(57)【要約】本発明は、ある速度／負荷動作点から別の動作点へのエンジンの遷移の間、安定し効率的な低排気のＨＣＣＩ燃焼を維持するように設計される制御システムを有する、多気筒予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）エンジン（予混合チャージ圧縮着火（ＰＣＣＩ）エンジンとしても公知である）を提供する。本発明のＨＣＣＩ燃焼制御は、燃焼イベントのクランク角度位置に影響を与える規定された「エンジン運転パラメータ」を、燃料供給量の調整と組み合わせて、好適な方法で調整することによって得られる。検出された燃焼パラメータ値を平均化すること、および／または規定された不感帯の範囲内では燃焼パラメータ値を無視することによって、ＨＣＣＩ燃焼の安定性を最大化するための好適な制御戦略がまた示される。エンジンの燃焼変動性を最小化するための方法がさらに記載される。
2007514099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予混合圧縮着火モードで運転可能な内燃エンジンであって、
その中に形成される複数の燃焼シリンダを有するエンジンボディと、
燃料およびチャージ−エア混合物の燃焼のために、それぞれの燃焼シリンダの中に形成される燃焼室と、
該燃焼の一つ以上の燃焼パラメータの値を決定するための、燃焼パラメータ決定手段と、
引き続く燃焼イベントに対する一つ以上の燃焼パラメータの値を変更するために、一つ以上のエンジン運転パラメータを調整するためのエンジン運転制御手段と、
燃焼制御パラメータ制御手段であって、該燃焼パラメータの値の該変更に応答して、または該エンジン運転パラメータの調整に応答して、燃焼制御パラメータの値を調整するようにプログラムされ、また一つ以上のエンジン運転パラメータが該エンジン運転制御手段によって調整されている間には、該燃焼パラメータの値の変化を制限するまたは打ち消すようにプログラムされる、燃焼制御パラメータ制御手段と、
を備える、内燃エンジン。
【請求項２】
前記燃焼制御パラメータは燃料供給量である、請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項３】
前記燃焼制御パラメータは吸気チャージ−エア温度である、請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項４】
前記燃焼制御パラメータは吸気チャージ−エア酸素濃度である、請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項５】
吸気チャージ−エア酸素濃度は、前記エンジン運転制御手段によって調整される前記エンジン運転パラメータの一つである、請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項６】
燃焼のための前記チャージ−エアの吸気温度を増加するための、高温高圧力排気ガスの再循環のための手段をさらに備える、請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項７】
前記エンジン運転制御手段は、それぞれの燃焼シリンダに対して個別に一つ以上のエンジン運転パラメータを調整する、請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項８】
前記チャージ−エアの吸気温度は、それぞれの燃焼シリンダに対して個別に決定され調整される、請求項７に記載の内燃エンジン。
【請求項９】
前記チャージ−エアの吸気圧力は、それぞれの燃焼シリンダに対して個別に決定され調整される、請求項７に記載の内燃エンジン。
【請求項１０】
前記チャージ−エアの酸素濃度は、それぞれの燃焼シリンダに対して個別に決定され調整される、請求項７に記載の内燃エンジン。
【請求項１１】
前記室の壁の温度は、それぞれの燃焼シリンダに対して個別に決定され調整される、請求項７に記載の内燃エンジン。
【請求項１２】
それぞれの燃焼シリンダの個別のシリンダ冷却のための手段をさらに備える、請求項１１に記載の内燃エンジン。
【請求項１３】
前記燃焼制御パラメータ制御手段は、エンジンの燃焼変動性の影響を削減するために、前記決定された燃焼パラメータの平均値に応答して、前記燃焼制御パラメータを制御するようにさらにプログラムされる、請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項１４】
前記決定された燃焼パラメータの前記平均値を与えるために平均化されるイベントの数は、前記エンジンの速度、負荷、または過渡条件の関数である、請求項１３に記載の内燃エンジン。
【請求項１５】
前記燃焼制御パラメータ制御手段は、前記平均値が規定された不感帯の範囲内にある場合には、前記決定された燃焼パラメータの前記平均値の変化に応答して前記燃焼制御パラメータが変更されないようにさらにプログラムされる、請求項１３に記載の内燃エンジン。
【請求項１６】
前記燃焼室は、部分的に、前記燃焼室の冷却制御エリアの中に位置する燃焼ボウルと境をなす、請求項１に記載の内燃エンジン。
【請求項１７】
多気筒予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）内燃エンジンを運転する方法であって、
内燃エンジンの複数の燃焼室のそれぞれの中に、一定量の燃料および一定量のチャージ−エアを取り込むことと、
該チャージ−エアの温度を決定することと、
該チャージ−エアの圧力を決定することと、
該チャージ−エアの酸素濃度を決定することと、
該燃料および該チャージ−エアの混合物を燃焼することと、
