JP4325505B2

JP4325505B2 - 圧縮着火内燃機関の燃焼制御システム

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Publication number: JP4325505B2
Application number: JP2004234686A
Authority: JP
Inventors: 崇小山; 清藤原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-08-11
Filing date: 2004-08-11
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2024-08-11
Also published as: JP2006052676A

Description

本発明は、いわゆる予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関の燃焼状態を制御する燃焼制御システムに関する。

圧縮着火内燃機関において、ＮＯｘの抑制とスモークの抑制を目的として予混合燃焼をより広い燃焼領域で実行可能とするためには、予混合気の過早着火を抑制する必要がある。そこで、圧縮着火内燃機関から排出された排気の一部を吸気系に再循環させて、気筒内の燃焼温度の低下が図られる。更には、予混合燃焼時の過早着火を抑制するために、吸気弁および排気弁の開弁時期を可変制御として、圧縮着火内燃機関の実圧縮比を調整するとともに予混合燃焼によって生じた燃焼ガスであって燃焼室内に残留する燃焼ガス量を調整する技術が公開されている。（例えば、特許文献１を参照。）。

また、予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関において、排気中のＮＯｘ濃度が目標となるＮＯｘ濃度になるように再循環排気（以下、「ＥＧＲガス」という。）の量を調整して過早着火を抑制する技術が公開されている（例えば、特許文献２を参照。）。
特開２０００−１２０４５７号公報特開２００１−１５２８５３号公報特開平６−２４８９５０号公報特開平１０−２５２５７０号公報特開２０００−８９６６号公報特開２０００−２６５８６７号公報

圧縮着火内燃機関において、より広い燃焼領域で予混合燃焼を可能とし予混合気の過早着火を抑制するためには、比較的大量のＥＧＲガスが要求される。一方で、ＥＧＲガス量が過度に多くなると、予混合燃焼において失火が生じる。

このようにＥＧＲガスによって予混合燃焼時における着火時期が制御されるが、ＥＧＲガスに含まれ、過早着火の抑制に特に有効に作用する排気中の二酸化炭素や水等の三原子分子の含有比率は、圧縮着火内燃機関の運転状態に応じて変動するため、常に同量のＥＧＲガスもしくは吸気量に対して同ＥＧＲ率となるＥＧＲガスを気筒内に供給しても、予混合気の着火時期が安定せず、場合によって過早着火や失火の虞がある。

本発明では、上記した問題に鑑み、予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関において、その運転状態にかかわらず、より適したＥＧＲガスの供給を行うことで予混合燃焼時の着火時期をより確実に目標の時期とする燃焼制御システムの提供を目的とする。

本発明は、上記した課題を解決するために、予混合燃焼時の予混合気を主に形成する吸気の比熱比に着目した。これは、予混合燃焼が行われている圧縮着火内燃機関においては、原理的に断熱圧縮に従って予混合気の温度が上昇し、該予混合気を主に形成する吸気の比熱比が、圧縮された予混合気の温度に大きく寄与するからである。

そこで、本発明は、圧縮着火内燃機関の燃料を気筒内に噴射する燃料噴射弁と、前記圧縮着火内燃機関から排出される排気の一部を吸気系に再循環するＥＧＲ装置と、を備え、
前記燃料噴射弁の燃料噴射条件を制御して圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期の燃料噴射によって予混合気を形成するとともに、前記ＥＧＲ装置によって再循環される排気量を制御することで、予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関の燃焼制御システムであって、前記圧縮着火内燃機関において予混合燃焼が行われているときの運転状態に基づいて、該予混合燃焼時に気筒内に吸入される吸気の目標比熱比を算出する目標比熱比算出手段と、前記圧縮着火内燃機関において予混合燃焼が行われているときに気筒内に吸入される吸気の実際の比熱比を検出または推定する実比熱比検出手段と、前記実比熱比検出手段によって検出または推定される吸気の実際の比熱比が前記目標比熱比算出手段によって算出される前記目標比熱比になるべく、前記ＥＧＲ装置によって再循環されるＥＧＲガス量を制御する比熱比制御手段と、を備える。

上記の圧縮着火内燃機関において予混合燃焼を行う場合は、燃料噴射を圧縮行程上死点近傍の時期、即ち拡散燃焼時の燃料噴射時期より早い時期に行うことで、吸気と燃料がより混合された予混合気を形成する。これによって、ＮＯｘやスモークの抑制を図る。

上述したように、予混合燃焼が行われている圧縮着火内燃機関においては、原理的に断熱圧縮に従って予混合気の温度が上昇する。従って、圧縮される予混合気の比熱比を制御すれば、該予混合気の温度を介して予混合気の着火時期を制御することが可能となる。

ここで、予混合燃焼時の予混合気は、主に圧縮着火内燃機関の吸気系から導入される新気（外気）と、ＥＧＲ装置から導入されるＥＧＲガスと、燃料噴射弁から噴射される燃料とから構成される。ここで、燃料噴射弁からの噴射される燃料の分子数は、予混合気を構成する分子数に対して極めて少ない。そのため、該燃料の分子数による予混合気の比熱比への影響は無視できるほど小さく、その結果、予混合気の比熱比は、主に新気とＥＧＲガスから構成される吸気の比熱比と同一視することが可能となる。

