JP6135587B2 - 燃料噴霧制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料噴射弁により噴射される燃料の噴霧を制御する装置に関する。

従来、この種の装置において、スワールの流速を目標値に制御することにより、隣接噴霧同士の干渉や、パイロット噴射とメイン噴射との干渉を回避するものがある（特許文献１参照）。

特開２０１２−１２２４１２号公報

しかしながら、メイン噴射では、噴霧が燃焼室の壁面に衝突することがあり、壁面に衝突した噴霧同士が干渉するおそれがある。この場合も、噴霧同士が干渉する部分で当量比が増加し、すす（ＰＭ）の排出量が増加するおそれがある。

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、隣り合う噴霧が燃焼室の壁面に衝突した後に互いに干渉することによるすす（ＰＭ）の排出量増加を抑制することのできる燃料噴霧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、複数の噴射孔が形成された燃料噴射弁により内燃機関の燃焼室内に噴射される燃料の噴霧を制御する燃料噴霧制御装置であって、前記噴射孔から噴射された燃料の運動量が前記燃料と前記燃焼室内のガスとの混合気の運動量として保存されることに基づいて、前記燃料の噴射方向への到達距離を推定する到達距離推定手段と、前記到達距離推定手段により推定された前記到達距離と、前記燃料噴射弁の第１噴射孔から噴射される燃料の噴霧が前記第１噴射孔の隣りの第２噴射孔から噴射される燃料の噴霧と前記燃焼室の壁面を介して干渉する干渉位置までに移動する距離である干渉距離と、前記燃料噴射弁により前記燃料が継続して噴射される期間である継続噴射期間とに基づいて、前記第１噴射孔から噴射される燃料の噴霧と前記第２噴射孔から噴射される燃料の噴霧とが干渉する度合である干渉度合を推定する干渉度合推定手段と、前記干渉度合推定手段により推定された前記干渉度合が所定度合よりも大きい場合に、所定期間に前記干渉位置に到達する前記燃料の量を減少させるように、前記燃料の噴霧を制御する噴霧制御手段と、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、燃料の噴射方向への到達距離が推定される。そして、推定された到達距離と、第１噴射孔から噴射される燃料の噴霧が第１噴射孔の隣りの第２噴射孔から噴射される燃料の噴霧と燃焼室の壁面を介して干渉する干渉位置までに移動する距離である干渉距離と、燃料噴射弁により燃料が継続して噴射される期間である継続噴射期間とに基づいて、第１噴射孔から噴射される燃料の噴霧と第２噴射孔から噴射される燃料の噴霧とが干渉する度合である干渉度合が推定される。

ここで、上記干渉距離は、燃焼室の径及び噴射孔の数等から算出したり、噴霧状態を直接観察して算出したりすることができる。また、上記継続噴射期間は、燃料噴射弁に対する噴射指令値や、燃料噴射弁の弁体のリフト状態、燃料噴射弁内の燃圧変化等から算出することができる。そして、到達距離、干渉距離、及び継続噴射期間に基づいて、第１噴射孔から噴射される燃料の噴霧と第２噴射孔から噴射される燃料の噴霧との干渉度合を推定することができる。例えば、到達距離が干渉距離よりも長くなると噴霧同士の干渉が生じ、噴霧同士の干渉が継続する期間（干渉度合）は継続噴射期間に応じて変化する。

そして、推定された干渉度合が所定度合よりも大きい場合に、所定期間に上記干渉位置に到達する燃料の量（単位期間当たりに干渉位置に到達する燃料量）を減少させるように、燃料の噴霧が制御される。このため、隣り合う噴霧が燃焼室の壁面に衝突した後に互いに干渉することを抑制することができる。その結果、噴霧同士が干渉して当量比が増加することを抑制することができ、すす（ＰＭ）の排出量が増加することを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。 燃料噴霧の干渉を示す模式図。 燃料の噴霧制御の手順を示すフローチャート。 分割前及び分割後の噴射パルスを示すタイムチャート。 干渉前時間算出の手順を示すフローチャート。 噴射圧及びガス密度と、噴霧角との関係を示すマップ。 噴射圧と収縮係数との関係を示すマップ。 噴霧の運動量と追い越しとの関係を示すタイムチャート。 クランク角度と、噴孔から燃焼室壁面までの距離との関係を示す図。 噴霧の干渉距離を示す模式図。 分割前及び分割後の干渉距離と噴霧到達距離との関係を示すタイムチャート。

