JP2017207060A - 圧縮着火式内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】主噴射燃料を安定して予混合圧縮着火させる。
【解決手段】燃料噴射弁（３）からの主噴射燃料（ＱＭ）の噴射作用を圧縮上死点前１０度から圧縮上死点後１０度までのクランク角範囲内で開始させる。主噴射燃料（ＱＭ）よりも少量の補助噴射燃料（ＱＮ）を主噴射燃料（ＱＭ）よりも前に燃料噴射弁（３）から噴射させて補助噴射燃料（ＱＮ）を予混合圧縮着火させる。補助噴射燃料（ＱＮ）の予混合圧縮着火時期を、主噴射燃料（ＱＭ）の噴射開始後において、補助噴射燃料（ＱＮ）の予混合圧縮着火による発熱により主噴射燃料（ＱＭ）の予混合圧縮着火が引き起こされる時期に制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は圧縮着火式内燃機関の制御装置に関する。
主噴射燃料を予混合圧縮着火させるようにした圧縮着火式内燃機関において、圧縮行程の比較的早い時期に主燃料を噴射し、主燃料の冷炎反応が開始される頃に副燃料を噴射して副燃料の気化潜熱により主燃料の予混合気の温度を低下させ、主燃料の冷炎反応から熱炎反応への移行のタイミング、即ち、主燃料の着火タイミングを遅延させるようした圧縮着火式内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。この圧縮着火式内燃機関では、副燃料量を制御することによって主燃料の着火タイミングを目標着火タイミングに制御するようにしている。
特開２００４−３４３９号公報
このように、主燃料の噴射完了後に副燃料を噴射することによって、主燃料の着火タイミングを制御することができる。本発明の目的は、これとは全く別の方法でもって、主噴射燃料の着火タイミングを制御するようにした圧縮着火式内燃機関の制御装置を提供することにある。
即ち、本発明によれば、燃焼室内に配置された燃料噴射弁と、燃料噴射弁からの燃料噴射作用を制御する電子制御ユニットとを具備しており、燃料噴射弁から噴射された主噴射燃料を予混合圧縮着火させるようにした圧縮着火式内燃機関の制御装置において、電子制御ユニットは、燃料噴射弁からの主噴射燃料の噴射を圧縮上死点前１０度から圧縮上死点後１０度までのクランク角範囲内で開始させると共に、主噴射燃料よりも少量の補助噴射燃料を主噴射燃料よりも前に燃料噴射弁から噴射させて補助噴射燃料を予混合圧縮着火させ、更に電子制御ユニットは、補助噴射燃料の噴射時期を、主噴射燃料の噴射開始後において、補助噴射燃料の予混合圧縮着火による発熱により主噴射燃料の予混合圧縮着火が引き起こされる噴射時期に制御する圧縮着火式内燃機関の制御装置が提供される。
本発明による新たな方法では、主噴射燃料よりも少量の補助噴射燃料が主噴射燃料よりも前に燃料噴射弁から噴射される。この補助噴射燃料は予混合圧縮着火され、主噴射燃料の噴射完了後において、補助噴射燃料の予混合圧縮着火による発熱により主噴射燃料の予混合圧縮着火が引き起こされる。それにより、主噴射燃料の予混合圧縮着火時期が安定する。
図１は圧縮着火式内燃機関の全体図である。 図２は機関本体の断面図である。 図３は、図２に示される燃焼室の上壁面の底面図である。 図４は、燃料噴射量と、熱発生率と、燃焼室内の圧力変化を示す図である。 図５は着火遅れ時間τを示す図である。 図６は、予混合気の当量比Φの変化を説明するための図である。 図７は、補助噴射燃料の噴射時期を示す図である。 図８はＥＧＲ制御弁の開度ＥＧθのマップを示す図である。 図９は、全燃料噴射量Ｑと機関の要求トルクとの関係を示す図である。 図１０は、機関の運転制御を行うためのフローチャートである。 図１１Ａおよび１１Ｂは、第１補助噴射燃料ＱＮの噴射時期および第２補助噴射燃料ＱＣの噴射時期を示す図である。 図１２は、機関の運転制御を行うためのフローチャートである。 図１３は、補助噴射燃料の噴射時期を示す図である。 図１４は、機関の運転制御を行うためのフローチャートである。 図１５は、燃料噴射量と、熱発生率と、燃焼室内の圧力変化を示す図である。 図１６は、燃料噴射量と、熱発生率と、燃焼室内の圧力変化を示す図である。
図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはアクチュエータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するためのインタクーラ１１が配置される。
一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は排気管１２を介して、排気浄化用触媒或いはパティキュレートフィルタを内臓した排気後処理装置１３に連結される。排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路１４を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１４内には電子制御式ＥＧＲ制御弁１５が配置される。ＥＧＲ通路１４の周りにはＥＧＲ通路１４内を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ１６が配置される。また、各燃料噴射弁３は燃料供給管１７を介してコモンレール１８に連結される。燃料タンク１９内の燃料は燃料ポンプ２０によりコモンレール１８内に供給され、コモンレール１８内の燃料は燃料供給管１７を介して燃料噴射弁３から各燃焼室２に噴射される。
