JP6237375B2 - 燃料噴霧の広がり角度検出装置 - 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の広がり角度を検出する装置に関する。

従来、燃料の噴射圧及び燃料の動粘度と、燃料噴霧の広がり角度（噴霧角）との関係をマップとして格納しておき、このマップを参照して噴霧角を推定するものがある（特許文献１参照）。

特開２０１３−２４１３８号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものでは、燃料噴射弁の個体差による噴霧角の相違や、燃料噴射弁の噴射孔のつまり等による噴霧角の経時変化に対応することができない。このため、特許文献１に記載のものは、実際の噴霧角を検出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、実際の燃料噴霧の広がり角度を正確に検出することのできる燃料噴霧の広がり角度検出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、燃料噴射弁により内燃機関の燃焼室内に噴射される燃料の噴霧の広がり角度を検出する検出装置であって、前記機関には、前記燃焼室内にスワールを形成するスワール形成手段が設けられており、前記スワール形成手段により前記燃焼室内にスワールを形成させた状態において、前記燃料噴射弁により時間間隔をあけて燃料を複数回噴射させる所定制御を実行する制御実行手段と、前記制御実行手段により前記所定制御が実行される際に、複数回噴射された前記燃料の噴霧が互いに重なり合う状態に基づいて前記噴霧の広がり角度を検出する角度検出手段と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、スワール形成手段により燃焼室内にスワールを形成させた状態において、燃料噴射弁により時間間隔をあけて燃料を複数回噴射させる所定制御が実行される。燃焼室内にスワールが形成された状態では、燃料噴射弁により噴射された燃料の噴霧は、スワールの流れに乗って移動させられる。このため、複数回の噴射において先に噴射された燃料の噴霧の位置と後に噴射された燃料の噴霧の位置とが、スワールの流れ方向でずれることとなる。

ここで、燃料の噴霧の広がり角度（噴霧角）が広いほど、時間間隔をあけて複数回噴射された燃料の噴霧が互いに重なり合い易くなる。このため、複数回噴射された燃料の噴霧が互いに重なり合う状態は、噴霧角の広さを反映することとなる。さらに、複数回噴射された燃料の噴霧が互いに重なり合う状態は、燃料噴射弁の個体差や経時変化の影響を受けた実際の噴霧角に応じて変化する。したがって、上記所定制御が実行される際に、複数回噴射された燃料の噴霧が互いに重なり合う状態に基づいて、実際の噴霧角を正確に検出することができる。

また、本発明は、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の広かり角度を検出する検出装置であって、前記機関には、前記燃焼室内にスワールを形成するスワール形成手段、及び前記燃料噴射弁により噴射される燃料の圧力である噴射圧を算出する噴射圧算出手段が設けられており、前記スワール形成手段により前記燃焼室内にスワールを形成させた状態において、前記燃料噴射弁により時間間隔をあけて燃料を複数回噴射させる所定制御を実行する制御実行手段と、前記燃料噴射弁により前記燃料が噴射されてから着火するまでの着火遅れ期間を検出する期間検出手段と、前記燃焼室内のガスの密度を算出するガス密度算出手段と、前記制御実行手段により前記所定制御が実行される際に、前記期間検出手段により検出された前記着火遅れ期間、前記噴射圧算出手段により検出された前記噴射圧、及び前記ガス密度算出手段により算出された前記ガスの密度を用いて、前記噴霧の広がり角度を検出する角度検出手段と、を備えることを特徴とする。

複数回噴射される燃料の噴霧が互いに重なり合った部分では、酸素（空気）に対する燃料の当量比が大きくなり、燃料が着火し易くなる。このため、複数回噴射された燃料の噴霧が互いに重なり合う部分が大きいほど、着火遅れ期間が短くなる。したがって、着火遅れ期間は、燃料の噴霧が互いに重なり合う状態、ひいては噴霧角を反映することとなる。よって、着火遅れ期間を用いて噴霧角を検出することができる。

