JP6288452B2

JP6288452B2 - 内燃機関の気流制御装置

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Publication number: JP6288452B2
Application number: JP2014162275A
Authority: JP
Inventors: 幸平元尾
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2034-08-08
Also published as: JP2016037914A; DE102015112798A1; DE102015112798B4

Description

本発明は、内燃機関の筒内の気流の強さを制御する気流制御装置に関する。

従来、内燃機関における燃費やエミッションを低減するなどの目的で筒内（燃焼室）の気流の強さを内燃機関の運転条件に応じて制御（調整）する技術の提案がある（例えば特許文献１参照）。例えば特許文献１には、内燃機関（エンジン）の回転数や負荷に応じて筒内に生じるスワール流（旋回渦流、横渦流）の強さとしてのスワール比を制御することが記載されている。

特開昭６２−４５９３１号公報

ところで、内燃機関の熱効率を向上するためには、筒内に噴射された燃料噴霧を、筒内のピストンが一番上に上がった時（ピストンが上死点の位置にある時）に短時間で燃焼させる必要がある。つまり、内燃機関の熱効率を向上するためには等容度を高くする必要がある。そのためには、燃料噴霧とガスとを速やかに混合させて、燃焼速度を良好にする必要がある。燃料噴霧とガスとの混合状態が悪ければ、燃焼速度が遅くなり、ピストンが上死点の位置にある時に短時間で燃焼させることができない。一方で、燃料噴霧とガスとの混合を促進するために気流を強くしすぎると、燃料噴霧同士の干渉が大きくなりすぎてしまい、結果、燃焼が悪化、つまり燃焼速度が低下してしまう。

燃料噴霧とガスの混合は、燃料噴霧の状態やガスの状態に応じて変わってくるが、特許文献１では、燃料噴霧の状態やガスの状態を考慮して気流を制御したものとなっていないので、ガスと燃料噴霧の混合を良好にし、燃焼速度を向上するという点では不十分である。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、筒内での燃料噴霧の状態やガスの状態を考慮して筒内の気流の強さを制御することで、ガスと燃料噴霧の混合を良好にし、燃焼速度を向上できる内燃機関の気流制御装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の内燃機関の気流制御装置は、筒内に燃料を噴射してその燃料噴霧を燃焼させることで動力を生成する内燃機関の前記筒内の気流の強さを調整する調整手段と、
前記筒内のガスの状態及び燃料噴霧の状態を取得する取得手段と、
前記取得手段が取得した前記ガスの状態及び前記燃料噴霧の状態に基づいて燃料噴霧の燃焼領域を推定する推定手段と、
前記推定手段が推定した前記燃焼領域である推定燃焼領域が目標燃焼領域に対して小さいか大きいかを判定する判定手段とを備え、
前記調整手段は、前記判定手段により前記推定燃焼領域が前記目標燃焼領域より小さいと判定された場合には前記筒内の気流を強くし、前記推定燃焼領域が前記目標燃焼領域より大きいと判定された場合には前記筒内の気流を弱くすることを特徴とする。

本発明によれば、筒内のガスの状態及び燃料噴霧の状態を取得して、取得した各状態に基づいて燃料噴霧の燃焼領域を推定する。その燃焼領域（推定燃焼領域）が目標燃焼領域より小さい場合には筒内の気流を強くするので、燃焼領域を拡大、つまり、燃料噴霧とガスとの混合を促進して燃焼速度を向上できる。また、推定燃焼領域が目標燃焼領域より大きい場合には筒内の気流を弱くするので、燃料噴霧同士の干渉を小さくでき、結果、燃焼速度を向上できる。このように、本発明では、筒内のガスの状態及び燃料噴霧の状態に基づいて定まる推定燃焼領域を目標燃焼領域に近づける方向に気流強さを制御するので、ガスと燃料噴霧の混合を良好にでき、燃焼速度を向上できる。

エンジンシステムの構成図である。燃料の噴霧速度の大小によって、気流を変化させたときに燃焼領域がどのように変わるかを説明する図である。燃料の噴射期間の長短によって、気流を変化させたときに燃焼領域がどのように変わるかを説明する図である。噴射期間が短いときの吸気量（筒内のガス密度）に対する等容度の変化を示した図である。噴射期間が長いときの吸気量（筒内のガス密度）に対する等容度の変化を示した図である。気流調整処理のフローチャートである。インジェクタの噴孔から噴霧が噴射された様子を示し、式１中の各パラメータの一部を示した図である。噴霧速度から燃焼領域を推定する様子を示した図である。筒内のＯ２濃度が小さいときと大きいときのそれぞれで、気流の強さが変化すると燃焼速度（等容度）がどのように変化するかを示した図である。筒内のＯ２濃度と閾値の関係を示した図である。気流の強さと燃焼領域の干渉量の関係を示した図である。噴霧速度と気流強さの関係を示した図である。噴射圧と気流強さの関係を示した図である。噴射期間と気流強さの関係を示した図である。噴射量と気流強さの関係を示した図である。筒内のガス密度と気流強さの関係を示した図である。筒内のＯ２濃度と気流強さの関係を示した図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は、車両に搭載されたエンジンシステム１の構成図を示している。エンジンシステム１は、内燃機関としてのコモンレール式のディーゼルエンジン１０（以下、単にエンジンという）と、そのエンジン１０の運転に必要な各種構成とを備える形で構成されている。なお、本実施形態では、エンジン１０は、４つの気筒１１（燃焼室）を有した４気筒エンジンである。エンジン１０は、各気筒１１において、吸気、圧縮、燃焼、排気の４行程を経て動力を生み出す４ストローク機関である。吸気、圧縮、燃焼、排気の４行程による燃焼サイクル（「７２０°ＣＡ」周期）が、例えば各気筒１１間で「１８０°ＣＡ」ずらして逐次実行される。図１の右側の気筒１１から順に１番から４番までの番号を付けたときに、例えば、１番、３番、４番、２番の気筒１１の順に燃焼サイクルが実行される。

