JP3988383B2

JP3988383B2 - 自己着火式エンジン及びその制御装置

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Publication number: JP3988383B2
Application number: JP2000385979A
Authority: JP
Inventors: 友則漆原; 幸大吉沢; 剛谷山; 浩一山口
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-12-19
Filing date: 2000-12-19
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2020-12-19
Also published as: US6619255B2; US20020073957A1; JP2002188486A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内の混合気を自己着火させる自己着火式エンジン及びその制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼室内の均質混合気を、ピストンによって圧縮して自己着火寸前の温度状態にするとともに、圧縮上死点付近において付加的に圧力上昇を与えることで温度をさらに上昇させ、自己着火のタイミングを制御する技術が特開平１０- １９６４２４号公報に開示されている。
【０００３】
同公報では、この圧力上昇を与えるための手法として、コントロールピストンを駆動して燃焼室容積を減少させる手法や、点火プラグを使用しての燃焼膨張による手法などが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、コントロールピストンを利用した装置は、構造自体が複雑となる。
一方、点火プラグによる場合には、次のような問題がある。
自己着火式エンジンは、燃焼室内に形成される混合気を非常に希薄なものとすることができ、もってＮＯｘの発生を抑制したり、燃費を改善することができるという利点を有するものである。従って、燃焼室内に形成される混合気の空燃比は、火炎伝播が発生しないほどに希薄に設定されることが多い。このため、単に点火プラグによる点火を行ったとしても、ごく一部の混合気しか燃焼させることができず、所望の圧力上昇を安定して与えることは難しい。
【０００５】
このような実情に鑑み、本発明は、自己着火のための付加的な圧力上昇を、簡易な構成により、かつ安定して与えることができる自己着火式エンジン及びその制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に記載の発明に係る自己着火式エンジンの制御装置は、燃焼室内にほぼ均一な混合気を形成するための第１の燃料噴射と、点火プラグの近傍に燃料を偏在させるための第２の燃料噴射とを行う燃料供給手段と、前記点火プラグ近傍の濃混合気の該点火プラグによる点火燃焼に続く、該濃混合気周囲の混合気の自己着火による燃焼速度又は燃焼時期に相関するパラメータを検出するパラメータ検出手段と、該手段によって検出されたパラメータに基づいて、前記燃料供給手段による第２の燃料噴射の量及び時期のうち、少なくとも一方を制御する制御手段と、を含んで構成される。
請求項２に記載の発明に係る自己着火式エンジンの制御装置は、前記制御手段が、前記自己着火による燃焼速度が大きいか又は燃焼時期が早いほど、前記第２の燃料噴射量を減少させることを特徴とする。
請求項３に記載の発明に係る自己着火式エンジンの制御装置は、前記制御手段が、前記自己着火による燃焼速度が大きいか又は燃焼時期が早いほど、前記第２の燃料噴射時期を遅らせることを特徴とする。
【０００７】
請求項４に記載の発明に係る自己着火式エンジンの制御装置は、前記検出されたパラメータに基づいて、前記制御手段が、前記第１の燃料噴射の量及び時期のうち、少なくとも一方を更に制御することを特徴とする。
請求項５に記載の発明に係る自己着火式エンジンの制御装置は、前記制御手段が、前記自己着火による燃焼速度が大きいか又は燃焼時期が早いほど、前記第１の燃料噴射量を減少させることを特徴とする。
