなり易い。

そこで、本実施形態では、小噴孔７４から大噴孔７２へ切り替わった後の燃料噴射圧力を抑制することにより、燃焼騒音の増大を抑えることとした。以下、図７を参照して、より具体的に説明する。

図７は、図６中のラインＢ上におけるレール圧（燃料噴射圧力）を示す図である。ディーゼル機関１０では、通常、機関回転速度が高くなるほど、レール圧が高くなるように制御される。これは、機関回転速度が高いほど、燃料噴射を短時間に完了する必要があるからである。よって、図７中の点Ｃにおいて小噴孔７４から大噴孔７２への切り替えが実施された後は、機関回転速度の上昇に伴い、破線Ｄのようにレール圧が徐々に高くなるように制御することが一般的である。

これに対し、本実施形態では、小噴孔使用域と大噴孔使用域との境界（図７中では点Ｃ）より高速側の所定の範囲（図７中のＥで示す範囲）においては、レール圧が、小噴孔７４から大噴孔７２へ切り替わる直前のレール圧（点Ｃのレール圧）以下となるように制御することとした。すなわち、図７中のＥの範囲のレール圧が、図７中のＦで示すように、点Ｃのレール圧と同じに維持されるか、あるいは、図７中のＧで示すように、点Ｃのレール圧より低くなるように制御することとした。

これにより、小噴孔７４から大噴孔７２へ切り替わった後、燃料噴射圧力が比較的低く抑えられるので、燃焼騒音の増加を有効に抑制することができる。また、前述したように、小噴孔７４から大噴孔７２へ切り替わった後には、スワール比のアップが実施されている。このため、小噴孔７４から大噴孔７２へ切り替わった後に燃料噴射圧力を比較的低く抑えても、スモークが増加することを回避することができる。

なお、運転者にとって、燃焼騒音は、機関回転速度が高くなるほど、聞こえにくくなる。これは、機関回転速度が高いほど、ディーゼル機関１０の機械騒音や、車両の風切り音、ロードノイズなどの他の騒音が大きくなるので、燃焼騒音が相対的に小さくなるからである。よって、図７中のＥの範囲より高速側においては、燃料噴射圧力を通常のように制御しても、燃焼騒音が問題となることはない。

［実施の形態１における具体的処理］
図８は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、所定時間毎に、あるいはクランク角に同期してサイクル毎に、繰り返し実行されるものとする。図８に示すルーチンによれば、まず、現在の機関回転速度、アクセル開度等の情報が読み込まれる（ステップ１００）。

続いて、上記ステップ１００で読み込まれた情報に基づいて、現在の運転状態が、大噴孔使用域内のスワールアップ領域にあるか否かが判別される（ステップ１０２）。ＥＣＵ５０には、図６に相当するマップが予め記憶されており、このステップ１０２では、そのマップに基づいて、スワールアップ領域にあるか否かが判別される。

そして、現在の運転状態がスワールアップ領域にあると判別された場合には、スワール比が小噴孔使用域のスワール比よりも高くなるように、吸気可変動弁機構５４が制御される。具体的には、タンジェンシャルポート３５ｂ側の吸気弁５２の閉じ時期を早くするか、あるいは吸気弁５２の開き時期を早くするように、吸気可変動弁機構５４が制御される。

一方、上記ステップ１０４で、現在の運転状態がスワールアップ領域にないと判別された場合には、今回の処理サイクルがそのまま終了される。

以上説明した図８に示すルーチンの処理によれば、小噴孔７４から大噴孔７２への切り替えが実施された場合には、スワール比をアップすることができる。このため、噴霧の微粒化が悪くなることに起因するスモークの増加を相殺することができ、スモークの排出を有効に抑制することができる。また、燃料噴射圧力を高くすることなしにスモークを抑制することができるので、燃焼騒音が増大することを防止することができる。

更に、本実施形態では、レール圧が、前述した図７に示すようにして制御される。これにより、小噴孔７４から大噴孔７２へ切り替わった後の燃料噴射圧力を比較的低く抑えることができるので、燃焼騒音の増大をより確実に防止することができる。

なお、図７では、図６中のラインＢ上のレール圧のみを示しているが、燃料噴射量がラインＢと異なるときも、同様にしてレール圧が制御されるものとする。この場合、通常、燃料噴射量が多くなるほど、すなわち機関負荷が大きくなるほど、レール圧が高くなるように制御される。

また、本発明では、ワールアップ領域は、図６に示すような範囲でなくてもよい。例えば、スワールアップ領域は、図９中でハッチングを付して示す範囲に設定されていてもよい。つまり、本発明では、大噴孔使用域のうち、小噴孔使用域との境界に近い所定の範囲にスワールアップ領域が設定されていればよい。逆に、大噴孔使用域のすべてがスワールアップ領域に設定されていてもよい。

