(57)【要約】【課題】エンジンから排出される粒子状物質の個数（ＰＮ）を抑制する。【解決手段】気筒２内に存在する粒子状物質の発光である輝炎を光学センサＳＮ３により検出し、検出した輝炎を２色法により分析してＫＬ値を求め、求めたＫＬ値が大きい場合は小さい場合に比べて、粒子状物質の個数が抑制される態様でインジェクタ１５から燃料を噴射させる。例えば、ＫＬ値が大きい場合は小さい場合に比べて、ピストン５壁面への燃料の付着量が減少するようにインジェクタ１５からの燃料噴射を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内に燃料を噴射するインジェクタを備えたエンジンを制御する方法であって、
前記気筒内に存在する粒子状物質の発光である輝炎を光学的に検出する第１のステップと、
前記第１のステップで検出された輝炎を２色法により分析してＫＬ値を求める第２のステップと、
前記第２のステップで求められたＫＬ値が大きい場合は小さい場合に比べて、前記粒子状物質の個数が抑制される態様で前記インジェクタから燃料を噴射させる第３のステップとを含む、ことを特徴とするエンジンの制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載のエンジンの制御方法において、
前記第３のステップでは、前記第２のステップで求められた前記ＫＬ値が大きい場合は小さい場合に比べて、ピストン壁面への燃料の付着量が減少するように前記インジェクタからの燃料噴射を制御する、ことを特徴とするエンジンの制御方法。
【請求項３】
請求項２に記載のエンジンの制御方法において、
前記インジェクタは、触媒の温度が低い触媒暖機運転中に、圧縮行程を含む複数のタイミングで燃料を噴射するように制御され、
前記第３のステップでは、前記第２のステップで求められた前記ＫＬ値が大きい場合は小さい場合に比べて、前記インジェクタからの燃料の噴射圧力を上昇させる、ことを特徴とするエンジンの制御方法。
【請求項４】
請求項２または３に記載のエンジンの制御方法において、
前記インジェクタは、触媒の温度が低い触媒暖機運転中に、圧縮行程を含む複数のタイミングで燃料を噴射するように制御され、
前記第３のステップでは、前記第２のステップで求められた前記ＫＬ値が大きい場合は小さい場合に比べて、圧縮行程中の最も遅いタイミングで噴射される燃料の量を減らし、かつ当該燃料よりも前に噴射される燃料の量を増やす、ことを特徴とするエンジンの制御方法。
【請求項５】
気筒内に燃料を噴射するインジェクタを備えたエンジンを制御する装置であって、
前記気筒内に存在する粒子状物質の発光である輝炎を光学的に検出する光学センサと、
前記光学センサにより検出された輝炎を２色法により分析してＫＬ値を求める演算部と、
前記演算部により求められたＫＬ値が大きい場合は小さい場合に比べて、前記粒子状物質の個数が抑制される態様で前記インジェクタから燃料を噴射させる噴射制御部とを備えた、ことを特徴とするエンジンの制御装置。
【請求項６】
エンジンから排出される粒子状物質の個数を検出する方法であって、
前記エンジンの気筒内に存在する粒子状物質の発光である輝炎を光学的に検出する第１のステップと、
前記第１のステップで検出された輝炎を２色法により分析してＫＬ値を求める第２のステップと、
前記第２のステップで求められたＫＬ値に基づいて前記粒子状物質の個数を推定する第３のステップとを含み、
前記第３のステップでは、前記ＫＬ値が大きいほどエンジンから排出される前記粒子状物質の個数が多いものと推定する、ことを特徴とするエンジンの排出粒子数検出方法。
【請求項７】
請求項６に記載のエンジンの排出粒子数検出方法において、
前記第２のステップでは、前記輝炎からの放射光を２分光して得られる２つの異なる波長成分の輝度を測定し、各輝度の値から特定される輝度温度に基づいて前記ＫＬ値を求める、ことを特徴とするエンジンの排出粒子数検出方法。
【請求項８】
請求項７に記載のエンジンの排出粒子数検出方法において、
前記第３のステップでは、クランク角ごとに求められる前記ＫＬ値のピーク値に基づいて前記粒子状物質の個数を推定する、ことを特徴とするエンジンの排出粒子数検出方法。
【請求項９】
エンジンから排出される粒子状物質の個数を検出する装置であって、
前記エンジンの気筒内に存在する粒子状物質の発光である輝炎を光学的に検出する光学センサと、
前記光学センサにより検出された輝炎を２色法により分析してＫＬ値を求めるとともに、求めたＫＬ値に基づいて前記粒子状物質の個数を推定する演算部とを備え、
前記演算部は、前記ＫＬ値が大きいほどエンジンから排出される前記粒子状物質の個数が多いものと推定する、ことを特徴とするエンジンの排出粒子数検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンから排出される粒子状物質の個数を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ガソリン直噴エンジンのように気筒内に燃料を噴射するエンジンでは、ポート噴射を採用した旧来のガソリンエンジンに比べて、スート（煤）等の粒子状物質が多く発生することが知られている。特に、エンジンを冷間始動した直後のように触媒温度が低い条件では、例えば点火時期を遅角させる等により排気ガスの温度を上昇させる制御（触媒暖機運転）が行われるが、このような触媒暖機運転時に多くの粒子状物質が発生することが知られている。
【０００３】
粒子状物質を抑制するには、その生成量を正確に把握することが必要であり、下記特許文献１では、そのための燃焼解析技術が提案されている。具体的に、特許文献１では、気筒内の燃焼火炎からの放射光を検出して、いわゆる２色法によりＫＬ値を算出するとともに、このＫＬ値を用いた所定の演算によりスートの生成量を求めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−９９０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、最近の傾向として、エンジンから排出される粒子状物質の質量だけでなく、粒子状物質の個数（以下、適宜ＰＮという）を規制する動きがあり、このＰＮ規制に対応するための技術開発が求められている。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１の技術では、気筒内のスート生成量（質量）をある程度正確に予測することはできても、エンジンから排出されるスートを含む粒子状物質の個数、つまりＰＮを正確に予測することは困難である。すなわち、粒子状物質には大小様々な粒径のものが含まれるため、気筒内で生成されたスート質量が分かっただけでは、エンジンから排出されるＰＮを正確に予測することは困難である。
【０００７】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、エンジンから排出されるＰＮを正確に予測し得る技術、もしくはその予測に基づいた制御によりＰＮを効果的に抑制し得る技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するべく本願発明者が鋭意研究した結果、気筒内に存在する粒子状物質の発光である輝炎を２色法により分析することで得られるＫＬ値は、エンジンから排出される粒子状物質の個数であるＰＮと高い相関性があり、ＫＬ値が大きいほどＰＮが多いという法則が成り立つことをつきとめた。そして、このような知見を前提に、下記の発明を完成させた。
【０００９】
