JP2009293596A

JP2009293596A - 内燃機関の燃料噴射制御装置

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Publication number: JP2009293596A
Application number: JP2008150691A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Nada; 光博灘
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-06-09
Filing date: 2008-06-09
Publication date: 2009-12-17

Abstract

【課題】予熱機能と予混合機能とを考慮した適切な副噴射の燃料噴射制御を行うことが可能な圧縮自着火式の内燃機関の燃料噴射制御装置を提供する。
【解決手段】インジェクタ２３からの燃料噴射動作として少なくともメイン噴射とプレ噴射とが実行可能なコモンレール式ディーゼルエンジン１では、プレ噴射で噴射される燃料のうちメイン噴射で燃料が噴射されるまでの間は燃焼せずメイン噴射で噴射される燃料とともに燃焼する燃料の比率（予混合率）と、プレ噴射を実行する噴射タイミングとに基づいて、プレ噴射の燃料噴射量が算出される。この場合、プレ噴射の予混合率は、エンジン１の運転状態に応じて求められる。また、そのようにして算出されたプレ噴射の燃料噴射量は、プレ噴射の燃料噴射圧力に基づいて補正される。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料噴射弁からの主噴射（以下、メイン噴射と呼ぶ場合もある）に先立つ副噴射（以下、プレ噴射と呼ぶ場合もある）が実行可能な圧縮自着火式の内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

従来から周知のように、自動車用エンジン等として使用されるディーゼルエンジンでは、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等に応じて、燃料噴射弁（以下、インジェクタと呼ぶ場合もある）からの燃料噴射時期や燃料噴射量を調整する燃料噴射制御が行われている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、ディーゼルエンジンの燃焼は、予混合燃焼と拡散燃焼とによって成り立っている。燃料噴射弁からの燃料噴射が開始されると、まず燃料の気化拡散により可燃混合気が生成される（着火遅れ期間）。次に、この可燃混合気が燃焼室の数ヶ所で略同時に自己着火し、急速に燃焼が進む（予混合燃焼）。さらに、燃焼室内への燃料噴射が継続され、燃焼が継続的に行われる（拡散燃焼）。その後、燃料噴射が終了した後にも未燃燃料が存在するため、しばらくの間、熱発生が続けられる（後燃え期間）。

また、ディーゼルエンジンでは、着火遅れ期間が長くなるほど、あるいは着火遅れ期間における燃料の気化が激しいほど、着火後の火炎伝播速度が増大する。この火炎伝播速度が高くなると、一時に燃える燃料の量が多くなり過ぎて、シリンダ内の圧力が急激に増大し、振動や騒音が発生する。こうした現象はディーゼルノッキングと呼ばれており、特に低負荷運転時に発生することが多い。また、このような状況では、燃焼温度の急激な上昇に伴って窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」と呼ぶ）の発生量も増大し、排気エミッションが悪化してしまう。

そこで、こうしたディーゼルノッキングを防止したり、ＮＯｘ発生量を低減するために、各種の燃料噴射制御装置が開発されている。例えば、燃料噴射弁からの燃料噴射を複数回に分割して間欠噴射することなどが一般に行われている。

例えば、特許文献２では、メイン噴射に先立って燃料噴射を行うパイロット噴射の噴射時期として、このパイロット噴射の噴射時期から実際の着火時期までの遅れ期間だけ早めてパイロット噴射時期を設定している。これにより、パイロット噴射による燃料の着火時期とメイン噴射時期とを略一致させて、ＰＭ（ＰａｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ：微粒子）およびＨＣ（Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ：炭化水素）の排出量を減少させるようにしている。
特開２００２−１５５７９１号公報特開２００２−１９５０８４号公報

ところで、上述した副噴射の機能としては、自着火により気筒内の予熱に寄与する機能（予熱機能）と、自着火せずにその後に噴射される主噴射の燃料とともに燃焼して内燃機関のトルクに寄与する機能（予混合機能）とがある。したがって、適切な副噴射の燃料噴射制御を行うためには、副噴射による予熱機能と予混合機能とを考慮することが重要となる。しかし、従来では、予熱機能と予混合機能とを考慮した副噴射の燃料噴射制御は行われておらず、未だ改良の余地があった。

本発明は、そのような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、予熱機能と予混合機能とを考慮した適切な副噴射の燃料噴射制御を行うことが可能な圧縮自着火式の内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することにある。

本発明は、上述の課題を解決するための手段を以下のように構成している。すなわち、本発明は、圧縮自着火式の内燃機関の燃料噴射制御装置であって、燃料噴射弁からの燃料噴射動作として、少なくとも、主噴射と、この主噴射に先立って行われる副噴射とが実行可能に構成されている。そして、上記副噴射で噴射される燃料のうち、上記主噴射で燃料が噴射されるまでの間は燃焼せず上記主噴射で噴射される燃料とともに燃焼する燃料の要求比率と、上記副噴射を実行する噴射タイミングとに基づいて、上記副噴射の燃料噴射量を算出する副噴射制御手段を備えていることを特徴としている。

上記構成によれば、副噴射で噴射された燃料の一部を気筒内の予熱に寄与させることができるとともに（予熱機能）、気筒内予熱に寄与しない残りの燃料を内燃機関のトルクに寄与させることができる（予混合機能）。この構成では、副噴射による予熱機能と予混合機能とのバランスの指標である要求比率（予混合率）に基づいて副噴射の燃料噴射量を決定しているので、気筒内の予熱と内燃機関のトルクとを適切に考慮した副噴射の燃料噴射制御が可能となる。そして、このような副噴射の燃料噴射制御によって、高いエンジントルクを確保しながらも、緩慢燃焼の実現による燃焼音の低減やＮＯｘ発生量の低減を図ることが可能となる。

