(57)【要約】【課題】本発明は、予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関において、予混合燃焼状態の改善を図るべく、燃焼室内に予混合燃焼に適した予混合気が形成され予混合燃焼状態が安定しているか否かをより正確に判定する。【解決手段】予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関において、燃焼室内の空燃比を検出又は推定する空燃比検出手段と、予混合燃焼が行われているときに、圧縮着火内燃機関の機関回転速度と燃料噴射量とから算出される予混合燃焼基準空燃比と空燃比検出手段によって検出又は推定される空燃比とに基づいて、予混合気の空燃比に起因する予混合燃焼状態の安定性を判定する予混合燃焼安定性判定手段（Ｓ１０４）と、を備える。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮着火内燃機関において、圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期に行われる燃料噴射によって予混合気を形成して予混合燃焼を行う予混合燃焼手段と、
前記燃焼室内の空燃比を検出又は推定する空燃比検出手段と、
前記予混合燃焼手段によって予混合燃焼が行われているときに、前記圧縮着火内燃機関の機関回転速度と燃料噴射量とから算出される予混合燃焼基準空燃比と前記空燃比検出手段によって検出又は推定される空燃比とに基づいて、予混合気の空燃比に起因する予混合燃焼状態の安定性を判定する予混合燃焼安定性判定手段と、
を備えることを特徴とする予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項２】
圧縮着火内燃機関において、圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期に行われる燃料噴射によって予混合気を形成して予混合燃焼を行う予混合燃焼手段と、
前記燃焼室内の圧力を検出又は推定する圧力検出手段と、
前記予混合燃焼手段によって予混合燃焼が行われているときに、前記圧力検出手段によって検出又は推定される前記燃焼室内の圧力の最大値または該圧力の変化率の少なくとも何れかと前記圧縮着火内燃機関の燃料噴射量とに基づいて、予混合気の空燃比に起因する予混合燃焼状態の安定性を判定する予混合燃焼安定性判定手段と、
を備えることを特徴とする予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項３】
圧縮着火内燃機関において、圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期に行われる燃料噴射によって予混合気を形成して予混合燃焼を行う予混合燃焼手段と、
前記圧縮着火内燃機関の機関出力の加速度を検出する加速度検出手段と、
前記予混合燃焼手段によって予混合燃焼が行われているときに、前記加速度検出手段によって検出される前記圧縮着火内燃機関の機関出力の加速度に基づいて、予混合気の空燃比に起因する予混合燃焼状態の安定性を判定する予混合燃焼安定性判定手段と、
を備えることを特徴とする予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項４】
前記予混合燃焼安定性判定手段は、前記加速度検出手段によって検出される前記圧縮着火内燃機関の機関出力の加速度が、該圧縮着火内燃機関において噴射される燃料噴射量によって決定される所定加速度より低い場合、前記燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定であると判定することを特徴とする請求項３に記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項５】
供給電圧が調整されることで、前記圧縮着火内燃機関における吸気の圧力を所望の圧力とする電動式過給機を更に備え、
前記予混合燃焼安定性判定手段によって、前記燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定であると判定されるとき、前記電動式過給機への供給電圧を所定の供給電圧より増量することを特徴とする請求項４に記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項６】
前記圧縮着火内燃機関における吸気の圧力を所望の圧力とすべくタービンホイールに吹き付けられる排気の流速をノズルベーンの開閉により可変とする可変容量型過給機を更に備え、
前記予混合燃焼安定性判定手段によって、前記燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定であると判定されるとき、前記ノズルベーンの開度を所定の開度より閉じ側に制御することを特徴とする請求項４に記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項７】
前記可変容量型過給機は、低圧側過給機と高圧側過給機とが直列に配置されることで構成
される二段過給機における該高圧側過給機、または複数台の過給機から構成され、前記圧縮着火内燃機関の運転状態に基づいて作動する過給機を切替える切替式過給機において常時作動状態にある過給機のいずれかの過給機であることを特徴とする請求項６に記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項８】
前記圧縮着火内燃機関における吸気の圧力を所望の圧力とする過給機と、
前記過給機の下流側の前記圧縮着火内燃機関の吸気通路に、該過給機によって過給された空気を貯留する空気タンクと、を更に備え、
前記予混合燃焼安定性判定手段によって、前記燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定であると判定されるとき、前記空気タンクに貯留された空気を前記吸気通路に導入することを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項９】
酸素富化膜によって吸気中の酸素濃度を調整する酸素濃度調整手段を更に備え、
前記空気タンクには、前記酸素濃度調整手段によって酸素濃度が通常酸素濃度より高く調整された空気が貯留されることを特徴とする請求項８に記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項１０】
前記圧縮着火内燃機関の吸気通路に酸素富化膜を設け、該酸素富化膜の下流側の圧力を調整することで吸気中の酸素濃度を調整する酸素濃度調整手段を更に備え、
前記予混合燃焼安定性判定手段によって、前記燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定であると判定されるとき、前記酸素濃度調整手段によって前記酸素富化膜の下流側を減圧することで、吸気中の酸素濃度を上昇させることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項１１】
酸素富化膜によって吸気中の酸素濃度または窒素濃度を調整する吸気調整手段と、
前記吸気調整手段により吸気中の窒素濃度を増加することによって、排気中のＮＯｘ濃度を低減させるＮＯｘ濃度低減手段と、を更に備え、
