(57)【要約】【課題】ディーゼルエンジンの排気量に関わらず、燃料噴霧の付着を抑えつつ、所望のトルクが得られる燃料噴射量の精度が確保される燃料噴射制御装置を提供する。【解決手段】ＥＣＵ１６は、機関本体１１が圧縮行程にあるとき、パイロット噴射に先立つ予備噴射を実行する。圧縮行程では、燃焼室２２に吸入された空気は圧縮されるため、燃焼室２２の密度は吸入行程に比較して高くなる。そのため、インジェクタ４０から噴射された燃料は、ピストン１９やシリンダ２１に付着することなく、燃焼室２２の空気と混合される。予備噴射は、噴射初期における燃料噴射率の勾配がメイン噴射またはパイロット噴射の少なくともいずれかよりも大きく設定されている。そのため、予備噴射では、微粒化が促進されるので予備噴射を分割する必要がなく、インジェクタ４０からの燃料噴射量の精度が確保しやすくなる。したがって、排気量に関わらず、機関本体１１において所望のトルクが得られる。【選択図】図１
2011202624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジンにおいてインジェクタから燃焼室への燃料の噴射を制御する燃料噴射制御装置であって、
前記ディーゼルエンジンのクランクシャフトの回転角度を取得する回転角度取得手段と、
前記ディーゼルエンジンの運転状態を取得する運転状態取得手段と、
前記運転状態取得手段で取得した前記ディーゼルエンジンの運転状態に基づいて、前記インジェクタから噴射する燃料の量を設定する噴射量設定手段と、
前記回転角度取得手段で取得した前記クランクシャフトの回転角度、および前記噴射量設定手段で設定した燃料の噴射量に基づいて、前記インジェクタからの燃料の噴射を断続するインジェクタ制御手段とを備え、
前記インジェクタ制御手段は、前記回転角度取得手段で取得した前記クランクシャフトの回転角度が前記ディーゼルエンジンの圧縮行程の末期にあるとき前記噴射量設定手段で設定した燃料の噴射量のうち大部分を噴射するメイン噴射、前記クランクシャフトの回転角度が前記メイン噴射よりも進角側にあるときに前記メイン噴射に先立って燃料を噴射するパイロット噴射、および前記クランクシャフトの回転角度が前記パイロット噴射よりも進角側にあり前記クランクシャフトの回転角度が下死点から上死点に至る圧縮行程にあるときに前記パイロット噴射に先立って燃料を噴射する予備噴射を実行し、
前記予備噴射での燃料の噴射開始から噴射量が最大となるまでの噴射初期における燃料の噴射率の変化を、前記メイン噴射の噴射初期における燃料の噴射率または前記パイロット噴射の噴射初期における燃料の噴射率の変化の少なくともいずれかよりも大きくすることを特徴とする燃料噴射制御装置。
【請求項２】
前記予備噴射から前記パイロット噴射までの時間的な間隔をＩ１とし、前記パイロット噴射から前記メイン噴射までの時間的な間隔をＩ２とすると、
Ｉ１＞Ｉ２
であることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射制御装置に関し、特にディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンでは、窒素酸化物の生成を抑えつつ、燃焼音および排気に含まれるＰＭ（Particulate Matter）の減少を図ることが求められる。そこで、設定されている燃料噴射量のうち大部分を噴射するメイン噴射に先立って少量の燃料を噴射するパイロット噴射を実行する燃料噴射装置が提案されている。さらに、特許文献１では、パイロット噴射に先立って、排気弁の閉弁直後の吸入行程の初期に燃料室へ燃料を噴射する予備噴射が提案されている。特許文献１のようにパイロット噴射に加えて、吸入行程で予備噴射を実行することにより、多段噴射の各段階での燃料噴射量を減少させることにより、各段階で噴射される燃料噴霧の運動量は低下する。そのため、シリンダの内壁やピストンの端面には燃料噴霧がほとんど付着することなく、希薄な混合気が生成される。
【０００３】
