JP6915577B2

JP6915577B2 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP6915577B2
Application number: JP2018071626A
Authority: JP
Inventors: 清水　肇; 肇清水
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-04-03
Filing date: 2018-04-03
Publication date: 2021-08-04
Anticipated expiration: 2038-04-03
Also published as: JP2019183676A; US20190301391A1; CN110344955A; CN110344955B; EP3557033A1; EP3557033B1; US10711728B2

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

特許文献１には、従来の内燃機関の制御装置として、熱発生率の時間的変化を示す燃焼波形（熱発生率パターン）の形状が二山形状となるように、メイン燃料噴射を第１メイン燃料噴射と第２メイン燃料噴射とに分けて実施して予混合圧縮着火燃焼（ＰＣＣＩ；Premix Charged Compressive Ignition）を行うものが開示されている。この従来の内燃機関の制御装置は、機関本体の温度（冷却水温）が基準温度よりも低いときにはプレ噴射を実施するように構成されており、さらにプレ噴射を実施する際には、機関低負荷時にはプレ噴射の噴射量分だけ第２メイン燃料噴射の噴射量を減らし、機関高負荷時にはプレ噴射の噴射量分だけ第１メイン燃料噴射の噴射量を減らすように構成されていた。

特開２０１５−０７８６１７号公報

しかしながら、熱発生率の時間的変化を示す燃焼波形の形状は、第１メイン燃料噴射、及び第２メイン燃料噴射によって噴射された各燃料の着火遅れ時間に応じて変化する。そのため、熱発生率の時間的変化を示す燃焼波形、ひいては筒内圧力上昇率の時間的変化を示す圧力波形（筒内圧力上昇率パターン）の形状が所望の形状となるように、第１メイン燃料噴射及び第２メイン燃料噴射の各目標噴射量を設定している場合には、着火遅れ時間を考慮せずに各目標噴射量を補正してしまうと、筒内圧力上昇率の時間的変化を示す圧力波形の形状を所望の形状に維持することができなくなるおそれがある。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、第１メイン燃料噴射、及び第２メイン燃料噴射を実施して予混合圧縮着火燃焼を行う場合において、燃料噴射弁から噴射する燃料量に対して補正量が設定されたとしても、筒内圧力上昇率の時間的変化を示す圧力波形の形状を所望の形状に維持することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、機関本体と、機関本体の燃焼室内で燃焼させるための燃料を噴射する燃料噴射弁と、を備える内燃機関を制御するための内燃機関の制御装置が、燃焼室内で段階的に２回の熱発生を生じさせて、筒内圧力上昇率の時間的変化を示す圧力波形が二山形状となるように、かつ、１回目の熱発生によって形成される圧力波形の一山目の第１ピーク値と、２回目の熱発生によって形成される圧力波形の二山目の第２ピーク値と、の比であるピーク比が所定範囲内に収まるように、少なくとも第１メイン燃料噴射と第２メイン燃料噴射とを順次実施して燃料を予混合圧縮着火燃焼させる燃焼制御部を備える。燃焼制御部は、第２メイン燃料噴射によって噴射される燃料の着火遅れ時間の推定値である第２着火遅れ時間を算出し、燃料噴射弁から噴射する燃料量に対する噴射補正量が設定された場合において、第２着火遅れ時間が所定値未満のときは、噴射補正量を第２メイン燃料噴射の目標噴射量である第２目標噴射量に反映させ、第２着火遅れ時間が所定値以上のときは、噴射補正量を前第１メイン燃料噴射の目標噴射量である第１目標噴射量と第２目標噴射量とに振り分けて反映させると共に、噴射補正量のうち、第２目標噴射量に振り分けられる第２振分量を、第１目標噴射量に振り分けられる第１振分量よりも多くするように構成される。
また、本発明の別の態様によれば、機関本体と、機関本体の燃焼室内で燃焼させるための燃料を噴射する燃料噴射弁と、を備える内燃機関を制御するための内燃機関の制御装置が、燃焼室内で段階的に２回の熱発生を生じさせて、筒内圧力上昇率の時間的変化を示す圧力波形が二山形状となるように、かつ、１回目の熱発生によって形成される圧力波形の一山目の第１ピーク値と、２回目の熱発生によって形成される圧力波形の二山目の第２ピーク値と、の比であるピーク比が所定範囲内に収まるように、少なくとも第１メイン燃料噴射と第２メイン燃料噴射とを順次実施して燃料を予混合圧縮着火燃焼させる燃焼制御部を備える。燃焼制御部は、第１メイン燃料噴射によって噴射される燃料の着火遅れ時間の推定値である第１着火遅れ時間を算出し、第２メイン燃料噴射によって噴射される燃料の着火遅れ時間の推定値である第２着火遅れ時間を算出し、燃料噴射弁から噴射する燃料量に対する噴射補正量が設定された場合において、第２着火遅れ時間が所定値未満のときは、噴射補正量を第２メイン燃料噴射の目標噴射量である第２目標噴射量に反映させ、第２着火遅れ時間が所定値以上のときは、噴射補正量のうち、第１メイン燃料噴射の目標噴射量である第１目標噴射量に振り分けられる第１振分量と、第２目標噴射量に振り分けられる第２振分量との比が、第１着火遅れ時間と、第２着火遅れ時間との比の逆比となるように、噴射補正量を第１目標噴射量と第２目標噴射量とに振り分けるように構成される。

本発明のこの態様によれば、第１メイン燃料噴射、及び第２メイン燃料噴射を実施して予混合圧縮着火燃焼を行う場合において、燃料噴射弁から噴射する燃料量に対して補正量が設定されたとしても、第２着火遅れ時間が所定値未満のときには噴射補正量が第２目標噴射量に反映されるので、筒内圧力上昇率の時間的変化を示す圧力波形の形状を所望の形状に維持することができる。

