(57)【要約】【課題】予混合圧縮着火内燃機関において、最適な時期に着火させることができる技術を提供する。【解決手段】予混合圧縮着火内燃機関１であって、内燃機関１の気筒２内の外周側及び中央側に設けられた少なくとも２つのイオン電流検出手段３、９と、イオン電流検出手段３、９により検出されるイオン電流の発生時期が夫々のイオン電流検出手段３、９について所定の時期となるように気筒２内の混合気の濃度分布を変更する混合気濃度制御手段８と、を具備した。【選択図】図１
2004197593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予混合気を圧縮により着火させる予混合圧縮着火内燃機関であって、
前記内燃機関の気筒内の外周側及び中央側に設けられた少なくとも２つのイオン電流検出手段と、
前記イオン電流検出手段により検出されるイオン電流の発生時期が夫々のイオン電流検出手段について所定の時期となるように気筒内の混合気の濃度分布を変更する混合気濃度制御手段と、
を具備することを特徴とする予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項２】
前記イオン電流検出手段により検出されるイオン電流の発生時期が所定の時期よりも早い場合には該イオン電流検出手段周辺の空燃比を大きくし、遅い場合には該イオン電流検出手段周辺の空燃比を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項３】
予混合気を圧縮により着火させる予混合圧縮着火内燃機関であって、
前記内燃機関の気筒内の外周側及び中央側に設けられた少なくとも２つのイオン電流検出手段と、
前記内燃機関の高負荷運転時には前記イオン電流検出手段により検出されるイオン電流の発生時期が前記燃焼室の外周側と中央側とで所定の差が生じるように燃焼室内の混合気の濃度分布を変更する混合気濃度制御手段と、
を具備することを特徴とする予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項４】
前記内燃機関は、気筒内を加熱するグロープラグと、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、をさらに備え、前記イオン電流検出手段は、前記グロープラグ及び燃料噴射弁に設けられていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、予混合圧縮着火内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料室内にイオン電流検出器を備え、この出力信号により求まる混合気の着火時期と目標となる着火時期との差を無くすように吸排気弁の及びＥＧＲを制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、排気のＮＯx濃度に応じてＥＧＲ量を調整し過早着火を抑制する技術（例えば、特許文献２参照）、及び、吸排気弁の閉弁時期を制御して過早着火を抑制する技術が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２０７６５号公報（第７−９頁、図１）
【特許文献２】
特開２００１−１５２８５３号公報（第５−１１頁、図１）
【特許文献３】
特開２０００−１２０４５７号公報（第２−３頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、高負荷時に予混合圧縮着火を行う内燃機関においては、気筒内で空燃比の濃度差が生じることがあるため、中心部のみのイオン電流を検出しても気筒外周部での着火時期を判定することができず、気筒全体での着火時期を判定することは困難である。特に、高負荷時では、均質に混合した混合気が存在する箇所で着火しやすくなるため着火時期を判定するのは困難となる。
【０００６】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、予混合圧縮着火内燃機関において、最適な時期に着火させることができる技術を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明による予混合圧縮着火内燃機関は、以下の手段を採用した。即ち、第１の発明は、
予混合気を圧縮により着火させる予混合圧縮着火内燃機関であって、
前記内燃機関の気筒内の外周側及び中央側に設けられた少なくとも２つのイオン電流検出手段と、
前記イオン電流検出手段により検出されるイオン電流の発生時期が夫々のイオン電流検出手段について所定の時期となるように気筒内の混合気の濃度分布を変更する混合気濃度制御手段と、
を具備することを特徴とする。
【０００８】