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたROM（リードオンリメモリ）３２、RAM（ランダムアクセスメモリ）３３、CPU（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。図１に示されるように、吸入空気量検出器８の出力信号は対応するAD変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するAD変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、ＥＧＲ制御弁１５および燃料ポンプ２０に接続される。
図２は図１に示される機関本体１の断面図を示しており、図３は図２に示される燃焼室２の上壁面の底面図を示している。なお、図２および図３において、５１はシリンダブロック、５２はシリンダブロック５１上に取り付けされたシリンダヘッド、５３はシリンダブロック５１内で往復動するピストン、５４はピストン５３の頂面上に形成されたキャビティ、５５は一対の吸気弁、５６は一対の吸気ポート、５７は一対の排気弁、５８は排気ポートを夫々示す。図３に示されるように燃料噴射弁３は燃焼室２の上壁面の中央に配置されており、燃料噴射弁３からはピストン５３の頂面上に形成されたキャビティ５４内の周辺部に向けて燃料Ｆが噴射される。
また、図１に示される内燃機関は、図３に示されるように一方の吸気ポート５６内に配置されたスワール制御弁５９と、このスワール制御弁５９を駆動するためのアクチュエータ６０からなるスワール制御装置を具備している。このアクチュエータ６０は対応する駆動回路３８を介して出力ポート３６に連結されている。スワール制御弁５９が閉弁せしめられると、吸入空気は一方の吸気ポート５６を介して燃焼室２に流入し、その結果、燃焼室２内には図３において矢印Ｗで示すようなスワール流が発生する。このスワール流Ｗはスワール制御弁５９の閉弁度合が大きくなるほど強くなる。
次に、図４を参照しつつ本発明による噴射制御について説明する。なお、図４には、燃料噴射弁３からの燃料噴射量と、熱発生率と、燃焼室２内の圧力変化とが示されている。図４に示される実施例では、燃料噴射弁３からの機関出力を発生させるための主噴射燃料ＱＭの噴射作用が、圧縮上死点前１０度以降であって圧縮上死点前のクランク角において開始され、燃料噴射弁３からの主噴射燃料ＱＭの噴射作用は圧縮上死点ＴＤＣ前の圧縮行程中に完了せしめられる。一方、図４に示される実施例では、主噴射燃料ＱＭよりも少量の補助噴射燃料ＱＮが主噴射燃料ＱＭよりも前の圧縮行程中に燃料噴射弁３から噴射される。この補助噴射燃料ＱＮはキャビティ５４内の周辺部に予混合気を形成し、このキャビティ５４内の周辺部に形成された予混合気は、圧縮上死点ＴＤＣ前に着火せしめられる。キャビティ５４内の周辺部に形成された予混合気が着火せしめられると、即ち、熱炎反応が開始されると、燃焼室２の温度が急速に５０℃から１００℃程度上昇し、この温度上昇がトリガーとなって、主噴射燃料ＱＭの予混合燃焼が行われる。
ところで、圧縮着火式内燃機関では、主噴射燃料ＱＭの着火時期が最適時期からずれると種々の問題が生ずる。例えば、主噴射燃料ＱＭの着火時期が最適時期に対して早まると、熱発生率が急激に増大して燃焼騒音が発生するという問題を生じ、逆に主噴射燃料ＱＭの着火時期が最適時期に対して遅れると、出力が低下したり失火したりしてトルク変動が発生するという問題を生じる。そこで、本発明では、主噴射燃料ＱＭの着火時期を安定させるために、主噴射燃料ＱＭの噴射作用よりも前に補助噴射燃料ＱＮを噴射させて、この補助噴射燃料ＱＮの予混合圧縮着火による発熱により主噴射燃料ＱＭの予混合圧縮着火を引き起こさせるようにしている。そのために、図４に示される実施例では、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴが、主噴射燃料ＱＭの噴射完了後において、補助噴射燃料ＱＮの予混合圧縮着火による発熱により主噴射燃料ＱＭの予混合圧縮着火が引き起こされる噴射時期に制御される。
即ち、図４に示される実施例では、燃焼室２内に配置された燃料噴射弁３と、燃料噴射弁３からの燃料噴射作用を制御する電子制御ユニット３０とを具備しており、燃料噴射弁３から噴射された主噴射燃料ＱＭを予混合圧縮着火させるようにした圧縮着火式内燃機関の制御装置において、電子制御ユニット１０は、燃料噴射弁３からの主噴射燃料ＱＭの噴射を、圧縮上死点前１０度以降であって圧縮上死点前のクランク角において開始させると共に、主噴射燃料ＱＭよりも少量の補助噴射燃料ＱＮを主噴射燃料ＱＭよりも前に燃料噴射弁３から噴射させて補助噴射燃料ＱＮを予混合圧縮着火させ、更に電子制御ユニット１０は、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴを、主噴射燃料ＱＭの噴射完了後において、補助噴射燃料ＱＮの予混合圧縮着火による発熱により主噴射燃料ＱＭの予混合圧縮着火が引き起こされる噴射時期に制御している。
ところで、この場合、主噴射燃料ＱＭの着火時期を安定させるためには、補助噴射燃料ＱＮの予混合圧縮着火時期を安定化させる必要がある。次に、このことについて、図５を参照しつつ説明する。さて、噴射燃料は燃焼室内温度が９００Ｋから９５０Ｋになると予混合圧縮着火され、図５は、このときの予混合気の着火遅れ時間τの計算結果を示している。なお、図５において、Φは予混合気の当量比を示しており、図５において△、□、○で示される各点は、燃焼室内の酸素濃度を変化させたときの当量比Φと着火遅れ時間τの関係を示している。なお、△、□、○は、酸素濃度が夫々、2.5mg/cm3, 2.0mg/cm3, 1.5mg/cm3である場合を示している。また当量比Φが１．０は、燃料と空気との比が１．０であること、即ち、予混合気が理論空燃比であることを示しており、当量比Φ＜１．０は、空気が過多であること、即ち、混合気がリーンであることを示しており、当量比Φ＞１．０は、燃料が過多であること、即ち、混合気がリッチを示している。
