JP2013133812A

JP2013133812A - 圧縮着火内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2013133812A
Application number: JP2011286794A
Authority: JP
Inventors: Hibiki Koga; 古賀　　響
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2013-07-08
Anticipated expiration: 2031-12-27
Also published as: JP5739799B2

Abstract

【課題】簡易な構成でありながら燃焼タイミングを適切に制御し、よって圧縮着火運転を安定して継続するようにした圧縮着火内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】圧縮着火内燃機関（エンジン）の燃焼室に供給される混合気を予混合圧縮着火燃焼させる圧縮着火運転を行う圧縮着火内燃機関の制御装置において、前記機関の圧縮着火運転のときの運転状態に基づいて圧縮着火運転の基本燃料供給量を算出し（Ｓ１２）、吸気温度Ｔinと排気中のＮＯｘ量（ＮＯｘ濃度）を検出すると共に（Ｓ１４，Ｓ１６）、検出された吸気温度ＴinとＮＯｘ量に基づいて前記算出された基本燃料供給量を補正する（Ｓ１８〜Ｓ２６）。
【選択図】図４

Description

この発明は圧縮着火内燃機関の制御装置に関し、より詳しくは燃料と空気とを混合して得た予混合気を燃焼室に供給し、これを高圧縮比の下で自着火を行わせ、高い熱効率を得るようにした予混合圧縮自着火式内燃機関の制御装置の改良に関する。

予混合圧縮自着火式内燃機関は、例えば特許文献１に開示されるように、燃焼室に供給される混合気（予混合気）を予混合圧縮着火燃焼させる圧縮着火運転（ＨＣＣＩ（Homogeneous Charge Compression Ignition）運転）を行うように構成される。このような内燃機関においては、予混合気を高圧縮比（通常の火花点火式内燃機関の圧縮比より高い）の下で圧縮することで、同時多点的に自着火するため、燃焼室全体への火炎の伝播が早く、燃焼が短時間に完了し、よって熱効率が改善され、低燃費性を良好にしつつＮＯｘの排出量を減少させ得る利点がある。

上記の如く圧縮着火運転は混合気を自着火させる方式であるため、燃焼室に供給される空気量や燃料量などを機関の運転状態に応じて精密に制御して燃焼タイミングを適切に制御する必要がある。そこで、特許文献１記載の技術にあっては、気筒にセンサを取り付けて筒内圧を直接検出し、検出された筒内圧に基づいて燃焼タイミングをフィードバック制御するように構成することで、圧縮着火運転を安定して継続するようにしている。

特開２００５−６９０９７号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術の如く構成すると、筒内圧を検出するセンサやフィードバック制御を実行するための高速処理ＣＰＵなどが必要になり、構造が複雑になるという不都合が生じていた。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、簡易な構成でありながら燃焼タイミングを適切に制御し、よって圧縮着火運転を安定して継続するようにした圧縮着火内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記した課題を解決するために、請求項１にあっては、圧縮着火内燃機関の燃焼室に供給される混合気を予混合圧縮着火燃焼させる圧縮着火運転を行う圧縮着火内燃機関の制御装置において、前記機関の圧縮着火運転のときの運転状態に基づいて前記圧縮着火運転の基本燃料供給量を算出する基本燃料供給量算出手段と、吸気温度を検出する吸気温度検出手段と、排気中のＮＯｘ量を検出するＮＯｘ量検出手段と、前記検出された吸気温度とＮＯｘ量に基づいて前記算出された基本燃料供給量を補正する基本燃料供給量補正手段とを備える如く構成した。

請求項２に係る圧縮着火内燃機関の制御装置にあっては、前記基本燃料供給量補正手段は、前記検出された吸気温度とＮＯｘ量に基づいて前記機関の筒内圧変化率を推定し、前記推定された筒内圧変化率に基づいて前記基本燃料供給量を補正する如く構成した。

請求項３に係る圧縮着火内燃機関の制御装置にあっては、前記基本燃料供給量補正手段は、前記推定された筒内圧変化率が所定値以下のとき、前記基本燃料供給量を増加補正する一方、前記推定された筒内圧変化率が前記所定値より大きいとき、前記基本燃料供給量を減少補正する如く構成した。

