JP2019138169A - 燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気中の低減対象成分を低減できる燃料噴射制御装置を提供する。【解決手段】燃料噴射制御装置（４０）は、蓄圧容器（３２）と直噴式燃料噴射弁（３０）と排気センサ（２４，３６）とを備える燃料噴射システム（１）を制御する。燃料噴射制御装置は、前記排気センサにより検知された前記排気中の低減対象成分の成分量が所定値以上である場合に、内燃機関の１燃焼サイクルごとに設定された所定の算出タイミングで、内燃機関が所定の高温条件を満たすことを条件として燃料の噴射時期を内燃機関の圧縮行程後半に設定する時期設定部（４３）と、時期設定部により設定された噴射時期に基づいて燃焼の噴射期間を算出し噴射時期と噴射期間に基づいて燃料噴射弁を制御する噴射制御部（４５）とを備える。【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射制御装置に関する。

燃料噴射制御装置は、内燃機関の燃焼効率を良好にするとともに、内燃機関からの排気に含まれる粒子状物質（ＰＭ）やＮＯｘ等の有害成分を低減するために、燃焼噴射弁から内燃機関へ噴射される燃料の噴射状態を制御する。

例えば、特許文献１では、燃料の噴射開始時期（ＳＯＩ）と燃焼の噴射終了時期（ＥＯＩ）で規定される燃料の噴射期間を、内燃機関の吸気行程におけるＰＭ等を低減可能な噴射期間に合わせて設定している。

特開２０１２−１５９００５号公報

特許文献１では、内燃機関の排気中のＰＭを低減するためには、内燃機関の吸気行程中に燃料噴射を実施することが好ましいとされていた。

これに対して、本発明者らは、鋭意研究の結果、内燃機関の圧縮行程後半に燃料噴射を実行したとき、高温の内燃機関の燃焼室内において、噴射された燃料が速やかに気化した結果、燃焼状態が良好となり、排気中の低減対象成分（ＰＭ等の有害成分や未燃焼燃料等）を低減できる場合があることを見出した。さらには、内燃機関の運転状態によっては、燃料の主な噴射時期を吸気行程に設定するよりも、圧縮行程後半に設定する方が、排気中の低減対象成分を低減できる場合があることを見出した。

燃料の噴射時期を吸気行程と圧縮行程後半とのいずれの行程に設定した方がより排気中の低減対象成分を低減できるかは、内燃機関の運転条件等に基づいて推察することができる。すなわち、内燃機関の運転条件ごとに予めより適切な噴射パターンを適合させることができ、運転条件に基づいて噴射パターンを設定すれば、排気中の低減対象成分量を適切な数値範囲に収めることがある程度は可能である。

その一方で、圧縮行程後半に燃料を噴射する場合には、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射してから点火するまでの時間が短くなるため、燃焼室内の状態によっては排気中の低減対象成分量が増大してしまうことがある。

上記に鑑み、本発明は、内燃機関の状態に応じて適切に燃料の噴射時期を設定し、内燃機関の排気中の低減対象成分を低減できる燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、高圧燃料を蓄える蓄圧容器と、前記蓄圧容器内の高圧燃料を内燃機関の燃焼室内に直接噴射する直噴式の燃料噴射弁と、前記内燃機関からの排気中の成分を検知する排気センサとを備える燃料噴射システムを制御する燃料噴射制御装置を提供する。この燃料噴射制御装置は、前記排気センサにより検知された前記排気中の低減対象成分の成分量が所定値以上である場合に、前記内燃機関の１燃焼サイクルごとに設定された所定の算出タイミングで、前記内燃機関が所定の高温条件を満たすことを条件として、前記燃料の噴射時期を前記内燃機関の圧縮行程後半に設定する時期設定部と、前記時期設定部により設定された前記噴射時期に基づいて前記燃料の噴射期間を算出し、前記噴射時期と前記噴射期間に基づいて前記燃料噴射弁を制御する噴射制御部と、を備える。

本発明によれば、排気センサにより検知された排気中の低減対象成分の成分量が所定値以上である場合、すなわち、低減対象成分を低減する運転を行いたい場合に、内燃機関が所定の高温条件を満たすことを条件として、圧縮行程後半に噴射時期を設定する。内燃機関が所定の高温条件を満たすことを圧縮行程後半での噴射を実行する際の条件とすることによって、圧縮行程後半に燃料の噴射を実行することによって排気中の低減対象成分が却って増大する場合に、圧縮行程後半での燃料噴射の実行することを回避できる。

実施形態に係る燃料噴射システムの概略図。 実施形態に係る燃料噴射制御装置であるＥＣＵのシステムブロック図。 内燃機関への燃料の噴射開始時期と排気中の粒子数の関係を示す図。 内燃機関への燃料の噴射開始時期と排気中の未燃焼の燃料濃度を示す図。 実施形態に係る燃料噴射制御のフローチャート。

図１に示すように、燃料噴射システム１は、蓄圧容器３２に蓄えられた高圧燃料を、直噴式の燃料噴射弁３０から内燃機関１０の燃焼室内に噴射可能なシステムとして構成されている。内燃機関１０は、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程を１燃焼サイクルとする筒内噴射式の多気筒エンジンである。蓄圧容器３２は、デリバリパイプであり、高圧ポンプ３３から圧送された高圧燃料を貯留する。低圧ポンプ３４は、燃料タンク（図示していない）から高圧ポンプ３３に燃焼を供給する。蓄圧容器３２内の燃料の圧力（燃圧）を検知する燃圧センサ３７が設けられている。

燃料噴射システム１は、さらに、内燃機関１０の吸気ポート２０内に燃料を噴射するポート噴射弁３１を備えている。ポート噴射弁３１に対しては、高圧ポンプ３３を介することなく低圧ポンプ３４からの燃料が直接供給される。

