(57)【要約】【課題】少なくともメイン噴射とポスト噴射とを実行するようにした筒内噴射式の内燃機関１において、ポスト噴射による燃料の気筒壁面への付着を減らすとともに、その燃料が気筒１ａ内で燃焼することも抑制し、排気系の浄化装置などに十分な量の未燃燃料を供給できるようにする。【解決手段】ポスト噴射による燃料が着火しない範囲において最進角時期となるように、その噴射時期を制御する制御手段（例えばＥＣＵ３０）と、気筒１ａ内の酸素濃度を調整する酸素濃度調整手段（例えばＥＧＲ通路１３、ＥＧＲバルブ１４）と、を備える。前記制御手段は、最進角時期でもポスト噴射燃料の気筒壁面への付着量が多くなると判定すれば（ステップＳＴ１１）、気筒１ａ内の酸素濃度を低下させるとともに（ステップＳＴ１３，１４）、ポスト噴射の時期をさらに進角させる（ステップＳＴ１２）。【選択図】図６
2014055551.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内に直接、燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、この燃料噴射弁により少なくともメイン噴射とポスト噴射とを実行するようにした内燃機関の制御装置であって、
前記ポスト噴射による燃料が着火しない範囲において最進角時期となるように、当該ポスト噴射の時期を制御する制御手段と、
前記気筒内の酸素濃度を調整する酸素濃度調整手段と、を備え、
前記制御手段は、前記ポスト噴射による燃料の気筒壁面への付着量が所定以上に多くなるか否か判定し、前記最進角時期でも壁面付着量が所定以上に多くなると判定すれば、前記酸素濃度調整手段によって気筒内の酸素濃度を低下させるとともに、ポスト噴射の時期をさらに進角させる構成としたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
前記制御手段は、前記ポスト噴射による燃料の噴霧内の当量比および温度状態を推定して、この燃料の噴霧が着火するか否か判定し、着火すると判定すればポスト噴射の時期を遅角側に補正する一方、着火しないと判定すれば進角側に補正する構成である、内燃機関の制御装置。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、
前記制御手段は、前記ポスト噴射による燃料の飛翔距離および噴孔から気筒壁面までの距離に基づいて、壁面付着量が所定以上に多くなるか否か判定する構成である、内燃機関の制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置において、
前記制御手段は、前記酸素濃度調整手段によって気筒内の酸素濃度を低下させる際に、前記ポスト噴射による燃料の噴霧内の当量比が可燃範囲外になるように酸素濃度を低下させる構成である、内燃機関の制御装置。
【請求項５】
請求項４に記載の内燃機関の制御装置において、
前記酸素濃度調整手段は、内燃機関の排気通路から排気ガスの一部を吸気通路へ還流させるとともに、その還流ガス量を調整することによって、気筒内への吸気の酸素濃度を調整する構成である、内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気筒内に直接、燃料を噴射するようにした内燃機関の制御装置に係り、特に、気筒の膨張行程で行うポスト噴射の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ディーゼルエンジンのように気筒内に直接、燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、機関トルクを生成するためのメイン噴射を気筒の圧縮上死点近傍で行うとともに、その後の膨張行程においてアフター噴射やポスト噴射を行うようにした内燃機関は公知である。一般的にアフター噴射による燃料の多くは気筒内で燃焼する一方、ポスト噴射による燃料は燃焼せずに排気系に流出し、排気浄化装置などの機能を回復させるための制御に利用される。
【０００３】
例えば特許文献１に記載の燃料噴射制御装置においては、メイン噴射直後に燃え残った燃料やＰＭを再燃焼させるために、アフター噴射を行うとともに、その燃焼に由来するトルクの変動が小さくなるよう、アフター噴射の時期を進角または遅角させるようにしている。また、スモークの生成を抑制するという観点から、着火遅れ期間に基づいて進角補正量にガード値を設定する一方、燃料の気筒壁面への付着を抑制するという観点から、遅角補正量にガード値を設定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１８５３３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら前記従来例の技術は、本来、気筒内で燃焼させるアフター噴射燃料の燃焼状態を好適なものとして、トルクの変動やスモークの生成を抑制しながら、燃料の気筒壁面への付着も抑制するというものであって、本来、気筒内では燃焼させないポスト噴射の制御に関するものではない。
【０００６】
アフター噴射に比べて遅角側で噴射するポスト噴射の場合は、できるだけ気筒壁面への付着量を少なくするために噴射時期を進角させたいという要求はあるが、その結果として燃料の一部が気筒内で燃焼すると、その分は排気系に流出する未燃燃料の量が少なくなってしまい、排気浄化装置の機能を回復させるという効果は低下することになる。
【０００７】
かかる点に鑑みて本発明の目的は、ポスト噴射による燃料の気筒壁面への付着を減らすとともに、その燃料が気筒内で燃焼することも抑制して、排気系の浄化装置などに十分な量の未燃燃料を供給できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するために本発明では、まず、燃料が着火しない範囲における最進角時期となるように、ポスト噴射の時期を制御するとともに、それでも燃料の気筒壁面への付着量が多くなる場合には、気筒内の酸素濃度を低下させることによって燃料の着火を抑えながら、ポスト噴射の時期をさらに進角させるようにした。
