JP6838654B2 - ディーゼルエンジンの燃料噴射制御方法及び燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、１回の燃焼行程中に複数回の燃料噴射を行って気筒内に複数回の燃焼を生じさせるディーゼルエンジンの燃料噴射制御方法及び燃料噴射制御装置に関する。

従来から、ディーゼルエンジンの騒音（特にエンジンのノッキングに起因する騒音であり、以下では単に「ノック音」と呼ぶ。）を低減する種々の試みがなされている。例えば、特許文献１には、複数回の燃料噴射のそれぞれによって生じる燃焼圧力波の間の発生時間差の目標値として、燃焼圧力波の干渉によって高周波領域の圧力レベルを低減できる時間差を算出し、この目標値に基づいて、複数回行う燃料噴射の間隔を制御する技術が開示されている。この技術では、燃料噴射の間隔を制御することにより、特定の周波数域（２．８〜３．５ｋＨｚ）を狙って筒内圧の周波数成分を低減することで、ノック音の低減を図っている。なお、「燃焼圧力波」は、エンジン内の燃焼により筒内圧が急激に上昇することで発生する圧力波であり、筒内圧の波形を時間微分したものに相当する。

ところで、エンジンから発生するノック音は、エンジンの構造系の伝達特性、特にエンジンの構造系の共振周波数に応じた特性を有するものとなる。具体的には、エンジンの構造系が有する共振周波数が含まれる周波数帯域（エンジンの主要な伝達経路上にある部品の共振が組み合わされることで、ある程度の幅を持つ周波数帯域となる。以下では、そのような共振周波数に関する帯域を「共振周波数帯域」と呼ぶ。）において、ノック音が大きくなる傾向にある。一般的に、エンジンの構造系の共振周波数帯域は複数存在するが、上記した特許文献１に記載された技術では、２．８〜３．５ｋＨｚの特定の周波数帯域についてのノック音しか低減することができず、そのようなエンジンの構造系が有する複数の共振周波数帯域に対応するノック音のそれぞれを適切に低減することができなかった。

ここで、ノック音は、上記したエンジンの構造系の共振に加えて、燃焼加振力に相当する筒内圧レベル（一般的に「ＣＰＬ（Cylinder Pressure Level）」と呼ばれるものであり、燃焼加振力指標で筒内圧波形をフーリエ変換した高周波エネルギーを示す。以下では単に「ＣＰＬ」と表記する。）に応じた特性になる。このＣＰＬは、気筒内での燃焼の態様を指し示す熱発生率に応じたものとなるが、この熱発生率の波形は、温度や圧力などの環境条件の影響を受けて変化し、ノック音が、そのような熱発生率の波形の形態の影響を受ける。そのため、ノック音を適切に低減するためには、温度や圧力などの環境条件の影響を反映した、熱発生率が最大（ピーク）となるタイミングに基づいて、複数回行う燃料噴射の間隔を設定するのが望ましい。

このような点に着目して、エンジンの構造系の共振周波数に対応するノック音を低減することを図った技術が、例えば特許文献２に開示されている。特許文献２に開示された技術では、複数回行う燃料噴射の間隔を制御して、複数回の燃焼によって生じた燃焼圧力波の周波数特性を示す波形の谷の部分が、エンジンの構造系が有する複数の共振周波数帯域のそれぞれの範囲内に含まれるようにすることで、エンジンの構造系の複数の共振周波数帯域のそれぞれに対応するノック音を低減している。

なお、以下では、上記の特許文献２に開示されたような、エンジンの特定の周波数（典型的には構造系の共振周波数）に対応するノック音を低減するように行われる燃料噴射制御を、適宜「周波数コントロール」と呼ぶ。

特開２０１２−３６７９８号公報 特開２０１６−２１７２１５号公報

ディーゼルエンジンの中負荷域では、共振周波数帯域の燃焼音が特に伝達しやすい。上述したような周波数コントロールによれば、共振周波数成分など複数の周波数帯域に対応するノック音を低減することができる。よって、周波数コントロールによれば、中負荷域でのノック音を低減することができると言える。一方で、ディーゼルエンジンの低負荷域では、機械騒音や走行騒音や吸排気音などに比して燃焼音のレベルが大きくなるため、ノック音が目立つようになる。そのため、この低負荷域では、ノック音低減のために燃焼音自体のレベルを低減する必要があるが、周波数コントロールでは、燃焼音自体のレベルを低減するには不十分である。よって、周波数コントロールでは、低負荷域でのノック音を適切に低減することは困難である。以上のことから、低負荷域と中負荷域とで異なる手法にてノック音を低減するようにすることが望ましいと言える。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、エンジン負荷によらずにノック音を適切に低減することができるディーゼルエンジンの燃料噴射制御方法及び燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明は、１回の燃焼行程中に複数回の燃料噴射を行って気筒内に複数回の燃焼を生じさせるディーゼルエンジンの燃料噴射制御方法であって、圧縮行程後にメイン噴射を行うと共に、このメイン噴射の前に複数回の前段噴射を行うステップと、ディーゼルエンジンの負荷が、運転領域を低負荷域と中負荷域とに区分けするための所定負荷未満である場合に、ディーゼルエンジンの負荷が所定負荷以上である場合よりも、メイン噴射の噴射量に対する、複数回の前段噴射のうちで最大の噴射量の比率を小さくするステップと、ディーゼルエンジンの負荷が所定負荷未満である場合に、ディーゼルエンジンの負荷が所定負荷以上である場合よりも、メイン噴射と当該メイン噴射の直前の前段噴射との噴射間隔を小さくするステップと、を有し、ディーゼルエンジンの負荷が所定負荷未満である場合に、複数回の前段噴射における噴射量を段階的に増加させるステップを更に有する、ことを特徴とする。

このように構成された本発明では、複数回の前段噴射及びメイン噴射を含む燃料噴射を行う場合に、エンジン負荷が所定負荷未満である場合に所定負荷以上である場合よりも、メイン噴射の噴射量に対する、複数回の前段噴射のうちで最大の噴射量の比率を小さくし、且つ、エンジン負荷が所定負荷未満である場合にエンジン負荷が所定負荷以上である場合よりも、メイン噴射と当該メイン噴射の直前の前段噴射との噴射間隔を小さくする。これにより、エンジン負荷によらずにノック音を適切に低減することができる。

具体的には、エンジン負荷が所定負荷未満である場合、つまり低負荷域では、メイン噴射直前のタイミングで前段噴射を行うことで、メイン燃焼開始時の筒内熱量ひいては筒内圧力を高めて、メイン燃焼による最大筒内圧に至るまでの筒内圧力の傾きを緩やかにすることができる。よって、特にノック音の高周波成分を減少することができる。その結果、機械騒音や走行騒音や吸排気音などに比して燃焼音のレベルが大きくなる低負荷域において、ノック音を適切に低減することができる。

他方で、エンジン負荷が所定負荷以上である場合、つまり中負荷域では、メイン噴射からある程度離れたタイミングで前段噴射を行うと共に、メイン噴射量に対する比率が比較的大きい噴射量を有する前段噴射を行うことで、共振周波数成分など複数の周波数帯域に対応するノック音を低減することができる。その結果、共振周波数帯域の燃焼音が特に伝達しやすい中負荷域において、ノック音を適切に低減することができる。

また、本発明によれば、ディーゼルエンジンの負荷が所定負荷未満である場合に、複数回の前段噴射における噴射量を段階的に増加させるので、より効果的に、前段噴射によって熱発生率をメイン噴射に向けて連続的に増加させることができる。

また、本発明において、好ましくは、ディーゼルエンジンの負荷が所定負荷未満である場合に、複数回の前段噴射における噴射間隔に対応するクランク角を段階的に減少させるステップを更に有する。
このように構成された本発明によれば、エンジン負荷が所定負荷未満である場合に、複数回の前段噴射を適切な噴射間隔にて実行することで、より効果的に、前段噴射によってメイン噴射に向けて連続して熱発生させることができる。

また、本発明において、好ましくは、ディーゼルエンジンの負荷が所定負荷未満である場合に、ディーゼルエンジンの負荷が所定負荷以上である場合よりも、前段噴射を行う回数を多くするステップを更に有する。
このように構成された本発明によれば、エンジン負荷が所定負荷未満である場合に、より効果的に、前段噴射によってメイン噴射に向けて連続して熱発生させることができる。