内燃機関１０の吸気管１２の上流部には、吸入空気の流量を検知する吸気流量センサ１３と、吸気温度センサ１４とが設けられている。その下流側には、モータ１５によって開度調節されるスロットルバルブ１６と、このスロットルバルブ１６の開度（スロットル開度）を検知するスロットル開度センサ１７とが設けられている。

スロットルバルブ１６の下流側にはサージタンク１８が設けられ、このサージタンク１８に、吸気管内の圧力を検知する吸気管圧力センサ１９が設けられている。サージタンク１８には、内燃機関１０の各気筒において、その燃焼室２１内に空気を導入する吸気ポート２０が接続されている。内燃機関１０の各気筒には、それぞれ筒内の燃焼室２１に燃料を直接噴射する電磁式の燃料噴射弁３０が取り付けられている。各気筒のシリンダヘッド１１Ｂには、点火プラグ２２（点火機構の一例である）が取り付けられ、各気筒の点火プラグ２２の火花放電によって燃焼室２１内の混合気に着火される。

内燃機関１０の排気管２３には、排気の空燃比を検知するＡ／Ｆセンサ２４が設けられている。Ａ／Ｆセンサ２４の下流側に、触媒層２５と、粒子除去層３５とが設けられている。触媒層２５は、三元触媒（３ｗａｙ触媒）等の排気浄化触媒を備える層である。粒子除去層３５は、ガソリン・パティキュレートフィルタ（ＧＰＦ）、ＧＰＦに触媒を担持した４ｗａｙ−ＧＰＦ等の主に排気中の粒子状物質を除去するための層である。粒子除去層３５の下流側には、排気中の粒子状物質（ＰＭ）の濃度を検知するＰＭセンサ３６が設けられている。Ａ／Ｆセンサ２４とＰＭセンサ３６とは、排気中の所定成分の成分量を検知する排気センサの一例であり、代替的または付加的に、ＮＯｘセンサ、Ｏ２センサ等を用いてもよい。

内燃機関１０のシリンダブロック１１Ａには、冷却水温を検知する水温センサ２６や、ノッキングを検知するノックセンサ２７が取り付けられている。クランク軸２８の外周側には、クランク軸２８が所定クランク角回転するごとにパルス信号を出力するクランク角センサ２９が取り付けられ、このクランク角センサ２９のクランク角信号に基づいてクランク角や内燃機関１０の回転速度が検知される。さらに、燃焼室２１には、燃焼室２１内の圧力を検知する燃料室内圧センサ、温度を検知する燃焼室内温センサが設けられていてもよい。

これら各種センサの出力はＥＣＵ４０に入力される。ＥＣＵ４０は、マイクロコンピュータを主体として構成された電子制御ユニットであり、各種センサの検知信号を用いて内燃機関１０の各種制御を実施する。ＥＣＵ４０は、内燃機関１０の運転状態に応じた燃料噴射量を算出して燃料噴射弁３０の燃料噴射を制御するとともに、点火プラグ２２の点火時期を制御する。

図２に示すように、ＥＣＵ４０は、負荷計算部４１と、排気成分取得／算出部４２と、時期設定部４３と、記憶部４４と、噴射制御部４５と、ポンプ制御部４６とを備えている。

負荷計算部４１は、吸気流量センサ１３と、吸気温度センサ１４と、クランク角センサ２９との検知値に基づいて、内燃機関１０の運転負荷と回転速度とを算出する。負荷計算部４１が取得した各種センサの検知値と、算出した運転負荷および回転速度は、排気成分取得／算出部４２に出力される。

排気成分取得／算出部４２は、Ａ／Ｆセンサ２４と、ＰＭセンサ３６と、水温センサ２６の検知値を取得し、排気中の所定成分の成分量を算出する。算出する所定成分は、排気中に含まれる量が少ないほど好ましい低減対象成分であり、具体的には、未燃焼燃料、酸素等の燃焼状態の指標となる成分（成分量が低いほど燃焼状態が良好であるもの）、粒子状物質、ＮＯｘ等の有害成分等を挙げることができる。排気成分取得／算出部４２が取得した各種センサの検知値と、算出した排気中の所定成分の成分量は、負荷計算部４１から入力されたデータとともに記憶部４４に出力される。

記憶部４４は、負荷計算部４１が算出した内燃機関１０の運転負荷および回転速度と、排気成分取得／算出部４２算出した排気中の所定成分の成分量を記憶する。より具体的には、内燃機関１０の負荷および回転速度ごとに、実際に燃料を噴射した時期（実行噴射時期）と、その際の排気中の低減対象成分の成分量との関係をマップや数式として記憶する。

例えば、実行噴射時期が圧縮行程後半である場合の排気中の低減対象成分の成分量を第１成分量として記憶し、実行噴射時期が吸気行程または圧縮行程前半である場合の排気中の低減対象成分の成分量を第２成分量として記憶する。

時期設定部４３は、内燃機関１０の１燃焼サイクルごとに設定された所定の算出タイミングで、燃料噴射弁３０およびポート噴射弁３１から噴射する燃料の噴射時期を決定する。より具体的には、時期設定部４３は、負荷計算部４１が算出した内燃機関１０の運転条件と、運転履歴と、センサ類５０の検知値とに基づいて、内燃機関１０の圧縮行程後半に噴射時期を設定するか否かを決定する。時期設定部４３は、噴射時期に応じて燃料の点火時期について設定してもよい。

