JP6217580B2 - エンジンの燃料制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、気筒内に燃料を噴射可能な噴射装置と、当該噴射装置を制御する噴射制御手段とを備えたエンジンの燃料制御装置に関する。

従来から、エンジントルクを発生させるための燃焼をより確実に、また、効率よく実施するために、圧縮上死点付近において主たる燃料を噴射する主噴射と、この主噴射の前に主噴射の噴射量よりも少ない量の燃料を噴射する前段噴射とを実施することが行われている。すなわち、前段噴射を実施すれば、燃料と空気との混合を促進して燃料を効率よく燃焼させることができるとともに、この前段噴射の燃焼により気筒内の温度圧力を高めて主噴射された燃料の着火性を高めることができる。

ここで、前段噴射の発熱量によっては、主噴射の燃焼状態を適正にすることができず適正なエンジン性能を確保できないおそれがある。具体的には、前段噴射の発熱量が大きい場合には、主噴射された燃料が適正な時期よりも早期に着火してしまい煤の発生量が多くなる等の問題、また、前段噴射の発熱量が小さい場合には、前段噴射によって気筒内の温度圧力を十分に高めることができず主噴射された燃料の着火性が悪化する等の問題が生じる。

これに対して、例えば、特許文献１には、主噴射による燃焼の開始時期が適正な時期となるようにこの開始時期に応じて前段噴射の発熱量の目標値を決定し、この目標値に応じて前段噴射の噴射量を決定する装置が開示されている。

特開２００９−１８５６２８号公報

上記特許文献１に開示されている装置では、主噴射による燃焼の開始時期が適正な時期となるように前段噴射の発熱量の目標値が決定されているため、前段噴射の発熱量がこの目標値に制御されれば、主噴射の燃焼具合ひいてはエンジン性能を適正にすることができる。

しかしながら、本願発明者らは、この装置を用いても、主噴射の燃焼状態を適正な状態にできず適正なエンジン性能を確保できない場合があることを突き止めた。具体的には、この装置では、前段噴射の発熱量の目標値に基づいてのみ前段噴射の噴射量を決定しているが、この決定された噴射量を噴射しても前段噴射の発熱量が目標値にならず、前段噴射および主噴射による燃焼を適正な状態にすることができない場合がある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、前段噴射の発熱量を適正量確保して、主噴射の燃焼およびエンジン性能をより適正にすることのできるエンジンの燃料制御装置を提供することを目的とする。

上記問題について鋭意研究の結果、本願発明者らは、エンジンのピストン冠面にシリンダヘッドの底面から離間する方向に凹むキャビティが形成されたエンジンでは、前段噴射の噴射量の一部がこのキャビティから外側にこぼれて拡散してしまい、燃焼に寄与しないことを突き止めた。

本発明は、この知見に基づいてなされたものであり、気筒に形成された燃焼室内に燃料を噴射可能な噴射装置と、当該噴射装置を制御する噴射制御手段とを備えたエンジンの燃料制御装置において、上記エンジンのピストン冠面には、シリンダヘッドの底面から離間する方向に凹むキャビティが形成されており、上記噴射装置は、ピストンが上死点よりも下方に位置する状態で当該噴射装置から噴射された燃料が上記キャビティと当該キャビティよりも径方向外側の領域との境界部に向かうように配置されており、上記噴射制御手段は、少なくとも一部の運転領域において、主噴射と、当該主噴射よりも前に当該主噴射の噴射量よりも少ない量の燃料を気筒内に噴射する前段噴射とを、上記主噴射の少なくとも一部の燃料および上記前段噴射の少なくとも一部の燃料が上記境界部に向かって噴射されるように、上記噴射装置に、実施させるとともに、運転条件に基づいて、上記前段噴射された燃料が燃焼することで上記燃焼室内に生じる発熱量の目標値である目標前段発熱量を決定する目標前段発熱量決定手段と、運転条件に応じて、上記前段噴射の噴射量のうち上記キャビティの外側にこぼれるこぼれ量を算出するこぼれ量算出手段と、上記算出されたこぼれ量に基づいて上記前段噴射により噴射された燃料の燃焼効率を算出するとともに、当該燃焼効率と上記算出された目標前段発熱量とに基づいて、上記前段噴射の噴射量を、上記こぼれ量分の燃料が上記キャビティの外側にこぼれても上記主噴射の燃焼が開始する前における当該前段噴射により噴射された燃料の発熱量が上記目標前段発熱量となるように、決定する前段噴射量決定手段とを含み、上記前段噴射と上記主噴射とが実施される運転領域において、上記前段噴射では、上記キャビティの外側にこぼれるこぼれ量に基づいて上記前段噴射量決定手段によって決定された噴射量を上記噴射装置に噴射させ、上記主噴射では、当該主噴射の噴射量のうち上記キャビティの外側にこぼれる量によらずに決定された量の燃料を上記噴射装置に噴射させ、上記前段噴射量決定手段は、上記前段噴射により噴射された燃料の燃焼効率を、上記こぼれ量が多い方が低い値となるように算出することを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、上記のように、ピストン冠面にシリンダヘッドの底面から離間する方向に凹むキャビティが形成されたエンジンにおいて、前段噴射の噴射量のうち上記キャビティの外側にこぼれるこぼれ量を算出し、このこぼれ量と、前段噴射による発熱量の目標値である目標前段発熱量とに基づいて、前段噴射の噴射量を決定しており、キャビティから外側にこぼれて燃焼に寄与しない噴射量が考慮されて前段噴射の噴射量が決定されるため、前段噴射の発熱量を適正量確保することができ、これにより、主噴射による燃焼の燃焼状態ひいてはエンジン性能をより確実に適正にすることができる。

ここで、前段噴射の噴射圧が高く前段噴射された燃料が到達する距離が遠いほどキャビティ外に飛散する燃料量すなわちこぼれ量は多くなり、前段噴射の噴射時期が進角側であるほど噴射装置とキャビティとの距離が遠くなりキャビティ外に飛散する燃料量すなわちこぼれ量は多くなる。