また、本発明において、好ましくは、所定負荷は、エンジン回転数に応じて定められるのがよい。

他の観点では、本発明は、１回の燃焼行程中に複数回の燃料噴射を行って気筒内に複数回の燃焼を生じさせるディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置であって、気筒内に燃料を噴射する燃料供給装置と、燃料供給装置を制御する制御器と、を有し、制御器は、圧縮行程後にメイン噴射を行うと共に、このメイン噴射の前に複数回の前段噴射を行い、ディーゼルエンジンの負荷が、運転領域を低負荷域と中負荷域とに区分けするための所定負荷未満である場合に、ディーゼルエンジンの負荷が所定負荷以上である場合よりも、メイン噴射の噴射量に対する、複数回の前段噴射のうちで最大の噴射量の比率を小さくし、ディーゼルエンジンの負荷が所定負荷未満である場合に、ディーゼルエンジンの負荷が所定負荷以上である場合よりも、メイン噴射と当該メイン噴射の直前の前段噴射との噴射間隔を小さくする、ように燃料供給装置を制御し、制御器は、ディーゼルエンジンの負荷が所定負荷未満である場合に、複数回の前段噴射における噴射量を段階的に増加させるように、燃料供給装置を制御する、ことを特徴とする。
このように構成された本発明によっても、エンジン負荷によらずにノック音を適切に低減することができる。つまり、低負荷域及び中負荷域の両方において、ノック音を適切に低減することができる。

また、本発明によれば、制御器は、ディーゼルエンジンの負荷が所定負荷未満である場合に、複数回の前段噴射における噴射量を段階的に増加させるので、より効果的に、前段噴射によって熱発生率をメイン噴射に向けて連続的に増加させることができる。

また、本発明において、好ましくは、制御器は、ディーゼルエンジンの負荷が所定負荷未満である場合に、複数回の前段噴射における噴射間隔に対応するクランク角を段階的に減少させるように、燃料供給装置を制御する。
このように構成された本発明によれば、エンジン負荷が所定負荷未満である場合に、複数回の前段噴射を適切な噴射間隔にて実行することで、より効果的に、前段噴射によってメイン噴射に向けて連続して熱発生させることができる。

また、本発明において、好ましくは、制御器は、ディーゼルエンジンの負荷が所定負荷未満である場合に、ディーゼルエンジンの負荷が所定負荷以上である場合よりも、前段噴射を行う回数を多くするように、燃料供給装置を制御する。
このように構成された本発明によれば、エンジン負荷が所定負荷未満である場合に、より効果的に、前段噴射によってメイン噴射に向けて連続して熱発生させることができる。

また、本発明において、好ましくは、所定負荷は、エンジン回転数に応じて定められるのがよい。

本発明に係るディーゼルエンジンの燃料噴射制御方法及び燃料噴射制御装置によれば、エンジン負荷によらずにノック音を適切に低減することができる。

本発明の実施形態によるディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置が適用されたディーゼルエンジンシステムの全体構成を示す概略図である。 本発明の実施形態によるディーゼルエンジンの制御系統を示すブロック図である。 本発明の実施形態において適用する代表的な燃料噴射パターンを示すタイムチャートである。 実走シーンから得られたノック音の差異が大きい２つの走行シーンでの熱発生率及びＣＰＬを示すグラフである。 全負荷領域での燃焼を部分負荷領域にて再現したときのシミュレーション結果である。 全負荷領域での燃焼を部分負荷領域にて再現した燃焼波形と、熱発生の傾きが最小である燃焼波形とを比較したシミュレーション結果である。 導出した理想の燃焼波形のシミュレーション結果である。 エンジン負荷と着火遅れ期間との関係を示すグラフである。 部分負荷領域と全負荷領域での燃料噴射パターン例を示す模式図である。 部分負荷領域において噴射回数を増加した燃料噴射パターン例を示す模式図である。 部分負荷領域において噴射回数を増加したときの燃焼を説明するための概念図である。 部分負荷領域において噴射回数を増加したときの着火遅れ期間を示すグラフである。 部分負荷領域において適用する燃料噴射パターン例を示す模式図である。 ７段基準噴射パターンを適用した場合の燃焼波形を示すグラフである。 ７段基準噴射パターンを適用した場合のＣＰＬ及びスモーク量を示すグラフである。 第１及び第２の７段改良噴射パターンを適用した場合の燃焼波形を示すグラフである。 第１及び第２の７段改良噴射パターンを適用した場合のＣＰＬ及びスモーク量を示すグラフである。 ＣＰＬ及びスモーク量のメカニズムを解明するために行う、多段噴射の感度調整方法についての説明図である。 部分負荷領域において多段噴射の各燃料噴射の感度調査結果を示すグラフである。 ＣＰＬ及びスモーク量のメカニズムに基づくキャリブレーションにより得られた、燃料噴射パターンによる燃焼波形を示すグラフである。 部分負荷領域において６段改良噴射パターンを適用した場合の各種結果を示すグラフである。 本発明の実施形態において、ノック音低減のための制御を切り替えるエンジンの運転領域についての説明図である。 本発明の実施形態において、図２２に示す各運転領域ごとに適用する燃料噴射パターン例を示す模式図である。 本発明の実施形態において領域Ｒ３１で適用する燃料噴射パターン例を示す模式図である。 本発明の実施形態による燃料噴射制御処理を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるディーゼルエンジンの燃料噴射制御方法及び燃料噴射制御装置について説明する。

＜装置構成＞
図１は、本発明の実施形態によるディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置が適用されたディーゼルエンジンシステムの全体構成を示す概略図である。

図１に示す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。具体的には、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で生成された排気ガスを排出するための排気通路４０と、排気通路４０を通過する排気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を通過する排気ガスにより駆動されるターボ過給機６０と、を有する。

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６１ａ、６２ａ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６２ｂ、６１ｂ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、排気エネルギーが低い低回転域から高回転域まで全域で効率よく高過給を得られる２段過給システムとして構成されている。即ち、ターボ過給機６０は、高回転域において多量の空気を過給するための大型ターボチャージャー６１と、低い排気エネルギーでも効率よく過給を行える小型ターボチャージャー６２とを備えており、エンジンの運転状態（エンジン回転数及び負荷）に応じて大型ターボチャージャー６１と小型ターボチャージャー６２による過給を切り替える。このターボ過給機６０のタービン６１ｂ、６２ｂが、排気通路４０を流れる排気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６１ａ、６２ａ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６１ａ、６２ａ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は全開若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、排気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及び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、排気ガスを吸気側に還流するためのものである。ＥＧＲ装置５０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ＥＧＲ通路５０ａと、このＥＧＲ通路５０ａを開閉するＥＧＲバルブ５０ｂ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気ガス（高圧ＥＧＲガス）を吸気側に還流させる。

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、シリンダに往復運動（上下動）可能に収容されたピストン４と、ピストン４の冠面と対向する側からシリンダの端面（上面）を覆うように設けられたシリンダヘッド５と、潤滑油を貯留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シャフト７とコンロッド（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、燃料供給装置としてのインジェクタ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が往復運動して、クランクシャフト７が中心軸回りに回転するようになっている。また、ピストン４には、コンロッド８の伸縮共振を抑制する動吸振器が設けられている。この動吸振器については後述する。

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に導入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側の先端部が、ピストン４の冠面に設けられた凹部としてのキャビティ（不図示）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側の蓄圧室（不図示）と接続されている。蓄圧室内には、燃料ポンプ（不図示）により加圧された高圧の燃料が貯蔵されており、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内に燃焼を噴射する。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調整するための燃圧レギュレータ（不図示）が設けられている。

次に、図２を参照して、本実施形態によるディーゼルエンジンの制御系統について説明する。図２は、本実施形態によるディーゼルエンジンの制御系統を示すブロック図である。図２に示すように、本実施形態による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によって総括的に制御される。ＰＣＭ７０は、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、クランクシャフト７の回転角度（クランク角）及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、クランクシャフト７と一体に回転するクランクプレート（不図示）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、クランクシャフト７の回転角度及び回転速度（つまりエンジン回転数）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とコンプレッサ６１ａ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センサＳＮ２が設けられている。

