(57)【要約】【課題】内燃機関の排気ガス中のスモーク濃度又はスモーク量をより高い精度で推定する。【解決手段】内燃機関のスモーク推定装置は、燃焼室１５内に燃料が直接噴射される内燃機関１の燃焼室から排出される排気ガス中のスモーク濃度又はスモーク量を推定する。スモーク推定装置は、燃焼室内に噴射された燃料の液滴の総表面積に応じて変化するパラメータの値を推定し、推定されたパラメータの値に基づいて、燃料の液滴の総表面積が大きくなるほど燃焼室から排出される排気ガス中のスモーク濃度又はスモーク量が小さくなるものとして、スモーク濃度又はスモーク量を算出する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に燃料が直接噴射される内燃機関の燃焼室から排出される排気ガス中のスモーク濃度又はスモーク量を推定する、内燃機関のスモーク推定装置であって、
前記燃焼室内に噴射された燃料の液滴の総表面積に応じて変化するパラメータの値を推定し、推定された前記パラメータの値に基づいて、燃料の液滴の総表面積が大きくなるほど燃焼室から排出される排気ガス中のスモーク濃度又はスモーク量が小さくなるものとして、スモーク濃度又はスモーク量を算出する、内燃機関のスモーク推定装置。
【請求項２】
燃焼室内で混合気が燃焼したときの燃焼室内の温度を推定し、
推定された前記燃焼室内の温度に基づいて、燃焼室内の温度が高くなるほど燃焼室から排出される排気ガス中のスモーク濃度又はスモーク量が小さくなるものとして、スモーク濃度又はスモーク量を算出する、請求項１に記載の内燃機関のスモーク推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のスモーク推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、圧縮自着火式内燃機関について、燃焼室内で発生するスモーク発生量を推定すると共に、推定し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弁からの噴射パラメータを制御することが提案されている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載の装置では、当量比が局所的に１以上となっている燃料量と、燃料噴射後の所定時期における燃料噴霧を含む領域の体積と、燃料噴射弁からの燃料噴射期間とに基づいてスモーク発生量が推定される。
【０００３】
また、スモーク発生量は、例えば、燃料噴射弁の噴孔の形状、燃料噴射開始時期から燃料が着火した時期までの噴霧先端の移動距離、燃料が着火した時期における混合気の当量比等に応じて変化するとされている（例えば、特許文献２、３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−０１５８９５号公報
【特許文献２】特開２０１７−１２９０４６号公報
【特許文献３】特開２０１７−０４８７０８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、従来のスモーク量の推定手法では、燃料噴射弁からの燃料噴霧をマクロ的に捉えて、燃焼室から排出される排気ガス中のスモーク量が推定されている。例えば、特許文献１に記載の装置では、燃料噴射弁からの燃料噴霧のうち当量比が１以上である噴霧と１未満となっている噴霧とをマクロ的に区別し、このうち当量比が１以上となっている噴霧に含まれる燃料量に基づいてスモーク量を推定している。
【０００６】
しかしながら、燃料噴射弁からの燃料噴霧をマクロ的にのみ捉えたスモーク量の推定手法では必ずしも高い精度で排気ガス中のスモーク量を推定することができない。したがって、より高い精度でスモーク量を推定するには、燃料噴射弁からの燃料噴霧をミクロ的にも捉えて推定を行うことが必要である。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、燃料噴射弁からの燃料噴霧をミクロ的にも捉えて推定を行うことにより、内燃機関の排気ガス中のスモーク濃度又はスモーク量をより高い精度で推定することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
【０００９】
