ディーゼル機関の制御装置
【課題】燃焼室内に供給された燃料が着火しにくい条件においては、スワール流による噴射燃料の拡散を抑制可能な、直接噴射式のディーゼル機関の制御技術を提供する。
【解決手段】ディーゼル機関のＥＣＵは、燃料噴射装置からの噴射燃料が燃焼室において着火しにくい条件であるか否かを判定する着火性判定手段（Ｓ１０４，Ｓ１０６）と、燃焼室におけるスワール比の分布を推定するスワール分布推定手段（Ｓ１１０）と、着火しにくい条件であると判定された場合には、推定されたスワール比の分布に基づいて高スワール期間を特定し、高スワール期間に噴射期間が重ならないよう、噴射時期を設定する噴射条件設定手段（Ｓ１１４，Ｓ１２０）を有する。噴射燃料が燃焼室全体に拡散することを抑制することができる。
【解決手段】ディーゼル機関のＥＣＵは、燃料噴射装置からの噴射燃料が燃焼室において着火しにくい条件であるか否かを判定する着火性判定手段（Ｓ１０４，Ｓ１０６）と、燃焼室におけるスワール比の分布を推定するスワール分布推定手段（Ｓ１１０）と、着火しにくい条件であると判定された場合には、推定されたスワール比の分布に基づいて高スワール期間を特定し、高スワール期間に噴射期間が重ならないよう、噴射時期を設定する噴射条件設定手段（Ｓ１１４，Ｓ１２０）を有する。噴射燃料が燃焼室全体に拡散することを抑制することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼル式内燃機関の制御技術に関し、特に、燃焼室にスワール流が形成され、当該燃焼室に向けて燃料噴射弁が直接燃料を噴射するディーゼル式内燃機関における燃料噴射制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼル式の内燃機関（以下、単に「ディーゼル機関」と記す）においては、噴射燃料と空気の混合を促進するために、シリンダボアの軸心を中心に旋回する旋回流であるスワール流を形成することが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１のディーゼル機関では、運転状態に応じて、気筒内におけるスワール流の強度、燃料噴射時期、及びＥＧＲ量を制御することで、黒煙等の粒子状物質の発生を抑制することが提案されている。
【０００３】
また、ディーゼル機関には、ピストンの頂部に皿状の燃焼室が形成されており、この燃焼室に向けて燃料噴射弁が直接燃料を噴射する形式のものが知られている。このような直接噴射式のディーゼル機関における燃焼室形状は、一般的に、気筒内に形成されるスワール流の強度、すなわち一行程あたりのスワール流の回転数である「スワール比」に応じて最適な形状が決められている。
【０００４】
【特許文献１】実開平５−６１３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このようなディーゼル機関にあっては、なるべく圧縮比を低く設定することが求められている。圧縮比を低く設定し、圧縮された時（以下、圧縮時と記す）の燃焼室内の雰囲気温度を低下させることで、燃料の燃焼温度を下げることができ、窒素酸化物等の発生を低減することができる。また、圧縮比を低く設定することで、内燃機関のポンプ損失を低減して、燃費の向上を図ることもできる。
【０００６】
しかし、圧縮された時の燃焼室内の雰囲気温度が低くなると、燃焼室内に供給された燃料が着火しにくくなる。特に、内燃機関の冷間時など、気筒内に流入する吸気温度が低く、噴射燃料が着火しにくい条件においては、未燃の炭化水素（以下、未燃ＨＣと記す）の排出量が増大してしまうという問題が生じる。
【０００７】
ところで、ピストンに燃焼室が形成された直接噴射式のディーゼル機関において、燃焼室の各部位におけるスワール比は均一なものではない。例えば、燃焼室がリエントラント形である場合、すなわち、燃焼室形状を規定する壁面のうち燃焼室の開口側に、ピストン中心軸側に突出する部位（以下、リップと記す）が形成されている場合、燃焼室のうちリップよりピストン中心軸側には、特に圧縮上死点前において、燃焼室の他の部位に比べて、スワール比の高い領域（以下、高スワール領域と記す）が形成されることがある。このような高スワール領域に、燃料噴射弁からの噴射燃料が取り込まれると、燃料が燃焼室全体に急速に拡散することとなる。
【０００８】
圧縮比の比較的高いディーゼル機関や、機関本体が十分に暖機されている場合など、圧縮時の雰囲気温度が十分に高い場合は、噴射燃料が高スワール領域に取り込まれて拡散しても、燃料と空気の混合が良好に促進されて問題はない。しかし、圧縮比が比較的低いディーゼル機関の場合、高圧縮比のディーゼル機関に比べて圧縮時の雰囲気温度が低く、特に、冷間時など燃料が着火しにくい条件において噴射燃料がスワール比の高いスワール流に取り込まれて燃焼室全体に拡散すると、未燃ＨＣの排出量が増大してしまうという問題が生じる。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、燃焼室内に供給された燃料が着火しにくい条件においては、スワール流による噴射燃料の拡散を抑制可能な、直接噴射式のディーゼル機関の制御技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明に係るディーゼル機関の制御装置は、燃焼室にスワール流が形成され、当該燃焼室に向けて燃料噴射装置が直接燃料を噴射するディーゼル機関において、燃料噴射装置からの噴射燃料が燃焼室において着火しにくい条件であるか否かを判定する着火性判定手段と、燃焼室におけるスワール比の分布を推定するスワール分布推定手段と、着火しにくい条件であると判定された場合に、噴射燃料がスワール比の高いスワール流に取り込まれないよう、推定されたスワール比の分布に基づいて燃料噴射装置の噴射条件を設定する噴射条件設定手段と、を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るディーゼル機関の制御装置において、噴射条件設定手段は、燃焼室においてスワール比が所定値以上に高くなる高スワール期間、又は、燃焼室のスワール比が所定値以上に高くなる高スワール領域に重ならないよう、噴射条件を設定するものとすることができる。
【００１２】
本発明に係るディーゼル機関の制御装置において、さらに、推定されたスワール比の分布に基づいて、燃焼室のうち所定領域においてスワール比が所定値以上に高くなる期間である高スワール期間を特定する高スワール期間特定手段を備えるものとすることができ、噴射条件設定手段は、特定された高スワール期間に噴射期間が重ならないよう、噴射時期を設定するものとすることができる。
【００１３】
本発明に係るディーゼル機関の制御装置において、燃焼室形状を規定する壁面のうち燃焼室の開口側には、ピストン中心軸側に突出している部位であるリップが設けられているものとすることができ、前記所定領域は、リップのピストン中心軸側に設定されているものとすることができる。
【００１４】
本発明に係るディーゼル機関の制御装置において、さらに、推定されたスワール比の分布に基づいて、燃料噴射装置の噴射期間において燃焼室のうちスワール比が所定値以上に高くなる高スワール領域を特定する高スワール領域特定手段を備えるものとすることができ、噴射条件設定手段は、特定された高スワール領域に燃料噴射装置からの燃料噴霧が到達しないよう、燃料噴霧の到達距離を短くする到達距離短縮手段を含むものとすることができる。
【００１５】
本発明に係るディーゼル機関の制御装置において、到達距離短縮手段は、噴射圧を低下させると共に、１サイクルあたりの噴射回数を増大させるものとすることができる。
【００１６】
本発明に係るディーゼル機関の制御装置において、燃焼室形状を規定する壁面のうち、燃焼室の開口側には、ピストン中心軸側に突出している部位であるリップが設けられているものとすることができ、高スワール領域は、リップのピストン中心軸側であるものとすることができる。
【００１７】
本発明に係るディーゼル機関の制御装置において、着火性判定手段は、ディーゼル機関の機関本体を循環する冷却水の温度が判定水温以下であるか否かを判定する冷却水温判定手段を含むものとすることができ、冷却水温が判定水温以下であると判定された場合に、着火しにくい条件であると判定するものとすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、冷間時など噴射燃料が燃焼室において着火しにくい条件である場合には、スワール比の高いスワール流に取り込まれないよう燃料噴射装置の噴射条件が補正されるため、燃料噴射装置から噴射された燃料が、スワール比の高いスワール流に取り込まれて燃焼室全体に拡散することを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００２０】
まず、本実施例に係るディーゼル式内燃機関の概略構成について、図１−１，図１−２及び図２を用いて説明する。図１−１は、内燃機関の気筒周辺の構成を示す断面図である。図１−２は、圧縮上死点近傍において燃料噴射装置が燃焼室に向けて燃料を噴射する態様を示す図である。図２は、燃料噴射弁と吸気ポート及び排気ポートの配置を示す図である。なお、図１−１，図１−２及び図２には、本発明に関連する要部のみを模式的に示している。
【００２１】
本実施例に係る内燃機関は、圧縮されて高温となった燃焼室内の雰囲気に、燃料を供給することで、燃料を自然着火させる圧縮自着火式の内燃機関、つまりディーゼル式内燃機関である。また、このディーゼル式内燃機関は、ピストンに燃焼室が形成されており、当該燃焼室に向けて燃料噴射弁が直接燃料を噴射する直接噴射式のディーゼル式内燃機関（単に「ディーゼル機関」ともいう）である。このディーゼル式の内燃機関は、自動車に原動機として搭載されるものであり、自動車には、ディーゼル機関を含むエンジンシステムを制御する制御手段として、電子制御装置（以下、ＥＣＵと記す）が設けられている。以下、ディーゼル機関が有する複数の気筒のうち一つの気筒について説明する。
【００２２】
図１−１に示すように、ディーゼル機関１０には、内部に気筒が形成される機関本体系の部品として、シリンダブロック１２、シリンダヘッド２０、ピストン３０、コンロッド１６、及び図示しないクランク軸が設けられている。シリンダブロック１２には、シリンダボア１４が形成されており、ピストン３０は、シリンダボア１４内を、その軸心（以下、ボア軸心と記す）に沿って往復運動する。ボア軸心と、後述するピストン３０の中心軸（以下、ピストン中心軸と記す）は、一致しており、以下の説明において、ボア軸心及びピストン中心軸を図に一点鎖線Ｃで示す。
【００２３】
ピストン３０の往復運動は、回転運動に変換されて図示しないクランク軸から機械的動力が出力される。ディーゼル機関１０には、クランク軸の回転角位置（以下、クランク角と記す）を検出するクランク角センサが設けられており、クランク角に係る信号を、ＥＣＵに送出している。
【００２４】
シリンダブロック１２には、ピストン３０に対向してシリンダボア１４を塞ぐようにシリンダヘッド２０が結合されている。シリンダブロック１２とシリンダヘッド２０との合わせ面となる平面は、ボア軸心Ｃに直交しており、以下、この仮想平面を「トップデッキ平面」と記して、図１−１に二点鎖線Ｔで示す。
【００２５】
シリンダブロック１２とシリンダヘッド２０には、図示しない冷却水通路が形成されており、シリンダブロック１２には、冷却水通路を循環する冷却水の温度（以下、水温と記す）を検出する水温センサが設けられている。水温センサは、水温に係る信号を、ＥＣＵに送出している。
【００２６】
また、シリンダヘッド２０には、シリンダボア軸心Ｃを挟んで、一方の側には、吸入空気を気筒内に導く吸気ポート２４が形成されており、他方の側には、気筒内からの排気ガスを排出する排気ポート２６が形成されている。
【００２７】
また、シリンダヘッド２０には、吸気ポート２４及び排気ポート２６に対応して、それぞれ吸気弁２５と排気弁２７が設けられている。これら吸気弁２５と排気弁２７は、図示しないカムシャフトを介して、クランク軸からの機械的動力を受けて駆動される。吸気弁２５及び排気弁２７は、クランク軸の回転角位置（以下、クランク角と記す）に応じて所定のタイミングで開閉可能に構成されている。
【００２８】
吸気弁２５を開くと、吸気ポート２４と気筒内が連通し、図示しない吸気通路からの空気を、吸気ポート２４から気筒内に吸入することが可能となる。また、排気弁２７を開くと、排気ポート２６と気筒内が連通し、気筒内にある排気ガスを、排気ポート２６から図示しない排気通路に排出することが可能となる。
【００２９】
これら吸気ポート２４と排気ポート２６は、図２に示すように、それぞれ２つ設けられており、ボア軸心Ｃを含み、且つクランク軸の軸方向（以下、単に「クランク軸方向」と記し、図２に矢印Ｓで示す）に延びる仮想の平面である気筒列平面（図中、一点鎖線Ｅで示す）を挟んで、互いに対向するよう配置されている。つまり、各気筒において、吸気ポート２４と排気ポート２６は、いわゆるクロスフロー式の配置となっている。
【００３０】
なお、以下の説明において、ボア軸心Ｃを含む気筒列平面Ｅに対して吸気ポート２４が設けられる側を、吸気側と記し、図に符号ＩＮで示す。一方、平面Ｅに対して排気ポート２６が設けられる側を、排気側と記し、図に符号ＥＸで示す。
【００３１】
また、図２に示すように、吸気ポート２４は、いわゆるヘリカルポートとして構成されており、吸気ポートの内壁（外縁）２４ｅに沿って螺旋状に旋回する吸気流れを形成可能となっている。吸気ポート内における吸気流の流動方向を図に矢印Ｖで示す。このように各吸気ポートにおいて、同一方向の旋回流を形成することで、ディーゼル機関は、気筒内において、シリンダボア軸心Ｃを中心にシリンダ壁１５に沿って旋回する旋回流（以下、スワール流と記し、図に矢印Ｗで示す）を形成することが可能となっている。
【００３２】
また、図１−１に示すように、シリンダヘッド２０のシリンダボア１４に対向する壁面である天井壁２２は、トップデッキ平面Ｔとのほぼ一致するよう配設されている。天井壁２２は、その周縁２２ｅにおいてシリンダボア１４の壁面であるシリンダ壁１５に滑らかに連続するよう形成されている。天井壁２２の中央部２２ａには、シリンダボア軸心Ｃに沿って、燃料噴射装置５０が配設されている。