本発明の最大の特徴は、気筒内の複数の場所で検出されるイオン電流から気筒内の夫々の場所での着火時期を求め、これに従い混合気濃度分布を変更して、気筒内での夫々の場所での着火時期を最適化することにある。
【０００９】
このように構成された予混合圧縮着火内燃機関では、少なくとも２つのイオン電流検出手段を夫々気筒の外周側及び中央側に設けることにより、燃焼室内の中央側及び外周側に発生するイオン電流を検出することが可能となる。イオン電流は、混合気の燃焼開始前から発生し、イオン電流の発生時期は混合気の着火時期と相関関係がある。従って、イオン電流の検出値に基づいて混合気の着火時期を推定することが可能となる。ここで、混合気の着火時期は、該混合気の濃度、即ち空燃比により異なり、混合気の濃度が濃い（空燃比が小さい）ほど着火時期は早くなる。従って、イオン電流検出手段を複数設けることにより、イオン電流検出手段の周辺の混合気の着火時期を推定することが可能となり、更には混合気の濃度分布を推定することが可能となる。この結果に基づいて、混合気の濃度分布を変更することにより、最適な混合気濃度分布を得ることが可能となり、最適な着火時期を得ることが可能となる。尚、「所定の時期」とは、着火時期の最適値であり予め実験等により求めておくことができる。また、気筒内の混合気の濃度分布を変更する手段としては、例えば、ＥＧＲ量、気筒内圧力、気筒内温度、吸入空気量、吸気温度、燃料噴射時期等がある。
【００１０】
本発明においては、前記イオン電流検出手段により検出されるイオン電流の発生時期が所定の時期よりも早い場合には該イオン電流検出手段周辺の空燃比を大きくし、遅い場合には該イオン電流検出手段周辺の空燃比を小さくすることができる。
【００１１】
予め設定した最適着火時期よりも、実際の着火時期のほうが早い場合には、そのイオン電流検出手段の周辺の空燃比は最適な空燃比よりも小さく、一方、実際の着火時期の方が遅い場合には、そのイオン電流検出手段の周辺の空燃比は最適な空燃比よりも大きい。ここで、実際の着火時期のほうが早い場合には、そのイオン電流検出手段の周辺の空燃比を大きくし、一方、実際の着火時期の方が遅い場合には、そのイオン電流検出手段の周辺の空燃比を小さくする。これにより、イオン電流検出手段周辺の空燃比を最適な値に近づけることができ、気筒内で最適な空燃比分布を得ることができる。
【００１２】
上記課題を達成するために本発明による予混合圧縮着火内燃機関は、以下の手段を採用した。即ち、第２の発明は、
予混合気を圧縮により着火させる予混合圧縮着火内燃機関であって、
前記内燃機関の気筒内の外周側及び中央側に設けられた少なくとも２つのイオン電流検出手段と、
前記内燃機関の高負荷運転時には前記イオン電流検出手段により検出されるイオン電流の発生時期が前記燃焼室の外周側と中央側とで所定の差が生じるように燃焼室内の混合気の濃度分布を変更する混合気濃度制御手段と、
を具備することを特徴とする。
【００１３】
本発明の最大の特徴は、気筒内の混合気の濃度差を所定の値に保ち、気筒内での燃焼速度を最適化することにある。
【００１４】
このように構成された予混合圧縮着火内燃機関では、少なくとも２つのイオン電流検出手段を夫々気筒の外周側及び中央側に設けることにより、燃焼室内の中央側及び外周側に発生するイオン電流を検出することが可能となる。イオン電流は、混合気の燃焼開始前から発生し、イオン電流の発生時期は混合気の着火時期と相関関係がある。従って、イオン電流の検出値に基づいて混合気の着火時期を推定することが可能となる。ここで、混合気の着火時期は、該混合気の濃度、即ち空燃比により異なり、混合気の濃度が濃い（空燃比が小さい）ほど着火時期は速くなる。燃焼室内で混合気の濃度差が小さいと着火時期の差が小さくなり、燃焼が急激に行われて燃焼騒音が増加する。一方、燃焼室内で混合気の濃度差が大きいと着火時期の差が大きくなり、燃焼期間が長くなることによる燃費の悪化や排気エミッションの悪化を誘発させる。ここで、少なくとも２つのイオン電流検出手段を設けると、混合気の着火時期の差を検出することが可能となる。この結果に基づいて、混合気の濃度分布を変更することにより、最適な混合気濃度分布を得ることが可能となり、最適な燃焼速度を得ることが可能となる。尚、「所定の差」とは、着火時期の差の最適値であり予め実験等により求めておくことができる。
【００１５】
第１及び第２の発明においては、前記内燃機関は、気筒内を加熱するグロープラグと、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、をさらに備え、前記イオン電流検出手段は、前記グロープラグ及び燃料噴射弁に設けられていても良い。
【００１６】
このようにすることで、イオン電流検出手段を設けるための新たな構造、加工等が不必要となり、該イオン電流検出手段の設置を容易にすることが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施の形態＞