しかしながら、排気量が小さくボアの小さなディーゼルエンジンの場合、吸入行程のように燃焼室内の圧力が小さく密度が低い場合、インジェクタから噴射された燃料噴霧の到達距離は増大する。そのため、シリンダの内壁およびピストンの端面への燃料噴霧の付着を抑えるためには、一回の予備噴射で噴射する燃料の量を極めて小さくする必要がある。その結果、燃料噴射量の精度を確保しにくく、精度の低い燃料噴射量ではディーゼルエンジンにおける所望のトルクの確保が困難であるという問題がある。また、燃料噴射量の精度を確保できる程度に予備噴射における燃料噴射量を設定すると、シリンダの内壁やピストンの内壁への燃料噴霧の付着を招き、排気に含まれる炭化水素の増加を招くという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１４１１２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の目的は、ディーゼルエンジンの排気量に関わらず、燃料噴霧の付着を抑えつつ、所望のトルクが得られる燃料噴射量の精度が確保される燃料噴射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】
【０００６】
請求項１または２記載の発明では、パイロット噴射に先立つ予備噴射は、クランクシャフトが下死点から上死点へ至る圧縮行程において実行される。圧縮行程では、燃焼室に吸入された空気は圧縮されるため、燃焼室の密度は吸入行程に比較して高くなる。そして、予備噴射は、噴射初期における燃料噴射率の変化がメイン噴射またはパイロット噴射の少なくともいずれかよりも大きく設定されている。すなわち、予備噴射における燃料噴射率の立ち上がりは、メイン噴射またはパイロット噴射の少なくともいずれかよりも大きくなる。ここで、燃料噴射率とは、単位時間あたりの燃料噴射量である。
【０００７】
ところで、燃料を噴射するインジェクタは、ノズルに形成されたシートにニードルが着座またはシートからニードルが離座することにより、シートの下流側に設けられた噴孔からの燃料の噴射を断続する。そのため、インジェクタから噴射される燃料は、噴孔に至る前に、ニードルとシートとの間に形成される微小な通路を通過する。このニードルとシートとの間に形成される隙間は、燃料噴射率の変化が大きく、すなわち立ち上がりが大きくなるほど拡大する。また、ニードルとシートとの間に形成される隙間が大きくなるほど、噴孔を通過する燃料の流速は増大し、噴孔から噴射される燃料の微粒化が促進される。
【０００８】
そこで、請求項１または２記載の発明では、予備噴射における燃料噴射率の勾配を大きくすることにより、噴孔から噴射される燃料の流速を増大させ、噴孔から噴射される燃料の微粒化を促進させている。さらに、この予備噴射を燃焼室の密度が高い圧縮行程に実行することにより、噴孔から噴射された燃料噴霧の到達距離は小さくなり、シリンダの内壁およびピストンの端面への付着が抑えられる。したがって、予備噴射における燃料の噴射量を減らすことなく、ディーゼルエンジンの排気量に関わらず、シリンダの内壁およびピストンの端面への燃料噴霧の付着を抑えつつ、ディーゼルエンジンにおいて所望のトルクを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による燃料噴射制御装置を適用したディーゼルエンジンシステムを示す模式図
【図２】ディーゼルエンジンシステムのインジェクタの概略を示す断面図
【図３】図２に示すインジェクタの要部を示す断面図であって、ニードルがノズルに着座している状態を示す図
【図４】図２に示すインジェクタの要部を示す断面図であって、ニードルがノズルから離座している状態を示す図
【図５】一実施形態による燃料噴射制御装置を示すブロック図
【図６】一実施形態による燃料噴射制御装置において、クランクシャフトの角度と燃料噴射率との関係を示す模式図
【図７】一実施形態による燃料噴射制御装置において、ニードルの速度と燃料噴射の開始から燃料噴射率の変化との関係を示す模式図
【図８】一実施形態による燃料噴射制御装置において、ニードル速度と噴霧の粒径との関係を示す模式図
【図９】一実施形態による燃料噴射制御装置において、ニードル速度と燃料の燃焼割合との関係を示す模式図
【図１０】ニードル速度と噴霧長の時間変化との関係を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態による燃料噴射制御装置を適用したディーゼルエンジンシステムを図面に基づいて詳細に説明する。
