JP2016148289A

JP2016148289A - 燃料噴射制御装置

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Publication number: JP2016148289A
Application number: JP2015025670A
Authority: JP
Inventors: 弘行南條; Hiroyuki Nanjo
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-02-12
Filing date: 2015-02-12
Publication date: 2016-08-18
Anticipated expiration: 2035-02-12
Also published as: DE102016101288B4; JP6332071B2; DE102016101288A1

Abstract

【課題】スモークの悪化および燃焼騒音の悪化の双方を抑制することのできる燃料噴射制御装置を提供する。【解決手段】ＥＣＵ３６は、エンジン１０への燃料の噴射状態を制御するように構成され、エンジン１０の燃焼騒音が目標騒音レベルを超えないような目標熱発生率の時間推移を決定する目標熱発生率決定手段８０と、吸気行程においてエンジン１０に供給される吸気酸素濃度、および燃焼行程中の毎時刻の酸素消費量に基づいて、目標熱発生率となるような燃焼がなされたと仮定した場合の、燃焼行程中の筒内残存酸素濃度の時間推移を推定する残存酸素濃度推定手段９０と、推定した筒内残存酸素濃度の時間推移に基づいて目標噴射率の時間推移を決定する目標噴射率決定手段１００と、エンジン１０への燃料の噴射率の時間推移が目標噴射率の時間推移となるように噴射制御する駆動回路１３０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関への燃料の噴射状態を制御する燃料噴射制御装置に関する。

一般に、内燃機関へ噴射した燃料量に見合った酸素量が筒内に残っていない場合などに発生する燃料の不完全燃焼に起因して生じるスモーク悪化および未燃燃料の悪化という課題に対する解決手段として、特許文献１に開示のものが知られている。特許文献１に記載の技術は、吸気時の酸素濃度を計測し、その酸素濃度が所定基準濃度より少ない場合には噴射時期を進角させることで未燃燃料およびスモークの抑制を図るものである。

特開２０１１−９９３４４号公報

ここで、一般に内燃機関の燃焼過程において発生する燃焼騒音は熱発生率の傾きと相関関係があり、熱発生率の傾きを小さくすれば燃焼騒音を低減できる。特許文献１に記載されているように未燃燃料およびスモークの悪化を抑制するために噴射時期を進角させると、燃焼における熱発生率の傾きが大きくなる傾向にあるが、特許文献１に記載の技術においては熱発生率の傾きについては何ら制御されていない。そのため、目標騒音レベルに対して大きな燃焼騒音が発生してしまうおそれがある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、未燃燃料およびスモークの悪化と燃焼騒音の悪化の双方を抑制することのできる燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。

本発明のひとつである燃料噴射制御装置は、内燃機関（１０）への燃料の噴射状態を制御するように構成される燃料噴射制御装置であって、内燃機関の燃焼騒音が目標騒音レベルを超えないような目標熱発生率の時間推移を決定する目標熱発生率決定手段（８０）と、吸気行程において内燃機関に供給される吸気酸素濃度、および燃焼行程中の毎時刻の酸素消費量に基づいて、目標熱発生率となるような燃焼がなされたと仮定した場合の、燃焼行程中の筒内残存酸素濃度の時間推移を推定する残存酸素濃度推定手段（９０）と、推定した筒内残存酸素濃度の時間推移に基づいて目標噴射率の時間推移を決定する目標噴射率決定手段（１００）と、内燃機関への燃料の噴射率の時間推移が目標噴射率の時間推移となるように噴射制御する第１制御手段（１３０）とを備えることを特徴とする。

本発明の燃料噴射制御装置によれば、目標騒音レベルを超えないような目標熱発生率の時間推移となるような筒内残存酸素濃度の時間推移を推定している。また、筒内残存酸素濃度の時間推移に基づいて目標噴射率の時間推移を決定し、噴射率の時間推移が目標噴射率の時間推移となるように噴射制御が実行される。そのため、燃焼騒音が目標騒音レベルを超えないような噴射制御を行うことができる。また、燃焼行程中の筒内残存酸素濃度の時間推移に基づいて噴射制御を実行する。そのため、燃焼行程中の時々刻々の筒内残存酸素濃度に見合った噴射を実行させることができ、噴射した燃料量に対して筒内残存酸素量が大幅に少ないという状況を回避することができ、未燃燃料およびスモークの悪化を抑制できる。以上より、本発明によれば、未燃燃料およびスモークの悪化と燃焼騒音の悪化の双方を抑制することが可能となる。

なお、特許請求の範囲における括弧内の符号は、記載内容の理解を容易にすべく、後述する実施形態において対応する構成を例示するものに留まり、発明の内容を限定することを意図したものではない。

