(57)【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直噴装置を備え、運転条件に応じて圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼とを切り替え可能な内燃機関において、
筒内圧力を検出する圧力検出手段と、
該圧力検出手段が検出した筒内圧力に基づいて着火時期を予測する着火時期予測手段と、
該着火時期予測手段が予測した着火時期に応じて予測したサイクルにおける圧縮上死点近傍における燃料噴射時期を、予測した着火時期が目標着火時期より進んでいるときは遅らせ、予測した着火時期が目標着火時期より遅れているときは進めるように変更する燃料噴射制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項２】
筒内に直接燃料を噴射する燃料直噴装置を備え、運転条件に応じて圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼とを切り替え可能な内燃機関において、
筒内圧力を検出する圧力検出手段と、
該圧力検出手段が検出した筒内圧力に基づいて燃料の予反応時期を検出する予反応検出手段と、
圧縮自己着火燃焼運転時に１サイクル中に２回に分けて燃料噴射を行い、１回目の燃料噴射を圧縮上死点から進角した時期に行い、２回目の燃料噴射を圧縮上死点近傍に行い、前記予反応検出手段が検出した予反応時期に応じて、検出した予反応時期が目標予反応時期より進んでいるときは遅らせ、検出した予反応時期が目標予反応時期より遅れているときは進めるように２回目の燃料噴射時期を変更する燃料噴射制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項３】
排気上死点近傍で吸気弁及び排気弁が共に閉じている密閉期間を有するように吸排気弁の開閉時期を変更可能な可変動弁装置を備え、
１サイクル中に２回に分けて燃料噴射を行い、１回目の燃料噴射を前記密閉期間中に行うことを特徴とする請求項２記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項４】
前記予反応検出手段が検出した予反応時期が設定値よりも遅角している場合には２回目の燃料噴射時期を補正量分進角するか燃料噴射量を補正量分増量し、予反応時期が設定値よりも進角している場合には２回目の燃料噴射時期を補正量分遅角するか或いは燃料噴射量を補正量分減量することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項５】
運転条件に応じて目標燃焼時期を算出する燃焼時期算出手段を備え、算出された目標燃焼時期が圧縮上死点から遅角している程、前記圧縮上死点付近の燃料噴射時期または燃料噴射量を補正する補正量を大きくすることを特徴とする請求項４記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運転条件に応じて火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とを切り換え可能な内燃機関に係り、特に圧縮自己着火燃焼時において、１回又は２回の燃料噴射時期を最適化することによって、燃焼時期を安定化させ、広い運転範囲で圧縮自己着火燃焼を行う内燃機関の燃焼制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンエンジンの熱効率を改善するために、混合気をリーン化することでポンプ損失を低減すると共に作動ガスの比熱比を大きくして理論熱効率を向上する手法が知られている。しかしながら、従来の火花点火エンジンでは空燃比をリーン化すると燃焼期間が長期化して燃焼安定度が悪化する。このため、空燃比のリーン化には限界がある。
【０００３】
このような燃焼安定度の悪化を避けながら空燃比をリーン化する技術として特開平７−７１２７９号公報にあるように予混合圧縮自己着火燃焼を起こさせる２行程サイクルエンジンが開示されている。予混合圧縮自己着火燃焼では燃焼室の複数の位置から燃焼反応が起こるため、空燃比がリーン化した場合においても火花点火に比べると燃焼期間が長期化せずに、よりリーンな空燃比でも安定した燃焼が可能となる。また空燃比がリーンのために燃焼温度が低下し、ＮＯｘも大幅に低減できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第１の従来例では通常の２行程サイクルエンジン構成としているためガス交換を制御する吸気バルブおよび排気バルブがなく、未燃ガスの吹き抜けが発生し燃費が悪化していた。また、膨張行程はガス交換を行う必要性から後半に排気を行う膨張排気行程となるので、燃焼ガスの膨張による仕事を十分に取り出すことができないため、高負荷運転が困難であるという問題点があった。
