JP6098500B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来、取得した内燃機関の運転状態に基づいてＮＯｘ発生量とＰＭ発生量との関係を取得し、ＮＯｘ発生量とＰＭ発生量との配分を決定して、その関係とその配分とからＥＧＲ率の目標値を決定するものがある（特許文献１参照）。

特許第４１２６５６０号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものでは、燃料噴射弁により噴射された燃料の噴霧の状態を考慮しておらず、ＮＯｘやＰＭ等の排気エミッションの悪化を抑制する上で未だ改善の余地を残している。

本発明は、こうした課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、排気エミッションの悪化を効果的に抑制することのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。

本発明は、燃料噴射弁の噴射孔から内燃機関の燃焼室内に噴射される燃料と前記燃焼室内のガスとの混合気の混合比を制御する制御装置であって、前記機関は、前記混合気の混合比を変更する混合比変更手段を備え、前記燃料を燃焼させる噴射方向の目標距離を設定する目標距離設定手段と、前記目標距離設定手段により設定された前記目標距離での前記混合気の目標混合比を設定する目標混合比設定手段と、前記噴射孔から噴射された燃料の運動量が前記混合気の運動量として保存されることに基づいて、前記目標距離設定手段により設定された前記目標距離での前記混合気の混合比を推定する混合比推定手段と、前記混合比推定手段により推定された前記目標距離での前記混合比が、前記目標混合比設定手段により設定された前記目標混合比となるように、前記混合比変更手段を制御する混合比制御手段と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、燃料噴射弁の噴射孔から内燃機関の燃焼室内に燃料が噴射される。また、混合比変更手段により、燃焼室内に噴射される燃料と燃焼室内のガスとの混合気の混合比が変更される。

ここで、燃料を燃焼させる噴射方向への目標距離が設定され、設定された目標距離での混合気の目標混合比が設定される。噴射孔から噴射された燃料の運動量が混合気の運動量として保存されることに基づいて、目標距離での混合気の混合比が推定される。このため、噴射された燃料の運動量、すなわち噴霧の状態を考慮して、目標距離での混合気の混合比を精度良く推定することができる。そして、推定された目標距離での混合比が、設定された目標混合比となるように、混合比変更手段が制御される。したがって、燃料を燃焼させる噴射方向への目標距離での混合気の混合比を適切に制御することができ、排気エミッションの悪化を効果的に抑制することができる。

車両用ディーゼルエンジンの概要を示す模式図。 燃料噴霧のモデルを示す模式図。 低負荷時においてガス密度低下による噴霧の壁面衝突を示す模式図。 高負荷時においてガス密度低下による噴霧干渉を示す模式図。 第１実施形態における燃焼制御の手順を示すフローチャート。 噴射圧と収縮係数との関係を示すマップ。 噴霧運動量と単位時間当たり利用可能ガス量との関係を示すグラフ。 限界利用可能ガス量を示す模式図。 噴射圧及びガス密度と、噴霧角との関係を示すマップ。 差圧及びＥＧＲガス量と、ＥＧＲバルブ開度との関係を示すマップ。 燃焼噴射量及び目標ガス量と、噴射圧との関係を示すマップ。 第２実施形態における燃焼制御の手順を示すフローチャート。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、車両用のディーゼルエンジン（内燃機関）に適用され、燃料噴射弁により噴射される燃料と燃焼室内のガスとの混合気の混合比を制御する制御装置として具体化している。

図１に示すように、車両は、制御装置３０、アクセルペダルの操作量を検出するアクセルセンサ４１等を備えている。

エンジン１０は、例えば４気筒のディーゼルエンジンである。なお、図１では、１つの気筒のみを示している。エンジン１０は、シリンダ１１、ピストン１２、クランク軸１３、吸気通路１５、ターボチャージャ１６、スロットルバルブ装置１９、吸気弁１７、排気弁１８、燃料ポンプ２１、コモンレール２２、燃料噴射弁２４、排気通路２５、ＥＧＲバルブ装置５２、回転速度センサ４２、筒内圧センサ４３、吸気圧センサ４４、吸気温センサ４５、燃圧センサ４６、エアフロメータ４７、Ａ／Ｆセンサ４８、水温センサ４９等を備えている。シリンダ１１及びピストン１２によって、燃焼室１４が区画されている。

吸気通路１５には、上流側から、インタークーラ５４、スロットルバルブ装置１９、サージタンク２０、及びインテークマニホールド２０ａが設けられている。インタークーラ５４は、ターボチャージャ１６によって過給された空気を冷却する。スロットルバルブ装置１９は、ＤＣモータ等のアクチュエータ１９ａにより、スロットルバルブ１９ｂの開度を調節する。サージタンク２０と各気筒の燃焼室１４とは、インテークマニホールド２０ａにより接続されている。吸気弁１７の開閉により、インテークマニホールド２０ａと燃焼室１４とが連通及び遮断される。

燃料ポンプ２１（噴射圧力変更手段、混合比変更手段）は、燃料をコモンレール２２へ圧送する。コモンレール２２（蓄圧容器）は、燃料を蓄圧状態で保持する。燃料噴射弁２４は、コモンレール２２から供給された燃料を、燃焼室１４内に噴孔（噴射孔）から直接噴射する。燃料噴射弁２４には、複数の噴孔が形成されており、噴孔の断面形状は円形となっている。

排気通路２５には、浄化装置２６が設けられている。浄化装置２６は、排気通路２５内を流通する排気を浄化する。排気弁１８の開閉により、排気通路２５と燃焼室１４とが連通及び遮断される。

