(57)【要約】【課題】気筒内の燃料の燃焼状態を精度良く測定し、それに基づいて適切な機関制御を行う技術を提供する。【解決手段】燃焼ガス中のＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積の時間変化態様は熱発生率の時間変化態様と略同形となる。これに基づき、気筒内の火炎中の複数の測定点Ｘｎにおける局所的なＯＨ及びＨＣＨＯの自発光強度を測定し、それに基づいて各測定点におけるＯＨ濃度及びＨＣＨＯ濃度を算出し、ＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積の時間積分の時間変化の仕方が所定の不連続性を示す時点を以て燃焼過程における予混合燃焼から拡散燃焼へ移行する境界点を定義する。燃焼開始時から境界点までの該積の時間積分値と境界点から燃焼終了時までの該積の時間積分値とに基づいて、各測定点における燃焼の予混合燃焼と拡散燃焼との比率を求める。各測定点における比率を測定点毎に重み付けした平均値に基づいて燃料噴射及びＥＧＲ制御を行う。【選択図】図６
2009097440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の気筒内の燃料の燃焼に伴う熱発生率の時間変化態様を、気筒内の水酸基ラジカル濃度とホルムアルデヒド濃度との積の時間変化態様に基づいて算出することを特徴とする内燃機関の燃焼状態測定装置。
【請求項２】
内燃機関の気筒内の燃料の燃焼における予混合燃焼の比率及び拡散燃焼の比率を、気筒内の水酸基ラジカル濃度とホルムアルデヒド濃度との積の時間積分の時間変化態様に基づいて算出することを特徴とする内燃機関の燃焼状態測定装置。
【請求項３】
請求項２において、
気筒内の燃料の燃焼が予混合燃焼から拡散燃焼に変化する境界点を、前記時間積分の時間変化態様が所定の不連続性を示す時点に基づいて算出し、
燃焼過程の開始点から当該境界点までの前記積の時間積分値と、当該境界点から燃焼過程の終了点までの前記積の時間積分値と、に基づいて、前記予混合燃焼の比率及び前記拡散燃焼の比率を算出することを特徴とする内燃機関の燃焼状態測定装置。
【請求項４】
請求項１−３のいずれか１項において、
気筒内の燃料の燃焼に伴う火炎からの自発光を集光する集光手段と、
前記集光手段によって集光された自発光から水酸基ラジカル及びホルムアルデヒドに対応する自発光成分をそれぞれ分光しその強度を測定する測定手段と、
を備え、前記測定手段によって測定された前記強度に基づいて前記水酸基ラジカル濃度及び前記ホルムアルデヒド濃度を測定することを特徴とする内燃機関の燃焼状態測定装置。
【請求項５】
請求項１−４のいずれか１項における内燃機関の燃焼状態測定装置を備え、
燃焼過程の開始点から終了点までにわたる前記積の時間積分値が、燃料噴射量に基づいて算出される当該時間積分値の目標値より小さい場合、アフター噴射を行うことを特徴とする内燃機関の制御システム。
【請求項６】
請求項１−３のいずれか１項において、
気筒内の燃料の燃焼に伴う火炎における複数の測定点からの自発光をそれぞれ集光する複数の集光手段と、
前記各集光手段によって集光された自発光から水酸基ラジカル及びホルムアルデヒドに対応する自発光成分をそれぞれ分光しその強度を測定する複数の測定手段と、
を備え、前記各測定手段によって測定された前記強度に基づいて前記各測定点における前記水酸基ラジカル濃度及び前記ホルムアルデヒド濃度を測定することを特徴とする内燃機関の燃焼状態測定装置。
【請求項７】
請求項６の内燃機関の燃焼状態測定装置を備え、
前記測定された各測定点における水酸基ラジカル濃度及びホルムアルデヒド濃度に基づいて前記各測定点における予混合燃焼の比率を算出し、
前記算出された各測定点における予混合燃焼の比率の各測定点毎の重み付き平均値によって気筒内の燃焼における平均的な予混合燃焼の比率を算出し、
前記平均的な予混合燃焼の比率が所定の目標値より小さい場合、パイロット噴射量を増加させる補正を行い、
前記平均的な予混合燃焼の比率が所定の目標値より大きい場合、パイロット噴射量を減少させる補正を行うことを特徴とする内燃機関の制御システム。
【請求項８】
請求項７において、
前記平均的な予混合燃焼の比率が所定の目標値より小さい場合、ＥＧＲ量を減少させる
補正を行い、
前記平均的な予混合燃焼の比率が所定の目標値より大きい場合、ＥＧＲ量を増加させる補正を行うことを特徴とする内燃機関の制御システム。
【請求項９】
請求項７又は８において、
前記複数の測定点は、気筒中心軸からの径方向距離が異なる複数の測定点であり、
前記内燃機関の冷間運転時においては、前記重みを気筒内内周側の測定点ほど大きい値にすることを特徴とする内燃機関の制御システム。
【請求項１０】
請求項７−９のいずれか１項において、
前記複数の測定点は、気筒中心軸からの径方向距離が異なる複数の測定点であり、
