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JP2001152853A - 予混合圧縮着火内燃機関の制御装置 - Google Patents

予混合圧縮着火内燃機関の制御装置

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Publication number
JP2001152853A
JP2001152853A JP33822299A JP33822299A JP2001152853A JP 2001152853 A JP2001152853 A JP 2001152853A JP 33822299 A JP33822299 A JP 33822299A JP 33822299 A JP33822299 A JP 33822299A JP 2001152853 A JP2001152853 A JP 2001152853A
Authority
JP
Japan
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combustion
engine
fuel injection
premixed
concentration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP33822299A
Other languages
English (en)
Inventor
Yasuhiko Otsubo
康彦 大坪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP33822299A priority Critical patent/JP2001152853A/ja
Publication of JP2001152853A publication Critical patent/JP2001152853A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 予混合圧縮着火機関の過早着火を防止する。 【解決手段】 機関１の各気筒内に吸気行程または圧縮
行程に燃料を噴射し、予混合気を形成するとともに、圧
縮により着火、燃焼させる。予混合気の燃焼速度が過大
になると過早着火が生じ、振動増大、ＮＯX 排出量増大
が生じる。電子制御装置（ＥＣＵ）３０は、排気通路３
に配置したＮＯX センサ７１で検出した実際の排気ＮＯ
X 濃度が、予め記憶した適正な予混合燃焼時の目標ＮＯ
X 濃度になるように機関のＥＧＲ弁２３開度を制御す
る。このように、実際の排気ＮＯX 濃度に応じてＥＧＲ
量を調節することにより予混合気の燃焼速度が適正な範
囲に制御され、過早着火の発生が防止される。

Description

【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
燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般的なディーゼル機関等の圧縮着火内
燃機関では、燃焼室内で拡散燃焼主体の燃焼が行われて
いる。すなわち、拡散燃焼を行うディーゼル機関では燃
料はピストンが圧縮上死点付近にあり高温になった気筒
内に噴射される。噴射された燃料は微細な液滴を形成
し、高温の空気中で液滴表面から蒸発し液滴周囲に可燃
混合気を形成するとともに、周囲温度が着火温度以上に
なると着火して火炎を形成する。液滴周囲の混合気層に
着火が生じると液滴からの燃料蒸発が促進され、液滴周
囲の火炎が維持されるようになる。このように、拡散燃
焼では火炎面を挟んで一方に燃料、他方に空気が分離し
て存在し、これらの境界面に火炎が形成されるようにな
る。
【０００３】ところが、拡散燃焼では液滴周囲に形成さ
れる可燃混合気層は液滴側が最も空燃比か低く外側に向
かうにつれて空燃比が高くなる連続的な空燃比勾配を有
しており、混合気の燃焼時に必ずＮＯX が生成しやすい
空燃比での燃焼が生じるため、比較的燃焼により発生す
るＮＯX 量が多くなる。また、拡散燃焼は燃料噴射弁か
ら噴射された燃料の周囲に火炎が生じるため、燃焼室内
に局所的に大きな火炎面が形成されるようになり、燃焼
温度が高くなり更にＮＯX の生成が促進されてしまう問
題がある。更に、拡散燃焼では、液状の燃料と空気とが
火炎面を境界として分離されることになるため、液状燃
料が酸素が不足した状態で加熱され、一種の「蒸し焼
き」状態となりカーボン粒子を主成分とする排気スモー
クを発生しやすくなる問題がある。
【０００４】これらの拡散燃焼の問題を解決するため
に、圧縮着火内燃機関においても予混合燃焼を行うよう
にした予混合圧縮着火内燃機関が提案されている。予混
合圧縮着火機関では、燃料は気筒内に吸気工程または圧
縮行程中に噴射され、気筒内の空気と混合して均一な混
合気を形成する。この均一混合気はピストンの上昇とと
もに圧縮され温度が上昇し、圧縮行程上死点付近で混合
気全体に着火が生じ燃焼が進行するようになる。このよ
うに、予混合燃焼では気筒内混合気の全体にわたって火
炎が生じるが、微視的にみるとこの火炎は微細な火炎粒
が気筒内全体に分散し、個々の火炎粒の周囲を空気が囲
んだ形になっている。このため、予混合燃焼では火炎温
度は拡散燃焼に較べて低くなりＮＯX の生成が抑制され
る。また、予混合燃焼では燃料は空気と均一に混合した
状態で充分な量の酸素の存在下で燃焼するため、酸素の
不足によるスモークの発生が生じにくい。
【０００５】このような予混合圧縮着火内燃機関の例と
しては、例えば特開平１０−３３１６９０号公報に記載
されたものがある。同公報ではディーゼル機関の吸気行
程中または圧縮行程中に燃料噴射弁から微細な燃料を噴
射して気筒内に予混合気を形成し、圧縮行程上死点近傍
でこの予混合気に着火が生じるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところが、圧縮着火機
関で予混合燃焼を行うようにした場合には、気筒内混合
気の燃焼速度によっては、過早着火や失火が生じる問題
がある。例えば、理想的な予混合燃焼では吸気または圧
縮行程に噴射された燃料により形成された気筒内混合気
が圧縮行程上死点前に着火して、比較的緩やかに燃焼を
続け気筒内圧力が上死点直後付近で最大圧力に到達する
ことが好ましい。ところが、気筒内混合気の燃焼速度が
予混合燃焼に適切な範囲より大きいと、上死点前に着火
した混合気は一挙に燃焼してしまい、上死点到達前に急
激に気筒内圧力が上昇するようになる。このように、上
死点到達前に急激な圧力上昇が生じるとガソリンエンジ
ンのノックと同様に機関には大きな振動や騒音が生じ
る、いわゆる過早着火が発生する。一方、気筒内混合気
の燃焼速度が適切な範囲より小さくなると過早着火は生
じないものの、上死点後に混合気の燃焼が完了する前に
ピストンの下降により気筒内温度が低下するようになり
混合気の燃焼状態が悪化し、ついには失火を生じる問題
がある。
【０００７】上記特開平１０−３３１６９０号公報の機
関では、予混合燃焼を生じさせるために吸気行程または
圧縮行程中に微細化した燃料を噴射するようにしている
が、混合気の燃焼速度を制御することはできない。一般
に圧縮着火機関で予混合燃焼が成立する燃焼速度範囲は
過早着火が生じる燃焼速度に極めて近い狭い範囲となっ
ている。また、予混合燃焼時の機関の振動や騒音は燃焼
速度の増大につれて徐々に増大するのではなく、燃焼速
度がある程度以上になると突然過早着火が生じ振動と騒
音とが急激に増大する。このため、たとえ機関の振動や
騒音を監視していても過早着火の発生の有無を予測する
ことはできず、過早着火の発生を有効に防止することは
困難である。従って、同公報では機関低負荷運転時には
上記の予混合燃焼を行うものの、気筒内温度が高くなり
混合気燃焼速度が増大して過早着火が生じやすくなる中