図５を参照すると、当量比Φ＝０．５で示されるように、混合気がリーンであるときには、着火遅れ時間τがかなり長くなり、しかも着火遅れ時間τは酸素濃度が変化すると大きく変化する。この場合、着火遅れ時間τが長いということは、予混合気が着火しづらいことを意味しており、予混合気が着火しづらくなると予混合気の圧縮着火時期がばらついてしまう。また、酸素濃度により着火遅れ時間τが大きく変化するということは、酸素濃度により予混合気の圧縮着火時期が大きく変化することを意味している。従って、このように着火遅れ時間τがかなり長くなり、しかも酸素濃度により着火遅れ時間τが大きく変化すると、酸素濃度が変化したときに、例えば、ＥＧＲ率が変化して酸素濃度が変化したときに、予混合気の圧縮着火時期が極めて大きく変化することになる。
一方、当量比Φが１．０、或いは１．０よりも大きくなると、即ち、予混合気が理論空燃比、或いはリッチになると、十分な燃料が存在するために、予混合気は、リーンであるときに比べて、着火しやすくなる。このとき、図５に示されるように、着火遅れ時間τはかなり短くなり、しかも酸素濃度が変化したときの着火遅れ時間τの変化が小さくなる。このように、予混合気が圧縮着火しやすくなると、予混合気の圧縮着火時期のばらつきは小さくなり、また、酸素濃度が変化したときの着火遅れ時間τの変化が小さくなるので、例えば、ＥＧＲ率が変化して酸素濃度が変化した場合であっても、予混合気の圧縮着火時期の変動は小さくなる。また、当量比Φが２．０よりも大きくなると、燃料の蒸発潜熱により雰囲気温度が低下し、予混合気は着火しづらくなる。その結果、着火遅れ時間τが長くなる。
即ち、図５からわかるように、当量比Φが１．０から２．０の間のときには、着火遅れ時間τが短くなり、しかも酸素濃度が変化したときの着火遅れ時間τの変化が小さくなる。従ってこの場合には、酸素濃度が変化しても予混合気の圧縮着火時期はほとんど変化せず、予混合気は極めて着火しやすくなっているので予混合気の圧縮着火時期はほとんどばらつかなくなる。従って、当量比Φが１．０から２．０の間のときには、例えば、ＥＧＲ率が変化して酸素濃度が大きく変化したとしても予混合気の圧縮着火時期はほとんど変化しないことになる。
従って、圧縮上死点ＴＤＣ付近において、ピストン５３のキャビティ５４内に当量比Φが１．０から２．０の間の予混合気を形成し、この予混合気を圧縮着火させると、ＥＧＲ率が変化して酸素濃度が大きく変化したとしてもこの予混合気の圧縮着火時期はほとんど変化しないことになる。従って、主噴射燃料ＱＭの予混合気が圧縮着火される前にピストン５３のキャビティ５４内に当量比Φが１．０から２．０の間の予混合気を形成し、この予混合気を、主噴射燃料ＱＭが着火される前に圧縮着火させ、この予混合気の圧縮着火による発熱により主噴射燃料ＱＭの予混合圧縮着火を引き起こさせると、ＥＧＲ率が変化して酸素濃度が大きく変化したとしても、主噴射燃料ＱＭの予混合圧縮着火時期はほとんど変動しないことになる。即ち、主噴射燃料ＱＭの着火時期が安定することになる。
従って、本発明による実施例では、主噴射燃料ＱＭよりも前に噴射された補助噴射燃料ＱＮによってピストン５３のキャビティ５４内に当量比Φが１．０から２．０の間の予混合気を形成するようにしている。次に図６を参照しつつ、ピストン５３のキャビティ５４内に当量比Φが１．０から２．０の間の予混合気を形成する方法について説明する。なお、図６において、横軸は、ピストン５３のキャビティ５４内における予混合気の当量比Φの値を示しており、各縦軸は、当量比Φの混合気が占める割合、即ち当量比割合を示しており、各曲線は当量比割合の分布曲線を示している。また、図６において（A）、（B）、（C）、（D）、（E）は、補助噴射燃料ＱＮの噴射後、一定時間経過する毎の当量比割合の変化を示している。図６の（A）、（B）、（C）、（D）、（E）から分るように、ピストン５３のキャビティ５４内に形成された予混合気の当量比割合は山形形状に分布しており、各分布曲線は当量比Φの広い範囲に亘って延びている。
図６の（A）は、補助噴射燃料ＱＮの噴射直後の当量比割合を示している。図６の（A）から分るように、このとき、キャビティ５４内の周辺部に形成された予混合気の当量比Φは全体的に大きな値となっている。次いで、補助噴射燃料ＱＮの噴射燃料は、キャビティ５４内の周辺部において次第に分散するために、予混合気の当量比Φは全体的に小さくなっていく。図６の（B）の状態を経て図６の（C）の状態になると、当量比Φが１．０から２．０の間の予混合気の割合が最も大きくなる。次いで、更に時間が経過すると、図６の（D）および図６の（E）に示されるように、予混合気の当量比Φは更に全体的に小さくなっていく。
前述したように、主噴射燃料ＱＭの着火時期を安定化するには、キャビティ５４内に当量比Φが１．０から２．０の間の予混合気を形成することが必要となる。しかしながら、実際には、キャビティ５４内に当量比Φが１．０から２．０の間のみの予混合気を形成することは困難であり、従って、本発明では、当量比Φが１．０から２．０の間の予混合気をできるだけ多く含む予混合気をキャビティ５４内に形成するようにしている。前述したように、当量比Φが１．０から２．０の間の予混合気は最も着火しやすく、従って当量比Φが１．０から２．０以外の予混合気が存在していても、当量比Φが１．０から２．０の間の予混合気がある程度存在していれば、当量比Φが１．０から２．０の間の予混合気が容易に着火するので、主噴射燃料ＱＭの着火時期を安定化するには、当量比Φが１．０から２．０の間の予混合気をできるだけ多く含む予混合気をキャビティ５４内に形成すれば十分である。