燃料およびチャージ−エアの該混合物の該燃焼の、一つ以上の燃焼パラメータを決定することと、
該決定された燃焼パラメータが所与のエンジン速度および負荷に対する目標範囲内に入るように、引き続く燃焼イベントのために該燃焼室の中に取り込まれるチャージ−エアの該温度、該圧力、または該酸素濃度の一つ以上を調整することと、
該決定された燃焼パラメータの一つ以上に応答して、該チャージ−エアの該温度、該圧力、または該酸素濃度の該調整の間に、該燃焼パラメータの変化を相殺するまたは制限するために、燃焼に使用される燃料の量を制御することと、
を包含する、方法。
【請求項１８】
前記チャージ−エアの吸気温度は、それぞれの燃焼室に対して個別に決定され調整される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記チャージ−エアの前記吸気温度は、それぞれの燃焼室に対して高温高圧力排気ガスの再循環を通じて調整される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記チャージ−エアの吸気圧力は、それぞれの燃焼室に対して個別に決定され調整される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記チャージ−エアの酸素濃度は、それぞれの燃焼室に対して個別に決定され調整される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記室の壁の温度は、それぞれの燃焼室に対して個別に決定され調整される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
それぞれの燃焼室の前記室の壁の温度は、個別のシリンダ冷却によって調整される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
エンジンの燃焼変動性の影響を削減するために、前記決定された燃焼パラメータの平均値に応答して、燃焼に使用される燃料の前記量を制御することをさらに包含する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
前記決定された燃焼パラメータに関して平均化されるイベントの数は、前記エンジンの速度、負荷、または過渡条件の関数である、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記平均値が規定された不感帯の範囲内にある場合には、燃料の前記量は前記決定された燃焼パラメータの前記平均値の変化に応答して変更されない、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記チャージ−エアの前記吸気圧力を増加することによって、エンジンの燃焼変動を最小化することをさらに包含する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２８】
前記燃焼室を冷却することによって、エンジンの燃焼変動を最小化することをさらに包含する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２９】
前記燃焼室の中の燃焼ボウルの周囲を制御冷却することによって、エンジンの燃焼変動を最小化することをさらに包含する、請求項２８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本出願は、米国特許第６，６５１，４３２号、「Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｔｅｍｐｅｒｅｔｕｒｅ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅ」（２００２年８月８日出願）を参考として援用し該特許の一部継続出願である、現在係属中の米国特許出願第１０／６６５，６３４号の一部継続出願であり、両方の出願は共に本明細書においてその全体が参考として援用される。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、ガソリン類燃料を使用する、多気筒温度制御燃焼エンジンにおける、燃焼を制御するための方法に関する。特に、予混合チャージ（ｐｒｅｍｉｘｅｄ  ｃｈａｒｇｅ）圧縮着火（ＰＣＣＩ）型エンジンとしても公知の、予混合（ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ  ｃｈａｒｇｅ）圧縮着火（ＨＣＣＩ）型エンジンに関する。
【背景技術】
【０００３】
様々な公開された従来技術において、ＨＣＣＩエンジンの燃焼の開始には多数のパラメータが影響を及ぼすことが、認識される。例えば、Ｆｌｙｎｎ他に対する米国特許第６，２８６，４８２号、およびＡｃｅｖｅｓ、「ＨＣＣＩ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ：Ａｎａｌｙｓｉｓ  ａｎｄ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ」、ＳＡＥ２００１−０１−２０７７を参照すること。このような認識されたパラメータは、燃料の種類、圧縮比、吸気チャージ温度、チャージエアの酸素濃度、等量比（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅ  ｒａｔｉｏ）、チャージエア密度、およびブースタ圧力を含む。しかしながら、ＨＣＣＩエンジンの燃焼の開始を、エンジンの速度および負荷条件の全範囲にわたって最適のタイミング（例えば、クランク角度位置によって決定されるような）に制御するための実際的な方法が、従来技術には不足している。