サージタンク３７には、当該サージタンク３７内のガス、つまり各気筒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、当該エンジン本体１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。また、大気圧を検出する大気圧センサＳＮ６が設けられている。

ＰＣＭ７０は、上記した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。例えば、ＰＣＭ７０は、インジェクタ２０や、スロットルバルブ３６や、ＥＧＲバルブ５０ｂや、燃圧レギュレータなどを制御する。本実施形態では、図２に示すように、ＰＣＭ７０は、主に、インジェクタ２０を制御して、気筒２に供給する燃料に関する制御（燃料噴射制御）を行う。なお、ＰＣＭ７０は、本発明における「ディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置」に相当し、本発明における「制御器」として機能する。

ここで、図３を参照して、本実施形態においてＰＣＭ７０が行う燃料噴射制御の基本概念について説明する。図３は、本実施形態において適用する代表的な燃料噴射パターンを示すタイムチャートである。

本実施形態では、図３に示すように、ＰＣＭ７０は、１回の燃焼行程中に複数回の燃料噴射（多段噴射）を行って気筒内に複数回の燃焼を生じさせるようにする。具体的には、ＰＣＭ７０は、比較的早期にパイロット噴射を実施し、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と次の噴射であるプレ噴射との実施によって、メイン噴射された燃料が燃焼する直前、つまり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。加えて、ＰＣＭ７０は、燃焼室９内に生じた煤を燃焼させるように、メイン噴射の後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アフター噴射を実施する。

図３では、１回のパイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射及びアフター噴射を示しているが、これらの少なくとも１以上の燃料噴射（典型的にはプレ噴射）を２回以上行ってもよいし、これらの少なくとも１以上の燃料噴射（典型的にはアフター噴射）を行わなくてもよい。

また、ＰＣＭ７０は、エンジンの運転状態に応じた燃料噴射パターンを適用する。つまり、ＰＣＭ７０は、エンジン負荷及びエンジン回転数に応じて、パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射及びアフター噴射を実行するタイミング及び期間や、パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射及びアフター噴射の実行回数や、パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射及びアフター噴射の実行／非実行を変更する。

典型的には、ＰＣＭ７０は、メイン噴射について、ドライバのアクセル開度に応じた要求出力やエンジンの運転状態などに基づいて、メイン噴射の基本的な噴射タイミング（以下では「基準メイン噴射タイミング」と呼ぶ。）を設定する。また、ＰＣＭ７０は、メイン噴射された燃料が燃焼する直前にプレ噴射によって熱発生量の小さい燃焼を生じさせて、メイン噴射された燃料が燃焼しやすい状態を形成するべく、例えば、プレ噴射された燃料噴霧がピストン４の冠面に設けられたキャビティ内に収まり、且つ、キャビティ内に比較的濃い混合気が形成されるようなタイミングとしてプレ噴射の噴射タイミングを設定する。さらに、ＰＣＭ７０は、アフター噴射の前の燃料噴射により燃焼室９内に生じた煤がアフター噴射によって適切に燃焼されるようなタイミングとしてアフター噴射の噴射タイミングを設定する。

＜制御の基本概念＞
次に、図４以降の図面を参照して、本発明の実施形態に係る制御の基本概念について説明する。

上述したように、特許文献２に開示されたような周波数コントロールでは、共振周波数成分など複数の周波数帯域に対応するノック音を低減することはできるが、ノック音のレベルを全体的に低下させるには不十分である。特に、ディーゼルエンジンの低負荷域において、機械騒音や走行騒音や吸排気音などに比して燃焼音のレベルが大きくなるため、ノック音が目立つようになる。この燃焼音のレベルを低下させるために最大燃焼圧力を低下させる方法が考えられるが、この方法だと、スモーク量（すす発生量）の増加、及び、燃費の悪化が生じてしまう。すなわち、基本的には、ノック音とスモーク量とは相反する関係にあり、また、ノック音と燃費とは相反する関係にある。

そこで、本発明者は、スモーク及び燃費を悪化させずにノック音を適切に低減することが可能な理想の燃焼を探索すべく、ＣＰＬからみた理想の燃焼を見付けるための取り組みを行った。まず、本発明者は、実際の走行シーンから、ノック音が小さいシーンとノック音が大きいシーンに着目して、ＣＰＬ低減に繋がる糸口を見付けようとした。その結果、燃焼エネルギー（トルク）が最も大きい全負荷領域ではノック音が小さいのに対して、低回転側の軽中負荷領域ではノック音が大きいこと（つまりノック音が聞こえるレベルになる）ことがわかった。以下では、全負荷領域に対する「部分負荷領域」の文言を、このような低回転側の軽中負荷領域のことを指すものとして適宜用いるものとする。なお、典型的には、エンジン回転数が１５００ｒｐｍ程度で、エンジン負荷が５００ｋＰａ程度の運転状態が、この部分負荷領域に属する。

図４は、実走シーンから得られたノック音の差異が大きい２つの走行シーン（具体的には部分負荷領域と全負荷領域）での熱発生率及びＣＰＬを示している。図４（ａ）は、横軸にクランク角を示し、縦軸に熱発生率を示しており、また、図４（ｂ）は、横軸に周波数を示し、縦軸にＣＰＬを示している。具体的には、グラフＧ１１及びＧ１３は、それぞれ、部分負荷領域での走行シーンにて得られた熱発生率及びＣＰＬを示し、また、グラフＧ１２及びＧ１４は、それぞれ、全負荷領域での走行シーンにて得られた熱発生率及びＣＰＬを示している。図４（ａ）及び（ｂ）より、部分負荷領域と全負荷領域とで燃焼の違いに着目すると、全負荷領域では発生熱量（トルク）が大きいにも関わらず、高周波エネルギーが小さいことがわかる。そこで、本発明者は、シミュレーションを活用して、ノック音が小さい全負荷領域での燃焼波形から理想の燃焼波形を見付けようとした。

図５は、全負荷領域での燃焼を部分負荷領域にて再現したときのシミュレーション結果を示している。図５（ａ）は、横軸にクランク角を示し、縦軸に熱発生率を示しており、また、図５（ｂ）は、横軸に周波数を示し、縦軸にＣＰＬを示している。具体的には、グラフＧ１１〜Ｇ１４は、図４（ａ）及び（ｂ）と同一のグラフであり、グラフＧ１５は、全負荷領域での熱発生率（グラフＧ１２）を相似形の熱発生により部分負荷領域相当に合わせるよう変形した燃焼波形を示しており、また、グラフＧ１６は、この変形したグラフＧ１５の燃焼波形を適用した場合のＣＰＬを示している。グラフＧ１６より、全負荷領域における相似燃焼波形を部分負荷領域へと転写することにより、ＣＰＬが大幅に低減することがわかった。そこで、本発明者は、ＣＰＬをどこまで低減可能なのか、更なるシミュレーションにより検討することとした。

図６は、全負荷領域での燃焼を部分負荷領域にて再現した燃焼波形と、熱発生の傾きが最小である燃焼波形とを比較したシミュレーション結果を示している。図６（ａ）は、横軸にクランク角を示し、縦軸に熱発生率を示しており、また、図６（ｂ）は、横軸に周波数を示し、縦軸にＣＰＬを示している。具体的には、グラフＧ１３、Ｇ１５、Ｇ１６は、図５（ａ）及び（ｂ）と同一のグラフであり、グラフＧ１７は、全負荷領域での燃焼を部分負荷領域にて再現した燃焼波形（グラフＧ１５）と同一トルク条件下において傾きを最小にした燃焼波形を示している。このグラフＧ１７は、熱発生率の立ち上がりにおいて、グラフＧ１５よりも発熱量を増加し且つ燃焼傾きを緩やかにし、また、熱発生率のピークにおいて、グラフＧ１５よりも発熱量を減少させた燃焼波形である。更に、グラフＧ１８は、このようなグラフＧ１７の燃焼波形を適用した場合のＣＰＬを示している。このグラフＧ１８と、全負荷領域での燃焼を部分負荷領域にて再現した燃焼波形でのＣＰＬを示すグラフＧ１６とを比較すると、１５００Ｈｚ以下の周波数においてＣＰＬの低減余地があると言える。そこで、本発明者は、シミュレーションにより、１５００Ｈｚ以下の周波数でのＣＰＬの更なる低減を検討することとした。

