JP4114199B2 - エンジンの燃焼制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの燃焼制御装置に関し、詳細には、予混合圧縮燃焼が行われるエンジンの燃焼制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンの燃焼には、トレードオフの関係にあるＮＯｘ低減と煤（パーティキュレート：ＰＭ）低減の両者を同時に達成することが求められる。このような課題を解決するため、近年、燃料の噴射時期を大幅に進角させて、予混合燃焼が主体の燃焼状態とすることにより、ＮＯｘと煤とを同時に且つ格段に低減できる予混合圧縮着火燃焼と呼ばれる燃焼形態が提案されてる。例えば、特許文献１に記載のディーゼルエンジンでは、ＥＧＲによって多量の排気を還流させるとともに、気筒の圧縮行程で燃料を噴射して空気と十分に混合し、この予混合気を圧縮行程の終わりに自着火させて、燃焼させるようにしている。
【０００３】
このような予混合燃焼（予混合圧縮着火燃焼）のときには、ＥＧＲによって吸気中に還流させる排気の割合（ＥＧＲ率）を従来よりも高く設定する。すなわち、空気に比べて熱容量の大きい排気を吸気中に多量に混在させ、予混合気中の燃料及び酸素の密度を低下させることで、着火遅れ時間を延長して燃料を吸気（空気及び排気）と十分に混合させ、そのように形成された予混合気の着火のタイミングを圧縮上死点（ＴＤＣ）近傍まで遅延させて、サイクル効率の高い熱発生のパターンとしている。また、そのようにして着火した予混合気中では燃料及び酸素の周囲に不活性な排気が略均一に分散するので、これが燃焼熱を吸収し、ＮＯｘ生成が大幅に抑制される。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１１０６６９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような予混合圧縮着火燃焼では、燃料が早期に噴射されるため、噴射された燃料が過早着火を起こし、所望の出力や燃焼形態が得られないことがあるという問題があった。
【０００６】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、安価な構成で、過早着火を検出し、所望の出力や燃焼形態が得られるようにするエンジンの燃焼制御装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、
エンジンの気筒内の燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記エンジンからの排気の一部を前記燃焼室に還流させるＥＧＲ手段と、
前記燃料噴射弁に要求トルクに応じた量の燃料を吸気行程から圧縮行程上死点付近までの所定時期に噴射させ、前記ＥＧＲ手段に所定量の以上の排気を前記燃焼室に還流させることにより、前記燃焼室において予混合燃焼を行わせる予混合燃焼制御手段と、
前記燃焼室内の異常燃焼を検出するノッキングセンサと、
前記ノッキングセンサの検出値が大きいときに、前記ＥＧＲ手段による排気の還流量を増量させる補正を行う補正手段と、
前記補正手段により増量補正する排気の還流量が上限値を超えたか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段の判定結果に基づき、前記燃料噴射弁、前記ＥＧＲ手段または前記予混合燃焼制御手段の作動状態を診断する診断手段と、
を備えていることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置が提供される。
【０００８】
本発明の好ましい態様によれば、前記予混合燃焼制御手段は、前記所定時期に行われる燃料噴射の後に前記燃焼室内の温度上昇に伴って発生する冷炎反応から熱炎反応への移行を遅延させるように燃料を噴射させる副噴射を行わせ、前記補正手段は、前記ノッキングセンサの検出値が大きいときに、前記ＥＧＲ手段による排気の還流量を増量させる補正を行う前に、前記副噴射による噴射量を増量させる補正を行い、前記副噴射による噴射量がガード値を超えたときに、前記ＥＧＲ手段による排気の還流量を増量させる補正に移行する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に沿って、本発明の第１の実施形態のエンジンの燃焼制御装置を詳細に説明する。図１は、第１の実施形態のエンジンの燃焼制御装置が適用されるエンジンシステムの概略的なブロック図である。このエンジンシステムは、車両に搭載されたディーゼルエンジン１を備え、このエンジン１は４本の気筒２（１つのみ図示する）を有している。各気筒２内には、往復動可能にピストン３が嵌挿され、ピストン３により各気筒２内に燃焼室４が形成されている。また、燃焼室４の天井部にはインジェクタ５（燃料噴射弁）が取付けられ、その先端部の噴口から高圧の燃料が燃焼室４に直接、噴射される。各インジェクタ５の基端部は、それぞれ分岐管６ａ，６ａ，…（１つのみ図示する）により共通の燃料分配管６（コモンレール）に接続されている。コモンレール６は、燃料供給管８により高圧供給ポンプ９に接続され、高圧供給ポンプ９から供給される燃料を各インジェクタ５に所定のタイミングで供給できるように高圧の状態で蓄えている。燃料分配管６には、内部の燃圧（コモンレール圧力）を検出するための燃圧センサ７が取付けられている。
【００２０】