前記ＮＯｘ濃度低減手段によって排気中のＮＯｘ濃度を低減しているときに、前記予混合燃焼安定性判定手段によって、前記燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定であると判定される場合は、前記吸気調整手段による吸気中の窒素濃度の増加を中断し、且つ該吸気調整手段によって吸気中の酸素濃度を増加することを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項１２】
前記圧縮着火内燃機関の排気通路に、酸化能を有する酸化触媒と、
前記酸化触媒に流入する排気の酸素濃度を酸化富化膜によって調整する排気酸素濃度調整手段と、を更に備え、
前記予混合燃焼安定性判定手段によって、前記燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定であると判定されるとき、前記排気酸素濃度調整手段によって、前記酸化触媒に流入する排気の酸素濃度を上昇させることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の予混合圧縮着火内燃機関。
【請求項１３】
前記圧縮着火内燃機関の排気通路に、酸化能を有する酸化触媒と、
前記酸化触媒の上流の排気通路に空気を導入する空気導入手段と、を更に備え、
前記予混合燃焼安定性判定手段によって、前記燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定であると判定されるとき、前記空気導入手段によって、前記酸化触媒の上流の排気通路に空気を導入することを特徴とする請求項１から請求項４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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、予混合燃焼を行う予混合圧縮着火内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮着火内燃機関において、排出されるＮＯｘの抑制と排気白煙の発生の抑制を目的として、予混合燃焼が行われる。この予混合燃焼は、一般に燃料を燃焼室内に吸気行程中もしくは圧縮行程中に噴射することで、燃焼室内により均一な予混合気を形成させる。この均一な予混合気が燃焼すると、火炎温度が低く抑えられるためＮＯｘの生成が抑制される。さらに、この予混合気は燃料と空気が均一に混合しているため、十分な量の酸素の存在下で燃料が燃焼することになり、従って、酸素不足下での燃焼に起因する排気白煙の発生も抑制される。
【０００３】
ところが、予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関において、機関負荷の上昇に伴う予混合気を形成する燃料噴射量の増加によって、噴射された燃料が気筒内壁面へ付着し潤滑オイル流れが発生する。更に、内燃機関の機関回転速度の上昇に伴い、均一な予混合気の形成に要する時間を確保することが困難となり、予混合燃焼によるＮＯｘの抑制効果を十分に発揮できない。従って、内燃機関の機関負荷や機関回転速度によって決定される運転領域を限って、予混合燃焼を行う技術が公開されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２０００−１３０２００号公報
【特許文献２】実開２０００−３５２３４４号公報
【特許文献３】特開２００１−１９３５２６号公報
【特許文献４】特開２００１−２２１０９２号公報
【特許文献５】特開２００１−２３４７７８号公報
【特許文献６】特開２００２−３２７６３８号公報
【特許文献７】特開２００３−８３１１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧縮着火内燃機関において、ＮＯｘの抑制と排気白煙の発生の抑制を目的として予混合燃焼を行う場合、内燃機関の機関負荷と機関回転速度によって決定された内燃機関の運転領域に限って予混合燃焼を行うことで、燃焼室内において予混合気を形成するために必要な時間を確保する。
【０００５】
しかし、内燃機関の機関負荷と機関回転速度のみを条件として予混合燃焼の実行が可能と判断される場合であっても、燃焼室において予混合燃焼に適した空燃比の予混合気が形成されていないために、予混合燃焼状態が不安定となっている虞がある。そして、燃焼室内に形成された予混合気の空燃比が、予混合燃焼に適した空燃比より過度にリーンとなることで予混合燃焼状態が不安定となると、過早着火が発生したり、排出されるＮＯｘ量や燃焼騒音が増大したりする虞がある。一方で、燃焼室内に形成された予混合気の空燃比が、予混合燃焼に適した空燃比より過度にリッチとなることで予混合燃焼状態が不安定となると、エミッションが悪化したり、燃費が悪化したりする虞がある。
【０００６】
本発明では、上記した問題に鑑み、予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関において、予混合燃焼状態の改善を図るべく、燃焼室内に予混合燃焼に適した予混合気が形成され予混合燃焼状態が安定しているか否かをより正確に判定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記した課題を解決するために、燃焼室内に予混合燃焼に適した空燃比の予混合気（以下、「理想予混合気」という。また、理想予混合気の空燃比を「理想空燃比」という。）が形成されたか否か、または理想予混合気が形成されない状態で予混合燃焼が行われたときに発生する現象に着目した。即ち、予混合燃焼状態が不安定になる理由として、予混合気の空燃比が理想空燃比より過度にリッチになっている場合、もしくは過度にリーンになっている場合が考えられる。そして、これらに直接に又は間接に起因する現象に着目することで、予混合燃焼状態の安定性を判定することが可能となる。
【０００８】
そこで、本発明は、以下に示す三通りの予混合圧縮着火内燃機関において、予混合燃焼状態の安定性を判定することを可能とする。第一に、圧縮着火内燃機関において、圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期に行われる燃料噴射によって予混合気を形成して予混合燃焼を行う予混合燃焼手段を備える予混合圧縮着火内燃機関において、前記燃焼室内の空燃比を検出又は推定する空燃比検出手段と、前記予混合燃焼手段によって予混合燃焼が行われているときに、前記圧縮着火内燃機関の機関回転速度と燃料噴射量とから算出される予混合燃焼基準空燃比と前記空燃比検出手段によって検出又は推定される空燃比とに基づいて、予混合気の空燃比に起因する予混合燃焼状態の安定性を判定する予混合燃焼安定性判定手段と、を備える。
【０００９】
ここでいう予混合燃焼基準空燃比とは、先述した理想空燃比であり、予混合燃焼を行うに当たり燃焼室に形成される予混合気の理想的な空燃比である。この予混合燃焼基準空燃比は、圧縮着火内燃機関の機関回転速度と燃料噴射量とで決定される運転状態の全てにおいて同一ではなく、該運転状態によって変動する。そこで、予混合燃焼基準空燃比は、圧縮着火内燃機関の機関回転速度と燃料噴射量をパラメータとして、即ち圧縮着火内燃機関の運転状態から算出される空燃比であり、予め実験等によって求めておく。一方で、空燃比検出手段によって検出又は推定される空燃比は、予混合燃焼が実際に行われている燃焼室において形成される予混合気の空燃比（以下、「実空燃比」という。）である。