請求項１に係る圧縮着火内燃機関の制御装置にあっては、圧縮着火内燃機関の圧縮着火運転のときの運転状態に基づいて圧縮着火運転の基本燃料供給量を算出し、吸気温度と排気中のＮＯｘ量を検出すると共に、検出された吸気温度とＮＯｘ量に基づいて前記算出された基本燃料供給量を補正するように構成したので、簡易な構成でありながら燃焼タイミングを適切に制御でき、よって圧縮着火運転を安定して継続することができる。また、特許文献１で用いられる筒内圧センサや高速ＣＰＵなどを不要にすることができるため、コスト的にも有利である。

請求項２に係る圧縮着火内燃機関の制御装置にあっては、基本燃料供給量補正手段は、検出された吸気温度とＮＯｘ量に基づいて機関の筒内圧変化率を推定、即ち、気筒内の燃焼速度と相関関係にある筒内圧変化率を吸気温度とＮＯｘ量に基づいて推定し、推定された筒内圧変化率に基づいて基本燃料供給量を補正するように構成したので、上記した効果に加え、燃焼タイミングをより適切に制御でき、よって圧縮着火運転をより安定して継続することができる。

請求項３に係る圧縮着火内燃機関の制御装置にあっては、基本燃料供給量補正手段は、推定された筒内圧変化率が所定値以下のとき、基本燃料供給量を増加補正する（具体的には、基本燃料供給量を増加補正して筒内圧変化率を上昇させる）一方、推定された筒内圧変化率が所定値より大きいとき、基本燃料供給量を減少補正する（具体的には、基本燃料供給量を減少補正して筒内圧変化率を下降させる）ように構成したので、請求項２で述べた効果に加え、所定値を例えば圧縮着火運転を確実に安定して継続できるような値に設定することが可能となり、筒内圧変化率をその所定値に保持することができる。これにより、燃焼タイミングをより一層適切に制御でき、よって圧縮着火運転を確実に安定して継続することができる。

この発明の実施例に係る圧縮着火内燃機関の制御装置を全体的に示す概略図である。図１に示す装置の可変動弁機構によって切り換えられる（設定される）２つのバルブタイミング（およびリフト量）特性を示すグラフである。図１に示す電子制御ユニットの動作のうち、圧縮着火内燃機関の圧縮着火運転のときの燃料供給量の制御の構成を示すブロック図である。図１に示す電子制御ユニットによる圧縮着火内燃機関の燃料供給量制御動作を示すフロー・チャートである。図１に示す圧縮着火内燃機関のＮＯｘ濃度に対する筒内圧変化率の特性を示すグラフである。図１に示す圧縮着火内燃機関の補正値ｃに対する筒内圧変化率の特性を示すグラフである。

以下、添付図面に即してこの発明に係る圧縮着火内燃機関の制御装置を実施するための形態について説明する。

図１は、この発明の実施例に係る圧縮着火内燃機関の制御装置を全体的に示す概略図である。

図１において、符号１０は、都市ガス（あるいはＬＰガス。以下、単に「ガス」という）を燃料とする水冷４サイクルの単気筒ＯＨＶ型の圧縮着火内燃機関（予混合圧縮自着火式内燃機関。以下「エンジン」という）を示す。エンジン１０は、例えば発電機、農業機械、コージェネレーション装置の駆動源等として使用される汎用内燃機関であり、例えば１６３ｃｃの排気量を備える。

エンジン１０において、エアクリーナ（図示せず）から吸入されて吸気管（吸気系）１２を通る空気はスロットルバルブ１４で流量を調節され、吸気バルブ１６が開弁されるとき、燃焼室２０に流入する。

吸気バルブ１６の手前の吸気ポート付近にはインジェクタ（ガスインジェクタ）２２が配置される。インジェクタ２２には、燃料供給源から燃料供給管（共に図示せず）を介してガス燃料が圧送されると共に、駆動回路２４を通じて電子制御ユニット（Electronic Control Unit。以下「ＥＣＵ」という）２６に接続される。ＥＣＵ２６から開弁時間を示す駆動信号が駆動回路２４に供給されると、インジェクタ２２は開弁し、開弁時間に応じたガス燃料を吸気ポートに噴射する。噴射されたガス燃料は流入した空気と混合して混合気（予混合気）を形成しつつ、燃焼室２０に流入する。

