(57)【要約】【課題】スモーク発生量を正確に推定することで、スモーク発生量を適切に抑制することができる燃料噴射装置の制御装置を提供する。【解決手段】燃料噴射装置３の制御装置は、筒内の燃料噴霧を含む領域のうち局所的な当量比が１以上となっている領域内の燃料量である過濃混合気量を推定する過濃混合気量推定手段と、筒内全領域のうち燃料噴霧を含む領域の体積である噴霧含有相体積を推定する噴霧含有相体積推定手段と、過濃混合気量推定手段によって推定された過濃混合気量と、噴霧含有相体積推定手段によって推定された噴霧含有相体積と、燃料噴射装置から筒内への燃料噴射期間とに基づいて筒内でのスモーク発生量を推定するスモーク発生量推定手段とを具備する。制御装置は、スモーク発生量推定手段によって推定されたスモーク発生量が予め定められた許容上限値以下になるように、燃料噴射装置からの燃料噴射圧を制御する。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮自着火式内燃機関の筒内に燃料を噴射する燃料噴射装置の制御装置において、
前記燃料噴射装置からの燃料噴射後の所定時期において筒内の燃料噴霧を含む領域のうち局所的な当量比が１以上となっている領域内の燃料量である過濃混合気量を推定する過濃混合気量推定手段と、
前記燃料噴射後の所定時期において筒内全領域のうち燃料噴霧を含む領域の体積である噴霧含有相体積を推定する噴霧含有相体積推定手段と、
前記過濃混合気量推定手段によって推定された過濃混合気量と、前記噴霧含有相体積推定手段によって推定された噴霧含有相体積と、前記燃料噴射装置から筒内への燃料噴射期間とに基づいて筒内でのスモーク発生量を推定するスモーク発生量推定手段とを具備し、
前記スモーク発生量推定手段によって推定されたスモーク発生量が予め定められた許容上限値以下になるように、前記燃料噴射装置からの燃料噴射パラメータを制御する、燃料噴射装置の制御装置。
【請求項２】
前記過濃混合気量推定手段は、前記燃料噴射後の所定時期における筒内の酸素の質量を当該時期における筒内全体の体積で除算した値である筒内酸素密度を推定する筒内酸素密度推定手段と、前記燃料噴射後の所定時期における単位体積当たりの噴霧燃料の質量である噴霧燃料密度の分布を推定する噴霧燃料密度分布推定手段とを具備し、前記筒内酸素密度推定手段によって推定された筒内酸素密度と、前記噴霧燃料密度分布推定手段によって推定された噴霧燃料密度の分布とに基づいて前記過濃混合気量を推定する、請求項１に記載の燃料噴射装置の制御装置。
【請求項３】
前記噴霧含有相体積推定手段は、前記燃料噴射後の所定時期における筒内の吸気ガスの質量を該時期における筒内全体の体積で除算した値である筒内吸気ガス密度を推定する筒内吸気ガス密度推定手段を具備し、前記筒内吸気ガス密度推定手段によって算出された筒内吸気ガス密度と前記燃料噴射装置からの燃料噴射圧と前記燃料噴射装置からの燃料噴射量又は燃料噴射期間とに基づいて前記噴霧含有相体積を推定する、請求項１又は２に記載の燃料噴射装置の制御装置。
【請求項４】
当該制御装置は、前記スモーク発生量推定手段によって推定されたスモーク発生量が予め定められた許容上限値以下であって予め定められた許容下限値以上になるように、前記燃料噴射装置からの燃料噴射パラメータを制御する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料噴射装置の制御装置。
【請求項５】
燃料噴霧の自着火時期を推定する自着火時期推定手段をさらに具備し、前記噴霧燃料密度分布推定手段は、前記自着火時期推定手段によって推定された自着火時期における噴霧燃料密度の分布を推定する、請求項２に記載の燃料噴射装置の制御装置。
【請求項６】
燃料噴霧の自着火時期を推定する自着火時期推定手段をさらに具備し、前記過濃混合気量推定手段は、前記自着火時期推定手段によって推定された自着火時期における過濃混合気量を推定し、前記噴霧含有相体積推定手段は、前記自着火時期推定手段によって推定された自着火時期における噴霧含有相体積を推定する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料噴射装置の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射装置の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮自着火式内燃機関において、燃焼騒音を低減させつつスモーク発生を抑制する様々な技術が知られている。