図７は、導出した理想の燃焼波形のシミュレーション結果を示している。図７（ａ）は、横軸にクランク角を示し、縦軸に熱発生率を示しており、また、図７（ｂ）は、横軸に周波数を示し、縦軸にＣＰＬを示している。具体的には、グラフＧ１３、Ｇ１７、Ｇ１８は、図６（ａ）及び（ｂ）と同一のグラフであり、グラフＧ１９は、熱発生の傾きが最小である燃焼波形（グラフＧ１７）を基にした、実機で実現できるような燃焼波形（以下では「目標燃焼波形」と呼ぶ。）を示している。このグラフＧ１９で示す目標燃焼波形は、アフター噴射による燃焼分を除けば、グラフＧ１７で示す熱発生の傾きが最小である燃焼波形をほぼトレースできていることがわかる。更に、グラフＧ２０は、このようなグラフＧ１９の目標燃焼波形を適用した場合のＣＰＬを示している。これにより、目標燃焼波形によれば、１５００Ｈｚ以下の周波数においてＣＰＬが適切に低減されていることがわかる。

以上述べたシミュレーションにより、全負荷領域での燃焼を部分負荷領域にて再現した燃焼波形から、目標となる燃焼波形（理想の燃焼波形）を導くことができた。そこで、本発明者は、この理想の燃焼波形を実現するための制御すべき燃焼機能を調査することとした。具体的には、ノック音が小さい全負荷領域での燃焼から高めるべき燃焼機能を抽出することとした。まず、本発明者は、全負荷領域での燃焼においてノック音が小さい理由を解明すべく、部分負荷領域での燃焼と全負荷領域での燃焼とを比較した。特に、本発明者は、部分負荷領域での燃焼と全負荷領域での燃焼との着火遅れ期間（燃料噴射開始から燃焼開始までの期間）を調べた。

図８は、エンジン負荷と着火遅れ期間との関係について示している。図８（ａ）は、横軸にエンジン負荷を示し、縦軸にプレ燃焼の着火遅れ期間（特にパイロット噴射からプレ燃焼のピークまでの期間）を示しており、また、図８（ｂ）は、横軸にエンジン負荷を示し、縦軸にメイン燃焼の着火遅れ期間（特にメイン噴射からメイン燃焼開始までの期間）を示している。図８（ａ）及び（ｂ）より、エンジン負荷が高いほど、プレ燃焼及びメイン燃焼の両方とも、着火遅れ期間が短くなることがわかる。特に全負荷領域において、着火遅れ期間が最小となる。そこで、本発明者は、着火遅れ期間が短いことで、全負荷領域においてノック音が小さくなるメカニズムを考察することとした。

ここで、着火遅れによるＣＰＬ悪化・改善のメカニズムについて考察する。まず、着火遅れ期間が長い場合、燃料噴射を開始してから燃料が着火するまでの時間が長いため、燃焼室内の未燃燃料量（予混合気量）が多くなる。そのため、着火遅れ期間が長い場合には、燃焼室内で多量の燃料が燃焼することで、燃焼が大きくなってＣＰＬが悪化する。一方、着火遅れ期間が短い場合、燃料噴射を開始してから燃料が着火するまでの時間が短いため、燃焼室内の未燃燃料量（予混合気量）が少なくなる。そのため、着火遅れ期間が短い場合には、燃焼室内で少量の燃料が燃焼することで、燃焼が小さくなってＣＰＬが改善することが考えられる。

そこで、本発明者は、燃料噴射パターンを調整して着火遅れ期間を短縮することでＣＰＬを改善することを考えた。但し、着火遅れ期間の短縮によりＣＰＬは改善するが、上述したようにノック音とスモーク量とはトレードオフの関係にあるので、スモーク量は多くなる。このようなスモーク量も考慮する必要があるが、本発明者は、まず、着火遅れ期間のコントロールに必要な達成手段の検討することとした。

図９は、部分負荷領域と全負荷領域での燃料噴射パターンの例を模式的に示している。図９に示す例においては、部分負荷領域では、パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射及びアフター噴射を行い、全負荷領域では、２回のプレ噴射及びメイン噴射を行う。より具体的には、部分負荷領域では、比較的長い間隔を空けて複数回の燃料噴射を行っている。これは、燃焼室内のスワール流や燃料噴射のペネトレーションを利用する時間を確保して、燃焼室内の燃料と空気との混合性を高めるためである。これに対して、全負荷領域では、比較的短い間隔にて複数回の燃料噴射を行っている。これは、全負荷領域では、燃焼室内の燃料と空気との混合性が十分に確保できる環境になっているので、部分負荷領域のようなスワール流やペネトレーションを利用する必要がないからである。特に、全負荷領域では、複数回の燃料噴射を近接させつつ、複数回行う燃料噴射の噴射量を段階的に増加させる（以下では適宜「スロープ噴射」と呼ぶ）。

このように、部分負荷領域では、複数回の燃料噴射の噴射間隔が長いため、着火遅れ期間が長くなるのに対して、全負荷領域では、複数回の燃料噴射の噴射間隔が短いため、着火遅れ期間が短くなるとが考えられる。したがって、まず、本発明者は、部分負荷領域において、噴射間隔を短くして着火遅れ期間を短縮すべく、燃料の噴射回数を増やすことを考えた。

図１０は、部分負荷領域において噴射回数を増加した燃料噴射パターンの例を模式的に示している。図１０の下段に示すように、部分負荷領域において、プレ噴射を１回増やしている、つまりプレ噴射を２回行うようにしている。

図１１は、部分負荷領域において噴射回数を増加したときの燃焼を説明するための概念図を示している。図１１（ａ）は、部分負荷領域において噴射回数を増加したときの燃焼室内の燃焼イメージを示しており、図１１（ｂ）は、全負荷領域における燃焼室内の燃焼イメージを示している。図１１（ｂ）に示すように、全負荷領域では、噴射量を段階的に増加するため、燃焼室内において燃焼（エネルギー）が連続的に増加していく。また、図１１（ａ）に示すように、部分負荷領域において噴射回数を増加した場合、燃焼室内に小さい燃焼（エネルギー）が分散して、順番に着火が行われることとなる。つまり、部分負荷領域でも、噴射回数を増加することで、全負荷領域と類似する燃焼を燃焼室内に形成することができる。よって、部分負荷領域において、着火遅れ期間を短縮することが可能となる。

図１２は、部分負荷領域において噴射回数を増加したときの着火遅れ期間を示している。具体的には、図１２（ａ）は、プレ燃焼での噴射回数の増加前と増加後の着火遅れ期間を示し、図１２（ｂ）は、メイン燃焼での噴射回数の増加前と増加後の着火遅れ期間を示している。図１２（ａ）及び（ｂ）より、部分負荷領域において噴射回数を増加すると、プレ燃焼及びメイン燃焼の両方とも（特にメイン燃焼）、着火遅れ期間が短くなることがわかる。

したがって、本発明者は、部分負荷領域での着火遅れ期間の短縮のため、噴射回数の増加とスロープ噴射とを組み合わせた燃料噴射パターンのキャリブレーションを机上検討することとした。この場合、燃料噴射パターンに適用する噴射回数を最大で７回とした。例えば、３回のパイロット噴射、２回のプレ噴射、１回のメイン噴射、及び１回のアフター噴射から成る燃料噴射パターンを用いた。また、これらの各々の燃料噴射の噴射量も適宜変更することとした。

図１３は、部分負荷領域において適用する燃料噴射パターンの例を模式的に示している。図１３では、部分負荷領域での着火遅れ期間の短縮のために、７回の燃料噴射を行い、且つ、噴射量を段階的に増加させるようにした（つまりスロープ噴射させるようにした）燃料噴射パターンの例を示している。以下では、図１３に示すような燃料噴射パターンを適宜「７段基準噴射パターン」と呼ぶ。

