JP5224001B1 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Abstract

パイロット噴射及びメイン噴射を実行するディーゼルエンジンにおいて、メイン噴射で噴射された燃料の物理的着火遅れ期間の終了時に対応して目標噴霧温度を設定しておき、この物理的着火遅れ期間の終了時における実噴霧温度である基準噴霧温度が上記目標噴霧温度に一致するようにパイロット噴射量及びパイロット噴射時期を制御する。上記燃料の物理的着火遅れ期間の終了時は、噴霧内当量比が噴霧内可燃当量比（０．７）まで低下した時点として求められる。上記基準噴霧温度は、燃料の物理的着火遅れ期間の終了時における筒内温度から初期噴霧温度を基準として求められた熱量分を減算することにより求められる。

Description

本発明は、ディーゼルエンジンに代表される圧縮自着火式内燃機関の制御装置に係る。特に、本発明は、副噴射（パイロット噴射）による筒内予熱量の適正化を図るための対策に関する。
従来から周知のように、自動車用エンジン等として使用されるディーゼルエンジンにあっては、燃焼室内での燃焼過程の初期段階における燃焼圧力や燃焼温度の急激な上昇を抑えて、燃焼音の低減や排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減を図るためのパイロット噴射が行われている（例えば下記の特許文献１及び特許文献２を参照）。
つまり、パイロット噴射により噴射された燃料の自己着火によって筒内を予熱（予混合燃焼により予熱）した状態でメイン噴射を実行することによって、このメイン噴射で噴射された燃料の燃焼過程の初期段階における燃焼圧力や燃焼温度の上昇を緩慢にする。これにより、メイン噴射で噴射された燃料の燃焼を安定化させて、燃焼音の低減やＮＯｘ発生量の低減を図るようにしている。
また、上記パイロット噴射での燃料噴射量（以下、「パイロット噴射量」と呼ぶ）の調整に関し、特許文献２には、エンジンの暖機完了前は暖機完了後よりもパイロット噴射量を多く設定することが開示されている。これにより、暖機完了前における失火を回避すると共にＨＣ排出量の増加を防止するようにしている。
特開２０１０−１３９５３号公報 特開平１１−９３７３５号公報
ところが、エンジンの筒内温度に基づいてパイロット噴射量を調整する場合、ガス（空気）状態や燃料噴霧の状態に応じて、パイロット噴射で噴射された燃料の燃焼状態が変動するため、パイロット噴射量を決定する基準となる筒内温度の基準時期も大きく変動することになり、適正なパイロット噴射量を設定することが困難になる。このため、適正なパイロット噴射量に対して実際のパイロット噴射量が多くなっている場合には、燃料消費率が悪化するばかりでなく、パイロット噴射自体の燃焼音が大きくなる可能性がある。また、筒内が過剰に予熱されることになって、メイン噴射で噴射された燃料の燃焼によるスモーク発生量が増大する可能性もある。一方、適正なパイロット噴射量に対して実際のパイロット噴射量が少なくなっている場合には、着火遅れが大きくなり予混合燃焼の割合が大きくなってメイン噴射で噴射された燃料の燃焼音が大きくなる可能性がある。また、メイン噴射で噴射された燃料の着火時期が遅れることで場合によっては失火に至る可能性もある。
特に、メイン噴射で噴射された燃料の燃焼時にあっては物理的着火遅れ終了時の噴霧温度によって化学的着火遅れが大きく左右されることになり、パイロット噴射量が適正に設定されていない場合には、この物理的着火遅れ終了時の噴霧温度が変動することで化学的着火遅れも大きく変動してしまい、メイン噴射で噴射された燃料の燃焼状態が悪化する可能性がある。尚、上記物理的着火遅れは、燃料液滴の蒸発、混合に要する時間であり、燃焼場のガス温度に左右される。一方、化学的着火遅れは、燃料蒸気の化学的結合、分解かつ酸化発熱に要する時間である。
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、パイロット噴射（副噴射）による筒内予熱量の適正化を図ることができる内燃機関の制御装置を提供することにある。
−発明の解決原理−
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、主噴射の噴霧温度として、主噴射実行後の所定時期に目標噴霧温度を設定しておき、この所定時期における実際の噴霧温度が上記目標噴霧温度に一致する筒内予熱量が得られるように副噴射の噴射量を設定している。
−解決手段−
具体的に、本発明は、燃料噴射弁から気筒内に向けての燃料噴射として、少なくとも、主噴射と、この主噴射に先立って行われる副噴射とが実行可能な圧縮自着火式の内燃機関の制御装置を前提とする。この内燃機関の制御装置に対し、上記主噴射が実行された後の所定時期に対応して設定された目標噴霧温度を目標値として上記所定時期における実際の噴霧温度を調整するように、上記副噴射での燃料噴射量を設定する副噴射量設定手段を備えさせている。
この特定事項により、副噴射を実行することによる筒内の予熱量を、副噴射量設定手段が設定する副噴射の燃料噴射量によって適正化することが可能となり、主噴射が実行された後の所定時期における実際の噴霧温度を目標噴霧温度に一致させる又は近付けることができる。このように、副噴射の燃料噴射量を決定する基準となる基準時期を設定した状態で、目標噴霧温度を目標値として実際の噴霧温度を調整するように副噴射での燃料噴射量を設定したことにより、筒内予熱量の適正化が図れ、燃料消費率の改善及び主噴射で噴射された燃料の燃焼音の低減を図ることができる。
