JP7225439B2 - 内燃機関の燃料供給下の副燃焼室を備えた点火装置の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃料供給下の副燃焼室を備えた点火装置を制御するための制御ユニット及びその方法に関し、制御ユニットは、副燃焼室から主燃焼室に流入する反応性噴流の噴射力を制御する。

内燃機関の燃焼効率を高めるためには、燃料供給下の副燃焼室を備えた点火装置の利用が有益である。このような点火装置の高点火エネルギーは、副燃焼室内で発生する予備燃焼によりもたらされる。この予備燃焼は、少量の燃料を副燃焼室内に噴射し、これにより生じた室内の空燃混合物を点火することで開始される。副燃焼室は、微細なオリフィスを介して、主燃焼室に連結されているため、副燃焼室内の燃焼により反応性噴流を生じ、この噴流が、副燃焼室から主燃焼室内へ流入し、室内の空燃混合物を点火する。この反応性噴流は、通常、主燃焼室全体に拡散することで、複数の点火スポットを提供し、このスポットが、頗る希薄な空燃混合物であっても、その確実な点火を可能とする。

しかしながら、内燃機関の耐用年数にわたる副燃焼室点火の確実性を損なう可能性のある幾つかの障壁がある。例えば、副燃焼室内での濃厚ガス混合物と高温の使用は、噴射器先端面あるいは副燃焼室オリフィスのコークス化を招く場合がある。噴射器先端への燃焼残留物の堆積は、噴射燃料流の劣化さえ招き、延いては、副燃焼室燃焼により生成される反応性噴流の力を削ぐ結果となる場合もある。このため、反応性噴流の噴射力を検出可能とすることが好ましいであろう。これは、噴射燃料流の劣化に対する対策を導入することを可能にする。さらに、噴射力は、また、エンジンの環境条件によっても影響を被る。例えば、低温状態および低負荷においては、低温の副燃焼室体が、副燃焼室燃料および噴流から多くのエネルギーを奪い取るため、副燃焼室燃焼の安定性が阻害される。噴射力を制御することで、前述した困難な環境条件下においても、副燃焼室燃焼を向上させることが可能となる。

従来、噴射力を監視するには、特に、噴流に含まれる熱エネルギーを表す精確な値を特定するステップが監視プロセスに含まれる場合、複雑かつ高価な手段／装置が必要とされている。

特許文献１（欧州特開３３９２４８７号公報）には、動力生成エンジンとして使用される予備燃焼室型ガスエンジンのための制御方法が開示されている。副燃焼室から主燃焼室内へ噴射されるトーチ噴流／反応性噴流の力は、副燃焼室内の圧力の主燃焼室内の圧力に対する差異あるいは割合に相関関係を有する。このことは、トーチ力を表す値を確定するには、主燃焼室内の圧力並びに副燃焼室内の圧力を検出する必要があることを意味している。主燃焼室内への半永久圧力センサーは利用可能であるが、副燃焼室に圧力センサーを装備することは、依然として困難なタスクであり、多大の労力と費用を招く結果となる。さらに、副燃焼室内のスペースに限りがあるため、一般的に使用される圧力センサーに比べて精度の低い、耐久性に劣る頗る小型の圧力センサーしか取り付けることができない。

特許文献１：欧州特開３３９２４８７号公報

上記に鑑み、本発明は、あらゆる環境条件下においても、副燃焼室点火の確実な操作を確保し、制御ユニットを機構上複雑化することなく、エンジンの耐用年数にわたってこれを確保するための制御ユニットおよびその方法を提供することを目的とする。

上記の課題は、独立項に記載の発明主題により解決される。また、好ましい実施の形態は、従属項により記載される。

内燃機関を制御するための制御ユニットは、副燃焼室から主燃焼室内へ流入する反応性噴流の噴射力を制御する。好ましくは、当該制御は、フィードバック制御を利用して実行される。本明細書において、「反応性噴流」とは、副燃焼室内のオリフィスを介して、副燃焼室から主燃焼室内へ排出され／吹き出され／押し出される高温の流体若しくは流体状物質の噴流として理解されたい。この高温流体は、好ましくは、遊離基、一酸化炭素、炭化水素などの燃焼生成物を含む副燃焼室燃焼により生成されたガスである。「反応性噴流」は、また、副燃焼室から主燃焼室内へ、オリフィスを介して逃避する（乱流）炎噴流として理解されてもよい。

反応性噴流の噴射力は、反応性噴流の点火エネルギーであるかそれを含むものであってもよい、例えば、副燃焼室燃焼の燃焼生成物に蓄えられた熱エネルギー、運動エネルギー及び／又は化学エネルギー等である。

用語「制御」は、噴射力のフィードバック制御から成り、フィードバック制御は、特に、噴射力を表す目標（事前設定）パラメータと噴射力を表す実際の／確定された／測定された現時点でのパラメータとの比較利用と、噴射力を表す目標（事前設定）パラメータと噴射力を表す実際の／現時点でのパラメータとの差異を排除するための副燃焼室燃焼に影響を及ぼす少なくとも一つのパラメータの調整とを含むものとする。

内燃機関（略して「燃焼エンジン」、「エンジン」）は、少なくとも一つのシリンダーと、少なくとも一つの主燃焼室（略して「主室」）と、少なくとも一つの吸気ポートと、少なくとも一つの主燃料噴射器と、主燃焼室内の高周波振動を検出する少なくとも一つの確定手段と、主燃焼室内の空燃混合物を点火する少なくとも一つの点火装置とから構成されてよい。

