JP2014031772A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スモークの発生量を低減する。
【解決手段】ピストン３の上面を凹ませて形成されるキャビティ３２内に向けて燃料噴射弁４から燃料を噴射する内燃機関の制御装置において、キャビティ外に漏出する燃料量を所定量よりも少なくする制御手段２０を備える。キャビティ外に漏出する燃料量が多くなり所定量以上となると、スモークの発生量が急激に増加するため、キャビティ外に漏出する燃料量を所定量未満に抑える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

ピストン上面に設けられたキャビティ内に向けて燃料を噴射する内燃機関が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この技術では、キャビティの開口面積を広くすることにより、キャビティ外への燃料の漏出を抑制している。これにより、スモークの発生量が少なくなる。

しかし、キャビティの開口面積を調整するなどの形状の調整によりキャビティ外への燃料の漏出を抑制しようとしても、燃料の噴射時期や噴射圧力によっては、キャビティ外へ燃料が漏出して、スモークが発生する虞がある。特に、燃料噴射量の多い高負荷では、キャビティ外に漏出する燃料量が多くなりスモークの発生量が増加する虞がある。

特開２００７−１２０３５３号公報 特開２０１１−２５６７９４号公報 特開２０１１−０６４１６５号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、スモークの発生量を低減することにある。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の制御装置は、
ピストンの上面を凹ませて形成されるキャビティ内に向けて燃料噴射弁から燃料を噴射する内燃機関の制御装置において、
前記キャビティ外に漏出する燃料量を所定量よりも少なくする制御手段を備える。

ここで、キャビティ外に漏出する燃料量が増加して所定量以上となると、スモークの発生量が急激に増加することが判明した。したがって、キャビティ外に漏出する燃料量が所定量よりも少なくなるように内燃機関を制御すれば、スモークの発生量を低減することができる。

キャビティはピストンの上面を凹ませて形成されるので、キャビティ外とは、少なくとも、キャビティが無いと仮定したときのピストンの上面よりも上側（シリンダヘッド側）である。キャビティ外に漏出する燃料量とは、キャビティ内からキャビティ外に移動する燃料量である。

所定量は、スモークの発生量が急激に増加を始める燃料量であるが、スモークの発生量が許容範囲を超えたときの燃料量、または、許容範囲を超える虞のある燃料量としてもよい。

そして、本発明においては、前記燃料噴射弁からの燃料噴射の終了時期が圧縮上死点後である場合において、前記制御手段は、キャビティ外に漏出する燃料量が所定量以上のと
きに、前記燃料噴射弁からの燃料噴射の終了時期を早くしてもよい。

すなわち、燃料噴射の終了時期が圧縮上死点後である場合には、燃料噴射の終了時期を早くすることで、該終了時期が圧縮上死点に近付く。このため、燃料噴射弁から噴射される燃料がキャビティの壁面に衝突する位置が、ピストンの上面からより離れた位置となる。すなわち、キャビティの底部により近い位置に燃料が衝突する。これにより、燃料がキャビティ外に漏出することを抑制できる。

また、本発明においては、前記制御手段は、燃料の噴射圧力を上昇させることで、燃料噴射の終了時期を早くしてもよい。

すなわち、燃料噴射量が同じ場合には、噴射圧力の増加により単位時間当たりの燃料噴射量が多くなるので、燃料噴射時間が短縮する。このため、燃料噴射の終了時期が早くなるので、キャビティ外に燃料が漏出することを抑制できる。

また、本発明においては、前記制御手段は、燃料噴射の開始時期を早くすることで、燃料噴射の終了時期を早くしてもよい。

すなわち、燃料噴射の開始時期を早くすることで、その分、燃料噴射の終了時期が早くなるので、キャビティ外に燃料が漏出することを抑制できる。

また、本発明においては、前記内燃機関は、スワール速度を調整するスワールコントロールバルブを備え、
前記制御手段は、前記キャビティ外に漏出する燃料量が所定量以上のときには、所定量未満のときよりも、スワール速度を速くしてもよい。

スワールコントロールバルブによりスワール速度を速くすると、気筒の中心軸を中心として燃料が回転するため、キャビティ壁面に燃料が衝突する方向や速度が変わるので、キャビティ外に燃料が漏出することを抑制できる。

本発明においては、前記キャビティの内壁に衝突した後に、該キャビティ外へ漏出する燃料量を算出する漏出量算出手段を備えることができる。

すなわち、キャビティ外へ漏出する燃料とは、キャビティ壁面に衝突した後にキャビティ外へ漏出する燃料である。そして、キャビティ外への燃料の漏出量を算出することで、キャビティ外における当量比または空燃比を求めることができるので、スモークの発生を推定することができる。

本発明においては、前記キャビティ外とは、キャビティ壁面とピストン上面との交線よりもピストンの外周側であって、ピストン上面とシリンダヘッドとの間の領域であってもよい。

