JP2004197599A - 予混合圧縮着火内燃機関 - Google Patents
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Abstract
【課題】１サイクルに複数回の燃料を噴射する圧縮着火内燃機関において予混合燃焼する場合に、過早着火の発生を抑制し、内燃機関の運転負荷にかかわらず安定した燃焼を可能とする。
【解決手段】主たる燃料を噴射する主燃料噴射弁と、前記主たる燃料より早い時期に副燃料を噴射し、燃焼室内に該副燃料と空気との予混合気を形成する副燃料噴射弁と、少なくとも前記燃焼室内に形成される予混合気の空燃比に基づいて該予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるとき（Ｓ１００、Ｓ１０１、Ｓ１０２）に、前記燃焼室内に分布する予混合気の空燃比が所定の空燃比を回避する（Ｓ１０３）ことで該予混合気の着火時期を遅らせる空燃比調整手段と、を備える。
【選択図】図４
【解決手段】主たる燃料を噴射する主燃料噴射弁と、前記主たる燃料より早い時期に副燃料を噴射し、燃焼室内に該副燃料と空気との予混合気を形成する副燃料噴射弁と、少なくとも前記燃焼室内に形成される予混合気の空燃比に基づいて該予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるとき（Ｓ１００、Ｓ１０１、Ｓ１０２）に、前記燃焼室内に分布する予混合気の空燃比が所定の空燃比を回避する（Ｓ１０３）ことで該予混合気の着火時期を遅らせる空燃比調整手段と、を備える。
【選択図】図４
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、予混合圧縮着火内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料を圧縮着火燃焼させる内燃機関では、機関運転領域の高負荷側でのノッキング発生と低負荷側での燃焼の不安定化の何れかの点から運転領域が限られてしまうため、例えば、内燃機関の運転条件が高負荷時には耐ノック性を有する燃料を供給し、内燃機関の運転条件が低負荷時には着火性の良い燃料を供給することによって、高負荷運転時のノッキング発生の抑制と低負荷運転時の燃焼安定性の確保とを両立させることが考えられる。
【０００３】
このように、複数種類の燃料を内燃機関の運転条件に応じて供給する手段の一つとして、内燃機関の運転負荷に従って、複数種類の燃料の混合比率を調整することで燃焼室内における燃料のオクタン価（軽油であればセタン価）を、該運転負荷に適した値とすることで、内燃機関における安定した燃焼を得る手段が開示されている（例えば、特許文献１参照）
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１７９３６８号公報
【特許文献２】
特開２００１−２０７６５号公報
【特許文献３】
特開２００１−１５２８５３号公報
【特許文献４】
特開平１１−３５１０９１号公報
【特許文献５】
特開２００１−３２３８３３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、圧縮着火内燃機関において、排出されるＮＯｘの抑制と排気スモークの発生の抑制を目的として、予混合燃焼が行われる場合がある。この予混合燃焼は、一般に燃料を燃焼室内に吸気行程中もしくは圧縮行程中に噴射することで、燃焼室内により均一な予混合気を形成させる。この均一な予混合気が燃焼する場合、火炎温度が低く抑えられるためＮＯｘの生成が抑制される。さらに、この予混合気は燃料と空気が均一に混合しているため、十分な量の酸素の存在下で燃料が燃焼することになり、従って、酸素不足下での燃焼に起因するスモークの発生も抑制される。
【０００６】
ところが、複数種類の燃料を使用する圧縮着火内燃機関において、上記予混合燃焼を行う場合、圧縮着火内燃機関において圧縮行程上死点近傍において発生すべき燃料の着火燃焼が、予混合気の空燃比によっては、圧縮行程上死点近傍より早期に開始されるいわゆる過早着火が生じる虞がある。特に、使用する燃料が着火しやすい性質を有し、内燃機関の運転負荷が高負荷時である場合は、特に過早着火の虞が大きくなる。過早着火が生じることにより、燃焼室内の圧力が急激に上昇し、内燃機関に大きな衝撃や騒音が生じる結果となる。
【０００７】
そこで、前記課題に鑑み、本発明では、１サイクルに複数回の燃料を噴射する圧縮着火内燃機関において予混合燃焼する場合に、過早着火の発生を抑制し、内燃機関の運転負荷にかかわらず安定した燃焼を可能とする予混合圧縮着火内燃機関を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した課題を解決するために以下のような手段を採用した。即ち、予混合圧縮着火内燃機関であって、主たる燃料を噴射する主燃料噴射弁と、前記主たる燃料より早い時期に副燃料を噴射し、燃焼室内に該副燃料と空気との予混合気を形成する副燃料噴射弁と、少なくとも前記燃焼室内に形成される予混合気の空燃比に基づいて該予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときに、前記燃焼室内に分布する予混合気の空燃比が所定の空燃比を回避することで該予混合気の着火時期を遅らせる空燃比調整手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
前記副噴射および前記主噴射における燃料噴射の態様については、両噴射ともに前記燃焼室内に直接に噴射を行う場合の他に、前記副噴射については、内燃機関の吸気ポートにおいて副燃料を噴射し、該副燃料が、吸気行程において吸気弁が開弁されることによって燃焼室内へ吸入されるようにしてもよい。
【００１０】
更に、前記副噴射が行われる時期は、副噴射燃料が前記燃焼室内へ直接噴射される場合には、内燃機関の運転負荷や燃焼サイクルにおいて前記主噴射より早い時期に迎える吸気行程または圧縮行程であるが、該吸気行程直前の排気行程時でも構わない。また副噴射は複数回に分けて行われてもよい。また、副噴射燃料が吸気ポートにおいて噴射される場合は、一般に吸気行程において吸気弁が開弁される以前となる。前記副噴射によって噴射された燃料が、予混合気を形成することとなる。
【００１１】
ここで、該予混合気の着火性は該予混合気の空燃比に大きく依存する。即ち、該予混合気の空燃比が理論空燃比近傍であるときは、該予混合気は非常に着火しやすい状態であるため過早着火の虞が非常に高いと考えられ、該予混合気の空燃比がリーン側もしくはリッチ側へとなるに従い、該予混合気の着火性は低くなり、過早着火の虞は低下すると考えられる。そこで、少なくとも該予混合気の空燃比に基づいて該予混合気の着火時期を判定する。該予混合気は経時的に前記燃焼室内において変動するため、少なくとも時間をパラメータとして空燃比を検出することが好ましい。該予混合気の着火時期の判定、換言すると該予混合気の過早着火の可能性の判定の基礎となる空燃比については、該予混合気の一部において過早着火が発生すると、そこを起点として連鎖的に燃料の燃焼爆発が発生することを考慮すると、複数の空燃比センサ等で検出する場合は、検出される空燃比において最も過早着火の可能性が高い空燃比の値、即ち最も理論空燃比に近い空燃比の値を着火時期の判定の基礎とするのが最も好ましい。ただし、複数箇所の空燃比センサ等の値の平均値を、着火時期の判定の基礎としても、該予混合気の過早着火の判定は可能と考えられる。
【００１２】
また少なくとも前記燃焼室内に形成される予混合気の空燃比に基づいて該予混合気の着火時期が、所定の時期よい早いか否かが判定されるが、ここで該所定の時期より早い時期とは予混合気の着火が過早着火となりうる程度に早い時期を意味し、具体的には主噴射によって噴射された燃料が着火する以前の時期をいう。
【００１３】
ここで、該予混合気の着火時期の判定において、該予混合気の空燃比だけではなく、前記副噴射および前記主噴射による各燃料噴射量、前記副噴射および前記主噴射の各噴射時期、該予混合気の空燃比ではなく前記主噴射後の前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比等に基づいて、該予混合気の着火時期、即ち、該予混合気の着火が過早着火となりうるかを判定してもよい。
【００１４】
該予混合気の着火時期の判定において、該予混合気の着火が過早着火となると判定される場合は、前記空燃比調整手段によって前記燃焼室内の混合気の空燃比を調整することによって該予混合気の着火性を低減する。即ち前記空燃比調整手段によって燃焼室内の空燃比を調整し、該予混合気の着火時期が遅くなる空燃比とすることで、該予混合気の過早着火を回避する。
【００１５】
従って、上述の予混合圧縮着火内燃機関であっては、副燃料噴射弁から副燃料が噴射され、該副燃料によって予混合気が形成される。その後、該予混合気の着火時期が判定され、その着火時期が所定の時期より早い、即ち該予混合気の過早着火が生じると判定されると、前記空燃比調整手段によって、前記燃焼室内の空燃比を調整し過早着火の発生を抑止する。これにより、内燃機関の運転負荷にかかわらず安定した燃焼が可能となる。
【００１６】
ここで、前記空燃比調整手段として、前記予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときは、副燃料の噴射量を減量するとともに主たる燃料の噴射量を増量することで、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比を調整する手段が考えられる。
【００１７】
これは、該予混合気の過早着火が起こると判定される場合は、該予混合気を形成する副燃料の噴射量を減量することで、該予混合気の過早着火を抑止するものである。即ち、副燃料の噴射量を低減することで、該予混合気の空燃比がリーン側へと移行する結果となるため、該予混合気の過早着火が抑止されるものである。ここで、副燃料の噴射量を減量することで、内燃機関が発揮する出力が低減することになる。そこで、内燃機関が発揮する出力を、副燃料の噴射量の低減以前と同等とするために、前記主噴射による噴射量を増加する。これにより、該予混合気の過早着火を抑止し安定した燃焼保持するとともに、内燃機関の出力を一定に保持することが可能となる。
【００１８】
更に、前記副噴射および前記主噴射によって噴射された燃料の燃焼によって発生する煤を再燃焼させて粒状物質の低減を図るために、前記主噴射より遅い時期に燃料の噴射が行われる後噴射を行う場合がある。そのような場合における前記空燃比調整手段として、次の手段が考えられる。後噴射を行う予混合圧縮着火内燃機関において、前記予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときは、前記副燃料を減量するとともに前記後噴射による噴射量もしくは前記後噴射が行われる噴射時期の少なくとも何れかを補正する。
【００１９】
これにより、該予混合気の過早着火が起こると判定される場合は、該予混合気を形成する副燃料の噴射量を減量することで、該予混合気の過早着火を抑止するとともに、前記後噴射による噴射量もしくは噴射時期の少なくとも何れかを補正する。即ち、先述したように該予混合気の過早着火抑止のために減量された副燃料の噴射量に相当する内燃機関の出力を補完するために、前記後噴射の噴射量もしくは噴射時期の少なくとも何れかを補正するものである。ここで、前記後噴射は、前記主噴射より遅い時期に行われる燃料噴射であるため、前記後噴射時期によって噴射された燃料が完全に燃焼されない虞がある。そこで、前記後噴射の噴射量によっては、前記後噴射の噴射時期も補正する必要がある。これにより、該予混合気の過早着火を抑止し安定した燃焼保持するとともに、内燃機関の出力を一定に保持し、且つ前記後噴射による粒状物質の低減を図ることが可能となる。
【００２０】
ここで、前記空燃比調整手段によって、主たる燃料の噴射量、または前記後噴射による噴射量もしくは噴射時期を補正する場合において、前記主噴射は一定の期間に行われなければならない。即ち、前記空燃比調整手段によって、主たる燃料の噴射量が増量された場合、主たる燃料の噴射に要する時間は延長されることになるが、前記主噴射後に前記後噴射が実行される場合、前記主噴射は前記後噴射開始以前に終了しなければならない。また、前記後噴射が実行されない場合であっても、前記主噴射の噴射時間が延長されることで、噴射された燃料が完全燃焼されない虞があるため、噴射された燃料が完全燃焼されうる時期までに前記主噴射を終了させる必要がある。そこで、このような場合における、前記空燃比調整手段として、以下の手段が考えられる。
【００２１】
前記主噴射による燃料噴射が所定の時期までに終了しないときは、主噴射時の噴射圧もしくは噴射開始時期の少なくとも何れかを補正することで、前記主噴射による燃料噴射が所定の時期までに終了する。
【００２２】
ここで、所定の時期とは、先述したように、前記後噴射が実行される場合はその実行までの時期であり、前記後噴射が実行されない場合であれば、前記主噴射によって噴射された燃料が燃焼しうるまでの時期を意味する。従って、前記主噴射が所定の時期までに噴射を終了しない場合は、前記主噴射時の噴射圧を増加し、前記主噴射に要する時間の短縮を図る。また、前記主噴射の開始時期を早めることで、前記主噴射を所定の時期までに終了させる。尚、前記主噴射の噴射圧と噴射開始時期を同時に補正してもよい。これにより、前記主噴射を確実に実行させることが可能となり、該予混合気の過早着火を抑止し安定した燃焼保持するとともに、内燃機関の出力を一定に保持し、また前記後噴射が実行される場合は、前記後噴射による粒状物質の低減を図ることが可能となる。
【００２３】
ここで、前記空燃比調整手段の別の手段として、前記予混合圧縮着火内燃機関において、更に、前記燃焼室内へ流入する吸気量を調整する吸気量調整手段を有し、前記空燃比調整手段は、前記予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときは、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比以上である場合は前記吸気量調整手段による吸気量を増量し、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比より低い場合は前記吸気量調整手段による吸気量を減量することで、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比を調整する手段が考えられる。
【００２４】
これは、該予混合気の過早着火が起こると判定される場合は、前記吸気量調整手段によって前記燃焼室内に流入する吸気量を変更することで燃焼室内に形成される予混合気の空燃比を調整し、該予混合気の過早着火を抑止するものである。即ち、過早着火が発生すると判断される場合であって、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比以上である場合は前記吸気量調整手段によって吸気量を増量することで、前記燃焼室内の予混合気の空燃比をリーン側へ移行することにより、該予混合気の着火時期を遅らせ該予混合気の過早着火を抑止する。一方で、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比より低い場合は前記吸気量調整手段によって吸気量を減量することで、前記燃焼室内の予混合気の空燃比をリッチ側へ移行することにより、該予混合気の着火時期を遅らせ該予混合気の過早着火を抑止する。
【００２５】
前記所定の空燃比とは、前記燃焼室内の予混合気の空燃比を調整する際に、リーン側へ移行させるか、またはリッチ側へ移行させるかを判断させるための基準となる空燃比である。該予混合気の過早着火を抑止するためには、前記燃焼室内の予混合気の空燃比をリーン側もしくはリッチ側の何れかに移行すればよいが、前記燃焼室の空燃比によってはリーン側又はリッチ側の何れか一方への移行の方がより容易である場合が考えられる。そこで、前記吸気量調整手段に応じた空燃比を所定の空燃比として設定すればよい。
これにより、内燃機関の運転負荷にかかわらず安定した燃焼が可能となる。
【００２６】
ここで、前記吸気量調整手段として、前記予混合圧縮着火内燃機関の吸気通路に設けられた過給器が考えられる。前記過給器による過給量を増加することにより前記燃焼室への吸気量を増加し、更に前記過給器による過給量を減少することにより前記燃焼室への吸気量を減少することで、前記燃焼室内の予混合気の空燃比を調整し、内燃機関の運転負荷にかかわらず安定した燃焼が可能となる。
【００２７】
また、別の吸気量調整手段として、前記燃焼室における吸気弁の開閉特性を変更する可変動弁機構が考えられる。前記可変動弁機構を介して少なくとも前記吸気弁の開弁時間を遅くするか又は前記吸気弁のリフト量を大きくするかの何れか一によって前記燃焼室への吸気量を増加し、更に前記可変動弁機構によって少なくとも前記吸気弁の開弁時間を早くするか又は前記吸気弁のリフト量を小さくするかの何れか一によって前記燃焼室への吸気量を減少する。
【００２８】
前記可変動弁機構を介して、該吸気弁の開弁時間を遅くすることによって、前記燃焼室内の圧力と吸気管内の圧力の差が増大する。そのときに、該吸気弁を開弁すると増大した圧力差によって、前記燃焼室内へ空気が急激に流入する。その結果、前記燃焼室内の予混合気の空燃比をリーン側へ移行することにより、該予混合気の着火時期を遅らせ該予混合気の過早着火を抑止する。逆に、該吸気弁の開弁時間を早くすることによって、前記燃焼室内の圧力と吸気管内の圧力の差が低下するため、前記燃焼室内への空気の流入が緩和される。その結果、前記燃焼室内の予混合気の空燃比がリッチ側へ移行することになり、該予混合気の着火時期を遅らせ該予混合気の過早着火を抑止する。
【００２９】
また、前記可変動弁機構を介して、該吸気弁のリフト量を大きくすることによって、空気が前記燃焼室内に流入する際の空気抵抗を小さくすることになる。そうすると、該吸気弁の開弁に伴い、前記燃焼室内へ多量の空気が流入する。その結果、前記燃焼室内の予混合気の空燃比をリーン側へ移行することにより、該予混合気の着火時期を遅らせ該予混合気の過早着火を抑止する。逆に、該吸気弁のリフト量を小さくすることによって、空気が前記燃焼室内に流入する際の空気抵抗を大きくすることになる。そうすると、該吸気弁の開弁に伴い、前記燃焼室内への空気の流入量が減少する。その結果、前記燃焼室内の予混合気の空燃比をリッチ側へ移行することにより、該予混合気の着火時期を遅らせ該予混合気の過早着火を抑止する。
【００３０】
従って、前記可変動弁機構によって、前記燃焼室内の予混合気の空燃比を調整し、内燃機関の運転負荷にかかわらず安定した燃焼が可能となる。また、前記可変動弁機構を介して吸気弁の開弁時期およびリフト量をともに調整してもよい。
【００３１】
また、別の吸気量調整手段として、前記予混合圧縮着火内燃機関の吸気通路に設けられた吸気絞り弁が考えられ、前記吸気絞り弁の開度を大きくすることで前記燃焼室への吸気量を増加し、更に前記吸気絞り弁の開度を小さくすることにより前記燃焼室への吸気量を減少することで、前記燃焼室内の予混合気の空燃比を調整し、内燃機関の運転負荷にかかわらず安定した燃焼が可能となる。
【００３２】
ここで、前記空燃比調整手段の別の手段として、前記予混合圧縮着火内燃機関において、更に、前記燃焼室内の旋回流を制御する旋回流制御手段を有し、前記空燃比調整手段は、前記予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときは、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比以上である場合は前記旋回流制御手段によって前記燃焼室内の旋回流の強度を増加し、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比より低い場合は前記旋回流制御手段によって前記燃焼室内の旋回流の強度を低下することで、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比を調整する手段が考えられる。
【００３３】
これは、該予混合気の過早着火が起こると判定される場合は、前記旋回流制御手段によって前記燃焼室内に発生する旋回流の強度を制御することで、前記燃焼室内の燃料と空気との混合の程度を調整することで前記燃焼室内に形成される予混合気の空燃比を調整し、該予混合気の過早着火を抑止するものである。即ち、過早着火が発生すると判断される場合であって、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比以上である場合は前記旋回流制御手段によって前記燃焼室内に発生する旋回流の強度を大きくすることで、前記燃焼室内における燃料と空気との混合を促進させ、前記燃焼室内での局所的な空燃比の偏りを抑え、より均一な空燃比分布とすることで、過早着火の発生を回避する。一方で、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比より低い場合は前記旋回流制御手段によって該旋回流の強度を弱め、前記燃焼室内における燃料と空気との混合を抑制し、部分的な空燃比をよりリッチ側へ移行させることで、過早着火の発生を回避する。ここで、所定の空燃比とは、前述の通りである。
これにより、内燃機関の運転負荷にかかわらず安定した燃焼が可能となる。
【００３４】
ここで、前記空燃比調整手段の別の手段として、前記予混合圧縮着火内燃機関において、更に、前記副噴射における噴射方向を変更する副噴射方向変更手段を有し、前記空燃比調整手段は、前記予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときは、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比以上である場合は前記副噴射方向変更手段によって前記副噴射における噴射方向を前記主噴射における噴射方向から遠ざけ、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比より低い場合は前記副噴射方向変更手段によって前記副噴射における噴射方向を前記主噴射における噴射方向に近づけることで、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比を調整する手段が考えられる。
【００３５】
これは、該予混合気の過早着火が起こると判定される場合は、前記副噴射方向変更手段によって、前記副噴射によって形成される予混合気の前記燃焼室内における位置を調整することで、予混合気の過早着火を抑止するものである。即ち、前記副噴射と前記主噴射によって燃焼室内に噴射される各々の燃料の量は同一であっても、前記副噴射で噴射される燃料によって形成される予混合気と、前記主噴射で噴射される燃料によって形成される混合気の相対的な位置関係によって、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比分布は異なる。
【００３６】
従って、予混合気の過早着火が発生すると判断される場合であって、前記燃焼室内に形成される予混合気の空燃比が所定の空燃比以上である場合は前記副噴射方向変更手段によって前記主噴射の噴射方向と前記副噴射の噴射方向を遠ざけることによって、両噴射によって形成される混合気の相対的な位置関係が遠ざかることにより局所的な空燃比が上がり、以て空燃比分布をリーン側へと移行させることで、過早着火の発生を回避する。一方で、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比より低い場合は前記副噴射方向変更手段によって前記主噴射の噴射方向と前記副噴射の噴射方向を近づけることによって、両噴射によって形成される混合気の相対的な位置関係が近づくことにより局所的な空燃比が下がり、以て空燃比分布をリッチ側へと移行させることで、過早着火の発生を回避する。
【００３７】
ここで、１サイクルに複数回の燃料を噴射する圧縮着火内燃機関において予混合燃焼する場合に、過早着火の発生を抑制し、内燃機関の運転負荷にかかわらず安定した燃焼を可能とする予混合圧縮着火内燃機関を提供するその他の手段として、以下に示す手段が考えられる。即ち、主たる燃料を噴射する主燃料噴射弁と、前記主たる燃料より早い時期に副燃料を噴射し、燃焼室内に該副燃料と空気との予混合気を形成する副燃料噴射弁と、前記燃焼室における圧縮比を変更可能とする可変圧縮比手段と、を備え、少なくとも前記燃焼室内に形成される予混合気の空燃比に基づいて該予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときに、前記可変圧縮比手段によって前記燃焼室内における圧縮比を調整する手段である。
【００３８】
尚、前記可変圧縮比手段とは、前記燃焼室における圧縮比を変更可能とするものであり、具体的には内燃機関におけるピストンのストロークを制御することによって前記燃焼室における圧縮比を一定の範囲で変更するものである。これにより、前記予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判断される場合、即ち予混合気の着火が過早着火となると判断される場合、前記可変圧縮比手段によって前記内燃機関の圧縮比を低減させる。圧縮比が低減すると、圧縮に伴う前記燃焼室内の温度上昇の程度が小さくなるため、以て該予混合気の過早着火を回避することが可能となる。ここで、前記燃焼室内の圧縮比を低減するにあたり、前記燃焼室内の空燃比に従い適度に圧縮比を低減することで、前記主噴射や前記副噴射によって噴射された燃料が未燃状態として残ることを回避するのが好ましい。
【００３９】