以下、一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の噴霧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、エンジン１０、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、各種センサ４２〜５０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（噴射圧力調節手段）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、シリンダ１１（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（過給機）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（吸気）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）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（第１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。噴射弁内圧センサ５０（第２圧力センサ）は、燃料噴射弁２４に設けられた燃料通路内の燃料圧力（弁内圧Ｐｉｎｊ）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、ターボチャージャ１６、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。なお、制御装置３０により、燃料噴霧制御装置が構成されている。

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で燃料が有していた運動量は、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での混合気の速度である。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。

図３は、燃料噴霧ｆｊ１，ｆｊ２の干渉を示す模式図である。メイン噴射では、噴霧ｆｊ１，ｆｊ２が燃焼室１４の壁面１２ａ（ここではピストン１２の凹部の壁面）に衝突することがある。燃料噴射弁２４の隣り合う噴孔２４ａ１，２４ａ２からそれぞれ噴射された燃料の噴霧ｆｊ１，ｆｊ２は、それぞれ壁面１２ａに衝突した後に、壁面１２ａに沿って移動する。そして、丸で囲む範囲のように、噴霧ｆｊ１と噴霧ｆｊ２とが干渉することとなる。噴霧ｆｊ１と噴霧ｆｊ２とが干渉する部分では、酸素に対する燃料の当量比が増加し、すす（ＰＭ）の排出量が増加するおそれがある。

そこで、本実施形態では、噴孔２４ａ１（第１噴射孔）から噴射される燃料の噴霧ｆｊ１と、噴孔２４ａ２（第２噴射孔）から噴射される燃料の噴霧ｆｊ２とが干渉する度合である干渉度合を推定する。そして、推定された干渉度合が所定度合よりも大きい場合に、所定期間に干渉位置に到達する燃料の量を減少させるように、燃料の噴霧を制御する。

詳しくは、燃料噴射弁２４によりメイン噴射量Ｑｍの燃料を噴射させる場合に、１回の継続したメイン噴射により噴射させるよりも、分割噴射によりメイン噴射量Ｑｍの燃料を噴射させる方が、所定期間に干渉位置に到達する燃料の量は減少することとなる。このため、燃料噴射弁２４により分割噴射を実行させることにより、所定期間に干渉位置に到達する燃料の量を減少させる。

図４は、燃料の噴霧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の運転状態を取得する（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を取得する。

続いて、取得したエンジン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を設定する（Ｓ１２）。具体的には、取得したアクセルペダルの操作量及びエンジン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、取得したエンジン１０の運転状態に基づいて、燃料噴射弁２４に対して噴射を要求する要求噴射量Ｑを算出する（Ｓ１３）。具体的には、取得したアクセルペダルの操作量及びエンジン１０の回転速度ＮＥを用いて、マップ等を参照して要求噴射量Ｑを設定する。

続いて、要求噴射量Ｑのうち、メイン噴射により噴射させるメイン噴射量Ｑｍを算出する（Ｓ１４）。具体的には、取得したアクセルペダルの操作量及びエンジン１０の回転速度ＮＥを用いて、マップ等を参照してパイロット噴射により噴射させるパイロット噴射量Ｑｐを算出する。そして、要求噴射量Ｑからパイロット噴射量Ｑｐを引いて、メイン噴射量Ｑｍを算出する。

続いて、取得したエンジン１０の回転速度ＮＥに基づいて、メイン噴射を開始する噴射タイミングθｉｎｊ、及びメイン噴射を継続する時間である噴射パルス幅τを設定する（Ｓ１５）。具体的には、取得したエンジン１０の回転速度ＮＥを用いて、マップ等を参照してメイン噴射を開始する噴射タイミングθｉｎｊを設定する。また、燃圧センサ４６により検出されたコモンレール２２内の燃料圧力、算出したメイン噴射量Ｑｍを用いて、マップ等を参照してメイン噴射の噴射パルス幅τを設定する。なお、パイロット噴射についても、噴射タイミング及び噴射パルス幅を設定するが、ここではメイン噴射を以降の処理の対象とする。