燃料の噴射圧に応じて噴霧角は変化する。また、ガス密度（空気の密度）が大きいほど、噴射された燃料が燃焼室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、ガス密度が大きいほど、噴射された燃料の噴霧角が大きくなる。この点、算出された噴射圧及び算出されたガスの密度を用いて噴霧角が検出されるため、噴射圧やガス密度が変化したとしても噴霧角を正確に検出することができる。

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。 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。 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。 噴霧角、噴霧イメージ、噴霧の動きを示す模式図。 噴射率、及び熱発生率を示すタイムチャート。 噴射インターバルに対する着火遅れ期間を示すグラフ。 噴霧角検出の手順を示すフローチャート。 エンジン回転速度に対するＳＣＶ開度を示すグラフ。 噴射圧毎に着火遅れ期間及びガス密度に対する噴霧角を示すマップ。 噴射圧毎にガス密度に対する噴霧角を示すマップ。

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の広がり角度（噴霧角）を検出する検出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、ＳＣＶ２７、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、インテークマニホールド２０ａ、及びＳＣＶ２７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。また、インテークマニホールド２０ａには、燃焼室１４内にスワール（気流）を生じさせるＳＣＶ（スワールコントロールバルブ）２７が設けられている。詳しくは、ＳＣＶ２７（スワール形成手段）は、ＤＣモータ等のアクチュエータにより開度が調節され、吸気行程において燃焼室１４に吸気が導入されることに伴い生じるスワールの速度を調節する。

燃料ポンプ２１（噴射圧力変更手段）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、制御装置３０により、燃料噴霧の広がり角度検出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（ガス密度算出手段）。

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１６のマップを参照して噴霧角θ０を算出する。なお、噴射圧Ｐｃ且つガス密度ρａの点に対応する噴霧角θ０の値が存在しない場合は、その点の近傍の点に対応する噴霧角θ０の値から補間して噴霧角θ０を算出する。

図１６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、後述する噴射角検出の手順に従っ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が大きくなる。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。

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で検出した噴霧角であり、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９のマップを参照して開度指示値ＥＧＲａを算出する。図９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。そして、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）。

本実施形態では、制御装置３０は、ＳＣＶ２７により燃焼室１４内にスワールを形成させた状態において、燃料噴射弁２４により時間間隔をあけて燃料を複数回噴射させる所定制御を実行する（制御実行手段）。そして、制御装置３０は、この所定制御が実行される際に、複数回噴射された燃料の噴霧が互いに重なり合う状態に基づいて噴霧の広がり角度を検出する（角度検出手段）。

図１０は、燃焼室１４内にスワール形成された状態で時間間隔をあけて燃料を複数回噴射させた場合について、噴霧角θ０、噴霧イメージ、噴霧の動きを示す模式図である。噴霧角θ０が狭い場合（噴霧角θｎ）と、噴霧角θ０が広い場合（噴霧角θｗ）とでは、噴霧イメージに示すように、噴霧の幅（噴霧の径）が異なる。

まず、燃料噴射弁２４により第１段の噴射が行われ、燃料の噴霧Ｑ１が形成される（左側の図）。このとき、矢印で示すように、燃焼室１４内にはスワールが形成されている。このため、時間の経過に伴って、噴霧Ｑ１は、破線で示した位置から実線で示した位置まで、スワールの流れに乗って移動させられる（中央の図）。なお、噴霧Ｑ１は、時間の経過に伴って拡散して形状がくずれている。

その後、時間の経過に伴って、噴霧Ｑ１は矢印の方向へ更に移動する（右側の図）。そして、図１１（ａ）に示すように、第１段の噴射から噴射インターバルｔｉｎｔが経過すると、燃料噴射弁２４により第２段の噴射が行われ、燃料の噴霧Ｑ２が形成される。このとき、図１０の右側の図に示すように、噴霧Ｑ１の位置と噴霧Ｑ２の位置とは、スワールの流れ方向でずれている。

ここで、噴霧角θｎでは、噴霧Ｑ１と噴霧Ｑ２とは、互いに重なり合っていない。これに対して、噴霧角θｗでは、噴霧Ｑ１と噴霧Ｑ２とは、互いに重なり合っている。すなわち、噴霧角θ０が広いほど、時間間隔をあけて複数回噴射された燃料の噴霧Ｑ１，Ｑ２が互いに重なり合い易くなる。