図３，４に示すように、燃料の噴射時期が内燃機関１０の吸気行程のときと、圧縮行程後半であるときに、内燃機関１０の排気中の粒子数および未燃焼の燃料量が低くなる。内燃機関１０の圧縮行程後半に燃料噴射を実行したとき、高温の燃焼室２１内において噴射された燃料が速やかに気化し、燃焼状態が良好となると、排気中の有害成分を低減できる。燃料の噴射時期を吸気行程と圧縮行程後半とのいずれの行程に設定した方がより排気中の低減対象成分を低減できるかは、内燃機関１０の運転状態によって変わる。

時期設定部４３は、内燃機関１０の負荷および回転速度と、センサ類５０の検知値等に基づいて、内燃機関１０の燃焼室２１内が所定の高温条件を満たしているか否かを判定する。燃焼室２１内が所定の高温条件を満たしていると判定された場合に、時期設定部４３は、内燃機関１０の圧縮行程後半に噴射時期を設定する。なお、所定の高温条件とは、圧縮行程後半において燃焼室２１内が高温状態となって低減対象成分量が所定値未満となるための条件である。所定の高温条件は、内燃機関１０の運転履歴や、内燃機関１０と同様の構造を有する他の内燃機関によって取得された運転履歴に基づいて設定することができる。

時期設定部４３は、ＥＣＵ４０に記憶されたマップ等を参照して、所定の高温条件を満たしているか否かを判断する。ＥＣＵ４０には、内燃機関１０の運転条件およびセンサ類５０の検知値または検知値から算出される各種パラメータと、圧縮行程後半における内燃機関１０内の温度や圧力、および低減対象成分量とを対応付けたマップまたは数式等が記憶されている。ＥＣＵ４０に記憶されたマップまたは数式等に基づいて、内燃機関１０の運転条件およびセンサ類５０の検知値または検知値から算出される各種パラメータごとに、高温条件を満たす所定の数値範囲がそれぞれ設定されていてもよい。

時期設定部４３は、例えば、吸気温度センサ１４が検知する吸気温度、水温センサ２６が検知する内燃機関１０の冷却水温、クランク角センサ２９の検知値から算出される内燃機関１０の回転数または１０の負荷、燃圧センサ３７が検知する燃圧等の各検知値についてそれぞれ適宜設定された所定の数値範囲内である場合に、燃焼室２１内が所定の高温条件を満たすと判断してもよい。

または、圧縮比、内部ＥＧＲ（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）量、外部ＥＧＲ量、外部ＥＧＲ温度等を検知または算出可能に燃料噴射システム１を構成して、これ他の検知値等がそれぞれ適宜設定された所定の数値範囲内である場合に、燃焼室２１内が所定の高温条件を満たすと判断してもよい。なお、圧縮比および内部ＥＧＲ量は、吸気可変バルブタイミング機構（ＶＣＴ）、吸気可変バルブリフト機構（ＶＶＬ）、可変圧縮比機構（ＶＣＲ）の制御量から算出することができる。外部ＥＧＲ量および外部ＥＧＲ温度は、内燃機関１０の排気系から吸気系に流入する外部ＥＧＲ管に流量センサと温度センサを設置して検知することができる。

時期設定部４３は、さらに、燃圧センサ３７により検知された蓄圧容器３２内の燃圧が所定値以上であることを条件として、燃料の噴射時期を内燃機関１０の圧縮行程後半に設定するように構成されていてもよい。燃圧が低い燃料が噴射されることを防ぎ、燃料の液滴が大きくなり気化が不十分となって排気中の低減対象成分量（例えば、ＰＭや未燃焼燃料）が増加することを回避できる。

圧縮行程後半に噴射時期を設定する場合には、時期設定部４３は、排気中の低減対象成分量をより低減するとともに燃費をより低減することができる最適な噴射時期に設定することが好ましい。

より具体的には、例えば、均質燃焼を行う場合には、燃焼室内容積を圧縮することによって燃焼室２１内の温度をできるだけ上昇させる。さらに、燃料の霧化を促進するため、燃焼室２１内の均質性を担保できる範囲でできるだけ噴射時期を遅角させる。なお、噴射時期を遅角させ過ぎると、狭くなった燃焼室２１内で燃料の噴霧が偏り、混合気（空気と燃料との混合気）の形成が困難になる。

また、例えば、成層燃焼を行う場合には、運転条件ごとに設定される燃料の点火時期において点火プラグ２２の近傍に所定の空燃比の混合気が形成されるように、燃料の噴射時期を調整する。

時期設定部４３は、さらに、記憶部４４によって記憶された記憶部４４によって記憶された実行噴射時期と排気中の低減対象成分の成分量との関係を示すマップ等を参照し、低減対象成分の成分量がより少ない実行噴射時期を次の燃焼サイクルの噴射時期に設定してもよい。

例えば、時期設定部４３は、負荷計算部４１が算出した内燃機関１０の運転負荷および回転速度に応じて設定された負荷および回転速度について、記憶部４４によって記憶された実行噴射時期と排気中の低減対象成分の成分量との関係を示すマップ等を参照する。時期設定部４３は、実行噴射時期が圧縮行程後半である場合の排気中の低減対象成分の成分量（第１成分量）と、実行噴射時期が吸気行程または圧縮行程前半である場合の排気中の低減対象成分の成分量（第２成分量）とを読み出し、第１成分量と第２成分量とを比較する。時期設定部４３は、第１成分量が第２成分量以下である場合（第１成分量≦第２成分量）に、燃焼室２１内が所定の高温条件を満たしていることを条件として、噴射時期を圧縮行程後半に設定する。逆に、第１成分量が第２成分量を超える場合（第１成分量＞第２成分量）には、時期設定部４３は、噴射時期を吸気行程または圧縮行程前半に設定する。