図１４は、７段基準噴射パターンを適用した場合の燃焼波形を示している。図１４は、横軸にクランク角を示し、縦軸に熱発生率を示している。具体的には、グラフＧ１１及びＧ１９は、それぞれ、図４（ａ）及び図７（ａ）と同一のグラフである。つまり、グラフＧ１１は、噴射回数増加やスロープ噴射を適用していない、部分負荷領域での元の燃料噴射パターン（以下では適宜「基準噴射パターン」と呼ぶ。）による燃焼波形を示している。また、グラフＧ１９は、熱発生の傾きが最小である燃焼波形（図６（ａ）のグラフＧ１７参照）を基にした目標燃焼波形を示している。一方、グラフＧ２１は、７段基準噴射パターンを適用した場合の燃焼波形を示している。このグラフＧ２１より、７段基準噴射パターンを適用した場合に目標燃焼波形をほぼ再現できていることがわかる。

図１５は、７段基準噴射パターンを適用した場合のＣＰＬ及びスモーク量を示している。具体的には、図１５（ａ）は、基準噴射パターンと７段基準噴射パターンを適用した場合のＣＰＬを示している。図１５（ａ）より、７段基準噴射パターンを適用した場合には、基準噴射パターンを適用した場合よりもＣＰＬが大幅に改善していることがわかる。一方、図１５（ｂ）は、基準噴射パターンと７段基準噴射パターンを適用した場合のスモーク量を示している。図１５（ｂ）より、７段基準噴射パターンを適用した場合には、基準噴射パターンを適用した場合よりもスモーク量が悪化していることがわかる。そこで、本発明者は、このような７段基準噴射パターンによるスモーク量の改善を検討することとした。

図１６は、７段基準噴射パターンを改良した第１及び第２の７段改良噴射パターンを適用した場合の燃焼波形を示している。図１６（ａ）及び（ｂ）は、横軸にクランク角を示し、縦軸に熱発生率を示している。

具体的には、図１６（ａ）において、グラフＧ２１は、図１４と同一のグラフであり、つまり７段基準噴射パターンを適用した場合の燃焼波形を示しており、グラフＧ２２は、第１の７段改良噴射パターンを適用した場合の燃焼波形を示している。この第１の７段改良噴射パターンは、７段基準噴射パターンと比較して、燃焼波形の立ち上がり部分の凹み（谷）をなくして、燃焼波形の立ち上がりを滑らかにし（傾きを安定化する）、且つ、燃焼波形のピークを進角させ、尚且つ、メイン燃焼に対応する燃焼波形の立ち上がり部分の発熱量を低減させるようにした噴射パターンである。このような第１の７段改良噴射パターンによって、スモーク量を低減しようとしている。なお、燃焼波形の立ち上がり部分の凹み（谷）は、当該凹みから復帰するときの立ち上がりが急になるため、ノック音の大きな要因となる、特に高周波成分を多く含むインパクトノイズとなる。
更に、第１の７段改良噴射パターンでは、スモーク量をより低減すべく、アフター噴射を７段基準噴射パターンよりも遅角させることで、燃料と空気との混合期間を拡大させるようにしている。なお、上記のように第１の７段改良噴射パターンにおいて燃焼波形を進角させているのは、アフター噴射の遅角によるトルク落ち（燃費悪化）を抑制するためである。

他方で、図１６（ｂ）において、グラフＧ２２は、図１６（ａ）と同一のグラフであり、つまり第１の７段改良噴射パターンを適用した場合の燃焼波形を示しており、グラフＧ２３は、第２の７段改良噴射パターンを適用した場合の燃焼波形を示している。この第２の７段改良噴射パターンは、基本的には第１の７段改良噴射パターンと同一のパターンであるが、燃料の噴射圧を上昇させる点で第１の７段改良噴射パターンと異なる。このように燃料の噴射圧を上昇させることで、燃料の均質化を向上して、スモーク量を低減しようとしている。

図１７は、第１及び第２の７段改良噴射パターンを適用した場合のＣＰＬ及びスモーク量を示している。具体的には、図１７（ａ）は、基準噴射パターン、７段基準噴射パターン、第１及び第２の７段改良噴射パターンを適用した場合のＣＰＬを示している。図１７（ａ）より、第１及び第２の７段改良噴射パターンを適用した場合には、７段基準噴射パターンを適用した場合よりもＣＰＬが更に改善していることがわかる。一方、図１７（ｂ）は、基準噴射パターン、７段基準噴射パターン、第１及び第２の７段改良噴射パターンを適用した場合のスモーク量を示している。図１７（ｂ）より、第１及び第２の７段改良噴射パターンを適用した場合には、７段基準噴射パターンを適用した場合よりもスモーク量が改善しているが、基準噴射パターンを適用した場合よりもスモーク量がまだ悪化していることがわかる。そこで、本発明者は、第１及び第２の７段改良噴射パターンでのアフター噴射及び噴射圧の改良だけでは、スモーク量をこれ以上低減することは困難であると考えた。したがって、本発明者は、多段噴射においてＣＰＬ及びスモーク量を決定する要因を紐解くこととした。

図１８は、ＣＰＬ及びスモーク量のメカニズムを解明するために行う、多段噴射の感度調整方法についての説明図である。図１８（ａ）は、メカニズム解明に適用する燃料噴射パターンの例を示している。この燃料噴射パターンは、パイロット噴射１と、パイロット噴射２と、プレ噴射１と、プレ噴射２と、メイン噴射と、アフター噴射１と、アフター噴射２と、を含む７段噴射から成る。図１８（ｂ）は、図１８（ａ）の燃料噴射パターンを適用した場合の燃焼波形例を示している。この燃焼波形において、領域Ｒ１１はパイロット噴射１及びパイロット噴射２による燃焼に対応し、領域Ｒ１２はプレ噴射１による燃焼に対応し、領域Ｒ１３はプレ噴射２による燃焼に対応し、領域Ｒ１４はメイン噴射及びアフター噴射１による燃焼に対応する。

ここで、本発明者は、多段噴射における各燃料噴射ごとの噴射量に対する熱発生とスモーク感度を調査することで、多段噴射における各燃料噴射に具備させる機能を解明しようとした。この調査に当たって、ＣＰＬと相関の高い熱発生率の傾きを、単位噴射量当たりの発熱量の高さ変化に置き換えることで、ノック音を発熱量で代用することとした。

図１９は、部分負荷領域において多段噴射の各燃料噴射の感度調査結果を示している。具体的には、図１９（ａ）は、パイロット噴射１とパイロット噴射２とプレ噴射１とプレ噴射２とアフター噴射１とについて、単位噴射量当たりの発熱量の高さ変化を示している。この発熱量の高さ変化は、一義的にノック音（ＣＰＬ）を示すものとなる。図１９（ａ）より、パイロット噴射２及びプレ噴射１に関して発熱量の高さ変化が大きいことがわかる。すなわち、パイロット噴射２及びプレ噴射１が、他の燃料噴射と比較して、ノック音（ＣＰＬ）により大きな影響を与えることがわかる。一方で、図１９（ｂ）は、パイロット噴射１とパイロット噴射２とプレ噴射１とプレ噴射２とアフター噴射１とについて、単位噴射量当たりのスモーク量の変化を示している。図１９（ｂ）より、プレ噴射１、プレ噴射２及びアフター噴射１に関してスモーク量の変化が大きいことがわかる。すなわち、プレ噴射１、プレ噴射２及びアフター噴射１が、他の燃料噴射と比較して、スモーク量により大きな影響を与えることがわかる。

図１９（ａ）及び（ｂ）に示した調査結果より、ＣＰＬの大きさは前段の燃料噴射に依存し、且つ、スモーク量の大きさは後段の燃料噴射に依存する、というＣＰＬ及びスモーク量のメカニズムが判明した。そこで、本発明者は、このメカニズムに基づき、前段の燃料噴射を調整することでＣＰＬを低減し、且つ後段の燃料噴射を調整することでスモーク量を低減するべく、燃料噴射パターンのキャリブレーションを行うこととした。