そこで、目標比熱比算出手段によって圧縮着火内燃機関の運転状態に応じた吸気の比熱比を算出する。即ち、予混合気の過早着火をより確実に抑制し目標とする時期に予混合気の着火を行うことが可能となる予混合気の比熱比、換言すると吸気の比熱比が、目標比熱比算出手段によって算出される。

それとともに、圧縮着火内燃機関における予混合燃焼時の実際の吸気の比熱比を実比熱比検出手段によって検出又は推定する。そして、この目標比熱比算出手段による目標比熱比と、この実比熱比検出手段による実際の比熱比とに差があることは、予混合燃焼時に予混合気を目標とする着火時期に着火させることが困難となり、過早着火や失火が生じる虞があることを意味する。

そこで、目標比熱比算出手段による目標比熱比と実比熱比検出手段による実際の比熱比とに差がある場合は、比熱比制御手段によってＥＧＲガス量を制御して、両比熱比の差を解消させる。これにより、予混合燃焼時の予混合気を目標とする着火時期に、より確実に着火させることが可能となり、換言すると、圧縮着火内燃機関の運転状態にかかわらずより適したＥＧＲガスの供給を行うことで過早着火の抑制が可能となる。

ここで、上記の圧縮着火内燃機関の燃焼制御システムにおいて、前記目標比熱比および前記実際の比熱比は、それぞれ気筒内に吸入される吸気の二酸化炭素濃度に関連づけられてもよい。吸気の比熱比に大きく寄与するのは、吸気に含まれる三原子分子である二酸化炭素と水である。ここで、吸気中の水の多くを占め得るＥＧＲガス中の水は、ＥＧＲ装置によって圧縮着火内燃機関の吸気系に再循環される途中で凝結し、液体となる。そのため、実際に吸気を占める二酸化炭素と水の分子数の比率は、二酸化炭素の方が非常に高くなる。そこで、吸気の比熱比は、吸気中に含まれる二酸化炭素濃度によって支配的に決定さ
れことになるため、この吸気の二酸化炭素濃度を吸気の比熱比と関連づけて、吸気の二酸化炭素濃度を制御することで吸気の比熱比を制御することが可能となる。尚、ここでいう濃度とは分子数に関連する濃度であって、例えばいわゆるモル濃度が挙げられる。

また、前記実際の比熱比に関連づけられた吸気の二酸化炭素濃度は、該吸気の酸素濃度を検出する酸素濃度センサの検出信号に基づいて算出されるようにしてもよい。圧縮着火内燃機関の燃料は、主として炭素と水素から構成される。そこで、予混合燃焼によって生じるのは基本的に二酸化炭素、水、窒素酸化物等の既知の分子化合物である。従って、吸気に含まれる酸素（新気中の酸素とＥＧＲガスに残存する酸素）の濃度と、吸気に含まれる二酸化炭素（新気中の二酸化炭素とＥＧＲガスに含有される二酸化炭素）の濃度の比率は、圧縮着火内燃機関の運転状態等に応じて一義的に決定され得る。

そこで、一般に広く利用されている酸素濃度を検出する酸素濃度センサの検出信号を利用して、新たに二酸化炭素濃度を検出するためのセンサ等を新設することなく、吸気中の二酸化炭素濃度を算出することが可能となる。

ここで、上述の圧縮着火内燃機関の燃焼制御システムにおいて、前記実際の比熱比に関連づけられた吸気の二酸化炭素濃度が前記目標比熱比に関連づけられた吸気の二酸化炭素濃度より低い場合に、前記ＥＧＲ装置によって再循環されるＥＧＲガス中の二酸化炭素濃度を上昇させる二酸化炭素濃度上昇手段を、更に備えるようにしてもよい。

圧縮着火内燃機関の運転状態によっては、例えばいわゆるリーンバーン燃焼を行っている時等は、排気に含まれる二酸化炭素の濃度が極めて低い場合がある。このような場合には、比熱比制御手段によってＥＧＲ装置を介して再循環されるＥＧＲガス量を制御しても、気筒内に吸入される吸気の実際の比熱比と目標比熱比との差を解消させることが困難となる場合がある。

そこで、このような場合を含め、実際の比熱比に関連づけられた吸気の二酸化炭素濃度が目標比熱比に関連づけられた吸気の二酸化炭素濃度より低い場合、二酸化炭素濃度上昇手段によって、圧縮着火内燃機関の運転状態にかかわらずＥＧＲガス中の二酸化炭素濃度を上昇させる。これにより、圧縮着火内燃機関の運転状態にかかわらず、予混合気の着火時期を制御して過早着火を抑制し得る。換言すると、圧縮着火内燃機関の運転状態に影響を与えることなく、予混合気の着火時期を制御して過早着火を抑制し得る。

ここで、上記の圧縮着火内燃機関の燃焼制御システムにおいて、排気中の燃料成分を酸化する酸化機能を有する酸化触媒を、前記ＥＧＲ装置の上流側の排気通路または該ＥＧＲ装置中に、更に備えるとき、前記二酸化炭素濃度上昇手段は、前記実際の比熱比に関連づけられた吸気の二酸化炭素濃度が前記目標比熱比に関連づけられた吸気の二酸化炭素濃度より低い場合に、前記燃料噴射弁から燃料を前記圧縮着火内燃機関の出力トルクに実質的に寄与しないタイミングで噴射し又は排気中の未燃成分量が増加すべく該燃料噴射弁から燃料噴射し、該燃料を前記酸化触媒の酸化機能で酸化することで、前記ＥＧＲ装置によって再循環されるＥＧＲガス中の二酸化炭素濃度を上昇させるようにしてもよい。

