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技術 燃料噴射制御装置

出願人 株式会社デンソー
発明者 南條弘行
出願日 2015年2月12日 (6年5ヶ月経過) 出願番号 2015-025670
公開日 2016年8月18日 (4年10ヶ月経過) 公開番号 2016-148289
状態 特許登録済
技術分野 内燃機関に供給する空気・燃料の電気的制御 内燃機関の複合的制御
主要キーワード 収縮係数 分割割合 各燃料配管 消費酸素量 理論当量比 残存酸素量 速度係数 当量比φ
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (9)

課題

スモークの悪化および燃焼騒音の悪化の双方を抑制することのできる燃料噴射制御装置を提供する。

解決手段

ECU36は、エンジン10への燃料噴射状態を制御するように構成され、エンジン10の燃焼騒音が目標騒音レベルを超えないような目標熱発生率時間推移を決定する目標熱発生率決定手段80と、吸気行程においてエンジン10に供給される吸気酸素濃度、および燃焼行程中の毎時刻酸素消費量に基づいて、目標熱発生率となるような燃焼がなされたと仮定した場合の、燃焼行程中の筒内残存酸素濃度の時間推移を推定する残存酸素濃度推定手段90と、推定した筒内残存酸素濃度の時間推移に基づいて目標噴射率の時間推移を決定する目標噴射率決定手段100と、エンジン10への燃料の噴射率の時間推移が目標噴射率の時間推移となるように噴射制御する駆動回路130とを備える。

概要

背景

一般に、内燃機関噴射した燃料量に見合った酸素量が筒内に残っていない場合などに発生する燃料不完全燃焼に起因して生じるスモーク悪化および未燃燃料の悪化という課題に対する解決手段として、特許文献1に開示のものが知られている。特許文献1に記載の技術は、吸気時の酸素濃度計測し、その酸素濃度が所定基準濃度より少ない場合には噴射時期進角させることで未燃燃料およびスモークの抑制を図るものである。

概要

スモークの悪化および燃焼騒音の悪化の双方を抑制することのできる燃料噴射制御装置を提供する。ECU36は、エンジン10への燃料の噴射状態を制御するように構成され、エンジン10の燃焼騒音が目標騒音レベルを超えないような目標熱発生率時間推移を決定する目標熱発生率決定手段80と、吸気行程においてエンジン10に供給される吸気酸素濃度、および燃焼行程中の毎時刻酸素消費量に基づいて、目標熱発生率となるような燃焼がなされたと仮定した場合の、燃焼行程中の筒内残存酸素濃度の時間推移を推定する残存酸素濃度推定手段90と、推定した筒内残存酸素濃度の時間推移に基づいて目標噴射率の時間推移を決定する目標噴射率決定手段100と、エンジン10への燃料の噴射率の時間推移が目標噴射率の時間推移となるように噴射制御する駆動回路130とを備える。

目的

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、未燃燃料およびスモークの悪化と燃焼騒音の悪化の双方を抑制することのできる燃料噴射制御装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

内燃機関(10)への燃料噴射状態を制御するように構成される燃料噴射制御装置であって、前記内燃機関の燃焼騒音目標騒音レベルを超えないような目標熱発生率時間推移を決定する目標熱発生率決定手段(80)と、吸気行程において前記内燃機関に供給される吸気酸素濃度、および燃焼行程中の酸素消費量の時間推移に基づいて、前記目標熱発生率となるような燃焼がなされたと仮定した場合の、燃焼行程中の筒内残存酸素濃度の時間推移を推定する残存酸素濃度推定手段(90)と、推定した前記筒内残存酸素濃度の時間推移に基づいて目標噴射率の時間推移を決定する目標噴射率決定手段(100)と、前記内燃機関への燃料の噴射率の時間推移が前記目標噴射率の時間推移となるように噴射制御する制御手段(130)とを備えることを特徴とする燃料噴射制御装置。

請求項2

前記目標噴射率決定手段は、推定した前記筒内残存酸素濃度の時間推移に基づいて前記目標噴射率の時間推移を計算により算出することを特徴とする請求項1に記載の燃料噴射制御装置。

請求項3

任意の第1運転条件における前記吸気酸素濃度である第1吸気酸素濃度よりも、他の第2運転条件における前記吸気酸素濃度である第2吸気酸素濃度のほうが小さい場合に、前記目標噴射率決定手段は、燃焼行程中の所定時刻以降、前記第2運転条件における第2目標噴射率を、前記第1運転条件における第1目標噴射率よりも進角側となるように、かつ、時間の経過とともに進角度合が次第に大きくなるように決定することを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料噴射制御装置。