以下、本発明による予混合圧縮着火内燃機関の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明による予混合圧縮着火内燃機関を車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。
【００１８】
図１は、本実施の形態によるエンジンの概略構成を示す図である。
【００１９】
図１に示すエンジン１は、気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。
【００２０】
エンジン１は、シリンダヘッド１ａ及びシリンダブロック１ｂが連結されて構成されている。
【００２１】
シリンダヘッド１ａには、吸気ポート４及び排気ポート５が形成されており、吸気ポート４及び排気ポート５と気筒２内との境界には、上下に移動する吸気弁６及び排気弁７が備えられている。この吸気弁６及び排気弁７には、電流の印加により駆動され、任意の時期に開閉が可能である電磁駆動弁を採用しても良い。
【００２２】
また、シリンダヘッド１ａには、気筒２内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁（以下、単に筒内噴射弁ともいう。）３、グロープラグ９が設けられている。吸気ポート４には、該吸気ポート４内を流通する吸気中に燃料を噴射する吸気内燃料噴射弁（以下、単に吸気内噴射弁ともいう。）８が設けられている。
【００２３】
筒内燃料噴射弁３及び吸気内燃料噴射弁８には、高圧の燃料が供給されている。筒内燃料噴射弁３に駆動電流が印加されると、筒内燃料噴射弁３が開弁し、その結果、筒内燃料噴射弁３から気筒２内へ燃料が噴射される。一方、吸気内燃料噴射弁８に駆動電流が印加されると、吸気内燃料噴射弁８が開弁し、その結果、吸気内燃料噴射弁８から吸気ポート４内へ燃料が噴射される。吸気ポート４内へ噴射された燃料は、吸気とともに混合気を形成して気筒２へ吸入される。これにより、予混合燃焼が可能となる。尚、予混合燃焼は、吸気行程中に筒内燃料噴射弁３から燃料を噴射させることによっても行うことが可能である。また、筒内燃料噴射弁３及び吸気内燃料噴射弁８から噴射される燃料量は、エンジン回転数と負荷とからマップにより算出される。また、基本となる燃料噴射時期もエンジン回転数と負荷とからマップにより算出される。これらのマップは、予め実験等により求めておく。
【００２４】
グロープラグ９の先端部には、導電性を有した発熱体が設けられている。この発熱体は、気筒２内にて露出するとともにシリンダヘッド１ａの内壁と絶縁されている。そして、エンジン１の始動時には、発熱体により気筒２内を加熱若しくは筒内燃料噴射弁３から噴射された燃料を直接加熱して燃料の着火性を向上させている。このグロープラグ９には、気筒２内の燃料の燃焼時に発生するイオン電流を検出するイオンセンサを備えている。
【００２５】
エンジン１の始動完了後には、発熱体とシリンダヘッド１ａとの間に所定の電圧が印可される。こうした電圧印可により、気筒２内で燃料が燃焼したときには、その燃料の燃焼時に発生するイオンによってシリンダヘッド１ａと発熱体との間にイオン電流が流れる。この場合、グロープラグ９の発熱体はイオン電流検出用の電極として機能することとなる。
【００２６】
シリンダブロック１ｂは、気筒２内に挿入されたピストン１０を備えて構成される。ピストン１０の上面の一部には凹形状の燃焼室１０ａが形成されている。
【００２７】
以上述べたように構成されたエンジン１には、該エンジン１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１１が併設されている。このＥＣＵ１１は、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御するユニットである。
【００２８】
ＥＣＵ１１には、各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ１１に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ１１には、筒内燃料噴射弁３、吸気内燃料噴射弁８、グロープラグ９等が電気配線を介して接続され、制御することが可能になっている。また、前記ＥＣＵ１１は、各種アプリケーションプログラム及び各種制御マップを記憶している。
【００２９】
ところで、予混合燃焼は、ＮＯx及びスモークの発生量を低減させることが可能であり、また、燃料噴射圧力を低く抑えることができコストダウンが可能である。しかし、着火時期の制御が困難であり、従来の予混合圧縮着火内燃機関では、低負荷運転領域においてはＥＧＲ量の増加、吸入空気量の減少、吸気温度の低下等により、着火制御を可能としていたが、高負荷運転領域においては気筒内温度が高く着火し易い状態のため、着火制御が困難となっていた。
