JP2003049691A - 自己着火式エンジンの制御装置 - Google Patents

自己着火式エンジンの制御装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ノッキング及び不安定燃焼を回避しつつ、圧
縮自己着火燃焼運転領域を拡大し、燃費向上、ＮＯｘ低
減を図る。 【解決手段】 直噴式の燃料噴射弁８を備え、圧縮行程
中の２回目の燃料噴射と、それ以前に終了する１回目の
燃料噴射とを行い、２回目の燃料噴射により生成される
混合気に点火プラグ９で火花点火することで１段目の火
花点火燃焼を行い、該燃焼による温度圧力上昇により周
囲の混合気が圧縮自己着火することで２段目の燃焼を行
う。この場合に、高回転ほど、また、低負荷ほど２回目
の燃料噴射割合を大きくすると共に噴射時期を進角させ
ることで、該噴射で形成される混合気の火花点火燃焼の
発熱量を増大させて、引き続く圧縮自己着火燃焼を確実
に行わせると共に、該圧縮自己着火燃焼の時期を適正に
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、例えば自動車用ガ
ソリンエンジンのような４サイクル型の自己着火式エン
ジンにおいて、圧縮自己着火燃焼のための２回の燃料噴
射、及び点火により、所望の燃焼時期を得る自己着火式
エンジンの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】圧縮自己着火燃焼は、燃焼室の多点で燃
焼が開始されるため燃焼速度が速く、通常の火花点火燃
焼に比べてリーンな空燃比において安定燃焼が得られる
ことから、燃料消費率の向上が可能である。また、リー
ンな空燃比により燃焼温度が低下することから、排気中
のＮＯｘ排出量を大幅に低減できる。
【０００３】しかしながら、従来の自己着火式エンジン
では、燃焼開始時期はピストンの圧縮による温度、圧力
変化によって進行する燃料の予反応速度に支配されてい
た。このため、圧縮自己着火燃焼において、適切な着火
時期が得られる運転条件は、ごく限られたエンジン回転
速度、負荷範囲に限られ、それ以外の運転条件において
はノッキングあるいは不安定燃焼が発生し、またノッキ
ングに至らない場合でも、急激な圧力上昇により過大な
燃焼騒音が発生するという問題点があった。
【０００４】このような問題点に対し、自己着火式エン
ジンの着火時期を任意に制御する方法として、特開平１
０−１９６４２４号公報に示されるように、吸気通路内
に噴射した燃料と吸入した空気とを混合し、シリンダ内
に供給した混合気の一部に火花点火し、その燃焼により
混合気全体の圧力、温度を上昇させ、残る混合気の圧縮
自己着火を発生させる技術がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記特
開平１０−１９６４２４号公報に示される自己着火式エ
ンジンの方式によっても、圧縮自己着火燃焼運転領域
は、吸気通路内で形成し、シリンダ内に供給した混合気
が、上死点前では圧縮自己着火しない条件を満たすエン
ジン回転速度、負荷範囲に限られるという問題点があっ
た。
【０００６】すなわち、高回転時は、予反応時間が不足
して圧縮自己着火燃焼が不安定となり、また、圧縮自己
着火燃焼が行われる実時間が減少するので負荷も高くな
って総発熱量が増大すると単位時間当たりの圧力上昇率
が大きく増加し、ノッキングが発生しやすくなる。一
方、低負荷時は、混合気のリーン化に起因して圧縮自己
着火燃焼が不安定となる。
【０００７】本発明は、かかる問題点に鑑みたもので、
エンジン運転状態に応じて燃焼時期を最適に制御して、
ノッキング及び不安定燃焼を回避しつつ、圧縮自己着火
燃焼運転領域を拡大することで、大幅な燃料消費率向上
及びＮＯｘ排出量低減が可能な自己着火式エンジンの制
御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】このため、請求項１に係
る発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁
と、点火プラグとを備え、燃焼室のほぼ全域に比較的希
薄な混合気を形成する第１の燃料噴射と、前記点火プラ
グの周囲に比較的濃い混合気を形成する第２の燃料噴射
とを行い、濃い混合気を前記点火プラグによる火花点火
とそれに引き続く火炎伝播で燃焼させ、当該燃焼に伴う
燃焼室内圧力と温度の上昇によって希薄な混合気を圧縮
自己着火燃焼させる自己着火エンジンの制御装置におい
て、エンジン運転条件に応じて火花点火燃焼による発熱