【００３３】
燃料噴射装置５０は、気筒ごとに設けられており、気筒内に直接燃料を噴射可能に、噴孔を有するノズル部５１が、シリンダヘッド２０の天井壁中央部２２ａに配設されており、気筒内に露出している。燃料噴射装置５０のノズル部５１には、シリンダボア軸心を中心とする周方向において、８つの噴孔（図示せず）が等間隔に配列されている。燃料噴射装置５０は、図１−２に示すように、ピストン３０が圧縮上死点近傍にあるときに、ピストン３０の燃焼室４０に向けて、各噴孔からピストン中心軸Ｃを中心に放射状に燃料を噴射する。なお、燃料噴射装置５０の制御等、詳細については後述する。
【００３４】
なお、天井壁中央部２２ａとは、図２に示すように、燃焼室４０の天井壁２２のうちボア軸心Ｃが通る部位に加えて、吸気ポート２４の外縁２４ｅと排気ポート２６の外縁２６ｅとの間に挟まれた部位を含んでいる。一方、天井壁周縁部２２ｃとは、天井壁２２の周縁２２ｅに加え、天井壁２２の周縁２２ｅと、吸気ポート２４の外縁２４ｅ又は排気ポート２６の外縁２６ｅとの間に挟まれた部位を含んでいる。
【００３５】
また、図１−１に示すように、ピストン３０の頂部３１には、頂面３２からピストン軸方向をクランク側（図に矢印Ｄで示す）に凹むキャビティである燃焼室４０が形成されている。すなわち、ピストン３０の頂部３１には、燃焼室の形状を規定する湾曲した壁面であるキャビティ壁が設けられている。ピストンに形成された燃焼室の詳細な形状については、後述する。
【００３６】
以上に説明した、シリンダブロック１２に形成されたシリンダ壁１５、シリンダヘッド２０の天井壁２２、及びピストン３０の頂面３２と、燃焼室４０の形状を規定するキャビティ壁３１により空間が、いわゆる「気筒」となる。つまり、気筒には、シリンダボア１４のうちピストン３０の頂面３２よりシリンダヘッド２０側の空間に加え、ピストン３０に形成された燃焼室４０が含まれている。
【００３７】
なお、以下の説明において、シリンダボア軸心、すなわちピストン中心軸Ｃに沿う方向を、「ピストン軸方向」と記す。これに対し、シリンダボア軸心すなわちピストン中心軸と直交する方向を、「ピストン径方向」と記して図２に矢印Ｒで示す。また、ピストン軸方向のうち、ピストン３０がシリンダヘッド２０に向かう向きを「ヘッド側」と記して図に矢印Ｕで示す。また、ピストン軸方向のうち上方とは反対の向きを「クランク側」と記して図に矢印Ｄで示す。
【００３８】
以上のように構成されたディーゼル式内燃機関１０は、圧縮比が比較的低い値、例えば、１５．８に設定されている。このような低圧縮比に設定することで、例えば、圧縮比が１８．０に設定されているディーゼル機関に比べて、図１−２に示すように、ピストン３０が圧縮上死点近傍までヘッド側に移動した時（以下、圧縮時と記す）において、燃焼室内の雰囲気温度を低下させることができ、燃料噴射装置５０から噴射された燃料の燃焼温度を下げることができる。これにより、窒素酸化物等の発生を低減することができる。また、圧縮比の低減によりディーゼル機関のポンプ損失を低減して、燃費の向上を図ることが可能となっている。
【００３９】
次に、本実施例に係るディーゼル式内燃機関の燃焼室形状について、図１−１及び図３を用いて説明する。図３は、燃焼室形状を説明する説明図である。なお、図３においては、燃焼室の断面形状の片側を示している。以下に説明する断面形状は、ピストン周方向に連続しており、環状に設けられている。
【００４０】
図１−１及び図３に示すように、ディーゼル機関１０のピストン３０には、いわゆるリエントラント形の燃焼室４０が形成されている。燃焼室形状を規定する壁面であるキャビティ壁３１のうち、燃焼室４０の開口４１側の端部３３は、ピストン中心軸側に突出しており、以下、この端部３３を「リップ」と記す。なお、燃焼室４０の開口４１の径は、シリンダボア１４の径に比べて小さなものとなっている。
【００４１】
リップ３３は、ピストン中心軸Ｃ（すなわちピストン径方向Ｒ内側）に凸となって湾曲する曲面となっており、ピストン周方向Ｇ（図２参照）に連続する環状に設けられている。キャビティ壁３１は、リップ３３からクランク側に向かうに従って、ピストン径方向Ｒ外側に位置するよう形成されている。すなわち、燃焼室４０は、リップ３３からクランク側に向かうに従って、ピストン径方向Ｒに拡大している。キャビティ壁３１のうち最もピストン径方向Ｒ外側にある部位を、以下、「最外部」と記して符号３４で示す。
【００４２】
最外部３４は、ピストン径方向Ｒ外側に凸となって湾曲する曲面となっている。キャビティ壁３１は、最外部３４から、クランク側に向かうに従って、ピストン径方向Ｒ内側に位置するよう形成されており、キャビティ壁３１のうち最もピストン頂面３２から離間した部位３５（以下、底部と記す）に連続している。
【００４３】
底部３５は、クランク側に凸となって湾曲した曲面となっている。キャビティ壁３１は、底部３５からピストン中心軸Ｃに向かうに従って、ヘッド側に位置するよう形成されており、キャビティ壁３１のうちピストン中心軸Ｃが通る部位３８（以下、ピントル部と記す）に連続している。
【００４４】
ピントル部３８は、ピストン軸方向のヘッド側に凸となって湾曲した曲面（球面）となっている。キャビティ壁３１は、底部３５よりピストン径方向Ｒ内側において、ピントル部３８と頂点とする略円すい形状となっている。すなわち、キャビティ壁３１のピントル部３８は、底部３５からピストン軸方向のヘッド側に突出して設けられている。
【００４５】
以上に説明したキャビティ壁３１の断面形状は、ピストン周方向Ｇ（図２参照）に連続しており、略環状をなしている。すなわち、キャビティ壁３１により形状が規定される燃焼室４０は、ピストン中心軸を中心とする軸対称形状となっている。
【００４６】
図３に示すように、燃焼室４０のうちキャビティ壁３１の最外部３４よりピストン中心軸Ｃ（ピストン径方向Ｒ内側）の領域であり、且つ底部３５よりピストン軸方向ヘッド側の領域を、以下に「ボール部」と記して、符号４０ｂで示す。つまり、燃焼室４０のボール部４０ｂは、最外部３４及び底部３５を外表面とする円環状（トーラス状）の領域となっている。
【００４７】
また、燃焼室４０のうち、ボール部４０ｂよりピストン中心軸Ｃの領域であり、且つ、キャビティ壁３１のピントル部３８よりピストン軸方向ヘッド側の領域を、以下に「中央部」と記して符号４０ａで示す。つまり、燃焼室４０の中央部４０ａは、ピストン中心軸を中心とし、燃焼室４０の開口４１に底面が隣接する円柱形状から、ピントル部３８を頂点とする円すい形状を差引いた形状の領域となっている。
【００４８】
また、燃焼室４０のうち、キャビティ壁３１のリップ３３よりピストン中心軸Ｃの領域を、以下に「リップ部」と記して、符号４０ｒで示す。燃焼室４０のリップ部４０ｒは、ボール部４０ｂよりピストン軸方向ヘッド側の領域であり、且つ、中央部４０ａよりピストン径方向Ｒ外側の領域となっている。つまり、リップ部４０は、燃焼室４０のうち、開口４１とキャビティ壁３１のリップ３３に隣接する環状の領域である。
【００４９】
また、ピストン３０の頂面３２と、シリンダヘッド２０の天井壁周縁部２２ｃとの間には、スキッシュ領域１４ｓが形成される。ピストン３０がヘッド側に移動して、頂面３２と天井壁２２との距離が短くなると、スキッシュ領域にあるガスが圧縮されて、ピストン中心軸Ｃに流動し、開口４１から燃焼室４０に流入することとなる。
【００５０】
次に、本実施例に係るディーゼル式内燃機関のエンジンシステムについて、図４を用いて説明する。図４は、エンジンシステムの構成を示す模式図である。なお、図４には、本発明に関連する要部のみを示している。
【００５１】
ディーゼル機関１０には、燃焼室に燃料を供給するエンジンシステム１として、気筒ごとに備えられ、燃焼室４０に向けて燃料を噴射する燃料噴射装置５０と、各燃料噴射装置５０に燃料を分配する燃料レール６２と、燃料レール６２に昇圧した燃料を圧送する高圧燃料ポンプ６４と、燃料レール６２内の燃圧（以下、レール内燃圧と記す）を制御するための燃圧センサ６７及び圧力開放弁６８と、を有している。高圧燃料ポンプ６４から燃料レール６２に圧送された燃料は、燃料レール６２で分配されて各燃料噴射装置５０に供給される。
【００５２】
高圧燃料ポンプ６４は、ディーゼル機関１０のカムシャフト（図示せず）からの機械的動力を受けて作動し、燃料タンク１００内にある低圧燃料ポンプ１０２から供給された燃料を吸入して昇圧する。高圧燃料ポンプ６４は、昇圧した燃料を燃料レール６２に圧送して供給する。高圧燃料ポンプ６４が吸入・圧送する燃料量は、図示しない吸入制御弁により調整される。吸入制御弁を含む高圧燃料ポンプ６４の作動は、ＥＣＵ８０により制御される。
【００５３】
燃料レール６２は、内部に蓄圧室６６が形成されており、蓄圧室６６は、燃料を所定の燃圧で蓄圧可能に構成されている。燃料レール６２は、この蓄圧室６６から各燃料噴射装置５０に燃料を分配して供給する。燃料レール６２の蓄圧室６６には、高圧燃料ポンプ６４から高圧（例えば、１８０ＭＰａ）の燃料が供給される。
【００５４】
また、燃料レール６２には、蓄圧室６６における燃圧（以下、レール内燃圧と記す）を所望の圧力となるよう制御するため、レール内燃圧を検出する燃圧センサ６７と、燃料レール６２内の蓄圧室６６の燃料をリターン配管６９に放出することで、レール内燃圧を調整する圧力開放弁６８が設けられている。燃圧センサ６７は、検出したレール内燃圧に係る信号をＥＣＵ８０に送出している。
【００５５】
一方、圧力開放弁６８は、電磁式の遮断弁として構成されており、その開閉弁動作は、ＥＣＵ８０により制御される。圧力開放弁６８は、高圧燃料ポンプ６４から圧送される燃料により、レール内燃圧が所望の圧力を超えようとするときに開弁し、蓄圧室６６の燃料をリターン配管５９に放出することで、レール内燃圧を低下させることが可能となっている。
【００５６】
各燃料噴射装置５０は、共通の燃料レール６２の蓄圧室６６から所定のレール内燃圧で燃料の供給を受けている。燃料噴射装置５０は、ピエゾ式の燃料噴射弁で構成されており、１サイクル中に複数回の燃料噴射を行うことが可能となっている。各サイクルにおける燃料噴射装置５０の噴射期間、すなわち噴射時期及び噴射時間長さ（開弁時間）は、図示しないドライバユニットを介して、ＥＣＵ８０により制御される。
【００５７】
燃料噴射装置５０が燃料を噴射する噴射圧は、燃料レール６２のレール内燃圧に応じたものとなっている。つまり、燃料噴射装置５０が噴射した燃料噴霧の到達距離（飛翔距離）は、噴射圧すなわちレール内燃圧に応じたものとなっている。つまり、燃料レール６２のレール内燃圧を所望の値に制御することで、燃料噴射装置５０が噴射した燃料噴霧の到達距離を所望の値に制御することが可能となっている。燃料レール６２のレール内燃圧は、高圧燃料ポンプ６４の吸入制御弁（図示せず）と、燃料レール６２の圧力開放弁６８を制御することで、調整される。高圧燃料ポンプの吸入制御弁と、燃料レール６２の圧力開放弁６８は、ＥＣＵ８０により制御され、詳細は後述する。
【００５８】
以上のように構成されたエンジンシステム１において、ＥＣＵ８０は、クランク角センサ７０からのクランク角に係る信号と、水温センサ７４から機関本体を循環する冷却水の水温に係る信号と、大気圧センサ７６からの大気圧に係る信号と、燃圧センサ６７から燃料レール６２のレール内燃圧に係る信号とを受けている。また、ＥＣＵ８０は、ディーゼル機関が搭載された自動車に設けられているアクセルポジションセンサ７８から、アクセルペダルの操作量（以下、アクセル操作量と記す）に係る信号を受けている。また、ＥＣＵ８０は、エアフロメータ７２から、気筒内に吸入される空気量（以下、吸入空気量と記す）に係る信号を受けている。
【００５９】
これら信号から、ＥＣＵ８０は、クランク軸の回転角位置（クランク角）と、クランク軸の回転速度（以下、機関回転速度と記す）と、ディーゼル機関がクランク軸から出力している機械的動力（以下、機関負荷と記す）と、レール内燃圧と、水温と、吸入空気量と、大気圧と、アクセル操作量を算出している。また、ＥＣＵ８０は、大気圧から、ディーゼル機関１０が搭載された自動車がおかれている標高を算出している。
【００６０】
また、以上の制御変数から、ＥＣＵ８０は、各燃料噴射装置５０の各サイクルにおける燃料噴射条件を算出している。燃料噴射条件には、噴射量、噴射期間（噴射時期及び噴射時間長さ）、燃料噴射圧、及び噴射回数が含まれている。ＥＣＵ８０は、算出された燃料噴射条件に応じて、燃料噴射装置５０、高圧燃料ポンプ６４の吸入制御弁、及び燃料レール６２の圧力開放弁６８を制御している。
【００６１】
ＥＣＵ８０は、機関回転速度、アクセル操作量、水温、吸入空気量、大気圧等に基づいて、基準となる燃料噴射量（以下、基本噴射量と記す）を算出している。ＥＣＵ８０は、基本噴射量を、レール内燃圧等の制御変数で補正して、最終的な燃料噴射量（以下、最終噴射量と記す）を算出する。ＥＣＵ８０は、算出された最終噴射量から、燃料噴射装置５０の噴射時間長さ（開弁時間）を算出し、燃料噴射装置５０を制御している。
【００６２】
ＥＣＵ８０は、アクセル操作量、クランク角に基づいて、基準となる燃料噴射時期（以下、基本噴射時期）を算出している。さらに、ＥＣＵ８０は、算出された基本噴射時期を、大気圧、水温、吸気温度、過給圧等により補正して、最終的な燃料噴射時期（以下、最終噴射時期と記す）を算出している。
【００６３】
ＥＣＵ８０は、機関回転速度、アクセル操作量、レール内燃圧に基づいて、目標とする燃料噴射圧（以下、目標噴射圧と記す）を算出している。ＥＣＵ８０は、算出された目標噴射圧に基づいて、高圧燃料ポンプ６４の吸入制御弁と、燃料レール６２の圧力開放弁６８を制御することで、レール内燃圧を目標噴射圧に合わせることができる。
【００６４】
以上に説明したエンジンシステムを備えたディーゼル式内燃機関１０は、上述の燃料噴射条件に基づき燃料噴射装置５０が制御されて、圧縮上死点近傍において、ディーゼル機関の出力発生を主目的として、気筒内で燃料を拡散燃焼させる燃料噴射（以下、メイン噴射と記す）を実行することが可能となっている。
【００６５】
