JP2017090308A - スモーク量推定装置および燃焼システム制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スモーク量を高精度で推定可能なスモーク量推定装置、および燃焼システム制御装置を提供する。
【解決手段】スモーク量推定装置は、ステップＳ１１による成分量取得部と、ステップＳ１４による推定部とを備える。成分量取得部は、内燃機関の燃焼に用いる燃料に含まれるアロマ類成分の量を取得するとともに、燃料に含まれる成分のうち、燃焼前に分解して重合することでアロマ類成分を形成する成分であるアロマ類可変成分の量を取得する。推定部は、成分量取得部により取得されたアロマ類成分量およびアロマ類可変成分量に基づき、内燃機関から排出される排気中に含まれるスモークの量を推定する。
【選択図】図７

Description

本発明は、内燃機関の排気中に含まれるスモークの量を推定するスモーク量推定装置、および燃焼システムの作動を制御する燃焼システム制御装置に関する。

従来より、内燃機関の排気中に含まれるスモークの量を精度良く推定することが望まれている。スモークは、排気中の微粒子成分（つまりＰＭ）であって煤を主成分としており、煤は、多数のアロマ類成分が重合し、積層して形成されたものである。そのため、アロマ類成分が燃料に多く含まれているほど、スモーク量が多くなる傾向にある。この点を鑑みた特許文献１には、燃料に含まれるアロマ類成分の量に基づきスモーク量を推定する旨が開示されている。

特開２００７−４６４７７号公報

しかしながら、本発明者らは各種試験を実施したところ、燃料が異なれば、それらの燃料に含まれているアロマ類成分の量が同じであっても、スモーク量が大きく異なる場合があることが分かった。つまり、アロマ類成分の量に基づきスモーク量を推定する従来手法では、推定精度の向上に限界がある。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、その目的は、スモーク量を高精度で推定可能なスモーク量推定装置、および燃焼システム制御装置を提供することにある。

ここに開示される発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。

開示される第１の発明は、
内燃機関（１０）の燃焼に用いる燃料に含まれるアロマ類成分の量を取得するとともに、燃料に含まれる成分のうち、燃焼前に分解して重合することでアロマ類成分を形成する成分であるアロマ類可変成分の量を取得する成分量取得部（Ｓ１１）と、
成分量取得部により取得されたアロマ類成分量およびアロマ類可変成分量に基づき、内燃機関から排出される排気中に含まれるスモークの量を推定する推定部（Ｓ１４）と、を備えるスモーク量推定装置である。

また、開示される第２の発明は、
内燃機関（１０）を有する燃焼システムの作動を制御する燃焼システム制御装置において、
内燃機関の燃焼に用いる燃料に含まれるアロマ類成分の量を取得するとともに、燃料に含まれる成分のうち、燃焼前に分解して重合することでアロマ類成分を形成する成分であるアロマ類可変成分の量を取得する成分量取得部（Ｓ１１）と、
成分量取得部により取得されたアロマ類成分量およびアロマ類可変成分量に基づき、内燃機関から排出される排気中に含まれるスモークの量を推定する推定部（Ｓ１４）と、
推定部により推定されたスモーク量に基づき、燃焼システムの作動を制御する制御部（Ｓ１８、Ｓ１９、Ｓ２１、Ｓ２２）と、
を備える燃焼システム制御装置である。

ここで、燃焼室へ噴射された燃焼前の燃料は、高温の環境に晒されることに起因して分子構造が変化する。その変化の１つに、以下に説明するアロマ類可変成分が、熱分解やラジカルにより分解して重合することで、アロマ類成分へ変化することが挙げられる。アロマ類可変成分の具体例としてはナフテン類やパラフィン類等が挙げられる。アロマ類は不飽和結合を有した環状構造であるが、このような構造にアロマ類可変成分は変化する。

例えば、ナフテン類は環状構造であるものの不飽和結合を有していない。このようなナフテン類であっても、以下に説明するようにアロマ類に変化する可能性がある。すなわち、熱分解等により原子同士の結合が部分的に切れ、さらに水素引き抜き反応により水素が引き抜かれることでその切れた箇所が別の箇所に結合し、その結果、不飽和結合を有した環状構造、つまりアロマ類に変化する可能性がある。また、パラフィン類は環状構造を有していないが、同様に分解して重合することで、不飽和結合を有した環状構造、つまりアロマ類に変化する可能性がある。

さて、燃焼室では、燃焼直前にアロマ類成分が重合し、積層して煤を形成し、その煤の大半が燃焼により消失する。そして、燃焼せずに残った煤が燃焼室から排出され、排気中に含まれるスモークの成分となる。したがって、燃料に含まれているアロマ類成分が多いほどスモーク量は多くなる。

しかし、上述したように、アロマ類可変成分は燃焼直前にアロマ類成分に変化し得るので、常温常圧の状態ではアロマ類成分が少ない燃料であっても、燃焼直前にはアロマ類成分が多くなっている場合がある。このことは、燃料に含まれているアロマ類成分量が同じであっても、アロマ類可変成分量が異なればスモーク量は異なってくることを意味する。

この知見に基づき、上記第１の発明および第２の発明では、アロマ類成分量に加えてアロマ類可変成分量を取得し、アロマ類成分量およびアロマ類可変成分量の両方に基づいてスモーク量を推定する。そのため、燃焼前に生じる燃料の分子構造変化をも考慮してスモーク量が推定されるので、スモーク量を高精度で推定できる。

本発明の第１実施形態に係る燃焼システム制御装置と、その装置が適用される内燃機関の燃焼システムを説明する図。 着火遅れ時間の説明図。 複数の着火遅れ時間、燃えやすさを表わす燃焼環境値の組み合わせである燃焼条件、および各種成分の混合量の関係を説明する図。 筒内酸素濃度に起因して生じる着火遅れ時間の変化を表す特性線と、燃料の分子構造種との関係を示す図。 筒内温度に起因して生じる着火遅れ時間の変化を表す特性線と、燃料の分子構造種との関係を示す図。 着火遅れ時間に基づき特定される特性線と、分子構造種の混合割合との関係を示す図。 図１に示すマイコンの処理フローであって、燃焼システムの作動を制御する手順を示すフローチャート。 図７の推定処理の手法を説明する図であって、各種成分の混合量とスモーク量との関係を説明する図。 図７の判定処理で用いる閾値とスモーク量との関係を示す図。 図９の手法で推定されたスモーク量と、実際に計測したスモーク量との相関を示す図。 本発明の第２実施形態にかかるマイコンにより発揮される機能をブロック毎に表した機能ブロック図。

以下、本発明にかかるスモーク量推定装置および燃焼システム制御装置の各形態について、図面を参照しつつ説明する。各形態において、先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において、構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を参照し適用することができる。

（第１実施形態）
本実施形態に係る燃焼システム制御装置は、図１に示す電子制御装置（つまりＥＣＵ８０）により提供される。ＥＣＵ８０は、マイクロコンピュータ（つまりマイコン８０ａ）や、図示しない入力処理回路および出力処理回路等を備える。マイコン８０ａは、図示しない中央処理装置（つまりＣＰＵ）およびメモリ８０ｂを備える。メモリ８０ｂに記憶された所定のプログラムをＣＰＵが実行することで、マイコン８０ａは、燃焼システムが備える燃料噴射弁１５、燃料ポンプ１５ｐ、ＥＧＲバルブ１７ａ、調温バルブ１７ｄ、および過給調圧機器２６等の作動を制御する。これらの制御により、燃焼システムが備える内燃機関１０での燃焼状態は、所望の状態に制御される。燃焼システムおよびＥＣＵ８０は車両に搭載されたものであり、当該車両は、内燃機関１０の出力を駆動源として走行する。

内燃機関１０は、シリンダブロック１１、シリンダヘッド１２およびピストン１３等を備える。シリンダヘッド１２には、吸気バルブ１４ｉｎ、排気バルブ１４ｅｘ、燃料噴射弁１５および筒内圧センサ２１が取り付けられている。

燃料ポンプ１５ｐは、燃料タンク内の燃料をコモンレール１５ｃへ圧送する。ＥＣＵ８０が燃料ポンプ１５ｐの作動を制御することで、コモンレール１５ｃ内の燃料は、目標圧力Ｐｔｒｇに維持された状態でコモンレール１５ｃに蓄えられる。コモンレール１５ｃは、蓄圧された燃料を各気筒の燃料噴射弁１５へ分配する。燃料噴射弁１５から噴射された燃料は、燃焼室１１ａで吸気と混合して混合気を形成し、混合気はピストン１３により圧縮されて自着火する。要するに、内燃機関１０は圧縮自着火式のディーゼルエンジンであり、燃料には軽油が用いられている。

