(57)【要約】【課題】ＮＯｘを低減可能な低温燃焼において、煤を低減できると同時に、燃焼時の急激な圧力上昇を回避して燃焼騒音を低減できる燃料噴射制御装置を提供すること。【解決手段】噴射圧を可変制御可能な燃料噴射弁５を備えるエンジン３の燃料噴射制御装置１であって、パイロット噴射を行い、既燃ガスを燃焼室３７内に生成させるパイロット噴射部と、燃焼室３７内にスワール流を発生させるスワール部と、既燃ガスが生成した燃焼室３７内にメイン噴射を行うメイン噴射部と、パイロット噴射とメイン噴射の噴射時期および噴射圧を制御する燃料噴射制御部とをＥＣＵ１０に備え、燃料噴射制御部は、隣接する噴孔からパイロット噴射されて生成し、スワール流によって流動した既燃ガスと、メイン噴射された燃料が重畳するように噴射時期を制御するとともに、パイロット噴射圧がメイン噴射圧よりも低い所定の範囲内となるように噴射圧を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に設けられた噴孔から燃料を燃焼室内に噴射するとともに、噴射圧を可変制御可能な燃料噴射弁を備える内燃機関の燃料噴射制御装置であって、
前記燃料噴射弁によるパイロット噴射を行い、既燃ガスを前記燃焼室内に生成させるパイロット噴射手段と、
前記燃焼室内にスワール流を発生させて、当該スワール流により前記既燃ガスを流動させるスワール手段と、
前記既燃ガスが生成した前記燃焼室内に、前記燃料噴射弁によるメイン噴射を行うメイン噴射手段と、
前記パイロット噴射と前記メイン噴射の噴射時期および噴射圧を制御する燃料噴射制御手段と、を備え、
前記燃料噴射制御手段は、
隣接する噴孔から前記パイロット噴射されて生成し、前記スワール流によって流動した既燃ガスと、前記メイン噴射で噴射された燃料とが重畳するように前記噴射時期を制御するとともに、前記パイロット噴射の噴射圧が前記メイン噴射の噴射圧よりも低い所定の範囲内となるように前記噴射圧を制御することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項２】
前記燃料噴射制御手段は、前記メイン噴射の噴射圧に対する前記パイロット噴射の噴射圧の比が、前記内燃機関の負荷の増加に伴い低下するように前記噴射圧を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料噴射制御装置。
【請求項３】
前記燃料噴射制御装置は、前記内燃機関が所定の高負荷運転状態であるか否かを判定する高負荷運転状態判定手段をさらに備え、
前記パイロット噴射手段は、前記内燃機関が前記所定の高負荷運転状態ではないと判定されたときには、前記パイロット噴射を１回行うシングルパイロット噴射を実行し、
前記燃料噴射制御手段は、前記メイン噴射の噴射圧に対する前記シングルパイロット噴射の噴射圧の比が、略２割〜略３割の範囲内となるように前記噴射圧を制御することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項４】
前記燃料噴射制御装置は、前記内燃機関が所定の高負荷運転状態であるか否かを判定する高負荷運転状態判定手段をさらに備え、
前記パイロット噴射手段は、前記内燃機関が前記所定の高負荷運転状態であると判定されたときには、第１パイロット噴射と第２パイロット噴射を順次行うダブルパイロット噴射を実行し、
前記燃料噴射制御手段は、前記第１パイロット噴射により生成した既燃ガスと、前記第２パイロット噴射で噴射された燃料とが重畳し、且つ当該第２パイロット噴射により生成した既燃ガスと、前記メイン噴射で噴射された燃料とが重畳するように前記噴射時期を制御することを特徴とする請求項１または２記載の燃料噴射制御装置。
【請求項５】
前記燃焼室のアスペクト比が、３．３以上であることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の燃料噴射制御装置。
【請求項６】
前記燃焼室を形成するピストンリップ部が、段付き構造であることを特徴とする請求項１から５いずれか１項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、内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギー化および地球温暖化防止の観点から、自動車の燃費規制の強化が進められている。ディーゼルエンジンなどの圧縮着火式内燃機関は、低燃費化と高出力化の両立に有利であることから、排ガス規制対応に伴うコスト高を解消できれば、広く普及することが期待される。
【０００３】
例えば、圧縮自着火式内燃機関の排気中に多く含まれるＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒を不要とし、排ガスの後処理コストを削減する技術として、低温燃焼技術の開発が進められている。この低温燃焼技術では、燃焼の低温化によりＮＯｘを低減すると同時に、予混合燃焼により煤を低減する。
【０００４】
上記の低温燃焼技術として、主噴射（後述のメイン噴射に相当）に先立って副噴射（後述のパイロット噴射に相当）を実行する圧縮着火式内燃機関の燃料噴射制御装置において、主噴射と副噴射の噴射時期を最適化する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許４４０４１５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術では、噴射した燃料が着火して燃焼に至るまでに燃料の予混合化を進めてＮＯｘおよび煤を低減する代わりに、燃焼時に急激な圧力上昇を招き、かかる圧力上昇による燃焼騒音の問題が生じていた。
【０００７】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＮＯｘを低減可能な低温燃焼において、煤を低減できると同時に、燃焼時の急激な圧力上昇を回避して燃焼騒音を低減でき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】