そこで、本発明では、図６の（C）に示される状態の予混合気、即ち、当量比Φが１．０から２．０の間の予混合気の割合が最も大きくなる予混合気をキャビティ５４内に形成するようにしている。この場合、このような予混合気をキャビティ５４内に形成すべき時期は、補助噴射燃料ＱＮの圧縮着火時期であり、この補助噴射燃料ＱＮの圧縮着火時期について目標とされる目標圧縮着火時期が、図４においてＩＴで示されている。図４は、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴを、補助噴射燃料ＱＮの圧縮着火時期がこの目標圧縮着火時期ＩＴとなる噴射時期に制御した場合を示している。この場合、図４に示されるように、補助噴射燃料ＱＮの予混合圧縮着火によって熱発生率が上昇し、次いで主噴射燃料ＱＭの予混合圧縮着火によって熱発生率が更に上昇する。
この目標圧縮着火時期ＩＴは、図４に示される実施例では、実験に基づき、主噴射燃料ＱＮの噴射完了時と圧縮上死点ＴＤＣとの間において予め設定されている。従って、図４に示される実施例では、主噴射燃料ＱＭの予混合圧縮着火を予め定められた時期に引き起こさせるための補助噴射燃料ＱＮの目標圧縮着火時期が、主噴射燃料ＱＭの噴射完了時と圧縮上死点ＴＤＣとの間において予め設定されており、電子制御ユニット３０は、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴを、補助噴射燃料ＱＮの予混合圧縮着火時期が目標圧縮着火時期ＩＴとなる噴射時期に制御していることになる。この場合、図４に示される実施例では、目標圧縮着火時期ＩＴにおいて、補助噴射燃料ＱＮにより生成された予混合気のうちで当量比Φが１．０から２．０の間のである予混合気の割合が最大となっている。
ところで、前述したように、図６において（A）、（B）、（C）、（D）、（E）は、補助噴射燃料ＱＮの噴射後、一定時間経過する毎の当量比割合の変化を示しており、補助噴射燃料ＱＮの噴射後、一定時間を経過すると、予混合気の当量比割合が図６の（C）に示される状態になる、即ち、当量比Φが１．０から２．０の間の予混合気の割合が最も大きくなる状態となる。この場合、補助噴射燃料ＱＮの噴射後、一定時間を経過すると、補助噴射燃料ＱＮの分散によって、予混合気の当量比割合が図６の（C）に示される状態になるが、この補助噴射燃料ＱＮの分散作用は温度や酸素濃度の影響をほとんど受けず、従って、機関の運転状態にかかわらずに、補助噴射燃料ＱＮの噴射後、一定時間を経過すると、予混合気の当量比割合が図６の（C）に示される状態になる、即ち、当量比Φが１．０から２．０の間の予混合気の割合が最も大きくなる状態となる。
一方、当量比Φが１．０から２．０の間の予混合気の割合が最も大きくなる予混合気をキャビティ５４内に形成すべき時期は、補助噴射燃料ＱＮの目標圧縮着火時期ＩＴであり、従って、上述の一定時間は、図４において、補助噴射燃料ＱＮの噴射が行われてからクランク角が目標圧縮着火時期ＩＴに達するまでの時間τ、即ち補助噴射燃料ＱＮの着火遅れ時間τを表していることになる。この場合、補助噴射燃料ＱＮの噴射が行われてからクランク角が目標圧縮着火時期ＩＴに達するまでの時間τ、即ち補助噴射燃料ＱＮの着火遅れ時間τが一定になるように、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴを定めると、機関の運転状態にかかわらずに、目標圧縮着火時期ＩＴにおいて、当量比Φが１．０から２．０の間の予混合気の割合が最も大きくなる。前述したように、当量比Φが１．０から２．０の間の予混合気の割合が最も大きくなると、予混合気は極めて着火しやすい状態となり、従って補助噴射燃料ＱＮは目標圧縮着火時期ＩＴにおいて着火せしめられることになる。
従って、本発明による実施例では、補助噴射燃料ＱＮの噴射が行われてからクランク角が目標圧縮着火時期ＩＴに達するまでの時間τが一定になるように、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴが定められている。この場合の補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴが、図７においてハッチングを付した面で示されている。なお、図７は、全噴射量Ｑ、機関回転数Ｎおよびクランク角を座標軸とする三次元マップを示している。補助噴射燃料ＱＮの噴射が行われてからクランク角が目標圧縮着火時期ＩＴに達するまでの時間τが一定になるように、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴを定めると、機関回転数Ｎが高くなるほど、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴが早められ、従って、図７においてハッチングを付した面で示されるように、機関回転数Ｎが高くなるほど、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴが進角されることになる。この場合、図７に示される例では、機関回転数Ｎの増大に比例して補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴが進角される。なお、この場合、図７からわかるように、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴは、機関回転数Ｎが同じであれば、全燃料噴射量Ｑが変化しても変化しない。
ところで、前述したように、図７に示される例では、当量比Φが１．０から２．０の間である予混合気の割合が、目標圧縮着火時期ＩＴにおいて最大となるように、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴが制御される。しかしながら、目標圧縮着火時期ＩＴにおいて、当量比Φが１．０から２．０の間の予混合気の割合が最大にならなくても、当量比Φが１．０から２．０の間の予混合気の割合が或る程度大きければ、即ち、目標圧縮着火時期ＩＴにおいて、当量比Φが１．０から２．０の間の予混合気の割合が一定割合以上であれば、補助噴射燃料ＱＮは目標圧縮着火時期ＩＴにおいて圧縮着火せしめられる。この場合には、補助噴射燃料ＱＮにより生成された予混合気のうちで等量比が１．０から２．０である予混合気の割合が、目標圧縮着火時期ＩＴにおいて一定割合以上となるように、機関回転数Ｎが高くなるほど補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴが進角される。