そこで、本発明において、上記こぼれ量算出手段は、上記前段噴射の噴射圧が高く且つ上記前段噴射の噴射時期が進角側であるほど上記こぼれ量を多く算出するのが好ましい（請求項２）。

このようにすれば、こぼれ量ひいては前段噴射の噴射量をより精度よく算出して、主噴射による燃焼の燃焼状態ひいてはエンジン性能をより確実に適正にすることができる。

また、本発明において、上記前段噴射量決定手段は、上記こぼれ量に基づいて算出された上記前段噴射により噴射された燃料の燃焼効率を、上記燃焼室の壁面温度と当該燃焼室内のガスの温度と当該燃焼室内の酸素濃度と当該燃焼室内の圧力との少なくとも一つに応じて補正するのが好ましい（請求項３）。

このようにすれば、こぼれ量に加えて、前段噴射の発熱量を左右する燃焼室の状態（燃焼室の壁面温度、燃焼室内のガスの温度、燃焼室内の酸素濃度、燃焼室内の圧力）に応じて前段噴射の噴射量をより適正に算出することができ、主噴射による燃焼の燃焼状態ひいてはエンジン性能をより確実に適正にすることができる。

また、本発明において、上記噴射制御手段は、上記前段噴射を、２回以上の複数回にわけて実施し、上記目標前段発熱量決定手段は、すべての前段噴射によって上記燃焼室内に生じる発熱量の目標値を上記目標前段発熱量として算出し、上記こぼれ量算出手段は、最初に実施される前段噴射のこぼれ量を算出し、上記前段噴射量決定手段は、上記目標前段発熱量と、２回目以降の前段噴射の噴射量と、上記こぼれ量とに基づいて、最初に実施される前段噴射の噴射量を決定するのが好ましい（請求項４）。

この構成によれば、前段噴射のうちキャビティ外にこぼれる燃料量が最も多くなる最初の噴射についてのみこぼれ量に基づいて噴射量を決定しているので、こぼれ量を考慮して前段噴射の噴射量を適正な値にして、主噴射による燃焼の燃焼状態ひいてはエンジン性能を適正にしつつ、噴射量の算出手順を簡素化することができる。

本発明の一実施形態にかかるディーゼルエンジンシステムの全体構成を示す図である。 エンジン本体の一部を拡大して示す断面図である。 ピストンの一部拡大断面図である。 ピストンの平面図である。 エンジンの制御系統を示すブロック図である。 燃焼モードの切り替え領域を示す図である。 （ａ）拡散燃焼モードの噴射パターンおよび熱発生率の例を示す図である。（ｂ）拡散燃焼モードの噴射パターンおよび熱発生率の他の例を示す図である。（ｂ）予混合燃焼モードの噴射パターンおよび熱発生率の例を示す図である。 噴射系の制御手順の全体の流れを示したフローチャートである。 噴射系の制御手順の全体の流れを示したフローチャートである。 こぼれ量を説明するための図である。 噴射時期および噴射圧とこぼれ量との関係を示したグラフである。 こぼれ量と燃焼効率との関係を示したグラフである。

（１）エンジンシステムの全体構成
図１は、本発明の一実施形態にかかるディーゼルエンジンシステムの全体構成を示す図である。本図に示されるディーゼルエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載される４サイクルのディーゼルエンジンである。具体的に、このディーゼルエンジンは、複数の気筒２を有し軽油を主成分とする燃料の供給を受けて駆動されるエンジン本体１と、エンジン本体１に燃焼用の空気を導入するための吸気通路３０と、エンジン本体１で生成された排ガス（燃焼ガス）を排出するための排気通路４０と、排気通路４０を通過する排ガスの一部を吸気通路３０に還流するためのＥＧＲ装置５０と、排気通路４０を通過する排ガスにより駆動されるターボ過給機６０とを備えている。

吸気通路３０には、上流側から順に、エアクリーナ３１と、ターボ過給機６０のコンプレッサ６１と、スロットルバルブ３６と、インタークーラ３５と、サージタンク３７とが設けられている。サージタンク３７よりも下流側には、各気筒２とそれぞれ個別に連通する独立通路が設けられており、サージタンク３７内のガスはこれら独立通路を通ってそれぞれ気筒２に分配される。

排気通路４０には、上流側から順に、ターボ過給機６０のタービン６２と、排気浄化装置４１とが設けられている。

ターボ過給機６０は、タービン６２が、排気通路４０を流れる排ガスのエネルギーを受けて回転し、これに連動してコンプレッサ６１が回転することにより、吸気通路３０を流通する空気を圧縮（過給）する。

インタークーラ３５は、コンプレッサ６１により圧縮された空気を冷却するためのものである。

スロットルバルブ３６は、吸気通路３０を開閉するものである。ただし、本実施形態では、エンジンの運転中は基本的に全開もしくはこれに近い高開度に維持されており、エンジンの停止時等の必要時にのみ閉弁されて吸気通路３０を遮断する。

排気浄化装置４１は、排ガス中の有害成分を浄化するためのものである。本実施形態では、この排気浄化装置４１には、排気ガス中のＣＯおよびＨＣを酸化する酸化触媒４１ａと、排気ガス中のスート（煤）を捕集するＤＰＦ４１ｂとが含まれる。

ＥＧＲ装置５０は、排ガスを吸気側に還流するためのものである。本実施形態では、ＥＧＲ装置５０として、高圧側ＥＧＲ装置（以下、ＨＰ＿ＥＧＲ装置という）５１と、低圧側ＥＧＲ装置（以下、ＬＰ＿ＥＧＲ装置という）５２とを備えている。

ＨＰ＿ＥＧＲ装置５１は、排気通路４０におけるタービン６２よりも上流側の部分と、吸気通路３０のうちインタークーラ３５よりも下流側の部分とを接続するＨＰ＿ＥＧＲ通路５１ａと、このＨＰ＿ＥＧＲ通路５１ａを開閉するＨＰ＿ＥＧＲバルブ５１ｂとを備えており、排気通路４０に排出された比較的高圧の排ガス（以下、高圧ＥＧＲガスという場合がある）を吸気側に還流させる。