吸気通路１５と排気通路２５との間には、ターボチャージャ１６が設けられている。ターボチャージャ１６は、吸気通路１５に設けられた吸気コンプレッサ１６ａと、排気通路２５に設けられた排気タービン１６ｂと、これらを連結する回転軸１６ｃとを備えている。そして、排気通路２５内を流通する排気のエネルギにより排気タービン１６ｂが回転され、その回転エネルギが回転軸１６ｃを介して吸気コンプレッサ１６ａに伝達され、吸気コンプレッサ１６ａにより吸気通路１５内の空気が圧縮される。すなわち、ターボチャージャ１６によって空気が過給される。なお、ターボチャージャ１６は、図示しない可変ベーンの開度を調節することにより、過給圧を調節可能となっている。

排気通路２５において排気タービン１６ｂの上流側部分が、ＥＧＲ通路５１を介して吸気通路１５におけるスロットルバルブ装置１９の下流側部分（サージタンク２０）に接続されている。ＥＧＲ通路５１には、ＥＧＲバルブ装置５２、ＥＧＲクーラ５３が設けられている。ＥＧＲバルブ装置５２（排気再循環装置、混合比変更手段）は、ＤＣモータ等のアクチュエータ５２ａにより、ＥＧＲバルブ５２ｂの開度を調節する。ＥＧＲバルブ５２ｂの開度に応じて、排気通路２５内の排気の一部（ＥＧＲガス）が、ＥＧＲクーラ５３によって冷却された後に、吸気通路１５内の吸気に導入される。なお、アクチュエータ５２ａは、ＥＧＲバルブ５２ｂの開度を検出する機能を有している。

回転速度センサ４２は、エンジン１０の回転速度ＮＥを検出する。筒内圧センサ４３（圧力センサ）は、シリンダ１１（燃焼室１４）内の筒内圧力Ｐｃｙｌを検出する。吸気圧センサ４４は、サージタンク２０（吸気通路１５）内の圧力を検出する。吸気温センサ４５は、サージタンク２０（吸気通路１５）内の吸気温度を検出する。燃圧センサ４６は、コモンレール２２内の燃料圧力を検出する。エアフロメータ４７は、吸気通路１５内を流通する空気量（新気量）を検出する。Ａ／Ｆセンサ４８は、排気を浄化する浄化装置２６の下流において空燃比を検出する。水温センサ４９は、エンジン１０の冷却水温度ＴＨＷを検出する。

制御装置３０（ＥＣＵ）は、上記の各種センサの検出値に基づいて、燃料ポンプ２１の駆動、燃料噴射弁２４の駆動、ＥＧＲバルブ装置５２の駆動等を制御する。そして、上記制御装置（内燃機関の制御装置）は、制御装置３０により構成されている。

図２は、燃料噴霧のモデルを示す模式図である。同図に破線で示す検査面（断面）について考察する。

燃料噴射弁２４の噴孔２４ａから噴射された燃料は、微小な液滴となって略円錐形状（検査面では略三角形）で示す噴霧を形成する。燃料噴霧は、燃焼室１４内のガスを取り込みながら噴射方向（ｘ方向）へ進む。燃料噴霧の存在する領域（噴霧領域Ａ）内では、燃料とガス（空気及びＥＧＲガス）との混合気が形成されている。

燃料の微小な液滴の速度は、噴孔２４ａの出口断面Ｓ０（出口）での噴霧初速度ｖ０から空気抵抗（ガス抵抗）を受けて低下する。このため、噴孔２４ａの出口断面Ｓ０で燃料が有してした運動量は、噴霧領域Ａ内の混合気の運動量に変換される。すなわち、噴孔２４ａから噴射された燃料の運動量は、噴霧領域Ａ内の混合気の運動量として保存される。特に、出口断面Ｓ０を通過する燃料の運動量が、噴孔２４ａから噴射方向へ距離ｘ（ｔ）（任意距離）の対象平面Ｓ１を通過する混合気の運動量と等しくなる。ｘ（ｔ）は、出口断面Ｓ０に燃料が到達した時間を０として、経過時間ｔでのｘ方向の距離である。

ここで、出口断面Ｓ０を通過する燃料の運動量が、距離ｘ（ｔ）の対象平面Ｓ１を通過する混合気の運動量と等しくなることから、以下の数式１が成立する。なお、対象平面Ｓ１では通過する燃料の質量が通過する空気の質量と比較して小さいことから、対象平面Ｓ１での燃料の運動量を無視している。

上記において、ρｆは燃料密度、ｄは噴孔２４ａの径、ｖ０は噴孔２４ａから噴射される燃料の初速度（噴霧初速度）、ρａは噴射タイミングにおけるシリンダ１１（燃焼室１４）内のガス密度、θ０は燃料噴霧の広がり角度である噴霧角、ｗ（ｔ）は対象平面Ｓ１での燃料の速度である。数式１を変形することにより、速度ｗ（ｔ）は以下の数式２で表される。

ｗ（ｔ）＝ｄｘ／ｄｔであることから、数式２を積分して変形することにより、噴射開始からの経過時間ｔに対する噴霧の到達距離ｘ（ｔ）は以下の数式３で表される。

そして、出口断面Ｓ０を通過する燃料が、対象平面Ｓ１を通過する燃料と等しくなる。このため、酸素についての対象平面Ｓ１における当量比φ（ｔ）（混合比）は、以下の数式４で表される（混合比推定手段）。

上記において、φｔｈは理論当量比（酸素過剰率の逆数）、Ｃｏ２ｓｐは後述するように燃料噴霧が取り込むガスの酸素濃度であり、その他の各文字の物理的意味は、上記数式１と同様である。数式４に数式２を代入することにより、当量比φ（ｔ）は以下の数式５で表される。

