JP2012072730A - ガソリンエンジンの燃焼制御方法および燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高負荷域においてＨＣＣＩ燃焼を行いつつＮＯｘ発生を抑制する。
【解決手段】少なくともガソリンを含有する燃料が、燃料噴射弁１０から噴射される。燃焼室の天井面に沿うようにピストンの冠面が形成されると共に、該ピストンの上面中央部に凹部が形成され、しかも幾何学的圧縮比が１５以上に設定される。エンジン高負荷域において、少なくとも吸気行程において燃料噴射されて、圧縮上死点または圧縮上死点直前に前記凹部内の燃料が圧縮自己着火されると共に、該圧縮自己着火から遅れて該凹部以外の燃料の着火が行われることにより、トルクを生成する燃焼の熱発生割合の最初のピークが膨張行程のピストン下降時期となり、その後一旦熱発生割合が増加しない期間を経過した後に再び熱発生割合が増加する燃焼形態とされる、
【選択図】 図４

Description

本発明は、ＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）燃焼を行うガソリンエンジンの燃焼制御方法および燃焼制御装置に関するものである。

少なくともガソリンを含有する燃料が供給されるガソリンエンジンにおいては、特許文献１に記載のように、ＨＣＣＩ燃焼を行うものがある。このＨＣＣＩ燃焼においては、空燃比が理論空燃比よりも相当にリーンな雰囲気でも着火、燃焼が可能であり、しかも急速燃焼されることから、燃費向上の上で極めて好ましい燃焼形態となる。この特許文献１に記載の技術は、予混合圧縮着火用となる第１燃料噴射を行った後、第２燃料噴射によって成層領域を形成するもので、いずれの燃料噴射も着火（点火）開始前に行われるものとなっている。そして、ＮＯｘ発生が問題となる高負荷域では、上記第１燃料噴射の噴射量を０にするようになっている。

特開２００９−７４４８８号公報

ところで、ＨＣＣＩ燃焼においては、燃料噴射量が多くなる高負荷域では、急速燃焼に起因して、燃焼圧力が極めて高くなり、そのために騒音の発生はもとより、燃焼温度も極めて高くなってＮＯｘの発生が大きな問題となる。このため、高負荷域では、実質的にＨＣＣＩ燃焼を行わないようにするか、あるいはＮＯｘ浄化触媒を別途排気通路に設ける必要がある。

本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、高負荷域において、ＨＣＣＩ燃焼を行いつつＮＯｘ発生を抑制できるようにしたガソリンエンジンの燃焼制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明における燃焼制御方法にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項１に記載のように、
少なくとも部分的にガソリンを含有する燃料が供給されるガソリンエンジンの燃焼制御方法であって、
エンジンは、燃焼室の天井面に沿うようにピストンの冠面が形成されると共に、該ピストンの上面中央部に凹部が形成され、しかも幾何学的圧縮比が１５以上に設定されており、
エンジン高負荷域において、少なくとも吸気行程において燃料噴射を行って、圧縮上死点または圧縮上死点直前に前記凹部内の燃料が圧縮自己着火されると共に、該圧縮自己着火から遅れて該凹部以外の燃料の着火が行われることにより、トルクを生成する燃焼の熱発生割合の最初のピークが膨張行程のピストン下降時期となり、その後一旦熱発生割合が増加しない期間を経過した後に再び熱発生割合が増加する燃焼形態とされる、
ようにしてある。

上記解決手法によれば、燃焼は、熱発生割合が２回のピークを有するように分割して行われることになる。すなわち、まず、凹部内の燃料が圧縮自己着火されて燃焼開始されるが、このとき、凹部以外のピストン冠面と燃焼室天井面との間の隙間にある燃料は燃焼室壁面に熱を奪われて着火されない状態となる。そして、ピストンの下降に応じて燃焼室天井面とピストン冠面との隙間が広がることによりこの隙間にある燃料が続いて燃焼されることになる。これにより、全ての燃料を同時に燃焼させて熱発生割合のピークが１回しか生じない燃焼形態の場合に比して、筒内温度の上昇を抑制することができ、ＮＯｘ発生を抑制することができる。また、少なくとも吸気行程で燃料噴射するので、燃料と空気とのミキシングも良好に行われて、ＣＯ低減やスモーク低減の上でも好ましいものとなる。