燃料噴射弁１５は、電磁アクチュエータおよび弁体をボデー内部に収容して構成されている。電磁アクチュエータへの通電をＥＣＵ８０がオンさせると、電磁アクチュエータの電磁吸引力により図示しない背圧室のリーク通路が開弁し、背圧低下に伴い弁体が開弁作動し、ボデーに形成されている噴孔が開弁されて噴孔から燃料が噴射される。上記通電をオフさせると、弁体が閉弁作動して燃料噴射が停止される。

シリンダヘッド１２に形成されている吸気ポート１２ｉｎおよび排気ポート１２ｅｘには、吸気管１６ｉｎおよび排気管１６ｅｘが接続されている。吸気管１６ｉｎおよび排気管１６ｅｘにはＥＧＲ管１７が接続されており、排気の一部であるＥＧＲガスが、ＥＧＲ管１７を通じて吸気管１６ｉｎへ流入（つまり還流）する。ＥＧＲ管１７にはＥＧＲバルブ１７ａが取り付けられている。ＥＣＵ８０がＥＧＲバルブ１７ａの作動を制御することで、ＥＧＲ管１７の開度が制御され、ＥＧＲガスの流量が制御される。

さらに、ＥＧＲ管１７のうちＥＧＲバルブ１７ａの上流部分には、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ１７ｂ、バイパス管１７ｃおよび調温バルブ１７ｄが取り付けられている。バイパス管１７ｃは、ＥＧＲガスがＥＧＲクーラ１７ｂをバイパスするバイパス流路を形成する。調温バルブ１７ｄは、バイパス流路の開度を調整することで、ＥＧＲクーラ１７ｂを流れるＥＧＲガスと、バイパス流路を流れるＥＧＲガスとの割合を調整し、ひいては、吸気管１６ｉｎへ流入するＥＧＲガスの温度を調整する。ここで、吸気ポート１２ｉｎへ流入する吸気には、吸気管１６ｉｎから流入する外部空気（つまり新気）およびＥＧＲガスが含まれる。したがって、調温バルブ１７ｄによりＥＧＲガスの温度を調整することは、吸気ポート１２ｉｎへ流入する吸気の温度であるインマニ温度を調整することに相当する。

燃焼システムは図示しない過給機を備える。過給機は、排気管１６ｅｘに取り付けられるタービン、および吸気管１６ｉｎに取り付けられるコンプレッサを有する。排気の流速エネルギによりタービンが回転すると、タービンの回転力によりコンプレッサが回転し、コンプレッサにより新気が圧縮つまり過給される。先述した過給調圧機器２６は、タービンの容量を変化させる機器であり、ＥＣＵ８０が過給調圧機器２６の作動を制御することで、タービン容量が調整され、これにより、コンプレッサによる過給圧が制御される。

ＥＣＵ８０には、筒内圧センサ２１、酸素濃度センサ２２、レール圧センサ２３、クランク角センサ２４およびアクセルペダルセンサ２５等、各種センサによる検出信号が入力される。

筒内圧センサ２１は、燃焼室１１ａの圧力（つまり筒内圧）に応じた検出信号を出力する。筒内圧センサ２１は、圧力検出素子に加えて温度検出素子２１ａを有しており、燃焼室１１ａの温度（つまり筒内温度）に応じた検出信号も出力する。酸素濃度センサ２２は、吸気管１６ｉｎに取り付けられ、吸気中の酸素濃度に応じた検出信号を出力する。検出対象となる吸気は、新気とＥＧＲガスが混合したものである。レール圧センサ２３はコモンレール１５ｃに取り付けられており、蓄圧されている燃料の圧力（つまりレール圧）に応じた検出信号を出力する。クランク角センサ２４は、ピストン１３により回転駆動するクランク軸の回転速度であって、単位時間あたりのクランク軸の回転数（つまりエンジン回転数）に応じた検出信号を出力する。アクセルペダルセンサ２５は、車両運転者により踏み込み操作されるアクセルペダルの踏込量（つまりエンジン負荷）に応じた検出信号を出力する。

ＥＣＵ８０は、これらの検出信号に基づき、燃料噴射弁１５、燃料ポンプ１５ｐ、ＥＧＲバルブ１７ａ、調温バルブ１７ｄおよび過給調圧機器２６の作動を制御する。これにより、燃料の噴射開始時期、噴射量、噴射圧、ＥＧＲガス流量、インマニ温度および過給圧が制御される。

燃料噴射弁１５の作動を制御している時のマイコン８０ａは、燃料の噴射開始時期、噴射量、および多段噴射に係る噴射段数を制御する噴射制御部８３として機能する。燃料ポンプ１５ｐの作動を制御している時のマイコン８０ａは、噴射圧を制御する燃圧制御部８４として機能する。ＥＧＲバルブ１７ａの作動を制御している時のマイコン８０ａは、ＥＧＲガス流量を制御するＥＧＲ制御部８５として機能する。調温バルブ１７ｄの作動を制御している時のマイコン８０ａは、インマニ温度を制御するインマニ温度制御部８７として機能する。過給調圧機器２６の作動を制御している時のマイコン８０ａは、過給圧を制御する過給圧制御部８６として機能する。

マイコン８０ａは、燃焼に関する物理量の検出値（つまり燃焼特性値）を取得する燃焼特性取得部８１としても機能する。本実施形態に係る燃焼特性値とは、図２に示す着火遅れ時間ＴＤのことである。図２の上段は、マイコン８０ａから出力されるパルス信号を示す。パルス信号にしたがって燃料噴射弁１５への通電が制御される。具体的には、パルスオンのｔ１時点で通電が開始され、パルスオン期間Ｔｑに通電オンが継続される。要するに、パルスオンのタイミングにより噴射開始時期が制御される。また、パルスオン期間Ｔｑにより噴射期間が制御され、ひいては噴射量が制御される。

図２の中段は、パルス信号にしたがって弁体が開弁作動および閉弁作動した結果生じる、噴孔からの燃料の噴射状態の変化を示す。具体的には、単位時間あたりに噴射される燃料の噴射量（つまり噴射率）の変化を示す。図示されるように、通電開始のｔ１時点から、実際に噴射が開始されるｔ２時点までにはタイムラグが存在する。また、通電終了時点から実際に噴射が停止されるまでにもタイムラグが存在する。実際に噴射が為されている期間Ｔｑ１は、パルスオン期間Ｔｑで制御される。

図２の下段は、噴射された燃料の、燃焼室１１ａでの燃焼状態の変化を示す。具体的には、噴射された燃料と吸気の混合気が自着火燃焼することに伴い生じる、単位時間あたりの熱量（つまり熱発生率）の変化を示す。図示されるように、噴射開始のｔ２時点から、実際に燃焼が開始されるｔ３時点までにはタイムラグが存在する。本実施形態では、通電開始のｔ１時点から燃焼開始のｔ３時点までの時間を着火遅れ時間ＴＤと定義する。

燃焼特性取得部８１は、筒内圧センサ２１で検出される筒内圧の変化に基づき、燃焼開始のｔ３時点を推定する。具体的には、ピストン１３が上死点に達してからクランク角が所定量だけ回転する期間において、筒内圧が急上昇した時期を燃焼開始時期（つまりｔ３時点）と推定する。この推定結果に基づき、着火遅れ時間ＴＤは燃焼特性取得部８１により算出される。さらに燃焼特性取得部８１は、燃焼時の各種状態（つまり燃焼条件）を、燃焼毎に取得する。具体的には、筒内圧、筒内温度、吸気酸素濃度、噴射圧力および混合気流速の少なくとも１つを、燃焼環境値として取得する。

これらの燃焼環境値は、燃料の燃えやすさを表わすパラメータであり、燃焼直前での筒内圧が高いほど、燃焼直前での筒内温度が高いほど、吸気酸素濃度が高いほど、噴射圧力が高いほど、混合気流速が速いほど、混合気が自着火しやすく燃えやすいと言える。燃焼直前での筒内圧および筒内温度として、例えば、燃料噴射弁１５への通電を開始するｔ１時点で検出された値を用いればよい。筒内圧は筒内圧センサ２１により検出され、筒内温度は温度検出素子２１ａにより検出され、吸気酸素濃度は酸素濃度センサ２２により検出され、噴射圧力はレール圧センサ２３により検出される。混合気流速は、燃焼直前における燃焼室１１ａ内での混合気の流速である。この流速は、上記エンジン回転数が速いほど速くなるので、エンジン回転数に基づき算出される。燃焼特性取得部８１は、取得した着火遅れ時間ＴＤを、その燃焼に係る上記燃焼環境値の組み合わせ（つまり燃焼条件）と関連付けてメモリ８０ｂに記憶させる。