高負荷運転では予混合燃焼をおこなわず、通常のディー
ゼル機関と同じ拡散燃焼に運転を切り換えるようにして
いる。このため、同公報の機関では予混合燃焼を行う機
関運転領域が狭くなり、機関のＮＯX やスモークの排出
量を充分に低減することができない問題がある。
【０００８】本発明は上記従来技術の問題に鑑み、混合
気燃焼速度を適切な範囲に制御することにより過早着火
の発生等の問題を解決し、広い運転範囲で予混合燃焼を
行うことにより、排気スモークの発生やＮＯX の排出量
の増大を抑制することが可能な予混合燃焼圧縮着火内燃
機関を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、燃料噴射弁から燃焼室内に燃料を噴射して燃焼
室内に燃料と空気の予混合気を形成し、該予混合気を圧
縮により着火させる予混合圧縮着火内燃機関の制御装置
であって、前記予混合圧縮着火内燃機関は、燃焼室内予
混合気の燃焼速度が適切な範囲にある場合には燃焼によ
るＮＯX 発生量が減少し、燃焼室内予混合気の燃焼速度
が前記適切な範囲より大きくなるにつれてＮＯX 発生量
が増大するとともに燃焼振動が増大しノックが発生する
ようになり、予混合気燃焼速度が前記適切な範囲より小
さくなるにつれてＮＯX が更に減少するとともに燃焼状
態が悪化して失火が生じるようになり、前記制御装置
は、前記機関の排気通路に配置され排気中のＮＯX を検
出するＮＯX センサと、燃焼室内予混合気の燃焼速度を
変化させる燃焼制御手段と、前記機関が適切な予混合気
燃焼速度で運転されているときの排気中のＮＯX 濃度で
ある適正ＮＯX 濃度を記憶する記憶手段と、を備えると
ともに、前記ＮＯX センサで検出した排気中のＮＯX 濃
度が前記記憶した適正ＮＯX 濃度に一致するように前記
燃焼制御手段を制御することにより、予混合気燃焼速度
が前記適切な範囲内になるように制御する予混合圧縮着
火内燃機関の制御装置が提供される。
【００１０】すなわち、請求項１の発明では排気中のＮ
ＯX 濃度を検出することにより混合気燃焼速度を制御す
る。混合気燃焼速度が増大するとそれにつれて燃焼時の
火炎温度が上昇するため排気中のＮＯX 濃度は増大する
とともに、ある程度以上に燃焼速度が増大すると混合気
の急激な燃焼が生じ過早着火が発生する。一方、逆に混
合気燃焼速度が低下すると燃焼時の火炎温度は全体とし
て低下するため排気中のＮＯX 濃度は低下し、ある程度
以上に燃焼速度が低下すると燃焼の悪化により失火が生
じるようになる。また、排気中のＮＯX 濃度は、例えば
ＮＯX センサを機関排気通路に配置することなどにより
直接検出可能である。そこで、本発明では燃焼速度と排
気中のＮＯX との相関に着目し、排気中のＮＯX 濃度を
検出し、このＮＯX 濃度に基づいて燃焼速度を増大また
は低下させることにより、過早着火や失火を生じること
なく適正な予混合燃焼を行うようにしている。すなわ
ち、予め適正な予混合燃焼が行われているときの排気Ｎ
ＯX 濃度の範囲を実際の機関を用いた実験等により測定
して記憶手段に記憶しておけば、この適正ＮＯX 濃度範
囲よりも排気中のＮＯX 濃度が高くなった場合には燃焼
速度が増大しており、過早着火が生じやすい状態になっ
ていることが判る。そこで、この場合には燃焼制御手段
は燃焼速度を低下させる操作を行い、ＮＯX 濃度（すな
わち燃焼速度）が適正な範囲になるようにする。また、
同様に排気中のＮＯX 濃度が記憶した適正範囲より低く
なった場合には燃焼速度が低下しており燃焼の悪化や失
火が生じやすい状態になっていることが判る。この場合
には、燃焼制御手段は燃焼速度を増大させる操作を行
い、ＮＯX 濃度が適正な範囲になるようにする。これに
より、混合気燃焼速度は常に適正な予混合燃焼を生じさ
せる範囲に制御され、過早着火や燃焼の悪化が生じるこ
とが防止される。
【００１１】なお、燃焼制御手段は混合気の燃焼速度に
影響を与える条件を変化させることにより燃焼速度を増
減する。燃焼速度に影響を与える条件としては、例えば
機関燃焼室に還流させる排気の量（ＥＧＲガス量）、気
筒内に吸入される吸入空気量（新気の量）、機関の過給
圧、燃料噴射時期、回数、噴射量、圧縮比等がある。
【００１２】請求項２に記載の発明によれば、前記記憶
手段は、機関運転状態に応じた前記適正ＮＯX 濃度を記
憶しており、前記制御装置は更に、機関運転状態を検出
する運転状態手段を備え、前記ＮＯX センサで検出した
排気中のＮＯX 濃度が、運転状態検出手段で検出した運
転状態に対応した適正ＮＯX 濃度になるように前記燃焼
制御手段を制御する、請求項１に記載の予混合圧縮着火
内燃機関の制御装置が提供される。
【００１３】すなわち、請求項２の発明では予め機関運
転状態に応じた適正ＮＯX 濃度が記憶されており、燃焼
制御手段は排気中のＮＯX 濃度が、実際に検出した現在
の機関運転状態に対応する適正ＮＯX 濃度になるように
燃焼制御手段を制御する。適正な予混合燃焼が行われて
いるときの排気ＮＯX 濃度は、例えば機関回転数、燃料
噴射量等の運転状態が変化すればそれに応じて変化す
る。本発明では、各運転状態に応じた適正ＮＯX 濃度を
予め記憶しておき、運転中実際の運転状態に対応した適
正ＮＯX 濃度に基づいて燃焼制御手段を制御するように
しているため、機関負荷等の運転状態が変化した場合に
も常に適正な予混合燃焼が行われる。
【００１４】請求項３に記載の発明によれば、前記燃焼
制御手段は、機関排気の一部を機関燃焼室に還流させる
ＥＧＲ手段を備え、該ＥＧＲ手段により燃焼室に還流す
る排気流量を制御することにより予混合気燃焼速度を制
御する、請求項２に記載の予混合圧縮着火内燃機関の制
御装置が提供される。
【００１５】すなわち、請求項３の発明では、燃焼制御
手段は燃焼室に還流する排気流量（ＥＧＲガス量）を制
御することにより、混合気燃焼速度を制御する。気筒内
混合気の燃焼速度は、気筒内の酸素濃度が低いほど低下
する。一方、ＥＧＲガスは燃焼室で燃焼した後の排気で
あるため酸素濃度が低くなっている。従って、ＥＧＲガ
スを燃焼室に多く供給するほど気筒内混合気の燃焼速度
は低下する。そこで、本発明では燃焼制御手段は、排気
ＮＯX 濃度が適正範囲より増大した場合にはＥＧＲガス
量を増大し、低下した場合にはＥＧＲガス量を低下す
る。これにより、気筒内混合気の燃焼速度は常に適正範
囲に維持されるようになる。
【００１６】請求項４に記載の発明によれば、前記燃焼
制御手段は、機関吸入空気量を変化させる吸気絞り手段
を備え、該吸気絞り手段により機関吸入空気量を変化さ
せることにより予混合気燃焼速度を制御する、請求項２
に記載の予混合圧縮着火内燃機関の制御装置が提供され
る。
【００１７】すなわち、請求項４の発明では、燃焼制御
手段は吸気絞り手段を用いて機関吸入空気量（新気の
量）を変化させることにより燃焼室内予混合気の燃焼速
度を制御する。機関に吸入される新気の量が変化すると
気筒内に吸入される酸素の量が変化する。このため、機
関吸入空気量を低下させて燃焼室内酸素濃度を減少させ
ることにより燃焼速度を低下させ、逆に機関吸入空気量
を増大して燃焼室内酸素濃度を増大することにより燃焼
速度を増大することが可能である。このように、機関吸
入空気量を排気ＮＯX 濃度に応じて変化させることによ
り、燃焼室内混合気の燃焼速度は常に適正範囲に維持さ
れるようになる。
【００１８】請求項５に記載の発明によれば、前記燃焼
制御手段は、機関吸気圧力を変化させる過給圧制御手段
を備え、該過給圧制御手段により機関吸気圧力を変化さ
せることにより予混合気燃焼速度を制御する、請求項２
に記載の予混合圧縮着火内燃機関の制御装置が提供され
る。
【００１９】すなわち、請求項５の発明では、燃焼制御
手段は機関吸気圧力を変化させることにより燃焼室内予
混合気の燃焼速度を制御する。例えば、過給機を有する
機関では、過給圧力を変化させることにより機関吸気圧
