JP2001280165A - ガソリン自己着火式内燃機関 - Google Patents

ガソリン自己着火式内燃機関

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 連続して安定した自己着火燃焼を起こさせる
と共に、冷却損失を最小化し燃費を向上させたガソリン
自己着火式内燃機関を提供する。 【解決手段】 開閉時期可変手段１３は、排気行程から
吸気行程にかけて排気弁９及び吸気弁５が共に閉じたマ
イナスオーバーラップ期間の長さを可変とする。燃焼室
１に臨む燃料噴射弁７は、マイナスオーバーラップ期間
中に筒内に直接ガソリンを噴射する。エンジンコントロ
ールユニット１４は、マイナスオーバーラップ期間中の
混合気の着火性を判断するとともに、この判断結果に基
づいて開閉時期可変手段１３によるマイナスオーバーラ
ップ期間の長さを最小限に制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガソリンを燃料と
して少なくとも一部の運転領域で圧縮自己着火燃焼を行
うガソリン自己着火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の自己着火式内燃機関において、吸
排気弁のバルブタイミングを可変とした特開平１０−２
６６８７８号公報記載の技術がある。
【０００３】この従来技術によれば、クランク軸からタ
イミングベルトやタイミングチェーンで駆動されるカム
ギアとカムシャフトとの間にヘリカルスプライン機構を
設け、クランク軸に対するカムシャフトの位相を可変と
することにより吸排気弁の開閉タイミングを可変として
いる。
【０００４】これにより機関低負荷から中負荷域に設定
される自己着火運転領域において、排気弁の閉弁時期と
吸気弁の開弁時期との間に燃焼室が密室となる所謂マイ
ナスオーバーラップ期間（または密閉期間）を設け、高
温排気ガスの一部を燃焼室へ閉じ込め、次の燃焼サイク
ルへ循環させる内部ＥＧＲを行っている。
【０００５】そして、負荷の上昇とともに排気弁の閉弁
時期を遅角させ、かつ吸気弁の開弁時期を進角させ、マ
イナスオーバーラップ期間を徐々に減少させて内部ＥＧ
Ｒ量を減少するように設定している。また、低負荷およ
び高負荷領域においては吸気弁の閉弁時期を早め、中負
荷領域においては閉弁時期を遅らせる。これにより低負
荷から中、高負荷領域まで安定した自己着火運転を実現
しようとするものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の技術においては、暖機時や加速時など、内燃機関が過
渡状態にある場合の筒内壁温の変化や、定常状態での、
吸気温度の変化や吸入空気量のサイクルばらつき、燃料
噴射量のサイクルばらつきなどに起因するサイクルごと
の筒内壁温の変化など、筒内の温度条件の変化に対応で
きず、連続して安定した自己着火燃焼を行えないという
問題点があった。
【０００７】また、連続して安定した自己着火燃焼を行
うために、必要以上のマイナスオーバーラップ期間を設
定すると、サイクル中の筒内の温度が常に高くなるの
で、冷却損失が増大し燃費が悪化するという問題点があ
った。
【０００８】すなわち上記マイナスオーバラップ期間
は、安定した着火を継続させ、かつ冷却損失を最小にす
る最適値があり、上記マイナスオーバーラップ期間を最
適値（必要最小量）に設定するための制御が必要とな
る。
【０００９】以上の問題点に鑑み本発明の目的は、連続
して安定した自己着火燃焼を起こさせると共に、冷却損
失を最小化し燃費を向上させたガソリン自己着火式内燃
機関を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
請求項１記載の発明は、少なくとも一部の運転領域で混
合気を圧縮自己着火燃焼させるガソリン自己着火式内燃
機関において、排気行程から吸気行程にかけて排気弁及
び吸気弁が共に閉じたマイナスオーバーラップ期間の長
さを可変とする可変バルブタイミング機構と、前記マイ
ナスオーバーラップ期間中に筒内に直接ガソリンを噴射
することができる燃料噴射弁と、前記マイナスオーバー
ラップ期間中の混合気の着火性を判断する着火性判断手
段と、該着火性判断手段による判断結果に基づいて前記
可変バルブタイミング機構によるマイナスオーバーラッ
プ期間の長さを制御する制御手段と、を備えたことを要
旨とする。
【００１１】上記目的を達成するため請求項２記載の発
明は、請求項１記載のガソリン自己着火式内燃機関にお
いて、前記着火性判断手段は、前記マイナスオーバーラ
ップ期間中の当量比を予測する当量比予測手段と、前記
マイナスオーバーラップ期間中の筒内温度を予測する温
度予測手段と、を備え、これら予測された当量比及び温
度に基づいて前記マイナスオーバーラップ期間中の混合
気の着火性を判断することを要旨とする。
【００１２】上記目的を達成するため請求項３記載の発
明は、請求項１記載のガソリン自己着火式内燃機関にお
いて、前記着火性判断手段は、前記マイナスオーバーラ
