JP2003343312A - ターボ過給機を備えた筒内噴射型内燃機関の制御方法及びターボ過給機を備えた筒内噴射型内燃機関 - Google Patents

ターボ過給機を備えた筒内噴射型内燃機関の制御方法及びターボ過給機を備えた筒内噴射型内燃機関

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turbine
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Shiro Yamaoka
士朗 山岡
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Minoru Osuga
大須賀　　稔
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の第１の目的はターボ過給機を備えた筒
内噴射型内燃機関において、過給により拡大した希薄燃
焼領域での排気を低減することにある。第２の目的は自
着火燃焼時のノッキングおよび失火を防止することであ
る。 【解決手段】本発明はターボ過給機を備えた筒内噴射型
の内燃機関に用いられるもので、上記の第１の目的を達
成するために、エンジンの吸気圧力が大気圧以上の時は
燃焼モードを成層燃焼から自着火燃焼に切り替えるよう
にした。また、第２の目的を達成するために、エンジン
を自着火燃焼モードで運転する時には点火時期を上死点
から上死点後１０度（０〜１０（ＡＴＤＣ））の範囲内
に設定するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はターボ過給機を備え
た筒内噴射型内燃機関の制御方法に関するものであり、
特に高負荷運転時の燃焼を改善し排気を浄化し、燃費を
向上するための制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】筒内噴射エンジンを代表とするリーンバ
ーンエンジンでは、燃費向上を目的としてエンジントル
クの低い運転領域では、理論空燃比よりも空気過剰の状
態、いわゆる希薄燃焼で内燃機関の運転を行う。希薄燃
焼する場合、運転者の要求するトルクを実現するための
燃料量と予め決められた空燃比から決まる空気量は、エ
ンジンの排気量で制限されている。そのため燃費向上に
有利な希薄燃焼で運転できる範囲はエンジントルクの低
い領域に限定されている。空燃比を小さくすることで希
薄燃焼領域を拡大することは可能だが、燃料噴射量も増
加することから点火プラグ周囲の混合気が過濃となり、
不完全燃焼が生じてスモークが発生してしまう課題があ
る。
【０００３】これに対して特開２０００−２４８９７８
号では、空気量を増量して希薄燃焼での運転可能領域を
拡大する技術が考案されている。上記公報には過給が行
われると燃料噴射量の増加に見合うだけの酸素量が確保
されることから、点火プラグ周囲に適切な空燃比の混合
気を形成でき、不完全燃焼によるスモーク発生を防止す
る技術が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術に記載の
技術によればスモーク排出を抑制しつつ希薄燃焼領域は
拡大できるが、増加した空気量に比例してＮＯｘ排出量
の増加が新たな課題として挙げられる。筒内噴射エンジ
ンなどのリーンバーンエンジンには、排気ガス中のＮＯ
ｘを一時吸着し一定量蓄積した後にＣＯやＨＣ成分など
の還元剤の作用によりＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒を備
えている。ＮＯｘ触媒に蓄積されたＮＯｘを浄化するた
めに、一時的に空燃比をリッチ化し燃焼に寄与しない燃
料（ＣＯやＨＣ成分）を触媒に供給するリッチスパイク
制御を一定間隔毎に行う。このリッチスパイク制御は燃
焼に寄与しない燃料を余分に噴射することになるので燃
費が悪化する。したがって、過給により希薄燃焼領域を
拡大して燃費向上可能であるが、ＮＯｘ排出量の増大に
よるリッチスパイク制御の回数および燃料噴射量の増加
により燃費が悪化するという問題が発生する。
【０００５】一方、近年点火プラグを用いずにピストン
の圧縮動作によってガソリン混合気を着火・燃焼させる
圧縮着火エンジンが提案されている。この圧縮着火エン
ジンは、点火プラグで着火・燃焼させる従来のガソリン
エンジンと比較してＮＯｘ排出濃度を１／１０以下にで
きるポテンシャルを有している。そのためＮＯｘ触媒が