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項２〜請求項４に記載のとおりである。すなわち、
前記熱発生割合のピーク時の燃焼温度が所定温度以下に収まるように前記凹部内の燃料の圧縮自己着火時期が調整される、ようにしてある（請求項２対応）。この場合、燃焼温度を管理して、ＮＯｘをより確実に抑制する上で好ましいものとなる。

燃料噴射が、吸気行程で燃料噴射する前段燃料噴射と、圧縮行程において前記凹部内に向けて燃料噴射する後段燃料噴射との分割噴射とされる、ようにしてある（請求項３対応）。この場合、凹部内の燃料の圧縮自己着火を確実に行わせる上で好ましいものとなり、また圧縮自己着火時期を適切にして着火遅れを回避する上でも好ましいものとなる。

点火プラグを作動させることにより、前記凹部内の燃料の圧縮自己着火を促進させる、ようにしてある（請求項４対応）。この場合、圧縮自己着火をより確実に行う上で好ましいものとなる。

前記目的を達成するため、本発明における燃焼制御装置にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項５に記載のように、
少なくとも部分的にガソリンを含有する燃料が供給されるガソリンエンジンの燃焼制御装置であって、
燃焼室の天井面に沿うようにピストンの冠面が形成されると共に、該ピストンの上面中央部に凹部が形成され、
エンジンの幾何学的圧縮比が１５以上に設定されており、
筒内に燃料噴射する燃料噴射弁と該燃料噴射弁を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、エンジン高負荷域において、少なくとも吸気行程において燃料噴射するように前記燃料噴射弁を制御することにより、圧縮上死点または圧縮上死点直前に前記凹部内の燃料が圧縮自己着火されると共に、該圧縮自己着火から遅れて該凹部以外の燃料の着火が行われることにより、トルクを生成する燃焼の熱発生割合の最初のピークが膨張行程のピストン下降時期となり、その後一旦熱発生割合が増加しない期間を経過した後に再び熱発生割合が増加する燃焼形態とされる、
ようにしてある。上記解決手法によれば、請求項１に記載した燃焼制御方法を実行するための燃焼制御装置が提供される。

本発明によれば、高負荷域において、ＨＣＣＩ燃焼を行って燃費向上を図りつつ、ＮＯｘ発生を抑制できる。

本発明が適用されたエンジンの燃焼室付近の状態を示す概略構成図。 本発明の制御系統例をブロック図的に示す図。 運転領域の設定例を示す図。 熱発生割合と筒内温度との関係を示す図。

図１は、エンジン１の燃焼室付近の様子を概略的に示す。実施形態では、エンジン１は、往復動型とされた直列４気筒の自動車用ガソリンエンジンとされている。なお、エンジン１は、ガソリンを含有する燃料であれば、ガソリン１００％の場合に限らず、例えばエタノール等の他の燃料を含有するものであってもよい。この図１において、２はシリンダ、３はシリンダ２内に摺動自在に嵌合されたピストンである。ピストン３の上方に燃焼室４が画成され、圧縮上死点位置において燃焼室容積を確保するために、ピストン３の上面中央部に凹部５が形成されている。

シリンダ２内つまり燃焼室４内には、吸気ポート６および排気ポート７が開口されている。吸気ポート６は吸気弁８により開閉され、排気ポート７は排気弁９により開閉される。また、圧縮上死点付近にある燃焼室４（凹部５）に臨ませて、燃料噴射弁１０，点火プラグ１１が配設されている。燃料噴射弁１０は多孔式とされて、燃焼室４（凹部５）の径方向に分散して燃料を噴射するようにされている。

排気ポート７に連なる排気通路（図示を略す）には、排気ガス浄化触媒としての三元触媒が配設されているが、排気通路には、ＮＯｘ触媒は配設されていないものとなっている。すなわち、本実施形態では、後述するように、リーンな空燃比でもってＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）燃焼を行っても、ＮＯｘそのものの発生を抑制するようにしてあるので、ＮＯｘ触媒を必要としない設定とされている。