力を調節することができる。機関吸気圧力が変化する
と、それに応じて圧縮時の燃焼室内圧力も変化する。例
えば、燃焼室内予混合気の燃焼速度は燃焼時の圧力が高
いほど増大する。このため、機関吸気圧力を増大させる
ことにより燃焼速度を増大し、低下させることにより燃
焼速度を低下させることが可能である。このように、機
関吸気圧力を排気ＮＯX 濃度に応じて変化させることに
より、燃焼室内混合気の燃焼速度は常に適正範囲に維持
されるようになる。
【００２０】請求項６に記載の発明によれば、前記燃焼
制御手段は、前記燃料噴射弁からの燃料噴射時期を制御
する燃料噴射制御手段を備え、該燃料噴射制御手段によ
り燃焼室内の燃料噴射時期を変化させることにより予混
合気燃焼速度を制御する、請求項２に記載の予混合圧縮
着火内燃機関の制御装置が提供される。
【００２１】すなわち、請求項６の発明では、燃料噴射
時期を変化させることにより予混合気燃焼速度を変化さ
せる。例えば、燃料噴射時期を早めると燃料が噴射され
てから圧縮行程で気筒内温度が燃料の着火温度まで上昇
するまでの時間が長くなり、噴射された燃料が燃焼室内
に拡散し、燃料が均一に分散した予混合気が形成され
る。一方、燃料噴射時期を遅延させると噴射された燃料
が燃焼室内に拡散する時間が短くなり、燃焼室温度が着
火温度まで上昇したときに予混合気に局所的に高濃度の
燃料を含む部分が存在するようになる。予混合気に着火
が生じると、この高濃度部分では比較的多量の燃料が燃
焼するため火炎温度が高くなり、この高濃度部分の近傍
では圧力が上昇する。この圧力上昇は圧力波として燃焼
室の他の部分に伝播し、周囲の予混合気を断熱圧縮す
る。このため、高濃度部分で着火が生じると、周囲の予
混合気も連鎖的に燃焼を開始するようになる。すなわ
ち、燃焼室内に形成された混合気の濃度が不均一である
と、混合気燃焼速度が速くなる。逆に、混合気が均一に
形成され、局所的な高燃料濃度部分が存在しない場合に
は、上記のような連鎖的な燃焼は発生せず燃料着火後の
燃焼は比較的緩やかになる。このため、燃料噴射時期を
早めて燃焼室内に形成される混合気の濃度が均一になる
ようにするほど、混合気の燃焼速度は低下し、燃料噴射
時期を遅延させて混合気濃度を不均一にするほど燃焼速
度は増大するようになる。本発明では、排気ＮＯX 濃度
に応じて燃料噴射時期を変化させることにより、燃焼室
内混合気の燃焼速度を常に適正範囲に維持するようにし
ている。
【００２２】請求項７に記載の発明によれば、前記燃料
噴射制御手段は、１燃焼サイクル中に複数回の燃料噴射
を行うとともに、それぞれの燃料噴射時期と燃料噴射量
とを制御し、前記燃焼制御手段は、前記燃料噴射制御手
段により各燃料噴射の噴射時期と燃料噴射量とを変化さ
せることにより予混合気燃焼速度を制御する、請求項６
に記載の予混合圧縮着火内燃機関の制御装置が提供され
る。
【００２３】すなわち、請求項７の発明では燃料噴射は
複数回に分割して行うとともに、排気ＮＯX 濃度に応じ
て各燃料噴射の噴射時期と噴射量とが調節される。前述
のように、混合気の燃焼速度は燃料が噴射される時期に
よって変化する。このため、燃料噴射を１燃焼サイクル
中に複数回行い、各燃料噴射の燃料噴射時期と燃料噴射
量とを変化させると、それぞれの燃料噴射が全体として
の混合気燃焼速度に与える影響をより効果的に制御でき
るようになる。
【００２４】請求項８に記載の発明によれば、前記燃焼
制御手段は、気筒圧縮比を変化させる圧縮制御手段を備
え、該圧縮制御手段により気筒圧縮比を変化させること
により予混合気燃焼速度を制御する、請求項２に記載の
予混合圧縮着火内燃機関の制御装置が提供される。
【００２５】すなわち、請求項８の発明では、気筒圧縮
比を変化させることにより予混合気燃焼速度を変化させ
る。気筒圧縮比は、例えば機関バルブタイミングを変更
することにより変化させることができる。気筒圧縮比が
変化すると圧縮行程における気筒内圧力と温度との両方
が変化するようになる。例えば圧縮比が低下すると、燃
焼室内温度と圧力との両方の上昇が遅くなり、予混合気
が燃焼しにくくなるため燃焼速度は低下する。また、圧
縮比を上昇させると燃焼室内温度と圧力とが早く上昇す
るようになり、予混合気の燃焼速度は増大する。従っ
て、気筒圧縮比を排気ＮＯX 濃度に応じて変化させるこ
とにより、燃焼室内混合気の燃焼速度は常に適正範囲に
維持されるようになる。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を用いて本発明の
実施形態について説明する。図１は、本発明を自動車用
ディーゼルに適用した実施形態の概略構成を説明する図
である。図１において、１はディーゼル機関本体、２は
１の吸気通路、２０は吸気通路２に設けられたサージタ
ンク、２１はサージタンク２０と各気筒の吸気ポートと
を接続する吸気枝管である。本実施形態では、吸気通路
２には吸気通路２を流れる吸入空気の流量を絞る吸気絞
り弁２７、および吸気を冷却するインタクーラ２６が設
けられている。吸気絞り弁２７はステッパモータ、バキ
ュームアクチュエータ等の適宜な形式のアクチュエータ
２７ａを備え、後述する電子制御ユニット（ＥＣＵ）３
０からの制御信号に応じた開度をとる。吸気絞り弁２７
は、後述するように機関１の燃焼室内予混合気の燃焼速
度が過大であるときに吸気通路２を流れる機関吸気（新
気）流量を低下させて燃焼速度を適正な範囲に調節する
のに使用することができる。
【００２７】図１に２５で示すのは、吸気通路２の吸気
入口近傍に設けられたエアフローメータである。本実施
形態では、エアフローメータ２５は熱線式流量計等のよ
うに、吸気通路２を流れる吸入空気の重量流量を直接測
定可能な形式のものが使用されている。吸気通路２に流
入した大気は、エアフローメータ２５を通過した後、排
気過給機（ターボチャージャ）３５の圧縮機により昇圧
され、吸気通路２に設けたインタクーラ２６により冷却
された後サージタンク２０、枝管２１を経て各気筒に吸
入される。
【００２８】図１に１１１で示すのは、各気筒内に直接
燃料を噴射する燃料噴射弁である。各燃料噴射弁１１１
は、高圧燃料を貯留する共通の蓄圧室（コモンレール）
１１５に接続されている。機関１の燃料は高圧燃料ポン
プ１１３により昇圧されてコモンレール１１５に供給さ
れ、コモンレール１１５から各燃料噴射弁１１１を介し
て直接各気筒内に噴射される。本実施形態のディーゼル
機関１は、通常のディーゼル機関とは異なり予混合燃焼
を行う。このため、燃料噴射弁１１１は通常のディーゼ
ル機関より早い時期（吸気行程中または圧縮行程中）に
機関１の燃焼室内に燃料を噴射する。
【００２９】図１に３１で示すのは各気筒の排気ポート
と排気通路３とを接続する排気マニホルド、３５で示す
のはターボチャージャである。ターボチャージャ３５は
排気通路３の排気により駆動される排気タービンと、こ
の排気タービンにより駆動される吸気圧縮機とを備えて
いる。また、本実施形態では、排気タービンの排気入口
には可変ノズル３５ａが設けられている。可変ノズル３
５ａは、開口面積を変更可能なノズルであり、例えば排
気流量が低い低負荷時等にノズル開口面積を絞ることに
より排気タービンに流入する排気の流速を増大させるた
めのものである。機関低負荷運転時に可変ノズル３５ａ
を絞ることにより、排気タービンの回転数は高く維持さ
れるため、圧縮機吐出圧力（過給圧）の低下が防止され
る。可変ノズル３５ａは、後述するように機関１の過給
圧を変化させて機関１の予混合気燃焼速度を制御するの
に使用することができる。可変ノズル３５ａは、図示し
ないステッパモータ、バキュームアクチュエータ等のア
クチュエータを備え、ＥＣＵ３０からの制御信号に応じ
た開度をとる。
【００３０】更に、本実施形態では排気の一部を吸気系
に還流させるＥＧＲ装置が設けられている。ＥＧＲ装置
は、排気マニホルド３１と吸気サージタンク２０とを連