このような領域に燃料が漏出しやすく、且つ、この領域に燃料が漏出すると、スモークが発生しやすくなる。したがって、この領域に漏出する燃料量が所定量以上のときに、スモークの発生量が多くなると考えることができる。

本発明においては、前記所定量は、前記キャビティ外の当量比が所定比となるように決定されてもよい。

ここで、キャビティ外に漏出する燃料量が所定量以上であっても、空気量が多ければ、
スモークが発生しない場合もある。これに対し、当量比で考えれば、スモークの発生をより正確に判断することができる。

また、本発明においては、前記所定比が２であってもよい。

このように所定比を設定することにより、スモークの発生量をより確実に低減することができる。

本発明においては、燃料の進行方向における燃料噴射弁からキャビティ壁面までの距離と、燃料の進行方向とキャビティ壁面とのなす角と、燃料がキャビティ壁面に到達した位置から該キャビティ壁面に沿ってピストン上面に達するまでの距離と、キャビティ壁面が無いと仮定したときに燃料噴射弁から噴射された燃料が到達する距離と、に基づいて、キャビティ外に漏出する燃料量を算出してもよい。

ここで、燃料の進行方向における燃料噴射弁からキャビティ壁面までの距離と、燃料の進行方向とキャビティ壁面とのなす角と、燃料がキャビティ壁面に到達した位置から該キャビティ壁面に沿ってピストン上面に達するまでの距離と、キャビティ壁面が無いと仮定したときに燃料噴射弁から噴射された燃料が到達する距離と、は何れも、キャビティ外に漏出する燃料量と相関関係にある値である。すなわち、燃料の進行方向における燃料噴射弁からキャビティ壁面までの距離が長いほど、キャビティ壁面に燃料が衝突するときの速度が低くなるので、キャビティ外に燃料が漏出し難くなる。また、燃料の進行方向とキャビティ壁面とのなす角によって、燃料がキャビティ壁面に衝突した後の進行方向が変わるため、この角度はキャビティ外に漏出する燃料量に影響を与える。また、燃料がキャビティ壁面に到達した位置から該キャビティ壁面に沿ってピストン上面に達するまでの距離が長いほど、燃料がピストン上面まで到達し難くなるので、燃料が漏出し難くなる。また、キャビティ壁面が無いと仮定したときに燃料噴射弁から噴射された燃料が到達する距離が長いほど、燃料の勢いが強いので、燃料が漏出しやすくなる。これらの値を考慮することで、キャビティ外に漏出する燃料量をより正確に求めることができる。

本発明によれば、スモークの発生量を低減することができる。

実施例１に係る内燃機関の概略構成を示す図である。 気筒の断面図である。 噴霧特性及び壁面衝突条件の算出例を示した図である。 キャビティ外燃料量ＭＦＯを算出するモデルを示した図である。 キャビティ外燃料量ＭＦＯを算出するモデルを示した図である。 壁面衝突角度θＷと噴霧体積ＶＣとの関係を示した図である。 キャビティ外の当量比ΦＯの推移を示した図である。 燃料の進行方向の例を示した図である。 燃料の進行方向の例を示した図である。 当量比ΦＯとスモークの発生量との関係を示した図である。 燃料噴射の終了時期が比較的遅い場合の燃料噴霧の様子を示す図である。 燃料噴射の終了時期が比較的早い場合の燃料噴霧の様子を示す図である。 燃料噴射の終了時期に対する沿面距離ＬＬ及び当量比ΦＯを示した図である。 燃料噴射圧力に対する沿面距離ＬＬ及び当量比ΦＯを示した図である。 実施例１に係る内燃機関の制御フローを示したフローチャートである。 キャビティ外の当量比ΦＯの推移と、気筒内におけるスモーク（ＳＯＯＴ）の発生量の推移とを示した図である。 実施例２に係る内燃機関の概略構成を示す図である。 スワール速度が比較的遅い（スワールが比較的弱い）ときの噴霧到達可能距離ＬＳを示した図である。 スワール速度が比較的速い（スワールが比較的強い）ときの噴霧到達可能距離ＬＳを示した図である。 スワール速度に対する沿面距離ＬＬ及び当量比ΦＯを示した図である。 実施例２に係る内燃機関の制御フローを示したフローチャートである。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例１）
図１は、本実施例に係る内燃機関１の概略構成を示す図である。なお、本実施例においては、内燃機関１を簡潔に表示するため、一部の構成要素の表示を省略している。内燃機関１は、４つの気筒２を有するディーゼル機関である。

各気筒２には、夫々ピストン３が備わる。ピストン３の上面には、ピストン内部に向かって凹むキャビティ３２が形成されている。

内燃機関１の各気筒２には、気筒２内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁４が設けられている。各燃料噴射弁４は、燃料を所定圧まで蓄圧するコモンレール５と接続されている。