上記の記憶部４４によって記憶された実行噴射時期と排気中の低減対象成分の成分量との関係に基づく判定は、燃焼室２１内が所定の高温条件を満たしているか否かの判定の先に実行してもよいし、後に実行してもよい。

時期設定部４３は、必要に応じて、内燃機関１０の１燃焼サイクル中に複数回の分割噴射を実行することを決定し、分割噴射に係る各噴射の噴射時期を設定する。この場合、複数回の分割噴射のうち最後に実施される噴射の噴射時期を内燃機関１０の圧縮行程後半に設定することが好ましい。分割噴射は、例えば、燃料の着火アシスト、または、燃焼室２１内への燃料の噴射間に空気層の導入を実行する等の目的で行ってもよい。

分割噴射を行う場合には、燃料噴射弁３０によってのみ燃料の噴射を行ってもよいし、燃料噴射弁３０とポート噴射弁３１とを併用して燃料の噴射を行ってもよい。後者の場合には、ポート噴射弁３１の噴射開始時期は、内燃機関１０の１つ前の燃焼サイクルで内燃機関１０の吸気弁が閉弁した後から内燃機関１０の現在の燃焼サイクルの吸気行程終了までの期間に設定することが好ましく、燃料噴射弁３０の噴射開始時期は、内燃機関１０の現在の燃焼サイクルの圧縮行程後半に設定することが好ましい。

時期設定部４３は、内燃機関１０の１燃焼サイクル中に実行される複数回の分割噴射のうち最後に実行される噴射について、その噴射時期を内燃機関１０圧縮行程後半に設定することが好ましい。さらには、最後に実行される噴射によって点火プラグ２２の周囲にリッチな混合気を形成することができるように、内燃機関１０の圧縮行程後半かつ燃料の点火前に最後に実施される噴射の噴射時期を設定することがより好ましい。

時期設定部４３は、燃料の噴射時期に際して各種センサから取得した検知値に基づいて、噴射時期の再設定を行ってもよい。例えば、内燃機関１０の１燃焼サイクルごとに設定された所定の算出タイミングで圧縮行程後半に噴射時期を設定した後で、圧縮行程後半に到達した際に燃焼室２１内の圧力や温度、排気中の低減対象成分の成分量等を取得し、その検知値に基づいて、先に設定した噴射時期を再設定してもよい。

時期設定部４３は、圧縮行程後半において燃料噴射が実行されている間に取得された排気中の所定成分の成分量に基づいて、内燃機関１０の圧縮行程後半での燃料の噴射を禁止する禁止フラグを設定するように構成されていてもよい。より具体的には、圧縮行程後半にＡ／Ｆセンサ２４およびＰＭセンサ３６の検知値を取得することによって得られた排気中の所定成分の成分量、または、これらの検知値に基づいて排気成分取得／算出部４２によって算出された排気中の所定成分の成分量が所定の閾値以上であることを条件として、内燃機関１０の圧縮行程後半での燃料の噴射を禁止する禁止フラグを設定する。排気中の所定成分量に対して設定される閾値は、噴射時期、内燃機関１０の燃焼室２１内の温度や圧力、内燃機関１０の回転数や負荷に応じてマップ化されてＥＣＵ４０の記憶手段に記憶されていてもよい。

時期設定部４３は、正確に噴射制御を行うことができず、圧縮行程後半に燃料噴射を行うと排気中の所定成分の成分量が増加することが予測される場合に、禁止フラグを設定してもよい。例えば、燃料系統で異常が検知された場合、フェイルセーフ制御を実行している場合、内燃機関１０の回転数が所定値以上であり点火時期までに噴射を終了できない場合等には、圧縮行程後半での燃料の噴射を禁止するフラグを設定してもよい。

時期設定部４３は、圧縮行程後半以外（例えば、吸気行程または圧縮行程後半）に燃料噴射弁３０から燃焼室２１内に燃料を噴射した際に排気センサにより検知された排気中の低減対象成分の成分量が所定値を超える場合に、圧縮行程後半での燃料の噴射を許可してもよい。圧縮行程後半での燃料の噴射を許可に替えて、上記の禁止フラグの解除を行ってもよい。また、時期設定部４３は、上記の禁止フラグの設定条件が満たされなくなった場合に、禁止フラグを解除するように構成されていてもよい。または、禁止フラグの設定条件とは別に禁止フラグの解除条件を設けてもよい。

時期設定部４３は、燃料噴射の実行中に検知された排気中の低減対象成分の成分量に基づいて、噴射モードを切り換えるように構成されていてもよい。例えば、検知された排気中の低減対象成分の成分量が所定値以上であることを条件として、実行中の噴射モード（例えば、圧縮行程後半噴射モード）を他の噴射モードに切り換えてもよい。例えば、上記の禁止フラグの設定／解除によって、噴射モードの切換を行うようにしてもよい。

噴射制御部４５は、時期設定部４３により設定された燃料の噴射時期に基づいて燃料の噴射期間を算出し、この噴射時期と噴射期間とに基づいて、燃料の噴射を実行するよう燃料噴射弁３０またはポート噴射弁３１を制御する。時期設定部４３によって噴射時期が内燃機関１０の圧縮行程後半に設定された場合にのみ、内燃機関１０の圧縮行程後半に燃料を噴射するよう燃料噴射弁３０を制御する。

噴射制御部４５は、時期設定部４３が設定した噴射時期の開始時（噴射開始時期）と、燃料の点火時期と、内燃機関１０の回転数とに基づいて、燃焼の噴出期間を算出する。噴射制御部４５は、噴射開始時期と噴射期間とに基づいて燃料噴射弁３０またはポート噴射弁３１を制御し、燃料を燃焼室２１内に噴射する。圧縮行程後半において燃料噴射を実行している際に、時期設定部４３によって禁止フラグが設定された場合には、噴射制御部４５は、噴射を中止するように燃料噴射弁３０またはポート噴射弁３１を制御する。

