JP2016098738A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
燃焼騒音を低下させるために燃焼室内に水を噴射することによって燃焼騒音の周波数が変化し、その結果、燃焼騒音を構成する周波数成分の内、人間の聴覚にとって不快な音の周波数範囲（特定周波数帯）に含まれる周波数成分が増加することを防止する。
【解決手段】
主燃焼発生直前の燃焼室内の共鳴周波数が特定周波数帯に含まれるとき、水噴射量を低下させると共に燃料噴射圧を低下させることによって、燃焼騒音を低下させると同時に燃焼騒音を構成する周波数成分の内、特定周波数帯に含まれる周波数成分の占める割合を低下させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃焼室内に燃料と水とを噴射する内燃機関の制御装置に関する。

従来から、燃焼騒音の音量（燃焼騒音レベル）を低下させるために、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射ノズルに加え、燃焼室内に水を噴射する水噴射ノズルを備えるディーゼル機関（以下、「従来機関」とも称呼される。）が知られている（例えば、特許文献１を参照。)。

この従来機関においては、燃料の噴射に先立って水が所定の第１方向に噴射される。その噴射された水は燃焼室内の所定の領域で気化する。その結果、その所定の領域の温度が低下する。次いで、燃料が所定の第２方向に噴射される。噴射された燃料の一部は水の噴射によって温度が低下した領域に到達し、他の一部は温度が低下していない領域に到達する。

ところで、噴射された燃料の噴霧が着火を開始するまでの時間はその噴霧が到達している空間の温度が低いほど長くなる。従って、従来機関においては、温度が低下していない領域に到達している燃料噴霧が先に着火して燃焼を開始し、その後、温度が低下している領域に到達している燃料噴霧が着火して燃焼を開始する。その結果、従来機関においては、総ての燃料噴霧が略同時期に着火して燃焼を開始する場合に比べ、燃焼室内の圧力（即ち、筒内圧）が穏やかに上昇するので、燃焼騒音レベルを減少させることができる。

特開２０１４−７７３９１号公報

ところで、燃焼騒音レベルが過大でなくても、燃焼騒音の特定の周波数帯（以下、「特定周波数帯」とも称呼される。）におけるレベルが高いと、その燃焼騒音が人間にとって不快と感じられる傾向がある。即ち、燃焼騒音レベルが同一であっても、燃焼騒音を構成する周波数成分の内、特定周波数帯に含まれる周波数成分が占める割合が高ければ、人間はその燃焼騒音を不快と感じる可能性が高い。

例えば、上述した特定周波数帯は、５ｋＨｚから７ｋＨｚまでの範囲である。燃焼騒音の主たる周波数成分がこの周波数帯に含まれるとき、人間はこの燃焼騒音を甲高い不快な音（所謂、「チリチリ音」）として認識する。

前述したように、従来機関においては、燃焼室内に水が噴射されることによって燃焼騒音レベルが低下させられるが、その水の噴射によって燃焼騒音を構成する周波数成分が変化して特定周波数帯に含まれる周波数成分が増加する場合がある。その結果、燃焼騒音レベルは過大ではないが、燃焼騒音が人間に不快に感じられる場合が生じる。

本発明はこの問題に対処するために成された。即ち、本発明の目的の一つは、水を噴射することによって燃焼騒音レベルを低下させると共に、水を噴射した結果として燃焼騒音を構成する周波数成分の内の特定周波数帯に含まれる周波数成分が占める割合が高くなることを抑制することができる、内燃機関の制御装置を提供することである。

上記目的を達成するための本発明に係る内燃機関の制御装置（以下、「本発明装置」とも称呼する。）は、燃料噴射装置と水噴射装置とを備える内燃機関に適用される。
前記燃料噴射装置は、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁及び同燃料噴射弁から同燃料が噴射される際の燃料の圧力（燃料噴射圧）を調整することが可能な燃料噴射圧調整装置を含む。
前記水噴射装置は、前記燃焼室内に水を噴射する水噴射弁を含む。

本発明装置は、前記水噴射弁から前記水を噴射させる指示を前記水噴射弁に与え、前記燃料噴射弁から前記燃料を噴射させる指示を前記燃料噴射弁に与えて前記燃焼室内において前記燃料の燃焼を発生させる制御部、を有する。

このように本発明装置は、水の噴射（水噴射）を燃料の噴射（燃料噴射）に先立って実行し、燃焼騒音レベルを低下させる。このとき、前述したように、燃焼騒音を構成する周波数成分の内の特定周波数帯に含まれる周波数成分が占める割合が高くなる虞がある。

そこで、この制御部は、
前記所定量の水が噴射されたと仮定して前記燃焼が発生する直前の時点における前記燃焼室内のガスの密度及び同ガスの比熱比に基づいて同ガスに発生する疎密波の共鳴周波数を推定する推定部と、
前記推定された共鳴周波数が所定の特定周波数帯に含まれる場合、前記水噴射弁によって噴射される水の量を前記所定量から減少させ、且つ、前記燃料噴射圧を低下させる噴射修正部と、
を備える。

このように本発明装置は、水の噴射（水噴射）を行った場合において、燃焼が発生する直前の時点に前記燃焼室内に存在しているガスに発生する疎密波の共鳴周波数を推定する。この共鳴周波数が所定の特定周波数帯（例えば、前述した「人間が燃焼騒音を不快に感じる５ｋＨｚから７ｋＨｚの範囲」）にあれば、燃焼騒音を構成する周波数成分の内の特定周波数帯に含まれる周波数成分が占める割合が高くなる。従って、本発明装置は、推定された共鳴周波数が所定の特定周波数帯に含まれる場合、前記水噴射弁によって噴射される水の量を減少させる。その結果、燃料騒音の周波数成分のうちの主たる成分の周波数が特定周波数帯から外れるので、人間にとって不快な燃焼騒音とならない。