前記コモンレール５は、燃料供給管６を介して燃料ポンプ７と連通している。この燃料ポンプ７は、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）またはカムシャフトの回転トルクを駆動源として作動するポンプである。なお、燃料ポンプ７における燃料の圧縮率を変化させることにより、コモンレール５内の燃料の圧力を調整することができる。また、燃料の圧力を調整する機構をコモンレール５に設けてもよい。

また、内燃機関１には、吸気管８及び排気管９が接続されている。吸気管８には、該吸気管８内を流通する空気の流量を調整するスロットル１０が設けられている。

内燃機関１には、該内燃機関１の冷却水温度を測定する水温センサ５１が取り付けられている。また、内燃機関１には、機関回転数を検知するクランクポジションセンサ５２が取り付けられている。さらに、コモンレール５には、該コモンレール５内の燃料の圧力を測定する燃圧センサ５３が取り付けられている。また、スロットル１０よりも上流の吸気管８には、該吸気管８内を流通する空気の流量を測定するエアフローメータ５４が設けられている。

また、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御装置であるＥＣＵ２０が併設されている。このＥＣＵ２０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１を制御する。

ＥＣＵ２０には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル１１を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検知するアクセル開度センサ５５が電気配線を介して接続されている。そして、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ２０に入力される。

一方、ＥＣＵ２０には、燃料噴射弁４及び燃料ポンプ７が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ２０によりこれらの機器が制御される。

例えば、ＥＣＵ２０は、内燃機関１の運転状態（例えば機関回転数及びアクセル開度）に基づいて、燃料噴射弁４からの燃料噴射量及び燃料噴射時期、燃圧を決定する。なお、内燃機関１の運転状態と、燃料噴射量及び燃料噴射時期、燃圧と、の関係は、予め実験等により求めてマップ化され、ＥＣＵ２０に記憶されている。

また、ＥＣＵ２０は、燃料噴射弁４から噴射された燃料の中で、キャビティ３２の外部に漏出する燃料量が、所定量よりも少なくするように、燃料噴射時期または燃料の圧力を調整する。この所定量は、キャビティ３２の外部の当量比が所定比未満となるように決定される。このようにして、ＥＣＵ２０は、スモークの発生を抑制する。

ここで、図２は、気筒２の断面図である。燃料噴射弁４は、内燃機関１のシリンダヘッド６１に取り付けられている。また、燃料噴射弁４は、気筒２の中心軸上に設けられる。ピストン３には、該ピストン３の上面３１からピストン３の内部に向かって凹むキャビティ３２が形成されている。なお、本実施例に係るピストン３は、オープントロイダル型のキャビティが用いられるが、キャビティの形状はこれに限らない。

燃料噴射弁４は、キャビティ壁面３３に向かって燃料を噴射する。燃料噴射弁４から噴射された燃料は、キャビティ壁面３３に衝突する。ここで、燃料を噴射したときに燃料が存在する範囲を燃料噴霧３４として表す。また、燃料噴霧３４の中心軸を、噴射軸３５とする。噴射軸３５は、燃料噴射弁４からキャビティ壁面３３まで直線的に延びる。なお、噴射軸３５方向における燃料噴射弁４の噴孔からキャビティ壁面３３までの距離を「噴射弁壁面間距離ＬＷ」とする。また、噴射軸３５とキャビティ壁面３３とのなす角を「壁面衝突角度θＷ」とする。さらに、噴射軸３５とキャビティ壁面３３との交点から、該キャビティ壁面３３とピストン上面３１との交点までの距離を「沿面距離ＬＬ」とする。キャビティ壁面３３とピストン上面３１との交点を、「リップ部３３Ａ」とする。リップ部３３Ａは、ピストン３の上面の内縁である。

ＥＣＵ２０は、筒内状態（気筒２内の密度（筒内密度）及び気筒２内の圧力（筒内圧力））、及び、ピストン３の位置（ピストン位置）、を算出する。ピストン位置は、クランクポジションセンサ５２により求めることができる。また、筒内密度及び筒内圧力は、ピストン位置及び吸入空気量に基づいて算出することができる。吸入空気量は、エアフローメータ５４により求められる。

次に、ＥＣＵ２０は、燃料噴射に関する初期値を読み込む。このときには、燃料噴射時期、燃料噴射量、コモンレール圧が読み込まれる。燃料噴射時期及び燃料噴射量は、内燃機関１の運転状態とＥＣＵ２０が記憶しているマップとから求められる。また、コモンレール圧は、燃圧センサ５３により求められる。