請求項６に記載の発明に係る自己着火式エンジンの制御装置は、前記制御手段が、前記自己着火による燃焼速度が大きいか又は燃焼時期が早いほど、前記第１の燃料噴射時期を早めることを特徴とする。
請求項７に記載の発明に係る自己着火式エンジンの制御装置は、前記パラメータ検出手段が、筒内圧力センサ又はノックセンサを含んで構成されることを特徴とする。
【０００８】
請求項８に記載の発明に係る自己着火式エンジンの制御装置は、前記パラメータが、筒内圧力の上昇率であることを特徴とする。
請求項９に記載の発明に係る自己着火式エンジンの制御装置は、前記パラメータが、最大筒内圧力であることを特徴とする。
請求項１０に記載の発明に係る自己着火式エンジンの制御装置は、前記パラメータが、筒内圧力が最大となる時期であることを特徴とする。
【０００９】
請求項１１に記載の発明に係る自己着火式エンジンの制御装置は、前記パラメータが、筒内圧力の振動振幅であることを特徴とする。
【００１０】
請求項１２に記載の発明に係る自己着火式エンジンの制御装置は、前記制御手段が、前記検出されたパラメータに基づいて、前記点火プラグを更に制御するものであり、前記自己着火による燃焼速度が大きいか又は燃焼時期が早いほど、該点火プラグの点火時期を遅らせることを特徴とする。
【００１２】
請求項１３に記載の発明に係る自己着火式エンジンの制御装置は、前記制御手段が、前記第１及び第２の燃料噴射による合計噴射量を、機関負荷に応じた所定量に保つことを特徴とする。
請求項１４に記載の発明に係る自己着火式エンジンは、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを備え、該燃焼室内にほぼ均一な混合気を形成するための第１の燃料噴射と、前記点火プラグの近傍に燃料を偏在させるための、前記燃料噴射弁による第２の燃料噴射とを行う自己着火式エンジンであって、運転状態検出用のセンサと、該センサの出力を受ける制御装置とを備え、前記センサは、前記点火プラグ近傍の濃混合気の該点火プラグによる点火燃焼に続く、該濃混合気周囲の混合気の自己着火による燃焼速度又は燃焼時期に相関するパラメータを検出し、前記制御装置は、該センサによって検出されたパラメータに基づいて、前記第２の燃料噴射の量及び時期のうち、少なくとも一方を制御することを特徴とする。
【００１３】
請求項１５に記載の発明に係る自己着火式エンジンは、前記制御装置が、前記検出されたパラメータに基づいて、前記第１の燃料噴射の量及び時期のうち、少なくとも一方を更に制御することを特徴とする。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１，１４に記載の発明によれば、点火プラグ近傍の濃混合気の点火燃焼により、自己着火すべき混合気を安定して加圧することができ、また、この自己着火による実際の燃焼速度又は燃焼時期、すなわち自己着火による実際の燃焼状態に関する情報を燃料噴射の制御にフィードバックして、適切に加圧することができる。特に、第２の燃料噴射の量及び時期のうち、少なくとも一方の制御により、加圧作用を容易に適正化することができる。
請求項２，３に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明に関して加圧作用の適正化効果が得られる具体的な手段が提供される。
【００１５】
請求項４，１５に記載の発明によれば、第１の燃料噴射の量及び時期のうち、少なくとも一方の制御により、加圧作用を容易に適正化することができる。
請求項５，６に記載の発明によれば、請求項４に記載の発明に関して加圧作用の適正化効果が得られる具体的な手段が提供される。
請求項７に記載の発明によれば、既存のセンサによって前記パラメータを検出することができる。
請求項８に記載の発明によれば、筒内圧力の上昇率を検出することで、燃焼加振騒音を抑えることができる。
【００１６】
請求項９に記載の発明によれば、最大筒内圧力を検出することで、実際の筒内圧力を、エンジンの機械的強度から決まる最大許容筒内圧力以下に制御することができる。
請求項１０に記載の発明によれば、筒内圧力が最大となる時期を検出することで、パラメータ検出手段を圧力センサで構成した場合に、センサのドリフトや感度変化などの経時変化の悪影響を受けずに済む。
