JP2019132241A - エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】費性能を良好にしつつノッキングの発生を抑制することのできるエンジンの制御装置を提供する。【解決手段】ガソリンを含有する燃料と空気との混合気が前記燃焼室内で自着火する圧縮自着火燃焼が所定の条件下で実行されるエンジンにおいて、燃焼室６内でのノッキングの発生を予測または検出するノック判定手段と、燃焼室６内に３０ＭＰａ以上の噴射圧で流体を噴射する流体噴射手段１４とを設ける。ノック判定手段によってノッキングの発生が予測または検出されると、燃焼室６内で混合気の低温酸化反応が生じている期間中または燃焼室６内で混合気の高温酸化反応が生じている期間の前半に、燃焼室６内に流体噴射手段１４によって流体を噴射する。【選択図】図９

Description

本発明は、燃焼室が形成された気筒を備え、ガソリンを含有する燃料と空気との混合気が前記燃焼室内で自着火する圧縮自着火燃焼が所定の条件下で実行されるエンジンの制御装置に関する。

従来、エンジンの分野では、ノッキングが発生するのを防止するための種々の対策が行われている。具体的には、エンジン負荷が高く燃焼室内の温度が高い条件では、主たる燃焼とは別に燃焼室の外周部等において燃料と空気との混合気が自着火燃焼し、高い圧力波が生じてノッキングつまりシリンダやピストンの振動が生じる。ノッキングが生じると、騒音が増大するとともにピストン等が損傷するおそれがあり、これを防止することが求められている。

例えば、特許文献１には、燃焼室内で混合気が酸化反応を開始する前に、燃焼室内に水を噴射して燃焼室内の温度を低下させ、これによりノッキングを防止するエンジンが開示されている。

特開２０１６−０６５４６１号公報

特許文献１の構成では、燃焼室内で酸化反応が開始する前という比較的早いタイミングに水が燃焼室内に供給される。そのため、この水によって燃焼室内のガス全体の温度が低くされてしまい、圧縮端温度が低くなってエンジントルクが低くなる（燃費性能が悪化する）。

本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、燃費性能を良好にしつつノッキングの発生を抑制することのできるエンジンの制御装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、燃焼室が形成された気筒を備え、ガソリンを含有する燃料と空気との混合気が前記燃焼室内で自着火する圧縮自着火燃焼が所定の条件下で実行されるエンジンの制御装置であって、前記燃焼室内でのノッキングの発生を予測または検出するノック判定手段と、前記燃焼室内に３０ＭＰａ以上の噴射圧で流体を噴射する流体噴射手段とを備え、前記流体噴射手段は、前記ノック判定手段によってノッキングの発生が予測または検出されると、前記燃焼室内で混合気の低温酸化反応が生じている期間中または前記燃焼室内で混合気の高温酸化反応が生じている期間の前半に、前記燃焼室内に流体を噴射する、ことを特徴とするエンジンの制御装置を提供する（請求項１）。

ノッキングは、燃焼室の外周部等に存在する混合気が局所的に高温となって自着火して燃焼することで生じる。

これに対して、この構成では、ノッキングの発生が予測または検出されると、燃焼室内で混合気の低温酸化反応が生じている期間中または混合気の高温酸化反応が生じている期間の前半に、３０ＭＰａ以上の高圧で燃焼室内に流体が噴射される。従って、燃焼室内で低温酸化反応が生じる程度に燃焼室内の温度が高くなり、燃焼室の外周部等において局所的に混合気が自着火可能な程度にまで昇温された可能性の高いときに、この混合気を高圧で噴射された流体の噴霧によって撹拌して、局所的な高温部や混合気の過濃部を少なくすることができる。従って、例えば、水の気化潜熱等により燃焼室の混合気全体の温度を低下させることなく、ノッキングの発生を抑制することができる。これより、この構成によれば、燃費性能を良好にしつつノッキングの発生を抑制できる。特に、この構成では、高温酸化反応が生じている期間の前半が終了するまでに燃焼室内に流体が噴射される。そのため、より確実に、局所的に混合気の自着火が開始するまでにこの混合気を撹拌してノッキングの発生を抑制することができる。

前記構成において、前記流体噴射手段は、前記燃焼室内に燃料を噴射するものであり、エンジントルクの生成用に燃料を噴射するメイン噴射を実施するとともに、前記メイン噴射の終了後、当該メイン噴射によって前記燃焼室に噴射された燃料と空気との混合気の低温酸化反応が生じている期間中または当該混合気の高温酸化反応が生じている期間の前半に、前記燃焼室内に燃料を噴射するのが好ましい（請求項２）。

この構成によれば、エンジントルクを得るための燃料噴射を実施する燃料噴射手段を利用して、ノッキング抑制のための流体を燃焼室に噴射することができる。従って、燃料以外の流体を燃焼室に噴射する場合に比べて、エンジンの構造を簡素化することができる。

ここで、混合気の高温酸化反応つまり燃焼が生じている状態で多量の燃料を噴射すると、噴射した燃料が十分に空気と混合しない状態で燃えることで煤が増大するおそれがある。

そのため、前記構成において、前記低温酸化反応が生じている期間中または前記高温酸化反応が生じている期間の前半に前記燃焼室内に前記流体噴射手段から噴射される燃料の重量は、１燃焼サイクルで前記燃焼室内に供給される燃料の総重量の１０％以下であるのが好ましい（請求項３）。

この構成によれば、煤の増大を抑制しつつノッキングの発生を抑制することができる。

ここで、気筒の幾何学的圧縮比が高いと、燃焼室内の温度が高くなってノッキングが生じやすい。従って、本発明を、前記気筒の幾何学的圧縮比が１５以上に設定されているエンジンに適用すれば、効果的にノッキングの発生を抑制することができる（請求項４）。