点火装置は、スパークプラグと、副燃焼室燃料噴射器と、副燃焼室壁内の少なくとも一つのオリフィスを介して主燃焼室に連結される副燃焼室とから構成されてよい。

制御ユニットは、主燃焼室内の高周波振動を検出する構成の少なくとも一つの確定手段を使用することで、反応性噴流の噴射力を確定する構成としてよい。少なくとも一つ確定手段は、圧力センサー及び／又はノックセンサー及び／又はトルクセンサーであってもよい。高周波振動は、５００Ｈｚを上回る周波数を有する振動であってもよい。

主燃焼室に流入する反応性噴流は、主燃焼室全体に拡散する衝撃波を誘引するものであってもよい。反応性噴流の点火エネルギー（前述した「噴射力」）が高いほど、誘引される衝撃波の振幅が大きくなる。換言すれば、主燃焼室内への反応性噴流の流入から生起する衝撃波を利用して、噴射力を表すパラメータを確定してよい。

副燃焼室から急速に逃避して主燃焼室全体に拡散する反応性噴流により誘引される衝撃波は、シリンダー圧力信号上の圧力振動として検出可能である。従って、内燃機関の燃焼タイミングを制御するために一般的に利用されるシリンダー圧センサーが、主燃焼室内に流入する噴流により引き起こされる高周波振動を確定するために適当であってもよい。その固有振動数が大きいため、動圧及び微細な圧力変動を測定するには、圧電式圧力センサーを利用することができる。代わりに、あるいは、加えて、ノック振動燃焼による構造自体のノイズ振動を検出するために各種ガソリンエンジンに通常取り付けられるノックセンサーを利用して、反応性噴流により誘引される振動を評価することもできる。

本願発明者の知見によれば、反応性噴流により誘引される衝撃波に対応する周波数は、一般的なノックセンサーの周波数範囲によりカバーされるが、ノッキング振動と比較すると、は異なる偏差を呈している。

したがって、ノックセンサー信号の適切な評価をもって、反応性噴流により引き起こされた振動と、ノッキングにより引き起こされた振動とを識別することが可能となる。代わりに、あるいは、加えて、例えば、１０ｋＨｚまでの周波数範囲により、動圧測定の実行も可能なトルクセンサーを利用してもよい。例えば、エンジントルクは、エンジンクランクシャフトに固定されたトルク測定フランジにより測定されてもよい。

別の確定手段と比べ、特に、二つ以上のシリンダーに備えられている場合の圧力センサーの利用は、各シリンダーの噴射力が個々に精確に調整可能であるという利点を有する。ノックセンサーもまた、検出された振動を別々のシリンダーに割り当て可能であるが、シリンダー毎に個々の圧力センサーを利用する場合に比べて精確性に劣る。しかしながら、ノックセンサーは既にエンジンで利用可能であり、このため、反応性噴流により引き起こされた振動を精確に検出することにのみ評価努力を払えば良いことから、ノックセンサーの利用は有益ではある。トルク測定フランジで検出可能なトルク振動は、全シリンダーの圧力変動から生起し、平均的な噴射力を制御するには十分であってもよい。

さらに、制御ユニットは、主燃焼室内で検出された高周波振動に基づき、反応性噴流の噴射力を表す特性パラメータを確定してもよい。エンジン運転中、反応性噴流の点火エネルギーは確定が困難であり、よって、フィードバック制御へのアクセスが難しいため、主燃焼室内で検出された高周波振動に基づく「特性パラメータ」は、フィードバック制御のための制御下の変数や目標値として使役してもよい。本明細書において、この「制御下の変数」は、実際の／現時点での特性パラメータであってもよく、目標値は、目標（事前設定）特性パラメータによる値であってもよい。

特性パラメータを確定／評価／算定するため、制御ユニットは、所定の周波数帯を備えたバンドパスフィルターを利用して、所定数のエンジンサイクルについて、所定の時間範囲において検出された高周波振動を分析することで、フィルター処理された信号を生成してもよく、所定数のエンジンサイクル各々について、フィルター処理された信号の最大絶対振幅を特定することで特性パラメータを確定してもよい。さらに、制御ユニットは、特定された最大絶対振幅の平均値を算定してもよく、算定された平均値は、特性パラメータであってもよい。

所定の時間範囲は、好ましくは、上死点発火（ＦＴＤＣ）前の６０°で開始し、ＦＴＤＣ後６０°で終了してもよく、最も好ましくは、点火タイミングで開始し、最大シリンダー圧のクランク角度で終了してもよい。バンドパスフィルターは、好ましくは、１ｋＨｚ～２０ｋＨｚ、最も好ましくは、４ｋＨｚ～１０ｋＨｚの周波数範囲を備えてもよい。フィルター処理されるエンジンサイクル数は、好ましくは、５０サイクル～５００サイクル、最も好ましくは、１００サイクル～３００サイクルの範囲であってもよい。

代わりに、あるいは、加えて、制御ユニットは、所定の周波数帯を備えたバンドパスフィルターを利用して、所定数のエンジンサイクルについて、所定の時間範囲で検出された高周波振動を分析することでフィルター処理された信号を生成してもよく、所定数のエンジンサイクル各々についてフィルター処理された信号のピーク周波数を特定し、また、特定されたピーク周波数の分布を算定することで特性パラメータを確定してもよく、算定された分布は、特性パラメータであってもよい。

