(57)【要約】【課題】スモークの発生量を低減しつつ冷却損失を低減する。【解決手段】ピストンの上面を凹ませて形成されるキャビティ内に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸気通路で開度を変化させることでスワール速度を変化させるスワールコントロールバルブと、内燃機関の運転状態を取得する取得手段と、取得手段により取得される内燃機関の運転状態においてスキッシュエリアでの当量比が２よりも小さい範囲で燃焼ガスからピストンへ移動する熱が最小となるようにスワールコントロールバルブの開度を制御する制御手段と、を備える。【選択図】図６
2016142259.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの上面を凹ませて形成されるキャビティ内に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸気通路で開度を変化させることでスワール速度を変化させるスワールコントロールバルブと、内燃機関の運転状態を取得する取得手段と、を備える内燃機関を制御する内燃機関の制御装置において、
前記取得手段により取得される前記内燃機関の運転状態においてスキッシュエリアでの当量比が２よりも小さい範囲で燃焼ガスからピストンへ移動する熱が最小となるように前記スワールコントロールバルブの開度を制御する制御手段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】
スワール速度を調整するスワールコントロールバルブを備えた内燃機関において、キャビティ外に漏出する燃料が所定量以上のときにスワール速度を速くすることでキャビティ外に燃料が漏出することを抑制してスモークの発生量を低減することが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−０３１７７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、スワール速度が変化すると、燃焼ガスからピストンへ移動する熱の量も変化する。すなわち、スワール速度によって、冷却損失が変化する。したがって、スワール速度を変化させることにより、燃費が悪化する虞がある。
【０００５】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、スモークの発生量を低減しつつ冷却損失を低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を達成するために本発明による内燃機関の制御装置は、ピストンの上面を凹ませて形成されるキャビティ内に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸気通路で開度を変化させることでスワール速度を変化させるスワールコントロールバルブと、内燃機関の運転状態を取得する取得手段と、を備える内燃機関を制御する内燃機関の制御装置において、前記取得手段により取得される前記内燃機関の運転状態においてスキッシュエリアでの当量比が２よりも小さい範囲で燃焼ガスからピストンへ移動する熱が最小となるように前記スワールコントロールバルブの開度を制御する制御手段を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、スモークの発生量を低減しつつ冷却損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例に係る内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】気筒の断面図である。
【図３】筒内ガス温度が一定の状態でモータリングを行ったときに回転速度（すなわち、流速）を変化させたときの回転速度の増加率と熱流束の増加率との関係を示した図である。
【図４】筒内の密度、比熱、粘度、及び速度を一定とし、ガス温度を変化させたときのガス温度の増加率と熱流束の増加率との関係を示した図である。