請求項4

前記内燃機関の運転状態に基づき、燃焼騒音が前記目標騒音レベルを超えないような目標熱発生率傾きを決定する目標熱発生率傾き決定手段(60)と、前記内燃機関の運転状態に基づき、所望のトルクを得られるような目標熱発生量を決定する目標熱発生量決定手段(70)を備え、前記目標熱発生率決定手段は、前記目標熱発生率傾きおよび前記目標熱発生量に基づいて前記目標熱発生率の時間推移を決定することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料噴射制御装置。

技術分野

0001

本発明は、内燃機関への燃料噴射状態を制御する燃料噴射制御装置に関する。

背景技術

0002

一般に、内燃機関へ噴射した燃料量に見合った酸素量が筒内に残っていない場合などに発生する燃料の不完全燃焼に起因して生じるスモーク悪化および未燃燃料の悪化という課題に対する解決手段として、特許文献1に開示のものが知られている。特許文献1に記載の技術は、吸気時の酸素濃度計測し、その酸素濃度が所定基準濃度より少ない場合には噴射時期進角させることで未燃燃料およびスモークの抑制を図るものである。

先行技術

0003

特開2011−99344号公報

発明が解決しようとする課題

0004

ここで、一般に内燃機関の燃焼過程において発生する燃焼騒音熱発生率の傾きと相関関係があり、熱発生率の傾きを小さくすれば燃焼騒音を低減できる。特許文献1に記載されているように未燃燃料およびスモークの悪化を抑制するために噴射時期を進角させると、燃焼における熱発生率の傾きが大きくなる傾向にあるが、特許文献1に記載の技術においては熱発生率の傾きについては何ら制御されていない。そのため、目標騒音レベルに対して大きな燃焼騒音が発生してしまうおそれがある。

0005

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、未燃燃料およびスモークの悪化と燃焼騒音の悪化の双方を抑制することのできる燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0006

本発明のひとつである燃料噴射制御装置は、内燃機関(10)への燃料の噴射状態を制御するように構成される燃料噴射制御装置であって、内燃機関の燃焼騒音が目標騒音レベルを超えないような目標熱発生率の時間推移を決定する目標熱発生率決定手段(80)と、吸気行程において内燃機関に供給される吸気酸素濃度、および燃焼行程中の毎時刻酸素消費量に基づいて、目標熱発生率となるような燃焼がなされたと仮定した場合の、燃焼行程中の筒内残存酸素濃度の時間推移を推定する残存酸素濃度推定手段(90)と、推定した筒内残存酸素濃度の時間推移に基づいて目標噴射率の時間推移を決定する目標噴射率決定手段(100)と、内燃機関への燃料の噴射率の時間推移が目標噴射率の時間推移となるように噴射制御する第1制御手段(130)とを備えることを特徴とする。

0007

本発明の燃料噴射制御装置によれば、目標騒音レベルを超えないような目標熱発生率の時間推移となるような筒内残存酸素濃度の時間推移を推定している。また、筒内残存酸素濃度の時間推移に基づいて目標噴射率の時間推移を決定し、噴射率の時間推移が目標噴射率の時間推移となるように噴射制御が実行される。そのため、燃焼騒音が目標騒音レベルを超えないような噴射制御を行うことができる。また、燃焼行程中の筒内残存酸素濃度の時間推移に基づいて噴射制御を実行する。そのため、燃焼行程中の時々刻々の筒内残存酸素濃度に見合った噴射を実行させることができ、噴射した燃料量に対して筒内残存酸素量が大幅に少ないという状況を回避することができ、未燃燃料およびスモークの悪化を抑制できる。以上より、本発明によれば、未燃燃料およびスモークの悪化と燃焼騒音の悪化の双方を抑制することが可能となる。

0008

なお、特許請求の範囲における括弧内の符号は、記載内容の理解を容易にすべく、後述する実施形態において対応する構成を例示するものに留まり、発明の内容を限定することを意図したものではない。

図面の簡単な説明

0009

燃料噴射システムシステム構成
噴射指令信号と熱発生率の説明図
第1実施形態におけるECUの処理フロー
エンジン回転数アクセル開度、および目標熱発生率傾きのマップ
熱発生率傾きの定義の説明図
目標熱発生率決定手段の説明図
酸素濃度と燃焼速度のマップ
任意の運転状況下における各種パラメータの時間推移