燃料噴射システムのシステム構成図噴射指令信号と熱発生率の説明図第１実施形態におけるＥＣＵの処理フローエンジン回転数、アクセル開度、および目標熱発生率傾きのマップ熱発生率傾きの定義の説明図目標熱発生率決定手段の説明図酸素濃度と燃焼速度のマップ任意の運転状況下における各種パラメータの時間推移

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について、図に基づき説明する。本実施形態では、図１に示すように、内燃機関として、多気筒ディーゼルエンジン１０（以下、エンジン１０という）を採用し、エンジン１０にＥＣＵ３６を適用した燃料噴射システム１１を例示する。なお、エンジン１０が特許請求の範囲における「内燃機関」に相当する。

図１に示すように、エンジン１０は、シリンダブロック１２にピストン（図示せず）が往復動自在に収容されて構成されている。シリンダブロック１２の上端面（紙面手前側）には、図示しないシリンダヘッドが設けられている。シリンダヘッドには、燃焼室１６に開口する吸気ポート２０および排気ポート２２が形成されている。これら吸気ポート２０および排気ポート２２には、それぞれ図示しない吸気弁および排気弁が設けられている。排気弁および吸気弁は吸気量および排気量を調整する役割を担う。

吸気ポート２０には、外気を吸入するための吸気管２８が接続されている。吸気弁が吸気ポート２０を開放する吸入行程の際にピストンがシリンダ内を降下して負圧が生じる。これにより、吸気管２８より吸入された外気が吸気ポート２０を介してシリンダ内へ流入する。

排気ポート２２には、燃焼ガスを排出するための排気管３０が接続されている。排気弁が排気ポート２２を開放する排気行程の際に、ピストンの上昇により燃焼室１６から押し出された排気ガスが、排気ポート２２を介して排気管３０へ排出されるようになっている。

ＥＣＵ３６により、エンジン１０に供給される燃料（軽油）の噴射圧、噴射量および噴射時期が制御されるようになっている。

燃料噴射システム１１は、燃料を蓄圧保持可能なコモンレール３２、コモンレール３２から圧送された燃料をエンジン１０の各気筒の燃焼室１６にそれぞれ噴射する複数の燃料噴射弁３４、およびコモンレール３２と燃料噴射弁３４を制御するＥＣＵ３６を備える。

燃料噴射弁３４は、各気筒に対応して設けられており、ＥＣＵ３６によって電子制御される。燃料噴射弁３４の開弁動作によって、燃料を各気筒内に燃料を噴射する。

コモンレール３２には、図示しない燃料配管を介して各気筒の燃料噴射弁３４が接続されている。コモンレール３２内の燃料は、各燃料配管を通じて、燃料噴射弁３４へ分配供給される。

ＥＣＵ３６はＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を有するマイコン３６１を備えている。ＥＣＵ３６には、各種センサから出力される検出信号が入力され、これらの検出信号に基づいてエンジン１０の運転状態を検知する。マイコン３６１は、ＲＯＭ等の記憶媒体に記憶された制御プログラムを実行することにより、後述する目標熱発生率傾き決定手段６０、目標熱発生量決定手段７０、目標熱発生率決定手段８０、残存酸素濃度推定手段９０、目標噴射率決定手段１００、および噴射指令信号設定手段１１０、燃焼速度決定手段１２０として機能する。

クランク角センサ４６は、複数のパルス信号である回転角信号をＥＣＵ３６に対して出力する。ＥＣＵ３６は、回転角信号に基づいてエンジン１０の回転数ＮＥおよびクランク角度を検知する。また、アクセル開度センサ４７は、アクセル開度信号をＥＣＵ３６に対して出力する。筒内圧センサ５５は、エンジン１０の１つの気筒に対して取り付けられ、燃焼室１６内の筒内圧Ｐｉｎに対応した出力信号をＥＣＵ３６へ出力する。

吸気管２８および排気管３０には過給器５０が設けられている。過給器５０は、エンジン１０の排ガスからエネルギを回収して動力に変換し、回収した動力にてエンジン１０の吸気管２８を流れる吸入空気を加圧するものである。過給器５０によってエンジン１０に供給する空気量を増やすことができ、それに伴って燃焼可能な燃料の量が増えることでエンジン１０の出力を増大させることができる。本実施形態では、過給器５０として、排気管３０に設けられて排気ガスのエネルギにより駆動されるタービンホイール５１およびエンジン１０の吸気管２８に設けられてタービンホイール５１の回転トルクにより駆動されるコンプレッサホイール５２を有するターボチャージャを採用している。タービンホイール５１およびコンプレッサホイール５２は、タービンシャフト５３を介して連結されている。