また、本発明では、可変噴孔式のインジェクタの具体的な構造は、前述した図３に示す構造に限定されるものではなく、大噴孔と小噴孔とを切り替えて使用することができるものであれば、いかなる構造であっても良い。更に、本発明では、大噴孔のインジェクタと小噴孔のインジェクタとが別々になっていてもよい。すなわち、一気筒当たりに、噴孔径の異なる二つのインジェクタが設置された構造であってもよい。

また、上述した実施の形態１では、ディーゼル機関を対象とする制御について説明したが、本発明は、火花点火内燃機関（特に、直噴ガソリン機関）などの他種の内燃機関を対象とする制御に適用することも可能である。

また、上述した実施の形態１では、小噴孔７４から大噴孔７２へ切り替わった際にスワール比をアップする制御を定常運転状態であるか過渡運転状態（加速状態）であるかにかかわらず実施するものとして説明したが、本発明では、上記制御を過渡運転状態でのみ実施することにしてもよい。すなわち、機関負荷の増大を伴う加速時に、機関回転速度の上昇に従って小噴孔使用域から大噴孔使用域へ移行した際に、一時的に（例えば数秒間）スワール比をアップし、その後、スワール比を元の値に戻すようにしてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、インジェクタ１２が前記第１の発明における「燃料噴射手段」に、吸気可変動弁機構５４が前記第１の発明における「スワール比可変手段」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、図６に示すマップに従って大噴孔７２と小噴孔７４との切り替えを実施することにより前記第１の発明における「噴孔切替手段」が、図８に示すルーチンの処理を実行することにより前記第１の発明における「スワール制御手段」が、図７に示すようなマップに従ってレール圧を制御することにより前記第３の発明における「噴射圧制御手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
次に、図１０乃至図１２を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。本実施形態のシステムは、図１および図２に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ５０に、後述する図１２に示すルーチンを追加的に実行させることにより実現することができる。

［実施の形態２の特徴］
（パイロット噴射回数の切り替え）
図１０は、本実施形態のディーゼル機関１０において実施されるパイロット噴射を説明するための図である。ディーゼル機関１０では、メイン噴射の前に、１回または２回のパイロット噴射を実施することができる。図１０中の上側は、パイロット噴射を２回実施する場合（以下、「マルチパイロット噴射」と言う）のインジェクタ１２への駆動信号を示す図である。この図に示す例では、１回目のパイロット噴射と２回目のパイロット噴射との間は、比較的離れており、２回目のパイロット噴射とメイン噴射との間は比較的近くされている。

これに対し、図１０中の下側は、パイロット噴射を１回実施する場合（以下、「シングルパイロット噴射」と言う）のインジェクタ１２への駆動信号を示す図である。この図に示すように、シングルパイロット噴射の場合には、マルチパイロット噴射における２回目のパイロット噴射が省略されたような噴射パターンとされる。

一般に、ディーゼル機関１０の燃焼騒音は、着火遅れ期間が長いほど、大きくなり易い。着火遅れ期間が長いと、その間に筒内に溜まる可燃混合気の量が多くなるので、着火後にその多量の可燃混合気が一気に燃焼することになる。その結果、筒内圧が急激に上昇するので、燃焼騒音が大きくなる。

燃焼騒音は、パイロット噴射を行うことで、低減することができる。パイロット噴射を行うと、そのパイロット噴射で噴射された少量の燃料が燃焼することで火種が作られ、筒内の温度が高くなったところに、メイン噴射が行われることになる。このため、メイン噴射で噴射された燃料の着火遅れ期間を短くすることができる。よって、燃焼騒音を低減することができる。

そして、マルチパイロット噴射を実施した場合には、シングルパイロット噴射の場合と比べて、着火遅れ期間を更に短くすることができ、筒内圧の上昇をよりなだらかにすることができる。このため、燃焼騒音を更に低減することができる。逆に言えば、シングルパイロット噴射の場合には、マルチパイロット噴射の場合と比べると、燃焼騒音が大きくなる。よって、燃焼騒音を抑える観点からは、すべての運転領域においてマルチパイロット噴射を実施することが好ましい。