加えて、ディーゼル式内燃機関１０は、メイン噴射に加えて、スモーク（黒煙等の粒子状物質）や燃焼騒音の低減を主目的として、メイン噴射に対して進角した時期（例えば、圧縮上死点前７０°）に行われ、気筒内で燃料を予混合燃焼させる燃料噴射（以下、パイロット噴射と記す）を実行することが可能となっている。
【００６６】
ＥＣＵ８０は、アクセル操作量、クランク角等に基づいて、パイロット噴射における基準となる燃料噴射条件（以下、パイロット基本噴射条件と記す）を算出している。パイロット基本噴射条件には、基準となる燃料噴射量（以下、パイロット基本噴射量と記す）と、基準となる燃料噴射時期（以下、パイロット噴射時期と記す）と、メイン噴射との基準となる噴射間隔（以下、基本噴射間隔と記す）などが含まれている。さらに、ＥＣＵ８０は、算出されたパイロット基本噴射条件を、大気圧等により補正して、パイロット噴射における最終的な燃料噴射条件（以下、パイロット最終噴射条件と記す）を算出することが可能となっている。
【００６７】
次に、本実施例に係るディーゼル式内燃機関において燃焼室に形成されるスワール流の態様について、図５−１及び図５−２、図６及び図７を用いて説明する。図５−１は、吸気行程において気筒内にスワール流が形成された態様を示す図である。図５−２は、圧縮行程において気筒内のスワール流が増速されて燃焼室に流入する態様を示す図である。図６は、圧縮行程後半から圧縮上死点にかけて燃焼室に形成されるスワール流のスワール比の変化を説明する図である。図７は、圧縮上死点前１０°における高スワール領域と、燃料噴射装置の噴射方向との関係を示す図である。なお、図６において、ＴＤＣは、圧縮上死点を示している。
【００６８】
まず、吸気行程において、図５−１に示すように、吸気ポート２４から気筒内に流入する吸気流Ｖにより、気筒内にはシリンダボア軸心Ｃを中心に旋回する旋回流であるスワール流Ｗ１が形成される。そして、圧縮行程において、ピストン３０がヘッド側に移動し、気筒内の容積が小さくなるに従って、図６に示すように、スワール流は増速される。
【００６９】
そして、図５−２に示すように、圧縮行程の後半においては、ピストン３０の頂面３２と天井壁２２の周縁部２２ｃとの間隔が小さくなり、この間にあるガスが圧縮されて、シリンダボア軸心Ｃ（ピストン中心軸）に向かうスキッシュ流（図に矢印Ｋで示す）が形成される。このスキッシュ流Ｋにより、スワール流Ｗ３は、増速されると共にピストン３０の燃焼室４０に流入する。燃焼室４０内に入り込んだスワール流Ｗ３は、リップ３３のピストン中心軸Ｃ側を旋回する。
【００７０】
以上に説明した圧縮行程において、スワール流の強度を示す指標である「スワール比」は、図６及び図７に示すように、燃焼室４０の平均値と、リップ３３のピストン中心軸Ｃ側の領域であるリップ部４０ｒでは、クランク角に応じて異なった挙動を示している。
【００７１】
なお、「スワール比」とは、スワール流の強度を示すパラメータであり、１行程（１ストローク）すなわちピストン３０が下死点から上死点に至るまでの間に、気筒内を旋回するスワール流の回転数を意味している。
【００７２】
図７に示すように、リップ部４０ｒのスワール比は、圧縮行程を通して燃焼室４０の平均値に比べて高いが、特に、圧縮上死点前３０°以降は、リップ部４０ｒのスワール比が急速に増大し、圧縮上死点前１０°（図に時点Ｔ１で示す）において、リップ部４０ｒのスワール比は、最も高くなる。そして時点Ｔ１以降は、スワール比が急速に減少していく。
【００７３】
このように燃焼室４０の所定の領域であるリップ部４０ｒにおいては、燃焼室４０の平均に比べて、特にスワール比が高くなる期間、すなわちスワール比が所定値（例えば、３．８）以上となる高スワール期間Ｓｈが、圧縮上死点前において生じることとなる。
【００７４】
このような、高スワール期間Ｓｈにおいて、図６に示すように、燃料噴射装置５０が、矢印Ｆで示すように、キャビティ壁３１のうちリップ３３と最外部３４との間に向けて燃料を噴射し、噴射された燃料がリップ部４０ｒに到達すると、リップ部４０ｒにおいてスワール比の高いスワール流に取り込まれて、燃料が燃焼室４０全体に急速に拡散することとなる。
【００７５】
ディーゼル機関の圧縮比が比較的高く設定されている場合や、ディーゼル機関が十分に暖機されている場合など、圧縮時の雰囲気温度が十分に高い場合には、噴射燃料が高スワール領域に取り込まれて拡散しても、燃料と空気の混合が良好に促進されて問題はない。しかし、圧縮比が比較的低く（例えば、１５．８）設定されているディーゼル機関の場合、高圧縮比（例えば、１８．０）のディーゼル機関に比べて圧縮時の雰囲気温度が低く、特に、ディーゼル機関の冷間時など、燃料が着火しにくい条件において、噴射燃料が高スワール領域に取り込まれて燃焼室全体に拡散すると、未燃ＨＣの排出量が増大してしまう。
【００７６】
そこで、本実施例に係るディーゼル式内燃機関の制御装置（ＥＣＵ）では、燃焼室内において、燃料噴射装置からの噴射燃料が着火しにくい条件であるか否かを判定する機能（着火性判定手段）と、燃焼室におけるスワール比の分布を推定する機能（スワール比推定手段）と、着火しにくい条件であると判定された場合に、推定されたスワール比の分布に基づいて、燃料噴射装置の噴射条件を設定する噴射条件設定手段と、を有しており、以下に、図４、図６〜図８を用いて説明する。図８は、ディーゼル機関の制御装置（ＥＣＵ）が実行する燃料噴射制御のフローチャートである。
【００７７】
図４及び図８に示すように、まず、ＥＣＵ８０は、ステップＳ１００において、上述した基本的な制御パラメータを取得する。制御パラメータには、機関回転速度、機関負荷、アクセル操作量、クランク角、大気圧、水温等が含まれている。
【００７８】
そして、ＥＣＵ８０は、ステップＳ１０２において、ディーゼル機関１０の運転状態に応じて基本噴射条件を設定する。ＥＣＵ８０は、上述の制御パラメータに基づいて、燃料噴射装置５０の基本噴射量と算出すると共に、基本噴射量から基本噴射期間（基本噴射時期及び基本噴射時間長さ）を算出している。
【００７９】
そして、ＥＣＵ８０は、ステップＳ１０４において、水温が予め設定された判定水温以上であるか否かを判定する。すなわち、燃料噴射装置５０からの噴射燃料が、燃焼室において着火しにくい条件であるか否かを判定している。判定水温は、例えば、８０℃に設定されている。
【００８０】
水温が判定水温以上である（Ｙｅｓ）と判定された場合、ＥＣＵ８０は、ディーゼル機関の暖機が完了しており、燃料噴射装置５０からの噴射燃料は、燃焼室４０内において着火しにくい条件ではない、すなわち着火性が高い条件であると判定して、ステップＳ１０６に進む。
【００８１】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ８０は、ディーゼル機関１０が搭載された自動車がおかれている標高が、所定の判定標高以下であるか否かを判定する。すなわち、燃料噴射装置５０からの噴射燃料が、燃焼室４０において着火しにくい条件であるか否かを判定している。判定標高は、例えば、０メートルや１０００メートルに設定することができる。
【００８２】
標高が判定標高以下である（Ｙｅｓ）と判定された場合、ＥＣＵ８０は、大気圧が高い低地であり、噴射燃料が着火しにくい条件ではない、すなわち着火性が高い条件であると判定して、ステップＳ１２０に進む。
【００８３】
そして、ステップＳ１２０において、ＥＣＵ８０は、基本噴射時期を、最終噴射時期に決定すると共に、決定された最終噴射時期に応じて、燃料噴射装置５０を制御して、ステップＳ１００に戻る。
【００８４】
なお、基本噴射時期は、ディーゼル機関１０の暖機が完了しており、且つディーゼル機関１０が搭載された車両が高地などの特殊な環境下にない状態（以下、通常状態と記す）を前提として、予め適合実験等により求められており、制御定数（マップ）として、ＥＣＵ８０のＲＯＭに記憶されている。
【００８５】
基本噴射時期は、通常状態において適合されており、通常状態のうち機関負荷が高負荷である場合には、上述の高スワール期間Ｓｈにおいて燃料噴射を行うように設定されている。このように基本噴射時期を設定することで、通常状態のうち機関負荷が高負荷である場合には、高スワール期間Ｓｈにおいて燃料噴射を行うことで、噴射燃料と空気の混合を促進し、スモーク（黒煙等の粒子状物質）の発生を抑制することができる。
【００８６】
一方、ステップＳ１０４において、水温が判定水温を下回る（Ｎｏ）と判定された場合、ディーゼル機関１０は暖機が完了していない冷間時であり、噴射燃料が燃焼室４０において着火しにくい条件であると判定して、ステップＳ１１０に進む。
【００８７】
また、ステップＳ１０６において、標高が判定標高を上回る（Ｎｏ）と判定された場合、大気圧が低い高地である、噴射燃料が着火しにくい条件であると判定して、ステップＳ１１０に進む。
【００８８】
そして、ステップＳ１１０において、ＥＣＵ８０は、各クランク角における燃焼室４０のスワール比の分布を推定し、燃焼室４０のうち所定領域であるリップ部４０ｒにおいて、スワール比が所定値以上に高くなる高スワール期間を特定する。例えば、図６に示すように、ＥＣＵ８０は、リップ部４０ｒにおいて、スワール比が所定値（例えば、３．８）以上に高くなる高スワール期間Ｓｈを特定する。なお、燃焼室４０のうち所定領域は、図７に二点鎖線Ｈ１で囲うような領域とすることができる。
【００８９】
この高スワール期間Ｓｈは、圧縮上死点前１０°（図に時点Ｔ１で示す）を含むものとなっている。ＥＣＵ８０は、特定された高スワール期間Ｓｈを、燃料噴射装置５０の燃料噴射を禁止する噴射禁止期間に設定する。なお、所定領域であるリップ部４０ｒの、各クランク角におけるスワール比は、予め適合実験等により求められており、制御定数（マップ）としてＥＣＵ８０のＲＯＭに記憶されている。
【００９０】
そして、ステップＳ１１４において、ＥＣＵ８０は、燃料噴射装置５０の噴射期間が、高スワール期間Ｓｈ（噴射禁止期間）に重ならないように、ステップＳ１０２で設定された基本噴射時期に対して補正を行うものとし、その補正量を算出する。詳細には、基本噴射時期からの進角量又は遅角量を算出する。
【００９１】
そして、ステップＳ１２０において、ＥＣＵ８０は、基本噴射時期を、ステップＳ１１４で算出された補正量で補正して最終噴射時期を決定する。決定された最終噴射時期に応じて、ＥＣＵ８０は、燃料噴射装置５０を制御し、ステップＳ１００に戻る。
【００９２】
このようにＥＣＵ８０が制御することで、搭載された車両が高地にある場合や、低水温すなわちディーゼル機関１０が冷間時にある場合など、噴射燃料が燃焼室４０において着火しにくい条件においては、燃料噴射装置５０の噴射方向にあるリップ部４０ｒにある高スワール領域Ｈ１（図７参照）において、スワール比が高い高スワール期間Ｓｈ（図６参照）に燃料噴射を行うことがなくなる。
【００９３】
これにより、噴射燃料が着火しにくい条件においては、噴射燃料がスワール比の高いスワール流に取り込まれて、燃焼室全体に拡散してしまうことを抑制することができ、未燃ＨＣの排出を抑制することが可能となる。
【００９４】
以上に説明したように本実施例において、ＥＣＵ８０は、燃料噴射装置５０からの噴射燃料が燃焼室４０において着火しにくい条件であるか否かを判定する機能（以下、着火性判定手段と記す）と、ディーゼル機関１０の運転状態に応じて、燃焼室４０におけるスワール比の分布を推定する機能（以下、スワール分布推定手段と記す）と、着火しにくい条件であると判定された場合には、噴射燃料がスワール比の高いスワール流に取り込まれないよう、推定されたスワール比の分布に基づいて燃料噴射装置５０の噴射条件を設定する機能（以下、噴射条件設定手段と記す）を有するものとした。
【００９５】
噴射燃料が燃焼室において着火しにくい条件である場合には、スワール比の高いスワール流に取り込まれないよう噴射条件が補正されるため、噴射燃料が、スワール比の高いスワール流に取り込まれて燃焼室全体に拡散することを抑制することができる。
【００９６】
また、本実施例において、噴射条件設定手段は、燃料噴射装置から噴射された燃料が、燃焼室においてスワール比が所定値以上に高くなる高スワール期間、又は、燃焼室のスワール比が所定値以上に高くなる高スワール領域に重ならないよう、噴射条件を設定するものとしたので、高スワール期間又は高スワール領域を特定することで、噴射燃料がスワール比の高いスワール流に取り込まれないように、噴射条件を容易に設定することができる。
【００９７】
また、本実施例では、推定されたスワール比の分布に基づいて、燃焼室４０のうち所定領域（リップ部４０ｒ）においてスワール比が所定値以上に高くなる期間である高スワール期間Ｓｈを特定する機能（高スワール期間特定手段）を備え、噴射条件設定手段は、推定された高スワール期間Ｓｈに噴射期間が重ならないよう、噴射時期を設定するものとしたので、燃料噴射に係る制御パラメータのうち噴射時期のみを補正する、すなわち噴射時期を進角又は遅角させるだけで、スワール比の高いスワール流に噴射燃料が取り込まれないようにすることができ、噴射燃料が燃焼室全体に拡散することを抑制することができる。
【実施例２】
【００９８】
本実施例に係るディーゼル機関の制御装置（ＥＣＵ）について、図４、及び図９〜図１３を用いて説明する。図９は、ディーゼル機関の制御装置（ＥＣＵ）が実行する燃料噴射制御のフローチャートである。図１０は、燃焼室の片側断面図であり、通常状態における噴射燃料と高スワール領域との位置関係を示す図である。図１１は、通常状態における燃料噴霧の態様と到達距離を説明する図である。図１２は、燃焼室の片側断面図であり、低水温時における噴射燃料と高スワール領域との位置関係を示す図である。図１３は、低水温時における燃料噴霧の態様と到達距離を説明する図である。
【００９９】
本実施例に係るディーゼル式内燃機関の制御装置（ＥＣＵ）は、推定されたスワール比の分布に基づいて、燃料噴射装置の噴射期間において燃焼室のうちスワール比が所定値以上に高くなる高スワール領域を特定する高スワール領域特定手段を備え、噴射条件設定手段は、特定された高スワール領域に燃料噴射装置からの燃料噴霧が到達しないよう、燃料噴霧の到達距離を短くする到達距離短縮手段を含んでいる点で、実施例１とは異なり、以下に、ＥＣＵが実行する制御について説明する。なお、実施例１と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【０１００】