【００３０】
ここで、着火時期が早くなると燃焼騒音が増大するだけでなく、気筒内の圧力が増加する。特に、高負荷領域では、気筒内の圧力の増加によりエンジンの許容圧力を超えてしまう虞がある。
【００３１】
そこで、本実施の形態では、気筒２内にイオンセンサを設置し、該イオンセンサの出力信号から着火時期を判定する。
【００３２】
ここで、図２は、クランクアングルに応じた気筒内の熱発生率及びイオン発生率を示した図である。イオンは火炎発生前に大量に発生する。従って、着火時期が早くなれば、イオンの発生時期Ｉｉも早くなる。このように、着火時期とイオンの発生時期Ｉｉとには相関関係があるため、過早着火とされる時期を予め設定し、この着火時期から過早着火とされるイオンの発生時期をさらに求めることができる。このイオン発生時期Ｉｉよりも早い時期に、イオンセンサによりイオンの発生が検出されたときに過早着火すると判定することができる。
【００３３】
本実施の形態では、過早着火すると判定された場合には、着火時期を遅延させるための制御を行う。着火時期を遅延させるためには、例えば、水を気筒２内に噴射して気筒２内の温度を低下させることにより可能となる。また、水の噴射により、気筒内圧力も減少する。気筒２内の水の噴射は、筒内燃料噴射弁３が燃料若しくは水を選択して噴射することができる構造とするか、または、筒内燃料噴射弁３の他に水を噴射させるための噴射弁を別途備えることにより可能となる。
【００３４】
また、排気弁７が電磁駆動等により任意の時期に開閉可能なエンジンでは、過早着火が発生すると判定されたときに排気弁７を開弁させることにより、気筒２内の混合気を排気系に流出させて着火時期を遅延させることができる。即ち、排気弁７を開弁させることにより、混合気の圧力が低下し、また、混合気の温度上昇が抑制され、着火時期が遅延される。
【００３５】
さらに、圧縮比を可変とする機構を備えたエンジンでは、過早着火が発生すると推定されたときに圧縮比を小さくすることにより着火時期を遅延させることができる。圧縮比の可変は、例えば、クランク軸をカム機構によりピストン往復方向に移動させる構造とすることにより可能となる。過早着火が発生すると判定された場合には、クランク軸をシリンダヘッド１ａから遠ざかる方向へ移動させる。これにより、混合気の圧力が低下して混合気の温度上昇が抑制され、着火時期が遅延される。また、圧縮比を変更するための別室を設け、気筒２と別室との連通を弁機構により制御すれば圧縮比を可変とすることが可能となる。イオン発生時期により過早着火が発生すると判定された場合には、気筒２と別室とを連通させる。これにより、混合気の圧力が低下して混合気の温度上昇が抑制され、着火時期が遅延される。
【００３６】
このようにして、過早着火が発生すると推定されたサイクル内で過早着火を抑制することが可能となる。
【００３７】
一方、排気の一部を吸気系に導入するＥＧＲ装置を備えたエンジンでは、ＥＧＲ量を減少させることにより着火時期を遅延させることができる。即ち、ＥＧＲガスは混合気が燃焼した後の排気であるため、その温度が高く、ＥＧＲガスが導入された吸気では、圧縮前の混合気の温度が高くなり、これにより、圧縮後の温度も高くなるので過早着火が発生しやすくなる。従って、ＥＧＲ量を減少させることにより、混合気の温度を低下されるので、着火時期が遅延される。
【００３８】
このようにして、過早着火が発生すると推定された後のサイクルで過早着火を抑制することが可能となる。
【００３９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、イオンセンサによりイオン電流を検出して、過早着火が発生するか否かを判定し、過早着火が発生する虞があるときに着火時期を遅延させることが可能となる。これにより、エンジンが許容する圧力範囲内で余裕を持たせたエンジン制御をする必要がなくなり、エンジン出力を向上させることが可能となる。
＜第２の実施の形態＞
本実施の形態では、２つのイオンセンサを用いて気筒２内の混合気の空燃比の分布（若しくは、成層度）を判定し、この判定結果に基づいて空燃比の分布を変更する。
【００４０】
尚、本実施の形態においては、第１の実施の形態と比較して、イオンセンサを２つ備えている点が異なるものの、適用対象となるエンジンやその他ハードウェアの基本構成については、第１の実施の形態と共通なので説明を割愛する。
【００４１】
ここで、吸気管若しくは吸気ポート内に燃料を噴射する機構を備えたエンジンや、燃料噴射弁を２つ備えたエンジンでは、気筒内で燃料濃度の成層化を行うことができ、着火し易い箇所の空燃比を大きくすることにより着火時期を遅延させ、高負荷予混合時の着火制御を有効に行うことができる。その際、気筒内の圧力を検出する筒内圧センサにより成層度を判定して、フィードバック制御により燃焼制御を行うことが考えられるが、筒内圧センサは気筒全体の圧力を検出しているため空燃比分布以外の要因で発生した圧力の変動を検出することもあり、エンジン構成部品の製造ばらつきや劣化等により誤差が大きくなる。