そして、ＥＣＵ２０は、前記筒内状態と、前記燃料噴射に関する初期値と、から噴霧特性（噴霧到達可能距離ＬＳ、噴霧角、噴霧体積、噴射時間）を算出する。噴霧到達可能距離ＬＳとは、キャビティ壁面３３が無いと仮定したときに、燃料噴射弁４から噴射された燃料が到達する距離である。また、噴霧角は、燃料噴射弁４から燃料が噴射されたときの燃料が広がる角度である。噴霧到達可能距離ＬＳと噴霧角とは、予め実験またはシミュレーション等により求められる。噴霧体積は、燃料噴霧３４の体積であり、噴射時間は、燃料噴射の開始から終了までの時間である。これらの値を予め実験等により求めてマップ化してＥＣＵ２０に記憶させておいてもよく、これらの値を求める計算式をＥＣＵ２０に記憶させておいてもよい。

さらに、機関回転数と、前記噴霧特性と、キャビティ壁面３３の座標情報に基づいて、壁面衝突条件（噴射弁壁面間距離ＬＷ、壁面衝突角度θＷ、沿面距離ＬＬ）を算出する。キャビティ壁面３３の座標情報は、キャビティ壁面３３の形状としてもよく、予めＥＣＵ２０に記憶しておく。

ここで、図３は、噴霧特性及び壁面衝突条件の算出例を示した図である。燃料噴射弁４からの燃料が開始される時点を「噴射開始」で示している。噴射弁壁面間距離ＬＷは、ピストン３の移動に応じて変化する。したがって、時間の経過にしたがって、噴射弁壁面間距離ＬＷが変化する。また、噴霧到達可能距離ＬＳは、燃料噴射弁４からの燃料噴射量が多くなるほど、長くなる。したがって、噴射開始からの経過時間に応じて、噴霧到達可能距離ＬＳが変化する。

噴霧到達可能距離ＬＳと、噴射弁壁面間距離ＬＷと、を比較すると、噴霧到達可能距離ＬＳの最大値が、噴射弁壁面間距離ＬＷを超えない場合も起こり得る。この場合、燃料がキャビティ壁面３３に衝突しないため、燃料がキャビティ３２の外に漏出することが抑制される。このため、本実施例では、噴霧到達可能距離ＬＳの最大値が噴射弁壁面間距離ＬＷを超えるときに、燃料がキャビティ３２の外に漏出する虞があると考える。

そして、ＥＣＵ２０は、キャビティ外３６に移動する燃料３７の質量であるキャビティ外燃料量ＭＦＯを算出する。ここでいうキャビティ外３６とは、図２の点線で囲まれた領域をいい、リップ部３３Ａよりもピストン３の外周側（気筒２の壁面側）で、且つ、ピストン上面３１とシリンダヘッド６１との間の領域である。なお、この領域は、スキッシュエリアとしてもよい。このキャビティ外３６に燃料が漏出し、このキャビティ外３６における当量比が、所定比（閾値Ｂ）以上になるとスモークが急増することが判明した。

キャビティ外燃料量ＭＦＯは、噴射特性や壁面衝突条件に応じて、予め実験またはシミュレーションで求めてＥＣＵ２０に記憶しておき、噴霧特性及び壁面衝突条件に基づいて算出することができる。また、以下のようにして、キャビティ外燃料量ＭＦＯを算出してもよい。

図４及び図５は、キャビティ外燃料量ＭＦＯを算出するモデルを示した図である。

噴霧到達可能距離ＬＳが噴射弁壁面間距離ＬＷを超えた分の噴霧体積ＶＷ（図４のハッチング部分参照）の一部が、キャビティ外３６に移動すると考える。そして、キャビティ外３６の方向に移動する噴霧体積ＶＣ（図５のハッチング部分参照）は、噴霧到達可能距離ＬＳが噴射弁壁面間距離ＬＷを超えた分の噴霧体積ＶＷと壁面衝突角度θＷとに応じて算出される。
ＶＣ＝Ａ・ＶＷ・θＷ
ただし、Ａは、壁面衝突角度θＷに依存する係数であり、予めＥＣＵ２０に記憶されている。なお、噴霧到達可能距離ＬＳが噴射弁壁面間距離ＬＷを超えた分の噴霧体積ＶＷは、キャビティ壁面３３に衝突した燃料噴霧の体積としてもよい。

燃料噴霧３４がキャビティ壁面３３に衝突後も、燃料噴霧３４の貫徹力が維持されるとすると、噴射弁壁面間距離ＬＷと、衝突位置から燃料噴霧の先端までの距離ＬＴと、の和は、噴霧到達可能距離ＬＳと等しい。また、キャビティ壁面３３に衝突後の燃料噴霧は、図５に示すように、一定の厚さ、幅で移動すると仮定する。

以上より、キャビティ外３６に移動する燃料３７の体積であるキャビティ外燃料体積ＶＯは、以下の式で求めることができる。
ＶＯ＝ＶＣ・（（ＬＴ−ＬＬ）／ＬＴ）

なお、壁面衝突角度θＷで決まる係数Ａは、噴霧到達可能距離ＬＳが噴射弁壁面間距離ＬＷを超えた分の噴霧体積ＶＷと、キャビティ外３６の方向に移動する噴霧体積ＶＣと、の関係を実験またはシミュレーションで求めるか、図６に示すような簡易的なモデルと考えて、Ａ＝１／１８０と考えてもよい。

