(57)【要約】【課題】気筒内の燃料噴霧中に赤外光を照射し、該赤外光の燃料噴霧透過前後の強度変化に基づいて燃料噴霧中のＣＯ２濃度を測定する技術を用いて、内燃機関の運転条件に応じた最適な内燃機関の燃焼制御を精度良く行うことを可能にする技術を提供する。【解決手段】燃料噴射弁による燃料噴霧内の複数の箇所に赤外光を照射する照射手段と、照射手段によって照射される赤外光の強度を変更する強度変更手段と、強度変更手段によって計測用の強度に設定した、ＣＯ２によって吸収され易い波長の赤外光を、照射手段によって筒内のＣＯ２に照射し、ＣＯ２を透過した赤外光の強度の測定値に基づいて赤外光を照射した箇所におけるＣＯ２濃度を測定する濃度測定手段と、強度変更手段によって着火用の強度に設定した赤外光を、照射手段によって筒内の燃料噴霧に照射し、該赤外光を照射した箇所における燃料を着火させる着火手段と、を備える。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を気筒に備えた内燃機関において、
少なくとも前記燃料噴射弁による燃料噴霧内の複数の箇所を含む筒内の複数の箇所に光を照射する照射手段と、
前記照射手段によって照射される光の強度を変更する強度変更手段と、
被検出物質に対応する所定波長の光であって前記強度変更手段によって所定の計測用の強度に設定した光を前記照射手段によって筒内の被検出物質に照射し、当該被検出物質を透過する前の光の強度と透過した後の光の強度とに基づいて当該光を照射した箇所における当該被検出物質の濃度を測定する濃度測定手段と、
前記強度変更手段によって所定の着火用の強度に設定した光を前記照射手段によって筒内の燃料噴霧に照射し、当該光を照射した箇所における当該燃料を着火させる着火手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の燃焼制御システム。
【請求項２】
請求項１において、
前記濃度測定手段によって、前記燃料噴霧内の複数の箇所において、前記被検出物質として二酸化炭素の濃度を測定し、その測定結果に基づいて当該複数の箇所における燃料の燃焼割合を算出する燃料割合算出手段をさらに備え、
前記内燃機関の温間運転時において、前記燃焼割合算出手段によって算出された前記複数の箇所における燃焼割合のうち、気筒内外周側の所定領域内の箇所における燃焼割合が想定される燃焼割合より低い場合、当該箇所における燃料を前記着火手段によって着火させる
ことを特徴とする内燃機関の燃焼制御システム。
【請求項３】
請求項１において、
前記濃度測定手段によって、前記燃料噴霧内の複数の箇所において、前記被検出物質として二酸化炭素の濃度を測定し、その測定結果に基づいて当該複数の箇所における燃料の燃焼割合を算出する燃料割合算出手段をさらに備え、
前記内燃機関の冷間運転時において、前記燃焼割合算出手段によって算出された前記複数の箇所における燃焼割合のうち、気筒内内周側の所定領域内の箇所における燃焼割合が想定される燃焼割合より低い場合、当該箇所における燃料を前記着火手段によって着火させる
ことを特徴とする内燃機関の燃焼制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス中に赤外光を照射し、当該赤外光のガス透過前後における強度変化に基づいて、ガス中の特定成分濃度を測定する技術が知られている。例えば、特許文献１には、内燃機関の気筒内の点火プラグ付近における燃料噴霧中に赤外線レーザを照射し、当該赤外線レーザの燃料噴霧透過前後の強度変化に基づいて、燃料噴霧中の燃料濃度を算出する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１８４１７５号公報
【特許文献２】特開２００５−２３３６９４号公報
【特許文献３】特許第３７８４７６８号公報
【特許文献４】特開２００４−１７７２４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来技術の場合、点火プラグの先端近傍の１箇所における燃料濃度を測定することは可能だが、例えば気筒内に燃料を直接噴射する方式のエンジンの場合、気筒内における燃料噴霧内の燃料濃度は不均一且つ燃料噴霧の動きに応じて変動するため、ある１箇所のみにおける燃料濃度を測定しても、その測定値に基づいて精度良く燃焼制御や燃料噴射制御を行うことは困難であった。
【０００４】