【００１０】
そして、予混合燃焼が行われているときに、予混合燃焼基準空燃比と実空燃比との間に差が生じた場合、例えば実空燃比が予混合燃焼基準空燃比よりリッチ側の空燃比であると、予混合燃焼として必要な量の酸素が供給されていないことを意味し、燃料が十分に燃焼しないために燃費が悪化する場合や、排気通路に酸化触媒が設けられているときは、酸化触媒による酸化作用に供される酸素が不足し、該酸化作用が十分に発揮されない場合がある。また、実空燃比が予混合燃焼基準空燃比よりリーン側の空燃比であると、燃焼室内に多量の酸素が存在することになり、予混合気が本来着火すべき時期より早く着火する過早着火が発生したり、発生するＮＯｘ量が増大したり、燃焼騒音が増大したりする場合がある。
【００１１】
そこで、実空燃比と予混合燃焼基準空燃比とを比較し、その差に基づいて予混合気の空燃比に起因する予混合燃焼状態の安定性を判断することが可能となる。即ち、両者の空燃比の差が増大するほど、燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで又は燃焼室内の空燃比がリーン側の空燃比となることで、予混合燃焼状態が不安定となっていると判断し得る。
【００１２】
第二に、圧縮着火内燃機関において、圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期に行われる燃料噴射によって予混合気を形成して予混合燃焼を行う予混合燃焼手段を備える予混合圧縮着火内燃機関において、前記燃焼室内の圧力を検出又は推定する圧力検出手段と、前記予混合燃焼手段によって予混合燃焼が行われているときに、前記圧力検出手段によって検出又は推定される前記燃焼室内の圧力の最大値または該圧力の変化率の少なくとも何れかと前記圧縮着火内燃機関の燃料噴射量とに基づいて、予混合気の空燃比に起因する予混
合燃焼状態の安定性を判定する予混合燃焼安定性判定手段と、を備える。
【００１３】
上記予混合圧縮着火内燃機関においては、予混合燃焼状態において実空燃比が理想空燃比から外れることで発生する燃焼室内の燃焼圧の変動に着目する。ここで、実空燃比が理想空燃比よりリッチ側に外れると、燃焼室内に濃度の高い混合気が分布することになり混合気の燃焼が良好に行われない虞がある。このとき、燃焼圧の最高値が、圧縮着火内燃機関の燃料噴射量により発生すべき燃焼圧（以下、「理想燃焼圧」という）より低下したり、また内燃機関の燃料噴射量により発生すべき燃焼圧の変化率（以下、「理想燃焼圧変化率」という）が小さくなったりする。一方で、実空燃比が理想空燃比よりリーン側に外れると、燃焼室内の酸素量が増大するため過早着火が生じる虞がある。そして過早着火が生じることで、燃焼圧の最高値が理想燃焼圧より過度に上昇したり、また燃焼圧が急峻に変動するため燃焼圧の変化率が理想燃焼圧変化率より過度に大きくなったりする。
【００１４】
その結果、内燃機関の燃焼室における燃焼圧の最高値または燃焼圧の変化率の少なくとも何れかと圧縮着火内燃機関の燃料噴射量とに基づいて、燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで又は燃焼室内の空燃比がリーン側の空燃比となることで、予混合燃焼状態が不安定となっていると判断し得る。
【００１５】
第三に、圧縮着火内燃機関において、圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期に行われる燃料噴射によって予混合気を形成して予混合燃焼を行う予混合燃焼手段を備える予混合圧縮着火内燃機関において、前記圧縮着火内燃機関の機関出力の加速度を検出する加速度検出手段と、前記予混合燃焼手段によって予混合燃焼が行われているときに、前記加速度検出手段によって検出される前記圧縮着火内燃機関の機関出力の加速度に基づいて、予混合気の空燃比に起因する予混合燃焼状態の安定性を判定する予混合燃焼安定性判定手段と、を備える。
【００１６】
上記予混合圧縮着火内燃機関においては、予混合燃焼状態において実空燃比が理想空燃比から外れた際の、圧縮着火内燃機関の機関出力の加速度に着目する。ここで、実空燃比が理想空燃比よりリッチ側に外れると、燃焼室内に濃度の高い混合気が分布することになり混合気の燃焼が良好に行われない虞がある。そのため、圧縮着火内燃機関の機関出力の加速度が、圧縮着火内燃機関が発生すべき加速度（以下、「理想加速度」という）より低くなる。従って、予混合燃焼時において、圧縮着火内燃機関の機関出力の加速度が、前記理想加速度と同義である前記所定加速度より低い場合、燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで、予混合燃焼状態が不安定となっていると判断し得る。
【００１７】
一方で、実空燃比が理想空燃比よりリーン側に外れると、燃焼室内の酸素量が増大するため過早着火が生じる虞がある。そして過早着火が生じることで、圧縮着火内燃機関の機関出力の加速度が安定せず、振動的となる。従って、予混合燃焼時において、圧縮着火内燃機関の機関出力の加速度が、振動的に変動する場合、燃焼室内の空燃比がリーン側の空燃比となることで、予混合燃焼状態が不安定となっていると判断し得る。
【００１８】
ここで、上述の圧縮着火内燃機関において、機関出力の加速度が所定の加速度より低いために、前記燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定であると判定されるときの、予混合燃焼状態の改善について以下に示す。即ち、前記予混合圧縮着火内燃機関において、供給電圧が調整されることで吸気の圧力を所望の圧力とする電動式過給機を更に備える場合、予混合燃焼安定性判定手段によって前記燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定であると判定されるとき、前記電動式過給機への供給電圧を所定の供給電圧より増量する。
【００１９】
ここで、所定の供給電圧とは、圧縮着火内燃機関の運転状態に基づいて、該内燃機関に
対して与えるべき吸気の圧力を電動式過給機によって発生するための、供給電圧をいう。従って、予混合燃焼安定性判定手段によって前記燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定であると判定されるときに、電動式過給機への供給電圧を所定の供給電圧より増量することで、該内燃機関の吸気の圧力が上昇し、燃焼室内の酸素量が増量される。その結果、予混合気の空燃比が理想空燃比に近づくことで予混合燃焼状態が安定し、以て該内燃機関の機関出力の加速度が所定の加速度まで達し得る。
【００２０】
また、前記予混合圧縮着火内燃機関において、吸気の圧力を所望の圧力とすべくタービンホイールに吹き付けられる排気の流速をノズルベーンの開閉により可変とする可変容量型過給機を更に備える場合、予混合燃焼安定性判定手段によって、前記燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定であると判定されるとき、前記ノズルベーンの開度を所定の開度より閉じ側に制御することでも、予混合燃焼状態の改善を図ることが可能である。
【００２１】