そして、複数回噴射される燃料の噴霧Ｑ１，Ｑ２が互いに重なり合った部分では、酸素（空気）に対する燃料の当量比が大きくなり、燃料が着火し易くなる。このため、図１１（ｂ）に示すように、噴霧角θｗでの着火遅れ期間Ｔｄｌｙ１は、噴霧角θｎでの着火遅れ期間Ｔｄｌｙ２よりも短くなっている。すなわち、複数回噴射された燃料の噴霧Ｑ１，Ｑ２が互いに重なり合う部分が大きいほど、着火遅れ期間Ｔｄｌｙが短くなる。また、噴霧Ｑ１，Ｑ２が互いに重なり合う部分が存在しない場合は、噴霧角θ０の広さにかかわらず、燃料の噴霧の重なり合いによる着火性向上は起こらないこととなる。この場合は、燃料の噴霧の重なり合いがない状態で、噴霧Ｑ１が着火することとなる。なお、図１１（ｂ）では、熱発生率ＲＯＨＲが所定の熱発生率ｄＲＨを超えた時点で、燃料が着火したと判定している。

図１２は、所定の噴射条件において、噴射インターバルｔｉｎｔに対する着火遅れ期間Ｔｄｌｙを取得した結果を示すグラフである。

噴射インターバルｔｉｎｔが短い場合は、同じ噴孔２４ａから噴射された燃料の噴霧Ｑ１と噴霧Ｑ２とが、互いに重なり合うこととなる。そして、噴射インターバルｔｉｎｔが長くなるほど、噴霧Ｑ１，Ｑ２が互いに重なり合う部分が小さくなる。このため、広い噴霧角θｗ及び狭い噴霧角θｎいずれの場合も、噴射インターバルｔｉｎｔが長くなるにつれて、着火遅れ期間Ｔｄｌｙが長くなっている。噴霧角θｗの噴霧の着火遅れ期間Ｔｄｌｙは、噴霧角θｎの噴霧の着火遅れ期間Ｔｄｌｙよりも短くなっている。このため、予め実験等に基づいて、着火遅れ期間Ｔｄｌｙと噴射インターバルｔｉｎｔとの関係を取得しておくことにより、検出した着火遅れ期間Ｔｄｌｙを用いて噴霧角θ０を検出することができる。

そして、噴射インターバルが噴射インターバルｔｉｎｔ１になると、図１０の中央の図に示したように、噴霧角θｎでは噴霧Ｑ１，Ｑ２が互いに重なり合わない状態になる。この状態では、噴霧Ｑ１，Ｑ２の重なり合いによる着火性向上が起こらず、破線で囲んだ領域のように着火遅れ期間Ｔｄｌｙは変化しないようになる（ｔｉｎｔ１〜ｔｉｎｔ２）。噴霧角θｗでは、噴霧Ｑ１，Ｑ２が互いに重なり合う状態が維持されているため、着火遅れ期間Ｔｄｌｙが一定となる噴射インターバルｔｉｎｔが存在していない。なお、着火遅れ期間Ｔｄｌｙは、噴射インターバルｔｉｎｔを含んでいるため、噴射インターバルｔｉｎｔ分だけ上乗せされた期間となっている。

噴射インターバルｔｉｎｔが更に長い場合は、図１０の右側の図に示したように、隣り合う噴孔２４ａから噴射された燃料の噴霧Ｑ１，Ｑ２が互いに重なり合うこととなる。そして、噴射インターバルｔｉｎｔが長くなるほど、噴霧Ｑ１，Ｑ２が互いに重なり合う部分が大きくなる。このため、広い噴霧角θｗ及び狭い噴霧角θｎいずれの場合も、噴射インターバルｔｉｎｔが長くなるにつれて、着火遅れ期間Ｔｄｌｙが短くなっている。この場合も、噴霧角θｗの噴霧の着火遅れ期間Ｔｄｌｙは、噴霧角θｎの噴霧の着火遅れ期間Ｔｄｌｙよりも短くなっている。

