JP2012241638A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スモークの発生を抑制可能な内燃機関の燃料噴射制御装置を提供する。
【解決手段】気筒２内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁９を備えた内燃機関１に適用され、気筒２内への燃料噴射として、主噴射と、主噴射の後に行われるアフター噴射とが１サイクル中に実行されるように燃料噴射弁９の動作を制御可能な燃料噴射制御装置において、主噴射で噴射された燃料の火炎の位置を推定し、アフター噴射で噴射される燃料が推定した火炎の位置に到達しないようにアフター噴射時における燃料噴射弁９の噴射率を変更する。
【選択図】図１

Description

本発明は、気筒内への燃料噴射として主噴射と、主噴射の後に行われるアフター噴射とが１サイクル中に実行されるように燃料噴射弁の動作を制御可能な内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

気筒内への燃料噴射として主噴射と主噴射の終了後に行う副噴射とを１サイクル中に実行することが可能な燃料噴射制御装置が知られている。このような制御装置において、スート量を低減するために主噴射により噴射された燃料の燃焼によって発生した熱の発生量が所定のしきい値を上回ったときに副噴射を開始する制御装置が知られている（特許文献１参照）。

特開２００９−１２１４１８号公報

主噴射の終了後に副噴射（以下、アフター噴射と呼ぶこともある。）を実行する場合、内燃機関の運転状態によってはアフター噴射の開始時期を主噴射に近付けることで等容度を増加させ、これにより燃費の悪化を低減できることが知られている。その一方で、アフター噴射による噴射された燃料が主噴射の燃料の火炎に突入するとスモークが発生することも知られている。特許文献１の装置では、アフター噴射の開始時期を主噴射の燃料の熱発生量だけで判断しており、主噴射の燃料の火炎の位置が考慮されていない。そのため、アフター噴射の燃料が主噴射の燃料の火炎に突入してスモークが発生するおそれがある。

そこで、本発明は、スモークの発生を抑制可能な内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の燃料噴射制御装置は、気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えた内燃機関に適用され、前記気筒内への燃料噴射として、主噴射と、前記主噴射の後に行われるアフター噴射とが１サイクル中に実行されるように前記燃料噴射弁の動作を制御可能な燃料噴射制御装置において、前記主噴射で噴射された燃料の火炎の位置を取得する火炎位置取得手段と、前記アフター噴射で噴射される燃料が前記火炎位置取得手段により取得された火炎の位置に到達しないように前記アフター噴射時における前記燃料噴射弁の噴射率及び前記アフター噴射の開始時期の少なくともいずれか一方を変更するアフター噴射制御手段と、を備えている（請求項１）。

本発明の燃料噴射制御装置では、アフター噴射で噴射される燃料（以下、アフター噴射燃料と呼ぶことがある。）が主噴射で噴射された燃料（以下、主噴射燃料と呼ぶことがある。）の火炎に突入することを抑制できるので、アフター噴射燃料の不完全燃焼を抑制できる。そのため、スモークの発生を抑制できる。

本発明の燃料噴射制御装置の一形態においては、前記主噴射で噴射された燃料のうち最初に噴射された部分の位置を推定する先端位置推定手段と、前記主噴射で噴射された燃料のうち最後に噴射された部分の位置を推定する後端位置推定手段と、をさらに備え、前記火炎位置取得手段は、前記先端位置推定手段が推定した最初に噴射された部分の位置及び前記後端位置推定手段が推定した最後に噴射された部分の位置に基づいて火炎の位置を推定してもよい（請求項２）。主噴射燃料が燃焼した場合、火炎は主噴射燃料の形状に発生する。そのため、主噴射燃料が燃料噴射弁から直進している場合には、主噴射燃料のうち最後に噴射された部分の火炎がアフター噴射燃料に最も近い。一方、主噴射燃料が気筒の内面やピストン等に衝突し、進行方向が反転した場合には、主噴射燃料のうち最初に噴射された部分の火炎がアフター噴射燃料に最も近い。この形態では、主噴射燃料のうち最初に噴射された部分及び最後に噴射された部分に基づいて主噴射燃料の火炎の位置を推定する。そのため、主噴射燃料が移動している方向に拘わらず主噴射燃料の火炎のうちアフター噴射燃料に最も近い部分の位置を適切に推定できる。従って、アフター噴射燃料が主噴射燃料の火炎に突入することを抑制できる。

本発明の燃料噴射制御装置の一形態においては、前記火炎位置取得手段として、前記気筒内における火炎の位置を検出する火炎位置検出手段が前記気筒に設けられていてもよい（請求項３）。この場合、気筒内の火炎の位置を実際に検出できるので、アフター噴射燃料が主噴射燃料の火炎に突入することをより確実に抑制できる。

以上に説明したように、本発明の燃料噴射制御装置によれば、アフター噴射で噴射された燃料が主噴射で噴射された燃料の火炎に突入することを抑制できるので、スモークの発生を抑制できる。