前記内燃機関の温間運転時においては、前記重みを気筒内外周側の測定点ほど大きい値にすることを特徴とする内燃機関の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼状態測定装置及びそれを用いた内燃機関の制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の気筒内における燃料の燃焼状態を測定する技術として、内燃機関の気筒内における燃料の燃焼に伴う熱発生量を測定する技術が知られている。また、その測定結果に基づいて燃料噴射制御等の機関制御を行う技術が知られている。例えば、特許文献１には、筒内圧センサによって筒内圧力を測定し、その測定値から筒内発熱量を算出し、その算出値に基づいてパイロット噴射量を制御する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−６１２３９号公報
【特許文献２】特開２００４−１９７５９３号公報
【特許文献３】特開２０００−１１１３９８号公報
【特許文献４】特開平３−２０７９１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
内燃機関の気筒内における燃料の燃焼状態は、特に筒内直噴型のエンジンの場合には、気筒内の場所によって不均一であり、また、燃料噴霧の動きに応じて燃焼状態が変化する。そのため、気筒内の１つの箇所における筒内の燃焼状態の測定値だけでは、気筒内の燃料の燃焼状況の分布を正確に把握することは難しい。また、筒内圧センサによる筒内圧の測定値に基づく発熱量の算出値は、気筒内の燃焼状況の空間的平均値を表しているに過ぎず、それに基づいて気筒内の局所的な燃焼状況を把握することは難しい。好適な排気特性や機関特性を実現するためには、気筒内の燃料の燃焼状態を精度良く測定することが重要である。
【０００４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、気筒内における燃料の燃焼状態を精度良く測定する技術を提供することを目的とする。また、測定された燃料の燃焼状態に基づいて適切な機関制御を実行する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願出願人の研究により、燃焼過程における燃料噴霧中の水酸基ラジカル濃度（以下、ＯＨ濃度）とホルムアルデヒド濃度（以下、ＨＣＨＯ濃度）との積は、燃焼過程における熱発生率と同態様で時間変化することが見出された。この性質を利用して、本発明の内燃機関の燃焼状態測定装置では、熱発生率の時間変化態様を、ＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積の時間変化に基づいて算出するようにした。本発明によれば、ＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積の時間変化態様を、燃焼に伴う熱発生率の時間変化態様と同等とみなし、熱発生率の時間変化やそれに相関する物理量を、当該濃度の積の時間変化態様に基づいて求めることができる。
【０００６】
圧縮着火式エンジンにおける燃料の燃焼では、１サイクルにおいて予混合燃焼的な燃焼状態となる期間と拡散燃焼的な燃焼状態となる期間とが存在する。燃焼過程における予混合燃焼と拡散燃焼との比率は、排気エミッションや燃焼騒音等の機関特性に影響するので、この比率を適切な目標値に一致させるように制御することが重要である。燃焼に伴う熱発生率は、燃焼過程初期の予混合燃焼状態において急峻に立ち上がり、比較的短期間大きなピークを形成した後、拡散燃焼状態に移行して緩慢に減少していく時間変化態様を示す。
【０００７】
上述のように、ＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積は、熱発生率と同態様の時間変化をするので、ＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積の時間積分は、燃焼過程の進行とともに増加していくが、予混合燃焼状態の末期と拡散燃焼状態の初期との境界においてその値の増加の仕方が不連続的に変化する。従って、この時間積分値の増加態様が不連続的に変化する時点を、燃焼が予混合燃焼から拡散燃焼に変化する境界点として定義することができる。
【０００８】