続いて、燃料が噴孔２４ａ１，２４ａ２から干渉位置に到達するまでの時間である干渉前時間ｔｂｃを算出する（Ｓ１６）。この干渉前時間ｔｂｃ（干渉前期間）の算出方法については後述する。ここで、干渉位置は、燃料噴射弁２４の噴孔２４ａ１から噴射される燃料の噴霧が噴孔２４ａ１の隣りの噴孔２４ａ２から噴射される燃料の噴霧と、燃焼室１４の壁面１２ａを介して干渉する位置である。

続いて、メイン噴射の噴射パルス幅τ（継続噴射期間）が、干渉前時間ｔｂｃから閾値αを引いた時間よりも長いか否か判定する（Ｓ１７）。すなわち、噴孔２４ａ１から噴射される燃料の噴霧と噴孔２４ａ２から噴射される燃料の噴霧とが干渉する度合である干渉度合が、所定度合よりも大きいか否か判定する。閾値αは、メイン噴射の噴霧同士の干渉が生じる場合に、干渉後に継続して燃料が噴射されることを防止することのできる値に設定されている。この判定において、メイン噴射の噴射パルス幅τが、干渉前時間ｔｂｃから閾値αを引いた時間よりも長くないと判定した場合（Ｓ１７：ＮＯ）、噴射パルス幅τでメイン噴射を実行させる（Ｓ１８）。その後、この一連の処理を一旦終了する（ＥＮＤ）。

一方、Ｓ１７の判定において、メイン噴射の噴射パルス幅τが、干渉前時間ｔｂｃから閾値αを引いた時間よりも長いと判定した場合（Ｓ１７：ＹＥＳ）、図５に示すようにメイン噴射を分割する（Ｓ１９）。詳しくは、メイン噴射の噴射パルス幅τを、２つのメイン噴射の噴射パルス幅τ１，τ２（τ＝τ１＋τ２）に分割する。これらの噴射パルス幅τ１，τ２は、干渉前時間ｔｂｃよりも短い時間である。

ここで、燃料噴射弁２４により分割噴射を実行させると、分割噴射の噴射間隔の分だけ、最初の噴射開始から最後の噴射終了までの期間が延びることとなる。その結果、燃料の燃焼期間が長くなり、燃料の燃焼効率が低下するおそれがある。このため、分割噴射の間隔を、制御可能な最短時間ｔｉｍ（最短期間）に設定する。その後、噴射パルス幅τ１、最短時間ｔｉｍの噴射間隔、噴射パルス幅τ２で、メイン噴射を実行させる（Ｓ１８）。その後、この一連の処理を一旦終了する（ＥＮＤ）。

なお、Ｓ１７の処理が干渉度合推定手段としての処理に相当し、Ｓ１９の処理が噴霧制御手段としての処理に相当する。

図６は、干渉前時間ｔｂｃ算出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、図４のＳ１６の処理として実行される。この一連の処理は、燃料噴射弁２４により実際に燃料を噴射させる前に、燃料噴霧の状態を予測する処理として実行される。

まず、燃料噴射弁２４による燃料の噴射開始から燃料の燃焼終了までの期間にわたって、クランク角度θに対する筒内圧力Ｐｃｙｌ（θ）を取得する（Ｓ２１）。具体的には、以下の数式４により、Ｐｃｙｌ（θ）を算出する。

上記において、Ｖ（θ）はクランク角度θ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］、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、γは比熱比である。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（θ）はシリンダ１１の設計値及びクランク角度θに基づき算出し、圧力Ｐｉｍは吸気圧センサ４４により検出する。

続いて、クランク角度θ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（Ｓ２２）。詳しくは、以下の数式５により、ガス密度ρａを算出する。

上記において、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［ｇ／ｍｏｌ］である。ガス温度Ｔｉｍは吸気温センサ４５により検出する。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、燃料噴霧の広がり角度である噴霧角θ０を算出する（Ｓ２３）。詳しくは、噴射圧Ｐｃ及びガス密度ρａを用いて、図７のマップを参照して噴霧角θ０を算出する。図７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、噴射される燃料の初速度である噴霧初速度ｖ０、及び噴霧初速度ｖ０に到達するまでの到達角度遅れθｄｌｙを算出する（Ｓ２４）。以下の数式６により、燃料噴射弁２４の噴孔２４ａ１，２４ａ２（２４ａ）から噴射される燃料の初速度である噴霧初速度ｖ０を算出する。

