(57)【要約】【課題】噴霧領域内の混合気における任意位置の混合比（空気過剰率や、当量比、空燃比等）を精度良く推定することのできる混合比推定装置を提供する。【解決手段】燃料噴射弁２４の噴射孔２４ａから噴射される燃料の噴霧領域Ａ内の燃料と空気との混合気における任意位置の混合比を推定する混合比推定装置であって、噴射孔２４ａから噴射された燃料の運動量が混合気の運動量として保存されることに基づいて、噴射孔２４ａから噴射方向へ任意距離の対象平面Ｓ１における混合気の平均混合比を推定する平均混合比推定手段と、噴射孔２４ａの断面Ｓ０での燃料の運動量分布に基づいて、対象平面Ｓ１での混合気の運動量分布を推定する運動量分布推定手段と、平均混合比推定手段により算出された平均混合比を、運動量分布推定手段により推定された運動量分布に基づき補正して混合気における任意位置の混合比を推定する混合比推定手段と、を備える。【選択図】      図２
2015105572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射弁（２４）の噴射孔（２４ａ）から噴射される燃料の噴霧領域（Ａ）内の燃料と空気との混合気における任意位置（ｘ（ｔ），ｙ）の混合比を推定する混合比推定装置（３０）であって、
前記噴射孔から噴射された燃料の運動量が前記混合気の運動量として保存されることに基づいて、前記噴射孔から噴射方向へ任意距離（ｘ（ｔ））の対象平面（Ｓ１）における前記混合気の平均混合比を推定する平均混合比推定手段と、
前記噴射孔の断面（Ｓ０）での前記燃料の運動量分布に基づいて、前記対象平面での前記混合気の運動量分布を推定する運動量分布推定手段と、
前記平均混合比推定手段により算出された前記平均混合比を、前記運動量分布推定手段により推定された前記運動量分布に基づき補正して前記混合気における任意位置の混合比を推定する混合比推定手段と、
を備えることを特徴とする混合気の混合比推定装置。
【請求項２】
前記噴射孔から噴射される前記燃料の平均運動量が大きいほど、前記対象平面での前記混合気の中心付近における前記混合気の運動量の変化を小さくするように、前記混合気の運動量分布を補正する運動量分布補正手段を備える請求項１に記載の混合気の混合比推定装置。
【請求項３】
前記運動量分布推定手段は、前記噴射孔の断面形状に応じた前記燃料の２次元の運動量分布に基づいて、前記対象平面での前記混合気の２次元の運動量分布を推定する請求項１又は２に記載の混合気の混合比推定装置。
【請求項４】
前記平均混合比推定手段は、前記空気の密度を用いて前記平均混合比を推定し、
前記噴射孔から噴射される前記燃料の平均運動量が大きいほど、前記空気の密度を大きくするように補正する空気密度補正手段を備える請求項１〜３のいずれか１項に記載の混合気の混合比推定装置。
【請求項５】
前記平均混合比推定手段は、前記噴射孔から噴射される燃料の噴霧の広がり角度を用いて前記平均混合比を推定し、
前記噴射孔から噴射される前記燃料の平均運動量が大きいほど、前記広がり角度を大きくするように補正する第１広がり角度補正手段を備える請求項１〜４のいずれか１項に記載の混合気の混合比推定装置。
【請求項６】
前記平均混合比推定手段は、前記噴射孔から噴射される燃料の噴霧の広がり角度を用いて前記平均混合比を推定し、
前記空気の密度が大きいほど、前記広がり角度を大きくするように補正する第２広がり角度補正手段を備える請求項１〜５のいずれか１項に記載の混合気の混合比推定装置。
【請求項７】
前記混合比は、前記混合気の当量比である請求項１〜６のいずれか１項に記載の混合気の混合比推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射弁により噴射される燃料の噴霧領域内の燃料と空気との混合気における任意位置の混合比を推定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料噴射弁の噴射孔から噴射方向へ距離ｘの平面における噴霧領域内の混合気の空気過剰率（混合比）を、噴射された燃料の運動量が混合気の運動量として保存されることに基づき推定するものがある（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】日本機械学会論文集  ２５−１５６（１９５９年），８２０頁  「ディーゼル機関燃料噴霧の到達距離に関する研究」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、非特許文献１に記載のものでは、距離ｘが変化した場合の空気過剰率を推定することはできるものの、距離ｘの平面では噴霧領域内の混合気の空気過剰率を均一としている。しかしながら、実際には距離ｘの平面における混合気の空気過剰率や当量比（混合比）は均一ではなく、混合気の任意位置の混合比を推定する上で未だ改善の余地を残している。
