JP2007262926A - 圧縮自己着火エンジンの燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特定運転領域で圧縮自己着火を行う内燃機関において圧縮自己着火しうる運転領域を拡大する。
【解決手段】燃焼室５内に電極１４を配置する。圧縮自己着火燃焼の行われる中負荷運転時において、ほぼ圧縮上死点前４０°からほぼ圧縮上死点までの期間にスパークを生じさせない範囲内の１KV以上の高電圧を電極１４に連続的に印加する。
【選択図】図１

Description

本発明は圧縮自己着火エンジンの燃焼制御装置に関する。

ガソリンエンジンにおいて圧縮自己着火燃焼を生じさせるとＮＯｘの排気量を低減できると共に良好な燃費を得ることができる。しかしながら全ての運転領域において良好な圧縮自己着火燃焼を生じさせることができるわけではなく、特に機関負荷が高くなると過早着火が生じるために燃焼騒音が高くなり、従って圧縮自己着火燃焼を行うことができなくなる。

そこで良好な圧縮自己着火燃焼を生じうる負荷領域を高負荷側に拡大するために圧縮行程中に高圧空気或いは高圧水のような高圧流体を燃焼室内に噴射して混合気に温度分布をもたせるようにしたガソリンエンジンが公知である（例えば特許文献１を参照）。このように混合気に温度分布をもたせると温度の高い混合気から順次自己着火するので急激な燃焼が生じずらくなり、斯くして圧縮自己着火燃焼をより高負荷で行うことができる。
特開２００５−２８２５４２号公報

しかしながらこのように混合気に温度分布をもたせても実際には圧縮自己着火燃焼しうる負荷領域をそれほど高負荷まで拡大できないという問題がある。

上記問題点を解決するために本発明によれば、燃焼室内に電極を配置し、圧縮行程末期の予め定められた期間に亘ってスパークを生じさない範囲内の高電圧を電極に印加するようにしている。

このように圧縮行程末期にスパークを生じさない範囲内の高電圧を電極に印加すると機関負荷が高くても過早着火することなく圧縮自己着火の着火時期が遅くなり、斯くして良好な圧縮着火燃焼をしうる負荷領域を大きく拡大することができる。

図１および図２を参照すると、１はガソリンエンジン、２はシリンダブロック、３はピストン、４はシリンダヘッド、５は燃焼室、６は吸気弁、７は吸気弁６を駆動するためのアクチュエータ、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気弁９を駆動するためのアクチュエータ、１１は排気ポートを夫々示す。図１および図２に示される実施例では燃焼室５の頂面の中央部に点火栓１２が配置される。また、燃焼室５の一側には燃料噴射弁１３が配置され、燃焼室５の他側には一本の針状をなす補助電極１４が配置される。この補助電極１４はシリンダヘッド４内を貫通する絶縁体１５により支持されている。

電子制御ユニット２０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス２１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２４、入力ポート２５および出力ポート２６を具備する。アクセルペダル２７にはアクセルペダル２７の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ２８が接続され、負荷センサ２８の出力電圧は対応するＡＤ変換器２９を介して入力ポート２５に入力される。更に入力ポート２５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ３０が接続される。一方、出力ポート２６は対応する駆動回路３１を介して燃料噴射弁１３、点火栓１２の点火時期を制御するための点火制御装置３２および電極１４に印加される電圧を制御するための電圧制御装置３３に接続される。

図３は本発明による実施例において予め定められている各運転領域を示している。なお、図３においてＱａ，Ｑｂ，Ｑｃ，Ｑｄは燃料噴射量を表わしており、Ｑａ＜Ｑｂ＜Ｑｃ＜Ｑｄの関係がある。図３に示されるように燃料噴射量Ｑが予め定められた噴射量Ｑａよりも少ない運転領域、即ち、Ｑ≦Ｑａである運転領域は無負荷運転領域と称され、Ｑａ＜Ｑ≦Ｑｂである運転領域は極軽負荷運転領域と称され、Ｑｂ＜Ｑ≦Ｑｃである運転領域は軽負荷運転領域と称され、Ｑｃ＜Ｑ≦Ｑｄである運転領域は中負荷運転領域と称され、Ｑ＞Ｑｄである運転領域は高負荷運転領域と称される。

さて、燃焼室５内に供給された燃料は燃焼室５内のガス温がほぼ７００°Ｋに達すると冷炎反応を生じ、次いでほぼ１０００°Ｋに達すると熱炎反応を生じて自己着火に至る。即ち、圧縮自己着火を生じさせるには圧縮行程中における燃焼室５内のガス温を高くしなければならず、従って本発明による実施例では圧縮比が１３以上とされ、図４に示されるように吸気弁６の開弁中に排気弁９を開弁して高温の排気ガスを燃焼室５内に供給するようにしている。