エンジン１は、ガソリンエンジンとしては高圧縮比とされている。実施形態では、１気筒あたりの容積が略５００ccで、幾何学的圧縮比が１８とされている。なお、自動車用エンジンとして一般的な１気筒あたりの容積（排気量）が４００cc〜６００ccである場合に、幾何学的圧縮比は例えば１５〜２１（好ましくは１７〜２０）の範囲で適宜設定することができる。

ピストン３の冠面（上面）は、燃焼室４の天井面に沿う形状に設定されている。実施形態では、燃焼室４は、その天井面が２つの傾斜面４ａ、４ｂを有するペントルーフ型とされている。これに対応して、ピストン１の冠面には、傾斜面４ａに平行な傾斜面３ａと、傾斜面４ｂに平行な傾斜面３ｂとを有する。これにより、圧縮上死点位置において、対向する傾斜面４ａと３ａとの隙間および傾斜面４ｂと３ｂとの隙間は極めて小さいものとされる。そして、ピストン１の中央部に形成された凹部５によって、圧縮上死点位置での燃焼室容積が確保される。なお、圧縮上死点位置において、全燃焼室容積中に占める凹部５の容積割合は、例えば１０％〜２０％の範囲に設定することができる。

図２は、エンジン１の制御系統例を示すものである。この図２において、Ｕは、マイクロコンピュータを利用して構成されたコントローラ（制御手段）である。このコントローラＵには、各種センサＳ１〜Ｓ４からの信号が入力される。センサＳ１は、エンジン負荷を検出する負荷センサである。センサＳ２は、エンジン回転数を検出する回転数センサである。センサＳ３は、筒内圧力を検出する圧力センサであり、実施形態では点火プラグ１１内に組み込まれている。なお、筒内圧力は、筒内温度と略比例関係にあるので、筒内圧力の検出は、筒内温度の検出ともなる。センサＳ４は、エンジン冷却水温度を検出する水温センサである。また、コントローラＵは、前述した燃料噴射弁１０からの燃料噴射量および燃料噴射タイミングを制御し、また点火プラグ１１の点火タイミング等を制御する。

図３は、冷機時以外において、運転状態に応じたエンジン１の燃焼形態の設定例を示すものである。なお、冷機時は、全て、吸気行程に燃料噴射を行って、点火プラグ１１による点火を実行する通常のガソリンエンジンの燃焼形態とされる。この図３において、運転領域が、エンジン回転とエンジン負荷とをパラメータとして設定される。運転領域は、図中α線によって２つの領域ＡとＢとに分けられている。上記α線は線形に設定されて、エンジン回転数が大きくなるほど低負荷となるように設定されている。

α線よりも下方の領域Ａは、ＨＣＣＩ燃焼が実行される領域とされている。また、α線より高負荷の領域Ｄは、通常のガソリンエンジンと同様に、ＨＣＣＩ燃焼は行われずに、点火プラグ１１の点火実行による燃焼形態とされる（例えば吸気行程に燃料噴射して、圧縮上死点前に点火プラグ１１による点火実行）。

ＨＣＣＩ燃焼が実行される領域Ａは、従来の場合に比して、かなり高負荷域にまで拡大されている。すなわち、通常であれば、α線よりもかなり低負荷となる領域まではＨＣＣＩ燃焼を行う領域とされるが、従来は点火プラグ１１による点火実行を行う領域にまでＨＣＣＩ燃焼を行うようになっている。

ＨＣＣＩ燃焼が行われる領域Ａ（のうち特に高負荷域）においては、次のような燃焼形態とされる。すなわち、燃料噴射弁１０から燃料噴射が吸気行程において実行される。吸気行程において燃料噴射された燃料は、圧縮上死点に近づいた時点では燃焼室４内全体に渡って広く分散したものとなる。すなわち、燃料は、凹部５内と、傾斜面４ａと３ａとの隙間および、傾斜面４ｂと３ｂとの隙間に存在した状態となる。圧縮上死点あるいはその直前において、凹部５内の燃料が圧縮自己着火されるが、傾斜面４ａと３ａとの隙間および４ｂと３ｂとの隙間にある燃料は、燃焼室４の壁面（天井面やピストン冠面）に熱を奪われるために、圧縮上死点位置あるいはその前の時点では着火されていない状態となる。