上記主噴射が実行された後の所定時期として具体的には、主噴射で噴射された燃料の物理的着火遅れ期間の終了時が挙げられる。
このように主噴射で噴射された燃料の物理的着火遅れ期間の終了時を基準として目標噴霧温度を規定し、この時点における実際の噴霧温度を目標噴霧温度に近付けるように副噴射での燃料噴射量を設定する理由について以下に述べる。上記燃料の物理的着火遅れ期間は、燃料液滴の蒸発、混合に要する時間であり、筒内の温度や噴霧の状態（噴霧内当量比等）の影響を大きく受け、これらパラメータに応じて大きく変動する可能性のあるものである。これに対し、化学的着火遅れ期間は、物理的着火遅れ期間において蒸発、混合された燃料蒸気の化学的結合、分解かつ酸化発熱に要する時間であり、物理的着火遅れ期間の終了時の噴霧温度の影響を大きく受け、この噴霧温度に応じて変動する。つまり、主噴射で噴射された燃料の着火性は、物理的着火遅れ期間の終了時の噴霧温度の影響を大きく受けることになる。このため、この主噴射で噴射された燃料の物理的着火遅れ期間の終了時を基準として目標噴霧温度を規定し、この時点における実際の噴霧温度を目標噴霧温度に近付けるように副噴射での燃料噴射量を設定することにより、筒内予熱量の適正化が図れ、主噴射で噴射された燃料の燃焼状態を良好にできることになる。
また、上記物理的着火遅れ期間の終了時を求めるための手段としては、上記主噴射で噴射された燃料の噴霧内当量比が、所定の噴霧内可燃当量比を超えた後、この噴霧内可燃当量比まで低下した時点を物理的着火遅れ期間の終了時として求めるようにしている。
これにより、実際の噴霧の状態（着火のし易さを現す指標）を直接的に認識することで物理的着火遅れ期間の終了時を推定することができる。その結果、環境変化や運転過渡等が生じている場合であっても物理的着火遅れ期間の終了時を高い精度で推定することができる。
また、上記物理的着火遅れ期間の終了時を求めるための他の手段としては、機関回転数、機関負荷、筒内のガス状態に基づいて求めるようにしてもよい。
また、上記所定時期における目標噴霧温度は、燃料の着火可能温度として設定されている。
これにより、上記所定時期における実際の噴霧温度が目標噴霧温度に一致した場合には、この所定時期に達すると略同時に（化学的着火遅れ期間の経過後、直ちに）主噴射で噴射された燃料の燃焼が開始されることになる。これにより、主噴射で噴射された燃料は、予混合燃焼が殆ど行われないことになり、大部分が拡散燃焼となる。その結果、主噴射噴射の噴射タイミングを制御することがそのまま拡散燃焼の開始タイミングを制御することに略等しくなり、燃焼の制御性を改善することができる。
上述した各値を算出するための手段として具体的には以下のものが挙げられる。先ず、上記所定時期における実際の噴霧温度は、この所定時期における筒内温度、主噴射での噴射開始時の燃料温度、その燃料噴射量に基づいて算出される。
この場合、上記主噴射での噴射開始時の燃料温度は、噴射される前の燃料温度、その燃料の噴射圧力、内燃機関の冷却水温度に基づいて算出される。
一方、上記副噴射での燃料噴射量を算出するための手段としては、上記所定時期における実際の噴霧温度及び目標噴霧温度に基づいて副噴射での必要予熱量を算出し、この必要予熱量及び筒内の酸素濃度に基づいて上記副噴射での燃料噴射量を算出するようにしている。
また、好ましくは、気筒毎の副噴射での燃料噴射量のバラツキ、必要予熱量のバラツキ、上記所定時期における筒内温度のバラツキのうち少なくとも一つに応じて副噴射での燃料噴射量を補正して最終燃料噴射量を算出するようにする。
本発明では、主噴射が実行された後の所定時期に対応して設定された目標噴霧温度を目標値としてこの所定時期における実際の噴霧温度を調整するように副噴射での燃料噴射量を設定している。このため、筒内予熱量の適正化が図れ、燃料消費率の改善及び主噴射で噴射された燃料の燃焼音の低減を図ることができる。
図１は、実施形態に係るエンジン及びその制御系統の概略構成を示す図である。 図２は、ディーゼルエンジンの燃焼室及びその周辺部を示す断面図である。 図３は、ＥＣＵ等の制御系の構成を示すブロック図である。 図４は、燃焼行程において理想的な燃焼が行われた場合の熱発生率（クランク軸の単位回転角度当たりの熱発生量）の変化及び燃料噴射率（クランク軸の単位回転角度当たりの燃料噴射量）の変化の一例を示す波形図である。 図５は、パイロット噴射制御の手順を示すフローチャート図である。 図６は、物理的着火遅れ期間終了時の推定動作を説明するための図である。
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及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及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、機関燃料通路２７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、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２３，２３，…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。