マイコン８０ａは、異なる燃焼条件で検出された複数の燃焼特性値に基づき、燃料に含まれている各種成分の混合割合を推定する、混合割合推定部８２としても機能する。例えば、異なる燃焼条件毎の着火遅れ時間ＴＤを図３に示す行列式に代入することで、各種成分の混合量を算出する。なお、算出された各々の混合量を総量で除算することで、各種成分の混合割合が算出される。

図３の左辺にある行列は、ｘ行１列であり、この行列が有する数値は、各種成分の混合量を表わす。各種成分とは、分子構造の種類の違いにより分類される成分である。分子構造の種類には、直鎖パラフィン類、側鎖パラフィン類、ナフテン類およびアロマ類が含まれている。

右辺の左側にある行列は、ｘ行ｙ列であり、この行列が有する数値は、予め実施した試験に基づき定められた定数である。右辺の右側にある行列は、ｙ行１列であり、この行列が有する数値は、燃焼特性取得部８１により取得された着火遅れ時間ＴＤである。例えば、１行１列目の数値は、燃焼環境値の所定の組み合わせからなる燃焼条件ｉの時に取得された着火遅れ時間ＴＤ（条件ｉ）であり、２行１列目の数値は、燃焼条件ｊの時に取得された着火遅れ時間ＴＤ（条件ｊ）である。燃焼条件ｉと燃焼条件ｊとでは、全ての燃焼環境値が異なる値に設定されている。以下の説明では、燃焼条件ｉに係る筒内圧、筒内温度、吸気酸素濃度および噴射圧力を、Ｐ（条件ｉ）、Ｔ（条件ｉ）、Ｏ２（条件ｉ）、Ｐｃ（条件ｉ）とする。燃焼条件ｊに係る筒内圧、筒内温度、吸気酸素濃度および噴射圧力を、Ｐ（条件ｊ）、Ｔ（条件ｊ）、Ｏ２（条件ｊ）、Ｐｃ（条件ｊ）とする。

次に、図４、図５および図６を用いて、図３の行列式に燃焼条件毎の着火遅れ時間ＴＤを代入することで各分子構造種の混合量が算出できる理屈を説明する。

図４に示すように、燃焼に係る混合気に含まれる酸素の濃度（つまり筒内酸素濃度）が高いほど自着火しやすくなるので、着火遅れ時間ＴＤが短くなる。図中の３本の実線（１）（２）（３）は、筒内酸素濃度と着火遅れ時間ＴＤとの関係を示す特性線である。但し、この特性線は燃料に応じて異なる。厳密には、燃料に含まれている各々の分子構造種の混合割合に応じて特性線は異なる。したがって、筒内酸素濃度がＯ_２（条件ｉ）の場合の着火遅れ時間ＴＤを検出すれば、いずれの分子構造種であるかを推測できる。特に、筒内酸素濃度がＯ_２（条件ｉ）の場合とＯ_２（条件ｊ）の場合とで着火遅れ時間ＴＤを比較すれば、より高精度で混合割合を推定できる。

同様にして、図５に示すように、筒内温度が高いほど自着火しやすくなるので、着火遅れ時間ＴＤが短くなる。図中の３本の実線（１）（２）（３）は、筒内温度と着火遅れ時間ＴＤとの関係を示す特性線である。但し、この特性線は燃料に応じて異なる。厳密には、燃料に含まれている各々の分子構造種の混合割合に応じて異なる。したがって、筒内温度がＢ１の場合の着火遅れ時間ＴＤを検出すれば、いずれの分子構造種であるかを推測できる。特に、筒内温度がＴ（条件ｉ）の場合とＴ（条件ｊ）の場合とで着火遅れ時間ＴＤを比較すれば、より高精度で混合割合を推定できる。

同様に噴射圧が高ければ、酸素を取り込みやすく自着火しやすくなるので、着火遅れ時間ＴＤが短くなる。厳密には、燃料に含まれている各々の分子構造種の混合割合に応じて感度が異なる。したがって、噴射圧が異なる場合の着火遅れ時間ＴＤを検出すれば、より高精度で混合割合を推定できる。

また、筒内酸素濃度に係る特性線（図４参照）に対する影響度の高い分子構造種と、筒内温度に係る特性線（図５参照）に対する影響度の高い分子構造種とは異なる。このように、複数の燃焼条件の各々に係る特性線に対して影響度の高い分子構造種は異なる。したがって、複数の燃焼環境値の組み合わせ（つまり燃焼条件）を異なる値にして取得された着火遅れ時間ＴＤの組み合わせに基づけば、例えば図６の如くいずれの分子構造種の混合割合が多いのかを高精度で推定できる。なお、以下の説明では筒内酸素濃度を第１燃焼環境値、筒内温度を第２燃焼環境値と呼び、第１燃焼環境値に係る特性線を第１特性線、第２燃焼環境値に係る特性線を第２特性線と呼ぶ。

図６に例示する分子構造種Ａは、第１燃焼環境値としての筒内酸素濃度に係る特性線（以下、第１特性線と呼ぶ）に対する影響度が高い分子構造種である。また、分子構造種Ｂは、第２燃焼環境値としての筒内温度に係る特性線（以下、第２特性線と呼ぶ）に対する影響度が高い分子構造種であり、分子構造種Ｃは、第３燃焼環境値に係る第３特性線に対する影響度が高い分子構造種である。第１燃焼環境値の変化に対して着火遅れ時間ＴＤの変化が大きく現れるほど、分子構造種Ａが多く混合していると言える。同様にして、第２燃焼環境値の変化に対して着火遅れ時間ＴＤの変化が大きく現れるほど分子構造種Ｂが多く混合しており、第３燃焼環境値の変化に対して着火遅れ時間ＴＤの変化が大きく現れるほど分子構造種Ｃが多く混合していると言える。したがって、異なる燃料（１）（２）（３）の各々に対し、分子構造種Ａ、Ｂ、Ｃの混合割合を推定できる。

次に、燃焼特性取得部８１が実行するプログラムの処理について説明する。この処理は、以下に説明するパイロット噴射が指令される毎に実行される。１燃焼サイクル中に同一の燃料噴射弁１５から複数回噴射（つまり多段噴射）させるように噴射制御する場合がある。これら複数回の噴射のうち、最も噴射量が多く設定された噴射をメイン噴射と呼び、その直前の噴射をパイロット噴射と呼ぶ。

先ず、燃焼特性取得部８１は、上述した通り筒内圧センサ２１の検出値に基づき燃焼開始のｔ３時点を推定して、パイロット噴射に係る着火遅れ時間ＴＤを算出する。次に、複数の燃焼環境値の組み合わせ（つまり燃焼条件）と関連付けて、着火遅れ時間ＴＤをメモリ８０ｂに記憶させる。

具体的には、各燃焼環境値が取り得る数値範囲を複数の領域に区分けしておき、複数の燃焼環境値の領域の組み合わせ予め設定しておく。例えば図３に示す着火遅れ時間ＴＤ（条件ｉ）は、Ｐ（条件ｉ）、Ｔ（条件ｉ）、Ｏ２（条件ｉ）、Ｐｃ（条件ｉ）の領域の組み合わせ時に取得された着火遅れ時間ＴＤを表わす。同様に、着火遅れ時間ＴＤ（条件ｊ）は、Ｐ（条件ｊ）、Ｔ（条件ｊ）、Ｏ２（条件ｊ）、Ｐｃ（条件ｊ）の領域の組み合わせ時に取得された着火遅れ時間ＴＤを表わす。

なお、ユーザが給油することに起因して、燃料タンクに貯留されている燃料に別の燃料が混合した可能性が高い場合に、分子構造種の混合割合が変化したとみなし、推定されていた混合量の値をリセットする。例えば、内燃機関１０の運転停止時に、燃料タンクの燃料残量を検出するセンサにより燃料残量の増大が検出された場合にリセットする。