まず、本願の第１の発明は、気筒内に燃料を噴射するインジェクタを備えたエンジンを制御する方法であって、前記気筒内に存在する粒子状物質の発光である輝炎を光学的に検出する第１のステップと、前記第１のステップで検出された輝炎を２色法により分析してＫＬ値を求める第２のステップと、前記第２のステップで求められたＫＬ値が大きい場合は小さい場合に比べて、前記粒子状物質の個数が抑制される態様で前記インジェクタから燃料を噴射させる第３のステップとを含む、ことを特徴とするものである（請求項１）。
【００１０】
この第１の発明によれば、気筒内の輝炎を２色法により分析して得られるＫＬ値が大きい場合、つまりエンジンから排出される粒子状物質の個数であるＰＮが多いと予測される場合に、ＰＮが抑制される方向に燃料噴射の態様が切り替えられるので、粒子状物質が過剰に発生しないように燃焼を適正に制御することができ、エンジンから排出されるＰＮを効果的に抑制することができる。
【００１１】
前記第１の発明において、好ましくは、前記第３のステップでは、前記第２のステップで求められた前記ＫＬ値が大きい場合は小さい場合に比べて、ピストン壁面への燃料の付着量が減少するように前記インジェクタからの燃料噴射を制御する（請求項２）。
【００１２】
このように、ＫＬ値が大きい場合（つまりＰＮが多いと予測される場合）にピストン壁面への燃料の付着量を減少させるようにした場合には、ピストン壁面に付着した液滴状態の燃料に火炎が到達することで生じるプール燃焼を抑制できるので、当該プール燃焼に起因した粒子状物質の発生を抑制することができ、ＰＮを効果的に抑制することができる。
【００１３】
前記構成において、より好ましくは、前記インジェクタは、触媒の温度が低い触媒暖機運転中に、圧縮行程を含む複数のタイミングで燃料を噴射するように制御され、前記第３のステップでは、前記第２のステップで求められた前記ＫＬ値が大きい場合は小さい場合に比べて、前記インジェクタからの燃料の噴射圧力を上昇させる（請求項３）。
【００１４】
触媒暖機運転中は、一般に、排気ガスの温度を上昇させるために、例えば混合気への点火時期を遅角化するなどの措置が採られるので、燃焼安定性が低下し易いといえる。これに対し、前記構成では、燃料の少なくとも一部が圧縮行程中に噴射されるので、燃料の成層化を実現することができ、燃焼安定性が低下し易い状況を改善することができる。しかしながら、燃料が圧縮行程中に噴射されるということは、ピストン壁面に液滴のまま付着する燃料の量が増大することを意味する。このため、場合によっては、付着した燃料がいわゆるプール燃焼することで、粒子状物質が過剰に発生することが懸念される。これに対し、前記構成では、ＫＬ値が大きい場合（つまりＰＮが多いと予測される場合）にインジェクタからの燃料の噴射圧力（燃圧）が高められるので、燃料の微粒化を促進することができ、燃料が気化・霧化するまでに要する時間を短縮することができる。これにより、上述した壁面への燃料付着量を低減することができ、ＰＮを効果的に抑制することができる。
【００１５】
前記のように触媒暖機運転中に圧縮行程を含む複数のタイミングで燃料を噴射するようにした場合、前記第３のステップでは、前記第２のステップで求められた前記ＫＬ値が大きい場合は小さい場合に比べて、圧縮行程中の最も遅いタイミングで噴射される燃料の量を減らし、かつ当該燃料よりも前に噴射される燃料の量を増やすようにしてもよい（請求項４）。
【００１６】
このように、圧縮行程中の最も遅いタイミングで噴射される燃料の量を減らした場合には、ピストン壁面に液滴のまま付着する燃料の量をさらに低減することができ、ＰＮを効果的に抑制することができる。
【００１７】
また、本願の第２の発明は、気筒内に燃料を噴射するインジェクタを備えたエンジンを制御する装置であって、前記気筒内に存在する粒子状物質の発光である輝炎を光学的に検出する光学センサと、前記光学センサにより検出された輝炎を２色法により分析してＫＬ値を求める演算部と、前記演算部により求められたＫＬ値が大きい場合は小さい場合に比べて、前記粒子状物質の個数が抑制される態様で前記インジェクタから燃料を噴射させる噴射制御部とを備えた、ことを特徴とするものである（請求項５）。
【００１８】
この第２の発明によれば、前記第１の発明と同様の効果を得ることができる。
【００１９】
また、本願の第３の発明は、エンジンから排出される粒子状物質の個数を検出する方法であって、前記エンジンの気筒内に存在する粒子状物質の発光である輝炎を光学的に検出する第１のステップと、前記第１のステップで検出された輝炎を２色法により分析してＫＬ値を求める第２のステップと、前記第２のステップで求められたＫＬ値に基づいて前記粒子状物質の個数を推定する第３のステップとを含み、前記第３のステップでは、前記ＫＬ値が大きいほどエンジンから排出される前記粒子状物質の個数が多いものと推定する、ことを特徴とするものである（請求項６）。
【００２０】
この構成によれば、気筒内の輝炎を２色法により分析して得られるＫＬ値が大きいほど、エンジンから排出される粒子状物質の個数つまりＰＮが多いと推定されるので、ＫＬ値とＰＮとの間に高い相関性を発見した本願発明者の知見に基づいて、簡易かつ正確にＰＮを推定することができる。
【００２１】
前記２色法によるＫＬ値の求め方は、具体的には次のとおりである。すなわち、前記第２のステップでは、前記輝炎からの放射光を２分光して得られる２つの異なる波長成分の輝度を測定し、各輝度の値から特定される輝度温度に基づいて前記ＫＬ値を求める（請求項７）。
【００２２】
ここで、本願発明者の研究によれば、ＰＮは、特に、クランク角ごとに求められるＫＬ値のピーク値と高い相関を示す。このため、前記第３のステップでは、前記ＫＬ値のピーク値に基づいて前記粒子状物質の個数を推定することが好ましい（請求項８）。
【００２３】
また、本願の第４の発明は、エンジンから排出される粒子状物質の個数を検出する装置であって、前記エンジンの気筒内に存在する粒子状物質の発光である輝炎を光学的に検出する光学センサと、前記光学センサにより検出された輝炎を２色法により分析してＫＬ値を求めるとともに、求めたＫＬ値に基づいて前記粒子状物質の個数を推定する演算部とを備え、前記演算部は、前記ＫＬ値が大きいほどエンジンから排出される前記粒子状物質の個数が多いものと推定する、ことを特徴とするものである（請求項９）。
【００２４】
この第４の発明によれば、前記第３の発明と同様の効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したように、本発明によれば、エンジンから排出されるＰＮを正確に予測し得る技術、もしくはその予測に基づいた制御によりＰＮを効果的に抑制し得る技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態にかかるエンジンの全体構成を概略的に示すシステム図である。
【図２】上記エンジンにおいて圧縮行程の後半に噴射された燃料の噴霧を概略的に示す図であり、（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、インジェクタの異なる噴孔から噴射された燃料噴霧の動きを示している。
【図３】上記エンジンの触媒暖機制御の手順を示すフローチャートの前半部である。
【図４】上記フローチャートの後半部である。
【図５】上記触媒暖機制御中に選択される３つの噴射パターンを説明するための図であり、（ａ）は噴射パターン１に、（ｂ）は噴射パターン２に、（ｃ）は噴射パターン３にそれぞれ対応している。
【図６】本発明の基礎となる研究で用いられた実験用のエンジンの構造を示す図である。
【図７】２段目の燃料噴射の開始時期（２ｎｄ・ＳＯＩ）とＰＮとの関係、および同噴射開始時期と燃焼変動率との関係を同時に示すグラフである。