本発明において、上記要求比率は、内燃機関の運転状態に応じて求められることが好ましい。

この構成によれば、内燃機関の運転状態に即した副噴射の燃料噴射量の制御が可能となる。これにより、内燃機関の運転状態が変化したとしても、副噴射の燃料噴射制御をその変化に迅速に追従させて行うことが可能となる。したがって、内燃機関の運転状態に応じた最適な副噴射の燃料噴射制御を行うことが可能となる。

本発明において、上記副噴射制御手段により算出された燃料噴射量を、上記副噴射の燃料噴射圧力に基づいて補正する補正手段を備えていることが好ましい。なお、このような燃圧補正を行うのは、副噴射と主噴射とのインターバルが極めて短いため、副噴射の燃料噴射圧力を主噴射の燃料噴射圧力とは別々に設定することが難しく、副噴射の燃料噴射圧力が主噴射の燃料噴射圧力と略同一に設定されることに起因する。

このような燃圧補正を行うことによって、補正後の副噴射の噴射量は、副噴射の燃料噴射圧力を適切に反映させたものとなっている。つまり、燃圧補正を行わないで算出された副噴射の噴射量は、副噴射の燃料噴射圧力が高くなると、最適な噴射量に比べ小さい値となってしまう可能性があり、逆に、副噴射の燃料噴射圧力が低くなると、最適な噴射量に比べ大きい値となってしまう可能性がある。この構成では、補正手段による燃圧補正を行うことによって、補正後の副噴射の噴射量を副噴射の燃料噴射圧力をも考慮した最適な噴射量に近づけることが可能となる。

本発明によれば、副噴射で噴射された燃料の一部を気筒内の予熱に寄与させることができるとともに、気筒内予熱に寄与しない残りの燃料を内燃機関のトルクに寄与させることができる。副噴射による予熱機能と予混合機能とのバランスの指標である要求比率に基づいて副噴射の噴射量を決定しているので、気筒内の予熱と内燃機関のトルクとを適切に考慮した副噴射の燃料噴射制御が可能となる。

本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照しながら説明する。

以下では、自動車に搭載されたコモンレール式筒内直噴型多気筒（例えば直列４気筒）ディーゼルエンジン（圧縮自着火式内燃機関）に本発明を適用した例について説明する。

−エンジンの構成−
まず、実施形態に係るディーゼルエンジンの概略構成について説明する。図１は、実施形態に係るディーゼルエンジンおよびその制御系統の概略構成図である。図２は、ディーゼルエンジンの燃焼室およびその周辺部を示す断面図である。

図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンともいう）１は、燃料供給系２、燃焼室３、吸気系６、排気系７等を主要部とするディーゼルエンジンシステムとして構成されている。

燃料供給系２は、サプライポンプ２１、コモンレール２２、インジェクタ（燃料噴射弁）２３、遮断弁２４、燃料添加弁２６、機関燃料通路２７、添加燃料通路２８等を備えて構成されている。

サプライポンプ２１は、燃料タンクから燃料を汲み上げ、この汲み上げた燃料を高圧にした後、機関燃料通路２７を介してコモンレール２２に供給する。コモンレール２２は、サプライポンプ２１から供給された高圧燃料を所定圧力に保持（蓄圧）する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各インジェクタ２３に分配する。インジェクタ２３は、その内部に圧電素子（ピエゾ素子）を備え、適宜開弁して燃焼室３内に燃料を噴射供給するピエゾインジェクタにより構成されている。このインジェクタ２３からの燃料噴射制御の詳細については後述する。

また、サプライポンプ２１は、燃料タンクから汲み上げた燃料の一部を、添加燃料通路２８を介して燃料添加弁２６に供給する。添加燃料通路２８には、緊急時において添加燃料通路２８を遮断して燃料添加を停止するための遮断弁２４が備えられている。

燃料添加弁２６は、後述するＥＣＵ１００による添加制御動作によって排気系７への燃料添加量が目標添加量（排気Ａ／Ｆが目標Ａ／Ｆとなるような添加量）となるように、また、燃料添加タイミングが所定タイミングとなるように開弁時期が制御される電子制御式の開閉弁により構成されている。つまり、この燃料添加弁２６から所望の燃料が適宜のタイミングで排気系７（排気ポート７１から排気マニホールド７２）に噴射供給される構成となっている。

吸気系６は、シリンダヘッド１５（図２参照）に形成された吸気ポート１５ａに接続される吸気マニホールド６３を備え、この吸気マニホールド６３に、吸気通路を構成する吸気管６４が接続されている。この吸気通路には、上流側から順にエアクリーナ６５、エアフローメータ４３、スロットルバルブ６２が配設されている。エアフローメータ４３は、エアクリーナ６５を介して吸気通路に流入される空気量に応じた電気信号を出力するようになっている。

排気系７は、シリンダヘッド１５に形成された排気ポート７１に接続される排気マニホールド７２を備え、この排気マニホールド７２に対して、排気通路を構成する排気管７３，７４が接続されている。この排気通路には、ＮＯｘ吸蔵触媒（ＮＳＲ触媒：ＮＯｘＳｔｏｒａｇｅＲｅｄｕｃｔｉｏｎ触媒）７５およびＤＰＮＲ触媒（ＤｉｅｓｅｌＰａｔｉｃｕｌａｔｅ−ＮＯｘＲｅｄｕｃｔｉｏｎ触媒）７６を備えたマニバータ（排気浄化装置）７７が配設されている。

ＮＳＲ触媒７５は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であって、例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を担体とし、この担体上に例えばカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）のようなアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）のようなアルカリ土類、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）のような希土類と、白金（Ｐｔ）のような貴金属とが担持された構成となっている。