（１）燃焼室内に燃料が直接噴射される内燃機関の燃焼室から排出される排気ガス中のスモーク濃度又はスモーク量を推定する、内燃機関のスモーク推定装置であって、前記燃焼室内に噴射された燃料の液滴の総表面積に応じて変化するパラメータの値を推定し、推定された前記パラメータの値に基づいて、燃料の液滴の総表面積が大きくなるほど燃焼室から排出される排気ガス中のスモーク濃度又はスモーク量が小さくなるものとして、スモーク濃度又はスモーク量を算出する、内燃機関のスモーク推定装置。
【００１０】
（２）燃焼室内で混合気が燃焼したときの燃焼室内の温度を推定し、推定された前記燃焼室内の温度に基づいて、燃焼室内の温度が高くなるほど燃焼室から排出される排気ガス中のスモーク濃度又はスモーク量が小さくなるものとして、スモーク濃度又はスモーク量を算出する、上記（１）に記載の内燃機関のスモーク推定装置。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、内燃機関の排気ガス中のスモーク濃度又はスモーク量をより高い精度で推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、内燃機関の概略的な構成図である。
【図２】図２は、内燃機関の機関本体の概略的な断面図である。
【図３】図３は、噴射パラメータの目標値を設定する目標設定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図４】図４は、各種パラメータとスモーク濃度との関係を示す図である。
【図５】図５は、ｍO2／Ｑｍ×Ｉｓｍｄとスモーク濃度との関係を示す、図４と同様な図である。
【図６】図６は、スモーク濃度の実測値と推定値との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
＜第一実施形態＞
≪内燃機関全体の説明≫
まず、図１及び図２を参照して本実施形態に係るスモーク推定装置が用いられる内燃機関１の構成について説明する。図１は、内燃機関１の概略的な構成図である。図２は、内燃機関１の機関本体１０の概略的な断面図である。本実施形態の内燃機関は、燃料として軽油が用いられる圧縮自着火式内燃機関である。
【００１５】
図１及び図２に示したように、内燃機関１は、機関本体１０、燃料供給装置３０、吸気系４０、排気系５０、ＥＧＲ機構６０、及び制御装置７０を備える。
【００１６】
機関本体１０は、複数の気筒１１が形成されたシリンダブロック１２と、シリンダヘッド１３とを備える。各気筒１１内には、各気筒１１内を往復運動するピストン１４が配置されている。ピストン１４とシリンダヘッド１３との間の気筒１１内には混合気が燃焼する燃焼室１５が形成されている。ピストン１４の頂面には凹状に形成されたキャビティ１６が形成される。
【００１７】
図２に示したように、シリンダヘッド１３には、吸気ポート１７及び排気ポート１８が形成されている。これら吸気ポート１７及び排気ポート１８は各気筒１１の燃焼室１５に連通している。燃焼室１５と吸気ポート１７との間には吸気弁２１が配置されて、この吸気弁２１が吸気ポート１７を開閉する。同様に、燃焼室１５と排気ポート１８との間には排気弁２２が配置されて、この排気弁２２が排気ポート１８を開閉する。
【００１８】
図１に示したように、燃料供給装置３０は、燃料噴射弁３１、コモンレール３２、燃料供給管３３、燃料ポンプ３４、及び燃料タンク３５を備える。燃料噴射弁３１は、各気筒１１の燃焼室１５内に燃料を直接噴射するようにシリンダヘッド１３に配置されている。特に、本実施形態では、各燃料噴射弁３１は各燃焼室１５の上壁面の中央に配置されており、燃料噴射弁３１からはピストン１４に形成されたキャビティ１６内の周辺部に向けて燃料Ｆが噴射されるように構成されている（図２）。
【００１９】
燃料噴射弁３１は、コモンレール３２及び燃料供給管３３を介して燃料タンク３５に連結されている。燃料供給管３３には、燃料タンク３５内の燃料を圧送する燃料ポンプ３４が配置される。燃料ポンプ３４によって圧送された燃料は、燃料供給管３３を介してコモンレール３２に供給され、燃料噴射弁３１が開弁されるのに伴って燃料噴射弁３１から燃焼室１５内に直接噴射される。本実施形態では、燃料噴射弁３１から燃焼室１５内に噴射されるときの燃料の圧力（噴射圧）は、燃料ポンプ３４によって調整される。
【００２０】