ップ期間中の当量比を予測する当量比予測手段と、前記
マイナスオーバーラップ期間中の筒内圧力を予測する圧
力温度予測手段と、を備え、これら予測された当量比及
び圧力に基づいて前記マイナスオーバーラップ期間中の
混合気の着火性を判断することを要旨とする。
【００１３】上記目的を達成するため請求項４記載の発
明は、請求項２または請求項３記載のガソリン自己着火
式内燃機関において、排気温度を検出する排気温度検出
手段と、吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
吸入空気温度を検出する吸入空気温度検出手段と、必要
負荷に基づいて燃料噴射量を決定する噴射量決定手段
と、を更に備え、前記当量比予測手段は、前記吸入空気
量と前記燃料噴射量より燃焼期間中の当量比を計算し、
燃焼期間中の当量比・吸入空気温度・排気温度・排気弁
閉時期より前記マイナスオーバーラップ期間中の当量比
を予測することを要旨とする。
【００１４】上記目的を達成するため請求項５記載の発
明は、請求項２ないし請求項４のいずれか１項記載のガ
ソリン自己着火式内燃機関において、マイナスオーバー
ラップ期間中の温度または圧力は、排気弁閉時期の筒内
容積と排気上死点での筒内容積をもとに予測されること
を要旨とする。
【００１５】上記目的を達成するため請求項６記載の発
明は、請求項２または請求項３記載のガソリン自己着火
式内燃機関において、マイナスオーバーラップ期間中の
温度または圧力は、排気温度およびマイナスオーバーラ
ップ期間中の当量比より決められるポリトロープ指数よ
り、ポリトロープ変化として予測されることを要旨とす
る。
【００１６】上記目的を達成するため請求項７記載の発
明は、請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載のガ
ソリン自己着火式内燃機関において、前記着火性判断手
段は、温度・圧力および当量比ごとにマイナスオーバー
ラップ期間の長さの判断基準が予め設定されているとと
もに、予測されたマイナスオーバーラップ期間中の温度
・圧力より排気上死点における温度・圧力を代表値とし
て求め、これら代表値の温度・圧力およびマイナスオー
バーラップ期間中の当量比より前記判断基準を導出して
現在設定中のマイナスオーバーラップ期間が不足・適当
・過剰であるかを判断し、該判断結果が不足の場合はマ
イナスオーバーラップ期間を延長し、過剰の場合はマイ
ナスオーバーラップ期間を短縮するように前記制御手段
が制御することを要旨とする。
【００１７】上記目的を達成するため請求項８記載の発
明は、請求項１記載のガソリン自己着火式内燃機関にお
いて、前記着火性判断手段は燃料の改質度合いを判断す
ることにより前記マイナスオーバーラップ期間中の混合
気の着火性を判断するとともに、該判断結果に基づいて
前記制御手段はマイナスオーバーラップ期間を最小限に
制御することを要旨とする。
【００１８】上記目的を達成するため請求項９記載の発
明は、請求項８記載のガソリン自己着火式内燃機関にお
いて、前記着火性判断手段は、前記マイナスオーバーラ
ップ期間中の温度・圧力および当量比によりマイナスオ
ーバーラップ期間中に生成されるアルデヒドの濃度また
は量を予測する手段を持ち、予測されたアルデヒド量に
よりマイナスオーバーラップ期間中の燃料の改質度合い
を判断することを要旨とする。
【００１９】上記目的を達成するため請求項１０記載の
発明は、請求項９記載のガソリン自己着火式内燃機関に
おいて、予測されたアルデヒド量が不足・適当・過剰で
あるかを判断し、不足の場合はオーバーラップ期間を不
足アルデヒド量に比例して延長させ、過剰の場合はオー
バーラップ期間を過剰アルデヒド量に比例して短縮させ
ることを要旨とする。
【００２０】上記目的を達成するため請求項１１記載の
発明は、少なくとも一部の運転領域で混合気を圧縮自己
着火燃焼させるガソリン自己着火式内燃機関において、
排気行程から吸気行程にかけて排気弁及び吸気弁が共に
閉じたマイナスオーバーラップ期間の長さを可変とする
可変バルブタイミング機構と、前記マイナスオーバーラ
ップ期間中に筒内に直接ガソリンを噴射することができ
る燃料噴射弁と、燃焼の安定度を検出する安定度検出手
段と、前記安定度が十分な場合にはマイナスオーバーラ
ップ期間を短縮し、前記安定度が不十分な場合にはマイ
ナスオーバーラップ期間を延長させるように前記可変バ
ルブタイミング機構を制御する制御手段と、を備えたこ
と要旨とする。
【００２１】上記目的を達成するため請求項１２記載の
発明は、請求項１ないし請求項１１のいずれか１項記載
のガソリン自己着火式内燃機関において、マイナスオー
バーラップ期間を延長する場合が、マイナスオーバーラ
ップ期間を短縮する場合に比較して、その変化量が大き
くしたことを要旨とする。
【００２２】
【発明の効果】請求項１の発明によれば、少なくとも一
部の運転領域で混合気を圧縮自己着火燃焼させるガソリ
ン自己着火式内燃機関において、排気行程から吸気行程
にかけて排気弁及び吸気弁が共に閉じたマイナスオーバ