【００１７】
請求項１１に記載の発明によれば、筒内圧力の振動振幅を検出することで、燃焼室内気柱振動音を抑えることができる。
請求項１２に記載の発明によれば、ＮＯｘ排出量の増大を抑えながら加圧作用の適正化効果が得られる具体的な手段が提供される。
請求項１３に記載の発明によれば、第１及び第２の燃料噴射による合計噴射量を所定量に保つことで、軸トルクの変動を小さくすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る自己着火式エンジン（以下、単に「エンジン」という。）１の構成の概略を示した断面図である。まず、同図を参照して、エンジン１の構成について説明する。
【００１９】
エンジン１のシリンダ１１には、ピストン１３が上下動可能に挿入されており、その上面とヘッド下面との間に燃焼室１５が形成される。ヘッドの吸気ポート１７及び排気ポート１９は、それぞれエンジン１の吸気通路及び排気通路の一端を形成する。そして、吸気通路は、吸気ポート１７に設けられた吸気弁２１により、排気通路は、排気ポート１９に設けられた排気弁２３により、それぞれ開閉される。
【００２０】
ヘッドに取り付けられた燃料噴射弁３１は、噴射ノズル末端が燃焼室１５に面しており、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という。）５１の指令に応じて、燃料を燃焼室内に直接噴射する。
また、ヘッドには、ＥＣＵの指令に応じて作動する点火プラグ４１が取り付けられている。
【００２１】
エンジン１の運転状態を監視するためのセンサ類としては、筒内圧力センサ（他の実施形態によれば、ノックセンサであってもよい。）６１、クランク角度センサ６５、アクセル開度センサ６６及び冷却水温度センサ６７などが設けられている。これらのセンサの出力は、ＥＣＵ５１に入力される。
次に、エンジン１の動作について説明するが、本発明の目的の理解をより容易なものとするため、まず、燃焼室内に混合気を均一に形成した場合における自己着火燃焼についての若干の説明を、図２を参照して加える。
【００２２】
図２は、均質混合気の自己着火燃焼特性を示すものであり、同図（ａ）は、クランク角度θに対する筒内圧力Ｐの変化を、同図（ｂ）は、クランク角度θに対する燃焼による熱発生量の変化（その総量（以下「総熱発生量」という。）Ｑのθ当たりの変化率ｄＱ／ｄθにより、熱発生量を示している。すなわち、曲線で囲まれた部分の面積が総熱発生量Ｑに相当する。）を、それぞれ負荷の大きさに応じて示している。
【００２３】
自己着火式エンジンは、スロットル弁を全開にして吸入空気量を最大に保ちつつ、燃料供給量を増減することでエンジン出力を調節し、低燃費及び超希薄燃焼を可能とするものである。
ここで、負荷を高めるために燃料供給量を増すと、それに応じて総熱発生量Ｑが増大する。このとき、空燃比が低下し、燃料と空気との化学反応速度（すなわち、燃焼速度）が高まるため、燃焼期間が短縮されるとともに、熱発生開始時期が進角する。このような傾向により、均質混合気の自己着火燃焼には、次のような適用上の制約がある。
【００２４】
すなわち、総熱発生量Ｑの増大、燃焼期間の短縮及び熱発生開始時期の進角の３者の相乗作用により、負荷の増大に伴い、筒内圧力Ｐの変化特性、具体的には、筒内圧力Ｐの変化（上昇）率や、最大筒内圧力が増大する。これらの増大により、燃焼加振騒音が許容の範囲を超えたり、エンジン本体の耐久性を確保することができなくなったりするので、自己着火燃焼の適用負荷上限が制限されてしまうのである。
【００２５】
また、筒内圧力Ｐの上昇率の増大に伴い、ノッキング様の筒内気柱振動が発生し、上記燃焼加振騒音がさらに高まる場合もある。
以上の観点から、自己着火燃焼運転領域の負荷上限を高めるには、筒内圧力Ｐの上昇率や最大筒内圧力を制御して、これらを所定のレベルに抑制しつつ、燃料供給量を増大する必要がある。
【００２６】
その方法の１つとして、自己着火燃焼による熱発生時期を、負荷とは無関係に制御することが考えられる。本発明は、この方法を容易かつ的確に具現化しうる具体的手段を提供する。
そこで、エンジン１の動作の説明に移ることとする。