吸気系４０は、吸気マニホルド４１、吸気管４３、エアクリーナ４４、排気ターボチャージャ５のコンプレッサ５ａ、インタークーラ４５、及びスロットル弁４６を備える。各気筒１１の吸気ポート１７は吸気マニホルド４１に連通しており、吸気マニホルド４１は吸気管４３を介してエアクリーナ４４に連通している。吸気管４３には、吸気管４３内を流通する吸入空気を圧縮して吐出する排気ターボチャージャ５のコンプレッサ５ａと、コンプレッサ５ａによって圧縮された空気を冷却するインタークーラ４５とが設けられている。インタークーラ４５は、吸入空気の流れ方向においてコンプレッサ５ａの下流側に配置されている。スロットル弁４６は、インタークーラ４５と吸気マニホルド４１との間の吸気管４３内に配置されている。スロットル弁４６は、スロットル弁駆動アクチュエータ４７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。なお、吸気ポート１７、吸気マニホルド４１、及び吸気管４３は、燃焼室１５に吸気ガスを供給する吸気通路を形成する。
【００２１】
排気系５０は、排気マニホルド５１、排気管５２、排気ターボチャージャ５のタービン５ｂ、及び排気後処理装置５３を備える。各気筒１１の排気ポート１８は、排気マニホルド５１に連通しており、排気マニホルド５１は排気管５２に連通している。排気管５２には、排気ターボチャージャ５のタービン５ｂが設けられている。タービン５ｂは、排気ガスのエネルギによって回転駆動せしめられる。排気ターボチャージャ５のコンプレッサ５ａとタービン５ｂとは回転軸によって接続されており、タービン５ｂが回転駆動せしめられると、これに伴ってコンプレッサ５ａが回転し、よって吸入空気が圧縮せしめられる。また、排気管５２にはタービン５ｂの排気流れ方向下流側において排気後処理装置５３が設けられている。排気後処理装置５３は、排気ガスを浄化した上で外気中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。なお、排気ポート１８、排気マニホルド５１、及び排気管５２は、燃焼室１５から排気ガスを排出する排気通路を形成する。
【００２２】
ＥＧＲ機構６０は、ＥＧＲ管６１と、ＥＧＲ制御弁６２と、ＥＧＲクーラ６３とを備える。ＥＧＲ管６１は、排気マニホルド５１と吸気マニホルド４１とに連結され、これらを互いに連通させる。ＥＧＲ管６１には、ＥＧＲ管６１内を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ６３が設けられている。加えて、ＥＧＲ管６１には、ＥＧＲ管６１によって形成されるＥＧＲ通路の開口面積を変更することができるＥＧＲ制御弁６２が設けられている。ＥＧＲ制御弁６２の開度を制御することによって、排気マニホルド５１から吸気マニホルド４１へ還流せしめられるＥＧＲガスの流量が調整される。
【００２３】
制御装置７０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）７１及び各種センサを備える。ＥＣＵ７１は、デジタルコンピュータから構成され、双方向性バス７２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）７３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）７４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）７５、入力ポート７６、及び出力ポート７７を備える。
【００２４】
コモンレール３２には、コモンレール３２内の燃料の圧力、すなわち燃料噴射弁３１から燃焼室１５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８２が設けられている。吸気管４３には、排気ターボチャージャ５のコンプレッサ５ａの吸気流れ方向上流側に、吸気管４３内を流れる空気の流量を検出するエアフロメータ８４が設けられている。スロットル弁４６には、その開度（スロットル開度）を検出するためのスロットル開度センサ８５が設けられている。これら、燃圧センサ８２、エアフロメータ８４及びスロットル開度センサ８５の出力は、対応するＡＤ変換器７８を介して入力ポート７６に入力される。
【００２５】
また、アクセルペダル８８にはアクセルペダル８８の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ８９が接続され、負荷センサ８９の出力電圧は対応するＡＤ変換器７８を介して入力ポート７６に入力される。したがって、本実施形態では、アクセルペダル８８の踏み込み量が機関負荷として用いられる。クランク角センサ９０は機関本体１０のクランクシャフトが例えば１０度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート７６に入力される。ＣＰＵ７５ではこのクランク角センサ９０の出力パルスから機関回転速度が計算される。
