JP2000192828A - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

内燃機関の燃焼制御装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 運転領域によって高圧縮比での自己着火燃焼
と低圧縮比での火花点火燃焼を切換える内燃機関におい
て、切換え途中での運転性を向上させる。 【解決手段】 自己着火燃焼と火花点火燃焼の切換え時
の中間圧縮比サイクルにおいて、切換え域の低圧縮比側
では、点火時期を遅らせると共に、発生トルクが略同一
となるようにメイン噴射量を増量する。切換え域の高圧
縮比側では、膨張行程噴射、又は、マイナスオーバラッ
プ期間中の噴射と点火により、作動ガス温度を上昇さ
せ、また火花点火を併用する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば自動車用の
４サイクル型の火花点火式内燃機関で、特に特定の運転
領域にて自己着火燃焼を行わせる内燃機関の燃焼制御装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の自己着火運転領域を有する内燃機
関としては、例えば以下のようなものがある。
【０００３】２サイクル型の火花点火式内燃機関の分野
では、部分負荷時における燃焼不安定を解消すると共
に、ＨＣ（炭化水素）排出量の低減を図るために、シリ
ンダ内における自己着火燃焼を積極的に利用した技術が
提案されている。例えば、１９９４年７月１日発行の
「ＨＯＮＤＡ Ｒ＆Ｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｖｉ
ｅｗ」には、低負荷時に排気通路の一部を遮断すること
によってシリンダ内の残留ガス濃度を高めて、圧縮行程
開始時のシリンダ内圧を高め、自己着火の燃焼時期を制
御する例が記載されている。
【０００４】自己着火は、作動ガスの温度と圧力がある
レベル以上になる必要がある。その手段として、上記の
ようにＥＧＲガスを大量に使用したり、圧縮比を高めた
り、あるいは、両者を併用することにより、自己着火を
安定して起こす必要がある。
【０００５】その狙いで、本出願人から、このような自
己着火を４サイクル型の火花点火式内燃機関において積
極的に利用するための一つの例について、発明が提供さ
れている。
【０００６】その発明は、特願平１０−２３５７３０号
であり、吸気弁及び排気弁に、その作動期間やリフト量
を可変にする可変動弁装置を備え、これにより、通常の
火花点火運転時には、低圧縮比にし、自己着火運転時に
は、吸気弁と排気弁のオーバラップをマイナスにして、
排気の一部をシリンダ内に閉じ込め、いわゆる内部ＥＧ
Ｒ量を多く確保して、次のサイクルの作動ガス温度を高
めると共に、吸気弁の閉時期を下死点付近にして、有効
圧縮比を高くとり、圧縮上死点付近での圧力を極力高く
することで、圧縮温度と圧力の両方を自己着火が安定し
て起こるレベルにすることにより、自己着火を容易に安
定して起こさせるものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、火花点
火運転時と自己着火運転時で、圧縮比やＥＧＲ量の要求
が異なるため、自己着火運転領域が限られている場合に
は、運転状態に応じて火花点火と自己着火を切換える必
要があり、そのため、圧縮比やＥＧＲ量などを切換える
必要がある。その際、どうしても切換えの速度がエンジ
ンの次のサイクルまでに終了するほど速くないために、
例えば、圧縮比が火花点火で要求される圧縮比１０と自
己着火で要求される圧縮比１５の中間の値になるサイク
ルが出てくる。
【０００８】このような切換え時の中間圧縮比では、圧
縮比やＥＧＲ量は自己着火を起こすに不十分であり、し
かも、圧縮比やＥＧＲ量は、火花点火時期が通常の火花
点火時期設定のままではノッキングを起こすレベルにな
っているのである。つまり、このままでは、火花点火運
転モードと自己着火運転モードの切換え時に必ずノッキ
ングが起こることになり、運転者にとり不快であるばか
りか、エンジン本体の損傷にも繋がる可能性のあること
になる。
【０００９】その意味で、このような中間圧縮比では、
自己着火させるか、火花点火させるかして、正常な燃焼
をさせる必要がある。例えば、自己着火させようとする
と、作動ガス温度を高める必要があり、その手段として
は、例えば特開平１０−７３０１９号や特開平１０−１