【図８】図７で計測対象とされた粒子の粒径分布を示すグラフである。
【図９】筒内圧力および熱発生率を測定して得られたグラフと、複数のクランク角において取得された燃焼火炎画像とを併せて示した図である。
【図１０】２段目の燃料噴射による噴霧散乱光画像を示した図である。
【図１１】図９と同一条件下で２色法計測を行った際の火炎温度、ＫＬ値、および輝度を示すグラフであり、（ａ）は各クランク角における平均火炎温度を示し、（ｂ）は各クランク角における筒内全体のＫＬ値であるＫＬθと輝度とを示している。
【図１２】２段目の燃料噴射の開始時期（２ｎｄ・ＳＯＩ）を種々変化させながらＫＬθのピーク値（ＫＬθｍａｘ）とＰＮとを同時計測した結果を示すグラフである。
【図１３】噴射条件の異なる４つの実験例（比較例および実施例１〜３）において得られたＫＬθおよび熱発生率の測定結果を示すグラフであり、（ａ）がＫＬθの波形を、（ｂ）が熱発生率の波形をそれぞれ示している。
【図１４】上記４つの実験例において得られたＫＬ値の分布画像を示す図である。
【図１５】上記４つの実験例におけるピストン壁面への燃料付着量を示すグラフである。
【図１６】実際の車両の走行試験でＰＮの計測を行った結果を示すグラフであり、（ａ）は各時間において発生する逐次ＰＮを、（ｂ）は各時間のＰＮを合計した積算ＰＮを、それぞれ示している。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（１）実施形態の説明
（１−１）エンジンの全体構成
図１は、本発明の一実施形態にかかるエンジンの全体構成を概略的に示すシステム図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された４サイクルのガソリン直噴エンジンであり、エンジン本体１と、エンジン本体１に導入される吸気が流通する吸気通路２８と、エンジン本体１から排出される排気ガスが流通する排気通路２９とを備えている。
【００２８】
エンジン本体１は、気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、気筒２を上から閉塞するようにシリンダブロック３の上面に取り付けられたシリンダヘッド４と、気筒２にそれぞれ往復摺動可能に挿入されたピストン５とを有している。エンジン本体１は、典型的には複数の（例えば４つの）気筒を有する多気筒型のものであるが、ここでは簡略化のため、１つの気筒２のみに着目して説明を進める。
【００２９】
ピストン５の上方には燃焼室６が画成されており、この燃焼室６には、ガソリンを主成分とする燃料が、後述するインジェクタ１５からの噴射によって供給される。そして、供給された燃料が燃焼室６で空気と混合されつつ燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン５が上下方向に往復運動する。
【００３０】
ピストン５の下方には、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸７が設けられている。クランク軸７は、ピストン５とコネクティングロッド８を介して連結され、ピストン５の往復運動（上下運動）に応じて中心軸回りに回転駆動される。
【００３１】
シリンダブロック３には、クランク軸７の回転角度（クランク角）およびクランク軸７の回転速度（エンジン回転速度）を検出するクランク角センサＳＮ１が設けられている。
【００３２】
シリンダヘッド４には、燃焼室６に開口する吸気ポート９および排気ポート１０と、各ポート９，１０を開閉する吸気弁１１および排気弁１２とが設けられている。吸気弁１１および排気弁１２は、シリンダヘッド４に配設された一対のカム軸等を含む動弁機構１３，１３により、クランク軸７の回転に連動して開閉駆動される。
【００３３】
吸気通路２８は、吸気ポート９と連通するようにシリンダヘッド４の一側面に接続されている。吸気通路２８の上流端から取り込まれた空気（新気）は、吸気通路２８および吸気ポート９を通じて燃焼室６に導入される。
【００３４】
吸気通路２８には、気筒２への吸入空気量を調節するためのスロットル弁３０が開閉可能に設けられている。
【００３５】
排気通路２９は、排気ポート１０と連通するようにシリンダヘッド４の他側面に接続されている。燃焼室６で生成された既燃ガス（排気ガス）は、排気ポート１０および排気通路２９を通じて外部に排出される。
【００３６】
排気通路２９には触媒コンバータ３１が設けられている。触媒コンバータ３１には、排気通路２９を流通する排気ガス中に含まれる有害成分（ＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘ等）を浄化するための触媒（例えば三元触媒）が内蔵されている。また、触媒コンバータ３１には、その内部の触媒の温度を検出する触媒温度センサＳＮ２が設けられている。
【００３７】
ピストン５の冠面には、吸排気方向（図１の左右方向）の中心部が最も高く、かつそこから吸気側および排気側に離れるほど高さが低くなるように形成されたペントルーフ型の隆起部５ａが形成されている。この隆起部５ａの中央部には、シリンダヘッド４とは反対側（下方）に凹陥したキャビティＣが形成されている。
【００３８】
シリンダヘッド４には、燃焼室６に燃料（ガソリン）を噴射するインジェクタ１５と、燃焼室６に噴射された燃料と空気との混合気を強制着火させる点火プラグ１６とが設けられている。
【００３９】
インジェクタ１５には燃料供給管２０が接続されており、この燃料供給管２０にはサプライポンプ２１から圧送された燃料が随時供給されるようになっている。インジェクタ１５は、サプライポンプ２１から燃料供給管２０を通じて供給された燃料を適宜のタイミングで燃焼室６に噴射する。
【００４０】
サプライポンプ２１は、燃料の供給圧力を変更可能な油圧式もしくは電動式のポンプである。このサプライポンプ２１での設定圧力に基づいて、インジェクタ１５からの燃料の噴射圧力（燃圧）が変更可能とされている。
【００４１】
インジェクタ１５は、先端部に合計６つの噴孔を有した６噴孔タイプのインジェクタとされ、吸気側の側方から燃焼室６に向けて放射状に燃料を噴射するように設けられている。図２（ａ）〜（ｃ）は、圧縮行程の後半にインジェクタ１５から噴射された燃料の噴霧の動きを概略的に示す図であり、それぞれ別の噴孔から噴射された噴霧の動きを示している。具体的に、図２（ａ）に示される噴霧Ｘ１は、インジェクタ１５の先端部における最も高い位置に設けられた１つの噴孔から噴射された噴霧であり、図２（ｃ）に示される噴霧Ｘ４は、最も低い位置に設けられた１つの噴孔から噴射された噴霧であり、図２（ｂ）に示される噴霧Ｘ２，Ｘ３は、中間の高さ位置に設けられた２つの噴孔から噴射された噴霧である（図２（ｃ）では噴霧Ｘ２，Ｘ３が重ねて示されるが、互いの奥行き方向の位置が異なっている）。
【００４２】
図２（ａ）に示すように、噴霧Ｘ１は、キャビティＣの内部に入った後に、当該キャビティＣの排気側の壁面Ｗ１に沿って上方に方向転換され、点火プラグ１６の近傍へと導かれる。また、図２（ｂ）（ｃ）に示すように、噴霧Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４は、キャビティＣの内部に入ることなく、ピストン５の冠面における吸気側の壁面に衝突し、その後、隆起部５ａにおける吸気側の傾斜壁面Ｗ２に沿って上方に方向転換され、点火プラグ１６の近傍へと導かれる。なお、これら４つの噴霧Ｘ１〜Ｘ４以外の残り２つの噴霧については図示していないが、これら残り２つの噴霧は、点火プラグ１６から離れた燃焼室６の外周部を指向するように噴射される。