気筒１１の上壁を構成するシリンダヘッドの中心には、気筒１１内（以下、筒内という）に燃料（例えば軽油）を噴射（供給）するインジェクタ１６が設けられている。インジェクタ１６から供給された燃料噴霧が筒内で圧縮自着火燃焼する。また、気筒１１の側壁を構成するシリンダブロックには、冷却水（クーラント）を循環させるための冷却水路（ウォータジャケット）が形成されている。その冷却水によりエンジン１０が高温になりすぎるのを防いでいる。

また、各気筒１１には、筒内に吸入される吸入空気（ガス）の導入口となる吸気ポートとして、スワール生成ポート１２とタンブル生成ポート１３の２つの吸気ポートが形成されている。それら吸気ポート１２、１３はシリンダヘッド内に形成されている。スワール生成ポート１２は、スワール生成ポート１２から筒内に吸入されるガスにスワール流（横渦）を生じさせる吸気ポートである。タンブル生成ポート１３は、タンブル生成ポート１３から筒内に吸入されるガスにタンブル流（縦渦）を生じさせる吸気ポートである。スワール生成ポート１２から吸入されたガスは、タンブル生成ポート１３から吸入されたガスよりも外側（壁面側）を周方向に旋回しながら筒内を進行する。これに対し、タンブル生成ポート１３から吸入されたガスは、スワール生成ポート１２から吸入されたガスよりも内側を下方向（ピストンの頂上面の方向）に進行する。

また、各吸気ポート１２、１３と筒内とを繋ぐ開口には、その開口の開閉を行う吸気バルブ１４が設けられている。また、シリンダヘッド内には、筒内での燃焼後のガスを筒内から排出する排気ポートが形成されている。その排気ポートと筒内とを繋ぐ開口にはその開口の開閉を行う排気バルブ１５が設けられている。

エンジンシステム１には、筒内に吸入される新気（空気）が流れる吸気通路２１が設けられている。その吸気通路２１には、上流側から、新気を圧縮する過給器３１、過給器３１で圧縮された新気を冷却するインタークーラ３２が設けられている。また、インタークーラ３２より下流の吸気通路２１には、新気量を調整するスロットル３３が設けられている。そのスロットル３３より下流の吸気通路２１から、各気筒１１に繋がる通路２２（インテークマニホールドの通路。以下、ＥＧＲリーンガス通路という）が分岐している。各ＥＧＲリーンガス通路２２は各気筒１１のスワール生成ポート１２に接続されている。ＥＧＲリーンガス通路２２及び吸気通路２１には、新気のみ又は後述する接続通路２９から流入するＥＧＲガスが混ざったガス（以下、ＥＧＲリーンガスという）が流れる。

また、各気筒１１には、筒内から排出される排気ガスをまとめて排気通路２７に渡すためのエキゾーストマニホールド２３が接続されている。なお、排気通路２７には、上流側から、排気ガスからエネルギーを回収する過給器のタービン３７（可変ノズルターボ（ＶＮＴ））、排気ガスに対して所定の処理を行う後処理装置３８がこの順で配置されている。後処理装置３８は、排気ガス中のＣＯ、ＨＣ等を酸化して除去する酸化触媒や排気ガス中のＰＭを除去するＤＰＦなどである。

エキゾーストマニホールド２３には、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気系に還流させるためのＥＧＲ通路２４が接続されている。そのＥＧＲ通路２４には、ＥＧＲ通路２４を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３４や、そのＥＧＲクーラ３４より下流にはＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲバルブ３５が設けられている。そのＥＧＲバルブ３５より下流のＥＧＲ通路２４からは、各気筒１１に繋がる通路２５（以下、ＥＧＲリッチガス通路という）が分岐している。各ＥＧＲリッチガス通路２５は、各気筒１１のタンブル生成ポート１３に接続されている。ＥＧＲリッチガス通路２５には、ＥＧＲリーンガス通路２２を流れるＥＧＲリーンガスよりもＥＧＲガスの濃度が濃い（排気濃度が高い、酸素濃度が低い）ガス（以下、ＥＧＲリッチガスという）が流れる。

また、エンジンシステム１には、吸気通路２１とＥＧＲ通路２４とを接続する接続通路２９が設けられている。その接続通路２９は、ＥＧＲリーンガス通路２２に分岐する前の吸気通路２１と、ＥＧＲリッチガス通路２５に分岐する前のＥＧＲ通路２４とを接続している。その接続通路２９を介してＥＧＲ通路２４から吸気通路２１にＥＧＲガスを流し、又は吸気通路２１からＥＧＲ通路２４に新気を流すことで、スワール生成ポート１２から筒内に吸入するガス量と、タンブル生成ポート１３から筒内に吸入するガス量との割合を所定値に維持しつつ、所望のＥＧＲ率に調整できるようになっている。なお、ＥＧＲ率は、筒内に吸入されるＥＧＲガス（排気ガス）の量を、筒内に吸入されるガスの総吸入量（新気の吸入量＋ＥＧＲガスの吸入量）で割った値である。

さらに、各ＥＧＲリッチガス通路２５には、ＥＧＲリッチガス通路２５を流れるガスの流量を調整することで、筒内でのスワール流（気流）の強さを調整するスワールコントロールバルブ４１（以下、ＳＣＶという）が設けられている。ＳＣＶ４１の開度を小さくしてＥＧＲリッチガスの流量が絞られると、スワール生成ポート１２から吸入されるガスの勢いが増し、結果、スワール流を強めることができる。反対に、ＳＣＶ４１の開度を大きくしてＥＧＲリッチガスの流量を多くすると、スワール生成ポート１２から吸入されるガスの勢いを弱め、結果、スワール流を弱めることができる。ＳＣＶ４１にはモータ４２が接続されており。ＳＣＶ４１はそのモータ４２により開度が制御される。