ここで、図６は、壁面衝突角度θＷと噴霧体積ＶＣとの関係を示した図である。ＶＣ＝ＶＷ・θＷ／１８０の関係が存在する。

そして、キャビティ外燃料体積ＶＯに燃料密度を乗じることにより、キャビティ外燃料量ＭＦＯを求めることができる。燃料密度は、予め実験又はシミュレーションにより求めてＥＣＵ２０に記憶させておく。

次に、キャビティ外３６に存在する空気の質量であるキャビティ外空気量ＭＡＯ、及び、キャビティ外３６における当量比ΦＯを求める。気筒２内の空気質量は、気筒２内の空気の流量や燃焼によらず一定と仮定すると、１サイクルごとに各気筒２に吸入した空気質量ＭＡと、圧縮上死点におけるキャビティ外３６の体積ＶＣＯ及び気筒２内の体積ＶＦとから、キャビティ外空気量ＭＡＯは、以下の式で求められる。
ＭＡＯ＝ＭＡ・ＶＣＯ／ＶＦ
ただし、気筒２内の体積ＶＦは、気筒２内に吸入された空気が行き渡る範囲の体積であり、キャビティ３２の体積と、ピストン上面３１とシリンダヘッド６１との間の体積と、を合わせた体積である。

そして、キャビティ外燃料量ＭＦＯと、キャビティ外空気量ＭＡＯとから、キャビティ外３６の当量比ΦＯを求める。ここで、図７は、キャビティ外３６の当量比ΦＯの推移を示した図である。燃料の噴射開始直後には、燃料がキャビティ外３６まで到達していないので、当量比ΦＯは小さいが、燃料の噴射を続けることにより、キャビティ外３６の当量比ΦＯは徐々に上昇する。そして、燃料の噴射が終了した後に当量比ΦＯは略一定となる。

そして、キャビティ外３６の当量比ΦＯが、閾値Ｂ以上のときには、燃料の噴射条件を変更する。この閾値Ｂは、スモークの発生量が急増する当量比ΦＯである。なお、閾値Ｂは、スモークが発生する当量比ΦＯ、または、スモークが発生する虞のある当量比ΦＯとしてもよい。スモークの発生を抑制するためには、キャビティ外３６の当量比ΦＯが小さくなるように、又は、閾値Ｂ未満となるように、燃料の噴射条件を変更する。例えば、燃料の噴射終了時期を変更することで、キャビティ外燃料量ＭＦＯを低減することができるので、当量比ΦＯを低下させることができる。例えば、燃料の圧力を上昇させることで、燃料の噴射期間を短くして、燃料の噴射終了時期を早くすることができる。また、燃料の噴射開始時期を早くすることで、燃料の噴射終了時期を早くすることができる。なお、燃料の噴射量は変更していないが、燃料の噴射圧力や噴射時期を変更することでトルク変動が発生する場合には、このトルク変動を打ち消すように、燃料噴射量を増減させてもよい。

なお、本実施例に係る簡易モデルを用いてキャビティ外３６の当量比ΦＯを算出した場合には、閾値Ｂ＝２とすることでスモーク低減効果が得られることを実験で確認した。

一般的に、燃料噴射弁４からの主噴射は、ピストン３のキャビティ３２内に噴射され、この燃料は、キャビティ壁面３３に衝突した後にキャビティ壁面３３に沿って進む。ここで、図８及び図９は、燃料の進行方向の例を示した図である。図８及び図９に示したオー
プントロイダル形状のキャビティ３２を有するピストン３を用いた場合には、キャビティ３２よりも外側のスキッシュエリア（すなわち、キャビティ外３６）に向かって燃料が進行する。内燃機関１の低負荷時などの燃料噴射量が少ない運転条件のときには、燃料噴霧３４自身の貫徹力によりキャビティ３２の外にまで燃料が拡散することで、気筒２内の酸素を有効活用し、スモークの発生を抑制できる。しかし、内燃機関１の高負荷時などの燃料噴射量が多い運転条件のときには、キャビティ外３６に移動する燃料量が多くなるために、キャビティ外３６の当量比ΦＯが大きくなる。そして、当量比ΦＯが閾値Ｂ以上となると、スモークが急増する。ここで、図１０は、当量比ΦＯとスモークの発生量との関係を示した図である。そこで、本実施例では、スモークが急増するかしないかの境となる当量比ΦＯを閾値Ｂとして設定している。そして、当量比ΦＯが閾値Ｂ以上とならないように、噴射終了時期を制御する。