図１は、本発明の一実施形態による内燃機関、及び内燃機関を制御する電子制御ユニットの概略構成図である。図２は、本発明の一実施形態による内燃機関の機関本体の断面図である。図３は、本発明の一実施形態による燃焼制御を実施して燃焼室内で燃料を燃焼させた場合のクランク角と熱発生率との関係を示した図である。図４は、本発明の一実施形態による燃焼制御を実施して燃焼室内で燃料を燃焼させた場合のクランク角と筒内圧力上昇率との関係を示した図である。図５は、燃料噴射弁から１回だけ燃料を噴射して予混合圧縮着火燃焼を実施した場合の熱発生率パターンのピーク値と、着火遅れ時間との関係を、燃料噴射量が多いときと少ないときとで比較して示した図である。図６は、噴射補正量が設定されていないときの熱発生率パターン（実線）と、第２着火遅れ時間が所定値未満の場合に、噴射補正量を全て第２目標噴射量に反映させたときの熱発生率パターン（破線）とを、比較して示した図である。図７は、噴射補正量が設定されていないときの筒内圧力上昇率パターン（実線）と、第２着火遅れ時間が所定値未満の場合に、噴射補正量を全て第２目標噴射量に反映させたときの筒内圧力上昇率パターン（破線）とを、比較して示した図である。図８は、噴射補正量が設定されていないときの熱発生率パターン（太実線）と、第２着火遅れ時間が所定値以上の場合に、噴射補正量を全て第２目標噴射量に反映させたときの熱発生率パターン（細実線）と、第２着火遅れ時間が所定値以上の場合に、噴射補正量を第１目標噴射量及び第２目標噴射量に均等に振り分けて反映させたときの熱発生率パターン（破線）と、を比較して示した図である。図９は、噴射補正量が設定されていないときの筒内圧力上昇率パターン（太実線）と、第２着火遅れ時間が所定値以上の場合に、噴射補正量を全て第２目標噴射量に反映させたときの筒内圧力上昇率パターン（細実線）と、第２着火遅れ時間が所定値以上の場合に、噴射補正量を第１目標噴射量及び第２目標噴射量に均等に振り分けて反映させたときの筒内圧力上昇率パターン（破線）と、を比較して示した図である。図１０は、本発明の一実施形態による燃焼制御について説明するフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

図１は、本発明の一実施形態による内燃機関１００、及び内燃機関１００を制御する電子制御ユニット２００の概略構成図である。図２は、内燃機関１００の機関本体１の断面図である。

図１に示すように、内燃機関１００は、複数の気筒１０を備える機関本体１と、燃料供給装置２と、吸気装置３と、排気装置４と、吸気動弁装置５と、排気動弁装置６と、を備える。

機関本体１は、各気筒１０に形成される燃焼室１１内（図２参照）で燃料を燃焼させて、例えば車両などを駆動するための動力を発生させる。機関本体１には、気筒毎に一対の吸気弁５０と一対の排気弁６０とが設けられる。

燃料供給装置２は、電子制御式の燃料噴射弁２０と、デリバリパイプ２１と、サプライポンプ２２と、燃料タンク２３と、圧送パイプ２４と、燃圧センサ２１１と、を備える。

燃料噴射弁２０は、燃焼室１１内に直接燃料を噴射することができるように、各気筒１０の燃焼室１１に臨むように各気筒１０に１つ設けられる。燃料噴射弁２０の開弁時間（噴射量）及び開弁時期（噴射時期）は電子制御ユニット２００からの制御信号によって変更され、燃料噴射弁２０が開弁されると燃料噴射弁２０から燃焼室１１内に直接燃料が噴射される。

デリバリパイプ２１は、圧送パイプ２４を介して燃料タンク２３に接続される。圧送パイプ２４の途中には、燃料タンク２３に貯蔵された燃料を加圧してデリバリパイプ２１に供給するためのサプライポンプ２２が設けられる。デリバリパイプ２１は、サプライポンプ２２から圧送されてきた高圧燃料を一時的に貯蔵する。燃料噴射弁２０が開弁されると、デリバリパイプ２１に貯蔵された高圧燃料が燃料噴射弁２０から燃焼室１１内に直接噴射される。

サプライポンプ２２は、吐出量を変更することができるように構成されており、サプライポンプ２２の吐出量は、電子制御ユニット２００からの制御信号によって変更される。サプライポンプ２２の吐出量を制御することで、デリバリパイプ２１内の燃料圧力、すなわち燃料噴射弁２０の噴射圧が制御される。

燃圧センサ２１１は、デリバリパイプ２１に設けられる。燃圧センサ２１１は、デリバリパイプ２１内の燃料圧力、すなわち各燃料噴射弁２０から各気筒１０内に噴射される燃料の圧力（噴射圧）を検出する

吸気装置３は、燃焼室１１内に空気を導くための装置であって、燃焼室１１内に吸入される空気の状態（吸気圧力（過給圧）、吸気温度、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガス量）を変更することができるように構成されている。すなわち吸気装置３は、燃焼室１１内の酸素密度を変更することができるように構成されている。吸気装置３は、エアクリーナ３０と、吸気管３１と、ターボチャージャ３２のコンプレッサ３２ａと、インタクーラ３３と、吸気マニホールド３４と、電子制御式のスロットル弁３５と、エアフローメータ２１２と、ＥＧＲ通路３６と、ＥＧＲクーラ３７と、ＥＧＲ弁３８と、を備える。

エアクリーナ３０は、空気中に含まれる砂などの異物を除去する。

吸気管３１は、一端がエアクリーナ３０に連結され、他端が吸気マニホールド３４のサージタンク３４ａに連結される。

ターボチャージャ３２は過給機の一種であり、排気のエネルギを利用して空気を強制的に圧縮し、その圧縮した空気を各燃焼室１１に供給する。これにより充填効率が高められるので、機関出力が増大する。コンプレッサ３２ａは、ターボチャージャ３２の一部を構成する部品であり、吸気管３１に設けられる。コンプレッサ３２ａは、同軸上に設けられた後述するターボチャージャ３２のタービン３２ｂによって回されて、空気を強制的に圧縮する。なおターボチャージャ３２に替えて、クランクシャフト（図示せず）の回転力を利用して機械的に駆動される過給機（スーパチャージャ）を用いても良い。