高圧供給ポンプ９は、図示しない燃料供給系に接続されるとともに、歯付ベルト等によりクランク軸１０に駆動連結されていて、燃料をコモンレール６に圧送するとともに、その燃料の一部を電磁弁を介して燃料供給系に戻すことにより、コモンレール６への燃料の供給量を調節する。電磁弁の開度が燃圧センサ７による検出値に応じてＥＣＵ４０（後述）により制御されることによって、燃圧がエンジン１の運転状態に対応する所定値に制御される。
【００２１】
また、エンジン１の上方には、吸気弁及び排気弁をそれぞれ開閉させる動弁機構（図示せず）が設けられている。エンジン１の下部には、クランク軸１０の回転角度を検出するクランク角センサ１１と、過早着火等の異常燃焼を検出するノッキングセンサ１２と、冷却水の温度を検出するエンジン水温センサ１３とが設けられている。クランク角センサ１１は、クランク軸端に設けた被検出用プレートとその外周に相対向するように配置した電磁ピックアップとからなり、被検出用プレートの外周部全周に亘って等間隔に形成された突起部が通過する度に、パルス信号を出力する。
【００２２】
エンジン１の一方（図の右側）の側面には、エアクリーナ１５で濾過した空気（新気）を各気筒２の燃焼室４に供給する吸気通路１６が接続されている。吸気通路１６の下流端部にはサージタンク１７が設けられ、サージタンク１７から分岐した各通路がそれぞれ吸気ポートにより各気筒２の燃焼室４に連通しているとともに、サージタンク１７には吸気の圧力状態を検出する吸気圧センサ１８が設けられている。
【００２３】
また、吸気通路１６には、上流側から下流側に向かって順に、外部からエンジン１に吸入される空気の流量を検出するホットフィルム式エアフローセンサ１９と、後述のタービン２７により駆動されて吸気を圧縮するコンプレッサ２０と、このコンプレッサ２０により圧縮した吸気を冷却するインタークーラ２１と、バタフライバルブからなる吸気絞り弁２２とが設けられている。吸気絞り弁２２は、弁軸がステッピングモータ２３により回動され、全閉から全開までの間の任意の状態を採り得るものであり、全閉状態でも吸気絞り弁２２と吸気通路１６の周壁との間には空気が流入するだけの間隙が残るように構成されている。
【００２４】
一方、エンジン１の他方（図の左側）の側面には、各気筒２の燃焼室４からそれぞれ燃焼ガス（排気）を排出する排気通路２６が接続されている。排気通路２６の上流端部は、各気筒２毎に分岐して排気ポートにより燃焼室４に連通する排気マニホルドであり、排気マニホルドよりも下流の排気通路２６には上流側から下流側に向かって順に、排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ2センサ２９と、排気流を受けて回転されるタービン２７と、排気中の有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ、煤等）を浄化可能な触媒コンバータ２８とが配置されている。
【００２５】
タービン２７と吸気通路１６のコンプレッサ２０とからなるターボ過給機３０は、可動式のフラップ３１によりタービン２７への排気の通路断面積を変化させるようにした可変ターボ（以下ＶＧＴという）であり、フラップ３１は、各々、図示しないリンク機構を介してダイヤフラム３２に駆動連結され、ダイヤフラム３２に作用する負圧の大きさが負圧制御用の電磁弁３３により調節されることで、フラップ３１の回動位置が調節される。
【００２６】
排気通路２６には、タービン２７よりも排気上流側の部位に臨んで開口するように、排気の一部を吸気側に還流させるための排気還流通路（ＥＧＲ通路）３４の上流端が接続されている。ＥＧＲ通路３４の下流端は吸気絞り弁２２及びサージタンク１７の間の吸気通路１６に接続され、排気通路２６から取り出された排気の一部を吸気通路１６に還流させるように構成されている。また、ＥＧＲ通路３４の途中には、その内部を流通する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ３７と、開度調節可能な排気還流量調節弁（以下ＥＧＲ弁という）３５とが配置されている。ＥＧＲ弁３５は負圧応動式のものであり、ＶＧＴ３０のフラップ３１と同様に、ダイヤフラムへの負圧の大きさが電磁弁３６によって調節されることにより、ＥＧＲ通路３４の断面積をリニアに調節して、吸気通路１６に還流される排気の流量を調節する。
【００２７】
各インジェクタ５、高圧供給ポンプ９、吸気絞り弁２２、ＶＧＴ３０、ＥＧＲ弁３５等は、いずれもコントロールユニット（Electronic Contorol Unit：以下ＥＣＵという）４０からの制御信号を受けて作動する。一方、このＥＣＵ４０には、燃圧センサ７、クランク角センサ１１、ノッキングセンサ１２、エンジン水温センサ１３、吸気圧センサ１８、エアフローセンサ１９、リニアＯ2センサ２９等の出力信号がそれぞれ入力され、さらに、図示しないアクセルペダルの踏み操作量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ３９からの出力信号が入力される。
【００２８】
ＥＣＵ４０によるエンジン１の基本的な制御では、主にアクセル開度に基づいて基本的な目標燃料噴射量が決定され、インジェクタ５の作動制御によって燃料の噴射量や噴射時期が制御されるとともに、高圧供給ポンプ９の作動制御により燃圧、即ち燃料の噴射圧力が制御される。また、吸気絞り弁２２やＥＧＲ弁３５の開度の制御によって燃焼室４への排気の還流割合を制御し、さらに、ＶＧＴ３０のフラップ３１の作動制御（ＶＧＴ制御）によって吸気の過給効率を向上させる。