即ち、圧縮着火内燃機関の機関出力に反映しないタイミングで燃料を噴射し、該燃料が酸化触媒によって酸化されて生じる二酸化炭素を、ＥＧＲガスを介して吸気中に混入させることで、圧縮着火内燃機関の運転状態にかかわらず吸気の比熱比を制御することが可能となる。また、上記のタイミングにおける燃料噴射以外の燃料噴射で排気中の燃料の未燃成分を増加させて、その排気中の燃料成分を酸化触媒で酸化することで二酸化炭素をＥＧＲガスを介して吸気中に混入させ、以て圧縮着火内燃機関の運転状態にかかわらず吸気の比熱比を制御することが可能となる。尚、酸化触媒の配置は、排気中の燃料成分を酸化し
得る場所であって、且つ燃料を酸化することで生じた二酸化炭素がＥＧＲ装置によって再循環され得る場所であればよく、換言すると、ＥＧＲ装置の上流側の排気通路またはＥＧＲ装置中の排気が通過する通路に酸化触媒を設ければよい。

また、上記の圧縮着火内燃機関の燃焼制御システムにおいて、前記二酸化炭素濃度上昇手段は、前記実際の比熱比に関連づけられた吸気の二酸化炭素濃度が前記目標比熱比に関連づけられた吸気の二酸化炭素濃度より低い場合に、前記燃料噴射弁からの燃料噴射条件を調整し排気空燃比をリッチ状態とすることで、前記ＥＧＲ装置によって再循環されるＥＧＲガス中の二酸化炭素濃度を上昇させてもよい。即ち、燃料噴射弁からの燃料噴射条件である燃料噴射量や燃料噴射時期を調整することで、排気中の酸素濃度を変更することが可能となる。その結果、ＥＧＲガスを介して吸気中に混入される排気中の二酸化炭素濃度を調整でき、以て圧縮着火内燃機関の運転状態にかかわらず吸気の比熱比を制御することが可能となる。

また、上記の圧縮着火内燃機関の燃焼制御システムにおいて、排気中の燃料成分を酸化する酸化機能を有する酸化触媒と、前記酸化触媒に流入する排気中に燃料を供給する燃料供給手段と、を更に備えるとき、前記二酸化炭素濃度上昇手段は、前記実際の比熱比に関連づけられた吸気の二酸化炭素濃度が前記目標比熱比に関連づけられた吸気の二酸化炭素濃度より低い場合に、前記燃料供給手段によって排気中に燃料を供給し該燃料を前記酸化触媒の酸化機能で酸化することで前記ＥＧＲ装置によって再循環されるＥＧＲガス中の二酸化炭素濃度を上昇させるようにしてもよい。

即ち、燃料供給手段によって燃料供給が行われ、該燃料が酸化触媒によって酸化されて生じる二酸化炭素を、ＥＧＲガスを介して吸気中に混入させることで、圧縮着火内燃機関の運転状態にかかわらず吸気の比熱比を制御することが可能となる。尚、酸化触媒の配置については、上述の通りである。

ここで、上述までの圧縮着火内燃機関の燃焼制御システムにおいて、予混合燃焼が行われているときに気筒内に吸入される吸気の温度を検出または推定する吸気温度検出手段を更に備える場合、前記吸気温度検出手段によって検出または推定される吸気温度に基づいて、前記目標比熱比に関連づけられた吸気の二酸化炭素濃度を補正してもよい。

圧縮着火内燃機関において吸気の圧縮を行う際、圧縮時の予混合気の温度を決定する要因の一つに吸気温度が挙げられる。例えば、吸気温度が高くなるほど吸気の有する熱エネルギーが大きくなるため、圧縮時の予混合気の温度が高くなり、過早着火が生じやすい状態となる。逆に、吸気温度が低くなるほど失火する可能性が高くなる。そこで、吸気温度検出手段によって検出又は推定された吸気温度に基づいて、目標比熱比に関連づけられた吸気の二酸化炭素濃度を補正することで、予混合燃焼時の着火時期をより確かに目標とする着火時期とすることが可能となる。

予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関において、その運転状態にかかわらず、より適したＥＧＲガスの供給を行うことで予混合燃焼時の着火時期をより確実に目標の時期とすることが可能となる。

ここで、本発明に係る圧縮着火内燃機関の燃焼制御システム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内燃機関（以下、単に「内燃機関」という。）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。内燃機関１は、４つの気筒２を有する圧縮着火式内燃機関である。また、気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。燃料噴射弁３は、所定圧に加圧された燃料を貯留する蓄圧室４と接続されている。内燃機関１には吸気枝管７が接続されており、吸気枝管７の各枝管は、吸気ポートを介して燃焼室に接続される。同様に、内燃機関１には排気枝管１２が接続され、排気枝管１２の各枝管は排気ポートを介して燃焼室に接続される。ここで、吸気ポートおよび排気ポートには、各々吸気弁および排気弁が設けられている。