以上説明したように、本発明のエンジンの制御装置によれば、燃費性能を良好にしつつノッキングの発生を抑制することができる。

本発明の一実施形態にかかるエンジンシステムの構成を示した図である。 エンジンの制御系統を示すブロック図である。 制御マップを示した図である。 高負荷低速領域においてノック回避制御を実施しなかったときの噴射タイミングと点火タイミングと熱発生率の一例を示した図である。 高負荷高速領域においてノック回避制御を実施しなかったときの噴射タイミングと点火タイミングと熱発生率の一例を示した図である。 ノック回避制御の流れを示したフローチャートである。 高負荷低速領域においてノッキングが生じるか否かの判定方法を説明するための図である。 ノッキングの発生過程を説明するための図である。 高負荷低速領域においてノック回避制御を実施したときの噴射タイミングと点火タイミングと熱発生率の一例を示した図である。 ノック判定時期の筒内圧と、ノック強度との関係を示したグラフである。 高負荷高速領域における圧縮上死点付近の筒内圧の変化を示したグラフである。 高負荷低速領域における、追加噴射の時期と、エンジントルク、燃焼重心時期、発生したスモークとの関係を示した図である。 高負荷低速領域において、追加噴射を実施しなかったときと実施したときとの熱発生率の波形を比較して示した図である。

（１）エンジンの全体構成
図１は、本発明のエンジンの制御装置が適用されるエンジンシステムの構成を示す図である。本実施形態のエンジンシステムは、４ストロークのエンジン本体１と、エンジン本体１に燃焼用の空気を導入するための吸気通路２０と、エンジン本体１で生成された排気を排出するための排気通路３０とを備える。

エンジン本体１は、例えば、４つの気筒２が図１の紙面と直交する方向に直列に配置された直列４気筒エンジンである。このエンジンシステムは車両に搭載され、エンジン本体１は車両の駆動源として利用される。本実施形態では、エンジン本体１は、ガソリンを含む燃料の供給を受けて駆動される。なお、燃料は、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。

エンジン本体１は、気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上面に設けられたシリンダヘッド４と、気筒２に往復動（上下動）可能に嵌装されたピストン５とを有する。

ピストン５の上方には燃焼室６が形成されている。燃焼室６はいわゆるペントルーフ型であり、シリンダヘッド４の下面で構成される燃焼室６の天井面は吸気側および排気側の２つの傾斜面からなる三角屋根状をなしている。ピストン５の冠面には、その中心部を含む領域をシリンダヘッド４とは反対側（下方）に凹ませたキャビティ１９が形成されている。なお、ここでは、ピストン５の位置や混合気の燃焼状態によらず気筒２の内側空間のうちピストン５の冠面と燃焼室６の天井面との間の空間を、燃焼室６という。

エンジン本体１の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン５が下死点にあるときの燃焼室６の容積とピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積との比は、１５以上２５以下（例えば１７程度）に設定されている。

シリンダヘッド４には、吸気通路２０から供給される空気を気筒２（燃焼室６）内に導入するための吸気ポート９と、気筒２内で生成された排気を排気通路３０に導出するための排気ポート１０とが形成されている。これら吸気ポート９と排気ポート１０とは、気筒２毎にそれぞれ２つずつ形成されている。

シリンダヘッド４には、各吸気ポート９の気筒２側の開口をそれぞれ開閉する吸気弁１１と、各排気ポート１０の気筒２側の開口をそれぞれ開閉する排気弁１２とが設けられている。

シリンダヘッド４には、燃料を噴射するインジェクタ（流体噴射手段）１４が設けられている。インジェクタ１４は、噴射口が形成された先端部が燃焼室６の天井面の中央付近に位置して燃焼室６の中央を臨むように取り付けられている。インジェクタ１４は、その先端に複数の噴口を有し、燃焼室の天井面の中央付近からピストン５の冠面に向かって、気筒２の中心軸を中心としたコーン状（詳しくはホローコーン状）に燃料を噴射するように構成されている。コーンのテーパ角（噴霧角）は、例えば９０°〜１００°である。なお、インジェクタ１４の具体的な構成はこれに限らず、単噴口のものであってもよい。

インジェクタ１４は、不図示の高圧ポンプから圧送された燃料を燃焼室６内に噴射する。インジェクタ１４の噴射圧は、ノッキングが発生しやすいエンジン高負荷域では、３０ＭＰａ以上に高められ、エンジン高負荷域では、インジェクタ１４から高圧で燃料が噴射される。なお、この噴射圧は、最大で７０ＭＰａ程度まで高められるのが好ましい。この場合は、エンジンの高負荷域において５０ＭＰａ〜７０Ｍａの範囲の噴射圧で燃料が噴射される。

シリンダヘッド４には、燃焼室６内の混合気を点火するための点火プラグ１３が設けられている。点火プラグ１３の先端には、火花を放電して混合気を点火し混合気に点火エネルギーを付与する電極が形成されている。点火プラグ１３は、その先端が燃焼室６の天井面の中央付近に位置して燃焼室６の中央を臨むように配置されている。

吸気通路２０には、上流側から順に、エアクリーナ２１と、吸気通路２０を開閉するためのスロットルバルブ２２とが設けられている。本実施形態では、エンジンの運転中、スロットルバルブ２２は基本的に全開もしくはこれに近い開度に維持されており、エンジンの停止時等の限られた運転条件のときにのみ閉弁されて吸気通路２０を遮断する。

排気通路３０には、排気を浄化するための浄化装置３１が設けられている。浄化装置３１は、例えば、三元触媒を内蔵している。

排気通路３０には、排気通路３０を通過する排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路２０に還流するためのＥＧＲ装置４０が設けられている。ＥＧＲ装置４０は、吸気通路２０のうちスロットルバルブ２２よりも下流側の部分と排気通路３０のうち浄化装置３１よりも上流側の部分とを連通するＥＧＲ通路４１、および、ＥＧＲ通路４１を開閉するＥＧＲバルブ４２を有する。また、本実施形態では、ＥＧＲ通路４１に、これを通過するＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４３が設けられており、ＥＧＲガスはＥＧＲクーラ４３にて冷却された後吸気通路２０に還流される。

