JP2010180761A - 燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パイロット噴射による火炎または燃焼ガスに主噴霧が重なることを抑制できる燃料噴射制御装置を提供すること。
【解決手段】気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射装置を有し、かつ、スワール流が生成される内燃機関の燃料噴射を制御する燃料噴射制御装置であって、燃料噴射装置は、主噴射とパイロット噴射を実行可能で、かつ、気筒の軸方向視において、スワール流の径方向外方に向けて燃料を噴射し、パイロット噴射の終了時期と主噴射の開始時期との間隔の指令値Ｔを設定する設定手段と、検出または推定されたスワール流の速度ｖ_ｓｗと指令値とに基づいて、パイロット噴霧に主噴霧が重なるか否かを判定する判定手段とを備え、設定手段は、判定手段により、指令値として予め定められた所定値に基づいてパイロット噴霧に主噴霧が重なると判定された場合（Ｓ１３−Ｙ）、パイロット噴霧に主噴霧が重なることを抑制する値に指令値を再設定する（Ｓ１５）。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料噴射制御装置に関し、特に、気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射装置による燃料噴射を制御する燃料噴射制御装置に関する。

従来、気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射装置を備え、主噴射と、主噴射よりも前に燃料を噴射するパイロット噴射とを行う内燃機関が知られている。パイロット噴射は、例えば、主噴射により噴射される燃料の燃焼を緩やかに開始させる目的で実行される。パイロット噴射により、気筒内で燃料を予混合燃焼させることで、スモークやすす等のＰＭや燃焼騒音の低減が可能となる。

パイロット噴射による火炎または燃焼ガスは、気筒内を移動する。例えば、気筒内にスワール流が生成される内燃機関では、スワール流に乗って火炎または燃焼ガスが移動していく。ここで、主噴射がなされる際に、パイロット噴射による火炎または燃焼ガスに主噴射の燃料噴霧が重なってしまうと、酸素不足によりスモークの発生量が増加してしまう虞がある。

特許文献１には、主噴射の燃料噴霧が、燃焼室内に残留しているパイロット噴射の火炎もしくは燃焼ガスと重ならないように、パイロット噴射の噴射時期をずらすように制御する技術が開示されている。

特開平１１−８２１３９号公報

主噴射の燃料噴霧がパイロット噴射の火炎または燃焼ガスと重なることを抑制することについて、従来十分な検討がなされていない。例えば、パイロット噴射の噴射時期と、主噴射がなされるときのパイロット噴射による火炎の位置との関係について、従来十分な検討がなされていない。

本発明の目的は、気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射装置を備え、主噴射とパイロット噴射とを行う内燃機関において、パイロット噴射による火炎または燃焼ガスに主噴射の燃料噴霧が重なることを抑制できる燃料噴射制御装置を提供することである。

本発明の燃料噴射制御装置は、気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射装置を有し、かつ、前記気筒内にスワール流が生成される内燃機関において、前記燃料噴射装置による燃料噴射を制御する燃料噴射制御装置であって、前記燃料噴射装置は、主噴射と、前記主噴射よりも前に燃料を噴射するパイロット噴射を実行可能であり、かつ、前記気筒の軸方向視において、前記スワール流の径方向外方に向けて燃料を噴射し、前記スワール流の速度を検出または推定する速度検出推定手段と、前記パイロット噴射の終了時期と前記主噴射の開始時期との間隔の指令値を設定する設定手段と、検出または推定された前記スワール流の速度と、前記指令値とに基づいて、前記パイロット噴射により生成される燃料噴霧であるパイロット噴霧に、前記主噴射により生成される燃料噴霧である主噴霧が重なるか否かを判定する判定手段とを備え、前記設定手段は、前記判定手段により、前記指令値として予め定められた所定値に基づいて前記パイロット噴霧に前記主噴霧が重なると判定された場合、前記所定値に代えて、前記パイロット噴霧に前記主噴霧が重なることを抑制する値に前記指令値を再設定することを特徴とする。

本発明の燃焼噴射制御装置において、前記判定手段は、検出または推定された前記スワール流の速度と、前記指令値とに基づいて、前記主噴射の開始時期における前記パイロット噴霧の位置を推定する噴霧位置推定手段を有し、前記噴霧位置推定手段の推定結果に基づいて前記パイロット噴霧に前記主噴霧が重なるか否かを判定するものであって、前記設定手段が前記指令値として再設定する値は、前記噴霧位置推定手段により推定される前記パイロット噴霧の位置と、前記主噴霧の位置との距離が予め定められた所定距離以上となる値であることを特徴とする。

本発明の燃料噴射制御装置において、更に、前記燃料噴射装置による実際の噴射時期を検出する噴射時期検出手段を備え、前記噴霧位置推定手段は、前記噴射時期検出手段の検出結果に基づいて、前記パイロット噴霧の位置を推定することを特徴とする。

本発明にかかる燃料噴射制御装置は、パイロット噴射の終了時期と主噴射の開始時期との間隔の指令値として予め定められた所定値に基づいて、パイロット噴霧に主噴霧が重なると判定された場合、所定値に代えて、パイロット噴霧に主噴霧が重なることを抑制する値に指令値を再設定する。パイロット噴射の終了時期と主噴射の開始時期との間隔を調節することで、主噴射の開始時期におけるパイロット噴射の噴霧の位置を精度良く制御することができ、パイロット噴射による火炎または燃焼ガスに主噴射の燃料噴霧が重なることを抑制することができる。