【０００５】
一方、自己着火燃焼は空燃比の影響を強く受ける。例えば、高負荷運転を考えて空燃比を濃くした場合には、燃焼反応を起こす燃料量が増加し、燃焼が激しくなりノッキングを起こす。このため、燃焼回数が２回転に１回の通常の４行程サイクルエンジンでは、高負荷での自己着火燃焼による運転が困難であるという問題点があった。
【０００６】
ノッキングを避けて圧縮自己着火燃焼が成立する負荷範囲を拡大するためには、燃焼時期を圧縮上死点から遅角することが有効である。燃焼時期を遅角すると、ピストン下降時に燃焼が行われるため、ノッキングの原因となる筒内圧力上昇率〔ｄＰ／ｄθ〕maxを低減できる。
【０００７】
しかしながら、燃焼時期を遅角した場合には、筒内の圧力、温度が高く保たれる時間が少なくなるため、筒内の空気過剰率λや温度のサイクルバラツキに対するロバスト性が低下し、燃焼が不安定になるという問題点がある。
【０００８】
例えば、残留ＥＧＲガスは前サイクルの燃焼状態の影響を受けるが、残留ＥＧＲガスの温度が変化した場合には、次サイクルの筒内の温度も変化してしまう。従って、燃焼の安定度を考えた場合には、燃焼時期を圧縮上死点から十分に遅角することは困難であった。
【０００９】
第２の従来技術として、特開平７−２１７４７８号公報にあるように、１サイクル中に燃料を２回に分けて筒内に供給する筒内噴射式火花点火機関の燃料噴射装置が開示されている。この従来例は、火花点火機関のノッキングを回避するために、燃料を２回に分けて供給している。しかしながら、第２の従来例では筒内のλ、温度状態のサイクルバラツキを考慮して、燃料噴射時期の制御は行っていない。従って、これを圧縮自己着火燃焼に適用した場合には前述したように、燃焼の安定度が悪化するため、高負荷運転が困難であった。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みたもので、その目的は、ノッキング及び燃焼不安定を回避しつつ、圧縮自己着火燃焼による運転範囲を高負荷側に拡大することのできる内燃機関の燃焼制御装置を提供することである。
【００１１】
また本発明の目的は、圧縮自己着火燃焼による運転範囲を拡大し、燃費、エミッションを改善し、熱効率が高くクリーンな内燃機関を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、前記課題を解決するため、筒内に直接燃料を噴射する燃料直噴装置を備え、運転条件に応じて圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼とを切り替え可能な内燃機関において、筒内圧力を検出する圧力検出手段と、該圧力検出手段が検出した筒内圧力に基づいて着火時期を予測する着火時期予測手段と、該着火時期予測手段が予測した着火時期に応じて予測したサイクルにおける圧縮上死点近傍における燃料噴射時期を、予測した着火時期が目標着火時期より進んでいるときは遅らせ、予測した着火時期が目標着火時期より遅れているときは進めるように変更する燃料噴射制御手段と、を備えたことを要旨とする。
【００１３】
請求項２記載の発明は、前記課題を解決するため、筒内に直接燃料を噴射する燃料直噴装置を備え、運転条件に応じて圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼とを切り替え可能な内燃機関において、筒内圧力を検出する圧力検出手段と、該圧力検出手段が検出した筒内圧力に基づいて燃料の予反応時期を検出する予反応検出手段と、圧縮自己着火燃焼運転時に１サイクル中に２回に分けて燃料噴射を行い、１回目の燃料噴射を圧縮上死点から進角した時期に行い、２回目の燃料噴射を圧縮上死点近傍に行い、前記予反応検出手段が検出した予反応時期に応じて、検出した予反応時期が目標予反応時期より進んでいるときは遅らせ、検出した予反応時期が目標予反応時期より遅れているときは進めるように２回目の燃料噴射時期を変更する燃料噴射制御手段と、を備えたことを要旨とする。
【００１５】
請求項３記載の発明は、前記課題を解決するため、請求項２記載の内燃機関の燃焼制御装置において、排気上死点近傍で吸気弁及び排気弁が共に閉じている密閉期間を有するように吸排気弁の開閉時期を変更可能な可変動弁装置を備え、１サイクル中に２回に分けて燃料噴射を行い、１回目の燃料噴射を前記密閉期間中に行うことを要旨とする。
【００１６】
請求項４記載の発明は、前記課題を解決するため、請求項３記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記予反応検出手段が検出した予反応時期が設定値よりも遅角している場合には２回目の燃料噴射時期を補正量分進角するか燃料噴射量を補正量分増量し、予反応時期が設定値よりも進角している場合には２回目の燃料噴射時期を補正量分遅角するか或いは燃料噴射量を補正量分減量することを要旨とする。