まず、図１に示すディーゼルエンジンシステム１０の構成について説明する。ディーゼルエンジンシステム１０は、機関本体１１、吸気部１２、排気部１３、ＥＧＲ部１４、燃料噴射部１５および燃料噴射制御装置としてのＥＣＵ１６を備えている。機関本体１１は、シリンダブロック１７、シリンダヘッド１８およびピストン１９を有している。シリンダブロック１７は、内側に複数のシリンダ２１を形成している。シリンダヘッド１８は、シリンダブロック１７の上端に設けられている。ピストン１９は、シリンダブロック１７が形成するシリンダ２１の内側を軸方向に往復移動する。このピストン１９のシリンダヘッド１８側の端面と、シリンダ２１の内壁と、シリンダヘッド１８のピストン１９側の端面とに囲まれた空間は、燃焼室２２となる。ピストン１９は、図示しないクランクシャフトに接続されている。ピストン１９がシリンダ２１の軸方向すなわち図１の上下方向へ移動することにより、クランクシャフトは回転する。このピストン１９がシリンダ２１において図１の最も上方まで移動したとき、すなわち燃焼室２２の体積が最小となるとき、クランクシャフトの回転角度は上死点にある。一方、ピストン１９がシリンダ２１において図１の最も下方まで移動したとき、すなわち燃焼室２２の体積が最大となるとき、クランクシャフトの回転角度は下死点にある。
【００１１】
吸気部１２は、吸気管部材２３および図示しない吸気バルブを有している。吸気管部材２３は、吸気通路２４を形成している。吸気通路２４の一方の端部からは、図示しないエアクリーナを経由して大気が導入される。吸気通路２４の他方の端部は、燃焼室２２に接続している。図示しない吸気バルブは、吸気通路２４と燃焼室２２との間を開閉する。また、吸気通路２４の途中には、吸気の流量を調整するスロットルバルブ２５が設けられている。排気部１３は、排気管部材２６および図示しない排気バルブを有している。排気管部材２６は、排気通路２７を形成している。排気通路２７は、図示しない排気浄化装置および消音装置を経由して大気に開放されている。排気通路２７の他方の端部は、燃焼室２２に接続している。これにより、燃焼室２２の排気は、排気通路２７を経由して大気中へ排出される。図示しない排気バルブは、燃焼室２２と排気通路２７との間を開閉する。
【００１２】
機関本体１１は、４サイクルのディーゼルエンジンである。機関本体１１は、吸気バルブが開き、かつ排気バルブが閉じた状態でピストン１９が上死点から下死点へ下降するとき、燃焼室２２へ吸気を導入する吸気行程となる。そして、機関本体１１は、吸気バルブおよび排気バルブがいずれも閉じた状態でピストン１９が下死点から上死点へ上昇するとき、燃焼室２２に吸入された吸気を圧縮する圧縮行程となる。この圧縮行程の後半で燃焼室２２では燃料の燃焼が生じ、燃焼室２２の圧力が上昇する。そのため、ピストン１９は再び上死点から下死点側へ下降する。このとき、機関本体１１は、吸気バルブおよび排気バルブがいずれも閉じた状態でピストン１９が上死点から下死点へ下降する。したがって、機関本体１１は、燃焼室２２の体積が増加する燃焼行程となる。燃焼行程によって下死点まで下降したピストン１９は、再び上死点側へ上昇する。このとき、機関本体１１は、吸気バルブが閉じ、かつ排気バルブが開いた状態でピストン１９が移動する。これにより、機関本体１１は、燃焼室２２の燃焼ガスを排気通路２７へ排出する排気行程となる。なお、吸気バルブおよび排気バルブが開閉する時期すなわちバルブタイミングは、機関本体１１の運転状態に応じて上記した時期から進角側または遅角側へずらされたり、吸気バルブの開閉と排気バルブの開閉とがオーバーラップする場合がある。
【００１３】
ＥＧＲ部１４は、排気の一部を吸気へ還流させる排気再循環（Exhaust Gas Recirculation）を実施する。ＥＧＲ部１４は、ＥＧＲ管部２８およびＥＧＲ弁２９を有している。ＥＧＲ管部２８は、ＥＧＲ通路３１を形成している。ＥＧＲ通路３１は、一方の端部が排気通路２７に接続し、他方の端部が吸気通路２４に接続している。ＥＧＲ弁２９は、ＥＧＲ通路３１を開閉し、排気通路２７から吸気通路２４へ再循環される排気の流量を制御する。
【００１４】
燃料噴射部１５は、コモンレール３２、インジェクタ４０および図示しないサプライポンプを有している。図示しないサプライポンプは、図示しない燃料タンクに貯えられている燃料を所定の圧力まで加圧する。サプライポンプで加圧された燃料は、コモンレール３２に圧力を維持した状態で貯えられる。コモンレール３２に貯えられている高圧の燃料は、インジェクタ４０から燃焼室２２に噴射される。
【００１５】