【０００５】
本発明は、こうした課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、噴霧領域内の混合気における任意位置の混合比（空気過剰率や、当量比、空燃比等）を精度良く推定することのできる混合比推定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】
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。
【０００７】
本発明は、燃料噴射弁の噴射孔から噴射される燃料の噴霧領域内の燃料と空気との混合気における任意位置の混合比を推定する混合比推定装置であって、前記噴射孔から噴射された燃料の運動量が前記混合気の運動量として保存されることに基づいて、前記噴射孔から噴射方向へ任意距離の対象平面における前記混合気の平均混合比を推定する平均混合比推定手段と、前記噴射孔の断面での前記燃料の運動量分布に基づいて、前記対象平面での前記混合気の運動量分布を推定する運動量分布推定手段と、前記平均混合比推定手段により算出された前記平均混合比を、前記運動量分布推定手段により推定された前記運動量分布に基づき補正して前記混合気における任意位置の混合比を推定する混合比推定手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、噴射孔から噴射された燃料の運動量が混合気の運動量として保存されることに基づいて、噴射孔から噴射方向へ任意距離の対象平面における噴霧領域内の混合気の平均混合比が推定される。
【０００９】
ここで、本願発明者は、対象平面における噴霧領域内の混合気の混合比は均一ではなく、対象平面での混合気の運動量分布を反映することに着目した。さらに、本願発明者は、対象平面での混合気の運動量分布が、噴射孔の断面での燃料の運動量分布に基づくことに着目した。
【００１０】
この点、噴射孔の断面での燃料の運動量分布に基づいて、対象平面での混合気の運動量分布が推定される。そして、算出された平均混合比が、対象平面での混合気の運動量分布に基づき補正され、混合気における任意位置の混合比が推定される。したがって、混合気における任意位置の混合比（空気過剰率や、当量比、空燃比等）を、精度良く推定することができる。なお、空気過剰率は混合気の空燃比を理論空燃比で割った値であり、当量比は空気過剰率の逆数である。また、当量比は、空気量を用いた値でも、酸素量を用いた値でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】車両用ディーゼルエンジン及び燃料噴射システムの概要を示す模式図。
【図２】燃料噴霧のモデルを示す模式図。
【図３】噴霧領域内の混合気における任意位置の当量比を推定する手順を示すフローチャート。
【図４】噴射圧及びガス密度と、噴霧角との関係を示すマップ。
【図５】噴射圧と、噴孔の出口断面での燃料の運動量との関係を示すマップ。
【図６】噴射圧と収縮係数との関係を示すマップ。
【図７】噴射圧とガス密度補正係数との関係を示すマップ。
【図８】噴霧領域内の混合気の当量比分布を示す図。
【図９】出口断面及び対象平面において、それぞれ運動量分布及び正規化の条件式を示す図。
【図１０】出口断面での燃料の運動量分布と、対象平面での混合気の運動量分布とを示すグラフ。
【図１１】噴霧領域内の混合気における補正後の当量比分布を示す図。
【図１２】図８，１１の距離ｙ＝０での距離ｘと当量比との関係を示すグラフ。
【図１３】図８，１１の距離ｘ＝１０での距離ｙと当量比との関係を示すグラフ。
【図１４】噴孔の断面形状と燃料の運動量分布との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、一実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、車両用のディーゼルエンジン（内燃機関）に搭載された燃料噴射システムに適用され、燃料噴射弁により噴射された燃料の噴霧領域内の混合気における混合比を推定する推定装置として具体化している。