いわゆる可変容量型過給機におけるノズルベーンの所定の開度とは、圧縮着火内燃機関の運転状態に基づいて、該内燃機関に対して与えるべき吸気の圧力を可変容量型過給機によって発生するための、ノズルベーンの開度をいい、上述の電動式過給機における所定の供給電圧に対応するものである。従って、ノズルベーンの開度を所定の開度より閉じ側とすることで、該内燃機関の吸気の圧力が上昇し、燃焼室内の酸素量が増量される。その結果、予混合気の空燃比が理想空燃比に近づくことで予混合燃焼状態が安定し、以て該内燃機関の機関出力の加速度が所定の加速度まで達し得る。
【００２２】
また、前記可変容量型過給機は、低圧側過給機と高圧側過給機とが直列に配置されることで構成される二段過給機における該高圧側過給機、または複数台の過給機から構成され、前記圧縮着火内燃機関の運転状態に基づいて作動する過給機を切替える切替式過給機において常時作動状態にある過給機のいずれかの過給機としてもよい。このように過給機を構成することで、より高い内燃機関の機関出力が発揮されるとともに、予混合燃焼状態の改善を図ることが可能となる。
【００２３】
ここで、圧縮着火内燃機関において、先述した第一から第三までの態様で予混合燃焼状態の安定性を判断し、実空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定であると判断される場合における、予混合燃焼状態の改善について説明する。そこで、第一に、前記予混合圧縮着火内燃機関において、吸気の圧力を所望の圧力とする過給機と、前記過給機の下流側の前記圧縮着火内燃機関の吸気通路に、該過給機によって過給された空気を貯留する空気タンクと、を更に備える場合、前記予混合燃焼安定性判定手段によって、前記燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定であると判定されるとき、前記空気タンクに貯留された空気を前記吸気通路に導入する。
【００２４】
空気タンクには過給機によって過給された空気が貯留されている状態であり、吸気の流れがある吸気通路の圧力より空気タンク内の圧力の方が高くなる。従って、空気タンク内の加圧された空気は容易に吸気通路へ流入する。ここで、燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定であるときに、空気タンクから吸気通路へ空気が流入することで、燃焼室内の酸素量が増量される。その結果、予混合気の空燃比が理想空燃比に近づくことで予混合燃焼状態が安定し得る。
【００２５】
このとき、前記圧縮着火内燃機関において、酸素富化膜によって吸気中の酸素濃度を調整する酸素濃度調整手段を更に備える場合、前記空気タンクには、前記酸素濃度調整手段によって酸素濃度が通常酸素濃度より高く調整された空気が貯留されるようにしてもよい。
【００２６】
ここで、通常酸素濃度とは、圧縮着火内燃機関に取り込まれる外気の酸素濃度であって、酸素濃度調整手段によって酸素濃度の調整が行われていない空気の酸素濃度をいう。このようにすることで、より効率的に燃焼室内における酸素濃度を上昇させることが可能となり、以て燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定となっている状態を改善することが可能となる。
【００２７】
第二に、前記予混合圧縮着火内燃機関において、前記圧縮着火内燃機関の吸気通路に酸素富化膜を設け、該酸素富化膜の下流側の圧力を調整することで吸気中の酸素濃度を調整する酸素濃度調整手段を更に備える場合、前記予混合燃焼安定性判定手段によって、前記燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定であると判定されるとき、前記酸素濃度調整手段によって前記酸素富化膜の下流側を減圧することで、吸気中の酸素濃度を上昇させる。
【００２８】
酸素濃度調整手段においては、酸素富化膜の下流側を減圧して、酸素富化膜の上流側と下流側との間に圧力差を生じさせることで、上流側にある酸素を膜表面に溶解し、下流側の減圧された側の膜表面から酸素を離脱させることで、圧縮着火内燃機関に吸気として流入する吸気中の酸素濃度を上昇させることが可能となる。これにより、より効率的に燃焼室内における酸素濃度を上昇させることが可能となり、以て燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定となっている状態を改善することが可能となる。
【００２９】
第三に、前記予混合圧縮着火内燃機関において、酸素富化膜によって吸気中の酸素濃度または窒素濃度を調整する吸気調整手段と、前記吸気調整手段により吸気中の窒素濃度を増加することによって、排気中のＮＯｘ濃度を低減させるＮＯｘ濃度低減手段と、を更に備える場合、前記ＮＯｘ濃度低減手段によって排気中のＮＯｘ濃度を低減しているときに、前記予混合燃焼安定性判定手段によって前記燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定であると判定される場合は、前記吸気調整手段による吸気中の窒素濃度の増加を中断し、且つ、該吸気調整手段によって吸気中の酸素濃度を増加する。
【００３０】
吸気調整手段は、酸素富化膜によって吸気中の酸素濃度と窒素濃度の比率を調整し、吸気調整手段によって窒素濃度を上昇させることで燃焼室内での燃焼温度の上昇を抑制し、排気中のＮＯｘ濃度を低減することが可能となる。ここで、エミッションを良好に維持するためにも排気中のＮＯｘ濃度を低減することは好ましく、従って吸気調整手段によって吸気中の窒素濃度の比率を上昇させる。
【００３１】
しかし、そのような場合であっても、燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定となるときは、予混合燃焼状態の改善を優先し、吸気中の窒素濃度の比率増加を中断する一方で、吸気中の酸素濃度の比率を増加させる。これにより、より効率的に燃焼室内における酸素濃度を上昇させ、以て燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定となっている状態を改善することが可能となる。尚、前記圧縮着火内燃機関において排気再循環装置を備える場合であって、排気の一部を吸気側に再循環することによって、排気中のＮＯｘ量を低減しているときは、その排気の再循環量を低減させることでも、予混合燃焼状態を改善することが可能となる。
【００３２】
ここで、圧縮着火内燃機関において、先述した第一から第三までの態様で予混合燃焼状態の安定性を判断し、実空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定であると判断される場合においては、排気通路を流れる排気中の酸素濃度も低下する。このとき、排気通路に酸化触媒が備えられていても、排気中の酸素濃度低下により、酸化触媒による酸化作用が十分に発揮することが困難となる虞がある。そこで、このような場合
においても、酸化触媒の酸化作用が十分に発揮させるべく、以下に挙げる圧縮着火内燃機関が好ましい。
【００３３】
第一に、前記予混合圧縮着火内燃機関において、前記圧縮着火内燃機関の排気通路に、酸化能を有する酸化触媒と、前記酸化触媒に流入する排気の酸素濃度を酸化富化膜によって調整する排気酸素濃度調整手段と、を更に備える場合、前記予混合燃焼安定性判定手段によって、前記燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定であると判定されるとき、前記排気酸素濃度調整手段によって、前記酸化触媒に流入する排気の酸素濃度を上昇させる。