図１は、本発明の燃料噴射制御装置の実施形態の動作を示すフローチャートである。 図２は、本発明の燃料噴射制御装置の実施形態にかかる装置を備えた内燃機関の概略構成図である。 図３は、本発明の燃料噴射制御装置の実施形態にかかる装置を備えた内燃機関の気筒の軸方向視を示す断面図である。 図４は、燃圧と、噴射弁による燃料の噴射開始からの経過時間と、燃料噴霧の位置との関係の一例を示す図である。 図５は、本発明の燃料噴射制御装置の実施形態における燃料噴霧の位置について説明するための図である。 図６は、本発明の燃料噴射制御装置の実施形態における燃圧と、パイロット噴射終了時期からの経過時間と、燃料噴霧の位置との関係の一例を示す図である。

以下に、本発明にかかる燃料噴射制御装置の一実施形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるものあるいは実質的に同一のものが含まれる。

（実施形態）
図１から図６を参照して、実施形態について説明する。本実施形態は、気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射装置による燃料噴射を制御する燃料噴射制御装置に関する。図１は、本発明にかかる燃料噴射制御装置の実施形態の動作を示すフローチャート、図２は、本実施形態の燃料噴射制御装置を備えた内燃機関の概略構成図である。

本実施形態に係る内燃機関は、ディーゼルエンジン３０であり、圧縮されて高温となった燃焼室内の雰囲気に、燃料を供給することで、燃料を自然着火させる圧縮自着火式の内燃機関である。ディーゼルエンジン３０は、原動機として自動車に搭載されるものであり、自動車には、ディーゼルエンジン３０を含む車両システムを制御する制御手段として、電子制御装置（以下、ＥＣＵと記す）１０が設けられている。なお、本実施形態の燃料噴射制御装置の適用対象となる内燃機関は、ディーゼルエンジンには限定されず、適用対象となる内燃機関には、気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射装置を備え、気筒内で燃料を自着火させる他の公知の内燃機関が含まれる。

図２に示すように、ディーゼルエンジン３０は、気筒ごとに設けられた噴射弁（燃料噴射装置）１が気筒の燃焼室（筒内）１１に燃料を直接噴射する、いわゆる直接噴射式のディーゼルエンジン３０である。ディーゼルエンジン３０を制御するために、車両システムには、ディーゼルエンジン３０用のＥＣＵ１０が設けられている。

ディーゼルエンジン３０には、内部に気筒が形成される機関本体系の部品として、シリンダブロック２１が設けられている。シリンダブロック２１には、複数の気筒２３が形成されている。シリンダブロック２１における気筒２３の径方向外方には、ウォータージャケット２４が形成されている。ウォータージャケット２４には、ウォータージャケット２４内の冷却水の温度を検出する水温センサ６が設けられている。

シリンダブロック２１内には、クランクシャフト７が配置されている。燃焼室１１で燃焼される燃料の燃焼エネルギーが、クランクシャフト７の回転運動に変換されて出力される。クランクシャフト７の近傍には、クランクシャフト７の回転角度および回転速度を検出するクランク角センサ２が配置されている。

シリンダブロック２１の上部には、シリンダヘッド２２が固定されている。シリンダヘッド２２には、図示しない吸気ポートが形成されており、燃焼室１１は、吸気ポートを介して吸気管２７と接続されている。吸気管２７から吸気ポートを介して吸気（空気）が燃焼室１１に供給される。

本実施形態のディーゼルエンジン３０では、気筒内にスワール流が生成される。スワール流を生成させる方法は、従来公知の方法によることができる。吸気ポートは、例えば、気筒２３の周方向に沿って形成されており、吸気ポートから燃焼室１１に流入する吸気により、燃焼室１１内にスワール流が生成される。図３は、気筒２３の軸方向視を示す断面図である。図３において、矢印Ｙ１は、スワール流の流れ方向を示す。本実施形態で生成されるスワール流は、気筒２３の中心軸線Ｘを回転中心とする燃焼室１１内の気流である。

図２に示すように、シリンダヘッド２２には、燃焼室１１に燃料を噴射する噴射弁１が配置されている。噴射弁１は、各気筒２３に配置されており、それぞれの噴射弁１により、燃焼室１１（気筒内）に直接燃料が噴射される。図３に示すように、噴射弁１は、気筒２３の中心軸線Ｘと同軸上に配置されている。つまり、噴射弁１は、スワール流の回転中心と同軸上に配置されている。噴射弁１には、複数の噴孔が周方向に沿って形成されており、それぞれの噴孔から、燃料が噴射される。符号Ｓは、噴射弁１の各噴孔から噴射された燃料の噴霧を示す。噴孔は、気筒２３の中心軸線Ｘに対して斜めの方向に形成されている。これにより、気筒２３の軸方向視（図３）において、噴射弁１の燃料の噴射方向は、気筒２３の径方向外方に向かう方向、言い換えると、スワール流の径方向外方に向かう方向となっている。