そして、燃焼過程の開始点から当該境界点までのＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積の時間積分値と、当該境界点から燃焼過程の終了点までのＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積の時間積分値と、に基づいて、予混合燃焼の比率及び拡散燃焼の比率を算出することができる。例えば、ＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積を燃焼過程開始点から終了点にわたって時間積分した場合の想定値（目標値）を、燃料噴射量や内燃機関の運転条件等に応じた値として予め求めておくことができる。従って、燃焼過程の開始点から上記境界点までにわたるＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積の時間積分値の、この目標時間積分値に対する比率として、当該燃焼過程における予混合燃焼の比率を計算することができる。同様に、上記境界点から燃焼過程の終了点までにわたるのＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積の時間積分値の、目標時間積分値に対する比率として、当該燃焼過程における拡散燃焼の比率を計算することができる。
【０００９】
このようにして予混合燃焼の比率や拡散燃焼の比率を計算する構成においては、噴霧燃料のうちに未燃状態のものが残存している場合には、予混合燃焼の比率と拡散燃焼の比率との和が１より小さい値になると考えられる。従って、このような場合には、未燃燃料を燃焼させるために、アフター噴射をするように燃焼制御を行うと良い。
【００１０】
本発明において、ＯＨ濃度及びＨＣＨＯ濃度は、燃焼火炎の自発光強度の観測によって測定することができる。具体的には、
気筒内の燃料の燃焼に伴う火炎からの自発光を集光する集光手段と、
前記集光手段によって集光された自発光からＯＨ及びＨＣＨＯに対応する自発光成分をそれぞれ分光しその強度を測定する測定手段と、
を備え、前記測定手段によって測定されたＯＨの自発光強度及びＨＣＨＯの自発光強度に基づいてＯＨ濃度及びＨＣＨＯ濃度を測定することができる。
【００１１】
集光手段は、例えば、気筒内の火炎から発せられた自発光を外部の測定手段まで導光するように設けられる光ファイバー等によって構成することができる。また、測定手段は、ＯＨの自発光に対応する波長（３０６ｎｍ）を通すフィルタ及びＨＣＨＯの自発光に対応する波長（３９５ｎｍ）を通すフィルタや、回折格子等の分光装置によって、集光手段から導かれた自発光を分光する構成とすることができる。このようにして分光された各成分に対応する自発光強度と、当該各成分濃度との、公知の対応関係に基づいて、各成分濃度を測定することができる。
【００１２】
このような気筒内の火炎からの自発光強度の測定は、火炎内の複数の測定点毎に局所的な測定を行うことができる。すなわち、
気筒内の燃料の燃焼に伴う火炎における複数の測定点からの自発光をそれぞれ集光する複数の集光手段と、
前記各集光手段によって集光された自発光からＯＨ及びＨＣＨＯに対応する自発光成分をそれぞれ分光しその強度を測定する複数の測定手段と、
を備え、前記各測定手段によって測定された前記強度に基づいて前記各測定点におけるＯＨ濃度及びＨＣＨＯ濃度を測定することができる。
【００１３】
このように、ＯＨ濃度及びＨＣＨＯ濃度を火炎からの自発光強度に基づいて測定する構
成とすることによって、気筒内の複数の箇所における局所的なＯＨ濃度及びＨＣＨＯ濃度を取得することができる。これら複数の測定点における局所的なＯＨ濃度及びＨＣＨＯ濃度の積に基づいて、当該各測定点における局所的な熱発生率の時間変化態様を取得することが可能になる。
【００１４】
従来の、例えば、指圧センサによって測定される筒内圧から熱力学的な計算によっては、気筒内の空間的な平均値としての熱発生率が得られるに過ぎなかったため、特に筒内直噴型のエンジンにおいて、気筒内における燃料噴霧の分布や燃焼状態の分布が不均一であったり、スワールによる燃料噴霧の動きに応じて気筒内の燃料噴霧分布や燃焼状態の分布が変動するような場合には、空間的な平均値として算出される熱発生率に基づいて精度良く機関制御を行うことは困難であった。
【００１５】
この点、本発明によれば、気筒内の複数点における局所的な測定値を得ることが可能なＯＨ濃度及びＨＣＨＯ濃度の積に基づいて熱発生率を算出するようにしたので、上記のような気筒内の燃焼状態が不均一で変動するようなエンジンにおいても、気筒内の複数箇所における熱発生率の時間変化態様の分布を得ることができるので、それに基づいて精度良く機関制御を行うことが可能である。
【００１６】
本発明において、上記のように気筒内の複数箇所（自発光が発せられる火炎内の複数箇所）におけるＯＨ濃度及びＨＣＨＯ濃度を測定可能な構成とした場合には、気筒内の複数箇所における予混合燃焼の比率を算出することができ、予混合燃焼の比率の気筒内分布を測定することができる。そして、各測定点における予混合燃焼の比率の、各測定点毎の重み付き平均値を計算することによって、気筒内の燃焼における平均的な予混合燃焼の比率を算出することができる。このようにして気筒内の平均的な予混合燃焼の比率を算出することによって、局所的な燃焼状態を反映させた予混合燃焼の比率を得ることができる。従って、このようにして得られた予混合燃焼の比率に基づいて、精度良く機関制御を行うことができる。