２２０１５号にあるように、ピストンの膨張行程に燃料
を噴射することで排気ガス温度を高める手段がある。
【００１０】しかし、これらの発明は、排気管下流の触
媒を昇温する目的の発明であり、本発明のように、次の
サイクルの作動ガス温度を上昇させる課題や目的に対し
ては、以下に述べるようにそれだけでは不十分である。
つまり、排気ガス温度が高くなっても、それらがすべて
次のサイクルのエンジンの作動ガスになるわけではな
く、いわゆる外部ＥＧＲとしてＥＧＲ通路を経て吸気ポ
ートに送られても、時間遅れがあり、次のサイクルには
間に合わない。従って、オーバラップ期間中に吸気に吸
い戻される排気ガスとして、あるいは、シリンダ内に残
留するガスとして、温度が高くなった分が次のサイクル
のガス温度上昇に使われるだけで、燃費の悪化に対する
作動ガス温度の上昇という点では効率が必ずしも良くな
い。
【００１１】一方、特開平１０−１９６４２４号には、
ピストンの圧縮のみでは自己着火が起きないようにし、
他の手段でピストンの圧縮上死点付近で温度を上昇させ
て、自己着火を安定して起こさせる発明がある。これに
よれば、中間圧縮比において、圧縮比やＥＧＲ量が不足
して自己着火が起きないサイクルでも自己着火が起こせ
るが、実はこの機関の基本的な圧縮比は自己着火が起き
ないほど低く、したがって、サイクルの熱効率は低くな
らざるを得ない。
【００１２】本発明は、内燃機関の熱効率を高くするた
めに、高い圧縮比で運転を可能にする内燃機関を狙って
おり、サイクルの熱効率が低下する手段では、その目的
を達成できない。
【００１３】すなわち、自己着火運転時には、極力高い
圧縮比で、サイクル熱効率を極力高くする内燃機関を実
現する狙いが本発明にはあり、それに伴い、自己着火運
転領域以外の領域では通常のそれよりも低い圧縮比で運
転せざるを得ない本発明独特の特徴が生起される。
【００１４】つまり、自己着火運転時にはベースエンジ
ンの圧縮比はサイクル熱効率の高い、それだけで自己着
火が起こる高圧縮比になることが本発明の前提であり、
これが特開平１０−１９６４２４号との大きな差異点で
あり、特開平１０−１９６４２４号にある手段では本発
明の目的が達成できないことは明白である。
【００１５】無論、本発明では、自己着火を起こさせる
ために、圧縮比と内部ＥＧＲの両方を活用する内燃機関
も対象としているが、内部ＥＧＲは作動ガスの供給され
る以前からシリンダ内にあって、シリンダ内のガス温度
を高く保っている。これは、可燃混合気に対して付加的
に温度上昇を与えるとは言えず、かつ本発明にあるよう
な直接噴射の場合には、可燃混合気の温度上昇でなく、
内部ＥＧＲガスの作用として、吸入空気温度を高めるこ
とになるので、可燃混合気を付加的に温度を高めること
にはなっていないことは明白である。
【００１６】本発明は、以上のような状況の下に、自己
着火運転と火花点火運転の切換え時に、切換え手段の時
間遅れがあるために、いくつかの過渡的なサイクルにお
いて、そのサイクルの有効圧縮比やＥＧＲ量が中間的に
なり、自己着火が起きずに、ノッキングが発生し、運転
者や同乗者に対して不快であるばかりか、エンジンの安
定性が損なわれ、運転性が悪化する可能性があり、ま
た、ノッキングの程度が激しい場合は、エンジン本体の
損傷を生起する可能性があるという問題点を解決するこ
とを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】このため、請求項１に係
る発明では、図１に示すように、低負荷において高圧縮
比で自己着火燃焼、高負荷において低圧縮比で火花点火
燃焼を行う内燃機関の燃焼制御装置において、自己着火
燃焼と火花点火燃焼の切換え時の中間圧縮比サイクルに
おいて、切換え域の低圧縮比側では点火時期を調整した
火花点火燃焼、切換え域の高圧縮比側では自己着火燃焼
を行わせる切換え時制御手段を設けたことを特徴とす
る。
【００１８】請求項２に係る発明では、請求項１に係る
発明において、前記切換え域の低圧縮比側では、点火時
期調整手段により、点火時期を遅らせると共に、発生ト
ルクが略同一となるよう、燃料噴射量調整手段により、
燃料噴射量を調整することを特徴とする。
【００１９】請求項３に係る発明では、請求項２に係る
発明において、点火時期の遅延量は、圧縮比が高いほど
大きくすることを特徴とする。請求項４に係る発明で
は、請求項１〜３に係る発明において、前記切換え域の
高圧縮比側では、作動ガス温度上昇手段により、作動ガ
ス温度を上昇させることを特徴とする。