本発明は、このような問題点に鑑みて考案されたものであり、気筒内の燃料噴霧中に光を照射し、当該光の燃料噴霧透過前後の強度変化に基づいて燃料噴霧中の二酸化炭素や燃料等の特定成分濃度を測定する技術を用いて、内燃機関の運転条件に応じた最適な内燃機関の燃焼制御や燃料噴射制御を精度良く行うことを可能に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】
上記目的を達成するため、本発明の内燃機関の燃焼制御システムは、
筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を気筒に備えた内燃機関において、
少なくとも前記燃料噴射弁による燃料噴霧内の複数の箇所を含む筒内の複数の箇所に光を照射する照射手段と、
前記照射手段によって照射される光の強度を変更する強度変更手段と、
被検出物質に対応する所定波長の光であって前記強度変更手段によって所定の計測用の強度に設定した光を前記照射手段によって筒内の被検出物質に照射し、当該被検出物質を透過する前の光の強度と透過した後の光の強度とに基づいて当該光を照射した箇所における当該被検出物質の濃度を測定する濃度測定手段と、
前記強度変更手段によって所定の着火用の強度に設定した光を前記照射手段によって筒内の燃料噴霧に照射し、当該光を照射した箇所における当該燃料噴霧を着火させる着火手段と、
を備えることを特徴とする
【０００６】
ここで、照射手段は、内燃機関の筒内の複数の箇所に光を照射可能であり、その「複数の箇所」には少なくとも燃料噴霧内の複数の箇所が含まれる。つまり、照射手段は燃料噴霧内の複数箇所の他にさらに筒内の任意の箇所に光を照射可能な手段であっても良いし、燃料噴霧内の複数の箇所のみに光を照射可能な手段であっても良い。ここで、「燃料噴霧
内」とは、燃料噴射弁からの燃料噴射によって形成される燃料噴霧が存在する領域、又は存在すると想定される領域である。例えば、燃料噴射弁による燃料噴霧軸線上及びその近傍の領域を燃料噴霧内の領域とすることができる。また、燃料噴霧が筒内のスワールによって移動することを考慮して、燃料噴霧軸線からスワールの向きに所定角度ずれた領域を燃料噴霧内の領域とすることもできる。
【０００７】
また、「被検出物質」とは、濃度測定手段によって筒内におけるその濃度の測定対象となる物質であって、例えば燃料や二酸化炭素である。そして、「所定波長」は、その被検出物質の濃度を本発明の濃度測定手段によって測定するために適した光の波長である。本発明の濃度測定手段は被検出物質透過前後における光の強度変化に基づいて光が透過した位置における被検出物質の濃度を推定するので、所定波長は、例えば、照射手段によって照射される光のうち被検出物質によって最も良く吸収される波長とすることができる。また、この波長を変化させることによって、異なる種類の被検出物質の濃度を本発明の濃度測定手段によって測定することが可能である。照射手段によって照射される光は、例えば赤外光とすることができる。
【０００８】
本発明の濃度測定手段によれば、照射手段によって照射可能な燃料噴霧内の複数の箇所における被検出物質の濃度を測定することができる。これにより、例えば、被検出物質として燃料の濃度を測定する構成とした場合には、燃料噴霧中の燃料濃度分布を測定することができる。従って、燃料噴霧内の燃料濃度が不均一であったり筒内の燃料噴霧の動きに応じて燃料濃度が変動したりする内燃機関においても、当該燃料濃度分布の測定値に基づいて精度良く燃焼制御や燃料噴射制御を実行することができる。例えば、燃料濃度分布の測定値に基づいて、燃料噴射弁による燃料噴霧の到達距離に目標との乖離が認められる場合には、この乖離を解消するように燃料噴射制御を補正することができる。また、例えば、被検出物質として二酸化炭素の濃度を測定する構成とした場合には、燃料噴霧内の燃料の燃焼状態の分布を測定することができる。例えば、燃焼状態分布の測定値に基づいて、到達した噴霧燃料のうち未燃のものが残存すると判断される箇所における燃料を着火させる等の燃焼制御を行うことができる。
【０００９】
本発明の着火手段によれば、照射手段によって照射可能な燃料噴霧内の複数の箇所における燃料を着火させることができる。これにより、例えば、上記濃度測定手段による燃焼状態分布の測定値に基づいて燃料噴霧内の特定箇所に到達した燃料に未燃状態のものがあると判断される箇所における燃料を着火させることによって当該箇所における燃料の燃焼割合を目標に近付けるといった高精度の燃焼制御を行うことができる。
