JP6975890B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

特許文献１には、従来の内燃機関の制御装置として、熱発生率の時間的変化を示す燃焼波形（熱発生率パターン）の形状が二山形状となるように、燃料噴射を前段噴射と後段噴射とに分けて実施して予混合圧縮着火燃焼（ＰＣＣＩ；Premix Charged Compressive Ignition）を行うものが開示されている。特許文献１によれば、これにより燃焼騒音を低減することができるとされている。

特開２０１５−０６８２８４号公報

しかしながら、予混合圧縮着火燃焼を行う場合、例えば機関負荷が増加する過渡運転時などに、燃料と空気との予混合時間が定常運転時よりも短くなる場合がある。予混合時間が短いと、予混合時間が長い場合と比較して燃料濃度の高い混合気魂が燃焼することになる。そのため、酸素不足によってスモークの原因となる煤が多く生成されてしまい、排気エミッションが悪化するおそれがある。そして前述した特許文献１のように、前段噴射と後段噴射とを実施して予混合圧縮着火燃焼を行う場合には、特に後段噴射燃料の空気との予混合時間が短くなりやすく、排気エミッションが悪化しやすい。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、スモークの原因となる煤の生成を抑制して排気エミッションの悪化を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、機関本体と、機関本体の燃焼室内で燃焼させるための燃料を噴射する燃料噴射弁と、を備える内燃機関を制御するための内燃機関の制御装置が、燃焼室内で段階的に２回の熱発生を生じさせて、筒内圧力上昇率の時間的変化を示す圧力波形が二山形状となるように、少なくとも第１メイン燃料噴射と第２メイン燃料噴射とを順次実施して燃料を予混合圧縮着火燃焼させる燃焼制御部を備える。燃焼制御部は、第２メイン燃料噴射によって噴射される燃料の空気との予混合時間の推定値である第２予混合時間を算出する第２予混合時間算出部を備え、第２予混合時間が所定の第１閾値未満のときは、第２予混合時間が第１閾値以上となるように第２メイン燃料噴射の噴射量を減量すると共に、第２メイン燃料噴射の後にアフタ燃料噴射を実施し、第２メイン燃料噴射の噴射量から減量した分の燃料をアフタ燃料噴射によって噴射するように構成される。

本発明のこの態様によれば、第２メイン燃料噴射によって噴射された燃料の予混合期間を第１閾値未満になるのを抑制することができるので、スモークの原因となる煤の生成を抑制して排気エミッションの悪化を抑制することできる。

図１は、本発明の一実施形態による内燃機関、及び内燃機関を制御する電子制御ユニットの概略構成図である。 図２は、本発明の一実施形態による内燃機関の機関本体の断面図である。 図３は、本発明の一実施形態による燃焼制御を実施して燃焼室内で燃料を燃焼させた場合のクランク角と熱発生率との関係を示した図である。 図４は、本発明の一実施形態による燃焼制御を実施して燃焼室内で燃料を燃焼させた場合のクランク角と筒内圧力上昇率との関係を示した図である。 図５は、第２予混合時間が第１閾値未満となった場合に、本発明の一実施形態による燃焼制御を実施して燃焼室内で燃料を燃焼させたときのクランク角と熱発生率との関係を示した図である。 図６は、熱発生率パターンのピーク値と、着火遅れ時間との関係を、燃料噴射量が多いときと少ないときとで比較して示した図である。 図７は、本発明の一実施形態による燃焼制御について説明するフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

図１は、本発明の一実施形態による内燃機関１００、及び内燃機関１００を制御する電子制御ユニット２００の概略構成図である。図２は、内燃機関１００の機関本体１の断面図である。

図１に示すように、内燃機関１００は、複数の気筒１０を備える機関本体１と、燃料供給装置２と、吸気装置３と、排気装置４と、吸気動弁装置５と、排気動弁装置６と、を備える。

機関本体１は、各気筒１０に形成される燃焼室１１内（図２参照）で燃料を燃焼させて、例えば車両などを駆動するための動力を発生させる。機関本体１には、気筒毎に一対の吸気弁５０と一対の排気弁６０とが設けられる。

燃料供給装置２は、電子制御式の燃料噴射弁２０と、デリバリパイプ２１と、サプライポンプ２２と、燃料タンク２３と、圧送パイプ２４と、燃圧センサ２１１と、を備える。

燃料噴射弁２０は、燃焼室１１内に直接燃料を噴射することができるように、各気筒１０の燃焼室１１に臨むように各気筒１０に１つ設けられる。燃料噴射弁２０の開弁時間（噴射量）及び開弁時期（噴射時期）は電子制御ユニット２００からの制御信号によって変更され、燃料噴射弁２０が開弁されると燃料噴射弁２０から燃焼室１１内に直接燃料が噴射される。

デリバリパイプ２１は、圧送パイプ２４を介して燃料タンク２３に接続される。圧送パイプ２４の途中には、燃料タンク２３に貯蔵された燃料を加圧してデリバリパイプ２１に供給するためのサプライポンプ２２が設けられる。デリバリパイプ２１は、サプライポンプ２２から圧送されてきた高圧燃料を一時的に貯蔵する。燃料噴射弁２０が開弁されると、デリバリパイプ２１に貯蔵された高圧燃料が燃料噴射弁２０から燃焼室１１内に直接噴射される。

サプライポンプ２２は、吐出量を変更することができるように構成されており、サプライポンプ２２の吐出量は、電子制御ユニット２００からの制御信号によって変更される。サプライポンプ２２の吐出量を制御することで、デリバリパイプ２１内の燃料圧力、すなわち燃料噴射弁２０の噴射圧が制御される。

燃圧センサ２１１は、デリバリパイプ２１に設けられる。燃圧センサ２１１は、デリバリパイプ２１内の燃料圧力、すなわち各燃料噴射弁２０から各気筒１０内に噴射される燃料の圧力（噴射圧）を検出する。