また、噴射インターバルが噴射インターバルｔｉｎｔ３よりも長くなると、噴霧Ｑ１は２つ隣りの噴孔２４ａから噴射された燃料の噴霧Ｑ２と互いに重なり合うこととなる。このため、噴射インターバルｔｉｎｔが長くなるにつれて、着火遅れ期間Ｔｄｌｙが短くなっている。なお、燃料の噴霧の重なり合いがない状態でも、着火遅れ期間Ｔｄｌｙが閾値Ｔｔｈ２よりも長くなると噴霧Ｑ１は着火することとなる。このため、着火遅れ期間Ｔｄｌｙは最長で閾値Ｔｔｈ２となる。

図１３は、噴霧角検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、所定の周期で繰り返し実行される。

まず、噴霧角θ０の検出条件が成立しているか否か判定する（Ｓ３１）。検出条件は、エンジン１０が減速フューエルカット中であることを含む。なお、その他には、エンジン１０の暖機が完了後であること等を検出条件に含んでもよい。

Ｓ３１の判定において、噴霧角θ０の検出条件が成立していないと判定した場合（Ｓ３１：ＮＯ）、この一連の処理を一旦終了する（ＥＮＤ）。一方、噴霧角θ０の検出条件が成立していると判定した場合（Ｓ３１：ＹＥＳ）、エンジン１０の回転速度ＮＥを取得する（Ｓ３２）。詳しくは、回転速度センサ４２により、エンジン１０の回転速度ＮＥを検出させる。

続いて、エンジン１０回転速度ＮＥに応じてＳＣＶ２７の開度を設定する（Ｓ３３）。詳しくは、燃焼室１４内に形成されるスワールの速度が一定速度（予め設定した速度）となるように、エンジン１０回転速度ＮＥに応じてＳＣＶ２７の開度を設定する。例えば、図１４に示すマップを用いて、エンジン１０の回転速度ＮＥに基づいてＳＣＶ３７の開度を設定する。そして、ＳＣＶ２７の開度が設定した開度になるように、ＳＣＶ２７のアクチュエータを駆動する。

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を取得し（Ｓ３４）、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（Ｓ３５）。Ｓ３４の処理は図５のＳ１４の処理と同一であり、Ｓ３５の処理は図５のＳ１５の処理と同一である（ガス密度算出手段）。

続いて、燃料噴射弁２４による燃料の噴射圧Ｐｃ、第１段の噴射量Ｑ１、第２段の噴射量Ｑ２、第１段の噴射タイミングθｉｎｊ、及び第１段の噴射と第２段の噴射との噴射インターバルｔｉｎｔを設定する（Ｓ３６）。具体的には、これらの噴射条件を、噴霧角θ０の検出用に予め設定した値とする。噴射圧Ｐｃは、低圧、中圧、及び高圧のいずれかの圧力であり、後述する図１６のマップで噴霧角θ０が検出されていない噴射圧にその都度設定される（噴射圧算出手段）。噴射量Ｑ１，Ｑ２は、エンジン１０の回転速度を急変させない微少噴射量である。第１段の噴射タイミングθｉｎｊは、噴霧角θ０を検出するために適切な着火遅れ期間Ｔｄｌｙを得ることのできるタイミングであり、例えばエンジン１０の圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも所定量進角側又は所定量遅角側のタイミングである。噴射インターバルｔｉｎｔは、噴霧角θ０を検出するために適切な着火遅れ期間Ｔｄｌｙを得ることのできる期間であり、例えば図１２の噴射インターバルｔｉｎｔ１よりも短い期間である。また、Ｓ４２の処理で噴射インターバルｔｉｎｔが短縮された場合は、その短縮された噴射インターバルｔｉｎｔに設定される。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、Ｓ３６で設定された噴射条件において、燃料噴射弁２４により燃料の噴射を実行させる（Ｓ３７）。そして、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に対する熱発生率ＲＯＨＲ（θ）を算出する（Ｓ３８）。