エンジンシステム１には、エンジン１０の運転制御に必要な各種センサが設けられている。具体的には、吸気通路２１には、筒内に吸入するガス（図１ではＥＧＲリーンガス）の圧力、つまり吸気圧（過給圧）Ｐを検出する吸気圧センサ５６が設けられている。同じく、吸気通路２１には、筒内に吸入するガスの温度、つまり吸気温Ｔを検出する吸気温センサ５７が設けられている。また、ＥＧＲ通路２４には、ＥＧＲ通路２４を流れるガス（ＥＧＲリッチガス、排気ガス）の空燃比（Ａ／Ｆ）を検出するＡ／Ｆセンサ５８が設けられている。このＡ／Ｆセンサ５８は、排気ガス中のＯ２濃度を検出するために用いられる。Ａ／Ｆセンサ５８に代えて、直接にＯ２濃度を検出するＯ２センサが設けられたとしても良い。

さらに、エンジンシステム１には、これらセンサ５６〜５８以外のセンサも設けられている。具体的には、エンジンシステム１には、エンジン１０の回転数を検出する回転数センサ５２、車両の運転者の要求トルクを車両側に知らせるためのアクセルペダルの操作量（踏み込み量）を検知するアクセルペダルセンサ５３、筒内に吸入する新気量を検出するエアフロメータ５４、インジェクタ１６から噴射される燃料の噴射圧を検出する噴射圧センサ５５などが設けられている。回転数センサ５２は、例えばエンジン１０のクランク角を検出するクランク角センサである。またエアフロメータ５４は吸気通路２１に設けられる。噴射圧センサ５５は、例えばインジェクタ１６に供給する高圧燃料を蓄えるコモンレール（図示外）に設けられて、そのコモンレール内の圧力を検出するセンサである。

エンジンシステム１には、上記各センサから入力される検出値に基づきＳＣＶ４１を含む各バルブ（スロットル３３、ＥＧＲバルブ３５など）の開閉（開閉時期や開度など）やインジェクタ１６による燃料供給などを制御することでエンジン１０の運転を制御するＥＣＵ５０が設けられている。そのＥＣＵ５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータを主として構成されている。ＥＣＵ５０は、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ等のメモリ５１を備えている。そのメモリ５１には、ＥＣＵ５０が実行する処理のプログラムや、各種マップ（例えば燃料噴射に関するマップや気流制御に関するマップ）などが記憶されている。

また、ＥＣＵ５０は、筒内でのガス（空気）と燃料噴霧の混合を良好にして燃焼速度（熱効率）を向上するために、モータ４２を介してＳＣＶ４１を制御することで、気流（スワール流）の強さを調整する。ここで、ＥＣＵ５０による気流制御の考え方を説明する。図２は、インジェクタ１６から噴射された燃料の噴霧速度の大小によって、気流を変化させたときに燃焼領域がどのように変わるかを説明する図である。図２は、噴霧速度が小さく、噴霧速度が弱いときと、噴霧速度が小さく、気流が強いときと、噴霧速度が大きく、気流が弱いときと、噴霧速度が大きく、気流が強いときのそれぞれについて、インジェクタ１６から筒内の壁面１１１の方に放射するように噴射された燃料噴霧の燃焼領域１７１〜１７４（燃料噴霧）の様子を示している。

筒内での熱効率を向上するためには、筒内において燃料噴霧とガスとを速やかに混合させて、筒内での燃焼領域を大きくする必要がある。この点、図２の左上図に示すように、噴霧速度が小さく、気流が弱いときの燃焼領域１７１は小さく、また各燃料噴霧から形成される各燃焼領域間の干渉（燃料噴霧同士の干渉）が小さい。よって、噴霧速度が小さいときには、気流を強くすることで、図２の左下図に示すように、燃焼領域（燃料噴霧同士）の干渉を抑えつつ、気流が弱いときの燃焼領域１７１（破線）から拡大した燃焼領域１７２（実線）を形成できる。燃焼領域を拡大することで、燃焼を改善できる。

他方、図２の右上図に示すように、噴霧速度が大きいときの燃焼領域１７３は、噴霧速度が小さいときに比べて大きい。また、噴霧速度が大きいと、噴霧速度が小さいときに比べて、燃料噴霧の壁面１１１での跳ね返り量が多く、また、燃焼領域の干渉が大きくなる。そのため、噴霧速度が大きく、もともと燃焼領域１７３が大きいときに気流を強くすると、図２の右下図に示すように、さらに燃焼領域１７４（実線）が拡大するものの、燃焼領域１７４の干渉領域（斜線ハッチングの領域）も大きくなってしまう。結果、燃焼領域が拡大することによる燃焼改善より、干渉領域が大きくなることによる燃焼悪化のほうが大きければ、トータルとして燃焼悪化となってしまう。

図３は、インジェクタ１６の燃料噴射期間の長短によって、気流を変化させたときに燃焼領域がどのように変わるかを説明する図であり、気流の強弱、噴射期間の長短のそれぞれ場合における燃焼領域１７５〜１７８（燃料噴霧）の様子を示している。図３の左上図に示すように、噴射期間が短く、気流が弱いときの燃焼領域１７５は小さく、また各燃料噴霧から形成された各燃焼領域間の干渉が小さい。よって、噴霧期間が短く燃焼領域１７５が小さいときに気流を強くすることによって、図３の左下図に示すように、燃焼領域の干渉を抑えつつ、気流が弱いときの燃焼領域１７５（破線）から拡大した燃焼領域１７６（実線）を形成できる。これにより、燃焼を改善できる。

他方、図３の右上図に示すように、噴射期間が長いときの燃焼領域１７７は、噴射期間が短いときに比べて大きい。また、噴射期間が長いと、噴射期間が短いときに比べて、燃料噴霧の壁面１１１での跳ね返り量が多く、また、燃焼領域の干渉が大きくなる。そのため、噴射期間が長く、もともと燃焼領域１７７が大きいときに気流を強くすると、図２の右下図に示すように、さらに燃焼領域１７８（実線）が拡大するものの、燃焼領域１７８の干渉領域（破線ハッチングの領域）も大きくなってしまう。結果、燃焼領域が拡大することによる燃焼改善よりも、干渉領域が大きくなることによる燃焼悪化のほうが大きければ、トータルとして燃焼悪化となってしまう。