（２）制御系統
（２−１）システム構成
図２は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本実施形態のエンジンシステムは、ＰＣＭ（パワートレイン・コントロール・モジュール、制御手段）１００によって統括的に制御される。ＰＣＭ１００は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサである。

車両には各種センサが設けられており、ＰＣＭ１００はこれらセンサと電気的に接続されている。例えば、シリンダブロック３には、エンジン回転数を検出するクランク角センサＳＮ１が設けられている。また、吸気通路２０を通って各気筒２に吸入される空気量を検出するエアフローセンサＳＮ２が設けられている。また、シリンダヘッド４には、燃焼室６内の圧力を検出する筒内圧センサＳＮ３が設けられている。筒内圧センサＳＮ３は、各気筒２にそれぞれ１つずつ設けられている。また、車両には、運転者により操作される図外のアクセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサＳＮ４が設けられている。

ＰＣＭ１００は、これらセンサＳＮ１〜ＳＮ４等からの入力信号に基づいて種々の演算を実行して、点火プラグ１３、インジェクタ１４、スロットルバルブ２２、ＥＧＲバルブ４２等のエンジンの各部を制御する。

（２−２）基本制御
図３は、横軸をエンジン回転数、縦軸をエンジン負荷とした制御マップである。エンジンの運転領域は、エンジン回転数とエンジン負荷とに応じて２つの領域に区画されている。本実施形態では、エンジン負荷が予め設定された基準負荷Ｔｑ１未満でありノッキングが生じ難い低負荷領域Ｂと、エンジン負荷が基準負荷Ｔｑ１以上でありノッキングが生じやすい高負荷領域Ａとが設定されている。高負荷領域Ａでは、ノッキングの発生を抑制するべく、後述するノック回避制御が実施される。本実施形態では、前記のように、エンジン本体１の幾何学的圧縮比が１５以上に設定されており、燃焼室６内の温度が非常に高い温度にまで高められる。従って、特にノッキングが生じやすい。

高負荷領域Ａは、さらに、エンジン回転数が予め設定された基準回転数Ｎ１未満の高負荷低速領域Ａ１と、エンジン回転数が基準回転数Ｎ１以上の高負荷高速領域Ａ２とに区画されている。

本実施形態では、低負荷領域Ｂおよび高負荷低速領域Ａ１では、点火アシストによる圧縮自着火燃焼（ＳＰＣＣＩ燃焼、ＳＰＣＣＩ：ＳＰａｒｋ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）が実施される。この圧縮自着火燃焼では、まず、圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも前にインジェクタ１４から燃焼室６内に燃料が噴射される。この燃料は圧縮上死点付近までに空気と混合する。燃焼室６に形成されたこの混合気に、圧縮上死点付近において点火プラグ１３から放電が行われる。これにより、点火プラグ１３周りの混合気が強制的に着火される。そして、点火プラグ１３周りから周囲に火炎が伝播していき、周囲の混合気が昇温されて自着火する。

一方、高負荷高速領域Ａ２では、混合気を所望の時期に自着火させることが困難になるため、通常のガソリンエンジンにおいて採用されるＳＩ燃焼（火花点火燃焼、ＳＩ：Ｓｐａｒｋ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）が実施される。ＳＩ燃焼は、混合気のほぼ全体を火炎伝播によって燃焼させる燃焼形態であり、圧縮上死点付近において点火プラグ１３から放電が行われて、点火プラグ１３周りの混合気が強制的に着火される。そして、点火プラグ１３周りから周囲に火炎が伝播していき、残りの混合気が火炎伝播によって強制的に燃焼する。

図４は、基本制御の実施時（ノック回避制御を実施しなかったとき）の高負荷低速領域Ａ１における燃料の噴射タイミングと点火タイミングと熱発生率の一例を示した図である。図４に示されるように、例えば、高負荷低速領域Ａ１では、吸気行程の後期に２回に分けてインジェクタ１４から燃料が噴射される。つまり、吸気行程の後期に、２回の燃料噴射Ｑ１＿ａ、Ｑ１＿ｂが実施される。そして、圧縮上死点の近傍に設定された点火時期ＣＡ２で（図４の例では圧縮上死点で）点火プラグ１３により混合気に点火が行われる。２回の燃料噴射Ｑ１＿ａ、Ｑ１＿ｂは、要求されるエンジントルクを実現するためのメイン噴射、つまり、エンジントルクを生成するための燃料を噴射するメイン噴射であり、２回の燃料噴射の噴射量Ｑ１＿ａ、Ｑ１＿ｂの合計は、基本的に、エンジントルクの要求値に対応する量とされる。なお、本明細書における○○行程の前記、後期とは、○○行程の実施期間（クランク角での期間）を均等に２分割した時の前期と後期とをそれぞれさす。

図４に示した熱発生率の例では、混合気は低温酸化反応した後に高温酸化反応している。低温酸化反応は、冷却損失を上回るわずかな発熱を伴う反応であり、高温酸化反応は火炎を生じさせながら高い熱エネルギーを発する反応である。

具体的には、図４に示した例では、クランク角度ＣＡ１にて熱発生率が立ち上がる。しかし、まだ低温酸化反応の段階であることから、熱発生率はほとんど上昇せず、点火時期ＣＡ２（ＴＤＣ：圧縮上死点）において点火エネルギーが付与されてからしばらく後のクランク角度ＣＡ３にて、混合気の高温酸化反応が開始することに伴い、クランク角度ＣＡ３以降、熱発生率は高い値に向けて上昇していく。