燃焼特性取得部８１は、着火遅れ時間ＴＤを図３の行列式に代入して、分子構造種毎の混合量を算出する。なお、サンプリング数、つまり行列式の右辺右側の行列の行数に応じて、定数を表わす行列の列数を変更する。或いは、取得されていない着火遅れ時間ＴＤについては、予め設定しておいたノミナル値を着火遅れ時間ＴＤの行列に代入する。このように算出された分子構造種毎の混合量に基づき、分子構造種毎の混合割合を算出する。

先述した通り、マイコン８０ａは、噴射制御部８３、燃圧制御部８４、ＥＧＲ制御部８５、過給圧制御部８６およびインマニ温度制御部８７としても機能する。これらの制御部は、エンジン回転数、エンジン負荷およびエンジン冷却水温度等に基づき目標値を設定し、制御対象が目標値となるようにフィードバック制御する。或いは、目標値に対応する内容でオープン制御する。

噴射制御部８３は、噴射開始時期、噴射量および噴射段数が目標値となるように図２のパルス信号を設定することで、噴射開始時期、噴射量および噴射段数を制御（つまり噴射制御）する。上記噴射段数とは、先述した多段噴射に係る噴射回数のことである。具体的には、上記目標値に対応するパルス信号のオン時間（つまり通電時間）およびパルスオン立ち上がり時期（つまり通電開始時期）を、マップ上に予め記憶させておく。そして、目標値に対応する通電時間および通電開始時期をマップから取得してパルス信号を設定する。

また、噴射により得られた出力トルクや、ＮＯｘ量およびスモーク量等のエミッション状態値を記憶しておく。そして、次回以降の噴射において、エンジン回転数およびエンジン負荷等に基づき目標値を設定するにあたり、上述の如く記憶された値に基づき、目標値を補正する。要するに、実際の出力トルクやエミッション状態値と、所望する出力トルクやエミッション状態値との偏差をゼロにするよう、目標値を補正してフィードバック制御する。

燃圧制御部８４は、燃料ポンプ１５ｐに吸入される燃料の流量を制御する調量弁の作動を制御する。具体的には、レール圧センサ２３で検出された実レール圧と目標圧力Ｐｔｒｇ（つまり目標値）との偏差に基づき、調量弁の作動をフィードバック制御する。その結果、燃料ポンプ１５ｐによる単位時間当りの吐出量が制御され、実レール圧が目標値となるように制御（つまり燃圧制御）される。

ＥＧＲ制御部８５は、エンジン回転数およびエンジン負荷等に基づき、ＥＧＲ量の目標値を設定する。そして、この目標値に基づき、ＥＧＲバルブ１７ａのバルブ開度を制御（つまりＥＧＲ制御）してＥＧＲ量を制御する。過給圧制御部８６は、エンジン回転数およびエンジン負荷等に基づき、過給圧の目標値を設定する。そして、この目標値に基づき、過給調圧機器２６の作動を制御（つまり過給圧制御）して過給圧を制御する。インマニ温度制御部８７は、外気温度、エンジン回転数およびエンジン負荷等に基づき、インマニ温度の目標値を設定する。そして、この目標値に基づき、調温バルブ１７ｄのバルブ開度を制御（つまりインマニ温度制御）してインマニ温度を制御する。

さらに、上述した各種の制御部により設定される目標値は、混合割合推定部８２により推定された混合割合によっても補正される。この補正をマイコン８０ａが実行する処理手順について、図７を用いて以下に説明する。この処理は、内燃機関１０の運転期間中、所定周期で繰返し実行される。

先ず、図７のステップＳ１０において、燃焼室１１ａで燃焼が生じる直前における燃焼条件、つまり先述した各種の燃焼環境値の各々を取得する。具体的には、筒内圧、筒内温度、吸気酸素濃度、噴射圧力および混合気流速の少なくとも１つを、燃焼環境値として取得する。

続くステップＳ１１では、混合割合推定部８２により推定された混合割合を取得する。つまり、図３の左辺に示す分子構造種の各々についての混合割合を取得する。ステップＳ１１の処理を実行している時のマイコン８０ａは、特許請求の範囲に記載の「成分量取得部」に相当する。続くステップＳ１２では、スモークの発生しやすさを表した指数であるスモーク指数を、ステップＳ１１で取得した混合割合に基づき推定する。

ここで、異なる燃料のうち、セタン価や動粘度等の燃料性状が同等の燃料であっても、その燃料に含まれている各種成分の混合割合が異なれば、スモークの発生のしやすさ（つまり発生度合い）は異なってくる。本実施形態では、スモーク発生度合いを表した指標をスモーク指数と呼び、スモーク指数の値が大きいほど、スモーク発生度合いが大きい。各種成分の中には、スモーク指数に大きく影響する成分と、あまり影響しない成分とが存在する。このような影響度合いを鑑みて、各種成分の混合割合に基づきスモーク指数は算出される。なお、各種成分の各々が基準混合割合となっている燃料に係るスモーク指数を、基準スモーク指数と呼ぶ。

先述した通り、排気中に含まれるスモークの主成分は煤であり、煤は、多数のアロマ類成分が重合し、積層して形成されたものである。この重合反応は、アロマ類成分を含んだ燃料が高温の環境に晒されることに起因して生じる。したがって、煤は、燃焼室１１ａへ噴射された燃料から燃焼の直前に生成される。但し、生成された煤の殆どは、生成直後に燃焼室１１ａで燃焼して消失する。そして、燃え残った煤が燃焼室１１ａから排出される。このように排出された煤が、排気スモークの主成分である。上記スモーク指数は、正確には、燃焼室１１ａで燃焼直前に存在している煤の増大しやすさを表わす。スモーク指数が高い燃料であるほど、燃焼直前に存在している煤の量が多くなるので、燃え残る煤の量つまりスモーク量Ｍが多くなる。

このように、煤は、燃焼室１１ａへ噴射された燃料から燃焼の直前に生成される。したがって、ステップＳ１１で取得した分子構造種毎の混合割合のうち、アロマ類成分の混合割合が多いほど、スモーク指数が高くなる。また、先述したアロマ類可変成分は、燃焼直前にアロマ類成分に変化し得るので、ステップＳ１１で取得した分子構造種毎の混合割合のうち、アロマ類可変成分の混合割合が多いほど、スモーク指数が高くなる。

これらの知見に鑑みて、ステップＳ１２では、アロマ類成分およびアロマ類可変成分の混合割合が多いほど、スモーク指数を大きい値に推定する。詳細には、アロマ類成分のスモーク指数に対する影響度合を表した重み付け係数は、アロマ類可変成分のスモーク指数に対する重み付け係数よりも大きく設定されている。

アロマ類可変成分の中でも、アロマ類成分に変化しやすい成分であるほど重み付け係数が大きく設定されている。例えば、アロマ類可変成分の具体例として、ナフテン類成分、側鎖パラフィン類成分および直鎖パラフィン類成分等が挙げられる。そして、ナフテン類成分、側鎖パラフィン類成分および直鎖パラフィン類成分の順に、アロマ類成分に変化しやすいので、この順に上記重み付け係数が大きく設定されている。

ナフテン類成分の中でも、環状構造を２つ以上有する構造のナフテン類成分はアロマ類成分に変化しやすい。そのため、環状構造を２つ以上有する構造のナフテン類成分は、２つ未満のナフテン類成分に比べて上記重み付け係数が大きく設定されている。

側鎖パラフィン類成分の中でも、燃料に含まれている複数種類の成分の平均炭素数よりも炭素数が少ない構造の側鎖パラフィン類成分は、アロマ類成分に変化しやすい。そのため、平均炭素数未満の炭素数を有する側鎖パラフィン類成分は、平均炭素数以上の側鎖パラフィン類成分に比べて上記重み付け係数が大きく設定されている。

例えば、図８に示す行列式に分子構造種毎の混合割合を代入して、燃焼条件Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ毎のスモーク指数を算出する。図８の左辺にある行列は、ｘ行１列であり、この行列が有する数値は、異なる燃焼条件Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ毎のスモーク指数を表わす。燃焼条件Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、複数の燃焼環境値の組み合わせにより特定される。燃焼環境値の具体例としては、筒内圧、筒内温度、吸気酸素濃度、噴射圧力および混合気流速等が挙げられる。例えば、各々の燃焼環境値を複数領域に分割し、各々の燃焼環境値の領域の異なる組み合わせにより燃焼条件Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが特定される。

図８の右辺の左側にある行列は、ｘ行ｙ列であり、この行列が有する数値は、予め実施した試験に基づき定められた定数である。右辺の右側にある行列は、ｙ行１列であり、この行列が有する数値は、分子構造の種類の違いにより分類される成分であり、図３等の手法で算出された推定値である。