【０００８】
上記目的を達成するため本発明は、先端に設けられた噴孔（例えば、後述の噴孔５１３）から燃料を燃焼室（例えば、後述の燃焼室３７）内に噴射するとともに、噴射圧を可変制御可能な燃料噴射弁（例えば、後述の燃料噴射弁５）を備える内燃機関（例えば、後述のエンジン３）の燃料噴射制御装置（例えば、後述の燃料噴射制御装置１）を提供する。この燃料噴射制御装置は、前記燃料噴射弁によるパイロット噴射を行い、既燃ガスを前記燃焼室内に生成させるパイロット噴射手段（例えば、後述のパイロット噴射部）と、前記燃焼室内にスワール流を発生させて、当該スワール流により前記既燃ガスを流動させるスワール手段（例えば、後述のスワール制御弁７３，スワール部）と、前記既燃ガスが生成した前記燃焼室内に、前記燃料噴射弁によるメイン噴射を行うメイン噴射手段（例えば、後述のメイン噴射部）と、前記パイロット噴射と前記メイン噴射の噴射時期および噴射圧を制御する燃料噴射制御手段（例えば、後述の燃料噴射制御部）と、を備え、前記燃料噴射制御手段は、隣接する噴孔から前記パイロット噴射されて生成し、前記スワール流によって流動した既燃ガスと、前記メイン噴射で噴射された燃料とが重畳するように前記噴射時期を制御するとともに、前記パイロット噴射の噴射圧が前記メイン噴射の噴射圧よりも低い所定の範囲内となるように前記噴射圧を制御することを特徴とする。
【０００９】
本発明では、隣接する噴孔からパイロット噴射されて生成し、スワール流によって流動した既燃ガスと、メイン噴射で高圧噴射された燃料とが重畳するように、それぞれの噴射時期を制御した。
これにより、パイロット噴射された燃料が燃焼（以下、「パイロット燃焼」という）することにより生成した既燃ガスによって雰囲気温度が上昇することで、メイン噴射された燃料の着火が促進され、拡散燃焼主体の燃焼形態を呈する。このため、シリンダ内の未燃燃料がある時期に一気に着火して急激に圧力が上昇し、燃焼騒音が増大するのを回避できる。
また、既燃ガスと高圧にてメイン噴射された燃料とを重畳させるため、高圧にてメイン噴射された燃料が燃焼（以下、「メイン燃焼」という）する期間中において、混合気をリッチからリーンへと推移させて、燃焼の進行とともに混合気を均質化させることができる。このため、圧力上昇による燃焼騒音を低減できると同時に、煤の発生量を低減できる。
【００１０】
ところで、パイロット噴射の噴射圧は、メイン燃焼時における圧力上昇および煤の発生量と高い相関がある。具体的には、パイロット噴射圧が高すぎる場合には、パイロット噴射された燃料が燃焼室の壁面に衝突して分散が促進され、パイロット噴射により生成した既燃ガスとメイン噴射された燃料との重なり度合が小さくなる。このため、メイン燃焼時における圧力上昇の抑制効果が十分に発揮されなくなる結果、圧力上昇が増大して燃焼騒音が増大する。一方、パイロット噴射圧が低すぎる場合には、メイン噴射された燃料が比較的大きな液滴として存在している燃料噴射弁の近傍で、パイロット噴射により生成した既燃ガスとメイン噴射された燃料とが重畳して燃焼する結果、煤の発生量が増加する。
これに対して本発明では、パイロット噴射の噴射圧が、壁面に衝突するように設定されているメイン噴射の噴射圧よりも低い所定の範囲内となるように、それぞれの噴射圧を制御した。これにより、パイロット噴射された燃料が燃焼室の壁面に衝突するのを抑制でき、且つ燃料噴射弁からある程度離れた領域に漂うように制御できる。従って、上記のような不具合を回避でき、メイン燃焼時の圧力上昇による燃焼騒音および煤の発生量をより低減できる。
【００１１】
前記燃料噴射制御手段は、前記メイン噴射の噴射圧に対する前記パイロット噴射の噴射圧の比が、前記内燃機関の負荷の増加に伴い低下するように前記噴射圧を制御することが好ましい。
【００１２】
この発明では、メイン噴射の噴射圧に対するパイロット噴射の噴射圧の比（以下、「パイロット噴射圧比」という）が、内燃機関の負荷の増加に伴い低下するように、それぞれの噴射圧を制御した。ここで、パイロット噴射時における内燃機関の負荷は、例えば低過給条件や高ＥＧＲ条件などでは酸素分圧が低い低負荷状態にあり、このような場合には、パイロット噴射された燃料の燃焼が十分に進行せず、メイン燃焼時の圧力上昇抑制効果が期待できない。そこで、この発明では、低負荷のときほど、パイロット噴射圧比を高めてパイロット燃焼を促進させ、内燃機関の負荷が増加するに伴い、パイロット噴射圧の比が低下するように噴射圧を制御するため、広い運転領域でメイン燃焼時の圧力上昇を抑制して、燃焼騒音を低減できる。
【００１３】
前記燃料噴射制御装置は、前記内燃機関が所定の高負荷運転状態であるか否かを判定する高負荷運転状態判定手段（例えば、後述の高負荷運転状態判定部）をさらに備え、前記パイロット噴射手段は、前記内燃機関が前記所定の高負荷運転状態ではないと判定されたときには、前記パイロット噴射を１回行うシングルパイロット噴射を実行し、前記燃料噴射制御手段は、前記メイン噴射の噴射圧に対する前記シングルパイロット噴射の噴射圧の比が、略２割〜略３割の範囲内となるように前記噴射圧を制御することが好ましい。
【００１４】
この発明では、内燃機関が高負荷運転状態ではない場合には、パイロット噴射としてシングルパイロット噴射を実行するとともに、メイン噴射の噴射圧に対するシングルパイロット噴射の噴射圧の比が略２割〜略３割の範囲内となるように、それぞれの噴射圧を制御した。
これにより、シングルパイロット噴射された燃料の到達距離が適切な範囲に制御されることで、燃料が燃焼室の壁面に衝突するのをより抑制でき、且つ燃料噴射弁からある程度離れた領域に漂うように制御できる。従って、メイン燃焼時の圧力上昇による燃焼騒音および煤の発生量をより確実に低減できる。
【００１５】