また従来技術には、ある速度／負荷の動作点から別の速度／負荷の動作点へ速やかに、満足に移行する（すなわち、過渡的なエンジン運転を制御する）ための実際的な方法が不足している。また従来技術には、エンジン過渡の間の多気筒エンジンのシリンダとシリンダとの間での燃焼を調整する（または釣り合いを取る）ための実際的な方法（それは、非常に速い調整を必要とする。例えば、１つのエンジンサイクルまたは高いエンジン速度においては１／３０秒よりも短い）が不足している。本発明はＨＣＣＩ燃焼を行うエンジンに対する、従来技術のこれらの、およびその他の欠点を解消する、新しい運転方法を提供する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明はＨＣＣＩエンジンに対して、ある速度／負荷の点から別の速度／負荷の点へのエンジン遷移の間の、安定した、効率的な、低排気のＨＣＣＩ燃焼を維持するための制御システムを提供する。本発明はまた、好適な多気筒エンジンの実施形態において個別シリンダの燃焼制御を提供する。
【０００５】
「Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅ」親出願において特定されているように、様々なエンジン速度および負荷の動作点に対する燃焼イベントの、クランク角度位置に影響を与えるキーパラメータ（本明細書においては、通常「エンジン運転パラメータ」として参照される）は、チャージ−エア吸気温度（Ｔ１）、吸気圧力（ブースト）、チャージ−エア酸素濃度、エンジン冷却、およびエンジン圧縮比を含む。本発明において、これらの「エンジン運転パラメータ」は、燃料供給量の調整との協調関係において調整され、本明細書に記載されるように、ＨＣＣＩエンジンを速度および負荷条件の間で移行させる。本出願の目的に対して、「エンジン運転パラメータ」はエンジンの「燃焼パラメータ」（すなわち、燃焼のタイミング、継続時間、または速度の特性）またはエンジンの「制御パラメータ」（すなわち、エンジン運転の制御における支配的なまたは主要な決定要因）とは区別されるべきである。本発明の目的に対して定義される様々なパラメータの例が、以下の表１に要約される。
【０００６】
本発明の好適な実施形態のもとでは、ＨＣＣＩエンジンは、次のとおり運転する。
【０００７】
（１）それぞれのシリンダの各サイクルに対して、圧力上昇の最大速度（ＭＲＰＲ）などの、既存の「燃焼パラメータ」値を決定することによって、急速燃焼の開始を決定すること、および、それぞれの速度／負荷のエンジン動作点に対する目標燃焼パラメータ値（例えば、ＭＲＰＲ）を維持するために、それぞれのシリンダに対してエンジンの「制御パラメータ」（例えば、命令された燃料供給量）を調整すること。１）
（１）本出願に対しては、「パラメータ」または「パラメータ値」を調整することは同じことを意味する。）
（２）それぞれの個別のシリンダの命令された燃料供給量（すなわち、エンジン制御パラメータ）を他のシリンダと比較すること、および、個別の「アウトライアー（ｏｕｔｌｉｅｒ）」（離れている）シリンダのエンジン運転パラメータ（例えば、冷却／加熱）を調節すること、あるいは、シリンダとシリンダとの間での許容範囲内での均一な燃焼および命令された燃料供給量を達成するために、他の手段を使用すること。個別のシリンダの温度の微調整（ｔｒｉｍ）は、シリンダの間の（個別のシリンダへの）冷却液の流れを調節することによって達成され得る。好適な微調整は、個別のシリンダの高温ＥＧＲ流量制御によって吸気チャージ−エア温度（エンジン運転パラメータの１つ）を調整することによって達成される。
【０００８】
（３）従来技術での「最初」に燃料供給量を増加または減少することに代わって、エンジンの運転パラメータ（例えば、吸気温度、吸気圧力、吸気酸素濃度、または恐らく圧縮比）の少なくとも１つを「最初」に調節することによって、速度／負荷の命令された変化を達成すること。よって燃料供給量は目標燃焼パラメータ値（例えば、ＭＲＰＲ）を維持するために、調整されたエンジン運転条件の結果に「追随し」または対応する。このように、従来技術ＨＣＣＩ方法とは異なり、本発明はエンジン運転パラメータの変化の結果として生じる、変更された燃焼イベント特性に応答して、燃料供給量を制御し調整する。対照的に、従来技術ＨＣＣＩ方法はエンジン速度または燃料供給量（すなわち、負荷）を変更し、次いでエンジン運転条件を調整／制御する。
【０００９】
要約すれば、本発明のＨＣＣＩエンジンは、いくつかのエンジン運転パラメータ（例えば、吸気温度、吸気酸素濃度、吸気ブースト、エンジン冷却、その他）を調整することによって、負荷を制御（および速度変化に対して反応）する。所与の速度における所望のエンジン負荷を提供するためにエンジンの変更された運転条件に燃料の調整が追随し、燃料は制御器によってシリンダごとのベースで調整され、燃焼イベントの最適位置（および特性）を達成するために蓄えられたエンジンマップから得られる目標エンジン燃焼パラメータ（例えば、ピークシリンダ圧力の位置、シリンダ圧力上昇の最大速度、その他）を達成し、維持する。好適な実施形態においては、それぞれの個別のシリンダは目標エンジン燃焼パラメータを達成し維持するために、閉ループ燃料制御の下に維持される。燃料制御はかくして、好適な実施形態において重要なエンジン燃焼制御パラメータである。
【００１０】
表１
本発明の記載内容において使用される「パラメータ」