図２を参照して説明するように、ディーゼルエンジン３０は、コモンレール式燃料噴射システムを備える。コモンレール式燃料噴射システムは、昇圧ポンプ（サプライポンプ）４により供給された高圧燃料をコモンレール３に蓄え、電磁式の噴射弁１により噴射するものである。コモンレール式燃料噴射システムでは、昇圧ポンプ４で作られた高圧燃料をコモンレール３に蓄えることにより、エンジン回転数や負荷に影響されず、低速時などでも常に安定した噴射圧を確保することができる。

昇圧ポンプ４は、例えば、クランクシャフト７の回転によって駆動されるものであり、燃料タンク２６内の燃料をコモンレール３に向けて圧送する。昇圧ポンプ４は、図示しないサクションコントロールバルブを備えている。ＥＣＵ１０からの信号に基づいてサクションコントロールバルブが制御され、コモンレール３に圧送する燃料が調量されることで、コモンレール３内の圧力が制御される。コモンレール３には、各噴射弁１が接続されており、コモンレール３から各噴射弁１に高圧燃料が供給される。つまり、昇圧ポンプ４は、噴射圧の指令値に応じて噴射弁１に供給する燃料の圧力を制御する圧力制御手段として機能する。コモンレール３には、コモンレール３内の圧力（燃圧）を検出するコモンレール圧センサ１５が設けられている。

噴射弁１は、ＥＣＵ１０と電気的に接続されており、ＥＣＵ１０から燃料噴射に関する各種の指令値が入力される。噴射弁１は、ＥＣＵ１０から入力される指令値に基づいて、主噴射と、主噴射よりも前に燃料を噴射するパイロット噴射とを実行することができる。主噴射は、出力発生を主目的として圧縮上死点近傍において行われる燃料噴射である。また、パイロット噴射は、スモークやすす等のＰＭや燃焼騒音の低減を主目的として、主噴射に対して進角した時期に行われ、気筒内で燃料を予混合燃焼させる燃料噴射である。

吸気管２７には、スワール速度検出器（速度検出推定手段）１４が配置されている。スワール速度検出器１４は、吸気管２７内の吸気の状態（例えば、吸気の圧力）に基づいて、燃焼室１１内で生成されるスワール流の速度ｖ_ｓｗを検知するものである。

ＥＣＵ１０は、周知のマイクロコンピュータによって構成されており、メモリ８、ＣＰＵ９、噴射時期演算装置１２、およびパイロット噴霧位置演算装置（噴霧位置推定手段）１３を備える。ＥＣＵ１０の図示しない入力ポートには、クランク角センサ２、水温センサ６、スワール速度検出器１４、およびコモンレール圧センサ１５が接続されており、各センサ２，６，１４，１５の検出結果を示す信号がそれぞれＥＣＵ１０に入力される。また、ＥＣＵ１０の図示しない出力ポートには、噴射弁１および昇圧ポンプ４が接続されており、噴射弁１および昇圧ポンプ４はそれぞれＥＣＵ１０により制御される。本実施形態のＥＣＵ１０は、判定手段および設定手段としての機能を有する。本実施形態の燃料噴射制御装置は、ＥＣＵ１０と、スワール速度検出器１４を含んで構成されている。

噴射弁１には、ノズルニードル位置検出器５が設けられている。噴射弁１の内部には、軸方向に運動可能なニードルバルブ（図示せず）が配置されている。ニードルバルブは、スプリング等の付勢手段により、噴孔を閉塞する方向に付勢されている。電磁式のソレノイドの吸引力により、付勢手段による付勢力に抗して噴孔から離間する方向に駆動されることで、噴孔が開放され、燃料が噴射される。ノズルニードル位置検出器５は、ニードルバルブの軸方向の位置（リフト量）を検出する。ノズルニードル位置検出器５の検出結果を示す信号は、噴射時期演算装置（噴射時期検出手段）１２に入力される。

噴射時期演算装置１２は、ノズルニードル位置検出器５の検出結果に基づいて、パイロット噴射終了時期ｔ_ｐｆｉｎおよび主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒをそれぞれ算出する。算出されたパイロット噴射終了時期ｔ_ｐｆｉｎおよび主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒは、ＥＣＵ１０内のメモリ８に記憶される。ここで、パイロット噴射終了時期ｔ_ｐｆｉｎは、パイロット噴射が終了してニードルバルブのリフト量が０となる（ニードルバルブが噴孔を閉塞する）タイミングであり、主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒは、主噴射の開始時にニードルバルブのリフト量が０から増加し始める（ニードルバルブが噴孔を開放する）タイミングである。

ＥＣＵ１０は、噴射弁１に対する燃料噴射の指令値として、主噴射の噴射量と噴射時期、パイロット噴射の噴射量、およびパイロット噴射インターバルＴを設定し、設定された各指令値を噴射弁１に出力する。主噴射の噴射時期は、例えば、主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒの指令値として設定される。パイロット噴射インターバルＴは、パイロット噴射が終了してから主噴射が開始するまでの間隔であり、具体的には、パイロット噴射終了時期ｔ_ｐｆｉｎと、主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒとの間隔を示す。主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒと、パイロット噴射インターバルＴと、噴射に要する時間とに基づいて、パイロット噴射の開始時期が設定される。燃料噴射の指令値は、サイクルごとに噴射弁１に出力され、噴射弁１は、入力される指令値に応じて、パイロット噴射および主噴射を行う。