上記において、ｃは収縮係数、Ｐｃは噴射圧、Ｐｃｙｌ（θ）はクランク角度θ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８のマップを参照して算出する。図８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（θ）は、Ｓ２１で取得したＰｃｙｌ（θ）である。

図９は、噴霧の運動量と追い越しとの関係を示すタイムチャートである。図９（ａ）に示すように、噴孔２４ａから噴射される燃料の運動量（噴霧初速度ｖ０）は、噴射開始時には低く、噴射開始からの経過時間ｔが長くなるにつれて大きくなり、その後に一定となった後に小さくなる。ここで、図９（ｂ）に示すように、噴孔２４ａから噴射される燃料の運動量（噴霧初速度ｖ０）に応じて、噴射からの経過時間ｔに対する燃料の到達距離ｘが変化する。例えば、図９（ａ）に示すＢ点，Ｃ点の運動量をそれぞれ持つ燃料は、図９（ｂ）にそれぞれＢ，Ｃで示すグラフのように到達距離ｘが変化する。このため、低い初速度（Ｂ点）で噴射された燃料が、その後に噴射された高い初速度（Ｃ点）の燃料に追い越される現象が生じる。

上記数式６により算出される噴霧初速度ｖ０（代表速度）は、Ｃ点での噴霧初速度ｖ０に到達するまでの到達時間遅れｔｄｌｙが経過して、噴射圧Ｐｃが実際にコモンレール２２内の燃料圧力になった時の噴霧初速度ｖ０となる。このため、Ｃ点の噴霧初速度ｖ０に基づき算出される燃料噴霧の到達距離ｘは、全ての燃料の到達距離ｘの最大値となる。なお、図９（ａ）の特性は、実験等に基づいて、噴射圧Ｐｃ及び噴射量Ｑに応じて予め設定しておくことができる。このため、噴霧初速度ｖ０として、代表速度ではなく、各時刻における噴霧初速度ｖ０を用いることもできる。そして、各時刻における噴霧初速度ｖ０に基づき算出される到達距離ｘの最大値を、燃料噴霧の到達距離ｘとしてもよい。すなわち、燃料噴射弁２４による燃料の噴射期間中に、噴孔２４ａから噴射される燃料の噴霧初速度ｖ０に基づき推定される全ての燃料の到達距離ｘの最大値を、燃料の到達距離ｘとして推定する。

また、噴霧初速度ｖ０に到達するまでのクランク角度θの遅れ角度である到達角度遅れθｄｌｙを算出する。到達角度遅れθｄｌｙは、到達時間遅れｔｄｌｙに対応するクランク角度である。このため、以下の数式７により、到達角度遅れθｄｌｙを算出する。

上記において、ｔｄｌｙは実験等に基づき予め設定された到達時間遅れ、ＮＥはエンジン１０の回転速度である。回転速度ＮＥは回転速度センサ４２により検出する。

続いて、クランク角度θに対する燃料噴霧の到達距離ｘ（θ）を算出する（Ｓ２５）。具体的には、上述した数式３により、到達距離ｘ（ｔ）を算出する。ここで、数式３において、クランク角度θでの燃料の噴射開始からの経過時間ｔを、以下の数式８により算出する。

上記において、ＮＥはエンジン１０の回転速度、θはクランク角度、θｉｎｊは図４のＳ１５で設定した噴射タイミング、θｄｌｙはＳ２４で算出した到達角度遅れである。回転速度ＮＥは、回転速度センサ４２により検出する。上述したように、到達角度遅れθｄｌｙが経過した時点の噴霧初速度ｖ０で、燃料全体の噴霧初速度ｖ０を代表している。このため、その代表する噴霧初速度ｖ０を有する燃料では、噴射開始からの経過時間ｔは、実質的に到達角度遅れθｄｌｙに相当する時間分だけ短くなる。また、経過時間ｔが負の値にならないように、算出された経過時間と０との最大値ｍａｘを経過時間ｔとして用いる。