【０００９】
−解決手段−
具体的に本発明は、気筒内に直接、燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、この燃料噴射弁により少なくともメイン噴射とポスト噴射とを実行するようにした内燃機関の制御装置を対象とする。そして、前記ポスト噴射による燃料が着火しない範囲において最進角時期となるように、当該ポスト噴射の時期を制御する制御手段と、前記気筒内の酸素濃度を調整する酸素濃度調整手段と、を備え、前記制御手段は、前記ポスト噴射による燃料の気筒壁面への付着量が所定以上に多くなるか否か判定して、前記最進角時期でも壁面付着量が所定以上に多くなると判定すれば、前記酸素濃度調整手段によって気筒内の酸素濃度を低下させるとともに、ポスト噴射の時期をさらに進角させる構成とした。
【００１０】
この特定事項により、内燃機関の運転中には制御手段によって、機関トルクを制御するためのメイン噴射とその後のポスト噴射とが少なくとも実行されるとともに、そのポスト噴射の時期は、噴射した燃料が着火しない範囲において最進角時期に制御される。よって、ポスト噴射した燃料は着火せず、十分な量が排気系の浄化装置などに供給されるとともに、ポスト噴射の時期が進角寄りに制御されているので、噴射された燃料の気筒壁面への付着も減らすことができる。
【００１１】
さらに、そうしてポスト噴射の時期を進角寄りにしていても燃料の壁面付着量が多くなる場合（例えばポスト噴射量の多いとき）には、気筒内の酸素濃度を低下させることによって燃料が着火し難い状態にし、ポスト噴射の時期はさらに進角させることで燃料の壁面付着をより一層、減らすことができる。つまり、ポスト噴射による燃料の気筒壁面への付着を狙い通り十分に抑制しながら、その燃料が気筒内で燃焼することも抑制でき、排気系の浄化装置などに十分な量の未燃燃料を供給して、その機能を効果的に回復させることができる。
【００１２】
なお、前記制御手段は、ポスト噴射の時期だけでなく、燃料の噴射圧力を変更するようにしてもよいし、ポスト噴射を複数回に分割して行う場合にはその分割数を変更するようにしてもよい。すなわち、燃料の噴射圧力を低下させたり、噴射を分割して行うようにすれば、燃料噴霧の貫徹力を低下させて、気筒壁面への付着を減らすことができる。
【００１３】
また、前記制御手段は、ポスト噴射された燃料の噴霧内の当量比および温度状態を推定して、この燃料噴霧が着火するか否か判定し、着火すると判定すればポスト噴射の時期を遅角側に補正する一方、着火しないと判定すれば進角側に補正する構成としてもよい。こうすれば、ポスト噴射による燃料が着火するか否か正確に判定し、着火しない範囲における最進角時期に制御することができる。
【００１４】
なお、燃料噴霧内の当量比は、燃料噴射弁の噴射特性に燃料噴射量や噴射圧力などの噴射条件、さらには噴射時の気筒内の温度や圧力なども加味して、燃料噴霧の貫徹力や噴霧角から算出することができる。気筒内の温度状態は、ポスト噴射よりも前に行われる燃料噴射の噴射条件などからその発熱量を予測して（先行する燃料噴射の噴霧特性や筒内温度の履歴も加味することが好ましい）、ポスト噴射の際の気筒内温度を予測することができる。
【００１５】
また、ポスト噴射した燃料の壁面付着量については前記制御手段は、ポスト噴射による燃料の飛翔距離および噴孔から気筒壁面までの距離に基づいて、壁面付着量が所定以上に多くなるか否か判定することができる。すなわち、燃料噴射弁の噴孔から噴出する燃料の質量および速度と、気筒内の温度および密度とに基づいて、微小な単位時間における燃料の飛翔距離を算出し、この飛翔距離が噴孔から気筒壁面までの距離以上である時間内において、気筒壁面に到達する燃料の量を積算すればよい。
【００１６】
また、前記制御手段は、酸素濃度調整手段によって気筒内の酸素濃度を低下させる際に、ポスト噴射された燃料の噴霧内の当量比が可燃範囲外になるように酸素濃度を低下させることが好ましい。こうすれば、ポスト噴射の時期を前記の最進角時期よりも進角させたときに、気筒内の温度が燃料噴霧の着火温度以上に高い状態であっても、ポスト噴射による燃料の着火をほぼ阻止することができる。
【００１７】
そうして酸素濃度を低下させるために、気筒内に残留する既燃ガス量を増大させたり、一旦、排気系に排出した既燃ガス（排気ガス）を吸い戻したりすることも考えられるが、好ましくは前記酸素濃度調整手段は、内燃機関の排気通路から排気ガスの一部を吸気通路へ還流させるとともに、その還流ガス量を調整することによって、気筒内への吸気の酸素濃度を調整する構成とすればよい。
【００１８】
すなわち、排気通路から吸気通路へ還流させる排気ガスは、気筒内に残留する既燃ガスや排気系から吸い戻した排気ガスよりも温度が低くなるので、気筒内の酸素濃度を低下させるために還流させる排気ガス量を増やしても、これに伴う気筒内温度の上昇は相対的に小さくなって、ポスト噴射した燃料の着火を抑制する上で有利になる。還流させる途中で排気ガスを冷却するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る内燃機関の制御装置によると、メイン噴射の後で行うポスト噴射の時期を燃料の着火しない範囲において最進角時期に制御するとともに、それでも燃料の壁面付着量が多くなると判定すれば、気筒内の酸素濃度を低下させることによって燃料の着火を抑制し、ポスト噴射の時期をさらに進角させるようにした。これにより、ポスト噴射した燃料の気筒壁面への付着をより一層、少なくして、オイル希釈を十分に抑制しながら、排気系の浄化装置などに十分な量の未燃燃料を供給してその機能を効果的に回復させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態に係る機関制御システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】ポスト噴射について示す気筒内の縦断面図である。