１サイクルにおいて、パイロット噴射と主噴射の両方が実行される場合、主噴射の燃料噴霧（主噴霧）が、パイロット噴射の火炎または燃焼ガスと重なることを抑制できることが望まれる。パイロット噴射により噴射された燃料（パイロット噴霧）の火炎または燃焼ガス中では、酸素量が低下している。このため、パイロット噴射の火炎または燃焼ガスに主噴射の燃料噴霧が重なってしまうと、酸素不足によりスモークの発生量が増加してしまう虞がある。

特開平１１−８２１３９号公報（特許文献１）には、主噴射の燃料噴霧が、燃焼室内に残留しているパイロット噴射の火炎もしくは燃焼ガスと重ならないように、パイロット噴射の噴射時期をずらすように制御する技術が開示されている。特許文献１では、パイロット噴射の火炎が、スワール流に乗って流される量を考慮して、パイロット噴射の開始時期と、主噴射の開始時期とのインターバルが調節されている。

ここで、本願発明者の研究の結果、パイロット噴射の火炎が移動する量は、パイロット噴射の開始時期に基づいて推定されるよりも、パイロット噴射の終了時期に基づいて推定される方がより精度良く推定可能であるという知見が得られた。これは、以下に図４を参照して説明するように、噴射中には燃料噴霧があまり移動しないこと、および、燃圧によって噴射時間が異なることによると考えられる。

図４は、燃圧と、噴射弁１による燃料の噴射開始からの経過時間と、燃料噴霧の位置との関係の一例を示す図である。図４には、それぞれ異なる燃圧（４０ＭＰａ、８０ＭＰａ、１２０Ｍｐａ）において同量の燃料が噴射された場合の、噴射開始からの経過時間と、燃料噴霧の位置との関係が示されている。なお、燃料噴霧は、スワール流により燃焼室１１内において周方向に移動する。このため、以下に図５を参照して説明するように、燃料噴霧の位置は、燃料噴霧が生成された位置を角度０とする気筒２３の中心軸線Ｘまわりの角度θで示されている。

図５は、燃料噴霧の位置について説明するための図である。図５には、パイロット噴射が行われ、その後に主噴射が行われたときの燃焼室１１内の様子を示す気筒２３の径方向の断面図が示されている。

図５において、符号Ｓｐは、パイロット噴射の火炎（燃焼ガス）を示す。符号Ｓ１は、パイロット噴射の火炎Ｓｐの燃料を噴射した噴孔（以下、この噴孔を「第一噴孔」と記述する）から噴射された主噴射の燃料噴霧を示す。符号Ｓ２は、第一噴孔と周方向に隣接する噴孔のうち、スワール流の流れ方向の下流側の噴孔（以下、この噴孔を「第二噴孔」と記述する）から噴射された主噴射の燃料噴霧を示す。

符号θ_ｐは、パイロット噴射の火炎Ｓｐの位置であり、第一噴孔の噴射方向を角度０とする気筒２３の中心軸線Ｘまわりの角度を示す。パイロット噴射の火炎Ｓｐの位置（以下、「パイロット噴霧の位置」とも記述する）θ_ｐは、スワール流の流れ方向（図５の反時計回りの方向）を正の方向とした角度で示される。符号θ_ｍは、第二噴孔から噴射された主噴射の燃料噴霧Ｓ２の位置（主噴霧位置）であり、気筒２３の軸方向視において、第一噴孔の噴射方向と、第二噴孔の噴射方向とのなす角度を示す。

また、符号Ｒ１は、各噴孔の位置に対応して設定されるパイロット噴霧の進入禁止範囲を示す。進入禁止範囲Ｒ１は、主噴射の燃料噴霧Ｓ１，Ｓ２の広がる角度（噴霧角）θ_ｍｓに基づいて設定される。第二噴孔について説明すると、進入禁止範囲Ｒ１は、主噴射の燃料噴霧Ｓ２の噴霧角θ_ｍｓの半分の角度をδとした場合に、第二噴孔から噴射された主噴射の燃料噴霧Ｓ２の位置θ_ｍを中心とする前後δの範囲に設定される。他の噴孔に対しても、同様に進入禁止範囲Ｒ１が設定される。主噴射の燃料噴霧Ｓ２の噴霧角θ_ｍｓは、例えば、下記［数１］により求めることができる。

パイロット噴射の火炎Ｓｐがいずれかの噴孔の進入禁止範囲Ｒ１にあるときに主噴射がなされると、パイロット噴射の火炎Ｓｐの中に主噴射の燃料噴霧が突入することとなり、酸素不足でスモークが発生してしまう。

本実施形態では、パイロット噴射の噴射時期を設定する際に、主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒにおけるパイロット噴射の火炎Ｓｐの位置θ_ｐが、進入禁止範囲Ｒ１に入る（パイロット噴霧に主噴霧が重なる）か否かが判定される。パイロット噴射の火炎Ｓｐの位置θ_ｐが、進入禁止範囲Ｒ１に入ると判定された場合には、パイロット噴射の火炎Ｓｐが進入禁止範囲Ｒ１に入らなくなるように、パイロット噴射の噴射時期が補正される。

ここで、従来の制御では、パイロット噴霧の位置（パイロット噴射の火炎Ｓｐの位置）θ_ｐが、パイロット噴射の開始時期に基づいて推定されていた。これにより、以下に図４を参照して説明するように、パイロット噴霧の位置θ_ｐが精度良く推定できないという問題があった。