燃焼室２０の付近には点火プラグ（点火手段）２８が配置される。点火プラグ２８はイグナイタなどからなる点火装置３０を介してＥＣＵ２６に接続され、ＥＣＵ２６から点火信号が点火装置３０に供給されると、燃焼室２０に臨む電極間に火花放電を生じる。混合気はそれによって着火されて燃焼し、気筒３２に摺動可能に収容されたピストン３４を下方に駆動する。

尚、混合気は圧縮着火によっても燃焼させられる。即ち、エンジン１０は、運転状態に応じて混合気を予混合圧縮着火燃焼させる圧縮着火運転と点火プラグ２８を介して混合気を火花点火で燃焼させる火花点火運転（ＳＩ（Spark Ignition）運転）のいずれかを行う、換言すれば、運転を圧縮着火運転と火花点火運転との間で切り換える（予混合）圧縮着火内燃機関として構成される。具体的には、例えばエンジン１０の始動時や暖機時には火花点火運転を行う一方、エンジン１０が暖機後の定格運転領域にあるときには圧縮着火運転を行うように構成される。

燃焼によって生じた排気ガスは、排気バルブ３６が開弁するとき、排気管（排気系）４０を流れる。排気管４０の途中には、排気浄化用の触媒（具体的には酸化触媒）からなる触媒装置４２が配置される。排気は、触媒装置４２が活性状態にあるとき、ＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）などの有害成分が除去されて浄化され、エンジン外の大気に放出される。

エンジン１０のクランク軸（図示せず）の付近にはクランク角センサ（図で「ＥＮＧ回転数センサ」と示す）４４が配置され、ＴＤＣ（上死点）あるいはその付近のクランク角度を示すＴＤＣ信号と、ＴＤＣ信号を細分してなるクランク角度信号とを出力する。それらの出力はＥＣＵ２６に入力される。

ＥＣＵ２６はマイクロ・コンピュータからなり、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどを備える。ＥＣＵ２６は入力信号のうち、クランク角度信号をカウントしてエンジン回転数ＮＥを算出（検出）する。

前記したスロットルバルブ１４は、電動モータ（例えばステッピングモータ。アクチュエータ）４６に接続される。電動モータ４６はＥＣＵ２６に接続される。ＥＣＵ２６は、入力される各センサの出力に基づいて電動モータ４６を駆動し、スロットルバルブ１４の開度ＴＨを制御する。即ち、スロットルバルブ１４の動作は、ＤＢＷ（Drive By Wire）方式で制御される。

スロットルバルブ１４の付近にはスロットル開度センサ５０が配置され、スロットル開度ＴＨを示す出力を生じる。また、吸気管１２においてスロットルバルブ１４の下流側には吸気温度センサ（吸気温度検出手段）５２が設けられる。吸気温度センサ５２は、スロットルバルブ１４の下流側を流れる吸気の温度（即ち、エンジン１０の吸気温度）Ｔinを示す信号を出力する。

排気管４０において触媒装置４２の上流側には広域空燃比センサ５６が配置されると共に、触媒装置４２の下流にはＮＯｘセンサ（ＮＯｘ量検出手段）６０が配置される。広域空燃比センサ５６は排気の酸素濃度（即ち、空燃比）に比例する信号を出力し、ＮＯｘセンサ６０は排気中のＮＯｘ量（正確にはＮＯｘ濃度）を示す信号を出力する。また、触媒装置４２には触媒温度センサ６２が設けられ、排気浄化用触媒の温度Ｔcを示す出力を生じる。これらセンサ群の出力もＥＣＵ２６に入力される。

前記した吸気バルブ１６と排気バルブ３６は可変動弁機構６４に接続される。可変動弁機構６４は詳細な図示は省略するが、例えば本出願人が先に提案した特開２０１０−６５５６５号公報に開示される構造を備える。具体的には、動弁カム軸（カムシャフト）上に第１、第２吸気カムと第１、第２排気カムの４個のカムが隣接して配置され、第１、第２吸気カムには吸気リフタが、第１、第２排気カムには排気リフタが摺接される。吸気リフタと排気リフタはそれぞれプッシュロッドを介してロッカアームに接続される。