【図３】メイン噴射やポスト噴射など、燃料の噴射形態を模式的に示す説明図である。
【図４】燃料噴霧内の混合気温度の計算値と実験値とを対比して示すグラフ図である。
【図５】ポスト噴射の制御ルーチンの前半部を示すフローチャート図である。
【図６】同制御ルーチンの後半部を示すフローチャート図である。
【図７】ポスト噴射の時期が変化したときの燃料噴霧内の混合気温度、当量比、オイル希釈率およびＤＰＦ床温の変化を、互いに関連づけて示すグラフ図である。
【図８】ＥＧＲ制御によって気筒内の酸素濃度を低下させるようにした場合の図７相当図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００２２】
−内燃機関の全体構成−
図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関１およびその制御システムの全体構成を示す模式図である。この内燃機関１は、一例として４つの気筒１ａ，１ａ，…を備えた筒内噴射式のディーゼルエンジンであり、一列に並んだ気筒１ａ，１ａ，…を取り囲むように冷却水流路（ウォータジャケット）１ｂが形成されている。この冷却水流路１ｂには、冷却水の水温に応じた信号を出力する水温センサ２１が配設されている。
【００２３】
各気筒１ａ内には、図２に拡大して示すようにピストン２が配置され、気筒１ａの上端を閉ざすシリンダヘッド３との間に燃焼室が区画されている。また、ピストン２の頂部には、燃焼室の一部を構成するキャビティ２ａが凹設されている。ピストン２はコネクティングロッド４，４，…を介してクランクシャフト５に連結されており、その近傍には、クランクシャフト５が所定角度だけ回転する度にパルス信号を発信するクランク角センサ２２が配設されている。
【００２４】
また、図２にのみ示すが各気筒１ａ毎に、シリンダヘッド３には吸気ポート３ａおよび排気ポート３ｂが形成され、それぞれ吸気バルブ３ｃ、排気バルブ３ｄによって開閉されるようになっている。吸気ポート３ａおよび排気ポート３ｂの間には、燃焼室の天井部から気筒１ａ内に臨んで燃料噴射弁６，６，…が配設されており、その先端部（図の下端部）の複数の噴孔から気筒１ａ内の外周側に向かって、やや下方に伸びるように燃料噴霧Ｓを形成する。
【００２５】
また、図１に示すように各気筒１ａの燃料噴射弁６は、燃料蓄圧容器であるコモンレール７に接続されていて、このコモンレール７にはその内圧（燃料圧力）を検出するコモンレール圧センサ２３が配設されている。コモンレール７には燃料配管を介して昇圧ポンプ８が接続されていて、燃料タンク９の燃料が昇圧ポンプ８により昇圧されてコモンレール７に供給されるようになっている。
【００２６】
こうしてコモンレール７に蓄えられている高圧の燃料が各気筒１ａの燃料噴射弁６に分配されて、前記のようにその噴孔から気筒１ａ内に噴射される。この燃料噴射弁６の動作制御は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０によりＥＤＵ（Electrical Driving Unit）４０を介して行われる。ＥＤＵ４０は、ＥＣＵ３０からの制御信号に基づいて燃料噴射弁６の電磁アクチュエータを動作させる周知の駆動回路で構成されている。
【００２７】
また、内燃機関１の一側（図１の上側）には吸気マニホールド１０およびスロットルバルブ１１を含む吸気系が配設され、前記吸気ポート３ａを介して気筒１ａ内に接続されている。また、内燃機関１の他側（図１の下側）には排気マニホールド１２および排気浄化装置（図示は省略）を含む排気系が配設され、前記排気ポート３ｂを介して気筒１ａ内に接続されている。
【００２８】
そして、各気筒１ａ毎に吸気行程ではピストン３の下降に同期して吸気バルブ３ｃが開弁され、吸気系から気筒１ａ内に空気が吸入される。この空気は気筒１ａの圧縮行程においてピストン３の上昇により圧縮されて高温高圧となり、圧縮行程の後半から圧縮上死点近傍、さらには膨張行程にかけて燃料噴射弁６から燃料が噴射される。なお、この燃料の噴射に係る制御について詳しくは後述する。
【００２９】
そうして噴射された燃料が分裂しながら周囲の空気を巻き込んで噴霧Ｓ（図２参照）を形成し、その内部では微小な燃料液滴が蒸発しながら空気と混合される。そして、いわゆる着火遅れ期間の後に混合気が自着火して（予混合燃焼）火炎を生成し、さらに周囲の空気を巻き込みながら燃焼するようになる（拡散燃焼）。この燃焼圧によってピストン２が押し下げられ、コネクティングロッド４を介してクランクシャフト５を回転させる。
【００３０】
そのようにピストン２を介してクランクシャフト５を回転させた既燃ガスは、気筒１ａの膨張行程の終盤に排気バルブ３ｄが開かれると排気ポート３ｂに流出し、排気行程ではピストン２の上昇によって気筒１ａから排出される。こうして排気ポート３ｂに排出された既燃ガス（排気ガス）は、排気マニホールド１２を流通し排気浄化装置よって浄化された後に、大気中へと放出される。
【００３１】
なお、図示は省略するが排気浄化装置としては、公知のＮＳＲ（NOx Storage Reduction）触媒およびＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）を備えている。ＤＰＦは、例えば多数のセルを備えたセラミック構造体であり、排気ガスがセルの壁を通過する際に、この排気ガス中に含まれるＰＭ（Particulate Matter：粒子状物質）を捕集するものである。