このような技術として、内燃機関の過渡運転時における燃焼騒音の大きさやスモークの発生量が、燃料噴射装置から燃料噴射する際の燃料噴射圧に相関することに着目して、燃料噴射圧を適切に制御することが提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特に、特許文献１に記載の燃料噴射制御システムでは、気筒内の実際の酸素濃度である実筒内酸素濃度の下で燃料噴射が行われた場合に発生する燃焼騒音の大きさ及びスモークの発生量を推定値として推定すると共に、機関運転状態に基づいて算出された目標筒内酸素濃度の下で燃料噴射が行われた場合に発生する燃焼騒音の大きさ及びスモークの発生量を目標値として算出し、推定値と目標値との差が許容値を超える場合にこの差が許容値以下になるように燃料噴射圧を制御するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２９９５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に記載の燃料噴射制御システム等において、燃料噴射装置からの燃料噴射圧をスモーク発生量が抑制されるように適切に制御するためには、スモーク発生量の推定を正確に行うことが必要である。これについて、特許文献１に記載の燃料噴射制御システムでは、筒内酸素濃度とスモーク発生量との関係を予めマップとして求めておき、内燃機関の運転中に実筒内酸素濃度を検出し、検出した実筒内酸素濃度に基づいて上記マップを用いてスモーク発生量を推定するようにしている。
【０００６】
しかしながら、スモーク発生量は筒内酸素濃度以外にも様々なパラメータ（例えば、燃料噴射量、燃料噴射圧、吸入空気量、ＥＧＲ率等）に応じて変化する。このため、筒内酸素濃度のみに基づいてスモーク発生量を推定した場合には、スモーク発生量を正確に推定することは困難であり、その結果、スモーク発生量をできるだけ抑制するように燃料噴射装置からの燃料噴射圧を適切に制御するのは困難である。
【０００７】
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、スモーク発生量を正確に推定することで、スモーク発生量を適切に抑制することができる燃料噴射装置の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、第１の発明では、圧縮自着火式内燃機関の筒内に燃料を噴射する燃料噴射装置の制御装置において、前記燃料噴射装置からの燃料噴射後の所定時期において筒内の燃料噴霧を含む領域のうち局所的な当量比が１以上となっている領域内の燃料量である過濃混合気量を推定する過濃混合気量推定手段と、前記燃料噴射後の所定時期において筒内全領域のうち燃料噴霧を含む領域の体積である噴霧含有相体積を推定する噴霧含有相体積推定手段と、前記過濃混合気量推定手段によって推定された過濃混合気量と、前記噴霧含有相体積推定手段によって推定された噴霧含有相体積と、前記燃料噴射装置から筒内への燃料噴射期間とに基づいて筒内でのスモーク発生量を推定するスモーク発生量推定手段とを具備し、前記スモーク発生量推定手段によって推定されたスモーク発生量が予め定められた許容上限値以下になるように、前記燃料噴射装置からの燃料噴射パラメータを制御する。
【０００９】
第２の発明では、第１の発明において、前記過濃混合気量推定手段は、前記燃料噴射後の所定時期における筒内の酸素の質量を当該時期における筒内全体の体積で除算した値である筒内酸素密度を推定する筒内酸素密度推定手段と、前記燃料噴射後の所定時期における単位体積当たりの噴霧燃料の質量である噴霧燃料密度の分布を推定する噴霧燃料密度分布推定手段とを具備し、前記筒内酸素密度推定手段によって推定された筒内酸素密度と、前記噴霧燃料密度分布推定手段によって推定された噴霧燃料密度の分布とに基づいて前記過濃混合気量を推定する。
【００１０】
第３の発明では、第１又は第２の発明において、前記噴霧含有相体積推定手段は、前記燃料噴射後の所定時期における筒内の吸気ガスの質量を該時期における筒内全体の体積で除算した値である筒内吸気ガス密度を推定する筒内吸気ガス密度推定手段を具備し、前記筒内吸気ガス密度推定手段によって算出された筒内吸気ガス密度と前記燃料噴射装置からの燃料噴射圧と前記燃料噴射装置からの燃料噴射量又は燃料噴射期間とに基づいて前記噴霧含有相体積を推定する。
【００１１】
第４の発明では、第１〜第３のいずれか一つの発明において、当該制御装置は、前記スモーク発生量推定手段によって推定されたスモーク発生量が予め定められた許容上限値以下であって予め定められた許容下限値以上になるように、前記燃料噴射装置からの燃料噴射パラメータを制御する。
【００１２】
第５の発明では、第２の発明において、燃料噴霧の自着火時期を推定する自着火時期推定手段をさらに具備し、前記噴霧燃料密度分布推定手段は、前記自着火時期推定手段によって推定された自着火時期における噴霧燃料密度の分布を推定する。
【００１３】
第６の発明では、第１〜第５のいずれか一つの発明において、燃料噴霧の自着火時期を推定する自着火時期推定手段をさらに具備し、前記過濃混合気量推定手段は、前記自着火時期推定手段によって推定された自着火時期における過濃混合気量を推定し、前記噴霧含有相体積推定手段は、前記自着火時期推定手段によって推定された自着火時期における噴霧含有相体積を推定する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、スモーク発生量を正確に推定することで、スモーク発生量を適切に抑制することができる燃料噴射装置の制御装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、内燃機関全体を示す概略図である。
【図２】図２は、内燃機関本体の概略断面図である。