エンジン１０の火花点火運転のときは、各カムに接続される電磁アクチュエータや制御ロッドなどの動作を適宜に制御することで、第１吸気カムの回転動作によって吸気リフタ、吸気側のプッシュロッドおよびロッカアームを動作させ、第１吸気カムで決定されるバルブタイミング（およびリフト量）特性で吸気バルブ１６を駆動する。

他方、エンジン１０の圧縮着火運転のときは、第２吸気カムの回転動作によって吸気リフタ、吸気側のプッシュロッドおよびロッカアームを動作させ、第２吸気カムで決定されるバルブタイミング（およびリフト量）特性で吸気バルブ１６を駆動する。また、排気バルブ３６に関しても同様に動作するように構成される。

図２にその特性を実線で示す（吸気バルブ１６のそれを１６、排気バルブ３６のそれを３６と表示する）。圧縮着火運転のとき、バルブタイミング（およびリフト量）は図２に実線で示す特性に設定される。具体的には、排気バルブ３６の閉弁時期を進角させると共に、吸気バルブ１６の開弁時期を遅角させる（クランク角度において）。それによって、気筒内に所定量の排ガスを残留させて混合気の温度（筒内ガス温度）を高めて圧縮着火運転を可能とする。

一方、火花点火運転のとき、バルブタイミング（およびリフト量）は、図２に破線で示す特性に設定される。具体的には、排気バルブ３６の閉弁時期と吸気バルブ１６の開弁時期を共にピストン上死点付近に変更させる。それによって、排気バルブ３６の閉弁が遅角されて燃焼室内のガスの排出量が増加する一方、吸気バルブ１６の開弁が進角されて吸入空気の流入が早められることから、排ガスは燃焼室に残留することなく、排気系に送り出される。

図１の説明に戻ると、可変動弁機構６４は制御回路６６を介してＥＣＵ２６に接続される。ＥＣＵ２６は、制御回路６６を通じて可変動弁機構６４（正確には電磁アクチュエータ）の動作を制御し、吸気バルブ１６と排気バルブ３６のバルブタイミング（およびリフト量）を上記した２つの特性のいずれかに設定（変更）する。

このように、エンジン１０の吸気バルブ１６と排気バルブ３６は、可変動弁機構６４によって任意の時期（バルブタイミングおよびリフト量）で開閉自在とされると共に、エンジン１０の運転は、可変動弁機構６４の動作を制御することで火花点火運転と圧縮着火運転との間で切り替えられる。

図３は、ＥＣＵ２６の動作のうち、エンジン１０の圧縮着火運転のときの燃料供給量の制御の構成を示すブロック図である。

図３に示すように、上記した各センサ４４，５０，５２，６０の出力はＥＣＵ２６に入力される。ＥＣＵ２６は、これら各センサからの入力に基づいてインジェクタ２２やスロットルバルブ１４の電動モータ４６の動作を制御して燃焼室２０に供給される燃料供給量を制御する。

図４は、そのＥＣＵ２６によるエンジン１０の燃料供給量制御動作を示すフロー・チャートである。尚、図示のプログラムは例えば所定のクランク角度で実行される。

図４に示す如く、先ずＳ（ステップ）１０において、エンジン１０の圧縮着火運転のときの運転状態を検出、具体的には、エンジン回転数ＮＥをクランク角センサ４４の出力に基づいて、スロットル開度ＴＨをスロットル開度センサ５０の出力に基づいて検出（算出）する。

次いでＳ１２に進み、検出されたエンジン１０の運転状態に基づいて基本燃料供給量を算出する。具体的には、エンジン回転数ＮＥやスロットル開度ＴＨなどに基づいて、ＲＯＭ内に格納されるマップを検索して基本燃料供給量を算出する。

次いでＳ１４に進み、吸気温度センサ５２の出力に基づいて吸気温度Ｔin［℃］を検出（算出）すると共に、Ｓ１６に進んでＮＯｘセンサ６０の出力からＮＯｘ量（正確にはＮＯｘ濃度［ppm］）を検出（算出）する。