その一方、噴射される水の量が減少されるので、全体の燃焼騒音レベルは「噴射される水の量が減少されない場合」に比して高くなる。そこで、本発明装置は、前記燃料噴射圧を低下させる。これにより、噴射される燃料の粒径が大きくなるので、燃料が霧化・気化するのに要する時間が長くなる。その結果、燃料の燃焼速度が低下するから、筒内圧が穏やかに上昇する。従って、噴射される水の量が減少されても、燃焼騒音レベルが過大になることを回避することができる。

本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置（本制御装置）が適用される内燃機関（本機関）の概略図である。 （Ａ）は本機関が備える燃料噴射弁及び水噴射弁の噴孔の正面図であり、（Ｂ）は燃焼室に噴射された水の様子を表す図であり、（Ｃ）は燃焼室に噴射された水及び燃料の様子を表す図である。 本機関から発生する燃焼騒音の周波数毎の強度を表すグラフである。 図１に示したＣＰＵが実行するルーチンを表すフローチャートである。 図１に示したＣＰＵが実行するルーチンを表すフローチャートである。 本制御装置が参照する構造減衰フィルタを表す表である。 本制御装置が参照するＡ特性フィルタを表す表である。 筒内ガスの組成の変化を表す模式図である。

＜構成＞
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置（以下、「本制御装置」とも称呼される。）について説明する。本制御装置は、図１に概略構成を示した機関１０に適用される。図１には機関１０が備える気筒の内の１つのみが図示されているが、気筒の数は内燃機関の設計に応じて任意の数とすることができる。本実施形態では、機関１０の気筒の数は「４」である。

機関１０は、ディーゼル機関である。機関１０は、機関本体部２０、吸気システム３０、排気システム４０、ＥＧＲシステム５０、燃料噴射弁６１、第１水噴射弁７１ａ及び第２水噴射弁７１ｂを含んでいる。

機関本体部２０は、シリンダブロック２１、シリンダヘッド２２及びピストン２３を含んでいる。機関本体部２０内部には、シリンダブロック２１、シリンダヘッド２２及びピストン２３によって燃焼室２４が形成されている。ピストン２３には、キャビティ２３ａが形成されている。

吸気システム３０は、吸気通路（吸気管）３１、吸気ポート３２及び吸気弁３３を含んでいる。吸気弁３３は、シリンダヘッド２２に配設され、図示しないインテークカムシャフトによって駆動されることにより「吸気ポート３２と燃焼室２４との連通部」を開閉するようになっている。

排気システム４０は、排気通路（排気管）４１、排気ポート４２、排気弁４３及び排ガス浄化装置４４を含んでいる。排気弁４３は、シリンダヘッド２２に配設され、図示しないエキゾーストカムシャフトによって駆動されることにより「排気ポート４２と燃焼室２４との連通部」を開閉するようになっている。

排ガス浄化装置（排ガス浄化触媒及びＤＰＦ等）４４は、排気通路４１に介装されている。排ガス浄化装置４４は、排ガス中のＮＯｘ等を浄化するとともに、パティキュレートマターを捕集する。

ＥＧＲシステム５０は、排気還流管５１及びＥＧＲ制御弁５２を含んでいる。排気還流管５１は排気通路４１を流れる排ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路３１へ還流させる。ＥＧＲ制御弁５２は、排気還流管５１に配設されている。ＥＧＲ制御弁５２は、後述するＥＣＵ８０の指示に応答して排気還流管５１を流れるＥＧＲガスの量を調整する。

燃料噴射弁６１は、各燃焼室２４を構成するシリンダヘッド２２の所定の部位に配設されている。燃料噴射弁６１には、サプライポンプ６２によって加圧された燃料が蓄圧室６３を介して供給される。サプライポンプ６２はＥＣＵ８０の指示に応答して吐出量を変更し、それにより、燃料噴射弁６１に供給される燃料の圧力（即ち、燃料が噴射される際の圧力である燃料噴射圧）を調整することができる。燃料噴射弁６１は、ＥＣＵ８０の指示に応答して開弁し、それにより燃焼室２４内に燃料を直接噴射する。

図２（Ａ）に示されるように、燃料噴射弁６１の先端部の周方向には８つの燃料噴孔、即ち、燃料噴孔６４ａ〜燃料噴孔６４ｈが等間隔に配設されている。そのため、図２（Ｃ）に示されるように、燃料噴射弁６１が開弁すると、燃料噴孔６４ａ〜燃料噴孔６４ｈから燃料がキャビティ２３ａの外縁２３ｂに向けて放射状に噴射されて霧化・気化し、燃料噴霧６５ａ〜燃料噴霧６５ｈのそれぞれを形成する。

図１に示されるように、第１水噴射弁７１ａ及び第２水噴射弁７１ｂのそれぞれは、各燃焼室２４を構成するシリンダヘッド２２の所定の部位に配設されている。第１水噴射弁７１ａ及び第２水噴射弁７１ｂのそれぞれには、図示しない加圧ポンプによって加圧された水が供給される。第１水噴射弁７１ａ及び第２水噴射弁７１ｂは、ＥＣＵ８０の指示に応じて燃焼室２４内に水を直接噴射する。なお、第１水噴射弁７１ａ及び第２水噴射弁７１ｂに供給される水の圧力（即ち、水が噴射される際の圧力である水噴射圧）は図示しないプレッシャレギュレータによって一定圧に調整されている。