一方、ＬＰ＿ＥＧＲ装置５２は、排気通路４０におけるＤＰＦ４１ｂよりも下流側の部分と、吸気通路３０のうちエアクリーナ３１とコンプレッサ６１との間の部分とを接続するＬＰ＿ＥＧＲ通路５２ａと、このＬＰ＿ＥＧＲ通路５２ａを開閉するＬＰ＿ＥＧＲバルブ５２ｂとを備えており、排気通路４０に排出された比較的低圧の排ガス（以下、低圧ＥＧＲガスという場合がある）を吸気側に還流させる。ＬＰ＿ＥＧＲ通路５２ａのうちＬＰ＿ＥＧＲバルブ５２ｂよりも上流側（排気通路４０側）には、この通路５２ａを通過する低圧ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ５２ｃが設けられている。

（２）エンジン本体の構成
図２は、エンジン本体１の一部を拡大して示す断面図である。この図２および先の図１に示すように、エンジン本体１は、上下方向に延びるシリンダ（気筒）２が内部に形成されたシリンダブロック３と、シリンダ２に往復動（上下動）可能に収容されたピストン４と、ピストン４の冠面４ａと対向する側からシリンダ２の端面（上面）を覆うように設けられたシリンダヘッド５と、潤滑油を貯溜するためにシリンダブロック３の下側に配設されたオイルパン６とを有している。

ピストン４は、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸７とコネクティングロッド８を介して連結されている。また、ピストン４の上方には燃焼室９が形成されており、この燃焼室９では、後述するインジェクタ２０から噴射された燃料が空気と混合されつつ拡散燃焼する。そして、当該燃焼に伴う膨張エネルギーにより、ピストン４が往復運動するとともにクランク軸７が中心軸回りに回転するようになっている。

ここで、エンジン本体１の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン４が下死点にあるときの燃焼室容積とピストン４が上死点にあるときの燃焼室容積との比は、１２以上１５以下（例えば１４）に設定されている。この１２以上１５以下という幾何学的圧縮比は、ディーゼルエンジンとしてはかなり低い値である。これは、燃焼温度の抑制によるエミッション性能の向上や熱効率の向上を狙ってのことである。

シリンダヘッド５には、吸気通路３０から供給される空気を燃焼室９に導入するための吸気ポート１６と、燃焼室９で生成された排気ガスを排気通路４０に導出するための排気ポート１７と、吸気ポート１６の燃焼室９側の開口を開閉する吸気弁１８と、排気ポート１７の燃焼室９側の開口を開閉する排気弁１９とが設けられている。

また、シリンダヘッド５には、燃焼室９に燃料を噴射するインジェクタ（噴射装置）２０が取り付けられている。このインジェクタ２０は、そのピストン４側の先端部２１ａがキャビティ１０の中心部を臨むような姿勢で取り付けられている。インジェクタ２０は、燃料流路を介してコモンレール等の図外の蓄圧室と接続されている。蓄圧室内には、図外の燃料ポンプにより加圧された高圧の燃料が貯留されており、インジェクタ２０は、この蓄圧室から燃料の供給を受けて、燃焼室９内に燃料を噴射する。燃料ポンプと蓄圧室との間には、蓄圧室内の圧力すなわちインジェクタ２０から噴射される燃料の圧力である噴射圧を変更するための燃圧レギュレータ（不図示）が設けられている。

ピストン４の冠面４ａには、その中心部を含む領域をシリンダヘッド５とは反対側（下方）に凹ませたキャビティ１０が形成されている。このキャビティ１０は、ピストン４が上死点まで上昇したときの燃焼室９の大部分を占める容積を有するように形成されている。

図３および図４は、燃焼室９周辺を拡大して示した拡大断面図および平面図である。これら図３および図４において、符号Ｆは、インジェクタ２０から噴射された燃料の噴霧を示したものである。また、図４は、ピストン４が上死点にある状態を示したものである。

これら図に示すように、本実施形態では、インジェクタ２０は、シリンダ２と同軸に（インジェクタ２０の中心軸とシリンダ２の中心軸とが一致するように）取り付けられている。また、インジェクタ２０として、先端部２１ａに複数の噴孔２２が形成された多噴孔式のインジェクタが用いられている。各噴孔２２は、周方向にほぼ等間隔に並ぶように配設されており、このような噴孔２２を通過することにより、インジェクタ２０からは燃焼室９内に燃料が平面視で放射状に噴射される。

また、図３および図４に示すように、キャビティ１０は、いわゆるリエントラント型のキャビティとされている。すなわち、キャビティ１０を形成する壁面は、ほぼ山型の中央隆起部１１と、中央隆起部１１よりもピストン４の径方向外側に形成された平面視円形の周辺凹部１２と、周辺凹部１２とピストン４の冠面４ａとの間に形成された平面視円形のリップ部１３とを有している。

中央隆起部１１は、キャビティ１０の中心側ほどインジェクタ２０に近づくように隆起しており、その隆起の頂部がインジェクタ２０の先端部２１ａの直下方に位置するように形成されている。周辺凹部１２は、中央隆起部１１と連続し、断面視でピストン４の径方向外側に凹入する円弧状をなすように形成されている。リップ部１３は、周辺凹部１２と連続し、断面視でピストン４の径方向内側に凸となる円弧状をなすように形成されている。

上記のような構成のキャビティ１０は、全体として、ピストン４の冠面４ａに近づくほど開口面積が小さくなる上窄まり状の断面形状を有する。このようなリエントラント型のキャビティ１０は、特にエンジンの中負荷以上の運転領域において比較的多くの燃料が噴射されたときに、その燃料の噴霧Ｆを、主に周辺凹部１２および中央隆起部１１に沿って径方向外側から内側（キャビティ１０の中心側）に反転させる機能を発揮するので、燃料のミキシングを促進するのに有利である。

（３）制御系統
（３−１）システム構成
図５は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示すように、当実施形態のディーゼルエンジンは、ＰＣＭ（パワートレイン・コントロール・モジュール）７０によって統括的に制御される。ＰＣＭ７０は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサである。