凹部５内の燃料が圧縮自己着火された凹部内の燃料は、燃焼が進んで、圧縮上死点後の膨張行程においてピストンが下降する時期に、その熱発生割合（単位クランク角あたりの発熱量）のピーク（１回目のピーク）を生じることになる。そして、圧縮上死点位置からピストン３が下降するのに伴って、上記傾斜面４ａと３ａとの隙間および傾斜面４ｂと３ｂとの隙間が広がって、この隙間にある燃料が、圧縮自己着火に起因する燃焼の高熱を受けて着火、燃焼されて（拡散燃焼）、熱発生割合の次のピーク（２回目のピーク）を生じることになる。熱発生割合の２回目のピークとなる時期は、１回目のピークとなる時期よりも遅れた時期となる。つまり、圧縮自己着火された凹部５内の燃料の燃焼によって１回目ピークを超えて熱発生割合が増加しない燃焼期間を過ぎたときに、上記隙間にある燃料の燃焼による熱発生割合が増加して、熱発生割合の２回目のピークを生じることになる。

図４は、領域Ａにおける熱発生割合と筒内温度との関係を示すものである。すなわち、図４の（ａ）が熱発生割合を示し、図４（ｂ）が筒内温度を示す。図４（ａ）中、符合Ｆが凹部５内の燃料が燃焼されたときの熱発生割合のピーク時（１回目のピーク時）を示し、符合Ｒが、傾斜面４ａと３ａおよび４ｂと３ｂとの隙間にあった燃料が燃焼されたときの熱発生割合のピーク時（２回目のピーク時）を示す。また、図４（ａ）中、符合Ｘは、全燃料を一気に圧縮自己着火によって燃焼されたときの熱発生割合を示す。熱発生割合のピークの大きさ、上記Ｆ、Ｒの方がＸよりも十分に小さくなることが理解される。

図４（ｂ）の筒内温度は、符合Ｆａが、図４（ａ）の符合Ｆに対応し、符合Ｆｂが図４（ａ）の符合Ｒに対応し、符合Ｘａが、図４（ａ）の符合Ｘに対応している。そして、図４（ｂ）中、ＫＸで示す温度が、ＮＯｘ発生が問題となる所定温度（しきい値温度で例えば１８００Ｋ）である。符合Ｘａは上記所定温度を大きく超えてＮＯｘ発生が問題となるのに対して、符合Ｆａ、Ｒａの場合は所定温度以下に抑制されて、ＮＯｘ発生が抑制されることが理解される。

ここで、圧力センサＳ３で検出される圧力に応じて決定される筒内温度（図４の符合Ｆａ、Ｒａで示す筒内温度）が、常にＮＯｘ発生が問題とならない所定温度以下になるように、燃料噴射態様やＥＧＲ量調整等を行うことができる。また、燃料噴射を、吸気行程で燃料噴射する前段燃料噴射と、圧縮工程において凹部５内に燃料噴射する後段燃料噴射との分割噴射とすることができる。後段燃料噴射を行うことにより、圧縮自己着火性を高めることができる。図４の符合Ｆａを低くするには後段燃料噴射量の割合を低下させ、図４の符合Ｒａを低くするには前段燃料噴射量の割合を低下させればよい。また、後段燃料噴射時期を遅くすることにより圧縮自己着火時期を遅角させて、図４符合Ｆａ、Ｒａを低下させることもできる。さらに、安定して自己着火する温度範囲（例えば１２００Ｋ〜１８００Ｋ）の燃焼が得られるように、後段燃料噴射量を決定することもできる。

