(57)【要約】【課題】空燃比が小さい領域をより小さくし、煤の発生を抑制できる内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】燃焼室内に直接燃料を噴射するためのインジェクタを有する内燃機関の制御装置において、噴射により拡散する燃料が分布する領域の体積（燃焼領域）を算出する燃焼領域算出部と、噴射により拡散した燃料が分布する領域の目標の体積を算出する目標燃焼領域算出部と、前記燃焼領域と前記目標燃焼領域から噴射パラメータを補正する噴射パラメータ補正部を備える。【選択図】図５
2017219009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に直接燃料を噴射するためのインジェクタを有する内燃機関の制御装置において、
噴射により拡散する燃料が分布する領域の体積（燃焼領域）を算出する燃焼領域算出部と、噴射により拡散した燃料が分布する領域の目標の体積を算出する目標燃焼領域算出部と、前記燃焼領域と前記目標燃焼領域から噴射パラメータを補正する噴射パラメータ補正部を備えることを特徴とす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】
一般に断熱層は熱を受ける面の反対の面から熱を放出させにくいため、断熱層を設けている領域は、断熱層を設けていない領域に比べ高温になりやすい。また、燃料噴射弁から噴射された燃料が直接壁面と衝突する領域は、燃料の濃度が高い（空燃比の小さい）混合気になりやすい。特許文献１には、直噴式の燃料噴射弁を備える内燃機関の燃焼室の壁面にセラミックなどによる断熱層を形成して燃料の霧化を促進する際に、燃料噴射弁から噴射された燃料が直接壁面に衝突する領域には、断熱層を形成しないようにしている（図１（ａ）参照）。これにより、空燃比の小さい混合気が直接高温の雰囲気に曝されて燃焼する領域が小さくなるので、煤の発生を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２１５２４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、燃料噴射弁から噴射された燃料が直接衝突する領域に、断熱層を形成しないことで、煤の発生を抑制しているが、断熱層が形成されている領域にて、空燃比が小さい領域が発生した場合は、依然として煤の発生を抑制できない（図１（ｂ）参照）。また、燃料の濃度が低い（空燃比が大きい）領域では失火が発生する可能性がある。空燃比が大きい（あるいは小さい）領域が発生する原因としては、例えば吸入空気の密度の大きさが考えられる。空気の密度が大きい場合、燃料の拡散が抑制され燃料の濃い領域（空燃比が小さい領域）と燃料の薄い領域（空燃比が大きい領域）ができやすくなる。
【０００５】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、空燃比が小さい領域あるいは大きい領域を小さくし、煤の発生あるいは失火を抑制することにある。
【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。上記課題を解決するための内燃機関の制御装置は、燃焼室内に直接燃料を噴射するためのインジェクタを有する内燃機関の制御装置において、噴射により拡散する燃料が分布する領域の体積（燃焼領域）を算出する燃焼領域算出部と、噴射により拡散した燃料が分布する領域の目標の体積を算出する目標燃焼領域算出部と、前記燃焼領域と前記目標燃焼領域から噴射パラメータを補正する噴射パラメータ補正部を備えることを特徴としている。
【０００７】
上記構成によれば、燃焼領域が目標燃焼領域よりも小さい場合は、燃料がより広く拡散するように制御されるので、空燃比が小さい領域が発生することを抑制できる。その結果、空燃比が小さい領域が燃焼することで発生する煤を抑制することができる。また、燃焼領域が目標燃焼領域よりも大きい場合は、燃料がより拡散しないように制御されるので、空燃比が大きい領域での失火の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】（ａ）特許文献１の断熱層の位置を示すピストン周辺の断面図を示す略図、（ｂ）特許文献１において、空燃比が小さい領域が発生する位置を示す略図