ここで、図４は、噴射期間が短いときの吸気量（筒内のガス密度）に対する等容度の変化の実験結果を示している。また、図５は、噴射期間が長いときの吸気量に対する等容度の変化の実験結果を示している。図４、図５において黒塗りひし形のラインはスワール比が小さいとき（気流が弱いとき）を、黒塗り四角（■）のラインはスワール比が大きいとき（気流が強いとき）の結果を示している。なお、等容度とは、燃焼が上死点で起こる等容燃焼サイクル（定容サイクル）の場合の熱効率を１とし、燃焼が上死点を離れるにしたがって起こる熱効率の低下の度合いを全燃焼経過に対して積分したものである。つまり、等容度は、大きい値になるほど熱効率、燃焼速度が高いことを示している。また、スワール比は、スワール流の回転速度とエンジン回転数の比を示す指標、つまり、ピストンが一往復する間にスワール流が何回転するかを示す指標である。

図４に示すように、噴射期間が短いときには、気流（スワール比）を強くすることで、等容度（熱効率、燃焼速度）が増加することがわかる。これは、図３で説明したように、噴射期間が短いときには、気流を強くすることで干渉を抑えつつ燃焼領域を拡大できるためである。また、図４では、吸気量が大きいほど気流を強くしたことによる等容度の増加度合いが大きくなることを示している。これは、後述の式１で示すように、吸気量（筒内のガス密度）が大きいほど噴射速度が小さくなるが、図２で説明したように、噴射速度が小さいときには、気流を強くすることで干渉を抑えつつ燃焼領域を拡大できるためである。

他方、図５に示すように、噴射期間が長いときには、気流（スワール比）を強くすると、等容度が減少してしまうことがわかる。これは、図３で説明したように、噴射期間が長いときに気流を強くすると、燃焼領域（燃料噴霧）の干渉領域が大きくなってしまい、燃焼が悪化するためである。

このように、筒内でのガスと燃料噴霧の混合を良好にして燃焼速度を向上するためには、燃料噴霧の状態（噴霧速度、噴射期間等）やガスの状態（ガス密度等）に応じて気流の強さを制御する必要がある。そこで、ＥＣＵ５０は、この気流制御の考え方をもとに気流（スワール流）の強さを調整する気流調整処理を実行する。図６は、その気流調整処理のフローチャートの一例を示している。図６の処理は、例えばエンジン１０の始動と同時に開始し、以降エンジン１０が停止するまで一定間隔おきに繰り返しされる。

図６の処理を開始すると、ＥＣＵ５０は、先ず、現時点における燃焼領域を決める燃焼条件を取得する（Ｓ１１）。燃焼領域は、インジェクタ１６から噴射された燃料噴霧の状態及び筒内のガスの状態によって決まるので、ここでは、燃焼条件として燃料噴霧の状態やガスの状態に関連したパラメータを取得する。具体的には、例えば噴射系パラメータとして、噴射圧、噴射量、噴射タイミング（燃料噴射が行われたクランク角の値）、噴射期間（燃料噴射が行われたクランク角の幅）などを取得する。噴射圧は、噴射圧センサ５５（図１参照）から取得できる。また、噴射量、噴射タイミング、噴射期間は、エンジン回転数やエンジン負荷（アクセルペダルの踏み込み量）などをパラメータとして最適なエンジン運転となるようにＥＣＵ５０自身が決定した値（適合値）を用いれば良い。これら噴射系パラメータは、燃料噴霧の状態に関連したパラメータである。

また、Ｓ１１では、例えば吸気系パラメータとして、吸気圧（過給圧）、吸気温、吸気Ｏ２濃度、スワール比などを取得する。吸気圧は吸気圧センサ５６（図１参照）から取得できる。吸気温は吸気温センサ５７（図１参照）から取得できる。吸気Ｏ２濃度（筒内のＯ２濃度）は、新気（空気）中の酸素割合（約２１％）、新気量、筒内に吸入するＥＧＲガス（排気ガス）中の酸素割合及びＥＧＲガス量とに基づいて求めることができる。ここで、新気量は例えばエアフロメータ５４の検出値から求めることができる。また、ＥＧＲガス中の酸素割合は、Ａ／Ｆセンサ５８が検出するＥＧＲ通路２４内のＡ／Ｆの値から求めることができる。また、ＥＧＲガス量はＥＧＲバルブ３５の開度から求めることができる。

スワール比はＳＣＶ４１の開度に相関し、具体的には、ＳＣＶ４１の開度が小さいほどスワール比が大きくなる。よって、ＳＣＶ４１の開度とスワール比の関係を予め調べてメモリ５１に記憶しておく。そして、メモリ５１に記憶されたその関係と現時点のＳＣＶ４１の開度とに基づいてスワール比を求めれば良い。これら吸気系パラメータは、筒内のガスの状態に関連したパラメータである。

また、Ｓ１１ではエンジン回転数などのエンジンパラメータも取得する。エンジン回転数は回転数センサ５２から取得できる。エンジン回転数は、後述する気流速度の算出のために用いられる。そのため、エンジン回転数は、筒内のガスの状態に関連したパラメータでもある。なお、Ｓ１１の処理を実行するＥＣＵ５０が本発明の「取得手段」に相当する。

次に、Ｓ１１で取得した燃焼条件に基づいて筒内での燃料噴霧の燃焼領域を推定する（Ｓ１２）。具体的には、燃焼領域はＳ１１で取得した各燃焼条件に応じて変化するので、各燃焼条件（噴射系パラメータ、吸気系パラメータ、エンジンパラメータ）に対する燃焼領域のマップを実験により求め、得られたマップをメモリ５１に記憶しておく。そして、Ｓ１２では、メモリ５１に記憶されたこのマップと今回の燃焼条件とに基づいて燃焼領域を推定する。