インタクーラ３３は、コンプレッサ３２ａよりも下流の吸気管３１に設けられ、コンプレッサ３２ａによって圧縮されて高温となった空気を冷却する。

吸気マニホールド３４は、サージタンク３４ａと、サージタンク３４ａから分岐して機関本体１の内部に形成されている各吸気ポート１４（図２参照）の開口に連結される複数の吸気枝管３４ｂと、を備える。サージタンク３４ａに導かれた空気は、吸気枝管３４ｂ、及び吸気ポート１４を介して各燃焼室１１内に均等に分配される。このように、吸気管３１、吸気マニホールド３４及び各吸気ポート１４が、各燃焼室１１内に空気を導くための吸気通路を形成する。サージタンク３４ａには、サージタンク３４ａ内の圧力（吸気圧力）を検出するための圧力センサ２１３と、サージタンク３４ａ内の温度（吸気温度）を検出するための温度センサ２１４と、が取り付けられている。

スロットル弁３５は、インタクーラ３３とサージタンク３４ａとの間の吸気管３１内に設けられる。スロットル弁３５は、スロットルアクチュエータ３５ａによって駆動され、吸気管３１の通路断面積を連続的又は段階的に変化させる。スロットルアクチュエータ３５ａによってスロットル弁３５の開度を調整することで、各燃焼室１１内に吸入される空気の流量を調整することができる。

エアフローメータ２１２は、コンプレッサ３２ａよりも上流側の吸気管３１内に設けられる。エアフローメータ２１２は、吸気通路内を流れて最終的に各燃焼室１１内に吸入される空気の流量（以下「吸入空気量」という。）を検出する。

ＥＧＲ通路３６は、後述する排気マニホールド４０と吸気マニホールド３４のサージタンク３４ａとを連通し、各燃焼室１１から排出された排気の一部を圧力差によってサージタンク３４ａに戻すための通路である。以下、ＥＧＲ通路３６に流入した排気のことを「ＥＧＲガス」といい、筒内ガス量に占めるＥＧＲガス量の割合、すなわち排気の還流率のことを「ＥＧＲ率」という。ＥＧＲガスをサージタンク３４ａ、ひいては各燃焼室１１に還流させることで、燃焼温度を低減させて窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を抑えることができる。

ＥＧＲクーラ３７は、ＥＧＲ通路３６に設けられる。ＥＧＲクーラ３７は、ＥＧＲガスを、例えば走行風や冷却水などによって冷却するための熱交換器である。

ＥＧＲ弁３８は、ＥＧＲクーラ３７よりもＥＧＲガスの流れ方向下流側のＥＧＲ通路３６に設けられる。ＥＧＲ弁３８は、連続的又は段階的に開度を調整することができる電磁弁であり、その開度は電子制御ユニット２００によって制御される。ＥＧＲ弁３８の開度を制御することで、サージタンク３４ａに還流させるＥＧＲガスの流量が調節される。すなわち、吸入空気量や吸気圧力（過給圧）等に応じてＥＧＲ弁３８の開度を適切な開度に制御することで、ＥＧＲ率を任意の値に制御することができる。

排気装置４は、各燃焼室内で生じた排気を浄化して外気に排出するための装置であって、排気マニホールド４０と、排気管４１と、ターボチャージャ３２のタービン３２ｂと、排気後処理装置４２と、を備える。

排気マニホールド４０は、機関本体１の内部に形成されている各排気ポート１５（図２参照）の開口と連結される複数の排気枝管と、排気枝管を集合させて１本にまとめた集合管と、を備える。

排気管４１は、一端が排気マニホールド４０の集合管に連結され、他端が開口端となっている。各燃焼室１１から排気ポートを介して排気マニホールド４０に排出された排気は、排気管４１を流れて外気に排出される。

タービン３２ｂは、ターボチャージャ３２の一部を構成する部品であり、排気管４１に設けられる。タービン３２ｂは、排気のエネルギによって回されて、同軸上に設けられたコンプレッサ３２ａを駆動する。

タービン３２ｂの外側には、可変ノズル３２ｃが設けられている。可変ノズル３２ｃは絞り弁として機能し、可変ノズル３２ｃのノズル開度（弁開度）は電子制御ユニット２００によって制御される。可変ノズル３２ｃのノズル開度を変化させることでタービン３２ｂを駆動する排気の流速を変化させることができる。すなわち、可変ノズル３２ｃのノズル開度を変化させることで、タービン３２ｂの回転速度を変化させて過給圧を変化させることができる。具体的には、可変ノズル３２ｃのノズル開度を小さくする（可変ノズル３２ｃを絞る）と、排気の流速が上がってタービン３２ｂの回転速度が増大し、過給圧が増大する。

排気後処理装置４２は、タービン３２ｂよりも下流側の排気管４１に設けられる。排気後処理装置４２は、排気を浄化した上で外気に排出するための装置であって、有害物質を浄化する各種の触媒（例えば三元触媒）を担体に担持させたものである。

吸気動弁装置５は、各気筒１０の吸気弁５０を開閉駆動するための装置であって、機関本体１に設けられる。本実施形態による吸気動弁装置５は、吸気弁５０の開閉時期を制御できるように、例えば電磁アクチュエータによって吸気弁５０を開閉駆動するように構成される。

排気動弁装置６は、各気筒１０の排気弁６０を開閉駆動するための装置であって、機関本体１に設けられる。本実施形態による排気動弁装置６は、排気弁６０の開閉時期を制御できるように、例えば電磁アクチュエータによって排気弁６０を開閉駆動するように構成される。

なお、吸気動弁装置５及び排気動弁装置６としては、電磁アクチュエータに限らず、例えばカムシャフトによって吸気弁５０又は排気弁６０を開閉駆動するように構成し、当該カムシャフトの一端部に油圧制御によってクランクシャフトに対するカムシャフトの相対位相角を変更する可変動弁機構を設けることによって、吸気弁５０又は排気弁６０の開閉時期を制御できるようにしてもよい。