【００３２】
また、本実施形態では吸気系と排気系とを接続する管路１３（以下、ＥＧＲ通路１３という）が設けられている。このＥＧＲ通路１３は、排気マニホールド１２の集合部付近から分岐して高圧の排気ガスの一部を取り出し、吸気マニホールド１０の集合部付近（スロットルバルブ１１よりも下流側）へ還流させるものであり、還流する排気ガス（以下、ＥＧＲガスともいう）の流量を調整するＥＧＲバルブ１４を備えている。なお、ＥＧＲ通路１３にはＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラも設けてもよい。
【００３３】
そのように排気ガスを吸気系に還流させて、気筒１ａ内へ供給することにより燃焼温度を低下させ、ＮＯｘ生成を抑えることができるが、ＥＧＲガスの量が多くなるとその分、酸素濃度が低下して燃焼状態が悪化する虞がある。そこで、機関運転状態に応じてＥＧＲバルブ１４の開度が制御され、ＥＧＲガス量が調整される。なお、ＥＧＲ通路１３およびＥＧＲバルブ１４によって、気筒１ａ内の酸素濃度を調整する酸素濃度調整手段が構成される。
【００３４】
−制御系−
前記の水温センサ２１、クランク角センサ２２、コモンレール圧センサ２３からの出力信号は、制御手段であるＥＣＵ３０に入力される。また、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ２４、吸入空気量を検出するエアフローメータ２５、吸気圧を検出する吸気圧センサ２６などもＥＣＵ３０に電気的に接続されており、これらのセンサ２４〜２６からの出力信号もＥＣＵ３０に入力される。
【００３５】
一方、ＥＣＵ３０は、例えば、燃料噴射弁６、昇圧ポンプ８、スロットルバルブ１１、ＥＧＲバルブ１４等に電気的に接続され（燃料噴射弁６に対してはＥＤＵ４０を介して接続され、ＥＧＲバルブ１４に対しても同様の駆動ユニット１５を介して接続され）、必要に応じて制御信号を出力する。
【００３６】
例えばＥＣＵ３０は、昇圧ポンプ８の動作を制御して、燃料タンク９からコモンレール７に供給される燃料の圧力（燃料噴射圧Ｐinjに相当）を制御する。この圧力は、基本的には機関負荷が高いほど、および、機関回転数が高いほど高いものとされる。つまり、ＥＣＵ３０は、コモンレール内の燃料の圧力が内燃機関１の運転状態に基づいて設定される目標レール圧と等しくなるように、即ち燃料噴射圧が目標噴射圧になるように、昇圧ポンプ８の燃料吐出量を調量する。
【００３７】
また、ＥＣＵ３０は、燃料噴射弁６の動作を制御して、その噴射量や噴射時期などを制御する。本実施形態では一例として図３に模式的に示すように、主としてトルク発生に寄与するメイン噴射の後でアフター噴射やポスト噴射と言われる副噴射を行ったり、或いはメイン噴射の前にパイロット噴射やプレ噴射と言われる副噴射を行ったりする。すなわち、それらの噴射量…Ｑmain，Ｑpost，…や噴射時期…ｔmain，ｔpost，…がＥＣＵ３０によって制御される。
【００３８】
図３に示すようにパイロット噴射は、メイン噴射から大きく進角したタイミングで行われ、気筒１ａ内に形成した希薄な予混合気の燃焼（低温燃焼）により筒内温度を上昇させる。また、プレ噴射は、メイン噴射の直前に少量の燃料を噴射して燃焼させることで、メイン噴射される燃料の着火遅れを調整し、初期の燃焼が過度に激しくなることを防止する。
【００３９】
一方、メイン噴射はトルク制御のための噴射動作であり、圧縮上死点（ＴＤＣ）近傍で行われる。メイン噴射での燃料の噴射量は基本的には機関回転数、アクセル操作量（アクセル開度）、冷却水温度、吸気温度等の運転状態に応じて、要求トルクが得られるように決定される。例えば、機関回転数が高いほど、また、アクセル開度が大きいほど、内燃機関１のトルク要求値は高くなるので、それに応じてメイン噴射の燃料噴射量も多く設定されることになる。
【００４０】
さらに、アフター噴射やポスト噴射は、排気系のＮＳＲやＤＰＦなど浄化装置の機能を回復させるときに行われる。アフター噴射は、排気ガス温度を上昇させるための噴射動作であり、気筒１ａ内に噴射された燃料の大部分が燃焼するものの、その際に発生する熱が内燃機関１のトルクに変換されることなく、排気の温度を上昇させるようなタイミングで行われる。
【００４１】
一方、ポスト噴射は、燃料が気筒１ａ内では燃焼しないようなタイミングで行われる。例えばＤＰＦにおけるＰＭの捕集量が所定以上に多くなって、それを燃焼除去するＤＰＦ再生の際に、ポスト噴射が行われる。ポスト噴射された燃料は未燃状態で排気ポート３ｄに流出し、ＮＳＲに到達してＨＣやＣＯ等の成分が酸化されることにより、ＮＳＲおよびＤＰＦの温度を効果的に上昇させる。
【００４２】
これによりＤＰＦの温度が所定温度（例えば６００°以上）にまで上昇すれば、堆積したＰＭが燃焼を始め、この燃焼に伴う発熱でＤＰＦの温度がさらに上昇する。このような状態を所定の時間（例えば１０分間くらい）維持することによって、堆積したＰＭがほぼ完全に除去されて、ＤＰＦのＰＭ捕集能力が回復する。
【００４３】
−ポスト噴射の制御−
前記のようにＤＰＦ再生などのために行うポスト噴射は、図２に表れているように気筒１ａの膨張行程でピストン２が下降しているときに行われるので、燃料噴射弁６の噴孔から気筒１ａの外周側に向かって伸びる燃料噴霧Ｓが気筒壁面にまで達することがある。この燃料は気筒壁面に付着してその一部がエンジンオイルを希釈し、性状を変化させることになるので、燃料によるオイルの希釈率が所定以上に高くなることは避けなくてはならない。
【００４４】