【００１０】
そして、本発明では、照射手段が照射する光の強度を、強度変更手段によって計測用の強度又は着火用の強度に変更可能な構成としたので、濃度測定手段において用いられる光と、着火手段において用いられる光とを、ともに照射手段から得ることができ、簡易な構成によって被検出物質の濃度測定及びその測定結果に基づく燃焼制御を実行可能なシステムを構成することができる。
【００１１】
本発明の濃度測定手段によって、燃料噴霧内の前記複数の箇所において、被検出物質として二酸化炭素の濃度を測定することによって、当該複数の箇所の各々における燃料の燃焼割合を算出することができる。ここで燃焼割合とは、当該各箇所における燃料の燃焼状態を表す数値であり、燃料噴霧によって当該各箇所に到達した燃料量と、当該各箇所において実際に燃焼した燃料量と、の比によって算出される。本発明によれば、燃料噴霧内の各箇所において実際に燃焼した燃料量は、濃度測定手段によって測定される当該各箇所における二酸化炭素濃度の測定値に基づいて算出することができる。
【００１２】
そして、このようにして算出した燃焼割合に基づいて、噴霧燃料のうち未燃状態のもの
が存在すると判断される箇所における燃料を、内燃機関の運転条件に応じて、本発明の着火手段によって着火させる。これにより、内燃機関の運転条件に応じて最適な燃焼状態を実現することができ、スモークやＨＣ等のエミッションを低減することができる。
【００１３】
例えば、内燃機関の温間運転時（通常運転時）においては、気筒内外周側の領域における燃焼状態が悪い場合、気筒内内周側で集中的に燃料が燃焼してしまい、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おいて、気筒内外周側の所定領域内の箇所における燃焼割合が想定される燃焼割合より低い場合、当該箇所における燃料を着火手段によって着火させるようにすることが好ましい。こうすることにより、内燃機関の温間運転時において、気筒内の燃料噴霧の燃焼状態を均一にすることができるので、スモークの発生を抑制できる。なお、上記の「想定される燃焼割合」とは、内燃機関の温間運転時においてスモークの発生量が許容量以下となるような気筒内外周側における燃焼割合の下限値であり、予め求めておく。また、「気筒内外周側の所定領域」とは、例えば気筒の中心軸からの径方向距離が気筒の半径の０．９倍より大きい領域等として定めることができる。
【００１４】
また、内燃機関の冷間運転時（低水温時）においては、気筒内内周側の領域における燃焼状態が悪い場合、熱が逃げ易い気筒内外周側から燃焼が進行することになるため、ＨＣの発生量が増大する可能性がある。従って、内燃機関の冷間運転時において、気筒内内周側の所定領域内の箇所における燃焼割合が想定される燃焼割合より低い場合、当該箇所における燃料を着火手段によって着火させるようにすることが好ましい。こうすることにより、内燃機関の冷間運転時において、気筒内内周側における燃料の燃焼を促進させることができるので、ＨＣの発生を抑制できる。なお、上記の「想定される燃焼割合」とは、内燃機関の冷間運転時においてＨＣの発生量が許容量以下となるような気筒内内周側における燃焼割合の下限値であり、予め求めておく。また、「気筒内内周側の所定領域」とは、例えば気筒の中心軸からの径方向距離が気筒の半径の０．４倍より小さい領域等として定めることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、気筒内の燃料噴霧中に光を照射し、該光の燃料噴霧透過前後の強度変化に基づいて燃料噴霧中の二酸化炭素や燃料等の特定成分濃度を測定する技術を用いて、内燃機関の運転条件に応じて最適な燃焼制御や燃料噴射制御を精度良く行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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】
【００１７】
図１は、本実施例に係る内燃機関の燃焼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模式的に示す概念図である。内燃機関１は４つの気筒４を有し、気筒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には筒内ガス中の二酸化炭素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に基づいてこれら各種機器の動作を制御する。