ここで、図１１は、燃料噴射の終了時期が比較的遅い場合の燃料噴霧３４の様子を示す図であり、図１２は、燃料噴射の終了時期が比較的早い場合の燃料噴霧３４の様子を示す図である。このときの燃料噴射の終了時期は、上死点後である。したがって、燃料噴射の終了時期を早くする（進角する）ことにより、燃料噴射の終了時期が上死点に近付く。

燃料噴射の終了時期が比較的遅い場合には、ピストン３の位置が比較的低いときに、燃料噴霧３４がキャビティ壁面３３に衝突するため、沿面距離ＬＬが比較的短くなる。このため、キャビティ外３６に燃料が移動しやすい。一方、燃料噴射の終了時期が比較的早い場合には、ピストン３の位置が比較的高いときに、燃料噴霧３４がキャビティ壁面３３に衝突するため、沿面距離ＬＬが比較的長くなる。このため、キャビティ外３６に燃料が移動し難い。そして、燃料がキャビティ壁面３３に衝突してから移動する距離（噴霧到達可能距離ＬＳ−噴射弁壁面間距離ＬＷ）よりも、沿面距離ＬＬが長ければ、キャビティ外３６の当量比ΦＯは小さくなる。

ここで、図１３は、燃料噴射の終了時期に対する沿面距離ＬＬ及び当量比ΦＯを示した図である。噴霧到達可能距離ＬＳ−噴射弁壁面間距離ＬＷよりも、沿面距離ＬＬが大きくなるときに、当量比ΦＯは低い値で一定になる。したがって、噴霧到達可能距離ＬＳ−噴射弁壁面間距離ＬＷよりも、沿面距離ＬＬが大きくなるような燃料噴射の終了時期を選択することにより、スモークを低減することができる。

また、図１４は、燃料噴射圧力に対する沿面距離ＬＬ及び当量比ΦＯを示した図である。燃料噴射の開始時期が同じとすれば、噴射圧力を増加させることにより、燃料噴射の終了時期が進角される。この場合であっても、噴霧到達可能距離ＬＳ−噴射弁壁面間距離ＬＷよりも、沿面距離ＬＬが大きくなるときに、当量比ΦＯは低い値で一定になる。したがって、噴霧到達可能距離ＬＳ−噴射弁壁面間距離ＬＷよりも、沿面距離ＬＬが大きくなるような噴射圧力を選択することにより、スモークを低減することができる。すなわち、等噴射量の場合には、噴射圧力の増加により噴射率が高くなり、噴射時間が短縮する。このため、燃料噴射の終了時期が進角するため、キャビティ外３６の当量比ΦＯは低減する。

図１５は、本実施例に係る内燃機関１の制御フローを示したフローチャートである。本ルーチンは、ＥＣＵ２０により所定の時間毎に実行される。

ステップＳ１０１では、内燃機関１の運転状態が読み込まれる。本ステップでは、以降の処理に必要となる内燃機関１の運転状態が読み込まれる。例えば、水温センサ５１、クランクポジションセンサ５２、アクセル開度センサ５５の測定値が読み込まれる。

ステップＳ１０２では、筒内状態が算出される。すなわち、気筒２内の密度及び気筒２内の圧力が算出される。併せて、ピストン３の位置が算出される。

ステップＳ１０３では、燃料噴射に関する初期値が読み込まれる。すなわち、燃料噴射量、燃料噴射時期、コモンレール圧が読み込まれる。

ステップＳ１０４では、ステップＳ１０２で算出される筒内状態と、ステップＳ１０３で読み込まれる燃料噴射に関する初期値と、から、噴霧特性が算出される。すなわち、噴霧到達可能距離ＬＳ、噴霧角、噴霧体積、噴射時間が算出される。これらの関係は、予め実験またはシミュレーション等により求めておくことができる。

ステップＳ１０５では、ステップＳ１０１で読み込まれる機関回転数と、ステップＳ１０４で算出される噴霧特性と、ＥＣＵ２０に記憶されているキャビティ壁面３３の座標情報と、に基づいて、壁面衝突条件が算出される。すなわち、噴射弁壁面間距離ＬＷ、壁面衝突角度θＷ、沿面距離ＬＬが算出される。これらの関係は、予め実験またはシミュレーション等により求めておくことができる。

ステップＳ１０６では、噴霧到達可能距離ＬＳの最大値が、噴射弁壁面間距離ＬＷよりも大きいか否か判定される。すなわち、燃料噴霧３４が、キャビティ壁面３３に到達するか否か判定される。ステップＳ１０６で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０７へ進み、一方、否定判定がなされた場合には燃料噴射の終了時期を調整する必要はないため本ルーチンを終了させる。

ステップＳ１０７では、キャビティ外燃料量ＭＦＯが算出される。このキャビティ外燃料量ＭＦＯは、予め実験またはシミュレーションを行って求めた値を用いてもよいし、前記モデルを用いて算出してもよい。なお、本実施例においてはステップＳ１０７を処理するＥＣＵ２０が、本発明における漏出量算出手段に相当する。