本発明の第１の形態に係る燃料噴射制御装置が組み込まれた内燃機関を模式的に示す図。 気筒の断面の一部を拡大して示す図。 ＥＣＵが実行するアフター噴射補正ルーチンを示すフローチャート。 主噴射燃料の先端位置、主噴射燃料の後端位置、及びアフター噴射燃料の先端位置を説明するための図。 主噴射燃料の形状の時間変化の一例を示す図。 主噴射燃料の先端位置及び後端位置の時間変化の一例を示す図。 主噴射燃料の先端位置が後端位置よりも燃料噴射弁から遠い場合の主噴射燃料の火炎後端位置を説明するための図。 主噴射燃料の先端位置が後端位置よりも燃料噴射弁に近い場合の主噴射燃料の火炎後端位置を説明するための図。 燃料噴射弁のノズルニードルのリフト速度と燃料の到達距離の時間変化との関係の一例を示す図。 主噴射とアフター噴射とを同じリフト速度で行った場合の主噴射燃料の先端位置、後端位置、及びアフター噴射燃料の先端位置の時間変化の一例を示す図。 アフター噴射の実行時における燃料噴射弁のリフト速度を主噴射時よりも遅くした場合の主噴射燃料の先端位置、後端位置、及びアフター噴射燃料の先端位置の時間変化の一例を示す図。 アフター噴射の開始時期を遅角させて主噴射とアフター噴射との間の間隔を拡げた場合の主噴射燃料の先端位置、後端位置、及びアフター噴射燃料の先端位置の時間変化の一例を示す図。 本発明の第２の形態に係る燃料噴射制御装置が組み込まれた内燃機関を模式的に示す図。 火炎位置センサが設けられた気筒の断面の一部を拡大して示す図。 第２の形態においてＥＣＵが実行するアフター噴射補正ルーチンを示すフローチャート。 火炎位置センサの各センサから出力される信号の時間変化と、主噴射燃料及びアフター噴射燃料のそれぞれの火炎の位置の時間変化とを示す図。 図１６の期間（ａ）における主噴射燃料及びアフター噴射燃料のそれぞれの火炎の形状の一例を示す図。 図１６の期間（ｂ）における主噴射燃料及びアフター噴射燃料のそれぞれの火炎の形状の一例を示す図。 図１６の期間（ｃ）における主噴射燃料及びアフター噴射燃料のそれぞれの火炎の形状の一例を示す図。 図１６の期間（ｄ）における主噴射燃料及びアフター噴射燃料のそれぞれの火炎の形状の一例を示す図。 主噴射とアフター噴射とを同じリフト速度で行った場合の主噴射燃料の火炎後端位置及びアフター噴射燃料の火炎先端位置の時間変化の一例を示す図。 アフター噴射の実行時における燃料噴射弁のリフト速度を主噴射時よりも遅くした場合の主噴射燃料の火炎後端位置及びアフター噴射燃料の火炎先端位置の時間変化の一例を示す図。 アフター噴射の開始時期を遅角させて主噴射とアフター噴射との間の間隔を拡げた場合の主噴射燃料の火炎後端位置及びアフター噴射燃料の火炎先端位置の時間変化の一例を示す図。

（第１の形態）
図１は、本発明の第１の形態に係る燃料噴射制御装置が組み込まれた内燃機関を模式的に示している。内燃機関（以下、エンジンと呼ぶこともある。）１は、車両に走行用動力源として搭載されるディーゼルエンジンであり、複数（図１では４つ）の気筒２が形成された機関本体３を備えている。各気筒２には吸気通路４が接続されている。吸気通路４には、吸入空気量を調整するためのスロットル弁５が設けられている。また、各気筒２には、ピストン６（図１では不図示）がそれぞれ往復動自在に挿入されている。各ピストン６は、コンロッド７にてクランクシャフト８とそれぞれ接続されている。

各気筒２には、燃料噴射弁９がそれぞれ設けられている。燃料噴射弁９は、内部に設けられているノズルニードルを電磁石及びスプリング等で駆動することにより燃料の噴射及びその停止を行う。また、燃料噴射弁９は、ノズルニードルのリフト速度を変更可能なように構成され、これにより単位時間当たりの噴射量すなわち噴射率を変更可能なように構成されている。図２は、気筒２の断面の一部を示している。この図に示すように燃料噴射弁９は、気筒２の中心線ＣＬ上に先端部９ａを気筒２内に臨ませるように設けられている。先端部９ａには、燃料を噴射するための複数の噴孔（不図示）が設けられている。これらの噴孔は、先端部９ａの周囲に周方向に等間隔に設けられている。ピストン６の頂面６ａの中央部には、頂面６ａから窪むピストンキャビティ１０が設けられている。ピストンキャビティ１０は、内周壁面１０ａ及び底面１０ｂを有している。底面１０ｂは、中央部分が浅く、そこから外周側にいくほど深さが深くなるように形成されている。底面１０ｂの外周部分と内周壁面１０ａとの間には環状の凹壁面１０ｃが設けられている。この凹壁面１０ｃは、底面１０ｂの外周部分よりもさらに深く窪んでいる。また、この図に示すように凹壁面１０ｃは、断面が円弧状になるように形成され、底面１０ｂと内周壁面１０ａとを滑らかに接続している。これによりピストンキャビティ１０の外周部分には環状溝部１１が形成される。燃料噴射弁９の先端部９ａからは、矢印Ａで示したように環状溝部１１に向かうように気筒２の半径方向かつピストン６に向けて斜めに燃料が噴射される。

図１に示すようにエンジン１には、燃料タンク１２と、燃料タンク１２の燃料を昇圧してコモンレール１３に送る昇圧ポンプ１４とが設けられている。そして、コモンレール１３には各燃料噴射弁９が接続されている。そのため、燃料噴射弁９には、昇圧ポンプ１４で昇圧された燃料がコモンレール１３を介して供給される。