【図３】図３は、燃料噴射圧とスモーク発生量との関係を示す図である。
【図４】図４は、燃料噴射装置のノズルから燃料噴射を行ったときの燃料噴霧の様子を示す図である。
【図５】図５は、噴霧燃料密度と燃料量との関係を示す図である。
【図６】図６は、燃料過濃領域を示す図４と同様な図である。
【図７】図７は、燃料過濃領域を示す図５と同様な図である。
【図８】図８は、燃料噴射装置のノズルから燃料噴射を行ったときの燃料噴霧の様子を示す図である。
【図９】図９は、貫徹力等とスモーク発生量との関係を示す図である。
【図１０】図１０は、燃料噴射装置からの燃料噴射の制御ルーチンを概略的に示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００１７】
図１は、本発明の燃料噴射装置の制御装置を備えた圧縮自着火式内燃機関の全体図を示す。図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒、３は各気筒２内にそれぞれ燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射装置、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸気ダクト６を介してエアクリーナ８に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁９が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１０が配置される。図１に示した実施形態では機関冷却水が冷却装置１０内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
【００１８】
一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は排気管１１を介して触媒コンバータ１２の入口に連結される。触媒コンバータ１２内には排気浄化触媒１３が配置される。
【００１９】
各気筒について詳しく示す図２を参照すると、１５はシリンダブロック、１６はシリンダブロック１５上に固定されたシリンダヘッド、１７はシリンダブロック１５内で往復動するピストン、２はピストン１７とシリンダヘッド１６との間に形成された気筒、１８は一組の吸気ポート、１９は一組の吸気弁、２０は一組の排気ポート、２１は一組の排気弁をそれぞれ示している。吸気ポート１８は吸気マニホルド４に連通し、排気ポート２０は排気マニホルド５に連通する。シリンダヘッド１６には各気筒２の頂部に燃料噴射装置３が配置される。
【００２０】
再び図１を参照すると、排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２５を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２５内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２６が配置される。また、ＥＧＲ通路２５周りにはＥＧＲ通路２５内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２７が配置される。図１に示される実施形態では機関冷却水が冷却装置２７内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射装置３は燃料供給管２８を介してコモンレール２９に連結される。このコモンレール２９内へは電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３０により燃料タンク３１から燃料が供給され、コモンレール２９内に供給された燃料は各燃料供給管２８を介して燃料噴射装置３に供給される。
【００２１】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５および出力ポート４６を具備する。アクセルペダル５０にはアクセルペダル５０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５１が接続され、負荷センサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば１０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。
【００２２】
吸気ダクト６には吸気ダクト６内を流れる空気の流量を検出する流量センサ５３が設けられる。また、図２に示したように、吸気ポート１８には、各気筒２内に流入する吸気ガス、すなわち吸気ポート１８内を流れる吸気ガスの温度を検出する温度センサ５４及びこの吸気ガスの圧力を検出する圧力センサ５５が設けられる。加えて、ＥＧＲ通路２５にはＥＧＲ通路２５内を流れるＥＧＲガスの流量を検出するＥＧＲガス流量センサ５６が設けられ、コモンレール２９にはコモンレール２９内の燃料圧力を検出する燃料圧力センサ５７が設けられる。燃料圧力センサ５７は燃料噴射装置３からの燃料噴射圧を推定するのに用いられる。これらセンサ５３〜５７の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射装置３、スロットル弁９駆動用ステップモータ、ＥＧＲ制御弁２６および燃料ポンプ３０に接続される。