ここで、１サイクルに複数回の燃料を噴射する圧縮着火内燃機関において予混合気を形成する場合に、該予混合気の過早着火の発生を抑制し、内燃機関の運転負荷にかかわらず安定した燃焼を可能とする予混合圧縮着火内燃機関を提供するその他の手段として、以下に示す手段が考えられる。即ち、主たる燃料を噴射する主燃料噴射弁と、前記主たる燃料より早い時期に副燃料を噴射し、燃焼室内に該副燃料と空気との予混合気を形成する副燃料噴射弁と、前記燃焼室内への吸気における酸素濃度を調整する酸素濃度調整手段と、を備え、少なくとも前記燃焼室内に形成される予混合気の空燃比に基づいて該予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときに、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比以上である場合は前記酸素濃度調整手段によって該吸気における酸素濃度を増加し、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比より低い場合は前記酸素濃度調整手段によって該吸気における酸素濃度を低減する手段である。
【００４０】
尚、前記酸素濃度調整手段とは、前記燃焼室内部の酸素濃度を調整するものであり、例えば酸素富化装置が考えられる。これは、その内部に酸素透過膜を備え、酸素透過膜によって酸素を多く透過させて高濃酸素空気を得るものである。またこの他にも、例えばゼオライトなどによって空気中の窒素を吸着して酸素濃度を高める窒素吸着法を採用した酸素富化装置でも良い。
【００４１】
本手段においては、前記予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判断される場合、即ち予混合気の着火が過早着火となると判断される場合、前記酸素濃度調整手段によって前記燃焼室へ流入する吸気に含まれる酸素濃度が調整される。即ち、過早着火が発生すると判断される場合であって、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比以上である場合は前記酸素濃度調整手段によって該吸気における酸素濃度を増加させる。これにより、前記燃焼室内の酸素濃度が上がることで、実質的に前記燃焼室内の空燃比分布がリーン側へ移行するのと同等の効果を得る。以て前記燃焼室内での過早着火を回避する。一方で、過早着火が発生すると判断される場合であって、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比より低い場合は前記酸素濃度調整手段によって該吸気における酸素濃度を低減させる。これにより、前記燃焼室内の酸素濃度が下がることで、実質的に前記燃焼室内の空燃比分布がリッチ側へ移行するのと同等の効果を得る。以て前記燃焼室内での過早着火を回避する。
【００４２】
これまでに主たる燃料を噴射する主燃料噴射弁と、副燃料を噴射する副燃料噴射弁とを備える予混合圧縮着火内燃機関における課題の解決手段を示したが、これらの課題の解決手段は前記主燃料噴射弁と前記副燃料噴射弁は、一の燃料噴射弁から構成される予混合圧縮着火内燃機関においても、同様に適用が可能である。このような場合においても、先述までと同様に予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判断される場合、即ち予混合気の着火が過早着火となると判断される場合、前記燃焼室における空燃比分布を制御し、または前記燃焼室における圧縮比を制御し、または前記燃焼室における酸素濃度を制御することで、予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
【００４３】
更に、主たる燃料の性状と副燃料の性状が相異なる場合の他にも、同一の性状である場合においても先述までの課題の解決手段は適用が可能である。このような場合においても、先述までと同様に予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判断される場合、即ち予混合気の着火が過早着火となると判断される場合、前記燃焼室における空燃比分布を制御し、または前記燃焼室における圧縮比を制御し、または前記燃焼室における酸素濃度を制御することで、予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施例＞
ここで、本発明に係る予混合圧縮着火内燃機関の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、本発明が適用される圧縮着火式の内燃機関１およびその制御系統の概略構成を表すブロック図である。また図２は内燃機関１における燃焼室３２近傍の概略構成を示す図である。
【００４５】
内燃機関１は、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する主燃料噴射弁３を備えている。各主燃料噴射弁３は、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室４と接続されている。前記蓄圧室４は、燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。前記燃料ポンプ６からは主たる燃料（以後、「主燃料」という）が吐出され、該吐出された主燃料は燃料供給管５を介して蓄圧室４へ供給され、蓄圧室４にて所定圧に蓄圧されて各気筒２の主燃料噴射弁３へ分配される。そして、主燃料噴射弁３に駆動電流が印加されると、主燃料噴射弁３が開弁し、その結果、主燃料噴射弁３から気筒２内へ主燃料が噴射される。ここで主燃料とは、圧縮着火式の内燃機関１において、主に気筒２における燃焼サイクルが圧縮上死点近傍において噴射される燃料である。
【００４６】
次に、内燃機関１には、吸気枝管１１が接続されており、吸気枝管１１の各枝管は、各気筒２の燃焼室３２と、吸気ポート１１ｂを介して連通している。ここで、吸気ポート１１ｂに、予混合気を形成する副燃料を噴射する副燃料噴射弁７が備えられている。各副燃料噴射弁７は、燃料を所定圧に蓄圧する蓄圧室８と接続されている。前記蓄圧室８は、燃料供給管９を介して燃料ポンプ１０と連通している。前記燃料ポンプ１０からは副燃料が吐出され、該吐出された副燃料は燃料供給管９を介して蓄圧室８へ供給され、蓄圧室８にて所定圧に蓄圧されて各気筒２の副燃料噴射弁７へ分配される。そして、副燃料噴射弁７に駆動電流が印加されると、副燃料噴射弁７が開弁し、その結果、副燃料噴射弁７から吸気ポート１１ｂ内へ副燃料が噴射され、吸気行程において気筒２の燃焼室３２内に吸入される。
【００４７】
ここで、図２には内燃機関１における燃焼室３２近傍の概略構造が示されている。気筒２には燃焼室３２内に形成される混合気の空燃比を検出する空燃比センサ２３（図１参照）が備えられている。図２に示す気筒２においては、主燃料噴射弁３近傍に空燃比センサ２３ａ、燃焼室側部に空燃比センサ２３ｂおよび２３ｃが備えられており、燃焼室３２内に分布する混合気の空燃比を各部位において検出する。
【００４８】
図１に戻って、前記吸気枝管１１は吸気管１２に接続されている。吸気管１２には、該吸気管１２内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ１３が取り付けられている。前記吸気管１２における吸気枝管１１の直上流に位置する部位には、該吸気管１２内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁１４が設けられている。この吸気絞り弁１４には、ステップモータ等で構成されて該吸気絞り弁１４を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１５が取り付けられている。
【００４９】
ここで、エアフローメータ１３と吸気絞り弁１４との間に位置する吸気管１２には、排気のエネルギを駆動源として作動する遠心過給機（ターボチャージャ）２１のコンプレッサハウジング２１ａが設けられ、コンプレッサハウジング２１ａより下流の吸気管１２には、前記コンプレッサハウジング２１ａ内で圧縮されて高温となった吸気を冷却するためのインタークーラ２２設けられている。このように構成された吸気系では、吸気は、吸気管１２を介してコンプレッサハウジング２１ａに流入する。コンプレッサハウジング２１ａに流入した吸気は、該コンプレッサハウジング２１ａに内装されたコンプレッサホイールの回転によって圧縮される。前記コンプレッサハウジング２１ａ内で圧縮されて高温となった吸気は、インタークーラ２２にて冷却された後、必要に応じて吸気絞り弁１４によって流量を調節されて吸気枝管１１に流入する。吸気枝管１１に流入した吸気は、各枝管を介して各気筒２の燃焼室３２へ分配され、各気筒２の主燃料噴射弁３および副燃料噴射弁７から噴射された主燃料と副燃料を着火源として燃焼される。
【００５０】
一方、内燃機関１には、排気枝管１８が接続され、排気枝管１８の各枝管が排気ポート１８ｂを介して各気筒２の燃焼室３２と連通している。前記排気枝管１８は、前記遠心過給機２１のタービンハウジング２１ｂと接続されている。前記タービンハウジング２１ｂは、排気管１９と接続され、この排気管１９は、下流にてマフラー（図示省略）に接続されている。このように構成された排気系では、内燃機関１の各気筒２で燃焼された混合気（既燃ガス）が排気ポート１８ｂを介して排気枝管１８へ排出され、次いで排気枝管１８から遠心過給機２１のタービンハウジング２１ｂへ流入する。タービンハウジング２１ｂに流入した排気は、排気が持つエネルギを利用してタービンハウジング２１ｂ内に回転自在に支持されたタービンホイールを回転させる。その際、タービンホイールの回転トルクは、前述したコンプレッサハウジング２１ａのコンプレッサホイールへ伝達される。
【００５１】
前記排気管１９の途中には、内燃機関から排出される排気を浄化する排気浄化触媒２０が設けられている。排気浄化触媒２０の下流の排気管１９には、該排気管１９内を流通する排気の流量を調節する排気絞り弁１６が設けられている。この排気絞り弁１６には、ステップモータ等で構成されて該排気絞り弁１６を開閉駆動する排気絞り用アクチュエータ１７が取り付けられている。
【００５２】
前記タービンハウジング２１ｂから排出された排気は、排気管１９を介して排気浄化触媒２０へ流入し、排気中の粒子状物質が捕集され且つ有害ガス成分が除去又は浄化される。排気浄化触媒２０にて粒子状物質が捕集され且つ有害ガス成分が除去又は浄化された排気は、必要に応じて排気絞り弁１６によって流量を調節された後にマフラーを介して大気中に放出される。
【００５３】
ここで、主燃料噴射弁３および副燃料噴射弁７は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ：Electronic Control Unitと呼ぶ）２５からの制御信号によって開閉動作を行う。即ち、ＥＣＵ２５からの指令によって、主燃料の噴射時期および噴射量と、副燃料の噴射時期および噴射量が制御される。また、空燃比センサ２３ａ、２３ｂおよび２３ｃは電気的にＥＣＵ２５と接続されており、各空燃比センサによって検出された空燃比がＥＣＵ２５へ読み込まれる。
【００５４】
このように構成される気筒２においては、排気行程後期においてＥＣＵ２５から副燃料噴射弁７に対して副燃料の噴射指令が出され、副燃料が吸気ポート１１ｂ内に噴射される。その後の吸気行程において、吸気弁３１が開弁し、副燃料が燃焼室３２へと吸入され、ピストン３０の下降に伴い副燃料が燃焼室３２内に拡散し、予混合気を形成する。さらに圧縮行程においてピストン３０が上昇し、その上死点近傍において、ＥＣＵ２５から主燃料噴射弁３に対して主燃料の噴射指令が出され、主燃料が燃焼室３２内へ噴射される。その後、噴射された燃料が着火燃焼し、排気行程において、排気ポート１８ｂを介して、排気枝管１８へ排気が排出される。尚、吸気弁３１には、該吸気弁の開弁時期、リフト量等の吸気弁の開閉特性を可変とする可変動弁機構３３が接続されている。
【００５５】
ここで、図３において、燃焼室３２の内部に形成される混合気の概略図および、該混合気の空燃比の分布が示されている。図３（ａ）は主燃料噴射後における気筒３２内に形成される混合気の概略的な分布を示すものである。副燃料噴射弁７によって噴射された副燃料は主燃料より早い時期に噴射されているため、燃焼室３２内において広く拡散し、予混合気３２ａを形成する。一方で、主燃料噴射弁３によって噴射された主燃料は、主燃料噴射弁３を中心として一定の範囲に分布し、主燃料混合気３２ｂを形成する。
【００５６】
このように形成された予混合気３２ａおよび主燃料混合気３２ｂにおいて、概ね主燃料混合気３２ｂの中心点である点Ｏから一定の方向における混合気の空燃比の変化を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）の横軸は点Ｏからの距離を、縦軸は混合気の空燃比を表している。ここで、予混合気３２ａは点Ｏからの距離がＸ２までの範囲において形成され、主燃料混合気３２ｂは点Ｏからの距離がＸ１までの範囲において形成されているものとする。従って、図３（ｂ）において、曲線Ｌ１は主燃料混合気３２ｂの空燃比変化を、曲線Ｌ２は予混合気３２ａの空燃比変化を表す。
【００５７】
ここで、混合気の空燃比が理論空燃比の近傍にある場合、該混合気の着火性がよくなるため、燃焼サイクルにおいて圧縮行程の後期、即ち圧縮行程上死点まで行程が進まなくても、例えば圧縮行程の初中期であって燃焼室３２内の温度が最高温度まで上昇していない場合であっても、その時点で既に燃焼室内に形成されている予混合気３２ａが着火するいわゆる過早着火が生じる虞がある。その過早着火が発生する空燃比を、図３（ｂ）において、Ａ／Ｆ１からＡ／Ｆ２の範囲（以後、「過早着火空燃比範囲」という。）で表す。従って、図３（ｂ）に示す空燃比分布を有する予混合気３２ａは、その予混合比分布曲線Ｌ２の点Ｐ１から点Ｐ２の範囲において、過早着火空燃比範囲に属していることになるため、主燃料が噴射される以前において、副燃料が過早着火する虞がある。そこで、予混合気３２ａの空燃比分布が過早着火空燃比範囲に属さないように、その空燃比を調整することで、予混合気３２ａの過早着火を回避することができる。
【００５８】
ここで、図４に予混合気３２ａの空燃比分布が過早着火空燃比範囲に属さないように、その空燃比を調整する予混合時噴射量制御のフローチャートを示す。予混合時噴射量制御は、ＥＣＵ２５によって繰り返し実行される制御であり、ＥＣＵ２５によって本制御が実行されることは本発明における空燃比調整手段に相当する。
【００５９】
Ｓ１００において、周辺部空燃比ＡＦｓｒの検出を行う。ここで、周辺部空燃比ＡＦｓｒとは、燃焼室３２内に分布する予混合気の空燃比であって、燃焼室３２に設けられた３台の空燃比センサ２３ａ、２３ｂ、２３ｃから得られるそれぞれの空燃比である。また、本実施例においては、空燃比センサの台数は３台であるが、台数を増加することによって燃焼室３２内に形成される予混合気の空燃比分布を正確に判断できるため、より確実に予混合気の過早着火を回避するには空燃比センサの台数増加は好ましい。Ｓ１００の処理が終了すると、Ｓ１０１へ進む。
【００６０】
Ｓ１０１では、全混合気空燃比ＡＦｔの検出を行う。ここで、全混合気空燃比ＡＦｔとは、副燃料噴射弁７によって噴射された副燃料および主燃料噴射弁３によって噴射された主燃料と、吸気行程によって燃焼室３２に吸入された吸気量から導出される空燃比であって、燃焼室３２の内部における空燃比分布を考慮した空燃比とは異なる。Ｓ１０１の処理が終了すると、Ｓ１０２へ進む。
【００６１】
Ｓ１０２では、少なくともＳ１００およびＳ１０１で検出した空燃比ＡＦｓｒとＡＦｔを基に燃焼室３２の内部で、予混合気の過早着火が生じるか否かを判定する。ここで、予混合気の過早着火の判定の一例について、図５に基づいて説明する。図５は、予混合気の過早着火とＳ１００において検出された周辺部空燃比ＡＦｓｒとの関係を概略的に示した図である。図５の横軸は、副噴射燃料弁７によって噴射される一ストロークあたりの副燃料の噴射量Ｑｓを、図５の縦軸は、周辺部空燃比ＡＦｓｒを表している。また、図５中のＲ１からＲ７は、副燃料の噴射量Ｑｓと周辺部空燃比ＡＦｓｒで定義される領域であり、図５中のＦ１およびＦ２は、それぞれ領域Ｒ２とＲ３との境界を決定する着火判定関数ｆ１、領域Ｒ５とＲ６との境界を決定する着火判定関数ｆ２によって決定される領域の境界線である。着火判定関数ｆ１およびｆ２については後述する。尚、予混合気の過早着火の判定において、その判定基準となる空燃比は、本実施例に示す空燃比の値（図５の縦軸に示される値）に限られず、内燃機関に用いられる燃料の性状等に従って、変更される。
【００６２】
ここで、空燃比点ＡＦＰを用いて、予混合気３２ａの過早着火の判定について、図５に基づいて説明する。空燃比点ＡＦＰは、Ｓ１００で検出した周辺部空燃比ＡＦｓｒと副燃料の噴射量Ｑｓによって決定される点であり、この際の空燃比点ＡＦＰは最も過早着火が起こりやすい部位における空燃比、即ち最も理想空燃比に近い空燃比を有する部位の空燃比を意味する。Ｓ１０２においては、この空燃比点ＡＦＰがＲ１からＲ７のどの領域に属するかによって、予混合気の過早着火を判定する。具体的には、周辺部空燃比ＡＦｓｒの値が、１４以上１６以下の範囲である場合、副燃料の噴射量Ｑｓにかかわらず、常に空燃比点ＡＦＰは領域Ｒ１に属する。ここで、領域Ｒ１に属するということは、予混合気３２ａの何れかの部位において、空燃比が理論空燃比近傍であるため、非常に過早着火しやすい状態にあることを意味する。この領域Ｒ１を、以後「常時過早着火領域」というものとする。従って、この場合、Ｓ１０２において、予混合気３２ａが過早着火すると判定される。
【００６３】
次に、周辺部空燃比ＡＦｓｒの値が１６より大きく２５未満の範囲である場合、空燃比点ＡＦＰは領域Ｒ２もしくはＲ３の何れかに属する。ここで、領域Ｒ２に属するということは、周辺部空燃比ＡＦｓｒの値が１６より大きく２５未満の範囲であっても、副燃料の噴射量Ｑｓの値との関係で予混合気の過早着火が生じ得る状態にあることを意味する。この領域Ｒ２を、以後「リーン側過早着火領域」というものとする。従って、この場合、Ｓ１０２において、予混合気が過早着火すると判定される。一方で、領域Ｒ３に属するということは、周辺部空燃比ＡＦｓｒの値が１６より大きく２５未満の範囲であっても、副燃料の噴射量Ｑｓの値との関係で予混合気の過早着火は生じ得ない状態にあることを意味する。この領域Ｒ３を、以後「リーン側非過早着火領域」というものとする。従って、この場合、Ｓ１０２において、予混合気３２ａは過早着火しないと判定される。
【００６４】
ここで、領域Ｒ２と領域Ｒ３との境界線であるＦ１を決定する着火判定関数ｆ１は、周辺部空燃比ＡＦｓｒおよび副噴射の噴射量Ｑｓに加えて、主噴射による主燃料の噴射量、その噴射時期、およびＳ１０１で検出される全混合気空燃比ＡＦｔを基に、混合気の過早着火に関する副燃料の噴射量Ｑｓと周辺部空燃比ＡＦｓｒとの相対関係、即ちリーン側過早着火領域Ｒ２とリーン側非過早着火領域Ｒ３との境界線を決定する関数である。
【００６５】
次に、周辺部空燃比ＡＦｓｒの値が、２５以上の範囲である場合、副燃料の噴射量Ｑｓにかかわらず、常に空燃比点ＡＦＰは領域Ｒ４に属する。ここで、領域Ｒ４に属するということは、予混合気３２ａの何れの部位においても、空燃比が非常にリーンであるため、過早着火が生じにくい状態にあることを意味する。この領域Ｒ４を、以後、領域Ｒ３と同様、「リーン側非過早着火領域」というものとする。従って、この場合、Ｓ１０２において、予混合気３２ａは過早着火しないと判定される。
【００６６】
次に、周辺部空燃比ＡＦｓｒの値が１０以上１４未満の範囲である場合、空燃比点ＡＦＰは領域Ｒ５もしくはＲ６の何れかに属する。ここで、領域Ｒ５に属するということは、周辺部空燃比ＡＦｓｒの値が１０以上１４未満の範囲であっても、副燃料の噴射量Ｑｓの値との関係で予混合気３２ａの過早着火が生じ得る状態にあることを意味する。この領域Ｒ５を、以後「リッチ側過早着火領域」というものとする。従って、この場合、Ｓ１０２において、予混合気３２ａが過早着火すると判定される。一方で、領域Ｒ６に属するということは、周辺部空燃比ＡＦｓｒの値が１０以上１４未満の範囲であっても、副燃料の噴射量Ｑｓの値との関係で予混合気３２ａの過早着火は生じ得ない状態にあることを意味する。この領域Ｒ６を、以後「リッチ側非過早着火領域」というものとする。従って、この場合、Ｓ１０２において、予混合気は過早着火しないと判定される。
【００６７】
ここで、領域Ｒ５と領域Ｒ６との境界線であるＦ２を決定する着火判定関数ｆ２は、周辺部空燃比ＡＦｓｒおよび副噴射の噴射量Ｑｓに加えて、主噴射による主燃料の噴射量、その噴射時期、およびＳ１０１で検出される全混合気空燃比ＡＦｔを基に、混合気の過早着火に関する副燃料の噴射量Ｑｓと周辺部空燃比ＡＦｓｒとの相対関係、即ちリッチ側過早着火領域Ｒ５とリッチ側非過早着火領域Ｒ６との境界線を決定する関数である。
【００６８】
次に、周辺部空燃比ＡＦｓｒの値が、１０未満の範囲である場合、副燃料の噴射量Ｑｓにかかわらず、常に空燃比点ＡＦＰは領域Ｒ７に属する。ここで、領域Ｒ７に属するということは、予混合気３２ａの何れの部位においても、空燃比が非常にリッチであるため、過早着火が生じにくい状態にあることを意味する。この領域Ｒ７を、以後、領域Ｒ６と同様、「リッチ側非過早着火領域」というものとする。従って、この場合、Ｓ１０２において、予混合気３２ａは過早着火しないと判定される。
【００６９】
Ｓ１０２において、予混合気３２ａが過早着火すると判定されるとＳ１０３へ進み、予混合気３２ａが過早着火しないと判定されるとＳ１０５へ進む。
【００７０】
Ｓ１０３においては、副噴射による副燃料の噴射量Ｑｓを減量する。これにより、副燃料によって形成される予混合気３２ａの空燃比をリーン側に移行させることによって、予混合気３２ａの過早着火を回避することが可能である。即ち、空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１、リーン側過早着火領域Ｒ２およびリッチ側過早着火領域Ｒ５の何れかに属している場合は、副燃料の噴射量Ｑｓを減量させることで、空燃比点ＡＦＰをリーン側非過早着火領域Ｒ３もしくはＲ４に属するようにするものである。Ｓ１０３の処理が終了すると、Ｓ１０４へ進む。
【００７１】
Ｓ１０４においては、主噴射による主燃料の噴射量Ｑｍを調整する。これは、Ｓ１０３の処理によって副燃料の噴射量を減量したままでは、内燃機関１の出力が減少するため、内燃機関１の出力を調整するために主燃料の噴射量Ｑｍを調整するものである。主燃料の噴射量Ｑｍの調整にあたって、主燃料と副燃料の燃料性状の違い、および噴射時期の違いを考慮する。即ち、燃料性状が異なることによって、同量の噴射量であっても、燃焼によって生じるトルクは異なってくるため、主燃料の噴射量Ｑｍの補正が必要となる。また、副噴射と主噴射とでは、噴射時期が異なり、燃焼室３２内における燃料の燃焼の様子が異なる。そのため、たとえ同一の燃料性状を有する燃料であっても、噴射時期が異なることによって、内燃機関１の出力への寄与度は異なってくるため、主燃料の噴射量Ｑｍの補正が必要となる。Ｓ１０４の処理が終了すると、再度Ｓ１００へ進み、周辺部空燃比等が検出され、過早着火の判定が行われる。
【００７２】
Ｓ１０５においては、主噴射による主燃料の噴射が所定のリミット時期までに終了するか否か判断される。一般に、主噴射は圧縮行程上死点近傍において行われるが、噴射時間が長くなるほど燃焼室３２の内部の温度が低下していくため、主燃料の噴射が可能となる所定のリミット時期までに主燃料の噴射を終えておく必要がある。特に、Ｓ１０４において主燃料の噴射量Ｑｍが増量されると、主燃料の噴射に要する時間が多くなるため、主燃料の噴射が所定のリミット時期までに終了するかを判断する必要性が高まる。具体的には、主噴射の噴射開始時期、主燃料の噴射量、主噴射における噴射圧を考慮して判断する。Ｓ１０５において、主燃料の噴射が所定のリミット時期までに終了すると判断されればＳ１０７へと進み、主燃料の噴射が所定のリミット時期までに終了しないと判断されればＳ１０６へと進む。
【００７３】
Ｓ１０６では、主燃料の噴射が所定のリミット時期までに終了するために、主噴射の補正が行われる。具体的には、主噴射開始時期を進角側に移行させることで主噴射の終了する時期を所定のリミット時期以前とする。また、主噴射における噴射圧を増加することで、主燃料の噴射に要する時間を短縮する。尚、主噴射開始時期を進角側に移行させるとともに、主噴射における噴射圧を増加させてもよい。Ｓ１０６の処理が終了すると、Ｓ１０７へ進む。
【００７４】
Ｓ１０７においては、所定の時期において、副燃料噴射弁７より副燃料が噴射される。これにより予混合気３２ａが形成される。Ｓ１０７の処理が終了すると、Ｓ１０８へ進む。Ｓ１０８においては、主燃料噴射弁３より主燃料が噴射される。Ｓ１０８の処理が終了すると、再度Ｓ１００の処理から順次行われる。
【００７５】
本制御によると、燃焼室３２の内部の空燃比分布に従って、副噴射によって形成された予混合気３２ａの過早着火を判断し、過早着火が生じると判定されるときは、副燃料の噴射量が減量されることで、予混合気３２ａの空燃比をリーン側へ移行させることで、該予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
また、本実施例においては、主燃料噴射弁３によって主燃料が、副燃料噴射弁７によって副燃料が噴射されるが、主燃料の燃料性状と副燃料の燃料性状とは、各々の噴射弁による噴射の目的に応じて違えてもよく、また同一の性状であっても各々の噴射弁による噴射の目的を達成できる場合は、両燃料の性状を同一としても構わない。以降に示すその他の実施例においても、同様である。
【００７６】
＜第２の実施例＞
ここで、予混合気３２ａの空燃比分布が過早着火空燃比範囲に属さないようにその空燃比を調整する予混合時噴射量制御の別の実施例を、図６にフローチャートで示す。該予混合時噴射量制御は、ＥＣＵ２５によって繰り返し実行される制御であり、ＥＣＵ２５によって本制御が実行されることは本発明における空燃比調整手段に相当する。
【００７７】