ーラップ期間の長さを可変とする可変バルブタイミング
機構と、前記マイナスオーバーラップ期間中に筒内に直
接ガソリンを噴射することができる燃料噴射弁と、前記
マイナスオーバーラップ期間中の混合気の着火性を判断
する着火性判断手段と、該着火性判断手段による判断結
果に基づいて前記可変バルブタイミング機構によるマイ
ナスオーバーラップ期間の長さを制御する制御手段と、
を備えたことにより、マイナスオーバーラップ期間中に
燃料噴射を行い、このマイナスオーバーラップ期間中の
混合気の着火性を判断して、マイナスオーバーラップ期
間を最小限に制御することができ、機関回転速度や負
荷、機関の運転状態（暖機・過渡・定常など）によらず
安定した自己着火を継続させることができるとともに、
冷却損失を最小にして燃費を向上させることができると
いう効果がある。
【００２３】請求項２の発明によれば、請求項１の発明
の効果に加えて、前記着火性判断手段は、前記マイナス
オーバーラップ期間中の当量比を予測する当量比予測手
段と、前記マイナスオーバーラップ期間中の筒内温度を
予測する温度予測手段と、を備え、これら予測された当
量比及び温度に基づいて前記マイナスオーバーラップ期
間中の混合気の着火性を判断するようにしたので、１０
００Ｋ程度の高温場における機関の着火性は温度による
感度が高いため、高負荷時の機関の着火性を正確に予測
することが可能となり、高負荷時のマイナスオーバーラ
ップ期間を必要最小量に制御することが容易となるとい
う効果がある。
【００２４】請求項３の発明によれば、請求項１の発明
の効果に加えて、前記着火性判断手段は、前記マイナス
オーバーラップ期間中の当量比を予測する当量比予測手
段と、前記マイナスオーバーラップ期間中の筒内圧力を
予測する圧力温度予測手段と、を備え、これら予測され
た当量比及び圧力に基づいて前記マイナスオーバーラッ
プ期間中の混合気の着火性を判断するようにしたので、
数百Ｋという温度雰囲気における機関の着火性は圧力に
よる感度が高いため、低負荷から中負荷時の機関の着火
性を正確に予測することが可能となり、低負荷から中負
荷時のマイナスオーバーラップ期間を必要最小量に制御
することが容易となるという効果がある。
【００２５】請求項４の発明によれば、請求項２または
請求項３の発明の効果に加えて、排気温度を検出する排
気温度検出手段と、吸入空気量を検出する吸入空気量検
出手段と、吸入空気温度を検出する吸入空気温度検出手
段と、必要負荷に基づいて燃料噴射量を決定する噴射量
決定手段と、を更に備え、前記当量比予測手段は、前記
吸入空気量と前記燃料噴射量より燃焼期間中の当量比を
計算し、燃焼期間中の当量比・吸入空気温度・排気温度
・排気弁閉時期より前記マイナスオーバーラップ期間中
の当量比を予測するようにしたので、吸入空気量・吸入
空気温度・排気温度・排気弁閉時期・燃焼期間中の当量
比を用いることにより、コストの上昇なく正確にマイナ
スオーバーラップ期間中の当量比を予測することができ
るという効果がある。
【００２６】請求項５の発明によれば、請求項２ないし
請求項４の発明の効果に加えて、マイナスオーバーラッ
プ期間中の温度または圧力は、排気弁閉時期の筒内容積
と排気上死点での筒内容積をもとに予測するようにした
ので、コストの上昇なく正確にマイナスオーバーラップ
期間中の温度および圧力を予測することができる。
【００２７】請求項６の発明によれば、請求項２または
請求項３の発明の効果に加えて、マイナスオーバーラッ
プ期間中の温度または圧力は、排気温度およびマイナス
オーバーラップ期間中の当量比より決められるポリトロ
ープ指数より、ポリトロープ変化として予測されるよう
にしたので、負荷にかかわらず正確にマイナスオーバー
ラップ期間中の温度および圧力が予測することが可能と
なる。
【００２８】請求項７の発明によれば、請求項１ないし
請求項６の発明の効果に加えて、前記着火性判断手段
は、温度・圧力および当量比ごとにマイナスオーバーラ
ップ期間の長さの判断基準が予め設定されているととも
に、予測されたマイナスオーバーラップ期間中の温度・
圧力より排気上死点における温度・圧力を代表値として
求め、これら代表値の温度・圧力およびマイナスオーバ
ーラップ期間中の当量比より前記判断基準を導出して現
在設定中のマイナスオーバーラップ期間が不足・適当・
過剰であるかを判断し、該判断結果が不足の場合はマイ
ナスオーバーラップ期間を延長し、過剰の場合はマイナ
スオーバーラップ期間を短縮するように前記制御手段が
制御するようにしたので、計算および判断が比較的容易
に行われ、高速の制御が可能となり、サイクル毎の制御
も容易に可能となる。
【００２９】請求項８の発明によれば、請求項１の発明
の効果に加えて、前記着火性判断手段は燃料の改質度合
いを判断することにより前記マイナスオーバーラップ期
間中の混合気の着火性を判断するとともに、該判断結果
に基づいて前記制御手段はマイナスオーバーラップ期間
を最小限に制御するようにしたので、着火性の予測がよ
り正確となり、かつサイクル毎の機関運転状態の細かな