図４及び図９に示すように、まず、ＥＣＵ８０Ｂは、ステップＳ２００において、基本的な制御パラメータを取得する。制御パラメータには、機関回転速度、機関負荷、アクセル操作量、クランク角、水温などが含まれている。
【０１０１】
そして、ＥＣＵ８０Ｂは、ステップＳ２０２において、ディーゼル機関１０の運転状態に応じて基本噴射条件を設定する。ＥＣＵ８０Ｂは、上述の制御パラメータに基づいて、燃料噴射装置５０の基本噴射条件を算出する。基本噴射条件には、基本噴射量、基本噴射期間、基本噴射時期に加えて、基本噴射圧や、基本噴射回数が含まれている。
【０１０２】
そして、ＥＣＵ８０Ｂは、ステップＳ２０４において、水温が予め設定された判定水温以上であるか否かを判定する。すなわち燃料噴射装置５０からの噴射燃料が、燃焼室４０において着火しにくい条件であるか否かを判定している。判定水温は、例えば、８０℃に設定されている。
【０１０３】
水温が判定水温以上である（Ｙｅｓ）と判定された場合には、ディーゼル機関１０の暖機が完了しており、燃料噴射装置５０からの噴射燃料が燃焼室４０において着火しにくい条件ではない通常状態であると判定して、ステップＳ２２０に進む。
【０１０４】
ステップＳ２２０において、ＥＣＵ８０Ｂは、基本噴射条件（基本噴射圧及び基本噴射回数）を、最終噴射条件に決定すると共に、検定された最終噴射条件に応じて、燃料噴射装置５０、高圧燃料ポンプ６４、及び圧力開放弁６８を制御して、ステップＳ２００に戻る。
【０１０５】
なお、基本噴射条件は、ディーゼル機関１０の暖機が完了している状態、つまり通常状態を前提として、予め適合実験等により求められており、制御定数（マップ）として、ＥＣＵ８０ＢのＲＯＭに記憶されている。
【０１０６】
基本噴射条件は、通常状態において適合されており、通常状態のうち機関負荷が高負荷である場合には、図１０に示すように、燃料噴霧Ｆ２の先端が、燃焼室４０のリップ部４０ｒにある高スワール領域（図に二点鎖線Ｈ２で示す）に到達するように設定されている。すなわち、図１１に示すように、燃料噴射装置５０のノズル部から噴射された燃料噴霧Ｆ２の先端の到達距離（飛翔距離）が、高スワール領域Ｈ２に到達する所定の到達距離Ｄ２となるよう設定されている。このように基本噴射条件を設定することで、ディーゼル機関１０の暖機完了後における高負荷作動時において、燃料噴霧の拡散を促進し、スモーク（黒煙等の粒子状物質）の発生を抑制することができる。
【０１０７】
一方、ステップＳ２０４において、水温が判定水温を下回る（Ｎｏ）と判定された場合、ディーゼル機関１０は、暖機が完了していない冷間時であり、噴射燃料が燃焼室４０において着火しにくい条件であると判定して、ステップＳ２１０に進む。
【０１０８】
ステップＳ２１０において、ＥＣＵ８０Ｂは、燃焼室４０のスワール比の分布を推定し、燃料噴射装置５０の基本噴射期間において、燃焼室４０のうちスワール比が所定値以上に高くなる高スワール領域（図１２に二点鎖線Ｈ２で示す）を特定する。なお、各クランク角における燃焼室４０のスワール比の分布は、予め適合実験等により求められており、制御定数（マップ）としてＥＣＵ８０ＢのＲＯＭに記憶されている。
【０１０９】
そして、ステップＳ２１４において、ＥＣＵ８０Ｂは、図１２に示すように特定された高スワール領域Ｈ２に燃料噴霧Ｆ１が到達しないよう、すなわち、図１３に示すように燃料噴霧の到達距離Ｄ１が、通常状態における到達距離Ｄ２に比べて短くなるよう、ステップＳ２０２で設定された基本噴射条件に対して補正を行うものとし、その補正量を算出する。具体的には、上述の基本噴射圧に比べて噴射圧を低下させる補正を行うと共に、１サイクルあたりの噴射回数を基本噴射回数に比べて増大させる補正を行うものとし、噴射圧と噴射回数それぞれについて補正量を算出する。
【０１１０】
例えば、目標噴射圧を基本噴射圧に比べて低下させると共に、パイロット噴射の噴射回数を１回から３回に増大させるよう補正を行う。このように補正した場合、噴射圧の低下により、メイン噴射の燃料噴射量が減少するが、その分、パイロット噴射の噴射回数を増大させる、すなわち１サイクルあたりのパイロット噴射の噴射時間長さを増大させることができ、燃料噴射装置５０は、所望の燃料量を燃焼室４０に供給しつつ、燃料噴霧の到達距離を短くすることができる。
【０１１１】
そして、ステップＳ２２０において、ＥＣＵ８０Ｂは、基本噴射圧及び基本噴射回数を、ステップＳ２１４で算出された補正量で補正して、最終噴射圧と最終噴射回数を決定する。ＥＣＵ８０Ｂは、決定された最終噴射圧を実現するよう、高圧燃料ポンプ６４の吸入制御弁と燃料レール６２の圧力開放弁６８を制御して、噴射圧を低下させる。これと共に、ＥＣＵ８０Ｂは、最終噴射回数に応じて、燃料噴射装置５０を制御して、メイン噴射の燃料噴霧の到達距離をＤ２からＤ１に短くすると共に、パイロット噴射の噴射回数を増大させる。そして、ステップＳ２００に戻る。
【０１１２】
このようにＥＣＵ８０Ｂが制御することで、水温が低い場合すなわちディーゼル機関１０の冷間時など、噴射燃料が燃焼室４０において着火しにくい条件においては、燃料噴射装置５０の噴射方向に設定された高スワール領域Ｈ２に、燃料噴霧が到達することがなくなる。これにより、噴射燃料が着火しにくい条件においては、燃料噴霧がスワール比の高いスワール流に取り込まれて、燃焼室全体に拡散してしまうことを抑制することができ、未燃ＨＣの排出を抑制することが可能となる。
【０１１３】
以上に説明したように本実施例では、推定されたスワール比の分布に基づいて、燃料噴射装置５０の噴射期間において燃焼室４０のうちスワール比が所定値以上に高くなる高スワール領域を特定する高スワール領域特定手段を備え、噴射条件設定手段は、特定された高スワール領域に燃料噴射装置からの燃料噴霧が到達しないよう、燃料噴霧の到達距離を短くする機能（以下、到達距離短縮手段と記す）を含むものとしたので、冷間時など、噴射燃料が燃焼室において着火しにくい条件においては、噴射期間において燃料噴射装置から噴射された燃料噴霧が、高スワール領域に到達することがなくなり、スワール比の高いスワール流に燃料噴霧（噴射燃料）が取り込まれて、噴射燃料が燃焼室全体に拡散することを抑制することができる。
【０１１４】
また、到達距離短縮手段は、噴射圧を低下させると共に、１サイクルあたりの噴射回数又は噴射時間長さを増大させるものとしたので、所望の量の燃料を燃焼室に供給しつつ、噴射圧の低下により燃料噴霧の到達距離を短縮することができる。
【０１１５】
なお、上述した各実施例においては、図１−１に示すように、ピストン３０の燃焼室形状を規定するキャビティ壁３１のうち、燃焼室４０の開口４１側に、ピストン中心軸Ｃに突出している部位であるリップ３３が設けられているリエントラント形の燃焼室形状であるものとし、燃焼室４０のうちスワール比の高い高スワール領域（Ｈ１；Ｈ２）は、リップ３３のピストン中心軸Ｃであるものとしたが、本発明が適用可能なディーゼル機関の燃焼室形状は、これに限定されるものではない。燃焼室の各部位において、スワール比が異なるようなディーゼル機関であれば適用することができ、例えば、リップを有しない、いわゆるトロイダル形の燃焼室がピストンに形成されたディーゼル機関にも本発明を適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
以上のように、本発明に係るディーゼル機関の制御装置は、燃焼室にスワール流が形成され、当該燃焼室に向けて燃料噴射弁が直接燃料を噴射するディーゼル機関に有用であり、特に、ピストンに燃焼室が形成されているディーゼル機関に適している。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１−１】実施例１に係るディーゼル機関の気筒周辺の構成を示す断面図である。
【図１−２】実施例１に係るディーゼル機関において、燃料噴射装置が圧縮上死点近傍において燃焼室に向けて燃料を噴射する態様を示す図である。
【図２】実施例１に係るディーゼル機関における燃料噴射弁と吸気ポート及び排気ポートの配置を示す図である。
【図３】実施例１に係るディーゼル機関における燃焼室形状を説明する説明図である。
【図４】実施例１に係るディーゼル機関におけるエンジンシステムの構成を示す模式図である。
【図５−１】実施例１に係るディーゼル機関において、吸気行程に気筒内にスワール流が形成された態様を示す図である。
【図５−２】実施例１に係るディーゼル機関において、圧縮行程後半にスキッシュ流が発生して、燃焼室内にスワール流が形成された態様を示す図である。
【図６】実施例１に係るディーゼル機関において、圧縮行程後半から圧縮上死点にかけて燃焼室に形成されるスワール比の変化を説明する図である。
【図７】実施例１に係るディーゼル機関において、圧縮上死点前１０°における高スワール領域と燃料噴射装置の噴射方向との関係を示す図である。
【図８】実施例１に係るディーゼル機関の制御装置（ＥＣＵ）が実行する燃料噴射制御のフローチャートである。
【図９】実施例２に係るディーゼル機関の制御装置（ＥＣＵ）が実行する燃料噴射制御のフローチャートである。
【図１０】実施例２に係るディーゼル機関の燃焼室の片側断面図であり、通常状態における噴射燃料と高スワール領域との位置関係を示す図である。
【図１１】実施例２に係るディーゼル機関において、通常状態における燃料噴霧の態様と到達距離を説明する図である。
【図１２】実施例２に係るディーゼル機関の燃焼室の片側断面図であり、低水温時における噴射燃料と高スワール領域との位置関係を示す図である。
【図１３】実施例２に係るディーゼル機関において、低水温時における燃料噴霧の態様と到達距離を説明する図である。
【符号の説明】
【０１１８】
１ 燃料噴射システム
１０ ディーゼル式内燃機関（ディーゼル機関）
１２ シリンダブロック
１４ シリンダボア
１６ コンロッド
２０ シリンダヘッド
２２ 燃焼室の天井壁
２４ 吸気ポート
２６ 排気ポート
３０ ピストン
３１ キャビティ壁
３２ 頂面
３３ リップ
４０ 燃焼室
４０ｒ 燃焼室のリップ部
４０ｂ 燃焼室のボール部
４０ａ 燃焼室の中央部
５０ 燃料噴射装置（燃料噴射弁）
５１ 燃料噴射装置のノズル部
６２ 燃料レール
６４ 高圧燃料ポンプ
６６ 蓄圧室
６７ 燃圧センサ
６８ 圧力開放弁
８０，８０Ｂ ディーゼル機関の電子制御装置（ＥＣＵ）
１００ 燃料タンク
Ｓｈ 高スワール期間
Ｈ１ 燃焼室の所定領域
Ｈ２ 燃焼室の高スワール領域
Ｃ シリンダボア軸心（ピストン中心軸）
Ｒ ピストン径方向
Ｇ ピストン周方向
Ｖ 吸気ポートからの吸気流
Ｗ，Ｗ１，Ｗ３ スワール流
Ｆ１，Ｆ２ 燃料噴霧
Ｄ１，Ｄ２ 燃料噴霧の到達距離
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼル式内燃機関の制御技術に関し、特に、燃焼室にスワール流が形成され、当該燃焼室に向けて燃料噴射弁が直接燃料を噴射するディーゼル式内燃機関における燃料噴射制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼル式の内燃機関（以下、単に「ディーゼル機関」と記す）においては、噴射燃料と空気の混合を促進するために、シリンダボアの軸心を中心に旋回する旋回流であるスワール流を形成することが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１のディーゼル機関では、運転状態に応じて、気筒内におけるスワール流の強度、燃料噴射時期、及びＥＧＲ量を制御することで、黒煙等の粒子状物質の発生を抑制することが提案されている。
【０００３】
また、ディーゼル機関には、ピストンの頂部に皿状の燃焼室が形成されており、この燃焼室に向けて燃料噴射弁が直接燃料を噴射する形式のものが知られている。このような直接噴射式のディーゼル機関における燃焼室形状は、一般的に、気筒内に形成されるスワール流の強度、すなわち一行程あたりのスワール流の回転数である「スワール比」に応じて最適な形状が決められている。
【０００４】
【特許文献１】実開平５−６１３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このようなディーゼル機関にあっては、なるべく圧縮比を低く設定することが求められている。圧縮比を低く設定し、圧縮された時（以下、圧縮時と記す）の燃焼室内の雰囲気温度を低下させることで、燃料の燃焼温度を下げることができ、窒素酸化物等の発生を低減することができる。また、圧縮比を低く設定することで、内燃機関のポンプ損失を低減して、燃費の向上を図ることもできる。
【０００６】
しかし、圧縮された時の燃焼室内の雰囲気温度が低くなると、燃焼室内に供給された燃料が着火しにくくなる。特に、内燃機関の冷間時など、気筒内に流入する吸気温度が低く、噴射燃料が着火しにくい条件においては、未燃の炭化水素（以下、未燃ＨＣと記す）の排出量が増大してしまうという問題が生じる。
【０００７】
ところで、ピストンに燃焼室が形成された直接噴射式のディーゼル機関において、燃焼室の各部位におけるスワール比は均一なものではない。例えば、燃焼室がリエントラント形である場合、すなわち、燃焼室形状を規定する壁面のうち燃焼室の開口側に、ピストン中心軸側に突出する部位（以下、リップと記す）が形成されている場合、燃焼室のうちリップよりピストン中心軸側には、特に圧縮上死点前において、燃焼室の他の部位に比べて、スワール比の高い領域（以下、高スワール領域と記す）が形成されることがある。このような高スワール領域に、燃料噴射弁からの噴射燃料が取り込まれると、燃料が燃焼室全体に急速に拡散することとなる。
【０００８】