【００１７】
例えば、平均的な予混合燃焼の比率が所定の目標値より小さい場合、スモークの発生量が多くなる可能性があるので、パイロット噴射量を増加させる補正を行うと良い。これにより予混合化が促進されてスモークの発生量を低下させることができる。
【００１８】
また、平均的な予混合燃焼の比率が所定の目標値より大きい場合、騒音が大きくなる可能性があるので、パイロット噴射量を減少させる補正を行うと良い。これにより過剰な予混合化が抑制されて燃焼騒音を低減させることができる。
【００１９】
なお、平均的な予混合燃焼の比率が所定の目標値より小さい場合、ＥＧＲ量を減少させる補正を行ってスモークの発生を抑制するようにしても良い。また、平均的な予混合燃焼の比率が所定の目標値より大きい場合、ＥＧＲ量を増加させる補正を行うことによって燃焼騒音を低減させるようにしても良い。また、パイロット噴射量を所定の許容限界まで補正してもなお平均的な予混合燃焼の比率が目標値に満たない場合に、ＥＧＲ量を補正するようにしても良い。
【００２０】
ここで、目標となる予混合比率の値は、内燃機関の運転条件及び気筒内の場所によってことなる。例えば、内燃機関の冷間運転時（低水温時）においては、ある程度燃焼室中央付近において燃焼を集中させることがＨＣ排出量を抑制する点で効果的である。従って、内燃機関の冷間運転時には、特に気筒内内周側の測定点における局所的な予混合燃焼の比率が、平均的な予混合燃焼の比率に強く反映されるように上記の測定点毎の重みを定めると良い。すなわち、ＯＨ濃度及びＨＣＨＯ濃度を測定する複数の測定点として、気筒中心軸からの径方向距離が異なる複数の測定点を設定し、内燃機関の冷間運転時においては、
重みを気筒内内周側の測定点ほど大きい値にすると良い。これにより、気筒内内周側における燃焼状態を好適に目標の燃焼状態に制御することができる。
【００２１】
また、内燃機関の温間運転時（通常時）においては、気筒内外周側における燃焼状態が悪いと気筒内内周側で集中的に燃焼してしまいスモークの発生量が増大する可能性がある。従って、内燃機関の温間運転時には、特に気筒内外周側の測定点における局所的な予混合燃焼の比率が、平均的な予混合燃焼の比率に強く反映されるように上記の測定点毎の重みを定めると良い。すなわち、ＯＨ濃度及びＨＣＨＯ濃度を測定する複数の測定点として、気筒中心軸からの径方向距離が異なる複数の測定点を設定し、内燃機関の温間運転時においては、重みを気筒内外周側の測定点ほど大きい値にすると良い。これにより、気筒内外周側における燃焼状態を好適に目標の燃焼状態に制御することができる。
【００２２】
このように、各測定点毎に定められる重みを、内燃機関の運転条件等に応じて変化させることによって、内燃機関の運転条件に対して最適な機関制御を実行することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明により、気筒内における燃料の燃焼状態を精度良く測定することが可能になる。そして、測定された燃料の燃焼状態に基づいて適切な機関制御を実行することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に特定的な記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【実施例１】
【００２５】
図１は、本実施例に係る内燃機関の制御システムを適用する内燃機関とその吸気系及び排気系の概略構成を示す図である。内燃機関１は４つの気筒４を有し、気筒４内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁５を各気筒４に備えた筒内直噴型エンジンである。各気筒４には吸気通路２及び排気通路３が接続されている。また、各気筒４には気筒内の水酸基ラジカル濃度（以下、ＯＨ濃度）及びホルムアルデヒド濃度（以下、ＨＣＨＯ濃度）を測定する濃度センサ６が備えられている。また、内燃機関１には冷却水温を測定する水温センサ２３が備えられている。内燃機関１には内燃機関１を制御する電子制御コンピュータであるＥＣＵ７が併設されている。ＥＣＵ７には濃度センサ６及び水温センサ２３その他の各種センサが接続され、これらセンサからの出力信号が入力される。また、ＥＣＵ７には燃料噴射弁５その他の各種機器が接続され、前記各種センサから入力される信号及び運転者による指示に基づいてこれら各種機器の動作を制御する。
【００２６】