前記燃料噴射制御装置は、前記内燃機関が所定の高負荷運転状態であるか否かを判定する高負荷運転状態判定手段（例えば、後述の高負荷運転状態判定部）をさらに備え、前記パイロット噴射手段は、前記内燃機関が前記所定の高負荷運転状態であると判定されたときには、第１パイロット噴射と第２パイロット噴射を順次行うダブルパイロット噴射を実行し、前記燃料噴射制御手段は、前記第１パイロット噴射により生成した既燃ガスと、前記第２パイロット噴射で噴射された燃料とが重畳し、且つ当該第２パイロット噴射により生成した既燃ガスと、前記メイン噴射で噴射された燃料とが重畳するように前記噴射時期を制御することが好ましい。
【００１６】
この発明では、内燃機関が高負荷運転状態である場合には、第１パイロット噴射と第２パイロット噴射を順次行うダブルパイロット噴射を実行するように構成した。これにより、圧力上昇率が高い高負荷運転状態においてパイロット噴射を２回に分けて行うことで、パイロット噴射総量を低減することなく、パイロット燃焼時の圧力上昇を低減できる。また、パイロット噴射総量を維持できるため、メイン燃焼時の圧力上昇を低減でき、燃焼騒音を低減できる。
また、第１パイロット噴射により生成した既燃ガスと、第２パイロット噴射された燃料とが重畳し、且つ第２パイロット噴射により生成した既燃ガスと、メイン噴射で噴射された燃料とが重畳するように、それぞれの噴射時期を制御した。即ち、それぞれの噴射間隔を、前噴射の既燃ガスと噴射燃料とが重畳するように設定することにより、燃料噴射弁からある程度離れた領域で、第１パイロット噴射と第２パイロット噴射との複合により生成した既燃ガスを、メイン噴射燃料と干渉させる構成とした。これにより、第１パイロット燃焼によって第２パイロット燃焼が促進され、かかる第２パイロット燃焼によってメイン燃焼が促進されるため、シリンダ内の未燃燃料がある時期に一気に着火して急激に圧力が上昇し、燃焼騒音が増大するのを回避できる。
【００１７】
前記燃焼室のアスペクト比（例えば、後述のアスペクト比Ｄ１／Ｈ）が、３．３以上であることが好ましい。
【００１８】
この発明では、内燃機関の燃焼室を、３．３以上の大きなアスペクト比で構成した。これにより、燃料噴射弁の先端から燃焼室の壁面までの距離が長くなり、パイロット噴射された燃料と燃焼室の壁面との干渉を緩和できる。このため、パイロット噴射された燃料の分散が抑制されて、パイロット噴射されて生成した既燃ガスとメイン噴射された燃料との重なり度合が大きくなる結果、メイン燃焼時における圧力上昇を抑制でき、燃焼騒音を抑制できる。即ち、パイロット噴射の噴射圧を低下させるのと同等の効果が得られる。
【００１９】
前記燃焼室を形成するピストンリップ部（例えば、後述のピストンリップ部３３５）が、段付き構造（例えば、後述の段差３３７）であることが好ましい。
【００２０】
この発明では、燃焼室を形成するピストンリップ部を、段付き構造とした。これにより、段付き構造でない従来の燃焼室において、スキッシュエリアで局所的に高濃度酸素領域が形成されて煤と残存酸素との混合が緩慢となる結果、煤の酸化、低減が不十分となる事態を回避できる。即ち、この発明の燃焼室では、高圧でメイン噴射された燃料と空気の混合気は、燃焼室の壁面に衝突した後、段差が設けられたスキッシュエリアに流出する際に、段差部で再度、壁面衝突する。このとき、ピストン周方向への混合気の分散が促進される一方で、半径方向への混合気の貫徹力が弱められる結果、高濃度酸素領域がシリンダライナー壁面に沿って層状に形成される。この高濃度酸素領域と、所謂逆スキッシュ流によって燃焼室から流入してくる残存酸素との間に煤が挟まれる格好となり、煤の酸化、低減が促進される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ＮＯｘを低減可能な低温燃焼において、煤を低減できると同時に、燃焼時の急激な圧力上昇を回避して燃焼騒音を低減できる燃料噴射制御装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料噴射制御装置およびこれを適用した内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】上記実施形態に係る燃料噴射弁の概略構成を示す模式図である。
【図３】上記実施形態に係るピストンの上部斜視図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】低負荷運転状態における検証結果を示す図であり、（Ａ）がパイロット燃焼時における最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘのスワール比−パイロット噴射圧マップ図であり、（Ｂ）がメイン燃焼時における最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘのスワール比−パイロット噴射圧マップ図であり、（Ｃ）が煤発生度のスワール比−パイロット噴射圧マップ図である。
【図６】中負荷運転状態における検証結果を示す図であり、（Ａ）がパイロット燃焼時における最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘのスワール比−パイロット噴射圧マップ図であり、（Ｂ）がメイン燃焼時における最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘのスワール比−パイロット噴射圧マップ図であり、（Ｃ）が煤発生度のスワール比−パイロット噴射圧マップ図である。
【図７】高負荷運転状態における検証結果を示す図であり、（Ａ）がパイロット燃焼時における最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘのスワール比−パイロット噴射圧マップ図であり、（Ｂ）がメイン燃焼時における最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘのスワール比−パイロット噴射圧マップ図であり、（Ｃ）が煤発生度のスワール比−パイロット噴射圧マップ図である。