圧縮比の比較的高いディーゼル機関や、機関本体が十分に暖機されている場合など、圧縮時の雰囲気温度が十分に高い場合は、噴射燃料が高スワール領域に取り込まれて拡散しても、燃料と空気の混合が良好に促進されて問題はない。しかし、圧縮比が比較的低いディーゼル機関の場合、高圧縮比のディーゼル機関に比べて圧縮時の雰囲気温度が低く、特に、冷間時など燃料が着火しにくい条件において噴射燃料がスワール比の高いスワール流に取り込まれて燃焼室全体に拡散すると、未燃ＨＣの排出量が増大してしまうという問題が生じる。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、燃焼室内に供給された燃料が着火しにくい条件においては、スワール流による噴射燃料の拡散を抑制可能な、直接噴射式のディーゼル機関の制御技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明に係るディーゼル機関の制御装置は、燃焼室にスワール流が形成され、当該燃焼室に向けて燃料噴射装置が直接燃料を噴射するディーゼル機関において、燃料噴射装置からの噴射燃料が燃焼室において着火しにくい条件であるか否かを判定する着火性判定手段と、燃焼室におけるスワール比の分布を推定するスワール分布推定手段と、着火しにくい条件であると判定された場合に、噴射燃料がスワール比の高いスワール流に取り込まれないよう、推定されたスワール比の分布に基づいて燃料噴射装置の噴射条件を設定する噴射条件設定手段と、を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るディーゼル機関の制御装置において、噴射条件設定手段は、燃焼室においてスワール比が所定値以上に高くなる高スワール期間、又は、燃焼室のスワール比が所定値以上に高くなる高スワール領域に重ならないよう、噴射条件を設定するものとすることができる。
【００１２】
本発明に係るディーゼル機関の制御装置において、さらに、推定されたスワール比の分布に基づいて、燃焼室のうち所定領域においてスワール比が所定値以上に高くなる期間である高スワール期間を特定する高スワール期間特定手段を備えるものとすることができ、噴射条件設定手段は、特定された高スワール期間に噴射期間が重ならないよう、噴射時期を設定するものとすることができる。
【００１３】
本発明に係るディーゼル機関の制御装置において、燃焼室形状を規定する壁面のうち燃焼室の開口側には、ピストン中心軸側に突出している部位であるリップが設けられているものとすることができ、前記所定領域は、リップのピストン中心軸側に設定されているものとすることができる。
【００１４】
本発明に係るディーゼル機関の制御装置において、さらに、推定されたスワール比の分布に基づいて、燃料噴射装置の噴射期間において燃焼室のうちスワール比が所定値以上に高くなる高スワール領域を特定する高スワール領域特定手段を備えるものとすることができ、噴射条件設定手段は、特定された高スワール領域に燃料噴射装置からの燃料噴霧が到達しないよう、燃料噴霧の到達距離を短くする到達距離短縮手段を含むものとすることができる。
【００１５】
本発明に係るディーゼル機関の制御装置において、到達距離短縮手段は、噴射圧を低下させると共に、１サイクルあたりの噴射回数を増大させるものとすることができる。
【００１６】
本発明に係るディーゼル機関の制御装置において、燃焼室形状を規定する壁面のうち、燃焼室の開口側には、ピストン中心軸側に突出している部位であるリップが設けられているものとすることができ、高スワール領域は、リップのピストン中心軸側であるものとすることができる。
【００１７】
本発明に係るディーゼル機関の制御装置において、着火性判定手段は、ディーゼル機関の機関本体を循環する冷却水の温度が判定水温以下であるか否かを判定する冷却水温判定手段を含むものとすることができ、冷却水温が判定水温以下であると判定された場合に、着火しにくい条件であると判定するものとすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、冷間時など噴射燃料が燃焼室において着火しにくい条件である場合には、スワール比の高いスワール流に取り込まれないよう燃料噴射装置の噴射条件が補正されるため、燃料噴射装置から噴射された燃料が、スワール比の高いスワール流に取り込まれて燃焼室全体に拡散することを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００２０】
まず、本実施例に係るディーゼル式内燃機関の概略構成について、図１−１，図１−２及び図２を用いて説明する。図１−１は、内燃機関の気筒周辺の構成を示す断面図である。図１−２は、圧縮上死点近傍において燃料噴射装置が燃焼室に向けて燃料を噴射する態様を示す図である。図２は、燃料噴射弁と吸気ポート及び排気ポートの配置を示す図である。なお、図１−１，図１−２及び図２には、本発明に関連する要部のみを模式的に示している。
【００２１】
本実施例に係る内燃機関は、圧縮されて高温となった燃焼室内の雰囲気に、燃料を供給することで、燃料を自然着火させる圧縮自着火式の内燃機関、つまりディーゼル式内燃機関である。また、このディーゼル式内燃機関は、ピストンに燃焼室が形成されており、当該燃焼室に向けて燃料噴射弁が直接燃料を噴射する直接噴射式のディーゼル式内燃機関（単に「ディーゼル機関」ともいう）である。このディーゼル式の内燃機関は、自動車に原動機として搭載されるものであり、自動車には、ディーゼル機関を含むエンジンシステムを制御する制御手段として、電子制御装置（以下、ＥＣＵと記す）が設けられている。以下、ディーゼル機関が有する複数の気筒のうち一つの気筒について説明する。
【００２２】
図１−１に示すように、ディーゼル機関１０には、内部に気筒が形成される機関本体系の部品として、シリンダブロック１２、シリンダヘッド２０、ピストン３０、コンロッド１６、及び図示しないクランク軸が設けられている。シリンダブロック１２には、シリンダボア１４が形成されており、ピストン３０は、シリンダボア１４内を、その軸心（以下、ボア軸心と記す）に沿って往復運動する。ボア軸心と、後述するピストン３０の中心軸（以下、ピストン中心軸と記す）は、一致しており、以下の説明において、ボア軸心及びピストン中心軸を図に一点鎖線Ｃで示す。
【００２３】
ピストン３０の往復運動は、回転運動に変換されて図示しないクランク軸から機械的動力が出力される。ディーゼル機関１０には、クランク軸の回転角位置（以下、クランク角と記す）を検出するクランク角センサが設けられており、クランク角に係る信号を、ＥＣＵに送出している。
【００２４】
シリンダブロック１２には、ピストン３０に対向してシリンダボア１４を塞ぐようにシリンダヘッド２０が結合されている。シリンダブロック１２とシリンダヘッド２０との合わせ面となる平面は、ボア軸心Ｃに直交しており、以下、この仮想平面を「トップデッキ平面」と記して、図１−１に二点鎖線Ｔで示す。
【００２５】
シリンダブロック１２とシリンダヘッド２０には、図示しない冷却水通路が形成されており、シリンダブロック１２には、冷却水通路を循環する冷却水の温度（以下、水温と記す）を検出する水温センサが設けられている。水温センサは、水温に係る信号を、ＥＣＵに送出している。
【００２６】
また、シリンダヘッド２０には、シリンダボア軸心Ｃを挟んで、一方の側には、吸入空気を気筒内に導く吸気ポート２４が形成されており、他方の側には、気筒内からの排気ガスを排出する排気ポート２６が形成されている。
【００２７】
また、シリンダヘッド２０には、吸気ポート２４及び排気ポート２６に対応して、それぞれ吸気弁２５と排気弁２７が設けられている。これら吸気弁２５と排気弁２７は、図示しないカムシャフトを介して、クランク軸からの機械的動力を受けて駆動される。吸気弁２５及び排気弁２７は、クランク軸の回転角位置（以下、クランク角と記す）に応じて所定のタイミングで開閉可能に構成されている。
【００２８】
吸気弁２５を開くと、吸気ポート２４と気筒内が連通し、図示しない吸気通路からの空気を、吸気ポート２４から気筒内に吸入することが可能となる。また、排気弁２７を開くと、排気ポート２６と気筒内が連通し、気筒内にある排気ガスを、排気ポート２６から図示しない排気通路に排出することが可能となる。
【００２９】
これら吸気ポート２４と排気ポート２６は、図２に示すように、それぞれ２つ設けられており、ボア軸心Ｃを含み、且つクランク軸の軸方向（以下、単に「クランク軸方向」と記し、図２に矢印Ｓで示す）に延びる仮想の平面である気筒列平面（図中、一点鎖線Ｅで示す）を挟んで、互いに対向するよう配置されている。つまり、各気筒において、吸気ポート２４と排気ポート２６は、いわゆるクロスフロー式の配置となっている。
【００３０】
なお、以下の説明において、ボア軸心Ｃを含む気筒列平面Ｅに対して吸気ポート２４が設けられる側を、吸気側と記し、図に符号ＩＮで示す。一方、平面Ｅに対して排気ポート２６が設けられる側を、排気側と記し、図に符号ＥＸで示す。
【００３１】
また、図２に示すように、吸気ポート２４は、いわゆるヘリカルポートとして構成されており、吸気ポートの内壁（外縁）２４ｅに沿って螺旋状に旋回する吸気流れを形成可能となっている。吸気ポート内における吸気流の流動方向を図に矢印Ｖで示す。このように各吸気ポートにおいて、同一方向の旋回流を形成することで、ディーゼル機関は、気筒内において、シリンダボア軸心Ｃを中心にシリンダ壁１５に沿って旋回する旋回流（以下、スワール流と記し、図に矢印Ｗで示す）を形成することが可能となっている。
【００３２】
また、図１−１に示すように、シリンダヘッド２０のシリンダボア１４に対向する壁面である天井壁２２は、トップデッキ平面Ｔとのほぼ一致するよう配設されている。天井壁２２は、その周縁２２ｅにおいてシリンダボア１４の壁面であるシリンダ壁１５に滑らかに連続するよう形成されている。天井壁２２の中央部２２ａには、シリンダボア軸心Ｃに沿って、燃料噴射装置５０が配設されている。
【００３３】
燃料噴射装置５０は、気筒ごとに設けられており、気筒内に直接燃料を噴射可能に、噴孔を有するノズル部５１が、シリンダヘッド２０の天井壁中央部２２ａに配設されており、気筒内に露出している。燃料噴射装置５０のノズル部５１には、シリンダボア軸心を中心とする周方向において、８つの噴孔（図示せず）が等間隔に配列されている。燃料噴射装置５０は、図１−２に示すように、ピストン３０が圧縮上死点近傍にあるときに、ピストン３０の燃焼室４０に向けて、各噴孔からピストン中心軸Ｃを中心に放射状に燃料を噴射する。なお、燃料噴射装置５０の制御等、詳細については後述する。
【００３４】
なお、天井壁中央部２２ａとは、図２に示すように、燃焼室４０の天井壁２２のうちボア軸心Ｃが通る部位に加えて、吸気ポート２４の外縁２４ｅと排気ポート２６の外縁２６ｅとの間に挟まれた部位を含んでいる。一方、天井壁周縁部２２ｃとは、天井壁２２の周縁２２ｅに加え、天井壁２２の周縁２２ｅと、吸気ポート２４の外縁２４ｅ又は排気ポート２６の外縁２６ｅとの間に挟まれた部位を含んでいる。
【００３５】
また、図１−１に示すように、ピストン３０の頂部３１には、頂面３２からピストン軸方向をクランク側（図に矢印Ｄで示す）に凹むキャビティである燃焼室４０が形成されている。すなわち、ピストン３０の頂部３１には、燃焼室の形状を規定する湾曲した壁面であるキャビティ壁が設けられている。ピストンに形成された燃焼室の詳細な形状については、後述する。
【００３６】
以上に説明した、シリンダブロック１２に形成されたシリンダ壁１５、シリンダヘッド２０の天井壁２２、及びピストン３０の頂面３２と、燃焼室４０の形状を規定するキャビティ壁３１により空間が、いわゆる「気筒」となる。つまり、気筒には、シリンダボア１４のうちピストン３０の頂面３２よりシリンダヘッド２０側の空間に加え、ピストン３０に形成された燃焼室４０が含まれている。
【００３７】
なお、以下の説明において、シリンダボア軸心、すなわちピストン中心軸Ｃに沿う方向を、「ピストン軸方向」と記す。これに対し、シリンダボア軸心すなわちピストン中心軸と直交する方向を、「ピストン径方向」と記して図２に矢印Ｒで示す。また、ピストン軸方向のうち、ピストン３０がシリンダヘッド２０に向かう向きを「ヘッド側」と記して図に矢印Ｕで示す。また、ピストン軸方向のうち上方とは反対の向きを「クランク側」と記して図に矢印Ｄで示す。
【００３８】
以上のように構成されたディーゼル式内燃機関１０は、圧縮比が比較的低い値、例えば、１５．８に設定されている。このような低圧縮比に設定することで、例えば、圧縮比が１８．０に設定されているディーゼル機関に比べて、図１−２に示すように、ピストン３０が圧縮上死点近傍までヘッド側に移動した時（以下、圧縮時と記す）において、燃焼室内の雰囲気温度を低下させることができ、燃料噴射装置５０から噴射された燃料の燃焼温度を下げることができる。これにより、窒素酸化物等の発生を低減することができる。また、圧縮比の低減によりディーゼル機関のポンプ損失を低減して、燃費の向上を図ることが可能となっている。
【００３９】
次に、本実施例に係るディーゼル式内燃機関の燃焼室形状について、図１−１及び図３を用いて説明する。図３は、燃焼室形状を説明する説明図である。なお、図３においては、燃焼室の断面形状の片側を示している。以下に説明する断面形状は、ピストン周方向に連続しており、環状に設けられている。
【００４０】
図１−１及び図３に示すように、ディーゼル機関１０のピストン３０には、いわゆるリエントラント形の燃焼室４０が形成されている。燃焼室形状を規定する壁面であるキャビティ壁３１のうち、燃焼室４０の開口４１側の端部３３は、ピストン中心軸側に突出しており、以下、この端部３３を「リップ」と記す。なお、燃焼室４０の開口４１の径は、シリンダボア１４の径に比べて小さなものとなっている。
【００４１】
リップ３３は、ピストン中心軸Ｃ（すなわちピストン径方向Ｒ内側）に凸となって湾曲する曲面となっており、ピストン周方向Ｇ（図２参照）に連続する環状に設けられている。キャビティ壁３１は、リップ３３からクランク側に向かうに従って、ピストン径方向Ｒ外側に位置するよう形成されている。すなわち、燃焼室４０は、リップ３３からクランク側に向かうに従って、ピストン径方向Ｒに拡大している。キャビティ壁３１のうち最もピストン径方向Ｒ外側にある部位を、以下、「最外部」と記して符号３４で示す。
【００４２】
最外部３４は、ピストン径方向Ｒ外側に凸となって湾曲する曲面となっている。キャビティ壁３１は、最外部３４から、クランク側に向かうに従って、ピストン径方向Ｒ内側に位置するよう形成されており、キャビティ壁３１のうち最もピストン頂面３２から離間した部位３５（以下、底部と記す）に連続している。
【００４３】