しかしながら、インジェクタ１２等の噴射系の制約により、噴射と噴射との時間間隔を短くすることには限界がある。このため、２回目のパイロット噴射とメイン噴射との時間間隔が極めて短くなる高速域では、マルチパイロット噴射を実施することが困難となる。この場合に、２回目のパイロット噴射を敢えて実施したとすると、その噴射によって低下したレール圧が回復し切れないうちにメイン噴射が実施されることになる。その結果、メイン噴射の噴射圧力が低くなり、スモークが増加し易くなる。つまり、高速域では、スモークが制約となって、マルチパイロット噴射が困難となる。

このようなことから、本システムでは、機関回転速度がある速度より高い領域では、マルチパイロット噴射を行わず、シングルパイロット噴射を実施することとしている。図１１は、マルチパイロット噴射が実施される運転領域（以下、「マルチパイロット領域」と称する）と、シングルパイロット噴射が実施される運転領域（以下、「シングルパイロット領域」と称する）とを示す図である。ディーゼル機関１０が定常運転状態にある場合には、図１１中の破線より低速側のマルチパイロット領域ではマルチパイロット噴射が実施され、その破線より高速側のシングルパイロット領域ではシングルパイロット噴射が実施される。

なお、図１１では、マルチパイロット領域とシングルパイロット領域との境界が機関負荷（噴射量）にかかわらず一定の機関回転速度になっているが、両領域の境界とする機関回転速度が機関負荷に応じて変化するようになっていてもよい。

ディーゼル機関１０の運転状態がマルチパイロット領域からシングルパイロット領域へ移行した場合には、マルチパイロット噴射からシングルパイロット噴射への切り替えが実施されるので、燃焼騒音が増加する。特に、レール圧の上昇を伴う加速時には、燃料噴射圧力の上昇に起因する燃焼騒音の増加と、マルチパイロット噴射からシングルパイロット噴射へ切り替えに起因する燃焼騒音の増加とが合わさるので、燃焼騒音の増加が顕著に現れ易い。

そこで、本実施形態では、加速時においては、マルチパイロット噴射からシングルパイロット噴射への噴射パターンの切り替えを実施する機関回転速度を定常時よりも高速側にシフトさせることとした。すなわち、加速時には、図１１中の実線の位置でマルチパイロット噴射からシングルパイロット噴射への切り替えを実施することとした。

マルチパイロット噴射からシングルパイロット噴射へ切り替わる機関回転速度を高速側にシフトすると、燃焼騒音の増加を運転者が感じにくくすることができる。これは、機関回転速度が高速であるほど、ディーゼル機関１０の機械騒音や、車両の風切り音、ロードノイズなどの他の騒音が大きく、燃焼騒音が相対的に小さくなるからである。よって、本実施形態によれば、加速時に、マルチパイロット噴射からシングルパイロット噴射へ切り替わる機関回転速度を高速側にシフトすることにより、運転者が燃焼騒音の増加を感ずることを有効に抑制することができる。

なお、本実施形態では、前述した実施の形態１と同様に、小噴孔７４から大噴孔７２へ切り替わった際にスワール比のアップを実施するようにしている。前述したように、機関回転速度が高いときにマルチパイロット噴射を実施すると、スモークが増加し易くなるが、本実施形態では、スワール比のアップが併せて実施されているので、スモークの増加を抑制することが可能である。このため、本実施形態では、マルチパイロット噴射からシングルパイロット噴射へ切り替わる機関回転速度を高速側にシフトさせたとしても、スモークが増加することはない。

なお、本実施形態では、定常時および加速時の、マルチパイロット噴射からシングルパイロット噴射への切り替わりの機関回転速度（図１１中の破線および実線）は、図６あるいは図９に示すスワールアップ領域内に入っていることが好ましい。

［実施の形態２における具体的処理］
図１２は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図１２に示すルーチンによれば、まず、現在の機関回転速度が低速域にあるか否かが判別される（ステップ１０６）。具体的には、機関回転速度が図１１中の破線以下であるか否かが判別される。

機関回転速度が低速域にあると判別された場合には、次に、加速状態にあるか否かが判別される（ステップ１０８）。すなわち、アクセル開度が検出され、アクセルペダルが踏み増しされている場合には、加速状態にあると判別される。そして、加速状態にあると判別された場合には、マルチパイロット噴射からシングルパイロット噴射への噴射パターンの切り替えを実施する機関回転数が、図１１中の破線の位置から実線の位置へと高速側にシフトされる（ステップ１１０）。

上記ステップ１１０の処理が実施された場合には、機関回転速度が図１１中の実線の位置まで上昇したときに、マルチパイロット噴射からシングルパイロット噴射への切り替えが実施される。

なお、上記ステップ１０６で機関回転速度が低速域にないと判別された場合、あるいは上記ステップ１０８で加速状態にないと判別された場合には、本ルーチンの制御を行う必要がないと判断できるので、今回の処理サイクルがそのまま終了される。