量と熱発生時期とを制御することを特徴とする。
【０００９】請求項１に係る発明によると、エンジン運
転条件に応じて火花点火燃焼による発熱量と熱発生時期
とを制御することにより、火花点火に引き続く圧縮自己
着火燃焼を確実に行わせると共に、圧縮自己着火燃焼が
行われるクランク角期間を適正にして、圧縮自己着火燃
焼を安定させノッキングも回避することができ、これに
より、圧縮自己着火燃焼運転領域が拡大され、燃費向上
及びＮＯｘ排出量低減が可能となる。
【００１０】また、請求項２に係る発明は、エンジン回
転速度の上昇に伴い、全噴射量に対する前記第２の燃料
噴射の噴射量割合を増加させると共に、前記火花点火の
時期を進角させることを特徴とする。請求項２に係る発
明によると、圧縮自己着火燃焼が不安定となる高回転時
に全噴射量に対する前記第２の燃料噴射の噴射量割合を
増加させることで、火花点火による発熱量を増加し、引
き続く圧縮自己着火燃焼を確実に行わせることが可能と
なる。また、その際の火花点火燃焼期間の増加に対し、
火花点火の時期を進角させることで、回転速度の上昇に
よらずほぼ一定の燃焼時期、すなわち、圧縮自己着火燃
焼により急激な圧力上昇を引き起こすことなく、かつ、
圧縮自己着火燃焼期間中にピストンが下降することによ
る不完全燃焼を生じない適切な燃焼時期において圧縮自
己着火燃焼を行わせることができる。
【００１１】その結果、ノッキング及び不安定な燃焼を
防止しつつ、より、広い範囲の回転速度域において圧縮
自己着火燃焼運転を行わせることができる。また、請求
項３に係る発明は、エンジン回転速度の上昇に伴い、全
噴射量に対する前記第２の燃料噴射の噴射量割合を増加
させると共に、前記火花点火に引き続いて生じる火炎伝
播燃焼の火炎伝播速度を増大させることを特徴とする。
【００１２】請求項３に係る発明によると、前述の請求
項２の効果に加え、火花点火による火炎伝播燃焼の燃焼
速度を増大させることで、点火時期を進めることなく、
適切な燃焼時期に圧縮自己着火燃焼を行わせることがで
きる。このため、点火時期を進めた場合の火花点火燃焼
部が高温に保たれる期間の増加におけるＮＯｘ生成量増
加を防止し、該ＮＯｘ排出量低減効果より、ノッキング
及び不安定燃焼を防止しつつ、より広い範囲の回転速度
域において圧縮自己着火燃焼運転が可能となる。
【００１３】また、請求項４に係る発明は、エンジン負
荷の低下に伴い、全噴射量に対する前記第２の燃料噴射
の噴射量割合を増加させると共に、前記火花点火の時期
を進角させることを特徴とする。請求項４に係る発明に
よると、低負荷時は、混合気のリーン化に起因して圧縮
自己着火燃焼が不安定となる傾向があるが、全噴射量に
対する前記第２の燃料噴射の噴射量割合を増加させるこ
とで火花点火燃焼による発熱量を増加し、引き続く圧縮
自己着火燃焼を確実に行わせることが可能となる。ま
た、その際の火花点火燃焼期間の増加に対し、火花点火
の時期を進角させることで、前述した高回転時と同様、
圧縮自己着火燃焼により急激な圧力上昇を引き起こすこ
となく、かつ、不完全燃焼を生じない適切な燃焼時期に
おいて圧縮自己着火燃焼を行わせることができる。
【００１４】また、請求項５に係る発明は、エンジン負
荷の低下に伴い、全噴射量に対する前記第２の燃料噴射
の噴射量割合を増加させると共に、前記火花点火に引き
続いて生じる火炎伝播燃焼の火炎伝播速度を増大させる
ことを特徴とする。請求項５に係る発明によると、前述
の請求項４の効果に加え、火花点火による火炎伝播燃焼
の燃焼速度を増大させることで、点火時期を進めること
なく、適切な燃焼時期に圧縮自己着火燃焼を行わせるこ
とができる。このため、請求項３で説明したようにＮＯ
ｘ排出量低減効果が高められることにより、ノッキング
及び不安定燃焼を防止しつつ、圧縮自己着火燃焼運転が
拡大する。
【００１５】また、請求項６に係る発明は、前記火花点
火を行う時期における濃い混合気の空燃比を変化させる
ことにより火炎伝播速度を変化させることを特徴とす
る。請求項6に係る発明によると、例えば、第２の燃料
噴射の終了から点火までのクランク角間隔を短縮した
り、噴射圧力を高めたりして、点火までの燃料噴霧の拡
散期間を短縮させて火花点火に関わる混合気をリッチ化
すれば、燃焼速度が増大する。
【００１６】また、請求項７に係る発明は、燃焼室内の
ガス流動の強さを変化させることにより火炎伝播速度を
変化させることを特徴とする。請求項７に係る発明によ
ると、点火時期において火花点火に関わる混合気の乱れ
を増大し、１段目の燃焼速度を増大させることができ