【００１８】
図２は、濃度センサ６の構成を模式的に表す図である。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、気筒４の上部に設けられた複数（図２では３つ）のセンサユニット８を有している。各センサユニット８は、気筒内に気筒４の中心軸と略平行の赤外線レーザ９を照射する照射部２０と、当該赤外線レーザ９が気筒内で反射されて戻ってくる反射光１０を受光してその強度を測定する測定部２１と、を有している。
【００１９】
照射部２０は、赤外線レーザ発光装置のＱスイッチタイミングを変化させる構成を有しており、Ｑスイッチタイミングを変更することで少なくとも計測用強度と着火用強度との２つの強度の赤外線レーザを照射することができる。計測用強度の赤外線レーザがガス中を通過すると、赤外線の一部が当該ガス中の成分に吸収され、当該成分の濃度に応じて赤外線レーザの強度が減少する。このガス透過前後における赤外線レーザの強度変化に基づいて当該成分の濃度を算出することができる。また、着火用強度は計測用強度と比較して強度が高く、着火用強度の赤外線レーザを燃料に照射することで当該燃料を着火させることができる。本実施例においては、照射部２０における赤外線レーザ発光装置のＱスイッチタイミングを変更する構成が、本発明における強度変更手段に相当する。また、照射部２０から着火用強度の赤外線レーザを燃料に照射して当該燃料を着火させるＥＣＵ７が本発明における着火手段に相当する。
【００２０】
測定部２１は、反射光を受光する装置の前にピエゾ素子で可動な機械式シャッタを備えており（図示省略）、照射部２０によって着火用強度の赤外線レーザ９が発せられる時には、当該機械式シャッタが閉じられ、着火用強度の赤外線レーザの反射光が測定部２１に入射しないように構成されている。これにより強度の強い赤外線レーザが測定部２１に入射することによって測定部２０が破損することを防止している。
【００２１】
燃焼室１４の底部におけるピストン１６の表面には、前記センサユニット８に対向する位置に、センサユニット８の照射部２０から照射される赤外線レーザ９に対して略垂直な上面を有する階段部１１が形成されている。この階段部１１の表面には鏡１２が設けられている。照射部２０から気筒内に照射された赤外線レーザ９は、燃料噴霧１３内を通過して鏡１２に入射し、鏡１２によって反射され、その反射光１０は再び燃料噴霧１３内を通過してセンサユニット８の測定部２１に入射する。測定部２１において測定された反射光１０の強度は、センサユニット８による出力信号としてＥＣＵ７に入力される。
【００２２】
赤外線レーザ９及び反射光１０が燃料噴霧１３内を通過する際に、赤外光の一部が燃料噴霧１３内の二酸化炭素や燃料等のガスにより吸収され、これにより赤外光の強度が減衰する。この減衰の度合は赤外光が通過した箇所におけるガスの濃度に依存している。従って、この減衰度合に基づいて赤外光が通過した箇所におけるガスの濃度を推定できる。物質を透過する際の赤外光の強度の減衰の程度は、透過するガスの成分及び赤外光の波長によって異なる。例えば、赤外光の波長を、二酸化炭素によって最も良く吸収される波長に設定して照射することによって、燃料噴霧１３内の二酸化炭素濃度を測定することができる。また、赤外光の波長を、燃料ガスによって最も良く吸収される波長に設定して照射することによって、燃料噴霧１３内の燃料濃度を測定することができる。本実施例において、計測用強度の赤外線レーザを照射部２０から照射させ、その計測用強度の赤外線レーザの反射光の強度の測定部２１による測定値に基づいて燃料噴霧１３内の特定成分濃度を算出するＥＣＵ７が、本発明における濃度測定手段に相当する。
【００２３】
本実施例のシステムでは、このようなセンサユニット８が複数個設けられている。図２では３個設けられている場合を示しているが、センサユニット８の取り付け個数は複数であれば３個に限られない。これにより、燃料噴霧１３内の複数の箇所におけるガス濃度を測定することができる。本実施例のように筒内直噴型エンジンでは、気筒内の燃料噴霧１３の動きに応じて、気筒内のガス濃度の分布が大きく変化する。従って、従来のように１点でのみ気筒内のガス濃度を測定可能なシステムによって気筒内のガス濃度を測定したとしても、その測定値に基づいて燃焼制御や燃料噴射制御を精度良く行うことが困難であった。これに対し、本実施例の場合、気筒内の複数の箇所におけるガス濃度を測定することができるので、気筒内のガス濃度分布が大きく変化する場合であっても、濃度センサ６による気筒内ガス濃度の測定結果に基づいて、精度良く燃焼制御や燃料噴射制御を行うことができる。本実施例においては、照射部２０が、本発明における照射手段に相当する。