「エンジン運転パラメータ」−燃焼イベントの特性（例えば、クランク角度の位置）に影響を与えるパラメータであり、本方法においてはエンジン負荷の変更を生じるために（および速度変化に対して反応するために）最初に変更される。エンジン運転パラメータは以下のものを含む。
−吸気チャージ−エア温度
−吸気チャージ−エア酸素濃度
−吸気チャージ−エア圧力（ブーストレベル）
−エンジン冷却
−エンジン圧縮比
「エンジン燃焼パラメータ」−燃焼イベントのタイミング、速度（ｒａｔｅ）または継続時間を特徴付けるパラメータ。エンジン燃焼パラメータは以下のものを含む。
−燃焼圧力上昇の最大速度（ＭＲＰＲ）
−燃焼イベントのクランク角度位置
−ピーク燃焼圧力の位置
−急速燃焼の開始
「エンジン制御パラメータ」−１つ以上のエンジン運転パラメータが変更されたときに、目標燃焼パラメータ値を維持するために制御されるパラメータであり、好適なパラメータとして以下のものを含む。
−燃料供給量（ｒａｔｅ）
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は本発明に従った多気筒エンジン２２に対するＨＣＣＩ燃焼システムに対する好適な実施形態を示す。吸気エアはポート１１において吸気システムに入り、オプションのバルブ１２を通過して流れる。排気ライン１５のＥＧＲ制御バルブ１２´は排気背圧力を発生し、排気ガスを強制的にポート１６を通過し、オプションの冷却器１７（オプションの凝縮リターンライン１８を備える）を通過しおよびオプションのオン−オフ制御バルブ１４を通過して、ポート１３に流し、ポート１３において、排気ガスは吸気エアと混合され（チャージ−エア混合物２）を形成し）得る。（排気ラインをタービン／モータ２７の前でコンプレッサ１９の後ろの吸気ラインと接続する、代替案の「高圧力」ＥＧＲシステムが代わりに使用され得る。）チャージ−エアは次いで、タービン／モータ２７および／またはオプションのモータ２８によって駆動される、オプションのコンプレッサ１９を通過して流れる。コンプレッサ１９およびモータ２７および２８は、当該分野において公知の単一のユニット、または直列または並列の複数のユニットであり得る。
（２）「チャージ−エア」の用語は本明細書においては、排気ガスが燃焼のために再循環されるかにかかわらず、燃焼のためにシリンダの中に取り込まれる全てのエアを包含する広い意味で使用される。）
さらに図１に関して、チャージ−エアの一部分または全部が、チャージ−エアを加熱するための、排気−チャージ−エア熱交換器２０´を通過して流れ得、またチャージ−エアの一部分または全部が、熱交換器２０´をバイパスし得、このような流れはバイパスバルブ６１´によって制御される。熱交換器２０´は排気システムの中の任意の場所に置かれ得るが、しかし好ましくはタービン／モータ２７の後ろ、またはエンジン「冷却液（クーラント）」システムの中に置かれ得る。チャージ−エアの一部分または全部は次いで好適にも熱交換器２０（チャージ−エアを冷却するための）を通過して、またはバイパスバルブ６１による制御に従って、バイパス経路を通過して流れ得る。チャージ−エアは次いで吸気マニホールド２１およびエンジン２２に入る。個別ポート燃料噴射器５３が、吸気マニホールド２１の個別のシリンダ吸気ランナーの中に配置され、個別のシリンダの燃料制御を可能とする。代替案として、または追加として、直接シリンダ燃料噴射器２３がそれぞれのシリンダに燃料を供給するために使用され得る。個別ポート高温ＥＧＲバルブ６２が、ポート６２´の排気からそれぞれのシリンダの吸気ランナーへの高温排気ガスの流れを制御するために使用され得、個別のシリンダの高温ＥＧＲ流れを可能とする。チャージ−エアおよび燃料は、従来の吸気バルブ（示されていない）を通過してエンジン燃焼室（示されていない）に入る。燃焼が発生し、排気ガスが従来の排気バルブ（示されていない）を通過して、燃焼室から排気マニホールド２４の中に排気する。
【００１２】
エンジン２２において、それぞれのシリンダはエンジンのコールドスタートに使用するためのスパークプラグ２３´´（または当該分野において公知の、他の着火手段）を含み得る。それぞれのシリンダはまた、燃焼センサ２３´を含み、それは好適な実施形態においては圧力センサである。それぞれのシリンダの燃焼室は個別におよび局所的にベースエンジン冷却液熱交換器（ラジエータ）８１（示されていない）から来るエンジン冷却液によって冷却され得、バルブ６３によって個別に制御され得る。排気ガスは排気浄化のための触媒６４を通過して流れる。触媒６４はタービン２７の前または後ろに置かれ得るが、好ましくは熱交換器２０´の前に置かれ得る。排気ガスは次いでタービン／モータ２７を通過し、熱交換器２０´を通過し、排気管１５を通過して外界へと流れる。
【００１３】
ＨＣＣＩ燃焼に対するシステムを管理するために、制御器２６は様々な入力を様々なセンサから受信し、それはクランク角度位置センサ３４、ブーストチャージ−エア圧力センサ３１、チャージ−エア温度センサ３０、酸素センサ２５´、酸素センサ２５、チャージ−エア・マスフローセンサ２９、エンジン速度センサ３２およびトルク命令レベルペダルセンサ３３を含み得る。制御器２６は次いで様々な対応する制御命令を様々なバルブ、アクチュエータおよび当該分野で公知のデバイスに送信し、蓄えられたマップ、計算の結果、または他の決定手段から決定されたこれらの命令は、以下により詳細に記載されるように、本発明の方法によってエンジン２２の運転を制御する。
【００１４】