【００２９】
具体的には、図２の制御マップ（燃焼モードマップ）に示すように、エンジン１の温間の全運転領域のうちの相対的に低負荷側には、予混合燃焼領域（Ｈ）が設定され（設定運転状態）、この領域では、インジェクタ５により圧縮行程中期から後期にかけて燃料を噴射させ、予めできるだけ均質な混合気を形成した上で自着火により燃焼させる。このような燃焼形態は、予混合圧縮着火燃焼と称され、気筒の１サイクル当たりの燃料噴射量があまり多くないときにその燃料の噴射時期を適切に設定して、燃料を適度に広く分散させ且つ空気と十分に混合した上で、その大部分を略同じ着火遅れ時間の経過後に自着火させて、一斉に燃焼させるものである。つまり、予混合圧縮着火燃焼は、予混合燃焼の割合が拡散燃焼の割合よりも多い燃焼状態である。
【００３０】
尚、インジェクタ５による燃料の噴射は、圧縮上死点近傍よりも気体の圧力や密度状態が低い燃焼室４に燃料を噴射する場合には、燃料噴霧の貫徹力が強くなり過ぎることを避けるため、圧縮行程中期から後期にかけて、複数回に分けて行われても良い。従って、燃料噴射量が多いほど燃料噴射の回数（分割回数）を増やすのが好ましい。
【００３１】
予混合圧縮着火燃焼の際には、ＥＧＲ通路３４のＥＧＲ弁３５を相対的に大きく開いて吸気通路１６に多量の排気を還流させる。これにより、新気、即ち外部から供給される新しい空気に不活性で熱容量の大きい排気が多量に混合され、これに対して燃料の液滴及び蒸気が混合されることになるから、予混合気自体の熱容量が大きくなるとともに、その中の燃料及び酸素の密度は比較的低くなる。このことで、着火遅れ時間を延長して空気と排気と燃料とを十分に混合した上で、着火、燃焼させることが可能になる。
【００３２】
図３のグラフは、エンジン１の低負荷域で圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）の所定のクランク角（例えばＢＴＤＣ３０°ＣＡ）に燃料を噴射して予混合圧縮着火燃焼させたときに、熱発生のパターンがＥＧＲ率（新気量及び還流排気量を合わせた全吸気量に対する還流排気量の割合）に応じてどのように変化するかを示した実験結果を示している。図３に仮想線で示すように、ＥＧＲ率が低いときには燃料はＴＤＣよりもかなり進角側で自着火してしまい、サイクル効率の低い過早な熱発生のパターンとなる。一方、ＥＧＲ率が高くなるに連れて自着火のタイミングは徐々に遅角側に移動し、図に実線で示すようにＥＧＲ率が略５５％のときには、熱発生のピークが略ＴＤＣになってサイクル効率の高い熱発生パターンとなることがわかる。
【００３３】
また、図３のグラフによれば、ＥＧＲ率が低いときには熱発生のピークがかなり高くなっており、燃焼速度の高い激しい燃焼であることが分かる。このときには燃焼に伴うＮＯｘの生成が盛んになり、また、極めて大きな燃焼音が発生する。一方、ＥＧＲ率が高くなるに連れて熱発生の立ち上がりが徐々に緩やかになり、そのピークも低下する。これは、前記の如く混合気中に多量の排気が含まれる分だけ、燃料及び酸素の密度が低くなることと、その排気によって燃焼熱が吸収されることとによると考えられる。そして、そのように熱発生の穏やかな低温燃焼の状態では、ＮＯｘの生成が大幅に抑制される。
【００３４】
図４のグラフは、前記の実験においてＥＧＲ率の変化に対する燃焼室４の空気過剰率λ、排気中のＮＯｘ及び煤の濃度の変化を示し、図４(a)によれば、この実験条件においてＥＧＲ率が０％のときには空気過剰率λがλ≒２．７と大きく、ＥＧＲ率が大きくなるに従い空気過剰率λが徐々に小さくなって、ＥＧＲ率が略５５〜６０％のときに略λ＝１になっている。すなわち、排気の還流割合が多くなるに連れて混合気の平均的な酸素過剰率λが１に近づくのであるが、たとえ燃料及び酸素の比率が略λ＝１であっても、それらの周囲には多量の排気が存在しているから、燃料や酸素の密度自体はあまり高くはないのである。従って、図４(b)に示すように、排気中のＮＯｘの濃度はＥＧＲ率の増大とともに一様に減少していて、ＥＧＲ率が４５％以上ではＮＯｘは殆ど生成しなくなる。
【００３５】
一方、煤の生成については、図４(c)に示すように、ＥＧＲ率が０〜略３０％では殆ど煤が見られず、ＥＧＲ率が略３０％を超えると煤の濃度が急激に増大するが、ＥＧＲ率が略５０％を超えると再び減少し、ＥＧＲ率が略５５％以上になると略零になる。これは、まず、ＥＧＲ率が低いときには一般的なディーゼル燃焼と同じく、予混合燃焼の割合よりも拡散燃焼の割合が多い燃焼状態になり、しかも、吸気中には燃料に対して酸素が過剰に存在することから、激しい燃焼の際にも煤は殆ど生成しないが、ＥＧＲ率が増大して吸気中の酸素が少なくなると、拡散燃焼の状態が悪化して煤の生成量が急増するということである。一方、ＥＧＲ率が略５５％以上になると、上述したように、新気と排気と燃料とが十分に混合された上で燃焼するようになり、このときには煤は殆ど生成しないと考えられる。
【００３６】
本実施形態では、エンジン１が低負荷側の予混合燃焼領域（Ｈ）にあるときには、燃料を比較的早期に噴射するとともに、ＥＧＲ弁３５の開度を制御して、ＥＧＲ率を予め設定した所定値（第１設定値：前記の実験例では略５５％くらいであり、一般的には略５０〜略６０％くらいの範囲に設定するのが好ましい）以上とすることで、ＮＯｘや煤の殆ど生成しない予混合燃焼が主体の低温燃焼を実現している。