所定の時間範囲は、好ましくは、ＦＴＤＣ前の６０°で開始し、ＦＴＤＣ後６０°で終了してもよく、最も好ましくは、点火タイミングで開始し、最大シリンダー圧のクランク角度で終了してもよい。バンドパスフィルターは、好ましくは、１ｋＨｚ～２０ｋＨｚの周波数範囲を備えてもよく、最も好ましくは、４ｋＨｚ～１０ｋＨｚの周波数範囲を備えてもよい。フィルター処理されるエンジンサイクル数は、好ましくは、５０サイクル～５００サイクルの範囲であってもよく、最も好ましくは、１００サイクル～３００サイクルの範囲であってもよい。

最高強度を備えた周波数であってもよい各エンジンサイクルのフィルター処理された信号のピーク周波数を特定するため、所定数のエンジンサイクル各々について、周波数分析が実行されてもよい。周波数分析は、好ましくは、高速フーリエ変換（ＦＥＴ）サイクルであってもよい。ピーク周波数分布は、特定されたピーク周波数でのエンジンサイクル数をカウントすることで算定してもよい。ノックセンサーを利用して主燃焼室内の高周波振動を検出する場合、好ましくは、周波数偏差を特性パラメータとして使役してもよい。

制御ユニットは、副燃焼室内へ噴射される燃料量及び／又は副燃焼室燃料噴射器の噴射タイミングを調整／制御することで噴射力を調整してもよい。代わりに、あるいは、加えて、制御ユニットは、主燃料噴射器の噴射タイミング及び／又はスパークプラグに供給される点火エネルギーを調整することで噴射力を調整してもよい。これに関連して、噴射力は、実際の／現時点での特性パラメータと所定の目標特性パラメータとの差異に基づき調整される。本明細書において、実際の／現時点での特性パラメータは、高周波振動を含め現時点において測定されたエンジンサイクルに基づき算定／確定された特性パラメータであってもよい。十分な精度を持って実際の／現時点での特性パラメータを算定するためには、所定数のエンジンサイクルを記録し、特定された最大絶対振幅の平均値及び／又はピーク周波数分布を算定する必要がある（既に確定されたエンジンサイクル数範囲を参照）。所定の目標特性パラメータは、内燃機関のテスト段階中に、前述した方法により算定し、制御ユニット内に特性カーブあるいはマップとして記憶してもよい。

上述したように、反応性噴流の噴射力は、副燃焼室内で発生した燃焼の結果として、副燃焼室から主室内へ逃避する反応性噴流内に含まれる点火エネルギーとして定義することができる。換言すれば、副燃焼室燃焼の熱放出が反応性噴流の点火エネルギーを作出する。一般的に、燃焼の熱放出は全て、噴射された燃料質量と燃料の低位発熱量に依拠する。その結果、副燃焼室燃焼に寄与する燃料質量は、噴射力に影響を及ぼす適当なパラメータであってもよい。燃料量を増やして副燃焼室内へ噴射すると、室内での熱放出が増加し、噴射力が高まることがある。副燃焼室燃焼の熱放出全体の他に、その熱放出率も噴射力に影響を及ぼすことがある。熱放出率は、例えば、副燃焼室燃料噴射器の噴射タイミング、主燃料噴射器の噴射タイミング及び／又はスパークプラグに供給される点火エネルギーにより影響を受け得る副燃焼室内の圧力状態及び温度状態に依拠してもよい。例えば、点火コイルによりスパークプラグに供給される電気点火エネルギーを高めると、熱放出率の上昇を招き、延いては、副燃焼室内の圧力上昇と温度上昇とを招く。その結果、スパークプラグに供給される電気点火エネルギーを高めると、反応性噴流の点火エネルギーを高めることになる。

さらに、本願に請求の発明主題は、少なくとも一つのシリンダーと、少なくとも一つの主燃焼室と、少なくとも一つの吸気ポートと、少なくとも一つの主燃料噴射器と、主燃焼室内の高周波振動を検出することがある少なくとも一つの確定手段と、上述した技術的特徴を呈することがある少なくとも一つの制御ユニットと、スパークプラグ、副燃焼室燃料噴射器及び副燃焼室壁内の少なくとも一つのオリフィスを介して主燃焼室に連結される副燃焼室とを備えた少なくとも一つの点火装置とから成ることがある内燃機関を包摂するものであってもよい。

さらに、本願に請求の発明主題は、上述した内燃機関を制御するための方法を包摂するものであってよく、副燃焼室から主燃焼室へ流入する反応性噴流の噴射力は、上述した制御ユニットにより制御される。

噴射力は、圧力センサー、ノックセンサー及び／又はトルクセンサー等の確定手段により検出される主燃焼室内の高周波振動に基づく特性パラメータにより表されてよい。

本方法は、所定の周波数帯を備えたバンドパスフィルターを利用して、所定数のエンジンサイクルについて、所定の時間範囲において検出された高周波振動を分析することでフィルター処理された信号を生成してもよく、所定数のエンジンサイクル各々について、フィルター処理された信号の最大絶対振幅を特定し、かつ、特定された最大絶対振幅の平均値を算定することで特性パラメータを確定する構成としてよい。

代わりに、あるいは、加えて、本方法は、所定の周波数帯を備えたバンドパスフィルターを利用して、所定数のエンジンサイクルについて、所定の時間範囲で検出された高周波振動を分析することで、フィルター処理された信号を生成してもよく、所定数のエンジンサイクル各々について、フィルター処理された信号のピーク周波数を特定し、特定されたピーク周波数の分布を算定することで特性パラメータを確定する構成としてもよい。