電子制御ユニット２００は、デジタルコンピュータから構成され、双方性バス２０１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２０２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２０３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２０４、入力ポート２０５及び出力ポート２０６を備える。

入力ポート２０５には、前述した燃圧センサ２１１などの出力信号が、対応する各ＡＤ変換器２０７を介して入力される。また入力ポート２０５には、機関負荷を検出するための信号として、アクセルペダル２２０の踏み込み量（以下「アクセル踏込量」という。）に比例した出力電圧を発生する負荷センサ２２１の出力電圧が、対応するＡＤ変換器２０７を介して入力される。また入力ポート２０５には、機関回転速度などを算出するための信号として、機関本体１のクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ２２２の出力信号が入力される。このように入力ポート２０５には、内燃機関１００を制御するために必要な各種センサの出力信号が入力される。

出力ポート２０６は、対応する駆動回路２０８を介して、燃料噴射弁２０などの各制御部品に接続される。

電子制御ユニット２００は、入力ポート２０５に入力された各種センサの出力信号に基づいて、各制御部品を制御するための制御信号を出力ポート２０６から出力して内燃機関１００を制御する。以下、電子制御ユニット２００が実施する内燃機関１００の制御、特に燃焼室１１内における燃料の燃焼制御について説明する。

図３は、機関運転状態（機関回転速度及び機関負荷）が一定の定常運転時において、本実施形態による燃焼制御を実施して燃焼室１１内で燃料を燃焼させた場合のクランク角と熱発生率との関係を示した図である。また図４は、この場合のクランク角と筒内圧力上昇率との関係を示した図である。

なお熱発生率（ｄＱ／ｄθ）［Ｊ／ｄｅｇ．ＣＡ］とは、燃料を燃焼させたときに生じる単位クランク角あたりの熱量、すなわち単位クランク角あたりの熱発生量Ｑのことである。以下の説明では、このクランク角と熱発生率との関係を示した燃焼波形、すなわち熱発生率の時間的変化を示す燃焼波形のことを「熱発生率パターン」という。また筒内圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）［ｋＰａ／ｄｅｇ．ＣＡ］とは、筒内圧力Ｐ［ｋＰａ］のクランク角微分値のことである。以下の説明では、このクランク角と筒内圧力上昇率との関係を示した圧力波形、すなわち筒内圧力上昇率の時間的変化を示す圧力波形のことを「筒内圧力上昇率パターン」という。

電子制御ユニット２００は、機関負荷に応じた要求トルクを出力するために行われるメイン燃料噴射を第１メイン燃料噴射Ｇ１と第２メイン燃料噴射Ｇ２とに分けて順次実施して機関本体１の運転を行う。

このとき本実施形態では、第１メイン燃料噴射Ｇ１によって燃焼室１１内に噴射された燃料（以下「第１メイン燃料」という。）、及び第２メイン燃料噴射Ｇ２によって燃焼室１１内に噴射された燃料（以下「第２メイン燃料」という。）が、それぞれ燃料噴射後に空気との予混合期間をある程度置いた上で燃焼する予混合圧縮着火燃焼を起こすように、各燃料噴射Ｇ１、Ｇ２の噴射量と噴射時期とを制御して、段階的に２回の熱発生が生じるようにしている。

すなわち図３に示すように、主に第１メイン燃料が燃焼したときの熱発生によって熱発生率パターンの一山目の燃焼波形Ｘ１が形成され、その後、主に第２メイン燃料が燃焼したときの熱発生によって熱発生率パターンの二山目の燃焼波形Ｘ２が形成されるように各燃料噴射Ｇ１、Ｇ２の噴射量と噴射時期とを制御して、熱発生率パターンが二山形状となるようにしている。

そしてこれにより、図４に示すように、主に第１メイン燃料が燃焼したときの熱発生によって筒内圧力上昇率パターンの一山目の圧力波形Ｙ１が形成され、その後、主に第２メイン燃料が燃焼したときの熱発生によって筒内圧力上昇率パターンの二山目の圧力波形Ｙ２が形成されるようにして、熱発生率パターンと共に筒内圧力上昇率パターンも二山形状となるようにしている。

このように、適切な時間を空けて段階的に２回の熱発生を生じさせることで、１回目の熱発生によって生じる圧力波（本実施形態では主に第１メイン燃料の燃焼時に生じる圧力波）の位相に対して、２回目の熱発生に生じる圧力波（本実施形態では主に第２メイン燃料の燃焼時に生じる圧力波）の位相をずらすことができる。そのため、例えば１回目の圧力波の位相に対して、２回目の位相を逆位相にするなど、２つの圧力波の位相を適切にずらすことで、燃焼騒音の原因となるこれら２つの圧力波を重ね合わせた実際の圧力波の振幅を小さくすることができる。

そして１回目の熱発生によって生じる圧力波の振幅の大きさは、筒内圧力上昇率パターンの一山目の圧力波形Ｙ１のピーク値（以下「第１ピーク値」という。）Ｐ１の大きさと比例関係にあり、同様に２回目の熱発生によって生じる圧力波の振幅の大きさは、筒内圧力上昇率パターンの二山目の圧力波形Ｙ２のピーク値（以下「第２ピーク値」という。）Ｐ１の大きさと比例関係にある。したがって、第１ピーク値Ｐ１と第２ピーク値Ｐ２の大きさが同じとき（すなわちＰ１：Ｐ２＝１：１のとき）に、燃焼騒音の低減効果が最も大きくなる。

そこで本実施形態では、図４に示すように、第１ピーク値Ｐ１と第２ピーク値Ｐ２の大きさがほぼ同じになるように、具体的には第１ピーク値Ｐ１と第２ピーク値Ｐ２との比の値（＝Ｐ１／Ｐ２；以下「ピーク比」という。）ＰＲが所定範囲内（例えば０．９から１．１の範囲内）に収まるように、各燃料噴射Ｇ１、Ｇ２の噴射量と噴射時期とを制御している。これにより、予混合圧縮着火燃焼を実施して機関本体１を運転させたときの燃焼騒音を効果的に抑制することができる。

