(57)【要約】【課題】内燃機関の燃焼騒音を低減する。【解決手段】内燃機関１００の制御装置２００が、燃料噴射弁２０によってプレ燃料噴射及びメイン燃料噴射を順次実施して、燃料を圧縮自着火燃焼させる燃焼制御部を備える。燃焼制御部は、プレ燃料噴射の目標プレ噴射時期とメイン燃料噴射の目標メイン噴射時期とをそれぞれ算出し、目標プレ噴射時期及びメイン噴射時期における筒内温度及び筒内酸素密度を推定し、メイン燃料の予想自着火時期を算出し、プレ燃料の着火遅れ時間を算出し、プレ燃料の燃焼期間を算出し、プレ燃料の燃焼時に生じる単位クランクあたりの熱量が最大となる予想ピーク時期を算出し、予想ピーク時期が予想自着火時期に近づくように、目標プレ噴射時期を補正するように構成される。【選択図】図１
2018184903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関本体と、
前記機関本体の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
を備える内燃機関を制御するための内燃機関の制御装置であって、
前記燃料噴射弁によってプレ燃料噴射及びメイン燃料噴射を順次実施して、燃料を圧縮自着火燃焼させる燃焼制御部を備え、
前記燃焼制御部は、
機関運転状態に基づいて、プレ燃料噴射の目標プレ噴射時期と、メイン燃料噴射の目標メイン噴射時期と、をそれぞれ算出する目標噴射時期算出部と、
前記目標プレ噴射時期、及び前記目標メイン噴射時期における筒内温度及び筒内酸素密度をそれぞれ推定する推定部と、
前記目標メイン噴射時期と、前記目標メイン噴射時期における筒内温度及び筒内酸素密度と、に基づいて、メイン燃料の予想自着火時期を算出する予想自着火時期算出部と、
前記目標プレ噴射時期における筒内温度及び筒内酸素密度に基づいて、プレ燃料の着火遅れ時間を算出する着火遅れ時間算出部と、
前記プレ燃料の着火遅れ時間に基づいて、前記プレ燃料の予想燃焼期間を算出する予想燃焼期間算出部と、
前記目標プレ噴射時期と、前記プレ燃料の着火遅れ時間と、前記プレ燃料の予想燃焼期間と、に基づいて、プレ燃料の燃焼時に生じる単位クランクあたりの熱量が最大となる予想ピーク時期を算出する予想ピーク時期算出部と、
前記予想ピーク時期が前記予想自着火時期に近づくように、前記目標プレ噴射時期を補正する補正部と、
を備える内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、従来の内燃機関の制御装置として、パイロット噴射、プレ噴射、及びメイン噴射を順次実施し、プレ噴射の噴射時期における筒内温度が目標温度となるように、パイロット噴射の噴射量や噴射時期等を制御するように構成されたものが開示されている。これにより、プレ噴射による燃料の燃焼とメイン噴射による燃料の燃焼とがスムーズに繋がって、メイン噴射による燃料の初期における燃焼速度が適切な速度となるので、燃焼騒音を低減できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２４５５６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、プレ噴射による燃料の自着火時期は、筒内温度に加えて筒内酸素密度の影響を受けて変化する。そして前述した従来の内燃機関の制御装置は、筒内酸素密度を考慮することなくプレ噴射の噴射時期を設定していた。そのため、プレ噴射の噴射時期における筒内温度が目標温度となるようにパイロット噴射の噴射量等を制御したとしても、プレ噴射の自着火時期が目標自着火時期からずれて、燃焼騒音を低減することができなくなるおそれがあった。
【０００５】
本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、内燃機関の燃焼騒音を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、機関本体と、機関本体の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、を備える内燃機関を制御するための内燃機関の制御装置が、燃料噴射弁によってプレ燃料噴射及びメイン燃料噴射を順次実施して、燃料を圧縮自着火燃焼させる燃焼制御部を備える。