【図５】スワール比と、当量比ΦＯ、放熱量Ｑ、スモークの発生量と、の関係を示した図である。
【図６】実施例に係るスワールコントロールバルブの開度を制御するフローを示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１０】
（実施例１）
図１は、本実施例に係る内燃機関１の概略構成を示す図である。なお、本実施例においては、内燃機関１を簡潔に表示するため、一部の構成要素の表示を省略している。内燃機関１は、４つの気筒２を有するディーゼル機関である。
【００１１】
各気筒２には、夫々ピストン３が備わる。ピストン３の上面には、ピストン内部に向かって凹むキャビティ３２が形成されている。内燃機関１の各気筒２には、気筒２内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁４が設けられている。各燃料噴射弁４は、燃料を所定圧まで蓄圧するコモンレール５と接続されている。
【００１２】
前記コモンレール５は、燃料供給管６を介して燃料ポンプ７と連通している。この燃料ポンプ７は、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）またはカムシャフトの回転トルクを駆動源として作動するポンプである。なお、燃料ポンプ７における燃料の圧縮率を変化させることにより、コモンレール５内の燃料の圧力を調整することができる。また、燃料の圧力を調整する機構をコモンレール５に設けてもよい。
【００１３】
また、内燃機関１には、吸気管８及び排気管９が接続されている。吸気管８には、該吸気管８内を流通する空気の流量を調整するスロットル１０が設けられている。本実施例に係る内燃機関１は、各気筒２に吸気ポートが２つ備わり、各吸気ポートに吸気管８１，８２が接続されている。すなわち、各気筒２に接続される吸気管８は、２つに分かれている。そして、各気筒２の一方の吸気管８１には、吸気の流量を調整するスワールコントロールバルブ１２が設けられている。このスワールコントロールバルブ１２を閉じると、該スワールコントロールバルブ１２が設けられている一方の吸気管８１内の空気の流量が減少し、他方の吸気管８２内を流れる空気の流量が増加する。これにより、気筒２内に流入する吸気の勢いが増すと共に、吸気の流入する箇所が偏るので、気筒２内のスワールが強くなる。スワールコントロールバルブ１２の開度は、後述するＥＣＵ２０により調整される。スワールコントロールバルブ１２の開度を小さくするほど、スワール速度が速くなる。
【００１４】
内燃機関１には、該内燃機関１の冷却水温度を測定する水温センサ５１が取り付けられている。また、内燃機関１には、機関回転速度を検知するクランクポジションセンサ５２が取り付けられている。さらに、コモンレール５には、該コモンレール５内の燃料の圧力を測定する燃圧センサ５３が取り付けられている。また、スロットル１０よりも上流の吸気管８には、該吸気管８内を流通する空気の流量を測定するエアフローメータ５４が設けられている。
【００１５】
内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御装置であるＥＣＵ２０が併設されている。このＥＣＵ２０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１を制御する。ＥＣＵ２０には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル１１を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検知するアクセル開度センサ５５が電気配線を介して接続されている。そして、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ２０に入力される。一方、ＥＣＵ２０には、燃料噴射弁４、燃料ポンプ７、スワールコントロールバルブ１２が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ２０によりこれらの機器が制御される。