【００２０】請求項５に係る発明では、請求項４に係る
発明において、前記作動ガス温度上昇手段は、ピストン
の膨張行程で追加の燃料を噴射するものであることを特
徴とする。
【００２１】請求項６に係る発明では、請求項４に係る
発明において、自己着火燃焼時に吸気弁と排気弁のオー
バラップがマイナスになるように調整する可変動弁装置
を備え、前記作動ガス温度上昇手段は、ピストンの膨張
行程で追加の燃料を噴射するものであることを特徴とす
る。ここで、マイナスのオーバラップとは、排気弁の閉
時期を上死点より早くし、吸気弁の開時期を上死点より
遅くして、上死点付近で吸気弁及び排気弁が共に閉じて
いる期間を設けることをいう。
【００２２】請求項７に係る発明では、請求項４に係る
発明において、自己着火燃焼時に吸気弁と排気弁のオー
バラップがマイナスになるように調整する可変動弁装置
を備え、前記作動ガス温度上昇手段は、マイナスオーバ
ラップ期間中のピストンの上昇行程で追加の燃料を噴射
し、かつマイナスオーバラップ期間中に点火プラグを作
動させて、追加の燃料を燃焼させるものであることを特
徴とする。
【００２３】請求項８に係る発明では、請求項５〜７に
係る発明において、追加の燃料噴射量は、圧縮比が高い
ほど少なくすることを特徴とする。請求項９に係る発明
では、請求項５〜８に係る発明において、追加の燃料噴
射量は、ＥＧＲ量が多いほど少なくすることを特徴とす
る。
【００２４】請求項１０に係る発明では、請求項１〜９
に係る発明において、前記切換え域の高圧縮比側でも点
火を行い、かつその点火時期は圧縮比が高いほど遅らせ
ることを特徴とする。
【００２５】請求項１１に係る発明では、請求項１〜１
０に係る発明において、自己着火燃焼時の圧縮比は、そ
れだけで自己着火燃焼が可能な圧縮比とすることを特徴
とする。
【００２６】
【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、自己着火
燃焼と火花点火燃焼の切換え時の中間圧縮比サイクルに
おいて、切換え域の低圧縮比側では点火時期を調整した
火花点火燃焼、切換え域の高圧縮比側では自己着火燃焼
を行わせることにより、自己着火燃焼と火花点火燃焼の
切換え中にノッキングが発生することなく、両運転領域
を円滑に移行できるので、良好な運転性や静粛性を得る
ことができるという効果が得られる。
【００２７】請求項２に係る発明によれば、切換え域の
低圧縮比側では、点火時期を遅らせると共に、発生トル
クが略同一となるよう、燃料噴射量を調整することによ
り、ノッキングを回避できるのみならず、安定した回転
を確保することができる。
【００２８】請求項３に係る発明によれば、点火時期の
遅延量は、圧縮比が高いほど大きくすることで、ノッキ
ング回避効果を適切なものとすることができる。請求項
４に係る発明によれば、切換え域の高圧縮比側では、作
動ガス温度上昇手段により、作動ガス温度を上昇させる
ことにより、安定して自己着火を起こさせることができ
る。
【００２９】請求項５に係る発明によれば、ピストンの
膨張行程で追加の燃料を噴射することによって、作動ガ
ス温度を確実に上昇させることができ、安定して自己着
火を起こさせることができる。
【００３０】請求項６に係る発明によれば、自己着火燃
焼時にマイナスのオーバラップになるように調整した上
で、ピストンの膨張行程で追加の燃料を噴射することに
よって、作動ガス温度を更に確実に上昇させることがで
き、安定して自己着火を起こさせることができる。
【００３１】請求項７に係る発明によれば、自己着火燃
焼時にマイナスのオーバラップになるように調整した上
で、マイナスオーバラップ期間中のピストンの上昇行程
で追加の燃料を噴射し、かつマイナスオーバラップ期間
中に点火プラグを作動させて、追加の燃料を燃焼させる
ことによって、作動ガス温度を更に確実に上昇させるこ
とができ、安定して自己着火を起こさせることができ
る。
【００３２】請求項８に係る発明によれば、追加の燃料
噴射量は、圧縮比が高いほど少なくすることで、適切に
制御できる。請求項９に係る発明によれば、追加の燃料
噴射量は、ＥＧＲ量が多いほど少なくすることで、適切
に制御できる。
【００３３】請求項１０に係る発明によれば、切換え域
の高圧縮比側でも点火を行い、かつその点火時期は圧縮
比が高いほど遅らせることで、自己着火が起きなかった
場合でも、火花点火により燃焼を起こさせ、運転性や排
気の悪化を防止することができる。
【００３４】請求項１１に係る発明によれば、自己着火