このＮＳＲ触媒７５は、排気中に多量の酸素が存在している状態においてはＮＯｘを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低く、かつ還元成分（例えば燃料の未燃成分（ＨＣ））が多量に存在している状態においてはＮＯｘをＮＯ₂若しくはＮＯに還元して放出する。ＮＯ₂やＮＯとして放出されたＮＯｘは、排気中のＨＣやＣＯと速やかに反応することによってさらに還元されてＮ₂となる。また、ＨＣやＣＯは、ＮＯ₂やＮＯを還元することで、自身は酸化されてＨ₂ＯやＣＯ₂となる。すなわち、ＮＳＲ触媒７５に導入される排気中の酸素濃度やＨＣ成分を適宜調整することにより、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化することができるようになっている。この実施形態のものでは、この排気中の酸素濃度やＨＣ成分の調整を燃料添加弁２６からの燃料添加動作によって行うことが可能となっている。

ＤＰＮＲ触媒７６は、例えば多孔質セラミック構造体にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を担持させたものであり、排気ガス中のＰＭは多孔質の壁を通過する際に捕集される。また、排気ガスの空燃比がリーンの場合、排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ吸蔵還元型触媒に吸蔵され、空燃比がリッチになると、吸蔵したＮＯｘは還元・放出される。さらに、ＤＰＮＲ触媒７６には、捕集したＰＭを酸化・燃焼する触媒（例えば白金等の貴金属を主成分とする酸化触媒）が担持されている。

ここで、ディーゼルエンジンの燃焼室３およびその周辺部の構成について、図２を用いて説明する。図２に示すように、エンジン本体の一部を構成するシリンダブロック１１には、各気筒（４気筒）毎に円筒状のシリンダボア１２が形成されており、各シリンダボア１２の内部には、ピストン１３が上下方向に摺動可能に収容されている。

ピストン１３の頂面１３ａの上側には、燃焼室３が形成されている。つまり、この燃焼室３は、シリンダブロック１１の上部にガスケット１４を介して取り付けられたシリンダヘッド１５の下面と、シリンダボア１２の内壁面と、ピストン１３の頂面１３ａとにより区画形成されている。そして、ピストン１３の頂面１３ａの略中央部には、キャビティ１３ｂが凹設されており、このキャビティ１３ｂも燃焼室３の一部を構成している。

このピストン１３は、コネクティングロッド１８の小端部１８ａがピストンピン１３ｃにより連結されており、このコネクティングロッド１８の大端部がエンジン出力軸であるクランクシャフトに連結されている。これにより、シリンダボア１２内でのピストン１３の往復移動がコネクティングロッド１８を介してクランクシャフトに伝達され、このクランクシャフトが回転することでエンジン出力が得られるようになっている。また、燃焼室３に向けてグロープラグ１９が配設されている。このグロープラグ１９は、エンジン１の始動直前に電流が流されることにより赤熱し、これに燃料噴霧の一部が吹きつけられることで着火・燃焼が促進される始動補助装置として機能する。

シリンダヘッド１５には、燃焼室３へ空気を導入する吸気ポート１５ａと、燃焼室３から排気ガスを排出する排気ポート７１とがそれぞれ形成されているとともに、吸気ポート１５ａを開閉する吸気バルブ１６および排気ポート７１を開閉する排気バルブ１７が配設されている。これら吸気バルブ１６および排気バルブ１７は、シリンダ中心線Ｐを挟んで対向配置されている。つまり、エンジン１はクロスフロータイプとして構成されている。また、シリンダヘッド１５には、燃焼室３の内部へ直接的に燃料を噴射するインジェクタ２３が取り付けられている。このインジェクタ２３は、シリンダ中心線Ｐに沿う起立姿勢で燃焼室３の略中央上部に配設されており、コモンレール２２から導入される燃料を燃焼室３に向けて所定のタイミングで噴射するようになっている。

さらに、図１に示す如く、エンジン１には、過給機（ターボチャージャ）５が設けられている。このターボチャージャ５は、タービンシャフト５Ａを介して連結されたタービンホイール５Ｂおよびコンプレッサホイール５Ｃを備えている。コンプレッサホイール５Ｃは吸気管６４内部に臨んで配置され、タービンホイール５Ｂは排気管７３内部に臨んで配置されている。このため、ターボチャージャ５は、タービンホイール５Ｂが受ける排気流（排気圧）を利用してコンプレッサホイール５Ｃを回転させ、吸気圧を高めるといった所謂過給動作を行うようになっている。この実施形態におけるターボチャージャ５は、可変ノズル式ターボチャージャであって、タービンホイール５Ｂ側に可変ノズルベーン機構（図示省略）が設けられており、この可変ノズルベーン機構の開度を調整することにより、エンジン１の過給圧を調整することができる。

吸気系６の吸気管６４には、ターボチャージャ５での過給によって昇温した吸入空気を強制冷却するためのインタークーラ６１が設けられている。このインタークーラ６１よりもさらに下流側に設けられたスロットルバルブ６２は、その開度を無段階に調整することができる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を絞り、この吸入空気の供給量を調整（低減）する機能を有している。

また、エンジン１には、吸気系６と排気系７とを接続する排気還流通路（ＥＧＲ通路）８が設けられている。このＥＧＲ通路８は、排気の一部を適宜吸気系６に還流させて燃焼室３へ再度供給することにより燃焼温度を低下させ、これによってＮＯｘ発生量を低減させるものである。また、このＥＧＲ通路８には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気流量を自在に調整することができるＥＧＲバルブ８１と、ＥＧＲ通路８を通過（還流）する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ８２とが設けられている。

