JPS63208647A

JPS63208647A - デイ−ゼルエンジンの燃焼制御装置

Info

Publication number: JPS63208647A
Application number: JP62042190A
Authority: JP
Inventors: Masakimi Kono; 河野　誠公
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1987-02-25
Filing date: 1987-02-25
Publication date: 1988-08-30

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明はディーゼルエンジンの燃焼制御装置、特に燃料
噴射時期やスワールの強弱等の燃焼状態に影響を与える
各種要素を燃焼の開始時期に基づいて制御するようにし
たものである。

（従来の技術）ディーゼルエンジンにおいては、圧縮行程から膨張行程
へ移行する際における燃料噴射時期をエンジンの運転状
態に応じて所定の時期に調整することが行われるが、こ
の調整を燃料噴射ポンプで行っても、該ポンプから各燃
焼室に装着された燃料噴射ノズルまでの高圧管の長さの
ばらつき等により、実際にノズルから燃焼室に燃料が噴
射される時期、或いは燃焼室内で燃焼が開始する時期を
常にｉ適の時期に設定するのは困難である。そこで、出
力性能や排気、燃費性能等のエンジンの性能に最も関連
する燃焼開始時期を直接検出し、該時期が最適時期とな
るように燃料噴射ポンプからの燃料噴射時期をフィード
バック制御することが行われる。その場合に、この燃焼
開始時期を検出する手段としては、例えば特開昭６１−
１５２９６７号公報に示されているように、燃料噴霧の
着火に伴う発光を検出する着火センサ、或いは燃焼室内
の指圧を検出する指圧センサ等が用いられる。

（発明が解決しようとする問題点）ところで、上記の着火センサは、燃焼室内のどの位置に
設置しても着火に伴う発光を検出することができる利点
を有する反面、光の強弱に拘らずこれを検出するため、
着火の瞬間に発生した光と、その後の燃焼に伴う光との
区別ができず、着火した火種が生長して主燃焼に移行す
る瞬間を正確に把えることができない。特に、ディーゼ
ルエンジンにおいては、一つの火種が確実に主燃焼に至
るとは限らず、燃焼室内の各位置で時間的に相前後して
複数の火種が発生し、その一部は主燃焼に至ることなく
消滅し、他の一部が主燃焼に生長するといった情況で燃
焼が開始し、更に副室式ディーゼルエンジンにあっては
、前回のサイクルで噴射された燃料が副室内に残留して
、これが次の燃料噴射時期の前に着火することがある。

従って、着火による発光を検出するセンサによる場合は
、燃焼開始時期を誤って検出する可能性があり、該セン
サの出力に基づく制御の混乱を招くおそれがある。

一方、指圧センサは、主燃焼による圧力上昇を検出する
ものであるから、この主燃焼の開始を確実に検出するこ
とができるが、このセンサによる場合は、クランク角に
対する圧力の最大変化率を算出しなければならない等、
複雑な解析が必要であり、そのため制御装置のコストが
高く付くという欠点がある。

本発明は、燃焼開始時期を検出して燃料噴射時期のフィ
ードバック制御やスワールの制御等を行う場合における
上記のような問題に対処するもので、コストの大幅な上
昇を招くことなく、主燃焼の開始を常に正確に検出し得
るようにして、上記制御の精度や信頼性を向上させるこ
とを目的とする。

（問題点を解決するための手段）即ち、本発明に係るディーゼルエンジンの燃焼制御装置
は、主燃焼の開始時期を検出するセンサとしてイオンセ
ンサを用い、このイオンセンサを、燃焼室における燃料
噴射ノズルからの燃料噴射位置に対して燃焼成長方向下
流側に外れた位置に設置すると共に、該センサの出力に
応じて燃料噴射時期や吸気のスワール等の燃焼状態に影
響を及ぼす要素を制御する制御手段を備えたことを特徴
とする。尚、燃料噴射ノズルからの燃料噴射位置に対し
て燃焼成長方向下流側に外れた位！とは、例えば直接噴
射式ディーゼルエンジンの場合において、スワールが形
成されている燃焼室内にその中心から半径方向に燃料を
噴射する場合にあっては、その噴射線上よりスワールの
下流側に外れた位置等であり、また副室式ディーゼルエ
ンジンの場合においては、燃料が噴射される副室から主
燃焼が行われる主燃焼室へ通じる噴孔部等である。