【００１３】
図１に示すように、車両は、アクセルペダルの操作量を検出するアクセルセンサ４１等を備えている。
【００１４】
エンジン１０は、例えば４気筒のディーゼルエンジンである。なお、図１では、１つの気筒のみを拡大して示している。エンジン１０は、シリンダ１１、ピストン１２、図示しない吸気通路、排気通路、吸気弁、排気弁、回転速度センサ４２、筒内圧センサ４３、吸気圧センサ４４、吸気温センサ４５等を備えている。シリンダ１１及びピストン１２によって、燃焼室１４が区画されている。回転速度センサ４２は、エンジン１０の回転速度を検出する。筒内圧センサ４３は、シリンダ１１（燃焼室１４）内の圧力を検出する。吸気圧センサ４４は、吸気通路内の圧力を検出する。吸気温センサ４５は、吸気通路内の吸気温度を検出する。
【００１５】
燃料噴射システム２０は、燃料ポンプ２１、コモンレール２２（蓄圧容器）、高圧配管２３、燃料噴射弁２４、燃圧センサ４６等を備えている。燃料噴射弁２４は、エンジン１０の燃焼室１４内に、噴孔２４ａ（噴射孔）から燃料を直接噴射する。燃料噴射弁２４には、複数の噴孔２４ａが形成されており、噴孔２４ａの断面形状は円形となっている。燃圧センサ４６は、コモンレール２２内の燃料圧力を検出する。なお、燃圧センサ４６は、高圧配管２３内の燃料圧力、又は燃料噴射弁２４内に形成された燃料通路の内部の燃料圧力を検出するものであってもよい。制御装置３０（ＥＣＵ）は、上記の各種センサの検出値に基づいて、燃料ポンプ２１の駆動、及び燃料噴射弁２４の駆動等を制御する。そして、上記推定装置（混合比推定装置）は、制御装置３０により構成されている。
【００１６】
図２は、燃料噴霧のモデルを示す模式図である。同図に破線で示す検査面（断面）について考察する。
【００１７】
燃料噴射弁２４の噴孔２４ａから噴射された燃料は、微小な液滴となって略三角形で示す噴霧を形成する。燃料噴霧は、燃焼室１４内の空気を取り込みながら噴射方向（ｘ方向）へ進む。燃料噴霧の存在する領域（噴霧領域Ａ）内では、燃料と空気との混合気が形成されている。
【００１８】
燃料の微小な液滴の速度は、噴孔２４ａの出口断面Ｓ０（出口）での平均噴霧初速度ｖ０から空気抵抗を受けて低下する。このため、噴孔２４ａの出口断面Ｓ０で燃料が有してした運動量は、噴霧領域Ａ内の混合気の運動量に変換される。すなわち、噴孔２４ａから噴射された燃料の運動量は、噴霧領域Ａ内の混合気の運動量として保存される。特に、出口断面Ｓ０を通過する燃料の運動量が、噴孔２４ａから噴射方向へ距離ｘ（ｔ）（任意距離）の対象平面Ｓ１を通過する混合気の運動量と等しくなる。
【００１９】
本実施形態では、まず、このようなモデルに基づき、対象平面Ｓ１における混合気の平均当量比（平均混合比）を推定する。そして、対象平面Ｓ１での混合気の運動量分布を推定し、平均当量比を運動量分布に基づき補正して混合気における任意位置（ｘ，ｙ）の当量比（混合比）を推定する。なお、検査面において、噴孔２４ａの中心軸線Ｃからの距離をｙとする。ｘ（ｔ）は、出口断面Ｓ０に燃料が到達した時間を０として、経過時間ｔでのｘ方向の距離である。
【００２０】
図３は、噴霧領域Ａ内の混合気における任意位置（ｘ（ｔ），ｙ）の当量比φ（ｔ，ｙ）を推定する手順を示すフローチャートである。この一連の処理は、制御装置３０によって、エンジン１０での１噴射毎に実行される。なお、経過時間ｔにおける距離ｙの位置の当量比φ（ｔ，ｙ）は、任意位置（ｘ（ｔ），ｙ）の当量比φ（ｘ，ｙ）を意味する。
【００２１】
まず、燃料噴射弁２４による燃料の噴射圧Ｐｃ、及び噴射タイミングＴｉｎｊを設定する（Ｓ１１）。具体的には、アクセルセンサ４１により検出されるアクセルペダルの操作量、及び回転速度センサ４２により検出されるエンジン１０の回転速度ＮＥを用いて、マップ等を参照して噴射圧Ｐｃ及び噴射タイミングＴｉｎｊを設定する。そて、コモンレール２２内の燃料圧力が設定された噴射圧Ｐｃとなるように、燃料ポンプ２１を駆動する。このとき、燃圧センサ４６により、コモンレール２２内の燃料圧力を検出する。そして、設定された噴射タイミングＴｉｎｊにおいて、燃料の噴射が行われるように燃料噴射弁２４を駆動する。
【００２２】