【００２６】
一方、ＥＣＵ７１の出力ポート７７は、対応する駆動回路７９を介して、内燃機関１の運転を制御する各アクチュエータに接続される。図１及び図２に示した例では、出力ポート７７は、燃料噴射弁３１、燃料ポンプ３４、スロットル弁駆動アクチュエータ４７、及びＥＧＲ制御弁６２に接続されている。ＥＣＵ７１は、これらアクチュエータを制御する制御信号を出力ポート７７から出力して、内燃機関１の運転を制御する。
【００２７】
≪燃料噴射制御≫
次に、図３を参照して、燃料噴射弁３１からの燃料噴射制御について説明する。このように構成された内燃機関１では、基本的に、機関運転状態を表すパラメータ（以下、「運転パラメータ」ともいう）の値に基づいて、噴射パラメータの値が設定される。運転パラメータとしては、例えば、機関負荷や機関回転速度等が挙げられる。一方、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）、燃料噴射時期（複数回の燃料噴射を行う場合には各燃料噴射の噴射時期）、燃料噴射回数、燃料噴射圧等が挙げられる。
【００２８】
運転パラメータと噴射パラメータとの関係は予め実験的に求められ、マップとして又は計算式としてＥＣＵ７１のＲＯＭ７４に保存される。基本的には、運転パラメータと噴射パラメータとの関係は、各機関運転状態において内燃機関１の出力が機関負荷に対応する適切な値となりつつ、内燃機関１の燃費や内燃機関１からの排気エミッションが良好になるように設定される。内燃機関の運転中には、内燃機関１の各種運転パラメータの値が検出されると共に、検出された運転パラメータの値に基づいて、予め求められていた上記関係に基づいて、噴射パラメータの各目標値が算出される。そして、実際の噴射パラメータの値がこの目標値となるように燃料噴射弁３１や燃料ポンプ３４が制御される。
【００２９】
ところで、圧縮自着火式内燃機関では、燃焼室１５内での混合気の燃焼状態が悪化すると、燃焼室１５からスモークを含む排気ガスが排出される。上述した運転パラメータと噴射パラメータとの関係は、燃焼室１５から排出される排気ガス中のスモークの濃度（以下、「スモーク濃度」ともいう）が、内燃機関１の出力や燃費を適切に維持しつつ、可能な限り小さくなるように設定される。
【００３０】
しかしながら、例えば、噴射パラメータの目標値を算出するために用いられる運転パラメータが、例えば、機関負荷と機関回転速度のみであるような場合、必ずしも全ての機関運転状態において排気ガスのスモーク濃度を小さく維持するのは困難である。一方、噴射パラメータの目標値を算出するために用いられる運転パラメータが、機関負荷及び機関回転速度以外の様々な多くのパラメータを含む場合、これら運転パラメータに定まる各運転状態毎に最適な噴射パラメータを設定するためには膨大な適合工数が必要になる。
【００３１】
そこで、本実施形態では、噴射パラメータの目標値を算出するために用いられる運転パラメータの数を比較的少なくして適合工数を削減するようにしている。加えて、本実施形態では、内燃機関の運転中に排気ガスのスモーク濃度を推定し、推定されたスモーク濃度が予め設定されたスモーク上限濃度よりも大きい場合には、運転パラメータに基づいて設定された噴射パラメータの値を、スモーク濃度が小さくなるように補正するようにしている。
【００３２】
図３は、噴射パラメータの目標値を設定する目標設定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。
【００３３】
図３に示したように、まず、ステップＳ１１において、各種パラメータの値が検出又は算出される。このパラメータには、噴射パラメータの目標値を算出するために用いられる運転パラメータの他、スモーク排出濃度の推定値を算出するために用いられる運転パラメータの値が検出又は算出される。
【００３４】
具体的には、例えば、負荷センサ８９によって機関負荷が検出され、クランク角センサ９０の出力に基づいて機関回転速度が算出され、また、燃圧センサ８２の出力に基づいて燃料の噴射圧が検出される。加えて、エアフロメータ８４の出力に基づいて算出された吸入空気量とＥＧＲ制御弁６２の開度とに基づいて、燃焼室１５内に供給される酸素の質量が算出される。具体的には、エアフロメータ８４によって算出された吸入空気量が多くなるほど燃焼室１５内に供給される酸素の質量が多くなり、ＥＧＲ制御弁６２の開度が大きくなるほど燃焼室１５内に供給される酸素の質量が少なくなるものとして酸素の質量が算出される。
