JP2012241592A - Gasoline engine - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gasoline engine that achieves suitable compression self-ignition combustion by suitably raising the temperature of an air-fuel mixture by an ignition assist.SOLUTION: A control means 50 causes each of nozzles holes 21a of an injector 21 to inject fuel in a preset specific operation area A3 of the engine, causes an ignition plug 20 to supply ignition energy to the fuel injected from each of the nozzle holes 21a of the injector 21 before the fuel reach a wall surface of a combustion chamber 6 to raise the temperature of the air-fuel mixture with the ignition energy, and then the air-fuel mixture id combusted by self-ignition. The ignition plug 20 is arranged at a position where the separation distance L between ignition point S1 of the ignition plug 20 and a tip part I1 of the injector 21 is 20-25 mm.

Description

本発明は、少なくとも一部がガソリンからなる燃料と空気との混合気を燃焼室で燃焼させることによりピストンを往復運動させるガソリンエンジンに関する。   The present invention relates to a gasoline engine in which a piston is reciprocated by burning an air-fuel mixture of at least a part of gasoline and air in a combustion chamber.

従来、ガソリンエンジンの分野では、点火プラグからの火花放電により強制的に混合気を着火させる燃焼形態が一般的であったが、近年、このような火花点火による燃焼に代えて、いわゆる圧縮自己着火燃焼をガソリンエンジンに適用する研究が進められている。圧縮自己着火燃焼とは、燃焼室に生成された混合気をピストンで圧縮し、高温・高圧の環境下で、火花点火によらず混合気を自着火させるというものである。圧縮自己着火燃焼は、燃焼室の各所で同時多発的に自着火する燃焼であり、火花点火による燃焼に比べて燃焼期間が短く、より高い熱効率が得られると言われている。   Conventionally, in the gasoline engine field, a combustion mode in which an air-fuel mixture is forcibly ignited by spark discharge from an ignition plug has been common, but in recent years, instead of combustion by such spark ignition, so-called compression self-ignition Research is underway to apply combustion to gasoline engines. The compression self-ignition combustion is to compress the air-fuel mixture generated in the combustion chamber with a piston and to ignite the air-fuel mixture in a high temperature / high pressure environment regardless of spark ignition. Compressed self-ignition combustion is combustion in which self-ignition occurs at various locations in the combustion chamber at the same time, and is said to have a shorter combustion period and higher thermal efficiency than combustion by spark ignition.

ここで、前記圧縮自己着火燃焼を安定して実現するためには、燃焼室内の混合気の温度をより確実に高温とする必要がある。これに対して、例えば、特許文献1に開示されているように、内部EGR量を増大させてこれにより混合気の温度を高める方法や、特許文献2に開示されているように混合気に点火エネルギーを供給して混合気の一部を燃焼させることにより混合気の温度を高めるいわゆる着火アシストを行う方法が検討されている。   Here, in order to stably realize the compression self-ignition combustion, it is necessary to increase the temperature of the air-fuel mixture in the combustion chamber more reliably. On the other hand, for example, as disclosed in Patent Document 1, the internal EGR amount is increased to thereby increase the temperature of the air-fuel mixture, or the air-fuel mixture is ignited as disclosed in Patent Document 2. A method of performing so-called ignition assist that increases the temperature of an air-fuel mixture by supplying energy and burning a part of the air-fuel mixture has been studied.

特開2007−85241号公報JP 2007-85241 A 特開2011−021553号公報JP 2011-021553 A

前記着火アシストを行う場合において、点火エネルギーが加えられる混合気の状態によっては、SOOTやNOxが生成されて排気性能が悪化する、あるいは、点火後に適正な圧縮自己着火燃焼が実現しないおそれがある。   When performing the ignition assist, depending on the state of the air-fuel mixture to which ignition energy is applied, SOOT and NOx may be generated and exhaust performance may deteriorate, or proper compression self-ignition combustion may not be realized after ignition.

本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、着火アシストにより混合気の温度を適性に高めて適正な圧縮自己着火燃焼が実現できるガソリンエンジンを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a gasoline engine capable of appropriately increasing the temperature of the air-fuel mixture by ignition assist and realizing appropriate compression self-ignition combustion.

本発明の発明者らは、前記課題を解決するべく鋭意研究の結果、以下のことを発見した。   The inventors of the present invention have found the following as a result of intensive studies to solve the above problems.