上で説明されたシステムにおいて、吸気酸素濃度において命令された変化の応答時間を減少するために（すなわち、移送遅れを最小化するために）、ポート１３から燃焼シリンダまでの吸気システムの容積を最小化することが好ましいことが、注目されるべきである。追加として、個別シリンダ高温ＥＧＲシステム（バルブ６２を含む）が、シリンダ相互間の燃焼の釣り合いをとるために個別のシリンダの吸気チャージ−エア温度を微調整するために、および／または吸気チャージ−エアヒータ２０´に対して恐らくより低コストの代替案を提供するために、使用され得る。最小負荷動作点に対して最大のチャージ−エア加熱が必要とされる（図３を参照）こと、および最小負荷動作点はまた最高の排気酸素レベルを生成することから、チャージ−エア温度を増加するためにチャージ−エアと直接的に混合される高温の排気ガスを使用することは、特に最小負荷動作点において、吸気チャージ−エア温度を増すための魅力的なオプションである。
【００１５】
上記エンジンシステムのパワーレベル要求の変化と結びついた安定したＨＣＣＩ燃焼の運転を維持するために、システムの制御は第１に、図２（ステップ１）に示されるように、それぞれのシリンダの各サイクルに対する、圧力上昇の最大速度（ＭＲＰＲ）のような、既存の「燃焼パラメータ」値を決定することによって好適に進行する。ＭＲＰＲの検出は、急速燃焼の期間中の燃焼室内部の圧力の上昇速度を測定する、まさに１つの好適な方法であり、ＭＲＰＲは通常クランク角の角度あたりのバール（Ｂａｒ）の単位により表現される。それぞれのシリンダに対して、ＭＲＰＲ値はそのシリンダの中の急速燃焼の程度または速度を表し、当該分野において公知のとおり、圧力センサ２３´の手段によって決定され得る。本発明に対して、ＭＲＰＲは、急速燃焼の速度を特徴付ける好適なエンジン燃焼パラメータとして選択されている。燃焼イベントの本質と関連する可能性を有する任意のエンジン燃焼パラメータが、サイクルごとの燃焼イベントの変化を決定するために使用され得る場合にも、ＭＲＰＲが本明細書において本発明を記載するために通常使用される。
【００１６】
既存の燃焼パラメータ値（例えば、ＭＲＰＲ）がそれぞれのエンジンシリンダに対してひとたび決定されると、現在の出力要求に適合するためにエンジン速度／負荷動作点における変更が必要とされる場合（図２、ステップ２）には、制御器２６は次いで、燃焼パラメータ値を所定の所望の範囲から外れさせる必要に従い、少なくとも１つのエンジン運転パラメータ（例えば、吸気温度、吸気圧力、吸気酸素濃度、または恐らく圧縮比）を調整するための対応する命令信号を発する（図２、ステップ３および３´）。これは全てのシリンダに対して、または離れている（「アウトライアー」）シリンダのみに対して、以下に示すようになされ得る。
【００１７】
エンジン運転パラメータは、ＨＣＣＩ燃焼に対して制御される特定の燃焼パラメータ値（例えば、ＭＲＰＲ）に影響を与えるように、様々な方法で調整され得る。例えば、一定の酸素濃度においてブースト（吸気圧力）のみを増すことは、チャージ−エアの酸素密度を増し、それはピーク燃焼圧力の位置および急速燃焼の開始および速度を含む、燃焼イベントの位置を前進させる。このように、ＭＲＰＲは吸気チャージ−エア圧力の増加と共に増加する３）。反対に、排気ガス再循環（ＥＧＲ）の比率（ｒａｔｅ）の増加はチャージ−エア酸素密度（所与の圧力に対して）および吸気酸素濃度を減少し、それは燃焼イベントの位置を後退させ、ＭＲＰＲを減少する。追加として、吸気チャージ−エア温度の増加は燃焼位置を前進させ、所与の負荷／燃料供給量レベルにおけるＭＲＰＲを増加する。同様にして、燃焼室の壁の冷却の増加は、同様に燃焼イベントの位置を後退させＭＲＰＲを減少する。エンジン圧縮比の増加は圧縮後の温度を増加し、よって燃焼イベントの位置を前進させＭＲＰＲを増加する。上記運転パラメータの逆方向への調整は、同様にＭＲＰＲに対して逆方向の影響を生成する。
（３）しかしながら、ブーストの増加は燃焼室の壁の冷却を増加する二次的な影響（チャージ−エアの全熱容量の増加による）を有し、それは燃焼位置を後退させ、ＭＲＰＲの増加を部分的に相殺する（ｏｆｆｓｅｔ）ことに注意する。）
所与の状態の変化に対してＨＣＣＩ燃焼を維持するために、変更されるべき特定のエンジン運転パラメータは、所望の特定のエンジン応答に依存する。例えば、エンジン負荷を増加するためには、増加したブーストおよび減少した吸気チャージ−エア酸素濃度（増加したＥＧＲ）の組み合わせが、好適な運転手段である。反対に、低い負荷でＨＣＣＩ燃焼を運転するためには、吸気チャージ−エア温度が好適なエンジン運転パラメータである。個別のシリンダに対してＭＲＰＲ（または他の所望の燃焼パラメータ）を修正し、他のエンジンシリンダと共に許容範囲内での均一な燃焼をさせるためには、好適な運転パラメータ調整は、個別のシリンダの間の冷却液の流れを調節すること、または上述のような個別のシリンダの高温ＥＧＲ流量制御を通じて個別の吸気チャージ−エア温度を調整すること、のいずれかによって個別のシリンダの温度を微調整することによりなされる。
【００１８】
一例としてのエンジン速度および圧縮比における安定なＨＣＣＩ燃焼に対する、一部のエンジン運転パラメータの一般的な関係および相対的な値が、図３にエンジン負荷（ＢＭＥＰ）の関数として表され、ここでエンジン冷却のような他のエンジン運転パラメータは相対的に通常の一定の値に維持されている。当該分野において理解されるように、これらの値および相対的な順序は、他のエンジン運転パラメータの変化と共に、もちろん変化する。例えば、提示された吸気（チャージ−エア）温度レベルは大部分エンジン圧縮比１５の特性値である。より低い圧縮比の場合には、所与の低ないし中程度の負荷（ＢＭＥＰ）に対して温度は傾向としてより高くなり、より高い圧縮比の場合には、温度はより低くなる（例えば、圧縮比１９に対する２バールのＢＭＥＰにおける吸気チャージ−エア温度は、１００℃付近である。）。吸気チャージ−エア酸素濃度（より高いＥＧＲ比率はより低いチャージ−エア酸素濃度を生成する）はまた一般的に、所与の負荷においてより高い圧縮比に対してはより低くなる。エンジン速度の変化はまた差異を生じる（より低い速度は応答のためのより長い時間を提供し、より低い吸気温度を許容する）。また、より大きなエンジン冷却の場合にはより高い吸気温度が必要とされる。吸気圧力（ブーストレベル）は、合理的な燃焼制御を提供し、目標ＮＯＸ閾値よりも低いＴ３（燃焼温度）を維持するうえでの十分な量として決定される。これらの基本的な関係は「Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ」親出願の中でさらに記載されている。