燃焼時の圧縮比は、それだけで自己着火燃焼が可能な圧
縮比とすることで、熱効率を極力高くすることができ
る。
【００３５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図２は本発明の一実施形態を示す内燃機関
の概略図である。
【００３６】まず構成を説明すると、エンジンのシリン
ダ１とピストン２により画成される燃焼室３には、吸気
ポート４及び排気ポート５の開口部に、吸気弁６及び排
気弁７を備えている。また、燃焼室３に臨むように、火
花点火用の点火プラグ８を備えると共に、直噴式の燃料
噴射弁９を備えている。
【００３７】吸気弁６及び排気弁７を駆動する各カムシ
ャフトには、各カムによる吸気弁６及び排気弁７の作動
期間とリフト量の両方を制御可能な可変動弁装置１０，
１１が設けられている。尚、可変動弁装置１０，１１の
アクチュエータとしては、例えば油圧又は電動モータな
どが用いられる。
【００３８】これにより、通常の火花点火運転時には、
図３（１）に示すように、吸気弁の開時期を上死点（Ｔ
ＤＣ）より早く、排気弁の閉時期を上死点より遅くし
て、吸気弁と排気弁のオーバラップを持たせ、同時に、
吸気弁の閉時期を下死点（ＢＤＣ）よりも遅くして、圧
縮比をノッキングしない程度の低圧縮比、例えば１０程
度に設定する。
【００３９】自己着火運転時には、吸気弁と排気弁の作
動期間とリフト量の制御により、図３（４）に示すよう
に、排気弁の閉時期を上死点より早く、吸気弁の開時期
を上死点より遅くして、マイナスオーバラップを設け
る。すなわち、排気弁を排気行程の途中で閉じ、排気ガ
スの一部をシリンダ内にとどまらせて（内部ＥＧＲ）、
上死点の前後で圧縮・膨張させ、シリンダ内圧力が吸気
ポート圧力程度になったときに吸気弁を開いて新しい空
気をシリンダ内に吸入する。これにより、新しい空気は
その１つ前のサイクルの残留ガスにより加熱される。同
時に、吸気弁の閉時期は、下死点付近として、圧縮比を
高圧縮比（このエンジンでの最大有効圧縮比）、例えば
１５程度に設定する。従って、新しい空気は残留ガスで
加熱されると共に、圧縮比を高くとれるので、圧縮上死
点付近での温度と圧力が自己着火を安定的に起こさせる
ようなレベルに達することが可能となる。
【００４０】燃料噴射弁９は、直噴式で、これにより後
述するメイン噴射及び補助噴射の両方を行うようにして
いるが、吸気ポート４にて燃料を噴射する燃料噴射弁
と、直噴式の燃料噴射弁とを設けて、メイン噴射を吸気
ポート側の燃料噴射弁、補助噴射を直噴式の燃料噴射弁
によって行うようにしてもよい。
【００４１】点火プラグ８、燃料噴射弁９の他、吸気弁
６と排気弁７の可変動弁装置１０，１１は、図示しない
コントロールユニットに接続され、該コントロールユニ
ットからの信号に基づいて制御される。
【００４２】コントロールユニットは、例えば、エンジ
ン回転数、アクセルペダル開度（トルク）などの信号を
入力し、図４に示すような低負荷側の自己着火運転領域
と高負荷側の火花点火運転領域の判別を行う。更に、吸
気弁６や排気弁７の作動をモニタする信号を入力し、例
えば、吸気弁の閉時期からサイクル毎の有効圧縮比の算
出、吸気弁の開時期と排気弁の閉時期から、オーバラッ
プ量の算出と内部ＥＧＲ量の算出を行う。
【００４３】次に作用を説明する。まず、図５におい
て、従来の内燃機関の場合の過渡特性挙動を、火花点火
運転領域から自己着火運転領域に移行する場合を例にと
って、説明する。自己着火運転領域から火花点火運転領
域に移行する場合は、図５の逆をたどることになる。
【００４４】図５の時刻Ｔ０において、自己着火に移行
する判断がコントロールユニットで行われ、自己着火指
示信号がＯｎとなる。それに従い、吸気弁と排気弁の作
動を変更するために、可変動弁装置において油圧又は電
動モータなどのアクチュエータが動きはじめ、圧縮比や
ＥＧＲ量（内部ＥＧＲ量）がサイクル毎に変化していく
が、Ｏｎとなったその次のサイクルではまだ、圧縮比や
ＥＧＲ量もほとんど火花点火運転時のままであり、アク
チュエータの作動所要時間（Ｔ０〜Ｔ３）による遅れの
ため、圧縮比とＥＧＲ量はサイクル毎に徐々に変化し、
最終的に自己着火が安定して起こるのは、例えば８サイ
クル目の時刻Ｔ３になる。
【００４５】図５の時刻Ｔ１において、圧縮比とＥＧＲ
量がやや高くあるいは多くなるので、火花点火時期がそ
のままでは、ノッキングが起こる。そのままカムの移行
を続けると、時刻Ｔ２において、圧縮比とＥＧＲ量が自
己着火を起こさせるレベルに達し、自己着火が起こり、