【００３４】
これにより、燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定となり排気中の酸素濃度が低下する場合でも、酸素富化膜によって排気中の酸素濃度を増加することで、酸化触媒の酸化作用が十分に発揮され得る排気中の酸素濃度を確保することが可能となる。
【００３５】
第二に、前記予混合圧縮着火内燃機関において、前記圧縮着火内燃機関の排気通路に、酸化能を有する酸化触媒と、前記酸化触媒の上流の排気通路に空気を導入する空気導入手段と、を更に備える場合、前記予混合燃焼安定性判定手段によって、前記燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定であると判定されるとき、前記空気導入手段によって、前記酸化触媒の上流の排気通路に空気を導入する。
【００３６】
これによっても、燃焼室内の空燃比がリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定となり排気中の酸素濃度が低下する場合でも、排気中に空気が導入されることで排気中の酸素濃度を増加し、以て酸化触媒の酸化作用が十分に発揮され得る排気中の酸素濃度を確保することが可能となる。
【発明の効果】
【００３７】
予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関において、予混合燃焼状態の改善を図るべく、燃焼室内に予混合燃焼に適した予混合気が形成され予混合燃焼状態が安定しているか否かをより正確に判定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
ここで、本発明に係る予混合燃焼を行う予混合圧縮着火内燃機関の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００３９】
図１は、本発明が適用される予混合圧縮着火内燃機関（以下、単に「内燃機関」という）１およびその制御系統の概略構成を表すブロック図である。
【００４０】
内燃機関１は、４つの気筒２を有する圧縮着火式の内燃機関である。また、気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。燃料噴射弁３は、燃料を所定圧に蓄圧する蓄圧室４と接続されている。内燃機関１には吸気枝管７が接続されており、吸気枝管７の各枝管は、気筒２の燃焼室と吸気ポートを介して連通している。また、吸気枝管７は吸気管８に接続されている。
【００４１】
また、吸気管８には、酸素富化膜によって吸気内の酸素濃度と窒素濃度の比率を調整する酸素富化装置９が設けられている。酸素富化装置９において酸素富化膜の上流側が大気側へ連結された状態で、且つ酸化富化膜の下流側の圧力を調整することで、酸素富化膜を透過する酸素分子量が調整され、その結果、吸気内の酸素濃度と窒素濃度の比率が変動する。具体的には、酸素富化膜の下流側の圧力を減圧する程、吸気中の酸素濃度が増加する
。
【００４２】
前記吸気管８における吸気枝管７の直上流に位置する部位には、該吸気管８内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁１０が設けられている。この吸気絞り弁１０には、ステップモータ等で構成されて該吸気絞り弁１０を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１１が取り付けられている。
【００４３】
一方、内燃機関１には排気枝管１２が接続され、排気枝管１２の各枝管が排気ポートを介して気筒２の燃焼室と連通している。更に、内燃機関１には、ＥＧＲ装置２１が設けられている。ＥＧＲ装置２１は排気枝管１２の排気の一部を吸気枝管７へ再循環させる。ＥＧＲ装置２１は、排気枝管１２（上流側）から吸気枝管７（下流側）へ延出しているＥＧＲ通路２２と、ＥＧＲ通路２２上に上流側から順に設けられた排気冷却用のＥＧＲクーラ２３、ＥＧＲ弁２４と、から構成される。
【００４４】
ここで、酸素富化装置９と吸気絞り弁１０との間に位置する吸気管８には、排気のエネルギーを駆動源として作動する過給機１６のコンプレッサ側が設けられ、排気枝管１２には過給機１６のタービン側が設けられている。過給機１６は、図２に示されるように低圧側過給機１６ｂと高圧側過給機１６ａが直列に構成される二段過給機であり、先ず排気によって低圧側過給機１６ｂによって一段階目の過給圧に加圧された後に下流の吸気管に設けられた吸気冷却用のインタークーラ１６ｃによって冷却され、更に高圧側過給機１６ａによって目的の過給圧へと加圧する。ここで、過給機１６における高圧側過給機１６ａは、いわゆる可変容量型過給機であって、高圧側過給機１６ａのノズルベーンの開度を調整することで、最終的に到達する過給圧を調整することが可能となる。過給機１６より下流の吸気管８には、過給機１６における高圧側過給機１６ａによって加圧されて高温となった吸気を冷却するためのインタークーラ１５が設けられている。また、過給機１６のタービン側は、排気管１３と接続され、この排気管１３は、下流にてマフラーに接続されている。
【００４５】
そして、排気管１３の途中には、内燃機関１からの排気中の物質を酸化する機能を有する酸化触媒１４が設けられ、排気中の未燃成分や一酸化炭素等を酸化することで、これらの物質が直接に大気中へ放出されるのを抑制する。
【００４６】
また、インタークーラ１５の下流の吸気管８から吸気枝管７へ、吸気管８に対して並列に連通する空気供給管２０が設けられている。空気供給管２０には、上流側から、空気タンク１８、空気供給量調整弁１９が設けられている。過給機１６によって加圧された吸気の一部は、空気供給管２０を経て空気タンク１８に貯留され、貯留された空気は空気供給量調整弁１９の開度に応じて、吸気枝管７へと供給される。
【００４７】
ここで、燃料噴射弁３は、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）２０からの制御信号によって開閉動作を行う。即ち、ＥＣＵ２０からの指令によって、燃料噴射弁３における燃料の噴射時期および噴射量が、内燃機関１の機関負荷や機関回転速度に応じて、弁毎に制御されることで、内燃機関１において予混合燃焼や、拡散燃焼が行われる。また、空気供給量調整弁１０およびＥＧＲ弁２４も、ＥＣＵ２０からの指令に従い、開弁制御される。
【００４８】
更に、アクセル開度センサ３４がＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ＥＣＵ２０はアクセル開度に応じた信号を受け取り、それより内燃機関１に要求される機関負荷等を算出する。また、クランクポジションセンサ３３がＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ＥＣＵ２０は内燃機関１の出力軸の回転角に応じた信号を受け取り、内燃機関１の機関回転速度等を算出する。更に、気筒２内の燃焼室における燃焼圧を測定する圧力センサ３２
と、該燃焼室内に形成される混合気の空燃比を検出する空燃比センサ３１が、ＥＣＵ２０と電気的に接続され、それぞれより燃焼室内の圧力、空燃比が検出される。
【００４９】