インジェクタ４０は、周知の構成であり、図２に示すように主にボディ４１、ニードル４２、駆動部４３および駆動力伝達部４４を有している。ボディ４１は、第一ボディ４５、第二ボディ４６、第三ボディ４７およびノズル４８から構成され、内側にニードル４２、駆動部４３および駆動力伝達部４４を収容している。ノズル４８は、筒状に形成され、内側にニードル４２を軸方向へ移動可能に収容するとともに、先端に燃料を噴射する噴孔４９を有している。第一ボディ４５、第二ボディ４６、第三ボディ４７およびノズル４８は、リテーニングナット５１によって一体に接続されている。
【００１６】
ニードル４２と、駆動力伝達部４４のニードルストッパ５２およびバランスピストン５３とは、ボディ４１の内側を軸方向へ一体に移動可能である。すなわち、ニードル４２は、駆動部４３側において筒状のノズル４８と摺動し、ニードルストッパ５２およびバランスピストン５３は、筒状の第三ボディ４７と摺動する。ボディ４１を貫く高圧通路５４は、コモンレール３２から高圧の燃料が供給される。この高圧通路５４は、コモンレール３２とは反対側の端部がノズル４８の先端、およびバランスピストン５３の駆動部４３側の高圧室５５に接続している。ボディ４１は、ピエゾピストン５６のニードル４２側の端部に加圧室５７を形成し、ニードルストッパ５２のニードル４２側の端部に下部室５８を形成している。この加圧室５７と下部室５８とは、加圧通路５９を経由して接続している。また、ボディ４１は、ピエゾピストン５６の駆動部４３側に低圧室６１を形成し、ニードルストッパ５２の駆動部４３側に上部室６２を形成している。この上部室６２と低圧室６１とは、低圧通路６３を経由して接続している。ボディ４１の低圧室６１には、駆動部４３のピエゾアクチュエータ６４が収容されている。上部室６２は、弾性部材としてのスプリング６５を収容している。このスプリング６５は、ニードルストッパ５２をニードル４２方向へ押し付ける。ピエゾピストン５６は、内側に加圧室５７と低圧室６１とを接続する接続通路６６を有するとともに、この接続通路６６に加圧室５７から低圧室６１への燃料の流れを遮断する逆止弁６７を有している。加圧室５７には弾性部材としての皿ばね６８が収容されており、この皿ばね６８はピエゾピストン５６を常にピエゾアクチュエータ６４側へ押し付けている。
【００１７】
ニードル４２は、図３および図４に示すように先端の近傍に円環状のシール部７１を有している。また、ノズル４８は、内周面に円環状のシート部７２を有している。噴孔４９は、ノズル４８を貫いて燃料の流れ方向においてこのシート部７２の下流側でノズル４８の内周壁と外壁との間を接続している。ニードル４２の外壁とノズル４８の内壁とは、図４に示すように高圧通路５４に接続する燃料通路７３を形成する。シート部７２にシール部７１が着座すると、燃料通路７３が閉じられる。そのため、高圧通路５４と噴孔４９との間における燃料の流れが遮断され、燃料は噴孔４９から噴射されない。一方、シート部７２からシール部７１が離座すると、燃料通路７３が開かれる。そのため、高圧通路５４と噴孔４９との間は燃料通路７３を経由して接続され、燃料は噴孔４９から噴射される。
【００１８】
ＥＣＵ１６からピエゾアクチュエータ６４に駆動エネルギが印加されると、ピエゾアクチュエータ６４は軸方向へ伸びる。そのため、図２に示すようにピエゾアクチュエータ６４に接しているピエゾピストン５６は、ピエゾアクチュエータ６４に押されてニードル４２側へ移動し、加圧室５７の体積を縮小する。逆止弁６７が加圧室５７から低圧室６１側への燃料の流れを遮断しているため、加圧室５７の圧力、および加圧通路５９を経由し加圧室５７に接続する下部室５８の圧力は上昇する。下部室５８の圧力が上昇すると、高圧室５５から燃料の圧力を受けるバランスピストン５３と下部室５８から燃料の圧力を受けるニードルストッパ５２との力のバランスは変化する。すなわち、下部室５８からニードルストッパ５２に加わる力は、高圧室５５からバランスピストン５３が受ける力とスプリング６５の押し付け力との和よりも大きくなる。これにより、ニードル４２を下方すなわちシール部７１がシート部７２に着座する方向へ押し付ける力が減少し、ニードル４２は上方すなわち駆動部４３側へ上昇する。その結果、シール部７１はシート部７２から離座し、燃料は噴孔４９から噴射される。
【００１９】