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（吸気絞り弁）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。
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が接続されている。また、この排気通路には排気浄化装置７７が配設されている。この排気浄化装置７７には、触媒（ＮＯｘ吸蔵触媒または酸化触媒）及びＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）が備えられている。また、排気浄化装置７７としてはＤＰＮＲ触媒（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ−ＮＯｘ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ触媒）が採用されていてもよい。
ここで、ディーゼルエンジンの燃焼室３及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（凹陥部）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。
上記ピストン１３は、コネクティングロッド１８によって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、上記吸気ポート１５ａ及び上記排気ポート７１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及び排気ポート７１を開閉する排気バルブ１７が配設されている。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。
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５１を介して連結されたタービンホイール５２及びコンプレッサホイール５３を備えている。コンプレッサホイール５３は吸気管６４内部に臨んで配置され、タービンホイール５２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５２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５３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５２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。
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。これらＥＧＲ通路８、ＥＧＲバルブ８１、ＥＧＲクーラ８２等によってＥＧＲ装置（排気還流装置）が構成されている。
−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の排気浄化装置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の排気浄化装置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、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータと入出力回路とを備えている。図３に示すように、ＥＣＵ１００の入力回路には、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、入力回路には、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、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、ＥＣＵ１００の出力回路には、上記サプライポンプ２１、インジェクタ２３、スロットルバルブ６２、ＥＧＲバルブ８１、及び、上記ターボチャージャ５の可変ノズルベーン機構（ノズルベーンの開度を調整するアクチュエータ）５４が接続されている。
そして、ＥＣＵ１００は、上記した各種センサからの出力、その出力値を利用する演算式により求められた演算値、または、上記ＲＯＭに記憶された各種マップに基づいて、エンジン１の各種制御を実行する。
例えば、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（副噴射）とメイン噴射（主噴射）とを実行する。
上記パイロット噴射は、インジェクタ２３からのメイン噴射に先立ち、予め少量の燃料を噴射する動作である。また、このパイロット噴射は、メイン噴射による燃料の着火遅れを抑制し、安定した拡散燃焼に導くための噴射動作であって、副噴射とも呼ばれる。また、本実施形態におけるパイロット噴射は、上述したメイン噴射による初期燃焼速度を抑制する機能ばかりでなく、気筒内温度を高める予熱機能をも有するものとなっている。つまり、このパイロット噴射の実行後、燃料噴射を一旦中断し、メイン噴射が開始されるまでの間に圧縮ガス温度（気筒内温度）を十分に高めて燃料の自着火温度（例えば１０００Ｋ）に到達させるようにし、これによってメイン噴射で噴射される燃料の着火性を良好に確保するようにしている。