【００１９】
重要なことに、上記のエンジン運転パラメータの調整と相まって、シリンダに供給される燃料供給量の慎重な調整を通じて、速度および負荷の変化の間に安定したＨＣＣＩ燃焼が本発明において維持される。燃料制御は好適な実施形態において、主要なエンジン燃焼制御パラメータである。事実、それぞれのシリンダへの命令された燃料供給量は、エンジン運転の間にそれぞれの速度／負荷エンジン動作点に対する目標燃焼パラメータ値（例えば、ＭＲＰＲ）を維持するための支配的で主要な要因であり、上記列挙されたエンジン運転パラメータの変化に応答して必要に応じて速やかに調整され得、エンジン運転パラメータが調整されている間にＭＲＰＲを所望の範囲内に保持する。この変更の協働作業は、エンジン運転パラメータの変化の影響と適合する（相殺する）燃料供給量の変化を伴って、移行の間のエンジンのＨＣＣＩ燃焼を不安定化することなく、エンジンが異なる速度／負荷動作点へ移行することを可能とする。
【００２０】
かくして、一例として、エンジン出力を増加する要求の場合には、本発明の燃焼システムは燃焼位置を後退させＭＲＰＲを低下するようにエンジン運転パラメータを変更（図２、ステップ３）することによって応答し得る。この変更に引き続いて好適にも、制御器２６が燃料供給量の増加を命令（図２、ステップ４）し、ＭＲＰＲの実際の変化を相殺し目標の燃焼位置（またはＭＲＰＲの目標値）を維持し、その燃料の増加はさらにエンジン負荷を制御された状態で増加する。エンジン制御器の内部の制御ループは非常に速く、従って燃料の調整はエンジン運転パラメータの変化に迅速に追随する。同様に、燃焼位置を前進しＭＲＰＲを増加するためのエンジン運転パラメータの変更（図２、ステップ３´）は、その結果として制御器２６は目標の燃焼位置（または目標のＭＲＰＲ値）を維持するために相殺する燃料供給量の減少（図２、ステップ４´）を命令し、それはエンジン負荷を減少する。
【００２１】
このように、本発明の方法は好適な実施形態における燃料供給量（他の実施形態においては吸気チャージ−エア温度または酸素濃度）のようなエンジン燃焼制御パラメータを閉ループ調整／制御に使用し、エンジン運転パラメータの変化の影響に対して応答し、またはそれを相殺し、エンジンに対して命令された出力と適合するように負荷を調整する間の、瞬間的なエンジン動作点（速度／負荷）に対する目標値にエンジン燃焼パラメータ（例えば、ＭＲＰＲ）を保持する。図２のステップ５〜ステップ８はこの方法の下での閉ループの完了を示し、当該分野において理解されるように、それぞれのループにおいて速度の変化に応答する。
【００２２】
先述の内容から見られ得るように、従来技術ＨＣＣＩ方法とは異なり、本発明はエンジン運転パラメータの変化に起因して刺激され、変更される燃焼イベント特性値に応答して、燃料供給量を制御する。言い換えれば、それはエンジンの少なくとも１つの運転条件（パラメータ）を変更し、制御システムを刺激して、新しく命令されたエンジン負荷を達成する（または速度変化に反応する）ように燃料供給量を調整するように応答させる。対照的に、従来技術ＨＣＣＩ方法は燃料供給量（すなわち、負荷）を変更し、次いで出力要求の変化に応答してエンジン運転条件を調整／制御する。従来技術は、エンジン負荷の変更を達成するまたは速度変化に応答するために、ＭＲＰＲのような目標の燃焼パラメータ値を維持する手段としてのエンジン運転条件の調整の影響に対して、燃料供給量を「追随」または応答させない。
【００２３】
最後に、発明の好適な実施形態において、制御器２６は追加としてそれぞれの個別のシリンダの命令された燃料供給量（すなわち、エンジン制御パラメータ）を他のシリンダと比較し、個別の「アウトライアー」（離れている）シリンダのエンジン運転パラメータ（例えば、冷却または加熱）を調整し、または他の手段を使用して、シリンダとシリンダとの間の許容範囲内の均一な燃焼および命令された燃料供給量を達成する（図２、ステップ８）。追加として、燃料は制御器によってシリンダごとのベースで好適に調整され、それぞれのシリンダに対して燃焼イベントの最適位置（および特性）を達成するために、蓄えられたエンジンマップから得られた目標エンジン燃焼パラメータ（例えば、ピークシリンダ圧力の位置、シリンダ圧力上昇の最大速度、その他）を達成し維持する。好適な実施形態においてそれぞれの個別のシリンダはそれ故に閉ループ燃料制御の下に置かれ、目標のエンジン燃焼パラメータを達成し維持する。
【００２４】