上述した内燃機関１においては、内燃機関１の機関負荷と機関回転速度に基づいて、予混合燃焼と拡散燃焼の何れかの燃焼が行われる。拡散燃焼は、圧縮行程上死点近傍において、燃料噴射弁３より燃焼を噴射することで行われ、予混合燃焼は、圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期の吸気行程または圧縮行程の時期において、燃料噴射弁３より燃料を噴射することで行われる。尚、予混合燃焼においては、圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期の吸気行程または圧縮行程における燃料噴射に加えて、圧縮行程上死点近傍における燃料噴射を行ってもよい。
【００５０】
このような予混合燃焼を行う内燃機関１において、先述したように、内燃機関１の機関負荷と機関回転速度に基づいて、予混合燃焼を行うか否かが決定されるが、予混合燃焼時において燃焼室内に形成される予混合気の空燃比が、予混合燃焼に適正な空燃比である理想空燃比から外れることで、良好な予混合燃焼が行われず、予混合燃焼が不安定となる場合がある。例えば、予混合気の空燃比が理想空燃比よりリッチ側の空燃比となると、燃費が悪化し、また十分な機関出力を発揮できなくなる。一方で、理想空燃比よりリーン側の空燃比となると過早着火が発生し、また排出されるＮＯｘ量が増大する。そこで、内燃機関１において予混合燃焼を行うとき、予混合気の空燃比に起因する予混合燃焼状態の安定性を判定し、不安定であると判断される場合には予混合燃焼状態を安定化する必要がある。そこで、図３に基づいて、予混合燃焼の安定化を図る制御（以下、「予混合燃焼安定制御」という）について、説明する。
【００５１】
図３は、予混合燃焼安定制御のフローチャートである。先ず、Ｓ１０１では、内燃機関１の運転領域が予混合燃焼を行う運転領域か否か、内燃機関１の機関回転速度と燃料噴射量に基づいて、判断される。内燃機関１の運転領域が予混合燃焼を行う領域であると判断されると、燃料噴射弁３からの燃料噴射時期が、吸気行程または圧縮行程における時期となり、燃焼室内に予混合気が形成され、以て予混合燃焼が行われる。Ｓ１０１の処理が終了すると、Ｓ１０２へ進む。一方で、内燃機関１の運転領域が予混合燃焼を行う領域ではない判断されると、拡散燃焼が行われるべく、燃料噴射弁３からの燃料噴射時期は圧縮行程上死点近傍となる。この場合、Ｓ１０１の処理が終了すると、本制御が終了される。
【００５２】
Ｓ１０２では、予混合燃焼時に燃焼室内に形成される予混合気の空燃比である実空燃比ＡＦｒを、空燃比センサ３１からの検出信号に基づいて、算出する。Ｓ１０２の処理が終了すると、Ｓ１０３へ進む。
【００５３】
Ｓ１０３では、内燃機関１の機関回転速度と燃料噴射量とに基づいて、予混合燃焼に適した予混合気の空燃比である理想空燃比ＡＦｉを算出する。理想空燃比ＡＦｉの算出について、図４に基づいて説明する。図４は、内燃機関１の運転領域に対応させて、理想空燃比を示したグラフである。該グラフの横軸は内燃機関１の機関回転速度を、縦軸は内燃機関１の燃料噴射量を表している。ここで、内燃機関１の運転領域を、図４に示すように、領域Ｒ１からＲ４までの４つの領域に分類する。領域Ｒ４は、内燃機関１において予混合燃焼が行われない、換言すると拡散燃焼が行われる運転領域である。そして、内燃機関１の運転領域が、予混合燃焼低負荷運転領域Ｒ１、予混合燃焼中負荷運転領域Ｒ２、予混合燃焼高負荷運転領域Ｒ３に属するときに、予混合燃焼が行われる。
【００５４】
ここで、予混合燃焼が安定して行われる予混合気の理想空燃比ＡＦｉは、内燃機関１の運転領域によってＡＦ１、ＡＦ２、ＡＦ３と異なる。ここで、内燃機関１の運転領域が大きくなるに従い、理想空燃比ＡＦｉは小さくなる傾向を有する。従って、内燃機関１の運転領域に対する理想空燃比ＡＦｉの分布は図４に示すようになり、空燃比ＡＦ１、ＡＦ２
、ＡＦ３の値の関係は、ＡＦ１＞ＡＦ２＞ＡＦ３となる。そして、図４に示す内燃機関１の運転領域と理想空燃比ＡＦｉとの関係から、Ｓ１０３において理想空燃比ＡＦｉを算出する。Ｓ１０３の処理が終了すると、Ｓ１０４へ進む。
【００５５】
Ｓ１０４では、Ｓ１０２で算出された実空燃比ＡＦｒとＳ１０３で算出された理想空燃比ＡＦｉとが一致するか否か、即ち燃焼室に実際に形成されている予混合気の空燃比が、内燃機関１の運転領域に対して予混合燃焼に適した空燃比となっているか否かが判断される。実空燃比ＡＦｒが理想空燃比ＡＦｉと一致すると判断されると、予混合燃焼は安定して行われていることを意味し、本制御を終了する。一方で、実空燃比ＡＦｒが理想空燃比ＡＦｉと一致しないと判断されると、予混合燃焼は安定して行われていないことを意味し、Ｓ１０５へ進む。尚、一致するか否かの判断については、判断基準となる理想空燃比ＡＦｉに対して一定の許容範囲を持たせ、実空燃比ＡＦｒがその許容範囲内の空燃比であれば、理想空燃比ＡＦｉと一致すると判断するようにしてもよい。
【００５６】
Ｓ１０５では、空気供給量調整弁１９の開度を調整し、空気タンク１８から吸気枝管７に流入する空気の流量を調整することで、燃焼室内に流入する空気量を調整し、以て燃焼室内に形成される予混合気の空燃比を理想空燃比に近づける。即ち、Ｓ１０４において、実空燃比ＡＦｒが理想空燃比ＡＦｉよりリーン側に外れることで両者が一致しないと判断された場合には、空気供給量調整弁１９の開度を閉じ側へ調整する。一方で、実空燃比ＡＦｒが理想空燃比ＡＦｉよりリッチ側に外れることで両者が一致しないと判断された場合には、空気供給量調整弁１９の開度を開き側へ調整する。Ｓ１０５の処理が終了すると、本制御を終了する。
【００５７】
また、空気供給量調整弁１９の開度を調整する代わりに、酸素富化装置９を制御して吸気中に含まれる酸素濃度を制御することで、燃焼室内の予混合気の空燃比を制御してもよい。即ち、Ｓ１０４において、実空燃比ＡＦｒが理想空燃比ＡＦｉよりリーン側に外れることで両者が一致しないと判断された場合には、酸素富化装置９により吸気中の酸素濃度を減ずる。一方で、実空燃比ＡＦｒが理想空燃比ＡＦｉよりリッチ側に外れることで両者が一致しないと判断された場合には、酸素富化装置９により吸気中の酸素濃度を増加させる。
【００５８】
本制御によると、予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関において、実空燃比ＡＦｒと理想空燃比ＡＦｉとを比較することで、燃焼室内に予混合燃焼に適した予混合気が形成され予混合燃焼状態が安定しているか否かをより正確に判定することが可能となり、その結果、予混合燃焼状態の改善を図ることが可能となる。
【００５９】
更に、Ｓ１０４において、実空燃比ＡＦｒが理想空燃比ＡＦｉよりリッチ側に外れることで両者が一致しないと判断された場合には、排気中の酸素濃度も低下している。その結果、酸化触媒１４による酸化作用が低下し、排気中の未燃成分や一酸化炭素が十分に酸化されない状態で大気へ放出される虞がある。そこで、実空燃比ＡＦｒが理想空燃比ＡＦｉよりリッチ側に外れる場合には、図示しない空気供給装置または酸素富化膜による酸素供給装置によって酸化触媒１４の上流の部位に、空気もしくは酸素を供給し、排気中の酸素濃度を上昇させることで、酸化触媒１４の触媒作用を十分に発揮させることが可能となる。
【実施例２】
【００６０】