上記メイン噴射は、エンジン１のトルク発生のための噴射動作（トルク発生用燃料の供給動作）である。このメイン噴射での噴射量は、基本的には、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等の運転状態に応じ、要求トルクが得られるように決定される。例えば、エンジン回転数（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）が高いほど、また、アクセル操作量（アクセル開度センサ４７により検出されるアクセルペダルの踏み込み量）が大きいほど（アクセル開度が大きいほど）エンジン１のトルク要求値としては高く得られ、それに応じてメイン噴射での燃料噴射量としても多く設定されることになる。
このメイン噴射で噴射された燃料は、物理的着火遅れ期間及び化学的着火遅れ期間を経た後、燃焼を開始することになる。この際、上記パイロット噴射によって気筒内の予熱が適切に行われている場合には、メイン噴射で噴射された燃料は、化学的着火遅れ期間の経過後、直ちに燃焼が開始されることになる。つまり、上述した如く気筒内の予熱が適切になされている状況では予混合燃焼が殆ど行われないことになり、大部分が拡散燃焼となる。その結果、メイン噴射の噴射タイミングを制御することがそのまま拡散燃焼の開始タイミングを制御することに略等しくなり、燃焼の制御性を大幅に改善することができる。
尚、上記物理的着火遅れは、燃料液滴の蒸発、混合に要する時間であり、燃焼場のガス温度に左右される。一方、化学的着火遅れは、燃料蒸気の化学的結合、分解かつ酸化発熱に要する時間である。
具体的な燃料噴射形態の一例としては、ピストン１３が圧縮上死点に達する前に上記パイロット噴射（インジェクタ２３に形成された複数の噴孔からの燃料噴射）が実行され、燃料噴射が一旦停止された後、所定のインターバルを経て、ピストン１３が圧縮上死点近傍に達した時点で上記メイン噴射が実行されることになる。これにより燃料が自己着火によって燃焼し、この燃焼により発生したエネルギは、ピストン１３を下死点に向かって押し下げるための運動エネルギ（エンジン出力となるエネルギ）、燃焼室３内を温度上昇させる熱エネルギ、シリンダブロック１１やシリンダヘッド１５を経て外部（例えば冷却水）に放熱される熱エネルギとなる。
尚、上記パイロット噴射の燃料噴射量及び燃料噴射タイミング、メイン噴射の燃料噴射タイミングの設定手法の詳細については後述する。
ディーゼルエンジン１においては、ＮＯｘ発生量やスモーク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。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。
図４の上段に示す波形は、横軸をクランク角度、縦軸を熱発生率とし、パイロット噴射及び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の一例を示している。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。また、図４の下段に示す波形は、インジェクタ２３から噴射される燃料の噴射率（クランク軸の単位回転角度当たりの燃料噴射量）波形を示している。
上記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）付近からメイン噴射で噴射された燃料の燃焼が開始され、ピストン１３の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、圧縮上死点後１０度（ＡＴＤＣ１０°）の時点が燃焼重心となって、燃焼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。
このような理想的な熱発生率波形による燃焼が行われる状況にあっては、パイロット噴射によって気筒内の予熱が十分に行われ、この予熱により、メイン噴射で噴射された燃料は、噴射後、直ちに自着火温度以上の温度環境下に晒されることにより、上記物理的着火遅れ期間及び化学的着火遅れ期間を経て燃焼が開始されることになる。
尚、上述したパイロット噴射及びメイン噴射の他に、アフタ噴射やポスト噴射が必要に応じて行われる。これらの噴射の機能は周知であるため、ここでの説明は省略する。
また、ＥＣＵ１００は、エンジン１の運転状態に応じてＥＧＲバルブ８１の開度を制御し、吸気マニホールド６３に向けての排気還流量（ＥＧＲ量）を調整する。このＥＧＲ量は、予め実験やシミュレーション等によって作成されて上記ＲＯＭに記憶されたＥＧＲマップに従って設定される。このＥＧＲマップは、エンジン回転数（機関回転数）及びエンジン負荷（機関負荷）をパラメータとしてＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を決定するためのマップである。
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、即ち目標レール圧は、エンジン負荷が高くなるほど、及び、エンジン回転数が高くなるほど高いものとされる。この目標レール圧は例えば上記ＲＯＭに記憶された燃圧設定マップに従って設定される。尚、本実施形態では、エンジン負荷等に応じて燃料圧力が３０ＭＰａ〜２００ＭＰａの間で調整されるようになっている。