続いて、噴射タイミングＴｉｎｊにおけるシリンダ１１（燃焼室１４）内のガス密度ρａを算出する（Ｓ１２）。詳しくは、以下の数式１により、ガス密度ρａを算出する。
【００２３】
【数１】
2015105572.tif 000003
上記において、Ｐｉｍはインテークマニホールド（吸気通路）内の圧力［ｋＰａ］、Ｒは気体定数［Ｊ／Ｋ／ｍｏｌ］、Ｔｉｍはインテークマニホールド内のガス温度［ｄｅｇ］、Ｍａｉｒは空気の分子量［ｇ／ｍｏｌ］、Ｖ０は吸気行程終了時（吸気弁全閉時）のシリンダ１１（燃焼室１４）の容積、Ｖ１は噴射タイミングＴｉｎｊのシリンダ１１の容積である。圧力Ｐｉｍは吸気圧センサ４４により検出し、ガス温度Ｔｉｍは吸気温センサ４５により検出し、容積Ｖ０はシリンダ１１の設計値及び吸気弁の閉タイミングに基づき算出し、容積Ｖ１はシリンダ１１の設計値及び噴射タイミングＴｉｎｊに基づき算出する。なお、ＥＧＲガスの再循環を行っている場合等は、空気の分子量に代えてガスの組成を考慮した分子量を用いてもよい。
【００２４】
続いて、噴霧角θ０、噴孔２４ａの出口断面Ｓ０での燃料の運動量ｆｄ（ｙ）、平均噴霧初速度ｖ０、ガス密度補正係数ｋを算出する（Ｓ１３）。
【００２５】
詳しくは、噴射圧Ｐｃ及びガス密度ρａを用いて、図４のマップを参照して噴霧角θ０を算出する。図４は、噴射圧Ｐｃ及びガス密度ρａと、噴霧角θ０との関係を示すマップであり、実験等に基づいて予め設定されている。同図に示すように、噴射圧Ｐｃが高い（噴孔２４ａから噴射される燃料の平均運動量が大きい）ほど、噴孔２４ａから噴射される燃料の噴霧角θ０（噴霧の広がり角度）が大きくなる（図２参照）。このため、噴射圧Ｐｃが高いほど、噴霧角θ０を大きくするように補正する（第１広がり角度補正手段）。また、ガス密度ρａ（空気の密度）が大きいほど、噴孔２４ａから噴射された燃料が燃焼室１４内のガス（空気）に当たって拡散する度合いが強くなる。このため、ガス密度ρａが大きいほど、噴孔２４ａから噴射された燃料の噴霧角θ０が大きくなる。このため、ガス密度ρａが大きいほど、噴霧角θ０を大きくするように補正する（第２広がり角度補正手段）。
【００２６】
噴射圧Ｐｃを用いて、図５のマップを参照して、噴孔２４ａの出口断面Ｓ０での燃料の運動量ｆｄ（ｙ）を算出する。図５は、噴射圧Ｐｃと、噴孔２４ａの出口断面Ｓ０での燃料の運動量ｆｄ（ｙ）との関係を示すマップであり、実験等に基づいて予め設定されている。ｄは噴孔２４ａの径である（図２参照）。なお、運動量ｆｄ（ｙ）は全体が１となるように正規化している。燃料噴射弁２４の噴孔２４ａを燃料が通過する際に、噴孔２４ａの内面（ｙ＝ｄ／２）と燃料とで摩擦が生じる。このため、図５に示すように、噴孔２４ａの出口断面Ｓ０での燃料の運動量ｆｄ（ｙ）は、噴孔２４ａの内面に近いほど小さくなる。すなわち、図５は、噴孔２４ａの出口断面Ｓ０での燃料の運動量ｆｄ（ｙ）の分布を示している。そして、噴射圧Ｐｃが低い（噴孔２４ａから噴射される燃料の平均運動量が小さい）ほど、噴孔２４ａの中心（ｙ＝０）側への上記摩擦の影響が大きくなり、噴射圧Ｐｃが高いほど噴孔２４ａの中心側への上記摩擦の影響が小さくなる。したがって、燃料の噴射圧Ｐｃが高いほど、噴孔２４ａの断面での中心付近における燃料の運動量ｆｄ（ｙ）の変化を小さくするように補正する（運動量分布補正手段）。
【００２７】
以下の数式２により、平均噴霧初速度ｖ０を算出する。
【００２８】
【数２】
2015105572.tif 000004
上記において、ｃは収縮係数、Ｐｃは噴射圧、Ｐｃｙｌは噴射タイミングＴｉｎｊにおけるシリンダ１１（燃焼室１４）内の圧力［ｋＰａ］、ρｆは燃料密度［ｍｇ／ｍｍ３］である。収縮係数ｃは、噴射圧Ｐｃを用いて、図６のマップを参照して算出する。図６は、噴射圧Ｐｃと収縮係数ｃとの関係を示すマップであり、実験等に基づいて予め設定されている。同図に示すように、噴射圧Ｐｃが高いほど、収縮係数ｃが小さくなる。圧力Ｐｃｙｌは、筒内圧センサ４３により検出する。なお、以下の数式３により、圧力Ｐｃｙｌを算出してもよい。
【００２９】
【数３】
2015105572.tif 000005
上記において、Ｖ０は吸気行程終了時のシリンダ１１の容積、Ｖ１は噴射タイミングＴｉｎｊのシリンダ１１の容積、κは比熱比である。
【００３０】