【００１７】
請求項５記載の発明は、前記課題を解決するため、請求項４記載の内燃機関の燃焼制御装置において、運転条件に応じて目標燃焼時期を算出する目標燃焼時期算出手段を備え、算出された目標燃焼時期が圧縮上死点から遅角している程、前記圧縮上死点付近の燃料噴射時期または燃料噴射量を補正する補正量を大きくすることを要旨とする。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、筒内に直接燃料を噴射する燃料直噴装置を備え、運転条件に応じて圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼とを切り替え可能な内燃機関において、筒内圧力を検出する圧力検出手段と、該圧力検出手段が検出した筒内圧力に基づいて着火時期を予測する着火時期予測手段と、該着火時期予測手段が予測した着火時期に応じて予測したサイクルにおける圧縮上死点近傍における燃料噴射時期を、予測した着火時期が目標着火時期より進んでいるときは遅らせ、予測した着火時期が目標着火時期より遅れているときは進めるように変更する燃料噴射制御手段と、を備えたことにより、燃料噴射の回数に係わらず外部環境や機関状態変化によるサイクルバラツキがあっても燃焼時期を安定させることができ、高負荷運転領域において圧縮自己着火運転すなわち高効率、クリーンな運転が可能となり、燃費、エミッションが改善できる。
【００１９】
請求項２記載の本発明によれば、筒内に直接燃料を噴射する燃料直噴装置を備え、運転条件に応じて圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼とを切り替え可能な内燃機関において、筒内圧力を検出する圧力検出手段と、該圧力検出手段が検出した筒内圧力に基づいて燃料の予反応時期を検出する予反応検出手段と、圧縮自己着火燃焼運転時に１サイクル中に２回に分けて燃料噴射を行い、１回目の燃料噴射を圧縮上死点から進角した時期に行い、２回目の燃料噴射を圧縮上死点近傍に行い、前記予反応検出手段が検出した予反応時期に応じて、検出した予反応時期が目標予反応時期より進んでいるときは遅らせ、検出した予反応時期が目標予反応時期より遅れているときは進めるように２回目の燃料噴射時期を変更するようにしたので、サイクルバラツキに対する燃焼時期の変化を精度良く予測することが可能となり、各サイクルの燃焼時期を常に目標時期となるように最適に制御することが可能となり、ノッキング及び燃焼安定度悪化を防止し、より高負荷運転領域において圧縮自己着火運転すなわち高効率、クリーンな運転が可能となり、燃費、エミッションを改善することができるという効果がある。
【００２１】
請求項３記載の本発明によれば、請求項２記載の発明の効果に加えて、排気上死点近傍で吸気弁及び排気弁が共に閉じている密閉期間を有するように吸排気弁の開閉時期を変更可能な可変動弁装置を備え、１サイクル中に２回に分けて燃料噴射を行い、１回目の燃料噴射を前記密閉期間中に行うようにしたので、密閉期間中の圧縮による高温高圧のために１回目に噴射した燃料の改質が進み、未燃燃料を更に低減できる。また１回目に噴射した燃料の予反応時期が進角するため、燃焼時期の制御がより容易になる。
【００２２】
請求項４記載の本発明によれば、請求項３記載の発明の効果に加えて、前記予反応検出手段が検出した予反応時期が設定値よりも遅角している場合には２回目の燃料噴射時期を補正量分進角するか燃料噴射量を補正量分増量し、予反応時期が設定値よりも進角している場合には２回目の燃料噴射時期を補正量分遅角するか或いは燃料噴射量を補正量分減量するようにしたので、筒内状態のサイクルバラツキにより予反応の進展にバラツキが発生した場合においても、圧縮上死点付近の燃料噴射時期を制御することによって、燃焼時期補正する所定量を大きくすることとしたため、高負荷運転を狙って、燃焼時期を圧縮上死点から十分に遅角することが可能となり、高負荷運転領域において圧縮自己着火運転すなわち高効率、クリーンな運転が可能となり、燃費、エミッションが改善できる。
【００２３】
請求項５記載の本発明によれば、請求項４記載の発明の効果に加えて、運転条件に応じて目標燃焼時期を算出する目標燃焼時期算出手段を備え、算出された目標燃焼時期が圧縮上死点から遅角している程、前記圧縮上死点付近の燃料噴射時期または燃料噴射量を補正する補正量を大きくするようにしたので、目標燃焼時期に応じて補正量が変更できるようになり、より正確な燃焼時期制御を行うことができるという効果がある。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置をガソリンエンジンに適用した第１の実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【００２５】