さて、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴが、図７の三次元マップにおいてハッチングを付した面内に設定されれば、目標圧縮着火時期ＩＴにおいて、当量比Φが１．０から２．０の間の予混合気の割合が最も大きくなり、補助噴射燃料ＱＮは目標圧縮着火時期ＩＴにおいて圧縮着火せしめられる。しかしながら、補助噴射燃料ＱＮの着火時期は、燃焼室２内の温度や酸素濃度の変化の影響により、目標圧縮着火時期ＩＴよりも前に、即ち、当量比Φが１．０から２．０の間の予混合気の割合が最も大きくなる前に、補助噴射燃料ＱＮが着火する場合がある。この場合には、ＥＧＲ率を高めて、燃焼室２内の酸素濃度を低下させ、それにより噴射燃料の反応が抑えると、補助噴射燃料ＱＮの着火時期が遅延され、補助噴射燃料ＱＮが目標圧縮着火時期ＩＴにおいて圧縮着火するようになる。なお、前述したように、当量比Φが１．０から２．０の間の予混合気の割合が大きくなっていれば、補助噴射燃料ＱＮの着火時期は、酸素濃度の変化の影響を受けないので、このようにＥＧＲ率を高めても、補助噴射燃料ＱＮは目標圧縮着火時期ＩＴにおいて圧縮着火することになる。
無論、補助噴射燃料ＱＮが、ＥＧＲ率を変えなくても、目標圧縮着火時期ＩＴにおいて圧縮着火せしめられる場合には、ＥＧＲ率を特に変える必要はない。しかしながら、機関の運転状態によっては、補助噴射燃料ＱＮが目標圧縮着火時期ＩＴよりも前に、着火せしめられるときがあり、この場合には、機関の運転状態に応じて、ＥＧＲ率を変えることが必要となる。本発明による実施例では、機関の運転状態に応じて、ＥＧＲ率を変えており、そのために、ＥＧＲ制御弁１５の最適な開度ＥＧθが、全噴射量Ｑおよび機関回転数Ｎの関数として、図８に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。なお、この全噴射量Ｑは、図９に示されるように、機関の要求トルクに比例して増大せしめられる。
次に、図１０を参照しつつ機関の運転制御ルーチンについて説明する。なお、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図１０を参照すると、まず初めにステップ１００において、補助噴射燃料量ＱＮが算出される。次いで、ステップ１０１では、負荷センサ４１の出力信号に基づき算出された機関の要求トルクから燃料噴射弁３からの全燃料噴射量Ｑが算出される。次いで、ステップ１０２では、燃料噴射量Ｑから補助噴射燃料量ＱＮを減算することによって、主噴射燃料量ＱＭが算出される。次いで、ステップ１０３では、主噴射燃料ＱＭの噴射時期が算出される。
次いで、ステップ１０４では、図７に示す三次元マップから補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴが算出される。次いで、ステップ１０５では、燃料噴射量Ｑからの主噴射燃料ＱＭおよび補助噴射燃料ＱＮの噴射制御が行われる。次いで、ステップ１０６では、図８に示すマップからＥＧＲ制御弁１５の開度ＥＧθが算出される。次いで、ステップ１０７では、ＥＧＲ制御弁１５の開度θが、ステップ１０６において算出された開度ＥＧθとなるように、ＥＧＲ制御弁１５が制御される。
さて、圧縮着火式内燃機関では、一般的に言って、混合気の温度が８００Kから８５０Kになると冷炎反応が生じ、おおよそ９５０Kを越えると熱炎反応が開始される。一方、図７に示されるように、機関回転数Ｎが低いときには補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴは遅くされ、このときには、燃焼室２内の温度が８００Kから８５０K、或いは８５０Kよりも高いときに補助噴射燃料ＱＮが噴射される。このように燃焼室２内の温度が８００Kから８５０K、或いは８５０Kよりも高いときに燃料噴射が行われると、噴射燃料が混合気となる頃には、燃焼室２内の温度は８５０Kよりもかなり高くなっている。この場合には冷炎反応が生じるとただちに熱炎反応が生じ、その結果、目標圧縮着火時期ＩＴよりも前に着火してしまう危険性がある。しかしながら、図７に示される実施例では、機関回転数が低いときには、補助噴射燃料ＱＮの冷炎反応が生じる頃に主噴射燃料ＱＭが噴射される。従って、主噴射燃料ＱＭの気化潜熱により噴射補助噴射燃料ＱＮが冷却され、その結果、熱炎反応の発生が遅延されるために、補助噴射燃料ＱＮの混合気は、目標圧縮着火時期ＩＴにおいて着火せしめられることになる。
これに対し、図７に示されるように、機関回転数Ｎが高くなるにつれて補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴを早められると、機関回転数Ｎが高くなったときには、燃焼室２内の温度が８００Kよりも低いときに補助噴射燃料ＱＮが噴射される。この場合には、上述したように、混合気の温度が８００Kから８５０Kになると冷炎反応を生じ、次いで熱炎反応へと移行するために、補助噴射燃料ＱＮの混合気は目標圧縮着火時期ＩＴよりも前に着火してしまう危険性がある。そこで本発明による第２の実施例では、図１１Ａおよび図１１Ｂに示されるように、補助噴射燃料ＱＮが噴射された後に、冷却用燃料ＱＣが噴射される。なお、図１１Ａの横軸はクランク角を示しており、図１１Ｂは、図７と同様な三次元マップを示している。また、図１１Ｂにおいて、ＣＴは冷却用燃料ＱＣの噴射時期を示している。