図２（Ａ）に示されるように、第１水噴射弁７１ａの先端部の周方向には２つの水噴射孔、即ち、水噴孔７２ａ及び水噴孔７２ｂが配設されている。同様に、第２水噴射弁７１ｂの先端部の周方向には２つの水噴射孔、即ち、水噴孔７２ｃ及び水噴孔７２ｄが配設されている。そのため、図２（Ｂ）に示されるように、第１水噴射弁７１ａ及び第２水噴射弁７１ｂが開弁すると、水噴孔７２ａ〜水噴孔７２ｄから水がキャビティ２３ａの外縁２３ｂに向けて放射状に噴射されて霧化・気化し、水蒸気噴霧７３ａ〜水蒸気噴霧７３ｄのそれぞれを形成する。更に、その水蒸気噴霧７３ａ〜水蒸気噴霧７３ｄは広がり、図２（ｃ）に示したように、水蒸気噴霧７３ａ’〜水蒸気噴霧７３ｄ’となる。これらの水蒸気噴霧の周辺領域は、噴射された水の気化によって温度が低下する。従って、図２（ｃ）に示されるように、燃料噴霧６５ａ、６５ｃ、６５ｅ及び６５ｇのそれぞれは水噴射によって温度が低下した領域に到達し、残りの燃料噴霧６５ｂ、６５ｄ、６５ｆ及び６５ｈは温度が低下していない領域に到達する。

再び図１を参照すると、ＥＣＵ（電子制御ユニット）８０は、ＣＰＵ８１、ＣＰＵ８１が実行するプログラム及びマップ（ルックアップテーブル）等を記憶するＲＯＭ８２並びにデータを一時的に記憶するＲＡＭ８３を含んでいる。ＥＣＵ８０は、エアフローメータ９１、ＥＧＲ制御弁開度センサ９２、燃料圧力センサ９３、筒内圧センサ９４、クランク角度センサ９５及びアクセルペダル操作量センサ９６に接続され、これらのセンサからの信号を受信するようになっている。

エアフローメータ９１は、吸気通路３１内を通過する吸入空気（ＥＧＲガスを含まない新気）の質量流量（吸入空気量）を測定し、その吸入空気量Ｇａを表す信号を発生させる。更に、エアフローメータ９１は、吸入空気の温度（吸気温度）を測定し、その吸気温度Ｔｉを表す信号を発生させる。
ＥＧＲ制御弁開度センサ９２はＥＧＲ制御弁５２のＥＧＲ開弁率（開度）を測定し、そのＥＧＲ開弁率Ｒｅを表す信号を発生させる。

燃料圧力センサ９３は蓄圧室６３内の燃料の圧力を検出し、燃料噴射圧Ｆｐを表す信号を出力する。
筒内圧センサ９４は、各気筒の燃焼室２４毎に配設されている。筒内圧センサ９４は、燃焼室２４内の圧力（即ち、筒内圧）を検出し、筒内圧Ｐｃを表す信号を出力する。
クランク角度センサ９５は、機関１０の図示しないクランクシャフトの回転位置に応じた信号を発生させる。ＥＣＵ８０は、クランク角度センサ９５からの信号に基づいて機関１０の機関回転速度ＮＥを算出する。
アクセルペダル操作量センサ９６は、運転者により操作される図示しないアクセルペダルの操作量を検出し、アクセルペダル操作量Ａｃｃｐを表す信号を出力する。

＜作動の概要＞
次に、本制御装置の作動の概要について説明する。水噴射を行うことなく機関１０を運転している場合、運転状態によっては燃焼騒音が過大になる。例えば、図３の曲線ＣＬ１は、水噴射が行われない場合に燃焼騒音が過大となったときの燃焼騒音の各周波数成分の強度（レベル）を示している。この場合、燃焼騒音の各周波数成分の強度（レベル）の平均値は閾値騒音レベルＣＮｔｈよりも大きくなる。

このような場合、本制御装置は「第１水噴射弁７１ａ及び第２水噴射弁７１ｂ」から水を所定量だけ噴射させ、燃料噴霧６５ａ、６５ｃ、６５ｅ及び６５ｇ近傍の領域の温度を低下させる。その結果、温度が低下していない領域に形成される燃料噴霧６５ｂ、６５ｄ、６５ｆ及び６５ｈに含まれる燃料が先に着火し、その後、燃料噴霧６５ａ、６５ｃ、６５ｅ及び６５ｇに含まれる燃料が着火する。従って、水が噴射されない場合と比較して筒内圧Ｐｃの上昇が緩慢になるので燃料騒音レベルが低下する。その結果、燃焼騒音の各周波数成分の強度は曲線ＣＬ２に示したように小さくなる。即ち、燃焼騒音の各周波数成分の強度（レベル）の平均値は閾値騒音レベルＣＮｔｈよりも小さくなる。

ところが、水噴射を行わない場合における燃焼騒音のピークＰｍ１に対する周波数は第１周波数Ｆ１であったのに対し、所定量の水噴射を行うと燃焼騒音のピークＰｍ２に対する周波数は第２周波数Ｆ２へと変化する。このとき、第２周波数Ｆ２が前述した特定周波数帯（ｆ０〜ｆ１）内となると、人間はその燃焼騒音を不快と感じる。第２周波数Ｆ２は、燃焼室２４内でメイン噴射による燃料の燃焼が発生する直前における燃焼室２４内のガスの疎密波の共鳴周波数ｆｒと一致する。

そこで、本制御装置は、水を所定量噴射したときの共鳴周波数ｆｒを推定し、その推定した共鳴周波数ｆｒが特定周波数帯（ｆ０〜ｆ１）内になる場合、噴射する水の量を減量し、共鳴周波数ｆｒを特定周波数帯（ｆ０〜ｆ１）外へと移行させる。更に、この噴射される水の噴射量の減量によって、燃焼騒音の各周波数成分の強度（レベル）の平均値は閾値騒音レベルＣＮｔｈよりも大きくなる虞がある。