また、本実施形態の特徴として、ＥＣＵ１００は、パイロット噴射量及びパイロット噴射時期を適正化するためのパイロット噴射制御を実行する。以下、このパイロット噴射制御について説明する。
−パイロット噴射制御−
このパイロット噴射制御の概要としては、メイン噴射が開始された後の所定時期における噴霧温度（以下、「基準噴霧温度」と呼ぶ）が、予め設定された目標噴霧温度に一致するように（この目標噴霧温度を目標値として基準噴霧温度（実際の噴霧温度）を調整するように）パイロット噴射量を算出し、このパイロット噴射量でパイロット噴射を実行することにより筒内予熱量の適正化を図るようにしている（副噴射量設定手段による副噴射での燃料噴射量の設定動作）。また、この算出されたパイロット噴射量に応じたパイロット噴射時期も算出し、このパイロット噴射時期でパイロット噴射を実行するようになっている。
上記基準噴霧温度は噴霧内部の平均温度として求められる。本実施形態に係るコモンレール式のディーゼルエンジン１にあっては燃料噴射圧が高い（通常走行時には、例えば１００ＭＰａ以上となっている）ため、インジェクタ２３から噴射される燃料は、その噴霧（略円錐形状に成形される噴霧）の略全体に亘って燃料液滴の拡散が進んでおり、噴霧の外縁部分と中心部分との燃料液滴の分布は略等しい。このため、噴霧の全体に亘って温度が略均一となっており、後述する演算式によって基準噴霧温度を算出することが可能である。
また、上記メイン噴射が実行された後の所定時期（上記基準噴霧温度を規定する時期）は、このメイン噴射で噴射された燃料の物理的着火遅れ期間の終了時として規定される（この燃料の物理的着火遅れ期間の終了時の推定方法については後述する）。
このようにメイン噴射で噴射された燃料の物理的着火遅れ期間の終了時を基準として目標噴霧温度を規定し、この時点における基準噴霧温度（実際の噴霧温度）を目標噴霧温度に近付けるようにパイロット噴射量を設定する理由について以下に述べる。上記燃料の物理的着火遅れ期間は、燃料液滴の蒸発、混合に要する時間であり、筒内の温度や噴霧の状態（噴霧内当量比等）の影響を大きく受け、これらパラメータに応じて大きく変動する可能性のあるものである。これに対し、化学的着火遅れ期間は、物理的着火遅れ期間において蒸発、混合された燃料蒸気の化学的結合、分解かつ酸化発熱に要する時間であり、物理的着火遅れ期間の終了時の噴霧温度の影響を大きく受け、この噴霧温度に応じて変動する。つまり、メイン噴射で噴射された燃料の着火性は、物理的着火遅れ期間の終了時の噴霧温度の影響を大きく受けることになる。このため、このメイン噴射で噴射された燃料の物理的着火遅れ期間の終了時を基準として目標噴霧温度を規定し、この時点における基準噴霧温度を目標噴霧温度に近付けるようにパイロット噴射量を設定することにより、筒内予熱量の適正化が図れることになる。
また、この所定時期における上記目標噴霧温度は、メイン噴射で噴射された燃料がその噴射後、極めて短時間のうちに燃焼を開始し、上述した如くその大部分が拡散燃焼となるような噴霧温度であって、例えば燃料の自着火可能温度（例えば、自着火可能温度範囲のうちの最低温度）として規定される。更に、この目標噴霧温度は、筒内温度及びメイン噴射で噴射された燃料の吸熱に起因する温度低下分を考慮して規定される。また、上記基準噴霧温度は、インジェクタ２３から噴射（メイン噴射）された燃料の初期噴霧温度（メイン噴射の開始時の燃料温度）と、上記所定時期における筒内温度（以下、「基準筒内温度」と呼ぶ）に基づいて算出される。これらの詳細については後述する。
以下、具体的なパイロット噴射制御を図５のフローチャートに沿って説明する。このフローチャートは、エンジン１の始動後、数ｍｓｅｃ毎、または、燃焼行程が行われる毎に繰り返して実行される。
先ず、ステップＳＴ１において、エンジン１の状態量が読み込まれる。具体的には、エンジン回転数ＮＥ、エンジン負荷Ｑｆｉｎ、吸気の過給圧Ｐｉｍ、ＥＧＲ率Ｅｇｒがそれぞれ読み込まれる。エンジン回転数ＮＥは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。エンジン負荷Ｑｆｉｎは上記アクセル開度センサ４７により検出されるアクセルペダルの踏み込み量等に基づいて算出される。過給圧Ｐｉｍは上記吸気圧センサ４８の出力信号に基づいて求められる。ＥＧＲ率Ｅｇｒは上記ＥＧＲマップに従って設定されたＥＧＲ率の指令値から認識される。
その後、ステップＳＴ２に移り、上記エンジン１の運転状態量からメイン噴射の実行タイミング、及び、このメイン噴射で噴射された燃料の物理的着火遅れ期間の終了時における目標噴霧温度Ｔｓｐｔｒｇが算出される。これらメイン噴射の実行タイミング及び目標噴霧温度Ｔｓｐｔｒｇは、上述した理想的な熱発生率波形での燃焼を実現するための値として、予め実験やシミュレーションにより作成されて上記ＲＯＭに記憶されたマップから読み出される。つまり、エンジン回転数ＮＥ、エンジン負荷Ｑｆｉｎ、吸気の過給圧Ｐｉｍ、ＥＧＲ率Ｅｇｒ等の運転状態量をパラメータとしてメイン噴射の実行タイミング及び目標噴霧温度Ｔｓｐｔｒｇを決定する各マップが上記ＲＯＭに記憶されており、これらマップからメイン噴射の実行タイミング及び目標噴霧温度Ｔｓｐｔｒｇが読み出される。尚、上記各運転状態量をパラメータとした所定の演算式によってメイン噴射の実行タイミング及び目標噴霧温度Ｔｓｐｔｒｇを算出するようにしてもよい。