補助噴射燃料ＱＮが噴射された後に、冷却用燃料ＱＣが噴射されると、冷却用燃料ＱＣの蒸発潜熱によって熱炎反応の発生が遅延され、その結果、補助噴射燃料ＱＮの混合気は、目標圧縮着火時期ＩＴにおいて着火せしめられる。従って、冷却用燃料ＱＣの噴射時期ＣＴは、補助噴射燃料ＱＮの混合気の温度が、冷炎反応の開始温度、即ち、８００Kから８５０Kとなる時期であり、この時期は、燃焼室２内の温度が８００Kから８５０Kになる時期にほぼ一致する。燃焼室２内の温度が８００Kから８５０Kになる時期は、クランク角で決まり、従って、図１１Ａおよび図１１Ｂに示される例では、予め定められたクランク角において、冷却用燃料ＱＣが噴射される。本発明による第２の実施例では、図１１Ａおよび図１１Ｂに示されるように、機関回転数Ｎが予め定められた回転数ＮＸよりも高いときには、補助噴射燃料ＱＮの完了後でかつ主噴射燃料の噴射開始前に、予め定められたクランク角において、冷却用燃料ＱＣが噴射される。
図１２は、この第２の実施例を実行するための機関の運転制御ルーチンを示している。なお、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図１２を参照すると、まず初めにステップ１１０において、補助噴射燃料量ＱＮが算出される。次いで、ステップ１１１では、負荷センサ４１の出力信号に基づき算出された機関の要求トルクから燃料噴射弁３からの全燃料噴射量Ｑが算出される。次いで、ステップ１０２では、機関回転数Ｎが予め定められた回転数ＮＸよりも高いか否かが判別される。機関回転数Ｎが予め定められた回転数ＮＸよりも低いときにはステップ１１３に進み、燃料噴射量Ｑから補助噴射燃料量ＱＮを減算することによって、主噴射燃料量ＱＭが算出される。次いで、ステップ１１４では、主噴射燃料ＱＭの噴射時期が算出される。
次いで、ステップ１１５では、図１１Ｂに示す三次元マップから補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴが算出される。次いで、ステップ１１６では、燃料噴射弁３からの主噴射燃料ＱＭおよび補助噴射燃料ＱＮの噴射制御が行われる。次いで、ステップ１１７では、図８に示すマップからＥＧＲ制御弁１５の開度ＥＧθが算出される。次いで、ステップ１１８では、ＥＧＲ制御弁１５の開度θが、ステップ１１７において算出された開度ＥＧθとなるように、ＥＧＲ制御弁１５が制御される。このときには、冷却用燃料ＱＣは噴射されない。
一方、ステップ１１２において、機関回転数Ｎが予め定められた回転数ＮＸよりも高いと判別されたときにはステップ１１９に進んで、冷却用燃料量ＱＣ、即ち、第２補助噴射燃料量ＱＣが算出される。次いで、ステップ１２０では、燃料噴射量Ｑから冷却用燃料量ＱＣ、即ち、第２補助噴射燃料量ＱＣおよび第１補助噴射燃料量ＱＮを減算することによって、主噴射燃料量ＱＭが算出される。次いで、ステップ１２１では、主噴射燃料ＱＭの噴射時期が算出される。次いで、ステップ１２２では、図１１Ｂに示す三次元マップから第１補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴが算出される。次いで、ステップ１２３では、図１１Ｂに示す三次元マップから冷却用燃料量ＱＣ、即ち、第２補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＣＴが算出される。次いで、ステップ１１６では、燃料噴射弁３からの主噴射燃料ＱＭ、第１補助噴射燃料ＱＮおよび冷却用燃料量ＱＣ、即ち、第２補助噴射燃料量ＱＣの噴射制御が行われる。
一方、本発明による実施例では、図３に示されるように、一方の吸気ポート５６内に配置されたスワール制御弁５９と、このスワール制御弁５９を駆動するためのアクチュエータ６０からなるスワール制御装置を具備しており、スワール制御弁５９の開度を制御することによって、燃焼室２内に発生するスワール流Ｗが制御される。この場合、スワール比が増大されると、即ち、スワール流Ｗが強められると、補助噴射燃料ＱＮが早く拡散するために、補助噴射燃料ＱＮが噴射されてから補助噴射燃料ＱＮの混合気が着火するまでの時間が短くなる。そこで本発明による第３の実施例では、スワール流Ｗが強められるほど、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴが遅角される。
図１３は、この第３の実施例の三次元マップを示している。図１３を参照すると、この例では、機関回転数Ｎが予め定められた回転数ＮＹよりも低いときにはスワール流Ｗが強められ、機関回転数Ｎが予め定められた回転数ＮＹよりも高いときにはスワール流Ｗが弱められる。従って、この第３の実施例では、図１３に示されるように、機関回転数Ｎが予め定められた回転数ＮＹよりも低いときに、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴが遅角される。
図１４は、この第３の実施例を実行するための機関の運転制御ルーチンを示している。なお、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
この図１４に示されるルーチンは図１０に示されるルーチンと同じである。即ち、図１４を参照すると、まず初めにステップ１３０において、補助噴射燃料量ＱＮが算出される。次いで、ステップ１３１では、負荷センサ４１の出力信号に基づき算出された機関の要求トルクから燃料噴射弁３からの全燃料噴射量Ｑが算出される。次いで、ステップ１３２では、燃料噴射量Ｑから補助噴射燃料量ＱＮを減算することによって、主噴射燃料量ＱＭが算出される。次いで、ステップ１３３では、主噴射燃料ＱＭの噴射時期が算出される。