また、噴射圧Ｐｃを用いて、図７のマップを参照してガス密度補正係数ｋを算出する。図７は、噴射圧Ｐｃとガス密度補正係数ｋとの関係を示すマップであり、実験等に基づいて予め設定されている。噴射圧Ｐｃが高い（噴孔２４ａから噴射される燃料の平均運動量が大きい）ほど、混合気に取り込まれるガス（空気）の量が多くなる。このため、噴射圧Ｐｃ高いほど、混合気に含まれるガスの密度が見かけ上大きくなる。そこで、同図に示すように、噴射圧Ｐｃが高いほど、ガス密度補正係数ｋが大きくなる。したがって、ガス密度補正係数ｋにより、噴射圧Ｐｃが高いほど、ガス密度ρａ（空気密度）を大きくするように補正する（空気密度補正手段）。
【００３１】
続いて、計算時間Ｔ、時間間隔ｄＴ、広がり方向計算範囲−Ｙ〜＋Ｙ、空間間隔ｄＹを算出する（Ｓ１４）。
【００３２】
詳しくは、計算時間Ｔは、混合気の当量比の推定開始から推定終了までの時間であり、エンジン１０の回転速度ＮＥに応じて設定する。時間間隔ｄＴは当量比の推定を行う時間間隔であり、広がり方向計算範囲−Ｙ〜＋Ｙは推定の対象とするｙ方向の範囲であり、空間間隔ｄＹはｙ方向において推定を行う位置の間隔である。これらは、当量比の推定を行う目的等に応じて、適宜設定すればよい。
【００３３】
続いて、経過時間ｔを初期値０に設定し（Ｓ１５）、経過時間ｔが計算時間Ｔ以下であるか否か判定する（Ｓ１６）。この判定において、経過時間ｔが計算時間Ｔ以下であると判定した場合（Ｓ１６：ＹＥＳ）、経過時間ｔにおけるｘ方向の距離ｘ（ｔ）、及び距離ｘ（ｔ）の対象平面Ｓ１での混合気の速度ｗ（ｔ）を算出する（Ｓ１７）。詳しくは、図２に示すように、出口断面Ｓ０を通過する燃料の運動量が、距離ｘ（ｔ）の対象平面Ｓ１を通過する混合気の運動量と等しくなることから、以下の数式４が成立する。なお、対象平面Ｓ１では通過する燃料の質量が通過する空気の質量と比較して小さいことから、対象平面Ｓ１での燃料の運動量を無視している。
【００３４】
【数４】
2015105572.tif 000006
上記において、ρｆは燃料密度、ｄは噴孔２４ａの径、ｖ０はＳ１３で算出した平均噴霧初速度、ρａはＳ１２で算出した筒内ガス密度、θ０はＳ１３で算出した噴霧角である。数式４を変形することにより、速度ｗ（ｔ）は以下の数式５で表される。
【００３５】
【数５】
2015105572.tif 000007
ｗ（ｔ）＝ｄｘ／ｄｔであることから、数式５を積分して変形することにより、距離ｘ（ｔ）は以下の数式６で表される。
【００３６】
【数６】
2015105572.tif 000008
したがって、数式６により、経過時間ｔにおける距離ｘ（ｔ）を算出し、その算出した距離ｘ（ｔ）を用いて数式５により速度ｗ（ｔ）を算出する。なお、数式５及び数式６において、ガス密度ρａとして、Ｓ１３で算出したガス密度補正係数ｋによりガス密度ρａを補正した補正後ガス密度ｋρａを用いる。
【００３７】
続いて、経過時間ｔにおいて噴霧が存在する範囲の外縁までの距離Ｌ（ｔ）を算出する（Ｓ１８）。対象平面Ｓ１において、距離Ｌ（ｔ）は以下の数式７で表される（図２参照）。
【００３８】
【数７】
2015105572.tif 000009
上記において、距離ｘ（ｔ）はＳ１７で算出されており、噴霧角θ０はＳ１３で算出されている。図２に示すように、距離Ｌ（ｔ）は、対象平面Ｓ１における噴霧の中心軸線Ｃからｙ方向端部までの距離である。
【００３９】
続いて、ｙ方向の距離ｙを初期値−Ｙに設定する（Ｓ１９）。Ｙは、Ｓ１４で設定した広がり方向計算範囲−Ｙ〜＋Ｙの初期値である。したがって、距離ｙの初期値−Ｙは、広がり方向計算範囲の−側の端部に相当する。続いて、距離ｙが、広がり方向計算範囲の＋側の端部に相当する終了値Ｙ以下であるか否か判定する（Ｓ２０）。
【００４０】
Ｓ２０の判定において、距離ｙが終了値Ｙ以下であると判定した場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）、対象平面Ｓ１における距離ｙでの単位面積当たりの燃料質量Ｆ（ｔ，ｙ）、及び対象平面Ｓ１における距離ｙでの当量比φ（ｔ，ｙ）を算出する（Ｓ２１）。ここで、図２に示すモデルにおいて、出口断面Ｓ０を通過する燃料が、対象平面Ｓ１を通過する燃料と等しくなる。このため、酸素についての対象平面Ｓ１における平均当量比φ（ｔ）（平均混合比）は、以下の数式８で表される（平均混合比推定手段）。
【００４１】
【数８】
2015105572.tif 000010