変化（吸気温度のサイクルばらつきなど）にも迅速に対
応が可能となり、過渡的な運転条件にある機関でも安定
しかつ燃費の良い燃焼を実現できる。
【００３０】請求項９の発明によれば、請求項８の発明
の効果に加えて、前記着火性判断手段は、前記マイナス
オーバーラップ期間中の温度・圧力および当量比により
マイナスオーバーラップ期間中に生成されるアルデヒド
の濃度または量を予測する手段を持ち、予測されたアル
デヒド量によりマイナスオーバーラップ期間中の燃料の
改質度合いを判断するようにしたので、コストの上昇な
くほぼ正確に改質度合いを把握でき、回転数や負荷や運
転状態（暖機・過渡・定常など）によらず安定した燃焼
を実現できる。
【００３１】請求項１０の発明によれば、請求項９の発
明の効果に加えて、予測されたアルデヒド量が不足・適
当・過剰であるかを判断し、不足の場合はオーバーラッ
プ期間を不足アルデヒド量に比例して延長させ、過剰の
場合はオーバーラップ期間を過剰アルデヒド量に比例し
て短縮させるようにしたので、マイナスオーバーラップ
期間の判断を不足・適当・過剰の三段階だけでなく、不
足・過剰な量が瞬時に判断することが可能となり、マイ
ナスオーバーラップ期間の制御量を最適に設定すること
が可能となる。
【００３２】請求項１１の発明によれば、少なくとも一
部の運転領域で混合気を圧縮自己着火燃焼させるガソリ
ン自己着火式内燃機関において、排気行程から吸気行程
にかけて排気弁及び吸気弁が共に閉じたマイナスオーバ
ーラップ期間の長さを可変とする可変バルブタイミング
機構と、前記マイナスオーバーラップ期間中に筒内に直
接ガソリンを噴射することができる燃料噴射弁と、燃焼
の安定度を検出する安定度検出手段と、前記安定度が十
分な場合にはマイナスオーバーラップ期間を短縮し、前
記安定度が不十分な場合にはマイナスオーバーラップ期
間を延長させるように前記可変バルブタイミング機構を
制御する制御手段と、を備えたことにより、安定度によ
りマイナスオーバーラップ期間を最適に制御するため、
複雑な演算が必要なく、機関制御ロジックが容易とな
る。
【００３３】請求項１２の発明によれば、請求項１ない
し請求項１１の発明の効果に加えて、マイナスオーバー
ラップ期間を延長する場合が、マイナスオーバーラップ
期間を短縮する場合と比較して、マイナスオーバーラッ
プ期間の変化量が大きいように設定することにより、マ
イナスオーバーラップ期間が不足している場合の不安定
燃焼を素早く防止し、反対にマイナスオーバーラップ期
間が過剰である場合から急激に不足して失火することが
ないよう設定される。
【００３４】
【発明の実施の形態】次に図面を参照して、本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係るガソ
リン自己着火式内燃機関の構成を示すシステム構成図で
ある。
【００３５】図１において実施形態の内燃機関は、燃焼
室１と、シリンダヘッド２と、シリンダブロック３と、
吸気ポート４と、吸気弁５と、ピストン６と、燃焼室１
内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁７と、排気ポート８
と、排気弁９と、火花点火燃焼時に放電する点火プラグ
１０と、吸気弁５を駆動する吸気カム１１と、排気弁９
を駆動する排気カム１２と、吸気カム１１及び排気カム
１２のカム位相等を変えることにより開閉時期を可変と
する開閉時期可変手段１３と、エンジン全体を制御する
と共に以下に説明する本発明の主要な制御を行うエンジ
ンコントロールユニット１４と、吸気ポート４の上流に
配設された吸気量センサ１５及び吸気温度センサ１６
と、排気ポート下流に配設された排気温度センサ１７
と、筒内燃焼圧力を測定する燃焼圧力センサ１８とを備
えている。
【００３６】開閉時期可変手段１３は、エンジンコント
ロールユニットの指令により、吸排気弁の開閉時期を可
変とする可変バルブタイミング機構であり、通常の火花
点火燃焼用のバルブタイミングから、排気弁の閉時期を
早めるとともに吸気弁の開時期を遅らせて、排気上死点
付近に吸排気弁が共に閉じたマイナスオーバーラップ期
間（密閉期間）を形成し、且つその長さを可変とするこ
とができるようになっている。
【００３７】エンジンコントロールユニット１４は、前
記マイナスオーバーラップ期間中に混合気の着火性を判
断する着火性判断手段、及びこの判断結果に基づいて開
閉時期可変手段１３を制御してマイナスオーバーラップ
期間の長さを制御する制御手段としても機能し、好まし
くは、マイクロコンピュータ等のプログラム制御により
実現される。
【００３８】図２は、本実施形態における（ａ）火花点
火点火燃焼時及び（ｂ）圧縮自己着火燃焼時の吸排気弁
の開閉時期を示す。火花点火燃焼時には、図２（ａ）に
示すような通常のオーバーラップバルブタイミングに設
定され、内燃機関の出力性能を達成する。
【００３９】圧縮自己着火燃焼時には、図２（ｂ）に示
すように、排気弁９は排気上死点よりも早い時期に閉じ