次に、副燃焼室内へ噴射される燃料量及び／又は副燃焼室燃料噴射器の噴射タイミングを、現時点での特性パラメータと所定の目標特性パラメータとの差異に基づき調整する構成としてもよい。

代わりに、あるいは、加えて、主燃料噴射器の噴射タイミング及び／又はスパークプラグ（１０a）に供給される点火エネルギーを、現時点での特性パラメータと所定の目標特性パラメータとの差異に基づき調整する構成としてもよい。

さらに、本願に請求の発明主題は、コンピュータあるいは演算ユニットにより実行される場合、コンピュータに上述した方法あるいはその諸相を実行させる指令を含むメモリー内に格納可能なコンピュータプログラム製品と、コンピュータにより実行される場合、コンピュータに前記方法あるいはその諸相を実行させる指令を含むコンピュータにより読み取り可能な（記憶）媒体を包摂するものであってもよい。

要約すれば、本明細書に記載の発明主題は、内燃機関の燃料供給下の副燃焼室を備えた点火装置を制御するための制御ユニット及びその方法に関し、制御ユニットは、副燃焼室から主燃焼室内へ流入する反応性噴流の噴射力を制御する。噴射力は、副燃焼室燃焼により生成される反応性噴流の点火エネルギーであってもよい。エンジン運転中、点火エネルギーは測定が困難な場合があるため、その代わりに、反応性噴流の点火エネルギーにより誘引される主燃焼室内の圧力振動を検出可能とする。当該測定は、例えば、圧力センサーやノックセンサー等の通常利用される確定手段により実行されてよい。被検出圧力振動に基づき、フィードバック制御において制御下の変数としての利用に適した噴射力を表す特定パラメータが算定されてよい。このことは、複雑性を軽減し、かつ、高い信頼性を備えた内燃機関の効率性及び放出物質限界値をその耐用年数にわたって確保することを可能とする制御コンセプトにつながる。

以下、添付の例示的な概略図面を参照しつつ、少なくとも一つの好ましい実施例に基づき、本願に請求の発明主題を更に詳しく説明する。

燃料供給下の副燃焼室を備えた点火装置を有する内燃機関のシリンダーを概略的に示す図である。 点火装置を概略的に示す図である。 従来のスパークプラグを備えた点火装置を利用した場合の被測定シリンダー圧曲線の例を例示する。 従来のスパークプラグを備えた点火装置を利用した場合の被測定シリンダー圧曲線の例を例示する。 燃料供給下の副燃焼室を備えた点火装置を利用した場合の被測定シリンダー圧曲線の例を例示する。 燃料供給下の副燃焼室を備えた点火装置を利用した場合の被測定シリンダー圧曲線の例を例示する。 図４ａ～４ｆは、副燃焼室燃料質量を増やした場合のフィルター処理されたシリンダー圧曲線への影響を例示する。 副燃焼室内へ噴射される燃料量を増やした場合のフィルター処理されたシリンダー圧曲線及び最大シリンダー圧振幅の例を例示する。 副燃焼室内へ噴射される燃料量を増やした場合のフィルター処理されたシリンダー圧曲線及び最大シリンダー圧振幅の例を例示する。 副燃焼室内へ噴射された燃料量と所定数のサイクルにおいて撮像された最大シリンダー圧振幅の平均値との相関関係を示す例を例示する。 副燃焼室内へ噴射される燃料量を増やした場合のクランク角度にわたってプロットされたフィルター処理された圧力曲線の例を例示する。 副燃焼室内へ噴射される燃料量を増やした場合の周波数にわたってプロットされたフィルター処理された圧力曲線の例を例示する。 副燃焼室内へ噴射される燃料量を増やした場合のピーク周波数の偏差を示す例を例示する。 副燃焼室内へ噴射される燃料量を増やした場合のフィルター処理されたトルク曲線及び最大トルク振幅の例を例示する。 副燃焼室内へ噴射される燃料量を増やした場合のフィルター処理されたトルク曲線及び最大トルク振幅の例を例示する。 副燃焼室内へ噴射された燃料量と所定数のサイクルにおいて撮像された最大トルク振幅の平均値との相関関係を示す例を例示する。 反応性噴流の噴射力に相関する特性パラメータを確定するための一例を記載するフローチャートを例示する。 反応性噴流の噴射力に相関する特性パラメータを確定するための一例を記載するフローチャートを例示する。 反応性噴流の噴射力に相関する特性パラメータを確定するための一例を記載するフローチャートを例示する。

図１は、二つ以上のシリンダー１００を有してもよい別途特定されない内燃機関の例示としてのシリンダー１００を概略的に例示する。このエンジンは、例えば、二つ、三つ、四つ、六つ、八つあるいはそれ未満の、または、それ以上のシリンダー１００を有するものであってもよい。当該エンジンは、シリンダー１００内での繰り返し往復運動のため、連結ロッド３を介してクランクシャフト（図示なし）により駆動される少なくとも一つのピストン２を有し、シリンダー内に主燃焼室を形成する。

吸気バルブ６を備えた（エア）吸気ポート４並びに排気バルブ７を備えた排気ポート５が主燃焼室１に連結される。外気は、吸気ポート４を通して主燃焼室１内へ吸入される。排気ガスは、排気ポート５を介して燃焼室１から排出される。スパークプラグ１０ａと、副燃焼室燃料噴射器１０ｂと、副燃焼室１０ｃを備えた点火装置１０が内燃機関に取り付けられる。