このように本実施形態による電子制御ユニット２００は、予混合圧縮着火燃焼を実施したときの筒内圧力上昇率パターンが所望の形状（二山形状、かつ、ピーク比ＰＲが所定範囲内に収まっている形状）となるように、機関運転状態に基づいて、各燃料噴射Ｇ１、Ｇ２の目標噴射量Ｑ１、Ｑ２、及び目標噴射時期Ａ１、Ａ２を、予め実験等によって設定された目標値に制御している。なお以下の説明では、第１メイン燃料噴射Ｇ１の目標噴射量Ｑ１、目標噴射時期Ａ１のことを、必要に応じてそれぞれ第１目標噴射量Ｑ１、第１目標噴射時期Ａ１という。また、第２メイン燃料噴射Ｇ２の目標噴射量Ｑ２、目標噴射時期Ａ２のことを、必要に応じてそれぞれ第２目標噴射量Ｑ２、第１目標噴射時期Ａ２という。

ところで、機関運転中には、これらの目標値に対して補正量が設定される場合があり、その一つとして、燃料噴射弁２０から噴射する燃料量（目標噴射量）に対する補正量（以下「噴射補正量」という。）ｑが挙げられ、例えば気筒間補正量や車両制振用補正量などがある。

気筒間補正量は、各燃料噴射弁２０に対する目標噴射量が同じであったとしても、個体バラつきや経時劣化などが原因で、実際に各燃料噴射弁２０から噴射される燃料量にバラつきが生じる場合があるため、このようなバラつきを抑制するために設定される補正量である。車両制振用補正量は、車両の加減速時には機関本体１の出力トルクの変化によって車両の前後方向に機関本体１が振動するため、このような振動を抑制するために設定される補正量である。

ここで各燃料噴射Ｇ１、Ｇ２の目標噴射量Ｑ１、Ｑ２は、予混合圧縮着火燃焼を実施したときの筒内圧力上昇率パターンが所望の形状となるように、予め実験等によって設定された目標値である。したがって、このような噴射補正量ｑが設定されたときには、予混合圧縮着火燃焼を実施したときの筒内圧力上昇率パターンが所望の形状となるように、当該噴射補正量ｑを第１目標噴射量Ｑ１、及び第２目標噴射量Ｑ２に対して適切に反映させなければ、燃焼騒音が増大してしまうおそれがある。

すなわち本実施形態のように、予混合圧縮着火燃焼を実施したときの筒内圧力上昇率パターンが所望の形状となるようにメイン燃料噴射を第１メイン燃料噴射Ｇ１と第２メイン燃料噴射Ｇ２とに分けて順次実施している場合には、噴射補正量ｑが設定されたときに、噴射補正量ｑを目標噴射量Ｑ１、及び目標噴射量Ｑ２に対してどのように反映させるかが問題となる。

図５は、燃料噴射弁２０から１回だけ燃料を噴射して予混合圧縮着火燃焼を実施した場合の熱発生率パターンのピーク値と、着火遅れ時間（燃焼室１１内に噴射された燃料が自着火に至るまでの時間）τ［ｍｓ］との関係を、燃料噴射量が多いときと少ないときとで比較して示した図である。

図５に示すように、燃料噴射量が多いときと少ないときとで各熱発生率パターンのピーク値を比較した場合、着火遅れ時間τが所定値よりも短いときには、ピーク値の大きさにほとんど差がないことが分かる。そして着火遅れ時間τが所定値よりも長くなるにつれて、徐々にピーク値の大きさに差が生じ始めてその差が大きくなっていくことが分かる。

これは、予混合圧縮着火燃焼を実施したときの着火遅れ時間τが短くなると、燃料噴射弁２０から噴射された燃料のうちの一部の燃料については、空気との予混合度合いが不十分となって、当該燃料が予混合圧縮着火燃焼というよりも拡散燃焼に近い燃焼形態で燃焼してしまうことに起因するものと考えられる。

予混合圧縮着火燃焼は、燃料噴射後に空気との予混合期間をある程度置いた上で、燃焼室１１内に拡散させた燃料（予混合気）を多点で同時期に自着火させる燃焼形態であるため、燃焼室１１内に噴射した燃料を燃料噴射後にほぼ遅れなく燃焼させていく拡散燃焼と比較して、燃焼速度が速くなって燃焼期間が短くなる。そのため、予混合圧縮着火燃焼を実施した場合は、拡散燃焼を実施した場合よりも熱発生率パターンのピーク値が大きくなる傾向にある。そして熱発生率パターンのピーク値は、基本的に予混合圧縮着火燃焼する燃料量に依存し、当該燃料量が多くなるほど高くなる傾向にある。

したがって図５に示すように、着火遅れ時間τが所定値よりも短いときは、燃料噴射量の大小にかかわらず、概ね一定の燃料が予混合圧縮着火燃焼を起こし、残りの燃料が拡散燃焼に近い燃焼形態で燃焼するために、各熱発生率パターンの各ピーク値の大きさにほとんど差が生じていないものと考えられる。そして着火遅れ時間τが所定値よりも長くなるにつれて、燃料噴射量が多くなるほど予混合圧縮着火燃焼を起こす燃料が多くなるため、各ピーク値の大きさに差が生じ始めてその差が大きくなっているものと考えられる。

このように、発明者らの鋭意研究の結果、予混合圧縮着火燃焼を実施したときの着火遅れ時間τが或る所定値よりも短い場合には、燃料噴射量を増減させても熱発生率パターンのピーク値、ひいては筒内圧力上昇率パターンのピーク値がほとんど変化しないことがわかった。

そして本実施形態のように、メイン燃料噴射を第１メイン燃料噴射Ｇ１と第２メイン燃料噴射Ｇ２とに分けて順次実施している場合、第２メイン燃料噴射Ｇ２は第１メイン燃料噴射Ｇ１の後に実施されるので、第２メイン燃料の着火遅れ時間（以下「第２着火遅れ時間」という。）τ２は、第１メイン燃料の着火遅れ時間（以下「第１着火遅れ時間」という。）τ１よりも短くなる。