図３は、エンジン１０の低負荷時において、ガス密度低下による燃料噴霧ｆｊの壁面衝突を示す模式図である。図３（ａ）は、エンジン１０の適合された運転状態で燃料が噴射されている場合を示しており、燃料噴霧ｆｊは破線で示す位置で燃え切っている。このため、ＮＯｘやＰＭ等の排気エミッションが抑制されている。図３（ｂ）は、ターボチャージャ１６の過給応答遅れが生じた場合を示しており、エンジン１０の適合された運転状態と比較してガス密度が低下している。このため、燃料噴霧ｆｊと燃焼室１４内のガスとの衝突が推定よりも少なくなり、燃料噴霧ｆｊが燃え切るまでの距離が長くなっている。その結果、ハッチングで示すように、燃料噴霧ｆｊが燃焼室１４の壁面１２ａに衝突している。これにより、燃料噴霧ｆｊの温度、及び燃料噴霧ｆｊの燃焼温度が低下して、ＨＣやＣＯ等の未燃燃料が増加している。

図４は、エンジン１０の高負荷時において、ガス密度低下による燃料噴霧ｆｊの干渉を示す模式図である。図４（ａ）は、エンジン１０の適合された運転状態で燃料が噴射されている場合を示しており、燃料噴霧ｆｊ１〜ｆＪ３が互いに干渉せずに燃え切っている。このため、ＮＯｘやＰＭ等の排気エミッションが抑制されている。なお、図４は、エンジン１０の高負荷時であるため、燃料の噴射量が多くなり、燃料噴霧ｆｊ１〜ｆｊ３と燃焼室１４の壁面１２ａとの衝突は生じている。図４（ｂ）は、ターボチャージャ１６の過給応答遅れが生じた場合を示しており、エンジン１０の適合された運転状態と比較してガス密度が低下している。このため、燃料噴霧ｆｊ１〜ｆｊ３と燃焼室１４内のガスとの衝突が推定よりも少なくなり、燃料噴霧ｆｊ１〜ｆｊ３が燃え切るまでの距離が長くなっている。その結果、互いに隣り合う燃料噴霧、例えば燃料噴霧ｆｊ１と燃料噴霧ｆｊ２とで、ハッチングで示すように干渉が生じている。これにより、燃料噴霧ｆｊ１と燃料噴霧ｆｊ２とが干渉した部分で当量比が上昇して、すす等のＰＭが増加している。

そこで、本実施形態では、燃料を燃焼させる噴射方向の目標距離を設定し、設定された目標距離での混合気の当量比φ（ｔ）が目標当量比となるようにＥＧＲバルブ装置５２制御する。これにより、目標距離での混合気の当量比φ（ｔ）を適切に制御し、ひいては燃料の燃焼を適切に制御して、排気エミッションの悪化を効果的に抑制する。

図５は燃焼制御の手順を示すフローチャートである。この一連の処理は、制御装置３０によって、エンジン１０での１噴射毎に実行される。

まず、エンジン１０の運転状態に基づいて、燃料噴射弁２４による燃料の噴射圧Ｐｃ、噴射量Ｑ、及び噴射タイミングθｉｎｊを設定する（Ｓ１１）。具体的には、アクセルセンサ４１により検出されるアクセルペダルの操作量、及び回転速度センサ４２により検出されるエンジン１０の回転速度ＮＥを用いて、マップ等を参照して噴射圧Ｐｃ、噴射量Ｑ、及びクランク角度θに対する噴射タイミングθｉｎｊを設定する。そして、コモンレール２２内の燃料圧力が設定された噴射圧Ｐｃとなるように、燃料ポンプ２１を駆動する。このとき、燃圧センサ４６により、コモンレール２２内の燃料圧力を検出する。

続いて、目標燃焼距離ｘｔｒｇ、目標当量比φｔｒｇ、及び目標燃焼割合ηｔｒｇを設定する（Ｓ１２）。目標燃焼距離ｘｔｒｇは、燃料を燃焼させる位置の目標を示す値であり、燃料噴射弁２４の噴孔２４ａから噴射方向への距離で表される。目標燃焼割合ηｔｒｇは、目標燃焼距離ｘｔｒｇに燃料噴霧が到達するまでに、全体のうち燃やし切る燃料の割合を示す値である。目標当量比φｔｒｇは、目標燃焼距離ｘｔｒｇまでに目標燃焼割合ηｔｒｇの燃料噴霧を燃やし切った時に、燃料噴霧の当量比が満たすべき目標値である。具体的には、アクセルセンサ４１により検出されるアクセルペダルの操作量、及び回転速度センサ４２により検出されるエンジン１０の回転速度ＮＥを用いて、マップ等を参照して目標燃焼距離ｘｔｒｇ、目標当量比φｔｒｇ、及び目標燃焼割合ηｔｒｇを設定する（目標距離設定手段、目標混合比設定手段、目標割合設定手段）。これらの目標値のマップ等は、予め実験等に基づいて、ＮＯｘやＰＭの排出量が最適となるように適合を行うことで作成されている。

続いて、目標燃焼距離ｘｔｒｇまでに燃やしきる燃焼噴射量Ｑｃｍｂ［ｍｇ］を算出する（Ｓ１３）。詳しくは、以下の数式６により、燃焼噴射量Ｑｃｍｂを算出する。

上記において、ρｆは燃料密度［ｍｇ／ｍｍ３］、ηｔｒｇはＳＳ１２で設定した目標燃焼割合、ＱはＳ１１で設定した噴射量［ｍｍ３／ｓｔ］である。ここでは、燃料噴射弁２４の複数の噴孔２４ａから噴射される燃料のうち、１燃料噴霧について検討する。このため、噴射量Ｑとして、Ｓ１２で設定した噴射量Ｑを噴孔２４ａの数ｎｈで割った値を用いる。

続いて、インテークマニホールド２０ａ（サージタンク２０）内の圧力Ｐｉｍ、及びインテークマニホールド２０ａ内のガス温度Ｔｉｍを取得する（Ｓ１４）。具体的には、吸気圧センサ４４により圧力Ｐｉｍを検出し、吸気温センサ４５によりガス温度Ｔｉｍを検出する。