【図２】実施形態にかかるＥＣＵの制御対象である内燃機関の構成を模式的に示す略図。
【図３】実施形態にかかるピストン周辺の断面図を示す略図。
【図４】メイン噴射やポスト噴射など、燃料の噴射形態を模式的に示す説明図
【図５】実施形態にかかるＥＣＵと各構成の入出力の関係を示すブロック図。
【図６】実施形態にかかるＥＣＵが実行する噴射パラメータの補正係数を算出するための処理の流れを示すフローチャート。
【図７】レール圧、筒内圧およびガス密度の条件が同一である場合の、開弁時間（燃料量）とメイン噴射速度の関係を示すグラフ。
【図８】（ａ）燃料が角度θ（＜９０°）で衝突する場合の概念図、（ｂ）燃料が角度θ（＝９０°）で衝突する場合の概念図
【図９】実施形態にかかる各パラメータの関係を示す概念図。
【図１０】実施形態にかかるクランク角と、ガス密度、メイン噴射速度および衝突角の関係を示すグラフ。
【図１１】実施形態にかかる燃焼領域および目標燃焼領域の概念図。
【図１２】実施形態にかかる燃焼領域、目標燃焼領域および噴射パラメータの補正係数の関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（実施形態）
以下、内燃機関の制御装置の実施形態であるＥＣＵ１８について、図２〜図１２を参照して説明する。
図２は、実施形態にかかるＥＣＵの制御対象である内燃機関１の構成を模式的に示す略図である。内燃機関１の各気筒は、燃焼室１４内（筒内）に燃料を噴射するインジェクタ１２と、筒内の圧力を検出する筒内圧センサ１３を備えている。また、内燃機関１は、インジェクタ１２と連通し、燃料の通り道であるレール１０およびレール１０内の圧力を検出するレール圧検出部１１とを備えている。また、内燃機関１は、燃焼室１４内に空気を吸込む吸気通路３と、吸込む吸気の量を検出するエアフロメータ１９と、吸気通路３の一部であって各気筒の燃焼室１４にそれぞれ接続された吸気マニホールド９と、吸気通路３を流れる吸入空気量を調整する電子制御式のスロットルバルブ４と、吸気通路３を流れる吸入空気を冷却するインタークーラ２と、各気筒から排気ガスが排出される排気通路１６と、排気通路１６を流れる排気ガスを浄化する触媒１７とを備えている。また、内燃機関１は、排気ガスの一部であるＥＧＲガスを排気通路１６から吸気通路３に還流させるＥＧＲ機構７を備えている。ＥＧＲ機構７は、吸気通路３と排気通路１６とを接続するＥＧＲ通路８と、ＥＧＲ通路８を経由して排気通路１６から吸気通路３に還流されるＥＧＲガスの還流量（ＥＧＲ量）を調整するＥＧＲバルブ５と、ＥＧＲ通路８を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ６と、を備えている。ＥＧＲガスは、スロットルバルブ５の下流側において、吸気マニホールド９の上流側に還流されるように構成されている。なお、本実施形態の内燃機関１はディーゼル用の内燃機関を想定している。
【００１０】
図３は、実施形態にかかるピストン周辺の断面図を示す略図である。図３に示すように、シリンダブロック２６には、各気筒毎にシリンダボアが形成されており、各シリンダボアの内部にはピストン２５が上下方向に摺動可能に収容されている。ピストン２５は、コネクティングロッド２４によってエンジン出力軸であるクランクシャフト２３に連結されている。そして、クランク角を検出するクランク角センサ２０が設置されている。また、燃焼室３に向けて筒内圧センサ１３も配設されている。なお、本実施形態では筒内圧センサ１３はグロープラグと一体となっているが、グロープラグとは別に筒内圧センサを有していてもよい。
【００１１】
図４は、メイン噴射やポスト噴射など、燃料の噴射形態を模式的に示す説明図である。ＥＣＵ１８は、インジェクタ１２の動作を制御して、その噴射量や噴射時期などを制御する。本実施形態では一例として図４に模式的に示すように、主としてトルク発生に寄与するメイン噴射の後でアフター噴射やポスト噴射と言われる副噴射を行ったり、或いはメイン噴射の前にパイロット噴射やプレ噴射と言われる副噴射を行ったりする。パイロット噴射は、メイン噴射から大きく進角したタイミングで行われ、気筒内に形成した希薄な予混合気の燃焼（低温燃焼）により筒内温度を上昇させる。また、プレ噴射は、メイン噴射の直前に少量の燃料を噴射して燃焼させることで、メイン噴射される燃料の着火遅れを調整し、初期の燃焼が過度に激しくなることを防止する。一方、メイン噴射はトルク制御のための噴射動作であり、圧縮上死点近傍で行われる。アフター噴射は、燃焼したガスに再度燃料を噴き、燃え残りを焼き切るために行われる。