ノッキングはなくなる。
【００４６】すなわち問題になるのは、この時刻Ｔ１か
らＴ２までの間である。この間は、圧縮比とＥＧＲ量は
それぞれ高くあるいは多くなる過程にありながら、自己
着火を起こすには不足で、点火時期が低圧縮比での設定
のままの場合は、ノッキングを起こしてしまう領域であ
る。
【００４７】図６に本発明の作用を示す。本発明は、時
刻Ｔ１とＴ２の間に注目しており、この間を２つに分
け、中間圧縮比での低圧縮比側と高圧縮比側に分ける。
時刻Ｔ４をその分ける時刻とする。
【００４８】時刻Ｔ１とＴ４の間（制御上は時刻Ｔ０と
Ｔ４の間）では、図３（２）に示すような切換え途中の
吸排気弁の開閉状況であるので、まだ、圧縮比もＥＧＲ
量も比較的低くかつ少ない。従って、火花点火をさせる
が、点火時期をリタード（遅延）させる。この際、図７
に示すように、点火時期リタードによりノッキング限界
となる圧縮比が高くなり、ノッキングを回避できる。
【００４９】その一方、同じく図７に示すように、点火
時期リタードにより熱発生時期が遅れるため、サイクル
効率が悪化して、トルクが減少する。そのため、そのト
ルク減少分ΔＴorque を補うために、吸気行程でのメイ
ン噴射量Ｑmainを増量する。これにより空燃比がリッチ
側となり、更にノッキング回避効果も大きくできる。こ
のメイン噴射量Ｑmainの増量分は、圧縮比が高いほど、
つまりＴ４に近いほど、多くすることは言うまでもな
い。
【００５０】次に時刻Ｔ４になると、すなわち、時刻Ｔ
４とＴ２の間（制御上は時刻Ｔ４とＴ３の間）では、図
３（３）に示すような切換え途中の吸排気弁の作動状況
となるので、圧縮比やＥＧＲ量が比較的高くかつ多くな
る。従って、補助的な作動ガス温度上昇手段で作動ガス
温度を上昇させて、自己着火燃焼させる。
【００５１】図６では、作動ガス温度上昇手段として、
ピストンの膨張行程で追加の燃料（補助燃料）を噴射す
る手段を用いて、排気温度を高める例を示している。追
加の燃料噴射量（膨張行程噴射量）Ｑadd は、Ｔ４付近
で最も多く、それ以降減量され、切換えが完了する時刻
Ｔ３でゼロになる。これは、圧縮比やＥＧＲ量がＴ４か
らＴ３になるにつれ高くかつ多くなり、時刻Ｔ３の手前
のＴ２で自己着火が起こるほど十分なレベルに達するた
めである。
【００５２】図８に更に詳細に示すように、補助燃料は
膨張行程に噴射され、それにより排気温度が高くなる。
通常はオーバラップが少ないので、排気ガスが残留ガス
としてそれほど次のサイクルには回らず、単に膨張行程
噴射するだけでは効果が得られにくいが、本実施形態で
は、マイナスオーバラップとしているため、Ｔ４からＴ
３の間では、図３（３）に示すように、マイナスオーバ
ラップがかなり大きくなり、排気ガスのより多くの一部
が確実にシリンダ内にトラップされ、次のサイクルの作
動ガス温度をかなり上昇させることができる。従って、
本発明では、膨張行程噴射により、マイナスオーバラッ
プ構成とすることで、有効に次のサイクルの作動ガス温
度上昇を実現できている。
【００５３】また、この際、図６と図８にあるように、
火花点火も併用する。この火花点火の点火時期は、圧縮
比が高いほど、あるいはＥＧＲ量が多いほどリタードし
ていて、図８では上死点後に設定されている。これは、
自己着火が起きなかった場合でも、火花点火により燃焼
を起こさせ、エンジンが失火することなく、回り続け
て、運転性や排気の悪化が起こることを防ぐためであ
る。
【００５４】更に、図９には、膨張行程噴射とは別の作
動ガス温度上昇手段として、マイナスオーバラップ期間
中のピストンの上昇行程で追加の燃料（補助燃料）を噴
射し、かつマイナスオーバラップ期間中に点火プラグを
作動させて、追加の燃料を燃焼させる手段を用いた例を
示す。
【００５５】これは、マイナスオーバラップ期間中に、
燃料を直接噴射し、火花点火して燃焼させることによ
り、ＥＧＲガスの温度を更に上昇させて、少ないＥＧＲ
量でも、新しい空気を十分加熱して自己着火を起こさせ
るようにするためである。
【００５６】この補助燃料噴射は、ピストンが排気行程
で上昇する期間で、噴射した燃料が排気弁から吹き抜け
ないタイミングであり、かつ、マイナスオーバラップ期
間中に噴射される。望ましくは、上死点前３０度から７
０度付近とされる。
【００５７】点火は、マイナスオーバラップ中に行わ
れ、望ましくは、上死点前後に行われる。あまり早い時
期に点火すると、エンジンのマイナス仕事が増えるた
め、望ましくは、上死点前３０度より後に点火されるよ