【００１６】
例えば、ＥＣＵ２０は、内燃機関１の運転状態（例えば機関回転速度及びアクセル開度）に基づいて、燃料噴射弁４からの燃料噴射量及び燃料噴射時期、燃圧を決定する。なお、内燃機関１の運転状態と、燃料噴射量及び燃料噴射時期、燃圧と、の関係は、予め実験等により求めてマップ化され、ＥＣＵ２０に記憶されている。
【００１７】
ここで、図２は、気筒２の断面図である。燃料噴射弁４は、内燃機関１のシリンダヘッド６１に取り付けられている。また、燃料噴射弁４は、気筒２の中心軸上に設けられる。ピストン３には、該ピストン３の上面３１からピストン３の内部に向かって凹むキャビティ３２が形成されている。なお、本実施例に係るピストン３は、オープントロイダル型のキャビティが用いられるが、キャビティの形状はこれに限らない。
【００１８】
燃料噴射弁４は、キャビティ壁面３３に向かって燃料を噴射する。燃料噴射弁４から噴射された燃料は、キャビティ壁面３３に衝突する。ここで、燃料を噴射したときに燃料が存在する範囲を燃料噴霧３４として表す。また、燃料噴霧３４の中心軸を、噴射軸３５とする。噴射軸３５は、燃料噴射弁４からキャビティ壁面３３まで直線的に延びる。なお、噴射軸３５方向における燃料噴射弁４の噴孔からキャビティ壁面３３までの距離を「噴射弁壁面間距離ＬＷ」とする。また、噴射軸３５とキャビティ壁面３３とのなす角を「壁面衝突角度θＷ」とする。さらに、噴射軸３５とキャビティ壁面３３との交点から、燃料噴霧３４がピストン壁面（キャビティ壁面３３及びピストン上面３１）に沿って移動した距離を「沿面距離ＬＴ」とする。キャビティ壁面３３とピストン上面３１との交点を、「リップ部３３Ａ」とする。リップ部３３Ａは、ピストン３の上面の内縁である。
【００１９】
ＥＣＵ２０は、筒内状態（気筒２内の密度（筒内密度）及び気筒２内の圧力（筒内圧力））、及び、ピストン３の位置（ピストン位置）、を算出する。ピストン位置は、クランクポジションセンサ５２により求めることができる。また、筒内密度及び筒内圧力は、ピストン位置及び吸入空気量に基づいて算出することができる。吸入空気量は、エアフローメータ５４により求められる。
【００２０】
また、ＥＣＵ２０は、機関回転速度及び吸入空気量等からスワール速度を算出する。スワール速度は、スワールの角速度、又は、キャビティ壁面３３に沿って流れる空気の速度としてもよい。スワール速度と、機関回転速度及び吸入空気量との関係は、予め実験又はシミュレーションなどにより求めておき、ＥＣＵ２０に記憶させておく。また、ＥＣＵ２０は、スワール速度と機関回転速度との比であるスワール比を算出する。
【００２１】
さらに、ＥＣＵ２０は、クランク角毎の燃焼ガス温度を算出する。この燃焼ガス温度は、例えば、周知技術（例えば二領域モデルによるディーゼル燃焼解析、日本機械学会論文集、１８４５−１８５１頁（１９９４））を用いて、クランク角毎の火炎温度（燃焼ガス温度）を算出することで求めることができる。周知技術である二領域モデルを用いた燃焼ガス温度の算出方法について以下に記す。二領域モデルとは、気筒２内を未燃領域と燃焼領域とに分け、各領域は均質で断熱されていると仮定し、内部エネルギと状態方程式とを用いて燃焼領域の温度を算出する手法である。任意のクランク角θにおける気筒２内に存在するガスの総重量Ｇｃ（θ）は以下の式（１）に示すように、気筒２内に吸入された新気の空気重量Ｇａと、気筒２内に残留したガス重量Ｇｒと、修正噴射率の積算燃料重量Ｇｉ（θ）の総和と仮定する。なお、修正噴射率とは、受熱率から算出した積算燃料重量Ｇｆ（θ）と実噴射量との比を用いて実噴射量を修正した値とする。燃焼領域のガス重量Ｇｂ（θ）は実際に燃焼した、つまり受熱率から算出した積算燃料重量Ｇｆ（θ）と、燃焼に寄与したガスの重量との和になるため、理論空気量Ｌｔｈ、空気過剰率λ（θ）を用いると、以下の式（２）で表される。未燃領域のガス重量Ｇｕ（θ）は、気筒２内におけるガスの総重量Ｇｃ（θ）と燃焼領域のガス重量Ｇｂ（θ）との差になり、以下の式（３）で表される。