燃焼制御部は、機関運転状態に基づいて、プレ燃料噴射の目標プレ噴射時期とメイン燃料噴射の目標メイン噴射時期とをそれぞれ算出する目標噴射時期算出部と、目標プレ噴射時期及び前記目標メイン噴射時期における筒内温度及び筒内酸素密度をそれぞれ推定する推定部と、目標メイン噴射時期と目標メイン噴射時期における筒内温度及び筒内酸素密度とに基づいて、メイン燃料の予想自着火時期を算出する予想自着火時期算出部と、目標プレ噴射時期における筒内温度及び筒内酸素密度に基づいてプレ燃料の着火遅れ時間を算出する着火遅れ時間算出部と、プレ燃料の着火遅れ時間に基づいてプレ燃料の予想燃焼期間を算出する予想燃焼期間算出部と、目標プレ噴射時期、プレ燃料の着火遅れ時間、及びプレ燃料の予想燃焼期間に基づいて、プレ燃料の燃焼時に生じる単位クランクあたりの熱量が最大となる予想ピーク時期を算出する予想ピーク時期算出部と、予想ピーク時期が予想自着火時期に近づくように、目標プレ噴射時期を補正する補正部と、を備えるように構成される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のこの態様によれば、内燃機関の燃焼騒音を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による内燃機関及び内燃機関を制御する電子制御ユニットの概略構成図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態による内燃機関の機関本体の断面図である。
【図３】図３は、圧縮上死点近傍の任意の時期に、燃料噴射弁から機関負荷に応じた所定量の燃料を１回だけ噴射して圧縮自着火燃焼を実施した場合のクランク角と熱発生率との関係を示した図である。
【図４】図４は、図３の場合と比較して燃料噴射量の総量を変化させることなくプレ燃料噴射Ｇｐとメイン燃料噴射Ｇｍとを順次実施して圧縮自着火燃焼を実施した場合のクランク角と熱発生率との関係を示した図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態による燃焼制御について説明するフローチャートである。
【図６】図６は、目標メイン噴射時期Ａｍにおける筒内温度Ｔｍ及び筒内酸素密度ρｍに基づいて、メイン燃料噴射Ｇｍの着火遅れ時間τｍを算出するためのマップである。
【図７】図７は、目標プレ噴射時期Ａｐにおける筒内温度Ｔｐ及び筒内酸素密度ρｐに基づいて、プレ燃料噴射Ｇｐの着火遅れ時間τｐを算出するためのマップである。
【図８】プレ燃料噴射Ｇｐの着火遅れ時間τｐに基づいて、プレ燃料噴射Ｇｐの予想燃焼期間を算出するためのテーブルである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の一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。
【００１０】
図１は、本発明の一実施形態による内燃機関１００、及び内燃機関１００を制御する電子制御ユニット２００の概略構成図である。図２は、内燃機関１００の機関本体１の概略断面図である。
【００１１】
内燃機関１００は、複数の気筒１０を備える機関本体１と、燃料供給装置２と、吸気装置３と、排気装置４と、吸気動弁装置５と、排気動弁装置６と、を備える。
【００１２】
機関本体１は、各気筒１０に形成される燃焼室１１内（図２参照）で燃料を燃焼させて、例えば車両などを駆動するための動力を発生させる。機関本体１には、気筒毎に一対の吸気弁５０と一対の排気弁６０とが設けられる。図２に示すように、各気筒１０の内部には、燃焼圧力を受けて各気筒１０の内部を往復運動するピストン１２が収められる。ピストン１２は、コンロッドを介してクランクシャフトと連結されており、クランクシャフトによってピストン１２の往復運動が回転運動に変換される。
【００１３】
燃料供給装置２は、電子制御式の燃料噴射弁２０と、デリバリパイプ２１と、サプライポンプ２２と、燃料タンク２３と、圧送パイプ２４と、を備える。
【００１４】
燃料噴射弁２０は、燃焼室１１の中央頂部に配置され、各気筒１０の燃焼室１１に臨むように各気筒１０に１つ設けられる。燃料噴射弁２０の開弁時間（噴射量）及び開弁時期（噴射時期）は電子制御ユニット２００からの制御信号によって変更され、燃料噴射弁２０が開弁されると燃料噴射弁２０から燃焼室１１内に直接燃料が噴射される。
【００１５】
デリバリパイプ２１は、圧送パイプ２４を介して燃料タンク２３に接続される。圧送パイプ２４の途中には、燃料タンク２３に貯蔵された燃料を加圧してデリバリパイプ２１に供給するためのサプライポンプ２２が設けられる。デリバリパイプ２１は、サプライポンプ２２から圧送されてきた高圧燃料を一時的に貯蔵する。燃料噴射弁２０が開弁されると、デリバリパイプ２１に貯蔵された高圧燃料が燃料噴射弁２０から燃焼室１１内に直接噴射される。デリバリパイプ２１には、デリバリパイプ２１内の燃料圧力、すなわち燃料噴射弁２０から気筒内に噴射される燃料の圧力（噴射圧）を検出するための燃圧センサ２１１が設けられる。
【００１６】
サプライポンプ２２は、吐出量を変更することができるように構成されており、サプライポンプ２２の吐出量は、電子制御ユニット２００からの制御信号によって変更される。サプライポンプ２２の吐出量を制御することで、デリバリパイプ２１内の燃料圧力、すなわち燃料噴射弁２０の噴射圧が制御される。
【００１７】