また、吸気枝管７は吸気管８に接続されている。更に、吸気管８における吸気枝管７の直上流に位置する部位には、吸気管８内を流れる吸気の流量を調節する吸気絞り弁１０が、更に吸気絞り弁１０の上流側には、吸気管８を流れる吸入空気量を検出するエアフローメータ９が設けられている。この吸気絞り弁１０には、ステップモータ等で構成されて該吸気絞り弁１０を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１１が取り付けられている。

一方、内燃機関１には、ＥＧＲ装置２１が設けられている。ＥＧＲ装置２１は排気枝管１２を流れる排気の一部を吸気枝管７へ再循環させる。ＥＧＲ装置２１は、排気枝管１２（上流側）から吸気枝管７（下流側）へ延出しているＥＧＲ通路２２と、ＥＧＲ通路２２上に上流側から順に設けられたクーラ前触媒２５と、ＥＧＲガス冷却用のＥＧＲクーラ２３と、ＥＧＲガスの流量調整用のＥＧＲ弁２４と、から構成される。クーラ前触媒２５は、ＥＧＲガス中に含まれる未燃成分等の物質を酸化する酸化機能を有している。また、ＥＧＲ通路２２と排気枝管１２が繋がる部位より上流側の排気枝管１２に、燃料を排気中に添加する燃料添加弁１９が設けられている。燃料添加弁１９によって排気中に添加された燃料の一部はＥＧＲ装置２１に流れ込み、残りは排気管１２に流れ込む。

また、エアフローメータ９と吸気絞り弁１０との間に位置する吸気管８には、排気のエネルギーを駆動源として作動する過給機１６のコンプレッサ側が設けられ、排気枝管１２には過給機１６のタービン側が設けられている。過給機１６はいわゆる可変容量型過給機であって、その内部に可動式のノズルベーンを有し、該ノズルベーンの開度を調整することで、過給機１６による過給圧が制御される。過給機１６より下流の吸気管８には、過給機１６によって加圧されて高温となった吸入空気を冷却するためのインタークーラ１５が設けられている。また、過給機１６のタービン側は、排気管１３と接続され、この排気管１３は、下流にてマフラーに接続されている。そして、排気管１３の途中には、内燃機関１からの排気を浄化する排気浄化触媒１４が設けられている。更に、排気浄化触媒１４の下流側の排気管１３には、排気管１３内を流れる排気の流量を調節する排気絞り弁１７が設けられている。この排気絞り弁１７には、ステップモータ等で構成されて該排気絞り弁１７を開閉駆動する排気絞り用アクチュエータ１８が取り付けられている。

また、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）２０が併設されている。このＥＣＵ２０は、ＣＰＵの他、後述する各種のプログラム及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。

ここで、燃料噴射弁３は、ＥＣＵ２０からの制御信号によって開閉動作を行う。即ち、ＥＣＵ２０からの指令によって、燃料噴射弁３からの燃料噴射時期および燃料噴射量が、内燃機関１の機関負荷や機関回転速度等の運転状態に応じて、噴射弁毎に制御され、以て内燃機関１において予混合燃焼や、拡散燃焼が行われる。内燃機関１で行われる燃焼制御につては、後述する。また、ＥＧＲ弁２４、アクチュエータ１１、１８、過給機１６ａのノズルベーンの開度、燃料添加弁１９の開閉等も、ＥＣＵ２０からの指令に従って制御される。

更に、アクセル開度センサ３１がＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ＥＣＵ２０はアクセル開度に応じた信号を受け取り、それより内燃機関１に要求される機関負荷等を算出する。また、クランクポジションセンサ３０がＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ＥＣＵ２０は内燃機関１の出力軸の回転角に応じた信号を受け取り、内燃機関１の機関回転速度や、該機関回転速度とギア比等から内燃機関１が搭載されている車両の車両速度等を算出する。

更に、エアフローメータ９がＥＣＵ２０と電気的に接続され、吸気管８を流れる吸入空気量をＥＣＵ２０が取得する。また、吸気枝管７内の吸気の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ３２と該吸気の温度を検出する吸気温度センサ３３が設けられており、ＥＣＵ２０と電気的に接続されることで、ＥＣＵ２０は吸気の酸素濃度および吸気温度を取得する。

ここで、上記の内燃機関１においては、機関回転速度および機関負荷で表される内燃機関１の運転状態に基づいて、予混合燃焼と拡散燃焼とが選択的に実行される。図２に、内燃機関１の運転状態の属する燃焼領域と内燃機関１で行われる燃焼との関係を示す。尚、図２に示すグラフの横軸は内燃機関１の機関回転速度で、縦軸は内燃機関１の機関負荷を表す。ここで、内燃機関１の運転状態は機関回転速度と機関負荷とで表され、低負荷側の予混合燃焼領域Ｒ１、高負荷側の拡散燃焼領域Ｒ２の何れかの燃焼領域に属する。

内燃機関１の機関負荷が大きくなり燃焼室に供給される燃料量が増大すると、又は機関回転速度が高くなり燃焼室内に予混合気を形成する実質的な時間が短くなると、燃焼室に形成される予混合気が均一とならず、過早着火が生じやすくなる。そこで、内燃機関１の運転状態が、過早着火を回避し得る予混合燃焼領域Ｒ１に属するときは予混合燃焼を行うことで、エミッションの改善を図る。また、内燃機関１が、過早着火の回避が困難となる拡散燃焼領域Ｒ２に属するときは予混合燃焼ではなく、拡散燃焼を行うことで高機関出力の発揮を図る。