ＰＣＭ７０は、エンジンの運転状態を検出するための各種センサと電気的に接続されている。

例えば、シリンダブロック３には、クランク軸７の回転角度（クランク角）および回転速度を検出するクランク角センサＳＮ１が設けられている。このクランク角センサＳＮ１は、クランク軸７と一体に回転する図略のクランクプレートの回転に応じてパルス信号を出力するものであり、このパルス信号に基づいて、クランク軸７の回転角度および回転速度すなわちエンジン回転数が特定されるようになっている。

吸気通路３０のうちエアクリーナ３１付近（エアクリーナ３１と、ＬＰ＿ＥＧＲ通路５２ａの接続部分との間の部分）には、エアクリーナ３１を通過して各気筒２に吸入される空気量（新気量）を検出するエアフローセンサＳＮ２が設けられている。

サージタンク３７には、サージタンク３７内のガスすなわち各気筒２に吸入されるガスの温度を検出するインマニ温度センサＳＮ３が設けられている。

吸気通路３０のうちインタークーラ３５よりも下流側の部分には、この部分を通過する空気ひいては気筒２に吸入される吸気の圧力を検出するインマニ圧力センサＳＮ４が設けられている。

エンジン本体１には、エンジン本体を冷却する冷却水の温度を検出する水温センサＳＮ５が設けられている。

インジェクタ２０に燃料を供給する蓄圧室には、この蓄圧室内の圧力すなわちインジェクタ２０の噴射圧を検出する燃圧センサＳＮ６が設けられている。

また、車両には、運転者により操作される図外のアクセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサＳＮ７が設けられている。

ＰＣＭ７０は、上記各種センサからの入力信号に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつ、エンジンの各部を制御する。すなわち、ＰＣＭ７０は、インジェクタ２０、スロットルバルブ３６、燃圧レギュレータ、ＨＰ＿ＥＧＲバルブ５１ｂ、ＬＰ＿ＥＧＲバルブ５１ｃ等の各部と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいて、これらの機器にそれぞれ駆動用の制御信号を出力する。

（３−２）吸気系の制御
本実施形態におけるＰＣＭ７０による吸気系の制御の流れを簡単に説明する。

ＰＣＭ７０は、アクセル開度（アクセル開度センサＳＮ７の検出値）に基づいてエンジントルクの目標値である目標トルクを決定し、この目標トルクとエンジン回転数（クランク角センサＳＮ１の検出値により特定される）とに基づいてインジェクタ２０から燃焼室９内に噴射する燃料量の総量の基本値である要求トータル噴射量を決定する。例えば、ＰＣＭ７０は、予め設定され記憶しているアクセル開度と目標トルクとのマップから、また、目標トルクとエンジン回転数と要求トータル噴射量とのマップから、それぞれアクセル開度等に応じた値を抽出することで上記各値を決定する。

そして、ＰＣＭ７０は、要求トータル噴射量とエンジン回転数とに基づいて、気筒２に吸入されるガス中の酸素濃度の目標値である目標吸気酸素濃度、気筒２に吸入されるガス温度の目標値である目標吸気温度、ＥＧＲ制御モード（ＬＰ＿ＥＧＲ５１を作動させるか、ＨＰ＿ＥＧＲ５２を作動させるか）を決定するとともに、これら決定した内容から、気筒２に吸入されるガスの圧力である過給圧、ＨＰ＿ＥＧＲ５１によって吸気通路３０に還流させる排ガス量である高圧ＥＧＲガス量、ＬＰ＿ＥＧＲ５２によって吸気通路３０に還流させる排ガス量である低圧ＥＧＲガス量、を決定し、この過給圧、各ＥＧＲガス量が実現されるように、スロットルバルブ３６、ＨＰ＿ＥＧＲバルブ５１ｂ、ＬＰ＿ＥＧＲバルブ５１ｃを制御する。

（３−３）噴射系の制御
本実施形態におけるＰＣＭ７０による噴射系の制御について次に説明する。

（３−３−１）燃焼モードおよび噴射パターン
図６は、エンジンの運転状態に応じた燃焼モードを示す図である。この図６に示すように、本実施形態では、運転領域（主としてエンジン回転数とエンジン負荷すなわち要求トータル噴射量とで決定される運転領域）に応じて、燃焼モードを拡散燃焼モードと予混合燃焼モードとの２つのモードとを切り替える。

拡散燃焼モードは、圧縮上死点付近（ピストン４が圧縮上死点付近にあるとき）において、燃料を噴射しながら燃料と空気の混合気を着火させていく燃焼モードである。

予混合燃焼モードは、燃焼室９（気筒２）内で燃料と空気とを予め混合しておき、圧縮上死点付近において、この混合気を着火させる燃焼モードである。

予混合燃焼モードでは、燃料と空気とが予め混合された後に燃焼が開始するため燃料を効率よく燃焼させることができ、燃費性能の向上および煤の発生の抑制を図ることができる。ただし、この予混合燃焼モードでは、燃焼が開始するまでの比較的短時間の間に燃料と空気とを十分に混合させる必要があるため、噴射量が少ないすなわちエンジン負荷が比較的低い、また、エンジン回転数が比較的低い領域でのみ実現可能である。そこで、本実施形態では、エンジン回転数が低くエンジン負荷が小さい低負荷低回転数領域Ａ１を、予混合燃焼モードを実施する予混合燃焼領域に設定し、残余の領域Ａ２を、拡散燃焼モードを実施する拡散燃焼領域に設定している。

各燃焼モードを実現するための噴射パターンおよび各燃焼モードにおける熱発生率の例を図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ拡散燃焼モードの例を、図７（ｃ）は、予混合燃焼モードの例を示したものである。

図７（ａ）に示すように、拡散燃焼モードでは、圧縮上死点付近において、エンジントルクを発生させるための主たる燃料が噴射され、この燃料の噴射とともに混合気が燃焼していく。