そこで、本制御装置は、噴射される水の噴射量を減量した場合、燃料噴射圧Ｆｐを所定圧だけ低下させる。これにより、噴射される燃料の粒径が大きくなるので、燃料が霧化・気化するのに要する時間が長くなる。そのため、燃料の燃焼速度が低下し、筒内圧Ｐｃが穏やかに上昇するので、燃焼騒音の各周波数成分の強度（レベル）の平均値は閾値騒音レベルＣＮｔｈ未満になる。

その結果、燃焼騒音の各周波数成分の強度は曲線ＣＬ３に示したように変化し、燃焼騒音のピークＰｍ３に対する周波数は第３周波数Ｆ３へと変化する。換言すれば、水噴射量の減少及び燃料噴射圧Ｆｐの低下によって各周波数成分の強度（レベル）の平均値を閾値騒音レベルＣＮｔｈ未満にすると共に、第３周波数Ｆ３を特定周波数帯（ｆ０〜ｆ１）外へ変化させることができる。以上が、本制御装置の作動の概要である。

＜具体的作動＞
次に、本制御装置の具体的作動について説明する。ＥＣＵ８０のＣＰＵ８１（以下、単に「ＣＰＵ」と称呼する。）は、所定時間が経過する毎に図４にフローチャートにより示した「噴射ルーチン」を気筒毎に実行するようになっている。以下、特定の気筒に着目して説明を続ける。

所定のタイミングになると、ＣＰＵは図４のステップ４００から処理を開始してステップ４１０に進み、現時点が噴射量計算時期（本例では、圧縮上死点前１８０°クランク角）であるか否かを判定する。現時点が噴射量計算時期でなければ、ＣＰＵはステップ４１０にて「Ｎｏ」と判定してステップ４３０に直接進む。

現時点が噴射量計算時期であると、ＣＰＵはステップ４１０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ４２０に進み、機関１０の負荷（本例では、アクセルペダル操作量Ａｃｃｐ）と機関回転速度ＮＥとを図示しないルックアップテーブルに適用し、これらに基づいてパイロット噴射量Ｑｐ及びメイン噴射量Ｑｍを決定する。なお、以下において、機関１０の負荷（本例では、アクセルペダル操作量Ａｃｃｐ）は、単に「機関負荷」と表記される。

次に、ＣＰＵはステップ４３０に進み、現時点がパイロット噴射時期（本例では、圧縮上死点前３０°クランク角）であるか否かを判定する。現時点がパイロット噴射時期でなければ、ＣＰＵはステップ４３０にて「Ｎｏ」と判定してステップ４５０に直接進む。

現時点がパイロット噴射時期であると、ＣＰＵはステップ４３０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ４４０に進み、別途計算されているパイロット噴射量Ｑｐに等しい量の燃料を燃料噴射弁６１から噴射させる。パイロット噴射によって噴射された燃料は、燃焼室２４内の高温・高圧の筒内ガスに曝され、着火する。即ち、パイロット燃焼が始まる。

次に、ＣＰＵはステップ４５０に進み、水噴射要求が発生しているか否かを、水噴射要求フラグＸｗの値が「１」であるか否かを判定することにより、判定する。水噴射要求フラグＸｗの値は、後述する図５に示したルーチンにより設定される。水噴射要求フラグＸｗの値が「１」でなければ（「０」であると）、ＣＰＵはステップ４５０にて「Ｎｏ」と判定し、ステップ４８０に直接進む。

これに対し、水噴射要求フラグＸｗの値が「１」であると（即ち、水噴射要求が発生していると）、ＣＰＵはステップ４５０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ４６０に進み、現時点が水噴射時期であるか否かを判定する。水噴射時期は、パイロット噴射時期よりも遅角側であり、後述するメイン噴射時期よりも進角側の時期（本例では、圧縮上死点前１５°クランク角）である。現時点が水噴射時期でなければ、ＣＰＵはステップ４６０にて「Ｎｏ」と判定してステップ４８０に直接進む。

現時点が水噴射時期であると、ＣＰＵはステップ４６０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ４７０に進み、別途計算されている水噴射量Ｑｗの半分の量の水を第１水噴射弁７１ａから噴射させ、水噴射量Ｑｗの残りの半分の量の水を第２水噴射弁７１ｂから噴射させる。この結果、水噴射量Ｑｗに等しい量の水が燃焼室２４内に噴射される。噴射された水は燃焼室２４内で気化し、燃焼室２４内の所定の領域の温度が低下する。

次に、ＣＰＵはステップ４８０に進み、現時点がメイン噴射時期（本例では、圧縮上死点後前５°クランク角）であるか否かを判定する。現時点がメイン噴射時期でなければ、ＣＰＵはステップ４８０にて「Ｎｏ」と判定し、ステップ４９５に直接進んで本ルーチンを一旦終了する。

現時点がメイン噴射時期であると、ＣＰＵはステップ４８０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ４９０に進み、この時点の燃料噴射圧（燃料噴射弁６１から燃料が噴射される際の燃料の圧力）を別途計算されている燃料噴射圧Ｆｐに一致させ、別途計算されているメイン噴射量Ｑｍに等しい量の燃料を燃料噴射弁６１から噴射させる。メイン噴射によって噴射された燃料は、パイロット燃焼によってパイロット噴射時よりも更に高温・高圧となった筒内ガスに曝され、着火する。即ち、主燃焼が始まる。その後、ＣＰＵはステップ４９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。

ＣＰＵは、更に、任意の気筒のクランク角が、その気筒の圧縮上死点前９０°クランク角になる毎に、その気筒に対して図５にフローチャートにより示した「燃焼騒音低減処理ルーチン」を実行するようになっている。