通するＥＧＲ通路３３、およびＥＧＲ通路３３上に配置
されたＥＧＲ弁２３、およびＥＧＲ弁２３上流側のＥＧ
Ｒ通路に設けられたＥＧＲクーラ４５を備えている。Ｅ
ＧＲ弁２３は図示しないステッパモータ、バキュームア
クチュエータ等の適宜な形式のアクチュエータを備え、
ＥＣＵ３０からの制御信号に応じた開度をとり、ＥＧＲ
通路３３を通って吸気サージタンク２０に還流するＥＧ
Ｒガス流量を制御する。本実施形態では、低負荷領域か
ら高負荷領域までの広い運転領域で比較的多量のＥＧＲ
ガスを還流させるようにＥＧＲ弁２３が制御される。こ
のため、本実施形態では各気筒に吸入される吸気には比
較的多量のＥＧＲガスが含まれるようになる。ＥＧＲガ
スは気筒から排出された高温の排気であるため、多量の
ＥＧＲガスを吸気に還流させると吸気温度が上昇してし
まい、機関１の吸気体積効率が低下することになる。本
実施形態では、これを防止するために、ＥＧＲ弁２３上
流側のＥＧＲ通路３３には水冷または空冷のＥＧＲクー
ラ４５が設けられている。本実施形態では、ＥＧＲクー
ラ４５を用いて吸気系に還流するＥＧＲガス温度を低下
させることにより、機関１の吸気体積効率を低下させる
ことなく多量のＥＧＲガスを還流させることが可能とな
っている。
【００３１】また、本実施形態では、排気通路３の排気
絞り弁下流側には、三元触媒等の公知の形式の排気浄化
触媒４１および排気中のパティキュレートを捕集するた
めのパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）４３が配置さ
れている。ＤＰＦ４３は、例えば金属メッシュ、セラミ
ック多孔質フィルタからなり、排気中のパティキュレー
トを捕集する。本実施形態では、ＤＰＦ４３としては、
適宜な形式の公知のパティキュレートフィルタを使用可
能である。
【００３２】更に、本実施形態では、ターボチャージャ
３５下流側の排気通路には排気中のＮＯX 濃度を検出す
るＮＯX センサ７１が設けられている。ＮＯX センサ７
１については後に詳述する。また、本実施形態では機関
１には各気筒の吸気弁または排気弁のうち少なくとも一
方の開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング装
置８０が設けられている。可変バルブタイミング措置８
０は、例えば機関１の吸気カムシャフトのクランク軸に
対する回転位相を変化させることによりバルブタイミン
グを変化させる公知の形式のものが用いられている。後
述するように、カムシャフトの回転位相を変化させて吸
気弁の開閉時期を変化させることにより、各気筒の有効
圧縮比を変化させることができる。このため、本実施形
態の可変バルブタイミング装置８０は、各気筒の圧縮比
を変化させて燃焼室内予混合気の燃焼速度を制御するた
めに使用することができる。
【００３３】図１に３０で示すのは、１の電子制御ユニ
ット（ＥＣＵ）である。本実施形態のＥＣＵ３０は、公
知の構成のマイクロコンピュータとして構成され、ＣＰ
Ｕ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入力ポート、出力ポートを双方向
性バスで相互に接続した構成とされている。ＥＣＵ３０
は機関１の燃料噴射制御、回転数制御等の基本制御を行
うほか、本実施形態では後述するＮＯX センサ７１の出
力に応じて燃焼室内の予混合気の燃焼速度を制御する燃
焼制御を行っている。燃焼制御については後に記述す
る。
【００３４】これらの制御を行うため、ＥＣＵ３０の入
力ポートには、機関１のクランク軸近傍に配置された回
転数センサ５５から機関回転数ＮＥに対応する信号が入
力されている他、エアフローメータ２５から機関吸入空
気量Ｇｎに相当する信号が、また、機関アクセルペダル
近傍に配置されたアクセル開度センサ５７から運転者の
アクセルペダル踏み込み量（アクセル開度）ＡＣＣＰに
対応する信号が、それぞれ入力されている。更に、本実
施形態では排気通路のＮＯX センサ７１から排気ＮＯX
濃度に対応する信号がＥＣＵ３０の入力ポートに入力さ
れている。
【００３５】また、ＥＣＵ３０の出力ポートは、図示し
ない燃料噴射回路を介して機関１の燃料噴射弁１１１に
接続され、燃料噴射弁１１１からの燃料噴射量と燃料噴
射時期を制御している。更に、ＥＣＵ３０の出力ポート
は図示しない駆動回路を介してＥＧＲ弁２３、吸気絞り
弁２７およびターボチャージャ３５の可変ノズル３５ａ
のアクチュエータとに接続され、それぞれの弁開度を制
御している。また、ＥＣＵ３０の出力ポートは図示しな
い駆動回路を介して可変バルブタイミング装置８０に接
続され、機関１のバルブタイミングを制御している。
【００３６】図２は、本実施形態のＮＯX センサ７１の
構成を模式的に示す図である。図２において、ＮＯX セ
ンサ７１は、ジルコニア（ＺｒＯ2 ）等の固体電界質３
３１からなり、固体電解質内には、拡散律速部３３５を
介して排気通路に連通する第１反応室３４０、第１反応
室３４０と拡散律速部３３７を介して連通する第２反応
室３５０及び、標準気体としての大気が導入される大気
室３６０を備えている。拡散律速部３３５、３３７はそ
れぞれ第１反応室３４０、第２反応室３５０への酸素成
分の拡散による流入を抑制し、排気通路内の排気と第１
反応室、第１反応室と第２反応室との間の酸素濃度差を
維持可能とするものである。
【００３７】図２に３４１で示すのは第１反応室３４０
内に配置された白金電極（陰極）、３４２で示すのは陰
極３４１と固体電解質３３１を挟んでセンサ７１外部に
設けられた同様な白金電極（陽極）である。また、第２
反応室３５０内には同様な白金電極３５０とＮＯX 検出
用のロジウム（Ｒｈ）電極３５３が、大気室３６０内に
は参照用の白金電極３６１が、それぞれ配置されてい
る。図に３７０で示すのは固体電解質加熱用の電気ヒー
タである。
【００３８】第１反応室３４０の電極３４１と外部電極
３４２、及び第２反応室の電極３５１と外部電極３４２
とは、それぞれ第１反応室３４０と第２反応室３５０内
の排気中の酸素を外部に排出する酸素ポンプとして機能
する。固体電解質３３１が一定の温度以上のときに電極
３４１と３４２、及び電極３５１と３４２との間に電圧
を印加すると陰極３４１、３５１上では排気中の酸素分
子がイオン化され、イオン化した酸素分子が固体電解質
３３１内を陽極３４２に向かって移動して陽極３４２上
で再び酸素分子になる。このため、第１反応室３４０、
第２反応室３５０内の排気中の酸素が外部に排出され
る。また、酸素イオンの移動に伴って、電極３４２と３
４１及び３５１との間には単位時間に移動した酸素分子
の量に比例する電流が流れる。このため、この電流を制
御することにより各反応室から排出される酸素量を制御
することができる。
【００３９】また、本実施形態では大気室３６０の電極
３６１と各反応室内の電極３４１、３５１との間には酸
素電池が形成される。第１と第２反応室内の排気は酸素
濃度が大気に較べて低いため、大気室３６０内の大気と
各反応室内の排気との間には酸素の濃度差が生じてい
る。大気室３６０と各反応室３４０、３５０とを隔てる
固体電解質の温度がある温度以上になると、外部から電
極間に電圧を印加しない状態では酸素濃度差により大気
室３６０内から固体電解質３３１を通って反応室３４
０、３５０に酸素が移動するようになる。すなわち、大
気室３６０内の大気中の酸素分子は電極３６１上でイオ
ン化し、固体電解質３３１内を移動して酸素濃度の低い
反応室３４０、３５０の電極３４１、３５１上で再び酸
素分子になる。このため、電極３６１と各電極３４１、
３５１との間には大気の酸素濃度と各反応室内の酸素濃
度との差に応じた電圧が発生する。大気の酸素濃度は一
定であるため、電極３６１と各電極３４１、３５１との
電位差Ｖ０、Ｖ１（図２）はそれぞれ第１反応室３４０