上記において、φｔｈは理論当量比（酸素過剰率の逆数）、ρｆは燃料密度、ｄは噴孔２４ａの径、Ｃｏ２はシリンダ１１内の空気の酸素濃度である。ＥＧＲガスの再循環を行っている場合等は、空気の酸素濃度に代えてガスの組成を考慮した酸素濃度を用いてもよい。平均噴霧初速度ｖ０、ガス密度ρａ、距離ｘ（ｔ）、噴霧角θ０、混合気の速度ｗ（ｔ）は、それぞれＳ１３，Ｓ１２，Ｓ１７，Ｓ１３，Ｓ１７で算出されている。
【００４２】
対象平面Ｓ１の距離ｘ（ｔ）は、数式６により経過時間ｔの関数として表される。このため、平均当量比φ(t)は、距離ｙ及び距離ｘに対して図８に示すように変化する。図８は、噴霧領域内の混合気の当量比分布を示す図である。同図に示すように、平均当量比φ(t)では、混合気の運動量の分布を考慮していないため、距離ｙに対して当量比は均一となる（変化しない）。また、平均当量比φ（ｔ）は、噴射からの経過時間ｔが長くなるにつれて、すなわち距離ｘ（ｔ）が長くなるにつれて、小さくなっている。
【００４３】
ここで、本実施形態では、噴孔２４ａの出口断面Ｓ０での燃料の運動量分布に基づいて、対象平面Ｓ１での混合気の運動量分布を推定する（運動量分布推定手段）。具体的には、出口断面Ｓ０での燃料の運動量分布に、対象平面Ｓ１での混合気の運動量分布が従うとする。出口断面Ｓ０及び対象平面Ｓ１において、それぞれ運動量分布及び正規化の条件式は図９に示すように表される。
【００４４】
Ｓ１３で算出したように、ｆｄ（ｙ）は、噴孔２４ａの出口断面Ｓ０での距離ｙにおける燃料の運動量であり、全体が１となるように条件式により正規化されている。同様にして、ｆｘ（ｙ）は、対象平面Ｓ１での距離ｙにおける混合気の運動量であり、全体が１となるように条件式により正規化されている。このため、運動量ｆｄ（ｙ）及び運動量ｆｘ（ｙ）は、図１０に示すように分布する。そして、図１０において、Ａ部分に対応する運動量の合計とＢ部分に対応する運動量の合計とが等しいとして、以下の数式９が成立する。
【００４５】
【数９】
2015105572.tif 000011
また、図９に示すように、対象平面Ｓ１においても、出口断面Ｓ０での燃料の運動量（数式４の左辺）が保存されている。したがって、数式９から算出される運動量ｆｘ（ｙ）を用いて、対象平面Ｓ１における距離ｙでの単位面積当たりの燃料質量Ｆ（ｔ，ｙ）は、以下の数式１０で表される。
【００４６】
【数１０】
2015105572.tif 000012
そして、数式１０に、対象平面Ｓ１での単位面積当たりの酸素質量ρａ．ｗ（ｔ）Ｃｏ２を適用することにより、対象平面Ｓ１における距離ｙでの当量比φ（ｔ，ｙ）は、以下の数式１１により表される（混合比推定手段）。
【００４７】
【数１１】
2015105572.tif 000013
上記において、φｔｈは理論当量比、分数の分子は単位面積当たりの燃料質量Ｆ（ｔ，ｙ）、分母は単位面積当たりの酸素質量である。ここで、当量比φ（ｔ，ｙ）は、経過時間ｔにおける距離ｙでの単位面積における当量比である。経過時間ｔにより対象平面Ｓ１のｘ方向の距離ｘ（ｔ）が決まり、燃料質量Ｆ（ｔ，ｙ）の分布は噴孔２４ａの中心軸線Ｃに関して対称である。このため、当量比φ（ｔ，ｙ）は、経過時間ｔでの噴霧領域内の混合気における位置（ｘ，ｙ）の当量比を表している。また、数式１１において、当量比φ（ｔ，ｙ）は、対象平面Ｓ１での距離ｙにおける混合気の運動量分布（運動量ｆｘ（ｙ））で、平均当量比φ（ｔ）を補正した式で表されている。そして、対象平面Ｓ１での混合気の運動量分布（運動量ｆｘ（ｙ））は、出口断面Ｓ０での燃料の運動量分布（運動量ｆｄ（ｙ））に基づいている（運動量分布推定手段）。
【００４８】
続いて、距離ｙに空間間隔ｄＹを加算した値を新たな距離ｙとして（Ｓ２２）、再度Ｓ２０〜Ｓ２２の処理を実行する。すなわち、初期値−Ｙから空間間隔ｄＹで終了値Ｙまで距離ｙを変更して、それぞれ対象平面Ｓ１における距離ｙでの当量比φ（ｔ，ｙ）を算出する。
【００４９】
Ｓ２０の判定において、ｙ方向の距離ｙが終了値Ｙ以下でないと判定した場合（Ｓ２０：ＮＯ）、経過時間ｔに時間間隔ｄＴを加算した値を新たな経過時間ｔとして（Ｓ２３）、再度Ｓ１６〜Ｓ２２の処理を実行する。すなわち、初期値０から時間間隔ｄＴで計算時間Ｔまで経過時間ｔを変更して、それぞれ経過時間ｔ（ｘ方向の距離ｘ（ｔ））での対象平面Ｓ１における距離ｙの当量比φ（ｔ，ｙ）を算出する。これにより、経過時間ｔでの噴霧領域内の混合気における任意位置（ｘ，ｙ）の当量比が算出される。