【００２４】
なお、上記説明した構成では、気筒４の上部に複数のセンサユニット８を設けることによって、燃料噴霧１３内の複数の箇所におけるガス濃度を測定する構成としたが、図３に示すような構成によっても、燃料噴霧１３内の複数の箇所におけるガス濃度を測定することができる。図３に示す構成では、センサユニット８を１つ備えているる。センサユニット８の照射部２０から発せられた赤外線レーザ１７はミラー１８によって反射される。ミラー１８で反射された赤外線レーザ１７Ａは、レンズ１９を通過してビームが整形され、気筒内に入射して燃料噴霧１３内を通過する。燃料噴霧１３を通過した赤外線レーザ１７Ａは、燃焼室１４底部の鏡１２Ａで反射して、再び燃料噴霧１３を通過し、ミラー１８によって反射され、センサユニット８の測定部２１に入射し、測定部２１によってその強度が測定される。この測定値に基づいて、燃料噴霧１３内の箇所Ａにおけるガス濃度を測定することができる。
【００２５】
この構成では、ミラー１８は図３の矢印Ｒ方向に回転可能に構成されており、照射部２０から発せられる赤外線レーザ１７のミラー１８への入射角が変更可能となっている。ミラー１８への赤外線レーザ１７の入射角を変更すると、ミラー１８で反射された赤外線レーザ１７の光路は、図３の点線に示すような光路１７Ｂとなる。赤外線レーザ１７Ｂは燃料噴霧１３内の箇所Ａとは異なる箇所Ｂを通過し、燃焼室１４底部の鏡１２Ｂで反射して、再び燃料噴霧１３を通過し、ミラー１８によって反射され、センサユニット８の測定部２１に入射し、測定部２１によってその強度が測定される。この測定値に基づいて、燃料噴霧１３内の箇所Ｂにおけるガス濃度を測定することができる。このように、図３に示す構成によっても、ミラー１８のＲ方向角度を変更することによって、燃料噴霧１３内の複数の箇所におけるガス濃度を測定することが可能である。この構成の場合、ミラー１８のＲ方向角度を連続的に変化させることによって、燃料噴霧１３内のガス濃度の連続的な分布を測定することもできる。
【００２６】
以上、図２及び図３を用いて説明した構成において、センサユニット８の照射部２０から発せられた赤外光が気筒内に入射する箇所、及び当該赤外光が反射される階段部１１は、燃料噴射弁５の燃料噴霧軸線の直上及び直下に設けても良いし、図４のように、燃料噴霧軸線２２に対してある角度θだけずらして設けられていても良い。図４は、気筒４、ピストン１６及び燃焼室１４を上から見た図である。図４では、階段部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ及び該各階段部に入射させるための赤外光を気筒内に導入する開口部（図示省略）を、燃料噴霧軸線２２に対して角度θずらして配置した例を示している。燃料噴射弁５の燃料噴射ノズル１５から燃料噴霧軸線２２方向に噴射された燃料によって燃料噴霧１３が形成された後、燃料噴霧１３は気筒内のスワールによって図４の矢印Ｓの方向に流される。従って、燃料噴霧１３内の燃料濃度や燃料噴霧１３内の燃料が燃焼して生成される二酸化炭素濃度を本実施例のシステムによって測定する場合、このスワールによる燃料噴霧１３の移動を考慮して、燃料噴霧１３０内に赤外光を入射することによって、より精度良く燃
料噴霧１３０内のガス濃度を測定することができる。図４の角度θは、燃料噴霧１３０内のガス濃度を測定するタイミングまでに気筒内のスワールによって燃料噴霧１３が燃料噴霧軸線２２から流される角度に基づいて定めることができる。
【００２７】
本実施例では、図５に示すように、階段部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの気筒４の中心軸Ｏからの径方向距離はそれぞれＲＡ，ＲＢ，ＲＣである。ここでは、燃焼室１４の半径をＲＬとしたとき、ＲＡ＝０．９ＲＬ、ＲＢ＝０．４ＲＬ、ＲＣ＝０．２ＲＬとする。また、これら各階段部１１に対応する各センサユニット８から赤外線レーザを照射することによって、燃料噴霧１３内の各点Ａ，Ｂ，Ｃにおける二酸化炭素濃度を測定する。そして、測定された二酸化炭素濃度に基づいて、各点における燃料の燃焼割合を算出する。ここで、ある点ＲＸにおける燃焼割合Ｑｒａｔｅ（ＲＸ）とは、燃料噴射弁５からの燃料噴射によって当該点ＲＸまで到達した燃料量に対する、当該点ＲＸにおいて実際に燃焼した燃料量の比である。