【図８】メイン噴射圧に対するパイロット噴射圧の比とメイン噴射量との関係を示す図である。
【図９】メイン噴射量に対するパイロット噴射量の比とメイン噴射量との関係を示す図である。
【図１０】燃焼室のアスペクト比を変化させたときのメイン燃焼時における最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘを示す図であり、（Ａ）がアスペクト比３．３のものであり、（Ｂ）がアスペクト比２．９のものである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料噴射制御装置１およびこれを適用した内燃機関（以下、「エンジン」という）３の概略構成を示す図である。エンジン３は、シリンダ内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンである。
【００２４】
エンジン３は、吸気管７、排気管９および過給機２を備えている。過給機２は、排気の運動エネルギにより駆動されるタービン２１と、タービン２１により回転駆動され、吸気の圧縮を行うコンプレッサ２３と、を備えている。
タービン２１は、図示しない複数の可変ベーンを備えており、可変ベーンの開度を変化させることにより、タービン回転数を変更できるように構成されている。タービン２１のベーン開度は、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）１０により電磁的に制御される。
【００２５】
吸気管７は、途中で吸気管７Ａ，７Ｂに分岐して構成されている。吸気管７Ａ内には、当該吸気管７Ａを介して吸入される空気量を制限してエンジン３の燃焼室３７内にスワール流を発生させるスワール制御弁７３が設けられている。スワール制御弁７３は、図示しないアクチュエータを介して、ＥＣＵ１０により開閉制御および開度制御される。
【００２６】
排気管９のタービン２１の上流側と、吸気管７Ｂとの間には、排気を吸気管７Ｂに還流する排気還流通路６が設けられている。排気還流通路６には、排気還流量を制御するための排気還流制御弁６１が設けられている。排気還流制御弁６１は、図示しないアクチュエータを介して、ＥＣＵ１０により開閉制御および開度制御される。
【００２７】
エンジン３は、４つの気筒３１（１つの一部のみ図示）を備えている。各気筒３１のピストン３３とシリンダヘッド３５との間には、燃焼室３７が形成されている。
【００２８】
シリンダヘッド３５には、吸気管７Ａ，７Ｂで構成された吸気ポート７１と、排気管９に連通する排気ポート９１が燃焼室３７に連通して設けられている。吸気ポート７１には、吸気ポート７１と燃焼室３７との連通を制御する２つの吸気弁７２（１つのみ図示）が設けられている。排気ポート９１には、排気ポート９１と燃焼室３７との連通を制御する２つの排気弁９２（１つのみ図示）が設けられている。
【００２９】
また、シリンダヘッド３５には、燃料噴射弁５が燃焼室３７内に臨むように設けられている。燃料噴射弁５は、ＥＣＵ１０に電気的に接続されており、燃料噴射弁５はＥＣＵ１０により開閉制御される。燃料噴射弁５から噴射された燃料は、吸気ポート７１から燃焼室３７に吸入された空気と混合される。混合により生成した混合気は、燃焼室３７内で燃焼される。
【００３０】
燃料噴射弁５による燃料噴射としては、メイン噴射とパイロット噴射が実行される。メイン噴射は、エンジン３のトルク発生のための噴射動作であり、パイロット噴射は、メイン噴射に先立って予め少量の燃料を噴射することで燃焼室３７内の温度を上昇させ、メイン噴射で噴射される燃料の着火を促進する噴射動作である。
また、本実施形態では、エンジン３の運転状態に応じて、上記のパイロット噴射として、メイン噴射の前にパイロット噴射を１回行うシングルパイロット噴射と、メイン噴射の前に第１パイロット噴射と第２パイロット噴射を順次行うダブルパイロット噴射とが実行される。
【００３１】
図２は、燃料噴射弁５の概略構成を示す模式図である。燃料噴射弁５は、燃料の噴射圧を可変制御可能な増圧式の燃料噴射弁である。
燃料噴射弁５は、バルブボディ５１０内に進退可能に設けられたニードルバルブ５１と、バルブボディ５１０とニードルバルブ５１との隙間に形成された燃料供給通路５１１と、バルブボディ５１０の先端に例えば円周方向に６０°間隔で離間して６つ設けられ、燃料供給通路５１１を介して供給された燃料を噴射する噴孔５１３と、バルブボディ５１０の軸方向に移動可能なニードルピストン５２と、このニードルピストン５２を駆動させるニードルコントロールバルブＮＣＶ５３と、を備える。
【００３２】
また、燃料噴射弁５は、増圧機構として、上記軸方向に移動可能な増圧ピストン５４および増圧プランジャ５５と、これら増圧ピストン５４および増圧プランジャ５５を駆動させる増圧コントロールバルブＩＣＶ５６と、を備える。
【００３３】
ニードルコントロールバルブＮＣＶ５３および増圧コントロールバルブＩＣＶ５６は、燃料を蓄圧するコモンレール４と、燃料供給管４１を介して連結されている。燃料供給管４１は、途中で分岐して上記燃料供給通路５１１と、燃料チェックバルブ５７を介して連結されている。
【００３４】
この燃料噴射弁５では、上記の増圧機構により噴射圧を増圧でき、噴射圧の可変制御が可能となっている。増圧比は、増圧ピストン５４と増圧プランジャ５５の断面積比により決定される。例えば、メイン噴射時のみ、上記の増圧機構を駆動させることにより、メイン噴射の噴射圧よりもパイロット噴射の噴射圧を低く制御できる。
【００３５】
図３は、本実施形態に係るピストン３３の上部斜視図であり、図４は、図３のＡ−Ａ線断面図である。
円筒状のピストン３３は、その頂面３３１に、ピストン３３の中心軸Ｘを中心とするキャビティ３３３が凹設されている。ピストン３３の頂面は、中心軸Ｘから径方向外側に向かうに従い下方に傾斜する所謂ペントルーフ状に形成されている。また、ピストン３３の頂面３３１には、環状の段差３３７が設けられている。
【００３６】