ところでこのように圧縮比が１３以上とされ、高温の排気ガスを燃焼室５内に供給しても無負荷運転時には発熱量自体が少ないために燃焼室５内のガス温は圧縮自己着火を生ずる温度まで上昇しない。従って図３の無負荷運転領域では吸気弁６の開弁中に排気弁９を開弁させるのを停止し、点火栓１２が発生するスパークによって混合気を着火するようにしている。

一方、図３の極軽負荷運転領域では圧縮行程中における燃焼室５内のガス温を高めるために吸気弁６の開弁中における排気弁９の開弁期間が長くされ、更にこのときには図１に示されるように圧縮行程末期に燃料噴射弁１３から点火栓１２の周りに向けて燃料が噴射される。このように燃焼室５内は成層化すると噴射燃料の密度が高くなるために圧縮自己着火が生じやすくなり、従って極軽負荷運転時には混合気を成層化した状態で圧縮自己着火燃焼が行われる。このとき点火栓１２による点火作用は停止される。

一方、図３の軽負荷運転領域では発熱量が多くなるために圧縮自己着火燃焼が生じやすくなる。このときには吸気弁６の開弁中における排気弁９の開弁期間が短かくされ、かつ燃料噴射弁１３から吸気行程中に燃料噴射が行われる。このときには均一予混合気のもとで圧縮自己着火燃焼が行われる。このときにも点火栓１２による点火作用は停止される。

一方、図３の中負荷運転領域では更に発熱量が多くなるために吸気弁６の開弁中における排気弁９の開弁期間が短かくされ、このとき吸気行程時にのみ燃料噴射が行われるか、或いは吸気行程時と圧縮行程末期の双方において燃料噴射が行われる。このときには点火栓１２による点火作用が停止されるか、或いは点火栓１２による点火作用によって圧縮自己着火による着火時期が制御される。

一方、図３の高負荷運転領域では更に発熱量が高くなるためにこのとき圧縮自己着火燃焼を生じさせると過早着火となり、燃焼を抑制できなくなる。従ってこのときには吸気弁６の開弁中に排気弁９を開示させるのを停止し、点火栓１２が発生するスパークによって混合気を着火するようにしている。このように機関負荷が高くなると安定した圧縮自己着火燃焼を行うのは困難となり、従っていかに高負荷まで安定した圧縮自己着火燃焼を行いうるか、即ち圧縮自己着火燃焼を行いうる図３の中負荷運転領域をいかに高負荷側まで拡大しうるかが重要な問題となる。

本発明では図３の中負荷運転領域を高負荷側に拡大するために図３の中負荷運転領域では電極１４に高電圧を印加するようにしている。次にこのことについて図５および図６に示される実験結果に基づき説明する。

図５および図６は、図３の中負荷運転領域において点火栓の電極に発生する電圧の発生時期が圧縮自己着火燃焼の着火時期に与える影響を示している。即ち、図５および図６には誘導型点火コイルの１次コイルに印加される１次電圧および２次コイルに発生する２次電圧が示されており、更に圧縮自己着火燃焼が繰返し行われた際の圧縮自己着火時期の度数が示されている。

図５および図６に示されるように１次コイルに１次電圧が発生せしめられると２次コイルには１KV程度の２次電圧が発生し、この２次電圧と同じ電圧が燃焼室内に配置された点火栓の電極に発生する。このとき燃焼室内には燃焼室の内壁面を接地側とする電界が発生する。次いで１次コイルへの通電が停止されると２０KV程度の２次電圧が発生し、点火栓の電極にスパークが発生する。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図６（Ａ）、図６（Ｂ）は点火時期が夫々上死点後（ＡＴＤＣ）２０°，１５°，１０°，５°となるように１次コイルへの通電開始時期を変化させた場合、即ち２次電圧の発生時期、即ち点火栓に１KV程度の高電圧が発生している時期を徐々に早めた場合を示している。

図５（Ａ）に示されるようにＡＴＤＣ２０°においてスパークが発生するように設定すると圧縮自己着火時期は全て圧縮上死点（ＡＴＤＣ＝０）前となり、過早着火状態となる。このときには燃焼騒音が極めて高くなり、従ってこのような圧縮自己着火燃焼は使用できない。この場合、点火栓によるスパークは燃焼完了後に発生するのでこのスパークは燃焼に何ら影響を与えていない。

一方、図５（Ｂ）に示されるように点火時期がＡＴＤＣ１５°まで早められると２次電圧の発生開始時期、即ち点火栓電極における高電圧の発生開始時期が圧縮上死点前となり、このときには図５（Ａ）に比較するとわかるように圧縮上死点前直前における圧縮自己着火時期の度数が増大する。即ち、圧縮自己着火時期が遅れる場合が生じてくる。