点火装置１０のスパークプラグ１０ａは、点火コイル（図示なし）に電気的に連結されてよい。スパークプラグ１０ａは、点火コイルと組み合わさって、好ましくは、可変スパーク持続時間あるいはマルチスパーク点火を提供するスパーク点火装置を形成する。内燃機関は、一つ以上の点火装置１０を有してもよい。好ましくは、シリンダー１００毎に少なくとも一つの点火装置１０を有する。点火装置１０又はその少なくとも一部は、主燃焼室１の内側に連結されることで、反応性噴流（点線にて表示）が主燃焼室内に導入可能となる。さらに、直噴燃料噴射器８又は少なくともその一部が、燃料を直接燃焼室内へ噴射する目的で、主燃焼室１の内側に取り付けられ、これにより、エンジンの効率が向上する。この直噴燃料噴射器８は、好ましくは電子液圧式燃料噴射器あるいは圧電式燃料噴射器であってもよい。これに加えて、ポート燃料噴射器９が、シリンダー１００の吸気ポート４に連結される。直噴燃料噴射器８の高圧燃料供給並びにポート燃料噴射器９の高圧又は低圧燃料供給は開示されない。主燃料噴射は、直噴主燃料噴射器８とポート主燃料噴射器９のどちらかにより実行されてよく、若しくは、噴射器双方間で分担されてもよい。

図１には更に、点火装置を制御するための制御ユニット１１が図示されている。この制御ユニット１１は、点火装置１０、直噴主燃料噴射器８及び／又はポート主燃料噴射器９に電気的に接続され、複数のユニット／噴射器／アクチュエータを制御する。これに関連して、制御ユニット１１は、吸気量及び吸気温度、冷却水温度、クランク角度、シリンダー圧、ノック信号等の複数から成るセンサーからの信号を受信する。制御ユニット１１は、例えば、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）であってもよい。

また、制御ユニット１１は、その他の制御ユニットであってもよく、制御ユニット１１と制御下ユニットとの信号線接続は、図１に示す例と異なるものでもよい。例えば、制御下ユニットのサブグループを制御する複数からなる制御ユニット１１を設けてもよく、一例として、一つの制御ユニット１１－１は、点火装置１０のみを制御し、もう一つの制御ユニット１１－２は、燃料噴射器８、９のみを制御する等の構成としてもよい。さらにまた、複数から成る制御ユニット１１がある場合、これらの制御ユニット１１は、階層的に若しくはその他の態様で相互接続されてもよい。これに代えて、複数のアクチュエータの全ての制御機能を包摂する単一の制御ユニット１１を設けてもよい。

さらに、当該内燃機関には、主燃焼室１内の高周波振動を検出するための確定手段を設けてもよい。例えば、図示の無い少なくとも一つの圧力センサー、少なくとも一つのノックセンサー及び／又は少なくとも一つのトルクセンサーを、主燃焼室１の例えば、壁内／壁に直接及び／又はエンジンのクランクシャフトに直接、配設してもよい。副燃焼室燃焼により生成された主燃焼室１内部の高圧振動を測定・分析すると、副燃焼室噴流の噴射力に関するフィードバック制御を実行することが可能となり、これにより、エンジンの耐用年数にわたる高効率性と放出物質制限が確保される。

さらに、副燃焼室内の状態に関する追加情報を提供するため、副燃焼室１０ｃには、少なくとも一つの圧力センサー及び／又は少なくとも一つの温度センサーを設けてもよい。

図２に、点火装置１０の概略図を示す。点火装置１０は、燃料噴射器１０ａ、スパークプラグ１０ｂ、副燃焼室１０ｃを備える。副燃焼室１０ｃは、副燃焼室燃焼により生成された反応性噴流を主燃焼室１内に導入するためのオリフィス１０ｅが配設された副燃焼室壁１０ｄにより、主燃焼室１と区分されている。さらに、副燃焼室１０ｃには、副燃焼室内の状態に関する追加情報を提供するため、少なくとも一つの圧力センサー及び／又は少なくとも一つの温度センサーを設けてもよい。代わりに、あるいは、加えて、点火装置１０の構成部品挙動に関する追加情報を取得するため、燃料噴射器１０ａ、スパークプラグ１０ｂあるいは副燃焼室壁１０ｄ等の点火装置のその他の構成部品には、温度センサーを設けてもよい。

副燃焼室１０ｃの形状は、図２に図示される形状に限定されず、半球形状、円錐形状あるいは円筒形状若しくはこれらの組み合わせ等の様々な多数形状にデザイン可能である。さらに、副燃焼室壁１０ｄ内のオリフィス１０ｅの数、幾何形状及び位置は、図２に図示される例に限定されない。副燃焼室１０ｃには、副燃焼室壁１０ｄ内の様々な位置に配設され、様々な径を備えた複数から成るオリフィス１０ｅを設けてもよい。主燃焼室１に噴射されるものとは異なる燃料を噴射するため、副燃焼室噴射器１０ａは、エンジン（図示なし）の高圧燃料供給側あるいは低圧燃料供給側に連結されてもよく、若しくは、別個の燃料供給側（図示なし）に連結されてもよい。スパークプラグ１０ｂは、点火装置１０内に包摂され、あるいは、点火装置１０から離れたエンジンの別の場所に位置してもよい点火コイル（図示なし）に電気的に連結されてよい。好ましくは、点火装置１０各々について、一つの点火コイルを設けてもよいが、複数の点火装置１０について単一の点火コイルを設けることが可能であってもよい。