以下の数式２４により、クランク角度θに対する熱発生率ＲＯＨＲ（θ）を算出する。数式２４は、熱力学方程式及び気体の状態方程式に基づいて導出される（熱発生率推定手段）。

上記において、Ｃｖは定積モル比熱［Ｊ／ｍｏｌ／Ｋ］、Ｒは気体定数［Ｊ／Ｋ／ｍｏｌ］、Ｖ（θ）はクランク角度θに対するシリンダ１１（燃焼室１４）の容積、Ｐｃｙｌ（θ）はクランク角度θに対する筒内圧である。容積Ｖ（θ）は、シリンダ１１の設計値及びクランク角度θに基づき算出する。筒内圧力Ｐｃｙｌ（θ）は筒内圧センサ４３により検出する。ｄはそれぞれの微分を表すため、それぞれの微小な変化量を対応させる。

続いて、熱発生率ＲＯＨＲに基づいて、着火遅れ期間Ｔｄｌｙを検出する（Ｓ３９）。具体的には、燃料の噴射タイミングθｉｎｊから熱発生率ＲＯＨＲが所定の熱発生率ｄＲＨを超える時点までの期間（図１１参照）を、着火遅れ期間Ｔｄｌｙとして検出する（期間検出手段）。

続いて、検出された着火遅れ期間Ｔｄｌｙにより噴霧角θ０を検出可能であるか否か判定する（Ｓ４０）。具体的には、検出された着火遅れ期間Ｔｄｌｙが、判定値Ｔｔｈ１（所定期間）よりも短いか否か判定する。図１２に示すように、この判定値Ｔｔｈ１は、噴射インターバルが噴射インターバルｔｉｎｔ１よりも短いか否か、すなわち第１段の噴射による噴霧と第２段の噴射による噴霧とが互いに重なり合う状態であるか否か判定することのできる値に設定されている。

Ｓ４０の判定において、検出された着火遅れ期間Ｔｄｌｙにより噴霧角θ０を検出可能であると判定した場合（Ｓ４０：ＹＥＳ）、着火遅れ期間Ｔｄｌｙに基づいて噴霧角θ０を検出する（Ｓ４１）。具体的には、図１５に示すマップを参照して、Ｓ３５で算出したガス密度ρａ、Ｓ３６で設定した噴射圧Ｐｃ、及びＳ３９で検出した着火遅れ期間Ｔｄｌｙを用いて、噴霧角θ０を検出する（角度検出手段）。これらのマップは、可視化エンジン等で実際の噴霧角θ０を測定することにより、予め実験等に基づいて設定しておくことができる。なお、Ｓ３６において噴射圧Ｐｃを、図１５（ａ）の低圧、図１５（ｂ）の中圧、及び図１５（ｃ）の高圧に区分しているが、噴射圧Ｐｃをより細かく区分してもよい。また、Ｓ４１において噴射圧Ｐｃとして、燃圧センサ４６により検出した圧力を用いることもできる（噴射圧算出手段）。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、検出された着火遅れ期間Ｔｄｌｙにより噴霧角θ０を検出可能でないと判定した場合（Ｓ４０：ＮＯ）、噴射インターバルｔｉｎｔを短縮する（Ｓ４２）。詳しくは、Ｓ３６で設定される噴射インターバルｔｉｎｔを、現在の噴射インターバルｔｉｎｔよりも所定期間短縮する。その後、この一連の処理を一旦終了する（ＥＮＤ）。

そして、制御装置３０は、Ｓ４１で検出した噴霧角θ０により、図１６のマップを更新する。詳しくは、図１６のマップにおいて、Ｓ３５で算出したガス密度ρａ、且つＳ３６で設定した噴射圧Ｐｃ（又は燃圧センサ４６により検出した圧力）の点に対応する噴霧角θ０として、Ｓ４１で検出した噴霧角θ０を記憶させる。なお、その点に既に噴霧角θ０の値が記憶されている場合は、既に記憶されている噴霧角θ０の値と今回検出された噴霧角θ０の値との加重平均を取るなどして、その点の噴霧角θ０を学習して記憶させる。

