(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接噴射型内燃機関の燃料噴射弁からシリンダ内への内燃機関の１サイクル当り１回の燃料噴射の噴霧の長さを基準として、燃料噴射弁から噴射燃料が衝突する壁面である衝突壁面までの距離を無次元化した無次元距離を算出する無次元距離算出手段と、
内燃機関の１サイクルで行う燃料噴射の全体時間を同じとして、１サイクル当りの燃料噴射を複数回の分割回数に分割して行う分割噴射の場合に、１サイクル当り１回の燃料噴射で行うときに噴射された燃料が衝突壁面上で付着する長さを基準として、分割噴射によって噴射された燃料が衝突壁面上で付着する長さの合計を無次元化した無次元付着長さについて、分割回数と無次元距離の関係を予め算出する無次元付着長さ算出手段と、
予め任意に設定された無次元付着長さ目標について、そのときの分割回数と無次元距離との関係に基き、１サイクル当り１回の燃料噴射のときの無次元距離に対応する分割回数を算出し、これを分割噴射の分割回数とする分割回数算出手段と、
を備えることを特徴とする直接噴射型内燃機関の噴射制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の直接噴射型内燃機関の噴射制御装置において、
無次元距離算出手段は、
噴射圧をＰとし、燃料噴射の噴射期間をτとしたときに、噴霧の長さＳがＳ＝αＰ0.25τ0.5で表せる広安の式に基いて、１サイクル当り１回の燃料噴射で行うときの噴霧の長さをＳ0とし、燃料噴射弁から衝突壁面までの距離をＬWALLとして、無次元距離ｘを、ｘ＝ＬWALL／Ｓ0として算出し、
無次元付着長さ算出手段は、
分割回数をｎとして、無次元付着長さｙをｙ＝（ｎ0.5−ｎｘ）／（１−ｘ）として算出することを特徴とする直接噴射型内燃機関の噴射制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載の直接噴射型内燃機関の噴射制御装置において、
分割回数算出手段は、
無次元付着長さｙを無次元付着長さ目標ｙTとして、ｙ＝（ｎ0.5−ｎｘ）／（１−ｘ）の関係から、分割回数ｎ＝ｉ回のときのｘであるｘi,yTを算出する手段と、
内燃機関の予め定めた運転条件の下で１サイクル当り１回の燃料噴射で行うときのｘであるｘ0,yTを算出する手段と、
ｘ0,yTが、ｎ＝２回のときのｘであるｘ2,yT以上のときは分割回数をｎ＝１回とし、ｘ0,yTがｘ2,yT未満であって、ｎ＝３回のときのｘであるｘ3,yT以上のときは分割回数をｎ＝２回とし、ｘ0,yTがｎ＝ｉ回のときのｘであるｘi,yT未満であり、ｎ＝（ｉ＋１）回のときのｘであるｘ(i+1),yT以上のときに、分割回数ｎをｉ回として算出する手段と、
を含むことを特徴とする直接噴射型内燃機関の噴射制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の直接噴射型内燃機関の噴射制御装置において、
分割回数算出手段は、
無次元付着長さ目標ｙT＝０として、ｙ＝（ｎ0.5−ｎｘ）／（１−ｘ）＝０の関係から、分割回数ｎ＝２回のときのｘであるｘ2,yT=0＝０．７１、ｎ＝３回のときのｘであるｘ3、yT=0＝０．５８、ｎ＝４回のときのｘであるｘ4、yT=0＝０．５０、ｎ＝５回のときのｘであるｘ5、yT=0＝０．４５と算出し、これらとｘ0、yT0=0との比較によって、分割回数ｎを算出することを特徴とする直接噴射型内燃機関の噴射制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接噴射型内燃機関の噴射制御装置に係り、特に、１サイクル当りの燃料噴射を複数回の分割回数に分割して行うことができる直接噴射型内燃機関の噴射制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関は、筒状のシリンダとその内部を往復運動するピストンの頂部との間の空間である燃焼室に、予め定められたタイミングで燃料を噴射し、これを燃焼させて動力を出力する動力機関である。このように、燃料噴射は、ピストンの往復運動の１サイクルの中で、予め定められたタイミングで行われるので、１サイクル当り１回の燃料噴射が行われることが基本である。これを、１サイクルあたり複数回に分割し、１回当りの燃料噴射時間を短くすることも行われ、このような燃料噴射方式は、分割噴射と呼ばれる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、燃料噴射式内燃機関の制御装置として、機関始動から始動直後の冷機時における燃焼改善のために、機関始動時には、通常運転時に比して燃料噴射手段に供給する燃料圧力を高め、機関１サイクル分の燃料噴射を複数回に分ける制御を行うことが開示されている。このようにすることで、機関始動時に燃料の微細化を行い、壁面付着燃料量を最小限にとどめることができると述べられている。
【０００４】