そこで本実施形態では、第２着火遅れ時間τ２が所定値未満の場合には、噴射補正量ｑを全て第２目標噴射量Ｑ２に反映させることとした。

図６及び図７は、噴射補正量ｑが設定されていないときの熱発生率パターン及び筒内圧力上昇率パターン（実線）と、第２着火遅れ時間τ２が所定値未満の場合に、噴射補正量ｑ（図６及び図７に示す例では減量補正値）を全て第２目標噴射量Ｑ２に反映させたときの熱発生率パターン及び筒内圧力上昇率パターン（破線）とを、比較して示した図である。

図６及び図７に破線で示すように、第２着火遅れ時間τ２が所定値未満の場合には、噴射補正量ｑを全て第２目標噴射量Ｑ２に反映させることで、熱発生率パターンの二山目の燃焼波形Ｘ２のピーク値、ひいては筒内圧力上昇率パターンの第２ピーク値Ｐ２の大きさをほとんど変化させずに済むことが分かる。したがって、噴射補正量ｑが設定されたとしても、第２着火遅れ時間τ２が所定値未満の場合には、噴射補正量ｑを第２目標噴射量Ｑ２に反映させることで、予混合圧縮着火燃焼を実施したときの筒内圧力上昇率パターンの形状を所望の形状に維持することができる。

一方で、第２着火遅れ時間τ２が所定値以上の場合に、噴射補正量ｑを全て第２目標噴射量Ｑ２に反映させてしまうと、熱発生率パターンの二山目の燃焼波形Ｘ２のピーク値が変化し、ひいては筒内圧力上昇率パターンの第２ピーク値Ｐ２が変化してしまう。したがって第２着火遅れ時間τ２が所定値以上の場合には、予混合圧縮着火燃焼を実施したときの筒内圧力上昇率パターンの形状が所望の形状に維持されるように、噴射補正量ｑを第１目標噴射量Ｑ１、及び第２目標噴射量Ｑ２に対して適切に振り分ける必要がある。

図８及び図９は、噴射補正量ｑが設定されていないときの熱発生率パターン及び筒内圧力上昇率パターン（太実線）と、第２着火遅れ時間τ２が所定値以上の場合に、噴射補正量ｑ（図８及び図９に示す例では減量補正値）を全て第２目標噴射量Ｑ２に反映させたときの熱発生率パターン及び筒内圧力上昇率パターン（細実線）と、第２着火遅れ時間τ２が所定値以上の場合に、噴射補正量ｑを第１目標噴射量Ｑ１及び第２目標噴射量Ｑ２に均等に振り分けて反映させたときの熱発生率パターン及び筒内圧力上昇率パターン（破線）と、を比較して示した図である。

図８及び図９に細実線で示すように、第２着火遅れ時間τ２が所定値以上の場合に、噴射補正量ｑを全て第２目標噴射量Ｑ２に反映させてしまうと、噴射補正量ｑが減量補正値のときは、熱発生率パターンの二山目の燃焼波形Ｘ２のピーク値が大幅に低下し、筒内圧力上昇率パターンの第２ピーク値Ｐ２が大幅に低下してしまう。その結果、予混合圧縮着火燃焼を実施したときの筒内圧力上昇率パターンの形状を所望の形状に維持することができなくなる。

そのため、例えば噴射補正量ｑを第１目標噴射量Ｑ１及び第２目標噴射量Ｑ２に均等に振り分けて反映させることも考えられる。

しかしながら前述した通り、第２メイン燃料噴射Ｇ２は第１メイン燃料噴射Ｇ１の後に実施されるので、第２着火遅れ時間τ２は第１着火遅れ時間τ１よりも短くなる（逆を言えば、第１着火遅れ時間τ１は第２着火遅れ時間τ２よりも長くなる）。

そのため図８に破線で示すように、噴射補正量ｑを第１目標噴射量Ｑ１及び第２目標噴射量Ｑ２に均等に振り分けて反映させると、熱発生率パターンの二山目の燃焼波形Ｘ２のピーク値に対して、一山目の燃焼波形Ｘ１のピーク値が過剰に変化してしまう。したがって、図８及び図９に破線で示すように、噴射補正量ｑが減量補正値のときは、熱発生率パターンの二山目の燃焼波形Ｘ２のピーク値に対して、一山目の燃焼波形Ｘ１のピーク値が大幅に低下してしまい、筒内圧力上昇率パターンの第１ピーク値Ｐ１が第２ピーク値Ｐ２よりも大幅に小さくなってしまう。

したがって第２着火遅れ時間τ２が所定値以上の場合には、第１着火遅れ時間τ１、及び第２着火遅れ時間τ２のそれぞれの長さに基づいて、噴射補正量ｑを目標噴射量Ｑ１、及び目標噴射量Ｑ２に対して適切に振り分ける必要がある。

そこで本実施形態では、噴射補正量ｑのうち、第１目標噴射量に振り分ける分を第１振分量ｑ１とし、第２目標噴射量に振り分ける分を第２振分量ｑ２とすると、第２メイン燃料の着火遅れ時間τ２が所定値以上の場合には、第１振分量ｑ１と第２振分量ｑ２との比が、第１着火遅れ時間τ１と第２着火遅れ時間τ２との比の逆比となるように、すなわちｑ１：ｑ２＝１／τ１：１／τ２（＝τ２：τ１）となるように、噴射補正量ｑを第１目標噴射量Ｑ１と第２目標噴射量Ｑ２とに振り分けることとした。

これにより、着火遅れ時間τの短い第２メイン燃料噴射Ｇ２の目標噴射量Ｑ２に振り分けられる第２振分量ｑ２が、着火遅れ時間の長い第１メイン燃料噴射Ｇ１の目標噴射量Ｑ１に振り分けられる第１振分量ｑ１よりも多くなるように、第１着火遅れ時間τ１及び第２着火遅れ時間τ２のそれぞれの長さに基づいて、各振分量ｑ１、ｑ２を適切に調節することができる。そのため、筒内圧力上昇率パターンの第１ピーク値Ｐ１及び第２ピーク値Ｐ２の変化をほぼ同じ程度に調節することができるので、予混合圧縮着火燃焼を実施したときの筒内圧力上昇率パターンの形状を所望の形状に維持することができる。