続いて、噴射タイミングθｉｎｊにおけるシリンダ１１（燃焼室１４）内のガス密度ρａを算出する（Ｓ１５）。詳しくは、以下の数式７，８により、ガス密度ρａを算出する。

上記において、Ｍｃｙｌはシリンダ１１（燃焼室１４）内に吸気行程で吸入される総ガス量、Ｖ（θｉｎｊ）は噴射タイミングθｉｎｊでのシリンダ１１（燃焼室１４）の容積、Ｐｉｍはインテークマニホールド２０ａ（サージタンク２０）内の圧力［ｋＰａ］、Ｒは気体定数［Ｊ／Ｋ／ｍｏｌ］、Ｔｉｍはインテークマニホールド２０ａ内のガス温度［ｄｅｇ］、Ｍａｉｒは空気の分子量［ｍｇ／ｍｏｌ］、Ｖ（θｃｌｓ）は吸気行程終了時（吸気弁全閉時）のシリンダ１１（燃焼室１４）の容積である。容積Ｖ（θｃｌｓ）はシリンダ１１の設計値及び吸気弁１７の閉タイミングに基づき算出し、容積Ｖ（θｉｎｊ）はシリンダ１１の設計値及び噴射タイミングθｉｎｊに基づき算出する。なお、ＥＧＲガスの再循環を行っている場合等は、空気の分子量に代えてガスの組成を考慮した分子量を用いてもよい。

続いて、１燃料噴霧の噴射率Ｑｄｏｔ、及び１燃料噴霧の単位時間当たりの運動量Ｍｓｐを算出する。以下の数式９により、１燃料噴霧の噴射率Ｑｄｏｔ［ｍｇ／ｍｓ］、すなわち燃料噴射弁２４の噴孔２４ａから単位時間当たりに噴射される燃料量を算出する。同様に、以下の数式１０により、噴孔２４ａから単位時間当たりに噴射される燃料の運動量Ｍｓｐを算出する。

上記において、ρｆは燃料密度［ｍｇ／ｍｍ３］、ｄは噴孔２４ａの径［ｍｍ］、ｖ０は噴孔２４ａから噴射される燃料の初速度（噴霧初速度）［ｍｍ／ｍｓ］である。噴霧初速度ｖ０は、以下の数式１１により算出する。

上記において、ｃは収縮係数、Ｐｃは噴射圧、Ｐｃｙｌ（θｉｎｊ）は噴射タイミングθｉｎｊにおけるシリンダ１１（燃焼室１４）内の圧力［ｋＰａ］、ρｆは燃料密度［ｍｇ／ｍｍ３］である。収縮係数ｃは、噴射圧Ｐｃを用いて、図６のマップを参照して算出する。図６は、噴射圧Ｐｃと収縮係数ｃとの関係を示すマップであり、実験等に基づいて予め設定されている。同図に示すように、噴射圧Ｐｃが高いほど、収縮係数ｃが小さくなる。筒内圧力Ｐｃｙｌ（θｉｎｊ）は、筒内圧センサ４３により検出する。なお、Ｐｃｙｌ（θｉｎｊ）を、以下の数式１２により算出してもよい。

上記において、γは比熱比であり、その他の各文字の物理的意味は、数式７，８と同様である。

続いて、燃料噴射弁２４の複数の噴孔２４ａから噴射される燃料の噴霧のうち、１噴霧の利用可能ガス量Ｍｅｎｔを算出する（Ｓ１７）。まず、Ｓ１６で算出した燃料の運動量Ｍｓｐを用いて、図７のグラフを参照して単位時間当たりに噴射される燃料が、燃焼に利用可能なガス量である単位時間当たり利用可能ガス量ｍｅｎｔを算出する。燃料の運動量Ｍｓｐが大きいほど、単位時間当たりに燃料噴霧に取り込まれるガス量が多くなるため、単位時間当たり利用可能ガス量ｍｅｎｔが多くなる。図７に示す燃料の運動量Ｍｓｐと単位時間当たり利用可能ガス量ｍｅｎｔとの関係は、実験等に基づいて予め設定しておくことができる。

単位時間当たり利用可能ガス量ｍｅｎｔに燃料の噴射期間τｉｎｊを掛けることにより、１噴霧の利用可能ガス量Ｍｅｎｔを算出する（ガス量推定手段）。噴射期間τｉｎｊは、以下の数式１３により算出する。

上記において、ＱｃｍｂはＳ１３で算出した燃焼噴射量、ＱｄｏｔはＳ１６で算出した１燃料噴霧の噴射率である。ここでは、目標燃焼距離ｘｔｒｇまでに燃やしきる燃焼噴射量Ｑｃｍｂを噴射する期間を、噴射期間τｉｎｊとして算出している。

ただし、１噴霧の利用可能ガス量Ｍｅｎｔには、シリンダ１１（燃焼室１４）内に吸入された総ガス量Ｍｃｙｌ（全ガス量）と噴霧の数ｎｈ（噴孔２４ａの数ｎｈ）とにより決まる上限値（限界利用可能ガス量）が存在する。図８は、限界利用可能ガス量を示す模式図である。同図に示すように、燃料噴射弁２４の複数の噴孔２４ａから等間隔で燃料が噴射され、それぞれ燃料噴霧ｆｊ１，ｆｊ２，ｆｊ３が形成される。各燃料噴霧では、噴射方向のガスが取り込まれるとともに、矢印で示すように周囲のガスが巻き込まれる。このため、隣り合う燃料噴霧では、破線で示すように互いの中間までの領域内のガス量が利用可能な上限値となる。すなわち、限界利用可能ガス量は、シリンダ１１内に吸入された総ガス量Ｍｃｙｌを噴霧の数ｎｈで割った値となる。総ガス量Ｍｃｙｌは、以下の数式１４により算出する。