また、特許文献２には、ディーゼルエンジンの燃焼制御装置として、燃焼室に燃料を噴霧するとき燃料噴霧が燃焼室内の空気中を進行する貫徹力Ｓｐが広安の式で記述される燃料噴霧の到達距離で表されることが述べられている。ここでは、広安の式が、Ｓｐ＝Ｓｐｂ＋２．９５（ΔＰ×１０6／ρｆ）0.25×｛Ｄｎ×（ｔ−ｔｂ）｝0.5として示されている。ΔＰは雰囲気圧力と噴射圧力との差圧（ＭＰａ）、ρｆは軽油密度（ｋｇ／ｍ3）、Ｄｎは噴口径（ｍｍ）、ｔは噴射開始後の時間である。
【０００５】
そして、貫徹力が大きくなりすぎないようにするには、燃料噴射弁の継続開弁時間を短くするか、燃料噴射圧力を低くするが、前者の方法を取るとき、エンジンの要求トルクによってはこれに見合う分量の燃料を１回の継続開弁時間では噴射しきれないときがあるので、そのときは燃料を複数回に分割して噴射することが述べられている。このようにすることで、気筒の１回の燃焼サイクルで供給する燃料の量が大きくても、分割された１回ごとの継続開弁時間が短くなり、個々の燃料噴霧の貫徹力が小さくなるので、燃料の壁面付着を防止できると述べられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３３６５０９号公報
【特許文献２】特開２００３−２８６８７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、例えば広安の式を用いて、燃料噴射のときに燃料が燃焼室内の壁面に付着することを抑制することが行われる。ところで、内燃機関において燃焼室の壁面が十分に暖まっているときには、壁面に燃料の噴霧が衝突しても、噴霧の蒸発気化が速いので、これにより混合が促進され燃焼が活発になり、燃料の壁面への付着は問題にならない。このように燃焼室の壁面が十分に暖まっている状態は、温間と呼ばれることがある。これに対し、燃焼室の壁面が十分に暖まっていない冷間のときは、壁面の温度が低いため、燃料噴霧は気化せず液相の状態で付着する。なお、温間か冷間かの判断に、内燃機関の冷却水の水温を用いることができる。したがって、冷間の場合は、壁面温度が低いので、蒸発気化が遅くなり、さらには燃焼室内で着火しても火炎が発達しないので、燃料噴霧の壁面付着が助長される。このように冷間の場合には、燃料付着と燃焼緩慢との間で負の循環が生じやすい。これを避けるために分割噴射が用いられる。その場合に、分割噴射の分割数をどのように設定するかについては、従来技術に述べられていない。
【０００８】
本発明の目的は、内燃機関の冷却水温が低い冷間のとき等に、分割噴射の分割回数を適切に設定することができる直接噴射型内燃機関の噴射制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る直接噴射型内燃機関の噴射制御装置は、直接噴射型内燃機関の燃料噴射弁からシリンダ内への内燃機関の１サイクル当り燃料噴射の噴霧の長さを基準として、燃料噴射弁から噴射燃料が衝突する壁面である衝突壁面までの距離を無次元化した無次元距離を算出する無次元距離算出手段と、内燃機関の１サイクルで行う燃料噴射の全体時間を同じとして、１サイクル当りの燃料噴射を複数回の分割回数に分割して行う分割噴射の場合に、１サイクル当り１回の燃料噴射で行うときに噴射された燃料が衝突壁面上で付着する長さを基準として、分割噴射によって噴射された燃料が衝突壁面上で付着する長さの合計を無次元化した無次元付着長さについて、分割回数と無次元距離の関係を予め算出する無次元付着長さ算出手段と、予め任意に設定された無次元付着長さ目標について、そのときの分割回数と無次元距離との関係に基き、１サイクル当り１回の燃料噴射のときの無次元距離に対応する分割回数を算出し、これを分割噴射の分割回数とする分割回数算出手段と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る直接噴射型内燃機関の噴射制御装置において、無次元距離算出手段は、噴射圧をＰとし、燃料噴射の噴射期間をτとしたときに、噴霧の長さＳがＳ＝αＰ0.25τ0.5で表せる広安の式に基いて、１サイクル当り１回の燃料噴射で行うときの噴霧の長さをＳ0とし、燃料噴射弁から衝突壁面までの距離をＬWALLとして、無次元距離ｘを、ｘ＝ＬWALL／Ｓ0として算出し、無次元付着長さ算出手段は、分割回数をｎとして、無次元付着長さｙをｙ＝（ｎ0.5−ｎｘ）／（１−ｘ）として算出することが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る直接噴射型内燃機関の噴射制御装置において、分割回数算出手段は、無次元付着長さｙを無次元付着長さ目標ｙTとして、ｙ＝（ｎ0.5−ｎｘ）／（１−ｘ）の関係から、分割回数ｎ＝ｉ回のときのｘであるｘi,yTを算出する手段と、内燃機関の予め定めた運転条件の下で１サイクル当り１回の燃料噴射で行うときのｘであるｘ0,yTを算出する手段と、ｘ0,yTが、ｎ＝２回のときのｘであるｘ2,yT以上のときは分割回数をｎ＝１回とし、ｘ0,yTがｘ2,yT未満であって、ｎ＝３回のときのｘであるｘ3,yT以上のときは分割回数をｎ＝２回とし、ｘ0,yTがｎ＝ｉ回のときのｘであるｘi,yT未満であり、ｎ＝（ｉ＋１）回のときのｘであるｘ(i+1),yT以上のときに、分割回数ｎをｉ回として算出する手段と、を含むことが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る直接噴射型内燃機関の噴射制御装置において、分割回数算出手段は、無次元付着長さ目標ｙT＝０として、ｙ＝（ｎ0.5−ｎｘ）／（１−ｘ）＝０の関係から、分割回数ｎ＝２回のときのｘであるｘ2,yT=0＝０．