【００４２】
製造ばらつきを抑制させようとして加工精度を向上させるとコストアップになり、劣化に対して余裕を持たせた制御を行うとエンジンの性能を十分に発揮することが困難となる。
【００４３】
そこで、本実施の形態では、気筒２内の空燃比分布を任意に変更することができるシステムを備え、気筒２の中心側及び外周側に２つのイオンセンサを設置して、成層度を直接判定し、エンジン構成部品の製造ばらつきや劣化等があっても適正な時期に着火可能な着火制御を行う。ここで、２つのイオンセンサは、夫々筒内燃料噴射弁３及びグロープラグ９と一体とすることによりエンジンへの搭載が容易となる。本実施の形態では、燃料噴射弁に備えられたものをイオンセンサＡとし、グロープラグに備えられたものをイオンセンサＢとして説明する。イオンセンサＡは、電極を２つ有しており、エンジン１の始動完了後には、２つの電極間に所定の電圧が印可される。こうした電圧印可により、気筒２内で燃料が燃焼したときには、その燃料の燃焼時に発生するイオンによって電極間にイオン電流が流れる。
【００４４】
次に、気筒内の空燃比分布判定方法について説明する。
【００４５】
図３は、クランクアングルに応じた気筒内の熱発生率及びイオン発生率を示した図である。Ｉａ及びＩｂは、イオンセンサＡ及びＢでの実際の着火時期であり、ΔＴは、イオンセンサＡとＢとで検出される着火時期の差である。２つのイオンセンサの出力信号から、夫々のイオンセンサ周辺での着火時期を判定することができ、それにより、イオンセンサ周辺での空燃比分布を推定することができる。即ち、予め設定した着火時期よりもイオンセンサの出力信号から判定された着火時期が早いほどイオンセンサ周辺の空燃比は小さく、一方、着火時期が遅いほどイオンセンサ周辺の空燃比は大きいと判定することができる。
【００４６】
この結果に基づいて着火時期を目標時期となるように空燃比分布を変更し燃焼を制御する。
【００４７】
気筒２内の空燃比分布は、例えば、吸気内燃料噴射弁８から燃料を噴射する時期を調整することにより変更が可能である。吸気弁６が開き始める時に吸気ポート４内へ燃料を噴射すると、気筒２の中心部の空燃比が小さくなり、一方、吸気弁の最大開弁時に吸気管内へ燃料を噴射すると、気筒２の外周部の空燃比が小さくなる。これは、以下の理由による。
【００４８】
吸気行程初期と吸気行程中期とでは、吸気弁６の開口隙が異なるため、気筒２内に流入する吸気の流速が異なる。吸気行程初期では、吸気弁６の開口隙が小さいにも関わらず気筒２内の負圧が大きいため、吸気の流速は速くなる。吸気行程中期では、吸気弁６は完全に開ききった状態であり、開口隙が最大となる。よって、気筒２内の負圧も特に高くならず、吸気の流速も速くはならない。
【００４９】
吸気行程初期の吸気ポート４内への燃料噴射（予混合燃料噴射）では、吸気の流速が速いため、予混合気中に含まれる比較的粒子の大きな燃料の貫通性が良くなり、気筒２の中心部若しくはピストン１０に設けられた燃焼室１０ａ内まで到達することが可能となる。よって、比較的大きな粒子を含む多数の粒子が燃焼室１０ａ内周辺に漂うことになり、小さな粒子からなる比較的少量の粒子が吸気弁６周辺及び気筒２の内壁面周辺に漂うことになる。
【００５０】
一方、吸気行程中期の吸気ポート４内への燃料噴射では、吸気の流速が遅いため、比較的粒子の大きな燃料ほど貫通性が悪化し、吸気弁６周辺を漂うことになる。よって、比較的大きな粒子を含む多数の粒子が吸気弁６周辺及び気筒２の内壁面周辺を漂うことになり、小さな粒子からなる比較的少量の粒子が燃焼室１０ａ周辺を漂うことになる。
【００５１】
次に、本実施の形態による着火時期制御について説明する。
【００５２】
図４は、本実施の形態による着火時期制御のフローを示したフローチャート図である。
【００５３】
ステップＳ１０１では、エンジン回転数Ｎ及び燃料噴射量Ｑから目標着火時期Ｉａｔｒｇ及びＩｂｔｒｇを算出する。ここで、目標着火時期Ｉａｔｒｇは、イオンセンサＡ近辺での目標となる着火時期であり、目標着火時期Ｉｂｔｒｇは、イオンセンサＢ近辺での目標となる着火時期である。目標着火時期Ｉａｔｒｇ及びＩｂｔｒｇは、予め実験等によりエンジン回転数Ｎ及び燃料噴射量Ｑとの関係を求めてマップ化しておき、該マップにエンジン回転数Ｎ及び燃料噴射量Ｑを代入して求める。
【００５４】
ステップＳ１０２では、イオンセンサＡ及びＢでの実際の着火時期Ｉａ及びＩｂを算出する。イオンセンサの発生から着火までの期間を予め求めてＥＣＵ１１に記憶させておくことで着火時期を算出することが可能となる。
【００５５】