【００３７】
一方、図２の制御マップに示すように、予混合燃焼領域（Ｈ）以外の高速ないし高負荷側の運転領域（Ｄ）では、混合気の拡散燃焼の割合が予混合燃焼の割合よりも多い一般的なディーゼル燃焼を行うようにする。インジェクタ５により主に気筒２のＴＤＣ近傍で燃料を噴射させて、初期の予混合燃焼に続いて大部分の燃料を拡散燃焼させるようにする（以下、この運転領域（Ｄ）を拡散燃焼領域というが、この運転領域では気筒２の圧縮上死点近傍以外でも燃料を噴射するようにしてもよい）。
【００３８】
このときＥＧＲ弁３５の開度は、前記した予混合燃焼領域（Ｈ）に比べれば小さくして、ＥＧＲ率が予め設定した所定値以下になるようにする。これは、拡散燃焼が主体の一般的なディーゼル燃焼において煤の増大を招かない範囲で、ＮＯｘの生成をできるだけ抑制するように設定され、具体的には図６のグラフに一例を示すように、拡散燃焼領域（Ｄ）におけるＥＧＲ率の上限は、例えば略３０〜略４０％の範囲に設定するのが好ましい。また、エンジン１の負荷が高くなるほど気筒２への新気の供給量を確保する必要があるので、高負荷側ほどＥＧＲ率は低くなり、しかも、高速ないし高負荷側ではターボ過給機３０による吸気の過給圧が高くなるので、排気の還流は実質的に行われない。
【００３９】
上述したように、エンジン１を予混合圧縮着火燃焼させる場合には、燃焼室４へ還流させる排気の流量が多ければ良いというものではなく、ＥＧＲ率が高くなり過ぎれば、予混合気の着火タイミングが遅くなり過ぎてサイクル効率が低下し、燃え残りが多くなるとともに、失火する虞れもある。このため、通常は、エアフローセンサ１９からの信号に基づいて求められる吸気量の変化やエンジン回転速度の変化に対応して、ＥＣＵ４０によりＥＧＲ弁３５の開度を制御するようにしている。
【００４０】
しかし、例えばエンジン１の加速運転時には、吸気流量の増大に対して排気の還流量が遅れて変化することになるから、一時的にＥＧＲ率が低下して、前記第１設定値を大幅に下回る虞れがある。特に、この実施形態のようにターボ過給機３０を備えるたエンジン１の場合、過給圧の変化によって排気の還流量が大きく変化することから、ＥＧＲ率の変化が大きくなり易く、このことによる着火時期の変動が問題となる。
【００４１】
また、たとえＥＧＲ率が同じであっても、還流する排気の温度状態が変化すると、そのことによって着火遅れ期間が変化する。すなわち、還流する排気の温度状態が高いほど着火遅れ期間は短くなり、反対に、排気の温度状態が低いほど着火遅れ期間は長くなるし、さらに、厳密には燃焼室４そのものの温度状態や吸気温度の変化によっても着火遅れ期間は変化するから、このような温度変化に起因する着火時期の変化も問題となる。
【００４２】
エンジン１を予混合圧縮着火燃焼の状態にする場合、単にＥＧＲ弁３５の開度を制御するだけでは、予混合気の着火のタイミングをＴＤＣ近傍の適切な範囲に維持することはできず、必ずしも最適な熱発生パターンを実現することはできない。
【００４３】
このため、本実施形態では、エンジン１の気筒２の圧縮行程終盤に燃焼室４の温度状態が徐々に上昇する状態で、予混合気の冷炎反応が開始した後の所定時期に追加で燃料噴射（以下、副噴射という）を行うと、これによって冷炎反応から熱炎反応への移行、即ち着火が遅延し、この遅延時間が追加噴射の量に応じて変化するという知見に基づいて、以下のような副噴射を行っている。
【００４４】
エンジン１の低負荷域でＥＧＲ率を第１設定値よりも低い略５０％として、気筒２の圧縮行程の比較的早期（例えばＢＴＤＣ３０〜４５°ＣＡ）に燃料を噴射（以下、主噴射ともいう）するとともに、圧縮行程終盤の所定の時期（例えばＢＴＤＣ１５°ＣＡ近傍）に燃料を副噴射したときの熱発生率を示している図６のグラフによれば、副噴射する燃料の量が多いほど、予混合気の着火タイミングが遅角側にずれていくことが分かる。
【００４５】
詳細には、副噴射を行わない場合（副噴射量が零）、図に仮想線のグラフＡとして示すように、ＢＴＤＣ２０°ＣＡ近傍から冷炎反応による小さな熱発生が見られ、その後、ＢＴＤＣ８°ＣＡ近傍から熱発生率が急激に立ち上がって、ＴＤＣ前で比較的高いピークを示す。すなわち、ＥＧＲ率が第１設定値よりも低いことから、予混合気が過早なタイミングで着火してしまい、このことで、図７(a)、(b)にそれぞれ示すようにＮＯｘや煤の生成が多くなるとともに、図７(c)に示すように出力も相対的に低くなる（燃費の悪化を招く）。
【００４６】
これに対し、副噴射を行うようにすると、図６、８にそれぞれ破線Ｂ、Ｃ及び実線Ｄとして示すように、ＢＴＤＣ１５〜１０°ＣＡあたりで一旦、熱発生率が低下して筒内温度の上昇が緩やかになるとともに、その後に熱発生が大きく立ち上がる着火のタイミングが遅角側に移動する。このとき、主噴射及び副噴射を合わせた全噴射量は略同じにして、グラフＢ→Ｃ→Ｄの順に副噴射量が多くなるに従って（それぞれ全噴射量に対する副噴射量の割合が略１４％、略２３％、略３３％）、着火時期が徐々に遅角側に移動するとともに、その立ち上がりが緩やかになり、実線Ｄや一点鎖線Ｅのグラフに示すように副噴射量が主噴射量と同じくらいになると（Ｅのグラフでは副噴射量の割合は５８％）、着火時期が略ＴＤＣになって、サイクル効率の高い最適な熱発生のパターンとなる。
【００４７】