各燃料噴射弁９の動作は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０にて制御される。ＥＣＵ２０は、マイクロプロセッサ２１と、その動作に必要な種々の周辺機器を含んだ周知のコンピュータユニットである。周辺機器としては、例えばＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ２２、及び外部との信号の入出力を制御する入出力部２３等が含まれる。ＥＣＵ２０は、所定の制御プログラムに従ってスロットル弁５及び昇圧ポンプ１４等の動作を制御することによってエンジン１を目標とする運転状態に制御する。例えば、ＥＣＵ２０は、コモンレール１３内の燃料の圧力がエンジン１の運転状態に応じて設定された圧力に調整されるように昇圧ポンプ１４の動作を制御する。ＥＣＵ２０には、エンジン１の運転状態を判別するために種々のセンサが接続されている。例えば、エンジン１のクランクシャフト８の角度（クランク角）に対応した信号を出力するクランク角センサ２４、エンジン１の冷却水の温度に対応した信号を出力する水温センサ２５、コモンレール１３内の圧力に対応した信号を出力する燃圧センサ２６、及びアクセル開度に対応した信号を出力するアクセル開度センサ２７等が接続されている。その他にもＥＣＵ２０には種々のセンサが接続されているが、それらの図示は省略した。

次にＥＣＵ２０による燃料噴射弁９の制御について説明する。ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転状態に応じて１サイクル中に気筒２内に供給すべき燃料量を算出し、算出した量の燃料が噴射されるように電気駆動ユニット（ＥＤＵ）２８を介して燃料噴射弁９の動作を制御する。また、エンジン１では複数の燃料噴射モードが設定されており、ＥＣＵ２０はエンジン１の運転状態に応じて燃料噴射モードを切り替える。燃料噴射モードとしては、例えば燃料が１サイクル中に１回噴射される通常噴射モード、及び燃料が１サイクル中に主噴射と主噴射の終了後に行われるアフター噴射とで噴射されるアフター噴射モード等が設定されている。なお、主噴射とアフター噴射との間の間隔は、燃料噴射弁９を閉じてから再度開けるまでに要する最小の時間、すなわち最小インターバルが設定される。このような噴射すべき燃料量の算出方法や燃料噴射モードの切替制御は周知の方法で行えばよいため、説明を省略する。

ＥＣＵ２０は、アフター噴射モードにおいてアフター噴射が適切に実行されるようにエンジン１の運転状態に応じてアフター噴射の噴射条件を補正する。図３は、このようにアフター噴射の噴射条件を補正するためにＥＣＵ２０が実行するアフター噴射補正ルーチンを示している。このルーチンは、エンジン１の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。ＥＣＵ２０は、このルーチンの他に気筒２内に噴射すべき燃料量を算出するためのルーチン及び燃料噴射モードの切り替えを制御するためのルーチンをエンジン１の運転中に所定の周期で繰り返し実行している。この図に示したルーチンは、これらのルーチンと並行に実行される。

図３のルーチンにおいてＥＣＵ２０は、まずステップＳ１１で噴射モードがアフター噴射モードか否か判定する。アフター噴射モード以外の噴射モードの場合には今回のルーチンを終了する。一方、アフター噴射モードの場合にはステップＳ１２に進み、ＥＣＵ２０はエンジン１の運転状態を取得する。エンジン１の運転状態としては、例えばクランク角度、アクセル開度、エンジン１の冷却水温、及びコモンレール１３内の燃料の圧力Ｐｉｎｊ等が取得される。続くステップＳ１３においてＥＣＵ２０は、気筒２内のガス密度を算出する。気筒２内のガスはほぼ空気と考えることができる。そして、周知のように気筒２内のガス密度はピストン６が上死点に近付くほど大きくなる。また、冷却水温が高いほどガス密度が小さくなる。そこで、気筒２内のガス密度は、クランク角度及び冷却水温に基づいて算出すればよい。

次のステップＳ１４においてＥＣＵ２０は、噴射条件の初期値を取得する。初期値としては、主噴射の燃料噴射量Ｑｍａｉｎ、主噴射の開始時期ｔｍａｉｎ、及びアフター噴射の燃料噴射量Ｑａｆｔｅｒ等が取得される。なお、各燃料噴射量は、ＥＣＵ２０が実行する他のルーチンにて算出され、メモリ２２に記憶されている。そのため、これらはメモリ２２から取得すればよい。

続くステップＳ１５においてＥＣＵ２０は、主噴射の噴射率を算出する。主噴射の燃料噴射量Ｑｍａｉｎが多い場合には、噴射率を大きくしないと適切な期間内に燃料の噴射が完了しない。また、燃料の圧力Ｐｉｎｊが高いほど噴射率が大きくなる。そこで、噴射率は、燃料噴射量Ｑｍａｉｎ及び燃料の圧力Ｐｉｎｊに基づいて算出すればよい。

次のステップＳ１６においてＥＣＵ２０は、算出した噴射率に基づいて主噴射の燃料の先端位置Ｌｔｏｐ及び後端位置Ｌｂａｃｋを算出する。図４に示したようにアフター噴射モードでは、燃料噴射弁９から主噴射の燃料（以下、主噴射燃料と呼ぶことがある。）Ｆｍａｉｎが噴射され、その終了後にアフター噴射の燃料（以下、アフター噴射燃料と呼ぶことがある。）Ｆａｆｔｅｒが噴射される。そして、この図に示すように主噴射燃料Ｆｍａｉｎの先端位置Ｌｔｏｐは、燃料噴射弁９の先端部９ａから主噴射燃料Ｆｍａｉｎのうち最初に噴射された部分までの距離で示される。また、主噴射燃料Ｆｍａｉｎの後端位置Ｌｂａｃｋは、燃料噴射弁９の先端部９ａから主噴射燃料Ｆｍａｉｎのうち最後に噴射された部分までの距離で示される。そのため、この処理を実行することによりＥＣＵ２０が本発明の先端位置推定手段及び後端位置推定手段として機能する。