【００２３】
このように構成された圧縮自着火式内燃機関では、ＥＣＵ４０及び各種センサ５３〜５７が燃料噴射装置３を制御する制御装置として機能する。本実施形態の燃料噴射装置３の制御装置は、基本的に、機関運転状態に関するパラメータ（運転パラメータ）に基づいて燃料噴射パラメータ（基本燃料噴射パラメータ）を設定している。運転パラメータとしては、例えば、機関負荷や機関回転数等が挙げられ、一方、燃料噴射パラメータとしては、例えば、燃料噴射量（複数回の燃料噴射を行う場合には各燃料噴射における噴射量）、噴射時期（複数回の燃料噴射を行う場合には各燃料噴射における噴射時期）、及び燃料噴射圧等が挙げられる。燃料噴射装置３では、このようにして設定された基本燃料噴射パラメータ（基本燃料噴射量、基本燃料噴射時期及び基本燃料噴射圧）に基づいて燃料噴射を行っている。
【００２４】
ところで、燃料噴射装置３の制御装置では、機関負荷や機関回転数等の運転パラメータに基づいて目標筒内酸素濃度を設定すると共に、実際の筒内酸素濃度（実筒内酸素濃度）が設定された目標筒内酸素濃度となるようにスロットル弁９の開度、ＥＧＲ制御弁２６の開度、吸気弁１９の開閉弁時期等を設定している。加えて、燃料噴射装置３の制御装置では、この目標筒内酸素濃度に基づいて基本燃料噴射パラメータを設定している。なお、燃料噴射装置３の制御装置は、スロットル弁９の開度等や基本燃料噴射パラメータを設定するにあたり、必ずしも目標筒内酸素濃度を算出する必要はなく、目標筒内酸素濃度の概念を利用した数式等を用いて、機関負荷や機関回転数等の運転パラメータから直接的にスロットル弁９の開度等や基本燃料噴射パラメータを設定するようにしてもよい。
【００２５】
このように機関負荷や機関回転数等に基づいて設定された目標筒内酸素濃度は、内燃機関が定常運転を行っている場合には実筒内酸素濃度にほぼ一致する。ところが、加速運転時やフューエルカット運転からの復帰時等のような過渡運転時には、吸入空気量、過給圧、ＥＧＲ率等の変動により筒内酸素濃度が変化する。このため、過渡運転時には、実筒内酸素濃度が、機関負荷や機関回転数等に基づいて算出した目標筒内酸素濃度とは異なる値となる場合がある。
【００２６】
このように、目標筒内酸素濃度が実筒内酸素濃度とは異なる値になった場合であっても、燃料噴射装置３の制御装置では目標筒内酸素濃度に基づいて基本燃料噴射パラメータを設定することになる。このため、このようにして設定された基本燃料噴射パラメータに基づいて燃料噴射装置３から燃料噴射を行うと、内燃機関本体１におけるスモーク発生量が増大し、場合によっては許容範囲から逸脱してしまうことも考えられる。
【００２７】
そこで、本発明の燃料噴射装置３の制御装置では、内燃機関の過渡運転時に、特に実筒内酸素濃度が目標酸素濃度と異なる値となっている時に、スモーク発生量を推定し、推定したスモーク発生量が許容範囲外にある場合には許容範囲内となるように燃料噴射装置３からの燃料噴射パラメータを制御するようにしている。
【００２８】
より詳細に説明すると、後述する過濃混合気量をＭｈｃｏｎｃ、後述する噴霧含有相体積をＶｖａｐ、燃料噴射装置３からの燃料噴射期間をＴｉｎｊとすると、本実施形態では、スモーク発生量ｓｍｋを下記式（１）に基づいて算出・推定している。このようなスモーク発生量ｓｍｋの算出・推定はＥＣＵ４０によって行われることから、ＥＣＵ４０はスモーク発生量推定手段として機能するといえる。
ｓｍｋ＝ｆ（Ｍｈｃｏｎｃ×Ｔｉｎｊ／Ｖｖａｐ）    …（１）
【００２９】
本実施形態では、スモーク発生量の許容上限値ｓｍｋｍａｘ及びスモーク発生量の許容下限値ｓｍｋｍｉｎを予め設定しておき、上述したようにして算出されたスモーク発生量ｓｍｋが許容上限値ｓｍｋｍａｘよりも多い場合又は許容下限値ｓｍｋｍｉｎよりも少ない場合には、燃料噴射パラメータを、例えば燃料噴射装置３からの燃料噴射圧を制御する。特に、図３に示したように、燃料噴射圧が高くなるほどスモーク発生量が少なくなることから、スモーク発生量ｓｍｋが許容上限値ｓｍｋｍａｘよりも多い場合には燃料噴射圧が高くなるように、すなわち許容上限値ｓｍｋｍａｘ以下になるように燃料ポンプ３０を制御する。一方、スモーク発生量が許容下限値ｓｍｋｍｉｎよりも少ない場合には燃料噴射圧が低くなるように、すなわち許容下限値ｓｍｋｍｉｎ以上になるように燃料ポンプ３０を制御する。これにより、スモーク発生量を最適な範囲内に維持することができるようになる。
【００３０】
なお、スモーク発生量のみを考えると許容下限値を設ける必要はないが、スモーク発生量の低減には背反事項（例えば、スモーク発生量を低減させるべく燃料噴射圧を増大させると燃料噴射装置３の作動音が増大する等）があるため、本実施形態では許容上限値に加えて許容下限値を設定している。
【００３１】
以下では、上記式（１）に用いられる過濃混合気量Ｍｈｃｏｎｃ及び噴霧含有相体積Ｖｖａｐについて説明する。
【００３２】