すなわち、SOOT等の生成を抑制するためには、点火エネルギーが加えられる点火点近傍の混合気の当量比が十分に小さく、かつ、点火点近傍の燃料の多くが蒸気である必要がある。一方、インジェクタから噴射された燃料が燃焼室全体に拡散して燃焼室内の混合気の当量比が全体的に極めて小さくなっている状態では、混合気を燃焼させるために必要な点火エネルギーを大きくする必要があり、このように点火エネルギーを大きくした場合には、燃料の一部のみの燃焼にとどまらず、燃焼室内の混合気全体が燃焼する結果、圧縮自着火燃焼が実現されないおそれがある。そのため、インジェクタから噴射された燃料が燃焼室全体に広がる前、すなわち、前記燃料が燃焼室の壁面に到達する前に、この燃料に点火エネルギーを供給する必要がある。そして、このような条件を満足する点火点の位置は、複数の噴射圧に対してほぼ共通であって、噴口から20mm以上25mm以下の位置である。   That is, in order to suppress the generation of SOOT or the like, the equivalence ratio of the air-fuel mixture in the vicinity of the ignition point to which the ignition energy is applied needs to be sufficiently small, and most of the fuel in the vicinity of the ignition point needs to be steam. On the other hand, in a state where the fuel injected from the injector diffuses throughout the combustion chamber and the equivalence ratio of the air-fuel mixture in the combustion chamber is extremely small overall, the ignition energy required to burn the air-fuel mixture is increased. When the ignition energy is increased in this way, not only a part of the fuel is combusted, but the entire air-fuel mixture in the combustion chamber is combusted, and there is a possibility that the compression auto-ignition combustion may not be realized. Therefore, it is necessary to supply ignition energy to the fuel injected from the injector before it spreads over the entire combustion chamber, that is, before the fuel reaches the wall of the combustion chamber. And the position of the ignition point which satisfies such conditions is substantially common to a plurality of injection pressures, and is a position of 20 mm or more and 25 mm or less from the injection port.

そこで、この発見に基づき、本発明者らは、点火時期および点火位置が前記条件を満足するようなガソリンエンジンを創作した。   Therefore, based on this discovery, the present inventors have created a gasoline engine in which the ignition timing and ignition position satisfy the above conditions.

すなわち、本発明は、少なくとも一部がガソリンからなる燃料と空気との混合気を燃焼室で燃焼させることによりピストンを往復運動させるガソリンエンジンであって、前記燃料を燃焼室内に噴射する複数の噴口が先端に形成されているとともに、当該先端部が前記燃焼室天井の径方向中央部分において前記燃焼室内に臨む状態で、前記燃焼室天井に配設されたインジェクタと、前記燃焼室天井のうち前記インジェクタよりも径方向外側の位置に配設されて、前記混合気に点火エネルギーを供給する点火プラグと、前記インジェクタによる燃料の噴射動作および前記点火プラグによる点火動作を制御する制御手段とを備え、前記インジェクタの各噴口は、当該各噴口を通じて燃料が前記ピストンの冠面に近づくほど径方向外側に拡がって放射状に噴射されるように、その各軸線が前記ピストン冠面に近づくほど径方向外側に傾斜する形状を有し、前記点火プラグは、その点火点と前記インジェクタの先端部との離間距離が、20mm以上25mm以下となる位置に配設されており、前記制御手段は、予め設定されたエンジンの特定運転領域において、前記インジェクタの各噴口から燃料を噴射させるとともに、前記インジェクタの各噴口から噴射された燃料が前記燃焼室の壁面に到達する前に前記点火プラグから点火エネルギーを供給させて、当該点火エネルギーにより前記混合気の温度を上昇させた後、当該混合気を自着火により燃焼させることを特徴とする(請求項1)。   That is, the present invention is a gasoline engine that reciprocates a piston by burning a mixture of fuel and air, at least part of which is made of gasoline, in a combustion chamber, and a plurality of nozzles that inject the fuel into the combustion chamber Is formed at the front end, and the front end portion faces the combustion chamber at the radial center of the combustion chamber ceiling, and the injector disposed on the combustion chamber ceiling and the combustion chamber ceiling An ignition plug that is disposed radially outside the injector and supplies ignition energy to the air-fuel mixture; and a control means for controlling the fuel injection operation by the injector and the ignition operation by the ignition plug; The injection holes of the injector expand radially outward as the fuel approaches the crown surface of the piston through the injection holes. So that each axis is inclined radially outward as the piston crown surface is approached, and the spark plug has a separation distance of 20 mm between its ignition point and the tip of the injector. It is disposed at a position that is 25 mm or less, and the control means injects fuel from each injection port of the injector and injects from each injection port of the injector in a predetermined specific operation region of the engine. Before the fuel reaches the wall of the combustion chamber, ignition energy is supplied from the spark plug, and after the temperature of the mixture is increased by the ignition energy, the mixture is burned by self-ignition. (Claim 1).

本発明によれば、インジェクタから噴射された燃料が燃焼室の壁面に到達する前にこの燃料を含む混合気に点火エネルギーが供給されるとともに、点火点とインジェクタの噴口との離間距離が20mm以上25mm以下に設定されている。これにより、当量比が十分に小さく、かつ、燃料が十分に蒸気となった状態で点火エネルギーが供給されるため、NOxやSOOTの生成が抑制されるとともに、この点火点近傍の混合気のみが適正に燃焼して、燃焼室内の混合気が適正に昇温され、適正な圧縮自己着火燃焼が実現される。   According to the present invention, before the fuel injected from the injector reaches the wall surface of the combustion chamber, ignition energy is supplied to the air-fuel mixture containing the fuel, and the separation distance between the ignition point and the injection nozzle of the injector is 20 mm or more. It is set to 25 mm or less. Thereby, since the ignition energy is supplied in a state where the equivalence ratio is sufficiently small and the fuel is sufficiently vaporized, the generation of NOx and SOOT is suppressed, and only the air-fuel mixture near the ignition point is Combusting properly, the air-fuel mixture in the combustion chamber is heated appropriately, and proper compression self-ignition combustion is realized.

本発明において、前記インジェクタは、その先端に8個以上の噴口を有するのが好ましい(請求項2)。   In the present invention, it is preferable that the injector has eight or more nozzle holes at the tip thereof (claim 2).