数式８を数式３に代入することにより、クランク角度θに対する噴霧の到達距離ｘ（θ）は、以下の数式９で表される。

上記において、各文字の物理的意味は、上記数式１，８と同様である。この数式９により、クランク角度θに対する燃料噴霧の到達距離ｘ（θ）を算出する。噴射タイミングθｉｎｊから噴射された燃料の燃焼が終了するまでの期間を含むクランク角度θの演算範囲（θｉｎｊ〜θｅｎｄ）について、到達距離ｘ（θ）を算出する（到達距離推定手段）。

続いて、クランク角度θに対する壁面距離Ｌｗｌ（θ）を算出する（Ｓ２６）。図１０に示すように、エンジン１０のクランク角度θに応じて、燃焼室１４を区画するピストン１２の位置が変化する。このため、燃料噴射弁２４の噴孔２４ａから燃焼室１４の壁面１２ａまでの壁面距離Ｌｗｌ（θ）は、クランク角度θに応じて変化する。そこで、図１０の下側に示すように、クランク角度θと壁面距離Ｌｗｌ（θ）との関係を示すマップ等を、予め実験や設計値等に基づき設定しておく。そして、このマップを用いて、クランク角度θに基づいて、噴孔２４ａから燃焼室１４の壁面１２ａまでの壁面距離Ｌｗｌ（θ）を算出する（壁面距離推定手段）。

続いて、燃料噴射弁２４の噴孔２４ａ１から噴射される燃料の噴霧が、干渉位置までに移動する距離である干渉距離Ｌｃ（θ）を算出する（Ｓ２７）。図１１に示すように、互いに隣り合う噴孔２４ａ１，２４ａ２から噴射された燃料が、燃焼室１４の壁面１２ａに衝突した後に壁面１２ａに沿って所定距離Ｌｓｐを経て互いに干渉する。所定距離Ｌｓｐは、燃焼室１４の壁面１２ａの内周長、及び噴孔２４ａの数により決まる一定値である。このため、干渉距離Ｌｃ（θ）、すなわち（Ｌｗｌ（θ）＋Ｌｓｐ）は、クランク角度θに基づいて推定される（干渉距離推定手段）。

続いて、到達距離ｘ（θ）と干渉距離Ｌｃ（θ）とに基づいて、干渉前時間ｔｂｃを算出する（Ｓ２８）。具体的には、到達距離ｘ（θ）が干渉距離Ｌｃ（θ）となる、すなわちｘ（θ）＝Ｌｃ（θ）を満たすクランク角度θを算出する。そして、数式７のクランク角度θと経過時間ｔとの関係により、クランク角度θから干渉前時間ｔｂｃを算出する。その後、図４のＳ１７以降の処理に戻る。

図１２は、メイン噴射の分割前及び分割後の干渉距離Ｌｃと噴霧の到達距離ｘ（ｔ）との関係を示すタイムチャートである。なお、ここでは、干渉距離Ｌｃを便宜上一定として示している。

燃料噴射弁２４により燃料の噴射が継続している場合は、先に噴射された燃料の噴霧が後から噴射される燃料の噴霧により押し出されるため、先に噴射された燃料の噴霧の勢いが強くなる。これに対して、燃料噴射弁２４による燃料の噴射が終了すると、先に噴射された燃料の噴霧は後から噴射される燃料の噴霧により押し出されなくなるため、先に噴射された燃料の噴霧の勢いが弱くなる。

このため、同図に破線で示すように、メイン噴射の分割前に噴射パルス幅τで噴射された燃料は、時間τまで到達距離ｘ（ｔ）が直線的に増加する。このため、到達距離ｘ（ｔ）が干渉距離Ｌｃを超えることとなり、噴孔２４ａ１，２４ａ２から噴射された燃料の噴霧が燃焼室１４の壁面１２ａを介して干渉することとなる。その結果、噴霧が干渉する位置において、酸素（空気）に対する燃料の当量比が増加し、すす（ＰＭ）の排出量が増加する。