実施例

0010

(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について、図に基づき説明する。本実施形態では、図1に示すように、内燃機関として、多気筒ディーゼルエンジン10(以下、エンジン10という)を採用し、エンジン10にECU36を適用した燃料噴射システム11を例示する。なお、エンジン10が特許請求の範囲における「内燃機関」に相当する。

0011

図1に示すように、エンジン10は、シリンダブロック12にピストン(図示せず)が往復動自在に収容されて構成されている。シリンダブロック12の上端面(紙面手前側)には、図示しないシリンダヘッドが設けられている。シリンダヘッドには、燃焼室16に開口する吸気ポート20および排気ポート22が形成されている。これら吸気ポート20および排気ポート22には、それぞれ図示しない吸気弁および排気弁が設けられている。排気弁および吸気弁は吸気量および排気量を調整する役割を担う。

0012

吸気ポート20には、外気吸入するための吸気管28が接続されている。吸気弁が吸気ポート20を開放する吸入行程の際にピストンがシリンダ内を降下して負圧が生じる。これにより、吸気管28より吸入された外気が吸気ポート20を介してシリンダ内へ流入する。

0013

排気ポート22には、燃焼ガスを排出するための排気管30が接続されている。排気弁が排気ポート22を開放する排気行程の際に、ピストンの上昇により燃焼室16から押し出された排気ガスが、排気ポート22を介して排気管30へ排出されるようになっている。

0014

ECU36により、エンジン10に供給される燃料(軽油)の噴射圧、噴射量および噴射時期が制御されるようになっている。

0015

燃料噴射システム11は、燃料を蓄圧保持可能なコモンレール32、コモンレール32から圧送された燃料をエンジン10の各気筒の燃焼室16にそれぞれ噴射する複数の燃料噴射弁34、およびコモンレール32と燃料噴射弁34を制御するECU36を備える。

0016

燃料噴射弁34は、各気筒に対応して設けられており、ECU36によって電子制御される。燃料噴射弁34の開弁動作によって、燃料を各気筒内に燃料を噴射する。

0017

コモンレール32には、図示しない燃料配管を介して各気筒の燃料噴射弁34が接続されている。コモンレール32内の燃料は、各燃料配管を通じて、燃料噴射弁34へ分配供給される。

0018

ECU36はCPU、RAM、ROM等を有するマイコン361を備えている。ECU36には、各種センサから出力される検出信号が入力され、これらの検出信号に基づいてエンジン10の運転状態を検知する。マイコン361は、ROM等の記憶媒体に記憶された制御プログラムを実行することにより、後述する目標熱発生率傾き決定手段60、目標熱発生量決定手段70、目標熱発生率決定手段80、残存酸素濃度推定手段90、目標噴射率決定手段100、および噴射指令信号設定手段110、燃焼速度決定手段120として機能する。

0019

クランク角センサ46は、複数のパルス信号である回転角信号をECU36に対して出力する。ECU36は、回転角信号に基づいてエンジン10の回転数NEおよびクランク角度を検知する。また、アクセル開度センサ47は、アクセル開度信号をECU36に対して出力する。筒内圧センサ55は、エンジン10の1つの気筒に対して取り付けられ、燃焼室16内の筒内圧Pinに対応した出力信号をECU36へ出力する。

0020

吸気管28および排気管30には過給器50が設けられている。過給器50は、エンジン10の排ガスからエネルギ回収して動力に変換し、回収した動力にてエンジン10の吸気管28を流れる吸入空気加圧するものである。過給器50によってエンジン10に供給する空気量を増やすことができ、それに伴って燃焼可能な燃料の量が増えることでエンジン10の出力を増大させることができる。本実施形態では、過給器50として、排気管30に設けられて排気ガスのエネルギにより駆動されるタービンホイール51およびエンジン10の吸気管28に設けられてタービンホイール51の回転トルクにより駆動されるコンプレッサホイール52を有するターボチャージャを採用している。タービンホイール51およびコンプレッサホイール52は、タービンシャフト53を介して連結されている。

0021

過給圧センサ54は、吸気管28の下流側に配置されており、実過給圧Pbを検出し、それに応じた出力信号をECU36へ出力する。

0022

吸気管28の上流側には、スロットル弁7が設けられており、スロットル弁7にはこれを駆動するアクチュエータ8が連結されている。アクチュエータ8は、モータギア機構(いずれも図示せず)などで構成されており、その動作がECU36からの制御信号で制御されることにより、スロットル弁7の開度THが変化する。スロットル開度THの変化に応じて燃焼室16に吸入される吸気酸素濃度Voが制御される。開度THおよびそれに対応した吸気酸素濃度Voは、スロットル弁開度センサ23によって検出される。