る。その結果、圧縮自己着火燃焼開始時期の制御が精度
良く行われ、ノッキング及び安定性低下を防止しつつ、
圧縮自己着火燃焼運転領域を拡大できる。
【００１７】また、請求項８に係る発明は、前記点火プ
ラグを１気筒につき複数個配置し、点火点数を変化させ
ることにより火炎伝播速度を変化させることを特徴とす
る。請求項8に係る発明によると、複数の点火プラグに
より点火を行うことで１段目の燃焼速度を増大させるこ
とができる。その結果、圧縮自己着火燃焼開始時期の制
御が精度良く行われ、ノッキング及び安定性低下を防止
しつつ、圧縮自己着火燃焼運転領域を拡大できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下に本発明を自己着火式エンジ
ンである４サイクル型の自動車用ガソリンエンジンに適
用した実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発
明に係る自己着火式エンジンの第１実施形態の構成を示
すシステム図である。
【００１９】シリンダ１、シリンダヘッド２及びピスト
ン３により画成される燃焼室４には、図示しないスロッ
トル弁の制御を受けた空気が、吸気通路を構成する吸気
マニフォルド５及び吸気ポート６より、吸気弁７の開時
に吸入される。シリンダヘッド２には、燃焼室４の上側
の略中心部に位置させて、燃焼室４内に直接燃料を噴射
するように燃料噴射弁８が取り付けられると共に、火花
点火用の点火プラグ９が取り付けられている。
【００２０】燃焼後の排気は、排気弁１０の開時に、排
気通路を構成する排気ポート１１及び排気マニフォルド
１２より排出される。また、筒内にＥＧＲガスを導入す
る手段として、排気マニフォルド１２より排気の一部を
吸気マニフォルド５に還流するＥＧＲ通路１３が設けら
れ、このＥＧＲ通路１３にはＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を調
整可能なＥＧＲ制御弁１４が介装されている。
【００２１】エンジン制御用の電子制御装置（エンジン
コントロールユニット；以下ＥＣＵという）２０は、マ
イクロコンピュータを内蔵しており、これには、クラン
ク角センサ（図示せず）からのクランク角信号（これに
よりエンジン回転速度Ｎを検出可能）、アクセル開度セ
ンサ（図示せず）からのアクセル開度信号（これにより
エンジン負荷Ｔを検出可能）が入力され、更に、エアフ
ローメータ（図示せず）からの吸入空気量信号、吸気温
センサ（図示せず）からの吸気温度信号、排気温センサ
（図示せず）からの排気温度信号等も入力されている。
【００２２】ＥＣＵ２０は、これらの入力信号に基づい
て、燃料噴射弁８、点火プラグ９、ＥＧＲ制御弁１４の
作動を制御する。特に、このエンジンでは、運転条件に
応じた燃焼制御を行うため、ＥＣＵ２０は、運転条件に
応じて火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼（火花点火圧縮
自己着火燃焼）とのいずれの燃焼形態で運転を行うかを
判断する燃焼形態判断部２１を備えると共に、その判定
結果に従って燃焼パラメータを各燃焼形態にて最適とな
るように制御する燃料噴射量制御部２２、燃料噴射時期
制御部２３、点火時期制御部２４、ＥＧＲ率制御部２５
を備えている。但し、これらはマイクロコンピュータの
プログラムとして実現される。
【００２３】次に、本実施形態での燃焼制御について説
明する。前記構成のもと、本実施形態では、エンジン回
転速度、負荷の運転条件に応じて、火花点火燃焼と圧縮
自己着火燃焼とを切換可能となっており、図２に示すよ
うに、エンジン回転速度Ｎと負荷Ｔとによる特定の運転
領域（低中回転・低中負荷領域）において圧縮自己着火
燃焼を行い、それ以外の運転領域においては火花点火燃
焼を行う。
【００２４】圧縮自己着火燃焼においては、圧縮行程中
の燃料噴射（第２の燃料噴射）と、該燃料噴射開始以前
に終了する燃料噴射（第１の燃料噴射）とを含む１サイ
クル中に２回の燃料噴射を行い、２回目の燃料噴射（第
２の燃料噴射）により生成される混合気に火花点火する
ことで１段目の燃焼を行い、１段目の燃焼による燃焼室
内の温度圧力上昇により周囲の混合気が圧縮自己着火す
ることで２段目の燃焼を行う。
【００２５】図３には圧縮自己着火燃焼時のクランク角
度に対する筒内圧力の変化の例を示している。図中の１
回目の筒内圧ピークが１段目の燃焼（火花点火燃焼）に
対応し、２回目の筒内圧ピークが２段目の燃焼（圧縮自