【００１２】
ポスト噴射は、排気系のＤＰＦ（図示せず）や触媒１７など浄化装置の機能を回復させるときに行われ、シリンダの中で燃料を燃やすことが目的ではなく、排気管へ燃料を送るための噴射である。例えば、ＤＰＦにおけるＰＭの捕集量が所定以上に多くなって、それを燃焼除去するＤＰＦ再生の際に、ポスト噴射が行われる。ポスト噴射された燃料はＤＰＦの前に設置された酸化触媒で酸化され、その酸化熱により排気の温度が上昇する（例えば６００°以上）。温度が所定温度にまで上昇すれば、堆積したＰＭが燃焼を始め、この燃焼に伴う発熱でＤＰＦの温度がさらに上昇する。このような状態を所定の時間（例えば１０分間くらい）維持することによって、堆積したＰＭがほぼ完全に除去されて、ＤＰＦのＰＭ捕集能力が回復する。
【００１３】
図５は、実施形態にかかるＥＣＵ１８と各構成の入出力の関係を示すブロック図である。ＥＣＵ１８は、ガス密度算出部１８１、ピストン速度算出部１８２、メイン噴射速度算出部１８３、噴霧衝突期間算出部１８４、噴霧衝突角算出部１８５、燃焼領域算出部１８６、目標燃焼領域算出部１８７および噴射パラメータ補正係数１８８を有している。ガス密度算出部１８１は、筒内の容積およびエアフロメータ１９により検出された吸入空気の量からガス密度を算出する。ピストン速度算出部１８２は、クランク角センサ２０の検出値から求めたクランクシャフト２３の角速度からピストン２５の速度を算出する。メイン噴射速度算出部１８３は、レール圧検出部１１により算出されたレール圧、筒内圧センサ１３により算出された筒内圧、インジェクタ１２から噴射された燃料量およびガス密度算出部１８１から算出されたガス密度からメイン噴射速度を算出する。噴霧衝突期間算出部１８４は、ピストン速度算出部１８２により算出されたピストン速度、メイン噴射速度算出部１８３から算出されたメイン噴射速度および燃焼室の形状（燃料の衝突面の位置の座標）から、噴霧の衝突期間を算出する。噴霧衝突角算出部１８５は、ピストン速度算出部１８２により算出されたピストン速度、メイン噴射速度算出部１８３から算出されたメイン噴射速度および燃焼室の形状（燃料の衝突面の位置の座標）から、噴霧の衝突角を算出する。燃焼領域算出部１８６は、メイン噴射速度算出部１８３から算出されたメイン噴射速度、噴霧衝突角算出部１８５から算出された噴霧の衝突角および噴霧衝突期間算出部１８４から算出された噴霧の衝突期間から、拡散する燃料が分布する領域の体積である燃焼領域を算出する。目標燃焼領域算出部１８７は、排気通路に設けられた空燃比センサ（図示せず）により検出された空燃比、ＥＧＲバルブ５の開度およびエアフロメータ等から算出されたＥＧＲ率および燃料噴射量から、燃焼時の拡散した燃料が分布する領域の目標の体積を算出する目標燃焼領域を算出する。噴射パラメータ補正係数１８８は、燃焼領域算出部１８６から算出された燃焼領域および目標燃焼領域算出部１８７から算出された目標燃焼領域から、噴射パラメータ補正係数を算出する。
【００１４】
図６は、実施形態にかかるＥＣＵ１８が実行する噴射パラメータの補正係数を算出するための処理の流れを示すフローチャートである。まずステップＳ１００にて、ガス密度算出部１８１は、筒内の容積およびエアフロメータ１９により検出された吸入空気の量からガス密度ε（θ）を算出する。なおθはクランク角を示す。その後、処理をステップＳ１０１に進める。
【００１５】
ステップＳ１０１では、ピストン速度算出部１８２は、クランク角センサ２０の検出値から求めたクランクシャフト２３の角速度からピストン速度Ｖｐ（θ）を算出する。その後、処理をステップＳ１０２に進める。
【００１６】
ステップＳ１０２では、メイン噴射速度算出部１８３は、レール圧検出部１１により算出されたレール圧、筒内圧センサ１３により算出された筒内圧、インジェクタ１２から噴射された燃料量（燃料噴射量）およびガス密度算出部１８１から算出されたガス密度ε（θ）を用いて図６のＳ１０２の式を用いてメイン噴射速度Ｖｍ（θ）を算出する。その後、処理をステップＳ１０３に進める。
【００１７】