代替案として、別の実施形態において、個別のシリンダの燃料制御に代わって、制御器はエンジン全体に対する閉ループ燃料制御（例えば、全てのシリンダの燃焼パラメータ値の平均値に基づく）を提供し得、個別のシリンダに対して燃料以外のエンジン運転パラメータを別々に調整することに依存して、シリンダとシリンダとの間の燃焼の釣り合いを達成（すなわち、全てのシリンダに対する燃焼パラメータに対して同じ値を達成）し得る。シリンダとシリンダとの間の燃焼の釣り合いは、この代替の好適な実施形態においては、（１）個別のシリンダの冷却速度、（２）個別のシリンダの吸気温度（特に個別のシリンダの高温ＥＧＲ制御の好適な方法によって）、（３）個別のシリンダの酸素濃度、（４）個別のシリンダの圧縮比、（５）個別のシリンダのブーストレベル、および／または（６）当業者にとって周知の燃焼パラメータを調整するための他の手段、を制御することによって維持され得る。
【００２５】
上記ＭＲＰＲの変化を相殺するためのその使用に関する上記説明から既に明らかであるが、にもかかわらず、燃料供給量は本発明の好適な「制御」パラメータであるものの、それはまた広い意味でエンジン運転パラメータであり、それがまたＭＲＰＲのような燃焼パラメータに影響を与えるように、使用され得ることが、注意されるべきである。例えば、燃焼イベントあたりの燃料供給量の増加は燃料密度および濃度を増加し、その結果としてより大きな熱放出を生じ、それは燃焼イベントの位置を前進させＭＲＰＲを増加する。追加として、増加した燃料供給量は最終的にはエンジン負荷を増加しエンジンの出力要求に応答する必要があることは明らかである。
【００２６】
さらに好適な実施形態において、それぞれのエンジン動作点（速度／負荷）に対して許容し得る燃焼の変動性／安定性と共に目標ＮＯＸレベルおよび最適効率を達成する、最低のブーストにおいて（最低のコストのために）運転することが、一般的に望ましい。追加として、最高負荷に対してエンジンは、実用上最も低い吸気チャージ−エア温度、「十分な」ブースト、および吸気チャージ−エア酸素濃度の継続的な減少と共に、好適に運転される。最高の負荷および速度に対しては、増加したエンジン冷却がまた望ましい。
【００２７】
上に示されたエンジン運転の順序および方法を実行するために、制御器２６はＨＣＣＩ燃焼の安定性を最大化するための制御戦略を有するように、好適にプログラムされる。特定の制御戦略は、以下に説明されるような制御ロジックを含み得る。
【００２８】
第１にプログラムされる制御戦略として、サイクルごとの燃焼パラメータ値が最後の「Ｘ」サイクルにわたって平均化（移動平均）され得、燃焼イベントを好適な位置（例えば、燃焼／膨張行程のＴＤＣと、ＴＤＣの後のクランク角２０度との間）に、および／または燃焼パラメータ（例えば、ＭＲＰＲ）を運転条件に対する目標範囲内に保持するために、エンジン制御パラメータ（例えば、燃料供給量）がサイクルごとに適切に（好ましくはシリンダごとに）調節される。この制御戦略において、「Ｘ」はエンジンの速度および負荷の関数として、および速度および／または負荷の変化の速度の関数として好適に決定される。例えば、「Ｘ」は比較的定常的な運転に対しては３から５であり得、エンジン過渡に対しては１から３に低下し得る。平均化されるサイクルの数はエンジンおよび動作点の安定性（サイクルとサイクルとの間の変動）に依存する。図４は、サイクルとサイクルとの間の制御パラメータ（例えば、燃料供給量）と、燃焼パラメータ（例えば、ＭＲＰＲ）との間の、この制御戦略の下で制御される場合の制御応答の例を表し、該戦略は燃焼パラメータ値をグラフの中央またはその近くに維持するように設計されている。
【００２９】
燃焼パラメータ値は本明細書の制御戦略においては好適に平均化されるが、それは「安定な」ＨＣＣＩ燃焼点（すなわち、エンジン運転パラメータ、および制御パラメータが命令する燃料供給量、が一定値である場合）に対してさえも、燃焼パラメータＭＲＰＲの一般的なサイクルとサイクルとの間の変動のためである。図５は、例えば、１２００ＲＰＭおよび５２ニュートン−メートル（Ｎｍ）のトルクでの安定なＨＣＣＩエンジン運転状態に対する、ＭＲＰＲのサイクルとサイクルとの間の変動を示す。命令された燃料供給量は燃料噴射器へのパルス幅（ＰＷ）信号として表現される。このような変動性を減少することはもちろん望ましいが、安定なＨＣＣＩ燃焼における残存する変動性は、変更されたエンジン運転パラメータによって燃焼に「実際の」（すなわち、準継続的な）シフトが生じない限りは、好適にも燃焼制御パラメータを刺激して変更させるべきでは「ない」。
【００３０】
安定なＨＣＣＩ燃焼においてさえ見られる燃焼パラメータのこの変動性をさらに補償するために、第２のプログラムされた制御戦略が使用され得る。この代替案の戦略においては、サイクルとサイクルとの間の燃焼パラメータ値の比較的広い範囲が、それぞれのエンジン速度／負荷動作点に対して、エンジンハードウェアによって生じる燃焼パラメータ値の不規則な変動性を補償するための「不感帯（ｄｅａｄ  ｂａｎｄ）」として規定され得、そこでは制御パラメータ（例えば、燃料供給量）の応答はトリガされない。図６は、サイクルとサイクルとの間の制御パラメータ（例えば、燃料供給量）と燃焼パラメータ（例えば、ＭＲＰＲ）との間の、この代替案の制御戦略の下で制御される場合の制御応答を示し、該戦略はこの場合にも燃焼パラメータ値をグラフの中央またはその近く（不感帯）に維持するように設計されている。この方法では、燃焼パラメータ値が「不感帯」領域の外に外れたときにのみ応答関数はトリガされ、このことは、燃焼特性に実質的な変化を起こしたエンジン運転パラメータの実際の変化に対してのみ（適切に）、制御パラメータの応答が生じることを保証することを助ける。
【００３１】