−センサ類−
エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、それぞれの部位の環境条件や、エンジン１の運転状態に関する信号を出力する。

例えば、エアフローメータ４３は、吸気系６内のスロットルバルブ６２上流において吸入空気の流量（吸入空気量）に応じた検出信号を出力する。吸気温センサ４９は、吸気マニホールド６３に配置され、吸入空気の温度に応じた検出信号を出力する。吸気圧センサ４８は、吸気マニホールド６３に配置され、吸入空気圧力に応じた検出信号を出力する。Ａ／Ｆ（空燃比）センサ４４は、排気系７のマニバータ７７の下流において排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。排気温センサ４５は、同じく排気系７のマニバータ７７の下流において排気ガスの温度（排気温度）に応じた検出信号を出力する。レール圧センサ４１はコモンレール２２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。スロットル開度センサ４２はスロットルバルブ６２の開度を検出する。

−ＥＣＵ−
ＥＣＵ１００は、図３に示すように、ＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３、バックアップＲＡＭ１０４などを備えている。ＲＯＭ１０２には、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭ１０２に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。ＲＡＭ１０３は、ＣＰＵ１０１での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップＲＡＭ１０４は、例えばエンジン１の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。

以上のＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３およびバックアップＲＡＭ１０４は、バス１０７を介して互いに接続されるとともに、入力インターフェース１０５および出力インターフェース１０６と接続されている。

入力インターフェース１０５には、レール圧センサ４１、スロットル開度センサ４２、エアフローメータ４３、Ａ／Ｆセンサ４４、排気温センサ４５、吸気圧センサ４８、吸気温センサ４９が接続されている。さらに、この入力インターフェース１０５には、エンジン１の冷却水温に応じた検出信号を出力する水温センサ４６、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ４７、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力するクランクポジションセンサ４０などが接続されている。一方、出力インターフェース１０６には、インジェクタ２３、燃料添加弁２６、スロットルバルブ６２、ＥＧＲバルブ８１などが接続されている。

そして、ＥＣＵ１００は、上記した各種センサの出力に基づいて、エンジン１の各種制御を実行する。さらに、ＥＣＵ１００は、インジェクタ２３の燃料噴射制御として、後述するパイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射、ポスト噴射を実行する。

これらの燃料噴射を実行する際の燃料噴射圧は、コモンレール２２の内圧により決定される。このコモンレール内圧として、一般に、コモンレール２２からインジェクタ２３へ供給される燃料圧力の目標値、すなわち目標レール圧は、エンジン負荷（機関負荷）が高くなるほど、および、エンジン回転数（機関回転数）が高くなるほど高いものとされる。すなわち、エンジン負荷が高い場合には燃焼室３内に吸入される空気量が多いため、インジェクタ２３から燃焼室３内に向けて多量の燃料を噴射しなければならず、よってインジェクタ２３からの噴射圧力を高いものとする必要がある。また、エンジン回転数が高い場合には噴射可能な期間が短いため、単位時間当たりに噴射される燃料量を多くしなければならず、よってインジェクタ２３からの噴射圧力を高いものとする必要がある。このように、目標レール圧は一般にエンジン負荷およびエンジン回転数に基づいて設定される。

上記パイロット噴射やメイン噴射などの燃料噴射における燃料噴射パラメータについて、その最適値はエンジンや吸入空気等の温度条件などによって異なるものとなる。

例えば、ＥＣＵ１００は、コモンレール圧がエンジン運転状態に基づいて設定される目標レール圧と等しくなるように、すなわち燃料噴射圧が目標噴射圧と一致するように、サプライポンプ２１の燃料吐出量を調量する。また、ＥＣＵ１００はエンジン運転状態に基づいて燃料噴射量および燃料噴射形態を決定する。具体的には、ＥＣＵ１００は、クランクポジションセンサ４０の検出値に基づいてエンジン回転速度を算出するとともに、アクセル開度センサ４７の検出値に基づいてアクセルペダルへの踏み込み量（アクセル開度）を求め、このエンジン回転速度およびアクセル開度に基づいて総燃料噴射量を決定する。

−燃料噴射形態−
次に、この実施形態における上記パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射、ポスト噴射の各動作の概略について説明する。

（パイロット噴射）
パイロット噴射は、インジェクタ２３からのメイン噴射（主噴射）に先立ち、予め少量の燃料を噴射する噴射動作である。つまり、このパイロット噴射の実行後、燃料噴射を一旦中断し、メイン噴射が開始されるまでの間に圧縮ガス温度（気筒内温度）を十分に高めて燃料の自着火温度に到達させるようにし、これによってメイン噴射で噴射される燃料の着火性を良好に確保するようにしている。すなわち、この実施形態におけるパイロット噴射の機能は、気筒内の予熱に特化したものとなっている。言い換えれば、この実施形態におけるパイロット噴射は、燃焼室３内でのガスの予熱を行うための噴射動作（予熱用燃料の供給動作）となっている。

具体的には、噴霧の分配や局所濃度の適正化を図るために、パイロット噴射の１回当たりの噴射量をインジェクタ２３の最小限界噴射量（例えば１．５ｍｍ³）とし、噴射回数を設定することで必要な総パイロット噴射量を確保するようにしている。このようにして分割噴射されるパイロット噴射のインターバルは、インジェクタ２３の応答性（開閉動作の速さ）によって決定される。このインターバルは、例えば２００μｓに設定される。また、パイロット噴射の噴射開始タイミングとしては、例えばクランク角度で、ピストン１３の圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）８０°以降に設定される。なお、パイロット噴射の１回当たりの噴射量や、インターバル、噴射開始タイミングは、上記値に限定されるものではない。