この点について、気筒１ａの膨張行程においてはピストンの下降とともに気筒内の温度および圧力が低下するため、ポスト噴射の時期が遅角するほど燃料の飛翔距離が伸びて、気筒壁面への付着量が増大する傾向がある。よって、十分なポスト噴射量を確保しながらオイル希釈の弊害を回避するためには、ポスト噴射の時期をできるだけ進角させることが望ましい。
【００４５】
しかしながら、ポスト噴射の時期を進角させるほど、噴射時の気筒１ａ内の温度および圧力は高くなり、また、気筒１ａ内に残存する酸素の量も多くなるので、燃料の一部が着火して燃焼する可能性が高くなる。こうして燃料の一部が気筒１ａ内で燃焼すると、その分は排気系に流出する未燃燃料の量が少なくなってしまい、例えば前記したＤＰＦ再生の効果が低下することになる。また、その結果としてＤＰＦ再生を行う時間が長くなれば、燃費の悪化を招く虞もある。
【００４６】
かかる点を考慮して本実施形態では、まず、ポスト噴射の時期を燃料が着火しない範囲において最大限に進角させることにより、燃料の壁面付着を抑制するようにしている。そして、その状態でも燃料の気筒壁面への付着量が多くなってしまい、オイル希釈の弊害を招く虞がある場合には、ＥＧＲガス量を増やすことによって気筒１ａ内の酸素濃度を低下させ、これにより着火を抑制しつつ、ポスト噴射の時期をさらに進角させるようにした。
【００４７】
そのようなポスト噴射の制御のための構成としてＥＣＵ３０には、図１に模式的に示すようにメモリ３１、筒内状態算出手段３２、噴霧特性算出手段３３、ポスト噴射前状態算出手段３４、着火判定手段３５、噴射条件補正手段３６、オイル希釈率判定手段３７、目標酸素濃度算出手段３８、およびＥＧＲ開度補正手段３９を備えている。
【００４８】
なお、これら各手段の機能は、ＥＣＵ３０のＲＯＭなどに記憶されている所定の制御ルーチンがＣＰＵによって実行されることによって、実現する。換言すれば、各手段はソフトウエアの態様でＥＣＵ３０に備えられており、これら各手段の機能が有機的に組み合わされて、本実施形態に係る内燃機関の制御装置に固有の効果を奏するものである。
【００４９】
以下、前記各手段のそれぞれの機能について詳細に説明する。まず、筒内状態算出手段３２は、前記クランク角センサ２２からのパルス信号、前記水温センサ２１からの冷却水温検知信号、前記アクセル開度センサ２４からのアクセル開度信号、前記エアフローメータ２５からの吸入空気量検知信号などの内燃機関１の運転状態に関する信号を読み込み、気筒１ａ内の状態（筒内温度、筒内密度、筒内圧力、吸入空気量など）を算出する。
【００５０】
なお、筒内温度や圧力の算出に関しては種々の方法が公知である。一例として筒内密度は、吸入空気量および空気圧力に燃料噴射量やＥＧＲガス量、さらには冷却水温などを加味して算出すればよい。また、前記各センサの出力信号と筒内密度との関係を予め実験やシミュレーションによって規定したマップをＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶させておき、このマップから筒内密度を求めるようにしてもよい。
【００５１】
噴霧特性算出手段３３は、メイン噴射やポスト噴射だけでなくパイロット噴射なども含めて、それぞれの噴射動作について噴射条件の初期値（メイン噴射を分割して行う場合はそれぞれの噴射動作の初期値）と、前記筒内状態算出手段３２によって算出された気筒１ａ内の状態とから、噴霧の貫徹力、噴霧角、噴射期間、蒸発量、当量比（噴霧内の平均当量比）等の噴霧特性を算出する。噴射条件としては、コモンレール圧センサ２３によって検出される燃料圧力（燃料噴射圧力に相当）、燃料噴射量の他、噴射時期や噴射回数等がある。燃料噴射量はＥＣＵ３０からＥＤＵ４０に出力される制御信号に基づいて認識される。
【００５２】
なお、貫徹力および噴霧角は、燃料噴射圧力が高いほど大きくなる。噴射期間は、燃料噴射量と燃料噴射圧力とから求められ、目標とする燃料噴射量が得られる期間として算出される。蒸発量や当量比は貫徹力および噴霧角から求められる。噴霧角の算出手法としては、周知の演算式（例えば「廣安の式」）を利用すればよい。また、予め実験やシミュレーション等によって燃料の噴射量や噴射圧力と噴霧角との関係をマップ化してＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶させておき、このマップから噴霧角を求めるようにしてもよい。貫徹力や蒸発量、当量比についても同様である。
【００５３】
ポスト噴射前状態算出手段３４は、ポスト噴射の時期における気筒１ａ内の状態、具体的にはポスト噴射の直前の気筒１ａ内の温度Ｔpost（筒内温度であり、以下、ポスト噴射前温度という）や酸素濃度等を算出する。ポスト噴射前温度Ｔpostは、前記筒内状態算出手段３２により算出される気筒１ａ内の状態をベースに、ポスト噴射よりも前のメイン噴射、プレ噴射、パイロット噴射のそれぞれの噴霧特性から燃焼量を求めて、算出することができる。この際、筒内温度の履歴も加味することが好ましい。
【００５４】
例えば、予め実験やシミュレーション等によって、ポスト噴射よりも前の各噴射の燃焼量とポスト噴射前温度Ｔpostとの関係を調べ、その結果をマップ化してＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶させておけば、このマップからポスト噴射前温度Ｔpostを求めることができる。各噴射の燃焼量についてはその噴霧内の平均当量比と筒内温度との関係を調べて、マップ化すればよい。酸素濃度についても同様に、筒内状態算出手段３２により算出される気筒１ａ内の状態をベースに、ポスト噴射よりも前の噴射のそれぞれによる酸素の消費量を求めて算出すればよい。
【００５５】
着火判定手段３５は、ポスト噴射を行った場合の燃料噴霧の当量比（噴霧内の平均当量比）と、この燃料噴霧内の混合気温度もしくは前記ポスト噴射前温度Ｔpostとに基づいて、燃料が着火するか否か判定する。当量比は、前記のようにポスト噴射前状態算出手段３４によって算出されたポスト噴射前温度Ｔpostと酸素濃度と、ポスト噴射の噴射条件（初期値）とに基づいて、前記噴霧特性算出手段３３によって算出することができる。