噴射制御部４５は、さらに、燃料の噴射期間と燃圧とに基づいて、燃料の噴射量を算出してもよい。算出した噴射量は、排気中の低減対象成分と対応付けしてマップ化または数式化する等によってＥＣＵ４０の記憶手段に記憶されるようにしてもよい。

圧縮行程後半における燃料の噴射量は、排気中の低減対象成分量をより低減するとともに燃費をより低減することができる最適な噴射量に設定することが好ましい。具体的には、燃焼室２１内の均質性を担保できる範囲でできるだけ多くの噴射量となるようにすることが好ましい。あるいは、噴射量は、排気中の低減対象成分量や燃費について設定された目標値（例えば、排気中の粒子数の規制値に応じて設定された目標値）を達成可能な範囲で設定されるものであってもよい。

また、例えば、成層燃焼を行う場合には、運転条件ごとに設定される燃料の点火時期において点火プラグ２２の近傍に所定の空燃比の混合気が形成されるように、噴射量等の噴射条件を制御することが好ましい。

また、例えば、燃料の点火直前の噴射量をなるべく減少させてロバスト性を向上させることを目的として、噴射制御部４５は、排気量が目標値を達成できる範囲内で圧縮行程後半における燃料の噴射量を低減してもよい。

時期設定部４３によって分割噴射の実施が決定され、分割噴射の噴射パターンが圧縮行程後半に噴射を行うように設定されている場合には、噴射制御部４５は、噴射ごとに噴射期間を算出し、併せて、噴射量を算出してもよい。

噴射制御部４５は、圧縮行程後半に噴射される燃料の量が、圧縮行程後半以外の行程に噴射される燃料の量よりも多くなるように、複数回の分割噴射のそれぞれで噴射する燃料の量を設定することが好ましい。

噴射制御部４５は、Ａ／Ｆセンサ２４またはＰＭセンサ３６により検知された排気中の低減対象成分の成分量が所定値以上であることを条件として、内燃機関１０の圧縮行程後半に噴射される燃料の量が、内燃機関１０の圧縮行程後半以外の行程に噴射される燃料の量よりも多くなるように、複数回の分割噴射のそれぞれで噴射する前記燃料の量を設定するようにしてもよい。

圧縮行程後半かつ前記燃料の点火前に前記最後に実施される噴射の噴射時期が設定されている場合には、噴射制御部４５は、点火プラグ２２の周囲にリッチな混合気を形成して成層燃焼が発生するように最後に実施される噴射の噴射条件を制御することが好ましい。

時期設定部４３によって、燃料の噴射時期に際して各種センサから取得した検知値に基づいて、噴射時期の再設定が実行された場合には、噴射制御部４５は、再設定された噴射期間について噴射期間を算出し、併せて、噴射量を算出してもよい。

ポンプ制御部４６は、燃圧センサ３７の検知値に基づいて、高圧ポンプ３３と低圧ポンプ３４の出力等を制御する。ポンプ制御部４６は、目標燃圧を設定して、燃圧センサ３７の検知値が目標燃圧付近の値となったことを条件として、燃料噴射の実行を許可するように構成されていてもよい。圧縮行程後半に燃料を噴射する場合には、燃圧が低いと、噴射した燃料の液滴が大きくなり燃料の気化が不十分となって燃焼状態が悪化し、排気中の低減対象成分量が増大する。このため、圧縮行程後半に噴射時期が設定されたときの目標燃圧は、吸気行程等のその他の行程に噴射時期が設定されたときの目標燃圧よりも高く設定される。また、燃料噴射時の燃圧が高いと、その初速が速くなり、また、噴射された燃料の液滴が小さくなるため、空気分子と燃料の液滴との単位時間当たりの衝突回数が多くなり、燃料が良好に拡散し、燃料と空気との混合気を良好に形成することができる。

図５に示すフローチャートを用いて、ＥＣＵ４０が実行する噴射制御処理を説明する。まず、ステップＳ１００において、噴射時期等の設定時期か否かを判定する。この設定時期は、内燃機関１０の１燃焼サイクルごとに設定された所定の算出タイミングである。

設定時期である場合には、ステップＳ１０１に進み、ＥＣＵ４０は、内燃機関１０の運転条件、各種センサからのセンサ検知値を取得する。具体的には、内燃機関１０の負荷、Ａ／Ｆセンサ２４およびＰＭセンサ３６の検知する排気中の未燃焼燃料量および粒子数の検知値、水温センサ２６からの内燃機関１０の冷却水温、吸気流量センサ１３からの吸気流量、吸気温度センサ１４からの吸気温、クランク角センサ２９からのクランク角信号からの燃焼室２１内の温度等の検知値を必要に応じて取得する。燃料室内圧センサや燃焼室内温センサ等が設置されている場合には、さらに、燃焼室２１内の圧力や温度の検知値を取得してもよい。