過給圧センサ５４は、吸気管２８の下流側に配置されており、実過給圧Ｐｂを検出し、それに応じた出力信号をＥＣＵ３６へ出力する。

吸気管２８の上流側には、スロットル弁７が設けられており、スロットル弁７にはこれを駆動するアクチュエータ８が連結されている。アクチュエータ８は、モータやギア機構（いずれも図示せず）などで構成されており、その動作がＥＣＵ３６からの制御信号で制御されることにより、スロットル弁７の開度ＴＨが変化する。スロットル開度ＴＨの変化に応じて燃焼室１６に吸入される吸気酸素濃度Ｖｏが制御される。開度ＴＨおよびそれに対応した吸気酸素濃度Ｖｏは、スロットル弁開度センサ２３によって検出される。

次に、ＥＣＵ３６による燃料噴射弁３４からの燃料の噴射制御について説明する。なお、ＥＣＵ３６が特許請求の範囲における「燃料噴射制御装置」に相当する。

ＥＣＵ３６による噴射制御は、燃料噴射弁３４からの燃料の噴射量および噴射時期を制御することで行われる。ＥＣＵ３６は、エンジン１０の運転状態に基づいて最適な噴射量及び噴射時期を演算し、その演算結果に基づいて燃料噴射弁３４の燃料噴射を制御する。具体的には、この噴射制御は、燃料の噴射量及び噴射時期を規定するパルス信号（噴射パルス）により、燃料噴射弁３４に供給される電力を制御することで行われる。

本実施形態において実施される噴射制御は、図２に示される。図２上段は噴射パルスのタイミングチャート、図２下段は燃焼室１６内の熱発生率を示している。なお、横軸はクランク角度を示している。図２に示すように、ＥＣＵ３６はトルクの生成を目的とするメイン噴射に先立って、メイン噴射よりも少ない噴射量でパイロット噴射を燃料噴射弁３４に実行させる。すなわち、ＥＣＵ３６は、１燃焼サイクルの燃焼行程において、パイロット噴射およびメイン噴射の多段噴射を燃料噴射弁３４に実行させる。なお、図２に示すように、パイロット噴射はメイン噴射よりも噴射する燃料量は少ないため、熱発生率の波高値も小さい。また、本実施形態では、メイン噴射において要求される噴射量（要求されるトルクに基づく噴射量）を複数回に分割し、かつ短いインターバルで噴射させる。たとえば図３に示すものは、メイン噴射において要求される噴射量を３回に分割し、１回目、２回目、および３回目の噴射量割合を２：３：５となるように分割して、３回の噴射のインターバルを極めて短くして噴射する。噴射量の分割割合は所望の噴射条件によって決まる。

ＥＣＵ３６は、燃焼室１６内において発生する燃焼騒音が目標騒音レベルとなるように燃料噴射弁３４に対して噴射制御を実行する。以下、具体的な処理内容を図３に基づいて説明する。

まずＳ１０１において、現在の運転条件（回転数ＮＥ、アクセル開度など）を取得する。Ｓ１０２において運転条件を取得すると、Ｓ１０３に進む。

Ｓ１０２では、予めＥＣＵ３６に記憶されているマップに基づいて、取得した運転条件に応じた目標熱発生率傾きθｔを決定する。具体的には、マイコン３６１内の目標熱発生率傾き決定手段６０において、図４に示すような回転数ＮＥおよびアクセル開度をパラメータとする目標熱発生率傾きθｔのマップが予め記憶されている。このマップは、回転数ＮＥおよびアクセル開度をパラメータとする、燃焼騒音の目標騒音レベルに対応して作成されているものである。目標熱発生率傾きθｔより大きな目標熱発生率傾きとなるような燃焼が行われた場合、目標騒音レベルより大きな燃焼騒音が発生する。つまり、目標熱発生率傾きθｔとなるような燃焼が行われれば、燃焼騒音を目標騒音レベルにとどめることができる。Ｓ１０２において目標熱発生率傾きθｔを決定すると、目標熱発生率傾き決定手段６０は目標熱発生率決定手段８０に対して、決定した目標熱発生率傾きθｔに関する信号を送信する。目標熱発生率傾きθｔに関する信号を送信後、Ｓ１０３に進む。

ここで、目標熱発生率傾きθｔの定義について説明する。図５に示すように、１回目の噴射に伴う燃焼開始時点の熱発生率ＨＲＲＯの点（以下、ゼロ点という）と、最後の噴射である３回目の噴射に伴う燃焼における最大熱発生率ＨＲＲｍａｘの点とを結んだ線分Ｌ１の傾きが目標熱発生率傾きθｔである。

Ｓ１０３では、Ｓ１０１にて取得された運転条件に応じて、目標熱発生量Ｑｔを算出する。具体的には、マイコン３６１内の目標熱発生量決定手段７０において、以下の数１を用いて目標熱発生量Ｑｔが算出される。