本実施形態においては、運転条件に応じて圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼とを切換可能となっている。さらに圧縮自己着火燃焼時においては、燃料を２回に分けて噴射し、筒内圧力を検出することにより１回目に噴射した燃料の予反応時期を検出し、この検出された予反応時期に応じて２回目の燃料噴射時期を補正することによって、燃焼時期を遅角した高負荷運転時においても燃焼を安定させることが特徴である。
【００２６】
図中のエンジン本体１０は、吸気ポート１１、排気ポート１２、ピストン１３、吸気バルブ１４、排気バルブ１５、燃料噴射装置１６、点火プラグ１７、筒内圧力センサ１８、クランク角センサ１９を備えている。
【００２７】
このエンジン本体１０を制御する電子制御装置（以下、ＥＣＵと略す）１は、運転条件に応じて圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼のいずれかの燃焼方式で運転を行うかを判定する燃焼パターン判定部２と、火花点火燃焼運転時の燃焼パラメータを制御する火花点火燃焼制御部３と、圧縮自己着火燃焼運転時の燃焼制御パラメータを制御する自己着火燃焼制御部４と、圧縮自己着火燃焼運転時に燃焼の予反応を検出する予反応検出部５と、予反応検出部５が検出した予反応時期に応じて燃料噴射量または燃料噴射時期を制御する燃料噴射制御部６とを備えている。
【００２８】
尚、ＥＣＵ１の構成要素は、燃焼パターン判定部２、火花点火燃焼制御部３、自己着火燃焼制御部４、予反応検出部５、燃料噴射制御部６はハードワイヤードの論理回路で構成することもできるが、本実施形態では、マイクロコンピュータのプログラムとして実現されている。
【００２９】
またＥＣＵ１は、クランク角センサ１９が検出したエンジン回転信号、及びアクセル開度センサ（図示せず）が検出したアクセル開度信号（負荷）に基づいて、運転条件を判定し、燃料噴射量、点火時期を算出する。そして、この算出結果に基づき、燃料噴射装置１６、点火プラグ１７に信号を送る。
【００３０】
このような構成のもと、本発明では、図２に示すような、中低負荷及び中回転数以下の特定の運転条件において圧縮自己着火燃焼を行い、高負荷または高回転数域においては火花点火燃焼を行う。
【００３１】
次に、本実施形態の動作について説明する。
図３は、空燃比に対する自己着火燃焼が成立する範囲を示すものである。空燃比をリーンにしていくと燃焼安定度が悪化し、機関のトルク変動が大きくなる。このため、内燃機関として設計値、またはこの内燃機関を搭載し車両の性格等として許容できる安定度限界が安定度限界値Ｓｔｈとなる空燃比ＡＦＬがリーン限界となる。
【００３２】
一方、空燃比をリッチにしていくと、ノッキング強度が増大する。これによりノッキング限界Ｎｔｈにおける空燃比ＡＦＲがリッチ限界となる。従って、安定度限界ＡＦＬとノッキング限界空燃比ＡＦＲで囲まれる空燃比領域が自己着火燃焼成立範囲となる。このように、自己着火は限られた空燃比範囲でしか成立しない。尚、ここではガスと燃料の割合を示す指標として空燃比Ａ／Ｆを例に説明した。残留ガスあるいはＥＧＲガスが含まれる場合についても同様の傾向を示し、この際には横軸は新気と既燃ガスを合わせたトータルのガス量と燃料量割合Ｇ／Ｆとなる。
【００３３】
従って、図４に従来技術における圧縮自己着火燃焼運転範囲を示す。図からわかるように従来技術においては、圧縮自己着火燃焼運転範囲はきわめて狭い範囲に留まっている。
【００３４】
図５に燃焼時期を変化させた場合の筒内圧力及び熱発生の燃焼波形を示す。実線の波形は圧縮上死点直後の燃焼時期による波形であり、破線の波形は燃焼時期を圧縮上死点から遅角した波形である。燃焼時期を遅角すると、筒内圧力の変化は緩やかになる。これはピストン下降時に燃焼が行われるため、燃焼室容積の増大が燃焼温度による圧力上昇の一部を打消し、圧力変化が抑制されるためである。
【００３５】
図６に燃焼時期を変化させた場合のクランク角当たりの筒内圧力変化率の最大値〔ｄＰ／ｄθ〕maxと熱効率とを示す。ノッキングの発生し易さの尺度となる筒内圧力変化率の最大値は、燃焼時期が圧縮上死点直前で最大となり、燃焼時期を圧縮上死点から遅角するにつれて前記最大値〔ｄＰ／ｄθ〕maxが低減する。また熱効率は燃焼時期を圧縮上死点から遅角すると悪化していくものの、遅角量が少ない場合には悪化の程度や極めて緩やかである。
【００３６】
これは、等容度の低下により時間損失が増加するものの、燃焼圧力及び温度が低下し、冷却損失が低下するためである。すなわち、時間損失と冷却損失が相殺するため、燃焼時期を遅角しても熱効率が悪化しない。従って、ノッキングの原因となる前記筒内圧力変化率の最大値〔ｄＰ／ｄθ〕maxを低下して、圧縮自己着火燃焼の運転範囲を高負荷側に拡大するためには、熱効率が低下しない程度に燃焼時期を遅角することが有利である。