図２０は、上記したようなＣＰＬ及びスモーク量のメカニズムに基づくキャリブレーションにより得られた、燃料噴射パターンによる燃焼波形を示している。図２０は、横軸にクランク角を示し、縦軸に熱発生率を示している。具体的には、グラフＧ１１は、図４（ａ）と同一のグラフであり、つまり基準噴射パターンによる燃焼波形を示しており、グラフＧ２４は、ＣＰＬ及びスモーク量のメカニズムに基づくキャリブレーションにより得られた、部分負荷領域での燃料噴射パターンによる燃焼波形を示している。後者の燃料噴射パターンは、６段の燃料噴射からなり、以下では適宜「６段改良噴射パターン」と呼ぶ。この６段改良噴射パターンは、基本的には、上記した７段の噴射パターン（７段基準噴射パターン、第１及び第２の７段改良噴射パターン）における最前段の燃料噴射を無くした噴射パターンである。

具体的には、６段改良噴射パターンでは、プレ燃焼をメイン燃焼に内包することで、燃焼波形の立ち上がり部分の凹み（谷）をなくし、且つ、燃焼波形の立ち上がりを緩やかにしてある（領域Ｒ２１参照）。これにより、ＣＰＬを低減するようにしている。特に、ノック音の高周波成分を低減するようにしている。また、６段改良噴射パターンでは、多段噴射によりメイン燃焼に対応する燃焼波形の形状を台形化し（領域Ｒ２２参照）、スモーク量を低減するようにしている。更に、６段改良噴射パターンでは、スモーク量をより低減すべく、アフター噴射を遅角させている。この場合、アフター噴射の遅角によるトルク落ち（燃費悪化）を抑制すべく、６段改良噴射パターンでは、メイン燃焼を進角させている。

図２１は、部分負荷領域において６段改良噴射パターンを適用した場合の各種の結果を示している。まず、図２１（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、基準噴射パターンと６段改良噴射パターンを適用した場合のプレ燃焼及びメイン燃焼での着火遅れ期間を示している。図２１（ａ）及び（ｂ）より、６段改良噴射パターンを適用した場合には、基準噴射パターンを適用した場合よりも、プレ燃焼及びメイン燃焼の両方とも、着火遅れ期間が短くなることがわかる。

次いで、図２１（ｃ）は、基準噴射パターンと６段改良噴射パターンを適用した場合のＣＰＬを示している。図２１（ｃ）より、６段改良噴射パターンを適用した場合には、基準噴射パターンを適用した場合よりもＣＰＬが小さくなることがわかる（例えば６ｄＢ程度小さくなる）。

次いで、図２１（ｄ）は、基準噴射パターンと６段改良噴射パターンを適用した場合のスモーク量を示している。図２１（ｄ）より、６段改良噴射パターンを適用した場合と基準噴射パターンを適用した場合とでスモーク量が同等であることがわかる。これは、６段改良噴射パターンを適用した場合には、上述した７段基準噴射パターン、第１及び第２の７段改良噴射パターンを適用した場合よりもスモーク量が改善していることを意味する。

次いで、図２１（ｅ）は、基準噴射パターンと６段改良噴射パターンを適用した場合のＣＯ量及びＨＣ量を示している。図２１（ｅ）より、６段改良噴射パターンを適用した場合には、基準噴射パターンを適用した場合よりもＣＯ量が小さくなること（例えば２０％程度減少）、及び、６段改良噴射パターンを適用した場合と基準噴射パターンを適用した場合とでＨＣ量が同等であることがわかる。これは、６段改良噴射パターンを適用した場合には、筒内に付着する燃料（未燃燃料）が減ったからであると考えられる。

次いで、図２１（ｆ）は、基準噴射パターンと６段改良噴射パターンを適用した場合の燃費率を示している。図２１（ｆ）より、６段改良噴射パターンを適用した場合と基準噴射パターンを適用した場合とで燃費率が同等であることがわかる。

以上のことから、６段改良噴射パターンによれば、部分負荷領域において、スモークなどのエミッションの悪化や燃費の悪化を生じさせずに、ノック音を大幅に低減することができる。

なお、以下では、上記した本発明者らによる検証により得られた、スモーク及び燃費を悪化させずにノック音を適切に低減することができる燃料噴射のことを、適宜「近接多段噴射」と呼ぶ。この近接多段噴射中の「近接」は、燃料の噴射回数を増やすことで、隣接する燃料噴射を近接させたこと（換言すると複数の燃料噴射間の噴射間隔を短くしたこと）を意味する。

＜本実施形態に係る制御＞
次に、上記セクションで述べた基本概念に基づいた、本発明の実施形態に係る制御について具体的に説明する。

前述したように、エンジンの低負荷域（部分負荷領域が含まれる）では、機械騒音や走行騒音や吸排気音などに比して燃焼音のレベルが大きくなるため、ノック音が目立つようになる一方で、エンジンの中負荷域では、共振周波数帯域の燃焼音が特に伝達しやすい。特許文献２などに記載された周波数コントロールによれば、共振周波数成分など複数の周波数帯域に対応するノック音を低減することができるので、中負荷域でのノック音を低減することができる。一方で、ディーゼルエンジンの低負荷域では、ノック音低減のために燃焼音自体のレベルを低減する必要があるため、周波数コントロールでは、燃焼音自体のレベルを低減するのが困難であり、低負荷域でのノック音を適切に低減するには不十分である。

したがって、本実施形態では、低負荷域と中負荷域とで異なる手法にてノック音を低減するようにする。具体的には、ＰＣＭ７０は、中負荷域では、特許文献２に記載されたような周波数コントロールを行う一方で、低負荷域では、上記セクションで述べたような、着火遅れ期間の短縮などを図った近接多段噴射を行う。

図２２及び図２３を参照して、本発明の実施形態においてＰＣＭ７０が行う制御について具体的に説明する。図２２は、本実施形態において、ノック音低減のための制御を切り替えるエンジンの運転領域を示している。図２２は、横軸にエンジン回転数を示し、縦軸にエンジン負荷を示している。また、図２３（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態において、図２２に示す各運転領域ごとに適用する燃料噴射パターン例を模式的に示している。図２３（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、横方向に時間を示し（一義的にクランク角に対応する）、縦方向に燃料噴射量を示している。

図２２において、領域Ｒ３１は、エンジン負荷が所定負荷Ｌｏ１未満で且つエンジン回転数が所定回転数Ｎｅ１未満である運転領域（低負荷域に対応し、上記した部分負荷領域が含まれる）を示している。また、領域Ｒ３２は、エンジン負荷が所定負荷Ｌｏ２（＞Ｌｏ１）未満で且つエンジン回転数が所定回転数Ｎｅ２（＞Ｎｅ１）未満である領域から、領域Ｒ３１を除いた部分の運転領域（中負荷域に対応する）を示している。また、領域Ｒ３３は、全負荷ラインＬ１を下回る全ての領域から、領域Ｒ３１及びＲ３２を除いた部分の運転領域を示している。ＰＣＭ７０は、領域Ｒ３１では近接多段噴射を行い、領域Ｒ３２では周波数コントロールに基づく燃料噴射を行い、領域Ｒ３３では通常の燃料噴射（ノック音低減のための特別な処置を施していない燃料噴射）を行う。

例えば、領域Ｒ３１及び領域Ｒ３２のそれぞれの境界を規定するエンジン負荷Ｌｏ１、Ｌｏ２は７００ｋＰａ、１１００ｋＰａ程度であり、また、領域Ｒ３１及び領域Ｒ３２のそれぞれの境界を規定するエンジン回転数Ｎｅ１、Ｎｅ２は２０００ｒｐｍ、３０００ｒｐｍ程度である。
なお、図２２では、領域Ｒ３１と領域Ｒ３２との境界を規定するエンジン負荷Ｌｏ１がエンジン回転数によらずに一定になっているが、このエンジン負荷Ｌｏ１をエンジン回転数に応じて変化させてもよい。例えば、エンジン回転数が高くなるほど、エンジン負荷Ｌｏ１を低下させるようにしてもよい。この例では、エンジン回転数が高くなるほど、近接多段噴射を行う領域を狭めて、エミッションや燃費を向上させるようにする。