ここでは、図３〜６を参照する。なお、図３は、エンジン１の燃料噴射及び点火の時期を、クランク角度θに対応させて示している。図４は、前図に示された一連の動作をより簡単に理解するため、エンジン１の動作及び混合気形成の様子を、エンジン１の断面図に表している。図５は、エンジン１の燃料噴射と混合気形成との関係を模式的に示している。図６は、次に述べるエンジン１による２段燃焼の様子を表している。
【００２７】
エンジン１は、ほぼ均一な混合気（次の濃混合気との対比上、以下、これを「希薄混合気」という。）に覆われた燃焼室１５の一部に、燃料が比較的濃い混合気（以下「濃混合気」という。）を形成し、点火プラグ４１の作動によって点火燃焼する濃混合気の膨張圧縮作用により、周囲の希薄混合気を加圧し、これを自己着火点に至らしめる。本明細書では、このような点火燃焼と自己着火燃焼との結合燃焼を、「２段燃焼」という。
【００２８】
希薄混合気は、図３に示すように、吸気行程において、所定のタイミングＩＴ１から所定のパルス幅Ｐｗ１で示される時期に噴射された燃料（ガソリン）の拡散によって形成されるのが通常である（図４（ａ）及び（ｂ））。この噴射は、第１の燃料噴射に相当する。なお、第１の燃料噴射は、ピストン１３やシリンダ壁部への燃料の付着を避けるため、圧縮行程の比較的早い時期に行う場合も想定される。
【００２９】
一方、濃混合気は、先の燃料噴射後の圧縮行程において、所定のタイミングＩＴ２から所定のパルス幅Ｐｗ２で示される時期に噴射された燃料（ガソリン）によって形成される（図４（ｃ））。噴射された燃料は、ピストン１３の上昇に伴って点火プラグ４１方向へ移動し、点火プラグ４１近傍の希薄混合気に重なって、そこに濃混合気を形成する。この噴射は、第２の燃料噴射に相当する。
【００３０】
ここで述べた混合気の形成概念を、図５を参照してさらに説明する。なお、同図において、横軸は、燃焼室内での座標であり、噴射された燃料の拡散度合い、すなわち混合気の体積を示すものである。一方、縦軸は、各座標にある混合気の空燃比を示している。
図５から、第１の燃料噴射によって供給された燃料に、第２の燃料噴射によって供給された燃料が重なって、希薄混合気と濃混合気とが層状に形成されることが理解される。
【００３１】
ここで、図６をも参照して説明すると、濃混合気は、圧縮による筒内温度の上昇とは無関係に、点火プラグ４１による火花点火のタイミングによって任意の時期に燃焼させることができるものである（以下、この濃混合気の点火燃焼を、「１段目燃焼」ともいう。）。従って、濃混合気は、火花点火可能な相当の濃さを有しており、燃焼時にＮＯｘを発生し易いので、その量は、少量に抑えるのが望ましい。
【００３２】
一方、先に述べたように、濃混合気周囲の希薄混合気は、濃混合気の燃焼膨張による加圧作用によって圧縮されて自己着火するものである（以下、この希薄混合気の自己着火燃焼を、「２段目燃焼」ともいう。）。従って、１段目燃焼による加圧作用を適切に制御すれば、２段目燃焼を、圧縮上死点（ＴＤＣ）後に起こすことも可能である。圧縮上死点後は、ピストン１３が下降状態にあるので、負荷の増大に応じて燃料供給量が増加されたとしても、筒内圧力Ｐの上昇率や最大筒内圧力の増大を抑えることができる。
【００３３】
しかし、上述のように濃混合気の量を抑えるとすれば、１段目燃焼による熱発生も抑制されてしまうため、続く２段目燃焼のための希薄混合気は、ピストン１３による圧縮だけでは自己着火しない限界の濃さであることが求められる。
このような排気エミッション及び自己着火性の両立を可能とする適切な混合気形成により、小規模の１段目燃焼による熱発生で２段目燃焼を圧縮上死点後に起こすことができるので、ＮＯｘの発生を抑えつつ、筒内圧力Ｐの上昇率及び最大筒内圧力を、均質混合気による自己着火燃焼の場合に比べて抑えることができる。従って、燃料供給量が増加されたとしても、燃焼加振騒音の発生や最大筒内圧力の増大が抑えられるので、自己着火燃焼運転領域を高負荷側に拡大することができる。
【００３４】
以上に述べたように、２段目燃焼のための温度、圧力及び空燃比などは、自己着火と失火との間の微妙な環境となりがちである。このため、シリンダ壁温、吸気温度、大気圧、燃料オクタン価及び燃料供給量の誤差などにより、２段目燃焼の時期（すなわち、自己着火タイミング）は、大きく左右されることとなる。これらの要因により、２段目燃焼の時期が進み過ぎた場合には、筒内圧力Ｐの上昇率（特に、その最大値）や、最大筒内圧力が過大となり、２段目燃焼の時期が遅れ過ぎた場合には、失火や熱効率の低下を来す。