このように副噴射によって着火時期が遅延するのは、副噴射された燃料が気化する際にその周囲の予混合気から熱を吸収して温度を低下させることによると考えられる。すなわち、一般に、予混合気が自着火する前の前炎反応は、燃料と酸素との反応によって中間生成物が生まれる比較的低温の酸化反応（冷炎反応）と、この中間生成物ないし燃料と酸素との反応によって水や二酸化炭素が生成される比較的高温の酸化反応（熱炎反応）とに大別され、この熱炎反応が一旦、開始すれば、その反応が爆発的に進行する燃焼状態になると考えられている。
【００４８】
そのような前炎反応の進行は、燃料及び酸素の密度や雰囲気温度によって大きく左右され、比較的温度が低く且つ燃料等の密度も低い状態では、比較的長い冷炎反応の期間を経た後に熱炎反応へ移行することになり、或いは熱炎に至らないこともある（失火）。一方、雰囲気温度や燃料等の密度が高いときには冷炎反応の期間が短く、速やかに熱炎反応に移行する。
【００４９】
そうすると、仮に燃料の副噴射を冷炎の開始前に行うと、この副噴射された燃料が主噴射による予混合気と一体になって部分的に過濃な混合気が形成され、この部分の燃料密度が高いことから早期に熱炎反応が開始することが予想される。一方、冷炎の開始後に副噴射を行えば、この副噴射された燃料が気化する頃には既に冷炎反応によって燃料の一部が消費されていて、燃料密度の特に高い部分が生じ難いので、この場合には、副噴射燃料の気化潜熱によって予混合気の温度が低下することで、熱炎反応の開始が遅延すると考えられる。
【００５０】
但し、副噴射のタイミングが遅すぎて、予混合気中で熱炎反応が開始してしまえば、前記のように副噴射によって予混合気の温度を低下させても燃焼を停止させることはできないから、副噴射はあまり遅すぎては効果がなく、例えばＢＴＤＣ略２０〜略１０°ＣＡくらいの範囲にて行うのが好ましい。尚、副噴射時期があまり遅くなると、この副噴射燃料の大部分が拡散燃焼するようになり、着火を遅延させる効果が得られないばかりか、副噴射した燃料の燃焼によって煤の濃度が高まるという不具合を生じる。
【００５１】
以上のように、気筒２の圧縮行程で比較的早期に燃料を主噴射し、この燃料により形成された予混合気中で燃焼室４の温度上昇に伴い冷炎反応が開始した後に、圧縮行程終盤の所定の時期において燃料の副噴射を行うようにすれば、この燃料の気化潜熱によって予混合気の温度を低下させて、着火のタイミングを遅延させることができるから、例えばＥＧＲ率が第１設定値に満たない状況にあっても燃料の副噴射量を変更することによって、着火時期を調節することができる。
【００５２】
但し、気筒２の圧縮行程終盤で行う副噴射の量があまり多くなると、今度は燃焼全体に占める拡散燃焼の割合が急激に増大し、図６、８にそれぞれ一点鎖線のグラフＦ、Ｇとしてで示すように（それぞれ副噴射量割合は７８％、１００％）、ＴＤＣ近傍で急激な熱発生が起きて筒内温度も高くなる。こうなると、燃焼速度の高い激しい燃焼によって煤の生成が急増してしまう（図７(b)参照）。
【００５３】
そこで、この本実施形態の燃焼制御装置では、エンジン１が予混合燃焼領域（Ｈ）にあるときに、各気筒２毎のインジェクタ５により燃料の主噴射に加えて副噴射を行い、且つその副噴射の量を適切に制御して着火時期を最適化するようにした。尚、前記の実験結果を考慮すれば、全噴射量に対する副噴射量の割合は略２０〜略７０％とするのがよく、略３０〜略６０％とするのがさらに好ましい。
【００５４】
さらに、本実施形態では、ノックセンサ１２によりエンジンの過早着火を検出し、以下のように、ノッキング（過早着火）を抑制できるように副噴射量を制御している。
【００５５】
次に、ＥＣＵ４０による燃料噴射の制御の内容を図９のフローチャートに沿って説明する。まず、ステップＳ１において、燃圧センサ７からの信号、クランク角センサ１１からの信号、ノッキングセンサ１２から信号、吸気圧センサ１８からの信号、エアフローセンサ１９からの信号、リニアＯ2センサ２９からの信号、アクセル開度センサ３９からの信号等を入力し、また、ＥＣＵ４０のメモリに記憶されている各種データを読み込む（データ入力）。
【００５６】
続いて、ステップＳ２において、予混合燃焼を行う運転領域にあるか否かを判定する。即ち、燃焼モードマップ（図２）を参照して、目標トルクTrqとエンジン回転速度neとに基づいてエンジン１が予混合燃焼領域（Ｈ）にあるかどうか判定する。
【００５７】
ステップＳ２でＮＯのときには、ステップＳ３に進み、目標トルクTrqとエンジン回転速度neとに基づいて、図１０（ａ）に示すような噴射量マップの拡散燃焼領域（Ｄ）から基本噴射量ＱＤを読み込み、また、同様に図１０（ｂ）に示すような噴射時期マップから基本噴射時期ＩＤ（インジェクタ５の針弁が開くクランク角位置）を読み込み、設定する。
【００５８】
ステップＳ２でＹＥＳのときには、即ち、予混合燃焼領域（Ｈ）にあるときには、ステップＳ４に進み、どの気筒（ｘ）に対する燃料噴射制御を行うのかを判別して、ステップＳ５に進み、その気筒（ｘ）に対する、基本噴射量Ｑｂと、噴射形態を設定する。本実施形態では、予混合燃焼領域において、１サイクル分の基本噴射量Ｑｂの燃料が、図１１に示すように、分割噴射▲１▼、分割噴射▲２▼、分割噴射▲３▼に３分割されて噴射され、３回目の噴射▲３▼が、冷炎反応時に合わせてＢＴＤＣ２２°〜１３°ＣＡに実行される副噴射となっている。この副噴射の噴射タイミングは、エンジン回転数ｎｅが高い程、早めに設定される。そして、ステップＳ５では、各分割噴射▲１▼、▲２▼、▲３▼のそれぞれの噴射量Ｑ１ｂ（ｘ）、Ｑ２ｂ（ｘ）、Ｑ３ｂ（ｘ）および噴射タイミングＩ１ｂ（ｘ）、Ｉ２ｂ（ｘ）、Ｉ３ｂ（ｘ）が設定され噴射形態が決定される。これらの噴射量、噴射時期は、所定のマップから読み出して決定される。