この構成によれば、燃料の霧化すなわち燃料の蒸発が促進されるため、NOxやSOOTの生成がより確実に抑制されつつ点火点近傍の適正な燃焼が実現される。   According to this configuration, fuel atomization, that is, fuel evaporation, is promoted, so that proper combustion in the vicinity of the ignition point is realized while the generation of NOx and SOOT is more reliably suppressed.

また、本発明において、前記点火プラグは、その点火点が側面視で前記インジェクタの特定の噴口の軸線近傍に位置するように、前記燃焼室天井から燃焼室内部に向かって突出しているのが好ましい(請求項3)。   In the present invention, it is preferable that the spark plug protrudes from the combustion chamber ceiling toward the combustion chamber so that the ignition point is located in the vicinity of an axis of a specific nozzle hole of the injector in a side view. (Claim 3).

このようにすれば、点火エネルギーが特定の噴口から噴射された燃料に効率よく伝達され、点火点近傍の適正な燃焼が実現される。   In this way, ignition energy is efficiently transmitted to the fuel injected from the specific nozzle, and proper combustion near the ignition point is realized.

また、前記構成において、前記燃焼室天井の径方向中央部分には、前記ピストン冠面から離間する方向に凹むインジェクタ格納部が形成されており、前記インジェクタは、その先端部が前記インジェクタ格納部の径方向中央部分に位置する状態で、当該インジェクタ格納部内に臨んでおり、前記インジェクタ格納部の内周面は、前記インジェクタの各噴口から前記燃焼室の壁面に向かう燃料の通過領域から径方向外側に離間した位置で当該燃料の通過領域を囲む形状を有するのが好ましい(請求項4)。   Further, in the above configuration, an injector storage portion that is recessed in a direction away from the piston crown surface is formed in a central portion in a radial direction of the combustion chamber ceiling, and a tip portion of the injector is a portion of the injector storage portion. It faces the inside of the injector housing in a state where it is located in the central portion in the radial direction, and the inner peripheral surface of the injector housing is radially outward from the fuel passage region from each nozzle hole of the injector toward the wall surface of the combustion chamber. It is preferable to have a shape surrounding the fuel passage region at a position spaced apart from each other.

このようにすれば、各噴口から噴射された燃料がインジェクタ格納部の内周面への衝突、付着することによる燃料の霧化の悪化を回避しつつ、点火プラグの燃焼室内への突き出し量を小さくすることができる。すなわち、前記インジェクタの先端部がピストン冠面からより離間する位置に配設されることに伴い、点火点の位置をピストン冠面から離間させることができる。そのため、点火プラグの突き出し量を小さくすることができる。   In this way, the amount of protrusion of the spark plug into the combustion chamber can be reduced while avoiding the deterioration of fuel atomization due to the collision and adhesion of the fuel injected from each nozzle to the inner peripheral surface of the injector housing. Can be small. That is, as the tip of the injector is disposed at a position further away from the piston crown surface, the ignition point can be separated from the piston crown surface. Therefore, the protruding amount of the spark plug can be reduced.

具体的には、前記インジェクタ格納部の内周面は、前記燃焼室天井の径方向中央部分を頂部とする略円錐面状を有しており、前記インジェクタの先端部は、前記頂部に位置している構成が挙げられる(請求項5)。   Specifically, the inner peripheral surface of the injector storage portion has a substantially conical surface shape with the radial center portion of the combustion chamber ceiling as a top portion, and the tip portion of the injector is located at the top portion. (Claim 5).

また、本発明において、前記ピストンは、その冠面の径方向中央部分に設けられて前記燃焼室天井から離間する方向に凹む凹状のキャビティを有し、前記点火プラグは、その点火点が前記キャビティの径方向外側縁よりも径方向内側となる位置に配設されているのが好ましい(請求項6)。   Further, in the present invention, the piston has a concave cavity that is provided in a central portion in the radial direction of the crown surface and is recessed in a direction away from the combustion chamber ceiling, and the ignition plug has an ignition point at the cavity. It is preferable that it is arrange | positioned in the position which becomes radial inner side rather than the radial direction outer edge of this (Claim 6).

このようにすれば、点火プラグの先端等をキャビティ内に退避させることで、点火プラグとピストン冠面との衝突をより確実に回避することができる。   In this way, by retracting the tip of the spark plug into the cavity, the collision between the spark plug and the piston crown surface can be avoided more reliably.

ここで、前記制御手段は、前記特定運転領域において、前段噴射および後段噴射の少なくとも2回に分けて前記インジェクタから燃料を噴射させるとともに、前記後段噴射時に噴射された燃料に前記点火プラグにより点火エネルギーを供給させ、前記前段噴射は、圧縮行程中でかつ前記後段噴射よりも前に燃料を噴射し、その噴射された燃料により、前記ピストンのキャビティよりも径方向外側に位置する燃焼室の外周部に、前記キャビティの内部よりもリッチな混合気を形成するものであり、前記後段噴射は、圧縮行程後期から膨張行程初期までの間の所定時期に燃料を噴射し、その噴射された燃料により、前記キャビティの内部に、前記前段噴射の実行時よりもリッチな混合気を形成するものであるのが好ましい(請求項7)。   Here, the control means causes the fuel to be injected from the injector in at least two times of the front-stage injection and the rear-stage injection in the specific operation area, and the fuel injected at the time of the rear-stage injection is ignited by the ignition plug. In the first stage injection, fuel is injected during the compression stroke and before the second stage injection, and the outer peripheral part of the combustion chamber located radially outside the cavity of the piston by the injected fuel. In addition, the air-fuel mixture is richer than the inside of the cavity, and the post-injection is performed by injecting fuel at a predetermined time from the latter stage of the compression stroke to the early stage of the expansion stroke. It is preferable that a richer air-fuel mixture is formed inside the cavity than when the pre-injection is performed (Claim 7).