【００３５】
次に、図７に示すフローチャートを参照して、ＥＣＵ５１の動作について説明する。
ＥＣＵ５１は、このフローチャートに従って、燃料噴射弁３１と点火プラグ４１を制御するための制御パラメータを設定する。なお、ここでは、燃料噴射弁３１が燃料供給手段を、筒内圧力センサ６１及びクランク角度センサ６５がパラメータ検出手段を構成し、制御手段は、ＥＣＵ５１がソフトウェア的に備えている。
【００３６】
ＥＣＵ５１は、ステップ（以下「Ｓ」と表記する。）１で、エンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ａｃとを読み込み、続くＳ２で、これらの入力情報を基に、現在の運転状態が自己着火燃焼運転領域にあるか否かを判断する。本実施形態では、自己着火タイミングをどのように制御しても燃焼加振騒音を所定の範囲内に抑制することができない高負荷領域で火花点火燃焼を行い、それ以外の低中負荷領域で自己着火燃焼運転を行う（図８参照）。
【００３７】
Ｓ２で自己着火燃焼運転領域にあると判断された場合には、Ｓ３に進み、Ｓ１で読み込んだエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ａｃとに基づいて、自己着火燃焼運転用の制御パラメータの基本値（Ｐｗ１ｂ，ＩＴ１ｂ，Ｐｗ２ｂ，ＩＴ２ｂ，ＩｇＴｂ）を設定する。具体的には、各制御パラメータ毎に用意されている制御マップから現在のＮｅ及びＡｃに対応する値を検索することによって行う。
【００３８】
なお、Ｐｗ１ｂは第１の燃料噴射パルス幅の基本値を、ＩＴ１ｂは第１の燃料噴射開始時期の基本値を、Ｐｗ２ｂは第２の燃料噴射パルス幅の基本値を、ＩＴ２ｂは第２の燃料噴射開始時期の基本値を、ＩｇＴｂは点火時期の基本値を示している。
次に、Ｓ４で、現在の運転条件がフィードバック制御領域にあるか否かを判断する。ここでは、図８に示すように、自己着火燃焼運転領域のうち高負荷側の領域のみをフィードバック制御領域としている。これは、自己着火タイミングが適切なタイミングからずれることに基づく問題が、主として高負荷側で発生するためであり、すべての自己着火燃焼運転領域をフィードバック制御領域としないのは、ＥＣＵ５１の演算負荷を軽減するためである。
【００３９】
Ｓ４でフィードバック制御領域内であると判断された場合には、Ｓ５ヘ進み、検出パラメータＹを読み込む。この検出パラメータＹは、２段燃焼の速度又は時期に相関するパラメータであり、例えば、筒内圧力センサ６１の出力と、クランク角度センサ６５の出力とから算出した筒内圧力Ｐの最大上昇率ｄＰ／ｄθmax を使用する。このｄＰ／ｄθmax を検出パラメータＹとした場合には、自己着火燃焼運転中の燃焼加振騒音を、常に許容の範囲内に抑制することが可能となる。
【００４０】
続くＳ６では、エンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ａｃとに基づいて、検出パラメータＹの目標値であるＹtargetを設定し、Ｓ７で、次式（１）によりＹとＹtargetとの乖離量Ｚを算出する。
Ｚ＝（Ｙ−Ｙtarget）／Ｙtarget ・・・（１）
Ｓ８では、制御パラメータの基本値と、Ｓ７で算出した乖離量Ｚと、制御パラメータ毎の制御ゲインα１〜α５を使用して、次式（２）〜（６）により各制御パラメータの最終的な値（Ｐｗ１，ＩＴ１，Ｐｗ２，ＩＴ２，ＩｇＴ）を算出する。
【００４１】
Ｐｗ１＝Ｐｗ１ｂ−Ｚ×α１・・・（２）
ＩＴ１＝ＩＴ１ｂ−Ｚ×α２・・・（３）
Ｐｗ２＝Ｐｗ２ｂ−Ｚ×α３・・・（４）
ＩＴ２＝ＩＴ２ｂ−Ｚ×α４・・・（５）
ＩｇＴ＝ＩｇＴｂ−Ｚ×α５・・・（６）
なお、ここでは、５つの制御パラメータの全てに対して乖離量Ｚに基づくフィードバック制御を行うように構成しているが、これらの制御パラメータのうちいずれか１つ又は一部（点火時期のみの場合を除き、少なくとも第２の燃料噴射パルス幅又は第２の燃料噴射開始時期を含む。）の制御パラメータのみをフィードバック制御の対象としてもよい。この場合において、フィードバック制御の対象としない制御パラメータについては、基本値をそのまま最終値とすればよい。