本制御は、内燃機関１において後噴射を行う場合にＥＣＵ２５によって実行される制御である。ここで、後噴射とは、主燃料を噴射する主噴射の後に行われる燃料噴射であり、主噴射もしくは主噴射の前に行われる副噴射によって噴射された燃料から発生した煤を、再度燃焼させることで煤の発生を抑制するものである。特に、内燃機関１の運転負荷が中高負荷である場合は、主噴射または副噴射による煤の発生が増加するため、後噴射が好適に実行される。本実施例においては、後噴射は主燃料噴射弁３より噴射されるものとする。図６に示す予混合時噴射量制御は、後噴射を行う内燃機関１において、副噴射によって予混合気を形成する場合、該予混合気が過早着火を生じないように燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整するものであるが、図４に示す予混合時噴射量制御と重複する処理があるところは、図４と同一の参照番号を付することで、当該処理の説明を省略する。
【００７８】
Ｓ１０２において、予混合気が過早着火すると判定されると、Ｓ１０３において副燃料の噴射量Ｑｓが減量され、その後Ｓ１０９へ進む。Ｓ１０９においては、後噴射燃料の噴射量Ｑａおよび噴射時期を調整する。これは、Ｓ１０３の処理によって副燃料の噴射量を減量したままでは、内燃機関１の出力が減少するため、内燃機関１の出力を調整するために後噴射燃料の噴射量Ｑａを調整するものである。後噴射燃料の噴射量Ｑａの調整にあたって、後噴射燃料と副燃料の燃料性状の違い、および噴射時期の違いを考慮する。即ち、燃料性状が異なることによって、同量の噴射量であっても、燃焼によって生じるトルクは異なってくるため、後噴射燃料の噴射量Ｑａの補正が必要となる。また、副噴射と後噴射とでは、噴射時期が異なり、燃焼室３２内における燃料の燃焼の様子が異なる。そのため、同一の燃料性状を有する燃料であっても、噴射時期が異なることによって、内燃機関１の出力への寄与度は異なってくるため、後噴射燃料の噴射量Ｑａの補正が必要となる。Ｓ１０９の処理が終了すると、Ｓ１１０へ進む。
【００７９】
Ｓ１１０では、主燃料の噴射量Ｑｍを調整する。本制御では、Ｓ１０９において、副噴射燃料の噴射量Ｑｓの減量に対応する後噴射燃料の噴射量Ｑａの調整を行っている。従って、Ｓ１０９において副燃料の噴射量Ｑｓの減量による内燃機関１の出力の低減を十分に後噴射量の噴射量Ｑａの補正で補償できれば、Ｓ１１０において主燃料の噴射量Ｑｍの調整を行う必要はない。一方で、Ｓ１０９において副燃料の噴射量Ｑｓの減量による内燃機関１の出力の低減を十分に後噴射量の噴射量Ｑａの補正で補償できなければ、即ち、後噴射において噴射可能な最大噴射量を超える燃料を補正する必要がある場合は、その最大噴射量を超える燃料は、主噴射において噴射されるようにする。その場合、先述のＳ１１０と同様に、燃料性状の違いや噴射時期の違いを考慮する。
【００８０】
また、主噴射が終了すべき所定の時期は、後噴射が開始される時期となるため、Ｓ１０５においては主噴射が後噴射の開始される時期までに終了するか否かを判定する。その後、Ｓ１０７、Ｓ１０８において、副噴射および主噴射が実行される。Ｓ１０８の処理が終了するとＳ１１１において後噴射が実行される。Ｓ１１１の処理が終了すると、再度Ｓ１００の処理から順次行われる。
【００８１】
本制御によると、燃焼室３２の内部の空燃比分布に従って、副噴射によって形成された予混合気の過早着火を判断し、過早着火が生じると判定されるときは、副燃料の噴射量が減量されることで、予混合気の空燃比をリーン側へ移行させることで、該予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
【００８２】
＜第３の実施例＞
ここで、予混合気３２ａの空燃比分布が過早着火空燃比範囲に属さないようにその空燃比を調整する予混合時過給量制御の実施例を、図７にフローチャートで示す。該予混合時過給量制御は、ＥＣＵ２５によって繰り返し実行される制御であり、ＥＣＵ２５によって本制御が実行されることは本発明における空燃比調整手段に相当する。
【００８３】
図７に示す予混合時過給量制御は、内燃機関１の有する遠心過給器２１が可変ノズル式遠心過給器である場合において、副噴射によって予混合気を形成する場合、該予混合気が過早着火を生じないように燃焼室３２の内部に流入する吸気量を制御することで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整するものである。ここで、図４に示す予混合時噴射量制御と重複する処理があるところは、図４と同一の参照番号を付することで、当該処理の説明を省略する。
【００８４】
Ｓ１０２において、予混合気が過早着火しないと判定されると、Ｓ１０７およびＳ１０８へ順次進み、副燃料、主燃料の噴射が行われる。一方で、Ｓ１０２において、予混合気が過早着火すると判定されると、Ｓ１２０へと進み、以降燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整する処理が行われる。
【００８５】
Ｓ１２０において、図５における空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているか否かが判断される。空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していると判断されるとＳ１２１へ進み、空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していない、即ちリーン側過早着火領域Ｒ２もしくはリッチ側過早着火領域Ｒ５に属していると判断されるとＳ１２２へ進む。
【００８６】
Ｓ１２１では、可変ノズル式遠心過給器のノズル開度を全開又は全閉とすることで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整する。ここで、可変ノズル式遠心過給器において、ノズル開度を全開とすると過給量が最小量となり、ノズル開度を全閉とすると過給量が最大量となる。空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位が存在しているため、過早着火が生じる可能性が極めて高い。従って、即座に空燃比点ＡＦＰを常時過早着火領域Ｒ１から離脱させる必要があると考えられる。
【００８７】
そこで、ノズル開度が全閉時の最大過給量を、内燃機関１の機関回転数毎に予めマップに記録しておき、Ｓ１２０において空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していると判断されると、その際の内燃機関１の機関回転数に基づいて、マップより導出されるノズル開度全閉時の最大過給によって、燃焼室３２の内部の空燃比分布をリーン側に移行させることで、予混合気の過早着火を回避させることができると判断される場合は、ノズル開度を全閉として過給量を最大とする。一方で、ノズル開度を全閉とすることで予混合気の過早着火を回避することができないと判断される場合は、ノズル開度を全開として過給量を最小とすることで、燃焼室３２の内部の空燃比分布をリッチ側へと移行させる。これにより、予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
【００８８】
Ｓ１２２においては、可変ノズル式遠心過給器のノズル開度を着火判定関数ｆ１
又はｆ２に従って調整することで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整する。空燃比点ＡＦＰがリーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位は存在してはいないが、リーン側であれば過早着火判定関数ｆ１、リッチ側であれば過早着火判定関数ｆ２に従って、予混合気の過早着火が生じる可能性が高いと判断される場合である。しかし、リーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５における予混合気の過早着火の可能性は、常時過早着火領域Ｒ１と比べて低いと考えられ、また過給量の急峻な変化による燃焼室３２への吸気量の変化は、特に主燃料の燃焼に与える影響が大きく、内燃機関１の機関出力が変動する虞がある。従って、Ｓ１２２では、予混合気の過早着火が発生すると判断されると、リーン側であれば、過早着火判定関数ｆ１に従い、リーン側過早着火領域Ｒ２からリーン側非過早着火領域Ｒ３もしくはＲ４へと移行するための過給量変化が最小となる過給量となるべきノズル開度に調整し、リッチ側であれば、過早着火判定関数ｆ２に従い、リッチ側過早着火領域Ｒ５からリッチ側非過早着火領域Ｒ６もしくはＲ７へと移行するための過給量変化が最小となる過給量となるべきノズル開度に調整する。
【００８９】
Ｓ１２１またはＳ１２２の処理が終了すると、Ｓ１０７、Ｓ１０８において、副噴射および主噴射が実行される。Ｓ１０８の処理が終了すると、再度Ｓ１００の処理から順次行われる。
【００９０】
本制御によると、燃焼室３２の内部の空燃比分布に従って、副噴射によって形成された予混合気の過早着火を判断し、過早着火が生じると判定されるときは、可変ノズル式遠心過給器のノズル開度を調整することで、燃焼室３２へ流入する吸気量を調整し、予混合気の空燃比をリーン側もしくはリッチ側へ移行させることで、該予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
【００９１】
また、本実施例では燃焼室３２へ流入する吸気量を調整する手段として可変ノズル式遠心過給器を採用するが、それに代えてモータアシスト過給器を採用することも可能である。モータアシスト過給器は、モータによってコンプレッサを強制回転させることで、過給量を増加、減少させることが可能となる。従って、遠心過給器のように内燃機関の排気を利用してコンプレッサを回転させないため、内燃機関の運転状況にかかわらず任意の過給を供給することが可能となる。
【００９２】
そこで、本実施例において可変ノズル式遠心過給器に代わってモータアシスト過給器を用いる場合は、図７に示す予混合時過給量制御におけるＳ１２１およびＳ１２２での可変ノズル式遠心過給器のノズル開度の調整に代わって、モータアシスト過給器のモータに対する駆動電圧を調整することで、該モータの回転数を調整し、以て予混合気の過早着火を回避するのに適した量の過給を、燃焼室３２へ供給すればよい。
【００９３】
＜第４の実施例＞
ここで、予混合気３２ａの空燃比分布が過早着火空燃比範囲に属さないようにその空燃比を調整する予混合時吸気弁制御の実施例を、図８にフローチャートで示す。該予混合時吸気弁制御は、ＥＣＵ２５によって繰り返し実行される制御であり、ＥＣＵ２５によって本制御が実行されることは本発明における空燃比調整手段に相当する。
【００９４】
図８に示す予混合時吸気弁制御は、内燃機関１においてＥＣＵ２５によって実行される制御であり、副噴射によって予混合気を形成する場合、該予混合気が過早着火を生じないように燃焼室３２の内部に流入する吸気量を制御することで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整するものである。ここで、図７に示す予混合時過給量制御と重複する処理があるところは、図７と同一の参照番号を付することで、当該処理の説明を省略する。
【００９５】
Ｓ１２０において、図５における空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているか否かが判断される。空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していると判断されるとＳ１３０へ進み、空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していない、即ちリーン側過早着火領域Ｒ２もしくはリッチ側過早着火領域Ｒ５に属していると判断されるとＳ１３１へ進む。
【００９６】
ここで、可変動弁機構３３によって吸気弁３１の開弁時期を遅らせることで、吸気行程におけるピストン３０の下降運動によって燃焼室３２内に発生する負圧が増大する。その結果、吸気弁３１が開弁するとともに多量の吸気が燃焼室３２の内部へ流入する。また、吸気弁３１のリフト量を大きくすることで、吸気ポート１１ｂと燃焼室３２の間における吸気の流れに対する抵抗が小さくなる。その結果、吸気弁３１の開弁に伴い、多量の吸気が燃焼室３２の内部へ流入することが可能となる。従って、可変動弁機構３３を介して吸気弁３１の開弁時期を遅らせるとともに、吸気弁のリフト量を大きくすることで、燃焼室３２に流入する吸気量をより増大させることになる。
【００９７】
このとき、Ｓ１３０では、可変動弁機構３３を介して吸気弁３１の開弁時期を最も遅くし、且つ吸気弁３１のリフト量を最大とすることで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整する。空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位が存在しているため、過早着火が生じる可能性が極めて高い。従って、即座に空燃比点ＡＦＰを常時過早着火領域Ｒ１から離脱させる必要があると考えられる。そこで、Ｓ１２０において空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していると判断されると、吸気弁３１の開弁とともに多量の吸気を燃焼室３２の内部へ導入することで、燃焼室３２の内部の空燃比分布をリーン側へと移行させる。これにより、予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
【００９８】
Ｓ１３１においては、吸気弁３１の開弁時期とリフト量を着火判定関数ｆ１
又はｆ２に従って調整することで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整する。空燃比点ＡＦＰがリーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位は存在してはいないが、リーン側であれば過早着火判定関数ｆ１、リッチ側であれば過早着火判定関数ｆ２に従って、予混合気の過早着火が生じる可能性が高いと判断される場合である。しかし、リーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５における予混合気の過早着火の可能性は、常時過早着火領域Ｒ１と比べて低いと考えられ、また燃焼室３２への吸気量の急峻な変化は、特に主燃料の燃焼に与える影響が大きく、内燃機関１の機関出力が変動する虞がある。従って、Ｓ１３１では、予混合気の過早着火が発生すると判断されると、リーン側であれば、過早着火判定関数ｆ１に従い、リーン側過早着火領域Ｒ２からリーン側非過早着火領域Ｒ３もしくはＲ４へと移行するための吸気量変化が最小となるように吸気弁３１の開弁時期およびリフト量となるべく可変動弁機構３３を制御し、リッチ側であれば、過早着火判定関数ｆ２に従い、リッチ側過早着火領域Ｒ５からリッチ側非過早着火領域Ｒ６もしくはＲ７へと移行するための吸気量変化が最小となるように吸気弁３１の開弁時期およびリフト量となるべく可変動弁機構３３を制御する。
【００９９】
Ｓ１３０またはＳ１３１の処理が終了すると、Ｓ１０７、Ｓ１０８において、副噴射および主噴射が実行される。Ｓ１０８の処理が終了すると、再度Ｓ１００の処理から順次行われる。
【０１００】
本制御によると、燃焼室３２の内部の空燃比分布に従って、副噴射によって形成された予混合気の過早着火を判断し、過早着火が生じると判定されるときは、可変動弁機構３３を介して吸気弁３１の開弁時期およびリフト量を調整することで、燃焼室３２へ流入する吸気量を調整し、予混合気の空燃比をリーン側もしくはリッチ側へ移行させることで、該予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
【０１０１】
＜第５の実施例＞
ここで、予混合気３２ａの空燃比分布が過早着火空燃比範囲に属さないようにその空燃比を調整する実施例を図９及び図１０に示す。図９は、燃焼室３２の内部に旋回流（以後、「スワール」という）を発生させるＳＣＶ（スワールコントロールバルブ）３５を含む気筒２近傍の概略図である。また、図１０は、前記ＳＣＶ３５を用いて予混合気の過早着火を回避する予混合時ＳＣＶ制御のフローを示すフローチャート図である。ここで、該予混合時ＳＣＶ制御は、ＥＣＵ２５によって繰り返し実行される制御であり、ＥＣＵ２５によって本制御が実行されることは本発明における空燃比調整手段に相当する。
【０１０２】
ここで、図９に基づきＳＣＶ３５の作用について説明する。図９に示す気筒２においては、燃焼室３２に２つの吸気弁３１を介してそれぞれに吸気ポート１１ｂが連通するとともに、２つの排気弁３４を介してそれぞれに排気ポート１８ｂが連通している。更に、２本の吸気ポート１１ｂの一方の途中に、該吸気ポートを流れる吸気の流量を調整するＳＣＶ３５が設けられている。このように構成される気筒２においては、ＳＣＶ３５の開度によっては、それぞれの吸気ポート１１ｂを流れる吸気量が相違することになる。その結果、それぞれの吸気弁３１の開弁によって燃焼室内へ流入する吸気量が相違するため、燃焼室３２の内部に旋回流（スワール）が発生する。このスワールの強度は、それぞれの吸気ポート１１ｂを流れる吸気量の差に応じて変化し、その吸気量の差が最大となるとき、即ちＳＣＶを全閉としたときが、スワールの強度は最も強くなる。
【０１０３】
図１０に示す予混合時ＳＣＶ制御は、ＳＣＶ３５を有する内燃機関１においてＥＣＵ２５によって実行される制御であり、副噴射によって予混合気を形成する場合、内燃機関１の有するＳＣＶ３５の開度を調整し、燃焼室３２内に発生するスワールの強度を調整することで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整するものである。ここで、図７に示す予混合時過給量制御と重複する処理があるところは、図７と同一の参照番号を付することで、当該処理の説明を省略する。
【０１０４】
Ｓ１２０において、図５における空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているか否かが判断される。空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していると判断されるとＳ１４０へ進み、空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していない、即ちリーン側過早着火領域Ｒ２もしくはリッチ側過早着火領域Ｒ５に属していると判断されるとＳ１４１へ進む。
【０１０５】
Ｓ１４０では、ＳＣＶ３５を全閉として燃焼室３２の内部に発生するスワールの強度を最大とすることで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整する。空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位が存在しているため、過早着火が生じる可能性が極めて高い。従って、即座に空燃比点ＡＦＰを常時過早着火領域Ｒ１から離脱させる必要があると考えられる。そこで、Ｓ１２０において空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していると判断されると、燃焼室３２の内部に発生するスワールの強度を最大とすることで、燃焼室３２の内部の空燃比分布において理論空燃比に近い空燃比を有する部位において即座に混合気を拡散させる。これにより、予混合気の過早着火を即座に回避することが可能となる。
【０１０６】
Ｓ１４１においては、ＳＣＶ３５の開度を着火判定関数ｆ１又はｆ２に従って調整することで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整する。空燃比点ＡＦＰがリーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位は存在してはいないが、リーン側であれば過早着火判定関数ｆ１、リッチ側であれば過早着火判定関数ｆ２に従って、予混合気の過早着火が生じる可能性が高いと判断される場合である。しかし、リーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５における予混合気の過早着火の可能性は、常時過早着火領域Ｒ１と比べて低いと考えられ、またＳＣＶ３５によって燃焼室３２の内部にスワールを発生させる一方で、ＳＣＶ３５の開度によってはポンピングロスによって内燃機関１における燃費が悪化する虞がある。従って、Ｓ１４１では、予混合気の過早着火が発生すると判断されると、リーン側であれば、過早着火判定関数ｆ１に従い、リーン側過早着火領域Ｒ２からリーン側非過早着火領域Ｒ３もしくはＲ４へと移行するためのスワール強度が得られるＳＣＶ３５の最大開度となるべくＳＣＶ３５を制御し、リッチ側であれば、過早着火判定関数ｆ２に従い、リッチ側過早着火領域Ｒ５からリッチ側非過早着火領域Ｒ６もしくはＲ７へと移行するためのスワール強度が得られるＳＣＶ３５の最大開度なるべくＳＣＶ３５を制御する。
【０１０７】
Ｓ１４０またはＳ１４１の処理が終了すると、Ｓ１４２へ進む。Ｓ１４２では、Ｓ１４０またはＳ１４１においてＳＣＶ３５の開度を変更したことにより、燃焼室３２の内部における予混合気の形成過程が変動していると考えられるため、Ｓ１０２において、予混合気の過早着火の可能性を判定するための基準値となる空燃比の値を補正する必要がある。即ち、スワールの強度が強くなることにより、燃料の拡散が促進されるため、燃焼室３２内に形成される予混合気がより均一に拡散することで、予混合気の空燃比もより均一のものとなり、過早着火が生じる空燃比を回避することが可能となる。そこで、例えば図５に示すリーン側過早着火領域Ｒ４の境界値である空燃比の値は２５であるが、これを例えば２４．５に変更し、予混合気の過早着火が生じると判定される範囲を狭めることが可能となる。その他の領域を決定する空燃比の値も同様に補正することが可能となる。これにより、Ｓ１０２における予混合気の過早着火の判定がより正確に実行できる。
【０１０８】
Ｓ１４２の処理が終了すると、Ｓ１０７、Ｓ１０８において、副噴射および主噴射が実行される。Ｓ１０８の処理が終了すると、再度Ｓ１００の処理から順次行われる。
【０１０９】
本制御によると、燃焼室３２の内部の空燃比分布に従って、副噴射によって形成された予混合気の過早着火を判断し、過早着火が生じると判定されるときは、ＳＣＶ３５の開度を調整することで、燃焼室３２の内部に発生する旋回流（スワール）の強度を調整し、燃料の拡散を制御することで、該予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
【０１１０】
＜第６の実施例＞
ここで、予混合気３２ａの空燃比分布が過早着火空燃比範囲に属さないようにその空燃比を調整する実施例を図１１，図１２及び図１３に示す。図１１は、内燃機関１における燃焼室３２近傍の概略構成を示す図である。また、図１２は、燃料噴射後における燃焼室３２内に形成される混合気の概略的な分布を示す図である。図１３は、予混合気の過早着火を回避する予混合時バタフライ制御のフローを示すフローチャート図である。ここで、該予混合時バタフライ制御は、ＥＣＵ２５によって繰り返し実行される制御であり、ＥＣＵ２５によって本制御が実行されることは本発明における空燃比調整手段に相当する。
【０１１１】
ここで、予混合気３２ａの空燃比を調整するバタフライについて、図１１および図１２に基づいて説明する。図１１に示す燃焼室３２近傍の概略構成について、図２に示す燃焼室近傍の概略構成と同一の構成要素は、同一の参照番号を付することで、その説明を省略する。以下、図２に示す燃焼室近傍の概略構成と相違する要素について説明をする。
【０１１２】
副燃料噴射弁７の下流側の吸気支管１１に、バタフライ３６が設けられている。バタフライ３６は、ＥＣＵ２５と電気的に接続されており、ＥＣＵ２５からの指令に応じて、バタフライ３６は吸気支管１１の内部へ進入することが可能となっている。ここで、バタフライ３６が吸気支管１１の内部へ進入すると、副燃料噴射弁７から噴射された副燃料の噴射方向を遮ることになる。その結果、噴射方向を遮られなかった場合には、図３（ａ）に示すように副燃料が燃焼室３２内に広く拡散した予混合気３２ａは、副燃料の噴射方向が遮られることで、図１２に示すように燃焼室３２の側部に分布することになる。即ち、バタフライ３６の吸気支管１１内への進入量に応じて、予混合気３２ａが形成される位置が変動し、以て燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整することとなる。
【０１１３】
図１３に示す予混合時バタフライ制御は、バタフライ３６を有する内燃機関１においてＥＣＵ２５によって実行される制御であり、副噴射によって予混合気を形成する場合、内燃機関１の有するバタフライ３６の吸気支管１１への進入量を調整し、副燃料の噴射方向を調整することで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整するものである。ここで、図７に示す予混合時過給量制御と重複する処理があるところは、図７と同一の参照番号を付することで、当該処理の説明を省略する。
【０１１４】
Ｓ１０２において、少なくともＳ１００およびＳ１０１で検出した周辺部空燃比ＡＦｓｒと全混合気空燃比ＡＦｔを基に燃焼室３２の内部で、予混合気の過早着火が生じるか否かが判定され、予混合気が過早着火すると判定されるとＳ１５０へ進む。Ｓ１５０では、Ｓ１０１で検出された全混合気空燃比ＡＦｔに従って、バタフライ３６の吸気枝管１１への進入量を調整する。即ち、Ｓ１０２において、予混合気が過早着火すると判定された場合に、バタフライ３６の進入量を調整することで、予混合気３２ａの形成される位置と主燃料混合気３２ｂの形成される位置の相対位置を調整することで、燃焼室３２において予混合気が過早着火しない空燃比分布とするものである。
【０１１５】
例えば、予混合気３２ａが過早着火すると判定され、且つ全混合気空燃比ＡＦｔの値が理論空燃比より低い場合、バタフライ３６の進入量を小さくすることで、副燃料の噴射方向を燃焼室３２の中央付近に近づけ、予混合気３２ａの空燃比をリッチ側へ移行させることで、予混合気３２ａの過早着火を回避する。一方で、予混合気３２ａが過早着火すると判定され、且つ全混合気空燃比ＡＦｔの値が理論空燃比以上である場合、バタフライ３６の進入量を大きくすることで、副燃料の噴射方向を燃焼室３２の側部方向とし、予混合気３２ａの空燃比をリーン側へ移行させることで、予混合気３２ａの過早着火を回避する。