従って、ある気筒（以下、「特定気筒」とも称呼する。）のクランク角が、その特定気筒の圧縮上死点前９０°クランク角に一致すると、ＣＰＵは図５のステップ５００から処理を開始し、ステップ５０５に進む。ＣＰＵは、ステップ５０５にて、燃料噴射圧Ｆｐの基準値（即ち、基準燃料噴射圧）Ｆｐｓを、機関負荷と機関回転速度ＮＥとを図示しないルックアップテーブルに適用することにより決定する。

次に、ＣＰＵはステップ５１０に進み、現時点の「機関負荷及び機関回転速度ＮＥ」により定まる運転状態が、ＣＰＵが本ルーチンを前回実施した時点の運転状態（以下「前回の運転状態」と称呼する。）と実質的に同一であるか否かを判定する。実質的に同一であるとは、前回の運転状態の機関負荷と現時点の運転状態の機関負荷との差の大きさが第１所定値以内であり、且つ、前回の運転状態の機関回転速度ＮＥと現時点の運転状態の機関回転速度ＮＥとの差の大きさが第２所定値以内であることである。現時点の運転状態が前回の運転状態と実質的に同一でなければ、ＣＰＵはステップ５１０にて「Ｎｏ」と判定し、以下に述べるステップ５１５乃至ステップ５２５の処理を順に行い、ステップ５９９に進んで本ルーチンを一旦終了する。

ステップ５１５：ＣＰＵは、水噴射要求フラグＸｗの値を「０」に設定する。
ステップ５２０：ＣＰＵは、水噴射量Ｑｗを「０」に設定する。
ステップ５２５：ＣＰＵは、燃料噴射圧Ｆｐを基準燃料噴射圧Ｆｐｓに設定する。

これに対し、ＣＰＵがステップ５１０の処理を実行する時点において、現時点の運転状態が前回の運転状態と実質的に同一であると、ＣＰＵはステップ５３０に進み、本ルーチンを前回実行した時点において特定気筒に対して水が噴射されていなかったか否かを判定する。水噴射がなされていなければ、ＣＰＵはステップ５３０にて「Ｙｅｓ」と判定し、ステップ５３５に進んで燃焼騒音レベルＣＮを算出する。燃焼騒音レベルＣＮの算出方法については後述する。

次に、ＣＰＵはステップ５４０にて、燃焼騒音レベルＣＮが閾値騒音レベルＣＮｔｈよりも大きいか否かを判定する。燃焼騒音レベルＣＮが閾値騒音レベルＣＮｔｈよりも小さければ、ＣＰＵはステップ５４０にて「Ｎｏ」と判定し、上述したステップ５１５乃至ステップ５２５の処理を順に行って本ルーチンを一旦終了する。これに対し、燃焼騒音レベルＣＮが閾値騒音レベルＣＮｔｈよりも大きければ、ＣＰＵは以下に述べるステップ５４５乃至ステップ５６０の処理を順に行い、ステップ５６５に進む。

ステップ５４５：ＣＰＵは、水噴射要求フラグＸｗの値を「１」に設定する。
ステップ５５０：ＣＰＵは、燃焼騒音レベルＣＮから閾値騒音レベルＣＮｔｈを減じた値を騒音レベル差ΔＣＮとして求める。
ステップ５５５：ＣＰＵは、騒音レベル差ΔＣＮ、機関回転速度ＮＥ及びメイン噴射量ＱｍをルックアップテーブルＭａｐＡに適用することによって、水噴射量の基準値Ｑｗｓを決定する。このテーブルＭａｐＡは、機関回転速度ＮＥ及びメイン噴射量Ｑｍの運転状態において騒音レベル差ΔＣＮを「０」にするために必要な水噴射量を事前実験により求め、そのデータに基づいて定められたテーブルである。テーブルＭａｐＡによれば、水噴射量の基準値Ｑｗｓは、騒音レベル差ΔＣＮが大きいほど大きくなるように決定される。
ステップ５６０：ＣＰＵは、燃焼室２４内で燃焼が発生する直前における燃焼室２４内のガスの疎密波の共鳴周波数ｆｒを算出（推定）する。共鳴周波数ｆｒの算出方法については後述する。

次に、ＣＰＵはステップ５６５に進み、共鳴周波数ｆｒが「前述した人間にとって不快と感じられる特定周波数帯（ｆ０〜ｆ１）」内であるか否かを判定する。共鳴周波数ｆｒが特定周波数帯（ｆ０〜ｆ１）内でない場合、ＣＰＵはステップ５６５にて「Ｎｏ」と判定し、以下に述べるステップ５７０及びステップ５７５の処理を順に行い、その後、本ルーチンを一旦終了する。

ステップ５７０：ＣＰＵは、水噴射量Ｑｗを水噴射量の基準値Ｑｗｓに設定する。
ステップ５２５：ＣＰＵは、燃料噴射圧Ｆｐを基準燃料噴射圧Ｆｐｓに設定する。

これに対し、ＣＰＵがステップ５６５の処理を実行する時点において、共鳴周波数ｆｒが特定周波数帯（ｆ０〜ｆ１）内である場合、ＣＰＵはステップ５６５にて「Ｙｅｓ」と判定し、以下に述べるステップ５７７乃至ステップ５９５の処理を順に行い、その後、本ルーチンを一旦終了する。

ステップ５７７：ＣＰＵは、特定周波数帯の上限周波数ｆ１から共鳴周波数ｆｒを減じることにより周波数差Δｆを算出する。
ステップ５８０：ＣＰＵは、周波数差Δｆ、機関回転速度ＮＥ及びメイン噴射量Ｑｍを、ルックアップテーブルＭａｐＢに適用して、水噴射量の補正量ΔＱｗを求める。テーブルＭａｐＢは、水噴射量を「基準値Ｑｗｓから補正量ΔＱｗを減じた量」に設定することによって共鳴周波数ｆｒが上限周波数ｆ１よりも高くなるように補正量ΔＱｗを機関回転速度ＮＥ及びメイン噴射量Ｑｍに対して事前実験により求め、そのデータに基づいて作成されている。