以上説明した図１２に示すルーチンの処理によれば、燃焼騒音が大きくなり易い加速時には、マルチパイロット噴射からシングルパイロット噴射への切り替えを実施する機関回転速度を高速側にシフトすることができるので、運転者が燃焼騒音の増加を感ずることを有効に抑制することができる。また、前述した図８に示すルーチンのステップ１０４の処理によってスワール比がアップされているので、マルチパイロット噴射からシングルパイロット噴射へ切り替える機関回転速度を高速側にシフトしたとしても、スモークが増加することもない。

上述した実施の形態２では、ＥＣＵ５０が、図１１に示すマップに従ってマルチパイロット噴射とシングルパイロット噴射との切り替えを実施することにより前記第４の発明における「パイロット噴射回数切替手段」が、図１２に示すルーチンの処理を実行することにより前記第４の発明における「シフト手段」が、それぞれ実現されている。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 図１に示すシステムにおけるディーゼル機関の一つの気筒の断面を示す図である。 図１に示すシステムにおけるディーゼル機関が備えるインジェクタのノズル先端部を示す断面図である。 図１に示すシステムにおけるディーゼル機関の一つの気筒の模式的な平面図である。 吸気弁のリフト特性を示す図である。 図１に示すシステムにおけるディーゼル機関の運転領域を示す図である。 図６中のラインＢ上におけるレール圧（燃料噴射圧力）を示す図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 図１に示すシステムにおけるディーゼル機関の運転領域を示す図である。 本発明の実施の形態２において実施されるパイロット噴射を説明するための図である。 マルチパイロット領域と、シングルパイロット領域とを示す図である。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ ディーゼル機関
１２ インジェクタ
１４ コモンレール
１８ 排気通路
２０ 排気マニホールド
２２ 排気ポート
２４ ターボ過給機
２６ 排気浄化装置
２８ 吸気通路
３４ 吸気マニホールド
３５ 吸気ポート
３６ 吸気絞り弁
３８ エアフローメータ
４０ 外部ＥＧＲ通路
４４ ＥＧＲ弁
４８ アクセル開度センサ
５０ ＥＣＵ
５２ 吸気弁
５４ 吸気可変動弁機構
５６ 排気弁
５８ 排気可変動弁機構
６２ クランク角センサ
６４ ピストン
７０ ノズルボディー
７２ 大噴孔
７４ 小噴孔
７６ アウターニードル
７８ インナーニードル
８０，８２ 燃料溜まり
９０ 境界

Claims (6)

1. 大噴孔と、前記大噴孔より開口面積が小さい小噴孔とを有し、前記大噴孔と前記小噴孔との何れか一方から内燃機関の筒内に燃料を噴射可能な燃料噴射手段と、
   前記内燃機関の運転領域を比較的低速側の小噴孔使用域とそれより高速側の大噴孔使用域とに分けて、前記小噴孔使用域では前記小噴孔から燃料が噴射され、前記大噴孔使用域では前記大噴孔から燃料が噴射されるように、前記燃料噴射手段を制御する噴孔切替手段と、
   スワール比を可変とするスワール比可変手段と、
   前記大噴孔使用域のうち、少なくとも前記小噴孔使用域との境界に近い所定の範囲においては、スワール比が前記小噴孔使用域のスワール比より高くなるように前記スワール比可変手段を制御するスワール制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 前記小噴孔の数が前記大噴孔の数がより多いことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 前記小噴孔使用域と前記大噴孔使用域との境界より高速側の所定の範囲においては、燃料噴射圧力が、前記小噴孔から前記大噴孔に切り替わる直前の燃料噴射圧力以下となるように制御し、それ以外の範囲においては、機関回転速度が高くなるほど燃料噴射圧力が高くなるように制御する噴射圧制御手段を更に備えることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. １サイクル中に、メイン噴射に先立ってパイロット噴射を１回または複数回実施可能なパイロット噴射手段と、
   前記内燃機関の運転領域を比較的低速側の第１領域とそれより高速側の第２領域とに分けて、前記第２領域でのパイロット噴射の回数を前記第１領域でのパイロット噴射の回数より少なくするパイロット噴射回数切替手段と、
   機関負荷の増大を伴って機関回転速度が上昇する場合には、パイロット噴射の回数を切り替える境界の機関回転速度を、定常状態のときと比べて高速側にシフトするシフト手段と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
5. 前記スワール比可変手段は、吸気弁のバルブタイミングを変化させることでスワール比を変化させるものであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
6. 前記内燃機関は、ディーゼル機関であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。

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