図５は、基本制御の実施時の高負荷高速領域Ａ２における燃料の噴射タイミングと点火タイミングと熱発生率の一例を示した図である。例えば、高負荷高速領域Ａ２では、吸気行程の後期に１回だけ燃料噴射Ｑ１が実施される。そして、圧縮上死点の近傍に設定された点火時期ＣＡ１２で（図５の例では圧縮上死点で）点火プラグ１３により混合気に点火が行われる。燃料噴射Ｑ１は、要求されるエンジントルクを実現するためのメイン噴射であり、この噴射量は、基本的に、エンジントルクの要求値に対応する量とされる。

図５では、熱発生率ｄＱは、点火時期ＣＡ１２から比較的急激に立ち上がってそのまま上昇しており、明確な低温酸化反応が見られない。このように、高負荷高速領域Ａ２では、低温酸化反応が生じない、あるいは、明確な低温酸化反応が見られない。

これは、エンジン回転数が高いと、ピストン５の上昇速度および燃焼室６内の圧力上昇速度が速いために、燃焼室６の主たる混合気の低温酸化反応が生じる時間が非常に短くなる、あるいは、燃焼室６の主たる混合気が急激に昇温されて低温酸化反応をほとんど生じることなく高温酸化反応を開始するためと考えられる。

（２−３）ノック回避制御
次に、高負荷領域Ａにて実施されるノック回避制御について図６のフローチャートを用いて説明する。このフローチャートの各ステップは、高負荷領域Ａでエンジンが運転されているときに実行される。ＰＣＭ１００は、現在のエンジン回転数とエンジン負荷とからエンジンがどの運転領域で運転されているかを判別する。そして、エンジンが高負荷領域Ａにて運転されていると判別するとステップＳ１を実施する。なお、この判別ステップにおいて、エンジン回転数は、クランク角センサＳＮ１によって検出された値が用いられる。エンジン負荷は、アクセル開度センサＳＮ４により検出されたアクセル開度とエンジン回転数とに基づいて算出される。

ステップＳ１では、ＰＣＭ１００は、まず、筒内圧センサＳＮ３の値を読み込む。次に、ステップＳ２にて、ＰＣＭ１００は、筒内圧センサＳＮ３で検出された筒内圧を用いて熱発生率ｄＱを算出する。熱発生率ｄＱの算出方法は従来用いられている方法を採用することができ、ここでの説明は省略する。

次に、ステップＳ３にて、ＰＣＭ１００は、高負荷低速領域Ａ１でエンジンが運転されているかを判定する。

ステップＳ３の判定がＹＥＳであって高負荷低速領域Ａ１でエンジンが運転されている場合は、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、ＰＣＭ１００は、ノッキングが生じるか否かを判定（予測）する。

本願発明者らは、高負荷低速領域Ａ１では、低温酸化反応が生じるとノッキングが発生しやすいことを突き止めた。そこで、ステップＳ４では、低温酸化反応が生じたか否かによってノッキングが生じるか否かを判定する。

本実施形態では、熱発生率ｄＱが０を超えた後、熱発生率ｄＱの値が予め設定された低温酸化判定熱発生率ｄＱ＿ｊ以下となる時間が、予め設定された低温酸化判定時間ｔ＿ｊ以上継続すると、低温酸化反応が生じたと判定する。例えば、図７に示した例では、クランク角度ＣＡ２１において熱発生率ｄＱが０を超えた後、低温酸化判定時間ｔ＿ｊを過ぎてクランク角度ＣＡ２３になるまで継続して熱発生率ｄＱが低温酸化判定熱発生率ｄＱ＿ｊ以下となっている。これより、クランク角度ＣＡ２１から低温酸化判定時間ｔ＿ｊ後の判定時間経過角度ＣＡｘにて低温酸化反応が生じたと判定される。なお、低温酸化反応が生じたか否かの具体的な判定方法はこれに限らない。例えば、予め設定された所定のクランク角度であって低温酸化反応が生じやすい角度において熱発生率ｄＱが所定の値以上の場合に、低温酸化反応が生じたと判定するようにしてもよい。

ここで、高負荷低速領域Ａ１において低温酸化反応が生じるとノッキングが発生しやすいのは次の理由によると考えられる。

図８は、ノッキングが生じるときの圧縮上死点付近の燃焼室６内の様子を模式的に示した燃焼室６の概略断面図である。図８の各線は同じ温度となる箇所を結んだ線である。

燃焼室６の外周縁付近は、混合気の逃げ場がない。そのため、ピストン５の圧縮作用によって、また、燃焼室６の中央で生じた火炎が図８の矢印で示すように外周側に向かって伝播していくことで、燃焼室６の外周縁付近では、混合気が局所的に圧縮される。これにより、燃焼室６の外周縁付近では、複数の箇所Ｐで局所的に高温・高圧の混合気が形成される。ノッキングは、これらの混合気がそれぞれ個別に自着火することで生じる。

ここで、燃焼室６内で低温酸化反応が生じるときというのは、燃焼室６内の温度と圧力の少なくとも一方が高いときである。そのため、燃焼室６内で低温酸化反応が生じたときは、燃焼室６の外周縁付近の混合気が自着火しやすくなる。従って、高負荷低速領域Ａ１において、低温酸化反応が生じると、ノッキングが発生しやすくなる。また、低温酸化反応が生じると、その反応熱によって燃焼室６内の温度はさらに昇温される。そのため、低温酸化反応が生じると、ノッキングが発生しやすくなる。