７１、ｎ＝３回のときのｘであるｘ3、yT=0＝０．５８、ｎ＝４回のときのｘであるｘ4、yT=0＝０．５０、ｎ＝５回のときのｘであるｘ5、yT=0＝０．４５と算出し、これらとｘ0、yT0=0との比較によって、分割回数ｎを算出することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
上記構成によって、直接噴射型内燃機関の噴射制御装置は、燃料噴射弁から衝突壁面までの距離について噴霧の長さを基準とする無次元距離を算出し、分割噴射によって噴射された燃料が衝突壁面上で付着する長さの合計について１回噴射のときの付着長さを基準とする無次元付着長さを求め、その無次元付着長さについて、分割回数と無次元距離の関係を予め算出しておく。そして、予め任意に設定された無次元付着長さ目標について、そのときの分割回数と無次元距離との関係に基き、１サイクル当り１回の燃料噴射のときの無次元距離に対応する分割回数を算出し、これを分割噴射の分割回数とする。このようにすることで、例えば、内燃機関が十分に温まって１サイクル当り１回の燃料噴射を行っているときと同じ衝突壁面上の燃料付着とする分割回数を求めることができる。したがって、例えば、内燃機関の温度が低いとき等に、このようにして求められた分割回数で分割噴射を行えば、内燃機関が十分に温まって１サイクル当り１回の燃料噴射を行っているときと同じ衝突壁面上の燃料付着とすることができる。このようにして、分割噴射の分割回数を適切に設定することができる。
【００１４】
また、直接噴射型内燃機関の噴射制御装置において、噴射圧をＰとし、燃料の噴射期間をτとしたときに、噴霧の長さＳがＳ＝αＰ0.25τ0.5で表せる広安の式を用い、ｎ回の分割噴射のときの全体時間を分割回数ｎにかかわらず同じとする条件で計算を進めると、無次元付着長さｙがｙ＝（ｎ0.5−ｎｘ）／（１−ｘ）として表される。そこで、この無次元付着長さを用いて、分割回数ｎを算出するものとできる。
【００１５】
また、直接噴射型内燃機関の噴射制御装置において、ｙ＝（ｎ0.5−ｎｘ）／（１−ｘ）の関係を用い、ｙを無次元付着長さ目標ｙTとして、分割回数ｎ＝ｉ回のときのｘであるｘi,yTを算出し、内燃機関の予め定めた運転条件の下で１サイクル当り１回の燃料噴射で行うときのｘであるｘ0,yTを算出し、これを比較して、ｘ0,yTが、ｎ＝２回のときのｘであるｘ2,yT以上のときは分割回数をｎ＝１回とし、ｘがｎ＝ｉ回のときのｘであるｘi,yT未満であり、ｎ＝（ｉ＋１）回のときのｘであるｘ(i+1),yT以上のときに、分割回数ｎをｉ回とする。このようにして、例えば、内燃機関の温度が低いとき等に、分割噴射の分割回数を適切に設定することができる。
【００１６】
また、直接噴射型内燃機関の噴射制御装置において、無次元付着長さ目標ｙT＝０として、ｙ＝（ｎ0.5−ｎｘ）／（１−ｘ）＝０の関係から、分割回数ｎ＝２回のときのｘであるｘ2、yT=0＝０．７１、ｎ＝３回のときのｘであるｘ3、yT=0＝０．５８、ｎ＝４回のときのｘであるｘ4、yT=0＝０．５０、ｎ＝５回のときのｘであるｘ5、yT-0＝０．４５と算出し、これらとｘ0、yT-0との比較によって、分割回数ｎを算出する。このようにして、例えば、内燃機関の温度が低いとき等に、分割噴射の分割回数を適切に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る実施の形態の噴射制御装置を含む直接噴射型内燃機関の噴射制御システムを示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態において、直接噴射型内燃機関の燃焼室付近の構造を説明する図である。
【図３】本発明に係る実施の形態において、１回噴射と、ｎ回分割噴射の関係を説明する図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、燃料の噴射期間と噴霧の長さとの関係を説明する図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、分割回数をパラメータとして、無次元距離と無次元付着長さの関係を説明する図である。
【図６】図５の拡大図を用いて、無次元付着長さについて無次元付着長さ目標をゼロとして、無次元距離が与えられたときの分割回数の設定の仕方を説明する図である。
【図７】本発明に係る実施の形態において、内燃機関の温度が低い場合の分割回数設定の手順を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、内燃機関として、ディーゼルエンジンを説明するが、分割噴射を行うことができる内燃機関であればよく、例えばガソリンエンジン等であってもよい。なお、内燃機関としては、気筒数、気筒の配置形式等、さまざまな仕様のものを含む。