不要となるので排気系を簡素化できるとともに、リッチ
スパイク制御のような燃費悪化要素も取り除くことがで
きる。しかし、このエンジンは点火源を持たないことか
ら、エンジンの広い運転領域における着火・燃焼制御が
困難であり、その手法は未だ確立されていない。さらに
圧縮着火による運転領域は低速低負荷の非常に狭い範囲
に限られており、領域拡大の試みが多数なされている。
【０００６】例えば、特開２０００−３１０１２０号に
は、自着火燃焼と判定した時には負荷に応じて１燃焼／
４行程，１燃焼／２行程とサイクル中での燃焼回数を変
更し、運転領域を拡大する技術が開示されている。ま
た、特開２００１−３８００号には複数回の燃料噴射を
着火のトリガーとして使い、着火時期を制御する手法が
開示されている。しかし、いずれの技術においても自動
車用エンジンとしては不十分である。
【０００７】したがって、筒内噴射エンジンにおいては
燃費向上に有利な希薄燃焼で運転できる範囲を拡大する
ことは可能であるが、ＮＯｘ触媒を備えた排気系の構成
上、リッチスパイク制御が必要となり実際の走行条件に
おいては燃費が向上しないという問題がある。また、Ｎ
Ｏｘ触媒不要の排気系を構成可能な圧縮着火エンジンに
おいても広い運転範囲で低ＮＯｘ燃焼を実現できる技術
が確立されておらず、燃費向上と排気低減が両立可能な
エンジンシステムという観点でみるとどちらも不十分で
ある。
【０００８】本発明は上記のような事情を鑑みてなされ
たものであって、その第１の目的はターボ過給機を備え
た筒内噴射エンジンにおいて、過給により拡大した希薄
燃焼領域での排気を低減することにある。第２の目的は
自着火燃焼時のノッキングおよび失火を防止することで
ある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の第１の目的は、基
本的にはターボ過給機を備えた筒内噴射型内燃機関にお
いて、エンジンの吸気圧力が大気圧以下の時は燃焼モー
ドを成層燃焼モードとし、エンジンの吸気圧力が大気圧
以上の時は燃焼モードを自着火燃焼モードに切り替える
ことによって達成される。
【００１０】具体的には、エンジンの燃焼室に直接燃料
を噴射可能な燃料噴射弁と、エンジンの燃焼室に組み合
わされる吸気バルブと排気バルブと、前記吸気バルブま
たは排気バルブの位相を可変にする可変バルブ機構と、
前記エンジンの排気通路に設置され排気ガスにより回転
するタービンと、前記エンジンの吸気通路に設置され、
前記タービンの回転力で回転するコンプレッサと、前期
タービンの下流に触媒と、前記タービンをバイパスする
バイパス通路と、前記バイパス通路への排気ガス流量を
調整可能な制御弁を備えた筒内噴射エンジンの制御方法
において、前記エンジンの吸気圧力が大気圧以上の時は
燃焼モードを成層燃焼から自着火燃焼に切り替えること
によって達成される。
【００１１】また、第２の目的は基本的には、エンジン
の吸気圧力に応じて燃焼モードを成層燃焼モードか自着
火燃焼モードに切り替えるターボ過給機を備えた筒内噴
射型内燃機関において、エンジンを自着火燃焼モードで
運転する時には点火時期を上死点から上死点後１０度
（０〜１０（ＡＴＤＣ））の範囲内に設定することによ
って達成される。
【００１２】具体的には、エンジンの燃焼室に直接燃料
を噴射可能な燃料噴射弁と、エンジンの燃焼室に組み合
わされる吸気バルブと排気バルブと、前記吸気バルブま
たは排気バルブの位相を可変にする可変バルブ機構と、
前記エンジンの排気通路に設置され排気ガスにより回転
するタービンと、前記エンジンの吸気通路に設置され、
前記タービンの回転力で回転するコンプレッサと、前期
タービンの下流に触媒と、前記タービンをバイパスする
バイパス通路と、前記バイパス通路への排気ガス流量を
調整可能な制御弁を備えた筒内噴射エンジンの制御方法
において、前記エンジンを自着火燃焼モードで運転する
時には、点火時期を上死点後の所定値に設定することに
よって達成される。
【００１３】また、このような方法を実現する内燃機関
としては、機関の燃焼室に直接燃料を供給する燃料噴射
弁と、燃焼室内に点火火花を供給する点火プラグと、機
関の排気通路に設けたタービンと、当該タービンによっ
て駆動され吸気通路を通る空気を圧縮する過給機と、機
関の運転状態によって燃焼モードをプラグ着火から自着
火に切替える制御装置を有することが必要である。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明を自動車用ガソリンエンジ