一方、図６（Ａ）に示されるように点火時期がＡＴＤＣ１０°まで早められると２次電圧の発生開始時期、即ち点火栓電極における高電圧の発生開始時期が図５（Ａ）に示される圧縮自己着火開始時期付近となり、このときには圧縮上死点後における圧縮自己着火時期の度数が増大する。即ち、圧縮自己着火時期が圧縮上死点後まで遅れる場合が生じてくる。

一方、図６（Ｂ）に示されるように点火時期がＡＴＤＣ５°まで早められると２次電圧の発生開始時期、即ち点火栓電極における高電圧の発生開始時期が図５（Ａ）に示される圧縮自己着火時期よりもかなり早くなり、このときには圧縮自己着火時期が圧縮上死点後となって良好な圧縮自己着火燃焼が行われる。このときにも燃焼が完了した後にスパークが発生するのでスパークが圧縮自己着火燃焼に影響を与えていないことは明らかである。

してみると圧縮自己着火時期が遅れたのは点火栓に高電圧が印加されたからである。点火栓に高電圧を印加すると圧縮自己着火時期が遅れる理由は必ずしも明らかではないがおそらく次の理由によるものと思われる。即ち、前述したように混合気を圧縮すると最初に冷炎反応が生じ、次いで圧縮自己着火燃焼を生じさせる熱炎反応が生じる。この場合、冷炎反応が生じるとＯＨラジカルやＣＨＯラジカル等の中間生成物が生成され、これら中間生成物の反応がトリガーとなって熱炎反応が生ずる。

ところが点火栓に電圧が印加されると電界エネルギにより中間生成物は発生するや否や燃焼して消滅してしまう。その結果、熱炎反応のトリガーとなる中間生成物が存在しなくなるために圧縮自己着火時期が遅れるものと考えられる。そこで本発明では冷炎反応が生じる圧縮行程末期に、スパークを生じない範囲内の高電圧を燃焼室内に配置した電極に印加し、それによって圧縮自己着火時期を遅らすことにより良好な圧縮自己着火燃焼を確保するようにしている。

次に図７を参照しつつ具体的な実施例について説明する。なお、図７は図３の中負荷運転領域における運転制御を示している。図７（Ａ）に示す例では図１および図２において点火栓１２による点火作用が行われず、補助電極１４に圧縮上死点（ＴＤＣ）前のほぼ４０°からほぼ圧縮上死点までほぼ２KVの一定の高電圧が補助電極１４に連続的に印加され、それによって良好な圧縮自己着火燃焼が行われる。

前述したように冷炎反応は燃焼室５内のガス温がほぼ７００°Ｋになったときに開始され、燃焼室５内のガス温がほぼ７００°Ｋになるのはほぼ圧縮上死点前４０°である。補助電極１４への高電圧の印加は冷炎反応が開始される頃から開始させるのが好ましく、従って本発明による実施例では図７（Ａ）に示されるようにほぼ圧縮上死点前４０°において補助電極１４への高電圧の印加が開始される。一方、圧縮自己着火燃焼が開始される頃になれば補助電極１４に高電圧を印加する必要はなく、従って図７（Ａ）に示されるように圧縮自己着火燃焼が開始される直前のほぼ圧縮上死点において補助電極１４への高電圧の印加が停止される。

なお、補正電極１４に高電圧を印加しているときに補助電極１４にスパークが発生すると過早着火を生じてしまい、従って補助電極１４にはスパークが発生しないようにする必要がある。即ち、補助電極１４にはほぼ１KV以上の高電圧が印加されるがこの印加電圧はスパークが生じない範囲内の高電圧とされる。

図７（Ｂ）に示される例ではほぼ圧縮上死点前４０°からほぼ圧縮上死点まで補助電極１４に高電圧が印加され、圧縮上死点付近において点火栓１２によるスパークが発生せしめられる。スパークが発生せしめられるとスパークがトリガーとなって圧縮自己着火燃焼が開始される。このようにスパークを発生させると圧縮自己着火時期を安定化することができるという利点がある。

図７（Ｃ）に示される例ではほぼ圧縮上死点前４０°から点火コイルの２次電圧が発生せしめられ、このとき点火栓１２にはほぼ１KV程度の電圧が印加される。次いで圧縮上死点付近になると点火栓１２にスパークが発生せしめられる。この実施例では点火栓１２が電界を発生させるための電極の役目を果しており、従ってこの例では図１および図２に示される補助電極１４を設ける必要がない。

図８および図９にガソリン機関の夫々別の実施例を示す。図８に示す例ではピストン３の頂面上に噴射燃料ガイド溝１６が形成され、成層化を行うときには燃料噴射弁１３からこのガイド溝１６内に向けて燃料が噴射される。ガイド溝１６内に向けて噴射された燃料は点火栓１２に向けて上昇し、点火栓１２の周りに混合気を形成する。図９に示される例では燃料噴射弁１３に加えて別の燃料噴射弁１７が吸気ポート８に取付けられる。この例では燃料噴射弁１３から吸気行程に噴射する代りに燃料噴射弁１７から燃料が噴射される。