ステップＳ１０３では、イオンセンサＡ近辺での着火時期ＩａがイオンセンサＢ近辺での着火時期Ｉｂよりも早いか否か判定される。これにより、着火時期の早いほうイオンセンサ近辺での着火時期を変更する。
【００５６】
ステップＳ１０３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０８へ進む。
【００５７】
ステップＳ１０４では、イオンセンサＡでの目標着火時期Ｉａｔｒｇと実際の着火時期Ｉａとの差の絶対値を目標着火時期Ｉａｔｒｇで除した値が０．０１以下であるか否か判定する。これにより、誤差範囲内での着火時期制御を行わないようにすることができる。
【００５８】
ステップＳ１０４で肯定判定がなされた場合には本ルーチンを終了し、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ進む。
【００５９】
ステップＳ１０５では、イオンセンサＡでの実際の着火時期Ｉａが目標着火時期Ｉａｔｒｇよりも早いか否か判定する。
【００６０】
ステップＳ１０５で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０７へ進む。
【００６１】
ステップＳ１０６では、イオンセンサＡ近辺の空燃比を１．０５倍する。即ち、実際の着火時期Ｉａが目標着火時期Ｉａｔｒｇよりも早いため、イオンセンサＡ近辺での空燃比を大きくして着火時期を遅らせる。その後、ステップＳ１０２へ戻る。
【００６２】
ステップＳ１０７では、イオンセンサＡ近辺の空燃比を０．９５倍する。即ち、実際の着火時期Ｉａが目標着火時期Ｉａｔｒｇよりも遅いため、イオンセンサＡ近辺での空燃比を小さくして着火時期を進ませる。その後、ステップＳ１０２へ戻る。
【００６３】
ステップＳ１０８では、イオンセンサＢでの目標着火時期Ｉｂｔｒｇと実際の着火時期Ｉｂとの差の絶対値を目標着火時期Ｉｂｔｒｇで除した値が０．０１以下であるか否か判定する。これにより、誤差範囲内での着火時期制御を行わないようにすることができる。
【００６４】
ステップＳ１０８で肯定判定がなされた場合には本ルーチンを終了し、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０９へ進む。
【００６５】
ステップＳ１０９では、イオンセンサＢでの実際の着火時期Ｉｂが目標着火時期Ｉｂｔｒｇよりも早いか否か判定する。
【００６６】
ステップＳ１０９で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１１０へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１１１へ進む。
【００６７】
ステップＳ１１０では、イオンセンサＢ近辺の空燃比を１．０５倍する。即ち、実際の着火時期Ｉｂが目標着火時期Ｉｂｔｒｇよりも早いため、イオンセンサＢ近辺での空燃比を大きくして着火時期を遅らせる。その後、ステップＳ１０２へ戻る。
【００６８】
ステップＳ１１１では、イオンセンサＢ近辺の空燃比を０．９５倍する。即ち、実際の着火時期Ｉｂが目標着火時期Ｉｂｔｒｇよりも遅いため、イオンセンサＢ近辺での空燃比を小さくして着火時期を進ませる。その後、ステップＳ１０２へ戻る。
【００６９】
このようにして、気筒２内の空燃比分布を変更して次期サイクルの着火制御を行うことができる。
【００７０】
尚、本実施の形態においては、吸気ポート４への吸気内燃料噴射弁８の設置に代えて、気筒２内に燃料噴射弁を２つ設置することによっても、気筒内の空燃比分布を変更することができる。
【００７１】
本実施の形態では、イオンセンサＡ及びイオンセンサＢ近辺の着火時期を両方ともに進角若しくは遅角させたい場合には、第１の実施の形態で説明したように、ＥＧＲ量の変更、排気弁７の開弁、圧縮比の変更等により着火時期を変更しても良い。
【００７２】
また、本実施の形態では、ディーゼルエンジンへの適用例について説明したが、例えばリーンバーンガソリンエンジンや筒内直接噴射式のガソリンエンジンおいても適用可能である。
【００７３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、２つのイオンセンサを設置し、夫々のイオンセンサ付近の燃料濃度を予め定めた最適濃度とすることができ、最適な着火時期を得ることができる。これにより、エンジン構成部品の製造ばらつきや劣化等があっても着火時期を制御することができる。
＜第３の実施の形態＞
本実施の形態では、２つのイオンセンサを用いて気筒２内の混合気の空燃比の分布（若しくは、成層度）を判定し、この判定結果に基づいて、２つのイオンセンサ近辺での着火時期の差が適当な値となるように空燃比の分布を変更する。
【００７４】