と第２反応室３５１内の排気の酸素濃度を表すようにな
る。本実施形態では、前述したように、各反応室から酸
素を外部に排出する酸素ポンプ（電極３４１と３４２、
電極３５１と３４２）が備えられており、それぞれの酸
素ポンプの酸素排出速度はそれぞれの電極間のポンプ電
流Ｉｐ０、Ｉｐ１（図２）を調節することにより、各反
応室内の排気の酸素濃度（すなわち、電圧Ｖ０、Ｖ１）
が所定の一定値になるように制御される。本実施形態で
は第１反応室３４０内の酸素濃度は例えば１ｐｐｍ程度
に、また、第２の反応室３５０内の酸素濃度は例えば
０．０１ｐｐｍ程度になるようにポンプ電流Ｉｐ０、Ｉ
ｐ１が制御されている。このため、第２反応室３５０内
は極めて酸素濃度の低い還元雰囲気に維持される。一
方、排気中のＮＯX （ＮＯ、ＮＯ2 ）は酸素ポンプによ
っては外部に排出されないため第１、第２反応室中の排
気のＮＯX 濃度は外部の排気と同一に維持される。とこ
ろが、第２反応室のＮＯX 検出電極３５３はロジウム
（Ｒｈ）であるため還元触媒として機能し、還元雰囲気
下でＮＯX （ＮＯ、ＮＯ 2 ）を還元する。また、大気室
３６０の参照電極３６１とＮＯX 検出用電極３５３との
間には電圧が印加されているため、ＮＯX 検出用電極３
５３上では、ＮＯ→(1 /2)Ｎ2 ＋(1/2) Ｏ2 、またはＮ
Ｏ2 →(1 /2)Ｎ2 ＋Ｏ2 の反応が生じＮＯ X の還元によ
り酸素が発生するようになる。この酸素は、電極３５３
上でイオン化して大気室３６０の参照電極３６１に向か
って固体電解質３３１中を移動し、参照電極３６１上で
酸素分子を形成する。第２反応室３５０内の酸素濃度は
極めて低いため、参照電極３６１に向かって固体電解質
中を流れる酸素イオンはその全量が排気中のＮＯX の還
元により生じたことになる。すなわち、固体電解質中を
単位時間あたりに流れる酸素イオンの量は、第２反応室
内のＮＯX 濃度（排気通路内の排気のＮＯX 濃度）に応
じた量になる。従って、この酸素イオンの移動に伴って
発生する電流値（図２、Ｉｐ２）を計測することにより
排気通路内の排気のＮＯX 濃度を検出することができ
る。本実施形態のＮＯX センサ７１は、上記電流値Ｉｐ
２を電圧信号に変換し、排気中のＮＯX 濃度に応じた電
圧信号を出力するものである。
【００４０】本実施形態では、上記ＮＯX センサ７１で
検出した排気ＮＯX 濃度に基づいて機関１の予混合気燃
焼速度が適切な範囲にあるか否かを判定する。次に、混
合気燃焼速度とＮＯX 発生量との関係について説明す
る。図３は、ディーゼル機関の１燃焼サイクルにおける
筒内圧力変化を示す圧力線図である。図３縦軸は筒内圧
力を、横軸はクランク角を、それぞれ示している。図３
において、カーブＮは燃料噴射を行わなかった場合の筒
内圧力変化を示し、カーブＣは従来の拡散燃焼を行った
場合の筒内圧力変化を示し、カーブＭは予混合燃焼を行
った場合の、カーブＰは予混合燃焼において燃焼速度が
過大になり過早着火が発生した場合の筒内圧力変化をそ
れぞれ示している。
【００４１】燃料噴射を行わない場合の筒内圧力は、単
にピストンの上昇下降にともなう圧縮と膨張であるた
め、筒内圧力変化はカーブＮに示すように圧縮上死点
（図３横軸にＴＤＣで示す）に対して左右対称の形にな
る。また、通常の拡散燃焼の場合（カーブＣ）には、圧
縮上死点前に筒内に噴射された燃料が直ちに着火するた
め、筒内圧力は上死点直前から上昇を始め上死点後に噴
射された燃料が燃焼を完了するまで比較的高い値を維持
する。
【００４２】一方、適切な予混合燃焼が行われた場合
（カーブＭ）には、予め筒内に形成された予混合気が上
死点前に着火するため筒内圧力は上昇を開始するが、燃
焼速度が比較的低いため圧力の上昇は拡散燃焼の場合に
較べて緩やかであり、燃焼が完了するまでの時間も比較
的長くなる。すなわち、予混合燃焼の場合には筒内圧力
は比較的低い値まで緩やかに上昇し、比較的長い時間こ
の圧力が維持されるようになる。
【００４３】ところが、予混合燃焼において何らかの原
因で燃焼速度が増大すると、図３カーブＰに示すよう
に、上死点前に着火した予混合気が一挙に燃焼してしま
い筒内圧力は上死点に到達する前に急激に上昇するよう
になる。このため、燃焼による振動、騒音等が急激に増
大する過早着火が生じる。図４は、図３の場合と同様に
従来の拡散燃焼（カーブＣ）、適正な予混合燃焼（カー
ブＭ）、過早着火（カーブＰ）の場合のクランク軸単位
回転角当たりの筒内熱発生量（Ｊ／ＣＡ）（以下「熱発
生率」という）を示す図である。図４に示すように、拡
散燃焼（カーブＣ）では、上死点付近で噴射された燃料
が比較的大きな燃焼速度で燃焼するため、上死点近傍で
熱発生率が高くなっている。また、予混合燃焼（カーブ
Ｍ）では混合気の燃焼速度は比較的緩やかであるため、
熱発生率曲線も拡散燃焼に較べて低いなだらかなカーブ
になる。熱発生率は単位時間当たりに発生する熱量と見
なすことができるため、この場合、拡散燃焼は予混合燃
焼より短時間で比較的多量の熱が生じているため、筒内
温度は予混合燃焼より高くなる。このため、拡散燃焼で
は燃焼によりＮＯX が発生しやすくなる。
【００４４】一方、過早着火が生じた場合には、予混合
気の急激な燃焼のために極めて短時間で多量の熱が発生
する。このため、上死点（ＴＤＣ）前に熱発生率は極め
て大きなピークを生じるようになる。このように、過早
着火が生じると極めて短時間に多量の熱が発生するため
筒内温度、圧力は大きな値になる。このため燃焼により
発生するＮＯX 量が急増するようになるのである。
【００４５】一般に適正な予混合燃焼が生じる適正燃焼
速度の範囲は比較的狭く、この範囲をはずれて燃焼速度
が増大すると過早着火が生じる。また、燃焼速度が適正
燃焼速度をはずれて低下すると、燃焼時の筒内温度は低
下してＮＯX 量は減少するものの、失火が生じやすくな
る。このため、予混合燃焼を行うには燃焼速度を適正な
範囲に維持する必要がある。しかし、燃焼速度は直接検
出することはできず燃焼速度を適正な範囲に制御するこ
とは従来困難とされていた。ところが、上述したよう
に、予混合気燃焼速度が増大すると筒内温度の上昇によ
りＮＯX 発生量が増大し、燃焼速度が低下するとＮＯX
発生量は低下することが判明している。
【００４６】そこで、本実施形態ではこのＮＯX 発生量
と燃焼速度との相関を利用して、燃焼速度を直接検出す
ることなく効果的に燃焼室内予混合気の燃焼速度を制御
している。以下、本実施形態の燃焼制御について説明す
る。上述したように、予混合気燃焼速度とＮＯX 発生量
との間には相関がある。このため、例えば機関が適正な
予混合燃焼で運転されている時のＮＯX 発生量を予め実
測しておき、実際の運転では機関ＮＯX 発生量がこの適
正な予混合燃焼時のＮＯX 発生量になるように燃焼速度
に影響を与える条件を制御すれば、常に燃焼速度を予混
合燃焼に適切な値に設定することができる。本実施形態
では、予め機関を機関回転数と燃料噴射量との条件を変
えて運転し、適正な予混合燃焼が行われた時のＮＯX 発
生量を排気中のＮＯX 濃度の形で実測してある。この実
測結果は、機関回転数ＮＥと燃料噴射量Ｑfin とを用い
た２次元数値マップの形でＥＣＵ３０のＲＯＭに格納さ
れている。実際の運転では、ＥＣＵ３０はＮＯX センサ
７１で排気ＮＯX 濃度を検出し、このＮＯX 濃度が現在
の運転状態における適正な排気ＮＯX 濃度に一致するよ
うに燃焼速度を変化させる燃焼制御操作を行う。
【００４７】図５は、上述した燃焼制御操作を具体的に
説明するフローチャートである。本操作は、ＥＣＵ３０
により一定時間毎に実行されるルーチンにより行われ
る。図５の操作では、まずステップ５０１で回転数セン
サ５５から現在の機関回転数ＮＥが読み込まれるととも
に、別途ＥＣＵ３０により実行される燃料噴射量演算操
作（図示せず）により算出された現在の機関燃料噴射量
Ｑfin の値が読み込まれる。本実施形態では、ＥＣＵ３