【００４３】
このように、当実施形態では、インジェクタ１５から圧縮行程の後半に燃料を噴射した場合に、合計６つの噴孔から噴射される噴霧のうちの４つ（噴霧Ｘ１〜Ｘ４）が、いずれも点火プラグ１６の近傍に集められるようになっている。これにより、点火プラグ１６の近傍に相対的にリッチな混合気が形成され、いわゆる燃料の成層化が実現される。このような燃料の成層化は、燃焼安定性が損なわれ易い運転条件において、燃焼安定性を改善する上で有利である。例えば、後述する触媒暖機運転時（低温の触媒を高温の排気ガスにより加熱する運転時）のように、点火時期の遅角化が必要な運転条件では、燃焼安定性が損なわれ易い。そこで、当実施形態では、少なくとも触媒暖機運転中に、燃焼安定性を改善すべく、インジェクタ１５から噴射すべき燃料の一部が圧縮行程の後半に噴射されるようになっている。
【００４４】
図１に示すように、シリンダヘッド４には光学センサＳＮ３が設けられている。光学センサＳＮ３は、燃焼室６で発生した粒子状物質の発光である輝炎を検出するものである。ここで、燃焼室６から排出される粒子状物質には、燃料の燃焼に起因して生じるスート（煤）の他、未燃の炭化水素（ＳＯＦ）、燃料由来の硫化物（Ｓｕｌｆａｔｅ）等が含まれるが、後述する項目（２）で説明する研究の結果によれば、ガソリン直噴エンジンで発生する粒子状物質のほとんどはスートである。したがって、以下では粒子状物質のことを単にスートという。
【００４５】
以上のように構成されたエンジンは、その各部がＥＣＵ（エンジン制御ユニット）５０により統括的に制御される。ＥＣＵ５０は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサであり、請求項にいう「演算部」および「噴射制御部」に相当するものである。
【００４６】
ＥＣＵ５０には、エンジンに設けられた各種センサから種々の情報が入力される。すなわち、ＥＣＵ５０は、上述したクランク角センサＳＮ１、触媒温度センサＳＮ２、および光学センサＳＮ３と電気的に接続されており、これら各センサＳＮ１〜ＳＮ３からの入力信号に基づいて、クランク角、エンジン回転速度、触媒温度、輝炎（スートの発光）の輝度といった種々の情報を取得する。
【００４７】
ＥＣＵ５０は、上記各センサＳＮ１〜ＳＮ３等から取得される情報に基づいて種々の演算等を実行しつつ、エンジンの各部を制御する。具体的に、ＥＣＵ５０は、インジェクタ１５、点火プラグ１６、サプライポンプ２１、およびスロットル弁３０等と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいて、これらの機器にそれぞれ制御用の信号を出力する。
【００４８】
（１−２）触媒暖機運転時の制御
エンジンが冷間始動された直後のように、触媒温度がかなり低くなる条件においては、この低温の触媒を早期に活性化させるために、点火時期を遅角化して排気ガスを高温化させる（つまり高温の排気ガスにより触媒を加熱する）触媒暖機制御が実行される。以下では、この触媒暖機制御の詳細について、図３、図４のフローチャートおよび図５のタイムチャートを参照しつつ説明する。
【００４９】
図外のイグニッションスイッチがＯＮされて図３のフローチャートに示す処理がスタートすると、ＥＣＵ５０は、停止していたエンジンを始動する制御を実行する（ステップＳ１）。
【００５０】
次いで、ＥＣＵ５０は、触媒温度センサＳＮ２により検出される触媒温度（触媒コンバータ３１内の触媒の温度）が、予め定められた閾値Ｔｘ未満であるか否かを判定する（ステップＳ２）。ここで用いられる触媒温度の閾値Ｔｘは、触媒の活性状態を判定するための閾値であり、触媒温度がこの閾値Ｔｘ未満であるということは、触媒を早期に暖機する必要があるほど触媒が未活性であることを意味する。
【００５１】
上記ステップＳ２でＮＯと判定されて触媒温度が閾値Ｔｘ以上であることが確認された場合、つまり触媒が活性状態にあるかこれに近い状態であることが確認された場合には、触媒暖機制御を実行する必要がないため、点火時期を遅角化しない通常運転に移行する。
【００５２】
一方、上記ステップＳ２でＹＥＳと判定されて触媒温度がＴｘ未満であること（触媒が未活性であること）が確認された場合、ＥＣＵ５０は、図５（ａ）に示す噴射パターン１に従ってインジェクタ１５から燃料を噴射させる（ステップＳ３）。
【００５３】
噴射パターン１は、図５（ａ）に示すように、吸気行程の終期に１段目の燃料噴射Ｆ１ａを実行するとともに、圧縮行程の後半に２段目の燃料噴射Ｆ２ａを実行する２分割噴射のパターンである。なお、図５のグラフでは、圧縮上死点を０°とした場合のクランク角（ｄｅｇ．ＡＴＤＣ）を横軸に採用しているので、圧縮上死点よりも進角側の角度はマイナスの数値で標記される。ただし、以下の本文中の説明では、圧縮上死点よりも進角側であることをＢＴＤＣで表し、マイナスの数値を用いない。このため、例えばグラフ上では−１８０（ｄｅｇ．ＡＴＤＣ）となる吸気下死点を指す場合には、ＢＴＤＣ１８０°ＣＡと表記することになる。
【００５４】
噴射パターン１では、一例として、圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも１９０°クランク角を早めたＢＴＤＣ１９０°ＣＡに１段目の燃料噴射Ｆ１ａが開始され、圧縮上死点よりも５５°クランク角を早めたＢＴＤＣ５５°ＣＡに２段目の燃料噴射Ｆ２ａが開始される。なお、ここでの例示は、エンジン回転速度がある特定の範囲（例えば８５０ｒｐｍ前後）にあるときの噴射時期を例示したものであって、エンジン回転速度が変化した場合には噴射時期も適宜変更され得る。このことは、後述する噴射パターン２，３（ステップＳ１１，Ｓ１８）でも同様である。
【００５５】
また、噴射パターン１では、後述する噴射パターン２，３に比べて、インジェクタ１５からの燃料の噴射圧力（燃圧）が低くなるようにサプライポンプ２１が制御される。具体的に、噴射パターン１における燃圧は、例えば１５〜２０ＭＰａ程度に設定される。
【００５６】
なお、１段目の燃料噴射Ｆ１ａによる噴射量と２段目の燃料噴射Ｆ２ａによる噴射量との割合（分割比）は適宜設定可能であるが、例えば２等分（５０：５０）の分割比に設定することができる。
【００５７】
上記のように噴射パターン１による燃料噴射（ステップＳ３）を実行した後、ＥＣＵ５０は、噴射された燃料が膨張行程の途中で燃焼を開始するように、圧縮上死点よりも所定量遅角側に設定されたタイミングで点火プラグ１６を作動させる（ステップＳ４）。
【００５８】
次いで、ＥＣＵ５０は、スートの発光である輝炎を光学センサＳＮ３により検出するとともに（ステップＳ５）、検出した輝炎に基づいて、スート量の指標となるＫＬ値（ＫＬθｍａｘ）を同定する演算を実行する（ステップＳ６）。
【００５９】
詳しくは後述の項目（２）で説明するが、ＫＬ値は、スート濃度と燃焼場の厚さ（放射光を検出する方向に関する火炎の厚み）の積である。ここでは、各クランク角における筒内全体のＫＬ値をＫＬθとし、そのピーク値をＫＬθｍａｘとする。上記ステップＳ６において、ＥＣＵ５０は、輝炎からの放射光を２分光して得られる２つの異なる波長成分の輝度を特定し、各輝度からスートの温度（輝度温度）を求め、さらにこの輝度温度を用いた所定の演算により、ＫＬθおよびＫＬθｍａｘを同定する。この方法は２色法と呼ばれるものであるが、２色法自体は周知であり、また後述する項目（２）でも２色法について述べるので、ここでは２色法についての詳細な説明は省略する。
【００６０】