ステップＳ１０２にて、燃料噴射量をレール圧および筒内圧以外にパラメータとして使用している理由を次に示す。図７は、レール圧、筒内圧およびガス密度の条件が同一である場合の、横軸に開弁時間（燃料量）をとり、縦軸にメイン噴射速度をとったグラフである。燃料噴射量が多くなるにつれ、メイン噴射速度は上昇し、ある速度にて収束する。燃料噴射量が少ない場合、メイン噴射速度が上がりきる前に、開弁時間が過ぎ、燃料噴射が終わってしまう（図７の燃料噴射量Ａを参照）。一方、燃料噴射量が多い場合は、メイン噴射速度が十分に上がり切るための開弁時間が確保されるため、メイン噴射速度が大きくなる（図７の燃料噴射量Ｂを参照）。したがって、燃料噴射量の値に応じてメイン噴射速度が変わるので、メイン噴射速度を求める際にレール圧および筒内圧以外に燃料噴射量をパラメータとして使用する必要がある。
【００１８】
ステップＳ１０２にて、ガス密度ε（θ）をレール圧および筒内圧以外にパラメータとして使用している理由を次に示す。温度が低いほど吸入空気の筒内の充填率が大きくなる。筒内の充填率が大きいほど、筒内のガス密度ε（θ）は増加する。ガス密度ε（θ）が大きいほど、噴射された燃料の減速量が大きくなる。したがって、ガス密度ε（θ）の値に応じてメイン噴射速度が変わるので、メイン噴射速度を求める際にレール圧および筒内圧以外にガス密度ε（θ）をパラメータとして使用する必要がある。
【００１９】
ステップＳ１０３では、噴霧衝突角算出部１８５は、ピストン速度算出部１８２により算出されたピストン速度Ｖｐ（θ）、メイン噴射速度算出部１８３から算出されたメイン噴射速度Ｖｍ（θ）および燃焼室の形状（燃料の衝突面の位置の座標）から、予め実験的に求められたマップを参照し噴霧の衝突角Ｄ（θ）を算出する。その後、処理をステップＳ１０４に進める。
【００２０】
ステップＳ１０４では、噴霧衝突期間算出部１８４は、ピストン速度算出部１８２により算出されたピストン速度Ｖｐ（θ）、メイン噴射速度算出部１８３から算出されたメイン噴射速度Ｖｍ（θ）および燃焼室の形状（燃料の衝突面の位置の座標）から、予め実験的に求められたマップを参照し噴霧の衝突期間Ｔを算出する。その後、処理をステップＳ１０５に進める。
【００２１】
ステップＳ１０５では、燃焼領域算出部１８６は、メイン噴射速度算出部１８３から算出されたメイン噴射速度Ｖｍ（θ）、噴霧衝突角算出部１８５から算出された噴霧の衝突角Ｄ（θ）および噴霧衝突期間算出部１８４から算出された噴霧の衝突期間Ｔから、図６Ｓ１０５に記載の関係式を用いて、拡散する燃料が分布する領域の体積である燃焼領域を算出する。その後、処理をステップＳ１０６に進める。
【００２２】
ステップＳ１０５にて、噴霧の衝突角Ｄ（θ）をパラメータに用いる理由を次に示す。図８（ａ）および（ｂ）はそれぞれ燃料が角度θ（＜９０°）で衝突する場合の概念図および燃料が角度θ（＝９０°）で衝突する場合の概念図である。角度θ（＜９０°）で衝突する場合は衝突面に対して平行な速度Ｖの成分であるＶｃｏｓθが存在する。一方、角度θ（＝９０°）で衝突する場合は、Ｖｃｏｓθが０となる。衝突時に衝突面に対して垂直な反力を受けるため、衝突面に対して垂直な速度Ｖの成分であるＶｓｉｎθは、一部打ち消されるが、Ｖｃｏｓθは打ち消されない。よって、Ｖｓｉｎθが小さいほど、衝突時に打ち消される燃料の速度が小さく、結果的に衝突後の燃料の速度が大きい。そして、衝突後の燃料の速度が大きければ、燃料はより遠くまで拡散し、燃焼領域は拡大する。したがって、噴霧の衝突角Ｄ（θ）の値に応じて燃焼領域が変わるので、燃焼領域を求める際に、パラメータとして噴霧の衝突角Ｄ（θ）を使用する必要がある。
【００２３】
ステップＳ１０６では、目標燃焼領域算出部１８７は、排気通路に設けられた空燃比センサ（図示せず）により検出された空燃比、ＥＧＲバルブ５の開度およびエアフロメータ等から算出されたＥＧＲ率および燃料噴射量から、予め実験的に求められたマップを参照し拡散した燃料が分布する領域の目標の体積である目標燃焼領域を算出する。その後、処理をステップＳ１０７に進める。
【００２４】
噴射パラメータ補正係数１８８は、燃焼領域算出部１８６から算出された燃焼領域および目標燃焼領域算出部１８７から算出された目標燃焼領域から、図７のＳ１０７に記載された関係式を用いて噴射パラメータ補正係数φを算出し、この一連の処理を一旦終了する。
【００２５】