うに設定される。
【００５８】このような補助的な作動ガス温度上昇手段
は、マイナスオーバラップ構成特有のものであり、全て
の噴射燃料がＥＧＲガスの温度上昇に使われるため効率
が良い。また、点火時期を選ぶことにより、熱発生を上
死点後にして、ピストンに対してプラスの仕事を行い、
補助燃料噴射による燃費悪化を最小限にできる特徴があ
る。また、噴射量が多く、ＥＧＲガスの酸素が少ない場
合、未燃ＨＣが生成するが、その生成した未燃ＨＣは、
逆に燃焼中間生成物として、そのサイクルの自己着火を
容易に起こす作用があるので、好都合である。従ってこ
の補助燃料の噴射量も、図６の膨張行程噴射量Ｑadd と
同じく、Ｔ４付近で最大で、Ｔ３に近づくにしたがって
少なくなり、Ｔ３ではゼロになるように設定される。
【００５９】高圧縮比自己着火運転モードから、低圧縮
比火花点火運転モードに切換わる際は、上記の逆を行
う。図１０は上記制御をフローチャートにより示したも
のである。
【００６０】ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同
様）では、運転領域を判別し、高負荷側の場合は、ステ
ップ２へ進んで、低圧縮比での火花点火制御を行う。ま
た、低負荷の場合は、ステップ３へ進んで、高圧縮比で
の自己着火燃焼制御を行う。
【００６１】また、ステップ４では、火花点火燃焼と自
己着火燃焼との切換え域か否かを判定し、切換え域の場
合は、次のように制御する（切換え時制御手段）。ステ
ップ５で実圧縮比を判定し、低圧縮比側の場合は、ステ
ップ６で点火時期をリタードさせる（点火時期調整手
段）。また、ステップ７でメイン噴射量を増量する（燃
料噴射量調整手段）。
【００６２】高圧縮比側の場合は、ステップ８で膨張行
程噴射又はマイナスオーバラップ期間中の噴射と点火に
より作動ガス温度を上昇させる（作動ガス温度上昇手
段）。また、ステップ９で火花点火を併用する。
【００６３】本発明の説明として、図３のマイナスオー
バラップ構成の例で説明してきたが、その他の自己着火
運転領域を伴う内燃機関の例として、メカニカルな可変
圧縮比のみのシステム（バルブタイミングは変えない）
が考えられる。この場合においても、圧縮比が上がって
いく初期は、点火時期リタードで対応できるが、より圧
縮比が上がると、もはや点火時期リタードでは出力が低
下して対応できない。また、バルブタイミングが変更さ
れないので残留ガス量が多くなく、排気温度を上昇させ
てもその効果は抑制されるが、自己着火の促進効果は得
られる。この場合でも以下の作用を行う。
【００６４】低圧縮比火花点火運転モードから、高圧縮
比自己着火運転モードに切換わる際、切換え指示直後か
ら、圧縮比が上がるにつれてノッキングしやすくなるた
め、点火時期を遅らせて、ノッキングを抑制しつつ火花
点火させる。
【００６５】更に圧縮比が上がると、ピストン膨張行程
に追加の燃料を噴射し燃焼を起こさせ、次のサイクルヘ
の残留ガスの温度を上昇させ、次のサイクルでの自己着
火を十分な高圧縮比でなくても起こさせる。
【００６６】更に圧縮比が上がると、追加の燃料噴射を
止める。このとき、自己着火運転モードへの移行を完了
したことになる。マイナスオーバラップのシステムに比
べ、追加噴射燃料の全てが次のサイクルの吸気温度を上
昇させるわけではないので、その温度上昇効率は劣る。
【００６７】しかし、圧縮比の応答速度を実用上十分速
くすることにより、ノッキング抑制しつつ自己着火燃焼
を実現できる。高圧縮比自己着火運転モードから、低圧
縮比火花点火運転モードに切換わる際は、上記の逆を行
う。
【００６８】また、他の例として、吸気弁のカム軸をひ
ねることで圧縮比を調整する場合もある。この場合、低
圧縮比ではバルブオーバラップは少なく、高圧縮比では
バルブオーバラップが大きくなり、より残留ガスが多く
なる。この場合では、圧縮比が上がっていく初期は、点
火時期のリタードで対応でき、より圧縮比が上がると、
同時にオーバラップ量も大きくなっている。このため、
排気ガスの温度を上昇させると次のサイクルヘの残留ガ
ス量が多いので、次のサイクルの吸気温度も上昇し、完
全に圧縮比が上がらなくても、自己着火を起こすことが
できる。
【００６９】低圧縮比火花点火運転モードから、高圧縮
比自己着火運転モードに切換わる際、切換え指示直後か
ら、圧縮比が上がるにつれてノッキングしやすくなるた
め、点火時期を遅らせて、ノッキングを抑制しつつ火花
点火させる。
【００７０】更に圧縮比が上がると、ピストン膨張行程