図２は、濃度センサ６の構成を模式的に示す図である。図２に示すように、気筒４の内部にはピストン１６が挿入されており、ピストン１６の上部には燃焼室１４が形成されている。また、気筒４の上部には燃料噴射弁５が設けられ、燃料噴射弁５はその端部に設けられた燃料噴射ノズル１５から気筒内に燃料を噴射する。燃料噴射ノズル１５から噴射された燃料は気筒内において燃料噴霧１３を形成する。濃度センサ６は、測定部１０と、燃料噴霧１３内の位置Ｘ１、Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４における火炎から発せられる自発光９１、９２、９３、９４を気筒内から測定部１０に導光するための光ファイバー８１、８２、８３、８４と、を有して構成される。ここでは、燃焼室１４の半径をＸＬとして、各測定点の位置Ｘｎを、Ｘｎ＝０．２ｎＸＬと定める。
【００２７】
例えば、位置Ｘ１における火炎から発せられた自発光９１は、光ファイバー８１によっ
て測定部１０まで導光され、測定部１０においてＯＨに対応する自発光成分（波長３０６ｎｍ）とＨＣＨＯに対応する自発光成分（波長３９５ｎｍ）とに分光され、各自発光成分の強度が測定される。そして、位置Ｘ１における局所的なＯＨの自発光強度に基づいて、位置Ｘ１における局所的なＯＨ濃度が算出されるとともに、位置Ｘ１における局所的なＨＣＨＯの自発光強度に基づいて、位置Ｘ１における局所的なＨＣＨＯ濃度が算出される。測定部１０には、このようなＯＨ及びＨＣＨＯの局所自発光強度に基づいてＯＨ及びＨＣＨＯの局所濃度を算出する構成が、位置Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４それぞれに対応して備えられている。そして、このようにして得られた各位置におけるＯＨ濃度及びＨＣＨＯ濃度の測定値は、ＥＣＵ７に入力され、エンジン制御に用いられる。本実施例における光ファイバー８１、８２、８３、８４は、本発明における集光手段に相当する。本実施例における測定部１０は、本発明における測定手段に相当する。
【００２８】
図３は、気筒内の燃料の燃焼過程におけるＯＨ濃度及びＨＣＨＯ濃度、及びＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積の時間変化を示す概念図である。図３では、見やすくするためにスケールは適当に調整してある。図３に示すように、ＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積の燃焼過程にわたる時間変化の形は、燃焼過程における熱発生率の時間変化の形とよく似ていることが見出された。従って、熱発生率自体ではなくその時間変化態様に相関する物理量であれば、熱発生率を測定する代わりにＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積を測定し、ＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積の時間変化に基づいて、当該物理量を近似的に算出することができる。
【００２９】
熱発生率の時間変化態様に相関する物理量としては、燃焼過程における予混合燃焼の比率と拡散燃焼の比率とを挙げられる。熱発生率の時間変化を表すグラフから分かるように、燃焼過程初期の予混合燃焼が起こっている時には、熱発生率の時間変化態様は急峻に比較的短時間の大きなピークを形成し、予混合燃焼から拡散燃焼に移行すると、緩慢な時間変化態様で減少していく。従って、熱発生率の時間変化と同態様で変化する量の時間積分は、予混合燃焼から拡散燃焼に移行する時点で不連続的な変化をする。
【００３０】
図４は、上述のように、熱発生率の時間変化と同態様で変化する量であるＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積の時間積分の時間変化を示す図である。図４に示すグラフでは、時刻ｔＣにおいて、ＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積の時間積分が不連続的な変化態様を示している。従って、時刻ｔＣを、燃焼過程で予混合燃焼から拡散燃焼に移行する境界点と定義することができる。また、ＯＨやＨＣＨＯは燃料の燃焼過程で発生する中間生成物であるので、燃料噴射量や内燃機関１の運転条件に応じて、ＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積の燃焼過程の開始点から終了点にわたる時間積分値の想定値（目標値）を定めておくことができる。そして、燃焼過程の開始点ｔＳから境界点ｔＣまでにわたるＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積の時間積分値を、前記想定値によって標準化した値を、当該燃焼過程における予混合燃焼の比率Ｒｐと定義する。また、境界点ｔＣから燃焼過程の終了点ｔＥまでにわたるＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積の時間積分値を、前記想定値によって標準化した値を、当該燃焼過程における拡散燃焼の比率Ｒｄと定義する。
【００３１】