【００５９】
次いで、ステップＳ６に進み、ノッキングセンサ１２の検出結果に基づいて、今回の制御対象である気筒（ｘ）において、前回の燃焼時にノッキングが発生していたか否かを判定する。ノッキングは、ノッキングセンサ１２からのノックピーク値が、判定値Ｎｃ０を越えたときに発生とされる。ステップＳ６でＹＥＳのときには、ステップＳ７に進み、副噴射の補正量であるΔＱ３（ｘ）に所定値αが加えられる。さらに、ステップＳ８に進み、ステップＳ７でαだけ増量させた補正量ΔＱ３（ｘ）をＱ３ｂ（ｘ）に加え、副噴射の補正済みの燃料噴射量Ｑ３（ｘ）とする。さらに、ステップＳ９に進み、補正済みの燃料噴射量Ｑ３ｂ（ｘ）が、ガード値Ｑ３０を越えたか否かを判定し、越えたときには、ステップＳ１０に進む。
【００６０】
ステップＳ１０で、補正済みの燃料噴射量Ｑ３ｂ（ｘ）をガード値Ｑ３０で置き換え、ステップＳ１１に進み、カウンタの値ｃｆに１を加算し、ステップＳ１２で、加算されたカウンタの値が所定値ｃｆ０を越えたか否かを判定する。ステップＳ１２でＹＥＳのときには、ステップＳ１３で、ＥＧＲに関する制御内容を補正するためにフラグＦｆｆを１とする。
【００６１】
一方、ステップＳ６でＮＯのときには、ステップＳ１４に進み、カウンタｃｆとフラグＦｆｆをリセットし、ステップＳ１５に進み、アクセル開度変化率がほぼ０である定常状態が所定時間継続したか否かを判定する。ステップＳ１５でＹＥＳのときには、ステップＳ１６に進み、補正量ΔＱ３（ｘ）が正であるか否かを判定し、ＹＥＳのときには、ステップＳ１７で、補正量ΔＱ３（ｘ）からβを引いて、減量した補正量ΔＱ３（ｘ）とする。減量の値βは、ステップＳ７の増量値α以下の値とされる。これは、αは大きめにして速やかなノッキング防止を達成し、βは制御の安定性を優先して設定されているためである。
【００６２】
さらに、ステップＳ１８で、減量した補正量ΔＱ３（ｘ）が負であるか否かを判定する。ステップＳ１８でＮＯのときには、ステップＳ１９に進み、補正量ΔＱ３（ｘ）が０にならない期間をカウントすべく、カウンタの値Ｃｒに１を加算し、ステップＳ２０に進み、カウンタの値Ｃｒが所定値Ｃｒ０より大きいか否かを判定する。ステップＳ２０でＹＥＳのときには、初期設定に収束しないと判断し、ステップＳ２１に進み、初期設定の学習補正を行う。この学習補正では、定常運転が所定期間継続した後の、定常運転における補正量ΔＱ３（ｘ）を読み出し、これを平均化処理して、この値に基づいて、副噴射の噴射量Ｑ３ｂ（ｘ）を補正する。
【００６３】
ステップＳ１８でＹＥＳのときには、ステップＳ２２に進み、減量した補正量ΔＱ３（ｘ）を０にして、更に、ステップＳ２３でカウンタの値Ｃｒをリセットする。ステップＳ２１またはステップＳ２３の処理が終了すると、ステップＳ２４に進み、ステップＳ１７でβだけ減量した補正量ΔＱ３（ｘ）をＱ３ｂ（ｘ）に加え、副噴射の補正済みの燃料噴射量Ｑ３（ｘ）とする。また、ステップＳ１５でＮＯ、または、ステップＳ１６でＮＯのときにも、ステップＳ２４に進む。
【００６４】
ステップＳ３、ステップＳ１３、ステップＳ２４の処理を終了したとき、または、ステップＳ９あるいはステップＳ１２でＮＯのときには、ステップＳ２５に進み、設定された噴射量および噴射時期に噴射が実行される。
【００６５】
上記構成では、補正済みの燃料噴射量Ｑ３ｂ（ｘ）が、所定期間、ガード値Ｑ３０を越え続けたときに、ステップＳ１２に進む処理であるが、補正済みの燃料噴射量Ｑ３ｂ（ｘ）がガード値Ｑ３０を越えたとき即ちステップＳ９でＹＥＳとなったとき、直ちにステップＳ１３の処理を行う構成でもよい。
【００６６】
また、ノッキング発生時に、分割噴射▲３▼前に実行される分割噴射▲１▼、▲２▼の噴射時期を進角させる制御を、上述の制御に加えて、あるいは、これとは独立して行ってもよく、定常状態でノッキング収束すれば、進角させた噴射時期を基本のＩ１ｂ、Ｉ２ｂに修正する処理を行っても良い。
【００６７】
次に、ＥＣＵ４０によるＥＧＲ制御の内容を図１２のフローチャートに沿って説明する。
【００６８】
ステップＳ３０で、燃圧センサ７からの信号、クランク角センサ１１からの信号、吸気圧センサ１８からの信号、エアフローセンサ１９からの信号、アクセル開度センサ３９からの信号等を入力し（データ入力）、また、ＥＣＵ４０のメモリに記憶されている各種フラグの値を読み込む。次いで、ステップＳ３１で、エンジン１の燃焼モード、即ち、予混合燃焼領域（Ｈ）であるか否かを判定する。ステップＳ３１でＮＯすなわち拡散燃焼領域（Ｄ）であれば、ステップＳ３２に進み、ＥＣＵ４０のメモリに電子的に格納されているＥＧＲマップから、拡散燃焼領域用のＥＧＲ弁３５開度目標値ＥＧＲＤを設定し、ステップＳ３３でＥＧＲＤをＥＧＲ量とする。
【００６９】
一方、ステップＳ３１でＹＥＳ即ち、エンジン１が予混合燃焼領域（Ｈ）にあるときには、ステップＳ３４に進み、ＥＧＲマップから予混合燃焼領域（Ｈ）に対応するＥＧＲ弁３５の開度の目標値ＥＧＲＨを読み込み設定する。さらに、ステップＳ３５で、上記処理のステップＳ１３でたてるＥＧＲに関する制御内容を補正するためにフラグＦｆｆが１であるか否かを判定する。ステップＳ３５でＹＥＳのときには、ステップＳ３６に進み、ＥＧＲ補正値ＥＧＲｃに所定数γを加え、ステップＳ３７で増量したＥＧＲ補正値ＥＧＲｃが所定の上限値ＥＧＲｃ０を超えたか否かを判定する。ステップＳ３７でＹＥＳのときには、ステップＳ３８に進み、上限値ＥＧＲｃ０をＥＧＲ補正値ＥＧＲｃに置き換え、ステップＳ３９で、ＥＧＲ系と冷炎燃焼時の副噴射系に異常がある旨の警告行う。警告は、運転席の表示灯などで行う。