これに対して、本実施形態では、メイン噴射の噴射パルス幅τが、干渉前時間ｔｂｃから閾値αを引いた時間よりも長いと判定した場合、メイン噴射の噴射パルス幅τを、２つのメイン噴射の噴射パルス幅τ１，τ２（τ＝τ１＋τ２）に分割する。これらの噴射パルス幅τ１，τ２は、干渉前時間ｔｂｃよりも短い時間である。このため、噴射パルス幅τ１で噴射された燃料の噴霧は、時間τ１以降では、後から噴射される燃料の噴霧により押し出されなくなり、燃料の噴霧の勢いが弱くなる。その結果、噴孔２４ａ１，２４ａ２から噴射された燃料の噴霧の到達距離ｘ（ｔ）が、干渉距離Ｌｃよりも短くなり、噴霧同士の干渉を抑制することができる。

以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。

・推定された到達距離ｘ（ｔ）と、噴孔２４ａから噴射される燃料の噴霧が干渉位置までに移動する距離である干渉距離Ｌｃと、燃料噴射弁２４により燃料が継続して噴射される期間である噴射パルス幅τとに基づいて、噴孔２４ａ１から噴射される燃料の噴霧と噴孔２４ａ２から噴射される燃料の噴霧とが干渉する度合である干渉度合が推定される。そして、推定された干渉度合が所定度合よりも大きい場合に、所定期間に上記干渉位置に到達する燃料の量（単位期間当たりに干渉位置に到達する燃料量）を減少させるように、燃料の噴霧が制御される。このため、隣り合う噴霧が燃焼室１４の壁面１２ａに衝突した後に互いに干渉することを抑制することができる。その結果、噴霧同士が干渉して当量比が増加することを抑制することができ、すす（ＰＭ）の排出量が増加することを抑制することができる。

・燃料噴射弁２４により分割噴射を実行させることにより、所定期間に干渉位置に到達する燃料の量が減少させられる。このため、干渉位置において単位期間当たりに干渉する噴霧の量を減少させることができ、当量比を低下させることができる。

・燃料噴射弁２４により分割噴射を実行させる際に、分割噴射の噴射間隔が制御可能な最短時間ｔｉｍに制御される。このため、燃料の燃焼期間が長くなることを抑制しつつ、単位期間当たりに干渉する噴霧の量を減少させることができる。したがって、燃料の燃焼効率の低下を抑制しつつ、すす（ＰＭ）の排出量が増加することを抑制することができる。

・推定された到達距離ｘ（ｔ）と上記干渉距離Ｌｃとに基づいて、燃料が噴孔２４ａから干渉位置に到達するまでの時間である干渉前時間ｔｂｃが推定される。そして、噴射パルス幅τと干渉前時間ｔｂｃとの長短関係が推定される。噴射パルス幅τが干渉前時間ｔｂｃよりも長いと推定された場合に、噴射パルス幅τが干渉前時間ｔｂｃよりも短くされる。このため、噴霧同士の干渉が生じる場合に、干渉後に継続して燃料が噴射されることを抑制することができる。したがって、干渉までに噴射された燃料の噴霧の勢いを弱めることができ、噴霧同士の干渉を抑制することができる。

・閾値αを、メイン噴射の噴霧同士の干渉が生じる場合に、干渉後に継続して燃料が噴射されることを防止することのできる値に設定している。このため、噴霧の到達距離ｘ（ｔ）が干渉距離Ｌｃよりも短くなり、噴霧同士が干渉することを防止することができる。

・メイン噴射量Ｑｍに対応するメイン噴射の噴射パルス幅τを、２つのメイン噴射の噴射パルス幅τ１，τ２（τ＝τ１＋τ２）に分割している。このため、噴射パルス幅τ１，τ２の噴射により、メイン噴射量Ｑｍの燃料を噴射させることができる。

・噴霧同士が干渉して当量比が増加することを抑制することにより、燃焼の最高温度を抑制することができ、ＮＯｘ排出量を低減することができる。

・エンジン１０のクランク角度θに応じて、燃焼室１４を区画するピストン１２の位置が変化する。このため、燃料噴射弁２４の噴孔２４ａから燃焼室１４の壁面１２ａまでの距離は、クランク角度θに応じて変化する。この点、クランク角度θに基づいて、噴孔２４ａから燃焼室１４の壁面１２ａまでの壁面距離Ｌｗｌ（θ）が推定されるため、壁面距離Ｌｗｌ（θ）を精度良く推定することができる。

