JP4894815B2 - 車両用内燃機関の燃料圧力制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用ディーゼルエンジンに代表される内燃機関の燃料圧力制御装置に係る。特に、本発明は、車両の加速性能の向上を図るための対策に関する。

従来から周知のように、自動車用エンジンとして使用されるディーゼルエンジン（以下、単にエンジンと呼ぶ場合もある）では、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等に応じて、燃料噴射弁（以下、インジェクタと呼ぶ場合もある）からの燃料噴射時期や燃料噴射量を調整する燃料噴射制御が行われている（例えば下記の特許文献１を参照）。

また、エンジンの駆動力不足を解消するための手法として、下記の特許文献２では、目標エンジン回転数を補正することが提案されている。具体的に、この特許文献２に開示されている手法は、過給機の過給遅れが原因で駆動力不足が発生した際に、吸入空気量とエンジン回転数とに応じて、燃料の最大噴射量を設定する。また、この燃料の最大噴射量に基づいて発生可能なトルクを演算する。そして、上記最大噴射量となるように燃料圧力の増大補正を実施するようにしている。
特開２００１−２５４６４５号公報 特開２００１−７３８２３号公報

これまでのディーゼルエンジンでは、車両の走行抵抗等が原因で、運転者の加速要求に迅速に応答することができない可能性があった。以下、具体的に説明する。

図８は、横軸をエンジン回転数、縦軸をエンジントルクとした燃圧設定マップである。この図８におけるＴｍａｘは最大トルクラインを示している。つまり、エンジンは、この最大トルクラインの内側を運転可能領域としている。

今、エンジン回転数が比較的低い状態（例えば１０００ｒｐｍ）での登坂路走行時について考える。運転者に加速要求が生じてアクセルペダルの踏み込み量が大きくなった場合、それに伴って燃料圧力が上昇し、エンジントルクも上昇していく。ところが、登坂路の勾配が比較的大きい場合、この登坂路による走行抵抗とエンジントルクとがつり合うような状況では、エンジン回転数は上昇せず、その結果、現在の変速機の変速段では加速できないことになってしまう。つまり、車両が加速するためにはエンジントルクが走行抵抗よりも高くなることが必要であるが、登坂路走行等のように走行抵抗が高い状況では、車両が加速できなくなる可能性がある。

図８を用いて説明すると、図中の点Ｘで示す運転状態での登坂路走行中にアクセルペダルの踏み込み量が大きくなると、燃料圧力が上昇し、エンジントルクが上昇して図中の点Ｙの状態になる。このように点Ｘから点Ｙに移る場合、登坂路による走行抵抗によってエンジン回転数は上昇せず、燃料圧力の上昇に伴ってエンジントルクのみが上昇した状態となっている。そして、この点Ｙは最大トルクラインＴｍａｘ上の点である。つまり、この点Ｙで示す運転状態では、現在のエンジン回転数において出力可能なトルクの限界点に達しているため、エンジン回転数が上昇しない限りエンジントルクも上昇できない状況となっている。従って、現在のエンジン回転数ではそれ以上のトルク上昇は望めなくなり、また、登坂路による走行抵抗によってエンジン回転数の上昇も不可能な状況となっている。このため、トルク上昇もエンジン回転数上昇もできなくなるといった状況に陥ってしまう。このような運転状態に陥ってしまうと運転者の加速要求に応えることができなくなる。

尚、上記特許文献２では、車両の駆動力不足が発生した際に燃料圧力の増大補正を行うことが開示されているが、各種の要求値を算出する必要があり、その算出動作が完了するまでは燃料圧力の増大補正が実施されないことから、運転者の加速要求時点から実際に車両が加速されるまでの間に比較的長い時間を要し、運転者の加速要求を十分に満たすものとは言えなかった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、運転者の加速要求に対して車両加速動作を迅速に行うことが可能な車両用内燃機関の燃料圧力制御装置を提供することにある。

−課題の解決原理−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、内燃機関の運転状態が最大トルクラインに達したことでトルク上昇が望めず、且つ走行抵抗等によって内燃機関回転数上昇も望めない状況になると、燃料圧力を強制的に上昇させ、気筒内での単位時間当たりの熱発生率を上昇させて内燃機関回転数および内燃機関トルクを上昇させることで車両の加速を可能にしている。

−解決手段−
具体的に、本発明は、圧縮自着火式内燃機関の気筒内に向けて噴射する燃料の圧力を制御する車両用内燃機関の燃料圧力制御装置を前提とする。この車両用内燃機関の燃料圧力制御装置に対し、車両の運転者の加速要求が生じた場合に、内燃機関トルクが、現在の内燃機関回転数における最大トルクに到達した状態で、内燃機関回転数が上昇しない状況になったことを認識可能な回転数上昇不能認識手段と、現在の内燃機関回転数における最大トルクに到達した状態で内燃機関回転数が上昇しない状況になったことが上記回転数上昇不能認識手段によって認識された際、内燃機関回転数が上昇するまで一時的に燃料圧力を上昇させる燃料圧力上昇手段とを備えさせている。

この特定事項により、例えば登坂路走行時等において、内燃機関の運転状態が現在の内燃機関回転数における最大トルクに到達し、且つ走行抵抗によって内燃機関回転数が上昇しない状況となった場合には、そのことを回転数上昇不能認識手段が認識する。この際、燃料圧力上昇手段は、内燃機関回転数が上昇するまで一時的に燃料圧力を上昇させる。この燃料圧力の上昇により、気筒内での燃焼開始初期時における熱発生率の単位時間当たりの増大量を大きくでき（熱発生率波形の傾斜角度を大きくでき）、且つ同一噴射量を得るための噴射期間を短くすることができて燃焼期間を短縮化できる（熱発生率の低下を早いタイミングに設定することができる）。つまり、クランク角度の進み度合いに対して熱発生率波形の位相を短くできる（熱発生率の低下タイミングを進角側に移行できる）。また、熱発生率のピーク値（熱発生率波形の極大値）も高く得ることができる。このように、燃料圧力を一時的に上昇させることで、熱発生率波形を、運転者が要求する車両の加速要求に適した理想的な波形に近付けることが可能になる。また、吸入空気量や内燃機関回転数等の演算処理を必要とすることなく、運転者の加速要求に応じて燃料圧力を上昇させることができる。このため、エンジン回転数の上昇およびエンジントルクの上昇に伴って車両を迅速に加速させることが可能になる。