己着火燃焼）に対応する。圧縮自己着火燃焼において
は、図４に示すように、圧力上昇率とノッキング強度と
には相関があり、圧力上昇率が大きくなるとノッキング
強度が強くなることが明らかとなっている。尚、図中の
圧力上昇率ｄＰ／ｄｔmaxは１サイクル中の最大圧力上
昇率である。
【００２６】また、図５に示すように、燃焼期間の増大
に伴い、燃焼期間中にピストンが下降することにより燃
焼が不完全となり、燃焼効率（投入した燃料の発熱量に
対する、実際に燃焼した燃料の発熱量の比）が低下する
ことが明らかとなっている。尚、図中の燃焼期間θ10−
90は、燃焼室内に噴射された燃料の１０％が燃焼したク
ランク角度から同燃料の９０％が燃焼したクランク角度
までの期間であり、燃焼期間を表す１パラメータであ
る。
【００２７】従って、燃焼効率を低下させないために一
定クランク角以内で燃焼を完了させる場合に、燃焼が行
われる実時間が減少し単位時間当たりの圧力上昇率が増
加する高回転時、及び総発熱量が増加し単位時間当たり
の圧力上昇率が増加する高負荷時ほど、ノッキングが起
こり易く、圧縮自己着火運転領域の拡大を困難としてい
る。
【００２８】図６にはエンジン回転速度Ｎ及び負荷Ｔと
燃焼時期θ50とに対する圧力上昇率ｄＰ／ｄｔmaxの関
係を示している。θ50は燃焼室内に噴射された燃料の50
％が燃焼したクランク角度であり、燃焼時期を表す１パ
ラメータである。この図からわかるように、同じ回転速
度あるいは同じ負荷であれば、燃焼時期を上死点から遅
角するほど、圧力上昇率は低下する。これはピストンが
下降する時に燃焼が行われるため、ピストン下降による
圧力の低下によって燃焼時の圧力上昇率が抑えられるか
らである。
【００２９】本実施形態においては、燃焼室内に噴射さ
れた燃料の５０％が燃焼したクランク角度で表す燃焼時
期θ50を上死点後とし、図７に示すように、エンジン回
転速度Ｎの上昇あるいは負荷Ｔによらずほぼ一定の燃焼
時期となるよう、好ましくは低回転高負荷ほど遅らせる
よう制御することで、ノッキングを防止する。その結
果、圧縮自己着火燃焼運転領域の拡大が可能となる。
【００３０】そのため、エンジンの運転条件に応じて、
適切な燃焼時期（２段目の燃焼の開始時期）が得られる
ように、２回目の燃料噴射時期、１段目の燃焼を開始す
る点火時期、１回目の燃料噴射（第１の燃料噴射）と２
回目の燃料噴射（第２の燃料噴射）との噴射量割合（全
噴射量に対する２回目の噴射量割合）、ＥＧＲ率のう
ち、少なくとも１つを以下のように制御する。
【００３１】図８にエンジン回転速度Ｎ及び負荷Ｔに対
する２回目の燃料噴射量割合の特性を示す。この図のよ
うに全噴射量に対する２回目の燃料噴射量割合をエンジ
ン回転速度上昇に伴い増加させることで、火花点火燃焼
の発熱量を増加し、引き続く圧縮自己着火燃焼の回転速
度上昇に伴う燃料の予反応時間の不足に起因する安定性
低下を防止できる。また、全噴射量に対する２回目の燃
料噴射量割合をエンジン負荷の低下に伴い増加させるこ
とで、火花点火燃焼の発熱量を増加し、引き続く圧縮自
己着火燃焼の燃焼に関与する混合気のリーン化に起因す
る安定性低下を防止できる。
【００３２】図９にエンジン回転速度Ｎ及び負荷Ｔに対
する点火時期ＩＧＴの特性を示す。前述のように、全噴
射量に対する２回目の燃料噴射量割合をエンジン回転速
度Ｎ上昇及び負荷Ｔ低下に伴い増加させるよう制御され
る。この場合、その際の火花点火燃焼期間の増大に対応
し、この図のように点火時期ＩＧＴを進ませることで、
エンジン回転速度Ｎ及び負荷Ｔによらずほぼ一定の燃焼
時期、すなわち、圧縮自己着火燃焼により急激な圧力上
昇を引き起こすことなく、かつ圧縮自己着火燃焼期間中
にピストンが下降することによる不完全燃焼を生じない
適切な燃焼時期において圧縮自己着火燃焼を行わせるこ
とができる。その結果、ノッキング及び不安定燃焼を防
止できる。
【００３３】図１０にエンジン回転速度Ｎ及び負荷Ｔに
対する２回目の燃料噴射時期ＩＴ２の特性を示す。２回
目の燃料噴射時期ＩＴ２を、エンジン回転速度上昇及び
負荷低下に伴い、すなわち点火時期ＩＧＴの進角に伴
い、進ませることで、点火時期において火花点火燃焼に
関わる混合気濃度を適正範囲に制御し、着火安定性の低
下を防止することで、圧縮自己着火燃焼開始時期の制御
が精度良く行われる。
【００３４】ディーゼル燃料に比べてセタン価が低いガ
ソリンのような燃料を用いて圧縮自己着火燃焼を行うた
めには、混合気の昇温による着火性向上が有効である。
そこで、本実施形態では、ＥＧＲガスにより筒内温度を