図６のフローチャートに戻り、ステップＳ４の判定がＹＥＳであって高負荷低速領域Ａ１においてノッキングが生じると予測された場合は、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、ＰＣＭ１００は、追加噴射Ｑ２を実施し、インジェクタ１４によって燃料を燃焼室６内に噴射させる。ステップＳ５は、ステップＳ４の判定がＹＥＳとなるとすぐさま実施される。つまりＰＣＭ１００は、熱発生率ｄＱが低温酸化判定熱発生率ｄＱ＿ｊ以下となる時間が低温酸化判定時間ｔ＿ｊ経過したクランク角度ＣＡｘ（以下、適宜、判定時間経過角度ＣＡｘという）直後に、インジェクタ１４に噴射開始の指令を出して追加噴射Ｑ２を実施する。例えば、圧縮上死点後１０°ＣＡ程度に追加噴射Ｑ２を実施する。

ここで、判定時間経過角度ＣＡｘでは、まだ熱発生率ｄＱが低温酸化判定熱発生率ｄＱ＿ｊ以下であって低温酸化反応中である。そのため、追加噴射Ｑ２は、低温酸化反応中に実施される。あるいは、判定時間経過角度ＣＡｘの直後に低温酸化反応が終了した場合であってインジェクタ１４の駆動遅れがある場合には、低温酸化反応の終了直後に追加噴射Ｑ２が実施される。

このように、高負荷低速領域Ａ１では、ノッキングが生じると判定（予測）されると、図９に示すように、吸気行程の後期に実施する２回の燃料噴射Ｑ１＿ａ、Ｑ１＿ｂからなるメイン噴射Ｑ１に加えて、低温酸化反応中あるいは低温酸化反応の終了直後に、燃料をさらに燃焼室６内に噴射する追加噴射Ｑ２が実施される。

追加噴射Ｑ２の量は、メイン噴射Ｑ１に比べて十分に低く設定されている。本実施形態では、追加噴射Ｑ２の量は、メイン噴射Ｑ１の噴射量と追加噴射Ｑ２の噴射量とを合わせた量つまり１燃焼サイクルで燃焼室６に噴射される燃料の総量の１０％以下の量に設定されている。例えば、追加噴射Ｑ２の量は、燃料の総量の５％程度に設定されている。

図６に戻り、ステップＳ４の判定がＮＯであってノッキングが生じると予測されなかったときは、ステップＳ２０を実施する。ステップＳ２０では、ＰＣＭ１００は、追加噴射Ｑ２を実施せず、通常のメイン噴射Ｑ１のみを実施する。

ステップＳ３に戻り、ステップＳ３の判定がＮＯであって高負荷高速領域Ａ２でエンジンが運転されている場合は、ステップＳ１０に進む。ステップＳ１０でも、ＰＣＭ１００は、ノッキングが生じるか否かを判定（予測）する。

ただし、前記のように、エンジン回転数が高くなると、低温酸化反応が生じない、あるいは、明確な低温酸化反応がみられなくなる。そのため、高負荷高速領域Ａ２では、低温酸化反応が生じているか否かによってノッキングが生じるか否かを判定することが難しい。

そこで、ステップＳ１０では、ステップＳ４の判定方法に代えて、圧縮上死点付近の筒内圧に基づいてノッキングが生じるか否かを判定する。

ステップＳ１０では、ＰＣＭ１００は、圧縮上死点付近に設定されたノック判定時期の筒内圧が予め設定されたノック判定圧力以上であると、ノッキングが生じると判定する。本実施形態では、ノック判定時期として圧縮上死点付近の複数の時期が設定され、これら複数の時期で検出された筒内圧が平均されて、この平均値とノック判定圧力とが比較される。例えば、ノック判定時期は、圧縮上死点から圧縮上死点後９°ＣＡまでの期間に設定されており、この期間の筒内圧の平均値とノック判定圧力とが比較される。

図１０は、複数の燃焼サイクルにおける、ノック判定時期の筒内圧（詳細には、圧縮上死点から圧縮上死点後９°ＣＡまでの筒内圧の平均値）と、ノック強度との関係を示したグラフである。図１０に示すノック強度は、筒内圧波形に含まれる所定の周波数以上の波形の振幅の最大値である。

このグラフに示されるように、圧縮上死点付近（ノック判定時期）の筒内圧が高くなると、ノック強度が０より大きくなりノッキングが生じる頻度が高くなるとともにノック強度が高くなる。これより、圧縮上死点付近（ノック判定時期）の筒内圧が所定値以上であるとノッキングが生じると判定する判定方法によっても、ノッキングが生じるか否かを適切に判定することができる。

このように、本実施形態では、筒内圧センサＳＮ３とＰＣＭ１００とが、ノッキングが生じるか否かを予測するノック判定手段として機能する。

図６に戻り、ステップＳ１０の判定がＮＯであってノッキングが生じると予測されなかったときは、ステップＳ２０を実施する。ステップＳ２０では、ＰＣＭ１００は、追加噴射Ｑ２を実施せず、通常のメイン噴射Ｑ１のみを実施する。

一方、ステップＳ１０の判定がＹＥＳの場合はステップＳ１１に進む。ステップＳ１１では、ＰＣＭ１００は、１つ前の燃焼サイクルにおいて追加噴射Ｑ２が実施された状態でノッキングが生じたか否かを判定する。

本実施形態では、ＰＣＭ１００は、筒内圧センサＳＮ３で検出された筒内圧に基づいてノッキングが生じたか否かを判定する。筒内圧センサＳＮ３を用いたノッキングが生じたか否かの検出の判定方法は特に限定されないが、例えば、次の方法で判定される。筒内圧センサＳＮ３の出力値をハイパスフィルタにかける。そして、ハイパスフィルタから出力された波形、つまり、所定の周波数以上の筒内圧の波形の振幅の最大値を抽出する。そして、この最大値が所定値以上であればノッキングが生じたと判定し、この最大値が所定値未満であればノッキングが生じなかったと判定する。なお、この判定に代えて、ノッキングセンサをシリンダブロック等に取り付け、このノッキングセンサによってノッキングが生じたか否かを検出してもよい。