図５は、主噴射燃料Ｆｍａｉｎの形状の時間変化の一例を示している。上述したように燃料噴射弁９からはピストン６の環状溝部１１に向けて燃料が噴射される。この図に示したように主噴射燃料Ｆｍａｉｎは、環状溝部１１に到達して凹壁面１０ｃに衝突すると矢印Ｂで示したように凹壁面１０ｃに沿って下方に曲がる。これにより主噴射燃料Ｆｍａｉｎの進行方向が逆になる。その後、主噴射燃料Ｆｍａｉｎは、この図の右側の図に示したように燃料噴射弁９に近付くように移動する。そのため、主噴射燃料Ｆｍａｉｎのうち最初に噴射された部分は、まず燃料噴射弁９の先端部９ａから凹壁面１０ｃに向かって移動する。そして、凹壁面１０ｃに到達すると凹壁面１０ｃに沿って曲がり、その後凹壁面１０ｃの中心線ＣＬ側の端から燃料噴射弁９に近付くように移動する。そのため、先端位置Ｌｔｏｐは、主噴射燃料Ｆｍａｉｎが凹壁面１０ｃに到達するまでは大きくなり、到達して反転した後は小さくなる。

次に先端位置Ｌｔｏｐの具体的な算出方法について説明する。先端位置Ｌｔｏｐを算出する場合、まず主噴射燃料Ｆｍａｉｎが凹壁面１０ｃに衝突せずに直進した場合の到達距離を算出する。燃料の到達距離は、例えば以下に示す広安の式を用いる等公知の算出方法で算出すればよい。なお、広安の式においてＳは到達距離（ペネトレーション）を、ρｌは燃料の密度を、ρａは雰囲気密度を、ｔは噴射開始後の時間をそれぞれ示している。また、Ｄは燃料噴射弁９の噴孔径を、Ｌは燃料噴射弁９の噴孔長をそれぞれ示している。そして、ΔＰは（噴射圧―雰囲気圧）を示し、αはＣ’×（Ｌ／Ｄ）^０．１３を示している。なお、ΔＰは噴射率に基づいて求められる。Ｃｎ、Ｃ、Ｃ’はいずれも定数である。広安の式では、まず（３）式を用いて分裂時間ｔｂを求める。そして、ｔが０≦ｔ＜ｔｂの場合には（１）式を用いて、ｔがｔｂ≦ｔの場合には（２）を用いて到達距離を算出する。なお、（１）式の代わりに（１）’式を、（２）式の代わりに（２）’式を用いて到達距離を算出してもよい。

次に算出した到達距離が、燃料噴射弁９の先端部９ａから凹壁面１０ｃまでの距離（以下、直進距離と呼ぶことがある。）以下か否か判定する。到達距離が直進距離以下であれば、到達距離が先端位置Ｌｔｏｐになる。一方、到達距離が直進距離より大きい場合には、上述した主噴射燃料Ｆｍａｉｎのうち最初に噴射された部分の動きに応じて算出される。この場合、まず算出された到達距離から直進距離を減じ、残余の距離を求める。そして、この残余の距離が、まず凹壁面１０ｃに沿って延び、続いて凹壁面１０ｃの中心線ＣＬ側の端から燃料噴射弁９に近付くように延びるとして先端位置Ｌｔｏｐを算出する。そのため、先端位置Ｌｔｏｐは図６に示したような時間変化を示す。図６は主噴射燃料Ｆｍａｉｎの先端位置Ｌｔｏｐ及び後端位置Ｌｂａｃｋの時間変化の一例を示している。なお、この図に示した噴射信号は、ＥＣＵ２０が燃料噴射弁９に出力する信号である。噴射信号がＯＮの場合には燃料噴射弁９が開弁され、ＯＦＦの場合には燃料噴射弁９が閉弁される。そのため、この図に示した例では主噴射が時刻Ｔ１から時刻Ｔ２まで実行され、アフター噴射が時刻Ｔ３から実行されている。時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの間には、上述したように燃料噴射弁９の最小インターバルが設定されている。この図の破線Ｌｔｏｐ’は、主噴射燃料Ｆｍａｉｎが凹壁面１０ｃに衝突せずに直進した場合の到達距離を示している。

主噴射燃料Ｆｍａｉｎは、後端位置Ｌｂａｃｋが凹壁面１０ｃに到達する前に燃焼し始める。そのため、後端位置Ｌｂａｃｋを算出する場合には凹壁面１０ｃによる反転を考慮する必要がない。従って、後端位置Ｌｂａｃｋは上述した燃料の到達距離を算出する方法で算出できる。なお、後端位置Ｌｂａｃｋは、先端位置Ｌｔｏｐ及び主噴射において燃料が噴射された時間に基づいて算出してもよい。

先端位置Ｌｔｏｐ及び後端位置Ｌｂａｃｋを算出した後はステップＳ１７に進み、ＥＣＵ２０は主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎後端位置δｆｉｒｅを算出する。なお、火炎後端位置δｆｉｒｅは、主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎のうち燃料噴射弁９に最も近い部分の位置である。上述したように主噴射燃料Ｆｍａｉｎは、凹壁面１０ｃに沿って曲がり反転する。そのため、先端位置Ｌｔｏｐが後端位置Ｌｂａｃｋよりも燃料噴射弁９から遠い場合には図７に示すように後端位置Ｌｂａｃｋが火炎後端位置δｆｉｒｅになる。一方、図８に示すように先端位置Ｌｔｏｐが後端位置Ｌｂａｃｋよりも燃料噴射弁９に近い場合には先端位置Ｌｔｏｐが火炎後端位置δｆｉｒｅになる。図６に示した例では、時刻Ｔ２〜Ｔ４までは後端位置Ｌｂａｃｋが火炎後端位置δｆｉｒｅになり、時刻Ｔ４以降は先端位置Ｌｔｏｐが火炎後端位置δｆｉｒｅになる。そのため、火炎後端位置δｆｉｒｅは、この図に実線Ｆ１で示したように変化する。なお、この処理を実行することによりＥＣＵ２０が本発明の火炎位置取得手段として機能する。