吸気装置３は、燃焼室１１内に吸気を導くための装置であって、燃焼室１１内に吸入される吸気の状態（吸気圧、吸気温、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガス量）を変更することができるように構成される。吸気装置３は、吸気通路３０と、吸気マニホールド３１と、ＥＧＲ通路３２と、を備える。
【００１８】
吸気通路３０は、一端がエアクリーナ３４に接続され、他端が吸気マニホールド３１の吸気コレクタ３１ａに接続される。吸気通路３０には、上流から順にエアフローメータ２１２、排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７１、インタークーラ３５及びスロットル弁３６が設けられる。
【００１９】
エアフローメータ２１２は、吸気通路３０内を流れて最終的に気筒１０内に吸入される空気の流量（吸気量）を検出する。
【００２０】
コンプレッサ７１は、コンプレッサハウジング７１ａと、コンプレッサハウジング７１ａ内に配置されたコンプレッサホイール７１ｂと、を備える。コンプレッサホイール７１ｂは、同軸上に取り付けられた排気ターボチャージャ７のタービンホイール７２ｂによって回転駆動され、コンプレッサハウジング７１ａ内に流入してきた吸気を圧縮して吐出する。排気ターボチャージャ７のタービン７２には、タービンホイール７２ｂの回転速度を制御するための可変ノズル７２ｃが設けられており、可変ノズル７２ｃによってタービンホイール７２ｂの回転速度が制御されることで、コンプレッサハウジング７１ａ内から吐出される吸気の圧力（過給圧）が制御される。
【００２１】
インタークーラ３５は、コンプレッサ７１によって圧縮されて高温になった吸気を、例えば走行風や冷却水などによって冷却するための熱交換器である。
【００２２】
スロットル弁３６は、吸気通路３０の通路断面積を変化させることで、吸気マニホールド３１に導入する吸気量を調整する。スロットル弁３６は、スロットルアクチュエータ３６ａによって開閉駆動され、スロットルセンサ２１３によってその開度（スロットル開度）が検出される。
【００２３】
吸気マニホールド３１は、機関本体１に形成された吸気ポート１４に接続されており、吸気通路３０から流入してきた吸気を、吸気ポート１４を介して各気筒１０の燃焼室１１内に均等に分配する。吸気マニホールド３１の吸気コレクタ３１ａには、筒内に吸入される吸気の圧力（吸気圧）を検出するための吸気圧センサ２１４と、筒内に吸入される吸気の温度（吸気温）を検出するための吸気温センサ２１５と、が設けられる。
【００２４】
ＥＧＲ通路３２は、排気マニホールド４１と吸気マニホールド３１の吸気コレクタ３１ａを連通し、各気筒１０から排出された排気の一部を圧力差によって吸気コレクタ３１ａに戻すための通路である。以下、ＥＧＲ通路３２に流入した排気のことを「ＥＧＲガス」という。ＥＧＲガスを吸気コレクタ３１ａ、ひいては各気筒１０に還流させることで、燃焼温度を低減させて窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を抑えることができる。ＥＧＲ通路３２には、上流から順にＥＧＲクーラ３７と、ＥＧＲ弁３８と、が設けられる。
【００２５】
ＥＧＲクーラ３７は、ＥＧＲガスを、例えば走行風や冷却水などによって冷却するための熱交換器である。
【００２６】
ＥＧＲ弁３８は、連続的又は段階的に開度を調整することができる電磁弁であり、その開度は機関運転状態に応じて電子制御ユニット２００によって制御される。ＥＧＲ弁３８の開度を制御することで、吸気コレクタ３１ａに還流させるＥＧＲガスの流量が調節される。
【００２７】
排気装置４は、筒内から排気を排出するための装置であって、排気マニホールド４１と、排気通路４２と、を備える。
【００２８】
排気マニホールド４１は、機関本体１に形成された排気ポート１５に接続されており、各気筒１０から排出された排気を纏めて排気通路４２に導入する。
【００２９】
排気通路４２には、上流から順に排気ターボチャージャ７のタービン７２と、排気後処理装置４３と、が設けられる。
【００３０】
タービン７２は、タービンハウジング７２ａと、タービンハウジング７２ａ内に配置されたタービンホイール７２ｂと、を備える。タービンホイール７２ｂは、タービンハウジング７２ａ内に流入してきた排気のエネルギによって回転駆動され、同軸上に取り付けられたコンプレッサホイール７１ｂを駆動する。
【００３１】
タービンホイール７２ｂの外側には、前述した可変ノズル７２ｃが設けられている。可変ノズル７２ｃは絞り弁として機能し、可変ノズル７２ｃのノズル開度（弁開度）は電子制御ユニット２００によって制御される。可変ノズル７２ｃのノズル開度を変化させることでタービンホイール７２ｂを駆動する排気の流速をタービンハウジング７２ａ内で変化させることができる。すなわち、可変ノズル７２ｃのノズル開度を変化させることで、タービンホイール７２ｂの回転速度を変化させて過給圧を変化させることができる。具体的には、可変ノズル７２ｃのノズル開度を小さくする（可変ノズル７２ｃを絞る）と、排気の流速が上がってタービンホイール７２ｂの回転速度が増大し、過給圧が増大する。