0023

次に、ECU36による燃料噴射弁34からの燃料の噴射制御について説明する。なお、ECU36が特許請求の範囲における「燃料噴射制御装置」に相当する。

0024

ECU36による噴射制御は、燃料噴射弁34からの燃料の噴射量および噴射時期を制御することで行われる。ECU36は、エンジン10の運転状態に基づいて最適な噴射量及び噴射時期を演算し、その演算結果に基づいて燃料噴射弁34の燃料噴射を制御する。具体的には、この噴射制御は、燃料の噴射量及び噴射時期を規定するパルス信号(噴射パルス)により、燃料噴射弁34に供給される電力を制御することで行われる。

0025

本実施形態において実施される噴射制御は、図2に示される。図2上段は噴射パルスのタイミングチャート図2下段は燃焼室16内の熱発生率を示している。なお、横軸はクランク角度を示している。図2に示すように、ECU36はトルクの生成を目的とするメイン噴射に先立って、メイン噴射よりも少ない噴射量でパイロット噴射を燃料噴射弁34に実行させる。すなわち、ECU36は、1燃焼サイクルの燃焼行程において、パイロット噴射およびメイン噴射の多段噴射を燃料噴射弁34に実行させる。なお、図2に示すように、パイロット噴射はメイン噴射よりも噴射する燃料量は少ないため、熱発生率の波高値も小さい。また、本実施形態では、メイン噴射において要求される噴射量(要求されるトルクに基づく噴射量)を複数回に分割し、かつ短いインターバルで噴射させる。たとえば図3に示すものは、メイン噴射において要求される噴射量を3回に分割し、1回目、2回目、および3回目の噴射量割合を2:3:5となるように分割して、3回の噴射のインターバルを極めて短くして噴射する。噴射量の分割割合は所望の噴射条件によって決まる。

0026

ECU36は、燃焼室16内において発生する燃焼騒音が目標騒音レベルとなるように燃料噴射弁34に対して噴射制御を実行する。以下、具体的な処理内容図3に基づいて説明する。

0027

まずS101において、現在の運転条件(回転数NE、アクセル開度など)を取得する。S102において運転条件を取得すると、S103に進む。

0028

S102では、予めECU36に記憶されているマップに基づいて、取得した運転条件に応じた目標熱発生率傾きθtを決定する。具体的には、マイコン361内の目標熱発生率傾き決定手段60において、図4に示すような回転数NEおよびアクセル開度をパラメータとする目標熱発生率傾きθtのマップが予め記憶されている。このマップは、回転数NEおよびアクセル開度をパラメータとする、燃焼騒音の目標騒音レベルに対応して作成されているものである。目標熱発生率傾きθtより大きな目標熱発生率傾きとなるような燃焼が行われた場合、目標騒音レベルより大きな燃焼騒音が発生する。つまり、目標熱発生率傾きθtとなるような燃焼が行われれば、燃焼騒音を目標騒音レベルにとどめることができる。S102において目標熱発生率傾きθtを決定すると、目標熱発生率傾き決定手段60は目標熱発生率決定手段80に対して、決定した目標熱発生率傾きθtに関する信号を送信する。目標熱発生率傾きθtに関する信号を送信後、S103に進む。

0029

ここで、目標熱発生率傾きθtの定義について説明する。図5に示すように、1回目の噴射に伴う燃焼開始時点の熱発生率HRROの点(以下、ゼロ点という)と、最後の噴射である3回目の噴射に伴う燃焼における最大熱発生率HRRmaxの点とを結んだ線分L1の傾きが目標熱発生率傾きθtである。

0030

S103では、S101にて取得された運転条件に応じて、目標熱発生量Qtを算出する。具体的には、マイコン361内の目標熱発生量決定手段70において、以下の数1を用いて目標熱発生量Qtが算出される。

0031

(数1)
Qt=α×Qinj
αは、単位燃料あたりの燃焼量であり、Qinjは、運転条件に基づいて決定される目標噴射量である。S103において目標熱発生量Qtを算出すると、目標熱発生量決定手段70は目標熱発生率決定手段80に対して、決定した目標熱発生量Qtに関する信号を送信する。目標熱発生量Qtに関する信号を送信後、S104に進む。