図４において、符号１０１は、噴射弁１における燃料の噴射信号を示す。符号αは、パイロット噴射の燃料噴霧の移動速度（角速度）に相当する傾きを示す。図４からわかるように、パイロット噴射の燃料噴霧の移動速度を示す傾きαは、燃圧によらずほぼ同じである。しかしながら、パイロット噴射開始後の同じ時刻、例えば、主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒにおいて、パイロット噴霧の位置θ_ｐは、燃圧によって異なる。これは、燃料の噴射後と比較して、燃料の噴射中は燃料噴霧の移動速度が小さいこと、および、燃料を噴射するために要する時間が燃圧によって異なることによる。

燃料の噴射中は、噴射の勢いがあるため、燃料噴霧がスワール流に流されにくい。このため、燃料の噴射中は燃料噴霧の移動速度は小さく、パイロット噴霧の位置θ_ｐは大きく変化しない。燃料の噴射が終了すると、燃料噴霧はスワール流に乗って移動し、パイロット噴霧の位置θ_ｐは、スワール流の速度ｖ_ｓｗによって決まる速度、例えば、スワール流の速度ｖ_ｓｗと等しい速度で変化していく。つまり、パイロット噴霧の移動量の大きさは、パイロット噴射の開始時期からの経過時間よりも、むしろパイロット噴射終了時期ｔ_ｐｆｉｎからの経過時間に依存する。

また、燃圧が低いほど、燃料を噴射するために要する時間（噴射期間）が長くなり、燃圧が高い場合と比較して、パイロット噴射終了時期ｔ_ｐｆｉｎが後の時刻となる。従って、図４に示されるように、パイロット噴射開始からの経過時間が同じであっても、燃圧が低いほど、燃料噴霧の移動量が小さくなる。これに対して、従来のように、パイロット噴射の開始時期からパイロット噴霧が大きく移動していると仮定してパイロット噴霧の移動量が推定されると、推定された移動量が、実際の移動量よりも大きなものとなってしまい、パイロット噴霧の位置θ_ｐの推定の精度が低下してしまう。言い換えると、パイロット噴射の開始時期からパイロット噴霧が大きく移動すると仮定して、パイロット噴射の開始時期を調節してパイロット噴霧の位置θ_ｐを制御しようとしても、パイロット噴霧の位置θ_ｐの目標値と実際の位置とにずれが生じてしまう。

従って、特許文献１のように、パイロット噴霧の位置θ_ｐを制御する手段として、パイロット噴射の開始時期と主噴射の開始時期とのインターバルＴｕが調節される場合、インターバルＴｕが同じであっても、燃圧によってパイロット噴霧の位置θ_ｐにずれが生じてしまう。よって、パイロット噴射の開始時期と主噴射の開始時期とのインターバルＴｕを調節したとしても、パイロット噴射による火炎または燃焼ガスに主噴射の燃料噴霧が重なることを十分に抑制できなくなることがある。ここで、上記のような位置θ_ｐのずれに対して、インターバルＴｕに対する補正を行うことが考えられる。しかしながら、図４に示すように、噴射時期の補正量、具体的には、主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒを起点とし、パイロット噴射の火炎Ｓｐが進入禁止範囲Ｒ１から出るまでの時間ΔＴは、燃圧によって異なる。つまり、インターバルＴｕに対する補正量は、燃圧に依存する。このため、インターバルＴｕに対する補正のためには、多くの計算を要する。

本実施形態では、以下に図６を参照して説明するように、パイロット噴射終了時期ｔ_ｐｆｉｎに基づいてパイロット噴霧の位置θ_ｐが推定される。これにより、従来のようにパイロット噴射の開始時期に基づいて上記位置θ_ｐが推定される場合と比較して、主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒにおけるパイロット噴霧の位置θ_ｐが精度良く推定されることができる。また、本実施形態では、パイロット噴射終了時期ｔ_ｐｆｉｎから算出されたパイロット噴霧の位置θ_ｐに基づいて、パイロット噴射終了時期ｔ_ｐｆｉｎと主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒとのインターバル（以下、「実インターバルＴ_ｒｅａｌ」と記述する）が調節される。精度良く推定されたパイロット噴霧の位置θ_ｐに基づいて、パイロット噴射時期が補正される結果、パイロット噴射による火炎または燃焼ガスに主噴射の燃料噴霧が重なることが、効果的に抑制される。

図６は、燃圧と、パイロット噴射終了時期ｔ_ｐｆｉｎからの経過時間と、パイロット噴霧の位置θ_ｐとの関係の一例を示す図である。図６には、それぞれ異なる燃圧（三角マーク：４０ＭＰａ、四角マーク：８０ＭＰａ、丸マーク：１２０Ｍｐａ）において同量の燃料が噴射された場合の、パイロット噴射終了時期ｔ_ｐｆｉｎからの経過時間と、燃料噴霧の位置との関係が示されている。図６において、符号１０２は、ノズルニードル位置検出器５の検出信号を示す。