Ｇｃ（θ）＝Ｇａ＋Ｇｒ＋Ｇｉ（θ）・・・式（１）
Ｇｂ（θ）＝｛１＋λ（θ）Ｌｔｈ｝Ｇｆ（θ）・・・式（２）
Ｇｕ（θ）＝Ｇｃ（θ）−Ｇｂ（θ）・・・式（３）
ガス定数Ｒを用いると、気筒２内の平均ガス温度Ｔｃは、状態方程式から以下の式（４）となる。未燃領域と燃焼領域とは断熱されていると仮定しているため、未燃領域のガス温度Ｔｕは着火前の圧力Ｐ０、温度Ｔ０、比熱比κを用いると、以下の式（５）で表される。定容比熱を一定と仮定すると、気筒２内のガスの内部エネルギの総和の式（以下の式（６））より、燃焼領域の温度（燃焼ガス温度）Ｔｂは以下の式（７）で求められる。
【数１】
2016142259.tif 000003
【００２２】
次に、ＥＣＵ２０は、燃料噴射に関する初期値を読み込む。このときには、燃料噴射時期、燃料噴射量、コモンレール圧が読み込まれる。燃料噴射時期及び燃料噴射量は、内燃機関１の運転状態とＥＣＵ２０が記憶しているマップとから求められる。また、コモンレール圧は、燃圧センサ５３により求められる。
【００２３】
そして、ＥＣＵ２０は、前記筒内状態と、前記燃料噴射に関する初期値と、から噴霧特性（噴霧到達可能距離ＬＳ、噴射時間）を算出する。噴霧到達可能距離ＬＳとは、キャビティ壁面３３が無いと仮定したときに、燃料噴射弁４から噴射された燃料が到達する距離であり、スワールを考慮した値を予め実験またはシミュレーション等により求めておく。また、噴霧到達可能距離ＬＳは、例えば周知の廣安の式などを用いて算出することもできる。例えば、噴射圧力と気筒２内の雰囲気圧力との差をΔＰ、気筒２内の雰囲気密度をρａ、燃料噴射弁４の噴孔径をｄ０、噴射開始からの時間をｔ、実験値との補正係数をｂとすると、周知の廣安の式を用い、以下の式（８）から噴霧到達可能距離ＬＳを算出することもできる。
【数２】
2016142259.tif 000004
噴射時間は、燃料噴射の開始から終了までの時間である。これらの値を予め実験等により求めてマップ化してＥＣＵ２０に記憶させておいてもよく、これらの値を求める計算式をＥＣＵ２０に記憶させておいてもよい。
【００２４】
さらに、機関回転速度と、前記噴霧特性と、キャビティ壁面３３の座標情報に基づいて、壁面衝突条件（噴射弁壁面間距離ＬＷ、壁面衝突角度θＷ、沿面距離ＬＴ）を算出する。燃料噴射弁４の座標を原点とし、各クランク角におけるキャビティ壁面３３の座標情報を予めＥＣＵ２０に記憶しておく。燃料噴射弁４から噴射軸方向に引いた直線とキャビテ
ィ壁面３３との交点の座標を（ｘ、ｙ）とすると、噴射弁壁面間距離ＬＷは、以下の式（９）と定義する。
【数３】
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壁面衝突角度θＷは、キャビティ壁面３３の座標情報と燃料噴射弁４の噴射方向とから幾何学的に算出する。
【００２５】
ここで、噴射弁壁面間距離ＬＷは、ピストン３の移動に応じて変化する。したがって、時間の経過にしたがって、噴射弁壁面間距離ＬＷが変化する。また、噴霧到達可能距離ＬＳは、燃料噴射弁４からの燃料噴射量が多くなるほど、長くなる。したがって、噴射開始からの経過時間に応じて、噴霧到達可能距離ＬＳが変化する。
【００２６】
噴霧到達可能距離ＬＳと、噴射弁壁面間距離ＬＷと、を比較すると、噴霧到達可能距離ＬＳの最大値が、噴射弁壁面間距離ＬＷを超えない場合も起こり得る。この場合、燃料がキャビティ壁面３３に衝突しないため、燃料がキャビティ３２の外に漏出することが抑制される。このため、本実施例では、噴霧到達可能距離ＬＳの最大値が噴射弁壁面間距離ＬＷを超えるときに、燃料がキャビティ３２の外に漏出する虞があると考えてもよい。燃料噴霧３４がピストン壁面に沿って移動した距離である沿面距離ＬＴは、以下のように定義する。燃料噴霧３４は、キャビティ壁面３３に衝突後も燃料噴霧３４の貫徹力が維持され、衝突後はピストン壁面に沿って移動すると仮定する。よって、沿面距離ＬＴは、噴霧到達可能距離ＬＳから噴射弁壁面間距離ＬＷを減算した値として以下の式（１０）により求められる。
ＬＴ＝ＬＳ−ＬＷ・・・式（１０）