るように設定され、吸気弁５は排気上死点よりも遅い時
期に開くよう設定される。これにより、排気上死点の前
後に吸気弁５および排気弁９が共に閉じているマイナス
オーバーラップ期間（密閉期間）が存在する。この時、
排気弁９が上死点より早い時期に閉じるため、筒内に排
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
さらに高温になる。
【００４０】このような雰囲気の筒内に、燃料噴射弁７
より燃料を噴射すると、筒内の燃焼後のガスと一緒に高
温にさらされ、燃料の改質が進む。この時燃料は、分子
の鎖が切れラジカル（活性種）を形成したり、燃焼後の
ガスに残っているわずかな酸素と結合しアルデヒド程度
まで反応が進む。このような燃料の改質により、着火性
の悪いガソリン燃料において着火性を向上させ、安定し
た圧縮自己着火運転を実現させられる。
【００４１】本実施形態において、前記マイナスオーバ
ーラップ期間は、コントロールユニット１４からの命令
により、連続的に可変となる。吸気及び排気バルブに対
応する開閉時期可変手段１３の具体例としては、特開２
０００−７３７９７号公報に記載されるクランク軸から
タイミングベルトやタイミングチェーンで駆動されるカ
ムギアとカムシャフトとの間にヘリカルスプラインを設
け、クランク軸に対するカムシャフトの位相を可変とす
ることによりバルブ作動角の遅進角を行う機構、あるい
は、特開平１１−２９４１２５号公報に記載されるリン
ク機構によるバルブ作動角の延長・短縮を行う機構、ま
たはこれら技術の組み合わせにより実現する。
【００４２】図３は、着火性判断手段のうち、マイナス
オーバーラップ期間中の当量比を予測する当量比予測手
段としてのエンジンコントロールユニット１４の当量比
（φＯＬ）計算ルーチンのフローチャートである。
【００４３】まず、吸気量センサ１５及び吸気温度セン
サ１６からエンジンコントロールユニット１４へ信号を
読み込み、吸入空気量Ｑinおよび吸入空気温度Ｔinを検
出する（ステップ１０、以下ステップをＳと略す）。次
いで図示しないアクセル開度センサにより要求負荷をエ
ンジンコントロールユニット１４へ読み込み、負荷によ
り燃料噴射量Ｆinjを決定する（Ｓ１２）。
【００４４】次いで、吸入空気量Ｑinと燃料噴射量Ｆin
jより燃焼期間中の当量比φｂを式（１）により計算す
る（Ｓ１４）。
【００４５】
【数１】 φｂ＝理論混合比／（Ｑin／Ｆinj） …（１） また、クランク角度の関数として与えられる燃焼室容積
を参照して、排気弁閉時期ＥＶＣにおける筒内容積ＶＥ
ＶＣ＝マイナスオーバーラップ期間中に残された燃焼ガ
ス容積ＶＯＬとして計算し（Ｓ１６）、排気温度センサ
１７から排気温度Ｔexhを検出してエンジンコントロー
ルユニット１４へ読み込み（Ｓ１８）、ＶＥＶＣ、Ｔi
n、Ｔexh、よりマイナスオーバーラップ期間中に残され
た燃焼ガス量ＱＯＬを式（２）に基づいて計算する。
【００４６】
【数２】 ＱＯＬ＝（充填効率100％時の空気重量）×ＶＯＬ／ＶＢＤＣ（下死点容積） ×Ｔin／Ｔexh …（２） そして、燃焼期間中の当量比φｂ、吸入空気Ｑin、およ
びマイナスオーバーラップ期間中に閉じ込められた燃焼
ガス量ＱＯＬより、マイナスオーバーラップ期間中の当
量比φＯＬが式（３）により計算される。
【００４７】
【数３】 φＯＬ＝Ｑin／ＱＯＬ×φｂ／（１−φｂ） …（３） 図４は、エンジンコントロールユニット１４におけるマ
イナスオーバーラップ期間中の温度Ｔθおよび圧力Ｐθ
を予測する手段としての温度及び圧力計算ルーチンのフ
ローチャートである。ここでは、排気弁閉時期ＥＶＣを
基準として各クランク角度における筒内容積Ｖθを計算
し容積比εθを計算する。マイナスオーバーラップ期間
中の圧縮についてはポリトロープ変化を仮定して、温度
Ｔθおよび圧力Ｐθを計算する。
【００４８】まず、排気弁閉時期ＥＶＣにおける筒内容
積ＶＥＶＣ＝Ｖ（ＥＶＣ）を計算し（Ｓ３０）、各クラ
ンク角度での筒内容積Ｖθ＝Ｖ（θ）を計算する（Ｓ３
２）。Ｓ３０及びＳ３２では、燃焼室容積Ｖ（θ）は、
クランク角度θの関数で与えられる。次いで、排気弁閉
時期ＥＶＣを基準とした各クランク角度θでの容積比ε
θ＝ＶＥＶＣ／Ｖθを計算する（Ｓ３４）。
【００４９】次いで、排気温度センサ１７により排気温
度Ｔexhを検出し（Ｓ３６）、ポリトロープ指数を求め
る。ポリトロープ指数は、固定値ｎ（通常１．３程度）
としてもある程度正確に予測可能である（Ｓ３８）。
【００５０】また、排気温度Ｔexhとマイナスオーバー
ラップ期間中の当量比φＯＬから求めた値ｎ（Ｔexh，
φＯＬ）を使用するとより正確に予測可能である（Ｓ４
０）。ｎ（Ｔexh，φＯＬ）は事前に計算され、コント
ロールユニット１４内にマップとして持つ。
【００５１】これらのポリとループ指数を求めるステッ
プＳ３８、Ｓ４０は、コントロールユニットの処理速度
により使い分けることが可能である。
【００５２】そして、次に示す式（４）、（５）により
ポリトロープ変化としてマイナスオーバーラップ期間中