尚、本実施の形態においては、第１の実施の形態と比較して、イオンセンサを２つ備えている点が異なり、第２の実施の形態と比較して、着火時期の差を用いて空燃比分布を変更する点が異なるものの、適用対象となるエンジンやその他ハードウェアの基本構成については、第１の実施の形態及び第２の実施の形態と共通なので説明を割愛する。
【００７５】
ここで、筒内直接噴射式ディーゼルエンジンにおいては、燃料噴射率を制御することができれば、着火開始時期から燃焼終了時期までの燃焼をある程度は制御することができる。燃料噴射率を制御するとは、単位時間当たりの燃料噴射量及び噴射時間を変更しつつ、総燃料噴射量を変更しないように燃料噴射制御を行うことをいうが、この制御を実現させるためには構造が複雑でコスト高となる燃料噴射弁が必要となる。
【００７６】
図５は、クランクアングルに応じた気筒内の熱発生率であって理想的な燃焼時、騒音発生時、燃費悪化時の値を示した図である。図５中、実線が理想的な燃焼時、破線が騒音発生時、一点鎖線が燃費悪化時を夫々示している。熱発生率が緩やかに上昇し、且つ燃焼期間が短いときに理想的な燃焼となる。このような燃焼状態では、燃焼騒音の低減、燃費の向上、排気エミッション悪化の抑制等を実現することができる。
【００７７】
しかし、予混合燃焼を行うエンジンの場合には燃料噴射率の制御による燃焼制御を行うことができない。ＥＧＲ量や吸入空気温度を制御することにより着火開始時期の制御は可能ではあるが、その後の燃焼を制御することが困難なため、上記理想的な燃焼を実現することが困難となる。特に、高負荷運転状態での予混合燃焼においては、燃焼騒音が発生してしまう。
【００７８】
また、筒内直接噴射式エンジンにおいても、燃料噴射率の変更により燃焼開始時期の制御は可能であるが、その後の燃焼制御は困難である。そのため、燃費や排気エミッション性能を考慮すると、燃料噴射時期を進角することが考えられるが、燃焼騒音増大の要因となるため進角は困難である。
【００７９】
そこで、本実施の形態では、気筒２内の空燃比分布を任意に変更することができるシステムを備え、気筒２の中心側及び外周側に２つのイオンセンサを設置して、成層度を直接判定し、エンジン構成部品の製造ばらつきや劣化等があっても誤差の小さい着火制御を行う。２つのイオンセンサは、夫々、燃料噴射弁及びグロープラグと一体とすることによりエンジンへの搭載が容易となる。本実施の形態では、燃料噴射弁に備えられたものをイオンセンサＡとし、グロープラグに備えられたものをイオンセンサＢとして説明する。
【００８０】
ここで、２つのイオンセンサの着火時期の差が大きすぎると、燃焼期間が長くなりすぎて燃費の悪化や排気エミッションの悪化を誘発させる。一方、着火時期の差が小さすぎると、急激な燃焼により燃焼騒音が発生する。従って、適当な着火時期の差が得られるように気筒２内の空燃比分布を制御する。ここで、適当な着火時期の差は、予め実験等により求めておく。
【００８１】
図６は、回転数と負荷と目標となる着火時期の差との関係を示した図である。このようなマップをＥＣＵ１１に記憶させておき、回転数と負荷とから目標となる着火時期の差を求めて、この差が得られるように気筒２内の空燃比分布を制御する。
【００８２】
次に、本実施の形態による着火時期制御について説明する。本実施の形態では、夫々のイオンセンサにおいて得られた着火時期で遅いほうのイオンセンサ周辺の空燃比を変更して燃焼制御を行う。
【００８３】
図７は、本実施の形態による着火時期制御のフローを示したフローチャート図である。
【００８４】
ステップＳ２０１では、エンジン回転数Ｎ及び燃料噴射量Ｑから目標となる着火時期の差ΔＴｔｒｇを算出する。ここで、目標となる着火時期の差ΔＴｔｒｇは、図６の関係により求められる。
【００８５】
ステップＳ２０２では、イオンセンサＡ及びＢでの実際の着火時期Ｉａ及びＩｂを算出し、さらに実際の着火時期の差ΔＴを算出する。イオンセンサの発生から着火までの期間を予め求めてＥＣＵ１１に記憶させておくことで着火時期を算出することが可能となる。
【００８６】
ステップＳ２０３では、目標となる着火時期の差ΔＴｔｒｇと実際の着火時期の差ΔＴとの差の絶対値を目標となる着火時期の差ΔＴｔｒｇで除した値が０．０１以上であるか否か判定する。これにより、誤差範囲内での着火時期制御を行わないようにすることができる。
【００８７】
ステップＳ２０３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０４へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させる。
【００８８】
ステップＳ２０４では、実際の着火時期の差ΔＴが目標となる着火時期の差ΔＴｔｒｇよりも小さいか否か判定される。
【００８９】