次のステップＳ１８においてＥＣＵ２０は、アフター噴射の噴射率の初期値（以下、初期噴射率と呼ぶ。）を算出する。この初期噴射率も主噴射の噴射率と同様に噴射条件の初期値として取得した燃料噴射量Ｑａｆｔｅｒ及び燃料の圧力Ｐｉｎｊに基づいて算出すればよい。続くステップＳ１９においてＥＣＵ２０は、アフター噴射の開始時期ｔａｆｔｅｒを算出する。この開始時期ｔａｆｔｅｒには、主噴射の終了時期に燃料噴射弁９の最小インターバルを加えた値が設定される。

次のステップＳ２０においてＥＣＵ２０は、算出したアフター噴射の初期噴射率及び開始時期ｔａｆｔｅｒに基づいてアフター噴射の先端位置Ｌａｆｔｅｒを算出する。この先端位置Ｌａｆｔｅｒは、図４に示すように燃料噴射弁９の先端部９ａからアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒのうち最初に噴射された部分までの距離で示される。そのため、先端位置Ｌａｆｔｅｒは、上述した主噴射燃料Ｆｍａｉｎの先端位置Ｌｔｏｐ及び後端位置Ｌｂａｃｋと同様に広安の式を用いて算出する等公知の算出方法で算出すればよい。ただし、アフター噴射は時刻Ｔ３から開始されるので、図６に示したように先端位置Ｌａｆｔｅｒは時刻Ｔ３まで０である。

続くステップＳ２１においてＥＣＵ２０は、主噴射の火炎後端位置δｆｉｒｅからアフター噴射の先端位置Ｌａｆｔｅｒを減じた値（以下、燃料間距離と呼ぶことがある。）が予め設定した所定のしきい値ＴＨ以上か否か判定する。しきい値ＴＨには、例えば図６に示したようにアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒが主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎に突入しない距離の最小値が設定される。

燃料間距離がしきい値ＴＨ未満の場合にはステップＳ２２に進み、ＥＣＵ２０はアフター噴射の噴射率を変更する。図９〜図１１を参照してアフター噴射の噴射率とアフター噴射の先端位置Ｌａｆｔｅｒとの関係について説明する。図９は、燃料噴射弁９のノズルニードルのリフト速度と燃料の到達距離の時間変化との関係の一例を示している。この図に示すようにリフト速度が遅いほど到達距離が大きくなり難くなる。すなわち、リフト速度が遅いほど到達距離の変化量が小さくなる。また、この図に示すように噴射から時間が経過するほど到達距離の変化量が小さくなる。

図１０は、主噴射とアフター噴射とを同じリフト速度で行った場合の主噴射燃料Ｆｍａｉｎの先端位置Ｌｔｏｐ、後端位置Ｌｂａｃｋ、及びアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒの先端位置Ｌａｆｔｅｒの時間変化の一例を示している。上述したように到達距離の変化量は、噴射から時間が経過するほど小さくなる。そのため、アフター噴射が実行されたときはアフター噴射の先端位置Ｌａｆｔｅｒの変化量は大きいが、主噴射の先端位置Ｌｔｏｐ及び後端位置Ｌｂａｃｋの変化量は小さくなっている。従って、主噴射のリフト速度とアフター噴射のリフト速度とが同じ場合には、この図に示したように時刻Ｔ５においてアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒが主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎に突入する。

そこで、図１１に示すようにアフター噴射のリフト速度を遅くして噴射率を小さくし、先端位置Ｌａｆｔｅｒの変化量を小さくする。これによりアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒが主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎に突入することが回避される。なお、図１１中には比較例としてアフター噴射を主噴射と同じリフト速度で行った場合の噴射率の時間変化を破線で示した。このようにアフター噴射のリフト速度を遅くして噴射率を小さくすることにより、燃料間距離を大きくできる。そこで、図３のステップＳ２２では、アフター噴射の噴射率を初期噴射率より小さい値に変更する。具体的には、例えば予め低下量を設定しておき、初期噴射量のときのリフト速度からその低下量を減じればよい。これにより噴射率を低減できる。なお、低下量は、噴射率が急に変化しないように適宜に設定すればよい。このように噴射率を変更することにより、ＥＣＵ２０が本発明のアフター噴射制御手段として機能する。

アフター噴射の噴射率を変更した後はステップＳ２０に戻り、ＥＣＵ２０は燃料間距離がしきい値ＴＨ以上になるまでステップＳ２０〜Ｓ２２の処理を繰り返し実行する。一方、燃料間距離がしきい値ＴＨ以上の場合にはステップＳ２３に進み、ＥＣＵ２０は補正後のアフター噴射のリフト速度を補正後のアフター噴射の噴射条件としてメモリ２２に出力する。なお、この補正後の噴射条件は、ＥＣＵ２０が燃料噴射弁９の動作を制御するために実行する他の制御ルーチンにて使用される。その後、今回のルーチンを終了する。