次に、ステップＳＴ３に移り、上記所定時期（メイン噴射で噴射された燃料の物理的着火遅れ期間の終了時；以下、「基準時期θ０」と呼ぶ）の算出を行う。この基準時期θ０は、上述した如くメイン噴射で噴射された燃料の物理的着火遅れ期間の終了時期である。この物理的着火遅れ期間の終了時期を求めるための手法としては周知の手法や出願番号ＰＣＴ／ＪＰ２０１０／０６７５４８号に記載されている手法が利用可能である。
例えば出願番号ＰＣＴ／ＪＰ２０１０／０６７５４８号に記載されている手法は、燃料噴霧内における当量比に基づいて物理的着火遅れ期間の終了時を推定するものである。具体的に図６を用いて説明する。図６は、燃料噴射開始後における燃料の噴霧中における当量比（以下、「噴霧内当量比」と呼ぶ）の変化を示す図である。この図６に示すように、燃料噴射が開始された時点から、その噴射された燃料の噴霧内当量比が着火可能な値（噴霧内可燃当量比φtrg（例えば０．７））に達すると共に、その噴霧中の可燃蒸気量（噴霧内可燃蒸気量）が着火可能な値（必要最少可燃蒸気量）に達した後、上記噴霧内当量比が上記噴霧内可燃当量比以下に低下する時点までの期間が物理的着火遅れ期間であるとし、この噴霧内当量比が噴霧内可燃当量比以下に低下した時点を物理的着火遅れ期間の終了時（基準時期θ０）であると推定するようになっている。上記噴霧内可燃当量比φtrgは上記の値に限定されるものではない。図６に示すように噴霧内当量比が変化する場合には、燃料噴射が開始されてから上記噴霧内当量比が噴霧内可燃当量比φtrgに達するまでの期間が図中のｔａであり、その後に、噴霧内当量比が噴霧内可燃当量比φtrgに低下するまでの期間が図中のｔｂであって、これらの和（ｔａ＋ｔｂ）が物理的着火遅れ期間として算出され、この期間ｔｂの終了時点が物理的着火遅れ期間の終了時（基準時期θ０）であると推定されることになる。尚、噴霧内当量比の具体的な算出動作としては、噴霧中の燃料量（燃料噴射量指令値から求められる燃料量を噴孔数で除した量）をその噴霧の体積で除した値に基づいて求められる。また、噴霧の体積は周知の演算式（「広安の式」等）から算出される。また、エンジン回転数ＮＥ、エンジン負荷Ｑｆｉｎ、筒内のガス状態（吸気の過給圧ＰｉｍやＥＧＲ率Ｅｇｒ等により決定される筒内酸素濃度や燃料噴射圧等により決まるガス状態）から物理的着火遅れ期間を算出して、その物理的着火遅れ期間の終了時（基準時期θ０）を求めるようにしてもよい。
このようにして基準時期θ０を求めた後、ステップＳＴ４に移り、この基準時期θ０における筒内温度（以下、「基準筒内温度Ｔｃｙｌ（θ０）」と呼ぶ）を算出する。この基準筒内温度Ｔｃｙｌ（θ０）は、例えば上記吸気温センサ４９により検出される吸気温度、吸気バルブ１６の閉弁タイミング、エンジン１の諸元（圧縮比やシリンダボア等）、クランクシャフトの回転角度位置等に基づいて算出が可能である。また、筒内圧を検出可能な筒内圧センサを設けておき、この筒内圧センサで検出された筒内圧を、周知の気体状態方程式（ＰＶ＝ｎＲＴ）に当て嵌めることで筒内温度（Ｔ）を算出するようにしてもよい。ここで、筒内容積（Ｖ）はエンジンの諸元（圧縮比やシリンダボア等）とクランクシャフトの回転角度位置等によって決定される。また、気体の物質量（ｎ）及び気体定数（Ｒ）は、上記エアフローメータ４３により検出される吸入空気量や、外気温度や、インジェクタ２３からの燃料噴射量等に基づいて求められる。
以上のようにして基準筒内温度Ｔｃｙｌ（θ０）を求めた後、ステップＳＴ５に移り、上記基準時期θ０における噴霧温度（以下、「基準噴霧温度Ｔｓｐ（θ０）」と呼ぶ）を算出する。この基準噴霧温度Ｔｓｐ（θ０）は、以下の式（１）によって算出される。
Ｔｓｐ（θ０）＝Ｔｃｙｌ（θ０）−Ｔｓｐ０・ｋ・Ｑｉｎｊ …（１）
ここで、Ｔｓｐ０は初期噴霧温度、ｋは噴射量係数、Ｑｉｎｊはメイン噴射での燃料噴射量である。この燃料噴射量Ｑｉｎｊは、上述した如く、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等の運転状態に応じ、要求トルクが得られるように決定される（燃料噴射量指令値として与えられる）。また、初期噴霧温度Ｔｓｐ０は、以下の式（２）によって算出される。
Ｔｓｐ０＝ｆ（ｔｈｆ，ｐｃｒ，ｔｈｗ） …（２）
ここで、ｔｈｆは燃料温度（噴射される前の燃料温度）、ｐｃｒは燃料噴射圧力、ｔｈｗは冷却水温度である。
上記燃料温度ｔｈｆはインジェクタ２３からの燃料噴射開始時点における燃料温度であって、図示しない温度センサにより検出されるか、またはサプライポンプ２１の入口での温度を基準に、インジェクタ内部通路及びエンジン１からの受熱量を水温で代替することによりインジェクタ部材温度を補正し、噴射による温度上昇分を加えることで算出される。燃料噴射圧力ｐｃｒは上記レール圧センサ４１の出力信号に基づいて求められる。冷却水温度ｔｈｗは上記水温センサ４６の出力信号に基づいて求められる。また、上記演算ｆは、予め実験やシミュレーションにより得られている。