このように、本実施例では、熱発生率と同態様で時間変化する量であるＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積の時間積分の時間変化に基づいて、燃焼過程における予混合燃焼比率Ｒｐと拡散燃焼比率Ｒｄを求めることができる。さらに、本実施例の構成では、上述のように、気筒内の複数箇所Ｘｎ（ｎ＝１、２、３、４）において局所的なＯＨ濃度及びＨＣＨＯ濃度を測定することができる。従って、これら位置Ｘｎにおける局所的なＯＨ濃度及びＨＣＨＯ濃度の積の時間積分に基づいて、気筒内の複数箇所Ｘｎにおける局所的な予混合燃焼比率Ｒｐ（Ｘｎ）及び拡散燃焼比率Ｒｄ（Ｘｎ）を算出することができる。よって、これらに基づいて気筒内における燃焼状況の分布を測定することができる。
【００３２】
従来技術では指圧センサによって測定した筒内圧に基づいて熱力学的な計算によって熱発生率を求めていたが、このようにして求められた熱発生率は気筒内の空間的な平均値でしかない。従って、従来技術において求められる熱発生率に基づいて上記の予混合燃焼比率及び拡散燃焼比率に相当する値を算出したとしても、それに基づいて気筒内の詳細な燃焼状況の分布を求めることは難しかった。特に、本実施例のように筒内直噴型エンジンの場合、気筒内で燃料噴霧や燃焼状態の分布は不均一であり、またスワールの動きに応じて燃料噴霧や燃焼状態の分布が変動するので、空間的な平均値や気筒内の１点における局所的な熱発生率や、予混合燃焼比率或いは拡散燃焼比率測定値のみに基づいて精度良くエンジン制御を行うことは難しかった。
【００３３】
この点、本実施例によれば、気筒内の局所的な燃焼状況を測定し、気筒内における燃焼状況の分布を測定することができるので、それに基づいて内燃機関の運転条件に応じた最適なエンジン制御を行うことができる。例えば、気筒内の各位置Ｘｎ（ｎ＝１，２，３，４）における予混合燃焼比率Ｒｐ（Ｘｎ）の、各位置Ｘｎごとに定められた重みａ（Ｘｎ）を考慮した重み付き平均値＜Ｒｐ＞＝Σｎ｛ａ（Ｘｎ）Ｒｐ（Ｘｎ）｝を求めることにより、気筒内の局所的な燃焼状況を反映させた燃焼過程における平均的な予混合燃焼比率を算出することができる。同様に、気筒内の各位置Ｘｎにおける拡散燃焼比率Ｒｄ（Ｘｎ）の、各位置Ｘｎごとに定められた重みａ（Ｘｎ）を考慮した重み付き平均値＜Ｒｄ＞＝Σｎ｛ａ（Ｘｎ）Ｒｄ（Ｘｎ）｝を求めることにより、気筒内の局所的な燃焼状況を反映させた燃焼過程における平均的な拡散燃焼比率を算出することができる。
【００３４】
ここで、重みａ（Ｘｎ）は、内燃機関１の運転条件に応じて次のように定める。すなわち、内燃機関１の冷間運転時（低水温時）には、ある程度燃焼室中央付近において燃焼を集中させることがＨＣ排出量を抑制する点で効果的であるため、気筒内内周側における燃焼状態が目標の燃焼状態となることを重視した燃焼制御を行うことが好ましい。従って、平均予混合燃焼比率＜Ｒｐ＞や平均拡散燃焼比率＜Ｒｄ＞の算出における各測定点毎の重み付けは、気筒内内周側における燃焼状態がより強く平均予混合燃焼比率＜Ｒｐ＞及び平均拡散燃焼比率＜Ｒｄ＞に反映されるように、図５（Ａ）のように、気筒内内周側の測定点ほど重みを大きくする。
【００３５】
また、内燃期間１の温間運転時（通常時）は、気筒内外周側における燃焼状態が悪いと、気筒内内周側で集中的に燃焼が起こってスモークの発生量が増大する可能性がある。つまり、気筒内外周側における燃焼状態が目標の燃焼状態となることを重視した燃焼制御を行うことが好ましい。従って、平均予混合燃焼比率＜Ｒｐ＞や平均拡散燃焼比率＜Ｒｄ＞の算出における各測定点毎の重み付けは、気筒内外周側における燃焼状態がより強く平均予混合燃焼比率＜Ｒｐ＞及び平均拡散燃焼比率＜Ｒｄ＞に反映されるように、図５（Ｂ）のように、気筒内外周側の測定点ほど重みを大きくする。
【００３６】
そして、本実施例では、上記のように内燃機関１の運転条件に応じて最適な燃焼制御を実行可能なように算出した平均予混合燃焼比率＜Ｒｐ＞について、目標値との比較に基づく燃料噴射制御及びＥＧＲ制御を行うようにした。すなわち、算出された平均予混合燃焼比率＜Ｒｐ＞が、目標値より小さい場合は、スモークの発生量が多くなる可能性があるので、パイロット噴射量を増加させる補正を行う。これにより、燃焼の予混合化が促進されるので、スモークの発生量の増加を抑制できる。ここで、目標値とは、スモークの発生や燃焼騒音を好適に抑制可能な燃焼状態が実現されている場合の平均予混合燃焼比率であり、予め求めておくことができる。そして、パイロット噴射量を所定の許容上限補正量まで補正してもなお、平均予混合燃焼比率＜Ｒｐ＞が目標値より小さい場合は、ＥＧＲ量を減少させる補正を行う。これによりスモークの発生量を抑制できる。
【００３７】
一方、平均予混合燃焼比率＜Ｒｐ＞が、目標値より大きい場合は、過剰な予混合化によ