図１０は、この本実施形態による燃焼制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット２００は、本ルーチンを機関運転中に所定の演算周期で繰り返し実行する。

ステップＳ１において、電子制御ユニット２００は、クランク角センサ２２２の出力信号に基づいて算出された機関回転速度と、負荷センサ２２１によって検出された機関負荷と、を読み込み、機関運転状態を検出する。

ステップＳ２において、電子制御ユニット２００は、第１メイン燃料噴射Ｇ１の目標噴射量Ｑ１、及び第２メイン燃料噴射Ｇ２の目標噴射量Ｑ２を設定する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、予め実験等によって作成されたテーブルを参照し、少なくとも機関負荷に基づいて、目標噴射量Ｑ１、及び目標噴射量Ｑ２を設定する。

ステップＳ３において、電子制御ユニット２００は、第１メイン燃料噴射Ｇ１の目標噴射時期Ａ１、及び第２メイン燃料噴射Ｇ２の目標噴射時期Ａ２を設定する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、予め実験等によって作成されたテーブルを参照し、機関運転状態に基づいて、目標噴射時期Ａ１、及び目標噴射時期Ａ２を設定する。

ステップＳ４において、電子制御ユニット２００は、噴射補正量ｑが設定されているか否かを判断する。具体的には電子制御ユニット２００は、本ルーチンとは別途に機関運転中に随時算出されている噴射補正量ｑの値を読み込み、当該噴射補正量ｑの値がゼロ以外であれば、噴射補正量ｑが設定されていると判断してステップＳ５の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、噴射補正量ｑの値がゼロであれば、噴射補正量ｑが設定されていないと判断してステップＳ１０の処理に進む。

ステップＳ５において、電子制御ユニット２００は、第１着火遅れ時間τ１及び第２着火遅れ時間τ２を推定する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、吸入空気量や吸気圧力、吸気温度、ＥＧＲ率（酸素密度）などの筒内環境状態に基づいて、着火遅れ時間τの予測モデル（例えばLivengood-Wuの積分式を利用した予測モデル等）を使用して、第１着火遅れ時間τ１及び第２着火遅れ時間τ２を推定している。

ステップＳ６において、電子制御ユニット２００は、第２着火遅れ時間τ２が所定未満か否かを判定する。電子制御ユニット２００は、第２着火遅れ時間τ２が所定値未満であれば、ステップＳ７の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、第２着火遅れ時間τ２が所定値以上であれば、ステップＳ８の処理に進む。

ステップＳ７において、電子制御ユニット２００は、噴射補正量ｑの全てを第２目標噴射量Ｑ２に反映させて、第２目標噴射量Ｑ２のみを補正する。

ステップＳ８において、電子制御ユニット２００は、第１着火遅れ時間τ１及び第２着火遅れ時間τ２に基づいて、第１振分量ｑ１及び第２振分量ｑ２を算出する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、第１振分量ｑ１と第２振分量ｑ２との比が、第１着火遅れ時間τ１と第２着火遅れ時間τ２との比の逆比となるように、噴射補正量ｑを第１振分量ｑ１及び第２振分量ｑ２に分割する。

ステップＳ９において、電子制御ユニット２００は、第１振分量ｑ１を第１目標噴射量Ｑ１に反映させると共に、第２振分量ｑ２を第２目標噴射量Ｑ２に反映させて、第１目標噴射量Ｑ１及び第２目標噴射量Ｑ２の双方を補正する。

ステップＳ１０において、電子制御ユニット２００は、第１メイン燃料噴射Ｇ１の噴射量、及び噴射時期を、それぞれ第１目標噴射量Ｑ１、及び第１目標噴射時期Ａ１に制御すると共に、第２メイン燃料噴射Ｇ２の噴射量、及び噴射時期を、それぞれ第２目標噴射量Ｑ２、及び第１目標噴射時期Ａ２に制御して、予混合圧縮着火燃焼を実施する。

以上説明した本実施形態によれば、機関本体１と、機関本体１の燃焼室１１内で燃焼させるための燃料を噴射する燃料噴射弁２０と、を備える内燃機関１００を制御するための電子制御ユニット２００（制御装置）が、燃焼室１１内で段階的に２回の熱発生を生じさせて、筒内圧力上昇率の時間的変化を示す圧力波形が二山形状となるように、かつ、１回目の熱発生によって形成される圧力波形の一山目の第１ピーク値Ｐ１と、２回目の熱発生によって形成される圧力波形の二山目の第２ピーク値Ｐ２と、の比であるピーク比ＰＲが所定範囲内に収まるように、少なくとも第１メイン燃料噴射Ｇ１と第２メイン燃料噴射Ｇ２とを順次実施して燃料を予混合圧縮着火燃焼させる燃焼制御部を備える。

そして燃焼制御部は、第２メイン燃料噴射Ｇ２によって噴射される燃料の着火遅れ時間τの推定値である第２着火遅れ時間τ２を算出する第２着火遅れ時間算出部を備え、燃料噴射弁２０から噴射する燃料量に対する噴射補正量ｑが設定されたときは、第２着火遅れ時間τ２が所定値未満であれば、噴射補正量ｑを第２メイン燃料噴射Ｇ２の目標噴射量である第２目標噴射量Ｑ２に反映させるように構成される。

第２着火遅れ時間が所定値未満のときは、第２メイン燃料噴射Ｇ２によって噴射された燃料と空気との予混合期間が短く、予混合圧縮着火燃焼させることが可能な燃料が限られるため、噴射補正量ｑを第２目標噴射量Ｑ２に反映させることで、熱発生率パターンの二山目の燃焼波形Ｘ２のピーク値、ひいては筒内圧力上昇率パターンの第２ピーク値Ｐ２の大きさをほとんど変化させずに済む。そのため、予混合圧縮着火燃焼を実施したときの筒内圧力上昇率パターンの形状を所望の形状に維持することができ、燃焼騒音の悪化を抑制することができる。