0032

S104では、S102にて決定した目標熱発生率傾きθtおよびS103にて算出した目標熱発生量Qtに基づいて、目標熱発生率の時間推移HRRt(t)を決定する。S104の処理は、目標熱発生率決定手段80によって実行される。具体的な決定方法図6に基づいて説明する。燃焼期間中における目標となる熱発生率の時間推移が図6の線分である。この線分は、線分の傾きである目標熱発生率傾きθt、および横軸と線分によって囲まれる部分の面積で表される目標熱発生量Qtによって一意に決まる。つまり、目標熱発生率傾きθtによって、燃焼行程中の各時刻における目標熱発生率の時間推移HRRt(t)が決定され、目標熱発生量Qtによって燃焼行程中における目標熱発生率の時間推移HRRt(t)の最大値となる時刻tmaxおよびHRRtmaxが決定される。それによって、燃焼行程中の目標熱発生率の時間推移HRRt(t)が決定される。S104において目標熱発生率の時間推移HRRt(t)が決定されると、目標熱発生率決定手段80は残存酸素濃度推定手段90に対して、決定した目標熱発生率の時間推移HRRt(t)に関する信号を送信する。目標熱発生率の時間推移HRRt(t)に関する信号を送信後、S105に進む。

0033

S105では、スロットル弁開度センサ23によって検出された吸気酸素濃度Vo、および目標熱発生率決定手段80によって決定された目標熱発生率の時間推移HRRt(t)に基づいて、燃焼行程中の筒内に残存している酸素濃度の時間推移を推定する。具体的には、吸気酸素濃度Voを初期値として、目標熱発生率の時間推移HRRt(t)となるような燃焼がなされたと仮定した場合の筒内で消費される瞬時消費酸素量の時間推移Ouse(t)から、燃焼行程中の筒内残存酸素濃度の時間推移Vrem(t)を推定する。S105の処理は残存酸素濃度推定手段90によって実行される。

0034

次に、具体的な筒内残存酸素濃度の時間推移Vrem(t)の推定原理について説明する。燃焼室16内において噴射した燃料が完全燃焼したと仮定した場合、燃焼によって燃料中の元素である炭素(C)と酸素(H)の比率に従ってCO2(二酸化炭素)およびH2O(水)が生成される。このとき、大気CO2濃度も燃料の燃焼で発生するCO2の濃度と比較して小さいため無視して考えるため、排気に含まれるCO2は吸気のO2が燃料の燃焼によって消費されて生成されたものと考えることができる。すなわち、吸気のO2濃度からのO2の減少量とCO2の増加量とは比例関係を有していると考えることができる。また、燃料の燃焼によって生成されるH2Oも同様に考えることができる。噴射した燃料が完全燃焼したと仮定した場合の化学反応式は以下の数2で表すことができる。

0035

(数2)
CmHn+(m+n/4)O2→mCO2+(n/2)H2O
ここで、mは燃料のCの比率に基づいて定まる定数であり、nは燃料のHの比率に基づいて定まる定数である。燃料モル数Aおよび燃料1モルの完全燃焼に必要な酸素モル数Bは、それぞれ以下の数3および数4により算出される。

0036

(数3)
燃料モル数A=(炭素モル数12)×m+(水素モル数1)×n

0037

(数4)
燃料1モルの完全燃焼に必要な酸素モル数B=(酸素モル数16)×(m+n/4)
ここで、噴射した燃料量に対してすべてを燃焼させるために必要な酸素量(消費酸素量)の比はB/Aで表される。目標瞬時噴射量Qinj(t)は、数1から、Qt(t)/αで表される。よって、毎時刻、筒内で燃焼により消費される酸素量である瞬時消費酸素量の時間推移Ouse(t)は目標熱発生量の時間推移Qt(t)に基づいて以下の数5により得られる。なお、瞬時消費酸素量の時間推移Ouse(t)は特許請求の範囲における「酸素消費量」に相当する。

0038

(数5)
Ouse(t)=(Qt(t)/α)×(B/A)
したがって、毎時刻の筒内残存酸素量O2(t)は以下の数6により得られる。

0039

(数6)
O2(t)=O2(t−1)−Ouse(t)
数6により得られた毎時刻の筒内残存酸素量O2(t)に基づいて、筒内残存酸素濃度の時間推移Vrem(t)が算出される。

0040

S105において筒内残存酸素濃度の時間推移Vrem(t)が推定されると、残存酸素濃度推定手段90は燃焼速度決定手段120に対して、推定した筒内残存酸素濃度の時間推移Vrem(t)に関する信号を送信する。筒内残存酸素濃度の時間推移Vrem(t)に関する信号を送信後、S106に進む。