図１０に別の実施例を示す。なお、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）に示されるシリンダヘッド４の底面図を示している。この実施例では燃焼室５の周辺部に周辺方向に互いに等しい間隔を隔てて複数個の補助電極１４が配置されており、各補助電極１４に同時に高電圧が印加される。この場合、中間生成物の燃焼が促進されるので更に圧縮自己着火時期を遅らすことができる。

図１１に示される実施例では電圧制御装置３３が各補助電極１４に対して夫々設けられた変圧器４０と、交流電源４１と、交流電源４１を各変圧器４０の１次側巻線に印加するのを制御するための印加制御装置４２とを具備する。この実施例では各補助電極１４に交流電圧又は交番電圧が印加される。

また、この実施例では図１２に示されるように各補助電極１４に印加される第１から第４の印加電圧に位相差をもたせることができる。このように各補助電極１４に順次位相をずらして交流電圧又は交番電圧を印加することによって常時燃焼室５内に電界を発生させておくことができる。

図１３に更に別の実施例を示す。この実施例では図１３（Ａ）に示されるようにシリンダブロック２とシリンダヘッド４間に環状をなす絶縁板４３が挿入されており、燃焼室５内に突き出ている複数個の補助電極１４がこの絶縁板４３によって支持されている。絶縁板４３内部の配線を示す図１３（Ｂ）を参照すると各補助電極１４を結ぶ導線４４が絶縁板４３内を延びていることがわかる。

図１４に更に別の実施例を示す。この実施例では図１４（Ａ）に示されるように燃焼室５の頂面中央に燃料噴射弁４５が配置されている。燃料噴射弁４５の先端部を示す図１４（Ｂ）を参照するとニードル弁４６の周りには中空円筒状の絶縁体４７が取付けられており、この絶縁体４７内に円筒状の補助電極４８が配置されている。この実施例ではこの補助電極４８に高電圧が印加される。

一方、この実施例でもシリンダブロック２とシリンダヘッド４間には絶縁板４３が挿入されており、この絶縁板４３の内周面上には等角度間隔を隔てて一対の電極からなる複数個の点火用電極４９が配置されている。図１４（Ｃ）はピストン３の頂面を示しており、この図１４（Ｃ）には燃料噴射弁４５からの噴射燃料ｆも示されている。図１４（Ａ）および図１４（Ｃ）からわかるようにこの実施例では噴射燃料ｆを案内するための噴射燃料ガイド溝５０が各噴射燃料ｆに対して夫々ピストン３の頂面上に形成されており、噴射燃料ｆの進行方向に各点火用電極４９が配置されている。なお、この実施例では図１４（Ｃ）からわかるように各点火用電極４９は直列接続されている。

次に、圧縮自己着火による着火時期を点火栓による点火時期で制御するようにした場合において、圧縮自己着火による燃焼が予め定められた最適な時期に行われるように点火時期を制御するようにしたいくつかの実施例について説明する。

図１５は良好な圧縮自己着火燃焼が行われているときの燃焼室５内の圧力Ｐの変化を示している。良好な圧縮自己着火燃焼が行われているときには図１５に示されるように単位クランク角度当りの圧力Ｐの変化である圧力変化率ｄＰ／ｄθが最大（ｄＰ／ｄθ）_maxとなるクランク角θｐはＡＴＤＣ１０°前後であり、従ってこの実施例では最大圧力変化率（ｄＰ／ｄθ）_maxとなるクランク角θｐがθａ、例えばＡＴＤＣ５°とθｒ、例えばＡＴＤＣ１５°との間になるように制御される。なお、この実施例では燃焼室５内の圧力Ｐを検出するために図１６に示すように燃焼室３内に圧力センサ５１が配置されている。

図１７は点火時期の制御ルーチンを示している。
図１７を参照するとまず初めにステップ１００において燃料噴射量Ｑが図３に示されるＱｃとＱｄの間であるか否か、即ち中負荷運転領域であるか否かが判別される。中負荷運転領域であるときにはステップ１０１に進んで圧力センサ５１により燃焼室５内の圧力が検出される。次いでステップ１０２では圧力変化率ｄＰ／ｄθが算出され、次いでステップ１０３では最大圧力変動率（ｄＰ／ｄθ）_maxとなるクランク角θｐが算出される。

次いでステップ１０４ではこのクランク角θｐが許容限界クランク角θａよりも早くなったか否か、即ち小さくなったか否かが判別される。θｐ＜θａのときにはステップ１０５に進んで点火時期の補正量ΔＩＧから一定値αが減算され、次いでステップ１０６では噴射時期の補正量ΔＩＮから一定値βが減算される。次いでステップ１１０に進む。一方、ステップ１０４においてＱｐ≧θａであると判別されたときにはステップ１０７に進んでクランク角θｐが許容限界クランク角θｒよりも遅くなったか否か、即ち大きくなったか否かが判別される。θｐ＞θｒのときにはステップ１０８に進んで点火時期の補正量ΔＩＧに一定値αが加算され、次いでステップ１０９では噴射時期の補正量ΔＩＮに一定値βが加算される。次いでステップ１１０に進む。