この構成によれば、圧縮行程以降の少なくとも2回の噴射時期(前端噴射および後段噴射)に分けて燃料が噴射されることにより、燃焼室内の別々の空間(燃焼室の外周部およびキャビティ内部)に分離して混合気が形成されるため、これらの混合気を圧縮上死点付近で独立して自着火、燃焼させることができる。このため、分割噴射された燃料が混じりあって同時に燃焼する事態が回避され、燃焼室内の圧力の急上昇に伴う燃焼騒音の増大や、局所的な酸素不足によるSOOTの大量発生が効果的に防止される。しかも、前記点火プラグは、前記キャビティの径方向外側端よりも径方向内側に配置されて、後段噴射時に噴射された燃料に点火エネルギーを供給しており、この点火エネルギーが燃焼室の外周部の混合気に悪影響を及ぼすのが抑制される。具体的には、この点火エネルギーが燃焼室の外周部に存在する前段噴射の燃料と空気との混合気に供給されることで、この外周部で圧縮上死点よりも前に燃焼が開始して仕事量が減少する、あるいは、火炎伝播が開始して圧縮自着火燃焼が阻止される、という事態をより確実に抑制することができる。   According to this configuration, the fuel is injected in at least two injection timings (front-end injection and rear-stage injection) after the compression stroke, so that separate spaces in the combustion chamber (the outer periphery of the combustion chamber and the inside of the cavity) Therefore, these air-fuel mixtures can be self-ignited and burned independently near the compression top dead center. For this reason, the situation in which the separately injected fuel is mixed and combusted at the same time is avoided, and an increase in combustion noise due to a sudden rise in pressure in the combustion chamber and a large amount of SOOT due to local oxygen shortage are effectively prevented. The In addition, the spark plug is disposed radially inward from the radially outer end of the cavity and supplies ignition energy to the fuel injected at the time of subsequent injection, and this ignition energy is transmitted to the outer periphery of the combustion chamber. An adverse effect on the air-fuel mixture is suppressed. Specifically, this ignition energy is supplied to the mixture of fuel and air of the pre-injection existing in the outer peripheral portion of the combustion chamber, so that combustion starts at the outer peripheral portion before the compression top dead center. Thus, it is possible to more reliably suppress the situation where the work amount is reduced or the flame propagation starts and the compression self-ignition combustion is prevented.

以上説明したように、本発明によれば、排気性能を向上させつつ適正な圧縮自己着火燃焼を実現することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to achieve proper compression self-ignition combustion while improving exhaust performance.

本発明の一実施形態に係るガソリンエンジンの全体構成を示す図である。It is a figure showing the whole gasoline engine composition concerning one embodiment of the present invention. 図1に示すガソリンエンジンの燃焼室周辺の概略図である。It is the schematic of the combustion chamber periphery of the gasoline engine shown in FIG. 図2の一部を拡大して示す概略図である。It is the schematic which expands and shows a part of FIG. 点火点と燃料噴霧等との関係を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the relationship between an ignition point, fuel spray, etc. FIG. (a)〜(c)は、点火時の当量比と排気性能との関係を説明するための図である。(A)-(c) is a figure for demonstrating the relationship between the equivalence ratio at the time of ignition, and exhaust performance. (a)〜(c)は、点火時の当量比と排気性能との関係を説明するための図である。(A)-(c) is a figure for demonstrating the relationship between the equivalence ratio at the time of ignition, and exhaust performance. 燃料噴霧の当量比および状態を示した図である。It is the figure which showed the equivalence ratio and state of fuel spray. 噴射圧および噴射後の経過時間と燃料噴霧の当量比および状態との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the injection pressure and the elapsed time after injection, and the equivalent ratio and state of fuel spray. 噴射圧および噴射後の経過時間と燃料噴霧の当量比および状態との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the injection pressure and the elapsed time after injection, and the equivalent ratio and state of fuel spray. 前記エンジンの制御系を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the control system of the said engine. エンジンの運転状態に応じた燃焼形態を選択するための制御マップの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the control map for selecting the combustion form according to the driving | running state of an engine. 図11の第1運転領域(A1)における制御内容を説明するためのタイムチャートである。It is a time chart for demonstrating the control content in the 1st driving | operation area | region (A1) of FIG. 図11の第2運転領域(A2)における制御内容を説明するためのタイムチャートである。It is a time chart for demonstrating the control content in the 2nd driving | running area | region (A2) of FIG. 図11の第3運転領域(A3)における制御内容を説明するためのタイムチャートである。It is a time chart for demonstrating the control content in the 3rd driving | running area | region (A3) of FIG. (a)〜(f)は、前記第2運転領域(A2)で行われる燃料噴射とそれに基づく混合気の燃焼を模式的に説明するための図である。(A)-(f) is a figure for demonstrating typically the fuel injection performed in the said 2nd driving | operation area | region (A2), and combustion of the air-fuel mixture based on it. 本発明の他の実施形態に係るガソリンエンジンの燃焼室周辺を示した図である。It is the figure which showed the combustion chamber periphery of the gasoline engine which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係るガソリンエンジンの燃焼室周辺を示した図である。It is the figure which showed the combustion chamber periphery of the gasoline engine which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係るガソリンエンジンの燃焼室周辺を示した図である。It is the figure which showed the combustion chamber periphery of the gasoline engine which concerns on other embodiment of this invention. 図18に示す本発明の他の実施形態に係るガソリンエンジンの燃焼室周辺を示した図である。It is the figure which showed the combustion chamber periphery of the gasoline engine which concerns on other embodiment of this invention shown in FIG.