上記燃料圧力上昇手段の構成として具体的には以下のものが挙げられる。先ず、燃料圧力上昇手段を、運転者の加速要求が解除されるまで（例えばアクセルペダルの踏み込み量が所定量に減少するまで）、燃料圧力を上昇させた状態を継続するよう構成している。また、燃料圧力上昇手段を、一時的に燃料圧力を上昇させることによって気筒内での燃焼速度を上昇させるものとしている。更に、一時的に上昇させる燃料圧力の目標値を、運転者の加速要求に応じた目標出力に応じて設定するよう燃料圧力上昇手段を構成している。

これらの特定事項により、燃料圧力の上昇による車両の加速動作を迅速且つ確実に行うことができ、運転者の加速要求に的確に応えることが可能になる。特に、運転者の加速要求が解除されるまで燃料圧力を上昇させるものにあっては、運転者の加速要求が解除されることで燃料圧力を低下させることになり、運転者の要求（アクセルペダルの踏み込み量）に応じた内燃機関トルクおよび内燃機関回転数に調整することが可能になる。更に、一時的に上昇させる燃料圧力の目標値を、運転者の加速要求に応じた目標出力に応じて設定するようにした場合、運転者の加速要求が高いほど、一時的に上昇させる燃料圧力の目標値を高く設定することになる。このため、車両加速時における加速度を運転者の加速要求に応じたものとして得ることができる。

上記回転数上昇不能認識手段の構成として具体的には以下のものが挙げられる。つまり、運転者の加速要求操作が行われた後、内燃機関回転数が上昇しない状態が所定時間継続した場合に、現在の内燃機関回転数における最大トルクに到達したことで内燃機関回転数が上昇しない状況になったと上記回転数上昇不能認識手段が認識するよう構成している。

これにより、上記所定時間（運転者の加速要求操作が行われてから内燃機関の回転数が上昇しないと判断するまでの時間）を適正に設定することで、必要最小限のタイムラグ（加速ラグ）をもって車両の加速動作を行うことができ、運転者の加速要求に十分に応えることが可能になる。

本発明では、圧縮自着火式内燃機関の燃料圧力の設定に関し、内燃機関トルクが、現在の内燃機関回転数における最大トルクに到達した状態で内燃機関回転数が上昇しない状況となった場合に燃料圧力を上昇させ、車両の加速を可能にしている。このため、運転者の加速要求に対して車両加速動作を迅速に行うことが可能になり、車両の加速性能の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車に搭載されたコモンレール式筒内直噴型多気筒（例えば直列４気筒）ディーゼルエンジン（圧縮自着火式内燃機関）に本発明を適用した場合について説明する。

−エンジンの構成−
先ず、本実施形態に係るディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）の概略構成について説明する。図１は本実施形態に係るエンジン１およびその制御系統の概略構成図である。また、図２は、ディーゼルエンジンの燃焼室３およびその周辺部を示す断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係るエンジン１は、燃料供給系２、燃焼室３、吸気系６、排気系７等を主要部とするディーゼルエンジンシステムとして構成されている。

燃料供給系２は、サプライポンプ２１、コモンレール２２、インジェクタ（燃料噴射弁）２３、遮断弁２４、燃料添加弁２６、機関燃料通路２７、添加燃料通路２８等を備えて構成されている。

上記サプライポンプ２１は、燃料タンクから燃料を汲み上げ、この汲み上げた燃料を高圧にした後、機関燃料通路２７を介してコモンレール２２に供給する。コモンレール２２は、サプライポンプ２１から供給された高圧燃料を所定圧力に保持（蓄圧）する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各インジェクタ２３に分配する。インジェクタ２３は、その内部に圧電素子（ピエゾ素子）を備え、適宜開弁して燃焼室３内に燃料を噴射供給するピエゾインジェクタにより構成されている。このインジェクタ２３からの燃料噴射制御の詳細については後述する。

また、上記サプライポンプ２１は、燃料タンクから汲み上げた燃料の一部を、添加燃料通路２８を介して燃料添加弁２６に供給する。添加燃料通路２８には、緊急時において添加燃料通路２８を遮断して燃料添加を停止するための上記遮断弁２４が備えられている。

また、上記燃料添加弁２６は、後述するＥＣＵ１００による添加制御動作によって排気系７への燃料添加量が目標添加量（排気Ａ／Ｆが目標Ａ／Ｆとなるような添加量）となるように、また、燃料添加タイミングが所定タイミングとなるように開弁時期が制御される電子制御式の開閉弁により構成されている。つまり、この燃料添加弁２６から所望の燃料が適宜のタイミングで排気系７（排気ポート７１から排気マニホールド７２）に噴射供給される構成となっている。

吸気系６は、シリンダヘッド１５（図２参照）に形成された吸気ポート１５ａに接続される吸気マニホールド６３を備え、この吸気マニホールド６３に、吸気通路を構成する吸気管６４が接続されている。また、この吸気通路には、上流側から順にエアクリーナ６５、エアフローメータ４３、スロットルバルブ６２が配設されている。上記エアフローメータ４３は、エアクリーナ６５を介して吸気通路に流入される空気量に応じた電気信号を出力するようになっている。