以上に説明したように、第１の形態によれば、アフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒが主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎に突入しないようにアフター噴射の噴射率を変更するので、アフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒの不完全燃焼を抑制できる。そのため、スモークの発生を抑制できる。また、図１１に示したようにアフター噴射の開始時期は変更しないので、等容度を増加させることができる。そのため、エンジン１の燃費を改善できる。

なお、上述した説明では、燃料噴射弁９のリフト速度を変更してアフター噴射の噴射率を変更したが、噴射率を変更する方法はこれに限定されない。例えば、噴射する燃料量を変化させて噴射率を変更してもよいし、噴射する燃料の圧力を変更して噴射率を変更してもよい。

また、上述した説明ではアフター噴射の噴射率を変更したが、その噴射率の代わりにアフター噴射の開始時期を変更し、これによりアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒが主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎に突入することを抑制してもよい。具体的には、図１２に示すようにアフター噴射の開始時期を遅角させ、主噴射とアフター噴射との間の間隔を拡げる。これによりこの図に示したようにアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒが主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎に突入することを抑制できるので、スモークの発生を抑制できる。なお、この場合には図３のステップＳ２２において噴射率の代わりに開始時期を変更し、ステップＳ２３では補正後の開始時期が補正後のアフター噴射の噴射条件として出力すればよい。

さらに、アフター噴射の噴射率と開始時期の両方を変更してアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒが主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎に突入することを抑制してもよい。

第１の形態では、ＥＣＵ２０が図３のルーチンを実行することにより図１に示すようにマイクロプロセッサ２１は、主噴射燃料Ｆｍａｉｎの噴霧先端位置算出部２１ａ、主噴射燃料Ｆｍａｉｎの噴霧後端位置算出部２１ｂ、主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎後端位置算出部２１ｃ、噴射率算出部２１ｄ、アフター噴射開始時期算出部２１ｅ、アフター噴射噴射率補正部２１ｆ、及び噴射条件補正部２１ｇを有する。

（第２の形態）
次に図１３〜図１９を参照して本発明の第２の形態に係る燃料噴射制御装置について説明する。図１３は、この形態に係る燃料噴射制御装置が組み込まれた内燃機関を模式的に示している。この図に示したようにこの形態では、気筒２に火炎位置検出手段としての火炎位置センサ３０が設けられている点が異なる。それ以外は第１の形態と同じであるため、第１の形態と共通の部分には同一の符号を付して説明を省略する。

図１４は、火炎位置センサ３０が設けられている気筒２の断面の一部を拡大して示している。この図に示したように火炎位置センサ３０は、第１〜第５センサ３０ａ〜３０ｅを備えている。これらのセンサ３０ａ〜３０ｂは、第１センサ３０ａ、第２センサ３０ｂ、…、第５センサ３０ｅの順番で気筒２の半径方向に一列に並ぶように等間隔で配置されている。また、この図に示すように第１センサ３０ａが最も中心に近い位置に配置され、第５センサ３０ｅが最も外周に配置されている。各センサ３０ａ〜３０ｅは、火炎の光を検出すると信号を出力し、その光が消えると信号の出力を停止する。図１３に示したように火炎位置センサ３０はＥＣＵ２０に接続されており、各センサ３０ａ〜３０ｅの信号はＥＣＵ２０に入力される。

図１５は、この形態でＥＣＵ２０が実行するアフター噴射補正ルーチンを示している。なお、図１５において図３と共通の処理には同一の符号を付して説明を省略する。このルーチンは、エンジン１の運転中の所定の周期で繰り返し実行される。この形態においてもＥＣＵ２０は、このルーチンの他に気筒２内に噴射すべき燃料量を算出するためのルーチン及び燃料噴射モードの切り替えを制御するためのルーチンを所定の周期で繰り返し実行している。そして、この図に示したルーチンはこれらのルーチンと並行に実行される。

このルーチンにおいてＥＣＵ２０は、ステップＳ１２まで図３と同様に処理を進める。続くステップＳ１４においてＥＣＵ２０は、噴射条件の初期値を取得する。次のステップＳ３１においてＥＣＵ２０は、燃料が噴射される前の気筒２内の状態を火炎位置センサ３０で検出する。この噴射前状態の検出値は、次に火炎を検出する際の基準値として使用される。次のステップＳ３２においてＥＣＵ２０は、主噴射の開始時期か否か判定する。主噴射の開始時期では無い場合には今回のルーチンを終了する。

一方、主噴射の開始時期である場合にはステップＳ３３に進み、ＥＣＵ２０は火炎位置センサ３０で主噴射及びアフター噴射で噴射された燃料の火炎を検出する。なお、既に火炎の検出を実施していた場合にはその検出を継続する。続くステップＳ３４においてＥＣＵ２０は、主噴射及びアフター噴射で噴射された燃料の燃焼が終了したか否か判定する。燃焼の終了は、例えば火炎位置センサ３０の検出値が上述した基準値程度になったか否かに基づいて判定すればよい。燃焼中と判定した場合にはステップＳ３３に戻り、ＥＣＵ２０は燃焼が終了するまでステップＳ３３、Ｓ３４の処理を繰り返し実行する。

図１６は、このように火炎を検出したときに火炎位置センサ３０の各センサ３０ａ〜３０ｅから出力される信号の時間変化と、各燃料Ｆｍａｉｎ、Ｆａｆｔｅｒの火炎の位置の時間変化とを示している。この図の実線Ｆ１１は、主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎のうち最も燃料噴射弁９から遠い部分の位置の時間変化を示している。また、実線Ｆ１２は、主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎後端位置Ｌｆｉｒｅ−ｍａｉｎの時間変化を示している。実線Ｆ１３は、アフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒの火炎のうち最も燃料噴射弁９から遠い部分の位置（以下、火炎先端位置と呼ぶことがある。）Ｌｆｉｒｅ−ａｆｔｅｒの時間変化を示している。この図に示した例では、主噴射が時刻Ｔ１１から時刻Ｔ１２まで実行され、アフター噴射が時刻Ｔ１３から時刻Ｔ１４まで実行されている。時刻Ｔ１２から時刻Ｔ１３までの間には、燃料噴射弁９の最小インターバルが設定されている。