【００２７】
そして、ＥＣＵ２０は、キャビティ外３６に移動する燃料３７の質量であるキャビティ外燃料量ＭＦＯを算出する。ここでいうキャビティ外３６とは、図２の点線で囲まれた領域をいい、リップ部３３Ａよりもピストン３の外周側（気筒２の壁面側）で、且つ、ピストン上面３１とシリンダヘッド６１との間の領域である。なお、この領域は、スキッシュエリアともいえる。このキャビティ外３６に燃料が漏出し、このキャビティ外３６における当量比が、２以上になるとスモークが急増する。
【００２８】
キャビティ外燃料量ＭＦＯは、噴射特性や壁面衝突条件に応じて、予め実験またはシミュレーションで求めてＥＣＵ２０に記憶しておき、噴霧特性及び壁面衝突条件に基づいて算出することができる。また、モデルを用いて、キャビティ外燃料量ＭＦＯを算出してもよい。キャビティ外燃料量ＭＦＯの算出には、例えば、特開２０１４−０３１７７２号公報に記載の算出方法を用いることができる。燃料噴霧３４は、キャビティ壁面３３に衝突後、噴霧到達可能距離ＬＳが噴射弁壁面間距離ＬＷを超えた分の噴霧体積ＶＷは、キャビティ外３６の方向に移動するものと、キャビティ内に移動するものと、の２つに分かれると仮定する。キャビティ外３６の方向に移動する燃料の体積をＶＣとすると、噴霧到達可能距離ＬＳが噴射弁壁面間距離ＬＷを超えた分の噴霧体積ＶＷと壁面衝突角度θＷにより、以下の式（１１）の関係が成り立つ。
ＶＣ＝Ａ・ＶＷ・θＷ・・・式（１１）
Ａは壁面衝突角度θＷに依存する係数であり、予め実験またはシミュレーション等にて求めておき、ＥＣＵ２０に記憶しておく。燃料噴霧３４がキャビティ壁面３３に衝突後も、燃料噴霧３４の貫徹力が維持されるとすると、噴射弁壁面間距離ＬＷと、衝突位置から燃料噴霧の先端までの距離（すなわち、沿面距離ＬＴ）との和は、噴霧到達可能距離ＬＳに等しい。また、キャビティ壁面３３に衝突後の燃料噴霧は、一定の厚さ、一定の幅で移動すると仮定した場合、キャビティ外３６に移動する燃料３７の体積であるキャビティ外
燃料体積ＶＯは、以下の式（１２）で表される。なお、ＬＬは衝突位置から、キャビティ壁面３３とピストン上面３１との交点であるリップ部３３Ａまでの距離とする。式（１２）に燃料密度ρｆを乗じることで、キャビティ外燃料量ＭＦＯは、以下の式（１３）により求められる。
ＶＯ＝ＶＣ｛（ＬＴ−ＬＬ）／ＬＴ）｝・・・式（１２）
ＭＦＯ＝ρｆ・ＶＯ・・・式（１３）
【００２９】
次に、キャビティ外３６に存在する空気の質量であるキャビティ外空気量ＭＡＯを、例えば、特開２０１４−０３１７７２号公報に記載の算出式を用いて求める。気筒２内の空気質量は、気筒２内の空気の流量や燃焼によらず一定と仮定すると、１サイクル毎に各気筒２に吸入した空気質量ＭＡと、圧縮上死点におけるキャビティ外３６の体積ＶＣＯ及び気筒２内の体積ＶＦとから、キャビティ外空気量ＭＡＯは、以下の式（１４）で求められる。ただし、気筒２内の体積ＶＦは、気筒２内に吸入された空気が行き渡る範囲の体積であり、キャビティ３２の体積と、ピストン上面３１とシリンダヘッド６１との間の体積と、を合わせた体積である。
ＭＡＯ＝ＭＡ・ＶＣＯ／ＶＦ・・・式（１４）
よって、キャビティ外燃料量ＭＦＯとキャビティ外空気量ＭＡＯ及び、理論空燃比ＡＦｔｈを用いることで、キャビティ外３６における当量比ΦＯは以下の式（１５）で求められる。
【数４】
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【００３０】
次に、ＥＣＵ２０は、燃料噴霧からピストン３に移動する熱の量（以下、放熱量Ｑとする。）を算出する。放熱量Ｑは、熱流束と、燃料噴霧が燃焼室壁面に付着した面積と、の積で表される。熱流束は、気筒２内の密度、比熱、粘度、速度で決まる熱伝達率と、火炎と壁面との温度勾配との積となる。ここで、図３は、筒内ガス温度が一定の状態でモータリングを行ったときに回転速度（すなわち、流速）を変化させたときの回転速度の増加率と熱流束の増加率との関係を示した図である。気筒２内の密度、比熱、粘度、及び温度が一定ならば、熱流束は流速に依存し、以下の式（１６）に示すように平板乱流流れと同様に速度の０．８乗に比例することが分かる。