図３ａ～３ｄは、従来のスパークプラグを利用した場合（図３ａ及び３ｂ）及び燃料供給下の副燃焼室を備えた点火装置を利用した場合（図３ｃ及び３ｄ）それぞれの一定のエンジン運転ポイントにおける主燃焼室１内で測定されたシリンダー圧例の比較を示す。図３ａ及び図３ｃに示す被測定シリンダー圧曲線を比較すると、燃料供給下の副燃焼室を備えた点火装置を利用することで、燃焼開始及びピークシリンダー圧に関する偏差が狭まり、かつ、燃焼持続時間が短くなることが明白になる。これにより、燃焼安定性が向上し、また、効率性が向上する。図３ｃに図示されるシリンダー曲線をよく見ると、例えば、ハイパスフィルター（図３ｄ参照）により、被測定圧力信号の代表的部分をフィルター処理すると見える単一の圧力曲線上で振動が識別可能となる。本例では、被測定圧力信号から、ＦＤＴＣ前の６０°とＦＴＤＣ後の６０°とのクランク角度領域が切り出され、４ｋＨｚ～１０ｋＨｚの周波数範囲を備えたバンドパスフィルターによりフィルター処理されている。従来のスパークプラグを利用して撮像された図３ｂに図示されるフィルター処理された圧力信号は、記録された運転ポイントにおいて大幅な圧力振動を呈していないが、副燃焼室点火を利用した場合の対応信号は、振幅が大きい強力な振動を提示している。このような独特な振動振幅は、ノッキングの場合のスパーク点火にしか見られない。しかしながら、図３ｄに図示される圧力振動は、ノッキングにより誘引されたものではなく、副燃焼室１０ｃのオリフィス１０ｅを通して反応性噴流が急速に逃避し、主燃焼室１内に衝撃波を生成することによるものである。

図４ａ～４ｆで見て取れるように、前記圧力振動の最大振幅は、副燃焼室１０ｃ内へ噴射される燃料の分量により影響を受ける可能性がある。図４ａ～４ｆは、一定の負荷と燃焼タイミングで撮像されたバンドパスフィルター処理された圧力曲線を提示しており、副燃焼室内へ噴射される燃料量が連続して増加している。圧力振動の最大振幅が、燃料量の増加に伴い大きくなることは明白である。副燃焼室内へ噴射される燃料の分量を増加することで、室内で混合物を燃焼する場合の熱放出が大きくなり、これにより、噴射力が高まる結果となる。従って、上述したように、副燃焼室内へ噴射される燃料質量は、反応性噴流の噴射力を調整する上で適当であり得る。

図５ａ～５ｃは、噴射力に相関可能な特性パラメータを生成するため、フィルター処理されたシリンダー圧曲線を処理する方法に関して例示する。圧力振動振幅は、サイクル間でロブストではないため、単一の最大振幅は代表的な指標とはならない。従って、所定数のサイクルの平均値を評価する必要がある。さらに、点火タイミングからピーク圧力位置までの時間間隔など、特性パラメータを確定するための関連する時間間隔を考慮する必要がある。

上記に鑑み、様々な処理ステップの結果を図５ａ～５ｃに例示する。図５ａに図示される振動曲線は、図４ａ、図４ｃ及び図４ｅに図示された関連するバンドパスフィルター処理された圧力曲線の絶対値を確定することで生成される。図５ｂに図示される最大絶対圧力振幅を入手するには、所定数のエンジンサイクルを分析することで、各被選択サイクルの最大振動振幅を確定する。次に、確定された最大振動振幅の平均値を算定する。図５ｃから明確に導き出せるように、副燃焼室燃料質量を増加することで引き起こされた噴射力の高進は、最大圧力振動振幅の増加中のサイクル平均として特定可能である。

噴射力を表す特性パラメータを入手することを目的として、記録されたシリンダー圧曲線を後処理するためのもう一つの方法が、図６ａ～６ｃに図示されている。これらの図は、被測定圧力曲線上で実行されたＦＦＴ分析の結果を例示している。

図６ａは、被測定クランク角度にわたってプロットされたバンドパスフィルター処理された圧力曲線を例示する一方、図６ｂは、圧力信号の周波数範囲にわたってプロットされた被測定クランク角度を例示している。m_{f_pc１}～m_{f_pc３}の副燃焼室噴射質量の増加に伴い実行された測定結果を比較すると、副燃焼室燃料質量の増加に伴い７０００ｋＨｚでの強度が増していることが明らかになる。この知見は、図６ｃに図示される周波数偏差によっても確認されている。７０００ｋＨｚでピークを呈するサイクルの相対数が、副燃焼室燃料質量の増加と共に増えていることは図６ｃから明らかである。従って、ピーク周波数の偏差は、噴射力を表すための特性パラメータとして使役するものと言える。

図７ａ～７ｃは、図５ａ～図５ｃに関連して述べたものと同じ手順を例示しており、シリンダー圧信号のみがトルクセンサー信号に置き換えられている。図７ａには、バンドパスフィルター処理されたトルク曲線の絶対値が例示されている。図７ｂに図示される最大絶対トルク振幅を入手するには、所定数のエンジンサイクルを分析することで、各被選択サイクルの最大振動振幅を確定する。次に、確定された最大振動振幅の平均値が算定される。