（数１）
Ｑｔ＝α×Ｑｉｎｊ
αは、単位燃料あたりの燃焼量であり、Ｑｉｎｊは、運転条件に基づいて決定される目標噴射量である。Ｓ１０３において目標熱発生量Ｑｔを算出すると、目標熱発生量決定手段７０は目標熱発生率決定手段８０に対して、決定した目標熱発生量Ｑｔに関する信号を送信する。目標熱発生量Ｑｔに関する信号を送信後、Ｓ１０４に進む。

Ｓ１０４では、Ｓ１０２にて決定した目標熱発生率傾きθｔおよびＳ１０３にて算出した目標熱発生量Ｑｔに基づいて、目標熱発生率の時間推移ＨＲＲｔ（ｔ）を決定する。Ｓ１０４の処理は、目標熱発生率決定手段８０によって実行される。具体的な決定方法を図６に基づいて説明する。燃焼期間中における目標となる熱発生率の時間推移が図６の線分である。この線分は、線分の傾きである目標熱発生率傾きθｔ、および横軸と線分によって囲まれる部分の面積で表される目標熱発生量Ｑｔによって一意に決まる。つまり、目標熱発生率傾きθｔによって、燃焼行程中の各時刻における目標熱発生率の時間推移ＨＲＲｔ（ｔ）が決定され、目標熱発生量Ｑｔによって燃焼行程中における目標熱発生率の時間推移ＨＲＲｔ（ｔ）の最大値となる時刻ｔｍａｘおよびＨＲＲｔｍａｘが決定される。それによって、燃焼行程中の目標熱発生率の時間推移ＨＲＲｔ（ｔ）が決定される。Ｓ１０４において目標熱発生率の時間推移ＨＲＲｔ（ｔ）が決定されると、目標熱発生率決定手段８０は残存酸素濃度推定手段９０に対して、決定した目標熱発生率の時間推移ＨＲＲｔ（ｔ）に関する信号を送信する。目標熱発生率の時間推移ＨＲＲｔ（ｔ）に関する信号を送信後、Ｓ１０５に進む。

Ｓ１０５では、スロットル弁開度センサ２３によって検出された吸気酸素濃度Ｖｏ、および目標熱発生率決定手段８０によって決定された目標熱発生率の時間推移ＨＲＲｔ（ｔ）に基づいて、燃焼行程中の筒内に残存している酸素濃度の時間推移を推定する。具体的には、吸気酸素濃度Ｖｏを初期値として、目標熱発生率の時間推移ＨＲＲｔ（ｔ）となるような燃焼がなされたと仮定した場合の筒内で消費される瞬時消費酸素量の時間推移Ｏｕｓｅ（ｔ）から、燃焼行程中の筒内残存酸素濃度の時間推移Ｖｒｅｍ（ｔ）を推定する。Ｓ１０５の処理は残存酸素濃度推定手段９０によって実行される。

次に、具体的な筒内残存酸素濃度の時間推移Ｖｒｅｍ（ｔ）の推定原理について説明する。燃焼室１６内において噴射した燃料が完全燃焼したと仮定した場合、燃焼によって燃料中の元素である炭素（Ｃ）と酸素（Ｈ）の比率に従ってＣＯ_２（二酸化炭素）およびＨ_２Ｏ（水）が生成される。このとき、大気のＣＯ_２濃度も燃料の燃焼で発生するＣＯ_２の濃度と比較して小さいため無視して考えるため、排気に含まれるＣＯ_２は吸気のＯ_２が燃料の燃焼によって消費されて生成されたものと考えることができる。すなわち、吸気のＯ_２濃度からのＯ_２の減少量とＣＯ_２の増加量とは比例関係を有していると考えることができる。また、燃料の燃焼によって生成されるＨ_２Ｏも同様に考えることができる。噴射した燃料が完全燃焼したと仮定した場合の化学反応式は以下の数２で表すことができる。

（数２）
ＣｍＨｎ＋（ｍ＋ｎ／４）Ｏ_２→ｍＣＯ_２＋（ｎ／２）Ｈ_２Ｏ
ここで、ｍは燃料のＣの比率に基づいて定まる定数であり、ｎは燃料のＨの比率に基づいて定まる定数である。燃料モル数Ａおよび燃料１モルの完全燃焼に必要な酸素モル数Ｂは、それぞれ以下の数３および数４により算出される。

（数３）
燃料モル数Ａ＝（炭素モル数１２）×ｍ＋（水素モル数１）×ｎ

（数４）
燃料１モルの完全燃焼に必要な酸素モル数Ｂ＝（酸素モル数１６）×（ｍ＋ｎ／４）
ここで、噴射した燃料量に対してすべてを燃焼させるために必要な酸素量（消費酸素量）の比はＢ／Ａで表される。目標瞬時噴射量Ｑｉｎｊ（ｔ）は、数１から、Ｑｔ（ｔ）／αで表される。よって、毎時刻、筒内で燃焼により消費される酸素量である瞬時消費酸素量の時間推移Ｏｕｓｅ（ｔ）は目標熱発生量の時間推移Ｑｔ（ｔ）に基づいて以下の数５により得られる。なお、瞬時消費酸素量の時間推移Ｏｕｓｅ（ｔ）は特許請求の範囲における「酸素消費量」に相当する。