ステップＳ１１の判定がＮＯであって、１つ前の燃焼サイクルにおいて追加噴射Ｑ２を実施していない場合、または、１つ前の燃焼サイクルにおいて追加噴射Ｑ２が実施され且つノッキングが生じなかった場合は、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、ＰＣＭ１００は、追加噴射Ｑ２を実施する。つまり、メイン噴射Ｑ１の後、さらに、燃料を燃焼室６内に噴射させる。

ステップＳ１２では、燃焼室６内で酸化反応が生じてから予め設定された待機角度後に追加噴射を実施する。具体的には、ＰＣＭ１００は、算出した熱発生率ｄＱが０を超えると酸化反応が生じたと判定し、熱発生率ｄＱが０を超えた時期から待機角度後の時期を追加噴射Ｑ２の実施時期（噴射時期）として設定する。そして、ＰＣＭ１００は、設定したこの追加噴射Ｑ２の実施時期に、インジェクタ１４から燃焼室６内に燃料を噴射させる。

待機角度は、燃焼期間の半分の角度であって予め実験等によって得られた角度、以下の値に設定されている。ここで、前記のように、高負荷高速領域Ａ２では低温酸化反応はほとんど生じておらず、燃焼期間は高温酸化反応が生じている期間とほぼ同じになる。これより、高負荷高速領域Ａ２では、図５の破線で示したように、追加噴射Ｑ２は、高温酸化反応が生じている期間の前半（高温酸化反応が生じている期間を均等に２分割したときの前半の期間）に実施される。

詳細には、実験等によって、追加噴射を実施しなかったときの燃焼期間を検出し、その半分の期間を求める。そして、得られた燃焼期間の半分以下の角度を待機角度として設定して、ＰＣＭ１００に記憶させておく。さらに、本実施形態では、待機角度は、燃焼が開始してから燃焼重心時期までの期間以下に設定されている。燃焼重心時期は、１燃焼サイクル中に生じる熱発生量の総量の５０％の熱発生が生じる時期（角度）である。例えば、待機角度は、熱発生が開始してから、１燃焼サイクル中に生じる熱発生量の総量の３０％程度の熱発生が生じる時期までの角度であって、１５°ＣＡ程度に設定されている。

ステップＳ１２で実施される追加噴射Ｑ２の噴射量は、ステップＳ５で実施される追加噴射Ｑ２の噴射量と同様に、１燃焼サイクルで燃焼室６に噴射される燃料の総量の１０％以下（例えば５％程度）とされる。

一方、ステップＳ１１の判定がＹＥＳの場合、つまり、１つ前の燃焼サイクルにおいて追加噴射Ｑ２が実施されたにも関わらずノッキングが生じた場合には、ステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では、追加噴射Ｑ２を停止する一方、燃焼室６内の空燃比を理論空燃比よりもリーンとする（理論空燃比よりも大きくする）。つまり、ステップＳ１３の実施時以外は、燃焼室６内の空燃比は理論空燃比または理論空燃比よりもリッチ（理論空燃比よりも小さい値）とされている。具体的には、ステップＳ１３の実施時以外は、メイン噴射Ｑ１の噴射量が、燃焼室６内の空燃比が理論空燃比となるような量に設定されるようになっており、基本制御が実施される（追加噴射Ｑ２が実施されない）通常運転時では燃焼室６内の空燃比は理論空燃比とされ、追加噴射Ｑ２が実施されるときは、燃焼室６内の空燃比は理論空燃比よりもリッチとなる。

これに対して、ステップＳ１３では、燃焼室６内の空燃比が理論空燃比よりもリーンとなるように、メイン噴射Ｑ１の噴射量が設定される。本実施形態では、要求されるエンジントルクに対応する空気量が算出され、この空気量に対して空燃比が理論空燃比よりもリーンとなる燃料量がメイン噴射Ｑ１の噴射量に設定される。ここで、前記のように、通常運転時は、エンジントルクに対応する空気量に対して空燃比が理論空燃比あるいは理論空燃比よりもリッチになるようにメイン噴射Ｑ１の噴射量が設定されている。そのため、ステップＳ１３では、メイン噴射Ｑ１の噴射量が通常運転時よりも低減されることになる。

このように、高負荷高速領域Ａ２では、圧縮上死点付近（ノック判定時期）の圧力がノック判定圧力以上であると、ノッキングが発生すると判定される。そして、ノッキングが発生すると予測されるときは、まず追加噴射Ｑ２が実施される。このとき、高負荷高速領域Ａ２では、燃焼室６内で燃焼が開始してから（熱発生が生じてから）予め設定された待機時間後であって、燃焼重心時期までの時期に、追加噴射Ｑ２が実施される。

また、高負荷高速領域Ａ２では、追加噴射Ｑ２を実施したにも関わらずノッキングが発生したときには、追加噴射Ｑ２は停止され、燃焼室６内の空燃比が理論空燃比よりもリーンにされる。

（３）作用等
図１１は、高負荷高速領域Ａ２における圧縮上死点付近の筒内圧の変化を示したグラフである。図１１の実線は追加噴射Ｑ２を実施したときの筒内圧の変化である。図１１の破線は追加噴射Ｑ２を実施しなかったときの筒内圧の変化である。実線で示される筒内圧の変化が生じたときの運転条件と破線で示される筒内圧の変化が生じたときの運転条件とは、追加噴射Ｑ２を実施したか否かを除き同一である。

図１１に示されるように、追加噴射Ｑ２を実施した場合は、追加噴射を実施しなかった場合に比べて、筒内圧の高周波成分の振幅が小さくなっており、ノック強度が小さく抑えられている。このように、追加噴射Ｑ２を実施すればノック強度を小さくすることができる。