０は、別途アクセル開度センサ５７で読み込んだ機関１
のアクセルペダル踏み込み量（アクセル開度）ＡＣＣＰ
と機関回転数ＮＥとに基づいて、予めＲＯＭに記憶した
関係から燃料噴射量Ｑfin を算出している。
【００４８】次いで、ステップ５０３では、排気通路３
に配置したＮＯX センサ７１から現在の排気ＮＯX 濃度
ＡＮＯＸが読み込まれる。また、ステップ５０５ではス
テップ７０１で読み込んだＮＥとＱfin との値を用い
て、予めＲＯＭに記憶した数値マップから現在のＮＥと
Ｑfin との運転条件で適正な予混合燃焼を行った場合の
排気ＮＯX 濃度（目標ＮＯX 濃度）ＴＮＯＸが読み出さ
れる。
【００４９】そして、ステップ５０７から５１３では現
在の実際のＮＯX 濃度ＡＮＯＸが、ＴＮＯＸ±αの範囲
にあるか否かが判定される（ステップ５０７、５１
１）。αは、目標ＮＯX 濃度ＴＮＯＸに対する実際のＮ
ＯX 濃度ＡＮＯＸの許容偏差であり、正の一定値であ
る。実際のＮＯX 濃度ＡＮＯＸが上記範囲より大きい場
合、すなわち、ステップ５０７でＡＮＯＸ≧ＴＮＯＸ＋
αであった場合には、燃焼速度が適正範囲より増大して
いるためＮＯX 濃度が増大していると考えられるため、
ステップ５０９に進み予混合気燃焼速度を減少させる燃
焼速度減少操作を行う。これにより、燃焼速度は適正範
囲内に制御され、燃焼速度増大により過早着火が生じる
ことが防止される。燃焼速度減少操作については後述す
る。
【００５０】また、実際のＮＯX 濃度ＡＮＯＸが適正範
囲より低い場合、すなわちステップ５１１でＡＮＯＸ≦
ＴＮＯＸ−αであった場合には、現在燃焼速度は適正範
囲より低下しているためにＮＯX 濃度が低下したと考え
られる。そこで、この場合にはステップ５１３で予混合
気燃焼速度を増大させる燃焼速度増大操作を行い、燃焼
速度低下により燃焼の悪化や失火が生じることを防止す
る。燃焼速度増大操作については後述する。
【００５１】上記操作により、本実施形態では予混合気
燃焼速度はは常に適正な予混合燃焼を生じさせる範囲に
制御されるようになり、過早着火や燃焼の悪化が生じる
ことが防止される。次に、本実施形態の燃焼速度制御操
作、すなわち図５の燃焼速度減少操作（ステップ５０
９）と燃焼速度増大操作（ステップ５１３）とについて
説明する。
【００５２】燃焼室内予混合気の燃焼速度に影響を与え
る因子としては、例えば燃焼室内温度、圧力、酸素濃
度、燃料噴射時期及び噴射量、燃料の性状（燃焼しやす
さ）などがある。本実施形態では、これらの燃焼速度に
影響を与える因子を変化させることにより燃焼速度制御
操作を行っている。以下、図５ステップ５０９と５１３
で行われる燃焼速度減少及び増大操作の例について説明
する。 （１）ＥＧＲ量制御 ＥＧＲ通路を通ってサージタンク２０に還流するＥＧＲ
ガスは燃焼後の排気であるため、酸素濃度が低くなって
いる。このため、燃焼室に供給するＥＧＲガス量を増大
すると燃焼室内の酸素濃度は低下し、ＥＧＲガス量を低
減すると燃焼室内の酸素濃度は増大する。また、燃焼室
内の酸素濃度が増大すると予混合気燃焼速度は増大し、
酸素濃度が低下すると予混合気燃焼速度は低下するよう
になる。そこで、排気ＮＯX 濃度ＡＮＯＸに応じてＥＧ
Ｒ弁２３開度を制御することにより、予混合気燃焼速度
を変化させることが可能である。
【００５３】すなわち、この場合には図５ステップ５０
９の燃焼速度減少操作ではＥＧＲ弁２３の開度を一定量
だけ増大し燃焼室に還流するＥＧＲガス量を増大させ、
図５ステップ５１３の燃焼速度増大操作では、ＥＧＲ弁
２３の開度を一定量だけ低減し燃焼室に還流するＥＧＲ
ガス量を低減するようにする。これにより、燃焼速度は
適正な範囲に維持されるようになる。 （２）吸入空気量制御 機関に吸入される新気の量（吸入空気量）が低下する
と、気筒内の酸素濃度は低下する。また、全体として気
筒内に吸入される吸気の量が低下すると圧縮時の気筒内
圧力も低下する。このため、吸入空気量を低下させると
燃焼速度は低下するようになる。そこで、排気ＮＯX 濃
度ＡＮＯＸに応じて吸気絞り弁２７開度を制御すること
により、予混合気燃焼速度を変化させることが可能であ
る。
【００５４】すなわち、この場合には図５ステップ５０
９の燃焼速度減少操作では吸気絞り弁２７の開度を一定
量だけ減少させ、気筒内に流入する新気量を減少させ、
図５ステップ５１３の燃焼速度増大操作では、吸気絞り
弁２７の開度を一定量だけ増大させ、気筒内に流入する
新気量が増大するようにする。これにより、燃焼速度は
適正な範囲に維持されるようになる。吸入空気量制御
は、上述のＥＧＲ制御と併用すると、気筒内酸素濃度の
制御幅が更に広くなるため燃焼速度変化の調整が容易に
なる。 （３）吸気圧力制御 機関吸気圧力が低下すると、吸気行程終期における気筒
内圧力が低下するため、圧縮比が同一であっても圧縮行
程での気筒内圧力は低下する。また、予混合気燃焼速度
は、燃焼時の圧力が低いほど低下する。このため、吸気
圧力を変化させることにより燃焼速度を制御することが
可能である。本実施形態ではターボチャージャ３５が設
けられており、ターボチャージャの吐出空気圧（過給
圧）を変化させることにより吸気圧力を変化させること
ができる。また、過給圧はターボチャージャ３５の可変
ノズル３５ａの開度を変化させることにより変化させる
ことができる。そこで、排気ＮＯX 濃度ＡＮＯＸに応じ
て可変ノズル３５ａ開度を制御することにより、予混合
気燃焼速度を変化させることが可能である。
【００５５】すなわち、この場合には図５ステップ５０
９の燃焼速度減少操作では可変ノズル３５ａの開度を一
定量だけ増大させて過給圧を低下させ、図５ステップ５
１３の燃焼速度増大操作では、可変ノズル３５ａの開度
を一定量だけ減少させて過給圧を増大させる。これによ
り、燃焼速度は適正な範囲に維持されるようになる。 （４）燃料噴射時期制御 前述したように、燃料噴射時期を進角させると燃焼時の
予混合気の燃料濃度が均一になるため燃焼速度は緩やか
になる。また、燃料噴射時期を遅角させると燃焼時の予
混合気の燃料濃度は不均一になり、燃焼速度は増大する
ようになる。
【００５６】そこで、排気ＮＯX 濃度ＡＮＯＸに応じて
燃料噴射弁１１１からの燃料噴射時期を制御することに
より、予混合気燃焼速度を変化させることが可能であ
る。すなわち、この場合には図５ステップ５０９の燃焼
速度減少操作では燃料噴射弁１１１からの燃料噴射時期
を一定量だけ進角させ、気筒内に形成される予混合気の
燃料濃度をより均一にし、図５ステップ５１３の燃焼速
度増大操作では、燃料噴射弁１１１からの燃料噴射時期
を一定量だけ遅角させ、気筒内に形成される予混合気に
局所的な高燃料濃度部分が増大するようにする。これに
より、燃焼速度は適正な範囲に維持されるようになる。 （５）燃料噴射時期、燃料噴射量制御 上述したように、燃料噴射時期を変化させることにより
予混合気の燃焼速度を変化させることが可能である。こ
れにより、１燃焼サイクルに１回のみ燃料噴射を行う場
合にも予混合気燃焼速度を適正範囲に制御することが可
能となる。しかし、この場合には燃料噴射量の合計は機
関回転数とアクセル開度とから定まる値に保持する必要
があるため、燃料噴射時期のみで燃焼速度を充分に適正
範囲に制御できない場合が生じるおそれがある。そこ
で、本実施形態では燃料噴射を１燃焼サイクル中に複数
回に分割して行うとともに、各燃料噴射の噴射時期と噴
射量とを変化させることにより燃焼速度を制御するよう
にしている。このように、各燃料噴射の噴射時期と噴射
量とを変化させることにより、それぞれの燃料噴射の燃
焼速度に与える影響を自由に組み合わせることができる
ようになるため、燃焼速度制御における自由度が向上す
るようになる。
【００５７】例えば、図６のように１燃焼サイクル中に
３回の燃料噴射を行う場合について考える。図６は図３
の予混合燃焼時の筒内圧（カーブＭ）変化と燃料噴射と