クランク角θ１およびクランク角θ２のピストン２５およびインジェクタ１２の位置関係とそれぞれの状態の各パラメータの関係を図９に示す。ピストン２５の位置が変わるにつれ、ガス密度ε（θ）、メイン噴射速度Ｖｍ（θ）および衝突角Ｄ（θ）等が変化することがわかる。
【００２６】
図１０は、実施形態にかかるクランク角θと、ガス密度ε（θ）、メイン噴射速度Ｖｍ（θ）および衝突角Ｄ（θ）の関係を示すグラフである。ガス密度ε（θ）はピストンの位置と相関があるため、サインカーブを示している。メイン噴射速度Ｖｍ（θ）は、噴射開始時のクランク角θ３を起点に立ち上がるとともに、噴射速度Ｖｍ（θ３）にて最大速度となり、その後緩やかに減少していく。衝突角Ｄ（θ）は噴霧が衝突するタイミングであるクランク角θ４から立ち上がり、なだらかに減少していく。その後、噴霧衝突期間Ｔの経過時のクランク角θ５にて、衝突する燃料がなくなるため、それ以降の衝突角Ｄ（θ）は０となる。
【００２７】
図１１は、実施形態にかかる燃焼領域および目標燃焼領域の概念図である。図１１では目標燃焼領域は燃焼領域よりも大きくなっているが、小さい場合や一致している場合もありうる。
【００２８】
噴射パラメータ補正係数φは噴射時の目標レール圧や目標噴射量等に積算される係数である。図１２は、実施形態にかかる燃焼領域、目標燃焼領域および噴射パラメータの補正係数φの関係を示すグラフである。グラフの横軸である燃焼領域／目標燃焼領域が大きい、すなわち燃焼領域が目標燃焼領域よりも大きい場合は、噴霧が広く拡散しすぎているので、噴射時のエネルギーをより小さくするために、噴射パラメータ補正係数φはより小さくなっている。
【００２９】
以上説明した実施形態によれば、下記の（１）および（２）の効果が得られるようになる。
（１）燃焼領域が目標燃焼領域よりも小さい場合は、燃料がより広く拡散するように制御されるので、空燃比が小さい領域が発生することを抑制できる。その結果、空燃比が小さい領域が燃焼することで発生する煤を抑制することができる。
（２）燃焼領域が目標燃焼領域よりも大きい場合は、燃料の拡散が抑えられるので、空燃比が大きい領域が発生することを抑制できる。その結果、着火遅れや失火を抑制することができる。
【００３０】
・上記実施形態では、予め実験的に求められたマップを参照したり、関係式を用いたりし、各パラメータを求めたが、これに限る必要はない。予め実験的に求められたマップを用いるものを、関係式を用いて算出したり、関係式を用いて算出したものを、予め実験的に求められたマップを用いるように変更してもよい。
【００３１】
・上記実施形態では、ディーセル用の内燃機関を想定しているが、これに限る必要はない。筒内への直接噴射を行う内燃機関であれば適用できる（例えば直噴型のガソリン用の内燃機関）。
【符号の説明】
【００３２】
１…内燃機関、２…インタークーラ、３…吸気通路、４…スロットルバルブ、５…ＥＧＲバルブ、６…ＥＧＲクーラ、７…ＥＧＲ機構、８…ＥＧＲ通路、９…吸気マニホールド、１０…レール、１１…レール圧検出部、１２…インジェクタ、１３…筒内圧センサ、１４…燃焼室、１５…ターボチャージャ、１６…排気通路、１７…触媒、１８…ＥＣＵ、１９…エアフロメータ、２０…クランク角センサ、２１…吸気バルブ、２２…排気バルブ、２３…クランクシャフト、２４…コネクティングロッド、２５…ピストン、２６…シリンダブロック、１８１…ガス密度算出部、１８２…ピストン速度算出部、１８３…メイン噴射速度算出部、１８４…噴霧衝突期間算出部、１８５…噴霧衝突角算出部、１８６…燃焼領域算出部、１８７…目標燃焼領域算出部、１８８…噴射パラメータ補正係数算出部
【図１】
2017219009.tif 000003
【図２】
2017219009.tif 000004
【図３】
2017219009.tif 000005
【図４】
2017219009.tif 000006
【図５】
2017219009.tif 000007
【図６】
2017219009.tif 000008
【図７】
2017219009.tif 000009
【図８】
2017219009.tif 000010
【図９】
2017219009.tif 000011
【図１０】
2017219009.tif 000012
【図１１】
2017219009.tif 000013
【図１２】
2017219009.tif 000014