【００７０】
ステップＳ３９の処理を終了、または、ステップＳ３５あるいはステップＳ３７でＮＯのときには、ステップＳ４０に進み、予混合燃焼領域のＥＧＲ量ＥＧＲＨにＥＧＲ補正値ＥＧＲｃを加えたものをＥＧＲ量とする。ステップＳ３３またはステップＳ４０の処理を終えると、ステップＳ４１に進み、設定されたＥＧＲ量に基づいてＥＧＲ弁が駆動される。
【００７１】
このような処理により、副噴射の増量ではノッキングが十分に抑制できないときには、ＥＧＲ量の増量によるノッキング抑制が行われることになる。
【００７２】
ＥＧＲマップは、エンジン１の運転状態に対応する目標ＥＧＲ率を、予混合燃焼領域（Ｈ）では略５０〜６０％に、また拡散燃焼領域（Ｄ）では略４０％以下になるように、ＥＧＲ弁３５の開度の最適値を予め実験的に求めて、目標トルクTrqとエンジン回転速度neとに対応付けて設定したものである。また、ＥＧＲ弁３５の開度の目標値ＥＧＲＨ、ＥＧＲＤを、予混合燃焼領域（Ｈ）と拡散燃焼領域（Ｄ）とでそれぞれアクセル開度Accが大きいほど、またエンジン回転速度neが高いほど小さくなるように設定している。
【００７３】
ＥＧＲによるノッキング制御は、ＥＧＲ遅れにより応答性が悪くなるので、マップの値にＥＧＲ遅れを加味した値をＥＧＲＨ、ＥＧＲＤとしても良い。
【００７４】
上記第１の実施形態の変形例として、図１３に示すように、図９の処理のステップＳ１０からステップＳ１３を、基本噴射量Ｑｂと噴射時期、拡散燃焼用の基本噴射量Ｑｂと噴射時期Ｉｂを設定するステップＳ５０と、移行制御を行うステップＳ５１に置き換え、ステップＳ１４のＦｆｆをリセットする処理を無くした処理としてもよい。ステップＳ５１で行われる移行制御とは、拡散燃焼に移行する際の煤や騒音を減少させるため、ＥＧＲ量の変化に応じて、噴射形態を変更する処理である。この変型例の処理では、冷炎燃焼時の副噴射量を変更してもノッキングが抑制でききないときには、燃焼形態を拡散燃焼に変更する制御が行われることになる。この処理によれば、例えば、経年変化に伴った最適な予混合燃焼領域と拡散燃焼領域とが設定されることになる。
【００７５】
このような燃料噴射制御を行うときは、図１２のようなＥＧＲ量補正を伴うＥＧＲ制御は行われず、図１４に示すような、データを入力し（ステップＳ５２）て、領域を判定し（ステップＳ５３）、判定結果に応じたＥＧＲの目標値を設定し（ステップＳ５４、ステップＳ５５）、この設定に基づいてＥＧＲ弁を作動させる（ステップＳ５６）ＥＧＲ制御が行われることになる。
【００７６】
なお、拡散燃焼に移行するとき、予混合燃焼時よりもＥＧＲ率を５０％前後に減少させ、これと同時に、圧縮行程中と圧縮トップのややリタードした時期に噴射を実行させ、予混合燃焼割合を減らしていく制御を行い、燃焼形態の急激な変化による煤、騒音の発生を抑制してもよい。
【００７７】
次に、本発明の第２の実施形態の説明をする。第２の実施態様の第１の実施形態との相違は、燃料噴射制御およびＥＧＲ制御の制御内容である。以下、この相違点を説明する。
【００７８】
第２の実施態様のエンジンの燃焼制御装置における燃料噴射制御では、図９のステップＳ１１ないしステップＳ１３が削除された処理が行われる。一方、ＥＧＲ制御は、図１５のフローチャートに示すように行われる。すなわち、ステップＳ６０で、燃圧センサ７からの信号、クランク角センサ１１からの信号、ノッキングセンサ１２からの信号、吸気圧センサ１８からの信号、エアフローセンサ１９からの信号、アクセル開度センサ３９からの信号等を入力し（データ入力）、また、ＥＣＵ４０のメモリに記憶されている各種フラグの値を読み込む。次いで、ステップＳ６１で、エンジン１の燃焼モード、即ち、予混合燃焼領域（Ｈ）であるか否かを判定する。ステップＳ６１でＮＯすなわち拡散燃焼領域（Ｄ）であれば、ステップＳ６２に進み、ＥＣＵ４０のメモリに電子的に格納されているＥＧＲマップから、拡散燃焼領域用のＥＧＲ弁３５開度目標値ＥＧＲＤを設定し、ステップＳ６３でＥＧＲＤをＥＧＲ量とする。
【００７９】
一方、ステップＳ６１でＹＥＳ即ち、エンジン１が予混合燃焼領域（Ｈ）にあるときには、ステップＳ６４に進み、ＥＧＲマップから予混合燃焼領域（Ｈ）に対応するＥＧＲ弁３５の開度の目標値ＥＧＲＨを読み込み設定する。さらに、ステップＳ６５で、連続して爆発する複数気筒で、連続してノッキングが発生しているか否かを判定する。ステップＳ６５でＹＥＳのときにはてステップＳ６６に進み、ステップＳ６６に進み、ＥＧＲ補正値ＥＧＲｃに所定数γを加え、ステップＳ６７で、増量したＥＧＲ補正値ＥＧＲｃが所定の上限値ＥＧＲｃ０を超えたか否かを判定する。ステップＳ６７でＹＥＳのときには、ステップＳ６８に進み、上限値ＥＧＲｃ０をＥＧＲ補正値ＥＧＲｃに置き換える。
【００８０】
ステップＳ６５またはステップＳ６７でＮＯ、または、ステップＳ６８の処理を終了したときには、ステップＳ６９に進み、予混合燃焼領域のＥＧＲ量ＥＧＲＨにＥＧＲ補正値ＥＧＲｃを加えたものをＥＧＲ量とする。さらに、ステップＳ６３またはステップＳ６９の処理を終えると、ステップＳ７０に進み、設定されたＥＧＲ量に基づいてＥＧＲ弁が駆動される。ＥＧＲ制御には遅れが生じるので、副噴射によるノッキング抑制制御よりも長い期間毎に制御に適している。このため、図１５のフローチャートに示す処理は、所定期間または所定時間毎にスタートさせるのが好ましい。