ンシステムに具体化した実施例を、図面に基づいて説明
する。
【００１５】図１に示すガソリンエンジンシステム１
は、エンジンに空気を導入する吸気系とエンジンからの
燃焼ガスを排出する排気系と、その吸気系と排気系の配
管内に設置されたターボ過給機を備えている。
【００１６】吸気系には、図示しないエアクリーナから
導入された空気量を計測する空気量センサ２と、導入さ
れた空気を過給するコンプレッサ３１と、前記コンプレ
ッサ３１とスロットル弁３を接続する吸気通路４と、前
記スロットル弁３を通過した空気を各気筒に分配するイ
ンテークマニホールド９と、インテークマニホールド９
とスロットル弁３の間には吸気脈動を抑制するためのサ
ージタンク５が備えられている。コンプレッサ３１によ
り過給された吸気は温度が上昇するために、通常は吸気
通路４の途中にインタークーラ３３を設置し、吸入空気
温度を下げるような構成とすることが多い。
【００１７】エンジンは筒内噴射式であり、燃焼室２２
内に直接燃料１５を噴射するための燃料噴射弁１９と、
ピストン２３と、吸気バルブ１３，排気バルブ１４，点
火プラグ１２，吸気バルブの可変機構７，排気バルブの
可変機構８，水温センサ２１と、ノッキングセンサ１６
と、クランク機構２４，クランク角度センサ２５，２６
を備えている。さらに、吸気系との接続部には燃焼室２
２内に空気流動を生成するための制御弁６と、整流板１
０を備えている。
【００１８】排気系にはエンジンからの排気通路１８に
接続されるタービン３２と、その下流の比較的エンジン
に近い位置に触媒１１と、車両の床下付近に触媒１７を
備えている。触媒１１はＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘを同時に浄
化可能な三元触媒とし、触媒１７はリーン雰囲気でＮＯ
ｘを一時吸着し一定間隔毎にリッチスパイク制御で浄化
するＮＯｘ触媒とする構成が一般的である。さらに、排
気通路１８の途中にあってタービン３２の上流から下流
側にバイパスする配管３０と、そのバイパス通路３０の
流路面積を可変にする制御弁３４を備えている。
【００１９】エンジン動作は概略以下のようになってい
る。エンジンのクランク機構２４に連結されたピストン
２３の動作により燃焼室２２の容積が変化する。このピ
ストン２３の上下運動によって燃焼後のガスが排出さ
れ、新たにエンジンに空気が吸入される。吸入される空
気は吸気通路４に配置されたスロットル弁３によって吸
入量が制御される。スロットル弁３はアクセルペダルの
変化量を電気信号に変換しモータで駆動する電子制御式
スロットル弁でも構わない。スロットル弁より上流に設
けられた空気量センサ２でエンジンに吸入される空気量
を計量する。吸入された空気はサージタンク５に充満す
る。サージタンク５はインテークマニホールド９内の圧
力変動を抑制する効果がある。コレクタ５には図示して
いないが外部ＥＧＲ通路が接続される場合もある。吸入
空気が空気流動制御弁６の動作により燃焼室２２内に空
気流動を生成しながら吸入される。
【００２０】燃料は図示しない燃料ポンプにより燃料圧
力を予め設定された値まで昇圧されてから燃料噴射弁１
９に供給される。燃料噴射弁１９から噴射される燃料量
は、空気量センサ２で計量された値を基に図示しないコ
ントロールユニット内で予め設定された空燃比になるよ
うに噴射パルス幅が計算される。燃料噴射弁１９はコン
トロールユニットからの噴射信号に従って燃料を噴射す
る。エンジンの回転数は、例えばクランク機構２４に取
り付けられたクランク角度センサ２５と磁気ピックアッ
プ２６の出力信号を用いて計測できる。
【００２１】燃焼室２２から排出された排気ガスは排気
通路１８の途中に設置されたタービン３２内に導かれ、
高温のエネルギをタービンの回転仕事に変換して排出さ
れる。タービンと同軸に結合されているコンプレッサ３
１はタービン３２が受け取ったエネルギで回転数を高
め、新たに導入する空気を過給してエンジンに送りこ
む。タービン３２から排出された排気ガスは、排気系に
取り付けられた触媒１１を通過し、その際に排気ガス中
の有害成分（例えばＨＣ，ＮＯｘ，ＣＯ）が除去され
る。また、希薄燃焼の場合は排気ガス中に酸素が多量に
あるリーン雰囲気であるため、触媒１１ではＮＯｘ成分
を浄化できないため、触媒１７でＮＯｘを一時吸着して
おき、一定間隔毎にリッチスパイク制御を行い、蓄積し
たＮＯｘを還元して排出する。触媒１１および１７の前