0041

S106では、S105にて推定した筒内残存酸素濃度の時間推移Vrem(t)に基づいて燃焼速度の時間推移K(t)を決定する。具体的には、マイコン361内の燃焼速度決定手段120において、図7に示すような酸素濃度をパラメータとする燃焼速度のマップが予め記憶されている。このマップに基づいて、各時刻の筒内残存酸素濃度の時間推移Vrem(t)に対応した燃焼速度の時間推移K(t)を一意に決定する。S106において燃焼速度の時間推移K(t)が推定されると、燃焼速度決定手段120は目標噴射率決定手段100に対して、決定した燃焼速度の時間推移K(t)に関する信号を送信する。燃焼速度の時間推移K(t)に関する信号を送信後、S107に進む。

0042

S107では、目標熱発生率の時間推移HRRt(t)より得られる毎時刻の目標瞬時噴射量Qinj(t)および燃焼速度の時間推移K(t)に基づいて目標噴射率の時間推移Rinj(t)を決定する。S107の処理は目標噴射率決定手段100によって実行される。なお、目標瞬時噴射量Qinj(t)は数1より得られる。目標噴射率の時間推移Rinj(t)は具体的には、以下の数7に基づいて算出される。

0043

(数7)
Rinj(t)=Qinj(t)/K(t)
なお、目標噴射率の時間推移Rinj(t)は、燃焼サイクルごとに燃焼速度の時間推移K(t)に基づいて数7により算出される。また、噴射終了時期は、運転状況に基づいて決まる目標噴射量Qinjから一意に決定される。

0044

図8にS104からS107までの処理結果を示す。任意の運転状況下(パターン1)において目標熱発生率の時間推移HRRt(t)を実現するための燃焼がなされたと仮定した場合、筒内残存酸素濃度は時間の経過にしたがって減少していく。また、燃焼速度の時間推移K(t)も筒内残存酸素濃度の時間推移Vrem(t)に応じて時間とともに減少していく。目標噴射率の時間推移Rinj(t)の終了時刻t1と、目標熱発生率の時間推移HRRt(t)の終了時刻t2との間のずれは、噴射してから燃焼するまでの着火遅れ期間によるものである。

0045

ここで、図8に示すように、任意の運転状況下(第1パターン)における吸気酸素濃度(筒内酸素濃度の時間推移の初期値)である第1吸気酸素濃度Voref1と比較して他の運転状況下(第2パターン)における第2吸気酸素濃度Voref2が少なくなった場合、目標噴射率の時間推移Rinj(t)は、燃焼期間の途中である所定時刻t3以降、進角側に制御されるようになる。また、所定時刻t3以降、時間の経過に従って進角度合が大きくなる。これは、酸素濃度が所定値C以下になると所定値C以上の場合よりも燃焼速度の減少割合が大きくなること(図7参照)に起因して、パターン2の燃焼行程の後半、つまり筒内残存酸素濃度が所定値Cより小さくなる期間においては、時間経過にともなう筒内残存酸素濃度の減少割合に対する燃焼速度の減少割合が大きくなり、燃料が噴射されてから燃焼までに要する時間がより長くなるためである。なお、第1パターンおよび第2パターンはそれぞれ特許請求の範囲における「第1運転条件」および「第2運転条件」に、第1吸気酸素濃度Voref1および第2吸気酸素濃度Voref2はそれぞれ「第1吸気酸素濃度」および「第2吸気酸素濃度」に相当する。また、第1パターンの目標噴射率および第2パターンの目標噴射率はぞれぞれ特許請求の範囲における「第1目標噴射率」および「第2目標噴射率」に相当する。

0046

S107において目標噴射率の時間推移Rinj(t)が推定されると、目標噴射率決定手段100は噴射指令信号設定手段110に対して、決定した目標噴射率の時間推移Rinj(t)に関する信号を送信する。目標噴射率の時間推移Rinj(t)に関する信号を送信後、S108に進む。

0047

S108では、メイン噴射に伴うメイン燃焼における噴射率の時間推移が、S107にて決定した目標噴射率の時間推移Rinj(t)となるように、噴射指令信号設定手段110によって目標噴射条件が決定される。ここで、目標噴射条件とは、メイン燃焼において分割した各噴射における目標噴射圧、各噴射の噴射量の分割割合である目標分割割合、および各噴射の噴射間隔のいずれでもよい。