上記において、ｍｍａｆは空気量［ｍｇ／ｍｓ］、ｍｅｇｒはＥＧＲガス量［ｍｇ／ｍｓ］、ｎｉｎｊはエンジン１０の１回転当たりの噴射回数、ＮＥはエンジン１０の回転速度［ｒｐｍ］である。空気量ｍｍａｆはエアフロメータ４７により検出し、ＥＧＲガス量はＥＧＲバルブ５２ｂの開度及びＥＧＲバルブ５２ｂ前後の差圧に基づいて算出し、回転速度ＮＥは回転速度センサ４２により検出する。したがって、１噴霧の利用可能ガス量Ｍｅｎｔは、以下の数式１５で表される。

続いて、燃料噴霧の広がり角度である噴霧角θ０を算出する（Ｓ１８）。詳しくは、噴射圧Ｐｃ及びガス密度ρａを用いて、図９のマップを参照して噴霧角θ０を算出する。図９は、噴射圧Ｐｃ及びガス密度ρａと、噴霧角θ０との関係を示すマップであり、実験等に基づいて予め設定されている。同図に示すように、噴射圧Ｐｃが高い（噴孔２４ａから噴射される燃料の運動量が大きい）ほど、噴孔２４ａから噴射される燃料の噴霧角θ０（噴霧の広がり角度）が大きくなる（図２参照）。このため、噴射圧Ｐｃが高いほど、噴霧角θ０を大きくするように補正する（第１広がり角度補正手段）。また、ガス密度ρａ（空気の密度）が大きいほど、噴孔２４ａから噴射された燃料が燃焼室１４内のガスに当たって拡散する度合いが強くなる。このため、ガス密度ρａが大きいほど、噴孔２４ａから噴射された燃料の噴霧角θ０が大きくなる。このため、ガス密度ρａが大きいほど、噴霧角θ０を大きくするように補正する（第２広がり角度補正手段）。

続いて、目標燃焼距離ｘｔｒｇ及び目標当量比φｔｒｇに基づいて、燃焼噴射量Ｑｃｍｂを燃やし切った時の燃料噴霧領域の目標燃焼酸素濃度Ｃｏ２ｃｍｂを算出する（Ｓ１９）。具体的には、上述した数式５において、到達距離ｘ（ｔ）を目標燃焼距離ｘｔｒｇとし、当量比φ（ｔ）を目標当量比φｔｒｇとして、以下の数式１６により目標燃焼酸素濃度Ｃｏ２ｃｍｂ（酸素濃度Ｃｏ２ｓｐ）を算出する。

上記において、ρａはＳ１５で算出した筒内ガス密度、θ０はＳ１８で算出した噴霧各であり、その他の各文字の物理的意味は、数式５と同様である。

続いて、目標燃焼酸素濃度Ｃｏ２ｃｍｂに基づいて、目標インマニ酸素濃度Ｃｏ２ｉｍを算出する（Ｓ２０）。具体的には、燃料噴霧領域における酸素量の釣り合いから、以下の数式１７が成立する（消費酸素量推定手段）。

上記において、Ｃｏ２ｉｍはインテークマニホールド２０ａ内のガスの酸素濃度、ＭｅｎｔはＳ１７で算出した１噴霧の利用可能ガス量、κは燃料量を使用酸素量に変換する係数、Ｃｏ２ｃｍｂはＳ１９で算出した目標酸燃焼素濃度、ＱｃｍｂはＳ１３で算出した燃焼噴射量Ｑｃｍｂである。すなわち、数式１７は、燃料噴霧領域において、燃焼噴射量Ｑｃｍｂを燃焼させる前の酸素量から燃焼噴射量Ｑｃｍｂの燃焼に使用される酸素量を引いた酸素量が、燃焼後の噴霧領域内の酸素量に等しいことを表している。数式１７を変形することにより、以下の数式１８が導かれる（目標酸素濃度算出手段）。

続いて、目標インマニ酸素濃度Ｃｏ２ｉｍに基づいて、目標ＥＧＲガス量ｍｅｇｒを算出する（Ｓ２１）。具体的には、シリンダ１１（燃焼室１４）内のガスについて、以下の数式１９〜２２が成立する。

上記において、Ｃｏ２ａｉｒは大気の酸素濃度［ｗｔ％］、Ｃｏ２ｅｘは排気の酸素濃度［ｗｔ％］、ｍｍａｆは吸気通路１５内を流通する空気量［ｍｇ／ｍｓ］、ｍｅｇｒは吸気に導入されるＥＧＲガス量［ｍｇ／ｍｓ］、ｍｃｙｌはシリンダ１１内に吸入される吸気量、κは燃料量を使用酸素量に変換する係数、Ｑは噴射量、ＥＧＲは吸気全体に対するＥＧＲ率である。

これらの数式１９〜２２から、以下の数式２３が導かれる。

数式２３において、Ｓ２０で算出した目標インマニ酸素濃度Ｃｏ２ｉｍ、噴射量Ｑとして燃焼噴射量Ｑｃｍｂに噴孔２４ａの数ｎｈを掛けた値、ｍｃｙｌとして数式８により算出した総ガス量Ｍｃｙｌを代入することにより、目標ＥＧＲガス量ｍｅｇｒを算出する。

続いて、目標ＥＧＲガス量ｍｅｇｒに基づいて、ＥＧＲバルブ５２ｂの開度指示値ＥＧＲａを算出する（Ｓ２２）。具体的には、目標ＥＧＲガス量ｍｅｇｒを用いて、図１０のマップを参照して開度指示値ＥＧＲａを算出する。図１０のマップは、実験等に基づき予め設定しておくことができる。