圧縮自己着火を確実に行って燃焼ロバスト性を向上させるために、点火プラグ１１を作動させて、混合気を活性化させることもできる（点火プラグ１１の点火による着火ではなく、混合気を活性化させる程度のエネルギ付与）。ＥＧＲ量を調整して、筒内温度を所定温度以下に抑制することもできる。

以上実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能である。予混合圧縮着火を行う際、特に低温時やエンジン１が十分に暖機されていない中温時に、点火プラグ１１を作動させて混合気を活性化させるようにしてもよい（点火プラグ１１の点火による着火ではない）。トルク確保等の観点から、ＮＯｘ発生が問題とならない所定温度に近い温度範囲までは極力圧縮自己着火での燃焼割合が多くなるようにするのがトルク確保の点から好ましい。勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。

本発明は、例えば自動車用エンジンに適用して、燃費向上を図りつつＮＯｘ発生を抑制する上で好ましいものとなる。

１：エンジン
２：シリンダ
３：ピストン
３ａ、３ｂ：傾斜面
４：燃焼室
４ａ、４ｂ：傾斜面
５：凹部
６：吸気通路
７：排気通路
８：吸気弁
９：排気弁
１０：燃料噴射弁
１１：点火プラグ
Ａ：領域（予混合圧縮着火）
Ｂ：領域（点火プラグによる着火）
Ｆ：熱発生割合の１回目のピーク
Ｒ：熱発生割合の２回目のピーク
Ｆａ：筒内温度の１回目のピーク
Ｒａ：筒内温度の２回目のピーク

Claims (5)

1. 少なくとも部分的にガソリンを含有する燃料が供給されるガソリンエンジンの燃焼制御方法であって、
   エンジンは、燃焼室の天井面に沿うようにピストンの冠面が形成されると共に、該ピストンの上面中央部に凹部が形成され、しかも幾何学的圧縮比が１５以上に設定されており、
   エンジン高負荷域において、少なくとも吸気行程において燃料噴射を行って、圧縮上死点または圧縮上死点直前に前記凹部内の燃料が圧縮自己着火されると共に、該圧縮自己着火から遅れて該凹部以外の燃料の着火が行われることにより、トルクを生成する燃焼の熱発生割合の最初のピークが膨張行程のピストン下降時期となり、その後一旦熱発生割合が増加しない期間を経過した後に再び熱発生割合が増加する燃焼形態とされる、
   ことを特徴とするガソリンエンジンの燃焼制御方法。
2. 請求項１において、
   前記熱発生割合のピーク時の燃焼温度が所定温度以下に収まるように前記凹部内の燃料の圧縮自己着火時期が調整される、ことを特徴とするガソリンエンジンの燃焼制御方法。
3. 請求項１において、
   燃料噴射が、吸気行程で燃料噴射する前段燃料噴射と、圧縮行程において前記凹部内に向けて燃料噴射する後段燃料噴射との分割噴射とされる、ことを特徴とするガソリンエンジンの燃焼制御方法。
4. 請求項１において、
   点火プラグを作動させることにより、前記凹部内の燃料の圧縮自己着火を促進させる、ことを特徴とするガソリンエンジンの燃焼制御方法。
5. 少なくとも部分的にガソリンを含有する燃料が供給されるガソリンエンジンの燃焼制御装置であって、
   燃焼室の天井面に沿うようにピストンの冠面が形成されると共に、該ピストンの上面中央部に凹部が形成され、
   エンジンの幾何学的圧縮比が１５以上に設定されており、
   筒内に燃料噴射する燃料噴射弁と該燃料噴射弁を制御するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、エンジン高負荷域において、少なくとも吸気行程において燃料噴射するように前記燃料噴射弁を制御することにより、圧縮上死点または圧縮上死点直前に前記凹部内の燃料が圧縮自己着火されると共に、該圧縮自己着火から遅れて該凹部以外の燃料の着火が行われることにより、トルクを生成する燃焼の熱発生割合の最初のピークが膨張行程のピストン下降時期となり、その後一旦熱発生割合が増加しない期間を経過した後に再び熱発生割合が増加する燃焼形態とされる、
   ことを特徴とするガソリンエンジンの燃焼制御装置。

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