（プレ噴射）
プレ噴射は、インジェクタ２３からのメイン噴射に先立ち、予め少量の燃料を噴射する噴射動作である。プレ噴射は、メイン噴射による燃料の着火遅れを抑制し、安定した拡散燃焼に導くための噴射動作であって、副噴射とも呼ばれる。このプレ噴射には、エンジン１のトルク発生のための噴射動作（トルク発生用燃料の供給動作）と、燃焼室３内でのガスの予熱を行うための噴射動作（予熱用燃料の供給動作）とがある。この実施形態のプレ噴射の燃料噴射制御の詳細については後述する。

プレ噴射の噴射開始角度（クランク角度位置）は、以下の式（１）によって設定することが可能である。角度は、クランクシャフトの回転角度に換算した値を意味している。

プレ噴射開始角度＝プレ燃焼終了角度＋プレ噴射期間作用角＋（プレ噴射における燃焼所要時間のクランク角度換算値＋着火遅れ時間のクランク角度換算値−オーバラップ時間のクランク角度換算値） …（１）
この式（１）において、着火遅れ時間は、プレ噴射が実行されてからその燃料が着火するまでの時間遅れである。また、オーバラップ時間は、複数回のプレ噴射が行われる場合において、先行して実行されるプレ噴射による燃料の燃焼期間と、後続して実行されるプレ噴射による燃料の燃焼期間とのオーバラップ時間（２つの燃焼が同時に行われている時間）、および、最終のプレ噴射による燃料の燃焼期間と、後続して実行されるメイン噴射による燃料の燃焼期間とのオーバラップ時間、並びに、最終のパイロット噴射による燃料の燃焼期間と、プレ噴射による燃料の燃焼期間とのオーバラップ時間である。また、上記式（１）に限らず、プレ噴射の着火遅れ時間のクランク角度換算値（着火遅れ角）と、この着火遅れ時間の経過後、プレ噴射開始時の吸熱反応によって気筒内での熱発生量の収支が負になっている状態からこの熱発生量の収支が正に転じた状態になるまでの時間のクランク角度換算値（燃焼開始角）とに応じて、プレ噴射の噴射開始角度を設定することも可能である。

（メイン噴射）
メイン噴射は、エンジン１のトルク発生のための噴射動作（トルク発生用燃料の供給動作）である。メイン噴射の噴射量は、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等の運転状態に応じて決定されるエンジン１の要求トルクを得るための上記総燃焼噴射量から、プレ噴射での噴射量を減算した噴射量として設定することが可能である。詳細には、エンジン１のトルク要求値は、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等の運転状態に応じて決定される。例えば、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等をパラメータとするマップを用いてエンジン１のトルク要求値が決定される。この場合、エンジン回転数（クランクポジションセンサ４０の検出値に基づいて算出されるエンジン回転数）が高いほど、また、アクセル操作量（アクセル開度センサ４７により検出されるアクセルペダルの踏み込み量）が大きいほど（アクセル開度が大きいほど）、エンジン１のトルク要求値としては高く得られる。

また、メイン噴射の噴射開始角度（クランク角度位置）は、以下の式（２）によって設定することが可能である。

メイン噴射開始角度＝メイン着火時期＋メイン噴射期間作用角＋（メイン噴射における燃焼所要時間のクランク角度換算値＋着火遅れ時間のクランク角度換算値−オーバラップ時間のクランク角度換算値） …（２）
この式（２）において、着火遅れ時間は、メイン噴射が実行されてからその燃料が着火するまでの時間遅れである。また、オーバラップ時間は、上記プレ噴射による燃料の燃焼期間とメイン噴射による燃料の燃焼期間とのオーバラップ時間、および、メイン噴射による燃料の燃焼期間と、アフタ噴射による燃料の燃焼期間とのオーバラップ時間である。また、上記式（２）に限らず、メイン噴射の着火遅れ時間のクランク角度換算値（着火遅れ角）に応じて、メイン噴射の噴射開始角度を設定することも可能である。

（アフタ噴射）
アフタ噴射は、排気ガス温度を上昇させるための噴射動作である。具体的に、この実施形態では、このアフタ噴射により供給された燃料の燃焼エネルギがエンジン１のトルクに変換されることなく、その大部分が排気の熱エネルギとして得られるタイミングでアフタ噴射を実行するようにしている。また、このアフタ噴射においても、上述したパイロット噴射の場合と同様に、１回当たりの噴射量をインジェクタ２３の最小限界噴射量（例えば１．５ｍｍ³）とし、噴射回数を設定することで必要な総アフタ噴射量を確保するようにしている。

（ポスト噴射）
ポスト噴射は、排気系７に燃料を直接的に導入して上記マニバータ７７の昇温を図るための噴射動作である。例えば、ＤＰＮＲ触媒７６に捕集されているＰＭの堆積量が所定量を超えた場合（例えばマニバータ７７の前後の差圧を検出することにより検知）、ポスト噴射が実行されるようになっている。

−目標燃料圧力の設定手法−
ここで、この実施形態において目標燃料圧力を設定する際の技術的思想について説明する。

ディーゼルエンジン１においては、ＮＯｘ発生量を削減することによる排気エミッションの改善、燃焼行程時の燃焼音の低減、エンジントルクの十分な確保といった各要求を連立することが重要である。本発明の発明者は、これら要求を連立するための手法として、燃焼行程時における気筒内での熱発生率の変化状態（熱発生率波形で表される変化状態）を適切にコントロールすることが有効であることに着目し、この熱発生率の変化状態をコントロールするための手法として、次に述べるような目標燃料圧力の設定手法を見出した。