そして、ＥＧＲバルブ５２ｂの開度が開度指示値ＥＧＲａとなるように、ＥＧＲバルブ装置５２を制御する（混合比制御手段）。すなわち、推定された目標燃焼距離ｘｔｒｇでの当量比φ（ｔ）が、設定された目標当量比φｔｒｇとなるように、ＥＧＲバルブ装置５２を制御する。その後、Ｓ１１で設定された噴射タイミングθｉｎｊにおいて燃料噴射弁２４の駆動を開始して、Ｓ１１で設定した噴射量Ｑの燃料を噴射させる。その後、この一連の処理を一旦終了する（ＥＮＤ）。

以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。

・燃料を燃焼させる噴射方向への目標燃焼距離ｘｔｒｇが設定され、設定された目標燃焼距離ｘｔｒｇでの混合気の目標当量比φｔｒｇが設定される。噴孔２４ａから噴射された燃料の運動量が混合気の運動量として保存されることに基づいて、目標燃焼距離ｘｔｒｇでの混合気の当量比φ（ｔ）が推定される。このため、噴射された燃料の運動量、すなわち噴霧の状態を考慮して、目標燃焼距離ｘｔｒｇでの混合気の当量比φ（ｔ）を精度良く推定することができる。そして、推定された目標燃焼距離ｘｔｒｇでの当量比φ（ｔ）が、設定された目標当量比φｔｒｇとなるように、ＥＧＲバルブ装置５２が制御される。したがって、燃料を燃焼させる噴射方向への目標燃焼距離ｘｔｒｇでの混合気の当量比φ（ｔ）を適切に制御することができ、排気エミッションの悪化を効果的に抑制することができる。

・燃料が完全に燃焼するためには、燃料が燃焼し終えた状態で、酸素に対する燃料の当量比が所定の当量比になっている必要がある。この点、噴孔２４ａから噴射される燃料が設定された目標燃焼距離ｘｔｒｇに到達するまでに、噴孔２４ａから噴射される燃料の燃焼により消費される消費酸素量が推定される。そして、推定された消費酸素の量に基づいて、燃料が目標燃焼距離ｘｔｒｇに到達する時の混合気の目標当量比φｔｒｇが設定される。したがって、燃料の燃焼により消費される酸素量を考慮して、燃料が目標燃焼距離ｘｔｒｇに到達する時の混合気の目標当量比φｔｒｇを適切に設定することができる。

・設定された目標燃焼距離ｘｔｒｇにおいて、噴孔２４ａから噴射される燃料のうち、設定された目標燃焼割合ηｔｒｇの燃料を燃焼させることにより、燃料の燃焼を適切に制御することができる。この点、噴孔２４ａから噴射される燃料のうち、設定された目標燃焼距離ｘｔｒｇに到達するまでに燃焼させる燃料の目標燃焼割合ηｔｒｇが設定され、噴孔２４ａから噴射される燃料のうち、設定された目標燃焼割合ηｔｒｇの燃料の燃焼により消費される消費酸素量が推定される。したがって、目標燃焼距離ｘｔｒｇまでに燃焼させる目標燃焼割合ηｔｒｇの燃料の燃焼により消費される酸素量を考慮して、燃料が目標燃焼距離ｘｔｒｇに到達する時の混合気の目標当量比φｔｒｇを適切に設定することができる。

・噴射圧Ｐｃが高い（噴孔２４ａから噴射される燃料の運動量が大きい）ほど、混合気に取り込まれるガス（空気）の量が多くなる。この点、噴孔２４ａから噴射される燃料の運動量Ｍｓｐが大きいほど、燃料の燃焼に用いられる利用可能ガス量Ｍｅｎｔが多く推定される。したがって、燃料の運動量Ｍｓｐに応じて混合気に取り込まれるガス量が変化する影響を考慮して、当量比φ（ｔ）を正確に推定することができる。

・燃料噴射弁２４に複数の噴孔２４ａが形成されている場合、１つの噴孔２４ａから噴射された燃料の噴霧が燃焼に用いることのできる利用可能ガス量Ｍｅｎｔは、燃焼室１４内の総ガス量Ｍｃｙｌを噴孔２４ａの数で割った量が上限値となる。燃料の運動量Ｍｓｐが大きいほど多く推定される利用可能ガス量Ｍｅｎｔに対して上限値を設定することにより、利用可能ガス量Ｍｅｎｔに基づいて推定される当量比φ（ｔ）を正確に推定することができる。

・設定された目標燃焼距離ｘｔｒｇでの混合気の目標当量比φｔｒｇに基づいて、吸気の目標インマニ酸素濃度Ｃｏ２ｉｍが算出される。すなわち、目標燃焼距離ｘｔｒｇでの混合気の目標当量比φｔｒｇが設定されれば、その目標当量比φｔｒｇから吸気の目標インマニ酸素濃度Ｃｏ２ｉｍを逆算することができる。そして、算出された目標インマニ酸素濃度Ｃｏ２ｉｍに基づいて、ＥＧＲバルブ装置５２により吸気に導入する排気の量が変更される。したがって、吸気の酸素濃度を目標インマニ酸素濃度Ｃｏ２ｉｍに制御することにより、目標燃焼距離ｘｔｒｇでの混合気の当量比φ（ｔ）を目標当量比φｔｒｇに制御することができる。

なお、上記実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。

・上記実施形態では、数式１９〜２２から、目標ＥＧＲガス量ｍｅｇｒを目標インマニ酸素濃度Ｃｏ２ｉｍで規定する数式２３を導いたが、目標ＥＧＲガス量ｍｅｇｒを目標エキマニ酸素濃度Ｃｏ２ｅｘで規定する以下の数式２４を導いてもよい。

そして、図５のＳ２０で算出した目標インマニ酸素濃度Ｃｏ２ｉｍを数式２０に代入して目標エキマニ酸素濃度Ｃｏ２ｅｘを算出し、算出した目標エキマニ酸素濃度Ｃｏ２ｅｘを数式２４に代入して目標ＥＧＲガス量ｍｅｇｒを算出してもよい。