に追加の燃料を噴射し燃焼を起こさせ、次のサイクルヘ
の残留ガスの温度を上昇させ、次のサイクルでの自己着
火を十分な高圧縮比でなくても起こさせる。このとき、
バルブオーバラップ量も多くなっているので、次のサイ
クルの吸気ガス温度も上昇する。このため、圧縮比が完
全に上昇しなくても、自己着火を起こすことができる。
【００７１】更に圧縮比が上がると、圧縮比のみでも自
己着火が起こるので、追加の燃料噴射を止める。このと
き、自己着火運転モードへの移行を完了したことにな
る。マイナスオーバラップのシステムに比べ、追加噴射
燃料の全てが次のサイクルの吸気温度を上昇させるわけ
ではないので、その温度上昇効率は劣るが、バルブタイ
ミングが同じままのメカニカルな可変圧縮比システムに
比べれば、温度上昇効率は高い。
【００７２】高圧縮比自己着火運転モードから、低圧縮
比火花点火運転モードに切換わる際は、上記の逆を行
う。以上のように、本実施形態に係る内燃機関の燃焼制
御装置では、高圧縮比の自己着火と低圧縮比の火花点火
の運転の切換え時において、切換え途中の中間圧縮比に
おいて、低圧縮比側では点火プラグによる点火時期をリ
タードしてノッキングを抑制すると共に、高圧縮比側で
は作動ガス温度を補助的かつ一時的な手段で上昇させて
自己着火を起こさせるようにしたので、切換え中にノッ
キングが発生することなく、自己着火に移行できるの
で、良好な運転性や静粛性が保たれるという効果が実現
される。
【００７３】この結果として、自己着火が安定して実現
できるので、従来のように吸気通路の途中に設けられた
スロットル弁によって、部分負荷時に吸入される新気の
量を制限する必要がないため、吸入負圧に起因するポン
ピングロスの低減が可能となる。
【００７４】特に、自己着火時にマイナスオーバラップ
構成にする場合には、圧縮比とＥＧＲ量が共に動くの
で、排気温度上昇、あるいは、吸気上死点での補助噴射
燃料への点火などが、有効に次のサイクルの作動ガス温
度の上昇に使われるという効果が得られる。但し、マイ
ナスオーバラップにしない構成のエンジンでも、本発明
による効果は実用上十分得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の構成を示す機能ブロック図
【図２】 本発明の一実施形態を示す内燃機関の概略図
【図３】 可変動弁装置による自己着火運転と火花点火
運転の切換え作動の一例を示す図
【図４】 自己着火運転領域と火花点火運転領域の一例
を示す図
【図５】 従来の自己着火燃焼と火花点火燃焼の切換え
時の制御を示す図
【図６】 本発明の自己着火燃焼と火花点火燃焼の切換
え時の制御の一例を示す図
【図７】 点火時期リタードによるノック回避とトルク
減少を示す図
【図８】 中間圧縮比の高圧縮比側の作用の一例を示す
図
【図９】 マイナスオーバラップによる自己着火運転シ
ステムにおける切換え時の中間圧縮比の高圧縮比側の作
用の一例を示す図
【図１０】 切換え制御の概略を示すフローチャート
【符号の説明】
１ シリンダ ２ ピストン ３ 燃焼室 ４ 吸気ポート ５ 排気ポート ６ 吸気弁 ７ 排気弁 ８ 点火プラグ ９ 燃料噴射弁 １０，１１ 可変動弁装置
───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｆ０２Ｍ 25/07 ５７０ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５７０Ｚ Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｂ (72)発明者 荒井 孝之 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 谷山 剛 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 Ｆターム(参考） 3G022 AA00 BA01 CA09 DA02 EA02 EA07 GA05 3G023 AA06 AA17 AB06 AC04 AF00 AG00 3G062 AA10 BA08 BA09 CA07 CA08 GA00 GA06 GA26 3G092 AA01 AA02 AA06 AA11 AA12 BA08 BA09 BB01 BB06 BB13 DA01 DA02 DA03 DA12 DC09 DD03 DG05 DG08 EA01 EA02 EA03 EA04 EA11 FA04 FA05 FA14 FA15 FA16 FA24 GA05 GA06 GA14 HA13X HA13Z HB01X HB02X HC03X HC09X HD07X HE01Z HF08Z 3G301 HA01 HA02 HA04 HA19 JA04 JA21 JA22 JA37 KA11 LA07 LB04 MA11 MA19 MA23 NE01 NE06 NE11 NE12 NE21 PB03A PB05A PC05A PD15A PE09A PE10A PE10Z PF03Z