【００３２】
排気後処理装置４３は、排気を浄化した上で外気に排出するための装置であって、有害物質を浄化する各種の排気浄化触媒や有害物質を捕集するフィルタなどを備える。
【００３３】
吸気動弁装置５は、各気筒１０の吸気弁５０を開閉駆動するための装置であって、機関本体１に設けられる。本実施形態による吸気動弁装置５は、吸気弁５０の開閉時期を任意の時期に制御できるように、例えば電磁アクチュエータによって吸気弁５０を開閉駆動するように構成される。しかしながら、これに限らず、吸気カムシャフトによって吸気弁５０を開閉駆動するように構成し、当該吸気カムシャフトの一端部に油圧制御によってクランクシャフトに対する吸気カムシャフトの相対位相角を変更する可変動弁機構を設けることによって、吸気弁５０の開閉時期を任意の時期に制御できるようにしてもよい。
【００３４】
排気動弁装置６は、各気筒１０の排気弁６０を開閉駆動するための装置であって、機関本体１に設けられる。本実施形態による排気動弁装置６は、各気筒１０の排気弁６０を排気行程中に開弁させると共に、必要に応じて吸気行程中にも開弁させることができるように構成される。本実施形態ではこのような排気動弁装置６として、電子制御ユニット２００によって制御される電磁アクチュエータを採用し、各気筒１０の排気弁６０を電磁アクチュエータによって開閉駆動することで、排気弁６０の開閉時期やリフト量を任意の時期及びリフト量に制御している。なお、排気動弁装置６としては、電磁アクチュエータに限らず、例えば油圧等によってカムプロフィールを変更することで排気弁６０の開閉時期やリフト量を変更する動弁装置を採用することもできる。
【００３５】
電子制御ユニット２００は、デジタルコンピュータから構成され、双方性バス２０１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２０２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２０３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２０４、入力ポート２０５及び出力ポート２０６を備える。
【００３６】
入力ポート２０５には、前述した燃圧センサ２１１などの出力信号の他にも、気筒毎に設けられて気筒１０の内部圧力（以下「筒内圧力」という。）を検出するための筒内圧センサ２１９などの出力信号が、対応する各ＡＤ変換器２０７を介して入力される。また入力ポート２０５には、機関負荷を検出するための信号として、アクセルペダル２３１の踏み込み量（以下「アクセル踏込量」という。）に比例した出力電圧を発生する負荷センサ２１７の出力電圧が、対応するＡＤ変換器２０７を介して入力される。また入力ポート２０５には、機関回転速度などを算出するための信号として、機関本体１のクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ２１８の出力信号が入力される。このように入力ポート２０５には、内燃機関１００を制御するために必要な各種センサの出力信号が入力される。
【００３７】
出力ポート２０６は、対応する駆動回路２０８を介して、燃料噴射弁２０などの各制御部品に接続される。
【００３８】
電子制御ユニット２００は、入力ポート２０５に入力された各種センサの出力信号に基づいて、各制御部品を制御するための制御信号を出力ポート２０６から出力して内燃機関１００を制御する。以下、電子制御ユニット２００が実施する本実施形態による内燃機関１００の燃焼制御について説明する。
【００３９】
図３は、圧縮上死点近傍の任意の時期に、燃料噴射弁２０から機関負荷に応じた所定量の燃料を１回だけ噴射して圧縮自着火燃焼を実施した場合のクランク角と熱発生率との関係を示した図である。熱発生率（ｄＱ／ｄθ）［Ｊ／ｄｅｇ．ＣＡ］とは、燃料の燃焼時に生じる単位クランク角あたりの熱量、すなわち単位クランク角あたりの熱発生量Ｑのことである。なお以下の説明では、このクランク角と熱発生率との関係を示した燃焼波形のことを、必要に応じて「熱発生率パターン」という。
【００４０】
図３に示すように、圧縮上死点近傍で高温・高圧となった燃焼室１１内に噴射された燃料は、燃料噴射後に所定の着火遅れ時間（燃焼室１１内に噴射された燃料が自着火に至るまでの時間）τだけ経過してから自着火を起こす。すなわち燃焼初期においては、燃焼室１１内に噴射された燃料は、空気とある程度混合してから燃焼する予混合燃焼によって消費される。そして燃焼中期から後期にかけては、燃焼室１１内に噴射された燃料は、燃料噴射後にほぼ遅れなく順次燃焼する拡散燃焼によって消費される。