図１２は、高負荷低速領域Ａ１の所定の運転条件において、追加噴射Ｑ２の実施時期と、燃焼重心時期、エンジントルク、発生したスモークとの関係を示した図である。この図の各点は、ノック強度が同等となるように（ノック強度が０程度であって、ノッキングが生じないように）したときの実験結果を示したものであり、ノック強度が同等となるように点火時期が調整されている。図１２の各グラフに示すベース値は、それぞれ、追加噴射Ｑ２をせず、且つ、図１２の各点とノック強度が同等となるように点火時期を調整したときの燃焼重心時期、エンジントルク、発生したスモークの値である。また、ベース値は、追加噴射Ｑ２を行ったときのメイン噴射Ｑ１の噴射量と追加噴射Ｑ２の噴射量とを合わせた量の燃料を、メイン噴射Ｑ１によって噴射したときの結果である。

図１３は、図１２に示すベース値の結果が得られたときの熱発生率ｄＱ（破線）と、図１２において追加噴射Ｑ２をクランク角度ＣＡｂで実施したときの熱発生率ｄＱ（実線）とを比較して示した図である。

図１２および図１３に示されるように、追加噴射Ｑ２を実施したときは、追加噴射Ｑ２をしなかったときよりも、燃焼重心時期が進角側になり、エンジントルクが高くなっている。このように、ノック強度を同程度にしたときにおいて、追加噴射Ｑ２を実施した場合は、追加噴射Ｑ２をしなかった場合よりも、高いエンジントルクを得ることが可能になる。詳細には、追加噴射を実施した場合には、ノッキングが抑制されることで点火時期を進角することが可能となって高いエンジントルクを得ることができる。

このように、本実施形態では、高負荷低速領域Ａ１および高負荷高速領域Ａ２においてノッキングが発生すると予測されたときに３０Ｍｐａ以上という高圧で燃料を噴射する追加噴射Ｑ２を実施することで、これら領域Ａ１、Ａ２において、ノック強度を小さくすること、さらには、ノッキングの発生を防止しつつ、エンジントルクを高くすること、つまりは、燃費性能を高くすることができる。

前記の効果が得られるのは、ノッキングの原因となる高温・高圧の混合気が、追加噴射された燃料の噴霧であって高圧でペネトレーションの高い噴霧によって撹拌されたためである。

つまり、３０ＭＰａ以上という高圧で燃料が噴射されると、この燃料噴霧によって燃焼室６内に強い流動が生じる。この流動によって、図８に示したように燃焼室６の外周縁付近に形成されたノッキングの核となる混合気は撹拌され、ノッキングの核となる高温・高圧の混合気は周囲の混合気と混合して低温化する。また、混合気が撹拌されることで局所的に燃料濃度の高い部分（混合気の過濃部）を消滅させることができる。これにより、高温・高圧の混合気が自着火してノッキングを引き起こすことが回避される。つまり、前記撹拌によってノッキングの核を消滅することができ、ノッキングの発生を回避できる。

また、前記のように、高負荷低速領域Ａ１では、燃焼室６が高温・高圧であると低温酸化反応が生じるが、このように燃焼室６が高温・高圧であることに伴ってノッキングを引き起こす高温・高圧の混合気つまりノッキングの核は形成される。また、低温酸化反応の反応熱によって混合気の温度がさらに高められる。従って、ノッキングの核は低温酸化反応中に形成されやすい。一方、低温酸化反応が生じないあるいは低温酸化反応の時間が非常に短い高負荷高速領域Ａ２では高温酸化反応の開始に伴って燃焼室６内の温度が上昇することで、ノッキングを引き起こす高温・高圧の混合気つまりノッキングの核が形成される。これに対して、本実施形態では、低温酸化反応が生じている期間中、あるいは、高温酸化反応が生じている期間の前半に追加噴射を実施している。そのため、ノッキングの核の形成途中あるいは形成直後にこの核を撹拌することができ、効果的にノッキングの核を消滅させることができる。

そして、本実施形態では、このように追加噴射Ｑ２による撹拌の作用によってノッキングを防止している。そのため、ノッキングを防止するために燃焼室６全体の温度を低下させるべく水や過剰な燃料を燃焼室６に供給する場合に比べて、燃焼室６全体の温度低下を抑制できる。つまり、燃焼室６全体の温度を低下させてノッキングを防止する場合は、この温度低下を実現するために多くの水や燃料が必要となる。これに対して、本実施形態では、前記のように高圧の燃料噴霧によってノッキングの核となる高温・高圧の混合気を撹拌することでノッキングを防止していることから、燃焼室６全体の温度を低下させるような多量の燃料は不要であり、追加噴射する燃料の量は少なくてよい。従って、本実施形態によれば、燃焼室６全体の温度低下およびこれに伴うエンジントルクの低下を抑制しつつノッキングを防止できる。

ここで、図１２のクランク角度ＣＡ＿０は低温酸化反応が開始した時期とほぼ同じ時期である。図１２に示すように、追加噴射Ｑ２の実施時期を低温酸化反応が開始した時期ＣＡ＿０から遅角させていくと、それに伴ってエンジントルクは上昇していく。しかし、追加噴射Ｑ２の実施時期が所定時期を過ぎるとエンジントルクは低下する。

追加噴射Ｑ２の実施時期を低温酸化反応が開始した時期から遅角させていくのに伴ってエンジントルクが上昇するのは、低温酸化反応が開始してからしばらく後の方がノッキングの核が明確に形成されておりこれを効果的に消滅させることができるためである。そして、追加噴射Ｑ２の実施時期が所定時期を過ぎるとエンジントルクが低下するのは、追加噴射Ｑ２の実施時期が遅くなると高温酸化反応が生じている状態で燃料が噴射されることになるため、噴射された燃料が十分に空気と混合せず、この燃料が適切に燃焼しないためである。このことは、図１２に示すように、追加噴射Ｑ２の実施時期が遅くなるほどスモークの発生が増大していることからもわかる。