吸気装置３は、燃焼室１１内に空気を導くための装置であって、燃焼室１１内に吸入される空気の状態（吸気圧力（過給圧）、吸気温度、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガス量）を変更することができるように構成されている。すなわち吸気装置３は、燃焼室１１内の酸素密度を変更することができるように構成されている。吸気装置３は、エアクリーナ３０と、吸気管３１と、ターボチャージャ３２のコンプレッサ３２ａと、インタクーラ３３と、吸気マニホールド３４と、電子制御式のスロットル弁３５と、エアフローメータ２１２と、ＥＧＲ通路３６と、ＥＧＲクーラ３７と、ＥＧＲ弁３８と、を備える。

エアクリーナ３０は、空気中に含まれる砂などの異物を除去する。

吸気管３１は、一端がエアクリーナ３０に連結され、他端が吸気マニホールド３４のサージタンク３４ａに連結される。

ターボチャージャ３２は過給機の一種であり、排気のエネルギを利用して空気を強制的に圧縮し、その圧縮した空気を各燃焼室１１に供給する。これにより充填効率が高められるので、機関出力が増大する。コンプレッサ３２ａは、ターボチャージャ３２の一部を構成する部品であり、吸気管３１に設けられる。コンプレッサ３２ａは、同軸上に設けられた後述するターボチャージャ３２のタービン３２ｂによって回されて、空気を強制的に圧縮する。なおターボチャージャ３２に替えて、クランクシャフト（図示せず）の回転力を利用して機械的に駆動される過給機（スーパチャージャ）を用いても良い。

インタクーラ３３は、コンプレッサ３２ａよりも下流の吸気管３１に設けられ、コンプレッサ３２ａによって圧縮されて高温となった空気を冷却する。

吸気マニホールド３４は、サージタンク３４ａと、サージタンク３４ａから分岐して機関本体１の内部に形成されている各吸気ポート１４（図２参照）の開口に連結される複数の吸気枝管３４ｂと、を備える。サージタンク３４ａに導かれた空気は、吸気枝管３４ｂ、及び吸気ポート１４を介して各燃焼室１１内に均等に分配される。このように、吸気管３１、吸気マニホールド３４及び各吸気ポート１４が、各燃焼室１１内に空気を導くための吸気通路を形成する。サージタンク３４ａには、サージタンク３４ａ内の圧力（吸気圧力）を検出するための圧力センサ２１３と、サージタンク３４ａ内の温度（吸気温度）を検出するための温度センサ２１４と、が取り付けられている。

スロットル弁３５は、インタクーラ３３とサージタンク３４ａとの間の吸気管３１内に設けられる。スロットル弁３５は、スロットルアクチュエータ３５ａによって駆動され、吸気管３１の通路断面積を連続的又は段階的に変化させる。スロットルアクチュエータ３５ａによってスロットル弁３５の開度を調整することで、各燃焼室１１内に吸入される空気の流量を調整することができる。

エアフローメータ２１２は、コンプレッサ３２ａよりも上流側の吸気管３１内に設けられる。エアフローメータ２１２は、吸気通路内を流れて最終的に各燃焼室１１内に吸入される空気の流量（以下「吸入空気量」という。）を検出する。

ＥＧＲ通路３６は、後述する排気マニホールド４０と吸気マニホールド３４のサージタンク３４ａとを連通し、各燃焼室１１から排出された排気の一部を圧力差によってサージタンク３４ａに戻すための通路である。以下、ＥＧＲ通路３６に流入した排気のことを「ＥＧＲガス」といい、筒内ガス量に占めるＥＧＲガス量の割合、すなわち排気の還流率のことを「ＥＧＲ率」という。ＥＧＲガスをサージタンク３４ａ、ひいては各燃焼室１１に還流させることで、燃焼温度を低減させて窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を抑えることができる。

ＥＧＲクーラ３７は、ＥＧＲ通路３６に設けられる。ＥＧＲクーラ３７は、ＥＧＲガスを、例えば走行風や冷却水などによって冷却するための熱交換器である。

ＥＧＲ弁３８は、ＥＧＲクーラ３７よりもＥＧＲガスの流れ方向下流側のＥＧＲ通路３６に設けられる。ＥＧＲ弁３８は、連続的又は段階的に開度を調整することができる電磁弁であり、その開度は電子制御ユニット２００によって制御される。ＥＧＲ弁３８の開度を制御することで、サージタンク３４ａに還流させるＥＧＲガスの流量が調節される。すなわち、吸入空気量や吸気圧力（過給圧）等に応じてＥＧＲ弁３８の開度を適切な開度に制御することで、ＥＧＲ率を任意の値に制御することができる。

排気装置４は、各燃焼室内で生じた排気を浄化して外気に排出するための装置であって、排気マニホールド４０と、排気管４１と、ターボチャージャ３２のタービン３２ｂと、排気後処理装置４２と、を備える。

排気マニホールド４０は、機関本体１の内部に形成されている各排気ポート１５（図２参照）の開口と連結される複数の排気枝管と、排気枝管を集合させて１本にまとめた集合管と、を備える。

排気管４１は、一端が排気マニホールド４０の集合管に連結され、他端が開口端となっている。各燃焼室１１から排気ポートを介して排気マニホールド４０に排出された排気は、排気管４１を流れて外気に排出される。

タービン３２ｂは、ターボチャージャ３２の一部を構成する部品であり、排気管４１に設けられる。タービン３２ｂは、排気のエネルギによって回されて、同軸上に設けられたコンプレッサ３２ａを駆動する。

タービン３２ｂの外側には、可変ノズル３２ｃが設けられている。可変ノズル３２ｃは絞り弁として機能し、可変ノズル３２ｃのノズル開度（弁開度）は電子制御ユニット２００によって制御される。可変ノズル３２ｃのノズル開度を変化させることでタービン３２ｂを駆動する排気の流速を変化させることができる。すなわち、可変ノズル３２ｃのノズル開度を変化させることで、タービン３２ｂの回転速度を変化させて過給圧を変化させることができる。具体的には、可変ノズル３２ｃのノズル開度を小さくする（可変ノズル３２ｃを絞る）と、排気の流速が上がってタービン３２ｂの回転速度が増大し、過給圧が増大する。