【０１１６】
Ｓ１５０の処理が終了すると、Ｓ１０７、Ｓ１０８において、副噴射および主噴射が実行される。Ｓ１０８の処理が終了すると、再度Ｓ１００の処理から順次行われる。
【０１１７】
本制御によると、燃焼室３２の内部の空燃比分布に従って、副噴射によって形成された予混合気の過早着火を判断し、過早着火が生じると判定されるときは、バタフライ３６の吸気枝管１１への進入量を調整することで、副燃料の噴射方向を調整し、燃焼室３２の内部に形成される予混合気の形成される位置と主燃料混合気の形成される位置の相対位置が決定される。その結果、予混合気の空燃比分布が調整され、予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
【０１１８】
＜第７の実施例＞
ここで、予混合気３２ａの空燃比分布が過早着火空燃比範囲に属さないようにその空燃比を調整する予混合時吸気絞り制御の実施例を、図１４にフローチャートで示す。該予混合時吸気絞り制御は、ＥＣＵ２５によって繰り返し実行される制御であり、ＥＣＵ２５によって本制御が実行されることは本発明における空燃比調整手段に相当する。
【０１１９】
図１４に示す予混合時吸気絞り制御は、副噴射によって予混合気を形成する場合、該予混合気が過早着火を生じないように、内燃機関１の有する吸気絞り弁１４によって燃焼室３２の内部に流入する吸気量を制御することで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整するものである。ここで、図７に示す予混合時過給量制御と重複する処理があるところは、図７と同一の参照番号を付することで、当該処理の説明を省略する。
【０１２０】
Ｓ１０２において、予混合気が過早着火しないと判定されると、Ｓ１０７およびＳ１０８へ順次進み、副燃料、主燃料の噴射が行われる。一方で、Ｓ１０２において、予混合気が過早着火すると判定されると、Ｓ１２０へと進み、以降燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整する処理が行われる。
【０１２１】
Ｓ１２０において、図５における空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているか否かが判断される。空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していると判断されるとＳ１６０へ進み、空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していない、即ちリーン側過早着火領域Ｒ２もしくはリッチ側過早着火領域Ｒ５に属していると判断されるとＳ１６１へ進む。
【０１２２】
Ｓ１６０では、吸気絞り弁１４の開度を全開とすることで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整する。吸気絞り弁１４の開度調整は、ＥＣＵ２５から吸気絞り用アクチュエータ１５に対して駆動指令が出されることで行われる。空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位が存在しているため、過早着火が生じる可能性が極めて高い。従って、即座に空燃比点ＡＦＰを常時過早着火領域Ｒ１から離脱させる必要があると考えられる。
【０１２３】
そこで、吸気絞り弁１４の開度が全開時の最大吸気量を、内燃機関１の機関回転数毎と、燃焼室に噴射された燃料量と該燃料が失火状態とならない最大吸気量との関係を予めマップに記録しておき、Ｓ１２０において空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していると判断されると、その際の機関回転数に対する最大吸気量を考慮した上で、主燃料噴射弁３と副燃料噴射弁７とから噴射される主燃料および副燃料が失火状態とならない範囲において、吸気絞り弁１４の開度を最大開度とする。その結果、燃焼室３２の内部において失火状態を回避しながら且つその内部の空燃比分布をリーン側に移行させることで、予混合気の過早着火を回避させることができる。
【０１２４】
Ｓ１６１においては、吸気絞り弁１４の開度を着火判定関数ｆ１又はｆ２に従って調整することで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整する。空燃比点ＡＦＰがリーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位は存在してはいないが、リーン側であれば過早着火判定関数ｆ１、リッチ側であれば過早着火判定関数ｆ２に従って、予混合気の過早着火が生じる可能性が高いと判断される場合である。しかし、リーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５における予混合気の過早着火の可能性は、常時過早着火領域Ｒ１と比べて低いと考えられ、また燃焼室３２への吸気量の急峻な変化は、特に主燃料の燃焼に与える影響が大きく、内燃機関１の機関出力が変動する虞がある。従って、Ｓ１６１では、予混合気の過早着火が発生すると判断されると、リーン側であれば、過早着火判定関数ｆ１に従い、リーン側過早着火領域Ｒ２からリーン側非過早着火領域Ｒ３もしくはＲ４へと移行するための吸気量変化が最小となるべき吸気絞り弁１４の開度に調整し、リッチ側であれば、過早着火判定関数ｆ２に従い、リッチ側過早着火領域Ｒ５からリッチ側非過早着火領域Ｒ６もしくはＲ７へと移行するための吸気量変化が最小となるべき吸気絞り弁１４の開度に調整する。
【０１２５】
Ｓ１６０またはＳ１６１の処理が終了すると、Ｓ１０７、Ｓ１０８において、副噴射および主噴射が実行される。Ｓ１０８の処理が終了すると、再度Ｓ１００の処理から順次行われる。
【０１２６】
本制御によると、燃焼室３２の内部の空燃比分布に従って、副噴射によって形成された予混合気の過早着火を判断し、過早着火が生じると判定されるときは、吸気絞り弁１４の開度を調整することで、燃焼室３２へ流入する吸気量を調整し、予混合気の空燃比をリーン側もしくはリッチ側へ移行させることで、該予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
【０１２７】
＜第８の実施例＞
先述までの実施例においては、副燃料の噴射によって形成された予混合気が過早着火すると判定された場合は、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整することで、予混合気の過早着火を回避する本発明に係る実施例を示した。ここで、予混合気の過早着火を回避するその他の実施例として、燃焼室３２における圧縮比を変更する例が考えられる。その実施例について、図１５および図１６に基づいて説明する。図１５は本発明に係る可変圧縮比手段の概略的な構成を示す図である。また、図１６は、予混合気の過早着火を回避する予混合時圧縮比制御のフローを示すフローチャート図である。
【０１２８】
ここで、可変圧縮比手段について図１５に基づいて説明する。気筒２において、ピストン３０の下端部の回転軸Ｊ１において、Ｔ字状の第１コンロッド３７が回転自在に連結されている。さらに、第１コンロッド３７は、回転軸Ｊ２において、第２コンロッド３８と回転自在に連結されており、第２コンロッド３８は内燃機関１のクランクシャフト４０と回転軸Ｊ３において、回転自在に連結されている。さらに、第１コンロッド３７の別の端部であって、回転軸Ｊ１と回転軸Ｊ２とを結ぶ直線上に存在しない部位に設けられた回転軸Ｊ４において、コントロールロッド３９が回転自在に連結されている。さらに、コントロールロッド３９は、コントロールシャフト４１と回転軸Ｊ５において回転自在に連結されており、且つ回転軸Ｊ５はコントロールシャフト４１の中心軸とは偏心した位置関係を有している。
【０１２９】
このように構成された可変圧縮比手段では、クランクシャフト４０が回転することによって、第１コンロッド３７および第２コンロッド３８を介して、ピストン３０が上下往復運動を行う。ここで、コントロールシャフト４１が回転することによって、コントロールシャフトの中心軸と偏心した部位に連結されているコントロールロッド３９が、おおよそその軸方向に移動することで、コントロールロッド３９の揺動支点が変位し、ピストン３０の行程容積、即ち圧縮比が変更される。従って、本実施例の可変圧縮比手段においては、コントロールシャフト４１の回転角を制御することで、燃焼室３２における圧縮比を制御することが可能となる。
【０１３０】
図１６に示す予混合時圧縮比制御は、副噴射によって予混合気を形成する場合、該予混合気が過早着火を生じないように、図１５に示す可変圧縮比手段によって燃焼室３２における圧縮比を制御するものである。ここで、図７に示す予混合時過給量制御と重複する処理があるところは、図７と同一の参照番号を付することで、当該処理の説明を省略する。
【０１３１】
Ｓ１０２において、予混合気が過早着火しないと判定されると、Ｓ１０７およびＳ１０８へ順次進み、副燃料、主燃料の噴射が行われる。一方で、Ｓ１０２において、予混合気が過早着火すると判定されると、Ｓ１２０へと進む。Ｓ１２０において、図５における空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているか否かが判断される。空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していると判断されるとＳ１７０へ進み、空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していない、即ちリーン側過早着火領域Ｒ２もしくはリッチ側過早着火領域Ｒ５に属していると判断されるとＳ１７１へ進む。
【０１３２】
Ｓ１７０では、可変圧縮比手段によって燃焼室３２における圧縮比を最小とする。空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位が存在しているため、過早着火が生じる可能性が極めて高い。そこで、燃焼室３２における圧縮比を最小とすることで、圧縮行程の進行に伴って上昇する燃焼室３２内の予混合気の温度上昇を抑制し、予混合気の過早着火を回避する。
【０１３３】
Ｓ１７１においては、燃焼室３２における圧縮比を可変圧縮比手段によって、機関回転数と燃料噴射量に従って調整する。空燃比点ＡＦＰがリーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位は存在してはいないが、予混合気の過早着火が生じる可能性が高いと判断される場合である。しかし、リーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５における予混合気の過早着火の可能性は、常時過早着火領域Ｒ１と比べて低いと考えられ、また燃焼室３２における圧縮比の低下は、圧縮行程による燃焼室内の温度上昇を抑制するため、噴射された燃料のうち未燃成分として残留する量が増加する等の虞がある。従って、Ｓ１７１では、予混合気の過早着火が発生すると判断されると、機関回転数と主燃料および副燃料の総量を考慮し、燃焼室３２における圧縮比を最適の圧縮比とする。具体的には、機関回転数と燃料噴射量の増量に従い、徐々にもしくは段階的に圧縮比を低下させるようにする。
【０１３４】
Ｓ１７０またはＳ１７１の処理が終了すると、Ｓ１０７、Ｓ１０８において、副噴射および主噴射が実行される。Ｓ１０８の処理が終了すると、再度Ｓ１００の処理から順次行われる。
【０１３５】
本制御によると、燃焼室３２の内部の空燃比分布に従って、副噴射によって形成された予混合気の過早着火を判断し、過早着火が生じると判定されるときは、可変圧縮比手段によって燃焼室３２における圧縮比を調整することで、該予混合気の温度を低下させ、該予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
【０１３６】
＜第９の実施例＞
先述までの実施例においては、副燃料の噴射によって形成された予混合気が過早着火すると判定された場合は、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整することで、予混合気の過早着火を回避する本発明に係る実施例を示した。ここで、予混合気の過早着火を回避するその他の実施例として、燃焼室３２における酸素の濃度を調整する例が考えられる。その実施例について、図１７および図１８に基づいて説明する。図１７は本発明に係る予混合圧縮着火内燃機関であって、燃焼室３２における酸素濃度を調整する酸素富化装置および燃焼室近傍の概略的な構成を示す図である。また、図１８は、予混合気の過早着火を回避する予混合時酸素濃度制御のフローを示すフローチャート図である。
【０１３７】
ここで、酸素富化装置近傍の構成について図１７に基づいて説明する。図２に示す内燃機関と同一の構成要素については、同一の参照番号を付してその説明を省略する。吸気導入管４２は、吸気管１２から延出し、酸素富化装置４３へと連通する。酸素富化装置４３からは、２本の吸気送管４４および４５が延出しており、吸気送管４４は酸素富化装置４３内に設けられている酸素富化膜（図示せず）を経由しない吸気が流れる管であり、従って吸気送管４４を流れる吸気における酸素濃度は、酸素富化装置４３に流入する前の吸気における酸素濃度より低い。一方で、吸気送管４５は酸素富化装置４３内に設けられている酸素富化膜（図示せず）を経由した吸気が流れる管であり、従って吸気送管４５を流れる吸気における酸素濃度は、酸素富化装置４３に流入する前の吸気における酸素濃度より高い。吸気送管４４および吸気送管４５は、切替バルブ４６およびポンプ４７を介して、吸気送管４８へと至る。更に、吸気送管４８は燃焼室３２へと連通している。
【０１３８】
このように構成された酸素富化装置４３等を備える予混合圧縮着火内燃機関においては、ポンプ４７を駆動することにより、吸気管１２から吸気導入管４２を介して酸素富化装置４３へ吸気が送り込まれる。ここで、切替バルブ４６は、吸気が吸気送管４４又は吸気送管４５のいずれかを流れるべく流路を切り替えるバルブである。従って、切替バルブ４６によって、吸気送管４４とポンプ４７との間に吸気の流れが生じる場合、燃焼室３２へ酸素濃度の低い吸気が供給される。また、切替バルブ４６によって、吸気送管４５とポンプ４７との間に吸気の流れが生じる場合、燃焼室３２へ酸素濃度の高い吸気が供給される。更に、ポンプ４７の吸引力を調整することで、吸気送管４８を介して燃焼室３２へ供給される吸気量を調整することが可能となる。
【０１３９】
次に、図１８に示す予混合時酸素濃度制御は、副噴射によって予混合気を形成する場合、該予混合気が過早着火を生じないように、図１７に示す酸素富化装置４３によって燃焼室３２に供給される吸気における酸素濃度を制御するものである。ここで、図７に示す予混合時過給量制御と重複する処理があるところは、図７と同一の参照番号を付することで、当該処理の説明を省略する。
【０１４０】
Ｓ１０２において、予混合気が過早着火しないと判定されると、Ｓ１０７およびＳ１０８へ順次進み、副燃料、主燃料の噴射が行われる。一方で、Ｓ１０２において、予混合気が過早着火すると判定されると、Ｓ１２０へと進む。Ｓ１２０において、図５における空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているか否かが判断される。空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していると判断されるとＳ１８０へ進み、空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していない、即ちリーン側過早着火領域Ｒ２もしくはリッチ側過早着火領域Ｒ５に属していると判断されるとＳ１８１へ進む。
【０１４１】
Ｓ１８０では、切替バルブ４６によって吸気送管４４とポンプ４７との間に吸気の流れが生じさせ、且つポンプ４７の吸引力を最大とすることで、燃焼室３２内部の酸素濃度を最も低くする。即ち、空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位が存在しているため、過早着火が生じる可能性が極めて高い。そこで、燃焼室３２内部の酸素濃度を最も低くすることで、予混合気の着火性を低減させ、以て予混合気の過早着火を回避する。
【０１４２】
Ｓ１８１においては、燃焼室３２内部の酸素濃度を過早着火判定関数ｆ１又はｆ２に従って調整することで、予混合気の着火性を調整する。空燃比点ＡＦＰがリーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位は存在してはいないが、リーン側であれば過早着火判定関数ｆ１、リッチ側であれば過早着火判定関数ｆ２に従って、予混合気の過早着火が生じる可能性が高いと判断される場合である。しかし、リーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５における予混合気の過早着火の可能性は、常時過早着火領域Ｒ１と比べて低いと考えられ、また燃焼室３２内部の酸素濃度の変化は、特に主燃料の燃焼に与える影響が大きく、内燃機関１の機関出力が変動する虞がある。従って、Ｓ１８１では、予混合気の過早着火が発生すると判断されると、リーン側であれば、過早着火判定関数ｆ１に従い、リーン側過早着火領域Ｒ２からリーン側非過早着火領域Ｒ３もしくはＲ４へと移行するための酸素濃度の変化量が最小となるべく切替バルブ４６とポンプ４７の吸引力を調整する。そこで、リッチ側であれば、過早着火判定関数ｆ２に従い、リッチ側過早着火領域Ｒ５からリッチ側非過早着火領域Ｒ６もしくはＲ７へと移行するための酸素濃度の変化量が最小となるべく切替バルブ４６とポンプ４７の吸引力を調整する。
【０１４３】
Ｓ１８０またはＳ１８１の処理が終了すると、Ｓ１８２へ進む。Ｓ１８２では、Ｓ１８０またはＳ１８１において燃料富化装置４３によって、燃焼室３２内部の酸素濃度が吸気管１２にある通常の吸気の酸素濃度と相違し、予混合気の着火性が変動していると考えられるため、Ｓ１０２において、予混合気の過早着火の可能性を判定するための基準値となる空燃比の値を補正する必要がある。即ち、燃焼室３２内部の酸素濃度が大きくなるにつれて、予混合気の着火性が向上し、燃焼室３２内部の酸素濃度が小さくなるにつれて、予混合気の着火性が低下する。そこで、予混合気の着火性の変動を考慮して、Ｓ１０２における予混合気の過早着火の判定基準となる空燃比の値を補正する。これにより、Ｓ１０２における予混合気の過早着火の判定がより正確に実行できる。
【０１４４】
Ｓ１８０またはＳ１８１の処理が終了すると、Ｓ１０７、Ｓ１０８において、副噴射および主噴射が実行される。Ｓ１０８の処理が終了すると、再度Ｓ１００の処理から順次行われる。
【０１４５】
本制御によると、燃焼室３２の内部の空燃比分布に従って、副噴射によって形成された予混合気の過早着火を判断し、過早着火が生じると判定されるときは、酸素富化装置４３によって燃焼室３２内部の酸素濃度を調整することで、該予混合気の着火性を調整し、その過早着火を回避することが可能となる。
【０１４６】
＜第１０の実施例＞
先述までの実施例においては、副燃料を副燃料噴射弁７から噴射することによって予混合気を形成しているが、主燃料噴射弁３によって予混合気の形成が可能である場合は、副燃料噴射弁７を設ける必要はない。そのような実施例における、内燃機関１の概略的な構成を図１９に示す。尚、図１に示す内燃機関と同一の構成要素については、同一の参照番号を付し、その説明を省略する。
【０１４７】
【発明の効果】
本発明に係る予混合圧縮着火内燃機関は、燃焼室内に形成される空燃比分布に従って、予混合気の過早着火の発生を判定し、予混合気が過早着火すると判定する場合は、該予混合気の空燃比分布が所定の空燃比を回避することで該予混合気の着火時期を遅らせる。これにより、該予混合気の空燃比分布において、過早着火が発生する空燃比を避けることで、その空燃比に起因して発生する予混合気の過早着火が回避され、内燃機関の運転負荷にかかわらず安定した燃焼が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る予混合圧縮着火内燃機関およびその制御系統の概略構成を示す図である。
【図２】本実施の形態に係る予混合圧縮着火内燃機関における燃焼室近傍の概略構成を示す図である。
【図３】燃焼室における混合気の概略的な分布を示す図、および該混合気における空燃比の推移を示す図である。
【図４】本実施の形態に係る予混合気形成時の該予混合気の過早着火を回避するための燃料噴射量制御を示すフロー図である。
【図５】予混合気の空燃比に基づいて、該予混合気の過早着火を判定するための判定モデルを示す図である。
【図６】本実施の形態に係る予混合気形成時の該予混合気の過早着火を回避するための燃料噴射量制御を示すフロー図である。
【図７】本実施の形態に係る予混合気形成時の該予混合気の過早着火を回避するための過給量制御を示すフロー図である。
【図８】本実施の形態に係る予混合気形成時の該予混合気の過早着火を回避するための吸気弁の制御を示すフロー図である。
【図９】燃焼室内に旋回流を形成するためのスワールコントロールバルブの概略的な構成を示す図である。
【図１０】本実施の形態に係る予混合気形成時の該予混合気の過早着火を回避するためのスワールコントロールバルブ開度の制御を示すフロー図である。
【図１１】本実施の形態に係る予混合圧縮着火内燃機関において、副燃料噴射弁の噴射方向を制御するバタフライを含む燃焼室近傍の概略構成を示す図である。
【図１２】燃焼室における混合気の概略的な分布を示す図である。
【図１３】本実施の形態に係る予混合気形成時の該予混合気の過早着火を回避するためのバタフライ位置の制御を示すフロー図である。
【図１４】本実施の形態に係る予混合気形成時の該予混合気の過早着火を回避するための吸気絞り弁開度の制御を示すフロー図である。
【図１５】燃焼室における圧縮比を可変とする可変圧縮比機構の概略的な構成を示す図である。
【図１６】本実施の形態に係る予混合気形成時の該予混合気の過早着火を回避するための燃焼室における圧縮比の制御を示すフロー図である。
【図１７】本実施の形態に係る予混合圧縮着火内燃機関において、燃焼室内部の酸素濃度を調整する酸素富化装置を含む燃焼室近傍の概略構成を示す図である。
【図１８】本実施の形態に係る予混合気形成時の該予混合気の過早着火を回避するための燃焼室内部の酸素濃度の制御を示すフロー図である。
【図１９】本実施の形態に係る予混合圧縮着火内燃機関の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１・・・・内燃機関
２・・・・気筒
３・・・・主燃料噴射弁
７・・・・副燃料噴射弁
１１・・・・吸気枝管
１２・・・・吸気管
１４・・・・吸気絞り弁
２１・・・・過給器
２３・・・・空燃比センサ
２３ａ・・・・空燃比センサ
２３ｂ・・・・空燃比センサ
２３ｃ・・・・空燃比センサ
２５・・・・ＥＣＵ
３１・・・・吸気弁
３２・・・・燃焼室
３２ａ・・・・予混合気
３２ｂ・・・・主たる燃料による混合気
３３・・・・可変動弁機構
３５・・・・スワールコントロールバルブ
３６・・・・バタフライ
４３・・・・酸素富化装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、予混合圧縮着火内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料を圧縮着火燃焼させる内燃機関では、機関運転領域の高負荷側でのノッキング発生と低負荷側での燃焼の不安定化の何れかの点から運転領域が限られてしまうため、例えば、内燃機関の運転条件が高負荷時には耐ノック性を有する燃料を供給し、内燃機関の運転条件が低負荷時には着火性の良い燃料を供給することによって、高負荷運転時のノッキング発生の抑制と低負荷運転時の燃焼安定性の確保とを両立させることが考えられる。
【０００３】
このように、複数種類の燃料を内燃機関の運転条件に応じて供給する手段の一つとして、内燃機関の運転負荷に従って、複数種類の燃料の混合比率を調整することで燃焼室内における燃料のオクタン価（軽油であればセタン価）を、該運転負荷に適した値とすることで、内燃機関における安定した燃焼を得る手段が開示されている（例えば、特許文献１参照）
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１７９３６８号公報
【特許文献２】
特開２００１−２０７６５号公報
【特許文献３】
特開２００１−１５２８５３号公報
【特許文献４】
特開平１１−３５１０９１号公報
【特許文献５】
特開２００１−３２３８３３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、圧縮着火内燃機関において、排出されるＮＯｘの抑制と排気スモークの発生の抑制を目的として、予混合燃焼が行われる場合がある。この予混合燃焼は、一般に燃料を燃焼室内に吸気行程中もしくは圧縮行程中に噴射することで、燃焼室内により均一な予混合気を形成させる。この均一な予混合気が燃焼する場合、火炎温度が低く抑えられるためＮＯｘの生成が抑制される。さらに、この予混合気は燃料と空気が均一に混合しているため、十分な量の酸素の存在下で燃料が燃焼することになり、従って、酸素不足下での燃焼に起因するスモークの発生も抑制される。
【０００６】
ところが、複数種類の燃料を使用する圧縮着火内燃機関において、上記予混合燃焼を行う場合、圧縮着火内燃機関において圧縮行程上死点近傍において発生すべき燃料の着火燃焼が、予混合気の空燃比によっては、圧縮行程上死点近傍より早期に開始されるいわゆる過早着火が生じる虞がある。特に、使用する燃料が着火しやすい性質を有し、内燃機関の運転負荷が高負荷時である場合は、特に過早着火の虞が大きくなる。過早着火が生じることにより、燃焼室内の圧力が急激に上昇し、内燃機関に大きな衝撃や騒音が生じる結果となる。
【０００７】