上記式（１）によって算出された基準噴霧温度Ｔｓｐ（θ０）は、式（１）からも明らかなように、上記基準時期θ０における筒内温度である基準筒内温度Ｔｃｙｌ（θ０）から燃料による温度低下分を減算して算出されたものとなっている。つまり、メイン噴射で噴射された燃料の潜熱分を考慮して基準噴霧温度Ｔｓｐ（θ０）は算出されている。
その後、ステップＳＴ６に移り、パイロット噴射で必要となる筒内の予熱量（以下、「必要パイロット予熱量Ｑｐｒｑ」と呼ぶ；本発明でいう必要予熱量）を算出する。この必要パイロット予熱量Ｑｐｒｑは、以下の式（３）によって算出される。
Ｑｐｒｑ＝ｇ（Ｔｓｐｔｒｇ，Ｔｓｐ（θ０）） …（３）
この演算ｇも、予め実験やシミュレーションにより得られている。
ここで求められる必要パイロット予熱量Ｑｐｒｑは、上記基準噴霧温度Ｔｓｐ（θ０）が目標噴霧温度Ｔｓｐｔｒｇに一致する筒内予熱量が得られる値として算出される。つまり、目標噴霧温度Ｔｓｐｔｒｇに対する基準噴霧温度Ｔｓｐ（θ０）の不足分に相当するエネルギ量だけ増量補正された値として上記必要パイロット予熱量Ｑｐｒｑは算出される。
このようにして必要パイロット予熱量Ｑｐｒｑが算出された後、ステップＳＴ７に移り、パイロット噴射量Ｑｐｌ及びパイロット噴射時期を算出する。パイロット噴射量Ｑｐｌは、以下の式（４）によって算出される。
Ｑｐｌ＝ｈ（Ｑｐｒｑ，Ｏ2ｃｏｎ） …（４）
ここで、Ｏ2ｃｏｎは筒内の酸素濃度である。この酸素濃度Ｏ2ｃｏｎは、外気温度、吸入空気量、過給圧、ＥＧＲ率等に基づいて算出される。外気温度は図示しない外気温センサの出力信号に基づいて求められる。吸入空気量は上記エアフローメータ４３の出力信号に基づいて求められる。過給圧は上記吸気圧センサ４８の出力信号に基づいて求められる。ＥＧＲ率Ｅｇｒは上記ＥＧＲマップに従って設定されたＥＧＲ率の指令値から認識される。尚、メイン噴射で噴射された燃料が燃焼するためには筒内の酸素濃度Ｏ2ｃｏｎとして必要酸素濃度が確保されている必要がある。このため、この必要酸素濃度が確保されるように、予め各種制御パラメータの制御が行われている。尚、上記演算ｈも、予め実験やシミュレーションにより得られている。
また、パイロット噴射時期は、上記算出されたパイロット噴射量Ｑｐｌの略全量が上記基準時期θ０（メイン噴射で噴射された燃料の物理的着火遅れ期間の終了時）までに燃焼を完了する時期として設定され、この基準時期θ０において必要パイロット予熱量Ｑｐｒｑが確保できるタイミングに設定されている。具体的に、パイロット噴射量Ｑｐｌに応じてパイロット噴射時期を設定するマップが実験やシミュレーションによって予め作成されて上記ＲＯＭに記憶されており、このマップにパイロット噴射量Ｑｐｌを当て嵌めることでパイロット噴射時期が読み出される。また、所定の演算式により、パイロット噴射量Ｑｐｌに応じてパイロット噴射時期が算出されるようにしてもよい。
また、上記パイロット噴射量Ｑｐｌの算出に関し、各インジェクタ２３，２３，…の個体差等に起因する気筒毎のパイロット噴射量Ｑｐｌのバラツキ、必要パイロット予熱量Ｑｐｒｑのバラツキ、基準筒内温度Ｔｃｙｌ（θ０）のバラツキ（圧縮比のバラツキ等に起因する）に対応するべく、これらバラツキを気筒毎の固有データとして予め上記ＲＯＭに記憶または学習により保持しておき、上述の如く算出されたパイロット噴射量Ｑｐｌ及びパイロット噴射時期に対し、上記気筒毎の固有データに応じた補正を行って最終パイロット噴射量及び最終パイロット噴射時期を算出するようにしてもよい。
また、周知の微小燃料噴射量学習制御（エンジン１の無負荷時に微小量の燃料噴射を行った際に、エンジン運転状態の変化量が、規定する変化量に一致しているか否かによって燃料噴射量にズレが生じていないかを学習する制御）によって取得される燃料噴射量のズレに応じてパイロット噴射量Ｑｐｌ及びパイロット噴射時期を補正して最終パイロット噴射量及び最終パイロット噴射時期を算出するようにしてもよい。
以上のようにして算出されたパイロット噴射量及び最終パイロット噴射時期は、上記物理的着火遅れ期間の終了時が算出された気筒の次に燃焼行程を行う気筒におけるパイロット噴射に反映させたり、同一気筒（物理的着火遅れ期間の終了時が算出された気筒）における次の燃焼行程（４気筒エンジンの場合には４回先の燃焼行程）でのパイロット噴射に反映させたりすることができる。また、吸気バルブ１６の閉弁時点でのガス状態やその気筒に対する各燃料噴射形態から物理的着火遅れ期間の終了時を推定することで、その気筒（物理的着火遅れ期間の終了時が推定された気筒）におけるパイロット噴射に反映させるようにしてもよい。
以上の動作が繰り返され、メイン噴射で噴射された燃料の物理的着火遅れ期間の終了時（基準時期θ０）における噴霧温度（基準噴霧温度Ｔｓｐ（θ０））が目標噴霧温度Ｔｓｐｔｒｇに一致することになり、このメイン噴射で噴射された燃料の着火性が良好に得られて理想的な燃焼状態（例えば図４に示したような熱発生率波形が得られる燃焼状態）を得ることが可能となる。その結果、ＮＯｘ発生量やスモーク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となる。また、上記気筒毎の固有データ等によってパイロット噴射量Ｑｐｌ及びパイロット噴射時期を補正することにより、各気筒間の着火時期のバラツキを解消することができ、安定したエンジン１の運転状態を得ることが可能になる。