の圧力Ｐθ及び温度Ｔθを計算する（Ｓ４２）。
【００５３】
【数４】 Ｐθ＝（１／εθ）＾ｎ×ＰＥＶＣ（大気圧で代用） …（４） Ｔθ＝（εθ）＾（ｎ−１）×ＴＥＶＣ（Ｔexhで代用） …（５） ここで、ＰＥＣＶは排気弁閉時期の筒内圧力、ＴＥＶＣ
は排気弁閉時期の筒内温度であり、それぞれ、大気圧、
Ｔexhで代用可能である。
【００５４】図３、図４を参照して説明したように、マ
イナスオーバーラップ期間中の当量比φＯＬおよび温度
Ｔθ・圧力Ｐθが予測されると、現在設定中のマイナス
オーバーラップ期間が自己着火燃焼に対して適当である
のか、不足しているのか、過剰であるのかが判断可能と
なる。
【００５５】すなわち、マイナスオーバーラップ期間が
不足・適当・過剰であるかの判断を行うための温度・圧
力・当量比の三軸のマップをエンジンコントロールユニ
ット１４の内部に持ち、マイナスオーバーラップ期間中
の上死点の温度・圧力・当量比を代表値とし、マップと
比較することによりマイナスオーバーラップ期間が不足
・適当・過剰であるかの判断を行う。
【００５６】図５に、前記３軸マップからある当量比に
おける温度・圧力二軸マップを示す。マイナスオーバー
ラップ期間中の当量比において、予測された上死点での
温度・圧力をマップと照らし合わせ、マイナスオーバー
ラップ期間が不足しているのか、適当であるのか、過剰
であるかが判断される。不足と判断された場合、マイナ
スオーバーラップ期間が延長され、過剰と判断された場
合、マイナスオーバーラップ期間が短縮される。
【００５７】この場合、延長する場合の変化量が短縮す
る場合の変化量よりも長く設定される。すなわち、マイ
ナスオーバーラップ期間が不足している場合、不安定燃
焼を素早く防止する為に、その変化量を大きくして制御
する。反対に、マイナスオーバーラップ期間が過剰であ
る場合に大きく期間を短縮すると、失火を招くので、そ
の変化量を小さくして制御する。
【００５８】よって、不足したマイナスオーバーラップ
期間を延長する場合は大きく、過剰であるマイナスオー
バーラップを短縮する場合は小さく制御される。また、
排気弁閉時期と吸気弁開時期は、排気上死点を中心にほ
ぼ対称に設定され、オーバーラップ期間を延長または短
縮される場合においても、対称性を維持したまま制御さ
れる。
【００５９】次に、本発明の第２の実施形態を説明す
る。第２の実施形態は、マイナスオーバーラップ期間中
の当量比・温度・圧力から燃料改質により生成されるホ
ルムアルデヒド濃度を予測し、マイナスオーバーラップ
期間が不足・適当・過剰であるかを判断する点に特徴が
ある。
【００６０】第２の実施形態の構成は、第１の実施形態
の構成と同様である。また、マイナスオーバーラップ中
の当量比、温度、圧力を計算する過程も同様である。
【００６１】図６に、ある当量比における、温度・圧力
と生成されるアルデヒドの濃度の関係を示す。これは、
化学反応シミュレーションプログラムなどを用い事前に
計算され、コントロールユニット１４内にマップとして
持つ。クランク角度ごとに予測されたマイナスオーバー
ラップ期間中の温度・圧力をもとに、筒内のアルデヒド
濃度が計算される。上死点を経て吸気弁が開時期をむか
えるまで、各クランク角度におけるアルデヒド濃度が計
算され、積算することによりマイナスオーバーラップ期
間に生成されたアルデヒド濃度が計算される。
【００６２】また、同じマップを用いて、アルデヒド量
が不足・適当・過剰であるかの判断を行う。このマップ
は事前に実験によりマッチングされる。計算されたアル
デヒド濃度が不足・適当・過剰かを判断することによ
り、マイナスオーバーラップ期間が不足・適当・過剰か
を判断する。また、不足または過剰なアルデヒド濃度の
割合を計算し、適当なアルデヒド濃度になるようマイナ
スオーバーラップ期間を比例的に制御する。これによ
り、制御量を最適値に制御することが可能となり、素早
く安定して燃費の良い自己着火燃焼へと制御可能とな
る。
【００６３】図７に、マイナスオーバーラップ中の当量
比、温度、圧力を求めた後の第２実施形態のフローチャ
ートを示す。まず、マイナスオーバーラップ中の当量
比、温度、圧力に基づいてマイナスオーバーラップ期間
中のアルデヒド濃度をマップを参照して求める（Ｓ５
０）。次いで、アルデヒド濃度が適当か否かを判断し
（Ｓ５２）、適当であれば、何もせずにリターンする。
【００６４】アルデヒド濃度が適当でなければ、誤差濃
度割合を次の式（６）により計算する（Ｓ５４）。
【００６５】
【数５】 誤差濃度割合＝（（最適濃度）−（現在の濃度））／（最適な濃度） …（６）
【００６６】次いで、誤差濃度割合に比例した新たなマ
イナスオーバーラップ期間の長さを式（７）により計算
し（Ｓ５６）、この計算値となるよう開閉時期可変手段
１３を制御する。
【００６７】
【数６】 新マイナスオーバーラップ期間 ＝旧マイナスオーバーラップ期間×（１＋誤差濃度割合） …（７）
【００６８】第３の実施形態として、燃焼の安定度を検
出することにより、マイナスオーバーラップ期間が不足