図８の行列式への代入に係る分子構造の種類には、直鎖パラフィン類、側鎖パラフィン類およびナフテン類等のアロマ類可変成分と、アロマ類とが含まれている。ナフテン類成分は、環状構造を２つ以上有する構造のナフテン類と、環状構造が２つ未満のナフテン類とに区別して代入される。ナフテン類成分の中でも、環状構造を２つ以上有する構造のナフテン類成分は、特にアロマ類成分に変化しやすい。そのため、環状構造を２つ以上有する構造のナフテン類成分は、２つ未満のナフテン類成分に比べて上記重み付け係数が大きく設定されている。なお、環状構造が２つ未満のナフテン類については、２つ以上のナフテン類に比べてアロマ類に変化しにくいので、行列式への代入を廃止してもよい。

側鎖パラフィン類成分は、炭素数が少ない構造の側鎖パラフィン類と、炭素数が多い構造の側鎖パラフィン類とに区別して代入される。具体的には、燃料に含まれている複数種類の成分の平均炭素数を算出し、その平均炭素数よりも該当する側鎖パラフィン類の炭素数が少ないか否かで上記区別を行う。側鎖パラフィン類成分の中でも、燃料に含まれている複数種類の成分の平均炭素数よりも炭素数が少ない構造の側鎖パラフィン類成分は、特にアロマ類成分に変化しやすい。そのため、平均炭素数未満の炭素数を有する側鎖パラフィン類成分は、平均炭素数以上の側鎖パラフィン類成分に比べて上記重み付け係数が大きく設定されている。なお、炭素数が多い構造の側鎖パラフィン類については、少ない構造の側鎖パラフィン類に比べてアロマ類に変化しにくいので、行列式への代入を廃止してもよい。

続くステップＳ１３では、噴射制御部８３、燃圧制御部８４、ＥＧＲ制御部８５、過給圧制御部８６およびインマニ温度制御部８７による各々の制御量を、燃焼制御量として取得する。例えば、噴射制御部８３による制御量の具体的としては、燃料噴射量や燃料噴射時期が挙げられる。特にパイロット噴射量は、スモーク量Ｍに大きく影響する。

続くステップＳ１４では、ステップＳ１０で取得した燃焼環境値、ステップＳ１２で算出したスモーク指数、およびステップＳ１３で取得した制御量に基づき、スモーク量Ｍを推定する。ステップＳ１４の処理を実行している時のマイコン８０ａは、特許請求の範囲に記載の「推定部」に相当する。

ここで、燃料の動粘度やセタン価等の性状が同じであっても、分子構造種毎の混合割合が異なれば、スモーク指数は異なる。そこで本実施形態では、分子構造種毎の混合割合に基づきスモーク指数を算出する。

また、分子構造種毎の混合割合が同じであっても、燃焼環境値に応じてスモーク指数は異なる。燃焼環境値が燃焼しやすい値であるほど、燃焼消失する煤の量が多くなるので、燃え残る煤の量、つまりスモーク量Ｍは少なくなる。例えば、燃料が噴射されてから着火するまでの着火遅れ時間が長いほど、燃料と空気との混合性が向上するので、燃焼消失する煤の量が多くなりスモーク量Ｍは少なくなる。例えば、燃焼直前における燃焼室１１ａ内の環境が高酸素濃度、高流速、高温であるほど、燃焼消失する煤の量が多くなりスモーク量Ｍは少なくなる。そこでステップＳ１４では、取得した複数種類の燃焼環境値の組み合わせ（つまり燃焼条件）に応じてスモーク指数を設定する。具体的には、図８の左辺に示す複数のスモーク指数の中から、取得した燃焼条件に適したスモーク指数を選択する。

スモーク指数が高いほどスモーク量Ｍは多く推定される。但し、スモーク指数が同じであっても、燃焼制御量が異なればスモーク量Ｍは異なる。例えば、燃焼制御量に基づき推定される、燃焼に伴い生じる熱発生量が大きいほど、上記燃焼消失量が多いとみなしてスモーク量Ｍを少なく推定する。また、燃焼制御量に基づき推定される、着火遅れ時間ＴＤが長いほど、空気と燃料の混合性が向上して上記消失の量が多くなるとみなし、スモーク量Ｍを少なく推定する。このように、ステップＳ１４では、燃焼条件に適したスモーク指数および燃焼制御量に基づき、スモーク量Ｍを推定する。

なお、ステップＳ１４では、分子構造種毎の混合割合を第１演算式に代入してスモーク指数を算出し、スモーク指数、燃焼環境値および燃焼制御量を第２演算式に代入してスモーク量Ｍを算出すればよい。或いは、分子構造種毎の混合割合、燃焼環境値および燃焼制御量を第３演算式に代入して、スモーク指数を算出することなくスモーク量Ｍを算出してもよい。これらの演算式は、マイコン８０ａ等に予め記憶させておけばよい。

続くステップＳ１５では、予め記憶させておいたスモーク指数の適正範囲、ステップＳ１０で取得した燃焼環境値、およびステップＳ１３で取得した制御量に基づき、スモーク量の基準範囲を算出する。この基準範囲は、適正な燃料を用いた場合に想定されるスモーク量の範囲である。例えば、燃焼環境値に応じた基準スモーク指数の数値範囲を、燃焼環境値と関連付けてマップ化して予め記憶させておき、ステップＳ１０で取得した燃焼環境値に適したスモーク指数の数値範囲を、マップを参照して取得する。そして、取得したスモーク指数の数値範囲の下限値と制御量からスモーク量の基準範囲の下限値ＴＨ１を算出する。また、スモーク指数の上限値と制御量からスモーク量の基準範囲の上限値ＴＨ２を算出する。これにより、スモーク量の基準範囲が算出される。

続くステップＳ１６では、ステップＳ１４で推定したスモーク量Ｍが、ステップＳ１５で算出した基準範囲内であるか否かを判定する。基準範囲外であると判定された場合には、続くステップＳ１７において、スモーク量Ｍが下限値ＴＨ１未満であるスモーク過少の状態、およびスモーク量Ｍが上限値ＴＨ２以上であるスモーク過多の状態のいずれであるかを判定する。具体的には、スモーク量Ｍが下限値ＴＨ１未満であるか否かを判定する。

スモーク過多の状態であると判定された場合、続くステップＳ１８では、スモーク量Ｍが制限値ＴＨ３以上であるか否かを判定する。制限値ＴＨ３は、上限値ＴＨ２よりも大きい値に設定され値であり、例えば、ステップＳ１５で算出された上限値ＴＨ２に所定量を加算または所定係数を乗算することで、制限値ＴＨ３を算出する。

要するに、ステップＳ１６、Ｓ１７の処理を実行している時のマイコン８０ａは、特許請求の範囲に記載の「判定部」に相当する。判定部は、ステップＳ１４（つまり推定部）で推定されたスモーク量が基準範囲の量である通常状態、基準範囲を超えて多い過多状態、および上記基準範囲よりも少ない過少状態のいずれであるかを判定する。図９は、基準範囲および制限値ＴＨ３と、通常状態、過多状態および過少状態との関係を示す。

ステップＳ１６にてスモーク量Ｍが基準範囲内であると判定されれば、適正な燃料が用いられているとみなして、図７の処理を終了させる。これにより、適正燃料が用いられている場合には、噴射制御部８３、燃圧制御部８４、ＥＧＲ制御部８５、過給圧制御部８６およびインマニ温度制御部８７による先述した制御（つまり通常制御）を実行する。

ここで、排気中に含まれるＮＯｘ量、ＨＣ量、ＣＯ量および燃焼騒音の大きさと、スモーク発生量とはトレードオフの関係にある。そこで、ステップＳ１７にてスモーク過少と判定された場合には、続くステップＳ１９、Ｓ２０、Ｓ２１において、スモーク量を増大させる替わりに、ＮＯｘ量、ＨＣ量、ＣＯ量および燃焼騒音を低減させるよう、通常制御による各種の制御量を補正する。

例えば、ステップＳ１９において、ＥＧＲ制御部８５に係るＥＧＲ量の目標値を低下させて、実ＥＧＲ量を減少させる。或いは、インマニ温度制御部８７による係るインマニ温度の目標値を低下させて、実インマニ温度を低下させる。これにより、ＮＯｘ量の低減を図る。ステップＳ２０では、ＨＣ量およびＣＯ量を低減させるよう、各種の制御量を補正する。ステップＳ２１では、燃焼騒音を低減させるよう、各種の制御量を補正する。