本実施形態では、拡散燃焼領域Ａ２のうちエンジン回転数が高くエンジン負荷が高い高回転高負荷領域Ａ２＿ｃ（図６参照）を除く領域すべてにおいて、空気利用率を向上させるため、および、上記主たる燃料の着火性を高めるために、この主たる燃料の噴射の前に燃焼室９内に燃料を噴射する。すなわち、本実施形態では、拡散燃焼領域Ａ２のうち高回転高負荷領域Ａ２＿ｃを除く特定領域では、圧縮上死点付近においてエンジントルクを生成するための燃料を燃焼室９内に噴射するメイン噴射（主噴射）Ｑｍと、この主噴射の前のタイミングで燃焼室９内にメイン噴射の噴射量よりも少ない量の燃料を噴射する前段噴射とを実施する。なお、高回転高負荷領域Ａ２＿ｃではメイン噴射のみを実施する。また、上記特定領域においては、メイン噴射Ｑｍの後に、メイン噴射Ｑｍよりも少ない量の燃料を噴射するアフター噴射を実施する場合がある。

また、本実施形態では、上記特定領域のうち比較的エンジン負荷の低い第１領域Ａ２＿ａ（図６参照）では、図７（ａ）に示すように、前段噴射として２回の噴射（パイロット噴射Ｑｐｉ、プレ噴射Ｑｐｒ）を実施する。具体的には、比較的早期にパイロット噴射Ｑｐｉを実施し、その後、メイン噴射のタイミングに比較的近いタイミングでプレ噴射Ｑｐｒを実施する。この噴射パターンでは、最初の噴射であるパイロット噴射Ｑｐｉの実施によって燃料と空気との予混合性を高めて空気利用率を高めることができる。そして、このパイロット噴射Ｑｐｉと次の噴射であるプレ噴射Ｑｐｒとの実施によって、メイン噴射Ｑｍされた燃料が燃焼する直前すなわち主燃焼が生じる直前に、熱発生量の小さい燃焼であるプレ燃焼を生じさせて、メイン噴射された燃料が燃焼しやすい状態にすることができる。また、上記噴射では前段噴射（パイロット噴射Ｑｐｉ、プレ噴射Ｑｐｒ）を、キャビティ１０内に収まるタイミング、特に、燃焼室９内に局所的に当量比が２．０以上の混合気が生成されるタイミングで実施して、メイン燃焼前の燃焼室９内の局所当量比を大きくしている。

一方、上記特定領域のうちエンジン負荷が比較的高く第２領域Ａ２＿ｂ（図６参照）では、パイロット噴射Ｑｐｉを実施するとこのパイロット噴射Ｑｐｉされた燃料が早期に着火するおそれがあるため、図７（ｂ）に示すように、メイン噴射Ｑｍのタイミングに比較的近いタイミングで実施されるプレ噴射Ｑｐｒのみを実施する。

ここで、本実施形態では、この前段噴射（パイロット噴射Ｑｐｉ＋プレ噴射Ｑｐｒ、または、プレ噴射Ｑｐｒ）を、図７（ａ）、（ｂ）の熱発生率の図に示すように、前段噴射された燃料により生成される燃焼（以下、プレ燃焼という場合がある）と、メイン噴射された燃料により生成される燃焼（以下、メイン燃焼という場合がある）とが連続して生じ、前段噴射とメイン噴射とによって燃焼室９内に一連の燃焼が生じるように実施する。

一方、図７（ｃ）に示すように、予混合燃焼モードでは、圧縮行程中の比較的早いタイミングで燃焼室９内に燃料が噴射され、噴射終了後に、混合気が燃焼を開始する。この図７（ｃ）では、圧縮行程中に３回に分けて燃料を噴射する場合について示したが、噴射回数はこれに限らない。

以上のように、本実施形態では、運転領域によって燃焼モードが切り替えられるよう構成されており、ＰＣＭ７０は、運転領域に応じて噴射パターンを変更する。

（３−３−２）拡散燃焼モードにおける噴射系の制御手順
次に、図８を用いながら、拡散燃焼モード実施時における噴射系の制御手順について説明する。以下では、第１領域Ａ２＿ａにおける噴射系の制御手順、すなわち、前段噴射としてパイロット噴射Ｑｐｉとプレ噴射Ｑｐｒとを実施する場合の噴射系の制御手順について説明する。なお、第２領域Ａ２＿ｂにおける制御手順は、以下に説明する手順（この（３−３−２）で説明する噴射系の制御手順および（３−３−３）で説明する噴射時期の補正手順）において、プレ噴射Ｑｐｒに関するものを省略して、パイロット噴射Ｑｐｉをプレ噴射Ｑｐｒと読みかえたものとなる。

ＰＣＭ７０は、機能的に、噴射系の制御を実施する噴射制御部７１を含んでおり、この噴射制御部７１が、噴射系の制御を実施する。

まず、ステップＳ１にて、噴射制御部７１は、燃圧センサＳＮ６の検出値である噴射圧、インマニ温度センサＳＮ３の検出値である吸気温、エアフローセンサＳＮ２の検出値である吸気量（新気量）、エンジン水温センサＳＮ５の検出値であるエンジン水温を読み込む。

次に、ステップＳ２にて、ステップＳ１で読み込んだ各値等に基づき、吸気弁１８が閉弁した後であって燃料を噴射する前の燃焼室９（気筒２）内の状態（以下、筒内状態という場合がある）を推定する。

本実施形態では、筒内状態として、燃焼室９の壁面温度、燃焼室９内のガスの温度である筒内温度、燃焼室９内のガスの酸素濃度である筒内酸素濃度、燃焼室９内の圧力である筒内圧力を推定する。

燃焼室９の壁面温度は、エンジン水温とエンジン回転数およびエンジン負荷とから推定される。この推定は、例えばマップから値を抽出することで行う。また、筒内温度は、吸気温とＥＧＲ率等とから推定される。また、筒内酸素濃度は、吸気量とＥＧＲ率等とから推定される。また、筒内圧力は、吸気弁の閉弁時期における吸気の圧力とエンジン回転数等から推定される。