の関係を示している。この場合、図６に示すように第１
燃料噴射は吸気行程中に、第２燃料噴射は圧縮行程の比
較的早い時期に、第３燃料噴射は圧縮行程の上死点付近
に行うものとする。
【００５８】この場合には、第１燃料噴射は噴射時期を
進角させるほど最終的に気筒内に形成される混合気の燃
料濃度が均一化するため、燃焼速度は低下する。また、
同様に第１燃料噴射により噴射される燃料量が多い程均
一に気筒内に分散する燃料量が増大するため最終的に形
成される混合気の燃料濃度が全体として均一化して燃焼
速度は低下する。すなわち第１燃料噴射は、噴射時期を
進角するほど、また、噴射量を増大するほど燃焼速度を
低下させることができる。
【００５９】また、第２燃料噴射は比較的遅い時期に行
われるため、噴射された燃料は充分に気筒内に拡散しな
いまま燃焼することになる。このため、第２燃料噴射の
噴射量を増大すると混合気の燃料濃度の不均一さが増
し、燃焼速度が増大する。また、第２燃料噴射は噴射時
期を遅くするほど混合気の燃料濃度の不均一さが増すた
め燃焼速度が増大する。
【００６０】第３燃料噴射は、第１と第２の燃料噴射の
残りの燃料を噴射し、合計燃料噴射量が機関回転数とア
クセル開度とから定まる燃料噴射量になるようにするも
のであるため、燃料噴射量を自由に設定できない。ま
た、第３燃料噴射は上死点付近の既に燃焼室内予混合気
が燃焼を開始した後に噴射されるため、燃焼速度には大
きな影響を生じないが、この燃料噴射の噴射時期を進角
させると噴射時期が第２燃料噴射に近づくため、第２燃
料噴射を遅角させた場合と同様に燃焼速度が増大する。
【００６１】このように１燃焼サイクルに３回の燃料噴
射を行う場合には、例えば第３燃料噴射時期は上死点に
固定し、実際の排気ＮＯX 濃度ＡＮＯＸに応じて第１と
第２の燃料噴射の噴射時期と噴射量とを調節するように
する。例えば、図５ステップ５０９の燃焼速度減少操作
では、第１燃料噴射の噴射時期を進角させ噴射量を増大
させるとともに、第２燃料噴射の噴射時期を進角させ噴
射量を減少させる。これにより、第１燃料噴射、第２燃
料噴射ともに燃焼速度を低下させる方向に作用するよう
になる。また、図５ステップ５１３の燃焼速度増大操作
では、上記とは逆に第１燃料噴射の噴射時期を遅角させ
噴射量を低減し、第２燃料噴射の噴射時期を遅角させ噴
射量を増大する。これにより、第１、第２燃料噴射とも
に燃焼速度を増大させる方向に作用するようになる。 （６）圧縮比制御 気筒圧縮比が低下すると、圧縮行程における筒内圧力と
温度とが低下する。このため、圧縮比の低下とともに燃
焼室内予混合気の燃焼速度は低下するようになる。従っ
て、気筒圧縮比を変化させることにより燃焼速度を制御
することができる。
【００６２】本実施形態の機関１は機関バルブタイミン
グを変化させる可変バルブタイミング装置８０を備えて
いる。バルブタイミングが変化すると気筒圧縮比もバル
ブタイミングに応じて変化する。例えば気筒吸気弁の閉
弁時期を遅延させて圧縮行程中途まで吸気弁が開弁して
いるようにすると、吸気行程中に機関に吸入された吸気
は圧縮行程中に吸気ポートに排出される。従って、実質
的な圧縮行程は吸気弁が閉弁した時から開始されること
になるため、吸気弁閉弁時期を遅延させるにつれて気筒
圧縮比は低下するようになる。このため、排気ＮＯX 濃
度ＡＮＯＸに応じて可変バルブタイミング装置８０を制
御することにより、予混合気燃焼速度を変化させること
が可能である。
【００６３】すなわち、この場合には図５ステップ５０
９の燃焼速度減少操作では可変バルブタイミング装置８
０を用いて機関吸気弁バルブタイミングを一定量だけ遅
角させる。これにより、吸気弁閉弁時期も遅角されるた
め気筒圧縮比が低下して燃焼速度は減少する。また、図
５ステップ５１３の燃焼速度増大操作では、吸気弁バル
ブタイミングを一定量だけ進角させる。これにより、気
筒圧縮比は増大し燃焼速度は増大するようになる。
【００６４】なお、気筒圧縮比を変化させる他の方法と
しては、例えば機関シリンダヘッドに各気筒燃焼室に連
通する可変容積室を気筒毎に設ける方法がある。可変容
積室内には、容積室内を移動可能に配置されたピストン
が設けられており、外部からピストン位置を変更するこ
とにより容積室の容積を可変にすることが可能となって
いる。この場合には、排気ＮＯX 濃度に応じて可変容積
室のピストン位置を変更することにより燃焼室内予混合
気の燃焼速度を制御することが可能となる。 （７）燃料性状制御 燃料性状が変化すると予混合気燃焼速度も変化する。例
えば、セタン等のように着火しやすい燃料成分を多量に
含む燃料では混合気の燃焼速度が早くなる。そこで、例
えば通常の燃料系統とは別にセタン等の燃焼速度を早め
る燃料成分を燃料系統（例えば図１のコモンレール１１
５）に供給する手段を設け、燃料噴射弁１１１から噴射
される燃料の性状（成分）を変化させることにより予混
合気燃焼速度を制御することが可能となる。
【００６５】この場合には図５ステップ５０９の燃焼速
度減少操作では、コモンレール１１５内の燃料に混合す
るセタン等の燃焼速度増大成分供給量を一定割合減少さ
せ、図５ステップ５１３の燃焼速度増大操作では、燃焼
速度増大成分供給量を一定割合増大させる操作を行えば
良い。以上、燃焼速度制御操作の実際について説明した
が、上記（１）から（７）の各操作は単独でおこなうこ
とによっても燃焼速度を適正な予混合燃焼を与える範囲
に制御することが可能であるが、上記（１）から（７）
の操作の２つ以上を組み合わせて用いることにより、更
に効果的に燃焼速度を制御することが可能となる。
【００６６】なお、上記の実施形態では機関の全気筒の
燃焼速度を一律に増大または減少しているが、実際には
適正な予混合燃焼を与える燃焼速度の範囲は気筒毎にば
らつく場合がある。そこで、以下に説明する方法により
各気筒毎に燃焼速度を適正範囲に調節する操作を行うよ
うにすることも可能である。各気筒毎に燃焼速度を制御
する場合には、例えば燃料噴射時期制御、または可変容
積室を用いた気筒毎の圧縮比制御の方法により各気筒毎
に個別に燃焼速度を調節する。
【００６７】この場合、ＥＣＵ３０は運転中に、他の気
筒の燃料噴射時期、圧縮比は一定に維持したまま１つの
気筒の燃料噴射時期を一定量ずつ遅角（または気筒圧縮
比を一定量ずつ増大）させる。これにより、この気筒の
予混合気燃焼速度は徐々に増大し、この気筒からの排気
ＮＯX 濃度も増大する。しかし、この場合には上記気筒
でＮＯX 排出量が増大しても、増大したＮＯX は他の気
筒からの排気に希釈されるため排気全体のＮＯX 濃度は
大幅には増大せず、ＮＯX センサの出力から上記気筒の
ＮＯX 濃度の漸増を検出するのは困難である。ところ
が、上記のように１つの気筒の予混合気燃焼速度を徐々
に増大していくと、あるところでこの気筒では過早着火
が生じるようになり、この気筒からの排気中のＮＯX 濃
度が大幅に増大するようになる。過早着火が生じると、
この気筒からの排気のＮＯX 濃度は急激に増大するた
め、他の気筒からの排気で希釈された後の排気全体とし
てのＮＯX 濃度も急激に増大する。この、１つの気筒に
おける過早着火発生によるＮＯ X 発生量の増大は極めて
大きいため、ＮＯX センサで充分に検出可能となる。
【００６８】ＥＣＵ３０は、上記のように１つの気筒の
予混合気燃焼速度を徐々に増大していき、ＮＯX センサ
７１で検出した排気ＮＯX 濃度が急増した時に、この気
筒で過早着火が発生したと判定するとともに、この気筒
の燃料噴射時期または圧縮比を予め定めた量だけ燃焼速
度が低下する方向に戻すようにする。この燃料噴射時期
または圧縮比の戻し量は、過早着火が生じる燃料噴射時
期（または圧縮比）と適正な予混合燃焼が生じる燃料噴
射時期（または圧縮比）との差であり、予め実験により
求められる。このように、一旦過早着火が生じる燃焼速