って燃焼騒音が大きくなる可能性があるので、パイロット噴射量を減少させる補正を行う。これにより、燃焼の過剰な予混合化が抑制されるので、燃焼騒音を低減できる。そして、パイロット噴射量を所定の許容下限補正量まで補正してもなお、平均予混合燃焼比率＜Ｒｐ＞が目標値より大きい場合は、ＥＧＲ量を増加させる補正を行う。これにより燃焼騒音を低減できる。
【００３８】
以上説明した本実施例におけるエンジン制御について、図６に基づいて説明する。図６は本実施例のエンジン制御を行うためのルーチンを表すフローチャートである。
【００３９】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ７は、気筒内の火炎からのＯＨの自発光強度及びＨＣＨＯの自発光強度を各測定点Ｘｎ（ｎ＝１、２、３、４）について測定し、それに基づいて各測定点ＸｎにおけるＯＨ濃度及びＨＣＨＯ濃度を算出する。
【００４０】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ７は、各測定点Ｘｎにおける予混合燃焼比率Ｒｐ（Ｘｎ）及び拡散燃焼比率Ｒｄ（Ｘｎ）を算出する。すなわち、各測定点Ｘｎ毎に、ステップＳ１０１において測定したＯＨ濃度及びＨＣＨＯ濃度の時間履歴を求め、それに基づいてＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積の時間積分を計算し、その時間変化態様から予混合燃焼から拡散燃焼へ移行する境界点を算出し、それに基づいて予混合燃焼比率Ｒｐ（Ｘｎ）及び拡散燃焼比率Ｒｄ（Ｘｎ）とを計算する。
【００４１】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ７は、平均予混合燃焼比率＜Ｒｐ＞及び平均拡散燃焼比率＜Ｒｄ＞を算出する。すなわち、ステップＳ１０２で算出した各測定点Ｘｎにおける局所的な予混合燃焼比率Ｒｐ（Ｘｎ）及び拡散燃焼比率Ｒｄ（Ｘｎ）を、各位置毎に定められた重みａ（Ｘｎ）で重み付けした平均値を計算する。
【００４２】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ７は、ステップＳ１０３で算出した平均予混合燃焼比率＜Ｒｐ＞と目標値とを比較する。＜Ｒｐ＞＝目標値の場合、ＥＣＵ７はステップＳ１０５に進む。＜Ｒｐ＞＜目標値の場合、ＥＣＵ７はステップＳ１０６に進む。＜Ｒｐ＞＞目標値の場合、ＥＣＵ７はステップＳ１１０に進む。
【００４３】
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ７は、通常制御を行う。すなわち、燃料噴射制御やＥＧＲ制御に対して特に補正することなく現状の運転状態を継続する。
【００４４】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ７は、パイロット噴射量を増加させる補正を行う。これにより、気筒内燃焼の予混合化が促進され、予混合燃焼比率が増大する。
【００４５】
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ７は、再び平均予混合燃焼比率＜Ｒｐ＞を計算すると共にそれが目標値よりなお小さいか否かを判定する。ステップＳ１０７において肯定判定された場合、ＥＣＵ７はステップＳ１０８に進み、否定判定された場合は本ルーチンを終了する。
【００４６】
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ７は、現状のパイロット噴射量の補正量が許容上限補正量に達しているか否かを判定する。ステップＳ１０８において肯定判定された場合、ＥＣＵ７はステップＳ１０９に進み、否定判定された場合はステップＳ１０６に戻ってパイロット噴射量を更に増加させる補正を行う。
【００４７】
ステップＳ１０９において、ＥＣＵ７は、ＥＧＲ量を減少させる補正を行う。これにより、予混合燃焼比率が目標値より小さい状況においてもスモークの発生を抑制できる。
【００４８】
ステップＳ１１０において、ＥＣＵ７は、パイロット噴射量を減少させる補正を行う。
これにより、気筒内燃焼の過剰な予混合化が抑制され、予混合燃焼比率が減少する。
【００４９】
ステップＳ１１１において、ＥＣＵ７は、再び平均予混合燃焼比率＜Ｒｐ＞を計算すると共にそれが目標値よりなお大きいか否かを判定する。ステップＳ１１１において肯定判定された場合、ＥＣＵ７はステップＳ１１２に進み、否定判定された場合は本ルーチンを終了する。
【００５０】
ステップＳ１１２において、ＥＣＵ７は、現状のパイロット噴射量の補正量が許容下限補正量に達しているか否かを判定する。ステップＳ１１２において肯定判定された場合、ＥＣＵ７はステップＳ１１３に進み、否定判定された場合はステップＳ１１０に戻ってパイロット噴射量を更に減少させる補正を行う。
【００５１】
ステップＳ１１３において、ＥＣＵ７は、ＥＧＲ量を増加させる補正を行う。これにより、予混合燃焼比率が目標値より大きい状況においても燃焼騒音を低減できる。
【００５２】