そこで、前記課題に鑑み、本発明では、１サイクルに複数回の燃料を噴射する圧縮着火内燃機関において予混合燃焼する場合に、過早着火の発生を抑制し、内燃機関の運転負荷にかかわらず安定した燃焼を可能とする予混合圧縮着火内燃機関を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した課題を解決するために以下のような手段を採用した。即ち、予混合圧縮着火内燃機関であって、主たる燃料を噴射する主燃料噴射弁と、前記主たる燃料より早い時期に副燃料を噴射し、燃焼室内に該副燃料と空気との予混合気を形成する副燃料噴射弁と、少なくとも前記燃焼室内に形成される予混合気の空燃比に基づいて該予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときに、前記燃焼室内に分布する予混合気の空燃比が所定の空燃比を回避することで該予混合気の着火時期を遅らせる空燃比調整手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
前記副噴射および前記主噴射における燃料噴射の態様については、両噴射ともに前記燃焼室内に直接に噴射を行う場合の他に、前記副噴射については、内燃機関の吸気ポートにおいて副燃料を噴射し、該副燃料が、吸気行程において吸気弁が開弁されることによって燃焼室内へ吸入されるようにしてもよい。
【００１０】
更に、前記副噴射が行われる時期は、副噴射燃料が前記燃焼室内へ直接噴射される場合には、内燃機関の運転負荷や燃焼サイクルにおいて前記主噴射より早い時期に迎える吸気行程または圧縮行程であるが、該吸気行程直前の排気行程時でも構わない。また副噴射は複数回に分けて行われてもよい。また、副噴射燃料が吸気ポートにおいて噴射される場合は、一般に吸気行程において吸気弁が開弁される以前となる。前記副噴射によって噴射された燃料が、予混合気を形成することとなる。
【００１１】
ここで、該予混合気の着火性は該予混合気の空燃比に大きく依存する。即ち、該予混合気の空燃比が理論空燃比近傍であるときは、該予混合気は非常に着火しやすい状態であるため過早着火の虞が非常に高いと考えられ、該予混合気の空燃比がリーン側もしくはリッチ側へとなるに従い、該予混合気の着火性は低くなり、過早着火の虞は低下すると考えられる。そこで、少なくとも該予混合気の空燃比に基づいて該予混合気の着火時期を判定する。該予混合気は経時的に前記燃焼室内において変動するため、少なくとも時間をパラメータとして空燃比を検出することが好ましい。該予混合気の着火時期の判定、換言すると該予混合気の過早着火の可能性の判定の基礎となる空燃比については、該予混合気の一部において過早着火が発生すると、そこを起点として連鎖的に燃料の燃焼爆発が発生することを考慮すると、複数の空燃比センサ等で検出する場合は、検出される空燃比において最も過早着火の可能性が高い空燃比の値、即ち最も理論空燃比に近い空燃比の値を着火時期の判定の基礎とするのが最も好ましい。ただし、複数箇所の空燃比センサ等の値の平均値を、着火時期の判定の基礎としても、該予混合気の過早着火の判定は可能と考えられる。
【００１２】
また少なくとも前記燃焼室内に形成される予混合気の空燃比に基づいて該予混合気の着火時期が、所定の時期よい早いか否かが判定されるが、ここで該所定の時期より早い時期とは予混合気の着火が過早着火となりうる程度に早い時期を意味し、具体的には主噴射によって噴射された燃料が着火する以前の時期をいう。
【００１３】
ここで、該予混合気の着火時期の判定において、該予混合気の空燃比だけではなく、前記副噴射および前記主噴射による各燃料噴射量、前記副噴射および前記主噴射の各噴射時期、該予混合気の空燃比ではなく前記主噴射後の前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比等に基づいて、該予混合気の着火時期、即ち、該予混合気の着火が過早着火となりうるかを判定してもよい。
【００１４】
該予混合気の着火時期の判定において、該予混合気の着火が過早着火となると判定される場合は、前記空燃比調整手段によって前記燃焼室内の混合気の空燃比を調整することによって該予混合気の着火性を低減する。即ち前記空燃比調整手段によって燃焼室内の空燃比を調整し、該予混合気の着火時期が遅くなる空燃比とすることで、該予混合気の過早着火を回避する。
【００１５】
従って、上述の予混合圧縮着火内燃機関であっては、副燃料噴射弁から副燃料が噴射され、該副燃料によって予混合気が形成される。その後、該予混合気の着火時期が判定され、その着火時期が所定の時期より早い、即ち該予混合気の過早着火が生じると判定されると、前記空燃比調整手段によって、前記燃焼室内の空燃比を調整し過早着火の発生を抑止する。これにより、内燃機関の運転負荷にかかわらず安定した燃焼が可能となる。
【００１６】
ここで、前記空燃比調整手段として、前記予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときは、副燃料の噴射量を減量するとともに主たる燃料の噴射量を増量することで、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比を調整する手段が考えられる。
【００１７】
これは、該予混合気の過早着火が起こると判定される場合は、該予混合気を形成する副燃料の噴射量を減量することで、該予混合気の過早着火を抑止するものである。即ち、副燃料の噴射量を低減することで、該予混合気の空燃比がリーン側へと移行する結果となるため、該予混合気の過早着火が抑止されるものである。ここで、副燃料の噴射量を減量することで、内燃機関が発揮する出力が低減することになる。そこで、内燃機関が発揮する出力を、副燃料の噴射量の低減以前と同等とするために、前記主噴射による噴射量を増加する。これにより、該予混合気の過早着火を抑止し安定した燃焼保持するとともに、内燃機関の出力を一定に保持することが可能となる。
【００１８】
更に、前記副噴射および前記主噴射によって噴射された燃料の燃焼によって発生する煤を再燃焼させて粒状物質の低減を図るために、前記主噴射より遅い時期に燃料の噴射が行われる後噴射を行う場合がある。そのような場合における前記空燃比調整手段として、次の手段が考えられる。後噴射を行う予混合圧縮着火内燃機関において、前記予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときは、前記副燃料を減量するとともに前記後噴射による噴射量もしくは前記後噴射が行われる噴射時期の少なくとも何れかを補正する。
【００１９】
これにより、該予混合気の過早着火が起こると判定される場合は、該予混合気を形成する副燃料の噴射量を減量することで、該予混合気の過早着火を抑止するとともに、前記後噴射による噴射量もしくは噴射時期の少なくとも何れかを補正する。即ち、先述したように該予混合気の過早着火抑止のために減量された副燃料の噴射量に相当する内燃機関の出力を補完するために、前記後噴射の噴射量もしくは噴射時期の少なくとも何れかを補正するものである。ここで、前記後噴射は、前記主噴射より遅い時期に行われる燃料噴射であるため、前記後噴射時期によって噴射された燃料が完全に燃焼されない虞がある。そこで、前記後噴射の噴射量によっては、前記後噴射の噴射時期も補正する必要がある。これにより、該予混合気の過早着火を抑止し安定した燃焼保持するとともに、内燃機関の出力を一定に保持し、且つ前記後噴射による粒状物質の低減を図ることが可能となる。
【００２０】
ここで、前記空燃比調整手段によって、主たる燃料の噴射量、または前記後噴射による噴射量もしくは噴射時期を補正する場合において、前記主噴射は一定の期間に行われなければならない。即ち、前記空燃比調整手段によって、主たる燃料の噴射量が増量された場合、主たる燃料の噴射に要する時間は延長されることになるが、前記主噴射後に前記後噴射が実行される場合、前記主噴射は前記後噴射開始以前に終了しなければならない。また、前記後噴射が実行されない場合であっても、前記主噴射の噴射時間が延長されることで、噴射された燃料が完全燃焼されない虞があるため、噴射された燃料が完全燃焼されうる時期までに前記主噴射を終了させる必要がある。そこで、このような場合における、前記空燃比調整手段として、以下の手段が考えられる。
【００２１】
前記主噴射による燃料噴射が所定の時期までに終了しないときは、主噴射時の噴射圧もしくは噴射開始時期の少なくとも何れかを補正することで、前記主噴射による燃料噴射が所定の時期までに終了する。
【００２２】
ここで、所定の時期とは、先述したように、前記後噴射が実行される場合はその実行までの時期であり、前記後噴射が実行されない場合であれば、前記主噴射によって噴射された燃料が燃焼しうるまでの時期を意味する。従って、前記主噴射が所定の時期までに噴射を終了しない場合は、前記主噴射時の噴射圧を増加し、前記主噴射に要する時間の短縮を図る。また、前記主噴射の開始時期を早めることで、前記主噴射を所定の時期までに終了させる。尚、前記主噴射の噴射圧と噴射開始時期を同時に補正してもよい。これにより、前記主噴射を確実に実行させることが可能となり、該予混合気の過早着火を抑止し安定した燃焼保持するとともに、内燃機関の出力を一定に保持し、また前記後噴射が実行される場合は、前記後噴射による粒状物質の低減を図ることが可能となる。
【００２３】
ここで、前記空燃比調整手段の別の手段として、前記予混合圧縮着火内燃機関において、更に、前記燃焼室内へ流入する吸気量を調整する吸気量調整手段を有し、前記空燃比調整手段は、前記予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときは、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比以上である場合は前記吸気量調整手段による吸気量を増量し、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比より低い場合は前記吸気量調整手段による吸気量を減量することで、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比を調整する手段が考えられる。
【００２４】
これは、該予混合気の過早着火が起こると判定される場合は、前記吸気量調整手段によって前記燃焼室内に流入する吸気量を変更することで燃焼室内に形成される予混合気の空燃比を調整し、該予混合気の過早着火を抑止するものである。即ち、過早着火が発生すると判断される場合であって、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比以上である場合は前記吸気量調整手段によって吸気量を増量することで、前記燃焼室内の予混合気の空燃比をリーン側へ移行することにより、該予混合気の着火時期を遅らせ該予混合気の過早着火を抑止する。一方で、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比より低い場合は前記吸気量調整手段によって吸気量を減量することで、前記燃焼室内の予混合気の空燃比をリッチ側へ移行することにより、該予混合気の着火時期を遅らせ該予混合気の過早着火を抑止する。
【００２５】
前記所定の空燃比とは、前記燃焼室内の予混合気の空燃比を調整する際に、リーン側へ移行させるか、またはリッチ側へ移行させるかを判断させるための基準となる空燃比である。該予混合気の過早着火を抑止するためには、前記燃焼室内の予混合気の空燃比をリーン側もしくはリッチ側の何れかに移行すればよいが、前記燃焼室の空燃比によってはリーン側又はリッチ側の何れか一方への移行の方がより容易である場合が考えられる。そこで、前記吸気量調整手段に応じた空燃比を所定の空燃比として設定すればよい。
これにより、内燃機関の運転負荷にかかわらず安定した燃焼が可能となる。
【００２６】
ここで、前記吸気量調整手段として、前記予混合圧縮着火内燃機関の吸気通路に設けられた過給器が考えられる。前記過給器による過給量を増加することにより前記燃焼室への吸気量を増加し、更に前記過給器による過給量を減少することにより前記燃焼室への吸気量を減少することで、前記燃焼室内の予混合気の空燃比を調整し、内燃機関の運転負荷にかかわらず安定した燃焼が可能となる。
【００２７】
また、別の吸気量調整手段として、前記燃焼室における吸気弁の開閉特性を変更する可変動弁機構が考えられる。前記可変動弁機構を介して少なくとも前記吸気弁の開弁時間を遅くするか又は前記吸気弁のリフト量を大きくするかの何れか一によって前記燃焼室への吸気量を増加し、更に前記可変動弁機構によって少なくとも前記吸気弁の開弁時間を早くするか又は前記吸気弁のリフト量を小さくするかの何れか一によって前記燃焼室への吸気量を減少する。
【００２８】
前記可変動弁機構を介して、該吸気弁の開弁時間を遅くすることによって、前記燃焼室内の圧力と吸気管内の圧力の差が増大する。そのときに、該吸気弁を開弁すると増大した圧力差によって、前記燃焼室内へ空気が急激に流入する。その結果、前記燃焼室内の予混合気の空燃比をリーン側へ移行することにより、該予混合気の着火時期を遅らせ該予混合気の過早着火を抑止する。逆に、該吸気弁の開弁時間を早くすることによって、前記燃焼室内の圧力と吸気管内の圧力の差が低下するため、前記燃焼室内への空気の流入が緩和される。その結果、前記燃焼室内の予混合気の空燃比がリッチ側へ移行することになり、該予混合気の着火時期を遅らせ該予混合気の過早着火を抑止する。
【００２９】
また、前記可変動弁機構を介して、該吸気弁のリフト量を大きくすることによって、空気が前記燃焼室内に流入する際の空気抵抗を小さくすることになる。そうすると、該吸気弁の開弁に伴い、前記燃焼室内へ多量の空気が流入する。その結果、前記燃焼室内の予混合気の空燃比をリーン側へ移行することにより、該予混合気の着火時期を遅らせ該予混合気の過早着火を抑止する。逆に、該吸気弁のリフト量を小さくすることによって、空気が前記燃焼室内に流入する際の空気抵抗を大きくすることになる。そうすると、該吸気弁の開弁に伴い、前記燃焼室内への空気の流入量が減少する。その結果、前記燃焼室内の予混合気の空燃比をリッチ側へ移行することにより、該予混合気の着火時期を遅らせ該予混合気の過早着火を抑止する。
【００３０】
従って、前記可変動弁機構によって、前記燃焼室内の予混合気の空燃比を調整し、内燃機関の運転負荷にかかわらず安定した燃焼が可能となる。また、前記可変動弁機構を介して吸気弁の開弁時期およびリフト量をともに調整してもよい。
【００３１】
また、別の吸気量調整手段として、前記予混合圧縮着火内燃機関の吸気通路に設けられた吸気絞り弁が考えられ、前記吸気絞り弁の開度を大きくすることで前記燃焼室への吸気量を増加し、更に前記吸気絞り弁の開度を小さくすることにより前記燃焼室への吸気量を減少することで、前記燃焼室内の予混合気の空燃比を調整し、内燃機関の運転負荷にかかわらず安定した燃焼が可能となる。
【００３２】
ここで、前記空燃比調整手段の別の手段として、前記予混合圧縮着火内燃機関において、更に、前記燃焼室内の旋回流を制御する旋回流制御手段を有し、前記空燃比調整手段は、前記予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときは、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比以上である場合は前記旋回流制御手段によって前記燃焼室内の旋回流の強度を増加し、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比より低い場合は前記旋回流制御手段によって前記燃焼室内の旋回流の強度を低下することで、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比を調整する手段が考えられる。
【００３３】
これは、該予混合気の過早着火が起こると判定される場合は、前記旋回流制御手段によって前記燃焼室内に発生する旋回流の強度を制御することで、前記燃焼室内の燃料と空気との混合の程度を調整することで前記燃焼室内に形成される予混合気の空燃比を調整し、該予混合気の過早着火を抑止するものである。即ち、過早着火が発生すると判断される場合であって、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比以上である場合は前記旋回流制御手段によって前記燃焼室内に発生する旋回流の強度を大きくすることで、前記燃焼室内における燃料と空気との混合を促進させ、前記燃焼室内での局所的な空燃比の偏りを抑え、より均一な空燃比分布とすることで、過早着火の発生を回避する。一方で、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比より低い場合は前記旋回流制御手段によって該旋回流の強度を弱め、前記燃焼室内における燃料と空気との混合を抑制し、部分的な空燃比をよりリッチ側へ移行させることで、過早着火の発生を回避する。ここで、所定の空燃比とは、前述の通りである。
これにより、内燃機関の運転負荷にかかわらず安定した燃焼が可能となる。
【００３４】
ここで、前記空燃比調整手段の別の手段として、前記予混合圧縮着火内燃機関において、更に、前記副噴射における噴射方向を変更する副噴射方向変更手段を有し、前記空燃比調整手段は、前記予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときは、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比以上である場合は前記副噴射方向変更手段によって前記副噴射における噴射方向を前記主噴射における噴射方向から遠ざけ、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比より低い場合は前記副噴射方向変更手段によって前記副噴射における噴射方向を前記主噴射における噴射方向に近づけることで、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比を調整する手段が考えられる。
【００３５】
これは、該予混合気の過早着火が起こると判定される場合は、前記副噴射方向変更手段によって、前記副噴射によって形成される予混合気の前記燃焼室内における位置を調整することで、予混合気の過早着火を抑止するものである。即ち、前記副噴射と前記主噴射によって燃焼室内に噴射される各々の燃料の量は同一であっても、前記副噴射で噴射される燃料によって形成される予混合気と、前記主噴射で噴射される燃料によって形成される混合気の相対的な位置関係によって、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比分布は異なる。
【００３６】
従って、予混合気の過早着火が発生すると判断される場合であって、前記燃焼室内に形成される予混合気の空燃比が所定の空燃比以上である場合は前記副噴射方向変更手段によって前記主噴射の噴射方向と前記副噴射の噴射方向を遠ざけることによって、両噴射によって形成される混合気の相対的な位置関係が遠ざかることにより局所的な空燃比が上がり、以て空燃比分布をリーン側へと移行させることで、過早着火の発生を回避する。一方で、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比より低い場合は前記副噴射方向変更手段によって前記主噴射の噴射方向と前記副噴射の噴射方向を近づけることによって、両噴射によって形成される混合気の相対的な位置関係が近づくことにより局所的な空燃比が下がり、以て空燃比分布をリッチ側へと移行させることで、過早着火の発生を回避する。
【００３７】
ここで、１サイクルに複数回の燃料を噴射する圧縮着火内燃機関において予混合燃焼する場合に、過早着火の発生を抑制し、内燃機関の運転負荷にかかわらず安定した燃焼を可能とする予混合圧縮着火内燃機関を提供するその他の手段として、以下に示す手段が考えられる。即ち、主たる燃料を噴射する主燃料噴射弁と、前記主たる燃料より早い時期に副燃料を噴射し、燃焼室内に該副燃料と空気との予混合気を形成する副燃料噴射弁と、前記燃焼室における圧縮比を変更可能とする可変圧縮比手段と、を備え、少なくとも前記燃焼室内に形成される予混合気の空燃比に基づいて該予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときに、前記可変圧縮比手段によって前記燃焼室内における圧縮比を調整する手段である。
【００３８】
尚、前記可変圧縮比手段とは、前記燃焼室における圧縮比を変更可能とするものであり、具体的には内燃機関におけるピストンのストロークを制御することによって前記燃焼室における圧縮比を一定の範囲で変更するものである。これにより、前記予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判断される場合、即ち予混合気の着火が過早着火となると判断される場合、前記可変圧縮比手段によって前記内燃機関の圧縮比を低減させる。圧縮比が低減すると、圧縮に伴う前記燃焼室内の温度上昇の程度が小さくなるため、以て該予混合気の過早着火を回避することが可能となる。ここで、前記燃焼室内の圧縮比を低減するにあたり、前記燃焼室内の空燃比に従い適度に圧縮比を低減することで、前記主噴射や前記副噴射によって噴射された燃料が未燃状態として残ることを回避するのが好ましい。
【００３９】
ここで、１サイクルに複数回の燃料を噴射する圧縮着火内燃機関において予混合気を形成する場合に、該予混合気の過早着火の発生を抑制し、内燃機関の運転負荷にかかわらず安定した燃焼を可能とする予混合圧縮着火内燃機関を提供するその他の手段として、以下に示す手段が考えられる。即ち、主たる燃料を噴射する主燃料噴射弁と、前記主たる燃料より早い時期に副燃料を噴射し、燃焼室内に該副燃料と空気との予混合気を形成する副燃料噴射弁と、前記燃焼室内への吸気における酸素濃度を調整する酸素濃度調整手段と、を備え、少なくとも前記燃焼室内に形成される予混合気の空燃比に基づいて該予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときに、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比以上である場合は前記酸素濃度調整手段によって該吸気における酸素濃度を増加し、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比より低い場合は前記酸素濃度調整手段によって該吸気における酸素濃度を低減する手段である。
【００４０】
尚、前記酸素濃度調整手段とは、前記燃焼室内部の酸素濃度を調整するものであり、例えば酸素富化装置が考えられる。これは、その内部に酸素透過膜を備え、酸素透過膜によって酸素を多く透過させて高濃酸素空気を得るものである。またこの他にも、例えばゼオライトなどによって空気中の窒素を吸着して酸素濃度を高める窒素吸着法を採用した酸素富化装置でも良い。
【００４１】
本手段においては、前記予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判断される場合、即ち予混合気の着火が過早着火となると判断される場合、前記酸素濃度調整手段によって前記燃焼室へ流入する吸気に含まれる酸素濃度が調整される。即ち、過早着火が発生すると判断される場合であって、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比以上である場合は前記酸素濃度調整手段によって該吸気における酸素濃度を増加させる。これにより、前記燃焼室内の酸素濃度が上がることで、実質的に前記燃焼室内の空燃比分布がリーン側へ移行するのと同等の効果を得る。以て前記燃焼室内での過早着火を回避する。一方で、過早着火が発生すると判断される場合であって、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比より低い場合は前記酸素濃度調整手段によって該吸気における酸素濃度を低減させる。これにより、前記燃焼室内の酸素濃度が下がることで、実質的に前記燃焼室内の空燃比分布がリッチ側へ移行するのと同等の効果を得る。以て前記燃焼室内での過早着火を回避する。
【００４２】
これまでに主たる燃料を噴射する主燃料噴射弁と、副燃料を噴射する副燃料噴射弁とを備える予混合圧縮着火内燃機関における課題の解決手段を示したが、これらの課題の解決手段は前記主燃料噴射弁と前記副燃料噴射弁は、一の燃料噴射弁から構成される予混合圧縮着火内燃機関においても、同様に適用が可能である。このような場合においても、先述までと同様に予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判断される場合、即ち予混合気の着火が過早着火となると判断される場合、前記燃焼室における空燃比分布を制御し、または前記燃焼室における圧縮比を制御し、または前記燃焼室における酸素濃度を制御することで、予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
【００４３】
更に、主たる燃料の性状と副燃料の性状が相異なる場合の他にも、同一の性状である場合においても先述までの課題の解決手段は適用が可能である。このような場合においても、先述までと同様に予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判断される場合、即ち予混合気の着火が過早着火となると判断される場合、前記燃焼室における空燃比分布を制御し、または前記燃焼室における圧縮比を制御し、または前記燃焼室における酸素濃度を制御することで、予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施例＞
ここで、本発明に係る予混合圧縮着火内燃機関の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、本発明が適用される圧縮着火式の内燃機関１およびその制御系統の概略構成を表すブロック図である。また図２は内燃機関１における燃焼室３２近傍の概略構成を示す図である。
【００４５】