昇温させる。図１１にエンジン回転速度Ｎ及び負荷Ｔに
対するＥＧＲ率の特性を示す。この図のようにエンジン
回転速度上昇に伴いＥＧＲ率を増加し、昇温によって混
合気の着火性を向上させることで燃料の予反応時間の不
足に起因する圧縮自己着火燃焼の安定度低下を防止でき
る。また、低負荷ほどＥＧＲ率を増加することで、混合
気のリーン化に起因する圧縮自己着火燃焼の安定度低下
を防止できると共に、負荷上昇に伴いＥＧＲ率を減少す
ることで、ノッキングを防止できる。
【００３５】尚、図１２にはＥＧＲ率と排気温度とに対
するＥＧＲ制御弁開度の特性を示している。目標とする
ＥＧＲ率が大きくなるほど、ＥＧＲ制御弁開度を大きく
することは当然であるが、排気温度により筒内温度を間
接的に検出し、排気温度が低くなるに従って、筒内温度
上昇のためＥＧＲ制御弁開度を大側に補正し、逆に排気
温度が高くなるに従って、ＥＧＲ制御弁開度を小側に補
正している。尚、排気温度に代えて、吸気温度を用いる
ようにしてもよい。
【００３６】以上に基づいて行われる本実施形態での燃
焼制御の流れをフローチャートにより説明する。図１３
は燃焼制御ルーチンのフローチャートであり、所定時間
毎又は所定クランク角毎に実行される。Ｓ１０１では、
エンジン回転速度Ｎ、負荷Ｔを検出する。
【００３７】Ｓ１０２では、図２のマップに基づき、エ
ンジン回転速度Ｎと負荷Ｔとから、火花点火燃焼運転領
域であるか、圧縮自己着火燃焼運転領域であるか、燃焼
形態を判断する。火花点火燃焼を行うと判断された場合
は、Ｓ１０３に進み、通常の火花点火燃焼の制御を行
う。一方、圧縮自己着火燃焼を行うと判断された場合
は、Ｓ１０４〜Ｓ１１０に示す圧縮自己着火燃焼の制御
を行う。以下、この圧縮自己着火燃焼の制御について説
明する。
【００３８】Ｓ１０４では、図１１のマップに基づき、
エンジン回転速度Ｎと負荷Ｔとから、ＥＧＲ率を算出す
る。ここで、ＥＧＲ率は、回転速度Ｎの増大に伴って大
きく、また負荷Ｔの増大に伴って小さく設定される。Ｓ
１０５では、排気温度を検出する。Ｓ１０６では、図１
２のマップに基づき、ＥＧＲ率と排気温度とから、ＥＧ
Ｒ制御弁開度を算出し、制御する。ここで、ＥＧＲ制御
弁開度は、ＥＧＲ率の増大に伴って大きく、排気温度の
上昇に伴って小さく設定される。但し、ＥＧＲ率による
燃焼時期制御を行わない場合は、これらＳ１０４〜Ｓ１
０６は省略される。
【００３９】Ｓ１０７では、図８のマップを用いて、１
回目の燃料噴射量ｑ１、２回目の燃料噴射量ｑ２を算出
する。詳しくは、先ず、図８のマップに基づき、エンジ
ン回転速度Ｎと負荷Ｔとから、全噴射量ｑに対する２回
目の噴射量割合Ｍを算出する。ここで、２回目の噴射量
割合Ｍは、回転速度Ｎの増大及び負荷Ｔの低下に伴って
大きく設定される。そして、１回目の燃料噴射量ｑ１＝
全噴射量ｑ×（１−Ｍ）、２回目の燃料噴射量ｑ２＝全
噴射量ｑ×Ｍとして、算出する。尚、全噴射量ｑは吸入
空気量、エンジン回転速度、目標空燃比等から周知の方
法で算出される。
【００４０】Ｓ１０８では、１回目の燃料噴射時期ＩＴ
１を算出する。ここで、１回目の燃料噴射時期ＩＴ１を
算出する。ここで、１回目の燃料噴射時期ＩＴ１は、吸
気行程中に噴射されてもよく、エンジン回転速度Ｎと負
荷Ｔとからマップに基づき算出されてもよい。Ｓ１０９
では、図１０のマップに基づき、エンジン回転速度Ｎと
負荷Ｔとから、２回目の燃料噴射時期ＩＴ２を算出す
る。ここで、２回目の燃料噴射時期ＩＴ２は、回転速度
Ｎの増大及び負荷Ｔの低下に伴って進角側に設定され
る。ここで、図１０のマップを、２回目の噴射終了から
点火までのクランク角間隔を、回転速度Ｎの増大および
負荷Ｔの低下に伴って、すなわち全噴射量に対する２回
目の燃料噴射量割合の増加に伴って、短縮するように設
定してもよい。
【００４１】Ｓ１１０では、図９のマップに基づき、エ
ンジン回転速度Ｎと負荷Ｔとから、点火時期ＩＧＴを算
出する。ここで、点火時期Ｔは、回転速度Ｎの増大及び
負荷Ｔの低下に伴って進角側に設定される。このように
制御することで、エンジン回転速度及び負荷に応じた最
適な時期に燃焼を行うことができる。ここで、Ｓ１０４
〜Ｓ１１０の部分が圧縮自己着火燃焼時にエンジン回転
速度及び負荷に応じて２段目の燃焼（圧縮自己着火燃
焼）の開始時期を制御する手段に相当する。
【００４２】次に、本発明の第２実施形態について説明
する。図１４は本発明に係る自己着火式エンジンの第２
実施形態の構成を示すシステム図である。第２の実施形
態（図１４）の構成は第１の実施形態（図１）の構成に
対して、吸気行程中に筒内に生成されるスワール速度を