底部３５は、クランク側に凸となって湾曲した曲面となっている。キャビティ壁３１は、底部３５からピストン中心軸Ｃに向かうに従って、ヘッド側に位置するよう形成されており、キャビティ壁３１のうちピストン中心軸Ｃが通る部位３８（以下、ピントル部と記す）に連続している。
【００４４】
ピントル部３８は、ピストン軸方向のヘッド側に凸となって湾曲した曲面（球面）となっている。キャビティ壁３１は、底部３５よりピストン径方向Ｒ内側において、ピントル部３８と頂点とする略円すい形状となっている。すなわち、キャビティ壁３１のピントル部３８は、底部３５からピストン軸方向のヘッド側に突出して設けられている。
【００４５】
以上に説明したキャビティ壁３１の断面形状は、ピストン周方向Ｇ（図２参照）に連続しており、略環状をなしている。すなわち、キャビティ壁３１により形状が規定される燃焼室４０は、ピストン中心軸を中心とする軸対称形状となっている。
【００４６】
図３に示すように、燃焼室４０のうちキャビティ壁３１の最外部３４よりピストン中心軸Ｃ（ピストン径方向Ｒ内側）の領域であり、且つ底部３５よりピストン軸方向ヘッド側の領域を、以下に「ボール部」と記して、符号４０ｂで示す。つまり、燃焼室４０のボール部４０ｂは、最外部３４及び底部３５を外表面とする円環状（トーラス状）の領域となっている。
【００４７】
また、燃焼室４０のうち、ボール部４０ｂよりピストン中心軸Ｃの領域であり、且つ、キャビティ壁３１のピントル部３８よりピストン軸方向ヘッド側の領域を、以下に「中央部」と記して符号４０ａで示す。つまり、燃焼室４０の中央部４０ａは、ピストン中心軸を中心とし、燃焼室４０の開口４１に底面が隣接する円柱形状から、ピントル部３８を頂点とする円すい形状を差引いた形状の領域となっている。
【００４８】
また、燃焼室４０のうち、キャビティ壁３１のリップ３３よりピストン中心軸Ｃの領域を、以下に「リップ部」と記して、符号４０ｒで示す。燃焼室４０のリップ部４０ｒは、ボール部４０ｂよりピストン軸方向ヘッド側の領域であり、且つ、中央部４０ａよりピストン径方向Ｒ外側の領域となっている。つまり、リップ部４０は、燃焼室４０のうち、開口４１とキャビティ壁３１のリップ３３に隣接する環状の領域である。
【００４９】
また、ピストン３０の頂面３２と、シリンダヘッド２０の天井壁周縁部２２ｃとの間には、スキッシュ領域１４ｓが形成される。ピストン３０がヘッド側に移動して、頂面３２と天井壁２２との距離が短くなると、スキッシュ領域にあるガスが圧縮されて、ピストン中心軸Ｃに流動し、開口４１から燃焼室４０に流入することとなる。
【００５０】
次に、本実施例に係るディーゼル式内燃機関のエンジンシステムについて、図４を用いて説明する。図４は、エンジンシステムの構成を示す模式図である。なお、図４には、本発明に関連する要部のみを示している。
【００５１】
ディーゼル機関１０には、燃焼室に燃料を供給するエンジンシステム１として、気筒ごとに備えられ、燃焼室４０に向けて燃料を噴射する燃料噴射装置５０と、各燃料噴射装置５０に燃料を分配する燃料レール６２と、燃料レール６２に昇圧した燃料を圧送する高圧燃料ポンプ６４と、燃料レール６２内の燃圧（以下、レール内燃圧と記す）を制御するための燃圧センサ６７及び圧力開放弁６８と、を有している。高圧燃料ポンプ６４から燃料レール６２に圧送された燃料は、燃料レール６２で分配されて各燃料噴射装置５０に供給される。
【００５２】
高圧燃料ポンプ６４は、ディーゼル機関１０のカムシャフト（図示せず）からの機械的動力を受けて作動し、燃料タンク１００内にある低圧燃料ポンプ１０２から供給された燃料を吸入して昇圧する。高圧燃料ポンプ６４は、昇圧した燃料を燃料レール６２に圧送して供給する。高圧燃料ポンプ６４が吸入・圧送する燃料量は、図示しない吸入制御弁により調整される。吸入制御弁を含む高圧燃料ポンプ６４の作動は、ＥＣＵ８０により制御される。
【００５３】
燃料レール６２は、内部に蓄圧室６６が形成されており、蓄圧室６６は、燃料を所定の燃圧で蓄圧可能に構成されている。燃料レール６２は、この蓄圧室６６から各燃料噴射装置５０に燃料を分配して供給する。燃料レール６２の蓄圧室６６には、高圧燃料ポンプ６４から高圧（例えば、１８０ＭＰａ）の燃料が供給される。
【００５４】
また、燃料レール６２には、蓄圧室６６における燃圧（以下、レール内燃圧と記す）を所望の圧力となるよう制御するため、レール内燃圧を検出する燃圧センサ６７と、燃料レール６２内の蓄圧室６６の燃料をリターン配管６９に放出することで、レール内燃圧を調整する圧力開放弁６８が設けられている。燃圧センサ６７は、検出したレール内燃圧に係る信号をＥＣＵ８０に送出している。
【００５５】
一方、圧力開放弁６８は、電磁式の遮断弁として構成されており、その開閉弁動作は、ＥＣＵ８０により制御される。圧力開放弁６８は、高圧燃料ポンプ６４から圧送される燃料により、レール内燃圧が所望の圧力を超えようとするときに開弁し、蓄圧室６６の燃料をリターン配管５９に放出することで、レール内燃圧を低下させることが可能となっている。
【００５６】
各燃料噴射装置５０は、共通の燃料レール６２の蓄圧室６６から所定のレール内燃圧で燃料の供給を受けている。燃料噴射装置５０は、ピエゾ式の燃料噴射弁で構成されており、１サイクル中に複数回の燃料噴射を行うことが可能となっている。各サイクルにおける燃料噴射装置５０の噴射期間、すなわち噴射時期及び噴射時間長さ（開弁時間）は、図示しないドライバユニットを介して、ＥＣＵ８０により制御される。
【００５７】
燃料噴射装置５０が燃料を噴射する噴射圧は、燃料レール６２のレール内燃圧に応じたものとなっている。つまり、燃料噴射装置５０が噴射した燃料噴霧の到達距離（飛翔距離）は、噴射圧すなわちレール内燃圧に応じたものとなっている。つまり、燃料レール６２のレール内燃圧を所望の値に制御することで、燃料噴射装置５０が噴射した燃料噴霧の到達距離を所望の値に制御することが可能となっている。燃料レール６２のレール内燃圧は、高圧燃料ポンプ６４の吸入制御弁（図示せず）と、燃料レール６２の圧力開放弁６８を制御することで、調整される。高圧燃料ポンプの吸入制御弁と、燃料レール６２の圧力開放弁６８は、ＥＣＵ８０により制御され、詳細は後述する。
【００５８】
以上のように構成されたエンジンシステム１において、ＥＣＵ８０は、クランク角センサ７０からのクランク角に係る信号と、水温センサ７４から機関本体を循環する冷却水の水温に係る信号と、大気圧センサ７６からの大気圧に係る信号と、燃圧センサ６７から燃料レール６２のレール内燃圧に係る信号とを受けている。また、ＥＣＵ８０は、ディーゼル機関が搭載された自動車に設けられているアクセルポジションセンサ７８から、アクセルペダルの操作量（以下、アクセル操作量と記す）に係る信号を受けている。また、ＥＣＵ８０は、エアフロメータ７２から、気筒内に吸入される空気量（以下、吸入空気量と記す）に係る信号を受けている。
【００５９】
これら信号から、ＥＣＵ８０は、クランク軸の回転角位置（クランク角）と、クランク軸の回転速度（以下、機関回転速度と記す）と、ディーゼル機関がクランク軸から出力している機械的動力（以下、機関負荷と記す）と、レール内燃圧と、水温と、吸入空気量と、大気圧と、アクセル操作量を算出している。また、ＥＣＵ８０は、大気圧から、ディーゼル機関１０が搭載された自動車がおかれている標高を算出している。
【００６０】
また、以上の制御変数から、ＥＣＵ８０は、各燃料噴射装置５０の各サイクルにおける燃料噴射条件を算出している。燃料噴射条件には、噴射量、噴射期間（噴射時期及び噴射時間長さ）、燃料噴射圧、及び噴射回数が含まれている。ＥＣＵ８０は、算出された燃料噴射条件に応じて、燃料噴射装置５０、高圧燃料ポンプ６４の吸入制御弁、及び燃料レール６２の圧力開放弁６８を制御している。
【００６１】
ＥＣＵ８０は、機関回転速度、アクセル操作量、水温、吸入空気量、大気圧等に基づいて、基準となる燃料噴射量（以下、基本噴射量と記す）を算出している。ＥＣＵ８０は、基本噴射量を、レール内燃圧等の制御変数で補正して、最終的な燃料噴射量（以下、最終噴射量と記す）を算出する。ＥＣＵ８０は、算出された最終噴射量から、燃料噴射装置５０の噴射時間長さ（開弁時間）を算出し、燃料噴射装置５０を制御している。
【００６２】
ＥＣＵ８０は、アクセル操作量、クランク角に基づいて、基準となる燃料噴射時期（以下、基本噴射時期）を算出している。さらに、ＥＣＵ８０は、算出された基本噴射時期を、大気圧、水温、吸気温度、過給圧等により補正して、最終的な燃料噴射時期（以下、最終噴射時期と記す）を算出している。
【００６３】
ＥＣＵ８０は、機関回転速度、アクセル操作量、レール内燃圧に基づいて、目標とする燃料噴射圧（以下、目標噴射圧と記す）を算出している。ＥＣＵ８０は、算出された目標噴射圧に基づいて、高圧燃料ポンプ６４の吸入制御弁と、燃料レール６２の圧力開放弁６８を制御することで、レール内燃圧を目標噴射圧に合わせることができる。
【００６４】
以上に説明したエンジンシステムを備えたディーゼル式内燃機関１０は、上述の燃料噴射条件に基づき燃料噴射装置５０が制御されて、圧縮上死点近傍において、ディーゼル機関の出力発生を主目的として、気筒内で燃料を拡散燃焼させる燃料噴射（以下、メイン噴射と記す）を実行することが可能となっている。
【００６５】
加えて、ディーゼル式内燃機関１０は、メイン噴射に加えて、スモーク（黒煙等の粒子状物質）や燃焼騒音の低減を主目的として、メイン噴射に対して進角した時期（例えば、圧縮上死点前７０°）に行われ、気筒内で燃料を予混合燃焼させる燃料噴射（以下、パイロット噴射と記す）を実行することが可能となっている。
【００６６】
ＥＣＵ８０は、アクセル操作量、クランク角等に基づいて、パイロット噴射における基準となる燃料噴射条件（以下、パイロット基本噴射条件と記す）を算出している。パイロット基本噴射条件には、基準となる燃料噴射量（以下、パイロット基本噴射量と記す）と、基準となる燃料噴射時期（以下、パイロット噴射時期と記す）と、メイン噴射との基準となる噴射間隔（以下、基本噴射間隔と記す）などが含まれている。さらに、ＥＣＵ８０は、算出されたパイロット基本噴射条件を、大気圧等により補正して、パイロット噴射における最終的な燃料噴射条件（以下、パイロット最終噴射条件と記す）を算出することが可能となっている。
【００６７】
次に、本実施例に係るディーゼル式内燃機関において燃焼室に形成されるスワール流の態様について、図５−１及び図５−２、図６及び図７を用いて説明する。図５−１は、吸気行程において気筒内にスワール流が形成された態様を示す図である。図５−２は、圧縮行程において気筒内のスワール流が増速されて燃焼室に流入する態様を示す図である。図６は、圧縮行程後半から圧縮上死点にかけて燃焼室に形成されるスワール流のスワール比の変化を説明する図である。図７は、圧縮上死点前１０°における高スワール領域と、燃料噴射装置の噴射方向との関係を示す図である。なお、図６において、ＴＤＣは、圧縮上死点を示している。
【００６８】
まず、吸気行程において、図５−１に示すように、吸気ポート２４から気筒内に流入する吸気流Ｖにより、気筒内にはシリンダボア軸心Ｃを中心に旋回する旋回流であるスワール流Ｗ１が形成される。そして、圧縮行程において、ピストン３０がヘッド側に移動し、気筒内の容積が小さくなるに従って、図６に示すように、スワール流は増速される。
【００６９】
そして、図５−２に示すように、圧縮行程の後半においては、ピストン３０の頂面３２と天井壁２２の周縁部２２ｃとの間隔が小さくなり、この間にあるガスが圧縮されて、シリンダボア軸心Ｃ（ピストン中心軸）に向かうスキッシュ流（図に矢印Ｋで示す）が形成される。このスキッシュ流Ｋにより、スワール流Ｗ３は、増速されると共にピストン３０の燃焼室４０に流入する。燃焼室４０内に入り込んだスワール流Ｗ３は、リップ３３のピストン中心軸Ｃ側を旋回する。
【００７０】
以上に説明した圧縮行程において、スワール流の強度を示す指標である「スワール比」は、図６及び図７に示すように、燃焼室４０の平均値と、リップ３３のピストン中心軸Ｃ側の領域であるリップ部４０ｒでは、クランク角に応じて異なった挙動を示している。
【００７１】
なお、「スワール比」とは、スワール流の強度を示すパラメータであり、１行程（１ストローク）すなわちピストン３０が下死点から上死点に至るまでの間に、気筒内を旋回するスワール流の回転数を意味している。
【００７２】
図７に示すように、リップ部４０ｒのスワール比は、圧縮行程を通して燃焼室４０の平均値に比べて高いが、特に、圧縮上死点前３０°以降は、リップ部４０ｒのスワール比が急速に増大し、圧縮上死点前１０°（図に時点Ｔ１で示す）において、リップ部４０ｒのスワール比は、最も高くなる。そして時点Ｔ１以降は、スワール比が急速に減少していく。
【００７３】
このように燃焼室４０の所定の領域であるリップ部４０ｒにおいては、燃焼室４０の平均に比べて、特にスワール比が高くなる期間、すなわちスワール比が所定値（例えば、３．８）以上となる高スワール期間Ｓｈが、圧縮上死点前において生じることとなる。
【００７４】
このような、高スワール期間Ｓｈにおいて、図６に示すように、燃料噴射装置５０が、矢印Ｆで示すように、キャビティ壁３１のうちリップ３３と最外部３４との間に向けて燃料を噴射し、噴射された燃料がリップ部４０ｒに到達すると、リップ部４０ｒにおいてスワール比の高いスワール流に取り込まれて、燃料が燃焼室４０全体に急速に拡散することとなる。
【００７５】
ディーゼル機関の圧縮比が比較的高く設定されている場合や、ディーゼル機関が十分に暖機されている場合など、圧縮時の雰囲気温度が十分に高い場合には、噴射燃料が高スワール領域に取り込まれて拡散しても、燃料と空気の混合が良好に促進されて問題はない。しかし、圧縮比が比較的低く（例えば、１５．８）設定されているディーゼル機関の場合、高圧縮比（例えば、１８．０）のディーゼル機関に比べて圧縮時の雰囲気温度が低く、特に、ディーゼル機関の冷間時など、燃料が着火しにくい条件において、噴射燃料が高スワール領域に取り込まれて燃焼室全体に拡散すると、未燃ＨＣの排出量が増大してしまう。
【００７６】