また、図２で説明したように、燃焼領域は、噴霧速度及び気流の強さに応じて変わってくるので、Ｓ１２では、マップによる燃焼領域の推定に代えて、噴霧速度及び気流強さ（気流速度）に基づいて燃焼領域を推定しても良い。具体的には、以下の式１により噴霧速度ｗｆを算出する。ここで、図７は、インジェクタ１６の噴孔から噴霧が噴射された様子を示した図であり、式１中の各パラメータの一部を示している。式１において、ρｆは燃料密度、ρａは筒内のガス密度（空気密度）、ｄ（図７参照）は噴孔径、ｗ０は初期噴霧速度（噴孔の位置における噴霧速度）、θ（図７参照）は噴霧角（噴霧の噴射方向）、ｘ（図７参照）は噴霧位置（噴孔からの距離）を示している。なお、式１は、文献「和栗雄太郎、藤井勝、網谷竜夫、恒屋礼次郎、「ディーゼル機関の噴霧到達距離に関する研究」、機械学会論文集２５−１５６（１９５９年）、ｐ．８２０」を根拠としている。

式１を用いて噴霧速度ｗｆを算出する場合には、先のＳ１１では式１中の各パラメータを取得する。具体的には、メモリ５１には、燃料密度ρｆ、噴孔径ｄ、噴霧角θのそれぞれの値が記憶されており、メモリ５１に記憶された燃料密度ρｆの値、噴孔径ｄの値、噴霧角θの値を取得する。また、ガス密度ρａは、理想気体の状態方程式：ＰＶ＝ｎＲＴ・・・（式２）に基づいて算出する。ここで、式２中のＰは吸気圧（過給圧）であり、Ｔは吸気温である。Ｒは気体定数である。ｎは筒内のガスのモル数である。Ｖは、燃料噴射時における筒内のガスの体積、つまり燃料噴射時における筒内の容積である。ガス体積Ｖは、Ｓ１１で取得した噴射タイミングに基づいて算出することができる。すなわち、噴射タイミングがピストンの上死点に近いほどガス体積（筒内容積）は小さくなり、反対に、噴射タイミングが上死点から離れるほどガス体積は大きくなる。そこで、噴射タイミングとガス体積の関係を予め調べてメモリ５１に記憶しておき、メモリ５１に記憶されたこの関係と今回の噴射タイミングとに基づいてガス体積を求める。

そして、式２を変形すると、ｎ／Ｖ＝Ｐ／ＲＴ・・・（式３）が得られる。式３中のｎ／Ｖがガス密度に相当する。すなわち、モル数ｎを重量に変換して、その重量をガス体積Ｖで割った値がガス密度となる。よって、式３に、吸気圧Ｐ、吸気温Ｔ及びガス体積Ｖを代入することで、ガス密度が得られる。

また、初期噴霧速度ｗ０は以下の式４により得られる。

式４はオリフィスの流量式であり、式４中のｃは流量係数、Ｐｃは噴射圧、Ｐｃｙｌは筒内圧（筒内の圧力）、ρｆは燃料密度である。噴射圧ＰｃはＳ１１で取得しており、流量係数ｃ及び燃料密度ρｆはメモリ５１に予め記憶された一定値を用いればよい。また、筒内圧Ｐｃｙｌは、ガスが断熱圧縮された時の圧力Ｐと体積Ｖの関係をあらわすポアソンの法則：ＰＶ^γ＝ｃｏｎｓｔ（γは比熱比）に基づいて算出することができる。

具体的には、エンジン１０の圧縮行程開始時（吸気行程終了時）の筒内の圧力をＰ１、体積をＶ１とし、燃料噴射時（燃焼時）の筒内の圧力をＰ２、体積をＶ２とすると、ポアソンの法則により、Ｐ１・Ｖ１^γ＝Ｐ２・Ｖ２^γ・・・（式５）が成立する。式５を変形すると、Ｐ２＝Ｐ１・（Ｖ１／Ｖ２）^γ・・・（式６）となる。この式６に、圧縮行程開始時の圧力Ｐ１、体積Ｖ１、燃料噴射時の体積Ｖ２及び比熱比γを代入することで、筒内圧Ｐ２（式４の筒内圧Ｐｃｙｌ）を求めることができる。なお、圧力Ｐ１は、吸気圧センサ５６が検出した吸気圧を用いれば良い。また、体積Ｖ１は、ピストンが最も下の位置にあるときの筒内の容積であって、予め定められた値を用いれば良い。体積Ｖ２は、上述のガス密度の算出で説明したように、噴射タイミングに基づいて求めることができる。比熱比γは、予め定められた値を用いれば良い。なお、筒内に筒内圧センサを設け、この筒内圧センサの検出値を筒内圧Ｐｃｙｌとして取得しても良い。

式１に示すように、噴霧速度ｗｆは、初期噴霧速度ｗ０が大きいほど大きい値となる。また、噴霧速度ｗｆは、ガス密度ρａが高いほど小さい値となる。つまり、高噴射圧（初期噴霧速度が大）、低ガス密度の状態では噴霧速度（燃焼領域）は大きくなり、反対に、低噴射圧（初期噴霧速度が小）、高ガス密度の状態では噴霧速度（燃焼領域）は小さくなる。

式１に、噴霧位置ｘ以外のパラメータを代入すると、噴霧位置ｘを変数とした噴霧速度の式が得られる。この式に各噴霧位置ｘの値を代入すると、噴霧位置ｘごとの噴霧速度が得られる。図８は、噴霧速度から燃焼領域を推定する様子を示した図であり、インジェクタ１６から噴射された燃料噴霧によって形成された燃焼領域１７を示している。図８には、式１から得られた各噴霧位置ｘにおける噴霧速度を、ｘ軸（噴霧位置ｘの軸）上のベクトル（矢印）であらわしている。

式１は、筒内の気流が無い場合における噴霧速度をあらわしており、気流を考慮した燃焼領域を推定するために、以下の式７により、各噴霧位置ｘにおける気流速度ｗｓを算出する。式７において、ＮＥはエンジン回転数、ＳＲはスワール比である。エンジン回転数ＮＥ及びスワール比ＳＲはＳ１１で取得している。

式７に示すように、噴霧位置ｘが大きいほど（筒内の外周側に近いほど）気流速度が大きくなる。図８には、式７で求めた各噴霧位置ｘにおける気流速度を気流の流れ方向（噴霧位置ｘの軸に直交する方向）のベクトルであらわしている。これら各噴霧位置ｘにおける噴霧速度及び気流速度から、インジェクタ１６から噴射された燃料噴霧がどのように筒内を進行していくかが推定でき、つまり燃焼領域１７を推定できる。