上述したように、内燃機関１の運転状態が属する燃焼領域に応じて、予混合燃焼又は拡散燃焼が行われるが、予混合燃焼時には、燃料噴射時期が圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期において燃料噴射弁３から燃料が噴射されることで、気筒２内に予混合気が形成される。そして、予混合燃焼時の過早着火を抑制するために、内燃機関１の運転状態が予混合燃焼領域Ｒ１に属すると、ＥＣＵ２０によってＥＧＲ弁２４の開度が、内燃機関１の運転状態が拡散燃焼領域Ｒ２に属する場合よりも開き側に制御され、より多くのＥＧＲガスが吸気枝管７を経て気筒２内に供給される。即ち、予混合燃焼と拡散燃焼が行われるときとでは、ＥＧＲ弁２４の開度は、それぞれの燃焼に適した開度に制御される。

更に、内燃機関１において予混合燃焼が行われるときは、比較的多量のＥＧＲガスとともに酸素を確保するために、比較的高い過給圧が要求される。そこで、予混合燃焼時には、拡散燃焼時と比べてより高い過給圧が生じるべく過給機１６のノズルベーンの開度が制御される。

このように構成される内燃機関１において予混合燃焼が行われるとき、即ち、内燃機関１の運転状態が燃焼領域Ｒ１に属しているとき、予混合気の着火時期が適正な着火時期とならないと、過早着火の虞や失火の虞がある。ここで、内燃機関１での燃焼では、気筒２内の予混合気に対して断熱圧縮が行われることで、該予混合気が着火される。断熱圧縮時の、気筒２内の予混合気の温度と体積の関係は、以下の式（１）の関係を満たす。
Ｔ×Ｖ^κ−１＝Ｃ・・・式（１）
尚、Ｔは予混合気温度を、Ｖは予混合気体積を、κは予混合気の比熱比を、Ｃは定数を意味する。

ここで、図３に、断熱圧縮時の予混合気温度の推移（図３（ａ）に示す）と、予混合気体積の推移（図３（ｂ）に示す）とを示す。図３に示すように、断熱圧縮開始時Ｔｓの予混合気温度はＴＩＣ、予混合気体積はＶＩＣであり、クランクアングルの進行とともに予混合気体積は圧縮され、予混合気温度は上昇する。そして、予混合気温度が着火温度Ｔｉｇに到達したとき（図３中のＴｂで示される時期）、予混合気が着火し予混合気温度が急激に上昇する。この着火時期Ｔｂにおける予混合気体積はＶｉｇである。尚、図３（ａ）において、点線で示すのは気筒２内に燃料が噴射されなかったときの気筒２内の吸気温度の推移である。

式（１）から明らかなように、断熱圧縮時においては、予混合気の着火時期を決定づける予混合気温度Ｔは、断熱圧縮時の気筒２内の圧力に関係なく、予混合気の比熱比κと予混合気体積Ｖとの関係によって決められる。従って、予混合気温度ＴがＴｉｇとなる予混合気の着火時期Ｔｂは、そのときの予混合気体積Ｖｉｇと予混合気の比熱比κによって決定される。ここで、予混合気体積Ｖｉｇはクランクアングルから決定されるため、適正な予混合気の着火時期となる予混合気体積Ｖｉｇは一義的に決定されるため、結果的に、着火時期Ｔｂは予混合気の比熱比κによって決定される。

即ち、予混合気の比熱比κを一定に制御すれば、内燃機関１の運転状態にかかわらず予混合燃焼時の着火時期を目標とする適正な時期に制御することが可能となり、以て過早着火や失火を回避することが可能となる。

ここで、予混合気の比熱比は、該予混合気に含まれる分子の分子数の割合であり、各分子のいわゆるモル濃度によって決定される。また、予混合気中には燃料噴射弁３から噴射された燃料分子も含まれるが、その他の二酸化炭素や窒素分子等とくらべてモル濃度が極めて低いため、予混合気の比熱比を考慮するに際してはその存在を無視することが可能である。即ち、予混合気の比熱比を吸気の比熱比と同一視することが可能であり、そこで吸気の比熱比もκで表す。

また、吸気は、主に吸気管８を経由した新気であって、主に酸素と窒素で構成される新気と、ＥＧＲ装置２１を経由したＥＧＲガスであって、主に二酸化炭素と水で構成されるＥＧＲガスが混合されたものである。そこで、吸気の比熱比κを制御するためには、吸気に混合されるＥＧＲガス量を制御すればよい。しかし、ＥＧＲガスはＥＧＲクーラ２３によって冷却されるため、ＥＧＲガス中の水は液体となり、二酸化炭素に比べて気体としてＥＧＲガス中に含まれる水のモル濃度は低くなる。従って、吸気の比熱比κは、ＥＧＲガスを含む吸気中の二酸化炭素のモル濃度に着目して制御することが可能となる。例えば、吸気中の二酸化炭素のモル濃度を高くすることで、吸気の比熱比κを小さくすることが可能となる。

そこで、内燃機関１においては、吸気中の二酸化炭素のモル濃度を介して吸気の比熱比κを制御することで、予混合気の着火時期を制御する着火時期制御が実行される。その着火時期制御について、図４に基づいて説明する。尚、本実施例における着火時期制御は、ＥＣＵ２０によって一定のサイクルで繰り返し実行されるルーチンである。