【００１９】
また、以下では、燃焼室に関係する構成として、シリンダ、ピストン、吸気弁、排気弁、燃料噴射弁を説明するが、これは主要な要素を述べたものであって、内燃機関としては、勿論これ以外の要素を含む。例えば、ディーゼルエンジンの場合に過給機、ＥＧＲ、フローメータ等を含み、ガソリンエンジンの場合に点火プラグ、スロットルバルブ、ＥＧＲ、フローメータ等を含むが、これらの説明は単に省略しただけである。
【００２０】
なお、燃料噴射は、１つのメイン噴射の前後に、パイロット噴射、アフター噴射等の複数回の小噴射が行われることが多い。以下では、燃料噴射をメイン噴射に関するものとして説明するが、パイロット噴射、アフター噴射等で、燃料噴霧が燃焼室壁面等に付着する可能性がある場合には、本発明の適用が可能である。
【００２１】
また、以下では、燃料噴射の噴射距離を、噴射口からピストンの上面の中央部に設けられるキャビティと呼ばれるくぼみまでの距離として説明するが、これは燃料衝突壁面の代表例として述べたものである。燃料噴射の噴射距離は、これに限定されず、広く、燃料噴霧が衝突する壁面までの距離とすることができる。
【００２２】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２３】
図１は、直接噴射型内燃機関の噴射制御システム１０を示す図である。この噴射制御システム１０は、直接噴射型の内燃機関本体２０と、燃料噴射を制御する噴射制御装置５０を含んで構成される。この噴射制御システム１０は、ここでは特に、分割噴射の回数の制御を行う機能を有する。
【００２４】
内燃機関本体２０は、６気筒ガソリンエンジンであり、図１では、その１つの気筒の断面図が示されている。
【００２５】
ここでは、円筒形で上方に開口を有し内側にライナが圧入されているシリンダ２２と、シリンダ２２の天井部分を構成するヘッド部２４と、シリンダ２２の内部を摺動するピストン２６が示されている。ピストン２６の運動は、クランク角度θによって示すことができ、そのデータは、適当な信号線を介し、噴射制御装置５０に伝送される。ピストン２６は、円柱状の外形形状を有し、その上面の中央部にはキャビティ２８と呼ばれるくぼみを有する。
【００２６】
ピストン２６の上面とシリンダ２２とヘッド部２４とで囲まれる空間が燃焼室３０である。ヘッド部２４には、吸気路３２、吸気弁３４、排気路３６、排気弁３８、燃料噴射弁４０とその噴射口４２等が設けられる。吸気路３２の圧力は、エア圧力ＰAとして圧力センサによって検出され、検出信号は適当な信号線を介し、噴射制御装置５０に伝送される。また、燃焼室３０の温度は、シリンダ２２の冷却水温度ＴWによって示すことができ、そのデータは、適当な信号線を介し、噴射制御装置５０に伝送される。
【００２７】
燃料噴射弁４０は、燃焼室３０内に燃料を噴射する弁で、インジェクタとも呼ばれる。具体的には、噴射口４２を針弁で開閉するために開弁コイルを備える構造を有している。燃料を噴射しないときにおいては、針弁が噴射口４２を閉塞し、燃料を噴射するときは、針弁が移動して噴射口４２を開く。
【００２８】
アクチュエータ４４は、燃料噴射弁４０を駆動する駆動装置で、具体的には、上記のように針弁を噴射口４２に対して移動させる機能を有する。アクチュエータ４４の動作タイミングを制御することで、ピストン２６の動作の１サイクルで行う燃料噴射の回数を変更することができる。アクチュエータ４４の動作は、噴射制御装置５０によって制御される。
【００２９】
かかるアクチュエータ４４としては、ニードルと呼ばれる針弁の移動の立上がり速度、立下り速度が高速であることが望ましい。例えば、ピエゾ圧電素子を用いて電気信号でニードルを高速に移動駆動できるダイレクトピエゾインジェクタを用いることができる。もっとも、そこまでの高速性が要求されない場合には、励磁コイルと移動磁石と復帰バネとを用いる電磁駆動インジェクタを用いることができる。
【００３０】
高圧ポンプ４６は、燃料を圧縮して高圧燃料とし、燃料噴射弁４０に供給する機能を有する燃料供給源である。高圧ポンプ４６と燃料噴射弁４０との間には蓄圧部が設けられ、高圧燃料は一旦ここに蓄積される。蓄圧部の圧力は、燃料の元圧ＰIとして燃料圧センサによって検出され、検出された信号は適当な信号線を介し、噴射制御装置５０に伝送される。
【００３１】
図２は、内燃機関本体２０の燃焼室３０付近の構造を説明する図である。ここでは、燃料噴射弁４０の先端の開口部である噴射口４２と、噴射口４２から噴射燃料が衝突する壁面である衝突壁面までの距離ＬWALLとの関係が示されている。図２の左側の図は、ピストン２６が上死点近傍まで上がっている状態、右側の図は、左側の図に対し、ピストン２６が上死点から下がっている状態を示す。
【００３２】