ステップＳ１０８では、キャビティ外３６に存在する空気の質量であるキャビティ外空気量ＭＡＯが算出される。すなわち、吸入空気の質量と、気筒２内の体積に対するキャビティ外３６の体積の比と、に基づいて、キャビティ外空気量ＭＡＯが算出される。

ステップＳ１０９では、ステップＳ１０７及びステップＳ１０８の処理結果に基づいて、キャビティ外３６の当量比ΦＯが算出される。

ステップＳ１１０では、キャビティ外３６の当量比ΦＯが閾値Ｂ以上であるか否か判定される。ステップＳ１１０で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１１１へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはスモークの発生は問題とならないため本ルーチンを終了させる。

ステップＳ１１１では、燃料噴射の終了時期が補正される。このときには、燃料噴射の終了時期が進角される。すなわち、燃料の圧力を増加するか、又は、燃料噴射の開始時期を早くする。キャビティ外３６に移動する燃料量を低減することで、当量比ΦＯを低下させて、スモークの発生を抑制する。本ステップでは、当量比ΦＯが閾値Ｂ未満となるだけ燃料噴射の終了時期を進角させてもよいが、所定角度だけ進角させてもよい。すなわち、燃料噴射の終了時期を徐々に進角させてもよい。なお、本実施例においてはステップＳ１１１を処理するＥＣＵ２０が、本発明における制御手段に相当する。

ここで、図１６は、キャビティ外３６の当量比ΦＯの推移と、気筒２内におけるスモーク（ＳＯＯＴ）の発生量の推移とを示した図である。実線は、燃料噴射時期を進角させた場合を示し、破線は、燃料噴射時期を進角させない場合を示している。当量比ΦＯの閾値Ｂは、２に設定されている。

キャビティ外３６の当量比ΦＯが閾値Ｂ未満となるように燃料噴射時期を進角することで、気筒２内のスモーク量が低減することを確認できる。

以上説明したように本実施例によれば、キャビティ外３６の当量比ΦＯを閾値Ｂ未満に維持することにより、スモークの発生を抑制することができる。なお、本実施例においては、キャビティ外３６の当量比を用いてスモークの発生量が増加するか否か判断しているが、当量比に代えて、空燃比または燃料量を用いることもできる。

（実施例２）
実施例１では、スモークの発生量を低減するために、燃料噴射の終了時期を進角させている。これに対して本実施例では、スモークの発生量を低減するために、スワールの速度（強さとしてもよい。）を調整する。

図１７は、本実施例に係る内燃機関１の概略構成を示す図である。実施例１と同じ部材については、同じ符号を付して説明を省略する。

本実施例に係る内燃機関１は、各気筒２に吸気ポートが２つ備わり、各吸気ポートに吸気管８１，８２が接続されている。すなわち、各気筒２に接続される吸気管８は、２つに分かれている。そして、各気筒２の一方の吸気管８１には、吸気の流量を調整するスワールコントロールバルブ１２が設けられている。このスワールコントロールバルブ１２を閉じると、該スワールコントロールバルブ１２が設けられている一方の吸気管８１内の空気の流量が減少し、他方の吸気管８２内を流れる空気の流量が増加する。これにより、気筒２内に流入する吸気の勢いが増すと共に、吸気の流入する箇所が偏るので、気筒２内のスワールが強くなる。スワールコントロールバルブ１２の開度は、ＥＣＵ２０により調整される。スワールコントロールバルブ１２の開度を小さくするほど、スワール速度が速くなる。

ＥＣＵ２０は、実施例１と同様に、筒内状態及びピストン位置を算出した後に、機関回転数及び吸入空気量等からスワール速度を算出する。スワール速度は、スワールの角速度、又は、キャビティ壁面３３に沿って流れる空気の速度としてもよい。スワール速度と、機関回転数及び吸入空気量との関係は、予め実験又はシミュレーションなどにより求めておき、ＥＣＵ２０に記憶させておく。そして、噴霧特性及び壁面衝突条件を算出する際に、スワール速度を考慮する。その後は、実施例１と同様に、キャビティ外３６の当量比ΦＯが閾値Ｂ未満となるように、スワールコントロールバルブ１２の開度を調整する。

ここで、図１８は、スワール速度が比較的遅い（スワールが比較的弱い）ときの噴霧到達可能距離ＬＳを示した図であり、図１９は、スワール速度が比較的速い（スワールが比較的強い）ときの噴霧到達可能距離ＬＳを示した図である。なお、ピストン３の外縁を３Ａで示している。スワール速度を速くすることにより、燃料噴霧３４の噴射軸３５方向の対する到達位置が短くなる。すなわち、スワールにより、燃料噴霧３４が気筒２の中心軸を中心として回転するので、噴霧到達可能距離ＬＳが短くなる。これにより、キャビティ外３６に移動する燃料量も減少する。したがって、キャビティ外３６の当量比ΦＯが小さくなるので、スモークの発生を抑制できる。