ステップ１１０では機関の運転状態に応じて予め定められている基本点火時期ＩＧ₀に点火時期の補正量ΔＩＧを加算することによって点火時期ＩＧが求められる。即ち、θｐ＜θａになるとθｐ＞θａとなるように点火時期ＩＧが遅らされ、θｐ＞θｒになるとθｐ＜θｒとなるように点火時期ＩＧが早められる。

次いでステップ１１１では機関の運転状態に応じて予め定められている基本噴射時期ＩＮ₀に噴射時期の補正量ΔＩＮを加算することによって噴射時期ＩＮが求められる。従って点火時期ＩＧが変化せしめられたときに燃料噴射弁１３からの噴射時期ＩＮは点火時期ＩＧとの間隔を一定に保つように点火時期ＩＧの変化に追従して変化せしめられることがわかる。なお、このように噴射時期ＩＮと点火時期ＩＧとの間隔を一定に保つとメリットが生ずるのは圧縮行程末期に噴射した燃料を点火栓１２により点火するようにした場合である。即ち、圧縮行程末期に噴射した燃料により最適な濃度の混合気が形成されるのは噴射後一定期間後である。従って噴射時期ＩＮと点火時期ＩＧとの間隔を一定に保つと点火栓１２による良好な着火が得られ、これがトリガーとなって圧縮自己燃焼が安定して開始される。

図１８は図１５と同様な良好な圧縮自己着火燃焼が行われているときの燃焼室５内の圧力Ｐの変化を示している。良好な圧縮自己着火燃焼が行われているときには図１８に示されるように圧縮自己着火の着火時期θ_IはＡＴＤＣ５°前後であり、従ってこの実施例では着火時期θ_Iがθａ、例えばＴＤＣとθｒ、例えばＡＴＤＣ１０°との間になるように制御される。

なお、補正電極１４に電圧が印加されていると圧縮自己着火燃焼が開始されたときに補助電極１４から接地側にイオン電流が流れ、従ってこのイオン電流が流れたことから圧縮自己着火が生じたか否かを判断することができる。そこでこの実施例では図１９に示されるように各補正電極１４に流れる電流を検出するための検出器５２を各補正電極１４毎に設け、検出器５２の検出信号をイオン電流検出装置５３に送り込んで圧縮自己着火時期を検出するようにしている。

図２０は点火時期の制御ルーチンを示している。
図２０を参照するとまず初めにステップ２００において燃料噴射量Ｑが図３に示されるＱｃとＱｄの間であるか否か、即ち中負荷運転領域であるか否かが判別される。中負荷運転領域であるときにはステップ２０１に進んで各検出器５２によりイオン電流が検出され、次いでステップ２０２ではイオン電流検出装置５３により着火時期θ_Iが決定される。

次いでステップ２０３ではこの着火時期θ_Iが許容限界クランク角θａよりも早くなったか否か、即ち小さくなったか否かが判別される。θ_I＜θａのときにはステップ２０４に進んで点火時期の補正量ΔＩＧから一定値αが減算され、次いでステップ２０５では噴射時期の補正量ΔＩＮから一定値βが減算される。次いでステップ２０９に進む。一方、ステップ２０３においてＱ_I≧θａであると判別されたときにはステップ２０６に進んで着火時期θ_Iが許容限界クランク角θｒよりも遅くなったか否か、即ち大きくなったか否かが判別される。θｐ＞θｒのときにはステップ２０７に進んで点火時期の補正量ΔＩＧに一定値αが加算され、次いでステップ２０８では噴射時期の補正量ΔＩＮに一定値βが加算される。次いでステップ２０９に進む。

ステップ２０９では機関の運転状態に応じて予め定められている基本点火時期ＩＧ₀に点火時期の補正量ΔＩＧを加算することによって点火時期ＩＧが求められる。即ち、θｐ＜θａになるとθｐ＞θａとなるように点火時期ＩＧが遅らされ、θｐ＞θｒになるとθｐ＜θｒとなるように点火時期ＩＧが早められる。

次いでステップ２１０では機関の運転状態に応じて予め定められている基本噴射時期ＩＮ₀に噴射時期の補正量ΔＩＮを加算することによって噴射時期ＩＮが求められる。従ってこの実施例でも点火時期ＩＧが変化せしめられたときに燃料噴射弁１３からの噴射時期ＩＮは点火時期ＩＧとの間隔を一定に保つように点火時期ＩＧの変化に追従して変化せしめられる。