・また、数式１９〜２２から、目標ＥＧＲガス量ｍｅｇｒを目標ＥＧＲ率ＥＧＲで規定する以下の数式２５を導いてもよい。

そして、図５のＳ２０で算出した目標インマニ酸素濃度Ｃｏ２ｉｍを数式２３に代入して目標ＥＧＲガス量ｍｅｇｒを算出し、算出した目標ＥＧＲガス量ｍｅｇｒを数式２２に代入して目標ＥＧＲ率ＥＧＲを算出してもよい。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、燃料ポンプ２１（噴射圧力変更手段）により、燃料噴射弁２４の噴孔２４ａから噴射される燃料の噴射圧Ｐｃ（運動量）を変更させることにより、混合気の当量比（混合比）を変更する。以下、第１実施形態との相違点を中心に説明し、第１実施形態と同様の構成及び処理については説明を省略又は簡略化する。

図１２は、本実施形態の燃焼制御の手順を示すフローチャートである。この一連の処理は、制御装置３０（混合比変更手段）によって、エンジン１０での１噴射毎に実行される。

Ｓ３１〜Ｓ３５の処理は、それぞれ図５のＳ１１〜Ｓ１５の処理と同様である。ただし、Ｓ３１においては、噴射圧Ｐｃの設定は行わず、後述するＳ４１において噴射圧Ｐｃを設定する。Ｓ３６〜Ｓ３８の処理は、それぞれ図５のＳ１８〜２０の処理と同様である。

続いて、目標燃焼酸素濃度Ｃｏ２ｃｍｂ、燃焼噴射量Ｑｃｍｂ、及び目標インマニ酸素濃度Ｃｏ２ｉｍに基づいて、目標当量比φｔｒｇを実現するために１噴霧が利用すべき目標ガス量ｍｓｐを算出する（Ｓ３９）。詳しくは、上述した数式１８において、１噴霧の利用可能ガス量Ｍｅｎｔを目標ガス量ｍｓｐとして、数式１８を変形することにより、以下の数式２６が導かれる。

上記において、Ｃｏ２ｃｍｂはＳ３７で算出した目標燃焼酸素濃度Ｃｏ２ｃｍｂ、κは燃料量を使用酸素量に変換する係数、ＱｃｍｂはＳＳ３３で算出した燃焼噴射量、Ｃｏ２ｉｍはＳ３８で算出した目標インマニ酸素濃度Ｃｏ２ｉｍである。

続いて、目標ガス量ｍｓｐが限界利可能ガス量（Ｍｃｙｌ／ｎｈ）以下であるか否か判定する（Ｓ４０）。限界利用可能ガス量は図５のＳ１７と同様に算出する。この判定において、利用可能ガス量Ｍｅｎｔが限界利可能ガス量以下であると判定した場合（Ｓ４０：ＹＥＳ）、噴射圧Ｐｃを設定する（Ｓ４１）。

詳しくは、目標ガス量ｍｓｐ及び燃焼噴射量Ｑｃｍｂを用いて、図１１のマップを参照して噴射圧Ｐｃを設定する（混合比制御手段）。上述したように、噴射圧Ｐｃが高い（噴孔２４ａから噴射される燃料の運動量が大きい）ほど、混合気に取り込まれるガス量が多くなる。このため、噴射圧Ｐｃが高いほど、燃料の燃焼に用いられるガス量が多くなり、ひいては混合気の当量比が小さくなる。そこで、図１１のマップでは、目標ガス量ｍｓｐが多くなるほど、噴射圧Ｐｃを高くしている。また、燃焼噴射量Ｑｃｍｂが多くなるほど、噴射圧Ｐｃを高くしている。図１１のマップは、実験等に基づき予め設定しておくことができる。

続いて、Ｓ３１で設定された噴射タイミングθｉｎｊにおいて燃料噴射弁２４の駆動を開始して、Ｓ３１で設定した噴射量Ｑの燃料を噴射させる（Ｓ４２）。その後、この一連の処理を一旦終了する（ＥＮＤ）。

一方、Ｓ４０の判定において、利用可能ガス量Ｍｅｎｔが限界利可能ガス量以下でないと判定した場合（Ｓ４０：ＮＯ）、図５のＳ２１，Ｓ２２の処理によりＥＧＲバルブ装置５２を制御する（Ｓ４３）。すなわち、この場合は、ＥＧＲバルブ装置５２の制御により、限界利用可能ガス量を増加させ、混合気の当量比を目標当量比φｔｒｇとする。その後、一連の処理を一旦終了する（ＥＮＤ）。

以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。ここでは、第１実施形態と相違する利点のみを述べる。

・燃料噴射弁２４の噴孔２４ａから噴射される燃料の運動量が大きい（噴射圧Ｐｃが高いほど）ほど、燃料の燃焼に用いられるガス量（１噴霧の利用可能ガス量Ｍｅｎｔ）が多くなり、ひいては混合気の当量比が小さくなる。したがって、噴孔２４ａから噴射される燃料の運動量を変更させることにより、混合気の当量比を変更することができる。

なお、上記実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。

・目標ガス量ｍｓｐが限界利用可能ガス量を超えるおそれがない場合は、図１２のＳ４０及びＳ４３の処理を省略することもできる。

また、上記の各実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。

・噴孔２４ａ（噴射孔）から噴射される燃料の運動量が大きいほど、噴霧角θ０（広がり角度）を大きくするように補正する第１広がり角度補正手段を省略することもできる。また、ガス密度ρａが大きいほど、噴霧角θ０を大きくするように補正する第２広がり角度補正手段を省略することもできる。それらの場合は、噴霧角θ０として、予め実験等に基づき設定した所定値を用いることができる。