図１７Ａ〜図１７Ｄは、図１６の期間（ａ）〜（ｄ）における主噴射燃料Ｆｍａｉｎ及びアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒの火炎の形状の時間変化の一例を示している。図１６の時刻Ｔ１１において主噴射燃料Ｆｍａｉｎの噴射が開始されるので、期間（ａ）では図１７Ａに示すようにその燃料Ｆｍａｉｎの火炎が先端部９ａから凹壁面１０ｃに向かって延びる。なお、燃料は燃料噴射弁９から噴射された後暫くしてから燃焼し始めるので、火炎は時刻Ｔ１１よりも後に発生する。そして、各センサ３０ａ〜３０ｅがその火炎を検出すると図１６に示すように各センサ３０ａ〜３０ｅから信号が出力される。図１７Ａに示すように火炎は先端部９ａから気筒２の半径方向に延びるので、第１センサ３０ａ、第２センサ３０ｂ、…、第５センサ３０ｅの順番で各センサ３０ａ〜３０ｅから信号が出力される。

図１６の時刻Ｔ１２で主噴射の実行が終了すると主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎後端が発生する。そして、この図に示すようにこの火炎後端が第１センサ３０ａ、第２センサ３０ｂ、及び第３センサ３０ｃの前を通過するとこれらのセンサ３０ａ〜３０ｃからの信号の出力が停止する。そして、時刻Ｔ１２〜時刻Ｔ１３までの期間（ｂ）においては、図１７Ｂに示すように主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎が凹壁面１０ｃに衝突し、その後凹壁面１０ｃに沿って下方に曲がる。

図１６の時刻Ｔ１３においてアフター噴射が実行されると図１７Ｃに示すようにアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒの火炎が発生する。そして、このアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒの火炎は、アフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒの火炎先端位置Ｌｆｉｒｅ−ａｆｔｅｒが主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎後端位置Ｌｆｉｒｅ−ｍａｉｎに到達する時刻Ｔ１５（図１６参照）まで、すなわち期間（ｃ）の間、主噴射燃料Ｆｍａｉｎを追いかけるように先端部９ａから凹壁面１０ｃに向かって延びる。そして、図１６に示すように第１センサ３０ａ〜第３センサ３０ｃがこのアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒの火炎を検出するとこれらのセンサ３０ａ〜３０ｃから再度信号が出力される。時刻Ｔ１５以降の期間（ｄ）では、図１７Ｄに示したようにアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒの火炎と主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎とが混じり合う。この際、各センサ３０ａ〜３０ｅはこの火炎を検出するので、各センサ３０ａ〜３０ｅから信号が出力される。

図１５に戻ってルーチンの説明を続ける。燃焼が終了したと判定した場合にはステップＳ３５に進み、ＥＣＵ２０は主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎後端位置Ｌｆｉｒｅ−ｍａｉｎを算出する。この火炎後端位置Ｌｆｉｒｅ−ｍａｉｎは図１６に実線Ｆ１２で示したように、主噴射の開始後に各センサ３０ａ〜３０ｅから出力された信号が最初に停止した時期を結ぶことにより求めることができる。これにより火炎後端位置Ｌｆｉｒｅ−ｍａｉｎの時間変化が算出される。

続くステップＳ３６においてＥＣＵ２０は、アフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒの火炎先端位置Ｌｆｉｒｅ−ａｆｔｅｒを算出する。この火炎先端位置Ｌｆｉｒｅ−ａｆｔｅｒは、図１６に実線Ｆ１３で示したように各センサ３０ａ〜３０ｅの信号の出力が一度停止し、その後再度信号が出力された時期を結ぶことにより求めることができる。これにより火炎先端位置Ｌｆｉｒｅ−ａｆｔｅｒの時間変化が算出される。

次のステップＳ３７においてＥＣＵ２０は、主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎後端位置Ｌｆｉｒｅ−ｍａｉｎからアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒの火炎先端位置Ｌｆｉｒｅ−ａｆｔｅｒを減じた値が０より大きいか否か判定する。この判定は、アフター噴射が実行されてから主噴射及びアフター噴射で噴射された燃料の燃焼が終了するまでの期間について行われる。そのため、例えば図１６に示した例では時刻Ｔ１５において火炎後端位置Ｌｆｉｒｅ−ｍａｉｎから火炎先端位置Ｌｆｉｒｅ−ａｆｔｅｒを減じた値が０になるので、この処理が否定判定される。火炎後端位置Ｌｆｉｒｅ−ｍａｉｎから火炎先端位置Ｌｆｉｒｅ−ａｆｔｅｒを減じた値が０より大きい場合には今回のルーチンを終了する。