図２１に更に別の実施例を示す。この実施例では燃焼室５の周辺部に対をなす複数個の電極５４が等角度間隔で配置されており、これら電極５４は点火栓としても補助電極としても使用される。即ち、この実施例では点火制御装置３２の出力電圧は、点火制御装置３２から各電極５４に向かう電流方向が順方向となるダイオード５５を介して各補助電極５４に印加され、電圧制御装置３３の出力電圧は、電圧制御装置３３から各電極５４に向かう電流方向が順方向となるダイオード５６を介して各補助電極５４に印加される。

この実施例では点火制御装置３２の出力電圧と電圧制御装置３３の出力電圧のうちで高い方の出力電圧が各電極５４に印加される。図２２に電圧発生装置３３から出力される２KV程度の補助電圧と点火制御装置３２から出力される２０KV程度の点火電圧とが示されており、図２２に示されるようにNo.１からNo.４の各電極５４に印加される印加電圧は補助電圧と点火電圧とのうちで高い方の出力電圧となる。なお、この実施例では点火制御装置３２として容量型点火装置が用いられており、従ってこの実施例では点火電圧はスパイク状に発生する。

この実施例では各電極５４においてスパークが発生せしめられるとこのスパークがトリガーとなってスパーク発生後暫らくした後に圧縮自己着火燃焼が開始され、圧縮自己着火燃焼が開始されたときに各電極５４を流れるイオン電流が検出器５２によって検出される。この検出されたイオン電流が図２２に示されている。この実施例では燃焼室５内全体において同時に多点的に燃焼が開始するように、着火が遅く従ってイオン電流の発生時期の遅い電極５４の点火時期、図２２に示される例ではNo.２の電極５４の点火時期を早めるようにしている。

図２３に点火時期の制御ルーチンを示している。
図２３を参照するとまず初めにステップ３００において燃料噴射量Ｑが図３に示されるＱｃとＱｄの間であるか否か、即ち中負荷運転領域であるか否かが判別される。中負荷運転領域であるときにはステップ３０１に進んで検出器５２により各電極５４に流れるイオン電流が検出される。次いでステップ３０２では各電極５４の位置における着火時期θ₁〜θ₄が決定される。次いでステップ３０３では着火時期の最も遅い電極ｉが決定される。次いでステップ３０４では着火時期が最も遅い電極ｉに対する点火時期の補正値ΔＩＧｉに一定値ｋが加算される。即ち、着火時期の最も遅い電極ｉに対する点火時期が早められる。

次いでステップ３０５ではNo.１からNo.４のいずれかの電極５４における着火時期θ₁からθ₄が許容限界クランク角θａよりも早くなったか否か、即ち小さくなったか否かが判別される。いずれかの着火時期Ｑ₁〜Ｑ₄がＱａよりも小さいときにはステップ３０６に進んで全ての電極５４に対する点火時期の補正量ΔＩＧ₁〜ΔＩＧ₄から一定値αが減算される。即ち、点火時期が遅くされる。次いでステップ３０９に進む。

一方、ステップ３０５においてNo.１からNo.４の全ての電極５４における着火時期θ₁からθ₄がθａより大きいと判断されたときにはステップ３０７に進んでNo.１からNo.４のいずれかの電極５４における着火時期θ₁からθ₄が許容限界クランク角θｒよりも遅くなったか否か、即ち大きくなったか否かが判別される。いずれかの着火時期Ｑ₁〜Ｑ₄がＱｒよりも大きいときにはステップ３０８に進んで全ての電極５４に対する点火時期の補正量ΔＩＧ₁〜ΔＩＧ₄に一定値βが加算される。即ち、点火時期が早められる。次いでステップ３０９に進む。

ステップ３０９では機関の運転状態に応じて予め定められている基本点火時期ＩＧ₀に点火時期の補正量ΔＩＧｉを加算することによって各電極５４に対する点火時期ＩＧｉが求められる。

次に圧縮自己着火による燃焼期間が長くなったり、燃焼変動が大きくなったときには圧縮自己着火による燃焼が生じやすくなるように機関の運転パラメータを制御するようにした実施例について説明する。

即ち、良好な圧縮自己着火燃焼が行われているときには燃焼室５内全体において燃焼が同時にかつ多点的に開始されるので燃焼期間が短かくなり、燃焼が変動しなくなる。これに対して良好な圧縮自己着火燃焼でなくなると燃焼期間が長くなり、燃焼変動が大きくなる。従ってこの実施例では燃焼期間が長くなったり、燃焼変動が大きくなったときには吸気通路内に設けられたスロットル弁の開度を小さくして空燃比を小さくしたり、吸気弁６の閉弁時期を早めて実圧縮比を高めたり、或いは排気弁Ｐの閉弁時期を早めて残留ガス量を増大させることによって良好な圧縮自己着火燃焼を維持するようにしている。