図４の実線は、横軸をクランク角度、縦軸を熱発生率とし、メイン噴射で噴射された燃料の燃焼に係る理想的な熱発生率波形を示している。図４では、メイン噴射単独での熱発生率波形（プレ噴射による熱発生率を加えていない熱発生率波形）を示している。図中のＴＤＣはピストン１３の圧縮上死点に対応したクランク角度位置を示している。

この熱発生率波形としては、例えば、ピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）からメイン噴射で噴射された燃料の燃焼が開始され、圧縮上死点後の所定ピストン位置（例えば、圧縮上死点後１０°（ＡＴＤＣ１０°）の時点）で熱発生率が極大値（ピーク値）に達し、さらに、圧縮上死点後の所定ピストン位置（例えば、圧縮上死点後２５°（ＡＴＤＣ２５°）の時点）で上記メイン噴射において噴射された燃料の燃焼が終了するようになっている。この時点までに燃焼を終了させるために、この実施形態では、圧縮上死点後２２°（ＡＴＤＣ２２°）までにメイン噴射での燃料噴射を終了させるようになっている。このような熱発生率の変化状態で混合気の燃焼を行わせるようにすれば、例えば、圧縮上死点後１０°（ＡＴＤＣ１０°）の時点で気筒内の混合気のうちの５０％が燃焼を完了した状況となる。つまり、膨張行程における総熱発生量の約５０％がＡＴＤＣ１０°までに発生し、高い熱効率でエンジン１を運転させることが可能となる。

また、図４に二点鎖線αで示す波形は、燃料噴射圧力が、適正値よりも高く設定された場合の熱発生率波形であり、燃焼速度およびピーク値がともに高くなりすぎており、燃焼音の増大やＮＯｘ発生量の増加が懸念される状態である。一方、図４に二点鎖線βで示す波形は、燃料噴射圧力が、適正値よりも低く設定された場合の熱発生率波形であり、燃焼速度が低く且つピークの現れるタイミングが大きく遅角側に移行していることで十分なエンジントルクが確保できないことが懸念される状態である。

上述したように、この実施形態に係る目標燃料圧力の設定手法は、熱発生率の変化状態の適正化（熱発生率波形の適正化）を図ることで燃焼効率の向上を図るといった技術的思想に基づくものである。なお、実際の燃料噴射動作としては、このような熱発生率波形となるメイン噴射に先立って、上述したパイロット噴射およびプレ噴射が実行されることになる。すなわち、パイロット噴射およびプレ噴射により気筒内温度を十分に高めて、メイン噴射で噴射される燃料の着火性を良好に確保し、また、プレ噴射によりメイン噴射による燃料の着火遅れを抑制し、安定した拡散燃焼に導くようにしている。

−プレ噴射の燃料噴射制御−
この実施形態の特徴部分は、プレ噴射で噴射される燃料のうち、メイン噴射で燃料が噴射されるまでの間は燃焼せず、メイン噴射で噴射される燃料とともに燃焼する燃料の比率と、プレ噴射を実行する噴射タイミングとに基づいて、プレ噴射の燃料噴射量を算出する燃料噴射制御を行う点にある。以下、ＥＣＵ１００によるプレ噴射の燃料噴射制御について詳しく説明する。

まず、プレ噴射の機能について説明する。プレ噴射で噴射される燃料の機能として、一般に、自着火により気筒内の予熱に寄与する機能（予熱機能と言う）と、自着火せずにその後に噴射される燃料（この実施形態ではメイン噴射の燃料）とともに燃焼する機能（予混合機能と言う）とがある。

プレ噴射の燃料のうち、予熱機能に寄与する燃料（予熱項と言う）は、自着火可能な状態にあり、プレ噴射が行われると、速やかに燃焼する。このプレ噴射の予熱項の燃焼にともなって、気筒内で燃焼が行われた場所の圧縮ガス温度が局所的に高められ、筒内圧力が上昇する。これにより、その後のメイン噴射が開始されるまでの間に、気筒内温度を高めて燃料の自着火温度に到達させることが可能となる。つまり、この燃焼による熱発生量を利用して、メイン噴射で噴射される燃料の燃焼を促進することが可能となる。このように、プレ噴射の予熱項は、メイン噴射で噴射される燃料の着火性を良好にするための予熱に寄与することになる。

一方、プレ噴射の燃料のうち、予混合機能に寄与する燃料（予混合項と言う）、言い換えれば、気筒内予熱に寄与しない残りの燃料は、自着火不能な状態にある。つまり、プレ噴射の予混合項による予混合ガスは、その後のメイン噴射の燃料が噴射されるまでの間は、可燃空燃比よりも希薄化しており、着火できないようになっている。しかし、メイン噴射が行われ、メイン噴射の燃料の燃焼にともなって気筒内が高温化すると、そのような希薄化した予混合ガスであっても着火可能な状態となり、燃焼する。これにより、プレ噴射の予混合項は、メイン噴射の燃料とともに、エンジン１のトルクに寄与することになる。

そして、プレ噴射による予熱機能と予混合機能とのバランスは、プレ噴射の噴射タイミング（噴射時期）および噴射量（噴射流量）に応じて変化する。言い換えれば、プレ噴射の燃料のうち、上述の予熱項と予混合項との比率がプレ噴射の噴射タイミングおよび噴射量に応じて変化する。つまり、プレ噴射の燃料に対する予混合項の占める比率（予混合率と言う）がプレ噴射の噴射タイミングおよび噴射量に応じて変化することになる。

このように、プレ噴射の予混合率と噴射タイミングと噴射量との間には、一定の関係があるため、この実施形態では、プレ噴射を実行する際、プレ噴射の予混合率と噴射タイミングとに基づいて、プレ噴射の噴射量を算出するようにしている。