【００３５】
次いで、ステップＳ１２では、ステップＳ１１で検出又は算出された運転パラメータの値に基づいて、噴射パラメータの目標値が算出される。本実施形態では、機関負荷及び機関回転速度に基づいて、燃料噴射量、燃料噴射時期、燃料噴射圧、燃料噴射回数等の目標値が算出される。具体的には、燃料噴射量は、例えば、機関負荷が高くなるほど、１サイクルにおける総燃料噴射量が増大するように設定される。また、燃料噴射時期は、例えば、機関回転速度が高くなるほど、各燃料噴射の噴射時期が進角側になるように設定される。燃料噴射圧は、例えば、筒内圧が高くなっても適切な噴射を維持することができるように、機関負荷が高くなるほど高くなるように設定される。
【００３６】
次いで、ステップＳ１３では、ステップＳ１１で検出又は算出された運転パラメータの値に基づいて、スモーク上限濃度ｍsｌｉｍが算出される。本実施形態では、機関負荷及び機関回転速度に基づいてスモーク上限濃度ｍsｌｉｍが算出される。機関負荷や機関回転速度とスモーク上限濃度ｍsｌｉｍとの関係は内燃機関１の種類毎に異なるが、例えば、機関回転速度が低くなるほどスモーク上限濃度ｍsｌｉｍも小さく設定される。これは、機関回転速度が低くなると排気ガスの流速が遅くなり、排気管５２や排気ターボチャージャ５のタービン５ｂに微粒子が付着しやすくなるためである。
【００３７】
次いで、ステップＳ１４では、ステップＳ１１で検出又は算出された運転パラメータの値に基づいて、スモーク濃度の推定値ｍsが算出される。具体的な推定方法については後述する。
【００３８】
次いで、ステップＳ１５では、ステップＳ１４で算出されたスモーク濃度の推定値ｍsが、ステップＳ１３で算出されたスモーク上限濃度ｍsｌｉｍよりも大きいか否かが判定される。スモーク濃度の推定値ｍsがスモーク上限濃度ｍsｌｉｍ以下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。したがって、燃料噴射弁３１からの燃料噴射は、ステップＳ１２において算出された噴射パラメータの目標値に基づいて行われる。
【００３９】
一方、ステップＳ１５において、スモーク濃度の推定値ｍsがスモーク上限濃度ｍsｌｉｍよりも大きいと判定された場合には、ステップＳ１６へと進む。ステップＳ１６では、ステップＳ１２で算出された噴射パラメータの目標値が、スモークの排出量が少なくなるように補正される。具体的には、例えば、燃料噴射弁３１から噴射される燃料の噴射圧が増大せしめられたり、主噴射の後にアフター噴射が追加されるように燃料噴射回数が増大せしめられたりする。
【００４０】
≪スモーク濃度の推定≫
次に、図３のステップＳ１４におけるスモーク濃度の推定方法について説明する。本実施形態では、スモーク濃度の推定は、ＥＣＵ７１において行われる。したがって、ＥＣＵ７１は、燃焼室１５から排出されるスモーク濃度を推定する、スモーク推定装置として機能する。
【００４１】
本実施形態ではスモーク濃度の推定値ｍsは、下記式（１）によって算出される。
【数１】
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上記式（１）において、ｍO2は、燃焼室１５に供給される酸素の質量（ｇ）を表しており、Ｑｍは各サイクルにおいて燃料噴射弁３１から燃焼室１５内への主噴射における燃料噴射量（ｍｍ3）を表している。また、Ａs1、Ａs2は正の定数であり、実機の計測結果等に基づいて同定される。なお、主噴射は、複数回に分けて燃料噴射を行ったときの燃料量の最も多い燃料噴射を意味しており、内燃機関１の出力に寄与する燃料噴射である。主噴射は、基本的には圧縮上死点近傍において行われる。
【００４２】
加えて、式（１）中のＩｓｍｄは、燃料噴射弁３１から燃焼室１５内へ噴射された燃料の全液滴の総表面積に比例する係数（以下、「液滴表面積係数」という）であり、下記式（２）によって算出される。
【数２】
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式（２）において、ＳＭＤは、燃料噴射弁３１から燃焼室１５内へ噴射された燃料の全液滴の平均粒径（ｍｍ）を表しており、特に本実施形態ではＳＭＤはザウター平均粒径を表している。式（２）を参照すると、Ｉｓｍｄは、各液滴の表面積に液滴の個数を乗算した値に比例する係数であるということができる。
【００４３】