ここで、各測定点Ｘｎにおける予混合燃焼比率Ｒｐ（Ｘｎ）は、各測定点ＸｎにおけるＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積の燃焼過程開始点から境界点までにわたる時間積分値を、その時の燃料噴射量に基づいて求められる全燃焼過程にわたる当該積の時間積分値の想定値によって標準化した値である。また、各測定点Ｘｎにおける拡散燃焼比率Ｒｄ（Ｘｎ）は、各測定点ＸｎにおけるＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積の境界点から燃焼過程終了点までにわたる時間積分値を、その時の燃料噴射量に基づいて求められる全燃焼過程にわたる当該積の時間積分値の想定値によって標準化した値である。
【００５３】
従って、各点における予混合燃焼比率Ｒｐ（Ｘｎ）と拡散燃焼比率Ｒｄ（Ｘｎ）との和は、想定通りの燃料が行われていれば１になる。しかしながら、例えば噴霧燃料のうち未燃分が残存している場合、全噴射燃料が燃焼した場合を想定して求められる値である上記の想定値によって標準化されているＲｐ（Ｘｎ）とＲｄ（Ｘｎ）との和は１より小さい値になる。そして、予混合燃焼比率Ｒｐ（Ｘｎ）と拡散燃焼比率Ｒｄ（Ｘｎ）との和が１より小さい燃焼状態であるような位置Ｘｎが存在する場合、平均予混合燃焼比率＜Ｒｐ＞と平均拡散燃焼比率＜Ｒｄ＞との和も１より小さい値になる。
【００５４】
このことから、本実施例のエンジン制御では、上記のようにして算出した平均予混合燃焼比率＜Ｒｐ＞と平均拡散燃焼比率＜Ｒｄ＞との和が１より小さい場合、噴霧燃料のうちに未燃分が残存していると判断し、アフター噴射を行うようにした。これにより、未燃燃料を燃焼させることができる。このエンジン制御について、図７に基づいて説明する。図７は上記のエンジン制御を行うためのルーチンを表すフローチャートである。
【００５５】
ステップＳ１０１からステップＳ１０３を図６で説明したエンジン制御の場合と同様に実行する。ステップＳ１０１−ステップＳ１０３は既に説明済みであるから詳しい説明を省略する。ステップＳ１０３に続いて、ＥＣＵ７はステップＳ２０１を実行する。
【００５６】
ステップＳ２０１において、ＥＣＵ７は、平均予混合燃焼比率＜Ｒｐ＞と平均拡散燃焼比率＜Ｒｄ＞との和が１より小さいか否かを判定する。ステップＳ２０１で肯定判定された場合、ＥＣＵ７はステップＳ２０２に進み、否定判定された場合本ルーチンを終了する。
【００５７】
ステップＳ２０２において、ＥＣＵ７は、アフター噴射を実行する。
【００５８】
なお、以上述べた実施例は本発明を説明するための一例であって、本発明の本旨を逸脱しない範囲内において上記の実施例には種々の変更を加え得る。例えば、上記実施例とは
異なる測定点において予混合燃焼比率や拡散燃焼比率を算出しても良いし、重み付けの係数を適宜変更しても良い。また、気筒内の局所的なＯＨ濃度及びＨＣＨＯ濃度を複数点において測定可能であれば上記実施例のような分光観測装置以外の手段も用い得る。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】実施例における内燃機関とその吸気系及び排気系の概略構成を示す図である。
【図２】実施例における気筒内の自発光強度観測によるＯＨ濃度及びＨＣＨＯ濃度測定システムの概略構成を示す図である。
【図３】実施例におけるＯＨ濃度、ＨＣＨＯ濃度、及び、ＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積の時間変化を示す図である。
【図４】実施例におけるＯＨ濃度とＨＣＨＯ濃度との積の時間積分の時間変化を示す図である。
【図５】実施例における測定点毎の重みの例を示す図である。図５（Ａ）は冷間運転時の重み付けを表し、図５（Ｂ）は温間運転時の重み付けを表す。
【図６】実施例におけるエンジン制御ルーチンを表すフローチャートである。
【図７】実施例におけるエンジン制御ルーチンを表すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６０】
１     内燃機関
２     吸気通路
３     排気通路
４     気筒
５     燃料噴射弁
６     濃度センサ
７     ＥＣＵ
８１   光ファイバ
８２   光ファイバ
８３   光ファイバ
８４   光ファイバ
９１   自発光
９２   自発光
９３   自発光
９４   自発光
１０   測定部
１３   燃料噴霧
１４   燃焼室
１５   燃料噴射ノズル
１６   ピストン
Ｘ１   測定点
Ｘ２   測定点
Ｘ３   測定点
Ｘ４   測定点
【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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