具体的に、プレ噴射の予混合率は、次の式（３）によって表される。

予混合率＝１−（予熱量／完全燃焼発熱量） …（３）
この式（３）において、完全燃焼発熱量は、プレ噴射の燃料が完全に燃焼した場合に発生する熱量であり、予熱量は、プレ噴射の燃料のうち予熱項が燃焼した場合に発生する熱量である。そして、この式（３）に基づくプレ噴射の噴射量とプレ噴射の予混合率と噴射タイミングとの関係は、例えば図５に示すようなマップによって表される。このようなマップは、予め実験・解析等を行うことにより式（３）に基づいて求められ、ＥＣＵ１００のＲＯＭ１０２に記憶されている。図５のマップでは、プレ噴射の噴射タイミングとその噴射タイミングにおける予混合率との関係を、複数のプレ噴射の燃料噴射量（Ａ〜Ｄ）について代表して示している。例えば、Ａは燃料噴射量０．５ｍｍ³であり、Ｂは燃料噴射量１．０ｍｍ³であり、Ｃは燃料噴射量３．０ｍｍ³であり、Ｄは燃料噴射量１０．０ｍｍ³である。

この図５から分かるように、同一の噴射量の場合、プレ噴射の噴射タイミングがピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）に近付くほど、予混合率が小さくなる。言い換えれば、気筒内の予熱に寄与する燃料が多くなる。その理由は、ピストン１３が圧縮上死点付近に達していて気筒内温度が上昇している環境下にプレ噴射を実行すれば、局部的に濃度の高い混合気が高温環境下に晒されて燃焼が開始することになる。このため、プレ噴射の噴射タイミングがピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）に近付くほど、同一の噴射量であっても熱発生量は大きくなるからである。ただし、ピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）付近でプレ噴射を行った場合でも、プレ噴射の燃料が全て予熱項となるわけではなく、予混合率には噴射量に応じた下限が存在し、予混合率が「０」となることはない。

逆に、プレ噴射の噴射タイミングがピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）から進角されるほど、予混合率が大きくなる。つまり、エンジン１のトルクに寄与する燃料が多くなる。その理由は、プレ噴射の噴射タイミングがピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）から進角されるほど、燃焼室内容積が大きい状態（ピストン１３が低い位置にある状態）で微少量のプレ噴射が行われることになる。このため、その後に、ピストン１３が圧縮上死点付近に達して気筒内温度が上昇（吸気の圧縮による温度上昇）しても、既に燃料が広範囲に拡散し、混合気が可燃空燃比よりも希薄化しており、混合気が着火不能な状態となっているからである。この場合、例えば、ピストン１３の圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）３０°よりも進角側のタイミングでプレ噴射を実行すれば、プレ噴射の燃料が全て予混合項となり、予混合率が「１」となる可能性がある。

同様に、図５から分かるように、同一の予混合率の場合、プレ噴射の噴射タイミングがピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）に近付くほど、プレ噴射の噴射量が少なくなる。逆に、プレ噴射の噴射タイミングがピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）から進角されるほど、プレ噴射の噴射量が多くなる。

また、図５から分かるように、同一の噴射タイミングの場合、予混合率が小さくなるほど、プレ噴射の噴射量が多くなる。逆に、予混合率が大きくなるほど、プレ噴射の噴射量が少なくなる。

この実施形態では、予混合率として、エンジン１の運転状態に基づいて要求される要求予混合率（目標予混合率）が用いられる。要求予混合率は、エンジン１の運転状態を表すパラメータに基づいて決定される。具体的には、要求予混合率は、エンジン１のトルク要求値に応じて決定され、例えば、マップなどを用いて決定される。

したがって、プレ噴射の噴射量を算出するにあたって、ＥＣＵ１００は、まず、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等の運転状態に応じてエンジン１のトルク要求値を決定する。そして、ＥＣＵ１００は、そのエンジン１のトルク要求値に基づいて要求予混合率を決定する。また、ＥＣＵ１００は、プレ噴射の噴射タイミングを決定する。この場合、プレ噴射の噴射タイミングは、例えば、上記式（１）によって設定することが可能である。

次に、ＥＣＵ１００は、そのようにして決定された要求予混合率とプレ噴射の実行タイミングとに基づいてプレ噴射の燃料噴射量を決定する。具体的には、ＥＣＵ１００は、ＲＯＭ１０２に記憶された図５のマップを参照してプレ噴射の燃料噴射量を算出する。この場合、図５に代表して示した燃料噴射量（Ａ〜Ｄ）以外の燃料噴射量については補間して算出される。そして、ＥＣＵ１００は、算出された噴射量の燃料をインジェクタ２３により噴射させる。

そして、この実施形態の燃料噴射制御によれば、次のような効果が得られる。すなわち、プレ噴射で噴射された燃料の一部（予熱項）を気筒内の予熱に寄与させることができるとともに、気筒内予熱に寄与しない残りの燃料（予混合項）をエンジン１のトルクに寄与させることができる。この場合、プレ噴射による予熱機能と予混合機能とのバランスの指標である要求予混合率に基づいてプレ噴射の噴射量を決定しているので、気筒内の予熱とエンジン１のトルクとを適切に考慮したプレ噴射の燃料噴射制御が可能となる。そして、このようなプレ噴射の燃料噴射制御によって、高いエンジントルクを確保しながらも、緩慢燃焼の実現による燃焼音の低減やＮＯｘ発生量の低減を図ることが可能となる。

しかも、要求予混合率は、エンジン１の運転状態に応じて決定される値であるため、エンジン１の運転状態に即したプレ噴射の噴射量の制御が可能となる。これにより、エンジン１の運転状態が変化したとしても、プレ噴射の燃料噴射制御をその変化に迅速に追従させて行うことが可能となる。したがって、エンジン１の運転状態に応じた最適なプレ噴射の燃料噴射制御を行うことが可能となる。