度を確認した後、この燃焼速度を一定量低下させる操作
を行うことにより、この気筒では適正な予混合燃焼が行
われるようになる。
【００６９】上記により１つの気筒の燃焼速度を適正な
値に調節した後、ＥＣＵ３０は他の気筒についても気筒
毎に順に同様な操作を繰り返し、燃焼速度を適正な値に
設定する。これにより、全部の気筒がそれぞれ適正な燃
焼速度に調節されるようになる。
【００７０】
【発明の効果】各請求項に記載の発明は、予混合燃焼圧
縮着火内燃機関において予混合気燃焼速度を適切な範囲
に制御することにより過早着火の発生や燃焼の悪化が生
じることを防止し、広い運転範囲で適正な予混合燃焼を
行うことを可能とすることにより、排気スモークの発生
やＮＯX の排出量の増大を抑制することを可能とする共
通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を自動車用ディーゼル機関に適用した場
合の実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】ＮＯX センサの概略構成と作動原理とを説明す
る図である。
【図３】予混合燃焼と拡散燃焼とにおける筒内圧力変化
を説明する図である。
【図４】予混合燃焼と拡散燃焼とにおける筒内熱発生率
変化を説明する図である。
【図５】燃焼制御操作を説明するフローチャートであ
る。
【図６】燃焼制御操作の一実施形態における燃料噴射時
期を示す図である。
【符号の説明】
１…ディーゼル機関本体 ２…吸気通路 ３…排気通路 ２３…ＥＧＲ弁 ２７…吸気絞り弁 ３０…電子制御ユニット（ＥＣＵ） ３５…ターボチャージャ ３５ａ…可変ノズル ７１…ＮＯX センサ ８０…可変バルブタイミング装置 １１１…燃料噴射弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｄ 21/08 ３０１ Ｆ０２Ｄ 21/08 ３０１Ｅ ３Ｇ０９２ 23/02 23/02 Ｃ ３Ｇ３０１ 41/02 ３５１ 41/02 ３５１ 41/04 ３８５ 41/04 ３８５Ｚ 41/14 ３１０ 41/14 ３１０Ｎ ３１０Ｊ 41/38 41/38 Ｂ 41/40 41/40 Ｃ 45/00 ３２０ 45/00 ３２０Ｚ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５５０ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５５０Ｆ ５７０ ５７０Ｂ Ｆターム(参考） 3G005 DA02 EA04 EA14 EA16 FA35 GA04 GC05 GC08 GE01 GE09 JA39 JA41 JA42 JB02 3G023 AA05 AB05 AF03 AG03 3G062 AA01 AA05 CA07 CA08 DA01 DA02 EA04 EA11 ED08 FA05 FA12 GA04 GA06 GA15 GA17 3G065 AA01 AA03 CA12 FA11 GA00 GA10 GA18 GA46 3G084 AA01 BA05 BA08 BA13 BA15 BA20 BA22 BA23 DA10 EB08 EB12 EC03 FA10 FA13 FA28 FA33 3G092 AA02 AA11 AA12 AA17 AA18 BA02 BB01 BB06 DA08 DB03 DC03 DC09 DD03 DD08 EA01 EA02 EA03 EA04 HA01Z HB01Z HD04Z HE01Z HF08Z 3G301 HA02 HA11 HA13 HA19 JA25 LA03 MA11 MA18 MA26 NE01 NE06 NE11 NE12 PB03Z PD01Z PE01Z PF03Z

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料噴射弁から燃焼室内に燃料を噴射し
    て燃焼室内に燃料と空気の予混合気を形成し、該予混合
    気を圧縮により着火させる予混合圧縮着火内燃機関の制
    御装置であって、 前記予混合圧縮着火内燃機関は、燃焼室内予混合気の燃
    焼速度が適切な範囲にある場合には燃焼によるＮＯX 発
    生量が減少し、燃焼室内予混合気の燃焼速度が前記適切
    な範囲より大きくなるにつれてＮＯX 発生量が増大する
    とともに燃焼振動が増大しノックが発生するようにな
    り、予混合気燃焼速度が前記適切な範囲より小さくなる
    につれてＮＯX が更に減少するとともに燃焼状態が悪化
    して失火が生じるようになり、 前記制御装置は、前記機関の排気通路に配置され排気中
    のＮＯX を検出するＮＯX センサと、燃焼室内予混合気
    の燃焼速度を変化させる燃焼制御手段と、前記機関が適
    切な予混合気燃焼速度で運転されているときの排気中の
    ＮＯX 濃度である適正ＮＯX 濃度を記憶する記憶手段
    と、を備えるとともに、前記ＮＯX センサで検出した排
    気中のＮＯX 濃度が前記記憶した適正ＮＯX 濃度に一致
    するように前記燃焼制御手段を制御することにより、予
    混合気燃焼速度が前記適切な範囲内になるように制御す
    る予混合圧縮着火内燃機関の制御装置。
  2. 【請求項２】 前記記憶手段は、機関運転状態に応じた
    前記適正ＮＯX 濃度を記憶しており、前記制御装置は更
    に、機関運転状態を検出する運転状態手段を備え、前記
    ＮＯX センサで検出した排気中のＮＯX 濃度が、運転状
    態検出手段で検出した運転状態に対応した適正ＮＯX 濃
    度になるように前記燃焼制御手段を制御する、請求項１
    に記載の予混合圧縮着火内燃機関。
  3. 【請求項３】 前記燃焼制御手段は、機関排気の一部を
    機関燃焼室に還流させるＥＧＲ手段を備え、該ＥＧＲ手
    段により燃焼室に還流する排気流量を制御することによ
    り予混合気燃焼速度を制御する、請求項２に記載の予混
    合圧縮着火内燃機関の制御装置。
  4. 【請求項４】 前記燃焼制御手段は、機関吸入空気量を
    変化させる吸気絞り手段を備え、該吸気絞り手段により
    機関吸入空気量を変化させることにより予混合気燃焼速
    度を制御する、請求項２に記載の予混合圧縮着火内燃機
    関の制御装置。
  5. 【請求項５】 前記燃焼制御手段は、機関吸気圧力を変
    化させる過給圧制御手段を備え、該過給圧制御手段によ
    り機関吸気圧力を変化させることにより予混合気燃焼速
    度を制御する、請求項２に記載の予混合圧縮着火内燃機
    関の制御装置。
  6. 【請求項６】 前記燃焼制御手段は、前記燃料噴射弁か
    らの燃料噴射時期を制御する燃料噴射制御手段を備え、
    該燃料噴射制御手段により燃焼室内の燃料噴射時期を変
    化させることにより予混合気燃焼速度を制御する、請求
    項２に記載の予混合圧縮着火内燃機関の制御装置。
  7. 【請求項７】 前記燃料噴射制御手段は、１燃焼サイク
    ル中に複数回の燃料噴射を行うとともに、それぞれの燃
    料噴射時期と燃料噴射量とを制御し、前記燃焼制御手段
    は、前記燃料噴射制御手段により各燃料噴射の噴射時期
    と燃料噴射量とを変化させることにより予混合気燃焼速
    度を制御する、請求項６に記載の予混合圧縮着火内燃機
    関の制御装置。
  8. 【請求項８】 前記燃焼制御手段は、気筒圧縮比を変化
    させる圧縮制御手段を備え、該圧縮制御手段により気筒
    圧縮比を変化させることにより予混合気燃焼速度を制御
    する、請求項２に記載の予混合圧縮着火内燃機関の制御
    装置。
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