噴射口４２から噴射される噴霧の広がりの挟み角度であるコーン角度は、例えば、約１５０度から約１５５度である。そこで、図２に示されるように、距離ＬWALLは、内燃機関本体２０のピストン２６の位置によって異なる大きさとなる。例えば、図２の左側の図では、噴射燃料が衝突する壁面は、ピストン２６のキャビティ２８のくぼみの最も外縁部のところである。図２の右側の図では、噴射燃料が衝突する壁面は、シリンダ２２の内壁となる。
【００３３】
燃料噴射の時期としては、図２の左側の図のように、噴射燃料が衝突する壁面が、ピストン２６のキャビティ２８のくぼみの内側に収まるようにされるのが一般的である。その場合には、距離ＬWALLの最大値として、噴射口４２からピストン２６のキャビティ２８のくぼみの最も外縁部までの距離を考えればよい。このようにキャビティ２８のくぼみ領域を衝突壁面の目安にする燃料噴射の時期よりも早く燃料噴射を行う早期噴射、遅く燃料噴射を行うポスト噴射の場合には、図２の右側の図のように、衝突壁面がシリンダ２２の内壁のライナとなる。
【００３４】
衝突壁面がシリンダ２２の内壁となる例として、密度の薄い燃料を早期に噴射し、十分に拡散して混合気を作ったあとに自着火させる予混合圧縮着火技術がある。予混合圧縮着火技術における早期噴射は、燃焼混合気がリーン化しているので、ＮＯｘもスートも少ないという利点がある。一方でこの早期噴射は燃料の密度が薄いので、噴霧がよく飛び、衝突壁面がシリンダ２２の内壁のライナとなることが多くなる。この場合には、距離ＬWALLを図２の右側の図のように考えればよい。
【００３５】
衝突壁面がシリンダ２２の内壁となるもう1つの例は、噴射時期を上死点からかなり遅角側にとるポスト噴射がある。これは、吸蔵還元型のＮＯｘ触媒の還元のために還元剤としてのＴＨＣ、ＣＯを供給するための噴射、また、ＤＰＦで捕集したスートを再生するために排ガス温度を直接的に上昇させるための噴射、ＴＨＣ、ＣＯを供給して酸化触媒内でガスを昇温させるための噴射である。これらは噴射時期が、上死点からかなり遅角側であるので、衝突壁面がシリンダ２２の内壁のライナとなる。この場合にも、距離ＬWALLを図２の右側の図のように考えればよい。
【００３６】
このＬWALLは、燃料噴射弁４０から、噴射された燃料が衝突する衝突壁面までの距離であるので、燃料噴射弁４０から噴射された燃料が衝突壁面に付着するか否か等を検討するときに、このＬWALLと、燃料の噴霧の長さとを比較するのが、最も分かりやすい。ＬWALLと、燃料の噴霧の長さの関係については、後述する。
【００３７】
再び図１に戻り、噴射制御装置５０は、燃料噴射弁４０の動作の制御に関連して内燃機関本体２０を構成する各要素の動作を全体として制御する機能を有する制御装置である。ここでは、特に、分割噴射の回数の制御を行う機能を有する。かかる噴射制御装置５０は、車両の搭載に適したコンピュータ等で構成することができる。噴射制御装置５０の機能を、他の車両搭載制御装置の機能の一部としてもよい。例えば、噴射制御装置５０の機能を、図示されていないエンジンＥＣＵの機能の一部とすることができる。
【００３８】
噴射制御装置５０は、無次元距離算出処理部５２と、無次元付着長さ算出処理部５４と、分割回数算出処理部５６とを含んで構成される。
【００３９】
ここで、無次元距離算出処理部５２は、内燃機関の１サイクル当り１回の燃料噴射の噴霧の長さを基準として、燃料噴射弁から噴射燃料が衝突する壁面である衝突壁面までの距離ＬWALLを無次元化した無次元距離を算出する手段である。
【００４０】
また、無次元付着長さ算出処理部５４は、内燃機関の１サイクルで行う燃料噴射の全体時間を同じとして、１サイクル当りの燃料噴射を複数回の分割回数に分割して行う分割噴射の場合に、１サイクル当り１回の燃料噴射で行うときに噴射された燃料が衝突壁面上で付着する長さを基準として、分割噴射によって噴射された燃料が衝突壁面上で付着する長さの合計を無次元化した無次元付着長さについて、分割回数と無次元距離の関係を予め算出する手段である。
【００４１】
また、分割回数算出処理部５６は、予め任意に設定された無次元付着長さ目標を無次元付着長さとして、そのときの分割回数と無次元距離との関係に基き、１サイクル当り１回の燃料噴射のときの無次元距離に対応する分割回数を算出し、これを分割噴射の分割回数とする分割回数算出手段である。
【００４２】
かかる機能は、ソフトウェアによって実現でき、具体的には、エンジン制御プログラムの燃料噴射分割回数設定処理手順に対応する部分を実行することで実現できる。かかる機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。
【００４３】
上記構成の作用について、特に噴射制御装置５０の各機能の内容について、図３から図７を用いて詳細に説明する。
【００４４】
図３は、１回噴射と、ｎ回分割噴射の関係を説明する図である。横軸は時間で、上段が１回噴射、下段がｎ回の分割噴射である。ここで、１回噴射とは、内燃機関の１サイクルで行う燃料噴射の回数が１回の場合で、ｎ回噴射とは、内燃機関の１サイクル当りの燃料噴射をｎ回に分割して行う場合である。ここでの燃料噴射とは、内燃機関のトルク発生に貢献する燃料噴射であるメイン噴射のことを指す。メイン噴射の前後に行われるパイロット噴射、アフター噴射等においても、以下で説明する分割回数の最適化を適用できるが、以下では、特に断らない限り、メイン噴射について説明する。