次に、ステップＳ３にて、噴射制御部７１は、上記のように目標トルクとエンジン回転数とに基づいて決定された要求トータル噴射量と、エンジン回転数とに基づいて、噴射圧すなわち蓄圧室内の圧力（燃圧）の目標値である目標噴射圧を決定する。例えば、噴射制御部７１は、予め設定記憶されている要求トータル噴射量とエンジン回転数と目標噴射圧のマップから、要求トータル噴射量等に対応する目標噴射圧を抽出する。

また、ステップＳ４にて、噴射制御部７１は、要求トータル噴射量と、エンジン回転数と、上記ステップＳ２で推定した筒内状態とに基づいて、プレ噴射Ｑｐｒの噴射量を決定する。例えば、噴射制御部７１は、予め設定記憶されている要求トータル噴射量とエンジン回転数とプレ噴射Ｑｐｒの基本噴射量のマップから、要求トータル噴射量等に対応する値を、プレ噴射Ｑｐｒの基本噴射量として抽出する。その後、噴射制御部７１は、このプレ噴射Ｑｐｒの基本噴射量を筒内状態に応じて補正する。具体的には、燃焼室９の壁面温度が低いほど、筒内温度が低いほど、筒内酸素濃度が低いほど、筒内圧力が低いほど、プレ噴射Ｑｐｒの噴射量が多くなるように補正する。これは、燃焼室９の壁面温度、筒内温度、筒内酸素濃度、筒内圧力が低いほど、燃料の燃焼効率が下がるためであり、プレ噴射Ｑｐｒによる発熱量を所定量確保するために、これらによってプレ噴射量を補正する。

次に、噴射制御部７１は、要求トータル噴射量とエンジン回転数とに基づいて、各噴射の噴射時期（噴射開始時期）を決定する。

具体的には、ステップＳ５にて、噴射制御部７１は、要求トータル噴射量とエンジン回転数に応じて、メイン噴射の噴射時期を決定する。また、要求トータル噴射量とエンジン回転数に応じて、各噴射（パイロット、プレ、メイン噴射）の噴射時期（噴射開始時期）どうしの間の期間であるインターバルを決定する。

そして、ステップＳ６にて、噴射制御部７１は、メイン噴射の噴射時期とこのインターバルとに基づいて、パイロット噴射とプレ噴射の噴射時期をそれぞれ決定する。

次に、ステップＳ７にて、噴射制御部７１は、パイロット噴射量を決定する。このパイロット噴射量の決定手順については後述する。

次に、ステップＳ８にて、噴射制御部７１は、要求トータル噴射量と、ステップＳ４で決定されたプレ噴射の噴射量およびステップＳ７で決定されたパイロット噴射の噴射量とに基づいて、メイン噴射Ｑｍの噴射量を決定する。

ステップＳ８の後はステップＳ９に進み、噴射制御部７１は、各噴射の噴射量、噴射時期が上記決定された各値となるようにインジェクタ２０を制御する（インジェクタ２０に指令を出す）とともに、噴射圧がステップＳ２で決定された値となるように、燃圧レギュレータを制御する。

（３−３−３）パイロット噴射量の決定手順
上記ステップＳ７のパイロット噴射量の決定手順について、図９を参照しながら説明する。

本実施形態では、図５に示すように、パイロット噴射量を決定するための部分として、噴射制御部７１は、機能的に、目標前段発熱量決定部（目標前段発熱量決定手段）７２と、こぼれ量算出部（こぼれ量算出手段）７３と、パイロット噴射量決定部（前段噴射量決定手段）７４とを含む。

目標前段発熱量決定部７２は、メイン燃焼の燃焼状態を適正にして適正なエンジン性能を確保するために必要な前段噴射（パイロット噴射Ｑｐｉおよびプレ噴射Ｑｐｒ）により生成される合計発熱量の目標値である要求前段発熱量を算出する（図９のフローチャートにおけるステップＳ１１）。

すなわち、主噴射の燃焼状態ひいてはエンジン性能は、前段噴射の発熱量によって変化する。具体的には、前段噴射の発熱量が過剰に大きい場合には、主噴射時の燃焼室９内の温度圧力が高くなること等によって、主噴射された燃料が適正な時期よりも早期に着火してしまい、煤の発生量が多くなる。一方、前段噴射の発熱量が小さい場合には前段噴射によって燃焼室９内の温度圧力を十分に高めることができず、主噴射された燃料の着火性が悪化する等の問題が生じる。これに対して、目標前段発熱量決定部７２は、上記問題が生じるのを回避できる前段噴射の発熱量（要求前段発熱量）を決定する。本実施形態では、要求トータル噴射量とエンジン回転数とに基づいて要求前段発熱量を決定する。例えば、予め設定され記憶している要求トータル噴射量とエンジン回転数と要求前段発熱量とのマップから値を抽出する。

こぼれ量算出部７３は、前段噴射された燃料量（噴射量）のうちキャビティ１０内に収まらずキャビティ１０の外側にこぼれた量であるこぼれ量を算出する（ステップＳ１２）。

図１０を用いて具体的に説明する。図１０は、パイロット噴射が実施される時期付近における燃焼室９内の様子を示した図である。この図１０に示すように、パイロット噴射Ｑｐｉは、圧縮上死点付近で実施されるメイン噴射よりも早期のタイミングであって、ピストン４の冠面４ａひいてはキャビティ１０と、インジェクタ２０の先端部２１ａとが、比較的遠く離れている状態で燃料が噴射される。そのため、噴射された燃料の一部Ｆ１は、キャビティ１０内に収まらず、キャビティ１０の外側（リップ部１３よりも径方向外側）の部分、すなわち、ピストン冠面１２のうちリップ部１３よりも径方向外側の部分とシリンダヘッド５との間のいわゆるスキッシュエリアに拡散していく。上記こぼれ量は、このスキッシュエリアに拡散した燃料量であり、こぼれ量算出部７３は、この量を推定・算出する。