一方、ＥＣＵ１６からピエゾアクチュエータ６４への駆動エネルギを回収すると、ピエゾアクチュエータ６４は軸方向へ縮む。そのため、ピエゾアクチュエータ６４に接しているピエゾピストン５６は、皿ばね６８の押し付け力によってピエゾアクチュエータ６４とともに駆動部４３側へ移動する。これにより、加圧室５７の体積が増加し、加圧室５７および下部室５８の圧力は低下する。下部室５８の圧力が低下すると、下部室５８からニードルストッパ５２に加わる力は、高圧室５５からバランスピストン５３が受ける力とスプリング６５の押し付け力との和より小さくなる。その結果、ニードル４２を下方すなわちシール部７１がシート部７２に着座する方向へ押し付ける力が増大し、ニードル４２は下方すなわち駆動部４３と反対側へ移動する。その結果、シール部７１はシート部７２に着座し、噴孔４９からの燃料の噴射は停止される。
このように、ＥＣＵ１６からピエゾアクチュエータ６４へ出力される駆動エネルギにしたがって、ニードル４２は軸方向へ往復移動する。これにより、噴孔４９からの燃料の噴射およびその停止が制御される。
【００２０】
ＥＣＵ１６は、図５に示すようにＣＰＵ８１、ＲＯＭ８２およびＲＡＭ８３からなるマイクロコンピュータ８４で構成されている。ＥＣＵ１６は、ＲＯＭ８２に記憶されているコンピュータプログラムを実行することにより、回転角度取得部８５、運転状態取得部８６、噴射量設定部８７およびインジェクタ制御部８８として機能する。すなわち、回転角度取得部８５、運転状態取得部８６、噴射量設定部８７およびインジェクタ制御部８８は、ソフトウェア的に実現されている。なお、これら回転角度取得部８５、運転状態取得部８６、噴射量設定部８７およびインジェクタ制御部８８は、ハードウェア的に実現してもよい。
【００２１】
ＥＣＵ１６は、図１および図５に示すようにアクセル開度センサ９１、吸入空気量センサ９２、クランク角センサ９３、圧力センサ９４、吸気温度センサ９５、水温センサ９６および吸気圧力センサ９７などの各種のセンサに接続している。アクセル開度センサ９１は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量を検出し、検出した踏み込み量を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。吸入空気量センサ９２は、吸気通路２４を流れる空気の流量を検出し、検出した空気の流量を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。クランク角センサ９３は、図示しないクランクシャフトの回転角度を検出し、検出した回転角度を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。圧力センサ９４は、コモンレール３２に貯えられている燃料の圧力を検出し、検出した燃料の圧力を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。吸気温度センサ９５は、吸気通路２４を流れる吸気の温度を検出し、検出した吸気の温度を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。水温センサ９６は、機関本体１１の冷却水の温度を検出し、検出した冷却水の温度を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。吸気圧力センサ９７は、吸気通路２４を流れる空気の圧力を検出し、検出した空気の圧力を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。
【００２２】
ＥＣＵ１６が実現する回転角度取得部８５は、クランク角センサ９３から出力された電気信号に基づいて、機関本体１１のクランクシャフトの回転角度を取得する。運転状態取得部８６は、回転角度取得部８５で取得したクランクシャフトの回転角度、およびアクセル開度センサ９１から出力された電気信号に基づいて、機関本体１１の負荷や回転数などの運転状態を取得する。噴射量設定部８７は、運転状態取得部８６で取得した機関本体１１の運転状態に基づいてインジェクタ４０からの燃料の噴射量を基礎噴射量として設定する。これとともに、噴射量設定部８７は、設定した基礎噴射量を、吸入空気量センサ９２、吸気温度センサ９５、水温センサ９６および吸気圧力センサ９７などの各種センサから出力された吸入される空気量、吸気の温度、冷却水の温度および吸気の圧力などに基づいて補正し、最終的な決定噴射量Ｑｄを設定する。
【００２３】