（作　　用）上記の構成によれば、イオンセンサが設置された燃料噴
射ノズルからの燃料噴射位置に対して燃焼成長方向下流
側に外れた位置にイオンが発生した時に、該センサがこ
れを検出することになるが、イオンは、燃料が着火して
温度が上昇し或いは圧力の上昇に伴って温度が上昇する
ことにより活性化した時、換言すれば火種が主燃焼に成
長する際に発生すると共に、この火種から主燃焼への成
長は燃料噴霧内からスワールや燃焼ガスの流動方向等に
よって定まる所定の方向、即ち上記イオンセンサの設定
位置に向けて起きるから、該イオンセンサが主燃焼の開
始を確実に検出することになる。

（実　　施　　例）以下、本発明の実施例について説明する。

第１．第２図は本発明を直接噴射式ディーゼルエンジン
に適用した実施例を示すもので、・・このエンジンの燃
焼室１は、シリンダブロック２に形成されたシリンダ面
２ａと、該シリンダ面２ａ内に嵌挿されたピストン３の
上面３ａと、シリンダブロック１の上方に取付けられた
シリンダヘッド４の下面４ａとで構成されていると共に
、上記ピストン上面３ａには、燃料の噴射、着火、ない
し初期の燃焼が行われるキャビティ３ｂが形成されてい
る。また、上記シリンダヘッド４には、先端がキャビテ
ィ３ｂの略中央を臨むように燃料噴射ノズル５が装着さ
れ、またその近傍には先端がキャビティ３ｂ内を臨むよ
うにイオンセンサ６が装着されている。上記ノズル５は
、この実施例の場合、第２図に示すように先端部周囲に
等間隔で設けられた４個の噴孔５ａ・・・５ａを有し、
またイオンセンサ６は、電＆６ａをセラミック等の絶縁
体６ｂで覆った構成で、この実施例では第２図に示すよ
うに２個備えられている。

更に、シリンダヘッド４には吸、排気弁を介して燃焼室
１に連通ずる吸、排気ボートが設けられているが、第２
図に示すように吸気ボート４ｂは燃焼室１もしくはピス
トン上面のキャビティ３ｂに対して略接線方向に設けら
れ、該ボート４ｂから導入される吸気が燃焼室１ないし
キャビティ３ｂ内でＡ方向のスワールを形成するように
なっている。また、上記イオンセンサ６．６は、燃料噴
射ノズル５の４個の噴孔５ａ・・・５ａのうちの１８０
°反対側に位置する２個の噴孔５ａ、５ａの指向方向Ｂ
、Ｂから上記スワールの方向Ａに所定量外れた部位に先
端が位置するように設置されている。

そして、第１図に示すように、上記イオンセンサ６から
イオン検出時に出力されるイオン信号ａと、別途備えら
れたクランク角センサ７からのクランク角信号すとが入
力されるコントローラ８が備えられ、該コントローラ８
から上記燃料噴射ノズル５に燃料を供給する燃料噴射ポ
ンプ９に対して、燃料噴射時期を指示する燃料噴射信号
Ｃが出力されるようになっている。