【００４５】
図３で、１回噴射のときの噴射圧をＰ0（ＭＰａ）、燃料の噴射期間をτ0（ｓ）、燃料の噴射量をＱ0（ｍ3）として示し、ｎ回噴射のときの噴射圧をＰ（ＭＰａ）、燃料の噴射期間をτ（ｓ）、燃料の噴射量をＱ（ｍ3）として示してある。ここで、燃料密度をρ（ｋｇ／ｍ3）とすると、１回噴射のときの噴射速度ｖ0は、次の式（１）で求めることができる。
【数１】
0005551506.tif 000002
ここで、ｃVは、速度係数と呼ばれるもので、実験等で予め求めることができる。
【００４６】
この式（１）を用い、噴射口４２の直径をｄとして、１回噴射のときの燃料の噴射期間τ0は、次の式（２）で求めることができる。
【数２】
0005551506.tif 000003
ここで、ｃCは、収縮係数と呼ばれるもので、実験等で予め求めることができる。なお、ｎ回噴射のときの燃料の噴射期間τも、式（２）で、Ｐ0をＰ、τ0をτ、Ｑ0をＱと置き換えることで、同様に求めることができる。ここで、係数Ｃは、次の式（３）で与えられる。
【数３】
0005551506.tif 000004
【００４７】
図３に示されるように、分割噴射の場合には、隣接する燃料噴射の間に燃料噴射を行わない期間Δｔが設けられる。この期間Δｔは、分割噴射の燃料の噴射期間のそれぞれをτとすると、τに予め設定された係数ｒを乗じた値であるｒτを用いることができる。ここで、係数ｒは、０を超え、１以下の範囲で設定することができる。
【００４８】
分割噴射の燃料の噴射期間τは、内燃機関の１サイクルで行う燃料噴射の全体時間を同じとして、１サイクル当りの燃料噴射を複数回の分割回数に分割するようにして、設定される。このようにすることで、内燃機関としては、１回噴射のときの燃費と、ｎ回噴射の分割噴射のときの燃費とを同じにできる。すなわち、分割噴射は、１回噴射と燃費を同じにする条件の下で実行される。
【００４９】
図３の場合、１回噴射のときの燃料の噴射期間がτ0で示されているので、このτ0が内燃機関の１サイクルで行う燃料噴射の全体時間に相当することになる。したがって、上記条件を満たすτ0とτの関係は、次の式（４）で示される。
【数４】
0005551506.tif 000005
【００５０】
式（４）に式（２）を適用して、次の式（５）が得られる。
【数５】
0005551506.tif 000006
【００５１】
この式（５）を変形して、次の式（６）と式（７）が得られる。
【数６】
0005551506.tif 000007
【数７】
0005551506.tif 000008
【００５２】
そして、式（６）と式（７）から、次の式（８）が得られる。
【数８】
0005551506.tif 000009
【００５３】
この式（６）と式（８）とが、内燃機関の１サイクルで行う燃料噴射の全体時間を同じとして、１サイクル当りの燃料噴射をｎ回の分割回数に分割するようにしたときの、１回噴射とｎ回噴射の関係を示す基本式である。
【００５４】
次に、燃料の噴射期間と噴射圧と噴霧の長さとの関係について述べる。ここで、噴霧の長さとは、燃料噴射弁４０から燃焼室３０に向けて燃料が噴射されたときの燃料噴霧の長さである。この関係については、特許文献２で述べられている広安の式が広く知られている。広安の式は、一般的に、燃料噴霧の長さをＳ（ｍ）とし、雰囲気圧力と噴射圧力との差圧をΔＰ（ＭＰａ）とし、燃料密度をρa（ｋｇ／ｍ3）とし、噴射口径をｄ0（ｍｍ）とし、は噴射開始後の時間をｔ（ｓ）として、次の式（９）で与えられる。
【数９】
0005551506.tif 000010
【００５５】
これを書き直すと、広安の式は、次の式（１０）で一般的に表すことができる。
【数１０】
0005551506.tif 000011
ここで、係数αは、次の式（１１）で示される。
【数１１】
0005551506.tif 000012
【００５６】
図４は、広安の式を模式的に示す図で、横軸には噴射開始後の時間であるｔに対応するものとして、図３で説明したｎ回噴射のときの燃料の噴射期間τがとられ、縦軸には、燃料噴霧の長さを噴霧の長さＳとしてとってある。この例では、ｎ回噴射のときの燃料の噴射期間τにおける噴霧の長さＳは、図２で説明したＬWALLよりも長くなっており、その差がΔＳで示されている。したがって、このΔＳは、噴射された燃料が衝突壁面上で付着する長さに相当することになる。図２で説明したように、衝突壁面はピストン２６の上面の場合もあり、シリンダ２２の内面の場合もあるので、ΔＳは、ピストン２６の上面において燃料が付着した長さ、またはシリンダ２２の内壁において燃料が付着した長さ、またはピストン２６の上面とシリンダ２２の内壁に燃料がそれぞれ付着した長さである。図４から分かるように、燃料の噴射期間τが長いほど、燃料が付着する長さが長くなる。
【００５７】