後には、図示しない空燃比センサ，排気温度センサ，酸
素センサが取り付けられ、排気ガスに関する各種情報を
センシングし、コントロールユニットでの制御に反映さ
せるようにしても良い。
【００２２】ターボなどの過給機により希薄燃焼領域を
拡大した筒内噴射エンジンの低NOx技術として、圧縮着
火エンジンとの組み合わせが考えられる。すなわち、過
給により空気量が増加した領域ではＮＯｘ排出量を低減
するために自着火燃焼させ、ＮＯｘ触媒への吸着量を少
なくする技術である。燃焼室内を高温・高圧にすること
で自着火が起きやすくなるので、過給領域で自着火する
条件を作り出すことは比較的容易である。しかし、自着
火燃焼に移行する直前までは点火プラグによる火花点火
燃焼を行っているために燃焼切替時の制御が必要になっ
てくる。例えば、特開平１１−３３６６００号には点火
プラグによる火花点火燃焼から自着火燃焼への切替につ
いて記載してある。具体的には、ＮＯｘセンサ出力に応
じて燃焼モードを切替える手段を有し、自着火燃焼中は
点火時期を火花点火燃焼中の設定と同じ値に維持するこ
とが記載されている。
【００２３】しかし、自着火燃焼は熱発生が急激である
ために、本来同等のトルクを維持するには、理想的な着
火時期は遅角側に設定されるはずである。点火時期を火
花点火燃焼時と同じ設定にしたままでは、自着火燃焼領
域内での燃焼が点火プラグによる着火燃焼、すなわち火
炎伝播を伴った燃焼になってしまう可能性があり、ＮＯ
ｘ排出量が増加するだけでなく、ノッキングが発生しエ
ンジンを破損する可能性がある。
【００２４】図２にエンジン１の燃焼モードを決定する
ための運転領域マップを示す。図２の縦軸は軸トルクで
あり、エンジン１のクランク軸から計測されるトルクで
も良いし、運転者のアクセルペダル操作量から算出され
る要求軸トルクでも良い。以後の説明では特に説明が無
い限り要求軸トルクとして説明する。エンジン１はコン
トロールユニット内に予め図２に示すような運転領域マ
ップを記憶しており、エンジン回転数と要求軸トルクか
ら決まる動作点の燃焼形態を実行するように燃料噴射時
期，点火時期を制御する。本発明のベースとなる自然吸
気（図中にはＮＡと記載）エンジンは燃費向上に有利な
希薄燃焼（図中には成層運転領域と記載）領域と均質運
転領域を持っており、エンジン水温が所定値以上であれ
ば車両の加速性能に悪影響を及ぼさない限り、基本的に
は希薄燃焼で運転を行う。図中に点線で示したラインは
それぞれ成層運転領域と均質運転領域のトルク限界線あ
り、スロットル弁３が全開になる領域を示している。自
然吸気エンジンでは、前述したように吸入空気量はスロ
ットル弁３が全開となる空気量で制限されるため、希薄
燃焼できる領域はエンジントルクの比較的低い領域に限
定されている。
【００２５】燃費に有利な希薄燃焼領域を拡大するため
に、本発明のエンジン１はターボ過給機を備えている。
その結果スロットル弁３が全開時には、成層運転領域，
均質運転領域のトルク特性はそれぞれ実線で示したよう
になる。本発明のポイントは過給により拡大した成層運
転領域を自着火燃焼で運転することであり、具体的には
過給圧が大気圧以上となる領域に自着火領域を設けるこ
とである。
【００２６】自着火燃焼するための条件は、燃焼室２２
内を高圧高温にすることである。そのために圧縮比を高
く設定しＥＧＲを導入することが有効である。圧縮比を
高くすることで、ピストン圧縮後の燃焼室２２内の混合
気温度と圧力を高めることができる。しかし、自着火燃
焼と火花点火燃焼とを組み合わせたシステムの場合、圧
縮比を高く設定すると火花点火燃焼の際にノッキングが
発生する恐れがあるため、むやみに高く設定することは
できない。したがって、筒内噴射エンジンの圧縮比は１
０〜１２程度が一般的である。
【００２７】混合気温度と圧力を高める別の方法とし
て、吸入空気量を多くする手法が考えられる。燃焼室２
２の容積はピストンが下死点にあるときが最大で自然吸
気エンジンではそれ以上の空気量は吸入できないが、タ
ーボ過給機を備えている場合は多量の空気を吸入するこ
とができ、ピストン圧縮前の圧力が大気圧以上となる。
その結果、ピストン圧縮後の燃焼室２２内の混合気温度
と圧力を高めることができる。また、ＥＧＲガスには燃
焼により生じた二酸化炭素などの不活性ガスやラジカル
化した活性ガスが含まれており、高温高圧となった混合
気の着火を抑制または促進する効果がある。したがって