排気系７は、シリンダヘッド１５に形成された排気ポート７１に接続される排気マニホールド７２を備え、この排気マニホールド７２に対して、排気通路を構成する排気管７３，７４が接続されている。また、この排気通路には、後述するＮＯｘ吸蔵触媒（ＮＳＲ触媒：ＮＯｘ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ触媒）７５およびＤＰＮＲ触媒（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ−ＮＯｘ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ触媒）７６を備えたマニバータ（排気浄化装置）７７が配設されている。以下、これらＮＳＲ触媒７５およびＤＰＮＲ触媒７６について説明する。

ＮＳＲ触媒７５は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であって、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を担体とし、この担体上に例えばカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）のようなアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）のようなアルカリ土類、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）のような希土類と、白金（Ｐｔ）のような貴金属とが担持された構成となっている。

このＮＳＲ触媒７５は、排気中に多量の酸素が存在している状態においてはＮＯｘを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低く、かつ還元成分（例えば燃料の未燃成分（ＨＣ））が多量に存在している状態においてはＮＯｘをＮＯ_２若しくはＮＯに還元して放出する。ＮＯ_２やＮＯとして放出されたＮＯｘは、排気中のＨＣやＣＯと速やかに反応することによってさらに還元されてＮ_２となる。また、ＨＣやＣＯは、ＮＯ_２やＮＯを還元することで、自身は酸化されてＨ_２ＯやＣＯ_２となる。すなわち、ＮＳＲ触媒７５に導入される排気中の酸素濃度やＨＣ成分を適宜調整することにより、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化することができるようになっている。本実施形態のものでは、この排気中の酸素濃度やＨＣ成分の調整を上記燃料添加弁２６からの燃料添加動作によって行うことが可能となっている。

一方、ＤＰＮＲ触媒７６は、例えば多孔質セラミック構造体にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を担持させたものであり、排気ガス中のＰＭは多孔質の壁を通過する際に捕集される。また、排気ガスの空燃比がリーンの場合、排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ吸蔵還元型触媒に吸蔵され、空燃比がリッチになると、吸蔵したＮＯｘは還元・放出される。さらに、ＤＰＮＲ触媒７６には、捕集したＰＭを酸化・燃焼する触媒（例えば白金等の貴金属を主成分とする酸化触媒）が担持されている。

ここで、ディーゼルエンジンの燃焼室３およびその周辺部の構成について。図２を用いて説明する。この図２に示すように、エンジン本体の一部を構成するシリンダブロック１１には、各気筒（４気筒）毎に円筒状のシリンダボア１２が形成されており、各シリンダボア１２の内部にはピストン１３が上下方向に摺動可能に収容されている。

ピストン１３の頂面１３ａの上側には上記燃焼室３が形成されている。つまり、この燃焼室３は、シリンダブロック１１の上部にガスケット１４を介して取り付けられたシリンダヘッド１５の下面と、シリンダボア１２の内壁面と、ピストン１３の頂面１３ａとにより区画形成されている。そして、ピストン１３の頂面１３ａの略中央部には、キャビティ１３ｂが凹設されており、このキャビティ１３ｂも燃焼室３の一部を構成している。

このピストン１３は、コネクティングロッド１８の小端部１８ａがピストンピン１３ｃにより連結されており、このコネクティングロッド１８の大端部はエンジン出力軸であるクランクシャフトに連結されている。これにより、シリンダボア１２内でのピストン１３の往復移動がコネクティングロッド１８を介してクランクシャフトに伝達され、このクランクシャフトが回転することでエンジン出力が得られるようになっている。また、燃焼室３に向けてグロープラグ１９が配設されている。このグロープラグ１９は、エンジン１の始動直前に電流が流されることにより赤熱し、これに燃料噴霧の一部が吹きつけられることで着火・燃焼が促進される始動補助装置として機能する。

上記シリンダヘッド１５には、燃焼室３へ空気を導入する上記吸気ポート１５ａと、燃焼室３から排気ガスを排出する上記排気ポート７１とがそれぞれ形成されていると共に、吸気ポート１５ａを開閉する吸気バルブ１６および排気ポート７１を開閉する排気バルブ１７が配設されている。これら吸気バルブ１６および排気バルブ１７はシリンダ中心線Ｐを挟んで対向配置されている。つまり、本エンジン１はクロスフロータイプとして構成されている。また、シリンダヘッド１５には、燃焼室３の内部へ直接的に燃料を噴射する上記インジェクタ２３が取り付けられている。このインジェクタ２３は、シリンダ中心線Ｐに沿う起立姿勢で燃焼室３の略中央上部に配設されており、上記コモンレール２２から導入される燃料を燃焼室３に向けて所定のタイミングで噴射するようになっている。

更に、図１に示す如く、このエンジン１には、過給機（ターボチャージャ）５が設けられている。このターボチャージャ５は、タービンシャフト５Ａを介して連結されたタービンホイール５Ｂおよびコンプレッサホイール５Ｃを備えている。コンプレッサホイール５Ｃは吸気管６４内部に臨んで配置され、タービンホイール５Ｂは排気管７３内部に臨んで配置されている。このためターボチャージャ５は、タービンホイール５Ｂが受ける排気流（排気圧）を利用してコンプレッサホイール５Ｃを回転させ、吸気圧を高めるといった所謂過給動作を行うようになっている。本実施形態におけるターボチャージャ５は、可変ノズル式ターボチャージャであって、タービンホイール５Ｂ側に可変ノズルベーン機構（図示省略）が設けられており、この可変ノズルベーン機構の開度を調整することにより、エンジン１の過給圧を調整することができる。

吸気系６の吸気管６４には、ターボチャージャ５での過給によって昇温した吸入空気を強制冷却するためのインタークーラ６１が設けられている。このインタークーラ６１よりも更に下流側に設けられた上記スロットルバルブ６２は、その開度を無段階に調整することができる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を絞り、この吸入空気の供給量を調整（低減）する機能を有している。