次に、上記実施例の作用を説明する。

先ず、ピストン３が下動する吸気行程時に、第２図に示
す吸気ボート４ｂから導入される吸気により燃焼室１内
にＡ方向のスワールが形成されると共に、次いで圧縮行
程に移行してピストン３が上死点の手前まで上動した時
に、燃料噴射ポンプ９が燃料を吐出する。この燃料は、
燃焼室１に備えられた燃料噴射ノズル５に圧送されると
共に、該ノズル５を開弁させて、噴孔５ａ・・・５ａが
らピストン上面のキャビティ３ｂ内にその中央部がら半
径方向Ｂ・・・Ｂに噴射される。その場合に、燃焼室１
ないしキャビティ３ｂ内の空気は圧縮により十分に温度
が高くなっているがら、燃料はその噴霧Ｃ・・・Ｃ内の
各部位で着火する。そして、着火した各火種のうちのい
くつかが主燃焼に成長することになるが、この成長は上
記スワールによって噴ｎＣ・・・Ｃ内からＡ方向に向か
って起きる。一方、火種が主燃焼に成長する際にはイオ
ンが発生するので、主燃焼が開始された時には上記噴Ｍ
ｒＣ・・・Ｃのスワール方向Ａに対して下流側の部位に
イオンが存在することになり、これが燃料噴射ノズル５
の２個の噴孔５ａ、５ａの指向方向Ｂ、Ｂからスワール
の方向Ａの下流側に外れた位置に設置されたイオンセン
サ６．６によって検出されることになる。その場合に、
噴霧Ｃ・・・Ｃ内で燃料が着火して火種が発生しても、
これが主燃料に至らない場合にはイオンが発生しないか
ら、上記センサ６゜６がこのような着火を検出すること
はなく、また火種が成長して主燃焼が開始された時には
、その成長方向にイオンセンサ６．６が設置されている
から、主燃焼の開始に伴うイオンの発生が確実に検出さ
れることになる。このようにして、エンジンの出力性能
や、排気、燃費性能等を左右する主燃焼の開始時期が高
い信頼性ないし精度で検出されることになる。

そして、上記のようにしてイオンの発生、即ち主燃焼の
開始を検出するイオンセンサ６．６がらのイオン信号ａ
がコントローラ８に送出され、該コントローラ８により
、主燃焼の開始時期がエンジン負荷等に対応した最適の
時期となるように、燃料噴射ポンプ９に対して噴射時期
を指示する信号Ｃが出力される。

ところで、上記コントローラ８は、イオンセンサ６から
の信号ａに基づいて、主燃焼の開始時期を具体的には第
３図に示すフローチャートに従って判定する。

つまり、先ずフローチャートのステップｓｌでイオンセ
ンサ６からのイオン信号ａとクランク角センサ７からの
クランク角信号すとを入力すると共に、イオン信号ａに
ついては、第４図（ａ）。

（ｂ）に示すように高周波成分を除去し且つ一定レベル
以下の部分をカットした上で矩形波のパルス信号に変換
する。そして、ステップｓ２で、このパルス信号（イオ
ン信号）ａとクランク角信号すとを比較し、各パルスに
ついて所定の基準クランク角に対するＯＮＮ時期、、’
及びＯＦＦ時期時期ｊ″、並びにピーク値ＰＩＪを付与
する。尚、このステップＳ、、Ｓ２の動作は常時、連続
的に行われている。

次いで、コントローラ８はステップ８３〜Ｓ５に従って
データ番号を示す変数ｉ、ｊを１にセットした上で、ス
テップＳ６で第１番目のパルスについてのＯＮ時期ＴＩ
Ｊ’　　（Ｔｌｌ’　）　、ＯＦＦ時期ＴＩ−″　（Ｔ
　１１″）、ピーク値Ｐｉ（ｐＨ）を読み込み、ステッ
プＳフでＯＮ時期’ｒ１Ｊ’が所定の有効期間Ｔ、〜Ｔ
ｏ′内に含まれているが否かを判別する。この有効期間
は、第４図（Ｃ）に示すように、燃料噴射ポンプ９が燃
料噴射を開始するピストン３の圧縮上死点（ＴＤＣ）の
所定クランク角度だけ手前の時期Ｔｏから、燃料噴射期
間Δｔのα倍の期間が経過した時期Ｔｏ′までの期間で
あって、換言すれば燃焼室１内で主燃焼が開始される可
能性がある期間であり、エンジンの負荷に応じて燃料噴
射期間、ａｔが変化するので、この有効期間も変化する
。