ステップ５８５：ＣＰＵは、水噴射量の基準値Ｑｗｓから補正量ΔＱｗを減じることにより水噴射量Ｑｗを算出する。
ステップ５９０：ＣＰＵは、騒音レベル差ΔＣＮ、機関回転速度ＮＥ及びメイン噴射量Ｑｍを、ルックアップテーブルＭａｐＣに適用して、燃料噴射圧の補正量ΔＦｐを求める。テーブルＭａｐＣは、水噴射量が基準値Ｑｗｓから補正量ΔＱｗだけ減じられた結果として大きくなる燃焼騒音レベルＣＮが閾値騒音レベルＣＮｔｈ以下となるように、補正量ΔＦｐを機関回転速度ＮＥ及びメイン噴射量Ｑｍに対して事前実験により求め、そのデータに基づいて作成されている。
ステップ５９５：ＣＰＵは、基準燃料噴射圧Ｆｐｓから燃料噴射圧の補正量ΔＦｐを減じた値を燃料噴射圧Ｆｐとして設定する。

なお、ＣＰＵが本ルーチンを前回実行した時点において特定気筒に対して水が噴射されていれば、ＣＰＵは、ステップ５３０にて「Ｎｏ」と判定してステップ５９９に進んで本ルーチンを一旦終了する。

以上の結果、水噴射を行わない場合に燃焼騒音レベルＣＮが閾値騒音レベルＣＮｔｈを超える場合には、水噴射量の基準値Ｑｗｓに等しい量の水が噴射される。但し、その水噴射によって燃焼室２４内のガスの疎密波の共鳴周波数ｆｒが特定周波数帯（ｆ０〜ｆ１）内に入ることが予想される場合には水噴射量が「基準値Ｑｗｓから補正量ΔＱｗだけ減じられた量」に設定される。更に、その場合、燃焼騒音レベルＣＮが閾値騒音レベルＣＮｔｈを超える虞があるので、燃料噴射圧Ｆｐが「基準燃料噴射圧Ｆｐｓから燃料噴射圧の補正量ΔＦｐを減じた値」に設定される。この結果、共鳴周波数ｆｒは特定周波数帯（ｆ０〜ｆ１）よりも大きくなり、且つ、燃焼騒音レベルＣＮは閾値騒音レベルＣＮｔｈ以下となる。

＜燃焼騒音レベルの算出＞
ＣＰＵは、燃焼騒音レベルＣＮ及び共鳴周波数ｆｒを次のようにして算出する。

（１）筒内圧Ｐｃの取得（サンプリング）
ＣＰＵは、クランク角が「圧縮上死点前１８０°クランク角（ＢＴＤＣ１８０°）からパイロット燃焼及び主燃焼を経て圧縮上死点後１８０°クランク角（ＡＴＤＣ１８０°）まで」変化する間の筒内圧Ｐｃを微小な所定クランク角ΔＣＡ毎に取得し、クランク角に対応させながらＲＡＭ８３に記憶する。

（２）周波数分布の取得
ＣＰＵは、取得した筒内圧Ｐｃに対して周知のＦＦＴ(Fast Fourier Transform)を適用し、筒内圧Ｐｃの変動（即ち、燃焼室２４内に発生した筒内ガスの疎密波）を構成する周波数分布（各周波数における疎密波の強度・レベル）を取得する。

（３）構造減衰フィルタの適用
ＣＰＵは、筒内圧Ｐｃの変動を構成する周波数分布に対して構造減衰フィルタを適用する。より具体的に述べると、燃焼室２４内における燃料の燃焼に伴って発生する筒内圧Ｐｃの変動は、シリンダブロック２１及びシリンダヘッド２２等（即ち、機関本体部２０）を振動させる。更に、機関本体部２０の振動が機関１０周辺の空気に伝わることによって燃焼騒音が発生する。

筒内圧Ｐｃの変動が機関１０周辺の空気に伝わる際に減衰が発生するが、減衰の程度は周波数によって異なる。構造減衰フィルタは各周波数に対する減衰の程度を表している。構造減衰フィルタは、図６に示したように、周波数Ｆａ（ｋ）毎の補正値（構造減衰補正値）Ｍ（ｋ）によって構成されている。構造減衰フィルタはルックアップテーブルの形式にて予めＲＯＭ８２に記憶されている。

ＣＰＵは、筒内圧Ｐｃの変動を構成する周波数分布に含まれる各周波数成分の大きさに対して、対応する構造減衰補正値を加えることによって、筒内圧Ｐｃの変動を構成する周波数分布に対して構造減衰フィルタを適用する。その結果、燃焼騒音の周波数分布が得られる。

（４）Ａ特性フィルタの適用
ＣＰＵは、燃焼騒音の周波数分布に対してＡ特性フィルタを適用する。より具体的に述べると、人間の聴覚は周波数毎に感度（敏感さ）が異なるので、音量（音圧）が同じであっても周波数が異なると人間は音量が異なると感じる。そこで、ＣＰＵは、Ａ特性フィルタを適用することによって燃焼騒音を構成する各周波数成分を人間の聴覚の感度に応じて補正する。

Ａ特性フィルタは各周波数に対する人間の聴覚の感度を表している。Ａ特性フィルタは、構造減衰フィルタと同様、図７に示したように、周波数Ｆａ（ｋ）毎の補正値（Ａ特性補正値）Ｌ（ｋ）によって構成されている。Ａ特性補正値のそれぞれは、ＪＩＳ Ｃ １５０９に基づいている。Ａ特性フィルタはルックアップテーブルの形式にて予めＲＯＭ８２に記憶されている。