0048

各種噴射条件の決定は、予めECU36に記憶してあるマップを用いてもよいし、数式により都度算出してもよい。たとえば、メイン噴射の噴射量を変えることなく1回目の噴射の噴射量を所定量増やすように噴射制御した場合、3回目の噴射量はその分少なくなるように制御されるため、3回目の噴射に伴う燃焼における熱発生率の最大値は小さくなる。つまり、メイン燃焼時の熱発生率傾きを小さくすることができる。一方で、3回目の噴射の噴射量を増やすように噴射制御した場合、3回目の噴射に伴う燃焼における熱発生率の最大値は大きくなる。つまり、メイン燃焼時の熱発生率傾きを大きくすることができる。S108にて噴射条件を決定すると、噴射指令信号設定手段110は決定した噴射条件に基づく噴射指令信号を駆動回路130に対して送信し、駆動回路130を駆動させる(S109)。駆動回路130は、燃料噴射弁34を制御し、目標噴射条件に見合った噴射を実行させる。噴射指令信号を駆動回路130に対して送信すると、図3の処理は終了する。

0049

次に、本実施形態における効果について説明する。

0050

(1)吸気酸素濃度Voを初期値として、目標熱発生率の時間推移HRRt(t)となるような燃焼がなされたと仮定した場合の筒内で消費される瞬時消費酸素量の時間推移Ouse(t)から、燃焼行程中の筒内残存酸素濃度の時間推移Vrem(t)を推定する。また、筒内残存酸素濃度の時間推移Vrem(t)に基づいて、噴射する燃料の目標噴射率の時間推移Rinj(t)を決定し、噴射率の時間推移が目標噴射率の時間推移Rinj(t)となるように、燃料噴射弁34からの噴射条件を決定する。つまり、熱発生率の時間推移が目標熱発生率の時間推移HRRt(t)となる燃焼を実現するために、時々刻々の筒内残存酸素濃度に対応した噴射条件(噴射量、噴射時期等)を決定することができる。そのため、目標熱発生率の時間推移HRRt(t)となる燃焼を実現することができ、燃焼騒音を目標騒音レベルにとどめることができる。また、時々刻々の筒内残存酸素濃度に基づいて噴射条件を決定しているため、筒内残存酸素濃度に見合った燃料量の燃料を噴射させることができる。したがって、噴射した燃料が燃えきらない状況を回避することができ、未燃燃料およびスモークの低減が可能となる。以上より、本実施形態によれば、燃焼騒音を目標騒音レベルにとどめ、かつ、未燃燃料およびスモークの低減の双方を実現することができる。

0051

(2)目標熱発生率の時間推移HRRt(t)は、目標熱発生率傾きθtおよび目標熱発生量の二つのパラメータに基づいて一意に決定するようにしている。そのため、毎時刻における目標熱発生率を逐一算出する場合と比較して、ECU36の計算負荷の軽減を図ることができる。

0052

(3)目標噴射率の時間推移Rinj(t)をECU36に予め記憶されているマップにより決定するのではなく、燃焼サイクルごとに燃焼速度の時間推移K(t)に基づいて数式により算出するようにしている。ここで、燃焼速度の時間推移K(t)のパターン数は筒内残存酸素濃度の時間推移Vrem(t)のパターン数、ひいてはエンジン回転数NEやアクセル開度等のパラメータの組み合わせ数に依存するため、無限数である。そこで、一般的にマップによる制御量の決定方法としては、代表的パターンの数通りのみをECUに記憶しておき、入力パラメータに応じて近似的に制御量を決定する場合が多い。そのため、目標噴射率の時間推移Rinj(t)を、燃焼速度を入力パラメータとするマップにより決定する場合には、目標熱発生率の時間推移HRRt(t)に応じた最適な目標噴射率の時間推移Rinj(t)が得られるとは言い難い。一方で、本実施形態のように、燃焼サイクルごとに燃焼速度の時間推移K(t)に基づいて数式により目標噴射率の時間推移Rinj(t)を算出することにより、マップにより目標噴射率の時間推移Rinj(t)を決定する場合と比較して、最適な目標噴射率の時間推移Rinj(t)を算出することができる。したがって、目標熱発生率の時間推移HRRt(t)となる燃焼を高精度に実現することができる。なお、本実施形態では、筒内酸素濃度から燃焼速度を決定する際にマップに基づいて決定しているが、筒内酸素濃度に対して燃焼速度は一意に決まるため、目標噴射率の時間推移Rinj(t)は計算により算出されるとしている。