図６からわかるように、パイロット噴射終了時期ｔ_ｐｆｉｎからの経過時間に対する、パイロット噴射の火炎Ｓｐの位置θ_ｐ（パイロット噴霧の位置）は、異なる燃圧であってもほぼ同じ値となる。言い換えると、パイロット噴射終了時期ｔ_ｐｆｉｎからの経過時間に基づいて、燃圧によらず、パイロット噴射の火炎Ｓｐの位置θ_ｐを精度良く推定することができる。燃圧によらず、パイロット噴射の火炎Ｓｐの位置θ_ｐがほぼ同じであるため、主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒを起点とし、パイロット噴射の火炎Ｓｐが進入禁止範囲Ｒ１から出るまでの時間ΔＴは、燃圧によらずほぼ一定となっている。この時間ΔＴに基づく補正によれば、燃圧によらずにパイロット噴射の噴射時期を補正し、パイロット噴射による火炎または燃焼ガスに主噴射の燃料噴霧が重なることを抑制することができる。

ここで、図１を参照して、本実施形態の動作について説明する。図１のフローチャートに基づいて、パイロット噴射の噴射時期が補正される。

まず、ステップＳ１では、ＥＣＵ１０により、パイロット噴射があるか否かが判定される。ＥＣＵ１０は、クランク角センサ２により検出されたクランクシャフト７の回転速度や、アクセル開度等に基づいて、パイロット噴射を行うか否かを判定する。その判定の結果、パイロット噴射がある（パイロット噴射を行う）と判定された場合（ステップＳ１−Ｙ）にはステップＳ２へ進み、そうでない場合（ステップＳ１−Ｎ）には本制御フローは終了する。

ステップＳ２では、ＥＣＵ１０により、主噴射の燃料噴霧の位置である主噴霧位置θ_ｍが読み込まれる。例えば、噴射弁１の噴孔が、周方向に等間隔にｎ個形成されている場合、主噴霧位置θ_ｍは、３６０°をｎ等分した角度となる。

ステップＳ３では、ＥＣＵ１０により、主噴霧の噴霧角θ_ｍｓが算出される。ＥＣＵ１０は、燃料噴射圧等に基づいて、計算式により、あるいは、予め記憶されたマップを参照して、主噴霧の噴霧角θ_ｍｓを算出する。

次に、ステップＳ４では、ＥＣＵ１０により、パイロット噴射の進入禁止範囲Ｒ１が算出される。ＥＣＵ１０は、ステップＳ３で算出された主噴霧の噴霧角θ_ｍｓに基づいて、主噴霧位置θ_ｍの前後にパイロット噴射の進入禁止範囲Ｒ１を設定する。ＥＣＵ１０は、主噴霧の噴霧角θ_ｍｓの半分の角度δを算出し、主噴霧位置θ_ｍの前後にそれぞれδの角度範囲で進入禁止範囲Ｒ１を設定する。

ステップＳ５では、ＥＣＵ１０により、前サイクルでパイロット噴射がなされたか否かが判定される。その判定の結果、前サイクルでパイロット噴射ありと判定された場合（ステップＳ５−Ｙ）にはステップＳ６に進み、そうでない場合（ステップＳ５−Ｎ）にはステップＳ７に進む。

ステップＳ６では、ＥＣＵ１０により、前パイロット噴射時期指令値が読み込まれる。ＥＣＵ１０は、前サイクルにおけるパイロット噴射時期指令値Ｔをメモリ８から読み込む。上述したように、パイロット噴射時期指令値Ｔは、パイロット噴射インターバル、すなわち、パイロット噴射終了時期ｔ_ｐｆｉｎと主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒとの時間間隔を示している。噴射弁１は、ディーゼルエンジン３０の負荷等に基づいて設定される主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒと、パイロット噴射インターバルＴと、パイロット噴射の噴射時間（噴射開始から噴射終了までに要する時間）とに基づいて、パイロット噴射の噴射開始時期を設定する。ステップＳ６が実行されると、ステップＳ８に進む。

ステップＳ５で否定判定がなされてステップＳ７に進むと、ステップＳ７では、ＥＣＵ１０により、初期パイロット噴射時期指令値が読み込まれる。初期パイロット噴射時期指令値は、ＥＣＵ１０に予め記憶されたパイロット噴射時期指令値Ｔの初期値である。なお、パイロット噴射時期指令値Ｔの初期値は、一定値であっても、ディーゼルエンジン３０の運転状態や燃圧等に基づいて可変に設定されていてもよい。ステップＳ７が実行されると、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８では、ＥＣＵ１０により、前サイクルパイロット噴射終了時期が読み込まれる。ＥＣＵ１０のメモリ８には、ノズルニードル位置検出器５により検出されたパイロット噴射終了時期ｔ_ｐｆｉｎが記憶されており、ＥＣＵ１０は、メモリ８から、前サイクルのパイロット噴射終了時期ｔ_ｐｆｉｎを読み込む。

次に、ステップＳ９では、ＥＣＵ１０により、前サイクル主噴射開始時期が読み込まれる。メモリ８には、ノズルニードル位置検出器５により検出された主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒが記憶されており、ＥＣＵ１０は、メモリ８から前サイクルの主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒを読み込む。

次に、ステップＳ１０では、ＥＣＵ１０により、実インターバルＴ_ｒｅａｌが算出される。実インターバルＴ_ｒｅａｌは、主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒとパイロット噴射終了時期ｔ_ｐｆｉｎとの差として算出される。

次に、ステップＳ１１では、ＥＣＵ１０により、スワール速度ｖ_ｓｗが読み込まれる。ＥＣＵ１０は、スワール速度検出器１４により検知されたスワール速度ｖ_ｓｗを読み込む。なお、簡易的には、クランクシャフト７の回転速度（エンジン回転数）の検出結果と、スワール比とに基づいてスワール速度ｖ_ｓｗが算出されてもよい。