【００４１】
ここで燃料の燃焼時に生じる燃焼騒音［ｄＢ］は、熱発生率パターンのピーク値及び傾き（ｄ２Ｑ／（ｄθ）２）のそれぞれと相関があり、熱発生率パターンのピーク値が大きくなるほど、またその傾きが大きくなるほど、大きくなる。
【００４２】
予混合燃焼は、燃焼室１１内で予混合気が同時期に自着火する燃焼形態であるため、燃焼室１１内に噴射された燃料が燃料噴射後にほぼ遅れなく順次燃焼していく拡散燃焼よりも燃焼速度が速くなって燃焼期間が短くなる。そのため図３に示すように、燃焼初期においては、熱発生率パターンの傾きが比較的大きくなり、燃焼騒音が大きくなる傾向にある。
【００４３】
そこで本実施形態では、この燃焼初期における熱発生率パターンの傾きを小さくして燃焼騒音を抑えるために、分割噴射を実施して段階的に複数の圧縮自着火燃焼が生じるようにしている。具体的には、主に要求トルクを発生させるための主燃料噴射としてのメイン燃料噴射Ｇｍの前に、メイン燃料噴射Ｇｍと比較して少量の燃料を噴射する補助燃料噴射としてのプレ燃料噴射Ｇｐを行うようにしている。
【００４４】
図４は、図３の場合と比較して燃料噴射量の総量を変化させることなくプレ燃料噴射Ｇｐとメイン燃料噴射Ｇｍとを順次実施して圧縮自着火燃焼を実施した場合のクランク角と熱発生率との関係を示した図である。
【００４５】
図４において、熱発生率パターンＡは、プレ燃料噴射Ｇｐによる燃料が燃焼したときの熱発生率パターンである。熱発生率パターンＢは、メイン燃料噴射Ｇｍによる燃料が燃焼したときの熱発生率パターンである。熱発生率パターンＣ（実線）は、熱発生率パターンＡと熱発率パターンＢとを足し合わせた実際の熱発生率パターンである。熱発生率パターンＤは、比較のために示した図３の熱発生率パターンである。
【００４６】
図４に示すように、プレ燃料噴射Ｇｐによる燃料は、基本的にその全ての燃料が燃料噴射後に所定の着火遅れ時間τｐだけ経過した後に自着火を起こし、予混合燃焼によって消費される。そしてメイン燃料噴射Ｇｍによる燃焼は、燃焼初期においては、燃料噴射後に所定の着火遅れ時間τｍだけ経過した後に自着火を起こして予混合燃焼によって消費され、燃焼中期から後期にかけては拡散燃焼によって消費される。
【００４７】
そして図４に示すように、熱発生率パターンＡの燃焼初期における傾きは、熱発生率パターンＤの燃焼初期における傾きよりも小さくなる。これは、図３の場合も図４の場合も燃料噴射量の総量は変わらないので、熱発生率パターンＤの形成に寄与する燃料の量と比較して、熱発生率パターンＡの形成に寄与する燃料の量（この例ではプレ燃料噴射Ｇｐの噴射量）が少なくなるためである。
【００４８】
そのため、プレ燃料噴射Ｇｐの噴射時期を適切な時期に設定し、プレ燃料噴射Ｇｐによって形成される熱発生率パターンＡと、メイン燃料噴射Ｇｍによって形成される熱発生率パターンＢと、が適切に重なり合うようにすれば、実際の燃焼波形である熱発生率パターンＣの燃焼初期における傾きを、熱発生率パターンＤの燃焼初期における傾きよりも小さくすることができる。
【００４９】
すなわち図４に示すように、メイン燃料噴射Ｇｍによる燃料の自着火時期（図４の例ではθ１）が、プレ燃料噴射Ｇｐによる燃料の燃焼によって熱発生が生じている期間（以下「プレ燃料噴射Ｇｐの熱発生期間」という。）の中に含まれるようにすることで、実際の燃焼波形である熱発生率パターンＣの燃焼初期における傾きを、熱発生率パターンＤの燃焼初期における傾きよりも小さくすることができる。
【００５０】
そして図４に示すように、メイン燃料噴射Ｇｍによる燃料の自着火時期（図４の例ではθ１）と、プレ燃料噴射Ｇｐによって形成される熱発生率パターンＡがピーク値を取る時期（以下「プレ燃料噴射Ｇｐのピーク時期」という。図４の例ではθ１）と、を一致させた場合に、実際の燃焼波形である熱発生率パターンＣの燃焼初期における傾きを最も小さくすることができる。
【００５１】
そこで本実施形態では、メイン燃料噴射Ｇｍによる燃料の自着火時期と、プレ燃料噴射Ｇｐのピーク時期と、が一致するように、予め実験等によってプレ燃料噴射Ｇｐ及びメイン燃料噴射時期Ｇｍの各目標噴射時期を設定している。
【００５２】
しかしながら、このような予備実験等によって設定される各目標噴射時期は、定常運転時において、メイン燃料噴射Ｇｍによる燃料の自着火時期と、プレ燃料噴射Ｇｐのピーク時期と、が一致するように設定された目標噴射時期である。ここで前述した通り、プレ燃料噴射Ｇｐによる燃料は、基本的にその全ての燃料が所定の着火遅れ時間τｐだけ経過した後に自着火を起こして予混合燃焼によって消費されることになるが、この着火遅れ時間τｐは、筒内の吸気状態（筒内温度及び筒内酸素密度）の影響を強く受けて変化する。また同様に、メイン燃料噴射Ｇｍによる燃料の着火遅れ時間τｍも、筒内の吸気状態（筒内温度及び筒内酸素密度）の影響を強く受けて変化する。