Ｓ１８に進み、検出された吸気温度ＴinとＮＯｘ濃度に基づいてエンジン１０の筒内圧変化率dP/dθ［kPa/deg］を推定する。ここで、この筒内圧変化率dP/dθの推定について図５，６を参照しつつ説明する。

筒内圧変化率dP/dθは、エンジン１０の単位クランク角あたりの筒内圧変化量であり、気筒内の燃焼の速度に相関する値である。具体的には筒内圧変化率dP/dθが上昇すると、気筒内の燃焼の速度も増加する一方、筒内圧変化率dP/dθが下降すると、燃焼の速度は減少する。尚、筒内圧変化率dP/dθは筒内の燃焼に伴う騒音にも比例し、筒内圧変化率dP/dθが上昇するにつれて騒音は大きくなる。

エンジン１０は、前述の如く発電機などの駆動源として使用される汎用内燃機関であることから、筒内圧変化率dP/dθはある一定の値（例えば燃費効率などが比較的高くなるような値）で推移するように制御されるのが望ましい。そこで、発明者は吸気温度ＴinとＮＯｘ濃度に着目し、吸気温度Ｔinが５０，７０，１００［℃］の３つの条件下で筒内圧変化率dP/dθとＮＯｘ濃度の関係を実験を通じて調べたところ、図５に示す如く、吸気温度Ｔinによって僅かに変化するものの、ＮＯｘ濃度に対する筒内圧変化率dP/dθのグラフの立ち上がり位置はほぼ同じになることを知見した。

よって図５に示すグラフを吸気温度Ｔinと定数（補正係数）を用いて補正すれば、筒内圧変化率dP/dθは、図６に示すような１次関数のグラフで表すことができる。具体的には、下記の式（１）によって補正値ｃを算出し、算出された補正値ｃをグラフの横軸にとることで、図６のグラフを得ることができる。
補正値ｃ＝ａ（吸気温度−ｂ）×ＮＯｘ濃度・・・式（１）
尚、式中の値ａ，ｂは実験を通じて得られた定数（補正係数）である。

従って、図６に示す特性を有するマップを予めＲＯＭに格納しておき、検出された吸気温度ＴinとＮＯｘ濃度から補正値ｃを算出し、算出された補正値ｃに基づいてマップを検索することで、筒内圧をセンサなどで検出することなく、筒内圧変化率dP/dθを推定することが可能となる。

図４の説明に戻ると、次いでＳ２０に進み、Ｓ１８で推定された筒内圧変化率dP/dθが所定値より大きいか否か判定する。この所定値は、燃費効率などが比較的高く、また燃焼タイミング（燃焼速度）が適切で圧縮着火運転を確実に安定して継続できるような値、例えば８００［kPa/deg］に設定される。

Ｓ２０で否定されるとき、即ち、筒内圧変化率dP/dθが所定値以下のときはＳ２２に進み、Ｓ１２で算出された基本燃料供給量を所定量だけ増加する補正を行う。次いでＳ２４に進み、増加補正された基本燃料供給量となるように燃料供給量を制御、具体的にはインジェクタ２２やスロットルバルブ１４の電動モータ４６の動作を制御する。これにより、筒内圧変化率dP/dθは上昇して所定値に近づくこととなる。

一方、Ｓ２０で肯定されるときはＳ２６に進み、基本燃料供給量を所定量だけ減少する補正を行い、次いでＳ２４に進んで前述した処理を実行、具体的には減少補正された基本燃料供給量となるように燃料供給量を制御する。これにより、筒内圧変化率dP/dθは下降して所定値に近づくこととなる。

このように、Ｓ２２およびＳ２６では、検出された吸気温度ＴinとＮＯｘ濃度に基づいて算出された基本燃料供給量を補正するようにしたので、筒内圧変化率dP/dθが所定値付近で保持され、よって圧縮着火運転は安定して継続される。