マップにより又は噴霧速度及び気流速度により推定された燃焼領域（推定燃焼領域）は、図２で説明したように噴霧速度が大きいほど大きくなり、図３で説明したように噴射期間が長いほど大きくなる。また、噴射量は噴射期間に相関し、具体的には噴射量が多くなるほど噴射期間が長くなる。そのため、推定燃焼領域は、噴射量が多いほど大きくなる。また、噴射圧が大きいほど噴霧速度が大きくなるので（式１、式４参照）、推定燃焼領域は噴射圧が大きいほど大きくなる。また、筒内のガス密度が低いほど噴霧速度が大きくなるので（式１参照）、推定燃焼領域はガス密度が低いほど大きくなる。なお、Ｓ１２の処理を実行するＥＣＵ５０が本発明の「推定手段」に相当する。

次に、Ｓ１２で推定した燃焼領域における燃料噴霧同士が干渉している領域の大きさである干渉量を算出する（Ｓ１３）。図２、図３の右下図では、斜線ハッチングの領域の大きさが、Ｓ１３で算出する干渉量に相当する。なお、図２、図３の左上図などでは、他の条件時の燃焼領域との違いを分かりやすくするために燃焼領域間の干渉が無いように図示しているが、実際は、どのような条件であっても燃焼領域は少なからず干渉している。そのため、Ｓ１３で算出する干渉量はゼロ以上の値となる。なお、Ｓ１３の処理を実行するＥＣＵ５０が本発明の「干渉量算出手段」に相当する。

次に、推定燃焼領域（Ｓ１３で算出した干渉量）が大きいか小さいかを判定するための閾値を設定する（Ｓ１４）。この閾値は、具体的には、熱効率が最適となる燃焼領域を目標燃焼領域に設定したとき、この目標燃焼領域における燃料噴霧同士が干渉している領域の大きさ（干渉量）を示す値である。

図９は、この閾値設定の考え方を説明する図であり、詳細には、筒内のＯ２濃度（吸気Ｏ２濃度）が小さいときと大きいときのそれぞれで、気流の強さが変化すると燃焼速度（等容度）がどのように変化するかを示した図である。図９に示すように、気流を弱い状態から強くなるにしたがって途中までは燃焼速度は次第に増加していく。これは、気流を強くすると燃焼領域が拡大するためである。しかし、気流をさらに強くしていくと、燃焼速度は低下していく。これは、図２、図３の右下図で説明したように、燃焼領域が大きい状態からさらに気流を強くすると、燃焼領域（燃料噴霧同士）の干渉が大きくなって、燃焼領域が拡大することによる燃焼改善よりも干渉領域が大きくなることによる燃焼悪化のほうが大きくなるためである。

また、Ｏ２濃度の大小によって、燃焼速度の増加傾向から低下傾向に切り替わる気流強さ（等容度が最高となる気流強さ）が変わり、具体的には、Ｏ２濃度が大きいときには、小さいときに比べて、燃焼速度の増加傾向から低下傾向に切り替わる気流強さが大きくなる。これは、筒内のＯ２濃度が大きければ、燃焼領域の干渉がある程度大きかったとしても、干渉領域において各燃料噴霧を燃焼させる十分なＯ２量があることにより、燃焼悪化にならないためである。言い換えると、筒内のＯ２濃度が小さければ、燃焼領域の干渉が大きくなると、干渉領域において燃料噴霧の量に対してＯ２量が足りない状態となり、結果、Ｏ２濃度が大きいときに比べて燃焼速度の増加傾向から低下傾向に切り替わる気流強さが小さくなる。

つまり、図９の横軸を燃焼領域の干渉量に置き換えたときに、筒内のＯ２濃度が大きいときには、小さいときに比べて、最適な燃焼速度となる干渉量、つまり閾値が大きくなる。そこで、Ｓ１４では、図１０に示すように、筒内のＯ２濃度と閾値（目標燃焼領域の干渉量）の関係を予め調べてメモリ５１に記憶しておく。図１０の関係では、Ｏ２濃度が大きくなるほど閾値が大きくなっている。そして、メモリ５１に記憶された図１０の関係とＳ１１で取得した吸気Ｏ２濃度とに基づいて、閾値を設定する。なお、Ｓ１４の処理を実行するＥＣＵ５０が本発明の「閾値設定手段」に相当する。

次に、Ｓ１３で算出した推定燃焼領域の干渉量がＳ１４で設定した閾値より小さいか否かを判断する（Ｓ１５）。推定燃焼領域の干渉量が閾値より小さい場合には（Ｓ１５：Ｙｅｓ）、ＳＣＶ４１の開度を小さくして、気流を強くする（Ｓ１６）。ここで、図１１は、気流の強さ（ＳＣＶ４１の開度）をどの程度変更するのかを説明する図であり、詳細には、気流の強さ（ＳＣＶ４１の開度）と燃焼領域の干渉量の関係を示している。図１１の関係では、気流が強くなるほど干渉量が大きくなっている。

Ｓ１６では、気流を強くした後の燃焼領域の干渉量が目標燃焼領域の干渉量（閾値）となるように、ＳＣＶ４１の開度を調整する。すなわち、Ｓ１３で算出した推定燃焼領域の干渉量がＸ１であったとすると、閾値とその干渉量Ｘ１の差分（乖離）を相殺する気流強さＹ１（図１１参照）だけ気流が強くなるように、ＳＣＶ４１の開度を調整する。そのために、図１１に例示する関係を予め調べてメモリ５１に記憶しておく。そして、Ｓ１６又は後述するＳ１８では、メモリ５１に記憶されたこの関係に基づいて、気流の強さの変更量を設定すれば良い。Ｓ１６で気流を強くすることで、燃焼領域を目標燃焼領域まで拡大できる。図２、図３で説明すると、Ｓ１６で気流を強くすることにより、例えば左上図の状態から左下図の状態まで燃焼領域を拡大できる。これによって、熱効率を向上できる。Ｓ１６の後、図６のフローチャートの処理を終了する。