また、エンジン１には、吸気系６と排気系７とを接続する排気還流通路（ＥＧＲ通路）８が設けられている。このＥＧＲ通路８は、排気の一部を適宜吸気系６に還流させて燃焼室３へ再度供給することにより燃焼温度を低下させ、これによってＮＯｘ発生量を低減させるものである。また、このＥＧＲ通路８には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気流量を自在に調整することができるＥＧＲバルブ８１と、ＥＧＲ通路８を通過（還流）する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ８２とが設けられている。

−センサ類−
エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、それぞれの部位の環境条件や、エンジン１の運転状態に関する信号を出力する。

例えば、上記エアフローメータ４３は、吸気系６内のスロットルバルブ６２上流において吸入空気の流量（吸入空気量）に応じた検出信号を出力する。吸気温センサ４９は、吸気マニホールド６３に配置され、吸入空気の温度に応じた検出信号を出力する。吸気圧センサ４８は、吸気マニホールド６３に配置され、吸入空気圧力に応じた検出信号を出力する。Ａ／Ｆ（空燃比）センサ４４は、排気系７のマニバータ７７の下流において排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。排気温センサ４５は、同じく排気系７のマニバータ７７の下流において排気ガスの温度（排気温度）に応じた検出信号を出力する。レール圧センサ４１はコモンレール２２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。スロットル開度センサ４２はスロットルバルブ６２の開度を検出する。

−ＥＣＵ−
ＥＣＵ１００は、図３に示すように、ＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３およびバックアップＲＡＭ１０４などを備えている。ＲＯＭ１０２は、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭ１０２に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。また、ＲＡＭ１０３は、ＣＰＵ１０１での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップＲＡＭ１０４は、例えばエンジン１の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。

以上のＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３およびバックアップＲＡＭ１０４は、バス１０７を介して互いに接続されるとともに、入力インターフェース１０５および出力インターフェース１０６と接続されている。

入力インターフェース１０５には、上記レール圧センサ４１、スロットル開度センサ４２、エアフローメータ４３、Ａ／Ｆセンサ４４、排気温センサ４５、吸気圧センサ４８、吸気温センサ４９が接続されている。さらに、この入力インターフェース１０５には、エンジン１の冷却水温に応じた検出信号を出力する水温センサ４６、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ４７、および、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力するクランクポジションセンサ４０などが接続されている。一方、出力インターフェース１０６には、上記インジェクタ２３、燃料添加弁２６、スロットルバルブ６２、および、ＥＧＲバルブ８１などが接続されている。

そして、ＥＣＵ１００は、上記した各種センサの出力に基づいて、エンジン１の各種制御を実行する。さらに、ＥＣＵ１００は、インジェクタ２３の燃料噴射制御として、パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射、ポスト噴射を制御する。

これらの燃料噴射を実行する際の燃料噴射圧は、コモンレール２２の内圧により決定される。このコモンレール内圧として、一般に、コモンレール２２からインジェクタ２３へ供給される燃料圧力の目標値、すなわち目標レール圧は、エンジン負荷（機関負荷）が高くなるほど、および、エンジン回転数（機関回転数）が高くなるほど高いものとされる。すなわち、エンジン負荷が高い場合には燃焼室３内に吸入される空気量が多いため、インジェクタ２３から燃焼室３内に向けて多量の燃料を噴射しなければならず、よってインジェクタ２３からの噴射圧力を高いものとする必要がある。また、エンジン回転数が高い場合には噴射可能な期間が短いため、単位時間当たりに噴射される燃料量を多くしなければならず、よってインジェクタ２３からの噴射圧力を高いものとする必要がある。このように、目標レール圧は一般にエンジン負荷およびエンジン回転数に基づいて設定される。この燃料圧力の目標値を設定するための具体的な手法については後述する。

上記パイロット噴射やメイン噴射などの燃料噴射における燃料噴射パラメータについて、その最適値はエンジン１や吸入空気等の温度条件によって異なるものとなる。

例えば、上記ＥＣＵ１００は、コモンレール圧がエンジン運転状態に基づいて設定される目標レール圧と等しくなるように、即ち燃料噴射圧が目標噴射圧と一致するように、サプライポンプ２１の燃料吐出量を調量する。また、ＥＣＵ１００はエンジン運転状態に基づいて燃料噴射量および燃料噴射形態を決定する。具体的には、ＥＣＵ１００は、クランクポジションセンサ４０の検出値に基づいてエンジン回転速度を算出するとともに、アクセル開度センサ４７の検出値に基づいてアクセルペダルへの踏み込み量（アクセル開度）を求め、このエンジン回転速度およびアクセル開度に基づいて総燃料噴射量（後述するプレ噴射での噴射量とメイン噴射での噴射量との和）を決定する。

−目標燃料圧力の設定−
本実施形態の特徴は目標燃料圧力の設定手法にある。より具体的には、運転者がアクセルペダルの踏み込み量を大きくする加速要求が生じた場合に、エンジントルクが、現在のエンジン回転数における最大トルクに到達した状態でエンジン回転数が上昇しない状況となった場合に、エンジン回転数が上昇するまで一時的に燃料圧力を上昇させる制御動作（以下、燃料圧力上昇制御と呼ぶ）を実行することにある。例えば、登坂路走行時等において、運転者がアクセルペダルの踏み込み量を増大させる加速要求が生じているにも拘わらず、この登坂路による走行抵抗とエンジントルクとがつり合うような状況になってエンジン回転数が上昇しなくなった場合に、一時的に燃料圧力を上昇させる制御動作である。この燃料圧力上昇制御について具体的に説明する前に、先ず、目標燃料圧力の基本設定手法および燃圧設定マップについて説明する。