ここで、パイロット噴射の噴射圧が高く燃料噴霧の到達距離が長いほど、リップ部１３を超えて径方向外側に向かう燃料すなわちこぼれ量は多くなる。また、パイロット噴射の噴射時期が早く、インジェクタ２０の先端部２１ａとピストン４の冠面４ａとの距離が遠いほど、こぼれ量は多くなる。

具体的には、こぼれ量と噴射時期と噴射圧との関係は、図１１のようになる。図１１は、横軸を噴射時期、縦軸をこぼれ量とし、異なる噴射圧についてこれらの関係を示したものである。この図１１に示されるように、噴射時期が所定時期よりも早い場合には、噴射量の多くがリップ部１３を超えてしまいこぼれ量はほぼ一定となるが、噴射時期がこの時期よりも遅角側では噴射時期が遅くなるほど（圧縮上死点に近づくほど）こぼれ量は小さくなる。また、噴射圧が低いほどこぼれ量は多くなる。

これ対応して、本実施形態では、こぼれ量算出部７３は、噴射圧と噴射時期とに基づいてこぼれ量を算出するとともに、噴射圧が高く、パイロット噴射の噴射時期が早い（進角側である）ほど、上記こぼれ量が多くなるように、こぼれ量を算出する。例えば、こぼれ量算出部７３は、図１１に示すグラフと同様のマップを記憶しており、このマップから、ステップＳ１で検出した噴射圧と、ステップＳ６で決定したパイロット噴射の噴射時期とに対応した値を抽出する。

パイロット噴射量決定部７４は、上記こぼれ量等に基づいてパイロット噴射の噴射量を決定する部分である。パイロット噴射量決定部７４は、機能的に、燃焼効率算出部（燃焼効率算出手段）７４ａと、燃焼効率補正部（燃焼効率補正手段）７４ｂとを含む。

燃焼効率算出部７４ａは、上記算出されたこぼれ量に基づいてパイロット噴射Ｑｐｉの燃焼効率を算出する（ステップＳ１３）。

上記のように、スキッシュエリアにこぼれた燃料は、その後、このスキッシュエリアにおいてさらに拡散していく。そのため、スキッシュエリアにおける当量比は極めて小さく、その後のピストンの上昇に伴う圧縮によってもこのスキッシュエリア内の燃料はほとんど燃焼しない。すなわち、スキッシュエリアにこぼれた燃料は、少なくともメイン燃焼の開始前において燃焼せずプレ燃焼に寄与しない。そのため、こぼれ量が多いほどパイロット噴射Ｑｐｉの燃焼効率は悪化する。

これに対応して、本実施形態では、燃焼効率算出部７４ａは、こぼれ量が多いほど燃焼効率が小さくなるようにパイロット噴射Ｑｐｉの燃焼効率を算出する。

具体的には、こぼれ量と燃焼効率との関係は、図１２に示す関係となる。図１２は、こぼれ量と燃焼効率との関係について詳細に調べた結果であり、横軸をこぼれ量、縦軸を燃焼効率としたグラフである。この図１２に示されるように、基本的にはこぼれ量が多くなるほど燃焼効率は悪化するが、こぼれ量が所定量以上多い場合、および、所定量以下の場合では、こぼれ量が変化しても燃焼効率はあまり変化しなくなる。本実施形態では、燃焼効率算出部７４ａは、こぼれ量と燃焼効率との関係が、この図１２に示す関係となるように、こぼれ量から燃焼効率を算出する。例えば、燃焼効率算出部７４ａは、記憶している図１２に示すグラフと同様のマップから、こぼれ量に対応する燃焼効率を抽出する。

燃焼効率補正部７４ｂは、燃焼効率算出部７４ａにおいてこぼれ量に基づいて算出したパイロット噴射Ｑｐｉの燃焼効率を、筒内状態に応じて補正する（ステップＳ１４）。すなわち、燃焼効率は、筒内状態によっても変化する。そこで、燃焼効率補正部７４ｂは、燃焼効率算出部７４ａで算出した燃焼効率を、筒内状態に基づいて補正する。具体的には、燃焼効率補正部７４ｂは、燃焼室９の壁面温度が低いほど、筒内温度が低いほど、筒内酸素濃度が低いほど、筒内圧力が低いほど、それぞれ燃焼効率が小さくなるように補正する。

パイロット噴射量決定部７４は、上記のようにして決定、算出された各値に基づいてパイロット噴射量を決定する。

具体的には、パイロット噴射量決定部７４は、ステップＳ４にて決定されたプレ噴射量からプレ噴射Ｑｐｒの発熱量を算出するとともに、目標前段発熱量決定部７２で決定された要求前段発熱量から、このプレ噴射Ｑｐｒの発熱量を差し引き、パイロット噴射Ｑｐｉの発熱量の目標値を算出する（ステップＳ１５）。その後、パイロット噴射量決定部７４は、この目標値と、燃焼効率補正部７４ｂで補正された後のパイロット噴射Ｑｐｉの燃焼効率とに基づいて、この目標値を実現可能な噴射量を算出し、この算出した値をパイロット噴射量として決定する（ステップＳ１６）。

このようにして、本実施形態では、こぼれ量、筒内状態が加味された状態で、要求前段発熱量を満足する適正なパイロット噴射量が決定される。

（４）作用等
以上のように、本実施形態によれば、前段噴射（パイロット噴射とプレ噴射が実施される場合はパイロット噴射、プレ噴射のみの場合はプレ噴射）の噴射量の一部が、キャビティ１０外にこぼれて少なくともメイン燃焼に寄与しないことが考慮された上で、この噴射量が決定される。そのため、前段噴射による発熱量を適正量確保して、メイン燃焼の燃焼状態ひいてはエンジン性能をより確実に適正にすることができる。

特に、本実施形態では、上記前段噴射のうちキャビティ１０外にこぼれるこぼれ量が、その噴射圧および噴射時期に応じて推定される。そのため、より精度よくこぼれ量を推定することができ、前段噴射の噴射量および発熱量をより確実に適正にすることができる。

より詳細には、噴射圧が高くなり前段噴射された燃料が到達する距離が遠いほど、および、前段噴射の噴射時期が進角側であって噴射装置とキャビティとの距離が遠くなるほど、こぼれ量が多くなるよう推定されており、噴射圧および噴射時期に応じてこぼれ量を適正に推定することができる。