【００５６】
また、燃料噴霧内の混合気温度については、ポスト噴射前温度Ｔpost（筒内温度）から例えば以下の式（１）によって算出することができる。混合気温度Ｔxに基づいて判定すれば、ポスト噴射前温度Ｔpostに基づく判定よりも正確に着火の有無を判定できる。
【００５７】
【数１】
2014055551.tif 000003
【００５８】
なお、前記式（１）において、Ｍfuelは燃料噴霧における燃料の蒸発量であり、Ｃflは液体燃料の比熱であり、Ｔsatは燃料の飽和温度であり、Ｔl0は液体燃料の初期温度であり、ｈfは燃料の気化潜熱である。また、Ｍaは燃料噴霧における雰囲気気体量であり、Ｃfaはその雰囲気気体の比熱であり、Ｔentはその雰囲気温度（即ちポスト噴射前温度Ｔpost））であり、Ｃfvは燃料蒸気の比熱である。
【００５９】
図４には、前記式（１）によって燃料噴霧内の混合気温度Ｔxを計算した結果と、これを実験によって調べた結果とを対比して示す。実線のグラフはポスト噴射前温度Ｔpostが９５０Ｋのときの計算値であり、破線のグラフは同じく１２００Ｋのときの計算値である。いずれも噴射の直後は燃料の蒸発に伴って温度が低下し、その後は周囲からの受熱によって温度が上昇している。また、実線および破線のいずれのグラフも実験値（四角または三角で示す）との相関がよく、式（１）によって混合気温度Ｔxを算出できることが分かる。
【００６０】
そして、前記着火判定手段３５による判定の結果に基づいて噴射条件補正手段３６が、ポスト噴射の時期を進角または遅角側に補正する。すなわち、着火しないと判定すればポスト噴射の時期を進角させる一方、着火すると判定すればポスト噴射の時期を遅角させる。これにより、ポスト噴射の時期を燃料が着火しない範囲において最進角時期に制御することができる。
【００６１】
その際、進角または遅角の補正量は予め設定した一定値としてもてもよいが、燃料の着火温度と混合気温度Ｔxやポスト噴射前温度Ｔpostとの偏差（温度偏差）に応じて、この偏差が大きいほど補正量も大きくなるように設定してもよい。すなわち、予め実験やシミュレーション等によって前記の温度偏差とポスト噴射時期の補正量との好適な関係を調べてテーブルを作成し、ＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶させておき、このテーブルから補正量を読み込むようにすればよい。
【００６２】
オイル希釈率判定手段３７は、主に前記のように補正したポスト噴射の時期における噴霧特性（前記噴霧特性算出手段３３によって算出される噴霧の貫徹力、噴霧角、噴射期間、蒸発量、当量比等）に基づいて、気筒１ａの壁面に付着する燃料の量を算出し、これが所定の閾値よりも多くなるか否か判定する。この閾値は、壁面付着燃料によるオイル希釈率が所定以上に高くなって、エンジンオイルの希釈による弊害が発生するような値に、実験やシミュレーションの結果に基づいて設定されている。
【００６３】
燃料の気筒壁面への付着量の算出の仕方は種々、公知であるが、一例を挙げれば特開２０１１−２４１７７４号公報に開示されているように、燃料噴射弁６の噴孔から噴出する燃料の速度と、気筒１ａ内の温度および密度とに基づいて、微小な単位時間における燃料液滴の飛翔距離を算出し、この飛翔距離が、噴孔から気筒壁面までの燃料飛翔方向の距離（図２のＤを参照）以上である時間内において、液滴のまま気筒壁面に到達する燃料の量を積算すればよい。
【００６４】
ここで、同じ燃料噴射弁であれば噴孔からの燃料の速度はその噴射圧力および噴射量への依存性が高く、また、筒内状態算出手段３２により算出される気筒１ａ内の温度および密度については、内燃機関１の運転状態との相関が強い。そこで、予め実験やシミュレーション等によって内燃機関１の運転状態、ポスト噴射量および燃圧と燃料の壁面付着量との関係を調べ、その結果をマップ化してＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶させておけば、このマップから燃料の壁面付着量を求めることができる。
【００６５】
前記のように算出した燃料の気筒壁面への付着量が閾値よりも多くて、オイル希釈率判定手段３７によってオイル希釈率が所定以上に高くなる、と判定された場合、前記噴射条件補正手段３６が、ポスト噴射時期をさらに進角側に補正する。すなわち、噴射条件補正手段３６は、ポスト噴射の時期を燃料の着火しない範囲内で最進角時期に制御するとともに、この最進角時期においてオイル希釈率が所定以上に高くなる場合には、さらに進角させるものである。
【００６６】
その場合、ポスト噴射の時期は、燃料の気筒壁面への付着量がほぼ閾値になるように進角させる。すなわち、例えば前記のマップに基づいてオイル希釈率判定手段３７によって算出される燃料の壁面付着量が、前記閾値になるようなポスト噴射時期を求めて、この目標噴射時期まで進角させるようにすればよい。
【００６７】
目標酸素濃度算出手段３８は、前記のように最進角時期からさらに進角側に補正されたポスト噴射時期の筒内温度（筒内状態算出手段３２により算出され、混合気の着火温度よりも高い）においても、噴霧内の平均当量比が燃料の可燃範囲よりも高く（即ち燃料リッチに）なるような目標酸素濃度を算出する。なお、筒内温度と当量比の可燃範囲の上限との関係は、予め実験やシミュレーション等によって調べてテーブルを作成し、ＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶させておけばよい。
【００６８】