制御するスワール流生成手段を有している点が異なる。
すなわち、図１における吸気マニホールド５に、吸気通
路を開閉可能でありその開度を任意に調整可能なスワー
ル制御弁１５が介装され、ＥＣＵ２０にガス流動制御部
２６を備えている。
【００４３】そして、このガス流動制御部２６により、
エンジン回転速度Ｎ及び負荷Ｔに応じてスワール速度を
制御することで、点火時期において火花点火燃焼に関わ
る混合気の乱れを制御し、１段目の燃焼速度の制御を行
う。尚、筒内ガス流動制御手段としてスワール制御弁の
代わりに、その他の筒内ガス流動制御手段例えばタンブ
ル制御弁を用いてもよい。
【００４４】また、第２実施形態では、第１実施形態と
異なり、燃料噴射弁８が、燃焼室４の周辺部に直接燃料
を噴射するように、シリンダヘッド２に取り付けられて
いる。尚、第１実施形態においても燃料噴射弁８を吸気
側に設けるよう構成しても良く、逆に第２実施形態にお
いて、第１実施形態と同様に、燃料噴射弁８を燃焼室４
の上側の略中心部に位置させても良い。
【００４５】図１５にエンジン回転速度Ｎと負荷Ｔに対
するスワール比（スワール速度とエンジン回転速度の比
の特性を示す。この図のように、スワール比をエンジン
回転速度上昇及び負荷低下に伴い、すなわち全噴射量に
対する２回目の燃料噴射量割合の増加に伴い、増加させ
ることで、１段目の燃焼（火花点火燃焼）速度を増大さ
せることが可能である。１段目の燃焼速度を増大させる
ことで、点火時期を進めることなく、適切な燃焼時期に
おいて圧縮自己着火燃焼を行わせることができる。この
ため、点火時期を進めた場合の火花点火燃焼部が高温に
保たれる期間の増加によるＮＯｘ生成量増加を防止し、
ＮＯｘ排出量を大幅に低減し、ノッキング及び不安定燃
焼を防止しつつ、より広い範囲のエンジン回転速度にお
いて圧縮自己着火燃焼運転が可能となる。
【００４６】以上に基づいて行われる本実施形態での燃
焼制御の流れをフローチャートにより説明する。図１７
は燃焼制御ルーチンのフローチャートであり、所定時間
毎又は所定クランク角毎に実行される。Ｓ２０１〜Ｓ２
０６は、第１実施形態のフロー（図１３）と同じであ
り、エンジン回転速度Ｎ、負荷Ｔを検出し、燃焼形態を
判断し、火花点火燃焼を行うと判断された場合は、通常
の火花点火燃焼の制御を行い、圧縮自己着火燃焼を行う
と判断された場合は、通常に火花点火燃焼の制御を行
い、圧縮自己着火燃焼を行うと判断された場合は、ＥＧ
Ｒ率を算出し、排気温度を検出し、ＥＧＲ制御弁開度を
算出して制御する。
【００４７】Ｓ２０７では、図１５のマップ及び図１６
に特性を示すスワール制御弁開度とスワール比のマップ
に基づき、エンジン回転速度Ｎと負荷Ｔとから、スワー
ル制御弁開度を算出する。ここで、スワール比は、回転
速度Ｎの増大及び負荷Ｔの低下に伴って大きく設定され
る。Ｓ２０８〜Ｓ２１１は、第１実施形態のフロー（図
１３）のＳ１０７〜Ｓ１１０と同じであり、１回目の燃
料噴射量ｑ１、２回目の燃料噴射量ｑ２、点火時期ＩＧ
Ｔを算出して、制御する。
【００４８】このように制御することで、エンジン回転
速度及び負荷に応じた最適な時期に燃焼を行うことがで
きる。ここで、Ｓ２０４〜Ｓ２１１の部分が圧縮自己着
火燃焼時にエンジン回転速度及び負荷に応じて２段目の
燃焼（圧縮自己着火燃焼）の開始時期を制御する手段に
相当する。次に、本発明の第３実施形態について説明す
る。
【００４９】図１８は、本発明に係る自己着火式エンジ
ンの第３実施形態の構成を示すシステム図である。第３
実施形態（図１８）の構成は、第１の実施形態（図１）
の構成に対して、火花点火用の点火プラグが複数設けら
れている点が異なる。すなわち、図１におけるシリンダ
ヘッド２に、火花点火用の点火プラグ９が複数取り付け
られ、ＥＣＵ２０に点火点数制御部２７を備えている。
【００５０】そして、この点火点数制御部２７により、
エンジン回転速度Ｎ及び負荷Ｔに応じて火花点火を行う
点火点数を制御することで、１段目の燃焼制御を行う。
また、第３実施形態では、第１および第２実施形態と異
なり、燃焼室４内に直接燃料を噴射するようにシリンダ
ヘッド２に取り付けられた燃料噴射弁８に加え、吸気マ
ニホールド５に、吸気マニホールド５及び吸気ポート６
により構成される吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁
１６が取り付けられている。
【００５１】そして、この吸気通路への燃料噴射弁１６
により１回目の燃料噴射を行い、シリンダヘッド２に取