図４に示すように、シリンダヘッド３５の下面とキャビティ３３３とにより形成される燃焼室３７は、浅皿形の燃焼室である。また、環状の段差３３７は、シリンダヘッド３５の下面とピストン３３の頂面３３１とで形成されるスキッシュエリア３３９の内側端部のピストンリップ部３３５に設けられている。
【００３７】
図４に示すように、キャビティ３３３と上記シリンダヘッド３５の下面とで形成される燃焼室３７のアスペクト比は、Ｄ１／Ｈで表される。本実施形態の燃焼室３７は、３．３以上の大きなアスペクト比に設定されている。
【００３８】
図１に戻って、ＥＣＵ１０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下、「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ１０は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラムおよび演算結果などを記憶する記憶回路と、燃料噴射弁５などに制御信号を出力する出力回路と、を備える。以上のようなハードウェア構成により、ＥＣＵ１０には、燃料噴射処理を実行するモジュールとして、パイロット噴射部、スワール部、メイン噴射部、燃料噴射制御部および高負荷運転状態判定部の各モジュールが構成される。
【００３９】
パイロット噴射部は、燃料噴射弁５によるパイロット噴射を実行する。これにより、燃焼室３７内に既燃ガスを生成させ、メイン噴射前の燃焼室３７内の温度を上昇させる。
また、パイロット噴射部は、後述する高負荷運転状態判定部でエンジン３が高負荷運転状態ではないと判定された場合には、シングルパイロット噴射を実行し、高負荷運転状態であると判定された場合には、ダブルパイロット噴射を実行する。
【００４０】
スワール部は、スワール制御弁７３を開閉制御および開度制御することにより、燃焼室３７内に、スワール流を発生させるとともに、そのスワール比を制御する。これにより、燃料噴射弁５から噴射された燃料と吸気された空気との混合が促進される。
【００４１】
メイン噴射部は、燃料噴射弁５によるメイン噴射を実行する。これにより、エンジン３のトルクを発生させる。
【００４２】
燃料噴射制御部は、パイロット噴射とメイン噴射それぞれの噴射時期、噴射圧および噴射量を制御する。
噴射時期については、隣接する噴孔からパイロット噴射されて生成し、スワール流によって流動した既燃ガスと、メイン噴射で噴射された燃料とが重畳するように制御する。特に、ダブルパイロット噴射を実行する場合には、スワール流の上流側に隣接する噴孔から第１パイロット噴射により噴射されて生成した既燃ガスと、第２パイロット噴射された燃料とが重畳し、且つスワール流の上流側に隣接する噴孔から第２パイロット噴射により噴射されて生成した既燃ガスと、メイン噴射された燃料とが重畳するように制御する。
【００４３】
噴射圧については、パイロット噴射の噴射圧が、メイン噴射の噴射圧よりも低い所定の範囲の噴射圧となるように制御する。また、パイロット噴射圧比が、エンジン３の負荷の増加に伴い低下するように制御する。
特に、シングルパイロット噴射を実行する場合には、メイン噴射の噴射圧に対するシングルパイロット噴射の噴射圧の比が、略２割〜略３割の範囲内となるように制御する。ここで、「略２割」および「略３割」とは、±０．２割（即ち１．８割〜３．２割）まで含まれることを意味する。
【００４４】
噴射量については、要求トルクに応じて制御する他、エンジン３の負荷が低下するに伴い、パイロット燃焼を促進するためにメイン噴射量に対するパイロット噴射量の比（以下、「パイロット噴射量比」という）を高く制御するのが好ましい。また、パイロット噴射量比の増加に伴い、パイロット噴射圧比を高めるのが好ましい。
【００４５】
高負荷運転状態判定部は、エンジン３が所定の高負荷運転状態であるか否かを判定する。例えば、前回噴射された噴射量が所定の噴射量以上である場合には、高負荷運転状態であると判定する。
噴射量は、エンジン３により駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出する図示しないアクセルセンサからの検出信号に基づいて、ＥＣＵ１０により算出される。また、所定の噴射量は、シングルパイロット噴射によっては、パイロット燃焼時およびメイン燃焼時双方における最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘを低減することができなくなるときの噴射量に設定される。
【００４６】
また、高負荷運転状態判定部は、例えば所定の過給圧以上の高過給領域にある場合には、エンジン３は所定の高負荷運転状態であると判定する。
上記の過給圧は、吸気管７Ｂ内に設けられた図示しない過給圧センサにより検出される。また、所定の過給圧は、シングルパイロット噴射によっては、パイロット燃焼時およびメイン燃焼時双方における最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘを低減することができなくなるときの過給圧に設定される。
【００４７】
以上のような構成を備える本実施形態の燃料噴射制御装置１によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、隣接する噴孔５１３からパイロット噴射されて生成し、スワール流によって流動した既燃ガスと、メイン噴射で高圧噴射された燃料とが重畳するように、それぞれの噴射時期を制御した。
これにより、パイロット燃焼することにより生成した既燃ガスによって雰囲気温度が上昇することで、メイン噴射された燃料の着火が促進され、拡散燃焼主体の燃焼形態を呈する。このため、シリンダ内の未燃燃料がある時期に一気に着火して急激に圧力が上昇し、燃焼騒音が増大するのを回避できる。
また、既燃ガスと高圧にてメイン噴射された燃料とを重畳させるため、メイン燃焼する期間中において、混合気をリッチからリーンへと推移させて、燃焼の進行とともに混合気を均質化させることができる。このため、圧力上昇による燃焼騒音を低減できると同時に、煤の発生量を低減できる。