Ｓ１０１では、内燃機関１の機関回転速度と機関負荷で表される運転状態が、予混合燃焼領域Ｒ１に属しているか否かが判定される。該運転状態が予混合燃焼領域Ｒ１に属していると判定されるとＳ１０２へ進み、該運転状態が予混合燃焼領域Ｒ１に属していないと判定されると本制御を終了する。

Ｓ１０２では、目標二酸化炭素濃度ＤＣ０が算出される。この目標二酸化炭素濃度ＤＣ
０は、予混合燃焼時に予混合気の着火時期が適正時期となるための比熱比κに対応する吸気中の二酸化炭素のモル濃度である。具体的には、図５に示すマップに従って、内燃機関１の機関回転速度と、燃料噴射弁３からの燃料噴射量をパラメータとして、目標二酸化炭素濃度ＤＣ０が算出される。図５は、マップに格納された目標二酸化炭素濃度ＤＣ０の傾向を等高線状に示すものであって、その数値の傾向は機関回転速度が高くなるに従い且つ燃料噴射量が増えるに従い、目標二酸化炭素濃度ＤＣ０は高くなり、吸気の比熱比κは小さくなる。Ｓ１０２の処理が終了すると、Ｓ１０３へ進む。

Ｓ１０３では、吸気の実際の二酸化炭素濃度ＤＣを、酸素濃度センサ３２からの信号に基づいて推定する。新気中の酸素のモル濃度は概ね一定である。そして、その酸素が燃焼に供されて燃料噴射弁３からの噴射燃料が酸化され、その結果二酸化炭素と水が生成される。このうち水については、上述したようにＥＧＲクーラ２３の冷却によってＥＧＲガス中に含まれる量は極めて小さくなる。また、新気とＥＧＲガスとの混合率は、エアフローメータ９からの検出信号とＥＧＲ弁２４の開度信号から求められる。そこで、新気中の酸素と窒素、燃焼によって生じた二酸化炭素との関係、およびＥＧＲガスと新気との混合率とから、吸気に含まれる酸素と二酸化炭素との関係が算出されるため、酸素濃度センサ３２からの信号に基づいて吸気中の二酸化炭素のモル濃度ＤＣを推定することが可能となる。Ｓ１０３の処理が終了すると、Ｓ１０４へ進む。

Ｓ１０４では、Ｓ１０２で算出された目標二酸化炭素濃度ＤＣ０とＳ１０３で推定された実際の二酸化炭素濃度ＤＣとの差分ΔＤを解消すべく、ＥＧＲ弁２４の開度を調整してＥＧＲガス量を制御する。例えば、実際の二酸化炭素濃度ＤＣが目標二酸化炭素濃度ＤＣ０に達していない場合は、それに到達するようにＥＧＲ弁２４の開度が開き側に調整される。Ｓ１０４の処理後、本制御を終了する。

本制御によると、内燃機関１において予混合燃焼が行われているときに、吸気中の二酸化炭素のモル濃度を介して該吸気の比熱比κが、予混合気の着火時期が予混合燃焼に適した着火時期となる比熱比に制御される。その結果、内燃機関１の運転状態にかかわらず、予混合燃焼時の着火時期をより確実に目標の時期とすることが可能となる。

尚、上記の実施例においては、ＥＧＲガス量の調整においてＥＧＲ弁２４の開度を制御したが、その代わりに、排気絞り弁１７の開度や過給機１６のノズルベーンの開度を制御して、排気枝管１２の背圧を上昇、下降させてもよい。排気枝管１２の背圧が変更されることで、ＥＧＲ装置２１を介して吸気枝管７に再循環されるＥＧＲガスの流量を制御することが可能となり、以て吸気の比熱比κを制御することが可能となる。

次に、図１に示す内燃機関１において行う着火時期制御の別の実施例について、図６、図７および図８に基づいて説明する。尚、本実施例における着火時期制御は、ＥＣＵ２０によって一定のサイクルで繰り返し実行されるルーチンである。また、図４に示す着火時期制御と同一の処理については、同一の参照番号を付することで詳細な説明は省略する。

尚、本実施例においては、Ｓ１０２の処理が終了するとＳ２０１へ進む。Ｓ２０１では、断熱圧縮開始時Ｔｓの吸気温度に基づいて、Ｓ１０２で算出された目標二酸化炭素濃度ＤＣ０を補正する。断熱圧縮開始時の吸気温度が高くなるほど該吸気が有する熱エネルギーが高くなる。そのため、予混合燃焼時に吸気の比熱比κを常に一定となるように、吸気中の二酸化炭素濃度を制御していても、吸気温度が高くなると予混合気の着火時期が目標とする時期より早まる虞がある。そこで、吸気の比熱比κの補正を行い予混合気の着火時期を適正な時期とすべく、上記の目標二酸化炭素濃度ＤＣ０の補正が行われる。

式（１）より、圧縮開始時Ｔｓと着火時Ｔｂの予混合気（吸気）温度と予混合気体積との関係から、以下の式（２）が成立する。
ＴＩＣ×ＶＩＣ^κ−１＝Ｔｉｇ×Ｖｉｇ^κ−１・・・式（２）