以上の如く、この発明の実施例にあっては、圧縮着火内燃機関（エンジン）１０の燃焼室２０に供給される混合気を予混合圧縮着火燃焼させる圧縮着火運転を行う圧縮着火内燃機関の制御装置において、前記機関１０の圧縮着火運転のときの運転状態に基づいて前記圧縮着火運転の基本燃料供給量を算出する基本燃料供給量算出手段（ＥＣＵ２６。Ｓ１２）と、吸気温度Ｔinを検出する吸気温度検出手段（吸気温度センサ５２，ＥＣＵ２６。Ｓ１４）と、排気中のＮＯｘ量（ＮＯｘ濃度）を検出するＮＯｘ量検出手段（ＮＯｘセンサ６０，ＥＣＵ２６。Ｓ１６）と、前記検出された吸気温度ＴinとＮＯｘ量に基づいて前記算出された基本燃料供給量を補正する基本燃料供給量補正手段（ＥＣＵ２６。Ｓ１８〜Ｓ２６）とを備える如く構成した。

これにより、簡易な構成でありながら燃焼タイミングを適切に制御でき、よって圧縮着火運転を安定して継続することができる。また、特許文献１で用いられる筒内圧センサや高速ＣＰＵなどを不要にすることができるため、コスト的にも有利である。

また、前記基本燃料供給量補正手段は、前記検出された吸気温度ＴinとＮＯｘ量に基づいて前記機関１０の筒内圧変化率dP/dθを推定し（Ｓ１８）、前記推定された筒内圧変化率に基づいて前記基本燃料供給量を補正する如く構成したので（Ｓ２０〜Ｓ２６）、燃焼タイミングをより適切に制御でき、よって圧縮着火運転をより安定して継続することができる。

また、前記基本燃料供給量補正手段は、前記推定された筒内圧変化率dP/dθが所定値以下のとき、前記基本燃料供給量を増加補正する（具体的には、基本燃料供給量を増加補正して筒内圧変化率dP/dθを上昇させる）一方（Ｓ２０，Ｓ２２）、前記推定された筒内圧変化率dP/dθが前記所定値より大きいとき、前記基本燃料供給量を減少補正する（具体的には、基本燃料供給量を減少補正して筒内圧変化率dP/dθを下降させる）ように構成したので（Ｓ２０，Ｓ２６）、所定値を例えば圧縮着火運転を確実に安定して継続できるような値に設定することが可能となり、筒内圧変化率dP/dθをその所定値に保持することができる。これにより、燃焼タイミングをより一層適切に制御でき、よって圧縮着火運転を確実に安定して継続することができる。

尚、上記においては、筒内圧変化率dP/dθを吸気温度ＴinとＮＯｘ量で推定するように構成したが、式（１）にエンジン１０の冷却水温度、エンジン回転数ＮＥやスロットル開度ＴＨなどを加えて筒内圧変化率dP/dθを推定するように構成しても良い。また、所定値やエンジン１０の排気量などを具体的な値で示したが、それらは例示であって限定されるものではない。

１０エンジン（圧縮着火内燃機関）、２０燃焼室、２６ＥＣＵ（電子制御ユニット）、２８点火プラグ、５２吸気温度センサ（吸気温度検出手段）、６０ＮＯｘセンサ（ＮＯｘ量検出手段）

Claims

圧縮着火内燃機関の燃焼室に供給される混合気を予混合圧縮着火燃焼させる圧縮着火運転を行う圧縮着火内燃機関の制御装置において、前記機関の圧縮着火運転のときの運転状態に基づいて前記圧縮着火運転の基本燃料供給量を算出する基本燃料供給量算出手段と、吸気温度を検出する吸気温度検出手段と、排気中のＮＯｘ量を検出するＮＯｘ量検出手段と、前記検出された吸気温度とＮＯｘ量に基づいて前記算出された基本燃料供給量を補正する基本燃料供給量補正手段とを備えたことを特徴とする圧縮着火内燃機関の制御装置。
前記基本燃料供給量補正手段は、前記検出された吸気温度とＮＯｘ量に基づいて前記機関の筒内圧変化率を推定し、前記推定された筒内圧変化率に基づいて前記基本燃料供給量を補正することを特徴とする請求項１記載の圧縮着火内燃機関の制御装置。
前記基本燃料供給量補正手段は、前記推定された筒内圧変化率が所定値以下のとき、前記基本燃料供給量を増加補正する一方、前記推定された筒内圧変化率が前記所定値より大きいとき、前記基本燃料供給量を減少補正することを特徴とする請求項２記載の圧縮着火内燃機関の制御装置。