ＥＧＲガス量は着火時期の制御に利用可能である。
【００２８】ＥＧＲガス量の制御には吸気バルブ１３，
排気バルブ１４の可変機構７および８を用いる。可変機
構の一例を図３に示す。カムシャフト４１とタイミング
ベルト４２を接続するカムスプロケット４３の間には可
変バルブ機構４４があり、例えば油圧の制御などにより
４４のネジ部を移動させることでカムシャフト４１とタ
イミングベルト４２の回転位相がずれる。また、カムス
プロケット４３をモータで回転させて、カムシャフト４
１とタイミングベルト４２の位相をずらす方法でも構わ
ない。
【００２９】図４は上記の可変機構による吸気バルブ，
排気バルブの制御方法の一例を示している。排気バルブ
のリフトカーブは４５で上死点（図中ＴＤＣ）を少し過
ぎた時期に閉弁するようになっている。吸気バルブのリ
フトカーブは４６で上死点（図中ＴＤＣ）の少し前から
開弁するようになっている。このリフトカーブの組み合
わせでは、上死点付近に吸気バルブ，排気バルブの両方
がわずかに開いている期間が存在する。その期間をオー
バーラップ期間と呼ぶが、オーバーラップ期間が大きい
と一旦排気通路に排出した排気ガスが燃焼室に逆流して
くる。この現象を利用して、ＥＧＲガスを燃焼室に導入
することができる。また、排気バルブのリフトカーブを
４７のように進角し、吸気バルブのリフトカーブを４８
のように遅角した場合には、排気行程中に排気バルブが
閉まるため、排気ガスが完全に排出されずに燃焼室に閉
じ込められる。このような現象を利用してＥＧＲガスを
燃焼室に導入しても構わない。燃焼室に導入されたＥＧ
Ｒガスは、次のサイクルの燃焼制御に利用される。
【００３０】図５に成層燃焼時の燃料噴射と点火時期の
関係を示す。成層燃焼モードでは、圧縮行程中に燃料１
５を噴射し燃焼室２２内に生成された空気流動４９やピ
ストン２３の頂面に形成されたキャビティなどの機能に
より、燃料１５が気化しながら点火プラグ１２のギャッ
プ近傍に集中化する。その結果、燃焼室全体で見ると希
薄な混合気でも点火プラグギャップ周辺の空燃比は着火
燃焼し易い１０〜１５程度になっている。燃料噴射時期
と点火時期の関係を概念的に示すと図５右のチャートの
ようになる。
【００３１】一方、自着火燃焼時の燃料噴射と点火時期
の関係を図６に示す。自着火燃焼するための条件が整う
と、図５に示す成層燃焼モードから図６に示す自着火燃
焼モードへ移行する。自着火燃焼では均質混合気を最初
に形成するために噴射を複数回（最低２回）に分割し、
１回目を吸気行程初期に、２回目を圧縮行程後半に噴射
する。吸気行程の初期に噴射された燃料は、燃焼室２２
内全体に拡散し空気と混合しながら、または前述したＥ
ＧＲガスが導入されている場合は空気およびＥＧＲガス
と混合しながら均質な混合気を形成される。均質混合気
はピストン圧縮によって温度・圧力が上昇し、自着火燃
焼に必要なラジカル反応が活発に起こり着火に至る。吸
気行程に噴射された燃料量が多いとラジカル反応が早く
起こり着火時期が早くなってしまう。着火時期は前述し
たＥＧＲガス量により制御できるとともに、ラジカル反
応量、すなわち１回目の燃料噴射量でも制御可能であ
る。そのため、１回目の燃料噴射量を調整しラジカル反
応量を抑制しておき、上死点近くになってから２回目の
噴射をする。２回目に噴射された燃料によりラジカル反
応が再度活発になり着火に至る。
【００３２】図７に火花点火燃焼時と自着火燃焼時の熱
発生率を示す。熱発生率は燃焼室２２内の圧力変化を波
形解析して得られるものである。この説明図は実験デー
タに基づいているが、説明の都合上簡略化して記載して
いる。火花点火燃焼時の点火時期は上死点前５度（図中
−５（ＡＴＤＣ））に設定されており、破線５０に示す
ように点火後比較的ゆっくりと熱発生が開始している。
熱発生率のピーク位置は上死点後にあり、その後はゆっ
くりと熱発生率が減少して燃焼が終了する。自着火燃焼
時の着火時期は前述したようにＥＧＲガス量や噴射時期
でコントロールできる。着火時期を上死点前５度（図中
−５（ＡＴＤＣ））に設定した場合、実線５１に示すよ
うに着火前の熱発生率にわずかな変化が見られる。これ
は冷炎反応と呼ばれており、ラジカル反応が活発になっ
ていることを表している。自着火燃焼では見かけ上の着
火点が多数存在することになるので、着火後の初期の燃
焼速度が火花点火時の燃焼速度より速く、熱発生率のピ
ーク位置は上死点前になる。熱発生率のピーク位置が上
死点より前に来るということは、燃焼によって生じる圧