【００２８】
各点における二酸化炭素濃度の測定値は、その点において燃料が燃焼することによって生じた二酸化炭素量を反映しているから、この二酸化炭素濃度の測定値に基づいて、その点において燃焼した燃料量を算出することができる。また、各点に到達する燃料量は、燃料噴射弁５による燃料噴射圧（コモンレール圧）や燃料噴射量、エンジン回転数等の内燃機関１の運転条件に応じて定められる。
【００２９】
本実施例では、このようにして各点Ａ，Ｂ，Ｃにおける二酸化炭素濃度の測定値から各点における燃焼割合Ｑｒａｔｅ（ＲＡ）、Ｑｒａｔｅ（ＲＢ）、Ｑｒａｔｅ（ＲＣ）を算出し、この燃焼割合の分布に基づいて、燃焼制御を行う。例えば、内燃機関１が温間運転時（通常運転時）においては、気筒内外周側の領域における燃焼状態が悪い場合、気筒内内周側で集中的に燃焼が起こってしまい、スモークの発生量が増大する可能性がある。そこで本実施例のシステムでは、内燃機関１の温間運転時において、図５に示す気筒内外周側の領域ＤＧにおける燃焼割合が想定される燃焼割合より低い場合、領域ＤＧ内の燃料に着火用強度の赤外線レーザを照射して、当該箇所における燃料を着火させる。本実施例では、水温センサ２３によって測定される冷却水温が所定の基準温度Ｔ０より高い場合に、内燃機関１が温間運転時であると判断し、その場合の点Ａにおける燃焼割合Ｑｒａｔｅ（ＲＡ）が、点Ａにおける目標燃焼割合Ｑｒａｔｅ（ＲＡ）ＴＲＧより少ない場合、領域ＤＧにおける燃焼割合が想定される燃焼割合より低いと判断し、点Ａに着火用強度の赤外線レーザを照射して点Ａおける燃料を着火させるようにした。これにより、気筒内外周側の領域ＤＧにおける燃焼が促進され、気筒内の燃料噴霧の燃焼状態を均一にすることができる。よって、スモークの発生を抑制することができる。
【００３０】
また、内燃機関１が冷間運転時（低水温時）においては、気筒内内周側の領域における燃焼状態が悪い場合、熱が逃げ易い気筒内外周側から燃焼が進行することになるため、ＨＣの発生量が増大する可能性がある。そこで本実施例のシステムでは、内燃機関１の冷間運転時において、図５に示す気筒内内周側の領域ＤＮにおける燃焼割合が想定される燃焼割合より低い場合、領域ＤＮ内の燃料に着火用強度の赤外線レーザを照射して、当該箇所における燃料を着火させる。本実施例では、水温センサ２３によって測定される冷却水温が前記基準温度Ｔ０以下の場合に、内燃機関１が冷間運転時であると判断し、その場合の点Ｂにおける燃焼割合Ｑｒａｔｅ（ＲＢ）が、点Ｂにおける目標燃焼割合Ｑｒａｔｅ（ＲＢ）ＴＲＧより少ない場合、領域ＤＮにおける燃焼割合が想定される燃焼割合より低いと判断し、点Ｂに着火用強度の赤外線レーザを照射して点Ｂにおける燃料を着火させるようにした。これにより、気筒内内周側における燃焼が促進され、ＨＣの発生を抑制できる。
【００３１】
以上説明した本実施例に係る燃焼制御について、図６に基づいて説明する。図６は本実施例の燃焼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。
【００３２】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ７は、気筒内の燃料噴霧１３内の点Ａ，Ｂ，Ｃに照射部２０によって計測用強度の赤外線レーザを照射する。
【００３３】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ７は、燃焼室１４底面の鏡１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃで反射されてセンサユニット８に戻ってきた赤外線レーザを測定部２１で受光してその強度を測定する。
【００３４】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ７は、ステップＳ１０２で測定された反射光（すなわち燃料噴霧１３を通過した赤外線レーザ）の強度に基づいて燃料噴霧１３内の各点Ａ，Ｂ，Ｃにおける二酸化炭素濃度を算出する。