次いで、ステップ１３４では、図１３に示す三次元マップから補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴが算出される。次いで、ステップ１３５では、燃料噴射量Ｑからの主噴射燃料ＱＭおよび補助噴射燃料ＱＮの噴射制御が行われる。次いで、ステップ１３６では、図８に示すマップからＥＧＲ制御弁１５の開度ＥＧθが算出される。次いで、ステップ１３７では、ＥＧＲ制御弁１５の開度θが、ステップ１３６において算出された開度ＥＧθとなるように、ＥＧＲ制御弁１５が制御される。
次に、図１５および図１６を参照しつつ、燃焼騒音を低減するために主噴射燃料ＱＭの噴射時期を図４に示される場合に比べて若干遅らせたときの噴射制御について説明する。なお、図１５および図１６には、図４と同様に、燃料噴射弁３からの燃料噴射量と、熱発生率と、燃焼室２内の圧力変化とが示されている。また、図１５は、機関回転数が低い場合の一例を示しており、図１６は、機関回転数が高い場合の一例を示している。図１５に示される場合には、主噴射燃料ＱＭが圧縮上死点ＴＤＣ前の圧縮行程中に燃料噴射弁３から噴射され、この燃料噴射弁３からの主噴射燃料ＱＭの噴射作用は圧縮上死点ＴＤＣ後に完了せしめられる。一方、図１６に示される場合には、燃料噴射弁３からの主噴射燃料ＱＭの噴射作用は圧縮上死点ＴＤＣ後に開始される。なお、図１５および図１６に示される実施例では、燃料噴射弁３からの主噴射燃料ＱＭの噴射作用は、圧縮上死点前１０度から圧縮上死点後１０度までのクランク角範囲内で開始される。
一方、図１５および図１６に示される実施例でも、主噴射燃料ＱＭよりも少量の補助噴射燃料ＱＮが主噴射燃料ＱＭよりも前の圧縮行程中に燃料噴射弁３から噴射される。この場合、図１５および図１６に示されるいずれの場合でも、目標圧縮着火時期ＩＴは、実験に基づき、主噴射燃料ＱＮの噴射開始時と噴射完了時との間において予め設定されており、図４に示されるによる実施例と同様に、補助噴射燃料ＱＮの噴射が行われてからクランク角が目標圧縮着火時期ＩＴに達するまでの時間τが一定になるように、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴが定められている。この場合、図１５および図１６に示される時間τは、図４に示される時間τと同一である。即ち、図１５および図１６に示されるいずれの場合でも、当量比Φが１．０から２．０の間である予混合気の割合が、目標圧縮着火時期ＩＴにおいて最大となるように、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴが制御されており、この場合、図１５および図１６に示される実施例では、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴは、主噴射燃料ＱＭの噴射開始後において、補助噴射燃料ＱＮの予混合圧縮着火による発熱により主噴射燃料ＱＭの予混合圧縮着火が引き起こされる噴射時期に制御される。
図１５および図１６に示される実施例でも、図７においてハッチングを付した面で示されるように、機関回転数Ｎが高くなるほど、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴが進角される。なお、図１５および図１６に示される実施例では、目標圧縮着火時期ＩＴが、図４に示されるによる実施例に比べて若干遅らされており、従って、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴは、図７においてハッチングで示される噴射時期ＮＴよりも若干遅角側となる。なお、図１５および図１６に示される実施例において用いられる補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴも、図７に示されるような三次元マップの形で予め記憶されている。また、図１５および図１６に示される実施例においても、図１０に示される運転制御ルーチンを用いて機関の運転制御が行われる。この場合、図１５および図１６に示される場合でも、補助噴射燃料ＱＮの冷炎反応が生じる頃に主噴射燃料ＱＭが噴射され、従って、主噴射燃料ＱＭの気化潜熱により噴射補助噴射燃料ＱＮが冷却され、その結果、熱炎反応の発生が遅延されている。
一方、図１５および図１６に示される場合についても、図１１Ａ，図１１Ｂおよび図１２に示される第２の実施例、および図１３および図１４に示される第３の実施例を適用することができる。この場合、図１１Ａ，図１１Ｂおよび図１２に示される第２の実施例を図１５および図１６に示される場合に適用したときには、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴおよび冷却用燃料ＱＣの噴射時期ＣＴは、図１１Ｂにおいてハッチングで示される噴射時期ＮＴおよび噴射時期ＣＴよりも若干遅角側となり、図１３および図１４に示される第３の実施例を図１５および図１６に示される場合に適用したときには、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴは、図１３においてハッチングで示される噴射時期ＮＴよりも若干遅角側となる。なお、第２の実施例又は第３の実施例を図１５および図１６に示される場合に適用したときの補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴ、および冷却用燃料ＱＣの噴射時期ＣＴも、図１１Ｂ或いは図１３に示されるような三次元マップの形で予め記憶されている。また、第２の実施例又は第３の実施例を図１５および図１６に示される場合に適用したときでも、図１２に示される運転制御ルーチン又は図１４に示される運転制御ルーチンを用いて機関の運転制御が行われる。