(1)エンジンの全体構成
図1は、本発明の一実施形態にかかるエンジンの全体構成を示す図である。本図に示されるエンジンは、走行駆動用の動力源として車両に搭載される往復ピストン型の多気筒ガソリンエンジンである。このエンジンのエンジン本体1は、紙面に直交する方向に並ぶ複数の気筒2(図中ではそのうちの1つのみを示す)を有するシリンダブロック3と、シリンダブロック3の上面に設けられたシリンダヘッド4と、各気筒2に往復摺動可能に挿入されたピストン5とを有している。エンジン本体1に供給される燃料は、ガソリンを主成分とするものである。なお、この燃料はガソリンが主成分であればよく、その中身は、全てガソリンであってもよいし、ガソリンにエタノール(エチルアルコール)等を含有させたものでもよい。前記シリンダブロック3のボア径は60mm〜100mmであって、本実施形態では、このボア径は86mmに設定されている。
(1) Overall Configuration of Engine FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of an engine according to an embodiment of the present invention. The engine shown in the figure is a reciprocating piston type multi-cylinder gasoline engine mounted on a vehicle as a power source for driving driving. An engine body 1 of this engine includes a cylinder block 3 having a plurality of cylinders 2 (only one of which is shown in the drawing) arranged in a direction orthogonal to the paper surface, and a cylinder head 4 provided on the upper surface of the cylinder block 3. And a piston 5 inserted in each cylinder 2 so as to be slidable back and forth. The fuel supplied to the engine body 1 is mainly composed of gasoline. The fuel only needs to have gasoline as a main component, and the contents thereof may be all gasoline, or may be gasoline containing ethanol (ethyl alcohol) or the like. The bore diameter of the cylinder block 3 is 60 mm to 100 mm. In this embodiment, the bore diameter is set to 86 mm.

前記ピストン5は、コネクティングロッド8を介してクランク軸7と連結されている。前記ピストン5の往復運動に応じて、前記クランク軸7はその中心軸回りに回転する。   The piston 5 is connected to the crankshaft 7 via a connecting rod 8. In response to the reciprocating motion of the piston 5, the crankshaft 7 rotates about its central axis.

前記ピストン5の上方には燃焼室6が形成されている。燃焼室6には、吸気ポート9および排気ポート10が開口している。前記シリンダヘッド4には、各ポート9,10を開閉する吸気弁11および排気弁12がそれぞれ設けられている。なお、図例のエンジンはいわゆるダブルオーバーヘッドカムシャフト式(DOHC)エンジンである。各気筒2につき前記吸気ポート9および排気ポート10が2つずつ設けられるとともに、前記吸気弁11および排気弁12も2つずつ設けられている。   A combustion chamber 6 is formed above the piston 5. An intake port 9 and an exhaust port 10 are opened in the combustion chamber 6. The cylinder head 4 is provided with an intake valve 11 and an exhaust valve 12 for opening and closing the ports 9 and 10, respectively. The illustrated engine is a so-called double overhead camshaft (DOHC) engine. Two intake ports 9 and two exhaust ports 10 are provided for each cylinder 2, and two intake valves 11 and two exhaust valves 12 are also provided.

ここで、「燃焼室」とは、狭義には、ピストン5が上死点にあるときにその上方に形成される空間のことを指すが、ここでいう燃焼室6とは、ピストン5の上下位置にかかわらずその上方に形成される空間のことを指す(広義の燃焼室)。   Here, the “combustion chamber”, in a narrow sense, refers to a space formed above the piston 5 when it is at top dead center, but the combustion chamber 6 here refers to the upper and lower sides of the piston 5. It refers to the space formed above it regardless of position (combustion chamber in a broad sense).

前記吸気弁11および排気弁12は、それぞれ、シリンダヘッド4に配設された一対のカムシャフト(図示省略)等を含む動弁機構13,14によりクランク軸7の回転に連動して開閉駆動される。   The intake valve 11 and the exhaust valve 12 are driven to open and close in conjunction with the rotation of the crankshaft 7 by valve mechanisms 13 and 14 including a pair of camshafts (not shown) disposed in the cylinder head 4. The

前記吸気弁11用の動弁機構13には、CVVL15が組み込まれている。CVVL15は、連続可変バルブリフト機構(Continuous Variable Valve Lift Mechanism)と呼ばれるものであり、吸気弁11のリフト量を連続的に(無段階で)変更するものである。CVVL15は、エンジンの全ての吸気弁11のリフト量を変更できるように設けられており、このCVVL15が駆動されると、各気筒2において一対の吸気弁11のリフト量が同時に変更されるようになっている。   A CVVL 15 is incorporated in the valve operating mechanism 13 for the intake valve 11. The CVVL 15 is called a continuously variable valve lift mechanism and continuously (steplessly) changes the lift amount of the intake valve 11. The CVVL 15 is provided so that the lift amounts of all the intake valves 11 of the engine can be changed. When the CVVL 15 is driven, the lift amounts of the pair of intake valves 11 in each cylinder 2 are changed simultaneously. It has become.