そこで、本実施例に係るディーゼル式内燃機関の制御装置（ＥＣＵ）では、燃焼室内において、燃料噴射装置からの噴射燃料が着火しにくい条件であるか否かを判定する機能（着火性判定手段）と、燃焼室におけるスワール比の分布を推定する機能（スワール比推定手段）と、着火しにくい条件であると判定された場合に、推定されたスワール比の分布に基づいて、燃料噴射装置の噴射条件を設定する噴射条件設定手段と、を有しており、以下に、図４、図６〜図８を用いて説明する。図８は、ディーゼル機関の制御装置（ＥＣＵ）が実行する燃料噴射制御のフローチャートである。
【００７７】
図４及び図８に示すように、まず、ＥＣＵ８０は、ステップＳ１００において、上述した基本的な制御パラメータを取得する。制御パラメータには、機関回転速度、機関負荷、アクセル操作量、クランク角、大気圧、水温等が含まれている。
【００７８】
そして、ＥＣＵ８０は、ステップＳ１０２において、ディーゼル機関１０の運転状態に応じて基本噴射条件を設定する。ＥＣＵ８０は、上述の制御パラメータに基づいて、燃料噴射装置５０の基本噴射量と算出すると共に、基本噴射量から基本噴射期間（基本噴射時期及び基本噴射時間長さ）を算出している。
【００７９】
そして、ＥＣＵ８０は、ステップＳ１０４において、水温が予め設定された判定水温以上であるか否かを判定する。すなわち、燃料噴射装置５０からの噴射燃料が、燃焼室において着火しにくい条件であるか否かを判定している。判定水温は、例えば、８０℃に設定されている。
【００８０】
水温が判定水温以上である（Ｙｅｓ）と判定された場合、ＥＣＵ８０は、ディーゼル機関の暖機が完了しており、燃料噴射装置５０からの噴射燃料は、燃焼室４０内において着火しにくい条件ではない、すなわち着火性が高い条件であると判定して、ステップＳ１０６に進む。
【００８１】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ８０は、ディーゼル機関１０が搭載された自動車がおかれている標高が、所定の判定標高以下であるか否かを判定する。すなわち、燃料噴射装置５０からの噴射燃料が、燃焼室４０において着火しにくい条件であるか否かを判定している。判定標高は、例えば、０メートルや１０００メートルに設定することができる。
【００８２】
標高が判定標高以下である（Ｙｅｓ）と判定された場合、ＥＣＵ８０は、大気圧が高い低地であり、噴射燃料が着火しにくい条件ではない、すなわち着火性が高い条件であると判定して、ステップＳ１２０に進む。
【００８３】
そして、ステップＳ１２０において、ＥＣＵ８０は、基本噴射時期を、最終噴射時期に決定すると共に、決定された最終噴射時期に応じて、燃料噴射装置５０を制御して、ステップＳ１００に戻る。
【００８４】
なお、基本噴射時期は、ディーゼル機関１０の暖機が完了しており、且つディーゼル機関１０が搭載された車両が高地などの特殊な環境下にない状態（以下、通常状態と記す）を前提として、予め適合実験等により求められており、制御定数（マップ）として、ＥＣＵ８０のＲＯＭに記憶されている。
【００８５】
基本噴射時期は、通常状態において適合されており、通常状態のうち機関負荷が高負荷である場合には、上述の高スワール期間Ｓｈにおいて燃料噴射を行うように設定されている。このように基本噴射時期を設定することで、通常状態のうち機関負荷が高負荷である場合には、高スワール期間Ｓｈにおいて燃料噴射を行うことで、噴射燃料と空気の混合を促進し、スモーク（黒煙等の粒子状物質）の発生を抑制することができる。
【００８６】
一方、ステップＳ１０４において、水温が判定水温を下回る（Ｎｏ）と判定された場合、ディーゼル機関１０は暖機が完了していない冷間時であり、噴射燃料が燃焼室４０において着火しにくい条件であると判定して、ステップＳ１１０に進む。
【００８７】
また、ステップＳ１０６において、標高が判定標高を上回る（Ｎｏ）と判定された場合、大気圧が低い高地である、噴射燃料が着火しにくい条件であると判定して、ステップＳ１１０に進む。
【００８８】
そして、ステップＳ１１０において、ＥＣＵ８０は、各クランク角における燃焼室４０のスワール比の分布を推定し、燃焼室４０のうち所定領域であるリップ部４０ｒにおいて、スワール比が所定値以上に高くなる高スワール期間を特定する。例えば、図６に示すように、ＥＣＵ８０は、リップ部４０ｒにおいて、スワール比が所定値（例えば、３．８）以上に高くなる高スワール期間Ｓｈを特定する。なお、燃焼室４０のうち所定領域は、図７に二点鎖線Ｈ１で囲うような領域とすることができる。
【００８９】
この高スワール期間Ｓｈは、圧縮上死点前１０°（図に時点Ｔ１で示す）を含むものとなっている。ＥＣＵ８０は、特定された高スワール期間Ｓｈを、燃料噴射装置５０の燃料噴射を禁止する噴射禁止期間に設定する。なお、所定領域であるリップ部４０ｒの、各クランク角におけるスワール比は、予め適合実験等により求められており、制御定数（マップ）としてＥＣＵ８０のＲＯＭに記憶されている。
【００９０】
そして、ステップＳ１１４において、ＥＣＵ８０は、燃料噴射装置５０の噴射期間が、高スワール期間Ｓｈ（噴射禁止期間）に重ならないように、ステップＳ１０２で設定された基本噴射時期に対して補正を行うものとし、その補正量を算出する。詳細には、基本噴射時期からの進角量又は遅角量を算出する。
【００９１】
そして、ステップＳ１２０において、ＥＣＵ８０は、基本噴射時期を、ステップＳ１１４で算出された補正量で補正して最終噴射時期を決定する。決定された最終噴射時期に応じて、ＥＣＵ８０は、燃料噴射装置５０を制御し、ステップＳ１００に戻る。
【００９２】
このようにＥＣＵ８０が制御することで、搭載された車両が高地にある場合や、低水温すなわちディーゼル機関１０が冷間時にある場合など、噴射燃料が燃焼室４０において着火しにくい条件においては、燃料噴射装置５０の噴射方向にあるリップ部４０ｒにある高スワール領域Ｈ１（図７参照）において、スワール比が高い高スワール期間Ｓｈ（図６参照）に燃料噴射を行うことがなくなる。
【００９３】
これにより、噴射燃料が着火しにくい条件においては、噴射燃料がスワール比の高いスワール流に取り込まれて、燃焼室全体に拡散してしまうことを抑制することができ、未燃ＨＣの排出を抑制することが可能となる。
【００９４】
以上に説明したように本実施例において、ＥＣＵ８０は、燃料噴射装置５０からの噴射燃料が燃焼室４０において着火しにくい条件であるか否かを判定する機能（以下、着火性判定手段と記す）と、ディーゼル機関１０の運転状態に応じて、燃焼室４０におけるスワール比の分布を推定する機能（以下、スワール分布推定手段と記す）と、着火しにくい条件であると判定された場合には、噴射燃料がスワール比の高いスワール流に取り込まれないよう、推定されたスワール比の分布に基づいて燃料噴射装置５０の噴射条件を設定する機能（以下、噴射条件設定手段と記す）を有するものとした。
【００９５】
噴射燃料が燃焼室において着火しにくい条件である場合には、スワール比の高いスワール流に取り込まれないよう噴射条件が補正されるため、噴射燃料が、スワール比の高いスワール流に取り込まれて燃焼室全体に拡散することを抑制することができる。
【００９６】
また、本実施例において、噴射条件設定手段は、燃料噴射装置から噴射された燃料が、燃焼室においてスワール比が所定値以上に高くなる高スワール期間、又は、燃焼室のスワール比が所定値以上に高くなる高スワール領域に重ならないよう、噴射条件を設定するものとしたので、高スワール期間又は高スワール領域を特定することで、噴射燃料がスワール比の高いスワール流に取り込まれないように、噴射条件を容易に設定することができる。
【００９７】
また、本実施例では、推定されたスワール比の分布に基づいて、燃焼室４０のうち所定領域（リップ部４０ｒ）においてスワール比が所定値以上に高くなる期間である高スワール期間Ｓｈを特定する機能（高スワール期間特定手段）を備え、噴射条件設定手段は、推定された高スワール期間Ｓｈに噴射期間が重ならないよう、噴射時期を設定するものとしたので、燃料噴射に係る制御パラメータのうち噴射時期のみを補正する、すなわち噴射時期を進角又は遅角させるだけで、スワール比の高いスワール流に噴射燃料が取り込まれないようにすることができ、噴射燃料が燃焼室全体に拡散することを抑制することができる。
【実施例２】
【００９８】
本実施例に係るディーゼル機関の制御装置（ＥＣＵ）について、図４、及び図９〜図１３を用いて説明する。図９は、ディーゼル機関の制御装置（ＥＣＵ）が実行する燃料噴射制御のフローチャートである。図１０は、燃焼室の片側断面図であり、通常状態における噴射燃料と高スワール領域との位置関係を示す図である。図１１は、通常状態における燃料噴霧の態様と到達距離を説明する図である。図１２は、燃焼室の片側断面図であり、低水温時における噴射燃料と高スワール領域との位置関係を示す図である。図１３は、低水温時における燃料噴霧の態様と到達距離を説明する図である。
【００９９】
本実施例に係るディーゼル式内燃機関の制御装置（ＥＣＵ）は、推定されたスワール比の分布に基づいて、燃料噴射装置の噴射期間において燃焼室のうちスワール比が所定値以上に高くなる高スワール領域を特定する高スワール領域特定手段を備え、噴射条件設定手段は、特定された高スワール領域に燃料噴射装置からの燃料噴霧が到達しないよう、燃料噴霧の到達距離を短くする到達距離短縮手段を含んでいる点で、実施例１とは異なり、以下に、ＥＣＵが実行する制御について説明する。なお、実施例１と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【０１００】
図４及び図９に示すように、まず、ＥＣＵ８０Ｂは、ステップＳ２００において、基本的な制御パラメータを取得する。制御パラメータには、機関回転速度、機関負荷、アクセル操作量、クランク角、水温などが含まれている。
【０１０１】
そして、ＥＣＵ８０Ｂは、ステップＳ２０２において、ディーゼル機関１０の運転状態に応じて基本噴射条件を設定する。ＥＣＵ８０Ｂは、上述の制御パラメータに基づいて、燃料噴射装置５０の基本噴射条件を算出する。基本噴射条件には、基本噴射量、基本噴射期間、基本噴射時期に加えて、基本噴射圧や、基本噴射回数が含まれている。
【０１０２】
そして、ＥＣＵ８０Ｂは、ステップＳ２０４において、水温が予め設定された判定水温以上であるか否かを判定する。すなわち燃料噴射装置５０からの噴射燃料が、燃焼室４０において着火しにくい条件であるか否かを判定している。判定水温は、例えば、８０℃に設定されている。
【０１０３】
水温が判定水温以上である（Ｙｅｓ）と判定された場合には、ディーゼル機関１０の暖機が完了しており、燃料噴射装置５０からの噴射燃料が燃焼室４０において着火しにくい条件ではない通常状態であると判定して、ステップＳ２２０に進む。
【０１０４】
ステップＳ２２０において、ＥＣＵ８０Ｂは、基本噴射条件（基本噴射圧及び基本噴射回数）を、最終噴射条件に決定すると共に、検定された最終噴射条件に応じて、燃料噴射装置５０、高圧燃料ポンプ６４、及び圧力開放弁６８を制御して、ステップＳ２００に戻る。
【０１０５】
なお、基本噴射条件は、ディーゼル機関１０の暖機が完了している状態、つまり通常状態を前提として、予め適合実験等により求められており、制御定数（マップ）として、ＥＣＵ８０ＢのＲＯＭに記憶されている。
【０１０６】
基本噴射条件は、通常状態において適合されており、通常状態のうち機関負荷が高負荷である場合には、図１０に示すように、燃料噴霧Ｆ２の先端が、燃焼室４０のリップ部４０ｒにある高スワール領域（図に二点鎖線Ｈ２で示す）に到達するように設定されている。すなわち、図１１に示すように、燃料噴射装置５０のノズル部から噴射された燃料噴霧Ｆ２の先端の到達距離（飛翔距離）が、高スワール領域Ｈ２に到達する所定の到達距離Ｄ２となるよう設定されている。このように基本噴射条件を設定することで、ディーゼル機関１０の暖機完了後における高負荷作動時において、燃料噴霧の拡散を促進し、スモーク（黒煙等の粒子状物質）の発生を抑制することができる。
【０１０７】
一方、ステップＳ２０４において、水温が判定水温を下回る（Ｎｏ）と判定された場合、ディーゼル機関１０は、暖機が完了していない冷間時であり、噴射燃料が燃焼室４０において着火しにくい条件であると判定して、ステップＳ２１０に進む。
【０１０８】
ステップＳ２１０において、ＥＣＵ８０Ｂは、燃焼室４０のスワール比の分布を推定し、燃料噴射装置５０の基本噴射期間において、燃焼室４０のうちスワール比が所定値以上に高くなる高スワール領域（図１２に二点鎖線Ｈ２で示す）を特定する。なお、各クランク角における燃焼室４０のスワール比の分布は、予め適合実験等により求められており、制御定数（マップ）としてＥＣＵ８０ＢのＲＯＭに記憶されている。
【０１０９】
そして、ステップＳ２１４において、ＥＣＵ８０Ｂは、図１２に示すように特定された高スワール領域Ｈ２に燃料噴霧Ｆ１が到達しないよう、すなわち、図１３に示すように燃料噴霧の到達距離Ｄ１が、通常状態における到達距離Ｄ２に比べて短くなるよう、ステップＳ２０２で設定された基本噴射条件に対して補正を行うものとし、その補正量を算出する。具体的には、上述の基本噴射圧に比べて噴射圧を低下させる補正を行うと共に、１サイクルあたりの噴射回数を基本噴射回数に比べて増大させる補正を行うものとし、噴射圧と噴射回数それぞれについて補正量を算出する。
【０１１０】
例えば、目標噴射圧を基本噴射圧に比べて低下させると共に、パイロット噴射の噴射回数を１回から３回に増大させるよう補正を行う。このように補正した場合、噴射圧の低下により、メイン噴射の燃料噴射量が減少するが、その分、パイロット噴射の噴射回数を増大させる、すなわち１サイクルあたりのパイロット噴射の噴射時間長さを増大させることができ、燃料噴射装置５０は、所望の燃料量を燃焼室４０に供給しつつ、燃料噴霧の到達距離を短くすることができる。
【０１１１】
そして、ステップＳ２２０において、ＥＣＵ８０Ｂは、基本噴射圧及び基本噴射回数を、ステップＳ２１４で算出された補正量で補正して、最終噴射圧と最終噴射回数を決定する。ＥＣＵ８０Ｂは、決定された最終噴射圧を実現するよう、高圧燃料ポンプ６４の吸入制御弁と燃料レール６２の圧力開放弁６８を制御して、噴射圧を低下させる。これと共に、ＥＣＵ８０Ｂは、最終噴射回数に応じて、燃料噴射装置５０を制御して、メイン噴射の燃料噴霧の到達距離をＤ２からＤ１に短くすると共に、パイロット噴射の噴射回数を増大させる。そして、ステップＳ２００に戻る。