【００５３】
そのため、例えば過渡運転時など、何らかの要因で筒内の吸気状態が変化したときに、プレ燃料噴射Ｇｐやメイン燃料噴射Ｇｍの自着火時期が進角又は遅角して、メイン燃料噴射Ｇｍによる燃料の自着火時期と、プレ燃料噴射Ｇｐのピーク時期と、がずれるおそれがある。その結果、燃焼騒音を十分に低減することができなくなるおそれがある。
【００５４】
そこで本実施形態では、筒内温度及び筒内酸素密度の影響を考慮して、プレ燃料噴射Ｇｐの時期を適切な時期に制御することとした。以下、図５を参照してこの本実施形態による内燃機関１００の燃焼制御について説明する。
【００５５】
図５は、本実施形態による燃焼制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット２００は、本ルーチンを機関運転中に所定の演算周期（例えば１０［ｍｓ］）で繰り返し実行する。
【００５６】
ステップＳ１において、電子制御ユニット２００は、負荷センサ２１７によって検出された機関負荷と、クランク角センサ２１８の出力信号に基づいて算出された機関回転速度と、を読み込み、機関運転状態を検出する。
【００５７】
ステップＳ２において、電子制御ユニット２００は、吸気温センサ２１５によって検出された吸気温を読み込む。また電子制御ユニット２００は、併せてエアフローメータ２１２によって検出された吸気量を読み込み、吸気量に基づいて吸気中の酸素量を算出する。
【００５８】
ステップＳ３において、電子制御ユニット２００は、予め実験等によって作成されたテーブルを参照し、機関負荷に基づいて、プレ燃料噴射Ｇｐの目標噴射量（以下「目標プレ噴射量」という。）Ｑｐと、メイン燃料噴射Ｇｍの目標噴射量（以下「目標メイン噴射量」という。）Ｑｍと、を算出する。目標プレ噴射量Ｑｐ、及び目標メイン噴射量Ｑｍは、基本的に機関負荷が高くなるほど多くなる。
【００５９】
ステップＳ４において、電子制御ユニット２００は、予め実験等によって作成されたマップを参照し、機関運転状態に基づいて、プレ燃料噴射Ｇｐの目標噴射時期（以下「目標プレ噴射時期」という。）Ａｐ［ｄｅｇ．ＣＡ］と、メイン噴射Ｇｍの目標噴射時期（以下「目標メイン噴射時期」という。）Ａｍ［ｄｅｇ．ＣＡ］と、を算出する。目標プレ噴射時期Ａｐ、及び目標メイン噴射時期Ａｍは、それぞれ定常運転時において、メイン燃料噴射Ｇｍによる燃料の自着火時期と、プレ燃料噴射Ｇｐのピーク時期と、が一致するように設定された目標噴射時期である。
【００６０】
なお電子制御ユニット２００は、これら目標プレ噴射量Ｑｐなどの目標値以外にも、本フローチャートとは別途に目標吸気弁閉時期といった吸排気弁の目標バルブタイミングなどを機関運転状態に基づいて算出しており、算出した目標値となるように各種の制御部品を制御している。
【００６１】
ステップＳ５において、電子制御ユニット２００は、目標プレ噴射時期Ａｐにおける筒内温度Ｔｐと、目標メイン噴射時期Ａｍにおける筒内温度Ｔｍと、を推定する。
【００６２】
具体的には電子制御ユニット２００は、まず目標吸気弁閉時期における筒内圧力Ｐ及び筒内温度Ｔ、すなわち初期筒内状態を推定する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、初期筒内状態の推定モデルを用いて初期筒内状態を推定する。初期筒内状態の推定モデルは、吸気量や吸気温などの筒内状態に影響を与えるパラメータを入力値として、目標吸気弁閉時期における筒内圧力Ｐ及び筒内温度Ｔを推定する物理演算モデルである。
【００６３】
そして電子制御ユニット２００は、筒内状態の推移モデルを用いて、吸気弁閉時期からの筒内圧力Ｐ及び筒内温度Ｔの推移を推定し、目標プレ噴射時期Ａｐにおける筒内温度Ｔｐと、目標メイン噴射時期Ａｍにおける筒内温度Ｔｍと、をそれぞれ算出する。筒内状態の推移モデルは、初期筒内状態から筒内状態がどのように変化していくかを推定するための物理演算モデルである。筒内状態の推移モデルは、目標吸気弁閉時期における筒内圧力Ｐ及び筒内温度Ｔを入力値とし、圧縮行程中の筒内圧力Ｐ及び筒内温度Ｔがポリトロープ変化すると仮定して、目標吸気弁閉時期からの筒内圧力Ｐ及び筒内温度Ｔの推移を推定する。
【００６４】
ステップＳ６において、電子制御ユニット２００は、ステップＳ２で算出した酸素量と、目標プレ噴射時期Ａｐにおける燃焼室１１内の体積と、に基づいて、目標プレ噴射時期Ａｐにおける筒内酸素密度ρｐを算出する。また電子制御ユニット２００は、ステップＳ２で算出した酸素量と、目標メイン噴射時期Ａｍにおける燃焼室１１内の体積と、に基づいて、目標メイン噴射時期Ａｍにおける筒内酸素密度ρｍを算出する。なお目標プレ噴射時期Ａｐ及び目標メイン噴射時期Ａｍにおける燃焼室１１内の体積は、例えば各クランク角における燃焼室１１内の体積をテーブル化しておくことで、当該テーブルを参照して各目標噴射時期に基づいて算出することができる。