（目標燃料圧力の基本設定手法）
ディーゼルエンジン１においては、ＮＯｘ発生量を削減することによる排気エミッションの改善、燃焼行程時の燃焼音の低減、エンジントルクの十分な確保といった各要求を連立することが重要である。本発明の発明者は、これら要求を連立するための手法として、燃焼行程時における気筒内での熱発生率の変化状態（熱発生率波形で表される変化状態）を適切にコントロールすることが有効であることに着目し、この熱発生率の変化状態をコントロールするための手法として以下に述べるような目標燃料圧力の設定手法を見出した。

図４の実線は、横軸をクランク角度、縦軸を熱発生率とし、メイン噴射で噴射された燃料の燃焼に係る理想的な熱発生率波形を示している。図中のＴＤＣはピストン１３の圧縮上死点に対応したクランク角度位置を示している。この熱発生率波形としては、例えば、ピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）からメイン噴射で噴射された燃料の燃焼が開始され、圧縮上死点後の所定ピストン位置（例えば、圧縮上死点後１０度（ＡＴＤＣ１０°）の時点）で熱発生率が極大値（ピーク値）に達し、更に、圧縮上死点後の所定ピストン位置（例えば、圧縮上死点後２５度（ＡＴＤＣ２５°）の時点）で上記メイン噴射において噴射された燃料の燃焼が終了するようになっている。このような熱発生率の変化状態で混合気の燃焼を行わせるようにすれば、例えば圧縮上死点後１０度（ＡＴＤＣ１０°）の時点で気筒内の混合気のうちの５０％が燃焼を完了した状況となる。つまり、膨張行程における総熱発生量の約５０％がＡＴＤＣ１０°までに発生し、高い熱効率でエンジン１を運転させることが可能となる。

尚、図４に一点鎖線で示す波形は、上記プレ噴射で噴射された燃料の燃焼に係る熱発生率波形を示している。これにより、メイン噴射で噴射された燃料の安定した拡散燃焼が実現される。例えば、このプレ噴射で噴射された燃料の燃焼によって１０［Ｊ］の熱量が発生する。この値は、これに限定されるものではなく。例えば、上記総燃料噴射量に応じて適宜設定される。また、図示していないが、プレ噴射に先立ってパイロット噴射も行われており、これにより気筒内温度を十分に高めて、メイン噴射で噴射される燃料の着火性を良好に確保している。

また、図４に二点鎖線αで示す波形は、燃料噴射圧力が、適正値よりも高く設定された場合の熱発生率波形であり、燃焼速度およびピーク値が共に高くなりすぎており、燃焼音の増大やＮＯｘ発生量の増加が懸念される状態である。一方、図４に二点鎖線βで示す波形は、燃料噴射圧力が、適正値よりも低く設定された場合の熱発生率波形であり、燃焼速度が低く且つピークの現れるタイミングが大きく遅角側に移行していることで十分なエンジントルクが確保できないことが懸念される状態である。

上述したように、本実施形態に係る目標燃料圧力の設定手法は、熱発生率の変化状態の適正化（熱発生率波形の適正化）を図ることで燃焼効率の向上を図るといった技術的思想に基づくものである。そして、それを実現するために後述するような燃圧設定マップに従った目標燃料圧力の設定を行っている。

（燃圧設定マップ）
図５は、本実施形態において目標燃料圧力を決定する際に参照される燃圧設定マップである。この燃圧設定マップは、例えば上記ＲＯＭ１０２に記憶されている。また、この燃圧設定マップは、横軸がエンジン回転数であり、縦軸がエンジントルクとなっている。また、図５におけるＴｍａｘは最大トルクラインを示している。

この燃圧設定マップの特徴として、図中にＡ〜Ｌで示す等燃料噴射圧力ライン（等燃料噴射圧力領域）は、エンジン１の回転数およびトルクから求められる出力（パワー）の等パワーライン（等出力領域）に割り付けられている。つまり、この燃圧設定マップでは、等パワーラインと等燃料噴射圧力ラインとが略一致するように設定されている。

具体的には、図５の曲線Ａはエンジン出力が１０ｋＷのラインであり、これに燃料噴射圧力として３０ＭＰａのラインが割り付けられている。以下、同様に、曲線Ｂはエンジン出力が２０ｋＷのラインであり、これに燃料噴射圧力として４５ＭＰａのラインが割り付けられている。曲線Ｃはエンジン出力が３０ｋＷのラインであり、これに燃料噴射圧力として６０ＭＰａのラインが割り付けられている。曲線Ｄはエンジン出力が４０ｋＷのラインであり、これに燃料噴射圧力として７５ＭＰａのラインが割り付けられている。曲線Ｅはエンジン出力が５０ｋＷのラインであり、これに燃料噴射圧力として９０ＭＰａのラインが割り付けられている。曲線Ｆはエンジン出力が６０ｋＷのラインであり、これに燃料噴射圧力として１０５ＭＰａのラインが割り付けられている。曲線Ｇはエンジン出力が７０ｋＷのラインであり、これに燃料噴射圧力として１２０ＭＰａのラインが割り付けられている。曲線Ｈはエンジン出力が８０ｋＷのラインであり、これに燃料噴射圧力として１３５ＭＰａのラインが割り付けられている。曲線Ｉはエンジン出力が９０ｋＷのラインであり、これに燃料噴射圧力として１５０ＭＰａのラインが割り付けられている。曲線Ｊはエンジン出力が１００ｋＷのラインであり、これに燃料噴射圧力として１６５ＭＰａのラインが割り付けられている。曲線Ｋはエンジン出力が１１０ｋＷのラインであり、これに燃料噴射圧力として１８０ＭＰａのラインが割り付けられている。曲線Ｌはエンジン出力が１２０ｋＷのラインであり、これに燃料噴射圧力として２００ＭＰａのラインが割り付けられている。これら各値は、これに限定されるものではなく、エンジン１の性能特性等に応じて適宜設定される。