（数５）
Ｏｕｓｅ（ｔ）＝（Ｑｔ（ｔ）／α）×（Ｂ／Ａ）
したがって、毎時刻の筒内残存酸素量Ｏ_２（ｔ）は以下の数６により得られる。

（数６）
Ｏ_２（ｔ）＝Ｏ_２（ｔ−１）−Ｏｕｓｅ（ｔ）
数６により得られた毎時刻の筒内残存酸素量Ｏ_２（ｔ）に基づいて、筒内残存酸素濃度の時間推移Ｖｒｅｍ（ｔ）が算出される。

Ｓ１０５において筒内残存酸素濃度の時間推移Ｖｒｅｍ（ｔ）が推定されると、残存酸素濃度推定手段９０は燃焼速度決定手段１２０に対して、推定した筒内残存酸素濃度の時間推移Ｖｒｅｍ（ｔ）に関する信号を送信する。筒内残存酸素濃度の時間推移Ｖｒｅｍ（ｔ）に関する信号を送信後、Ｓ１０６に進む。

Ｓ１０６では、Ｓ１０５にて推定した筒内残存酸素濃度の時間推移Ｖｒｅｍ（ｔ）に基づいて燃焼速度の時間推移Ｋ（ｔ）を決定する。具体的には、マイコン３６１内の燃焼速度決定手段１２０において、図７に示すような酸素濃度をパラメータとする燃焼速度のマップが予め記憶されている。このマップに基づいて、各時刻の筒内残存酸素濃度の時間推移Ｖｒｅｍ（ｔ）に対応した燃焼速度の時間推移Ｋ（ｔ）を一意に決定する。Ｓ１０６において燃焼速度の時間推移Ｋ（ｔ）が推定されると、燃焼速度決定手段１２０は目標噴射率決定手段１００に対して、決定した燃焼速度の時間推移Ｋ（ｔ）に関する信号を送信する。燃焼速度の時間推移Ｋ（ｔ）に関する信号を送信後、Ｓ１０７に進む。

Ｓ１０７では、目標熱発生率の時間推移ＨＲＲｔ（ｔ）より得られる毎時刻の目標瞬時噴射量Ｑｉｎｊ（ｔ）および燃焼速度の時間推移Ｋ（ｔ）に基づいて目標噴射率の時間推移Ｒｉｎｊ（ｔ）を決定する。Ｓ１０７の処理は目標噴射率決定手段１００によって実行される。なお、目標瞬時噴射量Ｑｉｎｊ（ｔ）は数１より得られる。目標噴射率の時間推移Ｒｉｎｊ（ｔ）は具体的には、以下の数７に基づいて算出される。

（数７）
Ｒｉｎｊ（ｔ）＝Ｑｉｎｊ（ｔ）／Ｋ（ｔ）
なお、目標噴射率の時間推移Ｒｉｎｊ（ｔ）は、燃焼サイクルごとに燃焼速度の時間推移Ｋ（ｔ）に基づいて数７により算出される。また、噴射終了時期は、運転状況に基づいて決まる目標噴射量Ｑｉｎｊから一意に決定される。

図８にＳ１０４からＳ１０７までの処理結果を示す。任意の運転状況下（パターン１）において目標熱発生率の時間推移ＨＲＲｔ（ｔ）を実現するための燃焼がなされたと仮定した場合、筒内残存酸素濃度は時間の経過にしたがって減少していく。また、燃焼速度の時間推移Ｋ（ｔ）も筒内残存酸素濃度の時間推移Ｖｒｅｍ（ｔ）に応じて時間とともに減少していく。目標噴射率の時間推移Ｒｉｎｊ（ｔ）の終了時刻ｔ１と、目標熱発生率の時間推移ＨＲＲｔ（ｔ）の終了時刻ｔ２との間のずれは、噴射してから燃焼するまでの着火遅れ期間によるものである。