そして、ＥＧＲ開度補正手段３９は、前記のように算出した酸素濃度となるようにＥＧＲバルブ１４の開度を補正する。すなわち、前記のように最進角時期からさらに進角側に補正されたポスト噴射時期の気筒１ａ内の酸素濃度（ポスト噴射前状態算出手段３４により算出される）と前記目標酸素濃度との偏差に応じて、ＥＧＲバルブ１４の開度の目標値を開き側に補正する。この補正量も予め実験やシミュレーション等によって、前記酸素濃度の偏差とＥＧＲバルブ１４の開度の補正量との好適な関係を調べてテーブルを作成し、ＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶させておけばよい。
【００６９】
−ポスト噴射の制御ルーチン−
以下、ＥＣＵ３０によって行われるポスト噴射の制御の具体的な手順について、図５および図６のフローチャートを参照して説明する。なお、これらのフローチャートに示される処理は、内燃機関１が例えばＤＰＦ再生のようにポスト噴射を実行する運転状態にあるときに、所定の時間間隔で実行される。
【００７０】
まず、図５のフローのステップＳＴ１において現在の内燃機関１の運転状態を読み込む。例えば、水温センサ２１による冷却水温度の読み込み、クランク角センサ２２の検出値に基づいて算出される機関回転数の読み込み、コモンレール圧センサ２３によるコモンレール７の内圧（燃圧）の読み込み、アクセル開度センサ２４により検出されるアクセル開度の読み込み、エアフローメータ２５による吸入空気量の読み込み、吸気圧センサ２６による吸気圧の読み込み等が行われる。
【００７１】
続いてステップＳＴ２では、気筒１ａ内の状態量の算出、すなわち前記した筒内状態算出手段３２による筒内温度、筒内密度、筒内圧力、吸入空気量等の算出を行い、続くステップＳＴ３では、パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフター噴射およびポスト噴射のうち、現在の運転状態において実行する噴射動作について、その噴射条件の初期値（噴射初期値）を読み込む。
【００７２】
そして、その読み込んだ噴射条件の初期値と、前記ステップＳＴ２で算出された気筒１ａ内の状態とに基づいて、ポスト噴射よりも前に行われる噴射動作のそれぞれについて燃料噴霧の貫徹力、噴霧角、噴射期間、蒸発量、当量比等を算出する（ステップＳＴ４）。つまり、前記した噴霧特性算出手段３３によってポスト噴射よりも前に行われる各噴射の燃料噴霧特性が算出される。
【００７３】
続いて、ステップＳＴ５では、前記したポスト噴射前状態算出手段３４によってポスト噴射前温度Ｔpost（またはポスト噴射による燃料噴霧内の混合気温度Ｔx）および酸素濃度、即ち、初期値として設定されているポスト噴射の時期における気筒１ａ内の温度および酸素濃度が算出される。これに基づいてステップＳＴ６〜ＳＴ８では、前記着火判定手段３５による着火判定が行われる。
【００７４】
まず、ステップＳＴ６ではポスト噴射による燃料噴霧内の平均当量比が算出され、この当量比が可燃範囲内か否かがステップＳＴ７で判定される。これが否定判定（ＮＯ）であれば後述のステップＳＴ１０に進む一方、肯定判定（ＹＥＳ）であればステップＳＴ８に進み、今度はポスト噴射前温度Ｔpost（または混合気温度Ｔx）が混合気の着火温度以上か否か判定される。
【００７５】
この判定が肯定判定（ＹＥＳ）であればステップＳＴ９に進んで、前記ステップＳＴ３で読み込んだポスト噴射時期を遅角側に補正する一方、否定判定（ＮＯ）であればステップＳＴ１０に進んで、ポスト噴射時期を進角側に補正する。すなわち、ステップＳＴ９、ＳＴ１０においては前記の噴射条件補正手段３６によってポスト噴射の時期が、燃料の着火しない範囲における最進角時期へと補正される。
【００７６】
ここまでの制御手順について図７を参照して説明すると、その最上段に示すように燃料噴霧内の混合気温度Ｔxは、ポスト噴射の時期が遅角するに連れて低下する一方、噴霧内の当量比（平均当量比）は噴射時期の遅角に連れて高く（燃料リッチに）なってゆくが、概ね可燃範囲内にある。そこで、前記のように燃料噴霧の着火判定に応じてポスト噴射の時期を進角または遅角させて、混合気温度Ｔxがぎりぎり着火温度未満となる図示の時期Ｌに、つまり燃料が着火しない範囲における最進角時期Ｌに制御する。
【００７７】
ここで、図の下段に示すようにオイル希釈率は、ポスト噴射の時期が進角側（図の左側）にあるほど低くなっている。これは、噴射時期が進角側であるほど燃料の気筒壁面への付着量が少ないことによる。そして、前記の最進角時期Ｌにおいてはオイル希釈率が許容値よりも低くなっており、この例ではポスト噴射燃料の気筒壁面への付着量が閾値未満であって、問題が生じないことが分かる。
【００７８】
また、前記のように最進角時期Ｌでは混合気温度Ｔxが着火温度未満になっているので、ポスト噴射した燃料の殆どが着火せずに排気系に流出し、ＮＳＲやＤＰＦに十分な量の未燃燃料が供給される。図の例ではポスト噴射時期が最進角時期ＬにあるときでもＤＰＦ床温（図７の最下段に示す）が目標値を上回っており、ＤＰＦ再生の際にその温度を十分に高めて、堆積したＰＭを効果的に燃焼除去することができる。
【００７９】
なお、前記の最進角時期Ｌよりもさらにポスト噴射時期が進角すると、オイル希釈率はさらに低下するものの、混合気温度Ｔxが燃料の着火温度以上になってその一部が着火、燃焼してしまう。こうして燃焼する分、排気系に流出する未燃燃料は少なくなるので、ＤＰＦ床温が目標値を下回ることになる（目標温度に足らない）。
【００８０】
次に図６および図８を参照して、前記のような気筒壁面への付着量に応じてポスト噴射の時期をさらに補正する手順について説明する。まず、図６のステップＳＴ１１ではオイル希釈率判定手段３７によって、ポスト噴射した燃料の気筒壁面への付着量が閾値よりも多くなるか（壁面付着量が多いか）否か判定する。そして、図７を参照して前述したように最進角時期Ｌでオイル希釈率が許容値よりも低くなっていれば、壁面付着量が閾値未満であるから否定判定（ＮＯ）して、リターンする。