そして、コントローラ８は、上記パルスのＯＮ時期ＴＩ
Ｊ’　　（Ｔ１１’　）がこの有効期間Ｔ。〜Ｔ。

′内に含まれている時はステップＳ、、ｓ、を実行した
上で、また該期間Ｔ、〜Ｔｏ′内に含まれていない時に
は、ステップＳ８．８９を実行することなく、再びステ
ップＳ６を実行し、次のパルスについてのＯＮ時期ＴＩ
Ｊ’　　（Ｔｌ□’）、ＯＦＦ時期ＴＩＪ″　（Ｔ１□
″）、ピーク値ｐＨ（Ｐｉ□）を読み込む、このように
して１回の燃焼サイクルが終了するまで上記各値ＴＩＪ
’　、　Ｔｌｌ”　、　Ｐ　１Ｊ（ｉ＝１．Ｊ＝１．２
．３・・・）を順次読み込むと共に、その間に上記ステ
ップＳ８で、有効期間Ｔ。

〜Ｔｏ′に含まれているパルスのうちの最大ピーク値Ｐ
ＩＪを示すピークを判別し、そのパルスのＯＮ時期’ｒ
、、’　、ＯＦＦ時期Ｔ１．″を夫々の代表値Ｔ＋　’
　　（Ｔｔ　’　）、Ｔ＋“　（Ｔｌ″）として設定す
る。そして、１回の燃焼サイクルが終了した時点で、ス
テップＳ９からステップＳＩＯを実行して、上記ＯＮ時
期、ＯＦＦ時期の代表値Ｔ、’。

Ｔ１″の平均値Ｔ＋　　（Ｔｌ）を求め、これを第１回
目の燃焼サイクルにおける主燃焼開始時期とする。

コントローラ８は、以上の動作をＮ回の燃焼サイクルに
ついて繰り返し行った後、ステップＳｔｔからステップ
Ｓ１２を実行し、各サイクルにおける主燃焼開始時期Ｔ
Ｉ　（＋　＝１．２．３・・・Ｎ）の平均値を求め、こ
の値を最終的な主燃焼開始時期Ｔとする。そして、その
後コントローラ８はメインプログラムを実行し、上記主
燃焼開始時期Ｔがその時点でのエンジンの運転状態に応
じた最適時期でない場合は、最適時期となるように、燃
料噴射信号Ｃを出力して、燃料噴射ポンプ９における燃
料噴射時期の補正制御を行う。

次に、第５図に示す他の実施例について説明する。この
実施例は本発明を副室式ディーゼルエンジンに適用した
場合のものであって、このエンジンの場合、燃焼室は、
シリンダブロック１１のシリンダ面１１ａとピストン１
２の上面１２ａとシリンダヘッド１３の下面１３ａとで
形成される主燃焼室１４と、シリンダヘッド１３の内部
に形成された副室１５とに分割され、両室１４．１５が
噴孔１６を介して連通されている。ここで、上記副室１
５はセラミックで形成された一対の副室構成部材１５ａ
、１５ｂにより構成されていると共に、これらの部材１
５ａ、１５ｂが金属環１５ｃ内に嵌合保持された状態で
シリンダヘッド１３に設けられた凹部１３ｂ内に嵌め込
まれている。

そして、この副室１５内を臨むように燃量噴射ノズル１
７とグロープラグ１８とがシリンダヘッド１３に装着さ
れていると共に、上記噴孔１６内を先端が臨むようにイ
オンセンサ１９が装着されている。

この副室式ディーゼルエンジンの場合、燃料噴射ノズル
１７から副室１５内に燃料が噴射され、該副室１５内で
着火する。そして、この着火により発生した火種のうち
のいくつかは副室１５から噴孔１６を通って主燃焼室１
４に流入しながら主燃焼に成長する。つまり、この場合
は、上記噴孔１６内が燃料噴射位置に対して燃焼成長方
向の下流側となり、主燃焼が開始される時に該噴孔１６
内にイオンが発生することになる。従って、該噴孔１６
内を臨むように設置されたイオンセンサ１９が主燃焼の
開始に伴うイオンの発生を確実に検出し、主燃焼の開始
時期が高い信頼性ないし精度で検出されることになる。

そして、イオンセンサ１９からの信号は、前記実施例と
同様にコントローラに送出され、該コントローラにより
主燃焼開始時期が運転状態に応じた最適時期となるよう
に燃料噴射時期のフィードバック制御が行われる。