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】低負荷において高圧縮比で自己着火燃焼、
    高負荷において低圧縮比で火花点火燃焼を行う内燃機関
    の燃焼制御装置において、 自己着火燃焼と火花点火燃焼の切換え時の中間圧縮比サ
    イクルにおいて、切換え域の低圧縮比側では点火時期を
    調整した火花点火燃焼、切換え域の高圧縮比側では自己
    着火燃焼を行わせる切換え時制御手段を設けたことを特
    徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
  2. 【請求項２】前記切換え域の低圧縮比側では、点火時期
    調整手段により、点火時期を遅らせると共に、発生トル
    クが略同一となるよう、燃料噴射量調整手段により、燃
    料噴射量を調整することを特徴とする請求項１記載の内
    燃機関の燃焼制御装置。
  3. 【請求項３】点火時期の遅延量は、圧縮比が高いほど大
    きくする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。
  4. 【請求項４】前記切換え域の高圧縮比側では、作動ガス
    温度上昇手段により、作動ガス温度を上昇させることを
    特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の
    内燃機関の燃焼制御装置。
  5. 【請求項５】前記作動ガス温度上昇手段は、ピストンの
    膨張行程で追加の燃料を噴射するものであることを特徴
    とする請求項４記載の内燃機関の燃焼制御装置。
  6. 【請求項６】自己着火燃焼時に吸気弁と排気弁のオーバ
    ラップがマイナスになるように調整する可変動弁装置を
    備え、 前記作動ガス温度上昇手段は、ピストンの膨張行程で追
    加の燃料を噴射するものであ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。
  7. 【請求項７】自己着火燃焼時に吸気弁と排気弁のオーバ
    ラップがマイナスになるように調整する可変動弁装置を
    備え、 前記作動ガス温度上昇手段は、マイナスオーバラップ期
    間中のピストンの上昇行程で追加の燃料を噴射し、かつ
    マイナスオーバラップ期間中に点火プラグを作動させ
    て、追加の燃料を燃焼させるものであることを特徴とす
    る請求項４記載の内燃機関の燃焼制御装置。
  8. 【請求項８】追加の燃料噴射量は、圧縮比が高いほど少
    なくすることを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれ
    か１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
  9. 【請求項９】追加の燃料噴射量は、ＥＧＲ量が多いほど
    少なくすることを特徴とする請求項５〜請求項８のいず
    れか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
  10. 【請求項１０】前記切換え域の高圧縮比側でも点火を行
    い、かつその点火時期は圧縮比が高いほど遅らせること
    を特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載
    の内燃機関の燃焼制御装置。
  11. 【請求項１１】自己着火燃焼時の圧縮比は、それだけで
    自己着火燃焼が可能な圧縮比とすることを特徴とする請
    求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載の内燃機関の
    燃焼制御装置。
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