図１に示す内燃機関１において予混合燃焼を行うとき、予混合気の空燃比に起因する予混合燃焼状態の安定性を判定し、不安定であると判断される場合には予混合燃焼状態を安定化するための予混合燃焼安定制御の第二の実施例について、図５に基づいて、説明する。図５は、予混合燃焼安定制御のフローチャートであり、図３に示す予混合燃焼制御にお
ける処理と同一の処理については、同一の参照番号を付してその説明を省略する。
【００６１】
本制御においては、Ｓ１０１において内燃機関１の運転領域が予混合燃焼を行う領域であると判断されると、予混合燃焼が行われ、Ｓ２０１へ進む。Ｓ２０１では、圧力センサ３２から得られる予混合燃焼時における燃焼室内の燃焼圧推移において、最高燃焼圧Ｐｍａｘを算出する。Ｓ２０１の処理が終了すると、Ｓ２０２へ進む。
【００６２】
Ｓ２０２では、圧力センサ３２から得られる予混合燃焼時における燃焼室内の燃焼圧推移において、燃焼圧の変化率ｄＰを算出する。Ｓ２０２の処理が終了すると、Ｓ２０３へ進む。
【００６３】
Ｓ２０３では、Ｓ２０１で算出された最高燃焼圧ＰｍａｘおよびＳ２０２で算出された燃焼圧変化率ｄＰが、予混合燃焼時における燃焼圧およびその変化率として適正か否かが判断される。該判断について図６に基づいて説明する。図６は、内燃機関１において予混合燃焼が行われるときの、燃焼圧の推移を示すグラフであり、該グラフの横軸は内燃機関１のクランクアングルを、該グラフの縦軸は燃焼圧を表す。
【００６４】
内燃機関１において予混合燃焼が行われるとき、燃焼室内に噴射された燃料噴射量に応じた燃焼圧の推移が現れる。このとき、燃焼室内に形成される予混合気の実空燃比が理想空燃比であれば、図６中の線Ｌ２の燃焼圧の推移が現れる。ここで、実空燃比が理想空燃比よりリッチ側の空燃比となると、酸素不足により燃焼が十分に行われないため、図６中の線Ｌ１の燃焼圧の推移が現れる。即ち、線Ｌ２の燃焼圧の推移と比べて、最高燃焼圧は低下し、燃焼圧の変化率も小さく緩やかな変化となる。一方で、実空燃比が理想空燃比よりリーン側の空燃比となると、過早着火が生じることにより、図６中の線Ｌ３の燃焼圧の推移が現れる。即ち、線Ｌ２の燃焼圧の推移と比べて、最高燃焼圧は上昇し、燃焼圧の変化率も大きく急峻な変化となる。
【００６５】
そこで、最高燃焼圧および燃焼圧の変化率が線Ｌ２の状態から外れたことを以て、即ち、最高燃焼圧Ｐｍａｘおよび燃焼圧変化率ｄＰが適正でないことを以て、予混合燃焼状態が不安定であると判定することが可能となる。Ｓ２０３で、最高燃焼圧Ｐｍａｘおよび燃焼圧変化率ｄＰが適正でないと判断されるとＳ１０５へ進み、予混合気の空燃比が調整され、最高燃焼圧Ｐｍａｘおよび燃焼圧変化率ｄＰが適正であると判断されると本制御を終了する。尚、最高燃焼圧および燃焼圧の変化率が適正か否かの判断については、判断基準となる線Ｌ２で示される燃焼圧の推移に対して一定の許容範囲を持たせ、最高燃焼圧および燃焼圧の変化率がその許容範囲内に収まれば、各々は適正であると判断するようにしてもよい。
【００６６】
本制御によると、予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関において、予混合燃焼時の最高燃焼圧と燃焼圧の変化率に基づいて、燃焼室内に予混合燃焼に適した予混合気が形成され予混合燃焼状態が安定しているか否かをより正確に判定することが可能となり、その結果、予混合燃焼状態の改善を図ることが可能となる。
【実施例３】
【００６７】
図１に示す内燃機関１において予混合燃焼を行うとき、予混合気の空燃比に起因する予混合燃焼状態の安定性を判定し、不安定であると判断される場合には予混合燃焼状態を安定化するための予混合燃焼安定制御の第三の実施例について、図７に基づいて、説明する。図７は、予混合燃焼安定制御のフローチャートであり、図３に示す予混合燃焼制御における処理と同一の処理については、同一の参照番号を付してその説明を省略する。
【００６８】
本制御においては、Ｓ１０１において内燃機関１の運転領域が予混合燃焼を行う領域で
あると判断されると、Ｓ３０１へ進む。Ｓ３０１では、アクセル開度センサ３４の開度信号より、内燃機関１の機関出力に要求される加速度Ａｃｃｉが算出される。Ｓ３０１の処理が終了すると、Ｓ３０２へ進む。
【００６９】
Ｓ３０２では、Ｓ３０１で算出された要求加速度Ａｃｃｉに対応した量の燃料が燃料噴射弁３より噴射され、予混合燃焼が行われる。Ｓ３０２の処理が終了すると、Ｓ３０３へ進む。
【００７０】
Ｓ３０３では、Ｓ３０２において噴射された燃料が予混合燃焼されたときの内燃機関１の機関出力の実際の加速度である実加速度Ａｃｃｒを、クランクポジションセンサ３３からの信号に基づいて、算出する。Ｓ３０３の処理が終了すると、Ｓ３０４へ進む。
【００７１】
Ｓ３０４では、Ｓ３０１で算出された要求加速度ＡｃｃｉとＳ３０３で算出された実加速度Ａｃｃｒとが一致するか否かが判断される。即ち、内燃機関１において予混合燃焼が行われているときに、燃焼室に形成される予混合気の空燃比が理想空燃比であり、要求される加速度を内燃機関１が発揮することができるか否かが判断される。予混合気の空燃比が理想空燃比よりリッチ側に外れると、燃料が十分に燃焼しないため、内燃機関１の機関出力が低下し、要求される機関出力の加速度が低下する。また、予混合気の空燃比が理想空燃比よりリーン側に外れると、過早着火が生じ、内燃機関１の機関出力の加速度が安定しない。尚、一致するか否かの判断については、判断基準となる要求加速度Ａｃｃｉに対して一定の許容範囲を持たせ、実加速度Ａｃｃｒがその許容範囲内の値であれば、要求加速度Ａｃｃｉと一致すると判断するようにしてもよい。
【００７２】
そこで、実加速度Ａｃｃｒが要求加速度Ａｃｃｒと一致しないことを以て、予混合燃焼状態が不安定であると判定することが可能となる。Ｓ３０４で、実加速度Ａｃｃｒが要求加速度Ａｃｃｒと一致しないと判断されるとＳ１０５へ進み、予混合気の空燃比が調整され、実加速度Ａｃｃｒが要求加速度Ａｃｃｒと一致すると判断されると本制御を終了する。
【００７３】
本制御によると、予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関において、内燃機関１の機関出力の加速度に基づいて、燃焼室内に予混合燃焼に適した予混合気が形成され予混合燃焼状態が安定しているか否かをより正確に判定することが可能となり、その結果、予混合燃焼状態の改善を図ることが可能となる。
【実施例４】
【００７４】
図１に示す内燃機関１において予混合燃焼を行うとき、予混合気の空燃比に起因する予混合燃焼状態の安定性を判定し、不安定であると判断される場合には予混合燃焼状態を安定化するための予混合燃焼安定制御の第四の実施例について、図８に基づいて、説明する。図８は、予混合燃焼安定制御のフローチャートであり、図３に示す予混合燃焼制御における処理と同一の処理については、同一の参照番号を付してその説明を省略する。
【００７５】
本制御においては、Ｓ１０１において内燃機関１の運転領域が予混合燃焼を行う領域であると判断されると、Ｓ４０１へ進む。Ｓ４０１では、酸素富化装置９により、吸気中の窒素濃度を増加させる。具体的には、酸素富化膜装置９内の酸化富化膜の下流側の圧力を増圧することで、吸気中の酸素濃度を低減させる一方で、窒素濃度を増加させる。これにより、燃焼室内に供給される酸素量が低下するため予混合燃焼によって発生するＮＯｘ量を抑制することが可能となる。Ｓ４０１の処理が終了すると、Ｓ１０２、Ｓ１０３の処理が行われる。
【００７６】