式（２）で用いられる燃料液滴の平均粒径ＳＭＤは、下記式（３）によって算出される。
SMD=72.36×Pcr-0.38×do      …（３）
式（３）中のＰｃｒは、燃料噴射弁３１から燃料が燃焼室１５内へ噴射されるときの噴射圧を表している。また、式（３）中のｄｏは、燃料噴射弁３１の噴孔径を表している。噴孔径は燃料噴射弁３１の構造によって決まり、内燃機関１の運転中には変化しない。したがって、噴孔径ｄｏは燃料噴射弁３１の形式毎に定まる定数と考えることができる。
【００４４】
内燃機関１の運転中には、スモーク濃度の推定は、これら式（１）〜（３）を用いて以下のように行われる。まず、燃圧センサ８２によって検出された燃圧が上記式（３）に代入され、これにより燃料液滴の平均粒径ＳＭＤが算出される。その後、このようにして算出された平均粒径ＳＭＤを上記式（２）に代入することにより、液滴表面積係数Ｉｓｍｄが算出される。
【００４５】
一方、上述したように、エアフロメータ８４の出力に基づいて算出された吸入空気量とＥＧＲ制御弁６２の開度とに基づいて燃焼室１５内に供給される酸素の質量ｍO2が算出される（図３のステップＳ１１）。加えて、上述したようにして算出された燃料噴射量の目標値（図３のステップＳ１２）から燃料噴射弁３１からの主噴射の燃料噴射量（目標値）Ｑｍが取得される。そして、これら酸素の質量ｍO2及び主噴射の燃料噴射量Ｑｍに加えて、式（２）を用いて算出された液滴表面積係数Ｉｓｍｄを式（１）に代入することによって、スモーク濃度の推定値ｍsが算出される。
【００４６】
≪作用・効果≫
本実施形態によれば、上述したようにしてスモーク濃度を推定することによって、高い精度でスモーク濃度を推定することができる。以下では、その理由について、図４を参照して説明する。
【００４７】
図４は、各種パラメータとスモーク濃度との関係を示す図である。特に、図４は、機関回転速度が１２５０ｒｐｍであり、１サイクルにおける主噴射の燃料噴射量が３０ｍｍ3である場合の関係を示している。また、図４は、異なる噴射圧における関係を示しており、例えば菱形は噴射圧が１４０ＭＰａの場合を、白抜きの三角は噴射圧が９０ＭＰａの場合を示している。
【００４８】
図４（Ａ）は、酸素の質量を主噴射の燃料噴射量で除算した値ｍO2／Ｑｍとスモーク濃度との関係を示している。図４（Ａ）からわかるように、ｍO2／Ｑｍが同じであっても噴射圧が異なるとスモーク濃度に大きなバラツキが生じる。特に、ｍO2／Ｑｍが小さい領域、すなわち酸素の質量が少なく且つ主噴射の燃料噴射量が多い領域ではその傾向が顕著である。したがって、ｍO2／Ｑｍに基づいてスモーク濃度を推定すると、推定値には大きな誤差が生じうることがわかる。
【００４９】
図４（Ｂ）は、酸素の質量を主噴射の燃料噴射量で除算し且つ噴射圧を乗算した値ｍO2／Ｑｍ×Ｐｃｒとスモーク濃度との関係を示している。図４（Ｂ）からわかるように、図４（Ａ）に示したｍO2／Ｑｍの場合よりもバラツキは小さくなっているものの、ｍO2／Ｑｍ×Ｐｃｒが同じであっても噴射圧が異なるとスモーク濃度に或る程度のバラツキが生じる。特に、ｍO2／Ｑｍ×Ｐｃｒが小さい領域では、その傾向が顕著である。したがって、ｍO2／Ｑｍ×Ｐｃｒに基づいてスモーク濃度を推定しても、推定値には比較的大きな誤差が生じうることがわかる。
【００５０】
図４（Ｃ）は、酸素の質量を主噴射の燃料噴射量で除算し且つＩｓｍｄを乗算した値ｍO2／Ｑｍ×Ｉｓｍｄとスモーク濃度との関係を示している。図４（Ｃ）からわかるように、ｍO2／Ｑｍ×Ｉｓｍｄが同じであると噴射圧が異なる値をとってもスモーク濃度に生じるバラツキは小さい。したがって、ｍO2／Ｑｍ×Ｉｓｍｄに基づいてスモーク濃度を推定すると、推定値に生じる誤差を小さくすることができることがわかる。
【００５１】
ここで、Ｉｓｍｄは、燃料噴射弁３１から燃焼室１５内へ噴射された燃料の全液滴の総表面積に比例する係数である。そして、図４（Ｃ）からわかるように、Ｉｓｍｄが大きくなるほど、すなわち燃料の全液滴の総表面積が大きくなるほどスモーク濃度が小さくなる。本実施形態では、この傾向に合わせて式（１）における定数Ａs1、Ａs2が適切に設定され、これによりスモーク濃度を精度良く推定することができる。
【００５２】
≪変形例≫
なお、上記実施形態では、主に拡散燃焼により混合気が燃焼する内燃機関を前提としている。しかしながら、予混合燃焼により混合気が燃焼する内燃機関においても上述したような手法でスモーク濃度を推定することができる。ただし、予混合燃焼により混合気が燃焼する場合、燃料噴射弁から燃料が噴射されてから混合気が自着火するまでの着火遅れ時間が比較的長く、着火遅れ時間がスモーク濃度に影響を及ぼす。