図５ｃと同様に、副燃焼室燃料質量を増加すると引き起こされる噴射力の高進が、最大トルク振動振幅の増加中のサイクル平均として特定可能であることは、図７ｃからも明白である。このことは、トルク測定も同様に、シリンダー圧測定として、副燃焼室燃焼により生成された反応性噴流の噴射力を検出する上で適当であることを意味している。しかしながら、トルク測定フランジにより検出可能なトルク振動は、全シリンダーの圧力変動から生起し、このため、平均的な噴射力を制御する上でしか十分にはなり得ない。これとは対照的に、各シリンダーの圧力信号を評価することで、噴射力を個々に是正することが可能となる。

図８ａ～８ｃに、噴射力を定量化する特性パラメータを入手することを目的として、様々な確定手段からの測定データを評価するために実行すべき一連のステップ例を例示する。

図８ａに、シリンダー圧信号を利用した評価方法例を示す。Ｓ１００～Ｓ１０３までの方法ステップを実行するには、エンジン運転ポイント毎に、所定数のサイクルをベースとしたシリンダー圧曲線を記録する必要がある。少なくとも一つのサイクルを撮像した段階で、ステップＳ１００ が実行可能となり、被測定シリンダー圧信号のタイムベースが点火タイミングからピーク発火圧までのクランク角度範囲に短縮される。その後、ステップＳ１０１において、被短縮信号が、例えば、４ｋＨｚ～１０ｋＨｚの周波数を備えたバンドパスフィルターによりフィルター処理される。ステップＳ１０２において、フィルター処理された信号の最大振幅が確定・記録される。この処理は、最大圧振動振幅が、運転ポイント毎に、所定数のサイクルNについて確定されるまで繰り返される。次に、副燃焼室燃焼により生成された反応性噴流の噴射力を表すのに適当な最大圧振動振幅の平均値が算定される。

図８ｂは、制御ユニット内で既に利用可能な、また、関連する時間範囲に適合したノック信号を利用した評価方法例を示す。適当なバンドパスフィルターを適用後（ステップＳ２００）、ＦＦＴ分析を利用して、ピーク周波数を各エンジンサイクルについて特定し、制御ユニット１１内に記憶する（ステップＳ２０１）。この処理は、所定数のエンジンサイクルNが分析されるまで繰り返される。次に、ピーク周波数の分布を評価することで、サイクルの中で優占的な周波数最大のサイクルによる噴射力を特徴づけることが可能となる。

図８ｃに、圧力センサーの代わりにトルクセンサーを利用することを除く、圧力センサー信号の後処理に類似した処理を例示する。少なくとも一つのエンジンサイクルについて、サイクルベースのトルク信号を記録後、ステップＳ３００が実行可能となり、被測定トルク信号のタイムベースが、ここでは、点火タイミングからピーク発火圧までの被限定クランク角度範囲に短縮される。その後、ステップＳ３０１において、被短縮信号が、例えば、４ｋＨｚ～１０ｋＨｚの周波数範囲を備えたバンドパスフィルターによりフィルター処理される。ステップＳ３０２において、フィルター処理された信号の最大振幅が特定・記憶される。この処理は、運転ポイント毎に、所定数のサイクルNについて、最大トルク振動振幅が確定されるまで繰り返される。次に、全シリンダーにわたって平均化された副燃焼室噴流の噴射力を表すのに適当なサイクルベースの振幅最大値の平均が算定される。

再度要約すると、本願の発明主題は、副燃焼室１０ｃから主燃焼室１内へ流入する反応性噴流の噴射力を制御するための制御ユニット並びにその方法を提供するものである。噴射力は、噴流が副燃焼室１０ｃを逃避する際に、主燃焼室１内で発生する検知可能な圧力振動に相関可能である。実際の噴射力と目標噴射力との被検出差異に応じて、実際の噴射力を正確に調整可能である。この調整は、副燃焼室１０ｃ内へ噴射される燃料量、当該燃料量の燃料噴射タイミング及び／又は点火タイミング等の副燃焼室燃焼に影響を及ぼすパラメータを変化させることで実行される。副燃焼パラメータを調整するためのフィードバック制御を利用すると、内燃機関の効率性及び放出物質限界値をその耐用年数にわたって確保することが可能となる。

１・・主燃焼室、２・・ピストン、３・・連結ロッド、４・・吸気ポート、５・・排気ポート、６・・吸気バルブ、７・・排気バルブ、８・・直噴主燃料噴射器、９・・ポート主燃料噴射器、１０・・点火装置、１０ａ・・スパークプラグ、１０ｂ・・副燃焼室燃料噴射器、１０ｃ・・副燃焼室、１０ｄ・・副燃焼室壁、１０ｅ・・オリフィス、１１・・制御ユニット、１００・・シリンダー

Claims (14)