Ｓ１５において、推定燃焼領域の干渉量が閾値より小さくない場合、つまり干渉量が閾値より大きい又は閾値と一致する場合には（Ｓ１５：Ｎｏ）、次に、推定燃焼領域の干渉量が閾値より大きいか否かを判断する（Ｓ１７）。大きい場合には（Ｓ１７：Ｙｅｓ）、ＳＣＶ４１の開度を大きくして、気流を弱くする（Ｓ１８）。具体的には、気流を弱くした後の燃焼領域の干渉量が目標燃焼領域の干渉量（閾値）となるように、ＳＣＶ４１の開度を調整する。すなわち、図１１に示すように、推定燃焼領域の干渉量がＸ２であったとすると、閾値とその干渉量Ｘ２の差分を相殺する気流強さＹ２だけ気流が弱くなるように、ＳＣＶ４１の開度を調整する。これによって、燃焼領域の干渉量を目標燃焼領域の干渉量まで低減できる。図２、図３で説明すると、例えば右下図の状態から右上図の状態まで干渉量を低減できる。これによって、熱効率を向上できる。Ｓ１８の後、図６のフローチャートの処理を終了する。なお、Ｓ１３〜Ｓ１５及びＳ１７の処理を実行するＥＣＵ５０が本発明の「判定手段」に相当する。

一方、Ｓ１７において、推定燃焼領域の干渉量が閾値と一致する場合には（Ｓ１７：Ｎｏ）、気流強さを現状維持する（Ｓ１９）。これによって、燃焼領域を目標燃焼領域に維持でき、気流強さの変更により燃焼が悪化してしまうのを回避できる。Ｓ１９の後、図６のフローチャートの処理を終了する。なお、Ｓ１６、Ｓ１８及びＳ１９の処理を実行するＥＣＵ５０及びＳＣＶ４１が本発明の「調整手段」に相当する。

このように、Ｓ１６、Ｓ１８では、推定燃焼領域の干渉量が閾値となるように気流を制御するが、推定燃焼領域や目標燃焼領域は、Ｓ１１やＳ１２で取得したパラメータ（燃料噴霧の状態、筒内のガスの状態）に応じて変化するので、Ｓ１６、Ｓ１８の気流制御はこのパラメータに応じて気流を制御することに相当する。具体的には、例えば図１２〜図１７のように、気流の強さを制御することを意味する。ここで、図１２は噴霧速度と気流強さの関係を示している。図１３は噴射圧と気流強さの関係を示している。図１４は噴射期間と気流強さの関係を示している。図１５は噴射量と気流強さの関係を示している。図１６は筒内のガス密度と気流強さの関係を示している。図１７は筒内のＯ２濃度と気流強さの関係を示している。

例えば噴霧速度に応じて気流の強さを制御する場合には、図１２に示すように、噴霧速度が小さいほど気流を強くする。これは、図２で説明したように、噴霧速度が小さいと燃焼領域が小さくなり、気流を強くすることで燃焼領域が拡大して熱効率が向上するためである。よって、Ｓ１６で気流を強くする場合には噴霧速度が小さいほど気流を強くする量を大きくすることに相当し、Ｓ１８で気流を弱くする場合には噴霧速度が大きいほど気流を弱くする量を大きくすることに相当する。

また例えば噴射圧に応じて気流の強さを制御する場合には、図１３に示すように、噴射圧が小さいほど気流を強くする。これは、上記式１、式４より、噴射圧が小さいほど噴霧速度が小さくなるためである。よって、Ｓ１６で気流を強くする場合には噴射圧が小さいほど気流を強くする量を大きくすることに相当し、Ｓ１８で気流を弱くする場合には噴射圧が大きいほど気流を弱くする量を大きくすることに相当する。

また例えば噴射期間に応じて気流の強さを制御する場合には、図１４に示すように、噴射期間が短いほど気流を強くする。これは、図３で説明したように、噴射期間が短いと燃焼領域が小さくなり、気流を強くすることで燃焼領域が拡大して熱効率が向上するためである。よって、Ｓ１６で気流を強くする場合には噴射期間が短いほど気流を強くする量を大きくすることに相当し、Ｓ１８で気流を弱くする場合には噴射期間が長いほど気流を弱くする量を大きくすることに相当する。

また例えば噴射量に応じて気流の強さを制御する場合には、図１５に示すように、噴射量が少ないほど気流を強くする。これは、噴射量が少ないほど噴射期間が短くなるためである。よって、Ｓ１６で気流を強くする場合には噴射量が少ないほど気流を強くする量を大きくすることに相当し、Ｓ１８で気流を弱くする場合には噴射量が多いほど気流を弱くする量を大きくすることに相当する。

また例えば筒内のガス密度に応じて気流の強さを制御する場合には、図１６に示すように、ガス密度が高いほど気流を強くする。これは、上記式１により、ガス密度が高いほど噴霧速度が小さくなるためである。よって、Ｓ１６で気流を強くする場合にはガス密度が高いほど気流を強くする量を大きくすることに相当し、Ｓ１８で気流を弱くする場合にはガス密度が低いほど気流を弱くする量を大きくすることに相当する。

また例えば筒内のＯ２濃度に応じて気流の強さを制御する場合には、図１７に示すように、Ｏ２濃度が高いほど気流を強くする。これは、図９、図１０で説明したように、Ｏ２濃度が高いほど、目標燃焼領域の干渉量（閾値）が大きくなり、その干渉量にするためには気流を強くして燃焼領域を拡大させる必要があるためである。よって、Ｓ１６で気流を強くする場合にはＯ２濃度が高いほど気流を強くする量を大きくすることに相当し、Ｓ１８で気流を弱くする場合にはＯ２濃度が低いほど気流を弱くする量を大きくすることに相当する。

このように、Ｓ１６、Ｓ１８では、図１１の関係に代えて、図１２〜図１７の各パラメータと気流強さの関係に基づいて気流の強さを調整しても良く、これによっても燃焼領域を目標燃焼領域にすることができ、熱効率を向上できる。