内燃機関１は、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する主燃料噴射弁３を備えている。各主燃料噴射弁３は、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室４と接続されている。前記蓄圧室４は、燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。前記燃料ポンプ６からは主たる燃料（以後、「主燃料」という）が吐出され、該吐出された主燃料は燃料供給管５を介して蓄圧室４へ供給され、蓄圧室４にて所定圧に蓄圧されて各気筒２の主燃料噴射弁３へ分配される。そして、主燃料噴射弁３に駆動電流が印加されると、主燃料噴射弁３が開弁し、その結果、主燃料噴射弁３から気筒２内へ主燃料が噴射される。ここで主燃料とは、圧縮着火式の内燃機関１において、主に気筒２における燃焼サイクルが圧縮上死点近傍において噴射される燃料である。
【００４６】
次に、内燃機関１には、吸気枝管１１が接続されており、吸気枝管１１の各枝管は、各気筒２の燃焼室３２と、吸気ポート１１ｂを介して連通している。ここで、吸気ポート１１ｂに、予混合気を形成する副燃料を噴射する副燃料噴射弁７が備えられている。各副燃料噴射弁７は、燃料を所定圧に蓄圧する蓄圧室８と接続されている。前記蓄圧室８は、燃料供給管９を介して燃料ポンプ１０と連通している。前記燃料ポンプ１０からは副燃料が吐出され、該吐出された副燃料は燃料供給管９を介して蓄圧室８へ供給され、蓄圧室８にて所定圧に蓄圧されて各気筒２の副燃料噴射弁７へ分配される。そして、副燃料噴射弁７に駆動電流が印加されると、副燃料噴射弁７が開弁し、その結果、副燃料噴射弁７から吸気ポート１１ｂ内へ副燃料が噴射され、吸気行程において気筒２の燃焼室３２内に吸入される。
【００４７】
ここで、図２には内燃機関１における燃焼室３２近傍の概略構造が示されている。気筒２には燃焼室３２内に形成される混合気の空燃比を検出する空燃比センサ２３（図１参照）が備えられている。図２に示す気筒２においては、主燃料噴射弁３近傍に空燃比センサ２３ａ、燃焼室側部に空燃比センサ２３ｂおよび２３ｃが備えられており、燃焼室３２内に分布する混合気の空燃比を各部位において検出する。
【００４８】
図１に戻って、前記吸気枝管１１は吸気管１２に接続されている。吸気管１２には、該吸気管１２内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ１３が取り付けられている。前記吸気管１２における吸気枝管１１の直上流に位置する部位には、該吸気管１２内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁１４が設けられている。この吸気絞り弁１４には、ステップモータ等で構成されて該吸気絞り弁１４を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１５が取り付けられている。
【００４９】
ここで、エアフローメータ１３と吸気絞り弁１４との間に位置する吸気管１２には、排気のエネルギを駆動源として作動する遠心過給機（ターボチャージャ）２１のコンプレッサハウジング２１ａが設けられ、コンプレッサハウジング２１ａより下流の吸気管１２には、前記コンプレッサハウジング２１ａ内で圧縮されて高温となった吸気を冷却するためのインタークーラ２２設けられている。このように構成された吸気系では、吸気は、吸気管１２を介してコンプレッサハウジング２１ａに流入する。コンプレッサハウジング２１ａに流入した吸気は、該コンプレッサハウジング２１ａに内装されたコンプレッサホイールの回転によって圧縮される。前記コンプレッサハウジング２１ａ内で圧縮されて高温となった吸気は、インタークーラ２２にて冷却された後、必要に応じて吸気絞り弁１４によって流量を調節されて吸気枝管１１に流入する。吸気枝管１１に流入した吸気は、各枝管を介して各気筒２の燃焼室３２へ分配され、各気筒２の主燃料噴射弁３および副燃料噴射弁７から噴射された主燃料と副燃料を着火源として燃焼される。
【００５０】
一方、内燃機関１には、排気枝管１８が接続され、排気枝管１８の各枝管が排気ポート１８ｂを介して各気筒２の燃焼室３２と連通している。前記排気枝管１８は、前記遠心過給機２１のタービンハウジング２１ｂと接続されている。前記タービンハウジング２１ｂは、排気管１９と接続され、この排気管１９は、下流にてマフラー（図示省略）に接続されている。このように構成された排気系では、内燃機関１の各気筒２で燃焼された混合気（既燃ガス）が排気ポート１８ｂを介して排気枝管１８へ排出され、次いで排気枝管１８から遠心過給機２１のタービンハウジング２１ｂへ流入する。タービンハウジング２１ｂに流入した排気は、排気が持つエネルギを利用してタービンハウジング２１ｂ内に回転自在に支持されたタービンホイールを回転させる。その際、タービンホイールの回転トルクは、前述したコンプレッサハウジング２１ａのコンプレッサホイールへ伝達される。
【００５１】
前記排気管１９の途中には、内燃機関から排出される排気を浄化する排気浄化触媒２０が設けられている。排気浄化触媒２０の下流の排気管１９には、該排気管１９内を流通する排気の流量を調節する排気絞り弁１６が設けられている。この排気絞り弁１６には、ステップモータ等で構成されて該排気絞り弁１６を開閉駆動する排気絞り用アクチュエータ１７が取り付けられている。
【００５２】
前記タービンハウジング２１ｂから排出された排気は、排気管１９を介して排気浄化触媒２０へ流入し、排気中の粒子状物質が捕集され且つ有害ガス成分が除去又は浄化される。排気浄化触媒２０にて粒子状物質が捕集され且つ有害ガス成分が除去又は浄化された排気は、必要に応じて排気絞り弁１６によって流量を調節された後にマフラーを介して大気中に放出される。
【００５３】
ここで、主燃料噴射弁３および副燃料噴射弁７は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ：Electronic Control Unitと呼ぶ）２５からの制御信号によって開閉動作を行う。即ち、ＥＣＵ２５からの指令によって、主燃料の噴射時期および噴射量と、副燃料の噴射時期および噴射量が制御される。また、空燃比センサ２３ａ、２３ｂおよび２３ｃは電気的にＥＣＵ２５と接続されており、各空燃比センサによって検出された空燃比がＥＣＵ２５へ読み込まれる。
【００５４】
このように構成される気筒２においては、排気行程後期においてＥＣＵ２５から副燃料噴射弁７に対して副燃料の噴射指令が出され、副燃料が吸気ポート１１ｂ内に噴射される。その後の吸気行程において、吸気弁３１が開弁し、副燃料が燃焼室３２へと吸入され、ピストン３０の下降に伴い副燃料が燃焼室３２内に拡散し、予混合気を形成する。さらに圧縮行程においてピストン３０が上昇し、その上死点近傍において、ＥＣＵ２５から主燃料噴射弁３に対して主燃料の噴射指令が出され、主燃料が燃焼室３２内へ噴射される。その後、噴射された燃料が着火燃焼し、排気行程において、排気ポート１８ｂを介して、排気枝管１８へ排気が排出される。尚、吸気弁３１には、該吸気弁の開弁時期、リフト量等の吸気弁の開閉特性を可変とする可変動弁機構３３が接続されている。
【００５５】
ここで、図３において、燃焼室３２の内部に形成される混合気の概略図および、該混合気の空燃比の分布が示されている。図３（ａ）は主燃料噴射後における気筒３２内に形成される混合気の概略的な分布を示すものである。副燃料噴射弁７によって噴射された副燃料は主燃料より早い時期に噴射されているため、燃焼室３２内において広く拡散し、予混合気３２ａを形成する。一方で、主燃料噴射弁３によって噴射された主燃料は、主燃料噴射弁３を中心として一定の範囲に分布し、主燃料混合気３２ｂを形成する。
【００５６】
このように形成された予混合気３２ａおよび主燃料混合気３２ｂにおいて、概ね主燃料混合気３２ｂの中心点である点Ｏから一定の方向における混合気の空燃比の変化を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）の横軸は点Ｏからの距離を、縦軸は混合気の空燃比を表している。ここで、予混合気３２ａは点Ｏからの距離がＸ２までの範囲において形成され、主燃料混合気３２ｂは点Ｏからの距離がＸ１までの範囲において形成されているものとする。従って、図３（ｂ）において、曲線Ｌ１は主燃料混合気３２ｂの空燃比変化を、曲線Ｌ２は予混合気３２ａの空燃比変化を表す。
【００５７】
ここで、混合気の空燃比が理論空燃比の近傍にある場合、該混合気の着火性がよくなるため、燃焼サイクルにおいて圧縮行程の後期、即ち圧縮行程上死点まで行程が進まなくても、例えば圧縮行程の初中期であって燃焼室３２内の温度が最高温度まで上昇していない場合であっても、その時点で既に燃焼室内に形成されている予混合気３２ａが着火するいわゆる過早着火が生じる虞がある。その過早着火が発生する空燃比を、図３（ｂ）において、Ａ／Ｆ１からＡ／Ｆ２の範囲（以後、「過早着火空燃比範囲」という。）で表す。従って、図３（ｂ）に示す空燃比分布を有する予混合気３２ａは、その予混合比分布曲線Ｌ２の点Ｐ１から点Ｐ２の範囲において、過早着火空燃比範囲に属していることになるため、主燃料が噴射される以前において、副燃料が過早着火する虞がある。そこで、予混合気３２ａの空燃比分布が過早着火空燃比範囲に属さないように、その空燃比を調整することで、予混合気３２ａの過早着火を回避することができる。
【００５８】
ここで、図４に予混合気３２ａの空燃比分布が過早着火空燃比範囲に属さないように、その空燃比を調整する予混合時噴射量制御のフローチャートを示す。予混合時噴射量制御は、ＥＣＵ２５によって繰り返し実行される制御であり、ＥＣＵ２５によって本制御が実行されることは本発明における空燃比調整手段に相当する。
【００５９】
Ｓ１００において、周辺部空燃比ＡＦｓｒの検出を行う。ここで、周辺部空燃比ＡＦｓｒとは、燃焼室３２内に分布する予混合気の空燃比であって、燃焼室３２に設けられた３台の空燃比センサ２３ａ、２３ｂ、２３ｃから得られるそれぞれの空燃比である。また、本実施例においては、空燃比センサの台数は３台であるが、台数を増加することによって燃焼室３２内に形成される予混合気の空燃比分布を正確に判断できるため、より確実に予混合気の過早着火を回避するには空燃比センサの台数増加は好ましい。Ｓ１００の処理が終了すると、Ｓ１０１へ進む。
【００６０】
Ｓ１０１では、全混合気空燃比ＡＦｔの検出を行う。ここで、全混合気空燃比ＡＦｔとは、副燃料噴射弁７によって噴射された副燃料および主燃料噴射弁３によって噴射された主燃料と、吸気行程によって燃焼室３２に吸入された吸気量から導出される空燃比であって、燃焼室３２の内部における空燃比分布を考慮した空燃比とは異なる。Ｓ１０１の処理が終了すると、Ｓ１０２へ進む。
【００６１】
Ｓ１０２では、少なくともＳ１００およびＳ１０１で検出した空燃比ＡＦｓｒとＡＦｔを基に燃焼室３２の内部で、予混合気の過早着火が生じるか否かを判定する。ここで、予混合気の過早着火の判定の一例について、図５に基づいて説明する。図５は、予混合気の過早着火とＳ１００において検出された周辺部空燃比ＡＦｓｒとの関係を概略的に示した図である。図５の横軸は、副噴射燃料弁７によって噴射される一ストロークあたりの副燃料の噴射量Ｑｓを、図５の縦軸は、周辺部空燃比ＡＦｓｒを表している。また、図５中のＲ１からＲ７は、副燃料の噴射量Ｑｓと周辺部空燃比ＡＦｓｒで定義される領域であり、図５中のＦ１およびＦ２は、それぞれ領域Ｒ２とＲ３との境界を決定する着火判定関数ｆ１、領域Ｒ５とＲ６との境界を決定する着火判定関数ｆ２によって決定される領域の境界線である。着火判定関数ｆ１およびｆ２については後述する。尚、予混合気の過早着火の判定において、その判定基準となる空燃比は、本実施例に示す空燃比の値（図５の縦軸に示される値）に限られず、内燃機関に用いられる燃料の性状等に従って、変更される。
【００６２】
ここで、空燃比点ＡＦＰを用いて、予混合気３２ａの過早着火の判定について、図５に基づいて説明する。空燃比点ＡＦＰは、Ｓ１００で検出した周辺部空燃比ＡＦｓｒと副燃料の噴射量Ｑｓによって決定される点であり、この際の空燃比点ＡＦＰは最も過早着火が起こりやすい部位における空燃比、即ち最も理想空燃比に近い空燃比を有する部位の空燃比を意味する。Ｓ１０２においては、この空燃比点ＡＦＰがＲ１からＲ７のどの領域に属するかによって、予混合気の過早着火を判定する。具体的には、周辺部空燃比ＡＦｓｒの値が、１４以上１６以下の範囲である場合、副燃料の噴射量Ｑｓにかかわらず、常に空燃比点ＡＦＰは領域Ｒ１に属する。ここで、領域Ｒ１に属するということは、予混合気３２ａの何れかの部位において、空燃比が理論空燃比近傍であるため、非常に過早着火しやすい状態にあることを意味する。この領域Ｒ１を、以後「常時過早着火領域」というものとする。従って、この場合、Ｓ１０２において、予混合気３２ａが過早着火すると判定される。
【００６３】
次に、周辺部空燃比ＡＦｓｒの値が１６より大きく２５未満の範囲である場合、空燃比点ＡＦＰは領域Ｒ２もしくはＲ３の何れかに属する。ここで、領域Ｒ２に属するということは、周辺部空燃比ＡＦｓｒの値が１６より大きく２５未満の範囲であっても、副燃料の噴射量Ｑｓの値との関係で予混合気の過早着火が生じ得る状態にあることを意味する。この領域Ｒ２を、以後「リーン側過早着火領域」というものとする。従って、この場合、Ｓ１０２において、予混合気が過早着火すると判定される。一方で、領域Ｒ３に属するということは、周辺部空燃比ＡＦｓｒの値が１６より大きく２５未満の範囲であっても、副燃料の噴射量Ｑｓの値との関係で予混合気の過早着火は生じ得ない状態にあることを意味する。この領域Ｒ３を、以後「リーン側非過早着火領域」というものとする。従って、この場合、Ｓ１０２において、予混合気３２ａは過早着火しないと判定される。
【００６４】
ここで、領域Ｒ２と領域Ｒ３との境界線であるＦ１を決定する着火判定関数ｆ１は、周辺部空燃比ＡＦｓｒおよび副噴射の噴射量Ｑｓに加えて、主噴射による主燃料の噴射量、その噴射時期、およびＳ１０１で検出される全混合気空燃比ＡＦｔを基に、混合気の過早着火に関する副燃料の噴射量Ｑｓと周辺部空燃比ＡＦｓｒとの相対関係、即ちリーン側過早着火領域Ｒ２とリーン側非過早着火領域Ｒ３との境界線を決定する関数である。
【００６５】
次に、周辺部空燃比ＡＦｓｒの値が、２５以上の範囲である場合、副燃料の噴射量Ｑｓにかかわらず、常に空燃比点ＡＦＰは領域Ｒ４に属する。ここで、領域Ｒ４に属するということは、予混合気３２ａの何れの部位においても、空燃比が非常にリーンであるため、過早着火が生じにくい状態にあることを意味する。この領域Ｒ４を、以後、領域Ｒ３と同様、「リーン側非過早着火領域」というものとする。従って、この場合、Ｓ１０２において、予混合気３２ａは過早着火しないと判定される。
【００６６】
次に、周辺部空燃比ＡＦｓｒの値が１０以上１４未満の範囲である場合、空燃比点ＡＦＰは領域Ｒ５もしくはＲ６の何れかに属する。ここで、領域Ｒ５に属するということは、周辺部空燃比ＡＦｓｒの値が１０以上１４未満の範囲であっても、副燃料の噴射量Ｑｓの値との関係で予混合気３２ａの過早着火が生じ得る状態にあることを意味する。この領域Ｒ５を、以後「リッチ側過早着火領域」というものとする。従って、この場合、Ｓ１０２において、予混合気３２ａが過早着火すると判定される。一方で、領域Ｒ６に属するということは、周辺部空燃比ＡＦｓｒの値が１０以上１４未満の範囲であっても、副燃料の噴射量Ｑｓの値との関係で予混合気３２ａの過早着火は生じ得ない状態にあることを意味する。この領域Ｒ６を、以後「リッチ側非過早着火領域」というものとする。従って、この場合、Ｓ１０２において、予混合気は過早着火しないと判定される。
【００６７】
ここで、領域Ｒ５と領域Ｒ６との境界線であるＦ２を決定する着火判定関数ｆ２は、周辺部空燃比ＡＦｓｒおよび副噴射の噴射量Ｑｓに加えて、主噴射による主燃料の噴射量、その噴射時期、およびＳ１０１で検出される全混合気空燃比ＡＦｔを基に、混合気の過早着火に関する副燃料の噴射量Ｑｓと周辺部空燃比ＡＦｓｒとの相対関係、即ちリッチ側過早着火領域Ｒ５とリッチ側非過早着火領域Ｒ６との境界線を決定する関数である。
【００６８】
次に、周辺部空燃比ＡＦｓｒの値が、１０未満の範囲である場合、副燃料の噴射量Ｑｓにかかわらず、常に空燃比点ＡＦＰは領域Ｒ７に属する。ここで、領域Ｒ７に属するということは、予混合気３２ａの何れの部位においても、空燃比が非常にリッチであるため、過早着火が生じにくい状態にあることを意味する。この領域Ｒ７を、以後、領域Ｒ６と同様、「リッチ側非過早着火領域」というものとする。従って、この場合、Ｓ１０２において、予混合気３２ａは過早着火しないと判定される。
【００６９】
Ｓ１０２において、予混合気３２ａが過早着火すると判定されるとＳ１０３へ進み、予混合気３２ａが過早着火しないと判定されるとＳ１０５へ進む。
【００７０】
Ｓ１０３においては、副噴射による副燃料の噴射量Ｑｓを減量する。これにより、副燃料によって形成される予混合気３２ａの空燃比をリーン側に移行させることによって、予混合気３２ａの過早着火を回避することが可能である。即ち、空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１、リーン側過早着火領域Ｒ２およびリッチ側過早着火領域Ｒ５の何れかに属している場合は、副燃料の噴射量Ｑｓを減量させることで、空燃比点ＡＦＰをリーン側非過早着火領域Ｒ３もしくはＲ４に属するようにするものである。Ｓ１０３の処理が終了すると、Ｓ１０４へ進む。
【００７１】
Ｓ１０４においては、主噴射による主燃料の噴射量Ｑｍを調整する。これは、Ｓ１０３の処理によって副燃料の噴射量を減量したままでは、内燃機関１の出力が減少するため、内燃機関１の出力を調整するために主燃料の噴射量Ｑｍを調整するものである。主燃料の噴射量Ｑｍの調整にあたって、主燃料と副燃料の燃料性状の違い、および噴射時期の違いを考慮する。即ち、燃料性状が異なることによって、同量の噴射量であっても、燃焼によって生じるトルクは異なってくるため、主燃料の噴射量Ｑｍの補正が必要となる。また、副噴射と主噴射とでは、噴射時期が異なり、燃焼室３２内における燃料の燃焼の様子が異なる。そのため、たとえ同一の燃料性状を有する燃料であっても、噴射時期が異なることによって、内燃機関１の出力への寄与度は異なってくるため、主燃料の噴射量Ｑｍの補正が必要となる。Ｓ１０４の処理が終了すると、再度Ｓ１００へ進み、周辺部空燃比等が検出され、過早着火の判定が行われる。
【００７２】
Ｓ１０５においては、主噴射による主燃料の噴射が所定のリミット時期までに終了するか否か判断される。一般に、主噴射は圧縮行程上死点近傍において行われるが、噴射時間が長くなるほど燃焼室３２の内部の温度が低下していくため、主燃料の噴射が可能となる所定のリミット時期までに主燃料の噴射を終えておく必要がある。特に、Ｓ１０４において主燃料の噴射量Ｑｍが増量されると、主燃料の噴射に要する時間が多くなるため、主燃料の噴射が所定のリミット時期までに終了するかを判断する必要性が高まる。具体的には、主噴射の噴射開始時期、主燃料の噴射量、主噴射における噴射圧を考慮して判断する。Ｓ１０５において、主燃料の噴射が所定のリミット時期までに終了すると判断されればＳ１０７へと進み、主燃料の噴射が所定のリミット時期までに終了しないと判断されればＳ１０６へと進む。
【００７３】
Ｓ１０６では、主燃料の噴射が所定のリミット時期までに終了するために、主噴射の補正が行われる。具体的には、主噴射開始時期を進角側に移行させることで主噴射の終了する時期を所定のリミット時期以前とする。また、主噴射における噴射圧を増加することで、主燃料の噴射に要する時間を短縮する。尚、主噴射開始時期を進角側に移行させるとともに、主噴射における噴射圧を増加させてもよい。Ｓ１０６の処理が終了すると、Ｓ１０７へ進む。
【００７４】
Ｓ１０７においては、所定の時期において、副燃料噴射弁７より副燃料が噴射される。これにより予混合気３２ａが形成される。Ｓ１０７の処理が終了すると、Ｓ１０８へ進む。Ｓ１０８においては、主燃料噴射弁３より主燃料が噴射される。Ｓ１０８の処理が終了すると、再度Ｓ１００の処理から順次行われる。
【００７５】
本制御によると、燃焼室３２の内部の空燃比分布に従って、副噴射によって形成された予混合気３２ａの過早着火を判断し、過早着火が生じると判定されるときは、副燃料の噴射量が減量されることで、予混合気３２ａの空燃比をリーン側へ移行させることで、該予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
また、本実施例においては、主燃料噴射弁３によって主燃料が、副燃料噴射弁７によって副燃料が噴射されるが、主燃料の燃料性状と副燃料の燃料性状とは、各々の噴射弁による噴射の目的に応じて違えてもよく、また同一の性状であっても各々の噴射弁による噴射の目的を達成できる場合は、両燃料の性状を同一としても構わない。以降に示すその他の実施例においても、同様である。
【００７６】
＜第２の実施例＞
ここで、予混合気３２ａの空燃比分布が過早着火空燃比範囲に属さないようにその空燃比を調整する予混合時噴射量制御の別の実施例を、図６にフローチャートで示す。該予混合時噴射量制御は、ＥＣＵ２５によって繰り返し実行される制御であり、ＥＣＵ２５によって本制御が実行されることは本発明における空燃比調整手段に相当する。
【００７７】
本制御は、内燃機関１において後噴射を行う場合にＥＣＵ２５によって実行される制御である。ここで、後噴射とは、主燃料を噴射する主噴射の後に行われる燃料噴射であり、主噴射もしくは主噴射の前に行われる副噴射によって噴射された燃料から発生した煤を、再度燃焼させることで煤の発生を抑制するものである。特に、内燃機関１の運転負荷が中高負荷である場合は、主噴射または副噴射による煤の発生が増加するため、後噴射が好適に実行される。本実施例においては、後噴射は主燃料噴射弁３より噴射されるものとする。図６に示す予混合時噴射量制御は、後噴射を行う内燃機関１において、副噴射によって予混合気を形成する場合、該予混合気が過早着火を生じないように燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整するものであるが、図４に示す予混合時噴射量制御と重複する処理があるところは、図４と同一の参照番号を付することで、当該処理の説明を省略する。
【００７８】
Ｓ１０２において、予混合気が過早着火すると判定されると、Ｓ１０３において副燃料の噴射量Ｑｓが減量され、その後Ｓ１０９へ進む。Ｓ１０９においては、後噴射燃料の噴射量Ｑａおよび噴射時期を調整する。これは、Ｓ１０３の処理によって副燃料の噴射量を減量したままでは、内燃機関１の出力が減少するため、内燃機関１の出力を調整するために後噴射燃料の噴射量Ｑａを調整するものである。後噴射燃料の噴射量Ｑａの調整にあたって、後噴射燃料と副燃料の燃料性状の違い、および噴射時期の違いを考慮する。即ち、燃料性状が異なることによって、同量の噴射量であっても、燃焼によって生じるトルクは異なってくるため、後噴射燃料の噴射量Ｑａの補正が必要となる。また、副噴射と後噴射とでは、噴射時期が異なり、燃焼室３２内における燃料の燃焼の様子が異なる。そのため、同一の燃料性状を有する燃料であっても、噴射時期が異なることによって、内燃機関１の出力への寄与度は異なってくるため、後噴射燃料の噴射量Ｑａの補正が必要となる。Ｓ１０９の処理が終了すると、Ｓ１１０へ進む。
【００７９】
Ｓ１１０では、主燃料の噴射量Ｑｍを調整する。本制御では、Ｓ１０９において、副噴射燃料の噴射量Ｑｓの減量に対応する後噴射燃料の噴射量Ｑａの調整を行っている。従って、Ｓ１０９において副燃料の噴射量Ｑｓの減量による内燃機関１の出力の低減を十分に後噴射量の噴射量Ｑａの補正で補償できれば、Ｓ１１０において主燃料の噴射量Ｑｍの調整を行う必要はない。一方で、Ｓ１０９において副燃料の噴射量Ｑｓの減量による内燃機関１の出力の低減を十分に後噴射量の噴射量Ｑａの補正で補償できなければ、即ち、後噴射において噴射可能な最大噴射量を超える燃料を補正する必要がある場合は、その最大噴射量を超える燃料は、主噴射において噴射されるようにする。その場合、先述のＳ１１０と同様に、燃料性状の違いや噴射時期の違いを考慮する。
【００８０】
また、主噴射が終了すべき所定の時期は、後噴射が開始される時期となるため、Ｓ１０５においては主噴射が後噴射の開始される時期までに終了するか否かを判定する。その後、Ｓ１０７、Ｓ１０８において、副噴射および主噴射が実行される。Ｓ１０８の処理が終了するとＳ１１１において後噴射が実行される。Ｓ１１１の処理が終了すると、再度Ｓ１００の処理から順次行われる。
【００８１】
本制御によると、燃焼室３２の内部の空燃比分布に従って、副噴射によって形成された予混合気の過早着火を判断し、過早着火が生じると判定されるときは、副燃料の噴射量が減量されることで、予混合気の空燃比をリーン側へ移行させることで、該予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
【００８２】
＜第３の実施例＞
ここで、予混合気３２ａの空燃比分布が過早着火空燃比範囲に属さないようにその空燃比を調整する予混合時過給量制御の実施例を、図７にフローチャートで示す。該予混合時過給量制御は、ＥＣＵ２５によって繰り返し実行される制御であり、ＥＣＵ２５によって本制御が実行されることは本発明における空燃比調整手段に相当する。
【００８３】
図７に示す予混合時過給量制御は、内燃機関１の有する遠心過給器２１が可変ノズル式遠心過給器である場合において、副噴射によって予混合気を形成する場合、該予混合気が過早着火を生じないように燃焼室３２の内部に流入する吸気量を制御することで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整するものである。ここで、図４に示す予混合時噴射量制御と重複する処理があるところは、図４と同一の参照番号を付することで、当該処理の説明を省略する。
【００８４】