図２０は、スワール速度に対する沿面距離ＬＬ及び当量比ΦＯを示した図である。噴霧到達可能距離ＬＳ−噴射弁壁面間距離ＬＷよりも、沿面距離ＬＬが大きくなるときに、当量比ΦＯは低い値で一定になる。したがって、噴霧到達可能距離ＬＳ−噴射弁壁面間距離ＬＷよりも、沿面距離ＬＬが大きくなるようなスワール速度を選択することにより、スモークを低減することができる。

図２１は、本実施例に係る内燃機関１の制御フローを示したフローチャートである。本ルーチンは、ＥＣＵ２０により所定の時間毎に実行される。また、実施例１で説明したフローと同じ処理がなされるステップについては、同じ符号を付して説明を省略する。

本ルーチンでは、ステップＳ１０２の後に、ステップＳ２０１が処理される。ステップＳ２０１では、スワール速度が算出される。スワール速度は、スワールコントロールバルブ１２の開度と、内燃機関１の運転状態と、に関連付けて予め実験又はシミュレーションにより求めておいてもよい。そして、ステップＳ１０４では、スワール速度を考慮して噴霧特性が算出され、ステップＳ１０５では、スワール速度を考慮して壁面衝突条件が算出される。これらは、実験又はシミュレーションにより予め求めておいてもよい。

そして、ステップＳ１１０で肯定判定がなされた場合には、ステップＳ２０２へ進み、スワールコントロールバルブ１２の開度が補正される。本ステップでは、当量比ΦＯが閾値Ｂ未満となるだけスワールコントロールバルブ１２の開度を小さくしてもよいが、開度を所定値だけ小さくしてもよい。すなわち、スワールコントロールバルブ１２の開度を徐々に小さくしてもよい。なお、本実施例においてはステップＳ２０２を処理するＥＣＵ２０が、本発明における制御手段に相当する。

以上説明したように本実施例によれば、キャビティ外３６の当量比ΦＯを閾値Ｂ未満に維持することにより、スモークの発生を抑制することができる。

１ 内燃機関
２ 気筒
３ ピストン
４ 燃料噴射弁
５ コモンレール
６ 燃料供給管
７ 燃料ポンプ
８ 吸気管
９ 排気管
１０ スロットル
１１ アクセルペダル
１２ スワールコントロールバルブ
２０ ＥＣＵ
３１ ピストン上面
３２ キャビティ
３３ キャビティ壁面
３３Ａ リップ部
３４ 燃料噴霧
３５ 噴射軸
３６ キャビティ外
５１ 水温センサ
５２ クランクポジションセンサ
５３ 燃圧センサ
５４ エアフローメータ
５５ アクセル開度センサ
６１ シリンダヘッド

Claims (10)

1. ピストンの上面を凹ませて形成されるキャビティ内に向けて燃料噴射弁から燃料を噴射する内燃機関の制御装置において、
   前記キャビティ外に漏出する燃料量を所定量よりも少なくする制御手段を備える内燃機関の制御装置。
2. 前記燃料噴射弁からの燃料噴射の終了時期が圧縮上死点後である場合において、前記制御手段は、キャビティ外に漏出する燃料量が所定量以上のときに、前記燃料噴射弁からの燃料噴射の終了時期を早くする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記制御手段は、燃料の噴射圧力を上昇させることで、燃料噴射の終了時期を早くする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記制御手段は、燃料噴射の開始時期を早くすることで、燃料噴射の終了時期を早くする請求項２または３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記内燃機関は、スワール速度を調整するスワールコントロールバルブを備え、
   前記制御手段は、前記キャビティ外に漏出する燃料量が所定量以上のときには、所定量未満のときよりも、スワール速度を速くする請求項１から４の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記キャビティの内壁に衝突した後に、該キャビティ外へ漏出する燃料量を算出する漏出量算出手段を備える請求項１から５の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記キャビティ外とは、キャビティ壁面とピストン上面との交線よりもピストンの外周側であって、ピストン上面とシリンダヘッドとの間の領域である請求項１から６の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記所定量は、前記キャビティ外の当量比が所定比となるように決定される請求項１から６の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
9. 前記所定比が２である請求項８に記載の内燃機関の制御装置。
10. 前記漏出量算出手段は、燃料の進行方向における燃料噴射弁からキャビティ壁面までの距離と、燃料の進行方向とキャビティ壁面とのなす角と、燃料がキャビティ壁面に到達した位置から該キャビティ壁面に沿ってピストン上面に達するまでの距離と、キャビティ壁面が無いと仮定したときに燃料噴射弁から噴射された燃料が到達する距離と、に基づいて、キャビティ外に漏出する燃料量を算出する請求項６に記載の内燃機関の制御装置。

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