ステップＳ１０２に進み、排気中の所定の低減対象成分（例えば、ＰＭや未燃焼燃料）の成分量が閾値Ｘ以上であるか否かを判定する。所定の低減対象成分の成分量が閾値未満である場合には、ステップＳ１１３に進み、圧縮行程後半の燃料の噴射を実行しない運転モード（非圧縮行程後半噴射モード）で噴射を実行することを決定する。所定の低減対象成分の成分量が閾値以上である場合には、ステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、ＥＣＵ４０に記憶されている第１成分量と第２成分量とを比較し、第１成分量が第２成分量以下（第１成分量≦第２成分量）であるか否かを判定する。なお、第１成分量は、実行噴射時期が圧縮行程後半である場合の排気中の低減対象成分の成分量であり、第２成分量は、実行噴射時期が吸気行程または圧縮行程前半である場合の排気中の低減対象成分の成分量である。すなわち、第１成分量は、圧縮行程後半の燃料噴射を実行する運転モード（圧縮行程後半噴射モード）で実際に噴射を行った際に検知された排気中の低減対象成分の成分量である。また、第２成分量は、非圧縮行程後半噴射モードで実際に噴射を行った際に検知された排気中の低減対象成分の成分量である。第１成分量＞第２成分量である場合には、ステップＳ１１３に進み、非圧縮行程後半噴射モードで噴射を実行することを決定する。第１成分量≦第２成分量である場合には、ステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４では、ＥＣＵ４０は、取得した運転条件および各種センサのセンサ検知値に基づいて、燃焼室２１内が所定の高温条件を満たしているか否かを判定する。具体的には、吸気温度センサ１４が検知する吸気温度、水温センサ２６が検知する内燃機関１０の冷却水温、クランク角センサ２９の検知値から算出される内燃機関１０の回転数または１０の負荷、燃圧センサ３７が検知する燃圧等の各検知値についてそれぞれ適宜設定された所定の数値範囲内である場合に、燃焼室２１内が所定の高温条件を満たすと判定する。燃焼室２１内が所定の高温条件を満たしている場合には、ステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０４において、燃焼室２１内が所定の高温条件を満たしていない場合には、ステップＳ１１１に進み、燃焼室２１内の高温化を実行するか否かを判断する。例えば、内燃機関１０の冷間始動時には、ステップＳ１０４の所定の高温条件を満たさないと判断されるが、所定の高温条件をみたすように高温化を実行することができる。

高温化処理の具体的な方法としては、可変圧縮比機構の圧縮比を高くする、吸気ＶＶＴの遅閉じおよび早閉じを禁止する、吸気温冷却を調整して吸気温を高温化する、内燃機関１０の冷却系を切り替えて冷却戻り水等により燃焼室２１を加熱する、内燃機関１０の内部ＥＧＲ量や外部ＥＧＲ量を増量する等を例示することができる。高温化を実行する場合にはステップＳ１１２からステップＳ１０４に戻り、高温化処理を実行しない場合には、ステップＳ１１１からステップＳ１１３に進み、非圧縮行程後半噴射モードで噴射を実行することを決定する。

ステップＳ１０５では、燃圧センサ３７から取得した蓄圧容器３２内の燃圧が、目標燃圧Ｐ１に対して所定範囲内に収まっているか否かを判定する。具体的には、例えば、Ｐ１−ΔＰ１≦Ｐ≦Ｐ１＋ΔＰ１であるか否かを判定する。所定範囲内に収まっている場合には、ステップＳ１０６に移行し、圧縮行程後半の燃料の噴射を実行することを決定する。すなわち、ＥＣＵ４０は、排気中の低減対象成分の成分量が閾値Ｘ以上であることと、実測された第１成分量が第２成分量以下であることと、内燃機関１０が圧縮行程後半での燃料噴射に適した所定の高温条件を満たすことと、蓄圧容器３２内の燃圧が目標燃圧に対して所定範囲内であることとを条件として、圧縮行程後半噴射モードを採用し、燃料の噴射時期を内燃機関１０の圧縮行程後半に設定する。蓄圧容器３２内の燃圧が目標燃圧に対して所定範囲内に収まっていない場合には、ステップＳ１１３に進み、非圧縮行程後半噴射モードで噴射を実行することを決定する。

ステップＳ１０７〜Ｓ１１０では、圧縮行程後半噴射モードで噴射を実行する場合の処理を行う。まず、ステップＳ１０７では、圧縮行程後半以外の他の行程（例えば、吸気行程）における噴射を行うか否かを判定する。すなわち、分割噴射を行うか否かを判定する。他の行程における噴射を行う場合には、ステップＳ１０８に移行して、他の行程で行う燃料噴射について、設定された噴射時期に基づいて噴射期間と噴射量を算出し、ステップＳ１０９に進む。他の行程での噴射を行わない場合には、ステップＳ１０７からそのままステップＳ１０９に進む。

ステップＳ１０９では、燃料の噴射時期と点火時期とを算出する。具体的には、ＥＣＵ４０に記憶された噴射時期と噴射量とに関するマップを参照し、取得した内燃機関１０の負荷、未燃焼燃料量および粒子数の検知値に基づいて、噴射時期を算出する。

なお、燃料噴射にポート噴射弁３１を併用する場合には、ポート噴射弁３１の噴射開始時期は、内燃機関１０の１つ前の燃焼サイクルで内燃機関１０の吸気弁が閉弁した後から内燃機関１０の現在の燃焼サイクルの吸気行程終了までの期間に設定し、燃料噴射弁３０の噴射開始時期は、内燃機関１０の現在の燃焼サイクルの圧縮行程後半に設定する。

次に、ステップＳ１１０に進み、圧縮行程後半に行われる燃料噴射における燃料の噴射量を算出する。圧縮行程後半で行う燃料噴射について、算出した噴射時期と燃圧の検知値とに基づいて噴射期間と噴射量を算出する。

なお、Ａ／Ｆセンサ２４、ＰＭセンサ３６等により検知された排気中の低減対象成分の成分量が所定値以上である場合には、内燃機関１０の圧縮行程後半に噴射される燃料の量が内燃機関１０の圧縮行程後半以外の行程に噴射される燃料の量よりも多くなるように設定することができる。