Ｓ１０２において、予混合気が過早着火しないと判定されると、Ｓ１０７およびＳ１０８へ順次進み、副燃料、主燃料の噴射が行われる。一方で、Ｓ１０２において、予混合気が過早着火すると判定されると、Ｓ１２０へと進み、以降燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整する処理が行われる。
【００８５】
Ｓ１２０において、図５における空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているか否かが判断される。空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していると判断されるとＳ１２１へ進み、空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していない、即ちリーン側過早着火領域Ｒ２もしくはリッチ側過早着火領域Ｒ５に属していると判断されるとＳ１２２へ進む。
【００８６】
Ｓ１２１では、可変ノズル式遠心過給器のノズル開度を全開又は全閉とすることで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整する。ここで、可変ノズル式遠心過給器において、ノズル開度を全開とすると過給量が最小量となり、ノズル開度を全閉とすると過給量が最大量となる。空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位が存在しているため、過早着火が生じる可能性が極めて高い。従って、即座に空燃比点ＡＦＰを常時過早着火領域Ｒ１から離脱させる必要があると考えられる。
【００８７】
そこで、ノズル開度が全閉時の最大過給量を、内燃機関１の機関回転数毎に予めマップに記録しておき、Ｓ１２０において空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していると判断されると、その際の内燃機関１の機関回転数に基づいて、マップより導出されるノズル開度全閉時の最大過給によって、燃焼室３２の内部の空燃比分布をリーン側に移行させることで、予混合気の過早着火を回避させることができると判断される場合は、ノズル開度を全閉として過給量を最大とする。一方で、ノズル開度を全閉とすることで予混合気の過早着火を回避することができないと判断される場合は、ノズル開度を全開として過給量を最小とすることで、燃焼室３２の内部の空燃比分布をリッチ側へと移行させる。これにより、予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
【００８８】
Ｓ１２２においては、可変ノズル式遠心過給器のノズル開度を着火判定関数ｆ１
又はｆ２に従って調整することで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整する。空燃比点ＡＦＰがリーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位は存在してはいないが、リーン側であれば過早着火判定関数ｆ１、リッチ側であれば過早着火判定関数ｆ２に従って、予混合気の過早着火が生じる可能性が高いと判断される場合である。しかし、リーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５における予混合気の過早着火の可能性は、常時過早着火領域Ｒ１と比べて低いと考えられ、また過給量の急峻な変化による燃焼室３２への吸気量の変化は、特に主燃料の燃焼に与える影響が大きく、内燃機関１の機関出力が変動する虞がある。従って、Ｓ１２２では、予混合気の過早着火が発生すると判断されると、リーン側であれば、過早着火判定関数ｆ１に従い、リーン側過早着火領域Ｒ２からリーン側非過早着火領域Ｒ３もしくはＲ４へと移行するための過給量変化が最小となる過給量となるべきノズル開度に調整し、リッチ側であれば、過早着火判定関数ｆ２に従い、リッチ側過早着火領域Ｒ５からリッチ側非過早着火領域Ｒ６もしくはＲ７へと移行するための過給量変化が最小となる過給量となるべきノズル開度に調整する。
【００８９】
Ｓ１２１またはＳ１２２の処理が終了すると、Ｓ１０７、Ｓ１０８において、副噴射および主噴射が実行される。Ｓ１０８の処理が終了すると、再度Ｓ１００の処理から順次行われる。
【００９０】
本制御によると、燃焼室３２の内部の空燃比分布に従って、副噴射によって形成された予混合気の過早着火を判断し、過早着火が生じると判定されるときは、可変ノズル式遠心過給器のノズル開度を調整することで、燃焼室３２へ流入する吸気量を調整し、予混合気の空燃比をリーン側もしくはリッチ側へ移行させることで、該予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
【００９１】
また、本実施例では燃焼室３２へ流入する吸気量を調整する手段として可変ノズル式遠心過給器を採用するが、それに代えてモータアシスト過給器を採用することも可能である。モータアシスト過給器は、モータによってコンプレッサを強制回転させることで、過給量を増加、減少させることが可能となる。従って、遠心過給器のように内燃機関の排気を利用してコンプレッサを回転させないため、内燃機関の運転状況にかかわらず任意の過給を供給することが可能となる。
【００９２】
そこで、本実施例において可変ノズル式遠心過給器に代わってモータアシスト過給器を用いる場合は、図７に示す予混合時過給量制御におけるＳ１２１およびＳ１２２での可変ノズル式遠心過給器のノズル開度の調整に代わって、モータアシスト過給器のモータに対する駆動電圧を調整することで、該モータの回転数を調整し、以て予混合気の過早着火を回避するのに適した量の過給を、燃焼室３２へ供給すればよい。
【００９３】
＜第４の実施例＞
ここで、予混合気３２ａの空燃比分布が過早着火空燃比範囲に属さないようにその空燃比を調整する予混合時吸気弁制御の実施例を、図８にフローチャートで示す。該予混合時吸気弁制御は、ＥＣＵ２５によって繰り返し実行される制御であり、ＥＣＵ２５によって本制御が実行されることは本発明における空燃比調整手段に相当する。
【００９４】
図８に示す予混合時吸気弁制御は、内燃機関１においてＥＣＵ２５によって実行される制御であり、副噴射によって予混合気を形成する場合、該予混合気が過早着火を生じないように燃焼室３２の内部に流入する吸気量を制御することで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整するものである。ここで、図７に示す予混合時過給量制御と重複する処理があるところは、図７と同一の参照番号を付することで、当該処理の説明を省略する。
【００９５】
Ｓ１２０において、図５における空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているか否かが判断される。空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していると判断されるとＳ１３０へ進み、空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していない、即ちリーン側過早着火領域Ｒ２もしくはリッチ側過早着火領域Ｒ５に属していると判断されるとＳ１３１へ進む。
【００９６】
ここで、可変動弁機構３３によって吸気弁３１の開弁時期を遅らせることで、吸気行程におけるピストン３０の下降運動によって燃焼室３２内に発生する負圧が増大する。その結果、吸気弁３１が開弁するとともに多量の吸気が燃焼室３２の内部へ流入する。また、吸気弁３１のリフト量を大きくすることで、吸気ポート１１ｂと燃焼室３２の間における吸気の流れに対する抵抗が小さくなる。その結果、吸気弁３１の開弁に伴い、多量の吸気が燃焼室３２の内部へ流入することが可能となる。従って、可変動弁機構３３を介して吸気弁３１の開弁時期を遅らせるとともに、吸気弁のリフト量を大きくすることで、燃焼室３２に流入する吸気量をより増大させることになる。
【００９７】
このとき、Ｓ１３０では、可変動弁機構３３を介して吸気弁３１の開弁時期を最も遅くし、且つ吸気弁３１のリフト量を最大とすることで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整する。空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位が存在しているため、過早着火が生じる可能性が極めて高い。従って、即座に空燃比点ＡＦＰを常時過早着火領域Ｒ１から離脱させる必要があると考えられる。そこで、Ｓ１２０において空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していると判断されると、吸気弁３１の開弁とともに多量の吸気を燃焼室３２の内部へ導入することで、燃焼室３２の内部の空燃比分布をリーン側へと移行させる。これにより、予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
【００９８】
Ｓ１３１においては、吸気弁３１の開弁時期とリフト量を着火判定関数ｆ１
又はｆ２に従って調整することで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整する。空燃比点ＡＦＰがリーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位は存在してはいないが、リーン側であれば過早着火判定関数ｆ１、リッチ側であれば過早着火判定関数ｆ２に従って、予混合気の過早着火が生じる可能性が高いと判断される場合である。しかし、リーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５における予混合気の過早着火の可能性は、常時過早着火領域Ｒ１と比べて低いと考えられ、また燃焼室３２への吸気量の急峻な変化は、特に主燃料の燃焼に与える影響が大きく、内燃機関１の機関出力が変動する虞がある。従って、Ｓ１３１では、予混合気の過早着火が発生すると判断されると、リーン側であれば、過早着火判定関数ｆ１に従い、リーン側過早着火領域Ｒ２からリーン側非過早着火領域Ｒ３もしくはＲ４へと移行するための吸気量変化が最小となるように吸気弁３１の開弁時期およびリフト量となるべく可変動弁機構３３を制御し、リッチ側であれば、過早着火判定関数ｆ２に従い、リッチ側過早着火領域Ｒ５からリッチ側非過早着火領域Ｒ６もしくはＲ７へと移行するための吸気量変化が最小となるように吸気弁３１の開弁時期およびリフト量となるべく可変動弁機構３３を制御する。
【００９９】
Ｓ１３０またはＳ１３１の処理が終了すると、Ｓ１０７、Ｓ１０８において、副噴射および主噴射が実行される。Ｓ１０８の処理が終了すると、再度Ｓ１００の処理から順次行われる。
【０１００】
本制御によると、燃焼室３２の内部の空燃比分布に従って、副噴射によって形成された予混合気の過早着火を判断し、過早着火が生じると判定されるときは、可変動弁機構３３を介して吸気弁３１の開弁時期およびリフト量を調整することで、燃焼室３２へ流入する吸気量を調整し、予混合気の空燃比をリーン側もしくはリッチ側へ移行させることで、該予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
【０１０１】
＜第５の実施例＞
ここで、予混合気３２ａの空燃比分布が過早着火空燃比範囲に属さないようにその空燃比を調整する実施例を図９及び図１０に示す。図９は、燃焼室３２の内部に旋回流（以後、「スワール」という）を発生させるＳＣＶ（スワールコントロールバルブ）３５を含む気筒２近傍の概略図である。また、図１０は、前記ＳＣＶ３５を用いて予混合気の過早着火を回避する予混合時ＳＣＶ制御のフローを示すフローチャート図である。ここで、該予混合時ＳＣＶ制御は、ＥＣＵ２５によって繰り返し実行される制御であり、ＥＣＵ２５によって本制御が実行されることは本発明における空燃比調整手段に相当する。
【０１０２】
ここで、図９に基づきＳＣＶ３５の作用について説明する。図９に示す気筒２においては、燃焼室３２に２つの吸気弁３１を介してそれぞれに吸気ポート１１ｂが連通するとともに、２つの排気弁３４を介してそれぞれに排気ポート１８ｂが連通している。更に、２本の吸気ポート１１ｂの一方の途中に、該吸気ポートを流れる吸気の流量を調整するＳＣＶ３５が設けられている。このように構成される気筒２においては、ＳＣＶ３５の開度によっては、それぞれの吸気ポート１１ｂを流れる吸気量が相違することになる。その結果、それぞれの吸気弁３１の開弁によって燃焼室内へ流入する吸気量が相違するため、燃焼室３２の内部に旋回流（スワール）が発生する。このスワールの強度は、それぞれの吸気ポート１１ｂを流れる吸気量の差に応じて変化し、その吸気量の差が最大となるとき、即ちＳＣＶを全閉としたときが、スワールの強度は最も強くなる。
【０１０３】
図１０に示す予混合時ＳＣＶ制御は、ＳＣＶ３５を有する内燃機関１においてＥＣＵ２５によって実行される制御であり、副噴射によって予混合気を形成する場合、内燃機関１の有するＳＣＶ３５の開度を調整し、燃焼室３２内に発生するスワールの強度を調整することで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整するものである。ここで、図７に示す予混合時過給量制御と重複する処理があるところは、図７と同一の参照番号を付することで、当該処理の説明を省略する。
【０１０４】
Ｓ１２０において、図５における空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているか否かが判断される。空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していると判断されるとＳ１４０へ進み、空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していない、即ちリーン側過早着火領域Ｒ２もしくはリッチ側過早着火領域Ｒ５に属していると判断されるとＳ１４１へ進む。
【０１０５】
Ｓ１４０では、ＳＣＶ３５を全閉として燃焼室３２の内部に発生するスワールの強度を最大とすることで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整する。空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位が存在しているため、過早着火が生じる可能性が極めて高い。従って、即座に空燃比点ＡＦＰを常時過早着火領域Ｒ１から離脱させる必要があると考えられる。そこで、Ｓ１２０において空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していると判断されると、燃焼室３２の内部に発生するスワールの強度を最大とすることで、燃焼室３２の内部の空燃比分布において理論空燃比に近い空燃比を有する部位において即座に混合気を拡散させる。これにより、予混合気の過早着火を即座に回避することが可能となる。
【０１０６】
Ｓ１４１においては、ＳＣＶ３５の開度を着火判定関数ｆ１又はｆ２に従って調整することで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整する。空燃比点ＡＦＰがリーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位は存在してはいないが、リーン側であれば過早着火判定関数ｆ１、リッチ側であれば過早着火判定関数ｆ２に従って、予混合気の過早着火が生じる可能性が高いと判断される場合である。しかし、リーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５における予混合気の過早着火の可能性は、常時過早着火領域Ｒ１と比べて低いと考えられ、またＳＣＶ３５によって燃焼室３２の内部にスワールを発生させる一方で、ＳＣＶ３５の開度によってはポンピングロスによって内燃機関１における燃費が悪化する虞がある。従って、Ｓ１４１では、予混合気の過早着火が発生すると判断されると、リーン側であれば、過早着火判定関数ｆ１に従い、リーン側過早着火領域Ｒ２からリーン側非過早着火領域Ｒ３もしくはＲ４へと移行するためのスワール強度が得られるＳＣＶ３５の最大開度となるべくＳＣＶ３５を制御し、リッチ側であれば、過早着火判定関数ｆ２に従い、リッチ側過早着火領域Ｒ５からリッチ側非過早着火領域Ｒ６もしくはＲ７へと移行するためのスワール強度が得られるＳＣＶ３５の最大開度なるべくＳＣＶ３５を制御する。
【０１０７】
Ｓ１４０またはＳ１４１の処理が終了すると、Ｓ１４２へ進む。Ｓ１４２では、Ｓ１４０またはＳ１４１においてＳＣＶ３５の開度を変更したことにより、燃焼室３２の内部における予混合気の形成過程が変動していると考えられるため、Ｓ１０２において、予混合気の過早着火の可能性を判定するための基準値となる空燃比の値を補正する必要がある。即ち、スワールの強度が強くなることにより、燃料の拡散が促進されるため、燃焼室３２内に形成される予混合気がより均一に拡散することで、予混合気の空燃比もより均一のものとなり、過早着火が生じる空燃比を回避することが可能となる。そこで、例えば図５に示すリーン側過早着火領域Ｒ４の境界値である空燃比の値は２５であるが、これを例えば２４．５に変更し、予混合気の過早着火が生じると判定される範囲を狭めることが可能となる。その他の領域を決定する空燃比の値も同様に補正することが可能となる。これにより、Ｓ１０２における予混合気の過早着火の判定がより正確に実行できる。
【０１０８】
Ｓ１４２の処理が終了すると、Ｓ１０７、Ｓ１０８において、副噴射および主噴射が実行される。Ｓ１０８の処理が終了すると、再度Ｓ１００の処理から順次行われる。
【０１０９】
本制御によると、燃焼室３２の内部の空燃比分布に従って、副噴射によって形成された予混合気の過早着火を判断し、過早着火が生じると判定されるときは、ＳＣＶ３５の開度を調整することで、燃焼室３２の内部に発生する旋回流（スワール）の強度を調整し、燃料の拡散を制御することで、該予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
【０１１０】
＜第６の実施例＞
ここで、予混合気３２ａの空燃比分布が過早着火空燃比範囲に属さないようにその空燃比を調整する実施例を図１１，図１２及び図１３に示す。図１１は、内燃機関１における燃焼室３２近傍の概略構成を示す図である。また、図１２は、燃料噴射後における燃焼室３２内に形成される混合気の概略的な分布を示す図である。図１３は、予混合気の過早着火を回避する予混合時バタフライ制御のフローを示すフローチャート図である。ここで、該予混合時バタフライ制御は、ＥＣＵ２５によって繰り返し実行される制御であり、ＥＣＵ２５によって本制御が実行されることは本発明における空燃比調整手段に相当する。
【０１１１】
ここで、予混合気３２ａの空燃比を調整するバタフライについて、図１１および図１２に基づいて説明する。図１１に示す燃焼室３２近傍の概略構成について、図２に示す燃焼室近傍の概略構成と同一の構成要素は、同一の参照番号を付することで、その説明を省略する。以下、図２に示す燃焼室近傍の概略構成と相違する要素について説明をする。
【０１１２】
副燃料噴射弁７の下流側の吸気支管１１に、バタフライ３６が設けられている。バタフライ３６は、ＥＣＵ２５と電気的に接続されており、ＥＣＵ２５からの指令に応じて、バタフライ３６は吸気支管１１の内部へ進入することが可能となっている。ここで、バタフライ３６が吸気支管１１の内部へ進入すると、副燃料噴射弁７から噴射された副燃料の噴射方向を遮ることになる。その結果、噴射方向を遮られなかった場合には、図３（ａ）に示すように副燃料が燃焼室３２内に広く拡散した予混合気３２ａは、副燃料の噴射方向が遮られることで、図１２に示すように燃焼室３２の側部に分布することになる。即ち、バタフライ３６の吸気支管１１内への進入量に応じて、予混合気３２ａが形成される位置が変動し、以て燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整することとなる。
【０１１３】
図１３に示す予混合時バタフライ制御は、バタフライ３６を有する内燃機関１においてＥＣＵ２５によって実行される制御であり、副噴射によって予混合気を形成する場合、内燃機関１の有するバタフライ３６の吸気支管１１への進入量を調整し、副燃料の噴射方向を調整することで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整するものである。ここで、図７に示す予混合時過給量制御と重複する処理があるところは、図７と同一の参照番号を付することで、当該処理の説明を省略する。
【０１１４】
Ｓ１０２において、少なくともＳ１００およびＳ１０１で検出した周辺部空燃比ＡＦｓｒと全混合気空燃比ＡＦｔを基に燃焼室３２の内部で、予混合気の過早着火が生じるか否かが判定され、予混合気が過早着火すると判定されるとＳ１５０へ進む。Ｓ１５０では、Ｓ１０１で検出された全混合気空燃比ＡＦｔに従って、バタフライ３６の吸気枝管１１への進入量を調整する。即ち、Ｓ１０２において、予混合気が過早着火すると判定された場合に、バタフライ３６の進入量を調整することで、予混合気３２ａの形成される位置と主燃料混合気３２ｂの形成される位置の相対位置を調整することで、燃焼室３２において予混合気が過早着火しない空燃比分布とするものである。
【０１１５】
例えば、予混合気３２ａが過早着火すると判定され、且つ全混合気空燃比ＡＦｔの値が理論空燃比より低い場合、バタフライ３６の進入量を小さくすることで、副燃料の噴射方向を燃焼室３２の中央付近に近づけ、予混合気３２ａの空燃比をリッチ側へ移行させることで、予混合気３２ａの過早着火を回避する。一方で、予混合気３２ａが過早着火すると判定され、且つ全混合気空燃比ＡＦｔの値が理論空燃比以上である場合、バタフライ３６の進入量を大きくすることで、副燃料の噴射方向を燃焼室３２の側部方向とし、予混合気３２ａの空燃比をリーン側へ移行させることで、予混合気３２ａの過早着火を回避する。
【０１１６】
Ｓ１５０の処理が終了すると、Ｓ１０７、Ｓ１０８において、副噴射および主噴射が実行される。Ｓ１０８の処理が終了すると、再度Ｓ１００の処理から順次行われる。
【０１１７】
本制御によると、燃焼室３２の内部の空燃比分布に従って、副噴射によって形成された予混合気の過早着火を判断し、過早着火が生じると判定されるときは、バタフライ３６の吸気枝管１１への進入量を調整することで、副燃料の噴射方向を調整し、燃焼室３２の内部に形成される予混合気の形成される位置と主燃料混合気の形成される位置の相対位置が決定される。その結果、予混合気の空燃比分布が調整され、予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
【０１１８】
＜第７の実施例＞
ここで、予混合気３２ａの空燃比分布が過早着火空燃比範囲に属さないようにその空燃比を調整する予混合時吸気絞り制御の実施例を、図１４にフローチャートで示す。該予混合時吸気絞り制御は、ＥＣＵ２５によって繰り返し実行される制御であり、ＥＣＵ２５によって本制御が実行されることは本発明における空燃比調整手段に相当する。
【０１１９】
図１４に示す予混合時吸気絞り制御は、副噴射によって予混合気を形成する場合、該予混合気が過早着火を生じないように、内燃機関１の有する吸気絞り弁１４によって燃焼室３２の内部に流入する吸気量を制御することで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整するものである。ここで、図７に示す予混合時過給量制御と重複する処理があるところは、図７と同一の参照番号を付することで、当該処理の説明を省略する。
【０１２０】
Ｓ１０２において、予混合気が過早着火しないと判定されると、Ｓ１０７およびＳ１０８へ順次進み、副燃料、主燃料の噴射が行われる。一方で、Ｓ１０２において、予混合気が過早着火すると判定されると、Ｓ１２０へと進み、以降燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整する処理が行われる。
【０１２１】
Ｓ１２０において、図５における空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているか否かが判断される。空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していると判断されるとＳ１６０へ進み、空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していない、即ちリーン側過早着火領域Ｒ２もしくはリッチ側過早着火領域Ｒ５に属していると判断されるとＳ１６１へ進む。
【０１２２】
Ｓ１６０では、吸気絞り弁１４の開度を全開とすることで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整する。吸気絞り弁１４の開度調整は、ＥＣＵ２５から吸気絞り用アクチュエータ１５に対して駆動指令が出されることで行われる。空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位が存在しているため、過早着火が生じる可能性が極めて高い。従って、即座に空燃比点ＡＦＰを常時過早着火領域Ｒ１から離脱させる必要があると考えられる。
【０１２３】
そこで、吸気絞り弁１４の開度が全開時の最大吸気量を、内燃機関１の機関回転数毎と、燃焼室に噴射された燃料量と該燃料が失火状態とならない最大吸気量との関係を予めマップに記録しておき、Ｓ１２０において空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していると判断されると、その際の機関回転数に対する最大吸気量を考慮した上で、主燃料噴射弁３と副燃料噴射弁７とから噴射される主燃料および副燃料が失火状態とならない範囲において、吸気絞り弁１４の開度を最大開度とする。その結果、燃焼室３２の内部において失火状態を回避しながら且つその内部の空燃比分布をリーン側に移行させることで、予混合気の過早着火を回避させることができる。
【０１２４】