【００３７】
前述したように、筒内の温度は残留ＥＧＲガスの影響を受けるために、燃焼サイクル毎に僅に異なっている。図７には筒内温度が変化した場合の燃焼波形を示している。図７（ａ）に示すように、燃焼時期が圧縮上死点付近にある場合には筒内温度にサイクルバラツキが発生した場合においても燃焼波形は安定している。
【００３８】
これに対して、図７（ｂ）に示すように、燃焼時期を遅角した場合には、筒内温度にサイクルバラツキが発生した場合に燃焼波形が大きく変化してしまう。これは燃焼時期を遅角すると安定度が悪化することを示している。すなわち、燃焼時期を遅角するためには、筒内温度等のサイクルバラツキに対するロバスト性（頑健性）を向上する必要がある。
【００３９】
第１の実施形態では燃料は２回に分けて噴射している。燃料を２回に分けて噴射することによって、燃料が一度に燃焼を開始し、急激な燃焼となり、ノッキングが発生するのを防止している。１回目の燃料噴射時期は圧縮上死点よりも十分進角している。２回目の燃料噴射時期は圧縮上死点付近としており、この２回目の燃料噴射量または燃料噴射時期を制御することによって、着火時期を制御している。
【００４０】
ガソリンの燃焼は低温酸化反応であるため、中間生成物ができる予反応を経過した後、最終的な酸化反応である熱炎に至る。筒内に噴射された燃料は酸素と混合して、前記反応を進行していく。この時に、予反応の進展度を見ると、自己着火燃焼の開始時期を予測できる。すなわち、１回目に噴射された燃料の予反応の時期を検出して、その結果に応じて２回目の燃料噴射時期を補正することによって、筒内温度等のバラツキに対するロバスト性を向上できる。
【００４１】
図８は、本実施形態における燃料噴射時期の制御方法を示すものであり、燃料噴射パルス信号と熱発生とを同じ時間軸で示したものである。図中実線Ａは、通常の燃料噴射パルス信号及び通常の熱発生を示す。破線Ｂは、本発明による制御を行わない場合に、何等かの理由で筒内温度が低下した場合の燃料噴射パルス及び熱発生を示す。一点鎖線Ｃは、本実施形態のＥＣＵの制御下での筒内温度低下時の燃料噴射パルス及び熱発生を示す。
【００４２】
いずれの場合でも１回目に噴射された燃料が予反応が開始すると予反応による発熱のために筒内圧力が上昇する。この筒内圧力変化を筒内圧力センサ１８により検出する。この筒内圧力センサ信号の変化から予反応検出部５が予反応時期を検出し、検出した予反応時期と目標予反応時期とを比較することによって、予想燃焼時期が目標燃焼時期よりどの程度進角しているか遅角しているかが判定できる。この判定により、予想燃焼時期が進角していれば第２回の燃料噴射時期を遅角し、予想燃焼時期が遅角していれば２回目の燃料噴射時期を進角するように、燃料噴射制御部６が制御する。これにより、図８の一点鎖線Ｃに示すように燃焼時期を目標通りに制御することができる。
【００４３】
尚、燃料噴射制御部６の制御として、２回目の燃料噴射時期の進角に代えて２回目の燃料噴射量の増量、または２回目の燃料噴射時期の遅角に代えて２回目の燃料噴射量の減量を行っても目標通りの燃焼時期に制御することができるが、若干の燃費悪化やトルク変動を伴う欠点がある。
【００４４】
次に、図９のフローチャートを参照して本実施形態の制御の流れを詳細に説明する。まず図９の概略的な動作を説明する。運転条件を判定して火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼に分岐する。圧縮自己着火燃焼の運転領域では、１回目の燃料噴射後に筒内圧力を検出し、この筒内圧力の変化に基づいて１回目に噴射された燃料の予反応時期を判断する。そして所定時期に比べて予反応時期が進角していれば、２回目の噴射時期を遅角し、予反応時期が遅角していれば、２回目の噴射時期を進角する。これにより最適な圧縮自己着火時期が得られる。
【００４５】
図９において、まずステップ１０（以下、ステップをＳと略す）で、アクセル開度信号、クランク角信号を検出し、Ｓ１１でエンジン回転数、負荷を算出する。次いで、Ｓ１２でエンジン回転数と負荷から予め記憶した図２のようなマップを参照して燃焼状態を判断する。
【００４６】
燃焼状態が火花点火燃焼と判断した場合にはＳ１３に進み、火花点火燃焼の制御を開始する。自己着火燃焼と判断した場合には、Ｓ１４へ進み圧縮自己着火燃焼の制御を開始する。次いで、Ｓ１５で圧縮上死点から進角した時期に一回目の燃料噴射を行う。次いで、Ｓ１６で筒内圧力センサ（図１の符号１８）で筒内圧力を検出する。Ｓ１７で予反応検出部５が筒内圧力に基づいて熱発生量を算出し、予反応時期ＣＴを算出する。次いでＳ１８で図１０のマップから２回目の燃料噴射時期ＩＴ２を呼び込む。
【００４７】