【００８１】
このような構成の第２の実施態様では、ノッキングが発生しているときには、副噴射量の調整によるノッキング抑制制御と、ＥＧＲ量増量によるノッキング抑制制御とが独立して行われることなる。また、ノッキング発生時だけＥＧＲ量を補正し、ＥＧＲ変化量のばらつきに対応した制御のみを対象として、定常時には、ＥＧＲ量を基本値に設定し、制御および排気の安定を図っているが、本発明は、これに限定されるものではない。
【００８２】
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された技術事項の範囲内で種々の変更又は変形が可能である。
【００８３】
上記実施形態は、ディーゼルエンジンを対象にしたエンジンの燃焼制御装置であったが、本発明は、火花着火式エンジン即ちガソリンにも適用可能である。
【００８４】
また、副噴射量、ＥＧＲ量のいずれか一方のみによって、ノッキング制御を行う構成でもよい。
【００８５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、安価な構成で、過早着火を検出し、所望の出力や燃焼形態が得られるようにするエンジンの燃焼制御装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態のエンジンの燃焼制御装置が適用されるエンジンシステムの構成を示す概略的なブロック図である。
【図２】 エンジンの燃焼モードを切換える制御マップの一例を示す図である。
【図３】 ＥＧＲ率を変更して、それぞれ、クランク角の進行に伴い変化する熱発生率の様子を示したグラフ図である。
【図４】 ＥＧＲ率の変化に対する空気過剰率（ａ）、ＮＯｘ濃度（ｂ）及び煤の濃度（ｃ）の変化を互いに対応付けて示すグラフ図である。
【図５】 ディーゼル燃焼のときのＥＧＲ率の変化に対する排気中のＮＯｘ及び煤の濃度の変化をそれぞれ示すグラフ図である。
【図６】 副噴射量を変更して、それぞれ、クランク角の進行に伴い変化する熱発生率の様子を示したグラフ図である。
【図７】 副噴射量を変更したときの排気中のＮＯｘの濃度（ａ）、煤の濃度（ｂ）及び出力（ｃ）の変化を示すグラフ図である。
【図８】 副噴射量を変更したときの、それぞれ、クランク角の進行に伴い変化する筒内温度の様子を示したグラフ図である。
【図９】 本発明の第１の実施形態の燃料噴射制御の処理を示すフローチャート図である。
【図１０】 エンジンの噴射量マップ（ａ）及び噴射時期マップ（ｂ）の一例を示す図面である。
【図１１】 本発明の第１の実施形態の燃料噴射タイミングを示すタイムチャートである。
【図１２】 本発明の第１の実施形態のＥＧＲ制御の処理を示すフローチャート図である。
【図１３】 本発明の第１の実施形態の変型例における燃料噴射制御の処理の一部分を示すフローチャート図である。
【図１４】 本発明の第１の実施形態の変型例におけるＥＧＲ制御の処理を示すフローチャート図である。
【図１５】 本発明の第２の実施形態におけるＥＧＲ制御の処理を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
１：エンジン本体
２：気筒
３：ピストン３
５：インジェクタ
６：コモンレール
１２：ノッキングセンサ
３４：ＥＧＲ通路
４０：ＥＣＵ

Claims (2)

1. エンジンの気筒内の燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記エンジンからの排気の一部を前記燃焼室に還流させるＥＧＲ手段と、
   前記燃料噴射弁に要求トルクに応じた量の燃料を吸気行程から圧縮行程上死点付近までの所定時期に噴射させ、前記ＥＧＲ手段に所定量の以上の排気を前記燃焼室に還流させることにより、前記燃焼室において予混合燃焼を行わせる予混合燃焼制御手段と、
   前記燃焼室内の異常燃焼を検出するノッキングセンサと、
   前記ノッキングセンサの検出値が大きいときに、前記ＥＧＲ手段による排気の還流量を増量させる補正を行う補正手段と、
   前記補正手段により増量補正する排気の還流量が上限値を超えたか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段の判定結果に基づき、前記燃料噴射弁、前記ＥＧＲ手段または前記予混合燃焼制御手段の作動状態を診断する診断手段と、
   を備えていることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
2. 前記予混合燃焼制御手段は、前記所定時期に行われる燃料噴射の後に前記燃焼室内の温度上昇に伴って発生する冷炎反応から熱炎反応への移行を遅延させるように燃料を噴射させる副噴射を行わせ、前記補正手段は、前記ノッキングセンサの検出値が大きいときに、前記ＥＧＲ手段による排気の還流量を増量させる補正を行う前に、前記副噴射による噴射量を増量させる補正を行い、前記副噴射による噴射量がガード値を超えたときに、前記ＥＧＲ手段による排気の還流量を増量させる補正に移行する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃焼制御装置。

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