排気後処理装置４２は、タービン３２ｂよりも下流側の排気管４１に設けられる。排気後処理装置４２は、排気を浄化した上で外気に排出するための装置であって、有害物質を浄化する各種の触媒（例えば三元触媒）を担体に担持させたものである。

吸気動弁装置５は、各気筒１０の吸気弁５０を開閉駆動するための装置であって、機関本体１に設けられる。本実施形態による吸気動弁装置５は、吸気弁５０の開閉時期を制御できるように、例えば電磁アクチュエータによって吸気弁５０を開閉駆動するように構成される。

排気動弁装置６は、各気筒１０の排気弁６０を開閉駆動するための装置であって、機関本体１に設けられる。本実施形態による排気動弁装置６は、排気弁６０の開閉時期を制御できるように、例えば電磁アクチュエータによって排気弁６０を開閉駆動するように構成される。

なお、吸気動弁装置５及び排気動弁装置６としては、電磁アクチュエータに限らず、例えばカムシャフトによって吸気弁５０又は排気弁６０を開閉駆動するように構成し、当該カムシャフトの一端部に油圧制御によってクランクシャフトに対するカムシャフトの相対位相角を変更する可変動弁機構を設けることによって、吸気弁５０又は排気弁６０の開閉時期を制御できるようにしてもよい。

電子制御ユニット２００は、デジタルコンピュータから構成され、双方性バス２０１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２０２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２０３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２０４、入力ポート２０５及び出力ポート２０６を備える。

入力ポート２０５には、前述した燃圧センサ２１１などの出力信号が、対応する各ＡＤ変換器２０７を介して入力される。また入力ポート２０５には、機関負荷を検出するための信号として、アクセルペダル２２０の踏み込み量（以下「アクセル踏込量」という。）に比例した出力電圧を発生する負荷センサ２２１の出力電圧が、対応するＡＤ変換器２０７を介して入力される。また入力ポート２０５には、機関回転速度などを算出するための信号として、機関本体１のクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ２２２の出力信号が入力される。このように入力ポート２０５には、内燃機関１００を制御するために必要な各種センサの出力信号が入力される。

出力ポート２０６は、対応する駆動回路２０８を介して、燃料噴射弁２０などの各制御部品に接続される。

電子制御ユニット２００は、入力ポート２０５に入力された各種センサの出力信号に基づいて、各制御部品を制御するための制御信号を出力ポート２０６から出力して内燃機関１００を制御する。以下、電子制御ユニット２００が実施する内燃機関１００の制御、特に燃焼室１１内における燃料の燃焼制御について説明する。

図３は、機関運転状態（機関回転速度、及び機関負荷）が一定の定常運転時において、本実施形態による燃焼制御を実施して燃焼室１１内で燃料を燃焼させた場合のクランク角と熱発生率との関係を示した図である。また図４は、この場合のクランク角と筒内圧力上昇率との関係を示した図である。

なお熱発生率（ｄＱ／ｄθ）［Ｊ／ｄｅｇ．ＣＡ］とは、燃料を燃焼させたときに生じる単位クランク角あたりの熱量、すなわち単位クランク角あたりの熱発生量Ｑのことである。以下の説明では、このクランク角と熱発生率との関係を示した燃焼波形、すなわち熱発生率の時間的変化を示す燃焼波形のことを「熱発生率パターン」という。また筒内圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）［ｋＰａ／ｄｅｇ．ＣＡ］とは、筒内圧力Ｐ［ｋＰａ］のクランク角微分値のことである。以下の説明では、このクランク角と筒内圧力上昇率との関係を示した圧力波形、すなわち筒内圧力上昇率の時間的変化を示す圧力波形のことを「筒内圧力上昇率パターン」という。

図３に示すように電子制御ユニット２００は、機関負荷に応じた要求トルクを出力するために行われるメイン燃料噴射を第１メイン燃料噴射Ｇ１と第２メイン燃料噴射Ｇ２とに分けて順次実施して機関本体１の運転を行う。

このとき本実施形態では、第１メイン燃料噴射Ｇ１によって燃焼室１１内に噴射された燃料（以下「第１メイン燃料」という。）、及び第２メイン燃料噴射Ｇ２によって燃焼室１１内に噴射された燃料（以下「第２メイン燃料」という。）が、それぞれ燃料噴射後に空気との予混合時間をある程度置いた上で燃焼する予混合圧縮着火燃焼を起こすように、各燃料噴射Ｇ１、Ｇ２の噴射量と噴射時期とを制御して、段階的に２回の熱発生が生じるようにしている。

すなわち図３に示すように、主に第１メイン燃料が燃焼したときの熱発生によって熱発生率パターンの一山目の燃焼波形Ｘ１が形成され、その後、主に第２メイン燃料が燃焼したときの熱発生によって熱発生率パターンの二山目の燃焼波形Ｘ２が形成されるように各燃料噴射Ｇ１、Ｇ２の噴射量と噴射時期とを制御して、熱発生率パターンが二山形状となるようにしている。

そしてこれにより、図４に示すように、主に第１メイン燃料が燃焼したときの熱発生によって筒内圧力上昇率パターンの一山目の圧力波形Ｙ１が形成され、その後、主に第２メイン燃料が燃焼したときの熱発生によって筒内圧力上昇率パターンの二山目の圧力波形Ｙ２が形成されるようにして、熱発生率パターンと共に筒内圧力上昇率パターンも二山形状となるようにしている。

このように、適切な時間を空けて段階的に２回の熱発生を生じさせることで、１回目の熱発生によって生じる圧力波（本実施形態では主に第１メイン燃料の燃焼時に生じる圧力波）の位相に対して、２回目の熱発生に生じる圧力波（本実施形態では主に第２メイン燃料の燃焼時に生じる圧力波）の位相をずらすことができる。そのため、例えば１回目の圧力波の位相に対して、２回目の位相を逆位相にするなど、２つの圧力波の位相を適切にずらすことで、燃焼騒音の原因となるこれら２つの圧力波を重ね合わせた実際の圧力波の振幅を小さくすることができる。