【００４２】
また、制御パラメータを調整することによる効果は、各制御パラメータ毎に若干異なる（詳細は後述する。）ので、そのときの運転条件に合った制御パラメータを選択して調整するように構成するのが望ましい。これは、そのときの運転条件に応じて制御ゲインα１〜α５の大きさを設定することで実現することができる。
【００４３】
ところで、Ｓ４でフィードバック制御領域外であると判断された場合には、Ｓ９に進み、すべての制御パラメータについて基本値をそのまま最終値とする。
Ｓ２で自己着火燃焼運転領域にないと判断された場合には、Ｓ１０に進み、エンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ａｃに基づいて、火花点火燃焼運転用の制御パラメータを設定する。
【００４４】
以上のようにして設定された制御パラメータに基づいて、実際の燃料噴射と点火とが制御される。
なお、他の実施形態によれば、検出パラメータＹは、最大筒内圧力Ｐmax 又は筒内圧力Ｐが最大値Ｐmax となるときのクランク角度θＰmax としてもよく、また、筒内気柱振動振幅としてもよい。
【００４５】
最大筒内圧力Ｐmax とすれば、燃焼加振騒音の発生を抑えるばかりでなく、エンジン１の機械的強度から決定される最大許容筒内圧力以下に筒内圧力Ｐを抑えることができる。
筒内圧力Ｐが最大値Ｐmax となるときのクランク角度θＰmax とすれば、筒内圧力センサ６１のドリフトや感度変化などの経時変化があっても、検出パラメータＹの検出への悪影響を防ぐことができるし、また、センサの線形性などの要求性能が低くなるので、コストを削減することもできる。
【００４６】
筒内気柱振動振幅、すなわち燃焼室内気柱振動の強さを監視する場合には、聴覚的に問題となる燃焼室内気柱振動音（すなわち、ノッキング音）を抑制することができる。ノッキング音は、自己着火燃焼運転を高負荷域で行う場合に問題となる。また、筒内圧力センサに比べて廉価なノックセンサを使用することができる。
【００４７】
図９は、検出パラメータＹが増大した場合に、制御パラメータをどのように変化させるのかをまとめて示したものである。このように、制御パラメータを変化させる方向は、制御パラメータ及び検出パラメータの選択によって異なる。
最後に、以上のように制御パラメータを調整したことによる効果について、図１０及び１１を参照して説明する。
【００４８】
まず、総括的な知見として、２度の燃料噴射の条件と点火の条件とが、混合気形成及び２段燃焼にどのような影響を与えるのかについて述べる。
一般的に、形成される混合気の拡散度合い、すなわちその体積は、燃料噴射時期によって大方決定される。ここで、第２の燃料噴射を例にとれば、第２の燃料噴射時期が早いほど、その噴射された燃料は圧縮上死点までに比較的広い範囲に拡散するため、濃混合気の体積は大きくなる。逆に、第２の燃料噴射時期が遅いほど、その噴射された燃料が圧縮上死点までに拡散する半径は小さくなるため、濃混合気の体積は小さくなる。
【００４９】
従って、混合気の空燃比は、燃料噴射量及び時期の双方によって支配されることとなる。そして、濃混合気についていえば、その空燃比は、第１の燃料噴射量、第２の燃料噴射量及び第２の燃料噴射時期の３者によって大方決定されるのである。
さらに、１段目燃焼に説明を進めると、１段目燃焼の時期は、点火時期ばかりでなく、濃混合気の空燃比によっても左右される。すなわち、空燃比が低いと、点火から熱発生に至るまでの時間は短くなり、空燃比が高いと、この時間は長くなるのである。
【００５０】
また、１段目燃焼の熱発生量は、濃混合気の空燃比とその体積との積の関数となる。このように、１段目燃焼の時期及び熱発生量は、ともに２度の燃料噴射の量及び時期、ならびに点火時期に左右されるのである。そして、１段目燃焼の時期などの変化は、自己着火タイミングに影響を与え、２段目燃焼の時期を左右する。
【００５１】
ここで、図１０の説明に移ることとする。同図は、第２の燃料噴射の条件を調整したことの混合気形成に対する影響を示したものである。