これに対して、本実施形態では、前記のように、低温酸化反応が生じている期間中、あるいは、高温酸化反応が生じている期間の前半、つまり、高温酸化反応が生じている期間の前半が終了するまでという比較的早い時期に追加噴射を実施しているため、高いエンジントルクを確保し、且つ、ノッキングを抑制しながら、スモークの増大を抑制することができる。

特に、本実施形態では、高負荷低速領域Ａ１では、低温酸化反応中あるいは低温酸化反応の直後に追加噴射を実施しており、より確実に、スモークの増大を抑制し、且つ、高いエンジントルクを確保しながら、ノッキングを抑制できる。

また、本実施形態では、高負荷高速領域Ａ２において、追加噴射Ｑ２を実施したにもかからずノッキングが生じたときには、追加噴射Ｑ２を停止して混合気の空燃比を理論空燃比よりもリーンにしている。そのため、ノッキングが連続して発生し、これによりピストン等に悪影響が及ぼされるのをより確実に防止できる。

（４）変形例
前記実施形態では、追加噴射Ｑ２において燃焼室６に噴射する流体を燃料とした場合について説明したが、この流体は燃料でなくてもよい。例えば、水や排気の一部等であってもよい。ただし、前記流体として燃料を用いれば、インジェクタ１４を利用して追加噴射を実施できる。従って、流体を噴射するための装置を別途設ける必要がなく、構造を簡素化できる。

前記実施形態では、追加噴射Ｑ２の噴射量（追加噴射によって燃焼室６に供給される燃料の量）を１サイクル中に燃焼室６に供給される燃料の総量の１０％以下とした場合について説明したが、追加噴射の噴射量は１０％より大きくしてもよい。

ただし、前記のように、追加噴射される燃料の量が多くなると、この燃料の気化に伴って燃焼室６内の温度が大幅に低下するおそれがある。また、前記のように、酸化反応が生じている混合気に多量の燃料が追加されると、この燃料と空気との混合が不十分となりスモークが生じやすい。そのため、追加噴射される燃料の量は、前記のように設定されるのが好ましい。

また、気筒の幾何学的圧縮比は、１５以上に限らない。ただし、気筒の幾何学的圧縮比が１５以上になると、ノッキングが生じやすい。そのため、このエンジンに前記の実施形態を適用すれば、効果的である。

また、前記実施形態では、高負荷低速領域Ａ１において、低温酸化反応が生じている期間あるいは低温酸化反応直後に追加噴射を実施する場合について説明したが、追加噴射は、低温酸化反応が生じている期間中あるいは高温酸化反応が生じている期間の前半に実施されればよい。従って、高負荷低速領域Ａ１においても、高温酸化反応が開始してから予め設定された所定角度後であって高温酸化反応が生じている期間の前半に含まれる時期に追加噴射が実施されてもよい。ただし、前記のように、追加噴射の時期が遅くなるとスモークの発生量が増大するので、低温酸化反応が開始した後の比較的早い時期に追加噴射が実施されるのが好ましい。

また、前記実施形態では、高負荷低速領域Ａ１において、低温酸化反応が生じるとその後ノッキングが生じると判定（予測）した場合について説明したが、高負荷低速領域Ａ１においても、高負荷高速領域Ａ２と同様に圧縮上死点付近の圧力に基づいてノッキングが生じるか否かを判定（予測）してもよい。

また、前記実施形態では、ノッキングが生じるか否かを予測し、ノッキングが生じると予測されたときに追加噴射を実施する場合について説明したが、これに代えて、実際にノッキングが発生したか否かを検出し、ノッキングが発生したときの次の燃焼サイクルで追加噴射を実施するようにしてもよい。そして、この場合には、ノックセンサ等の検出値に基づいてノッキングが発生したか否かを判定するように構成してもよい。

１ エンジン本体
２ 気筒
６ 燃焼室
１３ 点火プラグ
１４ インジェクタ（流体噴射手段）
１００ ＰＣＭ

Claims (4)

1. 燃焼室が形成された気筒を備え、ガソリンを含有する燃料と空気との混合気が前記燃焼室内で自着火する圧縮自着火燃焼が所定の条件下で実行されるエンジンの制御装置であって、
   前記燃焼室内でのノッキングの発生を予測または検出するノック判定手段と、
   前記燃焼室内に３０ＭＰａ以上の噴射圧で流体を噴射する流体噴射手段とを備え、
   前記流体噴射手段は、前記ノック判定手段によってノッキングの発生が予測または検出されると、前記燃焼室内で混合気の低温酸化反応が生じている期間中または前記燃焼室内で混合気の高温酸化反応が生じている期間の前半に、前記燃焼室内に流体を噴射する、ことを特徴とするエンジンの制御装置。
2. 請求項１に記載のエンジンの制御装置において、
   前記流体噴射手段は、
   前記燃焼室内に燃料を噴射するものであり、
   エンジントルクの生成用に燃料を噴射するメイン噴射を実施するとともに、
   前記メイン噴射の終了後、当該メイン噴射によって前記燃焼室に噴射された燃料と空気との混合気の低温酸化反応が生じている期間中または当該混合気の高温酸化反応が生じている期間の前半に、前記燃焼室内に燃料を噴射する、ことを特徴とするエンジンの制御装置。
3. 請求項２に記載のエンジンの制御装置において、
   前記低温酸化反応が生じている期間中または前記高温酸化反応が生じている期間の前半に前記燃焼室内に前記流体噴射手段から噴射される燃料の重量は、１燃焼サイクルで前記燃焼室内に供給される燃料の総重量の１０％以下である、ことを特徴とするエンジンの制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンの制御装置において、
   前記気筒の幾何学的圧縮比は１５以上に設定されている、ことを特徴とするエンジンの制御装置。