・目標燃焼割合ηｔｒｇを一定値（例えば５０％）にすることもできる。

・上記実施形態では、混合気の混合比として、酸素についての当量比φ（ｔ）を用いたが、空気についての当量比φａ（ｔ）や、空気過剰率λ（ｔ）（当量比φａの逆数）、空燃比Ａ／Ｆ（ｔ）等を用いることもできる。

・上記実施形態では、車両用のディーゼルエンジンに、混合気の混合比を制御する制御装置としての制御装置３０（ＥＣＵ）を適用した。しかしながら、試験装置に搭載されたディーゼルエンジンに、混合気の混合比を制御する制御装置としてのＰＣ（Personal Computer）等を適用することもできる。

１０…エンジン、１４…燃焼室、２１…燃料ポンプ、２４…燃料噴射弁、２４ａ…噴孔、３０…制御装置、４３…筒内圧センサ、５２…ＥＧＲバルブ装置。

Claims (8)

1. 燃料噴射弁（２４）の噴射孔（２４ａ）から内燃機関（１０）の燃焼室（１４）内に噴射される燃料と前記燃焼室内のガスとの混合気の混合比を制御する制御装置（３０）であって、
   前記機関は、前記混合気の混合比を変更する混合比変更手段（５２、２１）を備え、
   前記燃料を燃焼させる噴射方向の目標距離を設定する目標距離設定手段と、
   前記目標距離設定手段により設定された前記目標距離での前記混合気の目標混合比を設定する目標混合比設定手段と、
   前記噴射孔から噴射された燃料の運動量が前記混合気の運動量として保存されることに基づいて、前記目標距離設定手段により設定された前記目標距離での前記混合気の混合比を推定する混合比推定手段と、
   前記混合比推定手段により推定された前記目標距離での前記混合比が、前記目標混合比設定手段により設定された前記目標混合比となるように、前記混合比変更手段を制御する混合比制御手段と、
   前記噴射孔から噴射される前記燃料が前記目標距離設定手段により設定された前記目標距離に到達するまでに、前記噴射孔から噴射される前記燃料の燃焼により消費される消費酸素量を推定する消費酸素量推定手段と、を備え、
   前記目標混合比設定手段は、前記消費酸素量推定手段により推定された前記消費酸素量に基づいて、前記燃料が前記目標距離に到達する時の前記混合気の目標混合比を設定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記噴射孔から噴射される前記燃料のうち、前記目標距離設定手段により設定された前記目標距離に到達するまでに燃焼させる燃料の目標割合を設定する目標割合設定手段を備え、
   前記消費酸素量推定手段は、前記噴射孔から噴射される前記燃料のうち、前記目標割合設定手段により設定された前記目標割合の燃料の燃焼により消費される消費酸素量を推定する請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記噴射孔から噴射される前記燃料の運動量が大きいほど、前記燃料の燃焼に用いられるガス量を多く推定するガス量推定手段を備え、
   前記混合比推定手段は、前記ガス量推定手段により推定された前記ガス量に基づいて、前記混合比を推定する請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記ガス量推定手段は、前記燃焼室内の全ガス量を前記燃料噴射弁に形成された前記噴射孔の数で割ったガス量を、１つの前記噴射孔から噴射された燃料の燃焼に用いられるガス量の上限値とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 燃料噴射弁（２４）の噴射孔（２４ａ）から内燃機関（１０）の燃焼室（１４）内に噴射される燃料と前記燃焼室内のガスとの混合気の混合比を制御する制御装置（３０）であって、
   前記機関は、前記混合気の混合比を変更する混合比変更手段（５２、２１）を備え、
   前記燃料を燃焼させる噴射方向の目標距離を設定する目標距離設定手段と、
   前記目標距離設定手段により設定された前記目標距離での前記混合気の目標混合比を設定する目標混合比設定手段と、
   前記噴射孔から噴射された燃料の運動量が前記混合気の運動量として保存されることに基づいて、前記目標距離設定手段により設定された前記目標距離での前記混合気の混合比を推定する混合比推定手段と、
   前記混合比推定手段により推定された前記目標距離での前記混合比が、前記目標混合比設定手段により設定された前記目標混合比となるように、前記混合比変更手段を制御する混合比制御手段と、
   前記噴射孔から噴射される前記燃料の運動量が大きいほど、前記燃料の燃焼に用いられるガス量を多く推定するガス量推定手段と、を備え、
   前記混合比推定手段は、前記ガス量推定手段により推定された前記ガス量に基づいて、前記混合比を推定し、
   前記ガス量推定手段は、前記燃焼室内の全ガス量を前記燃料噴射弁に形成された前記噴射孔の数で割ったガス量を、１つの前記噴射孔から噴射された燃料の燃焼に用いられるガス量の上限値とすることを特徴とする内燃機関の制御装置。
6. 前記混合比変更手段は、排気の一部を吸気に導入する排気再循環装置（５２）であり、
   前記混合比制御手段は、前記排気再循環装置により前記吸気に導入する前記排気の量を変更させることにより、前記混合気の混合比を変更する請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記目標混合比設定手段により設定された前記目標混合比に基づいて、前記吸気の目標酸素濃度を算出する目標酸素濃度算出手段を備え、
   前記混合比制御手段は、前記目標酸素濃度算出手段により算出された前記目標酸素濃度に基づいて、前記排気再循環装置により前記吸気に導入する前記排気の量を変更させる請求項６に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記混合比変更手段は、前記燃料噴射弁により噴射される前記燃料の圧力を変更する噴射圧力変更手段（２１）であり、
   前記混合比制御手段は、前記噴射圧力変更手段により、前記噴射孔から噴射される前記燃料の運動量を変更させることにより、前記混合気の混合比を変更する請求項１〜７のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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