【００５３】
特に、着火遅れ時間が長くなると、混合気中の燃料と空気とが混ざりやすくなり、その結果、スモークが発生しにくくなる。したがって、予混合燃焼により混合気が燃焼する内燃機関では、下記式（４）によりスモーク濃度ｍsが算出される。
【数３】
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上記式（４）において、ｔｄは、着火遅れ期間（ｓ）であり、Livengood-Wuの積分式等を用いて、燃料噴射時期、吸気弁２１閉弁時の燃焼室１５内の温度や圧力に基づいて算出される。
【００５４】
また、上記実施形態では、スモーク濃度を算出しているが、代わりに、燃焼室１５から排出される排気ガス中のスモーク量を算出するようにしてもよい。スモーク量は、排気ガス流量に排出ガスの濃度を乗算することによって算出することができる。
【００５５】
また、上記実施形態では、スモーク濃度を推定するにあたって、液滴表面係数Ｉｓｍｄを用いている。しかしながら、燃焼室１５内に噴射された燃料の液滴の総表面積に応じて変化するパラメータの値であれば、他のパラメータを用いてもよい。具体的には、例えば、Ｉｓｍｄの代わりに、ザウター平均粒径等、燃料の液滴の平均粒径を表すパラメータ等を用いることができる。
【００５６】
＜第二実施形態＞
次に、図５及び図６を参照して、第二実施形態に係る制御装置について説明する。第二実施形態に係る制御装置の構成及び制御は、基本的に第一実施形態に係る制御装置の構成及び制御と同様である。以下では、第一実施形態に係る制御装置と異なる部分を中心に説明する。
【００５７】
ところで、図４（Ｃ）は、機関回転速度が１２５０ｒｐｍであり、１サイクルにおける主噴射の燃料噴射量が３０ｍｍ3である場合のｍO2／Ｑｍ×Ｉｓｍｄとスモーク濃度との関係を示している。しかしながら、機関回転速度や機関負荷が変化すると、ｍO2／Ｑｍ×Ｉｓｍｄとスモーク濃度との関係も変化する。
【００５８】
図５は、ｍO2／Ｑｍ×Ｉｓｍｄとスモーク濃度との関係を示す、図４と同様な図である。機関回転速度が１２５０ｒｐｍであり、１サイクルにおける主噴射の噴射量が３０ｍｍ3である場合、ｍO2／Ｑｍ×Ｉｓｍｄとスモーク濃度とは平均的に図５に破線で示したような関係を有する。しかしながら、機関負荷が高くなり主噴射の噴射量が６０ｍｍ3になった場合には、ｍO2／Ｑｍ×Ｉｓｍｄとスモーク濃度とは図５に実線で示したような関係を有する。
【００５９】
図５からわかるように、機関運転状態が変化すると、それに伴ってｍO2／Ｑｍ×Ｉｓｍｄとスモーク濃度との関係も変化する。したがって、スモーク濃度を正確に推定するためには、内燃機関１の各機関運転状態毎に、すなわち各機関回転速度及び各機関負荷毎にｍO2／Ｑｍ×Ｉｓｍｄとスモーク濃度との関係を適合により求める必要がある。しかしながら、このように機関運転状態を変化させて各機関運転状態毎にｍO2／Ｑｍ×Ｉｓｍｄとスモーク濃度との関係を求めるには膨大な適合工数が必要となる。
【００６０】
ところで、本願の発明者の研究によれば、ｍO2／Ｑｍ×Ｉｓｍｄとスモーク濃度との関係が、機関負荷及び機関回転速度に応じて変化する主な要因は、スモークの再酸化にあることがわかった。すなわち、燃焼室１５内で一旦生成されたスモークの一部は燃焼室１５内で再び酸化されて浄化されるが、このときに再酸化されるスモークの量は機関負荷や機関回転速度等によって表される機関運転状態に応じて変化する。しかしながら、ｍO2／Ｑｍ×Ｉｓｍｄにはこのスモークの再酸化の影響が考慮されておらず、よってｍO2／Ｑｍ×Ｉｓｍｄのみからでは機関運転状態が変化するとスモーク濃度を正確に推定することができなかった。
【００６１】
そこで、本実施形態では、燃焼室１５内で一旦生成されたスモークの一部が燃焼室１５内で再び酸化される再酸化の影響を考慮して、スモーク濃度を算出するようにしている。具体的には、本実施形態では、スモーク濃度の推定値ｍs’は、下記式（５）によって算出される。
【数４】
2019203445.tif 000006
上記式（５）において、ｍsは、上記式（１）によって算出されるスモーク濃度の推定値（本実施形態では、「基礎推定値」という）である。
【００６２】
また、上記式（５）中のｆTcylは、下記式（６）によって算出される第１再酸化項であり、上記式（５）中のｆNeは、下記式（７）によって算出される第２再酸化項である。