また、上記各ラインＡ〜Ｌは、エンジン出力の変化量に対する燃料噴射圧力の変化量の割合が、エンジン回転数が低回転領域であるほど小さくなるように設定されている。つまり、高回転領域よりも低回転領域の方が、ライン間の間隔が広く設定されている。また、このライン間の間隔は均等に設定されていてもよい。

以上のことから、上記燃圧設定マップを記憶しているＲＯＭ１０２、サプライポンプ２１、ＣＰＵ１０１によって本発明に係る燃料圧力制御装置が構成されている。

このようにして作成された燃圧設定マップに従い、エンジン１の運転状態に適した目標燃料圧力を設定し、サプライポンプ２１の制御等を行うようになっている。

具体的に、エンジン回転数とエンジントルクとが共に増加する場合（図５における矢印Ｉを参照）、および、エンジン回転数が一定でエンジントルクが増加する場合（図５における矢印ＩＩを参照）、並びに、エンジントルクが一定でエンジン回転数が増加する場合（図５における矢印ＩＩＩを参照）の何れにおいても燃料噴射圧力が高められる。これにより、エンジントルク（エンジン負荷）が高い場合における吸入空気量に適した燃料噴射量を確保し、また、エンジン回転数が高い場合における単位時間当たりの燃料噴射量を多くして短期間で必要燃料噴射量を確保することができる。このため、エンジン出力およびエンジン回転数に関わりなく、常に、図４に実線で示したような理想的な熱発生率波形での燃焼形態を実現することができ、ＮＯｘ発生量を削減することによる排気エミッションの改善、燃焼行程時の燃焼音の低減、エンジントルクの十分な確保といった各要求を連立することが可能になる。

一方、エンジン回転数およびエンジントルクが変化したとしても、その変化後のエンジン出力が変化していない場合（図５における矢印ＩＶを参照）には、燃料噴射圧力を変化させないようにして、それまで設定されていた燃料噴射圧力の適正値を維持する。つまり、上記等燃料噴射圧力ライン（等パワーラインに一致している）に沿うようなエンジン運転状態の変化では燃料噴射圧力を変化させないようにし、上述した理想的な熱発生率波形での燃焼形態を継続させる。この場合、ＮＯｘ発生量を削減することによる排気エミッションの改善、燃焼行程時の燃焼音の低減、エンジントルクの十分な確保といった各要求を継続的に連立させることができる。

以上のように、本実施形態における燃圧設定マップでは、エンジン１の出力（パワー）と燃料噴射圧力（コモンレール圧）との間に一義的な相関を持たせ、また、エンジン回転数およびエンジントルクの少なくとも一方が変化することでエンジン出力が変化する状況では、それに応じた適正な燃料圧力での燃料噴射が行えるようにし、逆に、エンジン回転数やエンジントルクが変化してもエンジン出力が変化しない状況では、燃料圧力をそれまで設定されていた適正値から変化させないようにしている。これによって、エンジン運転領域の全域に亘って熱発生率変化状態を理想状態に近付けることが可能になる。また、この燃圧設定マップのように、エンジン１の出力（パワー）と燃料噴射圧力（コモンレール圧）との間に一義的な相関を持たせることは、種々のエンジンに共通した体系的な燃料圧力設定手法を構築するものとなるので、エンジン１の運転状態に応じた適切な燃料噴射圧力を設定するための燃圧設定マップの作成を簡素化することが可能である。

また、上述した如く、本実施形態における燃圧設定マップでは、エンジン出力の変化量に対する燃料噴射圧力の変化量の割合が、エンジン回転数が低回転領域であるほど小さくなるように設定されている。このため、エンジン１の低回転領域では、燃料噴射圧力の変化が緩やかであって、この運転状態における気筒内の燃焼圧力の急激な増大を回避して燃焼に伴う振動や騒音の発生を抑制できる。一方、エンジン１の高回転領域では、例えばトルクの増大に伴って燃料噴射圧力を大きく変化させ、要求されている出力が迅速に得られるようにしてエンジン１の応答性（レスポンス）を良好に得ることができる。

（燃料圧力上昇制御）
次に、本実施形態の特徴とする動作である燃料圧力上昇制御について具体的に説明する。この燃料圧力上昇制御は、上述した如く、運転者がアクセルペダルの踏み込み量を大きくする加速要求が生じた場合に、エンジントルクが、現在のエンジン回転数における最大トルクに到達した状態でエンジン回転数が上昇しない状況となった場合に、エンジン回転数が上昇するまで一時的に燃料圧力を上昇させる制御動作である。

具体的に、エンジン回転数が比較的低い状態での登坂路走行時に運転者の加速要求が生じた場合について図５を用いて説明する。

図５中の点Ｘで示す運転状態（例えば、エンジン回転数が約１０００ｒｐｍで、エンジントルクが約１００Ｎｍ）での登坂路走行中に、運転者に加速要求が生じてアクセルペダルの踏み込み量が大きくなると、燃料圧力が上昇し、エンジントルクが上昇して図中の点Ｙの状態（エンジントルクが約２５０Ｎｍ）になる。このように点Ｘから点Ｙに移る場合、登坂路による走行抵抗によってエンジン回転数は上昇せず、燃料圧力の上昇に伴ってエンジントルクのみが上昇した状態となっている。そして、この点Ｙは最大トルクラインＴｍａｘ上の点である。つまり、この点Ｙで示す運転状態では、現在のエンジン回転数において出力可能なトルクの限界点に達しているため、エンジン回転数が上昇しない限りエンジントルクも上昇できない状況となっている。

このように、エンジントルクが、現在のエンジン回転数における最大トルクに到達した状態となって、エンジン回転数が上昇しない状況となったことが認識されると（回転数上昇不能認識手段による認識動作）、本実施形態では、エンジン回転数が上昇するまで一時的に燃料圧力を上昇させる（燃料圧力上昇手段による燃料圧力の上昇動作）。