次いでＳ１９で予反応時期の妥当性を判断する。すなわち、図１１に示すようなマップを検索して得られる目標予反応時期ＣＴＡと、算出された予反応時期ＣＴとを比較して、ＣＴがＣＴＡに対して進角しているか、ほぼ等しいか、遅角しているかを判定し、この判定結果により２回目の燃料噴射時期を補正する。
【００４８】
例えば、予反応時期ＣＴが目標予反応時期ＣＴＡ−α（例えばα＝１）よりも小さい場合には、予反応時期が進角しているので、Ｓ２０へ分岐し、２回目の燃料噴射時期ＩＴ２をＩＴ２＋βと遅角する。
【００４９】
予反応時期ＣＴが目標予反応時期ＣＴＡ＋α（例えばα＝１）よりも大きい場合には、予反応時期が遅角しているので、Ｓ２１へ分岐し、２回目の燃料噴射時期ＩＴ２をＩＴ２−βと進角している。ＣＴＡ−α≦ＣＴ≦ＣＴＡ＋αの場合には、２回目噴射時期の調整は行わずＳ２２へ移る。そして、Ｓ２２で２回目の燃料噴射を補正した時期に行う。
【００５０】
図１０は、エンジン回転数及び負荷による標準の２回目燃料噴射時期ＩＴ２のマップである。エンジン回転数が高くなるに従って、２回目に噴射された燃料の気化や改質のための相対時間が短くなるので噴射時期を進角する。負荷が小さくなるに従って燃料噴射量が少なくなり着火困難となるので、噴射時期を進角している。
【００５１】
図１１は、目標予反応時期ＣＴＡのマップである。エンジン回転数が高くなるに従って、燃焼の化学反応のための相対時間が短くなるので目標予反応時期を進角している。負荷が小さくなるに従って燃料噴射量が少なくなり着火困難となるので、目標予反応時期を進角している。
【００５２】
図１２は、運転条件による本実施形態の圧縮自己着火燃焼範囲と従来の圧縮自己着火燃焼範囲を示す。図からわかるように、従来例に比べて、本実施形態では圧縮自己着火燃焼の範囲を高負荷側に大幅に拡大できている。
【００５３】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図１３は、本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置の第２の実施形態の構成を示すシステム構成図である。第２の実施形態の構成は、図１に示した第１の実施形態の構成とほぼ同様であるが、第１の実施形態に対して、吸気弁１４及び排気弁１５のバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構２０を追加していることが異なる。
【００５４】
第２の実施形態は、可変バルブタイミング機構２０により、火花点火燃焼用のバルブタイミングと圧縮自己着火燃焼用のバルブタイミングとを運転中に切り換え可能であり、圧縮自己着火燃焼中の１回目の燃料噴射を排気行程中に吸排気バルブが共に閉じている密閉時期の行うことを特徴とする。
【００５５】
図１４（ａ）は火花点火燃焼時のバルブタイミング及びバルブリフト、図１４（ｂ）は圧縮自己着火燃焼時の燃料噴射パルス信号、図１４（ｃ）は圧縮自己着火燃焼時のバルブタイミング及びバルブリフトをそれぞれ示している。
【００５６】
圧縮自己着火燃焼時には、排気行程途中で排気行程上死点より早い時期に排気弁を閉じている。また吸気弁が開く時期は上死点から十分に遅角しているため、吸気弁が開く以前に吸排気バルブが共に閉じている密閉時期が存在する。１回目の燃料噴射は前記吸排気バルブが共に閉じている密閉時期に行い、２回目の燃料噴射は圧縮上死点付近で行う。
【００５７】
排気弁が上死点よりも早い時期に閉じるため、筒内には排気されなかった燃焼後のガスが密閉され圧縮される。もともと高温であった燃焼後のガスはこの圧縮により更に高温になる。このような高温高圧の雰囲気の筒内に燃料を噴射すると、燃料の改質が進む。その結果、燃料の着火性が改善して、予反応時期が進角する。
【００５８】
図１５に第１実施形態の熱発生時期Ａ（実線表示）と第２実施形態の熱発生時期Ｂ（破線表示）を示す。本実施形態では１回目に噴射された燃料の改質が第１実施形態より進んでいるため、予反応の発生時期が進角している。また、１回目に噴射された燃料が改質しており、着火性が向上しているため、２回目の燃料噴射時期も遅角される。
【００５９】
従って、予反応の検出時期から２回目の燃料噴射時期迄時間があり、第１実施形態に比べてＥＣＵ１での演算時間を長くとることができる。その結果、予反応時期の判断及び２回目の燃料噴射時期の制御が精度良く行うことができる。
【００６０】
また、１回目に噴射された燃料が改質しているため、未燃ＨＣも低減することができる。
本第２実施形態の制御の流れは、第１の実施形態の制御フロー図９と同じである。
【００６１】
次に、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態の構成は、図１に示した第１の実施形態の構成と同様である。
第３の実施形態は、１サイクル中の燃料噴射を１回として、圧縮上死点付近に行う。また燃料噴射時期の補正は、圧縮上死点付近までの筒内圧力及び温度履歴に基づいて行うことを特徴とする。