過濃混合気量Ｍｈｃｏｎｃは、燃料噴射装置３からの燃料噴射後の所定時期（例えば、燃料噴射の終了時）において燃料噴霧を含む領域のうち当量比が局所的に１以上（すなわち、燃料リッチ）となっている混合気中の燃料量を表している。
【００３３】
すなわち、燃料噴射装置３から噴射された燃料は燃料噴霧として気筒２内に広がっていく。ただし、燃料噴霧は気筒２内全体に広がるわけではないため、気筒２内には燃料噴霧を含む領域と、燃料噴霧を含まない領域とが混在することになる。そして、燃料噴霧を含む領域も、燃料噴霧が濃くて局所的な当量比が１以上となる領域と、燃料噴霧が薄くて局所的な当量比が１よりも小さくなる領域とに分かれる。過濃混合気量Ｍｈｃｏｎｃは、燃料噴霧を含む領域のうち、燃料噴霧が濃くて局所的な当量比が１以上となる領域に存在する燃料噴霧の総質量を意味している。
【００３４】
図４は、燃料噴射装置３のノズル３ａから燃料噴射を行ったときの燃料噴射の終了時における燃料噴霧の様子を示す図である。また、図５は、噴霧燃料密度と噴霧燃料量との関係を示す図である。
【００３５】
燃料噴射装置３のノズル３ａから燃料噴射を行うと、燃料噴霧Ａは気筒２内において図４に示したように広がる。このとき、単位体積当たりの噴霧燃料の質量である噴霧燃料密度は、燃料噴霧Ａ内で均一ではなく、噴霧燃料密度の高い領域（通常、燃料噴霧の中央の領域）と燃料密度の低い領域（通常、燃料噴霧の周辺領域）とが存在する。より詳細には、燃料噴霧Ａ内では噴霧燃料密度に対して噴霧燃料量は図５に示したように推移する。すなわち、噴霧燃料密度が低い領域には多量の噴霧燃料が存在すると共に、噴霧燃料密度が高くなるにつれてその密度領域に存在する噴霧燃料の量が減少していくことがわかる。
【００３６】
このような燃料噴射装置３からの燃料噴霧態様が同一であっても、燃料噴霧Ａの周りに存在する吸気ガス中の酸素密度に応じて燃料噴霧Ａ内の各領域における当量比が変化する。これについて、図６、図７を参照して説明する。
【００３７】
図６及び図７は、それぞれ図４及び図５と同様な図である。図６中の領域Ａは、燃料噴霧を含む領域を、領域Ｂは燃料噴霧が濃くて局所的な当量比が１以上となる領域（燃料過濃領域）を、領域Ｃは燃料噴霧を含まない領域をそれぞれ示している。また、図７中の線Ｘは局所的な当量比が１となる噴霧燃料密度を、斜線は、燃料噴霧が濃くて局所的な当量比が１以上となっている領域をそれぞれ示している。
【００３８】
図６（ａ）及び図７（ａ）は、燃料噴霧Ａの周りに存在する吸気ガス中の酸素の密度、すなわち、筒内酸素密度が比較的高い場合を示している。ここで、筒内酸素密度とは、燃料噴射後の所定時期（例えば、燃料噴射の終了時）における筒内の酸素の質量をこの時期における筒内全体の体積で除算した値を意味する。このように筒内酸素密度が高いと、同一空間内に存在する燃料の質量に対して酸素の質量が大きくなる。この結果、燃料噴霧Ａは全体的に当量比が低くなり、局所的な当量比が１以上となっている領域（図６（ａ）中の領域Ｂ、図７（ａ）中の斜線で示した領域）が小さくなる。このため、当量比が局所的に１以上となっている混合気中の燃料量である過濃混合気量Ｍｈｃｏｎｃは、少なくなる。
【００３９】
一方、図６（ｂ）及び図７（ｂ）は、筒内酸素密度が比較的低い場合を示している。このように筒内酸素密度が低いと、同一空間内に存在する燃料の質量に対して酸素の質量が小さくなる。この結果、燃料噴霧Ａは全体的に当量比が高くなり、局所的な当量比が１以上となっている領域（図６（ｂ）中の領域Ｂ、図７（ｂ）中の斜線で示した領域）が大きくなる。このため、当量比が局所的に１以上となっている混合気中の燃料量である過濃混合気量Ｍｈｃｏｎｃは、多くなる。
【００４０】
したがって、本実施形態では、過濃混合気量Ｍｈｃｏｎｃは、図５に示したような噴霧燃料密度の分布と筒内酸素密度（又は筒内吸気ガス密度）とを求め、これらに基づいて当量比が局所的に１以上となる領域内の噴霧燃料量（図７中の斜線領域の積算値）を算出することによって推定される。なお、このような過濃混合気量Ｍｈｃｏｎｃの推定はＥＣＵ４０によって行われることから、ＥＣＵ４０は過濃混合気量推定手段として機能するといえる。
【００４１】
また、本実施形態では、図５に示したような噴霧燃料密度の分布は、燃料噴射量及び燃料噴射圧毎に変化することから、燃料噴射圧及び燃料噴射量と噴霧燃料密度の分布との関係を予め実験的に又は計算によって求め、これをマップとしてＥＣＵ４０のＲＯＭ４２に保存しておく。そして、機関運転時において、燃料噴射量及び燃料噴射圧に基づいて噴霧燃料密度の分布が算出される。なお、このような噴霧燃料密度分布の推定はＥＣＵ４０によって行われることから、ＥＣＵ４０は噴霧燃料密度分布推定手段として機能するといえる。
【００４２】
加えて、本実施形態では、筒内酸素密度は、筒内吸気ガス密度（燃料噴射後の所定時期（例えば、燃料噴射の終了時）における筒内の吸気ガスの質量をこの時期における筒内全体の体積で除算した値）に実筒内酸素濃度を乗算することにより算出される。筒内吸気ガス密度は、例えば、吸気ポート１８に設けられた温度センサ５４及び圧力センサ５５に検出された吸気ガスの温度及び圧力等に基づいて算出される。また、実筒内酸素濃度は、例えば、吸気弁１９及び排気弁２１の開閉弁時期や、ＥＧＲガス流量センサ５６によって検出されたＥＧＲガスの流量等に基づいて算出される。或いは、吸気マニホルド４や吸気ポート１８等に酸素濃度を検出するための酸素濃度センサ（図示せず）を設け、酸素濃度センサによって直接的に酸素濃度を検出するようにしてもよい。なお、このような筒内酸素密度及び筒内吸気ガス密度の推定はＥＣＵ４０によって行われることから、ＥＣＵ４０は筒内酸素密度推定手段及び筒内吸気ガス密度推定手段として機能するといえる。