図２３（ａ）は、領域Ｒ３１で適用する燃料噴射パターン例、つまり近接多段噴射による燃料噴射パターン例を示し、図２３（ｂ）は、領域Ｒ３２で適用する燃料噴射パターン例、つまり周波数コントロールによる燃料噴射パターン例を示し、図２３（ｃ）は、領域Ｒ３３で適用する燃料噴射パターン例を示している。領域Ｒ３１では、４回の前段噴射（少なくともプレ噴射を含む。パイロット噴射を含めてもよいし、含めなくてもよい。以下同様とする。）と、１回のメイン噴射と、１回の後段噴射（アフター噴射）と、から成る燃料噴射パターンが適用される。領域Ｒ３２では、３回の前段噴射と、１回のメイン噴射と、１回の後段噴射と、から成る燃料噴射パターンが適用される。領域Ｒ３３では、２回の前段噴射と１回のメイン噴射とから成る燃料噴射パターンが適用される。

ここで、領域Ｒ３１で適用する燃料噴射パターンと、領域Ｒ３２で適用する燃料噴射パターンとを比較する（図２３（ａ）及び（ｂ）参照）。まず、領域Ｒ３１で適用する燃料噴射パターンは、領域Ｒ３２で適用する燃料噴射パターンよりも、前段噴射の噴射回数が多くなっており、これにより、前段噴射の噴射間隔が短くなっている。特に、領域Ｒ３１で適用する燃料噴射パターンは、領域Ｒ３２で適用する燃料噴射パターンよりも、メイン噴射と当該メイン噴射の直前の前段噴射との噴射間隔が小さくなっている。これは、領域Ｒ３１では、メイン噴射直前のタイミングで前段噴射を行うことで、メイン燃焼開始時の筒内熱量ひいては筒内圧力を高めて、メイン燃焼による最大筒内圧に至るまでの筒内圧力の傾きを緩やかにするためである。こうすることで、特にノック音の高周波成分を減少するようにしている。

また、領域Ｒ３１で適用する燃料噴射パターンは、領域Ｒ３２で適用する燃料噴射パターンよりも、メイン噴射の噴射量に対する、複数回の前段噴射のうちで最大の噴射量の比率が小さくなっている。これは、基本的には、領域Ｒ３１で適用する燃料噴射パターンは、領域Ｒ３２で適用する燃料噴射パターンよりも、噴射回数が多いため、前段噴射１回当たりの噴射量が減る傾向にあるからである。加えて、領域Ｒ３１と領域Ｒ３２とでは、ノック音の低減を図る手法が異なっているからである。具体的には、領域Ｒ３１では、連続的に行う複数の前段噴射の影響によって所望の燃焼波形を形成することでノック音の低減を図っている。これに対して、領域Ｒ３２では、メイン噴射と前段噴射との噴射間隔を制御して、燃焼圧力波の周波数特性を示す波形の谷の部分が共振周波数帯域に含まれるようにすることでノック音の低減を図っている。つまり、領域Ｒ３２では、前段噴射により発生される燃焼圧力波を積極的に利用することで、周波数コントロールによって共振周波数帯域に対応するノック音を低減している。よって、領域Ｒ３２では、領域Ｒ３１よりも、メイン噴射に対して１つの前段噴射（最大噴射量を有する前段噴射）の持つ意味が大きくなるので、上記のように、メイン噴射の噴射量に対する前段噴射の最大噴射量の比率が大きくなっているのである。

このような本実施形態によれば、領域Ｒ３１では燃焼音レベルを低減し、領域Ｒ３２では燃焼音を飛出し量にてコントロールし、領域Ｒ３３では現在の燃焼音が支配的となる。そのため、エンジン負荷及びエンジン回転数の上昇に従ってリニアなサウンドを演出できるようになる。

次に、図２４を参照して、本発明の実施形態において領域Ｒ３１で適用する燃料噴射パターン（つまり近接多段噴射による燃料噴射パターン）について具体的に説明する。図２４は、横方向に時間を示し（一義的にクランク角に対応する）、縦方向に燃料噴射量を示し、複数回行う燃料噴射を模式的に示している。

上記したように、ＰＣＭ７０は、１回のメイン噴射と、メイン噴射の前の４回の前段噴射と、メイン噴射の後の１回の後段噴射と、を行う。以下では、４回の前段噴射のそれぞれを「１段目噴射」、「２段目噴射」、「３段目噴射」及び「４段目噴射」と呼び、メイン噴射を「５段目噴射」と呼び、後段噴射を「６段目噴射」と呼ぶ。

本実施形態では、ＰＣＭ７０は、１段目噴射、２段目噴射、３段目噴射及び４段目噴射のそれぞれに適用する燃料噴射量をメイン噴射に向けて段階的に増加させるようにする、つまりスロープ噴射を行うようにする。これにより、１段目噴射、２段目噴射、３段目噴射及び４段目噴射により熱発生率を連続的に増加させて、メイン燃焼開始時の筒内熱量ひいては筒内圧力を高めておくようにする。こうすることで、メイン燃焼による最大筒内圧に至るまでの筒内圧力の傾きを緩やかにすることができ、ノック音の高周波成分を適切に減少することができる。

また、本実施形態では、ＰＣＭ７０は、１段目噴射、２段目噴射、３段目噴射、４段目噴射及び５段目噴射のそれぞれの間の噴射間隔Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３、Ｔ１４をほぼ一定にする。これにより、１段目噴射、２段目噴射、３段目噴射及び４段目噴射によって、メイン噴射に向けて連続的に熱発生させることができる。

ここで、図２４に示すように、時間で見たときの噴射間隔Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ１３はほぼ一定であるが、クランク角で見ると、これらの間隔は一定とはならない。具体的には、後段側（遅角側）に進むほど、噴射間隔に対応するクランク角の幅が小さくなる。つまり、「噴射間隔Ｔ１１に対応するクランク角の幅＞噴射間隔Ｔ１２に対応するクランク角の幅＞噴射間隔Ｔ１３に対応するクランク角の幅」となる。これは、ＴＤＣに近付くほど、クランク角で規定されるクランクシャフト７の回転速度が低下するからである。

次に、図２５を参照して、ＰＣＭ７０が実行する燃料噴射制御処理のフローチャートについて説明する。この燃料噴射制御処理は、車両のイグニッションがオンにされ、ＰＣＭ７０に電源が投入された場合に起動され、繰り返し実行される。

燃料噴射制御処理が開始されると、ステップＳ１において、ＰＣＭ７０は、車両の運転状態に関する各種情報を取得する。具体的には、ＰＣＭ７０は、上述した各種センサＳＮ１〜ＳＮ６が出力した検出信号の他、アクセル開度センサが検出したアクセル開度、車速センサが検出した車速、車両の変速機に現在設定されているギヤ段等を含む情報を取得する。

次に、ステップＳ２において、ＰＣＭ７０は、ステップＳ１において取得された情報に基づき、目標加速度を設定する。具体的には、ＰＣＭ７０は、種々の車速及び種々のギヤ段について規定された加速度特性マップ（予め作成されてメモリなどに記憶されている）の中から、現在の車速及びギヤ段に対応する加速度特性マップを選択し、選択した加速度特性マップを参照して現在のアクセル開度に対応する目標加速度を決定する。

次に、ステップＳ３において、ＰＣＭ７０は、ステップＳ２において決定した目標加速度を実現するためのエンジンの目標トルクを決定する。具体的には、ＰＣＭ７０は、現在の車速、ギヤ段、路面勾配、路面μなどに基づき、エンジンが出力可能なトルクの範囲内で、目標トルクを決定する。

次に、ステップＳ４において、ＰＣＭ７０は、ステップＳ３において決定した目標トルクと、クランク角センサＳＮ１からの出力信号に基づいて求めたエンジン回転数とに基づいて、目標トルクを得るためにインジェクタ２０から噴射させるべき燃料の要求噴射量（主にメイン噴射の燃料噴射量）を設定する。