図２４は燃焼期間の求め方を示している。即ち、燃焼室５内の圧力Ｐの変化から熱発生率ｄＱ／ｄθが算出され、この熱発生率ｄＱ／ｄθを積分することによって燃焼割合が求まる。本発明による実施例では燃焼割合が１０％から９０％となるまでの期間が燃焼期間Δθとされる。また、燃焼が完了するごとに平均有効圧が算出され、この平均有効圧の変動量ＭＰｉから燃焼変動が判断される。

図２５は一例として吸気弁６の閉弁時期ＩＶＣを制御するようにした場合の運転制御ルーチンを示している。
図２５を参照するとまず初めにステップ４００において燃料噴射量Ｑが図３に示されるＱｃとＱｄの間であるか否か、即ち中負荷運転領域であるか否かが判別される。中負荷運転領域であるときにはステップ４０１に進んで燃焼期間Δθが算出される。次いでステップ４０２では平均有効圧の例えば過去１００サイクルにおける変動量ＭＰｉが算出される。次いでステップ４０３では燃焼期間Δθが一定クランク角度、例えば２０°以上であるか否かが判別される。

Δθ＞２０°のとき、即ち燃焼期間Δθが長くなったときにはステップ４０５に進んで吸気弁６の閉弁時期の補正値ΔＩＶＣに一定値ｍが加算される。次いでステップ４０６では機関運転状態に応じて予め定められている閉弁時期ＩＶＣ₀に補正値ΔＩＶＣを加算することによって吸気弁６の閉弁時期ＩＶＣが算出される。このときには吸気弁６の閉弁時期ＩＶＣが早められ、それによって実圧縮比が高められる。

一方、ステップ４０３においてΔθ≦２０°であると判断されたときにはステップ４０４に進んで平均有効圧の変動量ＭＰｉが５％以上であるか否かが判別される。ＭＰｉ＞５％のときにはステップ４０５，４０６に進んで吸気弁６の閉弁時期ＩＶＣが早められる。これに対し、ＭＰｉ≦５％のときにはステップ４０７に進んで補正値ΔＩＶＣが零であるか否かが判別され、ΔＩＶＣが零でないときにはステップ４０８に進んでΔＩＶＣから一定値ｍが減算される。また、ステップ４００において中負荷運転領域でないと判断されたときにはステップ４０９に進んでΔＩＶＣが零とされる。

また、本発明による実施例では点火制御している運転領域から圧縮自己着火の行われる運転領域に移行したときには失火が生じないように移行後暫らくの間、点火作用を行うようにしている。即ち、具体的に言うと機関の運転状態が図３の無負荷運転領域から軽負荷運転領域に移行したときには安定した圧縮自己着火による燃焼が開始された後に点火栓による点火作用を停止し、軽負荷運転領域から無負荷運転領域に移行したときには点火栓による点火作用をただちに開始させるようにしている。

即ち、点火制御を示す図２６を参照するとまず初めにステップ５００において燃料噴射量Ｑが図３に示されるＱａとＱｂの間であるか否か、即ち極軽負荷運転領域であるか否かが判別される。極軽負荷運転領域でないときにはステップ５０７にジャンプして噴射量Ｑに応じた点火制御が行われる。これに対し、極軽負荷運転領域であるときにはステップ５０１に進んで前回の割込み時にＱ＜Ｑａであったか否か、即ち無負荷運転から極軽負荷運転に移行したか否かが判別される。

無負荷運転から極軽負荷運転に移行したときにはステップ５０２に進んで圧力センサ５１（図１６）により燃焼室５内の圧力が検出される。次いでステップ５０３では圧力変化率ｄＰ／ｄθが算出され、次いでステップ５０４では最大圧力変動率（ｄＰ／ｄθ）_maxとなるクランク角θｐが算出される。次いでステップ５０５ではクランク角θｐが許容範囲内、即ちＡＴＤＣ５°とＡＴＤＣ１５°の間にあるか否かが判別される。θｐ≦５°又はθｐ≧１５°のときにはステップ５０６に進んで点火作用が続行され、５°＜Ｑ＜１５°になるとステップ５０７に進んで点火作用が停止される。

ガソリンエンジンの側面断面図である。 シリダヘッドの底面図である。 機関の運転領域を示す図である。 吸気弁および排気弁の開閉時期を示す図である。 高電圧の印加時期と着火時期との関係を示す図である。 高電圧の印加時期と着火時期との関係を示す図である。 高電圧の印加時期を示す図である。 ガソリンエンジンの別の実施例を示す側面断面図である。 ガソリンエンジンの更に別の実施例を示す側面断面図である。 ガソリンエンジンの更に別の実施例を示す図である。 電圧制御回路の一実施例を示す図である。 交流電圧を示す図である。 ガソリンエンジンの更に別の実施例を示す図である。 ガソリンエンジンの更に別の実施例を示す図である。 燃焼室内の圧力変化を示す図である。 シリダヘッドの底面図である。 点火時期を制御するためのフローチャートである。 燃焼室内の圧力変化を示す図である。 制御回路を示す図である。 点火時期を制御するためのフローチャートである。 制御回路を示す図である。 補助電圧および点火電圧を示す図である。 点火時期を制御するためのフローチャートである。 燃焼期間の説明図である。 運転制御を行うためのフローチャートである。 点火時期を制御するためのフローチャートである。