・燃料噴射弁２４の噴孔２４ａから燃焼室１４の壁面１２ａまでの距離は、クランク角度θに応じて変化する。そして、互いに隣り合う噴孔２４ａから噴射された燃料は、燃焼室１４の壁面１２ａに衝突した後に壁面１２ａに沿って所定距離Ｌｓｐを経て互いに干渉する。この点、クランク角度θに基づいて、互いに隣り合う噴孔２４ａから噴射された燃料が燃焼室１４の壁面１２ａを介して互いに干渉するまでの干渉距離Ｌｃ（θ）（Ｌｗｌ（θ）＋Ｌｓｐ）が推定されるため、干渉距離Ｌｃ（θ）を精度良く推定することができる。

・燃料噴射弁２４による燃料の噴射期間中に、噴孔２４ａから噴射される燃料の噴霧初速度ｖ０に基づき推定される全ての燃料の到達距離ｘ（θ）の最大値が、燃料の到達距離ｘ（θ）として推定される。このため、燃料の噴霧初速度ｖ０の相違に起因する噴射燃料の追い越しを考慮して、燃料の到達距離ｘ（θ）を精度良く推定することができる。

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。

・燃料噴射弁２４により分割噴射を実行させる際に、分割噴射の噴射間隔を、制御可能な最短時間ｔｉｍよりも長い時間に制御することもできる。

・パイロット噴射を省略して、メイン噴射のみを実行させることもできる。その場合であっても、上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

・燃料噴射弁２４により燃料が継続して噴射される時間（期間）である継続噴射時間（継続噴射期間）を、燃料噴射弁２４の弁体のリフト状態や、燃料噴射弁２４の燃料通路内の燃圧変化に基づいて算出することもできる。

・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。

・上記実施形態では、クランク角度θに基づいて、噴孔２４ａから燃焼室１４の壁面１２ａまでの壁面距離Ｌｗｌ（θ）を推定した。しかしながら、燃料噴射弁２４により噴射された燃料の噴霧が、シリンダ１１の壁面に衝突する構成のエンジン１０であれば、壁面距離Ｌｗｌ（θ）を一定距離とすることもできる。また、可視化エンジン等を用いて、壁面距離Ｌｗｌ（θ）や、干渉距離Ｌｃ（θ）を直接測定することもできる。

・制御装置３０（噴霧制御手段）は、燃料ポンプ２１の駆動を通じて燃料の圧力を低下させることにより、所定期間に燃料噴霧の干渉位置に到達する燃料を減少させることもできる。こうした構成によれば、燃料噴射弁２４により噴射される燃料の圧力（噴射圧）を低下させることにより、燃料の運動量を低下させることができ、ひいては所定期間に干渉位置に到達する燃料の量を減少させることができる。したがって、干渉位置において単位時間（単位期間）当たりに干渉する噴霧の量を減少させることができ、当量比を低下させることができる。また、燃料ポンプ２１の駆動を通じた燃料圧力の低下と、上記実施形態の分割噴射とを併せて実行してもよい。

・制御装置３０（噴霧制御手段）は、ターボチャージャ１６（過給機）により空気（吸気）の過給圧を上昇させることにより、所定期間に燃料噴霧の干渉位置に到達する燃料を減少させることもできる。こうした構成によれば、空気の過給圧を上昇させることにより、噴射された燃料の速度を低下させることができ、ひいては所定期間に干渉位置に到達する燃料の量を減少させることができる。したがって、干渉位置において単位時間（単位期間）当たりに干渉する噴霧の量を減少させることができ、当量比を低下させることができる。また、ターボチャージャ１６による過給圧の上昇と、上記実施形態の分割噴射や燃料ポンプ２１の駆動を通じた燃料圧力の低下とを併せて実行してもよい。

・上記実施形態では、噴射パルス幅τが干渉前時間ｔｂｃよりも長いと推定した場合に、噴射パルス幅τを干渉前時間ｔｂｃよりも短くした。すなわち、継続噴射期間と干渉前期間とを時間を基準として比較したが、継続噴射期間と干渉前期間とをクランク角度を基準として比較してもよい。