ｎ回噴射のときの噴霧の長さＳと、１回噴射のときの噴霧の長さＳ0との関係は、式（１０）を用いて、次の式（１２）のように示される。
【数１２】
0005551506.tif 000013
【００５８】
次に、１回噴射からｎ回噴射にしたときのΔＳの変化の計算について述べる。ΔＳの変化としては、１サイクル当り１回の燃料噴射で行うときに噴射された燃料が衝突壁面上で付着する長さをＹ0＝ΔＳ0とし、分割噴射の各回の燃料噴射によって噴射された燃料が衝突壁面上で付着する長さをΔＳとして、ｎΔＳ／ΔＳ0で評価することができる。ｎΔＳ＝Ｙとすると、Ｙは、分割噴射のｎ回の燃料噴射によって噴射された燃料が衝突壁面上で付着する長さの合計に相当する。そこで、ΔＳの変化を示すものとして、Ｙ0＝ΔＳ0を基準としてＹを無次元化した無次元付着長さｙとして、次の式（１３）で示される値を用いることができる。
【数１３】
0005551506.tif 000014
【００５９】
式（１３）の分母と分子をそれぞれＳ0で除して次の式（１４）を得る。
【数１４】
0005551506.tif 000015
【００６０】
式（１４）に式（１２）を適用すると、次の式（１５）が得られる。
【数１５】
0005551506.tif 000016
【００６１】
ここで、次の式（１６）で定義されるｘを用いることにする。
【数１６】
0005551506.tif 000017
式（１６）で示されるｘは、１回噴射のときにおける燃料噴射弁４０から燃焼室３０内への燃料噴射の噴霧の長さＳ0を基準として、燃料噴射弁４０から噴射燃料が衝突する壁面である衝突壁面までの距離であるＬWALLを無次元化したものであるので、これを無次元距離と呼ぶことができる。図４の例のような場合、ｘは、０を超え、１未満である。なお、ｘ＝１のときは、Ｓ0＝ＬWALLで、噴射燃料が衝突壁面にぎりぎりで到達する場合で、燃料付着が生じない限界に相当する。
【００６２】
この式（１６）を用いて式（１５）を書き直すと、次の式（１７）を得る。この式（１７）が、無次元付着長さについて、分割回数と無次元距離の関係を示す関係式である。
【数１７】
0005551506.tif 000018
【００６３】
図５は、式(１７)を実際に計算した結果を示す図である。ここでは、分割回数ｎをパラメータとして、横軸に無次元距離ｘをとり、縦軸に無次元付着長さｙをとり、これらの関係が示されている。
【００６４】
この図５を用いて、内燃機関の予め定めた運転条件のときを基準として、その基準運転条件のときの内燃機関の１サイクル当り１回の燃料噴射を行っているときと同じ衝突壁面上の燃料付着とする分割回数を求めることができる。予め定めた運転条件の一例としては、内燃機関が十分に温まって燃料付着が問題とならない温間状態を用いることができる。勿論、温間状態以外の運転状態を基準としてもよい。以下では、内燃機関が十分に温まっている温間状態を基準に取ることにして説明を続ける。
【００６５】
ここで、内燃機関が十分に温まって１サイクル当り１回の燃料噴射を行っているときと同じ衝突壁面上の燃料付着とするということは、無次元付着長さｙを無次元付着長さ目標ｙT＝０として、そのときの式（１７）のｘとｎの関係から、分割回数ｎ＝ｉ回のときの無次元距離ｘを求める。この値をｘi,yT=0とすると、このｘi,yT=0は、内燃機関が十分に温まっているときの無次元距離ｘをｘ0,yT=0として、ｘ0,yT=0よりも小さくなければならない。もしｘi,yT=0がｘ0,yT=0よりも大きければ、ｘi,yT=0がｘ0,yT=0よりも小さくなるまで、分割回数を増やす。このようにして、適切な分割回数を設定することができる。
【００６６】
その様子について、図６を用いて説明する。図６は、図５の一部拡大図であって、ｙが０から１の範囲にとられている。上記のように、無次元付着長さ目標ｙT＝０とすると、このときのｘとｎの関係は、分割回数ｎ＝２回のときのｘであるｘ2,yT=0＝０．７１、ｎ＝３回のときのｘであるｘ3,yT-0＝０．５８、ｎ＝４回のときのｘであるｘ4,yT=0＝０．５０、ｎ＝５回のときのｘであるｘ5,yT=0＝０．４５と算出される。
【００６７】
ここで、内燃機関が十分に温まっているときの無次元距離ｘをｘ0,yT=0として、ｘ0,yT=0が、ｎ＝２回のときのｘであるｘ2,yT=0＝０．７１以上のときは分割回数をｎ＝１回とする。ｘ0,yT=0がｘ2,yT=0＝０．７１未満であって、ｎ＝３回のときのｘであるｘ3,yT=0＝０．５８以上のときは分割回数をｎ＝２回とする。ｘ0,yT=0がｘ3,yT=0＝０．５８未満であって、ｎ＝４回のときのｘであるｘ4,yT=0＝０．５０以上のときは、分割回数をｎ＝３回とする。ｘ0,yT=0がｘ3,yT=0＝０．５０未満であって、ｎ＝５回のときのｘであるｘ5,yT=0＝０．４５以上のときは、分割回数をｎ＝４回とする。以下、ｘ0,yT=0がｎ＝ｉ回のときのｘであるｘi,yT=0未満であり、ｎ＝（ｉ＋１）回のときのｘであるｘ(i+1),yT=0以上のときに、分割回数ｎをｉ回とする。
【００６８】
図７は、図６で説明した内容をまとめ、内燃機関の温度が低い場合の分割回数設定の手順を説明するフローチャートである。各手順は、エンジン制御プログラムの各処理手順にそれぞれ対応する。