【００４８】
ところで、パイロット噴射の噴射圧は、メイン燃焼時における圧力上昇および煤の発生量と高い相関がある。具体的には、パイロット噴射圧が高すぎる場合には、パイロット噴射された燃料が燃焼室３７の壁面に衝突して分散が促進され、パイロット噴射により生成した既燃ガスとメイン噴射された燃料との重なり度合が小さくなる。このため、メイン燃焼時における圧力上昇の抑制効果が十分に発揮されなくなる結果、圧力上昇が増大して燃焼騒音が増大する。一方、パイロット噴射圧が低すぎる場合には、メイン噴射された燃料が比較的大きな液滴として存在している燃料噴射弁５の近傍で、パイロット噴射により生成した既燃ガスとメイン噴射された燃料とが重畳して燃焼する結果、煤の発生量が増加する。
これに対して本実施形態では、パイロット噴射の噴射圧が、壁面に衝突するように設定されているメイン噴射の噴射圧よりも低い所定の範囲内となるように、それぞれの噴射圧を制御した。これにより、パイロット噴射された燃料が燃焼室３７の壁面に衝突するのを抑制でき、且つ燃料噴射弁５からある程度離れた領域に漂うように制御できる。従って、上記のような不具合を回避でき、メイン燃焼時の圧力上昇による燃焼騒音および煤の発生量をより低減できる。
【００４９】
また、本実施形態では、パイロット噴射圧比がエンジン３の負荷の増加に伴い低下するように、それぞれの噴射圧を制御した。ここで、パイロット噴射時におけるエンジン３の負荷は、例えば低過給条件や高ＥＧＲ条件などでは酸素分圧が低い低負荷状態にあり、このような場合には、パイロット噴射された燃料の燃焼が十分に進行せず、メイン燃焼時の圧力上昇抑制効果が期待できない。そこで、本実施形態では、低負荷のときほど、パイロット噴射圧比を高めてパイロット燃焼を促進させ、エンジン３の負荷が増加するに伴い、パイロット噴射圧の比が低下するように噴射圧を制御するため、広い運転領域でメイン燃焼時の圧力上昇を抑制して、燃焼騒音を低減できる。
【００５０】
また、本実施形態では、エンジン３が高負荷運転状態ではない場合には、パイロット噴射としてシングルパイロット噴射を実行するとともに、メイン噴射の噴射圧に対するシングルパイロット噴射の噴射圧の比が略２割〜略３割の範囲内となるように、それぞれの噴射圧を制御した。
これにより、シングルパイロット噴射された燃料の到達距離が適切な範囲に制御されることで、燃料が燃焼室３７の壁面に衝突するのをより抑制でき、且つ燃料噴射弁５からある程度離れた領域に漂うように制御できる。従って、メイン燃焼時の圧力上昇による燃焼騒音および煤の発生量をより確実に低減できる。
【００５１】
また、本実施形態では、エンジン３が高負荷運転状態である場合には、第１パイロット噴射と第２パイロット噴射を順次行うダブルパイロット噴射を実行するように構成した。これにより、圧力上昇率が高い高負荷運転状態においてパイロット噴射を２回に分けて行うことで、パイロット噴射総量を低減することなく、パイロット燃焼時の圧力上昇を低減できる。また、パイロット噴射総量を維持できるため、メイン燃焼時の圧力上昇を低減でき、燃焼騒音を低減できる。
また、第１パイロット噴射により生成した既燃ガスと、第２パイロット噴射された燃料とが重畳し、且つ第２パイロット噴射により生成した既燃ガスと、メイン噴射で噴射された燃料とが重畳するように、それぞれの噴射時期を制御した。即ち、それぞれの噴射間隔を、前噴射の既燃ガスと噴射燃料とが重畳するように設定することにより、燃料噴射弁５からある程度離れた領域で、第１パイロット噴射と第２パイロット噴射との複合により生成した既燃ガスを、メイン噴射燃料と干渉させる構成とした。これにより、第１パイロット燃焼によって第２パイロット燃焼が促進され、かかる第２パイロット燃焼によってメイン燃焼が促進されるため、シリンダ内の未燃燃料がある時期に一気に着火して急激に圧力が上昇し、燃焼騒音が増大するのを回避できる。
【００５２】
また、本実施形態では、エンジン３の燃焼室３７を、３．３以上の大きなアスペクト比で構成した。これにより、燃料噴射弁５の先端から燃焼室３７の壁面までの距離が長くなり、パイロット噴射された燃料と燃焼室３７の壁面との干渉を緩和できる。このため、パイロット噴射された燃料の分散が抑制されて、パイロット噴射されて生成した既燃ガスとメイン噴射された燃料との重なり度合が大きくなる結果、メイン燃焼時における圧力上昇を抑制でき、燃焼騒音を抑制できる。即ち、パイロット噴射の噴射圧を低下させるのと同等の効果が得られる。
【００５３】
また、本実施形態では、燃焼室３７を形成するピストンリップ部３３５に段差３３７を設けて、段付き構造とした。これにより、段付き構造でない従来の燃焼室において、スキッシュエリア３３９で局所的に高濃度酸素領域が形成されて煤と残存酸素との混合が緩慢となる結果、煤の酸化、低減が不十分となる事態を回避できる。即ち、本実施形態の燃焼室３７では、高圧でメイン噴射された燃料と空気の混合気は、燃焼室３７の壁面に衝突した後、段差３３７が設けられたスキッシュエリア３３９に流出する際に、段差３３７で再度、壁面衝突する。このとき、ピストン３３周方向への混合気の分散が促進される一方で、半径方向への混合気の貫徹力が弱められる結果、高濃度酸素領域がシリンダライナー壁面に沿って層状に形成される。この高濃度酸素領域と、所謂逆スキッシュ流によって燃焼室３７から流入してくる残存酸素との間に煤が挟まれる格好となり、煤の酸化、低減が促進される。
【００５４】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
【００５５】
［検証］
パイロット噴射で生成した既燃ガスとメイン噴射で噴射された燃料とを重畳させるとともに、メイン噴射圧およびパイロット噴射圧を最適化することにより、燃焼時の圧力上昇による燃焼騒音および煤の発生量を低減できる点について、検証を行った。