そして１回目の熱発生によって生じる圧力波の振幅の大きさは、筒内圧力上昇率パターンの一山目の圧力波形Ｙ１のピーク値（以下「第１ピーク値」という。）Ｐ１の大きさと比例関係にあり、同様に２回目の熱発生によって生じる圧力波の振幅の大きさは、筒内圧力上昇率パターンの二山目の圧力波形Ｙ２のピーク値（以下「第２ピーク値」という。）Ｐ２の大きさと比例関係にある。したがって、第１ピーク値Ｐ１と第２ピーク値Ｐ２の大きさが同じとき（すなわちＰ１：Ｐ２＝１：１のとき）に、燃焼騒音の低減効果が最も大きくなる。

そこで本実施形態では、図４に示すように、第１ピーク値Ｐ１と第２ピーク値Ｐ２の大きさがほぼ同じになるように、具体的には第１ピーク値Ｐ１と第２ピーク値Ｐ２との比の値（＝Ｐ１／Ｐ２；以下「ピーク比」という。）ＰＲが所定範囲内（例えば０．９から１．１の範囲内）に収まるように、各燃料噴射Ｇ１、Ｇ２の噴射量と噴射時期とを制御している。これにより、予混合圧縮着火燃焼を実施して機関本体１を運転させたときの燃焼騒音を効果的に抑制することができる。

このように本実施形態による電子制御ユニット２００は、予混合圧縮着火燃焼を実施したときの筒内圧力上昇率パターンが所望の形状（二山形状、かつ、ピーク比ＰＲが所定範囲内に収まっている形状）となるように、機関運転状態に基づいて、第１メイン燃料噴射Ｇ１の目標噴射量Ｑ１及び目標噴射時期Ａ１と、第２メイン燃料噴射Ｇ２の目標噴射量Ｑ２及び目標噴射時期Ａ２と、を設定している。すなわち電子制御ユニット２００は、予混合圧縮着火燃焼を実施したときの筒内圧力上昇率パターンが所望の形状となるように、機関運転状態に基づいて、各燃料噴射Ｇ１、Ｇ２の目標噴射量Ｑ１、Ｑ２、及び目標噴射時期Ａ１、Ａ２を、予め実験等によって設定された目標値に制御している。

ところで電子制御ユニット２００は、各燃料噴射Ｇ１、Ｇ２の噴射量や噴射時期以外にも、例えば吸気圧力（過給圧）や吸気温度、ＥＧＲ率などの予混合圧縮着火燃焼に影響を与える吸気系の各パラメータについても、それぞれ機関運転状態に応じた目標値に制御しており、これにより、燃焼室１１内の酸素密度を機関運転状態に応じた目標酸素密度に制御している。すなわち電子制御ユニット２００は、燃焼室１１内の酸素密度が機関運転状態に応じた目標酸素密度となるように、機関運転状態に応じて吸気装置３を制御している。

しかしながら、機関負荷が増加してから一定の機関負荷に収束するまでの過渡運転時、すなわち機関負荷が増加したときに機関出力トルクが機関負荷に応じた要求トルクになるまでの過渡運転時においては、吸気系の各パラメータが機関運転状態に応じた目標値となるように吸気装置３を制御しても、吸気系の応答遅れによって吸気系の各パラメータが過渡的に目標値からずれてしまい、燃焼室１１内の酸素密度が過渡的に目標酸素密度よりも高くなってしまう場合がある。

このように燃焼室１１内の酸素密度が過渡的に目標酸素密度よりも高くなってしまうと、各燃料噴射Ｇ１、Ｇ２によって噴射された燃料の着火遅れ時間（燃料噴射の開始時期から当該燃料噴射によって噴射された燃料が着火するまでの時間。図３参照。）Ｔｉｄ１、Ｔｉｄ２も過渡的に短くなってしまう。

また、機関負荷が増加する過渡運転時においては、要求トルクの増加に伴って各燃料噴射Ｇ１、Ｇ２の目標噴射量Ｑ１、Ｑ２が増加していくので、結果として各燃料噴射Ｇ１、Ｇ２の燃料噴射期間が長くなっていく。

そのため、機関負荷が増加する過渡運転時においては、各燃料噴射Ｇ１、Ｇ２によって噴射された燃料の空気との予混合時間（燃料噴射の終了時期から当該燃料噴射によって噴射された燃料が着火するまでの時間。図３参照。）Ｔｐｍ１、Ｔｐｍ２が過渡的に短くなってしまう場合がある。

特に本実施形態のように、メイン燃料噴射を第１メイン燃料噴射Ｇ１と第２メイン燃料噴射Ｇ２とに分けて順次実施している場合、第２メイン燃料噴射Ｇ２は第１メイン燃料噴射Ｇ１の後に実施されることになる。そのため、定常運転時か過渡運転時かにかかわらず、第２メイン燃料の着火遅れ時間（以下「第２着火遅れ時間」という。）Ｔｉｄ２は、第１メイン燃料の着火遅れ時間（以下「第１着火遅れ時間」という。）Ｔｉｄ１よりも短くなる傾向にあり、また第２メイン燃料の空気との予混合時間（以下「第２予混合時間」という。）Ｔｐｍ２も、１メイン燃料の空気との予混合時間（以下「第１予混合時間」という。）Ｔｐｍ１よりも短くなる傾向にある。

したがって、機関負荷が増加する過渡運転時などには、第２予混合時間Ｔｐｍ２を十分に確保することができなくなって、第２メイン燃料と空気との予混合度合いが不十分となり、定常運転時よりも燃料濃度の高い予混合気が燃焼してしまう場合がある。このような燃料濃度の高い予混合気が燃焼してしまうと、燃焼時に酸素不足によってスモークの原因となる煤の生成が助長され、排気エミッションが悪化するおそれがある。