【００６９】
エンジン制御プログラムの燃料噴射分割回数設定処理手順に対応する部分が立上ると、まず、内燃機関が十分に温まっているときの無次元距離ｘ＝ＬWALL／Ｓ0が算出される（Ｓ１０）。この手順は、噴射制御装置５０の無次元距離算出処理部５２の機能によって実行される。内燃機関が十分に温まっているときの無次元距離とは、分割噴射するときの基準となる状態の無次元距離であって、どの程度内燃機関が温まっているかよりも、基準となる状態の無次元距離をどのように設定するかにＳ１０の意味がある。
【００７０】
次に、算出された無次元距離ｘが、予め算出された値と比較される（Ｓ１２）。予め算出された値とは、式（１７）において、無次元付着長さｙを無次元付着長さ目標ｙTとおいて、ｙ＝ｙT＝（ｎ0.5−ｎｘ）／（１−ｘ）の関係から、分割回数ｎ＝ｉ回のときのｘであるｘi,yTを求めたｘi,yT=0のことである。無次元付着長さについて、分割回数と無次元距離の関係を予め算出する手順は、噴射制御装置５０の無次元付着長さ算出処理部５４の機能によって実行される。
【００７１】
図６で説明したように、ｙT＝０のときは、分割回数ｎ＝２回のときのｘであるｘ2,yT=0＝０．７１、ｎ＝３回のときのｘであるｘ3,yT=0＝０．５８、ｎ＝４回のときのｘであるｘ4,yT=0＝０．５０、ｎ＝５回のときのｘであるｘ5,yT=0＝０．４５と算出される。なお、ｎ＝６回のときのｘであるｘ5,yT=0＝０．４１等、さらにｎが大きい値でも、式（１７）においてｙ＝ｙT＝０とおいたときのｘi,yT=0＝ｎ-0.5から簡単に算出できる。
【００７２】
Ｓ１２の比較処理は、図６で説明したように、１回の燃料噴射のときのｘであるｘ0,yT=0がｎ＝２回のときのｘであるｘ2,yT=0以上のときは分割回数ｎを１回とし、ｎ＝３回以上については、ｎ＝ｉ回のときのｘであるｘi,yT=0未満であり、ｎ＝（ｉ＋１）回のときのｘであるｘ(i+1),yT=0以上のときに、分割回数ｎをｉ回とする方法で行われる。
【００７３】
そして、算出された分割回数ｎがｎ＝１か否かが判断され（Ｓ１４）、肯定されるときは、分割回数ｎが１回として確定する。否定されるときは、制約条件を満たすか否かが判断される（Ｓ１６）。
【００７４】
ここでいう制約条件は、分割噴射を許可するための条件である。この制約条件の１つとしては、噴射圧力Ｐの制約として、式（６）で算出されるＰが高すぎないことがある。例えば、噴射圧力を決める高圧ポンプ４６等のハード的な制約以下であるか、燃焼騒音が高くなりすぎないか、高圧ポンプ等の制約以下であるか等である。もう１つは燃料の噴射期間τの制約として、式（７）で算出されるτが短すぎないことがある。これは、アクチュエータ４４の応答速度等のハード的な制約以下であるか等である。
【００７５】
また、燃料噴射弁４０のアクチュエータ４４において、ニードルと、これに向かい合うニードルシートとの間に実質的にオリフィスが形成されるシートチョークを考慮する必要がある。シートチョークは、燃料の通る流路を狭めるので、圧力が降下し、燃料の微粒子化が悪くなり、混合気の形成が遅くなり、エミッションが悪化する。シートチョークは、噴射回数ｎの２倍生じるので、ｎが大きくなるほど、シートチョークの影響がでてくる。このように、噴射回数ｎにも制約が生じてくる。なお、ダイレクトピエゾインジェクタを用いる場合のように、ニードルが高速で微小量移動するときには、このチョーク期間が短いので、シートチョークの影響が少なくなる。
【００７６】
Ｓ１６で判断が否定されると、Ｓ１２で算出された分割回数を１つ少なくし、再びＳ１４とＳ１６の判断が繰り返される。Ｓ１６の判断が肯定されると、そのときの分割回数ｎで、分割噴射の分割回数が設定される（Ｓ２０）。ここまでの分割回数設定の手順は、噴射制御装置５０の分割回数算出処理部５６の機能によって実行される。このようにして、内燃機関が十分温まっていないときに行われる分割噴射の分割回数が適切に設定される。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明に係る直接噴射型内燃機関の噴射制御装置は、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等に利用できる。
【符号の説明】
【００７８】
１０  噴射制御システム、２０  内燃機関本体、２２  シリンダ、２４  ヘッド部、２６  ピストン、２８  キャビティ、３０  燃焼室、３２  吸気路、３４  吸気弁、３６  排気路、３８  排気弁、４０  燃料噴射弁、４２  噴射口、４４  アクチュエータ、４６  高圧ポンプ、５０  噴射制御装置、５２  無次元距離算出処理部、５４  無次元付着長さ算出処理部、５６  分割回数算出処理部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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