このような構成のCVVL15は既に公知であり、その具体例として、吸気弁11駆動用のカムをカムシャフトの回転と連動して往復揺動運動させるリンク機構と、リンク機構の配置(レバー比)を可変的に設定するコントロールアームと、コントロールアームを電気的に駆動することによって前記カムの揺動量(吸気弁11を押し下げる量)を変更するステッピングモータとを備えたものを挙げることができる(例えば特開2007−85241号公報参照)。   The CVVL 15 having such a configuration is already known, and as a specific example thereof, a link mechanism that reciprocally swings the cam for driving the intake valve 11 in conjunction with the rotation of the camshaft, and the arrangement of the link mechanism (lever ratio). And a stepping motor that changes the swing amount of the cam (the amount by which the intake valve 11 is pushed down) by electrically driving the control arm (for example, JP, 2007-85241, A).

前記排気弁12用の動弁機構14には、吸気行程中に排気弁12を押し下げる機能を有効または無効にするON/OFFタイプの可変バルブリフト機構(Variable Valve Lift Mechanism)であるVVL16が組み込まれている。すなわち、VVL16は、排気弁12を排気行程だけでなく吸気行程でも開弁可能にするとともに、この吸気行程中の排気弁12の開弁動作を実行するか停止するかを切り替える機能を有している。VVL16は、エンジンの全ての排気弁12に対応して設けられており、かつ、各気筒2の一対の排気弁12に対し、それぞれ個別に、吸気行程中の開弁動作を実行または停止できる。   The valve mechanism 14 for the exhaust valve 12 incorporates a VVL 16 that is an ON / OFF type variable valve lift mechanism (variable valve lift mechanism) that enables or disables the function of depressing the exhaust valve 12 during the intake stroke. ing. That is, the VVL 16 has a function of enabling the exhaust valve 12 to be opened not only in the exhaust stroke but also in the intake stroke, and switching between performing or stopping the valve opening operation of the exhaust valve 12 during the intake stroke. Yes. The VVL 16 is provided corresponding to all the exhaust valves 12 of the engine, and can individually perform or stop the valve opening operation during the intake stroke with respect to the pair of exhaust valves 12 of each cylinder 2.

このような構成のVVL16は既に公知であり、その具体例として、排気弁12駆動用の通常のカム(排気行程中に排気弁12を押し下げるカム)とは別に吸気行程中に排気弁12を押し下げるサブカムと、このサブカムの駆動力が排気弁12に伝達されるのを有効または無効にするいわゆるロストモーション機構とを備えたものを挙げることができる(例えば特開2007−85241号公報参照)。   The VVL 16 having such a configuration is already known, and as a specific example thereof, the exhaust valve 12 is pushed down during the intake stroke separately from a normal cam for driving the exhaust valve 12 (a cam for pushing the exhaust valve 12 during the exhaust stroke). Examples include a sub cam and a so-called lost motion mechanism that enables or disables transmission of the driving force of the sub cam to the exhaust valve 12 (see, for example, JP-A-2007-85241).

このVVL16の作用により、排気弁12が排気行程中に加えて吸気行程中に開弁した場合には、排気行程において高温の排気が排気ポート10から燃焼室6に逆流して、燃焼室6内に大量の排気が残留する。すなわち内部EGRガス量が多く確保される。一方、排気弁12が排気行程中にのみ開弁した場合には、内部EGRガス量は少量あるいはない状態に抑えられる。   When the exhaust valve 12 is opened during the intake stroke in addition to during the exhaust stroke due to the action of the VVL 16, the high-temperature exhaust flows back from the exhaust port 10 to the combustion chamber 6 during the exhaust stroke, and the combustion chamber 6 A large amount of exhaust remains. That is, a large amount of internal EGR gas is secured. On the other hand, when the exhaust valve 12 is opened only during the exhaust stroke, the internal EGR gas amount is suppressed to a small amount or not.

前記エンジン本体1の吸気ポート9および排気ポート10には、吸気通路28および排気通路29がそれぞれ接続されている。   An intake passage 28 and an exhaust passage 29 are connected to the intake port 9 and the exhaust port 10 of the engine body 1, respectively.

前記吸気通路28は、単一の通路からなる共通通路部28cと、共通通路部28cの上流側端部に設けられたサージタンク28bと、気筒2ごとに分岐して設けられ、前記サージタンク28bと各気筒2の吸気ポート9とを接続する分岐通路部28aとを有している。   The intake passage 28 is provided with a common passage portion 28c composed of a single passage, a surge tank 28b provided at an upstream end portion of the common passage portion 28c, and branched for each cylinder 2. The surge tank 28b And a branch passage portion 28 a that connects the intake port 9 of each cylinder 2.