一方、ステップＳ１７にてスモーク過多と判定された場合、かつ、ステップＳ１８にてスモーク量Ｍが制限値ＴＨ３未満と判定された場合には、続くステップＳ２２に進む。ステップＳ２２では、ＮＯｘ量、ＨＣ量、ＣＯ量および燃焼騒音を増大させる替わりに、スモーク量を低減させるよう、通常制御による各種の制御量を補正する。

続くステップＳ２３では、スモーク過多となる不適正な燃料が用いられている旨を、ユーザに警告する。続くステップＳ２４では、現在使用されている不適正な燃料の特性を記録する。例えば、ステップＳ１１で取得した分子構造種の混合割合をメモリ８０ｂに記憶させる。また、ステップＳ１８にてスモーク量Ｍが制限値ＴＨ３以上と判定された場合には、続くステップＳ２５において、内燃機関１０による出力を所定値未満に制限するよう、各種の制御量を変更する。なお、ステップＳ１９、Ｓ２０、Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２５の処理を実行している時のマイコン８０ａは、特許請求の範囲に記載の「制御部」に相当する。

以上に説明した通り、本実施形態では、燃料に含まれるアロマ類成分の量を取得するとともに、燃焼前に分解して重合することでアロマ類成分を形成する成分であるアロマ類可変成分の量を取得する成分量取得部を備える。そして、成分量取得部により取得されたアロマ類成分量およびアロマ類可変成分量に基づきスモーク量Ｍを推定する、ステップＳ１４による推定部を備える。そのため、煤の元となるアロマ類成分の量に加え、燃焼前にアロマ類成分に分子構造変化するアロマ類可変成分の量をも考慮してスモーク量Ｍが推定されるので、スモーク量Ｍを高精度で推定できる。なお、上記分解には熱分解やラジカルによる分解等があり、厳密には、熱分解が生じた後に、ラジカルによる分解が生じる。

さらに本実施形態では、成分量取得部の取得対象であるアロマ類可変成分には、ナフテン類成分が少なくとも含まれている。各種のアロマ類可変成分の中でも特にナフテン類成分はアロマ類成分に変化しやすい。したがって、スモーク量推定に用いるアロマ類可変成分量にナフテン類成分量を含ませる本実施形態によれば、スモーク量Ｍの推定精度を向上できる。

さらに本実施形態では、成分量取得部の取得対象であるナフテン類成分には、環状構造を２つ以上有する構造のナフテン類成分が少なくとも含まれている。ナフテン類成分の中でも特に環状構造を２つ以上有する構造のナフテン類成分は、アロマ類成分に変化しやすい。したがって、スモーク量推定に用いるアロマ類可変成分量に、環状構造を２つ以上有する構造のナフテン類成分を含ませる本実施形態によれば、スモーク量Ｍの推定精度を向上できる。

さらに本実施形態では、成分量取得部の取得対象であるアロマ類可変成分には、側鎖パラフィン類成分が少なくとも含まれている。各種のアロマ類可変成分の中でも特にナフテン類成分はアロマ類成分に変化しやすい。したがって、スモーク量推定に用いるアロマ類可変成分量に側鎖パラフィン類成分量を含ませる本実施形態によれば、スモーク量Ｍの推定精度を向上できる。

さらに本実施形態では、成分量取得部の取得対象である側鎖パラフィン類成分には、燃料に含まれている複数種類の成分の平均炭素数よりも炭素数が少ない構造の側鎖パラフィン類成分が少なくとも含まれている。側鎖パラフィン類成分の中でも特に炭素数が少ない構造の側鎖パラフィン類成分は、アロマ類成分に変化しやすい。したがって、スモーク量推定に用いるアロマ類可変成分量に、平均炭素数よりも炭素数が少ない構造の側鎖パラフィン類成分を含ませる本実施形態によれば、スモーク量Ｍの推定精度を向上できる。

さらに本実施形態では、燃焼室１１ａの温度、圧力、酸素濃度等の燃焼環境値に応じたスモークの量を、アロマ類成分量およびアロマ類可変成分量に基づき推定する。具体的には、燃料に含まれている分子構造種の混合割合に基づき、燃焼環境値毎のスモーク指数を算出する。そして、算出されたスモーク指数の中から、実際の燃焼環境値に応じたスモーク指数を選択してスモーク量Ｍ推定に用いる。そのため、スモーク量Ｍの推定精度を向上できる。

この効果は、以下に説明する図１０の試験結果の通り、発明者らにより確認されている。この試験では、異なる燃焼環境値毎、かつ、異なる燃料を燃焼させる毎に、単位時間あたりに排出されるスモーク量を計測する。また、その試験に用いた燃焼環境値および燃料の各々について、少なくともアロマ類成分およびアロマ類可変成分の量を取得する。そして、先述した手法により、取得した成分量および燃焼環境値に基づきスモーク量Ｍを推定する。図１０の横軸はスモーク量の計測結果を表し、縦軸はスモーク量Ｍの推定結果を表わす。この試験結果により、あらゆる燃焼環境値や燃料に対して、推定値と計測値とのずれが小さく、十分な推定精度が得られていることが確認される。

さらに本実施形態では、先述した成分量取得部および推定部を備えるとともに、推定部により推定されたスモーク量に基づき燃焼システムの作動を制御する制御部を備える。制御部の具体例としては、噴射制御部８３、燃圧制御部８４、ＥＧＲ制御部８５、過給圧制御部８６、インマニ温度制御部８７が挙げられる。

ここで、燃料性状（例えばセタン価）が同一の燃料であっても、燃料に含まれている各種成分の混合割合が異なれば、燃焼システムを所望の状態で作動させるのに最適な制御の内容は、異なってくる。例えば、複数種類の成分のうちスモーク発生量に大きな影響を与える成分（つまりスモーク因子成分）もあれば、ＮＯｘ発生量に大きな影響を与える成分もあり、熱発生量に大きな影響を与える成分もある。

この点を鑑みた本実施形態では、スモーク因子成分であるアロマ類成分量およびアロマ類可変成分量の混合割合に基づきスモーク量Ｍを推定し、その推定値に基づき、噴射制御、燃圧制御、ＥＧＲ制御、過給圧制御およびインマニ温度制御等を制御する。そのため、セタン価等の燃料性状に応じた従来制御に比べて、所望のスモーク量Ｍになるように制御することを、高精度で実現できる。特に、所望のスモーク量Ｍ、ＨＣ量、ＣＯ量、燃焼騒音、出力トルク、燃料消費率等の各種状態のバランスを、高精度で所望の状態に制御できる。

さらに本実施形態では、燃焼特性取得部８１および混合割合推定部８２を備える。燃焼特性取得部８１は、内燃機関１０の燃焼に関する物理量の検出値を燃焼特性値として取得する。混合割合推定部８２は、異なる燃焼条件で検出された複数の燃焼特性値に基づき、燃料に含まれている各種成分の混合割合を推定する。

ここで、全く同じ燃料を燃焼させても、その時の筒内圧や筒内温度等の燃焼条件が異なれば、着火遅れ時間や熱発生量等の燃焼特性値は異なってくる。例えば、図４の燃料（１）は、筒内酸素濃度が多いといった燃焼条件であるほど、着火遅れ時間ＴＤ（燃焼特性値）は短くなる。そして、燃焼条件の変化に対する燃焼特性値の変化の度合い、つまり図４の実線に示す特性線は、分子構造種の混合割合が互いに異なる燃料（１）（２）（３）の各々で、異なってくる。この点を鑑みた本実施形態では、異なる燃焼条件で検出された複数の着火遅れ時間ＴＤ（燃焼特性値）に基づき、燃料に含まれている分子構造種の混合割合を推定するので、燃料の性状をより正確に把握できるようになる。

さらに本実施形態では、燃焼条件は、複数種類の燃焼環境値の組み合わせにより特定される条件である。つまり、複数種類の燃焼環境値各々について、燃焼環境値の値が異なる燃焼時の燃焼特性値を取得する。これによれば、同一種類の燃焼環境値についてその燃焼環境値の値が異なる燃焼時の燃焼特性値を取得し、それらの燃焼条件および燃焼特性値に基づき混合割合を推定する場合に比べて、混合割合を高精度で推定できる。