以上説明したように、本実施形態によれば、推定燃焼領域と目標燃焼領域（閾値）の比較に基づいて気流の強さを調整するので、燃料噴霧とガスとの混合を良好にでき、燃焼速度を向上できる。よって、ピストンが上死点付近の位置にあるときに短時間で燃焼させることができ、等容度（熱効率）を向上できる。また、本実施形態では、気流調整後の燃焼領域が目標燃焼領域となるように気流の強さを調整するので、より一層、熱効率を向上できる。また、本実施形態では、推定燃焼領域の干渉量と、目標燃焼領域の干渉量とを算出して、それらを比較するので、推定燃焼領域と目標燃焼領域の大小を容易に評価できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲の記載を逸脱しない限度で種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、ＳＣＶにより気流（スワール流）の強弱を調整していたが、他の方法によりスワール流の強弱を調整しても良い。具体的には例えば吸気バルブ１４の開閉タイミングや開度を、スワール生成ポート１２とタンブル生成ポート１３の間で異ならせることで、スワール流の強弱を調整しても良い。例えば、タンブル生成ポート１３の吸気バルブ１４の開度を、スワール生成ポート１２の吸気バルブ１４の開度より小さくするなどで、スワール流を強くすることができる。吸気バルブ１４でスワール流の強弱を調整することで、ＳＣＶを省略できる。また、特許文献１のようにスワール生成ポート（主ポート）の終端部近くに角度を持って接続された副ポートを配置し、この副ポートからの流量を調整することでスワール流の強弱を調整しても良い。

また、上記実施形態では、気流の強弱を決定するために、推定燃焼領域の干渉量と閾値とを比較していたが、推定燃焼量と、目標燃焼領域の大小を直接比較をしても良い。具体的には、図６のＳ１１で取得した燃焼条件の場合における熱効率が最適となる燃焼領域を目標燃焼領域として設定する。そして、その目標燃焼領域と、Ｓ１２で推定した推定燃焼領域の大小（例えば面積の大小）を比較する。そして、推定燃焼領域が目標燃焼領域より小さい場合には気流を強くし、推定燃焼領域が目標燃焼領域より大きい場合には気流を弱くし、推定燃焼領域と目標燃焼領域とが一致する場合には気流の強さを維持する。これによっても、熱効率を向上できる。

また、上記実施形態では、スワール生成ポートとタンブル生成ポートの両方を備えたシステムに本発明を適用した例を説明したが、スワール生成ポートのみが設けられたシステムや、通常の吸気ポート（スワール流、タンブル流として吸入しない吸気ポート）が設けられたシステムに本発明を適用しても良い。

また、上記実施形態では、推定燃焼領域の干渉量と閾値の乖離の程度に応じて気流の強さ（ＳＣＶの開度）の変更量を変化させていたが、その乖離の程度にかかわらずその変更量を一定としても良い。これによっても、気流調整後の燃焼領域を目標燃焼領域に近づけることができ、熱効率を向上できる。

１エンジンシステム
１０ディーゼルエンジン（内燃機関）
１１気筒
４１スワールコントロールバルブ
５０ＥＣＵ

Claims

筒内に燃料を噴射してその燃料噴霧を燃焼させることで動力を生成する内燃機関（１０）の前記筒内の気流の強さを調整する調整手段（４１、５０）と、
前記筒内のガスの状態及び燃料噴霧の状態を取得する取得手段（Ｓ１１）と、
前記取得手段が取得した前記ガスの状態及び前記燃料噴霧の状態に基づいて燃料噴霧の燃焼領域を推定する推定手段（Ｓ１２）と、
前記推定手段が推定した前記燃焼領域である推定燃焼領域が目標燃焼領域に対して小さいか大きいかを判定する判定手段（Ｓ１３〜Ｓ１５、Ｓ１７）とを備え、
前記調整手段（Ｓ１６、Ｓ１８）は、前記判定手段により前記推定燃焼領域が前記目標燃焼領域より小さいと判定された場合には前記筒内の気流を強くし、前記推定燃焼領域が前記目標燃焼領域より大きいと判定された場合には前記筒内の気流を弱くし、
前記判定手段は、前記推定燃焼領域における燃料噴霧同士が干渉している領域の大きさである干渉量を算出する干渉量算出手段（Ｓ１３）を含み、
前記判定手段（Ｓ１５、Ｓ１７）は、前記干渉量算出手段が算出した前記干渉量が、前記目標燃焼領域における燃料噴霧同士が干渉している領域の大きさである閾値より小さいか大きいかを判定し、
前記調整手段は、前記干渉量が前記閾値より小さい場合には前記筒内の気流を強くし、前記干渉量が前記閾値より大きい場合には前記筒内の気流を弱くし、
前記取得手段は、前記ガスの状態として前記筒内のＯ２濃度を取得し、
前記判定手段は、前記取得手段が取得した前記Ｏ２濃度が高いほど大きい前記閾値を設定する閾値設定手段（Ｓ１４）を備えることを特徴とする内燃機関の気流制御装置。
前記推定手段は、前記ガスの状態及び前記燃料噴霧の状態に基づいて燃料の噴霧速度を算出し、その噴霧速度が大きいほど大きい燃焼領域を推定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の気流制御装置。
前記取得手段は、前記燃料噴霧の状態として燃料の噴射期間を取得し、
前記推定手段は、前記取得手段が取得した前記噴射期間が長いほど大きい燃焼領域を推定することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の気流制御装置。
前記調整手段は、前記推定燃焼領域と前記目標燃焼領域の乖離の程度が大きいほど、前記筒内の気流を強くし又は弱くする際の気流強さの変更量を大きくすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の気流制御装置。
前記調整手段は、前記筒内の気流を強くし又は弱くする際の気流強さを、前記取得手段が取得した前記ガスの状態又は前記燃料噴霧の状態に基づいて設定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の気流制御装置。
前記調整手段（Ｓ１９）は、前記推定燃焼領域が前記目標燃焼領域に一致する場合には気流の強さを維持することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の気流制御装置。
前記調整手段は、前記筒内に生じるスワール流の強さを調整することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関の気流制御装置。