−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、水平対向型エンジン等の別）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、メイン噴射で噴射された燃料の物理的着火遅れ期間の終了時を基準時期θ０として、目標噴霧温度Ｔｓｐｔｒｇを規定すると共に基準噴霧温度Ｔｓｐ（θ０）を求めていた。基準時期θ０としてはこれに限定されるものではなく、メイン噴射で噴射された燃料の物理的着火遅れ期間の終了時に対して所定クランク角度だけ進角側または遅角側を基準時期θ０として規定したり、化学的着火遅れ期間を基準として基準時期θ０を規定するようにしてもよい。また、メイン噴射の開始後、所定クランク角度だけクランクシャフトが回転した時点や所定時間だけ経過した時点を基準時期θ０として規定するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、通電期間においてのみ全開の開弁状態となることにより燃料噴射率を変更するピエゾインジェクタ２３を適用したエンジン１について説明したが、本発明は、可変噴射率インジェクタを適用したエンジンへの適用も可能である。
本発明は、自動車に搭載されるコモンレール式筒内直噴型多気筒ディーゼルエンジンにおいて、パイロット噴射の噴射量を適正化する制御に適用可能である。
１ エンジン（内燃機関）
１２ シリンダボア
２３ インジェクタ（燃料噴射弁）
１００ ＥＣＵ
Ｔｓｐｔｒｇ 目標噴霧温度
θ０ 基準時期（所定時期）
Ｔｓｐ（θ０） 基準噴霧温度（実際の噴霧温度）
Ｔｓｐ０ 初期噴霧温度
Ｔｃｙｌ（θ０）基準筒内温度
Ｑｐｒｑ 必要パイロット予熱量（必要予熱量）
Ｑｐｌ パイロット噴射量
φtrg 噴霧内可燃当量比
Ｑｉｎｊ 燃料噴射量
ｔｈｆ 燃料温度
ｐｃｒ 燃料噴射圧力
ｔｈｗ 冷却水温度

Claims (9)

  1. 燃料噴射弁から気筒内に向けての燃料噴射として、少なくとも、主噴射と、この主噴射に先立って行われる副噴射とが実行可能な圧縮自着火式の内燃機関の制御装置において、
    上記主噴射が実行された後の所定時期に対応して設定された目標噴霧温度を目標値として上記所定時期における実際の噴霧温度を調整するように、上記副噴射での燃料噴射量を設定する副噴射量設定手段を備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 請求項１記載の内燃機関の制御装置において、
    上記主噴射が実行された後の所定時期は、主噴射で噴射された燃料の物理的着火遅れ期間の終了時であることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  3. 請求項２記載の内燃機関の制御装置において、
    上記物理的着火遅れ期間の終了時は、上記主噴射で噴射された燃料の噴霧内当量比が、所定の噴霧内可燃当量比を超えた後、この噴霧内可燃当量比まで低下した時点として求められていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  4. 請求項２記載の内燃機関の制御装置において、
    上記物理的着火遅れ期間の終了時は、機関回転数、機関負荷、筒内のガス状態に基づいて求められていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  5. 請求項１〜４のち何れか一つに記載の内燃機関の制御装置において、
    上記所定時期における目標噴霧温度は、燃料の着火可能温度として設定されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  6. 請求項１〜５のち何れか一つに記載の内燃機関の制御装置において、
    上記所定時期における実際の噴霧温度は、この所定時期における筒内温度、主噴射での噴射開始時の燃料温度、その燃料噴射量に基づいて算出されることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  7. 請求項６記載の内燃機関の制御装置において、
    上記主噴射での噴射開始時の燃料温度は、噴射される前の燃料温度、その燃料の噴射圧力、内燃機関の冷却水温度に基づいて算出されることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  8. 請求項１〜７のち何れか一つに記載の内燃機関の制御装置において、
    上記副噴射量設定手段は、上記所定時期における実際の噴霧温度及び目標噴霧温度に基づいて副噴射での必要予熱量を算出し、この必要予熱量及び筒内の酸素濃度に基づいて上記副噴射での燃料噴射量を算出するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  9. 請求項１〜８のち何れか一つに記載の内燃機関の制御装置において、
    上記副噴射量設定手段は、気筒毎の副噴射での燃料噴射量のバラツキ、必要予熱量のバラツキ、上記所定時期における筒内温度のバラツキのうち少なくとも一つに応じて副噴射での燃料噴射量を補正して最終燃料噴射量を算出するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
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