・適当・過剰であるかを判断する方法がある。図１に、
本発明の構成図を示す。本実施形態は、第１の実施形態
に対して、安定度検出手段として、燃焼室１に臨む燃焼
圧力センサ１８をシリンダヘッド２に設けた構成とな
る。
【００６９】本実施形態では、燃焼圧力センサ１８が検
出する筒内圧力波形に基づいて、燃焼安定度を検出する
ものとする。
【００７０】その他の安定度検出手段としては、クラン
ク角度検出装置より回転変動を計算するものや、特開平
５−８７０３６号公報記載の点火プラグ１０の電極間に
流れるイオン電流を検出して安定度を判定するものや、
加速度センサーにより機関の振動を検出するものなどが
ある。あらかじめ決められた安定度の基準に対し、検出
された安定度が十分な場合にはマイナスオーバーラップ
期間を短縮し、安定度が不充分な場合にはマイナスオー
バーラップ期間を延長させる。
【００７１】図８に、第３実施形態のフローチャートを
示す。まず、燃焼圧力センサ１８により筒内圧力を検出
し、安定度を算出する（Ｓ６０）。次いで、安定度が十
分か否かを判定し（Ｓ６２）、十分でなければマイナス
オーバーラップ期間の長さを延長し（Ｓ６４）、十分で
あればマイナスオーバーラップ期間の長さを短縮して
（Ｓ６６）、リターンする。
【００７２】こうして、本実施形態においては、燃焼安
定度が適当な状態にマイナスオーバーラップ期間の長さ
が制御される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガソリン自己着火式内燃機関の第
１実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図２】実施形態における吸排気弁の開閉時期を示すバ
ルブタイミング線図であり、（ａ）火花点火燃焼時の開
閉時期、（ｂ）圧縮自己着火燃焼時の開閉時期をそれぞ
れ示す。
【図３】マイナスオーバーラップ期間中の当量比を計算
するフローチャートである。
【図４】マイナスオーバーラップ期間中の温度および圧
力を予測するフローチャートである。
【図５】ある当量比における温度・圧力二軸マップのグ
ラフである。
【図６】ある当量比における温度・圧力と生成させるア
ルデヒドの濃度の関係を示すグラフである。
【図７】第２実施形態の動作を説明するフローチャート
である。
【図８】第３実施形態の動作を説明するフローチャート
である。
【符号の説明】
１ 燃焼室 ２ シリンダヘッド ３ シリンダブロック ４ 吸気ポート ５ 吸気弁 ６ ピストン ７ 燃料噴射弁 ８ 排気ポート ９ 排気弁 １１ 吸気カム １２ 排気カム １３ 開閉時期可変手段 １４ エンジンコントロールユニット １５ 吸気量センサ １６ 吸気温度センサ １７ 排気温度センサ １８ 燃焼圧力センサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 寺地 淳 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） 3G018 AB07 AB17 BA31 DA71 EA02 EA11 EA17 EA22 EA35 FA01 FA09 GA08 3G092 AA01 AA06 AA11 AB02 BA04 BB02 DA08 DA12 FA24 HA01Z HA04Z HB01Z HC00Z HC01Z HD01Z 3G301 HA00 HA01 HA04 HA19 JA02 LA07 LB04 MA01 MA12 NB02 PA01Z PA10Z PB03Z PC01Z PD11Z

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも一部の運転領域で混合気を圧
    縮自己着火燃焼させるガソリン自己着火式内燃機関にお
    いて、 排気行程から吸気行程にかけて排気弁及び吸気弁が共に
    閉じたマイナスオーバーラップ期間の長さを可変とする
    可変バルブタイミング機構と、 前記マイナスオーバーラップ期間中に筒内に直接ガソリ
    ンを噴射することができる燃料噴射弁と、 前記マイナスオーバーラップ期間中の混合気の着火性を
    判断する着火性判断手段と、 該着火性判断手段による判断結果に基づいて前記可変バ
    ルブタイミング機構によるマイナスオーバーラップ期間
    の長さを制御する制御手段と、 を備えたことを特徴とするガソリン自己着火式内燃機
    関。
  2. 【請求項２】 前記着火性判断手段は、 前記マイナスオーバーラップ期間中の当量比を予測する
    当量比予測手段と、 前記マイナスオーバーラップ期間中の筒内温度を予測す
    る温度予測手段と、を備え、 これら予測された当量比及び温度に基づいて前記マイナ
    スオーバーラップ期間中の混合気の着火性を判断するこ
    とを特徴とする請求項１記載のガソリン自己着火式内燃
    機関。
  3. 【請求項３】 前記着火性判断手段は、 前記マイナスオーバーラップ期間中の当量比を予測する
    当量比予測手段と、 前記マイナスオーバーラップ期間中の筒内圧力を予測す