次に、ステップＳ１２では、ＥＣＵ１０により、パイロット噴霧位置θ_ｐが推定される。ＥＣＵ１０のパイロット噴霧位置演算装置１３は、ステップＳ１０で算出された実インターバルＴ_ｒｅａｌと、ステップＳ１１で読み込まれたスワール速度ｖ_ｓｗとに基づいて、下記式（１）により、主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒにおけるパイロット噴霧位置θ_ｐを算出する。
θ_ｐ ＝ ｋ × Ｔ_ｒｅａｌ × ｖ_ｓｗ ＋ ｈ （１）
ここで、符号ｋと符号ｈは、それぞれ定数であり、内燃機関ごとに設定された一定値である。定数ｋおよびｈは、適合実験等により設定される。

次に、ステップＳ１３では、ＥＣＵ１０により、パイロット噴霧位置θ_ｐが、進入禁止範囲Ｒ１にあるか否かが判定される。ステップＳ１３では、パイロット噴霧に主噴霧が重なるか否かが判定される。ＥＣＵ１０は、ステップＳ１２で推定されたパイロット噴霧位置θ_ｐと、ステップＳ４で算出された進入禁止範囲Ｒ１とに基づいて、ステップＳ１３の判定を行う。その判定の結果、パイロット噴霧位置θ_ｐが、進入禁止範囲Ｒ１にある（パイロット噴霧に主噴霧が重なる）と判定された場合（ステップＳ１３−Ｙ）には、ステップＳ１４に進み、そうでない場合（ステップＳ１３−Ｎ）にはステップＳ１６に進む。

ステップＳ１４では、ＥＣＵ１０により、パイロット噴射インターバルＴに対する補正量ΔＴの演算がなされる。ＥＣＵ１０は、主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒにおいて、パイロット噴霧位置θ_ｐが、進入禁止範囲Ｒ１と異なる位置となる（パイロット噴霧に主噴霧が重なることが抑制される）ように、補正量ΔＴを演算する。ＥＣＵ１０は、主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒにおいて、パイロット噴霧位置θ_ｐが、進入禁止範囲Ｒ１よりも前（スワール流の流れ方向の上流側）または後（下流側）の位置となるように、補正量ΔＴを設定する。つまり、主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒにおいて、パイロット噴射の火炎Ｓｐの位置θ_ｐと、主噴射の噴霧の位置θ_ｍとの距離が予め定められた所定距離（δ）以上となるように、パイロット噴射終了時期ｔ_ｐｆｉｎが設定される。例えば、補正量ΔＴは、主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒにおいて、パイロット噴霧位置θ_ｐが、進入禁止範囲Ｒ１と進入禁止範囲Ｒ１以外の領域との境界位置（主噴霧位置θ_ｍ＋δ、または、主噴霧位置θ_ｍ−δ）となるように設定される。

次に、ステップＳ１５では、ＥＣＵ１０により、パイロット噴射インターバルＴの補正がなされる。ＥＣＵ１０は、パイロット噴射インターバルＴに補正量ΔＴを加算したものを新たなパイロット噴射インターバルＴとして再設定する。ステップＳ１５が実行されると、ステップＳ１７に進む。

ステップＳ１３で否定判定がなされてステップＳ１６に進むと、ステップＳ１６では、ＥＣＵ１０により、ステップＳ６またはステップＳ７で読み込まれたパイロット噴射インターバルが、補正されることなくそのままパイロット噴射時期の指令値Ｔとして設定される。ステップＳ１６が実行されると、ステップＳ１７に進む。

ステップＳ１７では、ＥＣＵ１０により、噴射時期指令値がメモリ８に保存される。ＥＣＵ１０は、ステップＳ１５またはステップＳ１６で設定されたパイロット噴射インターバルＴを噴射時期指令値としてメモリ８に保存する。ステップＳ１７が実行されると、本制御フローは終了する。

以上説明したように、本実施形態によれば、スワール流の速度ｖ_ｓｗと、主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒとに基づいて、パイロット噴霧（火炎）に、主噴霧が重なることが抑制されるように、パイロット噴射終了時期ｔ_ｐｆｉｎと主噴射開始時期との間隔の指令値であるパイロット噴射インターバルＴが設定される。パイロット噴射終了時期ｔ_ｐｆｉｎが調節されることで、主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒにおけるパイロット噴射の火炎Ｓｐの位置θ_ｐを精度良く制御することができる。よって、パイロット噴射による火炎または燃焼ガスに主噴射の燃料噴霧が重なることが抑制される。

本実施形態では、ノズルニードル位置検出器５の検出結果と、スワール速度検出器１４の検出結果に基づいてパイロット噴射の火炎Ｓｐの位置θ_ｐが推定される。よって、ディーゼルエンジン３０の運転領域によらず、また、過渡運転の場合であっても、パイロット噴射の火炎Ｓｐの位置θ_ｐを精度良く推定し、パイロット噴射の火炎Ｓｐに主噴射の燃料噴霧が重ならないように、パイロット噴射の噴射時期を精度良く制御することができる。