ｄｑ＝Ｂ・ｄＶ０．８・・・式（１６）
ただし、ｄｑは熱流束の増加率、ｄＶは速度の増加率、Ｂは定数である。
【００３１】
また、図４は、筒内の密度、比熱、粘度、及び速度を一定とし、ガス温度を変化させたときのガス温度の増加率と熱流束の増加率との関係を示した図である。ピストン壁面の温度は、筒内ガス温度と比較して十分に小さいため、以下の式（１７）で示すように熱流束は筒内ガス温度に比例して増加することが判明した。
ｄｑｉ＝Ｃ・ｄＴ・・・式（１７）
ただし、ｄＴはガス温度の増加率、Ｃは定数である。
以上より、筒内の密度、比熱、粘度が同じであれば、内燃機関１においても熱流束は速度の０．８乗と筒内ガス温度との積で表すことができるといえる。よって、以下の式（１８）に示すようにクランク角毎に算出した火炎温度Ｔとスワール速度Ｖとを用いて熱流束を求め、この熱流束に、火炎がピストン壁面に接触する面積Ｓを乗じ、これを時間積分することで、放熱量Ｑを算出することができる。
【数５】
2016142259.tif 000007
なお、計算を簡便化するため、本実施例では１次元モデルとし、噴霧の接触面積Ｓの代わりに、沿面距離ＬＴを代表値とし、以下の式（１９）で放熱量を算出する。
【数６】
2016142259.tif 000008
【００３２】
さらに、ＥＣＵ２０は、キャビティ外３６の当量比ΦＯ及び放熱量Ｑを算出した後に、スワールコントロールバルブ１２の開度を増加させることでスワール比を小さくする。図５は、スワール比と、当量比ΦＯ、放熱量Ｑ、スモークの発生量と、の関係を示した図である。放熱量Ｑには極大値が存在し、スワール比が放熱量Ｑの極大値となるスワール比よりも大きくなると、燃料噴霧の気筒２の直径方向への拡散が妨げられるため、混合気及び火炎が気筒２の中心軸側に多く存在することになる。このため、ピストン壁面に接触する火炎の面積は小さくなるが、燃焼ガスの流速の増加に伴って温度境界層が薄くなるために熱伝達率が増加する。結果として、放熱量Ｑは減少する。一方、スワール比が放熱量Ｑの極大値となるスワール比よりも小さくなると、燃料噴霧が気筒２の直径方向へ拡散するため、ピストン壁面に接触する火炎の面積が大きくなるが、燃焼ガスの流速が減少することで熱伝達率が減少する。結果として、放熱量Ｑは減少する。ただし、スワール比を小さくしていくと、燃焼ガスの流速の減少による熱伝達率の減少の影響よりも、ピストン壁面に接する火炎面積の増加の影響のほうが大きくなり、結果として、放熱量Ｑが増加する。以上より、放熱量Ｑは、スワール比の変化に伴う燃焼ガスの流速の変化量と、燃料噴霧の拡散に伴うピストン３と火炎との接触面積の変化量と、によって決まる。
【００３３】
また、図５においてスワール比とスモークの発生量との関係を見ると、スモークの発生量には極小値が存在することが分かる。スモークの発生量が極小値になるスワール比では、燃料噴霧がスキッシュエリア（すなわち、キャビティ外３６）にも拡散し、キャビティ外３６に残存している酸素を有効活用している。このため、スモークの発生量が少ない。スモークの発生量が極小値になるスワール比よりもスワール比が増加すると、混合気が燃焼室中心側に偏るため、燃焼室内で局所的に当量比が増加することでスモークの発生量が増加する。一方、スモークの発生量が極小値になるスワール比よりもスワール比が小さくなると、より多くの燃料がスキッシュエリアに到達し、キャビティ外３６の当量比ΦＯが増加するため、スモークの発生量が増加する。一般的に、局所当量比が２以上になるとスモークの発生量が急激に増加する。
【００３４】
ここで、特開２０１４−０３１７７２号公報には、スキッシュエリアの当量比が２よりも小さくなるように、スキッシュエリアに拡散する燃料噴霧の量をスワールコントロールバルブ１２によって制御している。ただし、図５で説明したように、放熱量Ｑは熱伝達率及び火炎の配置によって大きく変わり、スキッシュエリアの当量比が２よりも小さくなるスワール比が、必ずしも冷却損失（放熱量Ｑ）を最小にするスワール比であるとは限らない。