ＣＰＵは、構造減衰フィルタを適用して得られた「燃焼騒音の周波数分布」に含まれる各周波数成分の大きさに対してＡ特性補正値を加えることによって、燃焼騒音の周波数分布に対して構造減衰フィルタを適用する。その結果、人間の聴覚によって認識される燃焼騒音の周波数分布が得られる。

（５）燃焼騒音レベルＣＮの算出
ＣＰＵは、上述の処理によって得られた聴感上の周波数分布の２０Ｈｚから２０ｋＨｚまで範囲（即ち、人間の可聴域）に含まれる値の平均値を燃焼騒音レベルＣＮとして算出する。燃焼騒音レベルＣＮは、人間の聴覚が感知する機関１０の燃焼騒音の大きさ（音量）に相当する。

＜共鳴周波数の算出＞
燃焼騒音は主燃焼発生時に最も大きくなるので（即ち、燃焼騒音に対する寄与はパイロット燃焼よりも主燃焼の方が大きいので）、ＣＰＵは、メイン噴射の開始時（即ち、主燃焼の発生直前）の共鳴周波数ｆｒを算出する。ＣＰＵは、共鳴周波数ｆｒを下記の（１）式に基づいて算出する。（１）式において、ｃは筒内ガスの振動の伝播速度（即ち、音速）であり、ｄは燃焼室２４の直径である。

ＣＰＵは、上記（１）式で使用される筒内ガスの振動の伝播速度（即ち、音速）ｃを下記の（２）式に基づいて算出する。（２）式において、κは筒内ガスの比熱比であり、ρは筒内ガスの密度である。

メイン噴射開始時の密度ρは、メイン噴射開始時における筒内ガスの質量Ｍを燃焼室２４の容積Ｖｃで除することによって算出される（即ち、ρ＝Ｍ／Ｖｃ）。この容積Ｖｃはメイン噴射開始時のクランク角に基づいて算出することができる。一方、筒内ガスの質量Ｍは「筒内ガスを構成する各成分の物質量」と「各成分の単位物質量あたりの質量」とに基づいて算出することができる。各成分の単位物質量あたりの質量は周知であるから、筒内ガスの質量Ｍを求めるためには、ＣＰＵは筒内ガスを構成する各成分の物質量を取得する必要がある。そこで、以下、筒内ガスを構成する各成分の物質量の求め方について説明する。

筒内ガスの組成は燃焼サイクルの進行にともなって変化する。即ち、吸気工程において燃焼室２４内に新気とＥＧＲガスとが導入される（図８（１））。新気は主に窒素（Ｎ_２）及び酸素（Ｏ_２）から構成され、更に、微量の二酸化炭素（ＣＯ_２）及び水蒸気（Ｈ_２Ｏ）等を含んでいる。新気を構成する各成分の比率は周知である。新気の流入量は、吸入空気量Ｇａに基づいて算出することができる。

一方、ＥＧＲガスは新気と比較して、二酸化炭素及び水蒸気が占める割合が大きい一方、酸素が占める割合が小さい。ＥＧＲガスの組成については後述する。新気とＥＧＲガスとの比率（ＥＧＲ率）はＥＧＲ開弁率Ｒｅから算出することができる。従って、ＥＧＲガスの流入量は、新気の流入量とＥＧＲ率とに基づいて算出することができる。

その後、パイロット燃焼によって、筒内ガスに含まれる酸素が減少する一方、二酸化炭素及び水蒸気が増加する（図８（２））。パイロット燃焼における酸素の減少量、及び、二酸化炭素及び水蒸気の増加量は、パイロット噴射量Ｑｐに基づいて算出することができる。

更に、水噴射によって燃焼室２４内の水蒸気が増加する（図８（３））。水噴射時における水蒸気の増加量は、水噴射量Ｑｗに基づいて算出することができる。

その後、主燃焼によって、筒内ガスは酸素が減少する一方、二酸化炭素及び水蒸気が増加する（図８（４））。主燃焼における酸素の減少量、及び、二酸化炭素及び水蒸気の増加量は、メイン噴射量Ｑｍに基づいて算出することができる。

排気行程において筒内ガス（燃焼ガス）は燃焼室２４から排気ポート４２へ排出される。排出された燃焼ガスの多くは、排ガスとして排ガス浄化装置４４を経て大気へ排出される一方、残りの燃焼ガスは、ＥＧＲガスとして次の吸気工程において燃焼室２４内へ再循環される。従って、上述した燃焼室２４内に導入されるＥＧＲガスの組成は、１つ前のサイクルの主燃焼終了時における燃焼ガスの組成に略等しい。

従って、筒内ガスの質量Ｍは、メイン噴射開始時のクランク角、吸入空気量Ｇａ、ＥＧＲ開弁率Ｒｅ、パイロット噴射量Ｑｐ、水噴射量Ｑｗ及びメイン噴射量Ｑｍに基づいて算出することができる。即ち、ＣＰＵは、これらのパラメータに基づいてメイン噴射開始直前の密度ρを算出する。

一方、上記（２）式において使用されるメイン噴射開始時の比熱比κは、「筒内ガスを構成する各成分の物質量」と「各成分の比熱比」とに基づいて算出することができる。特定の温度（例えば、２０°Ｃ）における各成分の比熱比は周知である一方、比熱比は温度に応じて変化する。換言すれば、比熱比κは、「筒内ガスを構成する各成分の物質量」と「メイン噴射開始時の筒内ガスの温度」とに基づいて算出することができる。