一方、ステップＳ１１３〜Ｓ１１５では、非圧縮行程後半噴射モードで噴射を実行する場合の処理を行う。ステップＳ１１３において、非圧縮行程後半噴射モードで噴射を実行することを決定した後、ステップＳ１１４、Ｓ１１５の順序で移行して燃料の噴射時期、燃料の点火時期、各噴射時期における燃料の噴射量の設定を行い、ステップＳ１１６に移行する。

ステップＳ１１６において、設定された各噴射時期について、その時期に至ったと判断された場合には、ステップＳ１１７に進み、燃焼の噴射が実行され、ステップＳ１１８に進む。ステップＳ１１８では、排気中の低減対象成分の成分量が所定の閾値Ｙ以下であるか否かを判定する。噴射を実行するステップＳ１１７の直後に行われる処理であるため、ステップＳ１１８では、噴射を実行した際に各種センサが検知した検知値に基づいて得られた排気中の低減対象成分の成分量と、閾値Ｙとを比較する。

低減対象成分の成分量が閾値Ｙを超える場合には、ステップＳ１１９に進み、噴射モードを切り換えることを決定する。圧縮行程後半噴射モードで噴射を実行中の場合には、非圧縮後半噴射モードに切り換えることを決定する。また、非圧縮行程後半噴射モードで噴射を実行中の場合には、圧縮後半噴射モードに切り換えることを決定する。なお、実行中の噴射モードを禁止するフラグを設定することで、噴射モードを切り換えるようにしてもよい。

ステップＳ１１９から、ステップＳ１２０に進む。また、ステップＳ１１８において、低減対象成分の成分量が閾値Ｙ以下である場合にも、ステップＳ１２０に進む。ステップＳ１２０では、ＥＣＵ４０は、噴射開始時期から終了時期についての排気中の低減対象成分の成分量の検知値（具体的には、Ａ／Ｆセンサ２４およびＰＭセンサ３６の検知値）を取得し、記憶する。

上述の実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。

時期設定部４３は、Ａ／Ｆセンサ２４やＰＭセンサ３６に例示される排気センサにより検知された排気中の低減対象成分の成分量が所定値以上である場合に、内燃機関１０の燃焼室２１内が所定の高温条件（圧縮行程後半において燃焼室２１内が高温状態となって低減対象成分量が所定値未満となるための条件）を満たすことを条件として、圧縮行程後半に噴射時期を設定する。このため、圧縮行程後半に燃料の噴射を実行した結果、排気中の低減対象成分が却って増大することを抑制できる。

記憶部４４は、内燃機関１０の負荷および回転速度ごとに、実行噴射時期と、その際の排気中の低減対象成分の成分量との関係をマップや数式として記憶する。具体的には、例えば、実行噴射時期が圧縮行程後半である場合の排気中の低減対象成分の成分量を第１成分量として記憶し、実行噴射時期が吸気行程または圧縮行程前半である場合の排気中の低減対象成分の成分量を第２成分量として記憶する。そして、時期設定部４３は、記憶部４４によって記憶されたマップを参照して第１成分量と第２成分量とを読み出し、第１成分量≦第２成分量である場合に、燃焼室２１内が所定の高温条件を満たしていることを条件として、噴射時期を圧縮行程後半に設定する。また、第１成分量＞第２成分量である場合には、時期設定部４３は、噴射時期を吸気行程または圧縮行程前半に設定する。内燃機関１０に実際に燃料を噴射した際に排気センサ等によって取得された所定の低減対象成分の成分量を比較して、内燃機関１０で実行する噴射モードを選択するため、排気中の低減対象成分をより低減できるように噴射時期を設定することができる。

時期設定部４３は、圧縮行程後半に燃料噴射弁３０から燃焼室２１内に燃料を噴射している際に排気センサにより検知された排気中の低減対象成分の成分量が所定値以上であることを条件として、圧縮行程後半での燃料の噴射を禁止する。また、時期設定部４３は、圧縮行程後半以外（例えば、吸気行程または圧縮行程後半）に燃料噴射弁３０から燃焼室２１内に燃料を噴射した際に排気センサにより検知された排気中の低減対象成分の成分量が所定値を超える場合に、圧縮行程後半での燃料の噴射を許可する。このため、選択した噴射モードによって低減対象成分の成分量が増加してしまった場合に、噴射モードを切り換えるようにすることができる。内燃機関１０の運転状態に応じて、排気中の低減対象成分をより低減するためにより適切な噴射モードを選択することができる。

時期設定部４３は、さらに、燃圧センサ３７により検知された蓄圧容器３２内の燃圧が所定値以上であることを条件として、燃料の噴射時期を内燃機関１０の圧縮行程後半に設定する。燃圧が低い燃料が噴射されることを防ぎ、燃料の液滴が大きくなり気化が不十分となって排気中の低減対象成分量（例えば、ＰＭや未燃焼燃料）が増加することを回避できる。

分割噴射のうちの少なくとも１回の噴射の噴射時期が内燃機関１０の圧縮行程後半に設定されている場合に、噴射制御部４５は、Ａ／Ｆセンサ２４、ＰＭセンサ３６等により検知された排気中の低減対象成分の成分量が所定値以上であることを条件として、内燃機関１０の圧縮行程後半に噴射される燃料の量が内燃機関１０の圧縮行程後半以外の行程に噴射される燃料の量よりも多くなるように設定する。排気中の低減対象成分の成分量が多い場合に圧縮行程後半に噴射する燃料の噴射量を多くすることにより、内燃機関１０の運転状態に応じて排気中の低減対象成分を低減可能な噴射を実行するように制御できる。

・なお、ポート噴射弁３１と直噴式の燃料噴射弁３０とが併設された内燃機関１０を例示して説明したが、直噴式の燃料噴射弁３０のみの内燃機関であってもよい。

・また、本発明の燃料噴射制御装置は、ガソリンエンジン以外にディーゼルエンジンにおいても適用可能である。すなわち、直噴式ディーゼルエンジンの燃料噴射弁を制御する燃料噴射制御装置への適用が可能となっている。