また、パイロット噴射終了時期ｔ_ｐｆｉｎは、噴射弁１の径時変化や個体差、あるいは、エンジン回転数、負荷、筒内温度などの影響を受けて変動するが、本実施形態では、パイロット噴射終了時期ｔ_ｐｆｉｎが、ノズルニードル位置検出器５により検出されることで、径時変化等に応じた適合を行うことなくパイロット噴霧の位置θ_ｐを精度良く制御可能であり、パイロット噴射の制御に必要なメモリ量や適合時間を低減することができる。スワール速度ｖ_ｓｗ、パイロット噴射終了時期ｔ_ｐｆｉｎ、主噴射開始時期ｔ_ｍｓｔｒが適時検出されるため、ディーゼルエンジン３０の運転状態等とこれらのパラメータとの関係をマップとして記憶しておく場合と比較して、マップが不要であり、かつ、過大なメモリが不要となる。

なお、本実施形態では、噴射弁１が、スワール流の回転中心と同軸上に配置されていたが、噴射弁１の配置はこれには限定されない。噴射弁１の中心軸線は、スワール流の回転中心から多少ずれていてもよい。また、噴射弁１の中心軸線が、スワール流の回転中心の軸線に対して多少傾いていてもよい。噴射弁１は、気筒２３の軸方向視において、スワール流の径方向外方に向けて燃料を噴射するように配置されていればよい。

本実施形態では、ノズルニードル位置検出器５の検出結果から算出される実インターバルＴ_ｒｅａｌに基づいてパイロット噴霧の火炎の位置θ_ｐが算出されたが、これに代えて、パイロット噴射インターバルＴ（指令値）に基づいてパイロット噴霧の火炎の位置θ_ｐが算出されてもよい。この場合、パイロット噴射インターバルＴの指令値として予め定められた所定値は、ステップＳ６で読み込まれる前パイロット噴射時期指令値、あるいは、ステップＳ７で読み込まれる初期パイロット噴射時期指令値である。また、図１に示す制御フローでは、実インターバルＴ_ｒｅａｌが、パイロット噴射インターバルＴの指令値として予め定められた所定値に相当する。

１ 噴射弁
３ コモンレール
４ 昇圧ポンプ
５ ノズルニードル位置検出器
６ 水温センサ
８ メモリ
９ ＣＰＵ
１０ ＥＣＵ
１１ 燃焼室
１２ 噴射時期演算装置
１３ パイロット噴霧位置演算装置
１４ スワール速度検出器
１５ コモンレール圧センサ
２１ シリンダブロック
２２ シリンダヘッド
２３ 気筒
２４ ウォータージャケット
２７ 吸気管
３０ ディーゼルエンジン
Ｒ１ 進入禁止範囲
ｔ_ｍｓｔｒ 主噴射開始時期
ｔ_ｐｆｉｎ パイロット噴射終了時期
Ｔ パイロット噴射インターバル
ΔＴ パイロット噴射インターバルに対する補正量
Ｔ_ｒｅａｌ 実インターバル
ｖ_ｓｗ スワール速度
θ_ｐ パイロット噴射の火炎の位置
θ_ｍ 主噴霧位置
θ_ｍｓ 主噴射の燃料噴霧の噴霧角

Claims (3)

1. 気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射装置を有し、かつ、前記気筒内にスワール流が生成される内燃機関において、前記燃料噴射装置による燃料噴射を制御する燃料噴射制御装置であって、
   前記燃料噴射装置は、主噴射と、前記主噴射よりも前に燃料を噴射するパイロット噴射を実行可能であり、かつ、前記気筒の軸方向視において、前記スワール流の径方向外方に向けて燃料を噴射し、
   前記スワール流の速度を検出または推定する速度検出推定手段と、
   前記パイロット噴射の終了時期と前記主噴射の開始時期との間隔の指令値を設定する設定手段と、
   検出または推定された前記スワール流の速度と、前記指令値とに基づいて、前記パイロット噴射により生成される燃料噴霧であるパイロット噴霧に、前記主噴射により生成される燃料噴霧である主噴霧が重なるか否かを判定する判定手段とを備え、
   前記設定手段は、前記判定手段により、前記指令値として予め定められた所定値に基づいて前記パイロット噴霧に前記主噴霧が重なると判定された場合、前記所定値に代えて、前記パイロット噴霧に前記主噴霧が重なることを抑制する値に前記指令値を再設定する
   ことを特徴とする燃料噴射制御装置。
2. 請求項１に記載の燃料噴射制御装置において、
   前記判定手段は、検出または推定された前記スワール流の速度と、前記指令値とに基づいて、前記主噴射の開始時期における前記パイロット噴霧の位置を推定する噴霧位置推定手段を有し、前記噴霧位置推定手段の推定結果に基づいて前記パイロット噴霧に前記主噴霧が重なるか否かを判定するものであって、
   前記設定手段が前記指令値として再設定する値は、前記噴霧位置推定手段により推定される前記パイロット噴霧の位置と、前記主噴霧の位置との距離が予め定められた所定距離以上となる値である
   ことを特徴とする燃料噴射制御装置。
3. 請求項２に記載の燃料噴射制御装置において、
   更に、前記燃料噴射装置による実際の噴射時期を検出する噴射時期検出手段を備え、
   前記噴霧位置推定手段は、前記噴射時期検出手段の検出結果に基づいて、前記パイロット噴霧の位置を推定する
   ことを特徴とする燃料噴射制御装置。

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