具体的には、上記アクセル開度センサ４７によって検出されるアクセル開度の変化量と、上記クランクポジションセンサ４０の検出値に基づいて算出されるエンジン回転数の変化量とを比較し、アクセル開度が増大したにも拘わらず、エンジン回転数が殆ど変化しない場合には、エンジン運転状態が最大トルクライン上に達したことでエンジン回転数が上昇しない状況になったと判断する。そして、このような状況が所定時間（例えば１ｓｅｃ）継続すると、燃料圧力上昇制御を開始し、一時的に燃料圧力を上昇させる。例えば上記サプライポンプ２１からコモンレール２２へ供給される燃料流量を増大させることでコモンレール圧を上昇させ、これによって気筒内への燃料噴射圧力を上昇させる。より具体的には、上記サプライポンプ２１の吐出ポート近傍に設けられた図示しない圧力制御弁の制御により、燃料タンクへ戻される燃料量を制限してコモンレール２２へ吐出される燃料量を増大させることによりコモンレール圧を一時的に上昇させる。図５に示す状態では、点Ｙにおいて燃料圧力が約５５ＭＰａに設定された状態から燃料圧力を約９０ＭＰａまで上昇させることでエンジン運転状態を点Ｚに向かって移行させるように制御している。

この場合の燃焼室３内における熱発生率波形の変化の一例を図６に示す。この図６における二点鎖線は、点Ｙの状態、つまり、燃料圧力が約５５ＭＰａに設定された状態での熱発生率波形である。また、図６における実線は、点Ｚの状態、つまり、燃料圧力が約９０ＭＰａに設定された状態での熱発生率波形である。

ここで、燃料圧力上昇制御開始時における燃料圧力の目標値（上述したものでは約９０ＭＰａ）について説明する。この燃料圧力の目標値は、運転者の加速要求に応じて設定される。つまり、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）が大きいほど、燃料圧力の目標値としては高く設定される。具体的には、アクセルペダルの踏み込み量に応じたパワー（エンジン出力）が得られるように、図５上のパワーラインが選択され、そのパワーラインに割り付けられている燃料噴射圧力が目標燃料圧力として設定されるようになっている。つまり、上述の如く目標値が約９０ＭＰａに設定されている場合、エンジンに要求されるパワー（エンジン出力）は約５０ｋＷとなっている。このようにして燃料圧力の目標値が設定されるため、運転者の加速要求が高いほど、車両加速時における加速度を高くすることができ、運転者の加速要求に応じた加速度で車両を加速させることができるようにしている。

以上のように燃料噴射圧力を上昇させることにより、気筒内での燃焼開始初期時における熱発生率の単位時間当たりの増大量を大きくでき（熱発生率波形の傾斜角度を大きくでき）、且つ同一噴射量を得るための噴射期間を短くすることができて燃焼期間を短縮化できる（熱発生率の低下を早いタイミングに設定することができる）。つまり、クランク角度の進み度合いに対して熱発生率波形の位相を短くできる（熱発生率の低下タイミングを進角側に移行できる）。また、熱発生率のピーク値（熱発生率波形の極大値）も高く得ることができる。このように、燃料圧力を一時的に上昇させることで、熱発生率波形を、運転者が要求する車両の加速要求に適した理想的な波形に近付けることが可能になり、また、吸入空気量やエンジン回転数等の演算処理も必要なくなるので、エンジン回転数の上昇およびエンジントルクの上昇に伴って車両を迅速に加速させることができる。

尚、図６に示す熱発生率波形では、メイン噴射の噴射開始タイミングを、ピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも進角側（例えばＢＴＤＣ５°）に設定し、熱発生率の極大値（ピーク値）が圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも僅かに遅角側（例えばＡＴＤＣ５°付近）で得られるようにしている。

図７は、上述した燃料圧力上昇制御の実行時におけるアクセル開度、気筒内への燃料噴射量、燃料圧力それぞれの変化状態の一例を示すタイミングチャートである。以下、このタイミングチャートに沿って、燃料圧力上昇制御実行時における燃料噴射量および燃料圧力の変化について説明する。

先ず、図中のタイミングＴ１で運転者に加速要求が生じてアクセルペダルの踏み込み量が大きくなっていき、それに従って、燃料噴射量が増大し且つ燃料圧力が上昇していく（図５における点Ｘの運転状態から点Ｙの運転状態への移行に相当）。

そして、タイミングＴ２で、エンジン運転状態が最大トルクライン上に達し（図５における点Ｙの運転状態に相当）、登坂路による走行抵抗によってエンジン回転数が上昇しない状況になり、現在のエンジン回転数において出力可能なトルクの限界点に達する。

このような状況が所定時間（例えば１ｓｅｃ）継続して、図７におけるタイミングＴ２からタイミングＴ３に達すると、上述した燃料圧力上昇制御が開始され、燃料噴射圧力を強制的に上昇させる（図７における燃料圧力の変化状態における斜線を付した部分が燃料噴射圧力の上昇量に相当）。これにより、上述した如く、気筒内での燃焼開始初期時における熱発生率の単位時間当たりの増大量を大きくでき、熱発生率波形を、運転者が要求する車両の加速要求に適した理想的な波形に近付けることが可能になり、エンジン回転数の上昇およびエンジントルクの上昇に伴って車両を迅速に加速させることができることになる（図５における点Ｙの運転状態から点Ｚの運転状態へ向けての移行に相当）。

尚、図７に示す波形では、燃料噴射圧力を上昇させたことに伴って燃料噴射量も僅かに増大しているが、燃料噴射期間を短縮化することで、燃料噴射圧力を上昇させた場合であっても燃料噴射量を変化させないようにしてもよい。