前記排気通路29は、単一の通路からなる共通通路部29cと、気筒2ごとに分岐して設けられ、前記共通通路部29cの上流側端部と各気筒2の排気ポート10とを接続する分岐通路部29aとを有している。   The exhaust passage 29 is provided for each cylinder 2 by branching to a common passage portion 29c composed of a single passage, and connects the upstream end of the common passage portion 29c and the exhaust port 10 of each cylinder 2. And a branch passage portion 29a.

前記吸気通路28および排気通路29の間には、排気通路29を通過する排気ガスの一部を吸気通路28に還流させる外部EGR装置30が設けられている。外部EGR装置30は、吸気通路28および排気通路29の各共通通路部28c,29cどうしを連通するEGR通路31と、EGR通路31の途中部に設けられてEGR通路31を通過する排気の流量を制御するEGRバルブ32と、EGR通路31を通過する排気を冷却する水冷式のEGRクーラ33とを有している。   An external EGR device 30 is provided between the intake passage 28 and the exhaust passage 29 to recirculate a part of the exhaust gas passing through the exhaust passage 29 to the intake passage 28. The external EGR device 30 is provided with an EGR passage 31 communicating with the common passage portions 28c and 29c of the intake passage 28 and the exhaust passage 29 and a flow rate of exhaust gas that is provided in the middle of the EGR passage 31 and passes through the EGR passage 31. An EGR valve 32 to be controlled and a water-cooled EGR cooler 33 for cooling the exhaust gas passing through the EGR passage 31 are provided.

前記吸気通路28の共通通路部28cには、吸気通路28を通過する吸入空気の量を調節するスロットル弁25が設けられている。ただし、本実施形態では、前記CVVL15により吸気弁11のリフト量が調整され、また、VVL16により燃焼室6の内部EGRガスの量が調整され、さらには、外部EGR装置30により吸気通路28に還流される排気ガスの量が調整される。したがって、これらの操作に基づいて、スロットル弁25を操作することなく、燃焼室6に導入される空気(新気)の量を調整することが可能である。このため、スロットル弁25は、エンジンの停止時等を除いて、全開もしくはそれに近い値に維持される。   A throttle valve 25 for adjusting the amount of intake air passing through the intake passage 28 is provided in the common passage portion 28 c of the intake passage 28. However, in this embodiment, the lift amount of the intake valve 11 is adjusted by the CVVL 15, the amount of internal EGR gas in the combustion chamber 6 is adjusted by the VVL 16, and further, the return to the intake passage 28 is returned by the external EGR device 30. The amount of exhaust gas is adjusted. Therefore, it is possible to adjust the amount of air (fresh air) introduced into the combustion chamber 6 without operating the throttle valve 25 based on these operations. For this reason, the throttle valve 25 is kept fully open or close to it except when the engine is stopped.

前記排気通路29の共通通路部29cには、排気ガス浄化用の触媒コンバータ35が設けられている。触媒コンバータ35には例えば三元触媒が内蔵されており、排気通路29を通過する排気ガス中の有害成分は、前記三元触媒の作用により浄化される。   A catalyst converter 35 for purifying exhaust gas is provided in the common passage portion 29 c of the exhaust passage 29. For example, a three-way catalyst is incorporated in the catalytic converter 35, and harmful components in the exhaust gas passing through the exhaust passage 29 are purified by the action of the three-way catalyst.

また、エンジン本体には、各種センサが取り付けられている。例えば、エンジン冷却水の温度を検出するための水温センサSW1、クランク軸7の回転角度(クランク角)ひいてはエンジン回転数を検出するためのクランク角センサSW2、前記カムシャフトの角度を検出して気筒判別(各気筒が吸気、圧縮、膨張、排気のいずれの行程にあるかの判別)用の信号を出力するカム角センサSW3が、エンジン本体に取り付けられている。   Various sensors are attached to the engine body. For example, a water temperature sensor SW1 for detecting the temperature of the engine coolant, a rotation angle (crank angle) of the crankshaft 7, and a crank angle sensor SW2 for detecting the engine speed, and the camshaft angle are detected to detect the cylinder temperature. A cam angle sensor SW3 that outputs a signal for determination (determination of whether each cylinder is in an intake stroke, compression stroke, expansion stroke, or exhaust stroke) is attached to the engine body.

図2は、前記燃焼室6周辺を示した図である。この図2等に示すように、燃焼室6の内周面すなわち壁面の一部を構成するピストン5の冠面の径方向中央部分には、凹状のキャビティ40が設けられている。キャビティ40は、前記インジェクタ21と対向する上向きの開口部40aを上端に有しており、この開口部40aの面積(開口面積)は、キャビティ40の内部の最大断面積(キャビティ40の各高さ位置における水平方向断面積の最大値)よりも小さく設定されている。すなわち、キャビティ40は、その開口部40aから所定深さまでの範囲において、上方に至るほど内径が狭くなるように上窄まり状に形成されている。   FIG. 2 is a view showing the periphery of the combustion chamber 6. As shown in FIG. 2 and the like, a concave cavity 40 is provided in the radial center portion of the inner surface of the combustion chamber 6, that is, the crown surface of the piston 5 constituting a part of the wall surface. The cavity 40 has an upward opening 40a facing the injector 21 at the upper end, and the area (opening area) of the opening 40a is the maximum cross-sectional area inside the cavity 40 (each height of the cavity 40). The maximum horizontal cross-sectional area at the position) is set. That is, the cavity 40 is formed in a constricted shape so that the inner diameter becomes narrower toward the upper side in the range from the opening 40a to a predetermined depth.