力上昇に抗してピストンは圧縮動作することになるの
で、燃焼により発生したエネルギを機械仕事に変換する
効率が低下する。熱発生率のピーク位置は上死点よりわ
ずかに遅れた位置が理想的である。したがって、成層燃
焼から自着火燃焼に移行する際には、自着火燃焼に適し
た着火時期に設定する必要がある。
【００３３】図８は着火時期を適正化した時の自着火燃
焼の熱発生率を示している。熱発生率５６のピーク位置
が上死点後になるように着火時期を図７の状態より遅角
している。成層燃焼から自着火燃焼に移行する際に、点
火時期が成層燃焼時の設定のままになっていると、熱発
生率５７に示すように冷炎反応が起こる前に火花点火で
燃焼が始まってしまいノッキングが発生する。自着火燃
焼は燃焼速度が速いために、適正な燃焼を得るには着火
時期を火花点火燃焼時の点火時期より遅くなる。したが
って、スムースに自着火燃焼に移行するには点火時期を
自着火燃焼の着火時期より遅くする必要がある。
【００３４】自着火燃焼に移行した後は、点火時期は火
花点火燃焼時の設定値から上死点より後に変更する。図
８では上死点後５度（図中５（ＡＴＤＣ））に設定した
例を示している。自着火燃焼に移行した後も点火動作を
継続するのは、失火による排気悪化を防止するためであ
る。失火した場合には未燃焼の燃料が排出されてしまう
が、上死点後に点火時期を設定しておくことで、失火し
た混合気を火花点火で着火燃焼させることができる。し
かし、この場合火花点火燃焼に適した点火時期になって
いるわけではないので発生トルクは低下する。正常な自
着火燃焼によるトルクと火花点火燃焼によるトルクの差
が大きくなると、トルク段差となって運転性に悪影響す
る。これは点火時期を遅くするほど顕著になる。図９に
実験データを示す。正常な自着火燃焼時の発生トルクを
１００とすると、点火時期が上死点より遅くなるほど火
花点火燃焼時の発生トルクは低下していく。実験結果か
らは１０％のトルク低下までは許容できる範囲であり、
点火時期は上死点から上死点後１０度（図中１０（ＡＴ
ＤＣ））までの範囲に設定する必要があることが判っ
た。自着火燃焼時の燃料噴射時期と点火時期の関係を概
念的に示すと図６右のチャートのようになる。
【００３５】成層燃焼モードから自着火燃焼モードへの
移行は図２に示したように、ターボ過給機が働き始め吸
気圧が大気圧以上になってからである。自着火燃焼モー
ドへ移行したかどうかを検出する方法として、図７に示
したような燃焼室２２内の圧力波形を解析して得られる
熱発生率の変化から判断する方法がある。この方法では
熱発生率のパターンからノッキングや失火なども判断で
きる。また別の方法として排気管に装着した排気温度セ
ンサやＮＯｘ濃度センサからの出力を用いて、所定値を
超えた場合に自着火燃焼モードに移行したと判断する方
法もある。成層燃焼モードから自着火燃焼モードに移行
すると、排気温度が低下し、排気ガス中のＮＯｘ濃度が
極端に現象する。それらの出力信号に応じて自着火判定
手段では、自着火燃焼モードへの移行を判断する。
【００３６】成層燃焼モードから自着火燃焼モードへの
燃焼切替制御のフローチャートを図１０に示す。燃焼切
替制御は吸気圧力，吸気温度，可変バルブ機構設定値な
どの自着火燃焼の条件が成立した時に開始される。まず
ステップ１（図中ではステップをＳと記載）では燃焼切
替前の成層燃焼時の燃料噴射時期，点火時期を維持して
いる。ステップ２では、前述した自着火判定手段が排気
温度センサやＮＯｘセンサからの出力信号を基に自着火
燃焼が起こっているかを判定する。自着火燃焼が開始さ
れている場合はステップ８へ、開始していない場合はス
テップ３に移る。ステップ３では自着火燃焼が起こり易
い状態を作るために内部ＥＧＲ量が増加するように可変
バルブ機構の設定値を変更する。内部ＥＧＲガスにより
ラジカル反応が活発になり自着火燃焼し易い状態を作り
出す。ステップ４で自着火燃焼が開始している場合はス
テップ８へ、開始していない場合はステップ５へ移る。
ステップ５ではさらに自着火燃焼が起こり易い状態を作
るために分割噴射制御を開始する。分割噴射制御では燃
料噴射を最低２回以上に分割する。ステップ６で自着火
燃焼が開始している場合はステップ８へ、開始していな
い場合はステップ７へ移る。ステップ７では自着火燃焼
への移行は諦め、均質燃焼時の燃料噴射時期，点火時期
の設定に変更し燃焼切替制御を終了する。
【００３７】ステップ２，４，６のそれぞれで自着火燃
焼が開始されている場合は、ステップ８で燃料噴射時