ここで、図８に示すように、任意の運転状況下（第１パターン）における吸気酸素濃度（筒内酸素濃度の時間推移の初期値）である第１吸気酸素濃度Ｖｏｒｅｆ１と比較して他の運転状況下（第２パターン）における第２吸気酸素濃度Ｖｏｒｅｆ２が少なくなった場合、目標噴射率の時間推移Ｒｉｎｊ（ｔ）は、燃焼期間の途中である所定時刻ｔ３以降、進角側に制御されるようになる。また、所定時刻ｔ３以降、時間の経過に従って進角度合が大きくなる。これは、酸素濃度が所定値Ｃ以下になると所定値Ｃ以上の場合よりも燃焼速度の減少割合が大きくなること（図７参照）に起因して、パターン２の燃焼行程の後半、つまり筒内残存酸素濃度が所定値Ｃより小さくなる期間においては、時間経過にともなう筒内残存酸素濃度の減少割合に対する燃焼速度の減少割合が大きくなり、燃料が噴射されてから燃焼までに要する時間がより長くなるためである。なお、第１パターンおよび第２パターンはそれぞれ特許請求の範囲における「第１運転条件」および「第２運転条件」に、第１吸気酸素濃度Ｖｏｒｅｆ１および第２吸気酸素濃度Ｖｏｒｅｆ２はそれぞれ「第１吸気酸素濃度」および「第２吸気酸素濃度」に相当する。また、第１パターンの目標噴射率および第２パターンの目標噴射率はぞれぞれ特許請求の範囲における「第１目標噴射率」および「第２目標噴射率」に相当する。

Ｓ１０７において目標噴射率の時間推移Ｒｉｎｊ（ｔ）が推定されると、目標噴射率決定手段１００は噴射指令信号設定手段１１０に対して、決定した目標噴射率の時間推移Ｒｉｎｊ（ｔ）に関する信号を送信する。目標噴射率の時間推移Ｒｉｎｊ（ｔ）に関する信号を送信後、Ｓ１０８に進む。

Ｓ１０８では、メイン噴射に伴うメイン燃焼における噴射率の時間推移が、Ｓ１０７にて決定した目標噴射率の時間推移Ｒｉｎｊ（ｔ）となるように、噴射指令信号設定手段１１０によって目標噴射条件が決定される。ここで、目標噴射条件とは、メイン燃焼において分割した各噴射における目標噴射圧、各噴射の噴射量の分割割合である目標分割割合、および各噴射の噴射間隔のいずれでもよい。

各種噴射条件の決定は、予めＥＣＵ３６に記憶してあるマップを用いてもよいし、数式により都度算出してもよい。たとえば、メイン噴射の噴射量を変えることなく１回目の噴射の噴射量を所定量増やすように噴射制御した場合、３回目の噴射量はその分少なくなるように制御されるため、３回目の噴射に伴う燃焼における熱発生率の最大値は小さくなる。つまり、メイン燃焼時の熱発生率傾きを小さくすることができる。一方で、３回目の噴射の噴射量を増やすように噴射制御した場合、３回目の噴射に伴う燃焼における熱発生率の最大値は大きくなる。つまり、メイン燃焼時の熱発生率傾きを大きくすることができる。Ｓ１０８にて噴射条件を決定すると、噴射指令信号設定手段１１０は決定した噴射条件に基づく噴射指令信号を駆動回路１３０に対して送信し、駆動回路１３０を駆動させる（Ｓ１０９）。駆動回路１３０は、燃料噴射弁３４を制御し、目標噴射条件に見合った噴射を実行させる。噴射指令信号を駆動回路１３０に対して送信すると、図３の処理は終了する。

次に、本実施形態における効果について説明する。

（１）吸気酸素濃度Ｖｏを初期値として、目標熱発生率の時間推移ＨＲＲｔ（ｔ）となるような燃焼がなされたと仮定した場合の筒内で消費される瞬時消費酸素量の時間推移Ｏｕｓｅ（ｔ）から、燃焼行程中の筒内残存酸素濃度の時間推移Ｖｒｅｍ（ｔ）を推定する。また、筒内残存酸素濃度の時間推移Ｖｒｅｍ（ｔ）に基づいて、噴射する燃料の目標噴射率の時間推移Ｒｉｎｊ（ｔ）を決定し、噴射率の時間推移が目標噴射率の時間推移Ｒｉｎｊ（ｔ）となるように、燃料噴射弁３４からの噴射条件を決定する。つまり、熱発生率の時間推移が目標熱発生率の時間推移ＨＲＲｔ（ｔ）となる燃焼を実現するために、時々刻々の筒内残存酸素濃度に対応した噴射条件（噴射量、噴射時期等）を決定することができる。そのため、目標熱発生率の時間推移ＨＲＲｔ（ｔ）となる燃焼を実現することができ、燃焼騒音を目標騒音レベルにとどめることができる。また、時々刻々の筒内残存酸素濃度に基づいて噴射条件を決定しているため、筒内残存酸素濃度に見合った燃料量の燃料を噴射させることができる。したがって、噴射した燃料が燃えきらない状況を回避することができ、未燃燃料およびスモークの低減が可能となる。以上より、本実施形態によれば、燃焼騒音を目標騒音レベルにとどめ、かつ、未燃燃料およびスモークの低減の双方を実現することができる。