【００８１】
一方、例えばポスト噴射量が多くて、図８に示すように前記の最進角時期Ｌにおいてもオイル希釈率が許容値よりも高くなる場合には、ポスト噴射した燃料の壁面付着量が閾値よりも多くなっているので、肯定判定（ＹＥＳ）してステップＳＴ１２に進む。そして、前記の噴射条件補正手段３６によりポスト噴射時期をさらに進角側の時期Ａに補正する（図８の最上段に白抜きの矢印で示す）。これにより燃料の壁面付着量は減少し、オイル希釈率が許容値よりも低くなる。
【００８２】
一方で補正後の噴射時期Ａにおいては、混合気温度Ｔxが燃料の着火温度を越えてしまい、その一部が着火、燃焼する虞があるので、前記の目標酸素濃度算出手段３８により、噴射時期Ａにおいて燃料の可燃範囲よりも高い当量比となるような酸素濃度を算出し（ステップＳＴ１３）、この酸素濃度となるようにＥＧＲバルブ１４の開度を開き側に補正する（ステップＳＴ１４）。
【００８３】
これにより、図８の下段に黒矢印で示すようにＥＧＲガスが増量されて、気筒１ａ内の酸素濃度が低下することにより、ポスト噴射による燃料噴霧の当量比（噴霧内の平均当量比）が可燃範囲から外れて（白四角から黒三角へ）、燃料の着火が効果的に抑制される。つまり、ポスト噴射した燃料噴霧の温度が着火温度を超えてしまっても、その着火はほぼ阻止して十分な量の未燃燃料を排気系のＮＳＲやＤＰＦに供給し、その温度を効果的に上昇させることができる。
【００８４】
したがって、本実施形態に係る内燃機関の制御装置によると、まず、ポスト噴射された燃料噴霧の当量比や温度状態を推定して、この燃料噴霧が着火するか否か判定し、着火しない範囲における最進角時期Ｌに制御することによって、ポスト噴射燃料の気筒壁面への付着を減らしつつ、排気系には十分な未燃燃料を供給して、例えばＤＰＦの再生制御を効果的に行える。
【００８５】
さらに、それでもポスト噴射燃料の壁面付着量が多くなるような場合には、ＥＧＲガス量の増大によって気筒１ａ内の酸素濃度を低下させ、ポスト噴射燃料の着火を抑制しながら、その噴射時期はさらに進角させることで、燃料の気筒壁面への付着をより一層、少なくし、オイル希釈による弊害を回避することができる。
【００８６】
そうして気筒内の酸素濃度を低下させるときに、本実施形態ではポスト噴射された燃料の噴霧内の当量比が可燃範囲外になるように、気筒１ａ内の酸素濃度を低下させることによって、気筒１ａ内もしくは燃料噴霧の温度状態が着火温度以上であっても、その着火、燃焼をほぼ阻止することができる。
【００８７】
また、本実施形態では気筒１ａ内の酸素濃度を低下させるために、ＥＧＲ通路１３を流れるＥＧＲガス量を増大させるようにしており、いわゆる内部ＥＧＲガスに比べて低温の外部ＥＧＲガスによって、気筒１ａ内の温度をあまり上昇させることなく、その酸素濃度を調整することができる。よって、ポスト噴射燃料の着火を抑制する上で有利になる。
【００８８】
−他の実施形態−
以上、説明した実施形態は、コモンレール式の筒内直噴型ディーゼルエンジンに本発明を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、コモンレール以外の例えばユニットインジェクタを装備したディーゼルエンジンにも適用可能であるし、ディーゼルエンジンにも限定されず、軽油以外の燃料を使用する種々の内燃機関に対しても本発明を適用することができる。
【００８９】
また、前記の実施形態では、ポスト噴射燃料の気筒壁面への付着を減らすために、その噴射時期を進角させるようにしているが、これに加えて燃料の噴射圧力を低下させたり、ポスト噴射を複数回に分割して行う場合にはその分割数を増やすようにしてもよい。
【００９０】
さらに前記の実施形態では、ポスト噴射の時期を最進角時期Ｌからさらに進角させる際に、いわゆる外部ＥＧＲガス量を増量して気筒１ａ内の酸素濃度を低下させるようにしているが、これに代えて、或いはこれに加えて、いわゆる内部ＥＧＲガス量を調整するようにしてもよいし、スロットルバルブ１１の開度を変更するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明は、メイン噴射の後にポスト噴射を行うようにした筒内噴射式の内燃機関において、オイル希釈による弊害を予防しながら、排気系の浄化装置などの機能を効果的に回復させることができ、特に自動車に搭載されるディーゼルエンジンに適用して効果が高い。
【符号の説明】
【００９２】
１        内燃機関
１ａ      気筒
６        燃料噴射弁
１０      吸気マニホールド（吸気通路）
１２      排気マニホールド（排気通路）
１３      ＥＧＲ通路（酸素濃度調整手段）
１４      ＥＧＲバルブ（酸素濃度調整手段）
３０      ＥＣＵ（制御手段）
３２      筒内状態算出手段
３３      噴霧特性算出手段
３４      ポスト噴射前状態算出手段
３５      着火判定手段
３６      噴射条件補正手段
３７      オイル希釈率判定手段
３８      目標酸素濃度算出手段、
３９      ＥＧＲ開度補正手段
Ｓ        ポスト噴射による燃料の噴霧
【図１】
2014055551.tif 000004
【図２】
2014055551.tif 000005
【図３】
2014055551.tif 000006
【図４】
2014055551.tif 000007
【図５】
2014055551.tif 000008
【図６】
2014055551.tif 000009
【図７】
2014055551.tif 000010
【図８】
2014055551.tif 000011