以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。

・ＳＣＶ２７により燃焼室１４内にスワールを形成させた状態において、燃料噴射弁２４により噴射インターバルｔｉｎｔをあけて燃料を複数回噴射させる所定制御が実行される。燃料の噴霧Ｑ１，Ｑ２の広がり角度（噴霧角θ０）が広いほど、噴射インターバルｔｉｎｔをあけて複数回噴射された燃料の噴霧Ｑ１，Ｑ２が互いに重なり合い易くなる。このため、複数回噴射された燃料の噴霧Ｑ１，Ｑ２が互いに重なり合う状態は、噴霧角θ０の広さを反映することとなる。さらに、複数回噴射された燃料の噴霧Ｑ１，Ｑ２が互いに重なり合う状態は、燃料噴射弁２４の個体差や経時変化の影響を受けた実際の噴霧角θ０に応じて変化する。したがって、上記所定制御が実行される際に、複数回噴射された燃料の噴霧Ｑ１，Ｑ２が互いに重なり合う状態に基づいて、実際の噴霧角θ０を正確に検出することができる。

・複数回噴射される燃料の噴霧Ｑ１，Ｑ２が互いに重なり合った部分では、酸素（空気）に対する燃料の当量比が大きくなり、燃料が着火し易くなる。このため、複数回噴射された燃料の噴霧Ｑ１，Ｑ２が互いに重なり合う部分が大きいほど、着火遅れ期間Ｔｄｌｙが短くなる。したがって、着火遅れ期間Ｔｄｌｙは、燃料の噴霧Ｑ１，Ｑ２が互いに重なり合う状態、ひいては噴霧角θ０を反映することとなる。よって、着火遅れ期間Ｔｄｌｙを用いて噴霧角θ０を検出することができる。

・検出された着火遅れ期間Ｔｄｌｙが判定値Ｔｔｈ１よりも長い場合に、燃料が複数回噴射される噴射インターバルｔｉｎｔが短縮される。このため、検出された着火遅れ期間Ｔｄｌｙが判定値Ｔｔｈ１よりも長く、燃料の噴霧Ｑ１，Ｑ２の重なり合いによる着火性向上が起きていないと予測される場合に、複数回噴射される燃料の噴霧Ｑ１，Ｑ２が互いに重なり合い易くすることができる。その結果、着火遅れ期間Ｔｄｌｙが噴霧角θ０を反映する状態に修正することができる。

・算出された噴射圧Ｐｃを用いて噴霧角θ０が検出されるため、噴射圧Ｐｃが変化したとしても噴霧角θ０を正確に検出することができる。

・算出されたガス密度ρａを用いて噴霧Ｑ１，Ｑ２の広がり角度が検出されるため、ガス密度ρａが変化したとしても噴霧角θ０を正確に検出することができる。

・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。燃料噴射弁２４により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、算出された噴霧角θ０を用いて、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Ｑ１，Ｑ２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。

・筒内圧センサ４３により検出された筒内圧力Ｐｃｌｙの上昇率が判定値ｄＰを超えた場合に、燃料が着火したと判定してもよい。

・制御装置３０は、スワールの速度を算出する速度算出手段を備え、速度算出手段により算出されたスワールの速度を用いて、噴霧角θ０を検出することもできる。スワールの速度は、ＳＣＶ２７の開度、エンジン１０の回転速度ＮＥ、及びガス密度ρａに基づいて算出することができる。燃料噴射弁２４により噴射された燃料の噴霧Ｑ１，Ｑ２が、スワールの流れに乗って移動させられる距離は、スワールの速度に応じて変化する。そして、燃料の噴霧Ｑ１，Ｑ２が移動させられる距離によって、複数回噴射された燃料の噴霧Ｑ１，Ｑ２が互いに重なり合う状態は変化する。この点、算出されたスワールの速度を用いて噴霧角θ０が検出されるため、スワールの速度が変化したとしても噴霧角θ０を正確に検出することができる。