期，点火時期，可変バルブなどの各種制御信号を保持
し、ステップ９で点火時期を上死点後に遅角する点火時
期制御を行う。ステップ１０では吸気圧力，吸気温度，
内部ＥＧＲ量などが変化しても自着火燃焼を継続するよ
うに着火時期制御を実施し、燃焼切替制御を終了する。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように本発明の内燃機関の
制御方法によれば、希薄燃焼領域の拡大によって燃費を
向上しつつ、ＮＯｘ排出量の増加を防止できる。ＮＯｘ
排出量の低下によりリッチスパイク制御の回数が減り、
さらなる燃費向上に繋がる。また、自着火燃焼モードに
移行した時に点火時期を上死点後の所定範囲内に設定す
ることで、ノッキングを防止でき、失火による未燃焼ガ
スの排出を防止でき、トルク段差を少なくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の内燃機関の全体構成を示す図。
【図２】燃焼モードを決定するための運転領域マップを
示す図。
【図３】位相式可変バルブ機構の一例を示す図。
【図４】吸気バルブおよび排気バルブのリフトカーブを
示す図。
【図５】成層燃焼時の燃焼室内の模式図と燃料噴射・点
火時期の関係を示す概念図。
【図６】自着火燃焼時の燃焼室内の模式図と燃料噴射・
点火時期の関係を示す概念図。
【図７】火花点火燃焼および自着火燃焼の熱発生率を説
明する図。
【図８】火花点火燃焼および自着火燃焼の熱発生率を説
明する図。
【図９】火花点火燃焼と自着火燃焼のトルク差を説明す
る図。
【図１０】成層燃焼から自着火燃焼への燃焼切替制御の
フローチャート図。
【符号の説明】
１…ターボ過給機付き筒内噴射エンジン、２…エアフロ
ーセンサ、３…スロットル弁、６…空気流動制御弁、７
…吸気バルブ用可変機構、８…排気バルブ用可変機構、
１０…仕切り板、１１…触媒、１２…点火プラグ、１３
…吸気バルブ、１４…排気バルブ、１５…燃料噴霧、１
６…ノックセンサ、１７…床下触媒、１９…燃料噴射
弁、２１…水温センサ、２２…燃焼室、２３…ピスト
ン、３１…コンプレッサ、３２…タービン、３３…イン
タークーラ、３４…バイパス制御弁、４１…カムシャフ
ト、４２…タイミングベルトまたはチェーン、４３…カ
ムスプロケット、４５…排気バルブのリフトカーブの一
例、４６…吸気バルブのリフトカーブの一例、４９…空
気流動、５０…火花点火燃焼時の熱発生率の一例、５１
…自着火燃焼時の熱発生率の一例。
───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｆ０２Ｂ 37/00 ３０２ Ｆ０２Ｂ 37/00 ３０２Ａ ３Ｇ３０１ ３０２Ｇ Ｆ０２Ｄ 23/00 Ｆ０２Ｄ 23/00 Ｈ Ｐ 43/00 ３０１ 43/00 ３０１Ｂ ３０１Ｅ ３０１Ｒ ３０１Ｚ 45/00 ３０１ 45/00 ３０１Ｅ ３０１Ｈ Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｈ (72)発明者 徳安 昇 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 大須賀 稔 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Ｆターム(参考） 3G005 HA02 HA09 HA12 HA13 JA02 JA14 JA16 JA39 JA52 JA53 3G022 AA00 AA05 AA07 CA09 DA02 EA02 GA01 GA06 GA07 GA08 GA09 GA13 3G023 AA02 AA06 AB06 AC05 AF03 AG01 AG03 AG05 3G084 AA00 AA04 BA09 BA17 CA03 CA09 DA10 DA38 FA10 FA11 FA12 FA20 FA25 FA29 FA38 3G092 AA01 AA06 AA09 AA11 AA18 AB02 BA06 BA07 BA09 DA08 DB03 EA04 EA11 FA15 FA16 HA01Z HA05Z HA06Z HA16Z HC05Z HD06X HD06Z HE03Z HE08Z HF08Z 3G301 HA01 HA04 HA11 HA16 HA19 JA21 JA22 JA23 KA06 LA00 MA01 NC02 PA01Z PA07Z PA16Z PD04Z PE03Z PE08Z PF03Z