1. 少なくとも一つのシリンダー（１００）と、少なくとも一つの主燃焼室（１）と、少なくとも一つの吸気ポート（４）と、少なくとも一つの主燃料噴射器（８、９）と、前記主燃焼室（１）内の高周波振動を検出する構成の少なくとも一つの確定手段と、前記主燃焼室（１）内の空燃混合物を点火する構成の少なくとも一つの点火装置（１０）とを有する内燃機関を制御するための制御ユニット（１１）であって、
   前記点火装置（１０）は、スパークプラグ（１０ａ）と、副燃焼室燃料噴射器（１０ｂ）と、副燃焼室壁（１０ｄ）内の少なくとも一つのオリフィス（１０ｅ）を介して前記主燃焼室（１）に連結された副燃焼室（１０ｃ）を備え、
   前記副燃焼室（１０ｃ）から前記主燃焼室（１）内へ流入する反応性噴流の噴射力を制御する構成とし、
   前記主燃焼室内の前記被検出高周波振動に基づき、前記噴射力を表す特性パラメータを確定する構成としたことを特徴とする制御ユニット（１１）。
2. 前記少なくとも一つの確定手段は、圧力センサー、ノックセンサー及び／又はトルクセンサーであることを特徴とする、請求項１記載の制御ユニット（１１）。
3. 所定の周波数帯を備えたバンドパスフィルターを利用して、所定数のエンジンサイクルについて、所定の時間範囲において、前記被検出高周波振動を分析することでフィルター処理された信号を生成し、
   前記所定数のエンジンサイクル各々について、前記フィルター処理された信号の最大絶対振幅を特定し、前記被特定最大絶対振幅の平均値を算定することで前記特性パラメータを確定する構成とし、
   前記被算定平均値は、前記特性パラメータであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の制御ユニット（１１）。
4. 所定の周波数帯を備えたバンドパスフィルターを利用して、所定数のエンジンサイクルについて、所定の時間範囲において、前記被検出高周波振動を分析することでフィルター処理された信号を生成し、
   前記所定数のエンジンサイクル各々について、前記フィルター処理された信号のピーク周波数を特定し、前記被特定ピーク周波数の分布を算定することで前記特性パラメータを確定する構成とし、
   前記被算定分布は、前記特性パラメータであることを特徴とする、請求項１～３の少なくとも一つに記載の制御ユニット（１１）。
5. 前記副燃焼室内へ噴射される燃料量及び／又は前記副燃焼室燃料噴射器（１０ｂ）の噴射タイミングを調整することで、前記噴射力を調整する構成とし、
   前記噴射力は、現時点での特性パラメータと所定の目標特性パラメータとの差異に基づき調整されることを特徴とする、請求項１～４の少なくとも一つに記載の制御ユニット（１１）。
6. 前記主燃料噴射器（８、９）の噴射タイミング及び／又は前記スパークプラグ（１０ａ）に供給される点火エネルギーを調整することで前記噴射力を調整する構成とし、前記噴射力は、現時点での特性パラメータと所定の目標特性パラメータとの差異に基づき調整されることを特徴とする、請求項１～５の少なくとも一つに記載の制御ユニット（１１）。
7. 少なくとも一つのシリンダー（１００）と、少なくとも一つの主燃焼室（１）と、少なくとも一つの吸気ポート（４）と、少なくとも一つの主燃料噴射器（８、９）と、前記主燃焼室（１）内の高周波振動を検出する構成の少なくとも一つの確定手段と、請求項１～６の少なくとも一つに記載の少なくとも一つの制御ユニット（１１）と、前記主燃焼室（１）内の空燃混合物を点火する構成の少なくとも一つの点火装置（１０）とを有する内燃機関であって、
   前記点火装置（１０）は、スパークプラグ（１０ａ）と、副燃焼室燃料噴射器（１０ｂ）と、副燃焼室壁（１０ｄ）内の少なくとも一つのオリフィス（１０ｅ）を介して前記主燃焼室（１）に連結された副燃焼室（１０ｃ）を備えることを特徴とする内燃機関。
8. 前記副燃焼室（１０ｃ）から前記主燃焼室（１）内へ流入する反応性噴流の噴射力が、請求項１～７の少なくとも一つに記載の制御ユニット（１１）により制御されることを特徴とする、請求項７に記載の内燃機関を制御するための制御方法。
9. 前記噴射力は、前記主燃焼室内の前記被検出高周波振動に基づく特性パラメータにより表出されることを特徴とする、請求項８記載の制御方法。
10. 所定の周波数帯を備えたバンドパスフィルターを利用して、所定数のエンジンサイクルについて、所定の時間範囲において、前記被検出高周波振動を分析することでフィルター処理された信号が生成され、
    前記所定数のエンジンサイクル各々について、前記フィルター処理された信号の最大絶対振幅を特定し、前記被特定最大絶対振幅の平均値を算定することで前記特性パラメータが確定されることを特徴とする、請求項８又は９に記載の制御方法。
11. 所定の周波数帯を備えたバンドパスフィルターを利用して、所定数のエンジンサイクルについて、所定の時間範囲において、前記被検出高周波振動を分析することでフィルター処理された信号が生成され、
    前記所定数のエンジンサイクル各々について、前記フィルター処理された信号のピーク周波数を特定し、前記被特定ピーク周波数の分布を算定することで前記特性パラメータが確定されることを特徴とする、請求項８～１０の少なくとも一つに記載の制御方法。
12. 前記副燃焼室（１０ｃ）内へ噴射される燃料量及び／又は前記副燃焼室燃料噴射器（１０ｂ）の噴射タイミングが、現時点での特性パラメータと所定の目標特性パラメータとの差異に基づき調整されることを特徴とする、請求項８～１１の少なくとも一つに記載の制御方法。
13. 主燃料噴射器（８、９）の噴射タイミング及び／又はスパークプラグ（１０ａ）に供給される点火エネルギーが、現時点での特性パラメータと所定の目標特性パラメータとの差異に基づき調整されることを特徴とする、請求項８～１２の少なくとも一つに記載の制御方法。
14. コンピュータにより実行される場合、前記コンピュータに制御方法に係る請求項８～１３の少なくとも一つに記載の方法を実行させる指令を含むメモリー内に格納可能なコンピュータプログラム製品。

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