ステップＳ２０４で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０５へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ２０８へ進む。
【００９０】
ステップＳ２０５では、イオンセンサＡ近辺での着火時期ＩａがイオンセンサＢ近辺での着火時期Ｉｂよりも早いか否か判定される。
【００９１】
ステップＳ２０５で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０６へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ２０７へ進む。
【００９２】
ステップＳ２０６では、イオンセンサＢ近辺の空燃比を１．０５倍する。即ち、イオンセンサＢ近辺での空燃比を大きくしてイオンセンサＢ付近での着火時期を遅らせる。その後、ステップＳ２０２へ戻る。
【００９３】
ステップＳ２０７では、イオンセンサＡ近辺の空燃比を１．０５倍する。即ち、イオンセンサＡ近辺での空燃比を大きくしてイオンセンサＡ付近での着火時期を遅らせる。その後、ステップＳ２０２へ戻る。
【００９４】
ステップＳ２０８では、イオンセンサＡ近辺での着火時期ＩａがイオンセンサＢ近辺での着火時期Ｉｂよりも早いか否か判定される。
【００９５】
ステップＳ２０８で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０９へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ２１０へ進む。
【００９６】
ステップＳ２０９では、イオンセンサＢ近辺の空燃比を０．９５倍する。即ち、イオンセンサＢ近辺での空燃比を小さくしてイオンセンサＢ付近での着火時期を進ませる。その後、ステップＳ２０２へ戻る。
【００９７】
ステップＳ２０７では、イオンセンサＡ近辺の空燃比を０．９５倍する。即ち、イオンセンサＡ近辺での空燃比を小さくしてイオンセンサＡ付近での着火時期を進ませる。その後、ステップＳ２０２へ戻る。
【００９８】
このようにして、気筒２内の空燃比分布を変更し着火制御を行うことができる。
【００９９】
尚、本実施の形態においては、吸気ポート４への吸気内燃料噴射弁８の設置に代えて、気筒２内に燃料噴射弁を２つ設置することによっても、気筒内の空燃比分布を変更することができる。
【０１００】
また、本実施の形態では、ディーゼルエンジンへの適用例について説明したが、例えばリーンバーンガソリンエンジンや筒内直接噴射式のガソリンエンジンにおいても適用可能である。
【０１０１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、２つのイオンセンサを備え、夫々のイオンセンサ付近の着火時期の差を最適なものとすることができる。これにより、着火時期の差が大きな場合に発生する燃費の悪化や排気エミッションの悪化を抑制させることができ、着火時期の差が小さい場合に発生する燃焼騒音を抑制することができる。
【０１０２】
【発明の効果】
本発明に係る予混合圧縮着火内燃機関では、イオンセンサ付近の着火時期を予め定めた時期となるように気筒内の空燃比分布を変更し、着火時期を適正なものとすることができる。
【０１０３】
また、本発明に係る予混合圧縮着火内燃機関では、少なくとも２つのイオンセンサの出力差が予め定めた差となるように気筒内の空燃比分布を変更し、着火時期を適正なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】エンジンの概略構成を示す図である。
【図２】クランクアングルに応じた気筒内の熱発生率及びイオン発生率を示した図である。
【図３】クランクアングルに応じた気筒内の熱発生率及びイオン発生率を示した図である。
【図４】第２の実施の形態による着火時期制御のフローを示したフローチャート図である。
【図５】クランクアングルに応じた気筒内の熱発生率であって理想的な燃焼時、騒音発生時、燃費悪化時の値を示した図である。
【図６】回転数と負荷と目標となる着火時期の差との関係を示した図である。
【図７】第３の実施の形態による着火時期制御のフローを示したフローチャート図である。
【符号の説明】
１・・・・エンジン
１ａ・・・シリンダヘッド
１ｂ・・・シリンダブロック
２・・・・気筒
３・・・・筒内燃料噴射弁（イオン電流検出手段）
４・・・・吸気ポート
５・・・・排気ポート
６・・・・吸気弁
７・・・・排気弁
８・・・・吸気内燃料噴射弁
９・・・・グロープラグ（イオン電流検出手段）
１０・・・ピストン
１０ａ・・燃焼室
１１・・・ＥＣＵ
【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７】
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