り付けられた燃料噴射弁８により２回目の燃料噴射を行
うよう制御する。尚、第１あるいは第２実施形態におい
ても吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁１６を吸気マ
ニホールドに設けるようにしてもよく、逆に第３実施形
態において、第１あるいは第２実施形態と同様に燃焼室
４内に直接燃料を噴射するようにシリンダヘッド２に取
り付けられている燃料噴射弁８のみを設けるように構成
してもよい。
【００５２】図１９にエンジン回転速度Ｎと負荷Ｔに対
する火花点火に用いる点火点数の特性を示す。この図の
ように、エンジン高回転低負荷域において、すなわち全
噴射量に対する２回目に燃料噴射量割合を増加させる運
転領域において、多点点火を行うことで、１段目の燃焼
（火花点火燃焼）速度を増大させることが可能である。
１段目の燃焼速度を増大させることで、点火時期を進め
ることなく、適切な燃焼時期において圧縮自己着火燃焼
を行わせることができる。その結果、ＮＯｘ排出量を大
幅に低減し、ノッキング及び不安定燃焼を防止しつつ、
より広い範囲のエンジン回転速度において圧縮自己着火
燃焼運転が可能となる。
【００５３】以上に基づいて行われる本実施形態での燃
焼制御の流れをフローチャートにより説明する。図２０
は燃焼制御ルーチンのフローチャートであり、所定時間
毎又はクランク角毎に実行される。Ｓ３０１〜Ｓ３０９
は、第１実施形態のフロー（図１３）のＳ１０１〜Ｓ１
０９と同じである。
【００５４】Ｓ３１０では、図１９のマップに基づき、
エンジン回転速度Ｎと負荷Ｔとから、点火点数を算出す
る。ここで、点火点数は、エンジン高回転低負荷域にお
いて点火点数を増加させるよう設定される。Ｓ３１１
は、第１実施形態のフロー（図１３）のＳ１１０と同じ
であり、点火時期ＩＧＴを算出して、制御する。
【００５５】このように、制御することで、エンジン回
転速度及び負荷に応じた最適な時期に燃焼を行うことが
できる。ここで、Ｓ３０４〜Ｓ３１１の部分が圧縮自己
着火燃焼時にエンジン回転速度及び負荷に応じて２段目
の燃焼（圧縮自己着火燃焼）の開始時期を制御する手段
に相当する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態を示すエンジンのシス
テム図
【図２】 圧縮自己着火燃焼を行う運転領域を示す図
【図３】 圧縮自己着火燃焼時の筒内圧力の変化を示す
図
【図４】 圧力上昇率とノッキング強度との関係を示す
図
【図５】 燃焼期間と燃焼効率との関係を示す図
【図６】 回転速度、負荷、燃焼時期と圧力上昇率との
関係を示す図
【図７】 回転速度及び負荷に対する好ましい燃焼時期
を示す図
【図８】 回転速度及び負荷に対する２回目の燃料噴射
時期の特性図
【図９】 回転速度及び負荷に対する点火時期の特性図
【図１０】 回転速度及び負荷に対する２回目の燃料噴
射時期の特性図
【図１１】 回転速度及び負荷に対するＥＧＲ率の特性
図
【図１２】 ＥＧＲ率及び排気温度に対するＥＧＲ制御
弁開度の特性図
【図１３】 第１実施形態での燃焼制御のフローチャー
ト
【図１４】 本発明の第２実施形態を示すエンジンのシ
ステム図
【図１５】 回転速度及び負荷に対するスワール比の特
性図
【図１６】 スワール比に対するスワール制御弁開度の
特性図
【図１７】 第２実施形態での燃焼制御のフローチャー
ト
【図１８】 本発明の第３実施形態を示すエンジンのシ
ステム図
【図１９】 回転速度及び負荷に対する点火点数の特性
図
【図２０】 本発明の第３実施形態を示すエンジンのシ
ステム図
【符号の説明】
１ シリンダ ２ シリンダヘッド ３ ピストン ４ 燃焼室 ５ 吸気マニフォルド ６ 吸気ポート ７ 吸気弁 ８ 燃料噴射弁 ９ 点火プラグ １０ 排気弁 １１ 排気ポート １２ 排気マニフォルド １３ ＥＧＲ通路 １４ ＥＧＲ制御弁 １５ スワール制御弁 １６ 吸気通路へ燃料噴射する燃料噴射弁 ２０ ＥＣＵ ２１ 燃焼形態判断部 ２２ 燃料噴射量制御部 ２３ 燃料噴射時期制御部 ２４ 点火時期制御部 ２５ ＥＧＲ率制御部 ２６ ガス流動制御部 ２５ 点火点数制御部