【００３５】
そこで本実施例では、キャビティ外３６の当量比ΦＯに加えて、ピストン３への放熱量Ｑも加味して制御を実施することで、スモークの発生を抑制し且つ放熱量Ｑ（すなわち、冷却損失）を低減させる。このため、スワールコントロールバルブ１２の開度を増加させることでスワール比を小さくし、スワール比を小さくする前の放熱量と、スワール比を小さくした後の放熱量とを比較する。スワール比を小さくしたことによるピストン壁面への燃料噴霧の付着面積の増加の影響が、スワール比を小さくしたことによる熱伝達率の減少の影響よりも小さければ、スワール比を小さくしたときに放熱量Ｑは小さくなる。このときに、キャビティ外３６の当量比ΦＯが２よりも小さいか否か判定する。キャビティ外３６の当量比ΦＯが２よりも小さく、且つ、放熱量Ｑが減少していれば、スワール比の低減
により更なる冷却損失とスモークの発生量の低減とを見込めるため、スワール比をさらに小さくする。このように、スワール比を徐々に小さくしていき、スワール比を変更する前よりも後のほうが放熱量Ｑが大きくなった場合、又は、キャビティ外３６の当量比ΦＯが２以上になった場合に、スワールコントロールバルブ１２の開度を１回前の状態に戻す。以上により、スモークの発生を抑制し得る当量比ΦＯの範囲で、ピストン３への放熱量Ｑ（すなわち、冷却損失）が最も少なくなるような、スワールコントロールバルブ１２の開度を制御することができる。これにより、燃費とエミッションとの両立をはかることができる。
【００３６】
図６は、本実施例に係るスワールコントロールバルブ１２の開度を制御するフローを示したフローチャートである。本フローチャートは、ＥＣＵ２０により所定の時間毎に実行される。なお、本フローチャートを実行するＥＣＵ２０が、本発明における制御手段に相当する。
【００３７】
ステップＳ１０１では、内燃機関１の運転状態が読み込まれる。本ステップでは、以降の処理に必要となる内燃機関１の運転状態が読み込まれる。例えば、水温センサ５１、クランクポジションセンサ５２、アクセル開度センサ５５の測定値が読み込まれる。なお、本実施例ではこれらのセンサが、本発明における取得手段に相当する。
【００３８】
ステップＳ１０２では、カウンタｎに１が代入される。カウンタｎは、スワールコントロールバルブ１２の開度を変化させる回数をカウントするためのカウンタである。
【００３９】
ステップＳ１０３では、スワールコントロールバルブ１２の開度が初期の開度Ｖｎに設定される。初期の開度Ｖｎは、予め実験またはシミュレーション等により最適値を求めておく。
【００４０】
ステップＳ１０４では、筒内状態が算出される。すなわち、気筒２内の密度及び気筒２内の圧力が算出される。併せて、ピストン３の位置が算出される。
【００４１】
ステップＳ１０５では、スワール速度が算出される。スワール速度は、スワールコントロールバルブ１２の開度と、内燃機関１の運転状態と、に関連付けて予め実験又はシミュレーションにより求めておいてもよい。
【００４２】
ステップＳ１０６では、燃焼ガス温度が算出される。燃焼ガス温度の算出には周知の式が用いられる。
【００４３】
ステップＳ１０７では、ステップＳ１０２で算出される筒内状態に基づいて、噴霧到達可能距離ＬＳが算出される。噴霧到達可能距離ＬＳは、予め実験またはシミュレーション等により求めておくことができる。
【００４４】
ステップＳ１０８では、ステップＳ１０１で読み込まれる機関運転状態と、ＥＣＵ２０に記憶されているキャビティ壁面３３の座標情報と、に基づいて、壁面衝突条件が算出される。すなわち、噴射弁壁面間距離ＬＷ、壁面衝突角度θＷ、沿面距離ＬＴが算出される。これらの関係は、予め実験またはシミュレーション等により求めておくことができる。
【００４５】
ステップＳ１０９では、キャビティ外燃料量ＭＦＯが算出される。このキャビティ外燃料量ＭＦＯは、予め実験またはシミュレーションを行って求めた値を用いてもよいし、モデルを用いて算出してもよい。
【００４６】
ステップＳ１１０では、キャビティ外３６に存在する空気の質量であるキャビティ外空