Ｓ１６１においては、吸気絞り弁１４の開度を着火判定関数ｆ１又はｆ２に従って調整することで、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整する。空燃比点ＡＦＰがリーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位は存在してはいないが、リーン側であれば過早着火判定関数ｆ１、リッチ側であれば過早着火判定関数ｆ２に従って、予混合気の過早着火が生じる可能性が高いと判断される場合である。しかし、リーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５における予混合気の過早着火の可能性は、常時過早着火領域Ｒ１と比べて低いと考えられ、また燃焼室３２への吸気量の急峻な変化は、特に主燃料の燃焼に与える影響が大きく、内燃機関１の機関出力が変動する虞がある。従って、Ｓ１６１では、予混合気の過早着火が発生すると判断されると、リーン側であれば、過早着火判定関数ｆ１に従い、リーン側過早着火領域Ｒ２からリーン側非過早着火領域Ｒ３もしくはＲ４へと移行するための吸気量変化が最小となるべき吸気絞り弁１４の開度に調整し、リッチ側であれば、過早着火判定関数ｆ２に従い、リッチ側過早着火領域Ｒ５からリッチ側非過早着火領域Ｒ６もしくはＲ７へと移行するための吸気量変化が最小となるべき吸気絞り弁１４の開度に調整する。
【０１２５】
Ｓ１６０またはＳ１６１の処理が終了すると、Ｓ１０７、Ｓ１０８において、副噴射および主噴射が実行される。Ｓ１０８の処理が終了すると、再度Ｓ１００の処理から順次行われる。
【０１２６】
本制御によると、燃焼室３２の内部の空燃比分布に従って、副噴射によって形成された予混合気の過早着火を判断し、過早着火が生じると判定されるときは、吸気絞り弁１４の開度を調整することで、燃焼室３２へ流入する吸気量を調整し、予混合気の空燃比をリーン側もしくはリッチ側へ移行させることで、該予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
【０１２７】
＜第８の実施例＞
先述までの実施例においては、副燃料の噴射によって形成された予混合気が過早着火すると判定された場合は、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整することで、予混合気の過早着火を回避する本発明に係る実施例を示した。ここで、予混合気の過早着火を回避するその他の実施例として、燃焼室３２における圧縮比を変更する例が考えられる。その実施例について、図１５および図１６に基づいて説明する。図１５は本発明に係る可変圧縮比手段の概略的な構成を示す図である。また、図１６は、予混合気の過早着火を回避する予混合時圧縮比制御のフローを示すフローチャート図である。
【０１２８】
ここで、可変圧縮比手段について図１５に基づいて説明する。気筒２において、ピストン３０の下端部の回転軸Ｊ１において、Ｔ字状の第１コンロッド３７が回転自在に連結されている。さらに、第１コンロッド３７は、回転軸Ｊ２において、第２コンロッド３８と回転自在に連結されており、第２コンロッド３８は内燃機関１のクランクシャフト４０と回転軸Ｊ３において、回転自在に連結されている。さらに、第１コンロッド３７の別の端部であって、回転軸Ｊ１と回転軸Ｊ２とを結ぶ直線上に存在しない部位に設けられた回転軸Ｊ４において、コントロールロッド３９が回転自在に連結されている。さらに、コントロールロッド３９は、コントロールシャフト４１と回転軸Ｊ５において回転自在に連結されており、且つ回転軸Ｊ５はコントロールシャフト４１の中心軸とは偏心した位置関係を有している。
【０１２９】
このように構成された可変圧縮比手段では、クランクシャフト４０が回転することによって、第１コンロッド３７および第２コンロッド３８を介して、ピストン３０が上下往復運動を行う。ここで、コントロールシャフト４１が回転することによって、コントロールシャフトの中心軸と偏心した部位に連結されているコントロールロッド３９が、おおよそその軸方向に移動することで、コントロールロッド３９の揺動支点が変位し、ピストン３０の行程容積、即ち圧縮比が変更される。従って、本実施例の可変圧縮比手段においては、コントロールシャフト４１の回転角を制御することで、燃焼室３２における圧縮比を制御することが可能となる。
【０１３０】
図１６に示す予混合時圧縮比制御は、副噴射によって予混合気を形成する場合、該予混合気が過早着火を生じないように、図１５に示す可変圧縮比手段によって燃焼室３２における圧縮比を制御するものである。ここで、図７に示す予混合時過給量制御と重複する処理があるところは、図７と同一の参照番号を付することで、当該処理の説明を省略する。
【０１３１】
Ｓ１０２において、予混合気が過早着火しないと判定されると、Ｓ１０７およびＳ１０８へ順次進み、副燃料、主燃料の噴射が行われる。一方で、Ｓ１０２において、予混合気が過早着火すると判定されると、Ｓ１２０へと進む。Ｓ１２０において、図５における空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているか否かが判断される。空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していると判断されるとＳ１７０へ進み、空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していない、即ちリーン側過早着火領域Ｒ２もしくはリッチ側過早着火領域Ｒ５に属していると判断されるとＳ１７１へ進む。
【０１３２】
Ｓ１７０では、可変圧縮比手段によって燃焼室３２における圧縮比を最小とする。空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位が存在しているため、過早着火が生じる可能性が極めて高い。そこで、燃焼室３２における圧縮比を最小とすることで、圧縮行程の進行に伴って上昇する燃焼室３２内の予混合気の温度上昇を抑制し、予混合気の過早着火を回避する。
【０１３３】
Ｓ１７１においては、燃焼室３２における圧縮比を可変圧縮比手段によって、機関回転数と燃料噴射量に従って調整する。空燃比点ＡＦＰがリーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位は存在してはいないが、予混合気の過早着火が生じる可能性が高いと判断される場合である。しかし、リーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５における予混合気の過早着火の可能性は、常時過早着火領域Ｒ１と比べて低いと考えられ、また燃焼室３２における圧縮比の低下は、圧縮行程による燃焼室内の温度上昇を抑制するため、噴射された燃料のうち未燃成分として残留する量が増加する等の虞がある。従って、Ｓ１７１では、予混合気の過早着火が発生すると判断されると、機関回転数と主燃料および副燃料の総量を考慮し、燃焼室３２における圧縮比を最適の圧縮比とする。具体的には、機関回転数と燃料噴射量の増量に従い、徐々にもしくは段階的に圧縮比を低下させるようにする。
【０１３４】
Ｓ１７０またはＳ１７１の処理が終了すると、Ｓ１０７、Ｓ１０８において、副噴射および主噴射が実行される。Ｓ１０８の処理が終了すると、再度Ｓ１００の処理から順次行われる。
【０１３５】
本制御によると、燃焼室３２の内部の空燃比分布に従って、副噴射によって形成された予混合気の過早着火を判断し、過早着火が生じると判定されるときは、可変圧縮比手段によって燃焼室３２における圧縮比を調整することで、該予混合気の温度を低下させ、該予混合気の過早着火を回避することが可能となる。
【０１３６】
＜第９の実施例＞
先述までの実施例においては、副燃料の噴射によって形成された予混合気が過早着火すると判定された場合は、燃焼室３２の内部の空燃比分布を調整することで、予混合気の過早着火を回避する本発明に係る実施例を示した。ここで、予混合気の過早着火を回避するその他の実施例として、燃焼室３２における酸素の濃度を調整する例が考えられる。その実施例について、図１７および図１８に基づいて説明する。図１７は本発明に係る予混合圧縮着火内燃機関であって、燃焼室３２における酸素濃度を調整する酸素富化装置および燃焼室近傍の概略的な構成を示す図である。また、図１８は、予混合気の過早着火を回避する予混合時酸素濃度制御のフローを示すフローチャート図である。
【０１３７】
ここで、酸素富化装置近傍の構成について図１７に基づいて説明する。図２に示す内燃機関と同一の構成要素については、同一の参照番号を付してその説明を省略する。吸気導入管４２は、吸気管１２から延出し、酸素富化装置４３へと連通する。酸素富化装置４３からは、２本の吸気送管４４および４５が延出しており、吸気送管４４は酸素富化装置４３内に設けられている酸素富化膜（図示せず）を経由しない吸気が流れる管であり、従って吸気送管４４を流れる吸気における酸素濃度は、酸素富化装置４３に流入する前の吸気における酸素濃度より低い。一方で、吸気送管４５は酸素富化装置４３内に設けられている酸素富化膜（図示せず）を経由した吸気が流れる管であり、従って吸気送管４５を流れる吸気における酸素濃度は、酸素富化装置４３に流入する前の吸気における酸素濃度より高い。吸気送管４４および吸気送管４５は、切替バルブ４６およびポンプ４７を介して、吸気送管４８へと至る。更に、吸気送管４８は燃焼室３２へと連通している。
【０１３８】
このように構成された酸素富化装置４３等を備える予混合圧縮着火内燃機関においては、ポンプ４７を駆動することにより、吸気管１２から吸気導入管４２を介して酸素富化装置４３へ吸気が送り込まれる。ここで、切替バルブ４６は、吸気が吸気送管４４又は吸気送管４５のいずれかを流れるべく流路を切り替えるバルブである。従って、切替バルブ４６によって、吸気送管４４とポンプ４７との間に吸気の流れが生じる場合、燃焼室３２へ酸素濃度の低い吸気が供給される。また、切替バルブ４６によって、吸気送管４５とポンプ４７との間に吸気の流れが生じる場合、燃焼室３２へ酸素濃度の高い吸気が供給される。更に、ポンプ４７の吸引力を調整することで、吸気送管４８を介して燃焼室３２へ供給される吸気量を調整することが可能となる。
【０１３９】
次に、図１８に示す予混合時酸素濃度制御は、副噴射によって予混合気を形成する場合、該予混合気が過早着火を生じないように、図１７に示す酸素富化装置４３によって燃焼室３２に供給される吸気における酸素濃度を制御するものである。ここで、図７に示す予混合時過給量制御と重複する処理があるところは、図７と同一の参照番号を付することで、当該処理の説明を省略する。
【０１４０】
Ｓ１０２において、予混合気が過早着火しないと判定されると、Ｓ１０７およびＳ１０８へ順次進み、副燃料、主燃料の噴射が行われる。一方で、Ｓ１０２において、予混合気が過早着火すると判定されると、Ｓ１２０へと進む。Ｓ１２０において、図５における空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているか否かが判断される。空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していると判断されるとＳ１８０へ進み、空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属していない、即ちリーン側過早着火領域Ｒ２もしくはリッチ側過早着火領域Ｒ５に属していると判断されるとＳ１８１へ進む。
【０１４１】
Ｓ１８０では、切替バルブ４６によって吸気送管４４とポンプ４７との間に吸気の流れが生じさせ、且つポンプ４７の吸引力を最大とすることで、燃焼室３２内部の酸素濃度を最も低くする。即ち、空燃比点ＡＦＰが常時過早着火領域Ｒ１に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位が存在しているため、過早着火が生じる可能性が極めて高い。そこで、燃焼室３２内部の酸素濃度を最も低くすることで、予混合気の着火性を低減させ、以て予混合気の過早着火を回避する。
【０１４２】
Ｓ１８１においては、燃焼室３２内部の酸素濃度を過早着火判定関数ｆ１又はｆ２に従って調整することで、予混合気の着火性を調整する。空燃比点ＡＦＰがリーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５に属しているときは、燃焼室３２の内部の空燃比分布において、理論空燃比に近い空燃比を有する部位は存在してはいないが、リーン側であれば過早着火判定関数ｆ１、リッチ側であれば過早着火判定関数ｆ２に従って、予混合気の過早着火が生じる可能性が高いと判断される場合である。しかし、リーン側過早着火領域Ｒ２又はリッチ側過早着火領域Ｒ５における予混合気の過早着火の可能性は、常時過早着火領域Ｒ１と比べて低いと考えられ、また燃焼室３２内部の酸素濃度の変化は、特に主燃料の燃焼に与える影響が大きく、内燃機関１の機関出力が変動する虞がある。従って、Ｓ１８１では、予混合気の過早着火が発生すると判断されると、リーン側であれば、過早着火判定関数ｆ１に従い、リーン側過早着火領域Ｒ２からリーン側非過早着火領域Ｒ３もしくはＲ４へと移行するための酸素濃度の変化量が最小となるべく切替バルブ４６とポンプ４７の吸引力を調整する。そこで、リッチ側であれば、過早着火判定関数ｆ２に従い、リッチ側過早着火領域Ｒ５からリッチ側非過早着火領域Ｒ６もしくはＲ７へと移行するための酸素濃度の変化量が最小となるべく切替バルブ４６とポンプ４７の吸引力を調整する。
【０１４３】
Ｓ１８０またはＳ１８１の処理が終了すると、Ｓ１８２へ進む。Ｓ１８２では、Ｓ１８０またはＳ１８１において燃料富化装置４３によって、燃焼室３２内部の酸素濃度が吸気管１２にある通常の吸気の酸素濃度と相違し、予混合気の着火性が変動していると考えられるため、Ｓ１０２において、予混合気の過早着火の可能性を判定するための基準値となる空燃比の値を補正する必要がある。即ち、燃焼室３２内部の酸素濃度が大きくなるにつれて、予混合気の着火性が向上し、燃焼室３２内部の酸素濃度が小さくなるにつれて、予混合気の着火性が低下する。そこで、予混合気の着火性の変動を考慮して、Ｓ１０２における予混合気の過早着火の判定基準となる空燃比の値を補正する。これにより、Ｓ１０２における予混合気の過早着火の判定がより正確に実行できる。
【０１４４】
Ｓ１８０またはＳ１８１の処理が終了すると、Ｓ１０７、Ｓ１０８において、副噴射および主噴射が実行される。Ｓ１０８の処理が終了すると、再度Ｓ１００の処理から順次行われる。
【０１４５】
本制御によると、燃焼室３２の内部の空燃比分布に従って、副噴射によって形成された予混合気の過早着火を判断し、過早着火が生じると判定されるときは、酸素富化装置４３によって燃焼室３２内部の酸素濃度を調整することで、該予混合気の着火性を調整し、その過早着火を回避することが可能となる。
【０１４６】
＜第１０の実施例＞
先述までの実施例においては、副燃料を副燃料噴射弁７から噴射することによって予混合気を形成しているが、主燃料噴射弁３によって予混合気の形成が可能である場合は、副燃料噴射弁７を設ける必要はない。そのような実施例における、内燃機関１の概略的な構成を図１９に示す。尚、図１に示す内燃機関と同一の構成要素については、同一の参照番号を付し、その説明を省略する。
【０１４７】
【発明の効果】
本発明に係る予混合圧縮着火内燃機関は、燃焼室内に形成される空燃比分布に従って、予混合気の過早着火の発生を判定し、予混合気が過早着火すると判定する場合は、該予混合気の空燃比分布が所定の空燃比を回避することで該予混合気の着火時期を遅らせる。これにより、該予混合気の空燃比分布において、過早着火が発生する空燃比を避けることで、その空燃比に起因して発生する予混合気の過早着火が回避され、内燃機関の運転負荷にかかわらず安定した燃焼が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る予混合圧縮着火内燃機関およびその制御系統の概略構成を示す図である。
【図２】本実施の形態に係る予混合圧縮着火内燃機関における燃焼室近傍の概略構成を示す図である。
【図３】燃焼室における混合気の概略的な分布を示す図、および該混合気における空燃比の推移を示す図である。
【図４】本実施の形態に係る予混合気形成時の該予混合気の過早着火を回避するための燃料噴射量制御を示すフロー図である。
【図５】予混合気の空燃比に基づいて、該予混合気の過早着火を判定するための判定モデルを示す図である。
【図６】本実施の形態に係る予混合気形成時の該予混合気の過早着火を回避するための燃料噴射量制御を示すフロー図である。
【図７】本実施の形態に係る予混合気形成時の該予混合気の過早着火を回避するための過給量制御を示すフロー図である。
【図８】本実施の形態に係る予混合気形成時の該予混合気の過早着火を回避するための吸気弁の制御を示すフロー図である。
【図９】燃焼室内に旋回流を形成するためのスワールコントロールバルブの概略的な構成を示す図である。
【図１０】本実施の形態に係る予混合気形成時の該予混合気の過早着火を回避するためのスワールコントロールバルブ開度の制御を示すフロー図である。
【図１１】本実施の形態に係る予混合圧縮着火内燃機関において、副燃料噴射弁の噴射方向を制御するバタフライを含む燃焼室近傍の概略構成を示す図である。
【図１２】燃焼室における混合気の概略的な分布を示す図である。
【図１３】本実施の形態に係る予混合気形成時の該予混合気の過早着火を回避するためのバタフライ位置の制御を示すフロー図である。
【図１４】本実施の形態に係る予混合気形成時の該予混合気の過早着火を回避するための吸気絞り弁開度の制御を示すフロー図である。
【図１５】燃焼室における圧縮比を可変とする可変圧縮比機構の概略的な構成を示す図である。
【図１６】本実施の形態に係る予混合気形成時の該予混合気の過早着火を回避するための燃焼室における圧縮比の制御を示すフロー図である。
【図１７】本実施の形態に係る予混合圧縮着火内燃機関において、燃焼室内部の酸素濃度を調整する酸素富化装置を含む燃焼室近傍の概略構成を示す図である。
【図１８】本実施の形態に係る予混合気形成時の該予混合気の過早着火を回避するための燃焼室内部の酸素濃度の制御を示すフロー図である。
【図１９】本実施の形態に係る予混合圧縮着火内燃機関の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１・・・・内燃機関
２・・・・気筒
３・・・・主燃料噴射弁
７・・・・副燃料噴射弁
１１・・・・吸気枝管
１２・・・・吸気管
１４・・・・吸気絞り弁
２１・・・・過給器
２３・・・・空燃比センサ
２３ａ・・・・空燃比センサ
２３ｂ・・・・空燃比センサ
２３ｃ・・・・空燃比センサ
２５・・・・ＥＣＵ
３１・・・・吸気弁
３２・・・・燃焼室
３２ａ・・・・予混合気
３２ｂ・・・・主たる燃料による混合気
３３・・・・可変動弁機構
３５・・・・スワールコントロールバルブ
３６・・・・バタフライ
４３・・・・酸素富化装置
Claims (14)
- 主たる燃料を噴射する主燃料噴射弁と、
前記主たる燃料より早い時期に副燃料を噴射し、燃焼室内に該副燃料と空気との予混合気を形成する副燃料噴射弁と、
少なくとも前記燃焼室内に形成される予混合気の空燃比に基づいて該予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときに、前記燃焼室内に分布する予混合気の空燃比が所定の空燃比を回避することで該予混合気の着火時期を遅らせる空燃比調整手段と、を備えることを特徴とする予混合圧縮着火内燃機関。 - 前記空燃比調整手段は、前記予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときは、前記副燃料の噴射量を減量するとともに前記主たる燃料を増量することで、前記燃焼室内に分布する予混合気の空燃比が所定の空燃比を回避することを特徴とする請求項１に記載の予混合圧縮着火内燃機関。
- 前記予混合圧縮着火内燃機関においては更に前記主噴射より遅い時期に燃料の噴射を行う後噴射が行われ、
前記空燃比調整手段は、前記予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときは、前記副燃料を減量するとともに前記後噴射による噴射量もしくは前記後噴射が行われる噴射時期の少なくとも何れかを補正することを特徴とする請求項２に記載の予混合圧縮着火内燃機関。 - 前記主噴射による燃料噴射が所定の時期までに終了しないときは、主噴射時の噴射圧もしくは噴射開始時期の少なくとも何れかを補正することで、前記主噴射による燃料噴射が所定の時期までに終了することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の予混合圧縮着火内燃機関。
- 更に、前記燃焼室内へ流入する吸気量を調整する吸気量調整手段を有し、
前記空燃比調整手段は、前記予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときは、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比以上である場合は前記吸気量調整手段による吸気量を増量し、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比より低い場合は前記吸気量調整手段による吸気量を減量することで、前記燃焼室内に分布する予混合気の空燃比が所定の空燃比を回避することを特徴とする請求項１に記載の予混合圧縮着火内燃機関。 - 前記吸気量調整手段は、前記予混合圧縮着火内燃機関の吸気通路に設けられた過給器であって、
前記過給器による過給量を増加することにより前記燃焼室への吸気量を増加し、更に前記過給器による過給量を減少することにより前記燃焼室への吸気量を減少することを特徴とする請求項５に記載の予混合圧縮着火内燃機関。 - 前記吸気量調整手段は、前記燃焼室における吸気弁の開閉特性を変更する可変動弁機構であって、
前記可変動弁機構を介して少なくとも前記吸気弁の開弁時間を遅くするか又は前記吸気弁のリフト量を大きくするかの何れか一によって前記燃焼室への吸気量を増加し、更に前記可変動弁機構を介して少なくとも前記吸気弁の開弁時間を早くするか又は前記吸気弁のリフト量を小さくするかの何れか一によって前記燃焼室への吸気量を減少することを特徴とする請求項５に記載の予混合圧縮着火内燃機関。 - 前記吸気量調整手段は、前記予混合圧縮着火内燃機関の吸気通路に設けられた吸気絞り弁であって、
前記吸気絞り弁の開度を大きくすることで前記燃焼室への吸気量を増加し、更に前記吸気絞り弁の開度を小さくすることにより前記燃焼室への吸気量を減少することを特徴とする請求項５に記載の予混合圧縮着火内燃機関。 - 更に、前記燃焼室内の旋回流を制御する旋回流制御手段を有し、
前記空燃比調整手段は、前記予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときは、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比以上である場合は前記旋回流制御手段によって前記燃焼室内の旋回流の強度を増加し、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比より低い場合は前記旋回流制御手段によって前記燃焼室内の旋回流の強度を低下することで、前記燃焼室内に分布する予混合気の空燃比が所定の空燃比を回避することを特徴とする請求項１に記載の予混合圧縮着火内燃機関。 - 更に、前記副噴射における噴射方向を変更する副噴射方向変更手段を有し、
前記空燃比調整手段は、前記予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときは、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比以上である場合は前記副噴射方向変更手段によって前記副噴射における噴射方向を前記主噴射における噴射方向から遠ざけ、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比より低い場合は前記副噴射方向変更手段によって前記副噴射における噴射方向を前記主噴射における噴射方向に近づけることで、前記燃焼室内に分布する予混合気の空燃比が所定の空燃比を回避することを特徴とする請求項１に記載の予混合圧縮着火内燃機関。 - 主たる燃料を噴射する主燃料噴射弁と、
前記主たる燃料より早い時期に副燃料を噴射し、燃焼室内に該副燃料と空気との予混合気を形成する副燃料噴射弁と、
前記燃焼室における圧縮比を変更可能とする可変圧縮比手段と、を備え、
少なくとも前記燃焼室内に形成される予混合気の空燃比に基づいて該予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときに、前記可変圧縮比手段によって前記燃焼室内における圧縮比を調整することを特徴とする予混合圧縮着火内燃機関。 - 主たる燃料を噴射する主燃料噴射弁と、
前記主たる燃料より早い時期に副燃料を噴射し、燃焼室内に該副燃料と空気との予混合気を形成する副燃料噴射弁と、
前記燃焼室内への吸気における酸素濃度を調整する酸素濃度調整手段と、を備え、
少なくとも前記燃焼室内に形成される予混合気の空燃比に基づいて該予混合気の着火時期が所定の時期より早いと判定されるときに、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比以上である場合は前記酸素濃度調整手段によって該吸気における酸素濃度を増加し、前記燃焼室内に形成される混合気の空燃比が所定の空燃比より低い場合は前記酸素濃度調整手段によって該吸気における酸素濃度を低減することを特徴とする予混合圧縮着火内燃機関。 - 前記主燃料噴射弁と前記副燃料噴射弁は、一の燃料噴射弁から構成されることを特徴とする請求項１から請求項１２の何れかに記載の予混合圧縮着火内燃機関。
- 前記主たる燃料と前記副燃料は、同一の性状を有する燃料であることを特徴とする請求項１から請求項１３の何れかに記載の予混合圧縮着火内燃機関。
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