さらに、本実施形態では、推定したこぼれ量に基づいて前段噴射の燃焼効率を算出するとともに、この燃焼効率を筒内状態（燃焼室９の壁面温度、筒内温度、筒内酸素濃度、筒内圧力）に応じて補正し、この燃焼効率に基づいて前段噴射の噴射量を決定しているため、こぼれ量に加えて筒内状態に応じたより適正な前段噴射の噴射量すなわち発熱量を実現することができ、メイン燃焼の燃焼状態ひいてはエンジン性能をより一層適正にすることができる。

（５）変形例
ここで、上記実施形態では、パイロット噴射とプレ噴射とを実施する場合においてパイロット噴射のこぼれ量のみを推定する場合について説明したが、パイロット噴射に加えてプレ噴射についてもこぼれ量を推定し、この推定値に基づいてプレ噴射の噴射量を決定してもよい。すなわち、複数回に分けて前段噴射を実施する場合において、各噴射についてこぼれ量を推定し、この推定値に基づいて各噴射の噴射量を決定してもよい。

ただし、複数回に分けて前段噴射を実施する場合には、最初に行われ、圧縮上死点から最も離れたタイミングで実施される噴射のこぼれ量が最も多くなる。そのため、この最初の噴射についてのみこぼれ量の推定を行い、この推定値に基づいて最初の噴射の噴射量のみを決定するようにすれば、比較的簡単に前段噴射の発熱量を適正にすることができる。

また、各運転領域の噴射パターンは上記に限らない。例えば、拡散燃焼モードにおいて、メイン噴射の後にさらに噴射（いわゆるアフター噴射等）を行ってもよい。また、前段噴射として、２回以上の噴射を行ってもよい。

また、キャビティ１０の具体的な形状は上記に限らない。

１ エンジン本体
２ 気筒
７１ 噴射制御部（噴射制御手段）
７２ 目標前段発熱量決定部（目標前段発熱量決定手段）
７３ こぼれ量算出部（こぼれ量算出手段）
７４ パイロット噴射量決定部（前段噴射量決定手段）
７４ａ 燃焼効率算出部（燃焼効率算出手段）
７４ｂ 燃焼効率補正部（燃焼効率補正手段）

Claims (4)

1. 気筒に形成された燃焼室内に燃料を噴射可能な噴射装置と、当該噴射装置を制御する噴射制御手段とを備えたエンジンの燃料制御装置において、
   上記エンジンのピストン冠面には、シリンダヘッドの底面から離間する方向に凹むキャビティが形成されており、
   上記噴射装置は、ピストンが上死点よりも下方に位置する状態で当該噴射装置から噴射された燃料が上記キャビティと当該キャビティよりも径方向外側の領域との境界部に向かうように配置されており、
   上記噴射制御手段は、
   少なくとも一部の運転領域において、主噴射と、当該主噴射よりも前に当該主噴射の噴射量よりも少ない量の燃料を気筒内に噴射する前段噴射とを、上記主噴射の少なくとも一部の燃料および上記前段噴射の少なくとも一部の燃料が上記境界部に向かって噴射されるように、上記噴射装置に、実施させるとともに、
   運転条件に基づいて、上記前段噴射された燃料が燃焼することで上記燃焼室内に生じる発熱量の目標値である目標前段発熱量を決定する目標前段発熱量決定手段と、
   運転条件に応じて、上記前段噴射の噴射量のうち上記キャビティの外側にこぼれるこぼれ量を算出するこぼれ量算出手段と、
   上記算出されたこぼれ量に基づいて上記前段噴射により噴射された燃料の燃焼効率を算出するとともに、当該燃焼効率と上記算出された目標前段発熱量とに基づいて、上記前段噴射の噴射量を、上記こぼれ量分の燃料が上記キャビティの外側にこぼれても上記主噴射の燃焼が開始する前における当該前段噴射により噴射された燃料の発熱量が上記目標前段発熱量となるように、決定する前段噴射量決定手段とを含み、
   上記前段噴射と上記主噴射とが実施される運転領域において、上記前段噴射では、上記キャビティの外側にこぼれるこぼれ量に基づいて上記前段噴射量決定手段によって決定された噴射量を上記噴射装置に噴射させ、上記主噴射では、当該主噴射の噴射量のうち上記キャビティの外側にこぼれる量によらずに決定された量の燃料を上記噴射装置に噴射させ、
   上記前段噴射量決定手段は、上記前段噴射により噴射された燃料の燃焼効率を、上記こぼれ量が多い方が低い値となるように算出することを特徴とするエンジンの燃料制御装置。
2. 請求項１に記載のエンジンの燃料制御装置において、
   上記こぼれ量算出手段は、上記前段噴射の噴射圧が高く且つ上記前段噴射の噴射時期が進角側であるほど上記こぼれ量を多く算出することを特徴とするエンジンの燃料制御装置。
3. 請求項１または２に記載のエンジンの燃料制御装置において、
   上記前段噴射量決定手段は、
   上記こぼれ量に基づいて算出された上記前段噴射により噴射された燃料の燃焼効率を、上記燃焼室の壁面温度と当該燃焼室内のガスの温度と当該燃焼室内の酸素濃度と当該燃焼室内の圧力との少なくとも一つに応じて補正することを特徴とするエンジンの燃料制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のエンジンの燃料制御装置において、
   上記噴射制御手段は、上記前段噴射を、２回以上の複数回にわけて実施し、
   上記目標前段発熱量決定手段は、すべての前段噴射によって上記燃焼室内に生じる発熱量の目標値を上記目標前段発熱量として決定し、
   上記こぼれ量算出手段は、最初に実施される前段噴射のこぼれ量を算出し、
   上記前段噴射量決定手段は、上記目標前段発熱量と、２回目以降の前段噴射の噴射量と、上記こぼれ量とに基づいて、最初に実施される前段噴射の噴射量を決定することを特徴とするエンジンの燃料制御装置。
   

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