このようにして車両が加速された後、運転者の加速要求がなくなり、アクセルペダルの踏み込み量が小さくなっていき、アクセル開度が所定の加速解除判定開度まで低下すると、燃料圧力上昇制御を解除する。つまり、燃料圧力の一時的な上昇を解除し、通常の燃料圧力設定動作（図５で示した燃圧設定マップに従った燃料圧力の設定動作）に復帰させる。図７では、タイミングＴ４からアクセルペダルの踏み込み量が小さくなっていき、それに伴って、燃料圧力を徐々に低下させていく。そして、タイミングＴ５で、アクセル開度が加速解除判定開度まで低下した時点で燃料圧力上昇制御を解除している。また、タイミングＴ６からは、アクセル開度が一定に維持され、それに従って、燃料圧力および燃料噴射量も一定に維持されている。

以上説明したように、本実施形態では、エンジン運転状態が最大トルクライン上に達してエンジン回転数が上昇しない状況となった場合には、燃料圧力を一時的に上昇させる燃料圧力上昇制御を実行し、熱発生率波形を、運転者が要求する車両の加速要求に適した理想的な波形に近付けるようにしている。また、本実施形態では、吸入空気量や内燃機関回転数等の演算処理を必要とすることなく、運転者の加速要求に応じて燃料圧力を上昇させることができる。このため、エンジン回転数の上昇およびエンジントルクの上昇に伴って車両を迅速に加速させることが可能になり、車両の加速性能の向上を図ることができる。

−他の実施形態−
以上説明した実施形態は、自動車に搭載される直列４気筒ディーゼルエンジンに本発明を適用した場合について説明した。本発明は、自動車用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンにも適用可能である。また、気筒数やエンジン形式（直列型エンジン、Ｖ型エンジン等の別）についても特に限定されるものではない。

また、上記実施形態では、マニバータ７７として、ＮＳＲ触媒７５およびＤＰＮＲ触媒７６を備えたものとしたが、ＮＳＲ触媒７５およびＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）を備えたものとしてもよい。

また、上記実施形態では、エンジン運転領域の全域に亘って、等燃料噴射圧力ラインを等パワーラインに割り付けていた。本発明は、これに限らず、エンジン運転領域の一部分（例えば最大トルクラインＴｍａｘの近傍）では、等燃料噴射圧力ラインが等パワーラインに不一致となる領域が設けられていてもよい。

また、上述した実施形態では、燃料圧力上昇制御開始時における燃料圧力の目標値としては、アクセルペダルの踏み込み量に応じたパワー（エンジン出力）が得られるように、図５上のパワーラインに割り付けられた燃料噴射圧力を目標燃料圧力として設定していた。本発明は、これに限らず、車両の加速性能をよりいっそう向上させるために、アクセルペダルの踏み込み量に応じた図５上のパワーラインに割り付けられた燃料噴射圧力よりも高い燃料噴射圧力を目標燃料圧力として設定するようにしてもよい。

実施形態に係るエンジンおよびその制御系統の概略構成図である。 ディーゼルエンジンの燃焼室およびその周辺部を示す断面図である。 ＥＣＵ等の制御系の構成を示すブロック図である。 膨張行程時の熱発生率の変化状態を示す波形図である。 実施形態に係る目標燃料圧力を決定する際に参照される燃圧設定マップを示す図である。 燃料圧力上昇制御の実行前および実行時それぞれにおける熱発生率の変化状態を示す波形図である。 燃料圧力上昇制御の実行時におけるアクセル開度、燃料噴射量、燃料圧力それぞれの変化状態を示すタイミングチャート図である。 エンジン運転状態が最大トルクラインに達した場合の動作を説明するための燃圧設定マップを示す図である。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
３ 燃焼室
２３ インジェクタ（燃料噴射弁）
４７ アクセル開度センサ

Claims (5)

1. 圧縮自着火式内燃機関の気筒内に向けて噴射する燃料の圧力を制御する車両用内燃機関の燃料圧力制御装置において、
   車両の運転者の加速要求が生じた場合に、内燃機関トルクが、現在の内燃機関回転数における最大トルクに到達した状態で、内燃機関回転数が上昇しない状況になったことを認識可能な回転数上昇不能認識手段と、
   現在の内燃機関回転数における最大トルクに到達した状態で内燃機関回転数が上昇しない状況になったことが上記回転数上昇不能認識手段によって認識された際、内燃機関回転数が上昇するまで一時的に燃料圧力を上昇させる燃料圧力上昇手段とを備えていることを特徴とする車両用内燃機関の燃料圧力制御装置。
2. 上記請求項１記載の車両用内燃機関の燃料圧力制御装置において、
   上記燃料圧力上昇手段は、運転者の加速要求が解除されるまで、燃料圧力を上昇させた状態を継続するよう構成されていることを特徴とする車両用内燃機関の燃料圧力制御装置。
3. 上記請求項１または２記載の車両用内燃機関の燃料圧力制御装置において、
   上記燃料圧力上昇手段は、一時的に燃料圧力を上昇させることによって気筒内での燃焼速度を上昇させるものであることを特徴とする車両用内燃機関の燃料圧力制御装置。
4. 上記請求項１、２または３記載の車両用内燃機関の燃料圧力制御装置において、
   上記燃料圧力上昇手段は、一時的に上昇させる燃料圧力の目標値を、運転者の加速要求に応じた目標出力に応じて設定するよう構成されていることを特徴とする車両用内燃機関の燃料圧力制御装置。
5. 上記請求項１〜４のうち何れか一つに記載の車両用内燃機関の燃料圧力制御装置において、
   上記回転数上昇不能認識手段は、運転者の加速要求操作が行われた後、内燃機関回転数が上昇しない状態が所定時間継続した場合に、現在の内燃機関回転数における最大トルクに到達したことで内燃機関回転数が上昇しない状況になったと認識するよう構成されていることを特徴とする車両用内燃機関の燃料圧力制御装置。

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