【００６５】
ステップＳ７において、電子制御ユニット２００は、予め実験等によって作成された図６のマップを参照し、目標メイン噴射時期Ａｍにおける筒内温度Ｔｍ及び筒内酸素密度ρｍに基づいて、メイン燃料噴射Ｇｍの着火遅れ時間τｍを算出する。図６に示すように、着火遅れ時間τｍは、目標メイン噴射時期Ａｍにおける筒内温度Ｔｍが高くなるほど短くなる。また着火遅れ時間τｍは、目標メイン噴射時期Ａｍにおける筒内酸素密度ρｍが高くなるほど短くなる。
【００６６】
ステップＳ８において、電子制御ユニット２００は、メイン燃料噴射Ｇｍの予想自着火時期［ｄｅｇ．ＣＡ］を算出する。具体的には電子制御ユニット２００は、メイン燃料噴射Ｇｍの着火遅れ時間τｍに相当するクランク角度量を、目標メイン噴射時期Ａｍに加えた時期を、予想自着火時期として算出する。
【００６７】
ステップＳ９において、電子制御ユニット２００は、予め実験等によって作成された図７のマップを参照し、目標プレ噴射時期Ａｐにおける筒内温度Ｔｐ及び筒内酸素密度ρｐに基づいて、プレ燃料噴射Ｇｐの着火遅れ時間τｐを算出する。図７に示すように、着火遅れ時間τｐは、目標プレ噴射時期Ａｐにおける筒内温度Ｔｐが高くなるほど短くなる。また着火遅れ時間τｐは、目標プレ噴射時期Ａｐにおける筒内酸素密度ρｐが高くなるほど短くなる。
【００６８】
ステップＳ１０において、電子制御ユニット２００は、図８のテーブルを参照し、プレ燃料噴射Ｇｐの着火遅れ時間τｐに基づいて、プレ燃料噴射Ｇｐの予想燃焼期間を算出する。図８に示すように、着火遅れ時間τｐが長くなるほど、予想燃焼期間は長くなる。これは、着火遅れ時間τｐが長くなるほど、プレ燃料噴射Ｇｐによる燃料の拡散が進んで予混合気が希薄化し、それによって自着火後の燃焼速度が遅くなるためである。
【００６９】
ステップＳ１１において、電子制御ユニット２００は、プレ燃料噴射Ｇｐの予想ピーク時期［ｄｅｇ．ＣＡ］を算出する。本実施形態では、電子制御ユニット２００は、目標プレ噴射時期Ａｐに、プレ燃料噴射Ｇｐの着火遅れ時間τｐに相当するクランク角度量と、予想燃焼期間の半分に相当するクランク角度量と、を加えた時期を、プレ燃料噴射Ｇｐの予想ピーク時期として算出する。
【００７０】
なお、目標プレ噴射時期Ａｐに、プレ燃料噴射Ｇｐの着火遅れ時間τｐに相当するクランク角度量を加えた時期から、目標プレ噴射時期Ａｐに、プレ燃料噴射Ｇｐの着火遅れ時間τｐに相当するクランク角度量と、予想燃焼期間に相当するクランク角度量と、を加えた時期までが、プレ燃料噴射Ｇｐの予想熱発生期間（プレ燃料噴射Ｇｐによる燃料の燃焼によって熱発生が生じている期間の予想値）となる。
【００７１】
このように本実施形態では、目標プレ噴射時期Ａｐにおける筒内温度Ｔｐ及び筒内酸素密度ρｐに基づいて着火遅れ時間τｐを一旦算出した上で、着火遅れ時間τｐに基づいてプレ燃料噴射Ｇｐの予想燃焼期間を算出し、最終的にプレ燃料噴射Ｇｐの予想ピーク時期を算出している。しかしながら、着火遅れ時間τｐ及びプレ燃料噴射Ｇｐの予想燃焼期間は、結局のところ目標プレ噴射時期Ａｐにおける筒内温度Ｔｐ及び筒内酸素密度ρｐと相関があるので、これら着火遅れ時間τｐ及びプレ燃料噴射Ｇｐの予想燃焼期間を予め考慮したマップを予め実験等によって作成しておき、目標プレ噴射時期Ａｐと、目標プレ噴射時期Ａｐにおける筒内温度Ｔｐ及び筒内酸素密度ρｐに基づいて、直接的にプレ燃料噴射Ｇｐの予想ピーク時期やプレ燃料噴射Ｇｐの予想熱発生期間を算出するようにしても良い。
【００７２】
ステップＳ１２において、電子制御ユニット２００は、メイン燃料噴射Ｇｍの予想自着火時期から、プレ燃料噴射Ｇｐの予想ピーク時期を減算した第１差分値が第１所定値α［ｄｅｇ．ＣＡ］以上か否かを判定する。すなわち、プレ燃料噴射Ｇｐの予想ピーク時期が、メイン燃料噴射Ｇｍの予想自着火時期よりも第１所定値α以上進角しているか否かを判定する。なお第１所定値αは、正の値である。電子制御ユニット２００は、第１差分値が第１所定値α以上であれば、ステップＳ１２の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、第１差分値が第１所定値α未満であれば、ステップＳ１３の処理に進む。
【００７３】
ステップＳ１３において、電子制御ユニット２００は、目標プレ噴射時期Ａｐに対して、第１差分値を加算する補正を実施する。すなわち電子制御ユニット２００は、ステップＳ４で算出した目標プレ噴射時期Ａｐに対して、目標プレ噴射時期Ａｐを第１差分値だけ遅角させる補正を実施する。
【００７４】