インジェクタ制御部８８は、回転角度取得部８５で取得したクランクシャフトの回転角度、および噴射量設定部８７で設定した燃料の噴射量に基づいてインジェクタ４０からの燃料の噴射を断続する。すなわち、インジェクタ制御部８８は、インジェクタ４０へ出力する駆動エネルギを制御することにより、噴孔４９からの燃料の噴射を制御する。また、ＥＣＵ１６は、圧力センサ９４で検出したコモンレール３２における燃料の圧力、運転状態取得部８６で取得した機関本体１１の運転状態、および噴射量設定部８７で設定した決定噴射量に基づいて、コモンレール３２の圧力をフィードバック制御する。すなわち、ＥＣＵ１６は、図示しないサプライポンプから吐出される燃料の流量を制御することにより、コモンレール３２における燃料の圧力を目標とする圧力に制御する。
【００２４】
次に、インジェクタ制御部８８について、作用を含めて詳細に説明する。
インジェクタ制御部８８は、上述のようにインジェクタ４０のピエゾアクチュエータ６４に出力する駆動エネルギを制御することにより、インジェクタ４０からの燃料噴射を制御する。具体的には、インジェクタ制御部８８は、インジェクタ４０からの燃料の噴射を、クランクシャフトの回転角度にあわせて所定の時期に実行する。本実施形態の場合、インジェクタ制御部８８は、燃焼室２２における一回の燃焼行程のために、図６に示すように予備噴射１０１、パイロット噴射１０２およびメイン噴射１０３の少なくとも三回の燃料噴射を実行する。すなわち、インジェクタ制御部８８は、噴射量設定部８７で設定された燃料の決定噴射量Ｑｄに基づいて、予備噴射１０１時に予備噴射量Ｑｓ、パイロット噴射１０２時にパイロット噴射量Ｑｐおよびメイン噴射１０３時にメイン噴射量Ｑｍを噴射する。つまり、決定噴射量Ｑｄは、Ｑｄ＝Ｑｓ＋Ｑｐ＋Ｑｍとなる。
【００２５】
メイン噴射１０３では、噴射量設定部８７で設定した決定噴射量Ｑｄのうち大部分が噴射される。つまり、Ｑｍ＞Ｑｓ、Ｑｍ＞Ｑｐである。また、メイン噴射１０３は、機関本体１１のクランクシャフトの回転角度が圧縮行程の末期から燃焼行程の初期、すなわち圧縮行程においてピストン１９が下死点から上死点へ上昇する際の上死点付近から燃焼行程においてピストン１９が上死点から下死点へ下降する際に、実行される。このメイン噴射１０３を実行する時期は、機関本体１１の負荷状態などによって進角側または遅角側へ変動する。パイロット噴射１０２は、このメイン噴射１０３に先立って実行される。すなわち、パイロット噴射１０２は、クランクシャフトの回転角度がメイン噴射１０３時よりも進角側にあるとき実行される。予備噴射１０１は、このパイロット噴射１０２にさらに先立って実行される。すなわち、予備噴射１０１は、クランクシャフトの回転角度がパイロット噴射１０２時よりも進角側にあるとき実行される。本実施形態の場合、予備噴射１０１における予備噴射量Ｑｓは、パイロット噴射１０２におけるパイロット噴射量Ｑｐよりも大きく設定している。
【００２６】
インジェクタ制御部８８は、この予備噴射１０１をクランクシャフトの回転角度が圧縮行程にあるとき、すなわちピストン１９が下死点から上死点側へ上昇する行程中にあるときに実行する。例えば排気量が２リットル程度の機関本体１１の場合、圧縮行程から燃焼行程に移行する際の上死点をＡＴＤＣ＝０とすると、予備噴射１０１は−６０°から−２５°の圧縮行程で実行される。なお、この予備噴射１０１の時期は、機関本体１１の圧縮比、過給圧および吸入空気の温度の変化にともなう燃焼室２２の密度や温度の変化、ならびにボアの変化にともなうシリンダまでの距離の変化などに基づいて変化する。したがって、予備噴射１０１の時期は、これら機関本体１１の特性に応じて適切な時期に設定される。
【００２７】
ここで、予備噴射１０１からパイロット噴射１０２までの時間的な間隔をＩ１、パイロット噴射１０２からメイン噴射１０３までの時間的な間隔をＩ２とすると、Ｉ１＞Ｉ２に設定されている。この場合、Ｉ１は、Ｉ２に比較して十分に長く設定されている。このように、予備噴射１０１は、パイロット噴射１０２に対し十分に先立つ時期に実行される。つまり、パイロット噴射１０２は、続くメイン噴射１０３における燃料の着火を促進する火種となる核を形成することを目的とする。そのため、パイロット噴射１０２は、メイン噴射１０３の直前に実行される。これに対し、予備噴射１０１は、メイン噴射１０３におけるＰＭの発生を低減するために、メイン噴射１０３で噴射すべき燃料を予め混合気として燃焼室２２に供給することを目的としている。すなわち、予備噴射１０１で噴射された燃料は、メイン噴射１０３まで燃焼することなく燃焼室２２内に拡散していることが望ましい。そのため、予備噴射１０１は、燃料が着火しない圧縮行程の初期に実行される。