（２）目標熱発生率の時間推移ＨＲＲｔ（ｔ）は、目標熱発生率傾きθｔおよび目標熱発生量の二つのパラメータに基づいて一意に決定するようにしている。そのため、毎時刻における目標熱発生率を逐一算出する場合と比較して、ＥＣＵ３６の計算負荷の軽減を図ることができる。

（３）目標噴射率の時間推移Ｒｉｎｊ（ｔ）をＥＣＵ３６に予め記憶されているマップにより決定するのではなく、燃焼サイクルごとに燃焼速度の時間推移Ｋ（ｔ）に基づいて数式により算出するようにしている。ここで、燃焼速度の時間推移Ｋ（ｔ）のパターン数は筒内残存酸素濃度の時間推移Ｖｒｅｍ（ｔ）のパターン数、ひいてはエンジン回転数ＮＥやアクセル開度等のパラメータの組み合わせ数に依存するため、無限数である。そこで、一般的にマップによる制御量の決定方法としては、代表的パターンの数通りのみをＥＣＵに記憶しておき、入力パラメータに応じて近似的に制御量を決定する場合が多い。そのため、目標噴射率の時間推移Ｒｉｎｊ（ｔ）を、燃焼速度を入力パラメータとするマップにより決定する場合には、目標熱発生率の時間推移ＨＲＲｔ（ｔ）に応じた最適な目標噴射率の時間推移Ｒｉｎｊ（ｔ）が得られるとは言い難い。一方で、本実施形態のように、燃焼サイクルごとに燃焼速度の時間推移Ｋ（ｔ）に基づいて数式により目標噴射率の時間推移Ｒｉｎｊ（ｔ）を算出することにより、マップにより目標噴射率の時間推移Ｒｉｎｊ（ｔ）を決定する場合と比較して、最適な目標噴射率の時間推移Ｒｉｎｊ（ｔ）を算出することができる。したがって、目標熱発生率の時間推移ＨＲＲｔ（ｔ）となる燃焼を高精度に実現することができる。なお、本実施形態では、筒内酸素濃度から燃焼速度を決定する際にマップに基づいて決定しているが、筒内酸素濃度に対して燃焼速度は一意に決まるため、目標噴射率の時間推移Ｒｉｎｊ（ｔ）は計算により算出されるとしている。

（４）任意の運転状況下（第１パターン）における吸気酸素濃度（筒内酸素濃度の時間推移の初期値）である第１吸気酸素濃度Ｖｏｒｅｆ１と比較して他の運転状況下（第２パターン）における第２吸気酸素濃度Ｖｏｒｅｆ２が少なくなった場合、目標噴射率の時間推移Ｒｉｎｊ（ｔ）は、燃焼期間の途中である所定時刻ｔ３以降、進角側に制御されるようになる。そのため、時間の経過とともに燃焼速度が小さくなっていくことに伴って燃料の噴射から燃焼までに要する時間が長くなっていったとしても、その分噴射タイミングを早めに設定することができるため、確実に目標熱発生率の時間推移ＨＲＲｔ（ｔ）を実現するための燃焼を起こさせることができる。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り、以下のように変形させてもよい。

・上記実施形態においては、吸気酸素濃度Ｖｏをスロットル弁開度センサ２３によって検出することとしたが、たとえば図示しない吸気圧センサおよび吸気温センサによって検出されるインテークマニホールド内の圧力Ｐｏおよびインテークマニホールド内の温度Ｔｏによって算出もしくは決定するようにしてもよい。

・上記実施形態においては、目標熱発生量の時間推移Ｑｔを数式により算出することとしたが、目標熱発生率傾きθｔと同様に、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度に基づくマップを用いて決定するようにしてもよい。

・上記実施形態においては、筒内残存酸素濃度の時間推移Ｖｒｅｍ（ｔ）に基づいて、燃焼速度の時間推移Ｋ（ｔ）を決定し、燃焼速度の時間推移Ｋ（ｔ）に基づいて目標噴射率の時間推移Ｒｉｎｊ（ｔ）を決定している。しかし、筒内残存酸素濃度の時間推移Ｖｒｅｍ（ｔ）および目標噴射率の時間推移Ｒｉｎｊ（ｔ）の関係式、もしくはＥＣＵ３６に予め記憶されているマップに基づいて、燃焼速度の時間推移Ｋ（ｔ）を決定する過程を経ずに目標噴射率の時間推移Ｒｉｎｊ（ｔ）を決定するようにしてもよい。