さらに本実施形態では、燃焼条件に係る複数種類の燃焼環境値には、筒内圧、筒内温度、吸気酸素濃度および燃料噴射圧力の少なくとも１つが含まれている。これらの燃焼環境値は、燃焼状態に与える影響が大きいので、これらの条件が異なる燃焼時の燃焼特性値を用いて混合割合を推定する本実施形態によれば、混合割合を精度良く推定できる。

さらに本実施形態では、燃焼特性値は、燃料噴射を指令してから自着火するまで着火遅れ時間ＴＤである。着火遅れ時間ＴＤは、各種成分の混合割合の影響を大きく受けるので、着火遅れ時間ＴＤに基づき混合割合を推定する本実施形態によれば、混合割合を精度良く推定できる。

さらに本実施形態では、燃焼特性取得部８１は、メイン噴射の前に噴射（パイロット噴射）された燃料の燃焼に関する燃焼特性値を取得する。メイン噴射の燃料が燃焼すると、筒内温度が高くなるので、メイン噴射後の燃料が燃焼しやすくなる。そのため、燃料の混合割合の違いに起因した燃焼特性値の変化が現れにくくなる。これに対し、メイン噴射の前に噴射（パイロット噴射）された燃料は、メイン燃焼の影響を受けないので、混合割合の違いに起因した燃焼特性値の変化が現れやすくなる。よって、燃焼特性値に基づき混合割合を推定するにあたり、その推定精度を向上できる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、アロマ類成分量およびアロマ類可変成分量の混合割合に基づきスモーク指数を算出している。これに対し本実施形態では、分子構造種毎の混合割合に応じて燃焼状態が異なり、燃焼状態が異なると燃焼されずに残る煤の量が異なりスモーク量が異なってくることに着目し、燃焼状態をも鑑みてスモーク量を算出する。燃焼状態の具体例としては、燃焼量、燃焼領域、着火時期等が挙げられる。

図１１に示すように、取得部８０１は、図１の混合割合推定部８２により推定された、分子構造種毎の混合割合を取得する。スモーク指数算出部８０２は、取得された各々の混合割合のうち、アロマ類成分およびアロマ類可変成分の混合割合に基づき、スモーク指数を算出する。スモーク指数とは、燃焼直前の煤の量の生じやすさを表した指数であり、生じやすいほど高い値になる。先述した通り、アロマ類成分量およびアロマ類可変成分量が多いほど、燃焼直前の煤量は多くなり、スモーク指数は高い値となる。

さて、燃料の噴射量と相関のあるパラメータ、発熱量と相関のあるパラメータ、ペネトレーションと相関のあるパラメータ、拡散状態と相関のあるパラメータ、および着火性と相関のあるパラメータを、噴射パラメータと呼ぶ。例えば、燃料噴射弁１５へ供給する燃料の圧力や燃料噴射弁１５の開弁時間が同じであっても燃料が異なれば噴射量は異なる。このように、燃料に起因した噴射量、発熱量、ペネトレーション、拡散状態および着火性を表わす指数が噴射パラメータである。なお、上記ペネトレーションとは、燃料噴射弁１５から燃焼室１１ａへ噴射された燃料が、所定時間で到達する距離のことである。

これらの噴射パラメータは、燃料に含まれている分子構造種毎の混合割合との相関性が高い。そこで、噴射パラメータ推定部８０４は、取得部８０１により取得された複数種類の分子構造種毎の混合割合に基づき噴射パラメータを推定する。例えば、分子構造種毎の混合割合と噴射パラメータとの関係を予め試験して取得しておき、上記関係を表したマップや演算式を用いて、取得した混合割合から噴射パラメータを算出する。

また、燃料の燃焼量と相関のあるパラメータ、燃焼領域と相関のあるパラメータ、および着火時期と相関のあるパラメータを、燃焼パラメータと呼ぶ。例えば、噴射量や噴射時期等の条件が同じであっても燃料が異なれば燃焼量は異なる。このように、燃料に起因した燃焼量、燃焼領域、および着火時期の変化度合いを表わす指数が燃焼パラメータである。

これらの燃焼パラメータは、噴射パラメータとの相関性が高い。そこで、燃焼パラメータ推定部８０３は、噴射パラメータ推定部８０４により推定された噴射パラメータに基づき燃焼パラメータを推定する。例えば、複数種類の噴射パラメータと各々の燃焼パラメータとの関係を予め試験して取得しておき、上記関係を表したマップや演算式を用いて、取得した複数種類の噴射パラメータから各々の燃焼パラメータを推定する。

スモーク量推定部８０５は、燃焼パラメータ推定部８０３により推定された燃焼パラメータおよびスモーク指数算出部８０２により推定されたスモーク指数に基づき、燃焼後の煤の量（つまりスモーク量）のを算出する。

以上により、本実施形態によれば、分子構造種毎の混合割合に基づき噴射パラメータを推定するので、噴射パラメータを高精度で推定できる。そして、このように高精度で推定された噴射パラメータに基づき燃焼パラメータを推定するので、燃焼パラメータを高精度で推定できる。そして、このように高精度で推定された燃焼パラメータを考慮して、スモーク指数からスモーク量を算出するので、スモーク量を高精度で推定できる。したがって、本実施形態によれば、スモーク量Ｍの推定精度を向上できる。

（第３実施形態）
上記第１実施形態では、混合割合推定部８２が、複数の燃焼特性値に基づき各種成分の混合割合を推定している。これに対し本実施形態では、燃料の一般性状をセンサ（つまり性状センサ）で検出し、その検出結果に基づき上記混合割合を推定する。

上記性状センサの具体例としては、燃料密度センサ、および動粘度センサ等が挙げられる。燃料密度センサは、例えば固有振動周期測定法に基づいて燃料の密度を検出する。動粘度センサは、例えば細管粘度計や、細線加熱法に基づく動粘度計であり、燃料タンク内の燃料の動粘度を検出する。なお、燃料密度センサ及び動粘度センサは、ヒータを備えており、ヒータにより所定温度に燃料を加熱した状態で燃料の密度及び動粘度をそれぞれ検出する。

ここで、本発明者らは、燃料の特定の性状パラメータが、燃料組成に含まれる各分子構造の物理量に相関があること、各性状パラメータについては、性状パラメータの種別ごとに分子構造に対する感度が異なることに着目した。つまり、燃料において分子構造が異なると分子間の結合力、構造による立体障害や相互作用などが相違する。また、燃料には複数種の分子構造が含まれ、その混合割合もまちまちである。この場合、分子構造ごとに性状パラメータに寄与する感度が異なると考えられるため、分子構造量に依存して性状パラメータの値が変化する。

そこで本発明者らは、性状パラメータと分子構造とについて相関式を構築した。この相関式は、複数の性状パラメータに対する複数の分子構造量の依存度を示す感度係数を用い、複数の分子構造量に感度係数を反映することで複数の性状パラメータを導出する性状算出モデルの演算式である。相関式において、上記性状センサにより検出された値を性状パラメータの値として入力することで、燃料組成に含まれる分子構造量の算出が可能となる。

また、低位発熱量は、燃料の動粘度及び密度と相関があることから、その相関を示すマップや演算式を用いることで、動粘度及び密度に基づいて算出することが可能である。このようにして算出された低位発熱量を、相関式に入力する性状パラメータとしてもよい。

また、燃料に含まれている水素量と炭素量との比（つまりＨＣ比）は、低位発熱量と相関があることから、その相関を示すマップや演算式を用いることで、低位発熱量に基づいてＨＣ比を算出することが可能である。このようにして算出されたＨＣ比を、相関式に入力する性状パラメータとしてもよい。その他、性状パラメータとして、セタン価や、蒸留性状に関するパラメータを用いることも可能である。

以上により、本実施形態によれば、燃料の性状を示す複数の性状パラメータを取得する。そして、複数の性状パラメータと燃料における複数の分子構造量との相関を定義した相関データを用い、取得した複数の性状パラメータの取得値に基づいて複数の分子構造量、つまり分子構造種毎の混合割合を推定する。そのため、筒内圧センサ２１の検出値を用いること無く、性状センサの検出値を用いて、スモーク量Ｍの推定に用いるアロマ類成分およびアロマ類可変成分の量を取得できる。

（他の実施形態）
以上、発明の好ましい実施形態について説明したが、発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、以下に例示するように種々変形して実施することが可能である。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

上記第２実施形態では、噴射パラメータ推定部８０４および燃焼パラメータ推定部８０３を備えるが、噴射パラメータ推定部８０４を廃止して、燃焼パラメータ推定部８０３が、分子構造種毎の混合割合に基づき燃焼パラメータを推定してもよい。