【００２８】
インジェクタ制御部８８は、図６に示すように予備噴射１０１での噴射初期における燃料噴射率の変化すなわち増加割合を、メイン噴射１０３またはパイロット噴射１０２の噴射初期における燃料噴射率の少なくともいずれかよりも大きく設定する。ここで噴射初期とは、インジェクタ４０から燃料の噴射が開始されてから噴射率が最大（ピーク）となるまでの時期を意味する。また、燃料噴射率とは、単位時間あたりの燃料噴射量である。図６に示すように、インジェクタ４０から燃料の噴射を実行するとき、燃料噴射率は、噴射開始から増加し、最大値に到達した後、減少する。本実施形態の場合、このように予備噴射１０１の噴射初期における燃料噴射率の勾配、すなわち燃料噴射率の増加割合は、パイロット噴射１０２またはメイン噴射１０３に比較して大きい。つまり、予備噴射１０１の噴射初期における燃料噴射率の立ち上がりは、パイロット噴射１０２またはメイン噴射１０３の少なくともいずれかより大きい。
【００２９】
噴射初期における燃料噴射率の勾配を大きくする場合、インジェクタ４０のニードル４２の駆動速度は速くする必要がある。すなわち、ピエゾアクチュエータ６４へ印加する駆動信号の電圧を増大し、ピエゾアクチュエータ６４の伸長速度を大きくする。ニードル４２の駆動速度が大きくなると、図７に示すように時間あたりの燃料噴射率の変化、すなわち燃料噴射率の勾配は大きくなる。
【００３０】
そして、ニードル４２の駆動速度を大きくすると、図８に示すように噴孔４９から噴射される燃料が形成する噴霧の粒径は小さくなる。すなわち、ニードル４２の駆動速度を大きくすると、燃料の微粒化は促進される。これは、ニードル４２の駆動速度が大きくなると、ニードル４２とノズル４８との間の燃料通路７３を燃料が通過しやすくなるためである。すなわち、高圧通路５４に供給された燃料は、ニードル４２の上昇にともなってニードル４２とノズル４８との間の隙間、すなわち燃料通路７３を経由して噴孔４９へ流入する。そのため、高圧通路５４から噴孔４９へ流入する燃料は、燃料通路７３で流路が絞られた後、噴孔４９へ流入する。ここで、ニードル４２の駆動速度が大きくなると、燃料通路７３の断面積は、迅速に拡大し、噴孔４９の断面積よりも大きくなる。その結果、噴孔４９へ流入する燃料の流速が噴射の開始から早期に大きくなり、燃料噴霧の微粒化は促進される。
【００３１】
燃料の微粒化が促進されることにより、燃焼室２２に噴射された燃料は、図９に示すように燃焼割合が低下する。この理由は、次の通りである。すなわち、燃焼室２２へ噴射された燃料の微粒化が促進されることにより、インジェクタ４０から噴射された燃料の粒子は迅速に燃焼室２２内へ分散する。そのため、燃焼室２２において空気と燃料とによって形成される混合気は、非常に希薄な状態となる。その結果、ピストン１９の上昇とともに燃焼室２２が圧縮され、燃焼室２２の温度が上昇しても、希薄な混合気は着火しにくくなるからである。
【００３２】
このようにインジェクタ制御部８８は、予備噴射１０１における燃料噴射率の勾配を大きくすることにより、燃料の微粒化を図り、予備噴射１０１によって噴射された燃料の着火を回避しつつ、混合気の生成を図っている。これとあわせて、インジェクタ制御部８８は、上記の通り、圧縮行程において予備噴射１０１を実行している。圧縮行程では、吸気行程に比較して燃焼室２２における密度が大きくなる。そのため、噴孔４９から噴射された燃料噴霧の到達距離すなわち噴霧長は、吸気行程に比較して小さくなる。これにより、インジェクタ４０の噴孔４９から噴射された燃料噴霧は、燃焼室２２の密度の上昇によって、シリンダ２１の内壁やピストン１９の端面まで到達しにくくなる。
【００３３】
ここで、ニードル４２の駆動速度を大きくすると、インジェクタ４０から噴射される燃料噴霧の全長は、図１０に示すように燃料噴射の初期に限れば、ニードル４２の駆動速度が小さいときよりも大きくなる。しかし、最終的な燃料噴霧の全長すなわち到達距離は、ニードル４２の駆動速度の影響をほとんど受けない。一方、燃料噴射の初期は、ピストン１９がより下死点側に位置しており、インジェクタ４０の噴孔４９からピストン１９の端面までの距離が比較的大きい。そのため、噴孔４９から噴射された燃料は、ピストン１９の端面まで到達しにくい。
【００３４】