・上記実施形態においては、残存酸素濃度推定手段９０によって筒内残存酸素濃度の時間推移Ｖｒｅｍ（ｔ）を推定するようにしたが、推定物理量は酸素濃度でなくとも、たとえば酸素量などの、酸素濃度と相関のある物理量であればよい。特許請求の範囲における「筒内残存酸素濃度」の文言も、それらの物理量を包含するものとして定義される。また、燃焼速度決定手段１２０によって燃焼速度の時間推移Ｋ（ｔ）を決定するようにしたが、決定する物理量はたとえば燃焼速度係数などの、燃焼速度と相関のある物理量であればよい。

・上記実施形態においては、メイン噴射に要求される噴射量を複数回に分割して噴射するシステムとしたが、要求される噴射量を一度に噴射する単発噴射であってもよい。

・上記実施形態においては、目標熱発生率の時間推移ＨＲＲｔ（ｔ）を目標熱発生率傾きθｔおよび目標熱発生量Ｑｔに基づき決定することとしたが、燃焼行程中の毎時刻における目標熱発生率を逐一計算することで目標熱発生率の時間推移ＨＲＲｔ（ｔ）を決定するようにしてもよい。

・上記実施形態においては、目標熱発生量Ｑｔを数１を用いて計算により算出したが、予めＥＣＵ３６内に記憶されている運転状況に応じたマップを用いて決定することもできる。

・上記実施形態においては、燃焼速度の時間推移Ｋ（ｔ）を、酸素濃度を入力パラメータとするマップにより決定することとしたが、計算により算出するようにしてもよい。計算により算出する一手段としては、運動量理論に基づく時間と当量比との関係式から導くことが考えられる。具体的な算出方法について詳述すると、まず、以下の数８乃至数１０を用いて指定当量比φに対する噴射からの経過時間ｔ（φ）を算出する。

なお、ｔ（φ）は指定当量比φに対する噴射からの経過時間、φｔｈは理論当量比、ρａは筒内ガス密度、ρｆは燃料密度、θｓｐは噴霧角、ｄは噴孔径、Ｐｃは噴射圧、Ｐｃｙｌは筒内圧、ｃは収縮係数である。

なお、Ｃ_Ｏ２は酸素濃度である。

次に、噴射からの経過時間ｔ（φ）においてφが１となる時間ｔｃｍｂを求め、その逆数１／ｔｃｍｂを所定の酸素濃度に対する燃焼速度として決定する。

１０エンジン、１１燃料噴射システム、１６燃焼室、３２コモンレール、３４燃料噴射弁、３６ＥＣＵ、５０過給器、５２筒内圧センサ、５４過給圧センサ、２３スロットル弁開度センサ、６０目標熱発生率傾き決定手段、７０目標熱発生量決定手段、８０目標熱発生率決定手段、９０残存酸素濃度推定手段、１００目標噴射率決定手段、１１０噴射指令信号設定手段、１２０燃焼速度決定手段、１３０駆動回路

Claims

内燃機関（１０）への燃料の噴射状態を制御するように構成される燃料噴射制御装置であって、
前記内燃機関の燃焼騒音が目標騒音レベルを超えないような目標熱発生率の時間推移を決定する目標熱発生率決定手段（８０）と、
吸気行程において前記内燃機関に供給される吸気酸素濃度、および燃焼行程中の酸素消費量の時間推移に基づいて、前記目標熱発生率となるような燃焼がなされたと仮定した場合の、燃焼行程中の筒内残存酸素濃度の時間推移を推定する残存酸素濃度推定手段（９０）と、
推定した前記筒内残存酸素濃度の時間推移に基づいて目標噴射率の時間推移を決定する目標噴射率決定手段（１００）と、
前記内燃機関への燃料の噴射率の時間推移が前記目標噴射率の時間推移となるように噴射制御する制御手段（１３０）とを備えることを特徴とする燃料噴射制御装置。
前記目標噴射率決定手段は、推定した前記筒内残存酸素濃度の時間推移に基づいて前記目標噴射率の時間推移を計算により算出することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射制御装置。
任意の第１運転条件における前記吸気酸素濃度である第１吸気酸素濃度よりも、他の第２運転条件における前記吸気酸素濃度である第２吸気酸素濃度のほうが小さい場合に、
前記目標噴射率決定手段は、燃焼行程中の所定時刻以降、前記第２運転条件における第２目標噴射率を、前記第１運転条件における第１目標噴射率よりも進角側となるように、かつ、時間の経過とともに進角度合が次第に大きくなるように決定することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料噴射制御装置。
前記内燃機関の運転状態に基づき、燃焼騒音が前記目標騒音レベルを超えないような目標熱発生率傾きを決定する目標熱発生率傾き決定手段（６０）と、
前記内燃機関の運転状態に基づき、所望のトルクを得られるような目標熱発生量を決定する目標熱発生量決定手段（７０）を備え、
前記目標熱発生率決定手段は、前記目標熱発生率傾きおよび前記目標熱発生量に基づいて前記目標熱発生率の時間推移を決定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料噴射制御装置。