一方、火炎後端位置Ｌｆｉｒｅ−ｍａｉｎから火炎先端位置Ｌｆｉｒｅ−ａｆｔｅｒを減じた値が０以下の場合にはステップＳ３８に進み、ＥＣＵ２０はアフター噴射の噴射率を変更する。図１８、図１９を参照してアフター噴射の噴射率の変更方法について説明する。図１８は、主噴射とアフター噴射とを同じリフト速度で行った場合の主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎後端位置Ｌｆｉｒｅ−ｍａｉｎ及びアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒの火炎先端位置Ｌｆｉｒｅ−ａｆｔｅｒの時間変化の一例を示している。図９に示したように燃料噴射弁９のリフト速度が遅いほど燃料の到達距離の変化量が小さくなる。また、噴射から時間が経過するほど到達距離の変化量が小さくなる。そのため、主噴射とアフター噴射とを同じリフト速度で行うとアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒが主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎に突入する。

図１９は、アフター噴射のリフト速度を主噴射のリフト速度よりも遅くし、これによりアフター噴射の噴射率を小さくした場合の主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎後端位置Ｌｆｉｒｅ−ｍａｉｎ及びアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒの火炎先端位置Ｌｆｉｒｅ−ａｆｔｅｒの時間変化の一例を示している。なお、この図中には比較例としてアフター噴射を主噴射と同じリフト速度で行った場合の噴射率の時間変化を破線で示した。第１の形態でも説明したようにアフター噴射のリフト速度を遅くして噴射率を小さくすることにより燃料間距離を大きくできる。これによりアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒが主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎に突入することを回避できる。そこで、図１５のステップＳ３８では図３のステップＳ２２と同様にアフター噴射の噴射率を低下させる。この際には、噴射率が急に変化してエンジン１の運転状態が不安定にならないように適宜に低下させればよい。

次のステップＳ２３においてＥＣＵ２０は補正後のアフター噴射のリフト速度を補正後のアフター噴射の噴射条件としてメモリ２２に出力する。その後、今回のルーチンを終了する。

以上に説明したように、この形態でも第１の形態と同様にアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒが主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎に突入することを抑制できる。これによりアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒの不完全燃焼を抑制できるので、スモークの発生を抑制できる。また、アフター噴射の開始時期は変更しないので、等容度を増加させ、これによりエンジン１の燃費を改善できる。

第２の形態では、火炎位置センサ３０で主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎及びアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒの火炎のそれぞれを検出し、その検出結果に基づいてアフター噴射の噴射率を変更する。この場合、実際に発生した火炎に基づいて噴射率を変更するので、アフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒの不完全燃焼をより確実に抑制できる。

なお、この形態でも燃料噴射弁９のリフト速度の他にアフター噴射で噴射する燃料量やアフター噴射の実行時の燃料の圧力を変更してアフター噴射の噴射率を変更してもよい。また、アフター噴射の噴射率の代わりにアフター噴射の開始時期を変更してアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒが主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎に突入することを抑制してもよい。例えば、図２０に示したようにアフター噴射の開始時期を遅角させ、主噴射とアフター噴射との間の間隔を拡げる。これによりアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒが主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎に突入することを抑制できるので、スモークの発生を抑制できる。この場合には、図１５のステップＳ３８においてアフター噴射の噴射率の代わりに開始時期が変更される。そして、ステップＳ２３では、補正後の開始時期が補正後のアフター噴射の噴射条件として出力される。

さらに、この形態においてもアフター噴射の噴射率と開始時期の両方を変更してアフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒが主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎に突入することを抑制してもよい。

第２の形態では、ＥＣＵ２０が図１５のルーチンを実行することにより図１３に示すようにマイクロプロセッサ２１は、主噴射燃料Ｆｍａｉｎの火炎後端位置算出部２１ｃ、アフター噴射燃料Ｆａｆｔｅｒの火炎先端位置算出部２１ｈ、火炎位置比較部２１ｉ、及びアフター噴射条件補正部２１ｊを有する。

本発明は、上述した各形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、本発明が適用される内燃機関はディーゼルエンジンに限定されない。気筒内に燃料を直接噴射し、かつ主噴射の後にアフター噴射を実行する種々の内燃機関に本発明を適用してよい。気筒に設ける火炎位置センサは、火炎の光を検出するセンサに限定されない。例えば、複数のセンサ部の温度の変化に基づいて火炎の位置を検出するセンサでもよい。

１ 内燃機関
２ 気筒
９ 燃料噴射弁
２０ エンジンコントロールユニット（火炎位置取得手段、アフター噴射制御手段、先端位置推定手段、後端位置推定手段）
３０ 火炎位置センサ（火炎位置検出手段）

Claims (3)

1. 気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えた内燃機関に適用され、
   前記気筒内への燃料噴射として、主噴射と、前記主噴射の後に行われるアフター噴射とが１サイクル中に実行されるように前記燃料噴射弁の動作を制御可能な燃料噴射制御装置において、
   前記主噴射で噴射された燃料の火炎の位置を取得する火炎位置取得手段と、前記アフター噴射で噴射される燃料が前記火炎位置取得手段により取得された火炎の位置に到達しないように前記アフター噴射時における前記燃料噴射弁の噴射率及び前記アフター噴射の開始時期の少なくともいずれか一方を変更するアフター噴射制御手段と、を備えている燃料噴射制御装置。
2. 前記主噴射で噴射された燃料のうち最初に噴射された部分の位置を推定する先端位置推定手段と、前記主噴射で噴射された燃料のうち最後に噴射された部分の位置を推定する後端位置推定手段と、をさらに備え、
   前記火炎位置取得手段は、前記先端位置推定手段が推定した最初に噴射された部分の位置及び前記後端位置推定手段が推定した最後に噴射された部分の位置に基づいて火炎の位置を推定する請求項１に記載の燃料噴射制御装置。
3. 前記火炎位置取得手段として、前記気筒内における火炎の位置を検出する火炎位置検出手段が前記気筒に設けられている請求項１に記載の燃料噴射制御装置。

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