具体的には、表１に示すような主要諸元の単気筒エンジンを用い、表２に示すような低負荷運転状態、中負荷運転状態および高負荷運転状態の３つの運転状態について、パイロット噴射で生成した既燃ガスとメイン噴射された燃料とが重畳するように噴射時期を設定したうえで、スワール比とパイロット噴射圧を変化させたときの燃焼時の最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘおよび煤発生量を調べた。結果を図５〜図７に示した。
【００５６】
【表１】
2012026412.tif 000003
【００５７】
【表２】
2012026412.tif 000004
【００５８】
図５は、低負荷運転状態における検証結果を示す図であり、（Ａ）がパイロット燃焼時における最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘのスワール比−パイロット噴射圧マップ図であり、（Ｂ）がメイン燃焼時における最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘのスワール比−パイロット噴射圧マップ図であり、（Ｃ）が煤発生度のスワール比−パイロット噴射圧マップ図である。図５の（Ｃ）は、気筒内で生じた煤の最大量で正規化して求めた煤発生度により作成したマップ図である。なお、以下の検証では、目標の燃焼騒音を達成可能な最大圧力上昇率を０．５ＭＰａ／°ＣＡとし、最大圧力上昇率が０．５ＭＰａ／°ＣＡ以下であり且つ煤発生量を低減できる領域（例えば、煤発生度が０．９以下）を好ましい領域とした。
【００５９】
図５の（Ａ）に示すように、低負荷運転状態では、全領域でパイロット燃焼時の最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘの値は０．５ＭＰａ／°ＣＡを下回っており、燃焼騒音の問題は生じなかった。また、図５の（Ｂ）に示すように、スワール比が大きく且つパイロット噴射圧が高いごく一部の領域を除いて、メイン燃焼時の最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘの値は０．５ＭＰａ／°ＣＡを下回っていた。また、図５の（Ｃ）に示すように、スワール比が２．１を下回り且つパイロット噴射圧が比較的低い領域と、スワール比が２．５を上回り且つパイロット噴射圧が低い一部の領域を除いて、煤の発生量を低減できることが判った。
以上の結果から、燃焼時の最大圧力上昇率が０．５ＭＰａ／°ＣＡであり、且つ煤の発生量を低減できる領域は、図５の（Ｂ）および（Ｃ）に示す破線領域内であることが判った。特に、スワール比が２．１〜２．５の領域であれば、燃焼騒音および煤の発生量を低減できることが判った。
【００６０】
次に、図６は、中負荷運転状態における検証結果を示す図であり、（Ａ）がパイロット燃焼時における最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘのスワール比−パイロット噴射圧マップ図であり、（Ｂ）がメイン燃焼時における最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘのスワール比−パイロット噴射圧マップ図であり、（Ｃ）が煤発生度のスワール比−パイロット噴射圧マップ図である。
図６の（Ａ）に示すように、中負荷運転状態では、パイロット噴射圧が高い一部の領域を除いて、パイロット噴射時の最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘの値は０．５ＭＰａ／°ＣＡを下回っていた。また、図６の（Ｂ）に示すように、メイン燃焼時の最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘの値が０．５ＭＰａ／°ＣＡを下回っていたのは、スワール比が２．１〜２．５であり且つパイロット噴射圧が７５ＭＰａ以下の領域であった。また、図６の（Ｃ）に示すように、スワール比が約２を下回る領域と、パイロット噴射圧が４５ＭＰａを下回る領域（ただし、スワール比が３．１以上の領域を除く）を除いて、煤の発生量を低減できることが判った。
以上の結果から、燃焼時の最大圧力上昇率が０．５ＭＰａ／°ＣＡであり、且つ煤の発生量を低減できる領域は、図６の（Ｂ）および（Ｃ）に示す破線領域内であることが判った。具体的には、スワール比が約２．１〜２．５であり且つパイロット噴射圧が４５ＭＰａ〜７５ＭＰａ（パイロット噴射圧比が略２割〜略３割）の領域であることが判った。
【００６１】
次に、図７は、高負荷運転状態における検証結果を示す図であり、（Ａ）がパイロット燃焼時における最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘのスワール比−パイロット噴射圧マップ図であり、（Ｂ）がメイン燃焼時における最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘのスワール比−パイロット噴射圧マップ図であり、（Ｃ）が煤発生度のスワール比−パイロット噴射圧マップ図である。
図７の（Ａ）に示すように、高負荷運転状態では、上記の低負荷運転状態および中負荷運転状態に比して、全領域でパイロット燃焼時の最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘが大きく、ほぼ全領域で０．５ＭＰａ／°ＣＡを上回っていた。この結果から、高負荷運転状態では、シングルパイロット噴射を実行すると、パイロット燃焼時に燃焼騒音の問題が生じてしまうことが判った。従って、高負荷運転状態では、ダブルパイロット噴射を行うことが有効であることが示唆された。
また、メイン燃焼時の最大圧力上昇率が０．５ＭＰａ／°ＣＡ以下であり、且つ煤の発生量を低減できる領域は、図７の（Ｂ）および（Ｃ）に示す破線領域内であることが示唆された。
【００６２】