また、本制御においてＳ１０３の処理が終了するとＳ４０２へ進む。Ｓ４０２では、実
空燃比ＡＦｒが理想空燃比ＡＦｉより小さいか否か、即ち予混合燃焼時における予混合気の空燃比が理想空燃比よりリッチ側の空燃比となることで、予混合燃焼状態が不安定となっているか否かが判断される。Ｓ４０２において、実空燃比ＡＦｒが理想空燃比ＡＦｉより小さいと判断されるとＳ４０３へ進み、実空燃比ＡＦｒが理想空燃比ＡＦｉより小さくないと判断されると本制御を終了する。
【００７７】
Ｓ４０３では、酸素富化膜装置９内の酸化富化膜の下流側の圧力を減圧することで、Ｓ４０１において吸気中の増加されている吸気中の窒素濃度を低減させる一方、吸気中の酸素濃度を増加させる。これにより、予混合気の燃焼によって生成されるＮＯｘ量の抑制より、予混合燃焼状態の安定化が優先されることになる。その結果、理想空燃比よりリッチ側の空燃比である予混合気の空燃比が、理想空燃比へと近づき、予混合燃焼状態が安定する。Ｓ４０３の処理後、本制御を終了する。
【００７８】
本制御によると、予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関において、予混合気の空燃比に基づいて予混合燃焼状態が安定しているか否かがより正確に判定されることで、予混合燃焼により発生するＮＯｘの抑制と、予混合気の空燃比がリッチ側の空燃比となることで不安定となった予混合燃焼状態の改善との両立が図られる。
【実施例５】
【００７９】
図１に示す内燃機関１において予混合燃焼を行うとき、予混合気の空燃比に起因する予混合燃焼状態の安定性を判定し、不安定であると判断される場合には予混合燃焼状態を安定化するための予混合燃焼安定制御の第五の実施例について、図９に基づいて、説明する。図９は、予混合燃焼安定制御のフローチャートであり、図３および図７に示す予混合燃焼制御における処理と同一の処理については、同一の参照番号を付してその説明を省略する。
【００８０】
本制御においては、Ｓ３０３の処理が終了すると、Ｓ５０１へ進む。Ｓ５０１では、実加速度Ａｃｃｒが要求加速度Ａｃｃｉ以上であるか否かが判断される。即ち、予混合気の実空燃比が理想空燃比よりリッチ側の空燃比となることで予混合気が十分に燃焼されない状態ではないか否かが判断される。Ｓ５０１において、実加速度Ａｃｃｒが要求加速度Ａｃｃｉ以上であると判断されると、予混合気の実空燃比は理想空燃比であって予混合燃焼状態が安定していることを意味し、本制御を終了する。一方で、実加速度Ａｃｃｒが要求加速度Ａｃｃｉ未満であると判断されると、予混合気の実空燃比は理想空燃比よりリッチ側の空燃比であって予混合燃焼状態が安定していないことを意味し、Ｓ５０２へ進む。
【００８１】
Ｓ５０２では、過給機１６の高圧側過給機１６ａのノズルベーンの開度を閉じ側へ調整することで過給圧が上昇し、結果的に燃焼室に流入する酸素量を増量する。これにより、予混合気の実空燃比が理想空燃比よりリッチ側の空燃比から理想空燃比に近づくことになる。その結果、予混合燃焼状態が安定し、内燃機関１の機関出力の加速度が向上する。Ｓ５０２の処理後、本制御は終了する。
【００８２】
本制御によると、予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関において、内燃機関１の機関出力の加速度に基づいて予混合燃焼状態が安定しているか否かがより正確に判定されることで過給圧が制御され、以て予混合燃焼状態の改善が図られる。
【００８３】
尚、本実施例においては、過給機１６は低圧側過給機１６ｂと高圧側過給機１６ａとから構成される二段過給機であり、該高圧側過給機１６ａに備えられたノズルベーンの開度を調整することで燃焼室内に流入する酸素量が調整される。そこで、過給機１６に代わり、電動式の過給機であって供給電圧を制御することで過給圧が調整される電動式過給機を内燃機関１に設ける場合、内燃機関１の機関出力の加速度に基づいて、予混合気の実空燃
比が理想空燃比よりリッチ側の空燃比となることで予混合燃焼状態が不安定となっていると判断されるときに、該電動式過給機に供給する電圧を増加することで、過給圧を上昇させて、以て予混合気の実空燃比を理想空燃比へと近づけるようにしてもよい。
【実施例６】
【００８４】
上述までの予混合燃焼安定制御は、吸気ポートと燃焼室内にそれぞれ独立した燃料噴射弁を設け、吸気行程または圧縮行程において吸気ポート内に燃料噴射を行うことで、または吸気行程または圧縮行程において吸気ポート内に燃料噴射するとともに残りの燃料を燃焼室内に噴射することで予混合気を形成して予混合燃焼を行う予混合圧縮着火内燃機関にも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の実施の形態に係る予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関の概略構成を表すブロック図である。
【図２】二段過給機の概略構成を表す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る予混合圧縮着火内燃機関において、予混合燃焼状態の安定化を図るための制御を示す第一のフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態に係る予混合圧縮着火内燃機関において、該内燃機関の運転領域と予混合燃焼に適した予混合気の空燃比との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態に係る予混合圧縮着火内燃機関において、予混合燃焼状態の安定化を図るための制御を示す第二のフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態に係る予混合圧縮着火内燃機関において、燃焼圧の推移を予混合気の空燃比毎に分けて示したグラフである。
【図７】本発明の実施の形態に係る予混合圧縮着火内燃機関において、予混合燃焼状態の安定化を図るための制御を示す第三のフローチャートである。
【図８】本発明の実施の形態に係る予混合圧縮着火内燃機関において、予混合燃焼状態の安定化を図るための制御を示す第四のフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態に係る予混合圧縮着火内燃機関において、予混合燃焼状態の安定化を図るための制御を示す第五のフローチャートである。
【符号の説明】
【００８６】
１・・・・内燃機関
３・・・・燃料噴射弁
７・・・・吸気枝管
８・・・・吸気管
９・・・・酸素富化装置
１２・・・・排気枝管
１３・・・・排気管
１４・・・・酸化触媒
１６・・・・過給機
１８・・・・空気タンク
１９・・・・空気供給量調整弁
２０・・・・ＥＣＵ
３１・・・・空燃比センサ
３２・・・・圧力センサ
３３・・・・クランクポジションセンサ
３４・・・・アクセル開度センサ
【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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【図８】
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【図９】
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