また本実施形態による燃焼制御部は、燃料噴射弁２０から噴射する燃料量に対する噴射補正量ｑが設定された場合において、第２着火遅れ時間τ２が所定値以上のときは、噴射補正量ｑを第１メイン燃料噴射Ｇ１の目標噴射量である第１目標噴射量Ｑ１と第２目標噴射量Ｑ２とに振り分けて反映させると共に、噴射補正量ｑのうち、第２目標噴射量Ｑ２に振り分けられる第２振分量ｑ２を、第１目標噴射量Ｑ１に振り分けられる第１振分量ｑ１よりも多くするように構成される。

具体的には燃焼制御部は、第１メイン燃料噴射Ｇ１によって噴射される燃料の着火遅れ時間の推定値である第１着火遅れ時間τ１を算出する第１着火遅れ時間算出部をさらに備え、第２着火遅れ時間τ２が所定値以上のときは、噴射補正量ｑのうち、第１目標噴射量Ｑ１に振り分けられる第１振分量ｑ１と、第２目標噴射量Ｑ２に振り分けられる第２振分量ｑ２との比が、第１着火遅れ時間τ１と、第２着火遅れ時間τ２との比の逆比となるように、噴射補正量ｑを第１目標噴射量Ｑ１と第２目標噴射量Ｑ２とに振り分けるように構成される。

これにより、着火遅れ時間の短い第２メイン燃料噴射Ｇ２の目標噴射量Ｑ２に振り分けられる第２振分量ｑ２が、着火遅れ時間の長い第１メイン燃料噴射Ｇ１の目標噴射量Ｑ１に振り分けられる第１振分量ｑ１よりも多くなるように、第１着火遅れ時間τ１及び第２着火遅れ時間τ２のそれぞれの長さに基づいて、各振分量ｑ１、ｑ２を適切に調節することができる。そのため、筒内圧力上昇率パターンの第１ピーク値Ｐ１及び第２ピーク値Ｐ２の変化をほぼ同じ程度に調節することができるので、予混合圧縮着火燃焼を実施したときの筒内圧力上昇率パターンの形状を所望の形状に維持することができ、燃焼騒音の悪化を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば上記の実施形態において、第１メイン燃料噴射Ｇ１及び第２メイン燃料噴射Ｇ２に加えて、パイロット噴射やプレ噴射等のメイン燃料噴射以外の燃料噴射を実施するようにしても良い。

１機関本体
１１燃焼室
２０燃料噴射弁
１００内燃機関
２００電子制御ユニット（制御装置）

Claims

機関本体と、
前記機関本体の燃焼室内で燃焼させるための燃料を噴射する燃料噴射弁と、
を備える内燃機関を制御するための内燃機関の制御装置であって、
前記燃焼室内で段階的に２回の熱発生を生じさせて、筒内圧力上昇率の時間的変化を示す圧力波形が二山形状となるように、かつ、１回目の熱発生によって形成される前記圧力波形の一山目の第１ピーク値と、２回目の熱発生によって形成される前記圧力波形の二山目の第２ピーク値と、の比であるピーク比が所定範囲内に収まるように、少なくとも第１メイン燃料噴射と第２メイン燃料噴射とを順次実施して燃料を予混合圧縮着火燃焼させる燃焼制御部を備え、
前記燃焼制御部は、
前記第２メイン燃料噴射によって噴射される燃料の着火遅れ時間の推定値である第２着火遅れ時間を算出し、
前記燃料噴射弁から噴射する燃料量に対する噴射補正量が設定された場合において、前記第２着火遅れ時間が所定値未満のときは、前記噴射補正量を前記第２メイン燃料噴射の目標噴射量である第２目標噴射量に反映させ、前記第２着火遅れ時間が所定値以上のときは、前記噴射補正量を前記第１メイン燃料噴射の目標噴射量である第１目標噴射量と前記第２目標噴射量とに振り分けて反映させると共に、前記噴射補正量のうち、前記第２目標噴射量に振り分けられる第２振分量を、前記第１目標噴射量に振り分けられる第１振分量よりも多くする、
内燃機関の制御装置。
機関本体と、
前記機関本体の燃焼室内で燃焼させるための燃料を噴射する燃料噴射弁と、
を備える内燃機関を制御するための内燃機関の制御装置であって、
前記燃焼室内で段階的に２回の熱発生を生じさせて、筒内圧力上昇率の時間的変化を示す圧力波形が二山形状となるように、かつ、１回目の熱発生によって形成される前記圧力波形の一山目の第１ピーク値と、２回目の熱発生によって形成される前記圧力波形の二山目の第２ピーク値と、の比であるピーク比が所定範囲内に収まるように、少なくとも第１メイン燃料噴射と第２メイン燃料噴射とを順次実施して燃料を予混合圧縮着火燃焼させる燃焼制御部を備え、
前記燃焼制御部は、
前記第１メイン燃料噴射によって噴射される燃料の着火遅れ時間の推定値である第１着火遅れ時間を算出し、
前記第２メイン燃料噴射によって噴射される燃料の着火遅れ時間の推定値である第２着火遅れ時間を算出し、
前記燃料噴射弁から噴射する燃料量に対する噴射補正量が設定された場合において、前記第２着火遅れ時間が所定値未満のときは、前記噴射補正量を前記第２メイン燃料噴射の目標噴射量である第２目標噴射量に反映させ、前記第２着火遅れ時間が前記所定値以上のときは、前記噴射補正量のうち、前記第１メイン燃料噴射の目標噴射量である第１目標噴射量に振り分けられる第１振分量と、前記第２目標噴射量に振り分けられる第２振分量との比が、前記第１着火遅れ時間と、前記第２着火遅れ時間との比の逆比となるように、前記噴射補正量を第１目標噴射量と前記第２目標噴射量とに振り分ける、
内燃機関の制御装置。