図１０（ａ）は、第２の燃料噴射量を減少した場合に相当する。先の知見に基づけば、燃料噴射パルス幅Ｐｗ２を短縮し、濃混合気をリーンにすることで、１段目燃焼の時期を遅らせ及びその熱発生量を減少することができる。
【００５２】
この形態によれば、自己着火タイミングを速やかに適正化することができるため、２段目燃焼の改善に対して大きな効果が得られる。
一方で、燃料噴射パルス幅Ｐｗ２が延長される場合には、燃料供給量が増加されるので、ＮＯｘや煤の排出量が増大する可能性がある。
図１０（ｂ）は、第２の燃料噴射時期を遅らせた場合に相当する。先の知見に基づけば、燃料噴射開始時期ＩＴ２を遅角することでも、濃混合気の空燃比や体積を変化させることができるので、結果として、自己着火タイミングの適正化を図ることができる。ここで、第２の燃焼噴射量を一定とすれば、ＮＯｘ排出量をそれほど変化させずに済むが、同時に、１段目燃焼による熱発生量の変化も少なくなる。
【００５３】
図１１は、第１の燃料噴射の条件を調整したことの混合気形成に対する影響を示したものである。
図１１（ａ）は、第１の燃料噴射量を減少した場合に相当する。先の知見に基づけば、燃料噴射パルス幅Ｐｗ１を短縮することでも、濃混合気をリーンにすることができるため、自己着火タイミングの適正化を図ることができる。
【００５４】
この形態では、フィードバック制御によって第１の燃料噴射量が増減されることによる混合気の空燃比変動が比較的に小さく、混合気の成層度合いを概ね維持することができる。このため、ＮＯｘ排出量の増大が抑えられる。また、燃料供給量の大部分が第１の燃料噴射によって供給されることから、負荷があまり変化しない運転条件での適用が望ましい。
【００５５】
図１１（ｂ）は、第１の燃料噴射時期を進めた場合に相当する。燃料噴射開始時期ＩＴ２を進角することで、図示のように、希薄混合気の分布範囲が拡がり、濃混合気をリーンにすることができる。
この形態によれば、燃焼室内に局所的に過濃な混合気が形成されにくいので、フィードバック制御中にＮＯｘ排出量が偶発的に増大するのを防ぐことができる。しかし、濃混合気の空燃比のフィードバック制御による変化量は小さい。
【００５６】
また、以上の燃料噴射の量及び時期の制御に加えて、点火時期ＩｇＴを遅らせる場合には、混合気形成自体には何ら影響を及ぼさないため、ＮＯｘ排出量の増大を抑えることができる。また、１段目燃焼の時期が直接的に変化されるため、自己着火タイミングの適正化に対する効果も大きく、高い燃焼安定性を得ることができる。
なお、点火時期ＩｇＴを調整する場合には、これに併せて、第２の燃料噴射時期を調整すると、点火の安定性を保ち易い。
【００５７】
さらに、第１の燃料噴射量（すなわち、噴射パルス幅Ｐｗ１）と、第２の燃料噴射量（すなわち、噴射パルス幅Ｐｗ２）との合計噴射量（＝Ｐｗ１＋Ｐｗ２）を、機関負荷に応じた所定量に保つことで、定常運転時にフィードバック制御を行う場合に、軸トルクの変動を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る自己着火式エンジンの構成を示す断面図
【図２】均質混合気による自己着火燃焼の特性
【図３】本発明の一実施形態に係る自己着火式エンジンにおける燃焼噴射及び点火時期を示す図
【図４】同上エンジンの動作の概略図
【図５】同上エンジンによる燃料噴射と混合気形成との関係を示す図
【図６】同上エンジンによる２段燃焼の概念図
【図７】同上エンジンのＥＣＵによる制御内容を示すフローチャート
【図８】同上制御において参照される制御形態切換用マップの一例
【図９】筒内圧力検出項目Ｙに応じた制御対象Ｘの変化方向を示す図
【図１０】第１の燃料噴射をフィードバック制御することの混合気形成に対する効果を示す図
【図１１】第２の燃料噴射をフィードバック制御することの混合気形成に対する効果を示す図
【符号の説明】
１…エンジン
１１…シリンダ
１３…ピストン
１５…燃焼室
１７…吸気ポート
１９…排気ポート
２１…吸気弁
２３…排気弁
３１…燃料噴射弁
４１…点火プラグ
５１…ＥＣＵ
６１…筒内圧力センサ（ノックセンサ）
６５…クランク角度センサ
６６…アクセル開度センサ
６７…冷却水温度センサ

Claims

燃焼室内にほぼ均一な混合気を形成するための第１の燃料噴射と、点火プラグの近傍に燃料を偏在させるための第２の燃料噴射とを行う燃料供給手段と、