【数５】
2019203445.tif 000007
上記式（６）において、Ｔｃｙｌは燃焼室１５内での混合気の燃焼に伴う燃焼室１５内の温度の最大値（筒内最高温度）を表している。筒内最高温度Ｔｃｙｌは、例えば、機関負荷と機関回転速度とに基づいて、これらパラメータを引数とするマップを用いて算出される。また、式（６）中のＡＴ１、ＡＴ２は、正の定数であり、実機の計測結果等に基づいて同定される。なお、式（６）においては、混合気燃焼後の燃焼室１５内の温度の平均値等、混合気の燃焼に伴って上昇した燃焼室１５内の温度を表すパラメータであれば、筒内最高温度Ｔｃｙｌの代わりに他のパラメータが用いられてもよい。
【００６３】
また、式（７）において、Ｎｅは機関回転速度（ｒｐｍ）を表している。機関回転速度Ｎｅは、クランク角センサ９０の出力に基づいて算出される。加えて、式（７）中のＡne1、Ａne2は、正の定数であり、実機の計測結果等に基づいて同定される。
【００６４】
上記式（６）及び（７）によって表される第１再酸化項ｆTcyl及び第２再酸化項ｆNeは、スモークの再酸化を表現している。すなわち、筒内最高温度Ｔｃｙｌが高くなるほど燃焼室１５内で生成されたスモークは燃焼室１５内で再酸化され易くなる。式（６）で表される第１再酸化項ｆTcylの値は筒内最高温度Ｔｃｙｌが高くなるほど大きくなり、よって式（５）によって算出されるスモーク濃度の推定値ｍs’が小さくなる。したがって、第１再酸化項ｆTcylは、筒内最高温度Ｔｃｙｌが高くなるほどスモークが再酸化され易くなり、燃焼室１５から排出される排気ガス中のスモーク濃度が小さくなることを表現しているといえる。
【００６５】
また、機関回転速度が高くなるほど燃焼室１５内でスモークの再酸化にかけられる時間が短くなり、よって燃焼室１５内で生成されたスモークは燃焼室１５内で再酸化されにくくなる。式（７）で表される第２再酸化項ｆNeの値は機関回転速度が高くなるほど大きくなり、よって式（５）によって算出されるスモーク濃度の推定値ｍs’が大きくなる。したがって、第２再酸化項ｆNeは、機関回転速度Ｎｅが高くなるほどスモークが再酸化されにくくなり、燃焼室１５から排出される排気ガス中のスモーク濃度が大きくなることを表現しているといえる。
【００６６】
図６は、スモーク濃度の実測値と推定値との関係を示す図である。特に、図６は、機関回転速度及び機関負荷（燃料噴射量）を異なる複数の値に設定したときの関係を示している。図６（Ａ）は、機関回転速度及び機関負荷に応じて定数を変更することなく、式（１）に基づいてスモーク濃度を推定した場合を示している。一方、図６（Ｂ）は、式（５）に基づいてスモーク濃度を推定した場合を示している。
【００６７】
図６（Ａ）に示したように、式（１）に基づいてスモーク濃度を推定した場合、一部の運転状態においては、スモーク濃度の推定値と実測値とは比較的近い値をとる（例えば、機関回転速度が１２５０ｒｐｍであって燃料噴射量が３０ｍｍ3である場合等）。しかしながら、多くの運転状態において、スモーク濃度の推定値と実測値とは大きく異なる値をとる。
【００６８】
これに対して、図６（Ｂ）に示したように、式（５）に基づいてスモーク濃度を推定した場合、ほとんどの運転状態において、スモーク濃度の推定値と実測値とは比較的近い値をとる。したがって、式（５）に基づいてスモーク濃度を推定することによって、機関運転状態にかかわらずスモーク濃度を正確に推定することができる。
【００６９】
特に、本実施形態では、機関運転状態毎にｍO2／Ｑｍ×Ｉｓｍｄとスモーク濃度との関係を求める必要がないため、適合工数を減らすことができる。すなわち、本実施形態では、適合工数を減少させつつスモーク濃度を正確に推定することができるようになる。
【符号の説明】
【００７０】
１    内燃機関
１０    機関本体
１５    燃焼室
３０    燃料供給装置
３１    燃料噴射弁
３４    燃料ポンプ
７０    制御装置
７１    電子制御ユニット（ＥＣＵ）
８２    燃圧センサ
８４    エアフロメータ
８９    負荷センサ
９０    クランク角センサ
【図１】
2019203445.tif 000008
【図２】
2019203445.tif 000009
【図３】
2019203445.tif 000010
【図４】
2019203445.tif 000011
【図５】
2019203445.tif 000012
【図６】
2019203445.tif 000013