ところで、図４に示される実施例では、主噴射燃料ＱＭの噴射は、圧縮上死点前１０度以降であって圧縮上死点前のクランク角において開始されるのに対し、図１５および図１６に示される実施例では、主噴射燃料ＱＭの噴射は、圧縮上死点前１０度から圧縮上死点後１０度までのクランク角範囲内で開始される。また、図４に示される実施例では、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴは、主噴射燃料ＱＭの噴射完了後において、補助噴射燃料ＱＮの予混合圧縮着火による発熱により主噴射燃料ＱＭの予混合圧縮着火が引き起こされる噴射時期に制御されているのに対し、図１５および図１６に示される実施例では、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴは、主噴射燃料ＱＭの噴射開始後において、補助噴射燃料ＱＮの予混合圧縮着火による発熱により主噴射燃料ＱＭの予混合圧縮着火が引き起こされる噴射時期に制御されている。
従って、図１から図１６に示される全ての実施例を考慮すると、本発明では、燃焼室２内に配置された燃料噴射弁３と、燃料噴射弁３からの燃料噴射作用を制御する電子制御ユニット３０とを具備しており、燃料噴射弁３から噴射された主噴射燃料ＱＭを予混合圧縮着火させるようにした圧縮着火式内燃機関の制御装置において、電子制御ユニット１０は、燃料噴射弁３からの主噴射燃料ＱＭの噴射を、
圧縮上死点前１０度から圧縮上死点後１０度までのクランク角範囲内で開始させると共に、主噴射燃料ＱＭよりも少量の補助噴射燃料ＱＮを主噴射燃料ＱＭよりも前に燃料噴射弁３から噴射させて補助噴射燃料ＱＮを予混合圧縮着火させ、更に電子制御ユニット１０は、補助噴射燃料ＱＮの噴射時期ＮＴを、主噴射燃料ＱＭの噴射開始後において、補助噴射燃料ＱＮの予混合圧縮着火による発熱により主噴射燃料ＱＭの予混合圧縮着火が引き起こされる噴射時期に制御している。
２ 燃焼室
３ 燃料噴射弁
４ 吸気マニホルド
５ 排気マニホルド
７ 排気ターボチャージャ
１５ ＥＧＲ制御弁
３０ 電子制御ユニット
５５ 吸気弁
５７ 排気弁
５９ スワール制御弁

Claims (9)

  1. 燃焼室内に配置された燃料噴射弁と、燃料噴射弁からの燃料噴射作用を制御する電子制御ユニットとを具備しており、燃料噴射弁から噴射された主噴射燃料を予混合圧縮着火させるようにした圧縮着火式内燃機関の制御装置において、該電子制御ユニットは、該燃料噴射弁からの主噴射燃料の噴射を、圧縮上死点前１０度から圧縮上死点後１０度までのクランク角範囲内で開始させると共に、主噴射燃料よりも少量の補助噴射燃料を主噴射燃料よりも前に該燃料噴射弁から噴射させて補助噴射燃料を予混合圧縮着火させ、更に該電子制御ユニットは、補助噴射燃料の噴射時期を、主噴射燃料の噴射開始後において、補助噴射燃料の予混合圧縮着火による発熱により主噴射燃料の予混合圧縮着火が引き起こされる噴射時期に制御する圧縮着火式内燃機関の制御装置。
  2. 機関回転数の増大に比例して補助噴射燃料の噴射時期が進角される請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の制御装置。
  3. 主噴射燃料の予混合圧縮着火を予め定められた時期に引き起こさせるための補助噴射燃料の目標圧縮着火時期が、主噴射燃料の噴射完了時と圧縮上死点との間、又は主噴射燃料の噴射開始時と主噴射燃料の噴射完了時との間において予め設定されており、該電子制御ユニットは、補助噴射燃料の噴射が行われてからクランク角が該目標圧縮着火時期に達するまでの時間が一定となるように、補助噴射燃料の噴射時期を定める請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の制御装置。
  4. 主噴射燃料の予混合圧縮着火を予め定められた時期に引き起こさせるための補助噴射燃料の目標圧縮着火時期が、主噴射燃料の噴射完了時と圧縮上死点との間、又は主噴射燃料の噴射開始時と主噴射燃料の噴射完了時との間において予め設定されており、該電子制御ユニットは、補助噴射燃料の噴射時期を、補助噴射燃料の予混合圧縮着火時期が該目標圧縮着火時期となる噴射時期に制御する請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の制御装置。
  5. 補助噴射燃料により生成された予混合気のうちで等量比が１．０から２．０である予混合気の割合が、上記目標圧縮着火時期において最大となるように、機関回転数の増大に比例して補助噴射燃料の噴射時期が進角される請求項４に記載の圧縮着火式内燃機関の制御装置。
  6. 排気ガスを吸気通路内に再循環するための排気ガス再循環装置を具備しており、該電子制御ユニットは、排気ガスの再循環量を制御することにより補助噴射燃料の予混合圧縮着火時期を、該目標圧縮着火時期に制御する請求項４に記載の圧縮着火式内燃機関の制御装置。
  7. 機関回転数が予め定められた回転数よりも高いときには、上記補助噴射燃料の完了後でかつ主噴射燃料の噴射開始前に、予め定められたクランク角において、冷却用燃料が噴射される請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の制御装置。
  8. 機関燃焼室内に発生するスワール流を制御するためのスワール制御装置を具備しており、スワール流が強められるほど、補助噴射燃料の噴射時期が遅角される請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の制御装置。
  9. 該電子制御ユニットは、該燃料噴射弁からの主噴射燃料の噴射を圧縮上死点前の圧縮行程中に完了させ、該補助噴射燃料の噴射時期を、主噴射燃料の噴射完了後において、補助噴射燃料の予混合圧縮着火による発熱により主噴射燃料の予混合圧縮着火が引き起こされる噴射時期に制御する請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の制御装置。
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