そこで本実施形態では、機関負荷（要求トルク）に応じて設定される通常の目標噴射量Ｑ２を第２メイン燃料噴射Ｇ２で噴射したときの第２予混合時間Ｔｐｍ２を推定し、第２予混合時間Ｔｐｍ２が、排気中のスモークを許容範囲内に収めることが可能な予混合時間（以下「第１閾値」という。）未満か否かを判断することとして。

そして図５に示すように、第２予混合時間Ｔｐｍ２が第１閾値未満となった場合には、第２予混合時間Ｔｐｍ２を確保するために（第２予混合時間Ｔｐｍ２を第１閾値以上にするために）、第２メイン燃料噴射Ｇ２の目標噴射量Ｑ２を減量して第２メイン燃料噴射Ｇ２の噴射期間を短くし、減量した分の燃料を第２メイン燃料噴射Ｇ２よりも後に実施されるアフタ燃料噴射Ｇ３によって噴射することとした。

これにより、第２予混合時間Ｔｐｍ２を確保することができるので、排気エミッションの悪化を抑制することができる。

一方で前述したように、本実施形態では予混合圧縮着火燃焼を実施したときの筒内圧力上昇率パターンが所望の形状となるように、第２メイン燃料噴射Ｇ２の目標噴射量Ｑ２を設定しているため、目標噴射量Ｑ２を減量すると、熱発生率パターンの二山目の燃焼波形Ｘ２のピーク値、ひいては筒内圧力上昇率パターンの二山目の燃焼波形Ｙ２のピーク値Ｐ２が大幅に低下する場合がある。すなわち、目標噴射量Ｑ２を減量すると、筒内圧力上昇率パターンを所望の形状に維持できなくなる場合がある。

図６は、燃料噴射弁２０から１回だけ燃料を噴射して予混合圧縮着火燃焼を実施した場合の熱発生率パターンのピーク値と、着火遅れ時間との関係を、燃料噴射量が多いときと少ないときとで比較して示した図である。

図６に示すように、燃料噴射量が多いときと少ないときとで各熱発生率パターンのピーク値を比較した場合、着火遅れ時間が所定値よりも短いときには、ピーク値の大きさにほとんど差がないことが分かる。そして着火遅れ時間が所定値よりも長くなるにつれて、徐々にピーク値の大きさに差が生じ始めてその差が大きくなっていくことが分かる。

これは、予混合圧縮着火燃焼を実施したときの着火遅れ時間が短くなると、燃料噴射弁２０から噴射された燃料のうちの一部の燃料については、空気との予混合度合いが不十分となって、当該燃料が予混合圧縮着火燃焼というよりも拡散燃焼に近い燃焼形態で燃焼してしまうことに起因するものと考えられる。

予混合圧縮着火燃焼は、燃料噴射後に空気との予混合時間をある程度置いた上で、燃焼室１１内に拡散させた燃料（予混合気）を多点で同時期に自着火させる燃焼形態であるため、燃焼室１１内に噴射した燃料を燃料噴射後にほぼ遅れなく燃焼させていく拡散燃焼と比較して、燃焼速度が速くなって燃焼期間が短くなる。そのため、予混合圧縮着火燃焼を実施した場合は、拡散燃焼を実施した場合よりも熱発生率パターンのピーク値が大きくなる傾向にある。そして熱発生率パターンのピーク値は、基本的に予混合圧縮着火燃焼する燃料量に依存し、当該燃料量が多くなるほど高くなる傾向にある。

したがって図６に示すように、着火遅れ時間が所定値よりも短いときは、燃料噴射量の大小にかかわらず、概ね一定の燃料が予混合圧縮着火燃焼を起こし、残りの燃料が拡散燃焼に近い燃焼形態で燃焼するために、各熱発生率パターンの各ピーク値の大きさにほとんど差が生じていないものと考えられる。そして着火遅れ時間が所定値よりも長くなるにつれて、燃料噴射量が多くなるほど予混合圧縮着火燃焼を起こす燃料が多くなるため、各ピーク値の大きさに差が生じ始めてその差が大きくなっているものと考えられる。

このように、発明者らの鋭意研究の結果、予混合圧縮着火燃焼を実施したときの着火遅れ時間が或る所定値（第２閾値）よりも短い場合には、燃料噴射量を増減させても熱発生率パターンのピーク値、ひいては筒内圧力上昇率パターンのピーク値がほとんど変化しないことがわかった。

そこで本実施形態では、第２予混合時間Ｔｐｍ２に加えてさらに第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２を推定し、第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２が、図６を参照して説明した所定値に相当する第２閾値未満のときは、第２予混合時間Ｔｐｍ２が第１閾値以上となるように目標噴射量Ｑ２を減量して第２メイン燃料噴射Ｇ２の噴射期間を短くし、減量した分の燃料を第２メイン燃料噴射Ｇ２よりも後に実施されるアフタ燃料噴射Ｇ３によって噴射することとした。すなわち第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２が第２閾値未満のときは、第２予混合時間Ｔｐｍ２が所定値以上となるように目標噴射量Ｑ２からの減量量（以下「第２減量補正量」という。）ｑ２を算出し、アフタ燃料噴射Ｇ３の目標噴射量Ｑ２を第２減量補正量ｑ２に設定することとした。

一方で第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２が第２閾値以上のときに目標噴射量Ｑ２のみを減量してしまうと、筒内圧力上昇率パターンの第２ピーク値Ｐ２が低下してしまい、筒内圧力上昇率パターンを所望の形状に維持できなくなる。

そこで本実施形態では、第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２が第２閾値以上のときは、第２予混合時間Ｔｐｍ２が所定値以上となるように、かつ筒内圧力上昇率パターンを所望の形状に維持することができるように、目標噴射量Ｑ１及び目標噴射量Ｑ２のそれぞれを減量し、減量した分の燃料をアフタ燃料噴射Ｇ３によって噴射することとした。