以上のように、本実施形態では、圧縮行程において燃料噴射率の初期の勾配が大きな予備噴射１０１を実行することにより、燃焼室２２には燃焼に至らない希薄な混合気が生成されるとともに、シリンダ２１の内壁やピストン１９の端面への燃料噴霧の付着がほぼ防止される。このように予備噴射１０１によって希薄な混合気を生成した後、少量のパイロット噴射１０２を実行することにより、燃焼室２２には火種となる核が形成される。そして、パイロット噴射１０２によって核が形成された燃焼室２２にメイン噴射１０３を実行することにより、メイン噴射１０３による燃料の着火が促進され、燃焼遅れにともなう騒音の発生を防止することができる。
【００３５】
また、パイロット噴射１０２に先立って予備噴射１０１を実行することにより、メイン噴射１０３における燃料の噴射量は予備噴射における予備噴射量Ｑｓだけ低減される。そのため、メイン噴射１０３における燃焼時の空気不足が生じにくく、排気に含まれるＰＭが減少する。さらに、圧縮行程において予備噴射１０１を実行することにより、予備噴射１０１における燃料噴霧がシリンダ２１やピストン１９へ付着することを回避しつつ、予備噴射量Ｑｓを増加させることができる。これにより、予備噴射１０１において微小の噴射量の制御は不要となる。これにより、予備噴射１０１およびパイロット噴射１０２を実行する場合でも、各噴射における噴射量、および最終的に燃焼する燃料の総量すなわち決定噴射量Ｑｄは精密に制御される。したがって、機関本体１１の出力トルクも、高精度に制御することができる。
【００３６】
以上説明したように、一実施形態では、パイロット噴射１０２に先立つ予備噴射１０１は、圧縮行程において実行される。圧縮行程では、燃焼室２２に吸入された空気は圧縮されるため、燃焼室２２の密度は吸入行程に比較して高くなる。そして、予備噴射１０１は、噴射初期における燃料噴射率の変化がメイン噴射１０３またはパイロット噴射１０２の少なくともいずれかよりも大きく設定されている。すなわち、予備噴射１０１における燃料噴射率の勾配は、メイン噴射１０３またはパイロット噴射１０２の少なくともいずれかよりも大きくなる。そのため、短期間で燃料の噴射量が増大し、所望の燃料の噴射量を確保するために、予備噴射１０１における燃料の噴射をさらに分割する必要がない。その結果、予備噴射１０１における燃料の噴射量を減少させる必要がなく、燃料噴射量の精度の確保は容易になる。したがって、排気量に関わらず、機関本体１１において所望のトルクを得ることができる。
【００３７】
また、予備噴射１０１における燃料噴射率の勾配を大きくすることにより、噴孔４９から噴射される燃料の流速が増大し、噴孔４９から噴射される燃料の微粒化も促進される。このように、予備噴射１０１を燃焼室２２の密度が高い圧縮行程に実行することにより、噴孔４９から噴射された燃料噴霧の到達距離は小さくなり、シリンダ２１の内壁およびピストン１９の端面への付着が抑えられる。したがって、排気量に関わらず、燃料噴霧の付着にともなう未燃焼のＨＣの排出を抑えることができる。
【００３８】
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
例えば、上記の実施形態では、インジェクタ４０においてニードル４２の駆動速度を変更することにより、予備噴射１０１における燃料噴射率の立ち上がりを大きく設定している。しかし、コモンレール３２に貯えられている燃料の圧力を、予備噴射１０１とパイロット噴射１０２およびメイン噴射１０３との間で変更してもよい。インジェクタ４０から噴射される燃料の燃料噴射率は、コモンレール３２に貯えられている燃料の圧力によって変化する。そこで、予備噴射１０１とパイロット噴射１０２およびメイン噴射１０３とで燃料の圧力を変更することにより、燃料噴射率の立ち上がりを変化させる構成としてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
図面中、１１は機関本体（ディーゼルエンジン）、１６はＥＣＵ（燃料噴射制御装置）、２２は燃焼室、４０はインジェクタ、８５は回転角度取得部（回転角度取得手段）、８６は運転状態取得部（運転状態取得手段）、８７は噴射量設定部（噴射量設定手段）、８８はインジェクタ制御部（インジェクタ制御手段）、９３はクランク角センサ（回転角度取得手段）を示す。
【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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