【００３５】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ７は、ステップＳ１０３で算出した各点Ａ，Ｂ，Ｃにおける二酸化炭素濃度に基づいて、燃料噴霧１３内の各点Ａ，Ｂ，Ｃにおける噴霧燃料の燃焼割合Ｑｒａｔｅ（ＲＡ），Ｑｒａｔｅ（ＲＢ），Ｑｒａｔｅ（ＲＣ）を算出する。
【００３６】
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ７は、内燃機関１の運転条件が低水温条件であるか否か判定する。具体的には、水温センサ２３によって測定された冷却水温が基準温度Ｔ０以下か否かを判定する。ステップＳ１０５において肯定判定された場合、ＥＣＵ７はステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０５において否定判定された場合、ＥＣＵ７はステップＳ１０９に進む。
【００３７】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ７は、気筒内内周側における燃焼割合が想定より低いか否かを判定する。具体的には、ステップＳ１０４で算出した点Ｂにおける燃焼割合Ｑｒａｔｅ（ＲＢ）が、内燃機関１の運転条件に応じて定まる点Ｂにおける目標燃焼割合Ｑｒａｔｅ（ＲＢ）ＴＲＧより少ないか否かを判定する。ステップＳ１０６において肯定判定された場合、ＥＣＵ７はステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０６において否定判定された場合、ＥＣＵ７はステップＳ１０８に進む。
【００３８】
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ７は、気筒内内周側に着火用強度の赤外線レーザを照射して気筒内内周側の燃料噴霧１３内の燃料を着火させる。具体的には、点Ｂに着火用強度の赤外線レーザを照射して点Ｂにおける燃料を着火させる。
【００３９】
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ７は、内燃機関１の通常の燃料噴射制御を行う。
【００４０】
ステップＳ１０９において、ＥＣＵ７は、気筒内外周側における燃焼割合が想定より低いか否かを判定する。具体的には、ステップＳ１０４で算出した点Ａにおける燃焼割合Ｑｒａｔｅ（ＲＡ）が、内燃機関１の運転条件に応じて定まる点Ａにおける目標燃焼割合Ｑｒａｔｅ（ＲＡ）ＴＲＧより少ないか否かを判定する。ステップＳ１０９において肯定判定された場合、ＥＣＵ７はステップＳ１１０に進む。ステップＳ１０９において否定判定された場合、ＥＣＵ７はステップＳ１０８に進む。
【００４１】
ステップＳ１１０において、ＥＣＵ７は、気筒内外周側に着火用強度の赤外線レーザを照射して気筒内外周側の燃料噴霧１３内の燃料を着火させる。具体的には、点Ａに着火用強度の赤外線レーザを照射して点Ａにおける燃料を着火させる。
【００４２】
以上のルーチンを実行することにより、筒内直噴型のエンジンにおいて気筒内の燃料噴霧内の燃料濃度や燃料の燃焼状態が不均一であったりスワールの動きに合わせて変動したりする場合においても、燃料噴霧内の複数箇所における二酸化炭素濃度を赤外線レーザ吸収法によって測定することができ、さらに、当該二酸化炭素濃度の測定に用いられる赤外
線レーザの強度を変化させることによって、二酸化炭素濃度測定用の赤外線レーザを用いて二酸化炭素濃度を測定可能な箇所と同じ箇所における燃料に着火させることができる。従って、気筒内における燃焼状態の分布と内燃機関の運転条件に応じて、最適な位置の燃焼状態を改善させることができる。このような燃焼制御を行うことにより、内燃機関のエミッション性能を向上させることができる。
【００４３】
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、上記実施例において、照射部２０によって照射される赤外光の波長を、その他の物質（例えば燃料）によって最も良く吸収される波長に設定することによって、当該物質の濃度を測定することも可能である。照射部２０は、複数の波長の赤外光を切り替えて照射可能に構成されていても良い。この場合、１つのセンサユニット８によって複数の異なる物質の濃度を測定することができる。或いは、異なる波長の赤外光を照射可能な異なる種類のセンサユニット８を、例えば交互に気筒４の上部に配置しても良い。