【００４３】
なお、上記実施形態では、図５に示したような噴霧燃料密度分布と筒内酸素密度とに基づいて過濃混合気量Ｍｈｃｏｎｃを算出しているが、過濃混合気量Ｍｈｃｏｎｃを求めるためのモデル式を予め作成し、このモデル式に各種パラメータを代入することによって過濃混合気量Ｍｈｃｏｎｃを算出してもよい。
【００４４】
一方、噴霧含有相体積をＶｖａｐは、燃料噴射装置３からの燃料噴射後の所定時期（例えば、燃料噴射の終了時）において筒内全領域のうち燃料噴霧を含む領域の体積を表している。
【００４５】
上述したように、燃料噴霧は気筒２内全体に広がるわけではなく、気筒２内には燃料噴霧を含む領域と、燃料噴霧を含まない領域とが混在することになる。このうち、噴霧含有相体積Ｖｖａｐは、燃料噴霧を含む領域の体積を意味している。図２に示した例では、噴霧含有相体積Ｖｖａｐは、燃料噴霧Ａが存在する領域の体積を意味する。
【００４６】
図８は、燃料噴射装置３のノズル３ａから燃料噴射を行ったときの燃料噴射の終了時における燃料噴霧の様子を示す図である。図８（ａ）は、筒内吸気ガス密度が比較的高い場合を示しており、一方、図８（ｂ）は、筒内吸気ガス密度が比較的低い場合を示している。図中のθ1、θ2は燃料噴霧の噴霧角を、Ｌ1、Ｌ2はノズルから噴霧先端までの距離（以下、「噴霧到達距離」という）をそれぞれ示している。
【００４７】
図８から分かるように、燃料噴射装置３のノズル３ａから噴射された燃料噴霧の噴霧角及び噴霧到達距離は、筒内吸気ガス密度に応じて変化する。すなわち、筒内吸気ガス密度が比較的高い場合には、図８（ａ）に示したように噴霧角θ1は小さく且つ噴霧到達距離Ｌ1は短くなり、その結果、噴霧含有相体積Ｖｖａｐは小さくなる。一方、筒内吸気ガス密度が比較的低い場合には、図８（ｂ）に示したように、噴霧角θ2は大きく且つ噴霧到達距離Ｌ2は長くなり、その結果、噴霧含有相体積Ｖｖａｐは大きくなる。
【００４８】
このように、噴霧含有相体積Ｖｖａｐは、筒内吸気ガス密度に応じて変化する。加えて、噴霧含有相体積Ｖｖａｐは、説明するまでもなく、燃料噴射装置３からの燃料噴射圧及び燃料噴射期間（或いは燃料噴射量）に応じても変化する。そこで本実施形態では、噴霧含有相体積Ｖｖａｐと筒内吸気ガス密度、燃料噴射圧及び燃料噴射期間（或いは燃料噴射量）との関係を予め実験的に又は計算によって求めると共に、これをマップとしてＥＣＵ４０のＲＯＭ４２に保存しておく。そして、機関運転時において、このマップを用いて筒内吸気ガス密度、燃料噴射圧及び燃料噴射期間（或いは燃料噴射量）に基づいて噴霧含有相体積Ｖｖａｐが算出される。
【００４９】
なお、このような噴霧含有相体積Ｖｖａｐの算出・推定はＥＣＵ４０によって行われることから、ＥＣＵ４０は噴霧含有相体積推定手段として機能するといえる。また、噴霧含有相体積Ｖｖａｐは、例えば広安の式等に基づいて作成された数式に筒内吸気ガス密度、燃料噴射圧等を代入することによって算出されてもよい。
【００５０】
このように算出された過濃混合気量をＭｈｃｏｎｃ及び噴霧含有相体積をＶｖａｐに加えて、燃料噴射装置３からの燃料噴射期間Ｔｉｎｊを上記式（１）に代入することにより、スモーク発生量ｓｍｋを算出することができる。
【００５１】
次に、このように構成された本実施形態の燃料噴射装置３の制御装置の利点について説明する。
【００５２】
本実施形態では、スモーク発生量を過濃混合気量Ｍｈｃｏｎｃ、噴霧含有相体積Ｖｖａｐ及び燃料噴射装置３からの燃料噴射期間Ｔｉｎｊに基づいて算出している。このため、本実施形態によれば、筒内酸素濃度のみに基づいてスモーク発生量を推定する場合に比べてスモーク発生量の推定精度を極めて高いものとすることができる。
【００５３】
また、スモーク発生量を、燃料噴射装置３からの噴射燃料の貫徹力や、燃料噴射装置３からの噴射角に基づいて算出することも考えられる。しかしながら、図９に示したように、燃料噴射装置３からの噴射燃料の貫徹力とスモーク発生量との間には比較的低い相関関係しかなく（図９（ａ））、同様に、燃料噴射装置３からの噴射角とスモーク発生量との間にも比較的低い相関関係しかない（図９（ｂ））。これに対して、図９（ｃ）に示したように、過濃混合気量Ｍｈｃｏｎｃに燃料噴射期間Ｔｉｎｊを乗算したものを噴霧含有相体積Ｖｖａｐで除算した値とスモーク発生量との間には高い相関関係がある。このため、この値を利用した本実施形態の制御装置によれば、スモーク発生量を正確に算出することができる。
【００５４】
また、スモーク発生量は筒内酸素濃度以外の様々なパラメータに応じて変化することから、筒内酸素濃度を含む多数のパラメータとスモーク発生量との関係を予め実験的に求め、これらの関係をマップとしてＥＣＵのＲＯＭに保存することも考えられる。しかしながら、このようにパラメータの数が多いと、これらパラメータとスモーク発生量との関係を求めるのに膨大な工数が必要となる上、ＥＣＵのＲＯＭに大きな保存容量が必要となる。