−他の実施形態−
以上、本発明の実施形態について説明したが、ここに示した実施形態はさまざまに変形することが可能である。

図５に示すマップは一例であって、プレ噴射の噴射タイミングと予混合率と噴射量との関係はこれに限るものではない。

上記実施形態により求められるプレ噴射の噴射量に対し、プレ噴射の燃料噴射圧力による補正を行う構成としてもよい。この変形例について、以下説明する。

まず、プレ噴射の予混合率と、インジェクタ２３からの燃料噴射圧力との間には、次のような関係がある。プレ噴射の予混合率は燃料噴射圧力に応じて変化し、同一の噴射タイミングおよび同一の噴射量の場合、燃料噴射圧力が高くなるほど、プレ噴射の予混合率は大きくなる。その理由は、インジェクタ２３からの燃料噴射圧力が高くなれば、プレ噴射で噴射された燃料が気筒内の広範囲に亘って拡散されることになる。このため、気筒内全体に亘って空燃比としては大幅なリーン状態となり、圧縮行程が進んでも、着火不能な燃料が増加するからである。

したがって、プレ噴射の要求予混合率に応じて噴射量を求める際には、要求予混合率に応じて算出されたプレ噴射の噴射量に対し、燃料噴射圧力による補正（燃圧補正）を行うことが好ましい。なお、このような燃圧補正を行うのは、プレ噴射とメイン噴射とのインターバルが極めて短いため、プレ噴射の燃料噴射圧力をメイン噴射の燃料噴射圧力とは別々に設定することが難しく、プレ噴射の燃料噴射圧力がメイン噴射の燃料噴射圧力と略同一に設定されることに起因する。

具体的には、次の式（４）に示すように、プレ噴射の噴射量の算出に、プレ噴射の燃料噴射圧力による燃圧補正係数Ｋを導入している。

Ｑ１＝Ｑ０＊Ｋ …（４）
この式（４）において、Ｑ０は上記実施形態にしたがって求められるプレ噴射の噴射量であり、Ｑ１は燃圧補正後のプレ噴射の噴射量である。すなわち、燃圧補正後のプレ噴射の噴射量Ｑ１は、上記実施形態にしたがって求められるプレ噴射の噴射量Ｑ０に対し、燃圧補正係数Ｋを乗算することによって得られる。

ここで、燃圧補正係数Ｋは、プレ噴射の燃料噴射圧力に応じて設定される値である。そして、上記した理由により、プレ噴射の燃料噴射圧力が高くなるほど、燃圧補正係数Ｋは大きく設定される。この燃圧補正係数Ｋは、常に「１」以上の値に設定される。

燃圧補正係数Ｋは、例えば、図６に示すようなマップを参照することによりプレ噴射の燃料噴射圧力に基づいて設定することが可能である。このようなマップは、予め実験・解析等を行うことにより求められ、ＥＣＵ１００のＲＯＭ１０２に記憶されている。この場合、プレ噴射の燃料噴射圧力としては、プレ噴射を実行する際にレール圧センサ４１により検出されるコモンレール２２の内圧が用いられる。なお、図６に示すマップは一例であって、プレ噴射の燃料噴射圧力と燃圧補正係数との関係はこれに限るものではない。

そして、燃圧補正係数Ｋによる燃圧補正を行うことによって、プレ噴射の噴射量Ｑ１は、プレ噴射の燃料噴射圧力を適切に反映させたものとなっている。つまり、燃圧補正を行わないで算出されたプレ噴射の噴射量Ｑ０は、プレ噴射の燃料噴射圧力が高くなると、最適な噴射量に比べ小さい値となってしまう可能性があり、逆に、プレ噴射の燃料噴射圧力が低くなると、最適な噴射量に比べ大きい値となってしまう可能性がある。この例では、図６のような特性を有する燃圧補正係数Ｋによる燃圧補正を行うことによって、プレ噴射の噴射量Ｑ１をプレ噴射の燃料噴射圧力をも考慮した最適な噴射量に近づけることが可能となる。

上記実施形態では、自動車に搭載される直列４気筒ディーゼルエンジンに本発明を適用した場合について説明した。本発明は、自動車用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンにも適用可能である。また、気筒数やエンジン形式（直列型エンジン、Ｖ型エンジン等の別）についても特に限定されるものではない。

実施形態に係るディーゼルエンジンおよびその制御系統の概略構成図である。ディーゼルエンジンの燃焼室およびその周辺部を示す断面図である。ＥＣＵ等の制御系の構成を示すブロック図である。膨張行程時の熱発生率の変化状態を示す波形図である。プレ噴射の噴射タイミングと、予混合率と、噴射量との関係を示すマップである。プレ噴射の予混合率と、燃料噴射圧力による補正係数との関係を示すマップである。

符号の説明

１エンジン（内燃機関）
１２シリンダボア
１３ピストン
２３インジェクタ（燃料噴射弁）

Claims

燃料噴射弁からの燃料噴射動作として、少なくとも、主噴射と、この主噴射に先立って行われる副噴射とが実行可能な圧縮自着火式の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記副噴射で噴射される燃料のうち、上記主噴射で燃料が噴射されるまでの間は燃焼せず上記主噴射で噴射される燃料とともに燃焼する燃料の要求比率と、上記副噴射を実行する噴射タイミングとに基づいて、上記副噴射の燃料噴射量を算出する副噴射制御手段を備えてい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１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記要求比率は、内燃機関の運転状態に応じて求められ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１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記副噴射制御手段により算出された燃料噴射量を、上記副噴射の燃料噴射圧力に基づいて補正する補正手段を備えていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。