・上記実施形態では、車両用のディーゼルエンジンに、燃料の噴霧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、燃料の噴霧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、２４…燃料噴射弁、２４ａ…噴孔、２４ａ１…噴孔、２４ａ２…噴孔、３０…制御装置。

Claims (8)

1. 複数の噴射孔（２４ａ）が形成された燃料噴射弁（２４）により内燃機関（１０）の燃焼室（１４）内に噴射される燃料の噴霧を制御する燃料噴霧制御装置（３０）であって、
   前記噴射孔から噴射された燃料の運動量が前記燃料と前記燃焼室内のガスとの混合気の運動量として保存されることに基づいて、前記燃料の噴射方向への到達距離を推定する到達距離推定手段と、
   前記到達距離推定手段により推定された前記到達距離と、前記燃料噴射弁の第１噴射孔（２４ａ１）から噴射される燃料の噴霧が前記第１噴射孔の隣りの第２噴射孔（２４ａ２）から噴射される燃料の噴霧と前記燃焼室の壁面を介して干渉する干渉位置までに移動する距離である干渉距離と、前記燃料噴射弁により前記燃料が継続して噴射される期間である継続噴射期間とに基づいて、前記第１噴射孔から噴射される燃料の噴霧と前記第２噴射孔から噴射される燃料の噴霧とが干渉する度合である干渉度合を推定する干渉度合推定手段と、
   前記干渉度合推定手段により推定された前記干渉度合が所定度合よりも大きい場合に、所定期間に前記干渉位置に到達する前記燃料の量を減少させるように、前記燃料の噴霧を制御する噴霧制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料噴霧制御装置。
2. 前記噴霧制御手段は、前記燃料噴射弁により分割噴射を実行させることにより、前記所定期間に前記干渉位置に到達する前記燃料の量を減少させる請求項１に記載の燃料噴霧制御装置。
3. 前記噴霧制御手段は、前記燃料噴射弁により前記分割噴射を実行させる際に、前記分割噴射の噴射間隔を制御可能な最短期間に制御する請求項２に記載の燃料噴霧制御装置。
4. 前記干渉度合推定手段は、前記到達距離推定手段により推定された前記到達距離と前記干渉距離とに基づいて、前記燃料が前記噴射孔から前記干渉位置に到達するまでの期間である干渉前期間を推定し、前記継続噴射期間と前記干渉前期間との長短関係を推定し、
   前記噴霧制御手段は、前記干渉度合推定手段により前記継続噴射期間が前記干渉前期間よりも長いと推定された場合に、前記継続噴射期間を前記干渉前期間よりも短くさせる請求項２又は３に記載の燃料噴霧制御装置。
5. 前記機関には、前記燃料噴射弁により噴射される燃料の圧力を調節する燃料ポンプ（２１）が設けられており、
   前記噴霧制御手段は、前記燃料ポンプの駆動を通じて前記燃料の圧力を低下させることにより、前記所定期間に前記干渉位置に到達する前記燃料を減少させる請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料噴霧制御装置。
6. 前記機関には、吸気を過給する過給機（１６）が設けられており、
   前記噴霧制御手段は、前記過給機により前記吸気の過給圧を上昇させることにより、前記所定期間に前記干渉位置に到達する前記燃料を減少させる請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料噴霧制御装置。
7. 前記干渉度合推定手段は、前記到達距離推定手段により推定された前記到達距離と前記干渉距離とに基づいて、前記燃料が前記噴射孔から前記干渉位置に到達するまでの期間である干渉前期間を推定し、前記継続噴射期間と前記干渉前期間との長短関係を推定し、
   前記噴霧制御手段は、前記干渉度合推定手段により前記継続噴射期間が前記干渉前期間よりも長いと推定された場合に、前記所定期間に前記干渉位置に到達する前記燃料を減少させるように、前記燃料の噴霧を制御する請求項５又は６に記載の燃料噴霧制御装置。
8. 前記到達距離推定手段は、前記燃料噴射弁による前記燃料の噴射期間中に、前記噴射孔から噴射される前記燃料の初速度に基づき推定される全ての燃料の前記到達距離の最大値を、前記到達距離として推定する請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料噴霧制御装置。

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