そして式（２）より、吸気温度センサ３３によって検出される吸気温度がＴＩＣのときの比熱比κについて、式（３）が成立する。

更に、図５に示す目標二酸化炭素濃度ＤＣ０算出用のマップにおいて基準となった吸気温度をＴＩＣ０とすると、吸気温度がＴＩＣ０のときの比熱比κ０について、式（４）が成立する。

即ち、吸気温度がＴＩＣのときは比熱比を式（３）に示す比熱比κに制御しなければならないが、図５に示す目標二酸化炭素濃度ＤＣ０算出用のマップに従うと、比熱比を式（４）に示す比熱比κに制御されることになる。従って、以下の式（５）に示すΔκ分だけ、吸気の比熱比がずれることになる。

ここで、図７に、吸気の比熱比κと、該吸気に含まれる二酸化炭素のモル濃度との相関関係を示す。この両者の相関関係から、吸気の比熱比のずれΔκに対応する目標二酸化炭素濃度のずれをΔＤＣとして算出し、このΔＤＣ分を、Ｓ１０２で算出された目標二酸化炭素濃度ＤＣ０から増減させて補正を行う。これにより、断熱圧縮開始時Ｔｓの吸気温度ＴＩＣにかかわらず、予混合気の着火時期を目標とする時期に制御することが可能となる。Ｓ２０１の処理が終了すると、Ｓ１０３、Ｓ２０２へと順次進む。

Ｓ２０２では、吸気の比熱比を制御するために燃料添加弁１９からの燃料添加が必要か否かが判定される。吸気の比熱比の制御は、上述したようにＥＧＲ弁２４の開度等を調整することで行われる。しかし、内燃機関１において、いわゆるリーンバーン燃焼等の排気の空燃比が非常にリーン状態である燃焼が行われる場合は、排気中の二酸化炭素のモル濃度が極めて低い。従って、このような場合、ＥＧＲ弁２４の開度等だけでは、予混合気の着火時期を制御し得るモル濃度まで、吸気中の二酸化炭素のモル濃度を変更することが困難となる。そこで、このような場合、燃料添加弁１９から排気中に燃料添加を行う必要があると判定される。

尚、燃料添加弁１９によって添加された燃料成分は、クーラ前触媒２５の酸化機能によって酸化される。それにより、二酸化炭素と水が発生し、そのうち多くの水はＥＧＲクーラ２３によって液体となる。その結果、燃料添加弁１９からの燃料添加によって、ＥＧＲガス中の二酸化炭素のモル濃度を上昇させることができる。

そして、ＥＧＲ弁２４等によって吸気中の二酸化炭素濃度ＤＣを十分に目標二酸化炭素濃度ＤＣ０に制御できないと判定されるときは、燃料添加弁１９からの燃料添加が必要と判定しＳ２０３へ進む。一方で、ＥＧＲ弁２４等によって吸気中の二酸化炭素濃度ＤＣを十分に目標二酸化炭素濃度ＤＣ０に制御できると判定されるときは、燃料添加弁１９からの燃料添加が必要ではないと判定し、Ｓ１０４へ進む。

Ｓ２０３では、燃料添加弁１９からの燃料添加が行われる。具体的には、図８に示すマップに従って、内燃機関１のＥＧＲガスの当量比と、目標二酸化炭素濃度と現在の二酸化炭素濃度との差をパラメータとして、燃料添加量が算出される。ＥＧＲガスの当量比は、内燃機関１の運転状態から推定される。図８は、マップに格納された燃料添加量の傾向を等高線状に示すものであって、その数値の傾向は当量比が小さくなるに従い、即ち排気がリーンな状態になるに従い且つ二酸化炭素濃度差が増えるに従い、燃料添加量は多くなる。尚、当量比が十分に高い場合、即ち排気が過度にリーンでない場合、又は二酸化炭素濃度差が小さい場合は、ＥＧＲ弁２４等の調整で十分に吸気の二酸化炭素濃度を目標二酸化炭素濃度とすることが可能と判定されるため、燃料添加弁１９からの燃料添加量は零である。Ｓ２０３の処理が終了すると、Ｓ１０４へ進み、その後本制御を終了する。

本制御によると、内燃機関１において予混合燃焼が行われているときに、吸気中の二酸化炭素のモル濃度を介して該吸気の比熱比κが、予混合気の着火時期が予混合燃焼に適した着火時期となる比熱比に、より確実に制御される。その結果、内燃機関１の運転状態にかかわらず、予混合燃焼時の着火時期をより確実に目標の時期とすることが可能となる。

本発明の実施例に係る圧縮着火内燃機関の燃焼制御システムが適用される圧縮着火内燃機関の概略構成を表す図である。本発明の実施例に係る圧縮着火内燃機関の燃焼制御システムにおいて、圧縮着火内燃機関の運転状態が属する燃焼領域を示す図である。本発明の実施例に係る圧縮着火内燃機関において断熱圧縮が行われるときの予混合気温度と予混合気体積の推移を示す図である。本発明の第一の実施例に係る圧縮着火内燃機関の燃焼制御システムにおいて、予混合気の着火時期を制御する着火時期制御に関するフローチャートである。図４に示す着火時期制御において使用する目標二酸化炭素濃度を算出するためのマップを示す図である。本発明の第二の実施例に係る圧縮着火内燃機関の燃焼制御システムにおいて、予混合気の着火時期を制御する着火時期制御に関するフローチャートである。本発明の第二の実施例に係る圧縮着火内燃機関の燃焼制御システムにおいて、吸気中の二酸化炭素濃度と該吸気の比熱比との相関関係を示す図である。図６に示す着火時期制御において行われる燃料添加弁からの燃料添加量を算出するためのマップを示す図である。