符号の説明

５ 燃焼室
６ 吸気弁
９ 排気弁
１２，４９ 点火栓
１３，４５ 燃料噴射弁
１４ 補助電極
５４ 電極

Claims (17)

1. 燃焼室内に電極を配置し、圧縮行程末期の予め定められた期間に亘ってスパークを生じさない範囲内の高電圧を該電極に印加するようにした圧縮自己着火エンジンの燃焼制御装置。
2. 上記高電圧がほぼ１KV以上である請求項１に記載の圧縮自己着火エンジンの燃焼制御装置。
3. 上記予め定められた期間がほぼ圧縮上死点前４０°からほぼ圧縮上死点までである請求項１に記載の圧縮自己着火エンジンの燃焼制御装置。
4. 上記電極が点火栓に加えて設けられた補助電極からなるか、又は点火栓が該電極の役目を果している請求項１に記載の圧縮自己着火エンジンの燃焼制御装置。
5. 上記高電圧が一定電圧であり、該高電圧が電極に連続的に印加される請求項１に記載の圧縮自己着火エンジンの燃焼制御装置。
6. 上記高電圧が交流電圧又は交番電圧である請求項１に記載の圧縮自己着火エンジンの燃焼制御装置。
7. 上記電極が複数個配置されており、各電極に順次位相をずらして交流電圧又は交番電圧が印加される請求項６に記載の圧縮自己着火エンジンの燃焼制御装置。
8. 上記電極が燃焼室の周辺部に周辺方向に互いに間隔を隔てて複数個配置されている請求項１に記載の圧縮自己着火エンジンの燃焼制御装置。
9. 上記電極が点火栓として用いられており、燃焼室頂面の中央に燃料噴射弁が配置されており、燃料噴射弁の先端部に補助電極が配置されている請求項８に記載の圧縮自己着火エンジンの燃焼制御装置。
10. 上記電極がシリンダブロックとシリンダヘッド間に挿入された絶縁板によって支持されている請求項１に記載の圧縮自己着火エンジンの燃焼制御装置。
11. 圧縮自己着火すべき運転領域として中負荷運転領域と軽負荷運転領域とが予め定められており、該中負荷運転時には上記高電圧が上記電極に印加され、該軽負荷運転時には該電極への該高電圧の印加を停止するようにした請求項１に記載の圧縮自己着火エンジンの燃焼制御装置。
12. 無負荷運転時には点火栓による着火が行われており、機関の運転状態が無負荷運転領域から上記軽負荷運転領域に移行したときには安定した圧縮自己着火による燃焼が開始された後に点火栓による点火作用を停止し、軽負荷運転領域から無負荷運転領域に移行したときには点火栓による点火作用をただちに開始させるようにした請求項１１に記載の圧縮自己着火エンジンの燃焼制御装置。
13. 圧縮自己着火による着火時期を点火栓による点火時期で制御するようにした場合において、圧縮自己着火による燃焼が予め定められた最適な時期に行われるように点火時期を制御するようにした請求項１に記載の圧縮自己着火エンジンの燃焼制御装置。
14. 燃焼室内の圧力を検出するための圧力センサを具備しており、該圧力センサにより検出された燃焼室内の圧力に基づいて圧縮自己着火による燃焼の圧力上昇率が算出され、該圧力上昇率が最大となるクランク角が予め定められたクランク角範囲内となるように点火時期が制御される請求項１３に記載の圧縮自己着火エンジンの燃焼制御装置。
15. 上記高電圧を上記電極に印加しているときに該電極に流れる電流を検出するためのイオン電流検出装置を具備しており、該イオン電流検出装置によって圧縮自己着火による着火時期が求められ、該着火時期が予め定められたクランク角範囲内となるように点火時期が制御される請求項１３に記載の圧縮自己着火エンジンの燃焼制御装置。
16. 燃焼室内に燃料噴射弁が配置されており、点火時期が変化せしめられたときに該燃料噴射弁からの噴射時期は点火時期との間隔を一定に保つように点火時期の変化に追従して変化せしめられる請求項１３に記載の圧縮自己着火エンジンの燃焼制御装置。
17. 圧縮自己着火による燃焼期間が長くなったり、燃焼変動が大きくなったときには圧縮自己着火による燃焼が生じやすくなるように機関の運転パラメータを制御するようにした請求項１に記載の圧縮自己着火エンジンの燃焼制御装置。

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