この際、前述したように第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２は、第１着火遅れ時間Ｔｉｄ１よりも短くなる傾向にある。そのため、第２予混合時間Ｔｐｍ２が第１閾値以上となるように目標噴射量Ｑ２から減量した燃料量と同量の燃料を目標噴射量Ｑ１から減量してしまうと、着火遅れ時間の短い第２メイン燃料が燃焼したときの熱発生によって生じる熱発生率パターンの二山目の燃焼波形Ｘ２のピーク値に対して、着火遅れ時間の長い第１メイン燃料が燃焼したときの熱発生によって生じる熱発生率パターンの一山目の燃焼波形Ｘ１のピーク値が大幅に低下してしまう。その結果、筒内圧力上昇率パターンの第１ピーク値Ｐ１が第２ピーク値Ｐ２よりも大幅に小さくなってしまい、筒内圧力上昇率パターンを所望の形状に維持できなくなる。

したがって、筒内圧力上昇率パターンを所望の形状に維持するためには、目標噴射量Ｑ１からの減量量（以下「第１減量補正量」という。）ｑ１を、第２減量補正量（目標噴射量Ｑ２からの減量量）ｑ２よりも少なくする必要がある。そこで本実施形態では、第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２が第２閾値以上のときは、第２予混合時間Ｔｐｍ２が第２閾値以上となる第２減量補正量ｑ２を算出し、第１減量補正量ｑ１と第２減量補正量ｑ２との比が、第１着火遅れ時間Ｔｉｄ１と第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２との比の逆比となるように、すなわちｑ１：ｑ２＝１／Ｔｉｄ１：１／Ｔｉｄ２（＝Ｔｉｄ２：Ｔｉｄ１）となるように、第２減量補正量ｑ２、第１着火遅れ時間Ｔｉｄ１、及び第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２に基づいて第１減量補正量ｑ１を算出することとした。

これにより、第１着火遅れ時間Ｔｉｄ１、及び第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２のそれぞれの長さに応じた適切な第１減量補正量ｑ１を算出することができる。そのため、第２予混合時間Ｔｐｍ２を確保して排気エミッションの悪化を抑制することができると共に、筒内圧力上昇率パターンの第１ピーク値Ｐ１及び第２ピーク値Ｐ２の変化をほぼ同じ程度に調節することができるので、予混合圧縮着火燃焼を実施したときの筒内圧力上昇率パターンの形状を所望の形状に維持することができる。

図７は、この本実施形態による燃焼制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット２００は、本ルーチンを機関運転中に所定の演算周期で繰り返し実行する。

ステップＳ１において、電子制御ユニット２００は、クランク角センサ２２２の出力信号に基づいて算出された機関回転速度と、負荷センサ２２１によって検出された機関負荷と、を読み込み、機関運転状態を検出する。

ステップＳ２において、電子制御ユニット２００は、第１メイン燃料噴射Ｇ１の目標噴射量Ｑ１、及び第２メイン燃料噴射Ｇ２の目標噴射量Ｑ２を設定する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、予め実験等によって作成されたテーブルを参照し、少なくとも機関負荷に基づいて、目標噴射量Ｑ１、及び目標噴射量Ｑ２を設定する。

ステップＳ３において、電子制御ユニット２００は、第１メイン燃料噴射Ｇ１の目標噴射時期Ａ１、及び第２メイン燃料噴射Ｇ２の目標噴射時期Ａ２を設定する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、予め実験等によって作成されたテーブルを参照し、機関運転状態に基づいて、目標噴射時期Ａ１、及び目標噴射時期Ａ２を設定する。

ステップＳ４において、電子制御ユニット２００は、第１着火遅れ時間Ｔｉｄ１、及び第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２を推定する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、圧縮開始時（例えば吸気弁閉時期やピストンが下死点に位置しているとき）における吸入空気量や吸気圧力、吸気温度、ＥＧＲ率などの筒内環境状態に基づいて、着火遅れ時間の予測モデル（例えばLivengood-Wuの積分式を利用した予測モデル等）を使用して、第１着火遅れ時間Ｔｉｄ１、及び第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２を推定している。

ステップＳ５において、電子制御ユニット２００は、第２予混合時間Ｔｐｍ２を算出する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、まず目標噴射時期Ａ２と第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２とに基づいて、第２メイン燃料の推定着火時期を算出する。次に電子制御ユニット２００は、目標噴射量Ｑ２と目標噴射時期Ａ２とに基づいて、第２メイン燃料噴射Ｇ２の噴射終了時期を算出する。そして電子制御ユニット２００は、第２メイン燃料噴射Ｇ２の噴射終了時期から第２メイン燃料の推定着火時期までを第２予混合時間Ｔｐｍ２として算出する。

ステップＳ６において、電子制御ユニット２００は、第２予混合時間Ｔｐｍ２が所定の第１閾値以上か否かを判定する。前述したように第１閾値は、第２予混合時間Ｔｐｍ２が当該第１閾値以上であれば、排気中のスモークを許容範囲内に収めることが可能な値に設定される。電子制御ユニット２００は、第２予混合時間Ｔｐｍ２が第１閾値以上であれば、特に目標噴射量Ｑ２を減量する必要がないので、ステップＳ７の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、第２予混合時間Ｔｐｍ２が第１閾値未満であれば、ステップＳ８の処理に進む。

ステップＳ７において、電子制御ユニット２００は、第１メイン燃料噴射Ｇ１、第２メイン燃料噴射Ｇ２を行って予混合圧縮着火燃焼を実施する。

ステップＳ８において、電子制御ユニット２００は、第２予混合時間Ｔｐｍ２が第１閾値以上となるように、第２減量補正量ｑ２を算出する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、第１閾値からステップＳ５で算出した第２予混合時間Ｔｐｍ２を減算し、その減算した期間中に第２メイン燃料噴射Ｇ２によって噴射される燃料量を、第２減量補正量ｑ２として算出する。

ステップＳ９において、電子制御ユニット２００は、第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２が所定の第２閾値未満か否かを判定する。前述したように第２閾値は、第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２が当該第２閾値未満であれば、目標噴射量Ｑ２が変化しても熱発生率パターンのピーク値にほとんど変化が見られない値に設定される。電子制御ユニット２００は、第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２が第２閾値未満であれば、ステップＳ１０の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、第２着火遅れ時間が第２閾値以上であれば、ステップＳ１１の処理に進む。