【００５０】
一方、Ｓ１６の判定において、経過時間ｔが計算時間Ｔ以下でないと判定した場合（Ｓ１６：ＮＯ）、この一連の処理を一端終了する（ＥＮＤ）。
【００５１】
このように算出された当量比φ（ｔ，ｙ）は、対象平面Ｓ１の距離ｘ（ｔ）を経過時間ｔの関数として、距離ｙ及び距離ｘに対して図１１に示すように変化する。図１１は、噴霧領域内の混合気における補正後の当量比分布（当量比φ（ｔ，ｙ））を示す図である。同図に示すように、当量比φ（ｔ，ｙ）は、距離ｙに対して変化し、噴孔２４ａの中心軸線Ｃ（ｙ＝０）側ほど大きくなる。当量比φ（ｔ，ｙ）が等しい領域、例えば当量比φ＝３の領域は、噴孔２４ａの中心側ほど距離ｘが長い領域まで広がっている。なお、当量比φ（ｔ，ｙ）は、噴射からの経過時間ｔが長くなるにつれて、すなわち距離ｘ（ｔ）が長くなるにつれて、小さくなっている。
【００５２】
図１２は、図８，１１の距離ｙ＝０でのそれぞれ距離ｘと当量比との関係を示すグラフである。図１２に示すように、運動量分布の考慮なしの場合（図８）は、距離ｘが１０以下の領域で急激に当量比が大きくなっている。これに対して、運動量分布の考慮ありの場合（図１１）は、距離ｘが４０以下の領域で、運動量分布の考慮なしの場合よりも緩やかに当量比が大きくなっている。
【００５３】
図１３は、図８，１１の距離ｘ＝１０でのそれぞれ距離ｙと当量比との関係を示すグラフである。図１３に示すように、運動量分布の考慮なしの場合（図８）は、噴霧領域内で当量比が一定となっている。これに対して、運動量分布の考慮ありの場合（図１１）は、噴霧領域内で噴孔２４ａの中心軸線Ｃ（ｙ＝０）側ほど当量比が大きくなっている。したがって、図１１に示す補正後の当量比分布（当量比φ（ｔ，ｙ））によれば、噴霧領域内での任意位置（ｘ，ｙ）の当量比φ（ｘ，ｙ）を精度良く推定することができる。
【００５４】
以上詳述した本実施形態は、以下の利点を有する。
【００５５】
・噴孔２４ａの出口断面Ｓ０での燃料の運動量ｆｄ（ｙ）の分布に基づいて、対象平面Ｓ１での混合気の運動量ｆｘ（ｙ）の分布が推定される。そして、算出された平均当量比φ（ｔ）が、対象平面Ｓ１での混合気の運動量ｆｘ（ｙ）の分布に基づき補正され、混合気における任意位置（ｘ（ｔ），ｙ）の当量比φ（ｔ，ｙ）が推定される。なお、距離ｘ（ｔ）は、経過時間ｔによって決まる。したがって、混合気における任意位置（ｘ，ｙ）の当量比φ（ｔ，ｙ）を、精度良く推定することができる。
【００５６】
・噴孔２４ａから噴射される燃料の平均運動量が大きいほど、対象平面Ｓ１での混合気の中心付近における混合気の運動量ｆｘ（ｙ）の変化を小さくするように、混合気の運動量ｆｘ（ｙ）の分布が補正される。このため、噴孔２４ａの出口断面Ｓ０での燃料の運動量ｆｄ（ｙ）の分布を反映して、対象平面Ｓ１での混合気の運動量ｆｘ（ｙ）の分布を正確に推定することができる。したがって、燃料の平均運動量が変化した場合であっても、混合気における任意位置（ｘ，ｙ）の当量比φ（ｔ，ｙ）を精度良く推定することができる。
【００５７】
・燃料噴射弁の噴孔２４ａから噴射される燃料の平均運動量は、噴孔２４ａから噴射される燃料の圧力（噴射圧Ｐｃ）が高いほど大きくなる。したがって、燃料の平均運動量に代えて噴射圧Ｐｃを用いることにより、対象平面Ｓ１での混合気の運動量ｆｘ（ｙ）の分布を容易に推定することができる。
【００５８】
・空気の密度ρａを用いて平均当量比φ（ｔ）が推定され、噴孔２４ａから噴射される燃料の平均運動量が大きいほど、ガス密度補正係数ｋにより空気の密度ρａを大きくするように補正される。したがって、燃料の平均運動量に応じて混合気に取り込まれる空気の量が変化する影響を考慮して、平均当量比φ（ｔ）を正確に推定することができる。
【００５９】
・一般に、噴孔２４ａから噴射される燃料の平均運動量（噴射圧Ｐｃ）が大きいほど、噴孔２４ａから噴射される燃料の噴霧角θ０が大きくなる。この点、燃料の噴霧角θ０を用いて平均当量比φ（ｔ）が推定され、噴孔２４ａから噴射される燃料の平均運動量が大きいほど、噴霧角θ０を大きくするように補正される。したがって、燃料の平均運動量に応じて燃料の噴霧角θ０が変化する影響を考慮して、平均当量比φ（ｔ）を正確に推定することができる。
【００６０】