【００５５】
これに対して、上述したようにスモーク発生量の推定を行った場合、必要なマップの数は極めて少ない上に、マップ作成時のパラメータも少ないためマップ作成の工数を低減させることができる。加えて、マップの数が少ないことからＥＣＵ４０のＲＯＭ４２に必要な保存容量を小さいものとすることができる。
【００５６】
図１０は、本実施形態の燃料噴射装置３の制御装置における燃料噴射装置３からの燃料噴射の制御ルーチンを概略的に示すフローチャートである。
【００５７】
図１０に示したように、まずステップＳ１１において、各種センサにより各種パラメータの検出が行われる。具体的には、例えば、負荷センサ５１により機関負荷が、クランク角センサ５２により機関回転数が、流量センサ５３により吸気ダクト６内を流れる空気の流量がそれぞれ検出される。加えて、温度センサ５４及び圧力センサ５５によって吸気ポート１８内を流れる吸気ガスの温度及び圧力が検出され、ＥＧＲガス流量センサ５６によりＥＧＲガスの流量が検出される。
【００５８】
次いで、ステップＳ１２では、ステップＳ１１で検出された機関負荷及び機関回転数等の運転パラメータに基づいて基本燃料噴射パラメータ（基本燃料噴射量、基本燃料噴射圧、基本燃料噴射時期等）が算出・設定され、また、同様に機関負荷及び機関回転数等の運転パラメータに基づいて目標筒内酸素濃度ｒｏｘｃｔｒｇが算出される。次いで、ステップＳ１３では、ステップＳ１１で算出されたＥＧＲガスの流量や、吸気弁１９又は排気弁２１を開閉駆動する可変動弁機構における吸気弁１９又は排気弁２１の開閉弁時期、流量センサ５３の検出値に基づいて算出された吸入空気量、圧力センサ５５によって検出された圧力（過給圧）、温度センサ５４によって検出された吸気温度等に基づいて、実筒内酸素濃度ｒｏｘｃｉが算出される。
【００５９】
ステップＳ１４では、ステップＳ１３で算出された実筒内酸素濃度ｒｏｘｃｉがステップＳ１２で算出された目標筒内酸素濃度ｒｏｘｃｔｒｇとほぼ同一であるか否かが判定される。すなわち、ステップＳ１４では、機関運転状態が過渡運転状態となっていないか否かが判定される。
【００６０】
なお、ステップＳ１４における判定の代わりに、実筒内酸素濃度ｒｏｘｃｉと目標筒内酸素濃度ｒｏｘｃｔｒｇとの差が予め定められた範囲内にあるか否かに基づいて機関運転状態が過渡運転状態となっていないか否かを判定してもよい。或いは、機関負荷や機関回転数等、他のパラメータに基づいて機関運転状態が過渡運転状態となっていないか否かを判定してもよい。
【００６１】
ステップＳ１４で、実筒内酸素濃度ｒｏｘｃｉが目標筒内酸素濃度ｒｏｘｃｔｒｇとほぼ同一であると判定された場合、すなわち、機関運転状態が過渡運転状態となっていないと判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。この結果、燃料噴射装置３からの燃料噴射は、ステップＳ１２において設定された基本燃料噴射パラメータに基づいて行われる。
【００６２】
一方、ステップＳ１４で、実筒内酸素濃度ｒｏｘｃｉが目標筒内酸素濃度ｒｏｘｃｔｒｇとは異なると判定された場合、すなわち、機関運転状態が過渡運転状態となっていると判定された場合には、ステップＳ１５へと進む。ステップＳ１５では、筒内酸素密度が算出される。筒内酸素密度の算出は、筒内吸気ガス密度にステップＳ１２で算出された実筒内酸素濃度ｒｏｘｃｔｒｇを乗算することにより行われる。筒内吸気ガス密度は、吸気ポート１８に設けられた温度センサ５４及び圧力センサ５５に検出された吸気ガスの温度及び圧力等に基づいて算出される。
【００６３】
次いで、ステップＳ１６では、過濃混合気量Ｍｈｃｏｎｃ及び噴霧含有相体積Ｖｖａｐが算出される。過濃混合気量Ｍｈｃｏｎｃは、ステップＳ１５で算出した筒内酸素密度と、ステップＳ１２で算出・設定された基本燃料噴射量及び基本燃料噴射圧に基づいて算出された噴霧燃料密度分布とに基づいて上述したように算出される。また、噴霧含有相体積Ｖｖａｐは、ステップＳ１５の算出過程で用いた筒内吸気ガス密度と、基本燃料噴射量及び基本燃料噴射圧に基づいて算出される。
【００６４】
ステップＳ１７では、ステップＳ１６で算出された過濃混合気量Ｍｈｃｏｎｃ及び噴霧含有相体積Ｖｖａｐ並びに基本燃料噴射期間Ｔｉｎｊ（基本燃料噴射量等から算出可能）を上記式（１）に代入して算出されたスモーク発生量ｓｍｋが、許容上限値ｓｍｋｍａｘ以下であって、許容下限値ｓｍｋｍｉｎ以上であるか否かが判定される。ステップＳ１７においてスモーク発生量ｓｍｋが許容上限値ｓｍｋｍａｘ以下であって許容下限値ｓｍｋｍｉｎ以上であると判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。この結果、燃料噴射装置３からの燃料噴射は、ステップＳ１２において設定された基本燃料噴射パラメータに基づいて行われる。
【００６５】