    る圧力温度予測手段と、を備え、 これら予測された当量比及び圧力に基づいて前記マイナ
    スオーバーラップ期間中の混合気の着火性を判断するこ
    とを特徴とする請求項１記載のガソリン自己着火式内燃
    機関。
  4. 【請求項４】 排気温度を検出する排気温度検出手段
    と、 吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、 吸入空気温度を検出する吸入空気温度検出手段と、 必要負荷に基づいて燃料噴射量を決定する噴射量決定手
    段と、を更に備え、 前記当量比予測手段は、前記吸入空気量と前記燃料噴射
    量より燃焼期間中の当量比を計算し、燃焼期間中の当量
    比・吸入空気温度・排気温度・排気弁閉時期より前記マ
    イナスオーバーラップ期間中の当量比を予測することを
    特徴とする請求項２または請求項３記載のガソリン自己
    着火式内燃機関。
  5. 【請求項５】 マイナスオーバーラップ期間中の温度ま
    たは圧力は、排気弁閉時期の筒内容積と排気上死点での
    筒内容積をもとに予測されることを特徴とする請求項２
    ないし請求項４のいずれか１項記載のガソリン自己着火
    式内燃機関。
  6. 【請求項６】 マイナスオーバーラップ期間中の温度ま
    たは圧力は、排気温度およびマイナスオーバーラップ期
    間中の当量比より決められるポリトロープ指数より、ポ
    リトロープ変化として予測されることを特徴とする請求
    項２または請求項３記載のガソリン自己着火式内燃機
    関。
  7. 【請求項７】 前記着火性判断手段は、温度・圧力およ
    び当量比ごとにマイナスオーバーラップ期間の長さの判
    断基準が予め設定されているとともに、予測されたマイ
    ナスオーバーラップ期間中の温度・圧力より排気上死点
    における温度・圧力を代表値として求め、これら代表値
    の温度・圧力およびマイナスオーバーラップ期間中の当
    量比より前記判断基準を導出して現在設定中のマイナス
    オーバーラップ期間が不足・適当・過剰であるかを判断
    し、 該判断結果が不足の場合はマイナスオーバーラップ期間
    を延長し、過剰の場合はマイナスオーバーラップ期間を
    短縮するように前記制御手段が制御することを特徴とす
    る請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載のガソリ
    ン自己着火式内燃機関。
  8. 【請求項８】 前記着火性判断手段は燃料の改質度合い
    を判断することにより前記マイナスオーバーラップ期間
    中の混合気の着火性を判断するとともに、該判断結果に
    基づいて前記制御手段はマイナスオーバーラップ期間を
    最小限に制御することを特徴とする請求項１記載のガソ
    リン自己着火式内燃機関。
  9. 【請求項９】 前記着火性判断手段は、前記マイナスオ
    ーバーラップ期間中の温度・圧力および当量比によりマ
    イナスオーバーラップ期間中に生成されるアルデヒドの
    濃度または量を予測する手段を持ち、予測されたアルデ
    ヒド量によりマイナスオーバーラップ期間中の燃料の改
    質度合いを判断することを特徴とする請求項８記載のガ
    ソリン自己着火式内燃機関。
  10. 【請求項１０】 予測されたアルデヒド量が不足・適当
    ・過剰であるかを判断し、不足の場合はオーバーラップ
    期間を不足アルデヒド量に比例して延長させ、過剰の場
    合はオーバーラップ期間を過剰アルデヒド量に比例して
    短縮させることを特徴とする請求項９記載のガソリン自
    己着火式内燃機関。
  11. 【請求項１１】 少なくとも一部の運転領域で混合気を
    圧縮自己着火燃焼させるガソリン自己着火式内燃機関に
    おいて、 排気行程から吸気行程にかけて排気弁及び吸気弁が共に
    閉じたマイナスオーバーラップ期間の長さを可変とする
    可変バルブタイミング機構と、 前記マイナスオーバーラップ期間中に筒内に直接ガソリ
    ンを噴射することができる燃料噴射弁と、 燃焼の安定度を検出する安定度検出手段と、 前記安定度が十分な場合にはマイナスオーバーラップ期
    間を短縮し、前記安定度が不十分な場合にはマイナスオ
    ーバーラップ期間を延長させるように前記可変バルブタ
    イミング機構を制御する制御手段と、 を備えたこと特徴とするガソリン自己着火式内燃機関。
  12. 【請求項１２】 マイナスオーバーラップ期間を延長す
    る場合が、マイナスオーバーラップ期間を短縮する場合
    に比較して、その変化量が大きくすることを特徴とする
    請求項１ないし請求項１１のいずれか１項記載のガソリ
    ン自己着火式内燃機関。
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