【００６２】
第３実施形態では、燃料を一度に噴射するため、燃焼が急激になり易い傾向を示す。従って、燃焼時期を更に遅角する必要があり燃焼時期を精度良く制御する必要がある。一方、１サイクル当たりの燃料噴射は１回としているため、噴射される燃料の算出は容易であり、空燃比の制御は精度を高く保つことができる。
【００６３】
図１６に第１実施形態の熱発生時期Ａ（実線表示）と第３実施形態の熱発生時期Ｂ（破線表示）との比較を示す。第３実施形態では、圧縮上死点付近で燃料噴射が行われるまで、筒内に燃料がないため、予反応は起こらない。従って、第１実施形態のように予反応時期から圧縮上死点付近の燃料噴射時期を補正することはできない。このため、第３実施形態では、あるサンプリング間隔で筒内圧力センサ１８が検出した筒内圧力に基づいて筒内温度を求め、筒内圧力及び筒内温度に基づいて着火時期を予測し、この予測された着火時期に応じて圧縮上死点付近の燃料噴射時期を補正することに特徴がある。
【００６４】
図１７は、定容器における温度、圧力に対するガソリン混合気の着火遅れ時間τの逆数１／τを示す。着火遅れ時間の逆数１／τが大きい程燃料が着火し易いことを示している。
【００６５】
また図１７中には、圧縮行程中における温度及び圧力の履歴の例を示している。定容器における着火遅れ時間の逆数１／τを利用して、連続的に圧力及び温度が変化する圧縮自己着火の着火時期を予測することができる。これは、各サイクルの筒内の温度及び圧力の履歴に従って、１／τを積算して∫１／τｄｔ（＝ＢＰ、以下着火指数と呼ぶ）を求めることにより達成される。
【００６６】
即ち圧縮開始直後から、あるサンプリング間隔（ΔＴ）で筒内圧力を検出し、この圧力に応じた温度を算出し、これら圧力及び温度から図１７のマップを検索して１／τを求める。そして、ＢＰ＝∫１／τｄｔ、実際にはΣ〔（１／τ）×ΔＴ〕が着火レベル（≒１のある値）に達したときを着火時期と判定できる。
【００６７】
図１８は、各クランク角におけるＢＰ＝∫１／τｄｔと、熱発生を示す。Ａの通常の燃料噴射時期ＩＴに対して、筒内温度が低下したＢではＢＰの値が低くなっている。従って、この状態で通常のＩＴで燃料噴射を行うと着火時期が遅角して燃焼が不安定になる。
【００６８】
これに対して、ＢＰの値を燃料噴射時期以前の或る判定時期において所定の判定レベルに達しているか否かを判断して、判定レベルに達していない場合、圧縮行程中の噴射時期ＩＴを進角した場合をＣに示す。筒内温度が低下して、着火までの反応時間が長くなった分を考慮して、燃料噴射時期ＩＴを補正量βだけ進角することによって、目標とする時期に圧縮着火燃焼するように制御することができる。
【００６９】
次に、図１９のフローチャートを参照して、第３実施形態の制御の流れを説明する。制御の概略的な流れは第１実施形態のフローチャートである図９と同様である。第１実施形態と異なる点は、Ｓ３５以下の着火時期予測のための着火指数ＢＰの算出と、その判断結果により圧縮行程中の噴射時期を進角、保持、遅角する点である。
【００７０】
Ｓ３５で筒内圧力センサにより筒内圧力Ｐを検出する。Ｓ３６で後述するように、筒内圧力Ｐから筒内温度Ｔを算出する。次いで、Ｓ３７で筒内圧力Ｐ及び筒内温度Ｔから、例えば図１７の様なマップを検索して着火遅れ時間τの逆数１／τを求める。Ｓ３８で着火指数ＢＰ＝∫１／τｄｔを算出する。Ｓ３９で着火指数の判断時期か否かを判断し、まだ判断時期でなければ、Ｓ３５に戻って着火指数ＢＰの積算を続ける。
【００７１】
判断時期であれば、Ｓ４０で設定の燃料噴射時期ＩＴを呼び込む。Ｓ４１で着火指数ＢＰ＝∫１／τｄｔの値とその目標値γとのずれを判断する。ＢＰが下限値（γ−０．０１）より小さい場合には、着火時期が遅れると予測し、Ｓ４２で燃料噴射時期を進角する。
【００７２】
ＢＰが上限値（γ＋０．０１）より大きい場合には、着火時期が進角すると予測し、Ｓ４３で燃料噴射時期を遅角する。ＢＰの値のずれが目標値γから限度内（γ−０．０１≦ＢＰ≦γ＋０．０１）であれば、燃料噴射時期の設定変更は行わない。そしてＳ４４で圧縮行程中の燃料噴射を行う。
【００７３】
ここで、Ｓ３６における筒内圧力Ｐから筒内温度Ｔを算出する方法について説明する。この算出方法は、燃焼解析と呼ばれる方法であり、以下の３式の連立微分方程式を解くことによって筒内温度を算出する。
【００７４】
【数１】
熱力学の第１法則    ｄＱ＝ｄＵ＋ｄＷ          …（１）
状態方程式          ＰＶ＝ｍＲＴ              …（２）
内部エネルギ式      ｄＵ＝ｄ（ｍ・Ｃｖ・Ｔ）  …（３）
ここで、Ｑ：投入熱量、Ｕ：内部エネルギ、Ｗ：仕事、Ｐ：筒内圧力、Ｖ：容積、ｍ：モル数、Ｒ：ガス定数、Ｔ：筒内温度、Ｃｖ：定容比熱である。
【００７５】