気量ＭＡＯが算出される。すなわち、吸入空気の質量と、気筒２内の体積に対するキャビティ外３６の体積の比と、に基づいて、キャビティ外空気量ＭＡＯが算出される。
【００４７】
ステップＳ１１１では、ステップＳ１０９及びステップＳ１１０の処理結果に基づいて、キャビティ外３６の当量比ΦＯが算出される。
【００４８】
ステップＳ１１２では、ピストン３への放熱量Ｑが算出される。放熱量Ｑは、スワール速度の０．８乗に燃焼ガス温度を乗じて求めた熱流束と、燃料噴霧が燃焼室壁面に付着した距離である沿面距離ＬＴと、の積を時間積分することで算出できる。
【００４９】
ステップＳ１１３では、ｎ＝１であるか否か判定される。すなわち、初回の処理であるか否か判定される。本フローチャートでは少なくとも１回スワールコントロールバルブ１２の開度を増加させる必要がある。このため、本ステップＳ１１３では、まだスワールコントロールバルブ１２の開度を増加させていない状態であるか否か判定している。
【００５０】
ステップＳ１１３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１１６へ進む。一方、ステップＳ１１３で否定判定がなされた場合にはステップＳ１１４へ進む。ステップＳ１１４では、今回のステップＳ１１２で算出された放熱量Ｑｎが、前記のステップＳ１１２で算出された放熱量Ｑｎ−１よりも小さく、且つ、キャビティ外３６の当量比ΦＯが２よりも小さいか否か判定される。すなわち、スワールコントロールバルブ１２の開度を増加させたことにより放熱量Ｑが減少しており、且つ、スモークの発生量が問題のない当量比ΦＯの範囲内であるか否か判定される。ステップＳ１１４で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１１６へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１１５へ進む。
【００５１】
ステップＳ１１５では、スワールコントロールバルブ１２の開度を１回前の開度Ｖｎ−１に設定する。ステップＳ１１４で否定判定がなされたことにより、放熱量Ｑが増加したか、または、当量比ΦＯが２以上となっているため、１回前の開度Ｖｎ−１で当量比ΦＯが２よりも小さい範囲で放熱量Ｑが最も小さくなると考えられる。したがって、スワールコントロールバルブ１２の開度を１回前の開度Ｖｎ−１に設定することで、スモークの発生を抑制し得る範囲で冷却損失を最も低くすることができる。
【００５２】
一方、ステップＳ１１６では、ｎに１が加算され、その後にステップＳ１１７へ進み、スワールコントロールバルブ１２の開度が増加される。このときの増加量は、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。ステップＳ１１７の処理が終了すると、ステップＳ１０４へ戻る。これにより、ステップＳ１１４で否定判定がなされるまでは、スワールコントロールバルブ１２の開度が徐々に増加される。
【００５３】
以上説明したように本実施例によれば、スモークの発生量を低減できる当量比ΦＯの範囲で放熱量Ｑをより小さくすることができるため、スモークの発生を抑制しつつ燃費の悪化を抑制し得る。
【符号の説明】
【００５４】
１     内燃機関
２     気筒
３     ピストン
４     燃料噴射弁
５     コモンレール
６     燃料供給管
７     燃料ポンプ
８     吸気管
９     排気管
１０   スロットル
１１   アクセルペダル
１２   スワールコントロールバルブ
２０   ＥＣＵ
３２   キャビティ
３６   キャビティ外
５２   クランクポジションセンサ
５４   エアフローメータ
５５   アクセル開度センサ
８１   吸気管
８２   吸気管
【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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