ステップＳ１４において、電子制御ユニット２００は、プレ燃料噴射Ｇｐの予想ピーク時期から、メイン燃料噴射Ｇｍの予想自着火時期を減算した第２差分値が第２所定値β［ｄｅｇ．ＣＡ］以上か否かを判定する。すなわち、プレ燃料噴射Ｇｐの予想ピーク時期が、メイン燃料噴射Ｇｍによる燃料の予想自着火時期よりも第１所定値β以上遅角しているか否かを判定する。なお第２所定値βは、正の値である。電子制御ユニット２００は、第２差分値が第２所定値β以上であれば、ステップＳ１５の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、第２差分値が第２所定値β未満であれば、ステップＳ１６の処理に進む。
【００７５】
なお第１所定α及び第２所定値βは、メイン燃料噴射Ｇｍによる燃料の自着火時期と、プレ燃料噴射Ｇｐのピーク時期と、が一致しているときの燃焼騒音を基準として、所定値以上燃焼騒音が増大する値を実験等によって求めて設定されるものである。
【００７６】
ステップＳ１５において、電子制御ユニット２００は、目標プレ噴射時期Ａｐに対して第２差分値を減算する補正を実施する。すなわち電子制御ユニット２００は、ステップＳ４で算出した目標プレ噴射時期Ａｐに対して、目標プレ噴射時期Ａｐを第２差分値だけ進角させる補正を実施する。
【００７７】
ステップＳ１６において、電子制御ユニット２００は、目標プレ噴射時期Ａｐに目標プレ噴射量Ｑｐの燃料が燃焼室１１内に噴射されるように燃料供給装置２を制御すると共に、目標メイン噴射時期Ａｍに目標メイン噴射量Ｑｍの燃料が燃焼室１１内に噴射されるように燃料供給装置２を制御する。これにより、メイン燃料噴射Ｇｍによる燃料の自着火時期と、プレ燃料噴射Ｇｐのピーク時期と、を一致させた燃焼を実施することができるので、その燃焼による熱発生率パターンの燃焼初期における傾きを小さくして燃焼騒音を低減することができる。
【００７８】
以上説明した本実施形態によれば、機関本体１と、機関本体１の燃焼室１１内に燃料を噴射する燃料噴射弁２０と、を備える内燃機関１００を制御する電子制御ユニット２００（制御装置）が、燃料噴射弁２０によってプレ燃料噴射及びメイン燃料噴射を順次実施して、燃料を圧縮自着火燃焼させる燃焼制御部を備える。
【００７９】
そして燃焼制御部は、機関運転状態に基づいて、プレ燃料噴射Ｇｐの目標プレ噴射時期Ａｐとメイン燃料噴射Ｇｍの目標メイン噴射時期Ａｍとをそれぞれ算出する目標噴射時期算出部と、目標プレ噴射時期Ａｐ及び目標メイン噴射時期Ａｍにおける筒内温度Ｔｐ、Ｔｍ及び筒内酸素密度ρｐ、ρｍをそれぞれ推定する推定部と、目標メイン噴射時期Ａｍと目標メイン噴射時期Ａｍにおける筒内温度Ｔｍ及び筒内酸素密度ρｍとに基づいて、メイン燃料の予想自着火時期を算出する予想自着火時期算出部と、目標プレ噴射時期Ａｐにおける筒内温度及び筒内酸素密度に基づいて、プレ燃料の着火遅れ時間τｐを算出する着火遅れ時間算出部と、プレ燃料の着火遅れ時間τｐに基づいて、プレ燃料の予想燃焼期間を算出する予想燃焼期間算出部と、目標プレ噴射時期Ａｐ、プレ燃料の着火遅れ時間τｐ、及びプレ燃料の予想燃焼期間に基づいて、プレ燃料の燃焼時に生じる単位クランクあたりの熱量が最大となる予想ピーク時期を算出する予想ピーク時期算出部と、予想ピーク時期が予想自着火時期に近づくように、目標プレ噴射時期Ａｐを補正する補正部と、を備えるように構成される。
【００８０】
これにより、例えば過渡運転時など、何らかの要因で筒内の吸気状態が変化して筒内温度や筒内酸素密度が定常運転時に対して大きく変化したとしても、予想自着火時期が予想熱発生期間内の時期となるように、筒内温度や筒内酸素密度の変化に応じて目標プレ噴射時期Ａｐを補正することができる。そのため、プレ燃料噴射Ｇｐによって形成される熱発生率パターンＡと、メイン燃料噴射Ｇｍによって形成される熱発生率パターンＢと、を重ね合わせた実際の熱発生率パターンの燃焼初期における傾きを小さくして、内燃機関１００の燃焼騒音を低減することができる。
【００８１】
このとき本実施形態のように、予想熱発生期間内においてプレ燃料噴射Ｇｐによる燃料の燃焼時に生じる単位クランクあたりの熱量が最大となる予想ピーク時期を算出し、予想自着火時期と予想ピーク時期とが一致するように目標プレ噴射時期Ａｐを補正すれば、実際の熱発生率パターンの燃焼初期における傾きを最も小さくすることができる。そのため、内燃機関１００の燃焼騒音を一層効果的に低減することができる。
【００８２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【符号の説明】
【００８３】
１    機関本体
１１    燃焼室
２０    燃料噴射弁
１００    内燃機関
２００    電子制御ユニット（制御装置）
【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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