一方、ステップＳ１７において、スモーク発生量ｓｍｋが許容上限値ｓｍｋｍａｘよりも多い或いは許容下限値ｓｍｋｍｉｎよりも少ないと判定された場合にはステップＳ１８へと進む。ステップＳ１８では、スモーク発生量ｓｍｋが許容上限値ｓｍｋｍａｘ以下であって許容下限値ｓｍｋｍｉｎ以上となるように燃料噴射圧が設定される。この結果、燃料噴射装置３からの燃料噴射は、ステップＳ１２において設定された基本燃料噴射時期、基本燃料噴射量と、ステップＳ１８で設定された燃料噴射圧とに基づいて行われる。
【００６６】
なお、上記実施形態では、ステップＳ１４において予め機関運転状態が過渡運転状態にあるか否かを判定し、過渡運転状態にあると判定された場合に限ってスモーク発生量ｓｍｋの推定を行っている。しかしながら、スモーク発生量ｓｍｋの推定は、必ずしも機関運転状態が過渡運転状態にある時のみだけでなく、機関運転状態が定常運転状態にある時にも行ってもよい。この場合であっても、スモーク発生量ｓｍｋが目標スモーク発生量よりも多かったり少なかったりした場合には、燃料噴射装置３からの燃料噴射圧の調整が行われる。
【００６７】
次に、本発明の第二実施形態に係る燃料噴射装置３の制御装置について説明する。第二実施形態の制御装置の構成等は基本的に第一実施形態の制御装置の構成等と同様である。ただし、第一実施形態の制御装置では、所定時期（例えば燃料噴射の終了時）を基準として噴霧燃料密度の分布、過濃混合気量、噴霧含有相体積、筒内酸素密度等を算出していた。これに対して、第二実施形態の制御装置では、燃料噴霧の自着火時期を基準としてこれらを算出するようにしている。
【００６８】
燃料噴射装置３から噴射された燃料噴霧は、燃料噴射からの時間が経過するにしたがって気筒２内へ拡散していく。このため、噴霧燃料密度の分布、過濃混合気量、噴霧含有相体積は、燃料噴射からの経過時間に応じて変化する。また、筒内２の体積はピストン１７が往復運動していることから筒内２の体積も同様に燃料噴射時期や燃料噴射からの経過時間に応じて変化する。このため、筒内酸素密度も燃料噴射時期や燃料噴射からの経過時間に応じて変化する。
【００６９】
ここで、気筒２内での燃料噴霧の燃焼によって発生するスモークに影響を及ぼすのは、燃料噴霧の燃焼が発生した時、すなわち気筒２内で燃料噴霧の自着火が発生した時における噴霧燃料密度の分布、過濃混合気量、噴霧含有相体積及び筒内酸素密度である。そこで、本第二実施形態の制御装置では、例えば筒内酸素濃度、燃料噴射時期並びに吸気ガスの温度及び圧力等に基づいて自着火時期を推定すると共に、推定された自着火時期に基づいて噴霧燃料密度の分布、過濃混合気量、噴霧含有相体積及び筒内酸素密度を算出している。なお、このような自着火時期の推定はＥＣＵ４０によって行われることから、ＥＣＵ４０は自着火時期推定手段として機能するといえる。
【００７０】
例えば、噴霧燃料密度の分布に関しては、本実施形態では、噴霧燃料密度の分布と、燃料噴射圧、燃料噴射量及び自着火時期との関係を予め実験的に又は計算によって求め、これをマップとしてＥＣＵ４０のＲＯＭ４２に保存しておく。そして、機関運転時において、燃料噴射量、燃料噴射圧及び自着火時期に基づいて噴霧燃料密度の分布が算出される。これにより、自着火時期における単位体積当たりの噴霧燃料の質量である噴霧燃料密度の分布を推定することができる。
【００７１】
また、自着火時期が分かればそのときの気筒２内の体積も算出することができることから、自着火時期と温度センサ５４及び圧力センサ５５によって検出された温度及び圧力とにより、自着火時期における筒内吸気ガス密度を算出可能であり、これに伴って自着火時期における筒内酸素密度も算出可能である。そして、これら自着火時期における噴霧燃料密度の分布、筒内酸素密度、筒内吸気ガス密度等により、自着火時期における過濃混合気量及び噴霧含有相体積を算出することができる。
【００７２】
このように、自着火時期における過濃混合気量及び自着火時期における噴霧含有相体積に基づいて上記式（１）に基づいてスモーク発生量を算出することにより、スモーク発生量をより正確に算出することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１    機関本体
２    気筒
３    燃料噴射装置
４    吸気マニホルド
５    排気マニホルド
７    排気ターボチャージャ
９    スロットル弁
１８    吸気ポート
２５    ＥＧＲ通路
２６    ＥＧＲ制御弁
２９    コモンレール
３０    燃料ポンプ
４０    ＥＣＵ
５３    流量センサ
５４    温度センサ
５５    圧力センサ
５６    ＥＧＲガス流量センサ
５７    燃料圧力センサ
【図１】
2014015895.tif 000003
【図２】
2014015895.tif 000004
【図３】
2014015895.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2014015895.tif 000008
【図７】
2014015895.tif 000009
【図８】
2014015895.tif 000010
【図９】
2014015895.tif 000011
【図１０】
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