前記点火プラグ近傍の濃混合気の該点火プラグによる点火燃焼に続く、該濃混合気周囲の混合気の自己着火による燃焼速度又は燃焼時期に相関するパラメータを検出するパラメータ検出手段と、
該手段によって検出されたパラメータに基づいて、前記燃料供給手段による第２の燃料噴射の量及び時期のうち、少なくとも一方を制御する制御手段と、を含んで構成される自己着火式エンジンの制御装置。
前記制御手段は、前記自己着火による燃焼速度が大きいか又は燃焼時期が早いほど、前記第２の燃料噴射量を減少させることを特徴とする請求項１に記載の自己着火式エンジンの制御装置。
前記制御手段は、前記自己着火による燃焼速度が大きいか又は燃焼時期が早いほど、前記第２の燃料噴射時期を遅らせることを特徴とする請求項１又は２に記載の自己着火式エンジンの制御装置。
前記制御手段は、前記検出されたパラメータに基づいて、前記第１の燃料噴射の量及び時期のうち、少なくとも一方を更に制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の自己着火式エンジンの制御装置。
前記制御手段は、前記自己着火による燃焼速度が大きいか又は燃焼時期が早いほど、前記第１の燃料噴射量を減少させることを特徴とする請求項４に記載の自己着火式エンジンの制御装置。
前記制御手段は、前記自己着火による燃焼速度が大きいか又は燃焼時期が早いほど、前記第１の燃料噴射時期を早めることを特徴とする請求項４又は５に記載の自己着火式エンジンの制御装置。
前記パラメータ検出手段は、筒内圧力センサ又はノックセンサを含んで構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の自己着火式エンジンの制御装置。
前記パラメータは、筒内圧力の上昇率であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の自己着火式エンジンの制御装置。
前記パラメータは、最大筒内圧力であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の自己着火式エンジンの制御装置。
前記パラメータは、筒内圧力が最大となる時期であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の自己着火式エンジンの制御装置。
前記パラメータは、筒内圧力の振動振幅であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の自己着火式エンジンの制御装置。
前記制御手段は、前記検出されたパラメータに基づいて、前記点火プラグを更に制御するものであり、前記自己着火による燃焼速度が大きいか又は燃焼時期が早いほど、該点火プラグの点火時期を遅らせることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の自己着火式エンジンの制御装置。
前記制御手段は、前記第１及び第２の燃料噴射による合計噴射量を、機関負荷に応じた所定量に保つことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の自己着火式エンジンの制御装置。
燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを備え、該燃焼室内にほぼ均一な混合気を形成するための第１の燃料噴射と、前記点火プラグの近傍に燃料を偏在させるための、前記燃料噴射弁による第２の燃料噴射とを行う自己着火式エンジンであって、
運転状態検出用のセンサと、該センサの出力を受ける制御装置とを備え、
前記センサは、前記点火プラグ近傍の濃混合気の該点火プラグによる点火燃焼に続く、該濃混合気周囲の混合気の自己着火による燃焼速度又は燃焼時期に相関するパラメータを検出し、
前記制御装置は、該センサによって検出されたパラメータに基づいて、前記第２の燃料噴射の量及び時期のうち、少なくとも一方を制御することを特徴とする自己着火式エンジン。
前記制御装置は、前記検出されたパラメータに基づいて、前記第１の燃料噴射の量及び時期のうち、少なくとも一方を更に制御することを特徴とする請求項１４に記載の自己着火式エンジン。