上記のように、ＫＬ値（ＫＬθおよびＫＬθｍａｘ）を求めるには、輝炎からの放射光を２つの異なる波長成分に分光することが必要である。このため、当実施形態では、輝炎から光学センサＳＮ３に入力される放射光を分光するためのフィルターが、光学センサＳＮ３に内蔵されている。
【００６１】
上記のようにしてＫＬθｍａｘを求めた後、ＥＣＵ５０は、この求めたＫＬθｍａｘに基づいて、エンジンから排出されるスートの個数（以下、これをＰＮと略すことがある）を推定する演算を実行する（ステップＳ７）。後述する項目（２）で詳しく説明するように、本願発明者の研究によれば、ＰＮとＫＬθｍａｘとは、ＫＬθｍａｘの値が増大するにつれてＰＮも略一定の割合で増大するという直線的（１次関数的）な関係にある（図３のグラフＶ参照）。このため、ＰＮの推定値は、例えば、所定の１次関数にＫＬθｍａｘを代入することにより求めることができる。あるいは、当該１次関数に基づき予め用意されたマップを用いて、ＫＬθｍａｘからＰＮの推定値を求めてもよい。
【００６２】
次いで、ＥＣＵ５０は、上記ステップＳ７で推定されたＰＮが予め定められた閾値α未満であるか否かを判定する（ステップＳ８）。ここで用いられるＰＮの閾値αは、ＰＮを低減するために噴霧条件を改善する必要があるか否かを判定するための閾値であり、ＰＮがこの閾値α以上であるということは、ＰＮが想定外に多いために噴霧条件を改善する（それによってＰＮを低減する）必要があることを意味する。
【００６３】
上記ステップＳ８でＹＥＳと判定されてＰＮが閾値α未満であることが確認された場合、ＥＣＵ５０は、上記ステップＳ２に戻ってそれ以降の処理を繰り返す。
【００６４】
一方、上記ステップＳ８でＮＯと判定されてＰＮが閾値α以上であることが確認された場合、ＥＣＵ５０は、図４のステップＳ１０に移行して、触媒温度が閾値Ｔｘ未満であるか否かを判定するとともに、ここでＹＥＳであった場合（つまり触媒が依然未活性であった場合）には、燃料の噴射パターンを上述した噴射パターン１から図５（ｂ）に示す噴射パターン２に切り替えて、この噴射パターン２に従ってインジェクタ１５から燃料を噴射させる（ステップＳ１１）。
【００６５】
噴射パターン２は、図５（ｂ）に示すように、吸気行程の終期に１段目の燃料噴射Ｆ１ｂを実行するとともに、圧縮行程の後半に２段目の燃料噴射Ｆ２ｂを実行する２分割噴射のパターンである。一例として、１段目および２段目の燃料噴射Ｆ１ｂ，Ｆ２ｂは、上述した噴射パターン１のときと同様に、それぞれＢＴＤＣ１９０／５５°ＣＡに開始される。なお、各段の燃料噴射Ｆ１ｂ，Ｆ２ｂによる噴射量の割合（分割比）は適宜設定可能であるが、例えば２等分（５０：５０）の分割比に設定することができる。
【００６６】
また、噴射パターン２では、噴射パターン１に比べて、インジェクタ１５からの燃料の噴射圧力（燃圧）が高くなるようにサプライポンプ２１が制御される。具体的に、噴射パターン２における燃圧は、例えば２０〜３０ＭＰａ程度に設定される。
【００６７】
上記のようにして噴射パターン２による燃料噴射（ステップＳ１１）を実行した後、ＥＣＵ５０は、噴射された燃料が膨張行程の途中で燃焼を開始するように、圧縮上死点よりも所定量遅角側に設定されたタイミングで点火プラグ１６を作動させる（ステップＳ１２）。
【００６８】
次いで、ＥＣＵ５０は、上記ステップＳ５，Ｓ６と同様の方法で、検出した輝炎に基づきＫＬθｍａｘを求めるとともに（ステップＳ１３，Ｓ１４）、上記ステップＳ７と同様の方法で、ＫＬθｍａｘからＰＮを推定する（ステップＳ１５）。
【００６９】
次いで、ＥＣＵ５０は、上記ステップＳ１５で求められたＰＮが閾値α未満であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。
【００７０】
上記ステップＳ１６でＹＥＳと判定されてＰＮが閾値α未満であることが確認された場合、ＥＣＵ５０は、上記ステップＳ１０に戻ってそれ以降の処理を繰り返す。
【００７１】
一方、上記ステップＳ１６でＮＯと判定されてＰＮが閾値α以上であることが確認された場合、ＥＣＵ５０は、触媒温度が閾値Ｔｘ未満であるか否かを判定するとともに（ステップＳ１７）、ここでＹＥＳであった場合（つまり触媒が依然未活性であった場合）には、燃料の噴射パターンを上述した噴射パターン２から図５（ｃ）に示す噴射パターン３に切り替えて、この噴射パターン３に従ってインジェクタ１５から燃料を噴射させる（ステップＳ１８）。
【００７２】
噴射パターン３は、図５（ｃ）に示すように、吸気行程の終期に１段目の燃料噴射Ｆ１ｃを実行するとともに、圧縮行程の前半に２段目の燃料噴射Ｆ２ｃを実行し、さらに圧縮行程の後半に３段目の燃料噴射Ｆ３ｃを実行する３分割噴射のパターンである。一例として、１段目の燃料噴射Ｆ１ｃはＢＴＤＣ１９０°ＣＡに開始され、２段目の燃料噴射Ｆ２ｃはＢＴＤＣ１１５°ＣＡに開始され、３段目の燃料噴射Ｆ３ｃはＢＴＤＣ５５°ＣＡに開始される。なお、各段の燃料噴射Ｆ１ｃ，Ｆ２ｃ，Ｆ３ｃによる噴射量の割合（分割比）は適宜設定可能であるが、例えば３等分（３３：３３：３３）の分割比に設定することができる。
【００７３】
また、噴射パターン３では、噴射パターン２のときと同様に、インジェクタ１５からの燃料の噴射圧力（燃圧）が例えば２０〜３０ＭＰａ程度まで高くなるようにサプライポンプ２１が制御される。
【００７４】
上記のようにして噴射パターン３による燃料噴射（ステップＳ１８）を実行した後、ＥＣＵ５０は、噴射された燃料が膨張行程の途中で燃焼を開始するように、圧縮上死点よりも所定量遅角側に設定されたタイミングで点火プラグ１６を作動させる（ステップＳ１９）。
【００７５】
（２）本発明の基礎となる研究
以上説明したとおり、実施形態では、スートの発光である輝炎を光学的に検出してＫＬ値（より詳しくはＫＬθｍａｘ）を求め、求めたＫＬ値から推定されるＰＮの大小に基づいてインジェクタ１５からの燃料噴射を制御している。この実施形態に代表される本発明は、スートの個数（ＰＮ）を簡便に特定するために本願発明者が行った研究に基づいてなされたものである。以下、この研究の内容について詳しく説明する。
【００７６】
（２−１）実験方法
（ａ）供試エンジンおよび実験条件
実験では、量産ガソリンエンジンをベースとした単気筒の可視化エンジンを用いた。この可視化エンジンの構造を図６に、諸元を表１に、実験条件を表２にそれぞれ示す。図６に示すように、可視化エンジンでは、石英ガラス製のシリンダブロック（以下、ガラスライナという）が用いられており、このガラスライナを通じてエンジンの内部（燃焼室）が外部から観察できるようになっている。
【００７７】
【表１】
2018193948.tif 000003
【００７８】
【表２】
2018193948.tif 000004
【００７９】
背景技術の欄でも説明したとおり、ガソリン直噴エンジンから排出されるＰＮの多くは、エンジン始動直後の触媒暖機運転中に発生する。そこで、実験では、この触媒暖機運転に対応させて、エンジン回転速度が８５０ｒｐｍで一定となるようにエンジンを運転し、かつ点火時期を遅角化している。点火時期を遅角化するのは、排気ガス温度を上昇させて触媒を早期に活性化させるためである。一般に、排気ガス温度の上昇を目的とする点火時期の遅角化は燃焼安定性を損なうが、本エンジンでは、上述した項目（１）で説明した実施形態と同様の成層燃焼コンセプトによって、十分な燃焼安定性を確保している。すなわち、６つの噴孔を有したインジェクタから圧縮行程中に燃料を噴射し、このうち４つの噴孔から噴射される４本の噴霧を点火プラグ周りに集めることで、圧縮上死点後の長い期間にわたり、安定した可燃混合気を供給することを可能にしている。
【００８０】
（ｂ）計測方法