次に、ステップＳ５において、ＰＣＭ７０は、燃料噴射形態（燃料の噴射量及び噴射タイミングなどを含むものであり、換言すると燃料噴射パターンである）を決定する。まず、ＰＣＭ７０は、取得したエンジン回転数及びエンジン負荷に基づき、現在の運転状態が領域Ｒ３１、Ｒ３２、Ｒ３３（図２２参照）のいずれに含まれるかを判定する。そして、ＰＣＭ７０は、現在の運転状態が領域Ｒ３１に含まれる場合には図２３（ａ）に示したような燃料噴射形態を決定し、現在の運転状態が領域Ｒ３２に含まれる場合には図２３（ｂ）に示したような燃料噴射形態を決定し、現在の運転状態が領域Ｒ３３に含まれる場合には図２３（ｃ）に示したような燃料噴射形態を決定する。特に、本実施形態では、ＰＣＭ７０は、現在の運転状態が領域Ｒ３１に含まれる場合、典型的には部分負荷領域に含まれる場合には、１段目〜６段目噴射からなる燃料噴射形態であって、１段目〜４段目噴射に適用する燃料噴射量がメイン噴射に向けて段階的に増加され、且つ、１段目〜５段目噴射のそれぞれの噴射間隔がほぼ一定にされた燃料噴射形態を採用する（図２４参照）。
なお、図２３（ａ）〜（ｃ）の燃料噴射形態のそれぞれについて、各燃料噴射に適用すべき噴射タイミング及び燃料噴射量がエンジンの運転状態に応じて事前に定められている。ＰＣＭ７０は、この事前に定められたエンジンの運転状態と噴射タイミング及び燃料噴射量との関係を参照して、現在のエンジンの運転状態に応じた噴射タイミング及び燃料噴射量を適用する。

次に、ステップＳ６において、ＰＣＭ７０は、ステップＳ４において決定した要求噴射量及びステップＳ５において決定した燃料噴射形態に基づき、インジェクタ２０を制御する。ステップＳ６の後、ＰＣＭ７０は、燃料噴射制御処理を終了する。

＜作用効果＞
次に、本発明の実施形態の作用効果について説明する。

本実施形態によれば、ＰＣＭ７０は、複数回の前段噴射及びメイン噴射を含む燃料噴射を行う場合に、エンジン負荷が所定負荷未満である場合に所定負荷以上である場合よりも、メイン噴射の噴射量に対する、複数回の前段噴射のうちで最大の噴射量の比率を小さくし、且つ、エンジン負荷が所定負荷未満である場合にエンジン負荷が所定負荷以上である場合よりも、メイン噴射と当該メイン噴射の直前の前段噴射との噴射間隔を小さくする。これにより、エンジン負荷によらずにノック音を適切に低減することができる。

具体的には、エンジン負荷が所定負荷未満である場合、つまり低負荷域では、ＰＣＭ７０は、メイン噴射直前のタイミングで前段噴射を行うので、メイン燃焼開始時の筒内熱量ひいては筒内圧力を高めて、メイン燃焼による最大筒内圧に至るまでの筒内圧力の傾きを緩やかにすることができる。よって、特にノック音の高周波成分を減少することができる。その結果、機械騒音や走行騒音や吸排気音などに比して燃焼音のレベルが大きくなる低負荷域において、ノック音を適切に低減することができる。

他方で、エンジン負荷が所定負荷以上である場合、つまり中負荷域では、ＰＣＭ７０は、メイン噴射からある程度離れたタイミングで前段噴射を行うと共に、メイン噴射量に対する比率が比較的大きい噴射量を有する前段噴射を行うので、共振周波数成分など複数の周波数帯域に対応するノック音を低減することができる。その結果、共振周波数帯域の燃焼音が特に伝達しやすい中負荷域において、ノック音を適切に低減することができる。

また、本実施形態によれば、ＰＣＭ７０は、エンジン負荷が所定負荷未満である場合に、複数回行う前段噴射の噴射量を段階的に増加させるので、より効果的に、前段噴射によって熱発生率をメイン噴射に向けて連続的に増加させることができる。

また、本実施形態によれば、ＰＣＭ７０は、エンジン負荷が所定負荷未満である場合に、複数回行う前段噴射の噴射間隔に対応するクランク角を段階的に減少させるので、前段噴射を適切な噴射間隔にて実行することで、より効果的に、前段噴射によってメイン噴射に向けて連続して熱発生させることができる。

また、本実施形態によれば、ＰＣＭ７０は、エンジン負荷が所定負荷未満である場合に、エンジン負荷が所定負荷以上である場合よりも、前段噴射を行う回数を多くするので、より効果的に、前段噴射によってメイン噴射に向けて連続して熱発生させることができる。

１ エンジン本体
２ 気筒
４ ピストン
７ クランクシャフト
８ コンロッド
２０ インジェクタ
３０ 吸気通路
４０ 排気通路
６０ ターボ過給機
７０ ＰＣＭ

Claims (8)

1. １回の燃焼行程中に複数回の燃料噴射を行って気筒内に複数回の燃焼を生じさせるディーゼルエンジンの燃料噴射制御方法であって、
   圧縮行程後にメイン噴射を行うと共に、このメイン噴射の前に複数回の前段噴射を行うステップと、
   前記ディーゼルエンジンの負荷が、運転領域を低負荷域と中負荷域とに区分けするための所定負荷未満である場合に、前記ディーゼルエンジンの負荷が前記所定負荷以上である場合よりも、前記メイン噴射の噴射量に対する、前記複数回の前段噴射のうちで最大の噴射量の比率を小さくするステップと、
   前記ディーゼルエンジンの負荷が前記所定負荷未満である場合に、前記ディーゼルエンジンの負荷が前記所定負荷以上である場合よりも、前記メイン噴射と当該メイン噴射の直前の前段噴射との噴射間隔を小さくするステップと、
   を有し、
   前記ディーゼルエンジンの負荷が前記所定負荷未満である場合に、前記複数回の前段噴射における噴射量を段階的に増加させるステップを更に有する、ことを特徴とするディーゼルエンジンの燃料噴射制御方法。
2. 前記ディーゼルエンジンの負荷が前記所定負荷未満である場合に、前記複数回の前段噴射における噴射間隔に対応するクランク角を段階的に減少させるステップを更に有する、請求項１に記載のディーゼルエンジンの燃料噴射制御方法。
3. 前記ディーゼルエンジンの負荷が前記所定負荷未満である場合に、前記ディーゼルエンジンの負荷が前記所定負荷以上である場合よりも、前記前段噴射を行う回数を多くするステップを更に有する、請求項１又は２に記載のディーゼルエンジンの燃料噴射制御方法。
4. 前記所定負荷は、エンジン回転数に応じて定められる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のディーゼルエンジンの燃料噴射制御方法。
5. １回の燃焼行程中に複数回の燃料噴射を行って気筒内に複数回の燃焼を生じさせるディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置であって、
   前記気筒内に燃料を噴射する燃料供給装置と、
   前記燃料供給装置を制御する制御器と、を有し、
   前記制御器は、
   圧縮行程後にメイン噴射を行うと共に、このメイン噴射の前に複数回の前段噴射を行い、
   前記ディーゼルエンジンの負荷が、運転領域を低負荷域と中負荷域とに区分けするための所定負荷未満である場合に、前記ディーゼルエンジンの負荷が前記所定負荷以上である場合よりも、前記メイン噴射の噴射量に対する、前記複数回の前段噴射のうちで最大の噴射量の比率を小さくし、
   前記ディーゼルエンジンの負荷が前記所定負荷未満である場合に、前記ディーゼルエンジンの負荷が前記所定負荷以上である場合よりも、前記メイン噴射と当該メイン噴射の直前の前段噴射との噴射間隔を小さくする、
   ように前記燃料供給装置を制御し、
   前記制御器は、前記ディーゼルエンジンの負荷が前記所定負荷未満である場合に、前記複数回の前段噴射における噴射量を段階的に増加させるように、前記燃料供給装置を制御する、ことを特徴とするディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。
6. 前記制御器は、前記ディーゼルエンジンの負荷が前記所定負荷未満である場合に、前記複数回の前段噴射における噴射間隔に対応するクランク角を段階的に減少させるように、前記燃料供給装置を制御する、請求項５に記載のディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。
7. 前記制御器は、前記ディーゼルエンジンの負荷が前記所定負荷未満である場合に、前記ディーゼルエンジンの負荷が前記所定負荷以上である場合よりも、前記前段噴射を行う回数を多くするように、前記燃料供給装置を制御する、請求項５又は６に記載のディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。
8. 前記所定負荷は、エンジン回転数に応じて定められる、請求項５乃至７のいずれか一項に記載のディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。

Images