以上の検証結果をまとめると、シングルパイロット噴射では燃焼騒音の問題が生じてしまう高負荷運転状態を除いて、低負荷運転状態および中負荷運転状態では、スワール比が約２．１〜２．５であり且つパイロット噴射圧比が略２割〜略３割の領域であれば、メイン燃焼時の最大圧力上昇率が０．５ＭＰａ／°ＣＡ以下であり且つ煤の発生量を低減できることが検証された。
なお、上記のスワール比２．１〜２．５は、上記実施形態および上記検証に用いた浅皿形燃焼室の好ましいスワール比として通常採用されるスワール比である。このため、ＮＯｘを低減可能な上死点近傍における低温燃焼において、積極的にスワール比を制御することなく、シングルパイロット噴射圧比を略２割〜略３割に制御することにより、燃焼騒音および煤の発生量を低減できると言える。
【００６３】
次に、上記で検証された燃焼騒音および煤発生量の同時低減が可能な領域において、噴射圧と噴射量との関係について検証を行った。
表３は、上記で検証された燃焼騒音および煤発生量の同時低減が可能な領域において、パイロット噴射の噴射圧および噴射量と、メイン噴射の噴射圧および噴射量の一例を示したものである。なお、高負荷運転状態については、第１パイロット噴射と第２パイロット噴射を順次行うダブルパイロット噴射を行った例を示したものであり、第１パイロット噴射により生成した既燃ガスと第２パイロット噴射で噴射された燃料とが重畳し、且つ第２パイロット噴射により生成した既燃ガスとメイン噴射で噴射された燃料とが重畳するように噴射時期を設定した例を示したものである。
【００６４】
【表３】
2012026412.tif 000005
【００６５】
図８は、表３に示したデータに基づいた、メイン噴射圧に対するパイロット噴射圧の比とメイン噴射量との関係を示す図である。図８に示すように、メイン噴射圧に対してパイロット噴射圧を低く設定するとともに、メイン噴射量が増加するに伴い、メイン噴射圧に対するパイロット噴射圧の比を低く設定することにより、燃焼騒音および煤発生量の同時低減が可能であることが判る。ここで、図８では、メイン噴射量が大きいほどエンジンは高負荷運転状態にあることを意味し、メイン噴射量が小さいほど低負荷運転状態にあることを意味する。従って、エンジンの負荷が増加するに伴い、メイン噴射圧に対するパイロット噴射圧の比を低く設定することにより、燃焼騒音および煤発生量の同時低減が可能であることが判る。
なお、ダブルパイロット噴射を行った高負荷運転状態では、メイン噴射量が増加するに伴い、メイン噴射圧に対する第１パイロット噴射圧の比を低く設定するとともに、メイン噴射圧に対する第２パイロット噴射圧の比を低く設定することにより、燃焼騒音および煤発生量の同時低減が可能であることが判る。
【００６６】
また、図９は、表３に示したデータに基づいた、パイロット噴射量比とメイン噴射量との関係を示す図である。図９に示すように、メイン噴射量が低下するに伴い、パイロット噴射量比を高く設定することにより、燃焼騒音および煤発生量の同時低減が可能であることが判る。即ち、エンジンの負荷が低下するに伴い、パイロット噴射量比を高く設定することにより、燃焼騒音および煤発生量の同時低減が可能であることが判る。これは、低過給運転や高ＥＧＲ運転などの酸素分圧の低い低負荷運転状態では、パイロット噴射量が少量であるとパイロット燃焼せずにメイン燃焼と同時に燃焼して圧力上昇を抑制できないところ、パイロット噴射量比を高めてパイロット燃焼を発生させるためである。なお、図８および図９から、パイロット噴射量比の増加に伴い、パイロット噴射圧比を高めるのが好ましいことが判る。
【００６７】
次に、燃焼室のアスペクト比を３．３以上に設定することにより、燃焼騒音をより低減できる点について、検証を行った。
具体的には、上述の単気筒エンジンにおいて、燃焼室のアスペクト比を変化させたときのメイン燃焼時における最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘを調べた。パイロット噴射およびメイン噴射の噴射条件は、表３の中負荷運転状態の噴射条件と同一とした。
【００６８】
図１０は、燃焼室のアスペクト比を変化させたときのメイン燃焼時における最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘを示す図であり、（Ａ）がアスペクト比が３．３のときのものであり、（Ｂ）がアスペクト比２．９のときのものである。これらの図から、燃焼室のアスペクト比が３．３のときに、最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘを、目標の燃焼騒音を達成可能な上限値０．５ＭＰａ／°ＣＡを下回ることができ、アスペクト比が３．３を下回ると、最大圧力上昇率（ｄｐ／ｄθ）ｍａｘが０．５ＭＰａ／°ＣＡを超えてしまうことが判る。この結果から、燃焼室のアスペクト比を３．３以上に設定することにより、燃焼騒音をより低減できることが検証された。
【符号の説明】
【００６９】
１…燃料噴射制御装置
３…エンジン（内燃機関）
５…燃料噴射弁
１０…ＥＣＵ（パイロット噴射手段、スワール手段、メイン噴射手段、燃料噴射制御手段、高負荷運転状態判定手段）
３３…ピストン
３７…燃焼室
７３…スワール制御弁（スワール手段）
３３５…ピストンリップ部
３３７…段差（段付き構造）
５１３…噴孔
【図１】
2012026412.tif 000006
【図２】
2012026412.tif 000007
【図３】
2012026412.tif 000008
【図４】
2012026412.tif 000009
【図８】
2012026412.tif 000010
【図９】
2012026412.tif 000011
【図１０】
2012026412.tif 000012
【図５】
2012026412.tif 000013
【図６】
2012026412.tif 000014
【図７】
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