ステップＳ１０において、電子制御ユニット２００は、目標噴射量Ｑ２を補正する。具体的には電子制御ユニット２００は、目標噴射量Ｑ２から第２減量補正量ｑ２を減算する。

ステップＳ１１において、電子制御ユニット２００は、アフタ燃料噴射Ｇ３の目標噴射量Ｑ３を第２減量補正量ｑ２に設定すると共に、機関運転状態に基づいてアフタ燃料噴射Ｇ３の目標噴射時期Ａ３を設定する。

ステップＳ１２において、電子制御ユニット２００は、第１メイン燃料噴射Ｇ１、第２メイン燃料噴射Ｇ２、及びアフタ燃料噴射Ｇ３を行って予混合圧縮着火燃焼を実施する。

ステップＳ１３において、電子制御ユニット２００は、筒内圧力上昇率パターンが所望の形状に維持されるように、第１減量補正量ｑ１を算出する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、第１減量補正量ｑ１と第２減量補正量ｑ２との比が、第１着火遅れ時間Ｔｉｄ１と第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２との比の逆比となるように、すなわちｑ１：ｑ２＝１／Ｔｉｄ１：１／Ｔｉｄ２（＝Ｔｉｄ２：Ｔｉｄ１）となるように、第２減量補正量ｑ２、第１着火遅れ時間Ｔｉｄ１、及び第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２に基づいて第１減量補正量ｑ１を算出する。

ステップＳ１４において、電子制御ユニット２００は、目標噴射量Ｑ１、及び目標噴射量Ｑ２を補正する。具体的には電子制御ユニット２００は、目標噴射量Ｑ１から第１減量補正量ｑ１を減算し、目標噴射量Ｑ２から第２減量補正量ｑ２を減算する。

ステップＳ１５において、電子制御ユニット２００は、アフタ燃料噴射Ｇ３の目標噴射量Ｑ３を減量補正量ｑ１と減量補正量ｑ２との合計量に設定すると共に、機関運転状態に基づいてアフタ燃料噴射Ｇ３の目標噴射時期Ａ３を設定する。

以上説明した本実施形態によれば、機関本体１と、機関本体１の燃焼室１１内で燃焼させるための燃料を噴射する燃料噴射弁２０と、を備える内燃機関１００を制御する電子制御ユニット２００（制御装置）が、燃焼室１１内で段階的に２回の熱発生を生じさせて、筒内圧力上昇率の時間的変化を示す圧力波形（筒内圧力上昇率パターン）が二山形状となるように、少なくとも第１メイン燃料噴射Ｇ１と第２メイン燃料噴射Ｇ２とを順次実施して燃料を予混合圧縮着火燃焼させる燃焼制御部を備える。

そして燃焼制御部は、第２メイン燃料噴射Ｇ２によって噴射される燃料の空気との予混合時間の推定値である第２予混合時間Ｔｐｍ２を算出する第２予混合時間算出部を備え、第２予混合時間Ｔｐｍ２が所定の第１閾値未満のときは、第２予混合時間Ｔｐｍ２が第１閾値以上となるように第２メイン燃料噴射Ｇ２の噴射量を減量すると共に、第２メイン燃料噴射Ｇ２の後にアフタ燃料噴射Ｇ３を実施し、第２メイン燃料噴射Ｇ２の噴射量から減量した分の燃料をアフタ燃料噴射Ｇ３によって噴射するように構成されている。

これにより、第２予混合時間Ｔｐｍ２が第１閾値未満となるのを抑制して、第２予混合時間Ｔｐｍ２を確保することができるので、第２メイン燃料と空気の予混合度合いが不十分になってしまうのを抑制できる。そのため、燃料濃度の高い予混合気が燃焼してしまうのを抑制できるので、スモークの原因となる煤の生成を抑制して排気エミッションの悪化を抑制することができる。

このとき本実施形態では、第２予混合時間Ｔｐｍ２を、第２メイン燃料噴射Ｇ２の終了時から第２メイン燃料噴射Ｇ２によって噴射された燃料が着火するまでの時間としているので、第２メイン燃料と空気の予混合度合いを精度良く判断することができる。

また本実施形態による燃焼制御部は、第２メイン燃料噴射Ｇ２によって噴射される燃料の着火遅れ時間（第２メイン燃料噴射Ｇ２の開始時から当該第２メイン燃料噴射Ｇ２によって噴射された燃料が着火するまでの時間）の推定値である第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２を算出する第２着火遅れ時間算出部をさらに備え、筒内圧力上昇率の時間的変化を示す圧力波形（筒内圧力上昇率パターン）の一山目の第１ピーク値Ｐ１と、二山目の第２ピーク値Ｐ２と、の比であるピーク比ＰＲが所定範囲内に収まるように、第１メイン燃料噴射Ｇ１と第２メイン燃料噴射Ｇ２とを順次実施し、第２予混合時間Ｔｐｍ２が第１閾値未満であり、かつ第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２が所定の第２閾値以上のときは、第２予混合時間Ｔｐｍ２が第１閾値以上となるように第１メイン燃料噴射Ｇ１、及び第２メイン燃料噴射Ｇ２のそれぞれの噴射量を減量すると共に、第２メイン燃料噴射Ｇ２の後にアフタ燃料噴射Ｇ３を実施し、第１メイン燃料噴射Ｇ１、及び第２メイン燃料噴射Ｇ２のそれぞれの噴射量から減量した分の燃料をアフタ燃料噴射Ｇ３によって噴射し、第１メイン燃料噴射Ｇ１の噴射量からの減量量（第１減量補正量ｑ１）を、第２メイン燃料噴射Ｇ２の噴射量からの減量量（第２減量補正量ｑ２）よりも少なくするように構成されている。

このように、筒内圧力上昇率パターンのピーク比ＰＲが所定範囲内に収まるように第１メイン燃料噴射Ｇ１と第２メイン燃料噴射Ｇ２とを順次実施している場合において、第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２が第２閾値以上になるときに第２メイン燃料噴射Ｇ２の噴射量を変化させると、筒内圧力上昇率パターンの第２ピーク値Ｐ２が大きく変化してしまう。