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 41/02 ３５１ Ｆ０２Ｄ 41/02 ３５１ 41/04 ３５５ 41/04 ３５５ ３７５ ３７５ 41/38 41/38 Ｂ 45/00 ３１２ 45/00 ３１２Ｈ ３１２Ｎ Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｆ０２Ｐ 15/02 15/02 15/08 ３０１Ｆ 15/08 ３０１ 5/15 Ｂ (72)発明者 漆原 友則 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） 3G019 AA07 AB01 AB02 AB03 AC05 AC06 BB15 GA01 GA09 GA12 GA13 3G022 AA06 AA08 CA05 CA09 EA01 EA02 GA01 GA06 GA08 GA10 GA11 3G084 AA04 BA09 BA11 BA13 BA15 BA16 BA17 BA21 CA04 CA06 CA09 DA02 DA10 DA28 DA38 EB09 EC01 EC03 FA02 FA07 FA10 FA27 FA38 3G092 AA01 AA06 AA09 AA10 BA04 BA08 BA09 BB12 BB13 DC06 EA01 EA02 EA03 EA04 EC10 FA15 FA16 FA17 FA24 GA03 GA11 GA16 HA01Z HA04Z HD01Z HE03Z HF08Z 3G301 HA01 HA04 HA15 HA17 JA02 JA21 JA22 JA25 KA06 KA11 KA23 LA05 LB04 MA01 MA11 MA18 MA23 MA27 NC04 NE01 NE06 NE11 NE12 PA01Z PA10Z PD11Z PF03Z

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁
    と、点火プラグとを備え、燃焼室のほぼ全域に比較的希
    薄な混合気を形成する第１の燃料噴射と、前記点火プラ
    グの周囲に比較的濃い混合気を形成する第２の燃料噴射
    とを行い、濃い混合気を前記点火プラグによる火花点火
    とそれに引き続く火炎伝播で燃焼させ、当該燃焼に伴う
    燃焼室内圧力と温度の上昇によって希薄な混合気を圧縮
    自己着火燃焼させる自己着火式エンジンの制御装置にお
    いて、 エンジン運転条件に応じて火花点火燃焼による発熱量と
    熱発生時期とを制御することを特徴とする自己着火式エ
    ンジンの制御装置。
  2. 【請求項２】エンジン回転速度の上昇に伴い、全噴射量
    に対する前記第２の燃料噴射の噴射量割合を増加させる
    と共に、前記火花点火の時期を進角させることを特徴と
    する請求項１に記載の自己着火式エンジンの制御装置。
  3. 【請求項３】エンジン回転速度の上昇に伴い、全噴射量
    に対する前記第２の燃料噴射の噴射量割合を増加させる
    と共に、前記火花点火に引き続いて生じる火炎伝播燃焼
    の火炎伝播速度を増大させることを特徴とする請求項１
    に記載の自己着火式エンジンの制御装置。
  4. 【請求項４】エンジン負荷の低下に伴い、全噴射量に対
    する前記第２の燃料噴射の噴射量割合を増加させると共
    に、前記火花点火の時期を進角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つに記載の自己着火式
    エンジンの制御装置。
  5. 【請求項５】エンジン負荷の低下に伴い、全噴射量に対
    する前記第２の燃料噴射の噴射量割合を増加させると共
    に、前記火花点火に引き続いて生じる火炎伝播燃焼の火
    炎伝播速度を増大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つに記載の自己着火式エンジンの制
    御装置。
  6. 【請求項６】前記火花点火を行う時期における濃い混合
    気の空燃比を変化させることにより火炎伝播速度を変化
    させることを特徴とする請求項３または請求項５に記載
    の自己着火式エンジンの制御装置。
  7. 【請求項７】燃焼室内のガス流動の強さを変化させるこ
    とにより火炎伝播速度を変化させることを特徴とする請
    求項３または請求項５に記載の自己着火式エンジンの制
    御装置。
  8. 【請求項８】前記点火プラグを１気筒につき複数個配置
    し、点火点数を変化させることにより火炎伝播速度を変
    化させることを特徴とする請求項３または請求項５に記
    載の自己着火式エンジンの制御装置。
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