図２に示す上記実施形態では、通電開始のｔ１時点から燃焼開始のｔ３時点までの時間を着火遅れ時間ＴＤと定義している。これに対し、噴射開始のｔ２時点から燃焼開始のｔ３時点までの時間を着火遅れ時間ＴＤと定義してもよい。噴射開始のｔ２時点は、噴射開始に伴いレール圧等の燃圧に変化が生じた時期を検出し、その検出時期に基づき推定すればよい。

図１に示す燃焼特性取得部８１は、燃焼に関する物理量の検出値（つまり燃焼特性値）として、着火遅れ時間ＴＤを取得している。これに対し、熱発生率の変化を表わす波形や、該当する燃料の燃焼で発生した熱量（熱発生量）等を燃焼特性値として取得してもよい。また、着火遅れ時間ＴＤ、熱発生率の波形、および熱発生量等、複数種類の燃焼特性値に基づき、各種成分の混合割合を推定してもよい。例えば、図３の右辺左側の行列（定数）を、複数種類の燃焼特性値に対応した値に設定しておき、図３の右辺右側の行列に、複数種類の燃焼特性値を代入して混合割合を推定する。

図３の例では、複数の着火遅れ時間ＴＤの各々について、全ての燃焼環境値が異なるように燃焼条件が設定されている。つまり、燃焼環境値の所定の組み合わせからなる燃焼条件ｉ、ｊ、ｋ、ｌ（図３参照）の各々について、筒内圧は全て異なる値Ｐ（条件ｉ）、Ｐ（条件ｊ）、Ｐ（条件ｋ）、Ｐ（条件ｌ）に設定されている。同様に、筒内温度Ｔ、吸気酸素濃度Ｏ２および噴射圧力Ｐｃも全て異なる値に設定されている。これに対し、異なる燃焼条件の各々において、少なくとも１つの燃焼環境値の値が異なっていればよい。例えば燃焼条件ｉ、ｊの各々において、筒内温度Ｔ、吸気酸素濃度Ｏ２および噴射圧力Ｐｃを同じ値に設定し、筒内圧だけを異なる値Ｐ（条件ｉ）、Ｐ（条件ｊ）に設定してもよい。

上述した実施形態では、メイン噴射の直前に噴射（パイロット噴射）された燃料の燃焼に関する燃焼特性値を取得している。これに対し、メイン噴射の後に噴射された燃料の燃焼に関する燃焼特性値を取得してもよい。メイン噴射後の噴射の具体的例として、アフター噴射やポスト噴射が挙げられる。また、メイン噴射の前に複数回噴射する多段噴射を実施する場合には、初回に噴射された燃料の燃焼に関する燃焼特性値を取得すれば、メイン燃焼の影響を大きく受けずに済むので望ましい。

上述した実施形態では、筒内圧センサ２１の検出値に基づき燃焼特性値を取得している。これに対し、筒内圧センサ２１を備えていない構成において、回転角センサの回転変動（つまり微分値）に基づき燃焼特性値を推定してもよい。例えば、パイロット燃焼に起因して微分値が既定の閾値を超えた時期をパイロット着火時期として推定できる。また、微分値の大きさからパイロット燃焼量を推定できる。

図１に示す実施形態では、筒内温度は温度検出素子２１ａにより検出されているが、筒内圧センサ２１により検出された筒内圧に基づき推定してもよい。具体的には、筒内温度を、筒内圧力、シリンダ容積、シリンダ内のガス重量、ガス定数から演算して推定する。

ＥＣＵ８０（燃焼システム制御装置）が提供する手段および／または機能は、実体的な記憶媒体に記録されたソフトウェアおよびそれを実行するコンピュータ、ソフトウェアのみ、ハードウェアのみ、あるいはそれらの組合せによって提供することができる。例えば、燃焼システム制御装置がハードウェアである回路によって提供される場合、それは多数の論理回路を含むデジタル回路、またはアナログ回路によって提供することができる。

１０…内燃機関、８０…ＥＣＵ（スモーク量推定装置）、Ｓ１１…成分量取得部、Ｓ１４…推定部。

Claims (10)

1. 内燃機関（１０）の燃焼に用いる燃料に含まれるアロマ類成分の量を取得するとともに、前記燃料に含まれる成分のうち、燃焼前に分解して重合することでアロマ類成分を形成する成分であるアロマ類可変成分の量を取得する成分量取得部（Ｓ１１）と、
   前記成分量取得部により取得されたアロマ類成分量およびアロマ類可変成分量に基づき、前記内燃機関から排出される排気中に含まれるスモークの量を推定する推定部（Ｓ１４）と、
   を備えるスモーク量推定装置。
2. 前記成分量取得部の取得対象である前記アロマ類可変成分には、ナフテン類成分が少なくとも含まれている請求項１に記載のスモーク量推定装置。
3. 前記成分量取得部の取得対象であるナフテン類成分には、環状構造を２つ以上有する構造のナフテン類成分が少なくとも含まれている請求項２に記載のスモーク量推定装置。
4. 前記成分量取得部の取得対象である前記アロマ類可変成分には、側鎖パラフィン類成分が少なくとも含まれている請求項１〜３のいずれか１つに記載のスモーク量推定装置。
5. 前記成分量取得部の取得対象である側鎖パラフィン類成分には、前記燃料に含まれている複数種類の成分の平均炭素数よりも炭素数が少ない構造の側鎖パラフィン類成分が少なくとも含まれている請求項４に記載のスモーク量推定装置。
6. 前記内燃機関の燃焼室（１１ａ）の温度、圧力、および酸素濃度の少なくとも１つを燃焼環境値とし、
   前記推定部は、前記燃焼環境値に応じたスモークの量を、前記アロマ類成分量および前記アロマ類可変成分量に基づき推定する請求項１〜５のいずれか１つに記載のスモーク量推定装置。
7. 燃料の燃焼量、燃焼領域および着火時期の各々について相関のあるパラメータを燃焼パラメータと呼び、各々の燃焼パラメータの少なくとも１つを、燃料に含まれている分子構造種毎の混合割合に基づき推定する燃焼パラメータ推定部（８０３）を備え、
   前記推定部は、前記アロマ類成分量および前記アロマ類可変成分量に加えて前記燃焼パラメータにも基づき、スモークの量を推定する請求項１〜６のいずれか１つに記載のスモーク量推定装置。
8. 前記内燃機関の燃焼室へ噴射される燃料の噴射量、発熱量、ペネトレーション、拡散状態および着火性の各々について相関のあるパラメータを噴射パラメータと呼び、各々の噴射パラメータの少なくとも１つを、燃料に含まれている分子構造種毎の混合割合に基づき推定する噴射パラメータ推定部（８０４）を備え、
   前記燃焼パラメータ推定部は、前記噴射パラメータを用いて前記燃焼パラメータを推定する請求項７に記載のスモーク量推定装置。
9. 内燃機関（１０）を有する燃焼システムの作動を制御する燃焼システム制御装置において、
   前記内燃機関の燃焼に用いる燃料に含まれるアロマ類成分の量を取得するとともに、前記燃料に含まれる成分のうち、燃焼前に分解して重合することでアロマ類成分を形成する成分であるアロマ類可変成分の量を取得する成分量取得部（Ｓ１１）と、
   前記成分量取得部により取得されたアロマ類成分量およびアロマ類可変成分量に基づき、前記内燃機関から排出される排気中に含まれるスモークの量を推定する推定部（Ｓ１４）と、
   前記推定部により推定されたスモーク量に基づき、前記燃焼システムの作動を制御する制御部（Ｓ１９、Ｓ２０、Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２５）と、
   を備える燃焼システム制御装置。
10. 前記推定部により推定されたスモーク量が基準範囲の量である通常状態、前記基準範囲を超えて多い過多状態、および前記基準範囲よりも少ない過少状態のいずれであるかを判定する判定部（Ｓ１６、Ｓ１７）を備え、
    前記制御部は、
    前記過多状態であると判定された場合に、燃焼騒音、排気中のＮＯｘ量、ＨＣ量およびＣＯ量の少なくとも１つを増大させるとともに、スモーク量を減少させるように制御し、
    前記過少状態であると判定された場合に、燃焼騒音、排気中のＮＯｘ量、ＨＣ量およびＣＯ量の少なくとも１つを減少させるとともに、スモーク量を増大させるように制御する請求項９に記載の燃焼システム制御装置。

Images