ＰＮの計測にあたっては、粒径分布が分かる高速応答微粒子粒度分布計（Ｃａｍｂｕｓｔｉｏｎ製、ＤＭＳ５００）を用いて、排気通路を通過する粒径２３〜１０００ｎｍの粒子状物質の個数を計測した。なお、計測の対象となる粒径が２３〜１０００ｎｍであるのは、欧州規制（Ｅｕｒｏ６）に対応したものである。
【００８１】
また、ＰＮ生成の現象解明をするために、図６に示すように、排気ポートの直下流の位置でサンプリングを行うとともに、ガラスライナを通じて燃焼室の内部の様子を撮影した。撮影には高速度カラーカメラ（Ｐｈｏｔｒｏｎ製、ＦＡＳＴＣＡＭＳＡ-Ｘ）を用い、エンジンフロント側より燃焼火炎および噴霧散乱光の撮影を行った。噴霧散乱光の撮影には、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ（Ｌｉｔｒｏｎ製、ＬＤＹ３０４）を用い、円柱レンズよりシート光とし、エンジン排気側からガラスライナを通じて燃焼室内のボア中心に入光した。
【００８２】
（２−２）実験結果
（ａ）触媒暖機運転時の微粒子発生原因
実験にあたっては、６噴孔タイプの量産インジェクタ（各噴孔の位置は上述した実施形態のものと同様）を用いて、１８ＭＰａの燃圧により２段に分けて燃料を噴射した。具体的には、１段目の燃料噴射の開始時期を吸気行程の終期であるＢＴＤＣ１９０°ＣＡ（圧縮上死点から１９０°クランク角を早めた時期）に固定した上で、２段目の燃料噴射の開始時期を圧縮行程内で種々変化させた。また、１段目および２段目の噴射量の割合は５０：５０とした。そして、各条件下でエンジンを運転し、１ｃｃあたりの粒子状物質の個数（ＰＮ）と、図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ）の変動率である燃焼変動率とを測定し、その結果を図７のグラフにまとめた。なお、以下では、１段目の燃料噴射の開始時期を１ｓｔ・ＳＯＩ、２段目の燃料噴射の開始時期を２ｎｄ・ＳＯＩと表記する。２ｎｄ・ＳＯＩの時期は、（ｉ）ＢＴＤＣ７０°ＣＡ、（ii）ＢＴＤＣ６０°ＣＡ、（iii）ＢＴＤＣ５５°ＣＡ、（iv）ＢＴＤＣ５０°ＣＡ、（ｖ）ＢＴＤＣ４５°ＣＡのいずれかに設定される。
【００８３】
図７に示すように、２ｎｄ・ＳＯＩが遅角されるほど（つまり（ｉ）→（ii）→（iii）→（iv）→（ｖ）の順に）、燃焼変動率は低下し、かつＰＮは増加している。このことから、ＰＮおよび燃焼変動率は、２ｎｄ・ＳＯＩに強く依存していることが分かる。なお、燃焼変動率が低下することは、燃焼安定性が改善されていることを意味する。すなわち、２ｎｄ・ＳＯＩが遅角されるほど、点火プラグの近傍に着火し易いリッチな混合気が形成され易くなる（つまり燃料の成層化が強まる）ので、図示平均有効圧力の変動率の小さい安定した燃焼が実現されるようになる。一方で、２ｎｄ・ＳＯＩの遅角化は、酸素不足の状態で燃焼する燃料の割合を増大させるので、そのことがＰＮの増大を招くことになる。
【００８４】
ここで、ガソリンエンジンから排出される粒子状物質は、燃焼起因のスートの他、未燃の炭化水素（ＳＯＦ）、燃料由来の硫化物（Ｓｕｌｆａｔｅ）等に分けられ、種々の径の粒子を含んでいる。そこで、図７で計測対象とされた粒子の粒径分布（つまり検出された粒子を粒径ごとに区分して各粒径区分ごとの粒子数を同定したもの）を図８に示す。図８に示すように、２ｎｄ・ＳＯＩを変化させた各条件のいずれにおいても、概ね７０ｎｍ付近にピークを有する粒径分布が得られた。また、ピーク位置での粒子数は、２ｎｄ・ＳＯＩを遅角させるに従い増加しており、図７で示したＰＮの傾向と概ね一致している。
【００８５】
ガソリン直噴エンジンの燃焼により生じるスート粒子は、粒径が５〜６０ｎｍの一次粒子と、複数の一次粒子が凝集した粒径が２０〜２００ｎｍの粒子とから構成されることが知られている。このことから、図７で計測対象とされた粒子（７０ｎｍ付近で粒径分布のピークをもつ粒子）は、燃焼起因のスートがその大部分を占めていると考えられる。
【００８６】
一般に、ガソリン直噴エンジンから排出されるスートは、（ｉ）燃料噴霧のピストン壁面への付着によるものと、（ii）混合気のリッチ化によるものと考えられる。そこで、本エンジンにおけるスート発生原因を考察するために、燃焼火炎および噴霧散乱光を撮影し、図９および図１０の結果を得た。図９は、５０サイクル平均の筒内圧力および熱発生率を測定して得られたグラフと、複数のクランク角において取得された燃焼火炎画像とを併せて示した図であり、図１０は、２段目の燃料噴射による噴霧散乱光画像を示した図である。なお、これら図９および図１０では、燃焼安定性を考慮して、いずれも２ｎｄ・ＳＯＩがＢＴＤＣ５５°ＣＡに設定されている。
【００８７】
図９に示される火炎画像に着目すると、伝播火炎がピストン壁面に到達した後、吸気側のピストン壁面の近傍からスートの発光である輝炎が発現していることが分かる（領域Ａ）。またピストンの下降に従い、輝炎領域が拡大し、ピストンのキャビティ付近からも輝炎が発現している様子が観察される。また、図１０に示される噴霧の画像に着目すると、輝炎が確認された吸気側のピストン壁面およびキャビティの近傍に噴霧が衝突していることが分かる。これらのことから、触媒暖機運転中におけるＰＮの発生は、ピストン壁面に付着した燃料が蒸発・混合する前に当該壁面に火炎が到達し、いわゆるプール燃焼によりスート粒子が生成されることが主要因であると考えられる。
【００８８】
（ｂ）輝炎とＰＮとの相関
図９に示したとおり、ピストン壁面への噴霧衝突位置付近から輝炎が確認されたが、輝炎の観察だけでは、ＰＮとの定量的な紐づけをすることは難しい。そこで、輝炎を２色法によりＫＬ値として定量化し、そのＫＬ値とＰＮとの関係性を調査した。なお、輝炎を定量化するために、ＨｏｔｔｅｌとＢｒｏｕｇｈｔｏｎによって提唱された手法を用いて、２色法計測を行った。これは、上記（１）の実施形態で説明したのと同様の手法であり、輝炎からの放射光を２分光して得られる２つの異なる波長成分の輝度からスートの温度（輝度温度）を求め、その輝度温度を用いた演算処理の結果として、ＫＬ値と火炎温度（スートの加熱減である火炎の温度）とを同時に求める光学的手法である。なお、２色法計測にあたっては、高速度カラーカメラを用いて輝炎を撮影し、その撮影画像を２色温度計測ソフト（三井オプトロニクス製、ＨＳ-Ｔｈｅｒｍｅｒａ  ｖｅｒ４．８７）に導入して解析を行った。輝炎の波長は燃焼火炎の波長とは異なるため、輝炎の輝度を火炎と区別して特定することが可能である。
【００８９】
ＫＬ値は、上述した実施形態の説明でも述べたとおり、スート濃度と燃焼場の厚さ（放射光を検出する方向に関する火炎の厚み）の積である。このＫＬ値は、筒内のスート質量と相関があると考えられ、次式（１）で表される。
【００９０】
【数１】
2018193948.tif 000005
【００９１】
ここで、ｍ：スートの質量［ｋｇ］、Ｖｃｙｌ：容積［ｍ３］、Ｌｌｓ：燃焼場の厚さ［ｍ］である。２色法の理論と演算手法については、過去の様々な文献で記されており、ここではその説明を省略する。
【００９２】
図９と同一条件下で２色法計測を行った際の火炎温度、ＫＬ値、および輝度を図１１に示す。具体的に、図１１の（ａ）のグラフは、各クランク角における平均火炎温度を示しており、図１１の（ｂ）のグラフは、各クランク角における筒内全体のＫＬ値であるＫＬθと輝度とを示している。なお、ここでいう輝度は、火炎画像における各ピクセルの総和である。
【００９３】