0053

(4)任意の運転状況下(第1パターン)における吸気酸素濃度(筒内酸素濃度の時間推移の初期値)である第1吸気酸素濃度Voref1と比較して他の運転状況下(第2パターン)における第2吸気酸素濃度Voref2が少なくなった場合、目標噴射率の時間推移Rinj(t)は、燃焼期間の途中である所定時刻t3以降、進角側に制御されるようになる。そのため、時間の経過とともに燃焼速度が小さくなっていくことに伴って燃料の噴射から燃焼までに要する時間が長くなっていったとしても、その分噴射タイミングを早めに設定することができるため、確実に目標熱発生率の時間推移HRRt(t)を実現するための燃焼を起こさせることができる。

0054

(他の実施形態)
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り、以下のように変形させてもよい。

0055

・上記実施形態においては、吸気酸素濃度Voをスロットル弁開度センサ23によって検出することとしたが、たとえば図示しない吸気圧センサおよび吸気温センサによって検出されるインテークマニホールド内の圧力Poおよびインテークマニホールド内の温度Toによって算出もしくは決定するようにしてもよい。

0056

・上記実施形態においては、目標熱発生量の時間推移Qtを数式により算出することとしたが、目標熱発生率傾きθtと同様に、エンジン回転数NEおよびアクセル開度に基づくマップを用いて決定するようにしてもよい。

0057

・上記実施形態においては、筒内残存酸素濃度の時間推移Vrem(t)に基づいて、燃焼速度の時間推移K(t)を決定し、燃焼速度の時間推移K(t)に基づいて目標噴射率の時間推移Rinj(t)を決定している。しかし、筒内残存酸素濃度の時間推移Vrem(t)および目標噴射率の時間推移Rinj(t)の関係式、もしくはECU36に予め記憶されているマップに基づいて、燃焼速度の時間推移K(t)を決定する過程を経ずに目標噴射率の時間推移Rinj(t)を決定するようにしてもよい。

0058

・上記実施形態においては、残存酸素濃度推定手段90によって筒内残存酸素濃度の時間推移Vrem(t)を推定するようにしたが、推定物理量は酸素濃度でなくとも、たとえば酸素量などの、酸素濃度と相関のある物理量であればよい。特許請求の範囲における「筒内残存酸素濃度」の文言も、それらの物理量を包含するものとして定義される。また、燃焼速度決定手段120によって燃焼速度の時間推移K(t)を決定するようにしたが、決定する物理量はたとえば燃焼速度係数などの、燃焼速度と相関のある物理量であればよい。

0059

・上記実施形態においては、メイン噴射に要求される噴射量を複数回に分割して噴射するシステムとしたが、要求される噴射量を一度に噴射する単発噴射であってもよい。

0060

・上記実施形態においては、目標熱発生率の時間推移HRRt(t)を目標熱発生率傾きθtおよび目標熱発生量Qtに基づき決定することとしたが、燃焼行程中の毎時刻における目標熱発生率を逐一計算することで目標熱発生率の時間推移HRRt(t)を決定するようにしてもよい。

0061

・上記実施形態においては、目標熱発生量Qtを数1を用いて計算により算出したが、予めECU36内に記憶されている運転状況に応じたマップを用いて決定することもできる。

0062

・上記実施形態においては、燃焼速度の時間推移K(t)を、酸素濃度を入力パラメータとするマップにより決定することとしたが、計算により算出するようにしてもよい。計算により算出する一手段としては、運動量理論に基づく時間と当量比との関係式から導くことが考えられる。具体的な算出方法について詳述すると、まず、以下の数8乃至数10を用いて指定当量比φに対する噴射からの経過時間t(φ)を算出する。

0063

なお、t(φ)は指定当量比φに対する噴射からの経過時間、φthは理論当量比、ρaは筒内ガス密度、ρfは燃料密度、θspは噴霧角、dは噴孔径、Pcは噴射圧、Pcylは筒内圧、cは収縮係数である。

0064

なお、CO2は酸素濃度である。

0065

次に、噴射からの経過時間t(φ)においてφが1となる時間tcmbを求め、その逆数1/tcmbを所定の酸素濃度に対する燃焼速度として決定する。

0066

10エンジン、11燃料噴射システム、16燃焼室、32コモンレール、34燃料噴射弁、36 ECU、50過給器、52筒内圧センサ、54過給圧センサ、23スロットル弁開度センサ、60目標熱発生率傾き決定手段、70目標熱発生量決定手段、80 目標熱発生率決定手段、90残存酸素濃度推定手段、100目標噴射率決定手段、110噴射指令信号設定手段、120燃焼速度決定手段、130 駆動回路

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