・燃料の噴霧角θ０を用いて平均当量比φ（ｔ）が推定され、空気の密度ρａが大きいほど、噴霧角θ０を大きくするように補正される。したがって、空気の密度ρａに応じて燃料の噴霧角θ０が変化する影響を考慮して、平均当量比φ（ｔ）を正確に推定することができる。
【００６１】
・制御装置３０は、混合気における任意位置（ｘ，ｙ）の当量比を推定することができるため、燃料の燃焼状態を緻密に制御することができる。
【００６２】
なお、上記実施形態を、以下のように変更して実施することもできる。
【００６３】
・噴孔２４ａ（噴射孔）から噴射される燃料の平均運動量が大きいほど、噴霧角θ０（広がり角度）を大きくするように補正する第１広がり角度補正手段を省略することもできる。また、空気の密度ρａが大きいほど、噴霧角θ０を大きくするように補正する第２広がり角度補正手段を省略することもできる。それらの場合は、噴霧角θ０として、予め実験等に基づき設定した所定値を用いることができる。
【００６４】
・噴孔２４ａから噴射される燃料の平均運動量が大きいほど、空気の密度ρａを大きくするように補正する空気密度補正手段を省略することもできる。
【００６５】
・噴孔２４ａから噴射される燃料の平均運動量が大きいほど、対象平面Ｓ１での混合気の中心軸線Ｃ（ｙ＝０）付近における混合気の運動量ｆｄ（ｙ）の変化を小さくするように、混合気の運動量ｆｄ（ｙ）の分布を補正する運動量分布補正手段を省略することもできる。その場合は、運動量ｆｄ（ｙ）の分布として、予め実験等に基づき設定した所定の分布を用いることができる。
【００６６】
・噴孔２４ａの内部において燃料の流れが定常状態になっているとみなせれば、噴孔２４ａの出口断面Ｓ０での燃料の運動量ｆｄ（ｙ）の分布に代えて、噴孔２４ａの中間断面Ｓ２での燃料の運動量ｆｄ（ｙ）の分布を用いることもできる。
【００６７】
・上記実施形態では、燃料噴射弁２４の噴孔２４ａ（噴射孔）の断面形状を円形としたが、図１４に示すように、噴孔２４ａ（噴射孔）の断面形状を楕円形等にすることもできる。この場合、噴孔２４ａの断面形状が対称形状でないため、噴孔２４ａの断面形状に応じて、噴孔２４ａの出口断面Ｓ０での燃料の運動量分布は２次元で変化する。そして、対象平面Ｓ１での混合気の運動量分布は、噴孔２４ａの出口断面Ｓ０での燃料の２次元の運動量分布を反映する。
【００６８】
この点、噴孔２４ａの断面形状に応じた燃料の２次元の運動量ｆｄ（ｙ，ｚ）の分布に基づいて、対象平面Ｓ１での混合気の２次元の運動量ｆｘ（ｙ，ｚ）の分布を推定する。運動量ｆｄ（ｙ，ｚ）は、実験等に基づいて予め設定することができる。これにより、噴孔２４ａの断面形状が対称でない場合であっても、噴孔２４ａの出口断面Ｓ０での燃料の運動量ｆｄ（ｙ，ｚ）の分布を反映して、対象平面Ｓ１での混合気の運動量ｆｘ（ｙ，ｚ）の分布を正確に推定することができる。
【００６９】
・上記実施形態では、混合気の混合比として、酸素についての当量比φ（ｔ，ｙ）を推定したが、空気についての当量比φａ（ｔ，ｙ）や、空気過剰率λ（ｔ，ｙ）（当量比φａの逆数）、空燃比Ａ／Ｆ（ｔ，ｙ）等を推定することもできる。
【００７０】
・上記実施形態では、車両用のディーゼルエンジンに搭載された燃料噴射システム２０に、混合気の混合比を推定する推定装置としての制御装置３０（ＥＣＵ）を適用した。しかしながら、試験装置に搭載された燃料噴射システム２０に、混合気の混合比を推定する推定装置としてのＰＣ（Personal Computer）等を適用することもできる。
【符号の説明】
【００７１】
２４…燃料噴射弁、２４ａ…噴孔、３０…制御装置、Ａ…噴霧領域、Ｓ０…出口断面、Ｓ１…対象平面。
【図１】
2015105572.tif 000014
【図２】
2015105572.tif 000015
【図３】
2015105572.tif 000016
【図４】
2015105572.tif 000017
【図５】
2015105572.tif 000018
【図６】
2015105572.tif 000019
【図７】
2015105572.tif 000020
【図８】
2015105572.tif 000021
【図９】
2015105572.tif 000022
【図１０】
2015105572.tif 000023
【図１１】
2015105572.tif 000024
【図１２】
2015105572.tif 000025
【図１３】
2015105572.tif 000026
【図１４】
2015105572.tif 000027