図１１（ｂ）に示すように、輝度は、圧縮上死点から９０°遅れたＡＴＤＣ９０°ＣＡ付近でピークを示しているが、排気開弁時期（以下、ＥＶＯという）での値はピーク値に比べて大幅に減少している。一方、ＫＬθは、ＥＶＯのやや手前でピークを示し、そのピークでの値とＥＶＯでの値との間に大きな差は生じていない。このような違いが現れた理由として、ピストンの下降（燃焼室の膨張）に伴う火炎温度変化の影響が考えられる。すなわち、火炎温度が低下するほどスートの発光が弱くなるため、輝度は火炎温度変化の影響を直接的に受け易い。このため、ＥＶＯまでクランク角が進行して火炎温度が低下すると、これに伴い輝度も低下し、ピーク値との差が拡大することになる。逆に、ＫＬθは輝度に比べて火炎温度変化の影響を受け難いため、ＥＶＯまでクランク角が進行しても、ＫＬθはピーク値に近い値を維持している。以上のことから、ＫＬθは輝度と比較して、筒内のスート質量をより正確に反映しているといえる。
【００９４】
図１２に、燃圧＝１８ＭＰａ、１ｓｔ・ＳＯＩ＝ＢＴＤＣ１９０°ＣＡという条件下で、２ｎｄ・ＳＯＩを種々変化させながらＫＬθｍａｘとＰＮとを同時計測した結果を示す。なお、ＫＬθｍａｘは図１１で示したＫＬθのピーク値のことである。ＫＬθはＥＶＯ付近でピークを示すことから、そのピーク値（ＫＬθｍａｘ）を筒内のスート質量の代表値として採用した。
【００９５】
図１２より、ＫＬθｍａｘとＰＮとは直線的（１次関数的）な関係にあり、両者の相関係数Ｒは約０．９７と非常に高い値を示した。つまり、ＫＬθｍａｘの値が増大するにつれてＰＮも略一定の割合で増大するという関係が確認された。以上の結果から、ＫＬθｍａｘを用いてＰＮを定量的に予測できることが分かった。
【００９６】
（ｃ）噴霧の改善および多段噴射化によるＰＮ低減
上記（ｂ）の結果より、筒内のＫＬ値とＰＮとを定量的に紐づけることができた。また、上記（ａ）の可視化結果より、噴霧のピストン壁面付着によるプール燃焼が、ＰＮ発生の主要因であることが推測された。そこで、２段目の噴射燃料がピストン壁面に付着する量を低減することを狙って、噴霧の改善および多段噴射化を行い、ＰＮ低減を図った。それぞれの噴射条件を表３に示す。
【００９７】
【表３】
2018193948.tif 000006
【００９８】
表３では、量産インジェクタを用いたものを比較例、この比較例に対し噴霧のペネトレーションを低減させる改良を加えたインジェクタを用いたものを実施例１、この実施例１に対し燃圧を高めた仕様（１８ＭＰａ→２５ＭＰａ）のものを実施例２、この実施例２に対しさらに多段噴射化（２段→３段）を図ったものを実施例３とした。なお、噴霧のペネトレーション（貫徹力）は、噴孔の径および軸長の少なくとも一方を変化させることで変更することが可能であるが、ここでは噴孔径を変化させた。すなわち、実施例１〜３では、比較例に対して噴孔径を小さくすることにより、ペネトレーションを低減した（１→０．８２）。
【００９９】
表３中の最も右側の列において、噴射回数と併記された括弧内の数値は、各段の燃料噴射の開始時期を示している。例えば、比較例、実施例１、および実施例２に対応する数値「２（−１９０／−５５）」は、燃料が２段に分けて噴射されるとともに、１段目の噴射開始時期（１ｓｔ・ＳＯＩ）がＢＴＤＣ１９０°ＣＡに、２段目の噴射開始時期（２ｎｄ・ＳＯＩ）がＢＴＤＣ５５°ＣＡに、それぞれ設定されることを表している。一方、実施例３に対応する数値「３（−１９０／−１１５／−５５）」は、燃料が３段に分けて噴射されるとともに、１段目の噴射開始時期（１ｓｔ・ＳＯＩ）がＢＴＤＣ１９０°ＣＡに、２段目の噴射開始時期（２ｎｄ・ＳＯＩ）がＢＴＤＣ１１５°ＣＡに、３段目の噴射開始時期（３ｒｄ・ＳＯＩ）がＢＴＤＣ５５°ＣＡに、それぞれ設定されることを表している。
【０１００】
ここで、実施例１、つまり燃圧が相対的に低い１８ＭＰａとされ、かつ１段目／２段目の噴射開始時期（１ｓｔ／２ｎｄ・ＳＯＩ）がＢＴＤＣ１９０／５５°ＣＡとされるケースは、上述した実施形態における噴射パターン１（図５（ａ））に対応している。また、実施例２、つまり燃圧が相対的に高い２５ＭＰａとされ、かつ１段目／２段目の噴射開始時期（１ｓｔ／２ｎｄ・ＳＯＩ）がＢＴＤＣ１９０／５５°ＣＡとされるケースは、上述した実施形態における噴射パターン２（図５（ｂ））に対応している。さらに、実施例３、つまり燃圧が相対的に高い２５ＭＰａとされ、かつ１段目／２段目／３段目の噴射開始時期（１ｓｔ／２ｎｄ／３ｒｄ・ＳＯＩ）がＢＴＤＣ１９０／１１５／５５°ＣＡとされるケースは、上述した実施形態における噴射パターン３（図５（ｃ））に対応している。
【０１０１】
図１３（ａ）（ｂ）に、各噴射条件におけるＫＬθおよび熱発生率の波形を示し、図１４に、ＡＴＤＣ１１２°ＣＡにおけるＫＬ値の分布画像を示す。ＫＬθの波形（図１３）に着目すると、比較例から実施例１→実施例２→実施例３と条件を変更するのに伴って、ＫＬθｍａｘが減少する傾向が見られた。特に、実施例３では、比較例に対しＫＬθｍａｘが７１％も低減していることが分かる。すなわち、実施例３のように高燃圧化と多段化を進めたケースでは、ＰＮを約７０％低減することが可能である。また、ＫＬ値の分布画像（図１４）に示されるように、比較例から実施例１→実施例２→実施例３と条件を変更するのに伴って、ピストンの壁面近傍のＫＬ値の面積が減少していることも確認できる。
【０１０２】
（ｄ）モデルの考察
上記のとおり、噴霧の改善および多段噴射化により、ＫＬ値が低減することがわかった。次に、さらなる最適化を行うことを目的に、表３で示した噴射条件に従ってＣＦＤによる計算を行った。その結果を図１５に示す。なお、図１５の縦軸はピストン壁面への燃料の付着量である。
【０１０３】
図１５に示すように、比較例から実施例１→実施例２→実施例３と噴霧条件を改善するに従って燃料付着量が低減しており、上記（ｃ）で述べた実験結果と同様の傾向が再現されている。したがって、ガソリン直噴エンジンの触媒暖機運転中におけるＰＮは、ピストン壁面の燃料付着量で整理でき、ＣＦＤで詳細に検討できることがわかった。
【０１０４】
（ｅ）実車での結果
これまでのモデルエンジンを用いた燃焼実験結果に基づいて、実施例３に概ね対応する噴霧条件を適用したエンジンを実際の車両に搭載して試験を行い、図１６（ａ）（ｂ）に示す結果を得た。これによれば、ＮＥＤＣ試験モード走行時において、改善前と比較して６６％のＰＮ低減効果が得られることが確認された。
【０１０５】
（２−３）まとめ
本研究で得られた結論を以下にまとめる。
【０１０６】
（ｉ）触媒暖機運転中に計測されるＰＮは、主に燃焼起因のスートであり、ピストン壁面への燃料付着によるプール燃焼で生成されることが示唆された。
【０１０７】
（ii）触媒暖機運転中のＰＮはＫＬ値と相関が高く、ＫＬθｍａｘの値からＰＮを定量的に予測することが可能であることが確認された。
【０１０８】
（iii）低ペネトレーション化、高燃圧化、および多段噴射化を組み合わせた噴霧条件の採用により、触媒暖機運転中のＫＬθｍａｘを大幅に低減できることが分かり、実車両でもその効果が確認できた。
【０１０９】
（３）実施形態の作用効果等の説明
次に、本願発明者による上述した研究の成果に基づいて、図１〜図５に示した実施形態の作用効果について説明する。
【０１１０】
上記実施形態では、触媒温度が低いために点火時期が遅角化される触媒暖機運転中に、スートの発光である輝炎が光学センサＳＮ３により検出されるとともに、検出された輝炎に基づき２色法によりＫＬ値（ＫＬθｍａｘ）が求められ、このＫＬ値が大きいほどＰＮが多いものとして推定される（ステップＳ５〜Ｓ７／Ｓ１３〜Ｓ１５）。そして、推定されたＰＮの大小に基づいて、インジェクタ１５からの燃料の噴射パターンがパターン１〜３（図５（ａ）〜（ｃ））の間で可変的に設定される。詳しくは、噴射パターン１が選択されている状態でＰＮが閾値α以上であることが確認されると、噴射パターンがパターン１からパターン２へと切り替えられ（ステップＳ８，Ｓ１１）、さらに、噴射パターン２が選択されている状態でＰＮが閾値α以上であることが確認されると、噴射パターンがパターン２からパターン３へと切り替えられる（ステップＳ１６，Ｓ１８）。