符号の説明

１・・・・圧縮着火内燃機関（内燃機関）
３・・・・燃料噴射弁
７・・・・吸気枝管
８・・・・吸気管
１２・・・・排気枝管
１６・・・・過給機
１９・・・・燃料添加弁
２０・・・・ＥＣＵ
２１・・・・ＥＧＲ装置
２３・・・・ＥＧＲクーラ
２４・・・・ＥＧＲ弁
２５・・・・クーラ前触媒
３０・・・・クランクポジションセンサ
３１・・・・アクセル開度センサ
３２・・・・酸素濃度センサ
３３・・・・吸気温度センサ
Ｒ１・・・・予混合燃焼領域
Ｒ２・・・・拡散燃焼領域

Claims

圧縮着火内燃機関の燃料を気筒内に噴射する燃料噴射弁と、
前記圧縮着火内燃機関から排出される排気の一部を吸気系に再循環するＥＧＲ装置と、を備え、
前記燃料噴射弁の燃料噴射条件を制御して圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期の燃料噴射によって予混合気を形成するとともに、前記ＥＧＲ装置によって再循環される排気量を制御することで、予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関の燃焼制御システムであって、
前記圧縮着火内燃機関において予混合燃焼が行われているときの運転状態に基づいて、該予混合燃焼時に気筒内に吸入される吸気の目標比熱比を算出する目標比熱比算出手段と、
前記圧縮着火内燃機関において予混合燃焼が行われているときに気筒内に吸入される吸気の実際の比熱比を検出または推定する実比熱比検出手段と、
前記実比熱比検出手段によって検出または推定される吸気の実際の比熱比が前記目標比熱比算出手段によって算出される前記目標比熱比になるべく、前記ＥＧＲ装置によって再循環されるＥＧＲガス量を制御する比熱比制御手段と、
前記目標比熱比および前記実際の比熱比は、それぞれ気筒内に吸入される吸気の二酸化炭素濃度に関連づけられており、前記実際の比熱比に関連づけられた吸気の二酸化炭素濃度が前記目標比熱比に関連づけられた吸気の二酸化炭素濃度より低い場合に、前記ＥＧＲ装置によって再循環されるＥＧＲガス中の二酸化炭素濃度を上昇させる二酸化炭素濃度上昇手段と、
を備えることを特徴とする圧縮着火内燃機関の燃焼制御システム。
前記実際の比熱比に関連づけられた吸気の二酸化炭素濃度は、該吸気の酸素濃度を検出する酸素濃度センサの検出信号に基づいて算出されることを特徴とする請求項１に記載の圧縮着火内燃機関の燃焼制御システム。
排気中の燃料成分を酸化する酸化機能を有する酸化触媒を、前記ＥＧＲ装置の上流側の排気通路または該ＥＧＲ装置中に、更に備え、
前記二酸化炭素濃度上昇手段は、前記実際の比熱比に関連づけられた吸気の二酸化炭素濃度が前記目標比熱比に関連づけられた吸気の二酸化炭素濃度より低い場合に、前記燃料噴射弁から燃料を前記圧縮着火内燃機関の出力トルクに実質的に寄与しないタイミングで
噴射し又は排気中の未燃成分量が増加すべく該燃料噴射弁から燃料噴射し、該燃料を前記酸化触媒の酸化機能で酸化することで、前記ＥＧＲ装置によって再循環されるＥＧＲガス中の二酸化炭素濃度を上昇させることを特徴とする請求項１に記載の圧縮着火内燃機関の燃焼制御システム。
前記二酸化炭素濃度上昇手段は、前記実際の比熱比に関連づけられた吸気の二酸化炭素濃度が前記目標比熱比に関連づけられた吸気の二酸化炭素濃度より低い場合に、前記燃料噴射弁からの燃料噴射条件を調整し排気空燃比をリッチ状態とすることで、前記ＥＧＲ装置によって再循環されるＥＧＲガス中の二酸化炭素濃度を上昇させることを特徴とする請求項１に記載の圧縮着火内燃機関の燃焼制御システム。
排気中の燃料成分を酸化する酸化機能を有する酸化触媒と、
前記酸化触媒に流入する排気中に燃料を供給する燃料供給手段と、を更に備え、
前記二酸化炭素濃度上昇手段は、前記実際の比熱比に関連づけられた吸気の二酸化炭素濃度が前記目標比熱比に関連づけられた吸気の二酸化炭素濃度より低い場合に、前記燃料供給手段によって排気中に燃料を供給し該燃料を前記酸化触媒の酸化機能で酸化することで前記ＥＧＲ装置によって再循環されるＥＧＲガス中の二酸化炭素濃度を上昇させることを特徴とする請求項１に記載の圧縮着火内燃機関の燃焼制御システム。
前記圧縮着火内燃機関において予混合燃焼が行われているときに気筒内に吸入される吸気の温度を検出または推定する吸気温度検出手段を更に備え、
前記吸気温度検出手段によって検出または推定される吸気温度に基づいて、前記目標比熱比に関連づけられた吸気の二酸化炭素濃度を補正することを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の圧縮着火内燃機関の燃焼制御システム。