尚、第６図は本発明に関連する直接噴射式ディーゼルエ
ンジンについてのイオンセンサの他の使用例を示すもの
であり、このエンジンにおいては、イオンセンサ２１が
燃焼室２２におけるピストン２３の上面２３ａとシリン
ダヘッド２４の下面２４ａとの間に形成されるスキッシ
ュゾーンＸを臨むように配設されている。また、吸気弁
２５を介して燃焼室２２に通じる吸気ボート２６はスワ
ールを形成するように設けられていると共に、該吸気ボ
ート２６内にスワールの強さをコントロールするための
スワール調整弁２７が配設されている。

そして、上記イオンセンサ２１からのイオン信号ａ′と
クランク角センサ２８からのクランク角信号ｂ′とがコ
ントローラ２つに入力されると共に、該コントローラ２
つから上記スワール調整弁２７を作動させるアクチュエ
ータ３０に制御信号Ｃ′が送出されるようになっている
。

このエンジンにおいては、燃料噴射ノズル３１からキャ
ビティ２３ｂ内に噴射された燃料が該キャビティ２３ｂ
内で着火して主燃焼に成長しながら、所謂逆スキッシュ
としてスキッシュゾーンＸに流出する時に、該スキッシ
ュゾーンＸに設置されたイオンセンサ２１が上記逆スキ
ッシュ流内のイオンを検出する。その場合に、スキッシ
ュゾーンＸに流入するイオンの量は、逆スキッシュの流
量に対応するから、イオンセンサ２１によって逆スキッ
シュの流量が検出されることになる。

ところで、この逆スキッシュの流量はエンジンの出力性
能を左右するものであるが、キャビティ内２３ｂに形成
されているスワールが強すぎると逆スキッシュ流が弱く
なって流量が減少する。そこで、コントローラ２つは、
イオンセンサ２１の出力信号ａ′によって判別される逆
スキュッシュの流量が少ない時には、アクチュエータ３
０を介して吸気ボート２６内のスワール調整弁２７をス
ワールが弱くなる方向へ作動させる。また、逆スキッシ
ュの流量が多過ぎる場合には、上記スワール調整弁２７
をスワールが強くなる方向へ作動させる。

このようにして、スワールと逆スキッシュの強さがいず
れも適度にコントロールされることになり、両者が相俟
ってエンジンの性能が向上されることになる。

（発明の効果）以上のように本発明によれば、燃料噴射ノズルからの燃
料噴射位置に対して燃焼成長方向下流側に設置されたイ
オンセンサにより、主燃焼の開始時期が高い信頼性ない
し精度で検出されることになる。従って、この主燃焼開
始時期に基づいて燃料噴射時期やスワールの強弱等を制
御する場合に、これらの制御が常に正確に行われて、エ
ンジンの出力性能や排気、燃費性能が向上されることに
なる。

【図面の簡単な説明】

第１〜４図は本発明の第１実施例を示すもので、第１図
は燃焼室周辺の断面図、第２図は該燃焼室における燃料
噴射方向とイオンセンサの設置位置との関係を示す概略
平面図、第３図は主燃焼開始時期の判別制御を示すフロ
ーチャート図、第４図はこの制御の一例を示すクランク
角に対する各信号の状態を示すグラフである。また、第
５図は本発明の第２実施例を示す燃焼室周辺の断面図、
第６図は本発明に関連するイオンセンサの使用例を示す
燃焼室周辺の断面図である。１．１５・・・燃焼室、５．１７・・・燃料噴射ノズル
、６．１９・・・イオンセンサ、８・・・制御手段（コ
ントローラ）。第３図第４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　燃焼状態に影響を与える要素を制御するディー
ゼルエンジンの燃焼制御装置であって、燃焼室における
燃料噴射ノズルからの燃料噴射位置に対して燃焼成長方
向下流側に外れた位置にイオンセンサが配置され、且つ
該センサからの出力に応じて上記要素を制御する制御手
段が備えられていることを特徴とするディーゼルエンジ
ンの燃焼制御装置。