【０１１１】
一方で、上記項目（２）で説明した研究の結果によれば、上記の噴射パターン１，２，３に対応する実施例１，２，３は、この順に、ピストン５壁面への燃料の付着量を減少させ得ることが分かっている（図１５）。このことから、上記実施形態のように、ＰＮに応じて噴射パターンをパターン１からパターン２へと切り替え、もしくはパターン２からパターン３へと切り替えるようにした場合には、当該切り替えに伴って、ピストン５壁面への燃料の付着量を減少させることができる。
【０１１２】
このように、上記実施形態では、ＫＬ値から推定されるＰＮが大きい場合は小さい場合に比べて、ピストン５壁面への燃料の付着量が減少するようにインジェクタ１５からの燃料噴射が制御されるので、壁面に付着した液滴状態の燃料に火炎が到達することで生じるプール燃焼を抑制することができ、当該プール燃焼に起因したスートの発生を抑制することができる。これにより、スートが過剰に発生しないように燃焼を適正に制御することができ、エンジンから排出されるＰＮ（スートの個数）を効果的に抑制することができる。
【０１１３】
より詳しくは、上記実施形態では、噴射パターン１，２のいずれが選択された場合でも、吸気行程の終期と圧縮行程の後半との２回に分けて燃料が噴射されるが、噴射パターン２では噴射パターン１に比べて、インジェクタ１５からの燃料の噴射圧力（燃圧）が高く設定される（図５（ａ）（ｂ））。これにより、点火プラグ１６による点火時期が遅角化される触媒暖機運転中に、燃料を成層化して良好な燃焼安定性を確保しながら、必要に応じ噴射パターンをパターン１からパターン２に切り替えることにより、燃料の微粒化を促進してＰＮを抑制することができる。
【０１１４】
すなわち、噴射パターン１，２では、２段目の燃料噴射（Ｆ２ａ，Ｆ２ｂ）の開始時期が圧縮行程の後半まで遅くされるので、混合気に点火する直前において、着火し易いリッチな混合気が局所的に形成され、燃料の成層化が実現される。このような燃料の成層化は、点火時期が遅角されるために燃焼安定性が低下し易い状況を改善するのに有利である。しかしながら、２段目の燃料噴射（Ｆ２ａ，Ｆ２ｂ）が圧縮行程の後半まで遅くされるということは、ピストン５壁面に液滴のまま付着する燃料の量が増大することを意味する。このため、場合によっては、付着した燃料のプール燃焼に伴ってスートが過剰に発生することが懸念される。これに対し、上記実施形態では、噴射パターン１が選択されている状態で多くのＰＮが確認された場合に、噴射パターンがパターン１からパターン２に切り替えられ、当該切り替えに伴って燃圧が高められるので、燃料の微粒化が促進され、燃料が気化・霧化するまでに要する時間を短縮することができる。これにより、上述した壁面への燃料付着量が低減されるので、噴射パターン１のときに比べてＰＮを抑制することができる。
【０１１５】
一方、噴射パターン３では、噴射パターン２に比べて燃料噴射の分割回数が２回から３回に増やされる。具体的には、吸気行程の終期と、圧縮行程の前半と、圧縮行程の後半との３回に分けて燃料が噴射される（図５（ｃ））。言い換えると、分割回数が増やされたことに伴い、噴射パターン３では、圧縮行程中の最も遅いタイミングで実行される最終段（３段目）の燃料噴射Ｆ３ｃによる噴射量が、噴射パターン２のときの対応する噴射量（２段目の燃料噴射Ｆ２ｂによる噴射量）よりも減らされ、逆に、最終段より前（１段目および２段目）の燃料噴射Ｆ１ｃ，Ｆ２ｃによる噴射量が、噴射パターン２のときの対応する噴射量（１段目の燃料噴射Ｆ１ｂによる噴射量）よりも増やされる。このように、上記実施形態では、噴射パターン２から噴射パターン３への切り替えに伴って、圧縮行程中の最も遅いタイミングで噴射される燃料の量が減らされるので、ピストン５壁面に液滴のまま付着する燃料の量をさらに低減することができ、ＰＮを効果的に抑制することができる。
【０１１６】
ただし、噴射パターン３のように最終段の燃料噴射量を減らした場合には、燃料の成層化が弱まるため、燃焼安定性はやや低下することになる。しかしながら、ＰＮの抑制は重要な課題であり、燃焼安定性の確保よりも優先して取り組むべきである。これに対し、上記実施形態では、燃圧の上昇によりＰＮの抑制を図る（燃焼安定性への影響がない）噴射パターン２だけでなく、最終段の燃料噴射量を減らすことでＰＮの抑制を図る（燃焼安定性への影響がある）噴射パターン３までもが用意されているので、噴射パターン２でもＰＮが十分に減らないような場合にさらに噴射パターン３へと切り替えることで、燃焼安定性を若干は犠牲にしながらも、確実にＰＮを抑制することができる。なお、仮に噴射パターン３への切り替えによって燃焼安定性がやや低下したとしても、それは触媒暖機運転中に限ったことであり、しかも１段目と３段目の燃料噴射Ｆ１ｃ，Ｆ３ｃの間に２段目の燃料噴射Ｆ２ｃが追加される（それによって燃焼安定性の低下幅が抑えられる）ことから、乗員が感じる違和感は最小限に留まるものと考えられる。
【０１１７】
（４）変形例
上記実施形態では、噴射パターン１〜３のいずれかが選択されている状態で、ＫＬ値（ＫＬθｍａｘ）から推定されるＰＮが閾値α未満であることが確認された場合には、選択されている現在の噴射パターンを維持するようにしたが、例えば、推定されたＰＮが閾値αよりも十分に小さいような場合には、最終段の燃料噴射（噴射パターン１，２の場合は２段目の燃料噴射Ｆ２ａ，Ｆ２ｂ、噴射パターン３の場合は３段目の燃料噴射Ｆ３ｃ）のタイミングを規定よりさらに遅角したとしても、ＰＮ＜αの関係を維持できる可能性がある。そこで、このような場合の対応として、ＰＮ＜αの関係をＫＬ値のセンシングにより確認しながら、最終段の燃料噴射のタイミングを徐々に遅角させることが提案される。このようにすれば、ＰＮ＜αを保証しながら最終段の燃料噴射のタイミングをできる限り遅角側に設定できるので、燃焼安定性をさらに改善することができる。また、燃焼安定性が改善されると、点火時期のさらなる遅角化が可能になるので、その遅角化によって触媒暖機性能をさらに向上させることが可能である。
【０１１８】
また、上記実施形態では、スートの発光である輝炎を２色法により分析することでＫＬ値（ＫＬθｍａｘ）を求め、さらに求めたＫＬ値からＰＮを推定し、そのＰＮの大小に応じて燃料の噴射を決定するようにしたが、ＫＬ値とＰＮとが直接関係していることから、ＫＬ値からＰＮを推定する処理を省略して、ＫＬ値に基づいて噴射パターンを決定する（つまりＫＬ値と噴射パターンとを直接結び付ける）ようにしてもよい。
【０１１９】
また、上記実施形態では、触媒暖機運転中に２回もしくは３回に分割して燃料を噴射するようにしたが（噴射パターン１〜３）、分割回数はこれに限らず、４回以上に分割して燃料を噴射するパターンを設けてもよい。
【０１２０】
また、上記実施形態では、ガソリン直噴エンジンに本発明を適用した例について説明したが、本発明が適用可能なエンジンはこれに限らず、例えばディーゼルエンジンに本発明を適用することも可能である。
【符号の説明】
【０１２１】
１  エンジン本体
２  気筒
５  ピストン
１５  インジェクタ
３１  触媒コンバータ
５０  ＥＣＵ（演算部、噴射制御部）
ＳＮ３  光学センサ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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