【００４４】
また、上記実施例は、ある位置における燃焼割合が想定よりも低い場合に、噴霧燃料のうち未燃状態のものが残存していると判断して、当該箇所の燃料を着火させることで燃焼状態を改善する制御を示したが、燃焼割合が想定よりも低い場合に、燃料噴霧の到達状態が想定からずれていると判断して、燃料噴霧圧力（コモンレール圧力）を補正するようにしても良い。例えば、気筒内外周側における燃焼割合が想定よりも低い場合には、燃料噴霧の到達状態が想定よりも気筒内内周側に偏っていると判断して、燃料噴射圧力（コモンレール圧力）を増加させる補正を行っても良い。また、気筒内内周側における燃焼割合が想定よりも低い場合に、燃料噴霧の到達状態が想定よりも気筒内外周側に偏っていると判断して、燃料噴射圧力（コモンレール圧力）を減少させる補正を行っても良い。また、この場合は、スプリット噴射回数を増加させる補正を行っても良い。トータルの燃料噴射量を一定に保ちつつスプリット噴射回数を増加させると、燃料噴霧の貫徹力が小さくなるからである。
【００４５】
また、燃料噴霧内の二酸化炭素濃度分布の空間的平均値に基づいて気筒内への実吸入空気量を算出し、算出された吸入空気量が目標の吸入空気量からずれていた場合には、吸入空気量を増減させる補正を行うこともできる。上述のように、特に直噴型エンジンの場合、燃料噴霧の動きによって空間的に二酸化炭素濃度がばらつくため、従来技術のように燃料噴霧内の１点のみにおけるガス濃度の測定値しか得られないシステムでは、その測定値に基づいて精度良く気筒内への実吸入空気量を算出することは難しかった。この点、本実施例のように、燃料噴霧内の複数箇所においてガス濃度を測定可能な構成とすることにより、気筒内のガス濃度が空間的にばらついている状況であっても、複数箇所における測定値の空間的平均値に基づくことによって精度良く実吸入空気量を算出することが可能になる。吸入空気量の補正は、例えば可変容量型ターボチャージャを備えた構成の内燃機関において、タービンのＶＮ開度を補正することによって行うことができる。
【００４６】
また、同様に、燃料噴霧内の二酸化炭素濃度分布の空間的平均値に基づいて実ＥＧＲ量を算出し、算出されたＥＧＲ量が目標のＥＧＲ量からずれていた場合には、ＥＧＲ量を増減させる補正を行うことができる。ＥＧＲ量の補正は、例えばＥＧＲ弁開度を補正することによって行うことができる。
【００４７】
また、同様に、燃料噴霧内の燃料濃度分布の空間的平均値に基づいて実燃料噴射量を算出し、算出された燃料噴射量が目標の燃料噴射量からずれていた場合には、燃料噴射量を増減させる補正を行うことができる。
【００４８】
以上説明したように、本実施例の構成によって燃料噴霧内の複数箇所におけるガス濃度
（燃料濃度、二酸化炭素濃度、その他の成分濃度）を測定し、ガス濃度分布を測定することによって、その測定値に基づいて精度良く燃焼制御、燃料噴射制御等の機関制御を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】実施例１における内燃機関の吸気系及び排気系の概略構成を表す図である。
【図２】実施例１におけるセンサユニットの配置例を表す図である。
【図３】実施例１におけるセンサユニットの別の配置例を表す図である。
【図４】実施例１における階段部の配置例を表す図である。
【図５】実施例１における気筒内内周側の領域及び気筒内外周側の領域と、二酸化炭素濃度を測定する燃料噴霧内の箇所を示す図である。
【図６】実施例１における燃焼制御ルーチンを表すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５０】
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
８     センサユニット
９     赤外線レーザ
１０   反射光
１１   階段部
１２   鏡
１３   燃料噴霧
１４   燃焼室
１５   燃料噴射ノズル
１６   ピストン
１７   赤外線レーザ
１８   ミラー
１９   レンズ
２０   照射部
２１   測定部
２２   燃料噴霧軸
２３   水温センサ
【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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