そして第１着火遅れ時間Ｔｉｄ１は第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２よりも長くなる傾向にあり、着火遅れ時間が長くなるほど噴射量を変化させたときの熱発生率パターンのピーク値、ひいては筒内圧力上昇率パターンのピーク値の変化は大きくなる。

したがって、第１減量補正量ｑ１を第２減量補正量ｑ２よりも少なくすることで、筒内圧力上昇率パターンの第１ピーク値Ｐ１の変化量と、第２ピーク値Ｐ２の変化量とが大きく相違してしまうのを抑制することができる。そのため、排気エミッションの悪化を抑制しつつ、筒内圧力上昇率パターンの形状が所望の形状から大きく変化してしまうのを抑制することができるので、燃焼騒音の悪化も抑制することができる。

より詳細には燃焼制御部は、第１メイン燃料噴射Ｇ１によって噴射される燃料の着火遅れ時間（第１メイン燃料噴射Ｇ１の開始時から当該第１メイン燃料噴射Ｇ１によって噴射された燃料が着火するまでの時間）の推定値である第１着火遅れ時間Ｔｉｄ１を算出する第１着火遅れ時間算出部をさらに備え、第１メイン燃料噴射Ｇ１の噴射量からの減量量（減量補正量ｑ１）と、前記第２予混合時間Ｔｐｍ２が第１閾値以上となるように算出された第２メイン燃料噴射Ｇ２の噴射量からの減量量（減量補正量ｑ２）との比が、第１着火遅れ時間Ｔｉｄ１と、第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２との比の逆比となるように、第１メイン燃料噴射Ｇ１の噴射量からの減量量を設定するように構成されている。

これにより、減量補正量ｑ１が減量補正量ｑ２よりも少なくなるように、第１着火遅れ時間Ｔｉｄ１、及び第２着火遅れ時間Ｔｉｄ２のそれぞれの長さに基づいて、減量補正量ｑ１を適切な量に設定することができる。そのため、筒内圧力上昇率パターンの第１ピーク値Ｐ１、及び第２ピーク値Ｐ２の変化をほぼ同じ程度に調節することができるので、予混合圧縮着火燃焼を実施したときの筒内圧力上昇率パターンの形状を所望の形状に維持することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば上記の実施形態において、第１メイン燃料噴射Ｇ１及び第２メイン燃料噴射Ｇ２に加えて、パイロット噴射やプレ噴射等のメイン燃料噴射以外の燃料噴射を実施するようにしても良い。

１ 機関本体
１１ 燃焼室
２０ 燃料噴射弁
１００ 内燃機関
２００ 電子制御ユニット（制御装置）

Claims (3)

1. 機関本体と、
   前記機関本体の燃焼室内で燃焼させるための燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   を備える内燃機関を制御するための内燃機関の制御装置であって、
   前記燃焼室内で段階的に２回の熱発生を生じさせて、筒内圧力上昇率の時間的変化を示す圧力波形が二山形状となるように、少なくとも第１メイン燃料噴射と第２メイン燃料噴射とを順次実施して燃料を予混合圧縮着火燃焼させる燃焼制御部を備え、
   前記燃焼制御部は、
   前記第２メイン燃料噴射によって噴射される燃料の空気との予混合時間の推定値である第２予混合時間を算出する第２予混合時間算出部を備え、
   前記第２予混合時間が所定の第１閾値未満のときは、前記第２予混合時間が前記第１閾値以上となるように前記第２メイン燃料噴射の噴射量を減量すると共に、前記第２メイン燃料噴射の後にアフタ燃料噴射を実施し、前記第２メイン燃料噴射の噴射量から減量した分の燃料を前記アフタ燃料噴射によって噴射し、
   前記第２予混合時間は、前記第２メイン燃料噴射の終了時から当該第２メイン燃料噴射によって噴射された燃料が着火するまでの時間である、
   内燃機関の制御装置。
2. 前記燃焼制御部は、
   前記第２メイン燃料噴射によって噴射される燃料の着火遅れ時間の推定値である第２着火遅れ時間を算出する第２着火遅れ時間算出部をさらに備え、
   前記圧力波形の一山目の第１ピーク値と、二山目の第２ピーク値と、の比であるピーク比が所定範囲内に収まるように、前記第１メイン燃料噴射と前記第２メイン燃料噴射とを順次実施し、
   前記第２予混合時間が前記第１閾値未満であり、かつ前記第２着火遅れ時間が所定の第２閾値以上のときは、前記第２予混合時間が前記第１閾値以上となるように前記第１メイン燃料噴射、及び前記第２メイン燃料噴射のそれぞれの噴射量を減量すると共に、前記アフタ燃料噴射を実施し、前記第１メイン燃料噴射、及び前記第２メイン燃料噴射のそれぞれの噴射量から減量した分の燃料を前記アフタ燃料噴射によって噴射し、
   前記第１メイン燃料噴射の噴射量からの減量量を、前記第２メイン燃料噴射の噴射量からの減量量よりも少なくし、
   前記第２着火遅れ時間は、前記第２メイン燃料噴射の開始時から当該第２メイン燃料噴射によって噴射された燃料が着火するまでの時間である、
   請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記燃焼制御部は、
   前記第１メイン燃料噴射によって噴射される燃料の着火遅れ時間の推定値である第１着火遅れ時間を算出する第１着火遅れ時間算出部をさらに備え、
   前記第１メイン燃料噴射の噴射量からの減量量と、前記第２予混合時間が前記第１閾値以上となるように算出された前記第２メイン燃料噴射の噴射量からの減量量との比が、前記第１着火遅れ時間と、前記第２着火遅れ時間との比の逆比となるように、前記第１メイン燃料噴射の噴射量からの減量量を設定し、
   前記第１着火遅れ時間は、前記第１メイン燃料噴射の開始時から当該第１メイン燃料噴射によって噴射された燃料が着火するまでの時間である、
   請求項２に記載の内燃機関の制御装置。

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