上記の何れの制御戦略の下においても、急速な過渡（例えば、負荷の急速な上昇の命令）の間は、追加的な制御ロジックが使用され得、それは（ａ）燃焼パラメータ値を平均化するサイクルの数を減らすため（すなわち、要求される急速な変化に対してより良く応答するため）に、（ｂ）このような運転のモードの間のより大きなシステムの変動性を反映するために、「不応答」（すなわち、不感帯）燃焼パラメータ値の窓を広げるために、および（ｃ）急速な変化（例えば、ＭＲＰＲの１０バール／クランク角度から６バール／クランク角度への変化）の短い期間の間、燃焼パラメータ「目標」をより安定であり得る（しかし、効率または排気に対する最適性は劣る）値に調整するために、である。
【００３２】
任意の場合において、燃焼イベントに対する制御方法は、本発明によって提供されるように、燃焼の位置をノッキング燃焼（図７ａのシリンダ圧力のトレースを参照）と「ニアミスファイヤ」燃焼（図７ｂのシリンダ圧力のトレースを参照）との間で起こるように、常に制御することが可能でなければならない。図７ａおよび図７ｂにおいて、ｘ軸は時間またはクランク角度に対応し、約７５００の値が圧縮行程のＴＤＣを表す。
【００３３】
最後に、以前に述べたとおり、エンジン燃焼パラメータ（例えば、ＭＲＰＲ）の変動によって決定されるような、サイクルごとの燃焼変動性を減らすことはまた望ましい。このような燃焼変動性は一般的にエンジンの負荷および速度と共に増加する。このような変動性を減少する（および燃焼安定性を改善する）ために、エンジン運転パラメータまたはエンジン制御パラメータの命令によらないおよび意図されない変動または変化を最小化することが重要である。追加として、以下に説明されるように、このような変動性を最小化するための２つの方法は、ブーストを増加することおよび燃焼チャンバの冷却を制御することを含むことを、出願者はまた見出した。
【００３４】
増加されたブーストは、低ＮＯＸ目標（これに関しては、親出願による）を達成するために必要とされる値を超えてもなお、所与の負荷（および速度）に対するチャージ−エア質量を増し、この増加されたチャージ−エア質量は増加された熱のモデレイター（別名は「ヒートシンク」）である。かくして、チャージ−エア質量が増加する場合には、燃焼室の壁からチャージ−エアへと除去される熱におけるサイクルとサイクルとの間の変動性の影響（それはチャージ−エアの温度を直接変化し、よって燃焼の開始および燃焼イベントの特性を変化する）は、かくして鈍化される。結果として、チャージ−エア質量が例えば５０％増加する場合には、エンジンの変動性の影響によるサイクルとサイクルとの間のチャージ−エア温度の変化の影響は、同様に５０％程度減少することを、出願者は見出した。
【００３５】
燃焼室の冷却を制御することはまた、エンジン燃焼変動性のサイクルとサイクルとの間の影響を低減するために使用され得る。燃焼室の冷却は、燃焼室の壁を通過してチャージ−エアの中へと生じる熱流の変化を鈍化する。その熱流の変化は、さもなくばチャージ−エア温度の変動を増加し、かくして以前に記載されたように燃焼イベントの変動性を引き起こす。制御された燃焼室の冷却は、当業者によって周知の様々な方法によって達成され得るが、本発明の好適な方法は、（１）燃焼「ボウル（ｂｏｗｌ）」（すなわち、ＴＤＣのおよびその近くのチャージ−エアを含む体積）を、冷却が最も容易に制御される位置、例えば、吸気バルブの下のピストンの中のような、排気バルブに直接露出されない空間に、置くこと、（２）燃焼ボウルの上方のおよび／またはそれを取り囲むエンジンシリンダヘッドのエリアに、流入する（冷却された）冷却液を導く、可変（制御された）流量の冷却液導入ポートを有すること、および／または（３）燃焼ボウルの周りのエリアの中の、ピストンの底部に向けられた複数のオイルジェット（または多段フロージェット）のような、ピストン（特に燃焼を取り囲む体積）を冷却するための可変および制御可能な手段を使用すること、を含む。
【００３６】
上述されたとおり、本発明は、エンジン運転の全ての速度および負荷の点において、および１つの速度／負荷の点から別の速度／負荷の点へのエンジン遷移の間において、安定した効率的なＨＣＣＩ燃焼および低排気を維持することが可能な、独自の制御システムを有する実用的なＨＣＣＩエンジンを含む。本発明はまた、重要なことであるが、好適な実施形態において、多気筒エンジンの個別のシリンダの燃焼制御を提供する。
【００３７】
本明細書において提示された本発明の特定の実施形態は、本発明の全ての可能性のある実施形態を構成するものではないことが理解される。従って本発明の範囲は特許請求の範囲のみによって制限され、これまでに特に詳細に記載された個別の実施形態によって制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明のＨＣＣＩ内燃エンジンの好適な実施形態の概略ダイヤグラムである。
【図２】本発明の方法の好適なステップに対するフローチャートである。
【図３】本発明に従った、所与の速度／負荷条件における安定なＨＣＣＩ燃焼に対する、エンジン運転パラメータ値の例を表すグラフである。
【図４】本発明の好適な制御戦略と関連付けて使用される、エンジン制御パラメータと燃焼パラメータとの間の制御応答を表す。
【図５】本発明に従って運転されるＨＣＣＩエンジンに関する、サイクルごとの燃焼パラメータの変動を表すグラフである。
【図６】本発明の代替案の好適な制御戦略として考えられ、それと関連付けて使用される、エンジン制御パラメータと燃焼パラメータとの間の制御応答を表す。
【図７ａ】ＨＣＣＩエンジンにおけるノッキングを反映する圧力のトレースを表す。
【図７ｂ】ＨＣＣＩエンジンにおけるニアミスファイヤを反映する圧力のトレースを表す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【国際調査報告】
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