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】エンジンの吸気圧力が大気圧以下の時は燃
    焼モードを成層燃焼モードとし、エンジンの吸気圧力が
    大気圧以上の時は燃焼モードを自着火燃焼モードに切り
    替えるターボ過給機を備えた筒内噴射型内燃機関の制御
    方法。
  2. 【請求項２】エンジンの吸気圧力に応じて燃焼モードを
    成層燃焼モードか自着火燃焼モードに切り替えるものに
    おいて、 エンジンを自着火燃焼モードで運転する時には点火時期
    を上死点から上死点後１０度（０〜１０（ＡＴＤＣ））
    の範囲内に設定するようにしたターボ過給機を備えた筒
    内噴射型内燃機関の制御方法。
  3. 【請求項３】機関の燃焼室に直接燃料を供給する燃料噴
    射弁と、 燃焼室内に点火火花を供給する点火プラグと、 機関の排気通路に設けたタービンと、 当該タービンによって駆動され吸気通路を通る空気を圧
    縮する過給機と、 機関の運転状態によって燃焼モードをプラグ着火から自
    着火に切替える制御装置を有するターボ過給機を備えた
    筒内噴射型内燃機関。
  4. 【請求項４】エンジンの燃焼室に直接燃料を噴射可能な
    燃料噴射弁と、 エンジンの燃焼室に組み合わされる吸気バルブと排気バ
    ルブと、 前記吸気バルブまたは排気バルブの位相を可変にする可
    変バルブ機構と、 前記エンジンの排気通路に設置され排気ガスにより回転
    するタービンと、 前記エンジンの吸気通路に設置され、前記タービンの回
    転力で回転するコンプレッサと、前期タービンの下流に
    触媒と、 前記タービンをバイパスするバイパス通路と、 前記バイパス通路への排気ガス流量を調整可能な制御弁
    と、を備えた筒内噴射エンジンの制御方法において、 前記エンジンの吸気圧力が大気圧以上の時は燃焼モード
    を成層燃焼から自着火燃焼に切り替える、ことを特徴と
    する筒内噴射エンジンの制御方法。
  5. 【請求項５】エンジンの燃焼室に直接燃料を噴射可能な
    燃料噴射弁と、 エンジンの燃焼室に組み合わされる吸気バルブと排気バ
    ルブと、 前記吸気バルブまたは排気バルブの位相を可変にする可
    変バルブ機構と、 前記エンジンの排気通路に設置され排気ガスにより回転
    するタービンと、 前記エンジンの吸気通路に設置され、前記タービンの回
    転力で回転するコンプレッサと、前期タービンの下流に
    触媒と、 前記タービンをバイパスするバイパス通路と、 前記バイパス通路への排気ガス流量を調整可能な制御弁
    と、を備えた筒内噴射エンジンの制御方法において、 前記エンジンを自着火燃焼モードで運転する時には、点
    火時期を上死点後の所定値に設定する、ことを特徴とす
    る筒内噴射エンジンの制御方法。
  6. 【請求項６】エンジンの燃焼室に直接燃料を噴射可能な
    燃料噴射弁と、 エンジンの燃焼室に組み合わされる吸気バルブと排気バ
    ルブと、 前記吸気バルブまたは排気バルブの位相を可変にする可
    変バルブ機構と、 前記エンジンの排気通路に設置され排気ガスにより回転
    するタービンと、 前記エンジンの吸気通路に設置され、前記タービンの回
    転力で回転するコンプレッサと、前期タービンの下流に
    触媒と、 前記タービンをバイパスするバイパス通路と、 前記バイパス通路への排気ガス流量を調整可能な制御弁
    と、 自着火燃焼モードへ移行したことを検出する自着火判定
    手段と、を備えた筒内噴射エンジンの制御方法におい
    て、 前記自着火判定手段の判定結果に基づいて点火時期を上
    死点後の所定値に設定する、ことを特徴とする筒内噴射
    エンジンの制御方法。
  7. 【請求項７】前記点火時期が、上死点から上死点後１０
    度（０〜１０（ＡＴＤＣ））の範囲内である請求項５ま
    たは６に記載の筒内噴射エンジンの制御方法。
JP2002147067A 2002-05-22 2002-05-22 ターボ過給機を備えた筒内噴射型内燃機関の制御方法及びターボ過給機を備えた筒内噴射型内燃機関 Pending JP2003343312A (ja)

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