以上の３式を解くことによって、各クランク角毎のポリトロープ指数が求まり、精度よく筒内温度を予測することができる。この解法は燃焼解析と呼ばれ、当業者にとって公知であり、紙幅も要するので詳細は省略する。
【００７６】
また筒内温度Ｔをポリトロープ変化に基づいて求めることもできるが、初期温度Ｔ０を得るための吸気温度センサが必要となり、またサイクル中常に一定のポリトロープ指数ｎを仮定しているため、精度は若干低下する。以下に、ポリトロープ変化による温度算出式を示す。
【００７７】
【数２】
Ｔ＝Ｔ０×（Ｖ０／Ｖ）＾（ｎ−１）            …（４）
ここで、Ｔ：筒内温度、Ｖ：容積、Ｔ０：初期温度、Ｖ０：初期容積、ｎ：ポリトロープ指数である。
【００７８】
次に、第４の実施形態について説明する。第４の実施形態の構成は第１の実施形態の構成を示す図１と同じである。
第４の実施形態は予反応時期が変化した場合の、圧縮上死点付近の燃料噴射時期の補正量を目標燃焼時期に応じて変えることを特徴とする。このため、本実施形態においては、燃料噴射制御部６の内部に、図２０に示すような運転条件に応じた目標燃焼時期ＢＴＡのマップと、図２１に示すような燃焼時期に応じた燃料噴射時期の補正量βマップを備えている。
【００７９】
前述したように、筒内温度のサイクルバラツキに対する燃焼のロバスト性は燃焼時期によって変化する。燃焼時期が圧縮上死点から遅角する程、燃焼のロバスト性が低下する。従って、燃焼時期が遅角した場合には、予反応時期が変化した場合の、圧縮上死点付近の燃料噴射時期の補正量を大きくする。その結果、燃焼時期に因らず、燃焼のロバスト性を向上することができる。
【００８０】
次に、図２２のフローチャートを参照して、第４実施形態の制御の流れを説明する。制御の概略的な流れは第１実施形態のフローチャートである図９と同様である。
【００８１】
第１実施形態と異なる所のみ説明する。Ｓ５９で目標燃焼時期ＢＴＡを例えば図２０の様なマップから呼び込む。Ｓ６０で予反応時期ＣＴを判断し、予反応時期が進角していれば（ＣＴ＜ＣＴＡ−α）、Ｓ６１で補正量βを目標燃焼時期ＢＴＡから求め、Ｓ６２で２回目燃料噴射時期ＩＴ２を補正量βだけ遅角する。予反応時期が遅角していれば（ＣＴ＞ＣＴＡ＋α）、Ｓ６３で補正量βを目標燃焼時期ＢＴＡから求め、Ｓ６４で２回目燃料噴射時期ＩＴ２を補正量βだけ進角する。ＣＴＡ−α≦ＣＴ≦ＣＴＡ＋αの場合には、２回目噴射時期の調整は行わずＳ６５へ移る。そして、Ｓ６５で２回目の燃料噴射を補正した時期に行う。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置の第１の実施形態の構成図である。
【図２】運転条件に対する燃焼パターンを説明する図である。
【図３】自己着火成立範囲を説明する図である。
【図４】従来技術の圧縮自己着火燃焼運転範囲を説明する図である。
【図５】燃焼時期に対する燃焼波形を説明する図である。
【図６】燃焼時期に対する筒内圧力上昇率の最大値〔ｄＰ／ｄθmax〕及び熱効率を説明する図である。
【図７】燃焼時期に対する燃焼のロバスト性を説明する図である。
【図８】第１実施形態の燃焼安定性を説明する図である。
【図９】第１実施形態の制御フローチャート図である。
【図１０】エンジン回転数及び負荷に対する２回目の燃料噴射時期（ＩＴ２）マップである。
【図１１】エンジン回転数及び負荷に対する目標予反応時期（ＣＴＡ）マップである。
【図１２】第１実施形態の圧縮自己着火燃焼運転範囲を説明する図である。
【図１３】第２実施形態の構成図である。
【図１４】第２実施形態のバルブタイミングを説明する図である。
【図１５】第２実施形態の熱発生を説明する図である。
【図１６】第３実施形態の熱発生を説明する図である。
【図１７】温度、圧力に対する着火遅れ時間τの逆数１／τを説明する図である。
【図１８】第３実施形態の燃焼安定性を説明する図である。
【図１９】第３実施形態の制御フローチャート図である。
【図２０】エンジン回転数及び負荷に対する目標燃焼時期を説明する図である。
【図２１】目標燃焼時期に対する燃料噴射時期（ＩＴ）の補正量βを説明する図である。
【図２２】第４実施形態の制御フローチャート図である。
【符号の説明】
１  ＥＣＵ
２  燃焼パターン判定部
３  火花点火燃焼制御部
４  自己着火燃焼制御部
５  予反応検出部
６  燃料噴射制御部
１０  エンジン本体
１１  吸気ポート
１２  排気ポート
１３  ピストン
１４  吸気バルブ
１５  排気バルブ
１６  燃料噴射装置
１７  点火プラグ
１８  筒内圧力センサ
１９  クランク角センサ
２０  可変バルブタイミング機構
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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