【０１１２】
このようにＥＣＵ８０Ｂが制御することで、水温が低い場合すなわちディーゼル機関１０の冷間時など、噴射燃料が燃焼室４０において着火しにくい条件においては、燃料噴射装置５０の噴射方向に設定された高スワール領域Ｈ２に、燃料噴霧が到達することがなくなる。これにより、噴射燃料が着火しにくい条件においては、燃料噴霧がスワール比の高いスワール流に取り込まれて、燃焼室全体に拡散してしまうことを抑制することができ、未燃ＨＣの排出を抑制することが可能となる。
【０１１３】
以上に説明したように本実施例では、推定されたスワール比の分布に基づいて、燃料噴射装置５０の噴射期間において燃焼室４０のうちスワール比が所定値以上に高くなる高スワール領域を特定する高スワール領域特定手段を備え、噴射条件設定手段は、特定された高スワール領域に燃料噴射装置からの燃料噴霧が到達しないよう、燃料噴霧の到達距離を短くする機能（以下、到達距離短縮手段と記す）を含むものとしたので、冷間時など、噴射燃料が燃焼室において着火しにくい条件においては、噴射期間において燃料噴射装置から噴射された燃料噴霧が、高スワール領域に到達することがなくなり、スワール比の高いスワール流に燃料噴霧（噴射燃料）が取り込まれて、噴射燃料が燃焼室全体に拡散することを抑制することができる。
【０１１４】
また、到達距離短縮手段は、噴射圧を低下させると共に、１サイクルあたりの噴射回数又は噴射時間長さを増大させるものとしたので、所望の量の燃料を燃焼室に供給しつつ、噴射圧の低下により燃料噴霧の到達距離を短縮することができる。
【０１１５】
なお、上述した各実施例においては、図１−１に示すように、ピストン３０の燃焼室形状を規定するキャビティ壁３１のうち、燃焼室４０の開口４１側に、ピストン中心軸Ｃに突出している部位であるリップ３３が設けられているリエントラント形の燃焼室形状であるものとし、燃焼室４０のうちスワール比の高い高スワール領域（Ｈ１；Ｈ２）は、リップ３３のピストン中心軸Ｃであるものとしたが、本発明が適用可能なディーゼル機関の燃焼室形状は、これに限定されるものではない。燃焼室の各部位において、スワール比が異なるようなディーゼル機関であれば適用することができ、例えば、リップを有しない、いわゆるトロイダル形の燃焼室がピストンに形成されたディーゼル機関にも本発明を適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
以上のように、本発明に係るディーゼル機関の制御装置は、燃焼室にスワール流が形成され、当該燃焼室に向けて燃料噴射弁が直接燃料を噴射するディーゼル機関に有用であり、特に、ピストンに燃焼室が形成されているディーゼル機関に適している。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１−１】実施例１に係るディーゼル機関の気筒周辺の構成を示す断面図である。
【図１−２】実施例１に係るディーゼル機関において、燃料噴射装置が圧縮上死点近傍において燃焼室に向けて燃料を噴射する態様を示す図である。
【図２】実施例１に係るディーゼル機関における燃料噴射弁と吸気ポート及び排気ポートの配置を示す図である。
【図３】実施例１に係るディーゼル機関における燃焼室形状を説明する説明図である。
【図４】実施例１に係るディーゼル機関におけるエンジンシステムの構成を示す模式図である。
【図５−１】実施例１に係るディーゼル機関において、吸気行程に気筒内にスワール流が形成された態様を示す図である。
【図５−２】実施例１に係るディーゼル機関において、圧縮行程後半にスキッシュ流が発生して、燃焼室内にスワール流が形成された態様を示す図である。
【図６】実施例１に係るディーゼル機関において、圧縮行程後半から圧縮上死点にかけて燃焼室に形成されるスワール比の変化を説明する図である。
【図７】実施例１に係るディーゼル機関において、圧縮上死点前１０°における高スワール領域と燃料噴射装置の噴射方向との関係を示す図である。
【図８】実施例１に係るディーゼル機関の制御装置（ＥＣＵ）が実行する燃料噴射制御のフローチャートである。
【図９】実施例２に係るディーゼル機関の制御装置（ＥＣＵ）が実行する燃料噴射制御のフローチャートである。
【図１０】実施例２に係るディーゼル機関の燃焼室の片側断面図であり、通常状態における噴射燃料と高スワール領域との位置関係を示す図である。
【図１１】実施例２に係るディーゼル機関において、通常状態における燃料噴霧の態様と到達距離を説明する図である。
【図１２】実施例２に係るディーゼル機関の燃焼室の片側断面図であり、低水温時における噴射燃料と高スワール領域との位置関係を示す図である。
【図１３】実施例２に係るディーゼル機関において、低水温時における燃料噴霧の態様と到達距離を説明する図である。
【符号の説明】
【０１１８】
１ 燃料噴射システム
１０ ディーゼル式内燃機関（ディーゼル機関）
１２ シリンダブロック
１４ シリンダボア
１６ コンロッド
２０ シリンダヘッド
２２ 燃焼室の天井壁
２４ 吸気ポート
２６ 排気ポート
３０ ピストン
３１ キャビティ壁
３２ 頂面
３３ リップ
４０ 燃焼室
４０ｒ 燃焼室のリップ部
４０ｂ 燃焼室のボール部
４０ａ 燃焼室の中央部
５０ 燃料噴射装置（燃料噴射弁）
５１ 燃料噴射装置のノズル部
６２ 燃料レール
６４ 高圧燃料ポンプ
６６ 蓄圧室
６７ 燃圧センサ
６８ 圧力開放弁
８０，８０Ｂ ディーゼル機関の電子制御装置（ＥＣＵ）
１００ 燃料タンク
Ｓｈ 高スワール期間
Ｈ１ 燃焼室の所定領域
Ｈ２ 燃焼室の高スワール領域
Ｃ シリンダボア軸心（ピストン中心軸）
Ｒ ピストン径方向
Ｇ ピストン周方向
Ｖ 吸気ポートからの吸気流
Ｗ，Ｗ１，Ｗ３ スワール流
Ｆ１，Ｆ２ 燃料噴霧
Ｄ１，Ｄ２ 燃料噴霧の到達距離
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室にスワール流が形成され、当該燃焼室に向けて燃料噴射装置が直接燃料を噴射するディーゼル機関において、
燃料噴射装置からの噴射燃料が燃焼室において着火しにくい条件であるか否かを判定する着火性判定手段と、
燃焼室におけるスワール比の分布を推定するスワール分布推定手段と、
着火しにくい条件であると判定された場合に、噴射燃料がスワール比の高いスワール流に取り込まれないよう、推定されたスワール比の分布に基づいて燃料噴射装置の噴射条件を設定する噴射条件設定手段と、
を有することを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のディーゼル機関の制御装置において、
噴射条件設定手段は、
燃焼室においてスワール比が所定値以上に高くなる高スワール期間、又は、燃焼室のスワール比が所定値以上に高くなる高スワール領域に重ならないよう、噴射条件を設定することを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のディーゼル機関の制御装置において、
推定されたスワール比の分布に基づいて、燃焼室のうち所定領域においてスワール比が所定値以上に高くなる期間である高スワール期間を特定する高スワール期間特定手段を備え、
噴射条件設定手段は、
特定された高スワール期間に噴射期間が重ならないよう、噴射時期を設定する、
ことを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載のディーゼル機関の制御装置において、
燃焼室形状を規定する壁面のうち燃焼室の開口側には、ピストン中心軸側に突出している部位であるリップが設けられており、
前記所定領域は、リップのピストン中心軸側に設定されていることを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
【請求項５】
請求項１又は２に記載のディーゼル機関の制御装置において、
推定されたスワール比の分布に基づいて、燃料噴射装置の噴射期間において燃焼室のうちスワール比が所定値以上に高くなる高スワール領域を特定する高スワール領域特定手段を備え、
噴射条件設定手段は、
特定された高スワール領域に燃料噴射装置からの燃料噴霧が到達しないよう、燃料噴霧の到達距離を短くする到達距離短縮手段を含む、
ことを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
【請求項６】
請求項５に記載のディーゼル機関の制御装置において、
到達距離短縮手段は、
噴射圧を低下させると共に、１サイクルあたりの噴射回数を増大させることを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
【請求項７】
請求項５又は６に記載のディーゼル機関の制御装置において、
燃焼室形状を規定する壁面のうち、燃焼室の開口側には、ピストン中心軸側に突出している部位であるリップが設けられており、
高スワール領域は、リップのピストン中心軸側であることを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のディーゼル機関の制御装置において、
着火性判定手段は、
ディーゼル機関の機関本体を循環する冷却水の温度が判定水温以下であるか否かを判定する冷却水温判定手段を含み、
冷却水温が判定水温以下であると判定された場合に、着火しにくい条件であると判定することを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
【請求項１】
燃焼室にスワール流が形成され、当該燃焼室に向けて燃料噴射装置が直接燃料を噴射するディーゼル機関において、
燃料噴射装置からの噴射燃料が燃焼室において着火しにくい条件であるか否かを判定する着火性判定手段と、
燃焼室におけるスワール比の分布を推定するスワール分布推定手段と、
着火しにくい条件であると判定された場合に、噴射燃料がスワール比の高いスワール流に取り込まれないよう、推定されたスワール比の分布に基づいて燃料噴射装置の噴射条件を設定する噴射条件設定手段と、
を有することを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のディーゼル機関の制御装置において、
噴射条件設定手段は、
燃焼室においてスワール比が所定値以上に高くなる高スワール期間、又は、燃焼室のスワール比が所定値以上に高くなる高スワール領域に重ならないよう、噴射条件を設定することを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のディーゼル機関の制御装置において、
推定されたスワール比の分布に基づいて、燃焼室のうち所定領域においてスワール比が所定値以上に高くなる期間である高スワール期間を特定する高スワール期間特定手段を備え、
噴射条件設定手段は、
特定された高スワール期間に噴射期間が重ならないよう、噴射時期を設定する、
ことを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載のディーゼル機関の制御装置において、
燃焼室形状を規定する壁面のうち燃焼室の開口側には、ピストン中心軸側に突出している部位であるリップが設けられており、
前記所定領域は、リップのピストン中心軸側に設定されていることを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
【請求項５】
請求項１又は２に記載のディーゼル機関の制御装置において、
推定されたスワール比の分布に基づいて、燃料噴射装置の噴射期間において燃焼室のうちスワール比が所定値以上に高くなる高スワール領域を特定する高スワール領域特定手段を備え、
噴射条件設定手段は、
特定された高スワール領域に燃料噴射装置からの燃料噴霧が到達しないよう、燃料噴霧の到達距離を短くする到達距離短縮手段を含む、
ことを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
【請求項６】
請求項５に記載のディーゼル機関の制御装置において、
到達距離短縮手段は、
噴射圧を低下させると共に、１サイクルあたりの噴射回数を増大させることを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
【請求項７】
請求項５又は６に記載のディーゼル機関の制御装置において、
燃焼室形状を規定する壁面のうち、燃焼室の開口側には、ピストン中心軸側に突出している部位であるリップが設けられており、
高スワール領域は、リップのピストン中心軸側であることを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のディーゼル機関の制御装置において、
着火性判定手段は、
ディーゼル機関の機関本体を循環する冷却水の温度が判定水温以下であるか否かを判定する冷却水温判定手段を含み、
冷却水温が判定水温以下であると判定された場合に、着火しにくい条件であると判定することを特徴とするディーゼル機関の制御装置。
【図１−１】
【図１−２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５−１】
【図５−２】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１−２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５−１】
【図５−２】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−２１８０（Ｐ２００９−２１８０Ａ）
【公開日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１６１８２５（Ｐ２００７−１６１８２５）
【出願日】平成１９年６月１９日（２００７．６．１９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月１９日（２００７．６．１９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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