・制御装置３０（角度検出手段）は、燃料が複数回噴射される噴射インターバルｔｉｎｔ（時間間隔）を用いて、噴霧角θ０を検出することもできる。複数回噴射される燃料の噴霧Ｑ１，Ｑ２のうち先に噴射された燃料の噴霧Ｑ１が、後の噴射までにスワールの流れに乗って移動させられる距離は、燃料が複数回噴射される噴射インターバルｔｉｎｔに応じて変化する。そして、先に噴射された燃料の噴霧Ｑ１が後の噴射までに移動させられる距離によって、複数回噴射された燃料の噴霧Ｑ１，Ｑ２が互いに重なり合う状態は変化する。この点、燃料が複数回噴射される噴射インターバルｔｉｎｔを用いて噴霧角θ０が検出されるため、噴射インターバルｔｉｎｔが変化したとしても噴霧角θ０を正確に検出することができる。

・同じ噴孔２４ａから噴射された燃料の噴霧Ｑ１と噴霧Ｑ２とが互いに重なり合う状態に基づいて噴霧角θ０を検出する場合は、燃料噴射弁２４の噴孔２４ａの数を任意に設定することができる。また、噴霧Ｑ１と噴霧Ｑ２とが互いに重なり合う状態として、噴霧Ｑ１と噴霧Ｑ２とが互いに重なり合う量に限らず、噴霧Ｑ１と噴霧Ｑ２とが互いに重なり合わなくなる噴射インターバルｔｉｎｔ等を用いることもできる。

・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。また、混合気の混合比を制御する制御装置３０に限らず、未燃燃料の排出量を推定する推定装置や、すすの排出量を推定する推定装置等に、燃料の噴霧の広がり角度を検出する検出装置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、２７…スワールコントロールバルブ、３０…制御装置、４６…燃圧センサ。

Claims (6)

1. 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の広がり角度を検出する検出装置（３０）であって、
   前記機関には、前記燃焼室内にスワールを形成するスワール形成手段（２７）が設けられており、
   前記スワール形成手段により前記燃焼室内にスワールを形成させた状態において、前記燃料噴射弁により時間間隔をあけて燃料を複数回噴射させる所定制御を実行する制御実行手段と、
   前記制御実行手段により前記所定制御が実行される際に、複数回噴射された前記燃料の噴霧が互いに重なり合う状態に基づいて前記噴霧の広がり角度を検出する角度検出手段と、
   前記燃料噴射弁により前記燃料が噴射されてから着火するまでの着火遅れ期間を検出する期間検出手段と、
   を備え、
   前記角度検出手段は、前記期間検出手段により検出された前記着火遅れ期間を用いて、前記噴霧の広がり角度を検出し、
   前記制御実行手段は、前記期間検出手段により検出された前記着火遅れ期間が所定期間よりも長い場合に、前記燃料が複数回噴射される時間間隔を短縮することを特徴とする燃料噴霧の広がり角度検出装置。
2. 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である噴射圧を算出する噴射圧算出手段（３０、４６）が設けられており、
   前記角度検出手段は、前記噴射圧算出手段により算出された前記噴射圧を用いて、前記噴霧の広がり角度を検出する請求項１に記載の燃料噴霧の広がり角度検出装置。
3. 前記燃焼室内のガスの密度を算出するガス密度算出手段を備え、
   前記角度検出手段は、前記ガス密度算出手段により算出された前記ガスの密度を用いて、前記噴霧の広がり角度を検出する請求項１又は２に記載の燃料噴霧の広がり角度検出装置。
4. 前記スワールの速度を算出する速度算出手段を備え、
   前記角度検出手段は、前記速度算出手段により算出された前記スワールの速度を用いて、前記噴霧の広がり角度を検出する請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料噴霧の広がり角度検出装置。
5. 前記角度検出手段は、前記燃料が複数回噴射される時間間隔を用いて、前記噴霧の広がり角度を検出する請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料噴霧の広がり角度検出装置。
6. 前記機関には、前記燃料噴射弁により前記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変更する混合比変更手段（５２）が設けられており、
   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、
   前記燃料噴射弁により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、前記角度検出手段により検出された前記噴霧の広がり角度を用いて、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、
   を備える請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料噴霧の広がり角度検出装置。