メイン噴射開始時の筒内ガスの温度は、吸気温度Ｔｉ、燃焼室２４の容積Ｖｃ（具体的には、吸気弁３３閉弁時の容積Ｖｃ及びメイン噴射開始時の容積Ｖｃ）及びメイン噴射開始時の筒内圧Ｐｃに基づいて算出することができる。即ち、ＣＰＵは、これらのパラメータに基づいてメイン噴射開始直前の比熱比κを算出する。以上により、共鳴周波数ｆｒが推定される。

＜その他＞
なお、水噴射量Ｑｗを増加させることによって共鳴周波数ｆｒを更に低下させ、その結果、共鳴周波数ｆｒが特定周波数帯に含まれないようにすることも可能である。しかし、水噴射量Ｑｗの増加に伴って燃焼室２４内の水蒸気濃度が上昇するので燃焼室２４及び排気通路４１等の腐食が促進される可能性がある。加えて、水噴射量Ｑｗが増加すると、第１水噴射弁７１ａ又は第２水噴射弁７１ｂの閉弁時、第１水噴射弁７１ａ又は第２水噴射弁７１ｂ内部において加圧された水流の急停止に伴う衝撃（所謂、ウォーターハンマー現象）が発生し、第１水噴射弁７１ａ又は第２水噴射弁７１ｂの劣化が促進される可能性がある。そのため、ＥＣＵ８０は、共鳴周波数ｆｒが特定周波数帯（ｆ０〜ｆ１）内に入ることが予想される場合には水噴射量Ｑｗを減少させる。

以上、説明したように、本制御装置は、
燃焼室（２４）内に燃料を噴射する燃料噴射弁（６１）及び同燃料噴射弁から同燃料が噴射される際の燃料の圧力である燃料噴射圧（Ｆｐ）を調整することが可能な燃料噴射圧調整装置（サプライポンプ６２）を含む燃料噴射装置と、
前記燃焼室内に水を噴射する水噴射弁（第１水噴射弁７１ａ及び第２水噴射弁７１ｂ）を含む水噴射装置と、
を備える内燃機関（１０）に適用され、
前記水噴射弁から所定量の前記水を噴射させる指示を前記水噴射弁に与え（図４のステップ４７０）、前記燃料噴射弁から前記燃料を噴射させる指示を前記燃料噴射弁に与えて（図４のステップ４９０）前記燃焼室内において前記燃料の燃焼を発生させる制御部（ＥＣＵ８０）、を有する内燃機関の制御装置において、
前記制御部は、
前記所定量の水が噴射されたと仮定して前記燃焼が発生する直前の時点における前記燃焼室内のガスの密度（ρ）及び同ガスの比熱比（κ）に基づいて同ガスに発生する疎密波の共鳴周波数を推定する（図５のステップ５６０）推定部と、
前記推定された共鳴周波数が所定の特定周波数帯に含まれる場合（図５のステップ５６５にて「Ｙｅｓ」と判定される場合）、前記水噴射弁によって噴射される水の量を前記所定量から減少させ（図５のステップ５５５、ステップ５８０及びステップ５８５）、且つ、前記燃料噴射圧を低下させる（図５のステップ５０５、ステップ５９０及びステップ５９５）噴射修正部と、
を備えている。

本制御装置によれば、燃焼室２４内への水噴射によって燃焼騒音レベルが過大になることを回避する一方、人間にとって不快な燃焼騒音の発生を抑制することができる。

本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、本実施形態において、ＥＣＵ８０は、メイン噴射に先立ちパイロット噴射を１回実行していた。しかし、ＥＣＵ８０は、パイロット噴射を２回以上実行しても良い。或いは、ＥＣＵ８０は、メイン噴射の後、アフター噴射及び／又はポスト噴射を実行しても良い。更に、ＥＣＵ８０は、パイロット噴射を実行することなくメイン噴射のみを実行しても良い。

加えて、ＥＣＵ８０は、クランク角がＢＴＤＣ１８０°からＡＴＤＣ１８０°まで変化する間の筒内圧Ｐｃに対してＦＦＴを適用していた。しかし、ＥＣＵ８０は、ＦＦＴの対象となるクランク角の範囲を「ＢＴＤＣ１８０°からＡＴＤＣ１８０°まで」よりも狭くしても良い。

機関…１０、機関本体部…２０、吸気システム…３０、排気システム…４０、ＥＧＲシステム…５０、燃料噴射弁…６１、燃料噴孔…６４ａ〜６４ｈ、水噴射弁…７１ａ、７１ｂ、水噴孔…７２ａ〜７２ｄ。

Claims (1)

1. 燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁及び同燃料噴射弁から同燃料が噴射される際の燃料の圧力である燃料噴射圧を調整することが可能な燃料噴射圧調整装置を含む燃料噴射装置と、
   前記燃焼室内に水を噴射する水噴射弁を含む水噴射装置と、
   を備える内燃機関に適用され、
   前記水噴射弁から所定量の前記水を噴射させる指示を前記水噴射弁に与え、前記燃料噴射弁から前記燃料を噴射させる指示を前記燃料噴射弁に与えて前記燃焼室内において前記燃料の燃焼を発生させる制御部、を有する内燃機関の制御装置において、
   前記制御部は、
   前記所定量の水が噴射されたと仮定して前記燃焼が発生する直前の時点における前記燃焼室内のガスの密度及び同ガスの比熱比に基づいて同ガスに発生する疎密波の共鳴周波数を推定する推定部と、
   前記推定された共鳴周波数が所定の特定周波数帯に含まれる場合、前記水噴射弁によって噴射される水の量を前記所定量から減少させ、且つ、前記燃料噴射圧を低下させる噴射修正部と、
   を備える内燃機関の制御装置。
   

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