１…燃料噴射システム、１０…内燃機関、２１…燃焼室、２４…Ａ／Ｆセンサ、３０…燃料噴射弁、３２…蓄圧容器、３６…ＰＭセンサ、４０…ＥＣＵ、４３…時期設定部、４４…記憶部、４５…噴射制御部

Claims (9)

1. 高圧の燃料を蓄える蓄圧容器（３２）と、前記蓄圧容器内の高圧燃料を内燃機関（１０）の燃焼室（２１）内に直接噴射する直噴式の燃料噴射弁（３０）と、前記内燃機関からの排気中の成分を検知する排気センサ（２４，３６）とを備える燃料噴射システム（１）を制御する燃料噴射制御装置（４０）であって、
   前記排気センサにより検知された前記排気中の低減対象成分の成分量が所定値以上である場合に、前記内燃機関の１燃焼サイクルごとに設定された所定の算出タイミングで、と、前記内燃機関が所定の高温条件を満たすことを条件として、前記燃料の噴射時期を前記内燃機関の圧縮行程後半に設定する時期設定部（４３）と、
   前記時期設定部により設定された前記噴射時期に基づいて前記燃料の噴射期間を算出し、前記噴射時期と前記噴射期間に基づいて前記燃料噴射弁を制御する噴射制御部（４５）と、を備える燃料噴射制御装置。
2. 前記時期設定部は、前記内燃機関の圧縮行程後半に前記燃料噴射弁から前記燃焼室内に燃料を噴射している際に前記排気センサにより検知された前記排気中の低減対象成分の成分量が所定値以上であることを条件として、前記内燃機関の圧縮行程後半での前記燃料の噴射を禁止する請求項１に記載の燃料噴射制御装置。
3. 前記内燃機関の負荷および回転数ごとに、前記内燃機関の圧縮行程後半に前記燃料噴射弁から前記燃焼室内に前記燃料を噴射した際に前記排気センサにより検知された前記排気中の低減対象成分の成分量である第１成分量と、前記内燃機関の圧縮行程後半以外に前記燃料噴射弁から前記燃焼室内に燃料を噴射した際に前記排気センサにより検知された前記排気中の低減対象成分の成分量である第２成分量と、を記憶する記憶部（４４）を備え、
   前記時期設定部は、
   前記内燃機関の所定の負荷および所定の回転数について、記憶部に記憶された前記第１成分量と前記第２成分量とを比較し、
   前記第１成分量が前記第２成分量以下である場合に、前記燃料の噴射時期を前記内燃機関の圧縮行程後半に設定し、
   前記第１成分量が前記第２成分量を超える場合に、前記燃料の噴射時期を前記内燃機関の圧縮行程後半以外に設定する請求項１または２に記載の燃料噴射制御装置。
4. 前記時期設定部は、前記内燃機関の圧縮行程後半以外に前記燃料噴射弁から前記燃焼室内に燃料を噴射した際に前記排気センサにより検知された前記排気中の低減対象成分の成分量が所定値を超える場合に、前記内燃機関の圧縮行程後半での燃料の噴射を許可する請求項１〜３のいずれかに記載の燃料噴射制御装置。
5. 前記燃料噴射システムは、前記蓄圧容器内の燃圧を検知する燃圧センサ（３７）をさらに備え、
   前記時期設定部は、前記燃圧センサにより検知された燃圧が所定値以上であることを条件として、前記燃料の噴射時期を前記内燃機関の圧縮行程後半に設定する請求項１〜４のいずれかに記載の燃料噴射制御装置。
6. 前記時期設定部は、前記内燃機関の１燃焼サイクル中に複数回の分割噴射を実行するように前記噴射時期を設定し、前記複数回の分割噴射のうち最後に実施される噴射の噴射時期を前記内燃機関の圧縮行程後半に設定する請求項１〜５のいずれかに記載の燃料噴射制御装置。
7. 前記噴射制御部は、前記排気センサにより検知された前記排気中の低減対象成分の成分量が所定値以上であることを条件として、前記内燃機関の圧縮行程後半に噴射される前記燃料の量が、前記内燃機関の圧縮行程後半以外の行程に噴射される前記燃料の量よりも多くなるように、前記複数回の分割噴射のそれぞれで噴射する前記燃料の量を設定する請求項６に記載の燃料噴射制御装置。
8. 前記内燃機関は、前記燃焼室内の前記燃料に点火する点火機構（２２）をさらに備え、
   前記時期設定部は、前記圧縮行程後半かつ前記燃料の点火前に前記最後に実施される噴射の噴射時期を設定し、
   前記噴射制御部は、前記点火機構の周囲にリッチな混合気を形成して成層燃焼が発生するように前記最後に実施される噴射の噴射条件を制御する請求項６または７に記載の燃料噴射制御装置。
9. 前記内燃機関は、前記蓄圧容器内の高圧燃料を内燃機関の吸気ポート（２０）内に噴射するポート噴射弁（３１）をさらに備え、
   前記時期設定部は、前記燃料噴射弁と前記ポート噴射弁との双方を用いて燃料を噴射する場合に、
   前記ポート噴射弁の噴射開始時期を、前記内燃機関の１つ前の燃焼サイクルで前記内燃機関の吸気弁が閉弁した後から現在の燃焼サイクルの吸気行程終了までの期間に設定し、
   前記燃料噴射弁の噴射開始時期を、前記内燃機関の現在の燃焼サイクルの圧縮行程後半に設定する請求項１〜８のいずれかに記載の燃料噴射制御装置。

Images