前記キャビティ40よりも径方向外側に位置するピストン5の冠面には、平面視円環状の環状凹部41が、キャビティ40の周囲を取り囲むように設けられている。この環状凹部41は、径方向外側に至るほど高さが低くなるように形成されている。この環状凹部41の最大深さ(最外周部の深さ)は、キャビティ40の深さよりも浅く設定されている。   An annular concave portion 41 having an annular shape in plan view is provided on the crown surface of the piston 5 located radially outside the cavity 40 so as to surround the cavity 40. The annular recess 41 is formed so that the height decreases as it goes radially outward. The maximum depth of the annular recess 41 (the depth of the outermost peripheral portion) is set to be shallower than the depth of the cavity 40.

また、前記環状凹部41よりもさらに径方向外側に位置するピストン5の最外周部には、前記環状凹部41よりも上方に突出した円環状の立壁部42が設けられている。この立壁部42の突出高さは、前記キャビティ40上端の開口部40aを囲む部分(リップ部)と同一に設定されている。   Further, an annular standing wall portion 42 protruding upward from the annular recess 41 is provided on the outermost peripheral portion of the piston 5 positioned further radially outward than the annular recess 41. The protruding height of the standing wall portion 42 is set to be the same as the portion (lip portion) surrounding the opening 40 a at the upper end of the cavity 40.

前記シリンダヘッド4の底面で構成される燃焼室6の天井面60の径方向中央部分には、ピストン5の冠面から離間する方向に凹むインジェクタ格納部62が設けられている。以下、適宜、ピストン5の冠面側(図2の下側)を下側といい、インジェクタ格納部62側(図2の上側)を上側という。前記燃焼室6の天井面60のうち前記インジェクタ格納部62よりも径方向外側の部分63は、ピストン5の軸心と直交する平面となっている。すなわち、前記燃焼室6の天井面60は、いわゆるフラットヘッドの径方向中央部分に上方に凹む前記インジェクタ格納部62が形成された形状を有している。   An injector storage portion 62 that is recessed in a direction away from the crown surface of the piston 5 is provided at a central portion in the radial direction of the ceiling surface 60 of the combustion chamber 6 constituted by the bottom surface of the cylinder head 4. Hereinafter, the crown surface side (lower side in FIG. 2) of the piston 5 will be referred to as the lower side, and the injector storage part 62 side (upper side in FIG. 2) will be referred to as the upper side. Of the ceiling surface 60 of the combustion chamber 6, a portion 63 radially outside the injector storage portion 62 is a plane orthogonal to the axis of the piston 5. That is, the ceiling surface 60 of the combustion chamber 6 has a shape in which the injector storage portion 62 that is recessed upward is formed in the central portion in the radial direction of a so-called flat head.

前記インジェクタ格納部62は、燃焼室6の天井面60の径方向中央部分を頂部とする略円錐状を有し、その内周面62aは略円錐面状を有している。より詳細には、このインジェクタ格納部62の径方向中央部分には、シリンダヘッド4の内部に形成されて前記インジェクタ21が取り付けられる取り付け部66が開口しており、インジェクタ格納部62の内周面62aはこの取り付け部66の開口部66aから下方に向かって円錐台状に延びている。   The injector storage portion 62 has a substantially conical shape with the central portion in the radial direction of the ceiling surface 60 of the combustion chamber 6 as a top portion, and an inner peripheral surface 62a thereof has a substantially conical shape. More specifically, a mounting portion 66 that is formed inside the cylinder head 4 and to which the injector 21 is attached is opened at the central portion in the radial direction of the injector storage portion 62, and the inner peripheral surface of the injector storage portion 62 62a extends downward from the opening 66a of the mounting portion 66 in a truncated cone shape.

前記シリンダヘッド4には、点火プラグ20およびインジェクタ21が、各気筒2につき1組ずつ設けられている。図3に、これら点火プラグ20およびインジェクタ21周辺の拡大図を示す。   The cylinder head 4 is provided with one set of spark plugs 20 and injectors 21 for each cylinder 2. FIG. 3 shows an enlarged view around the spark plug 20 and the injector 21.

前記インジェクタ21には燃料供給管23(図1参照)が接続されており、この燃料供給管23を通じて供給される燃料(ガソリンを主成分とする燃料)が前記インジェクタ21の先端部I1から噴射される。前記インジェクタ21は、いわゆる多噴口型のインジェクタである。本実施形態では、図4に示すように、前記インジェクタ21は、その先端部I1に12個の噴口21aを有している。   A fuel supply pipe 23 (see FIG. 1) is connected to the injector 21, and fuel (fuel mainly composed of gasoline) supplied through the fuel supply pipe 23 is injected from the tip end portion I 1 of the injector 21. The The injector 21 is a so-called multi-hole injector. In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the injector 21 has twelve injection holes 21 a at its tip end portion I1.

前記インジェクタ21は、その先端部I1が前記インジェクタ格納部62の頂部すなわち前記取り付け部66の開口部66aに位置し、その軸線u1がインジェクタ格納部62の頂部すなわち燃焼室6の天井面60の径方向中央を通り、このインジェクタ格納部62の頂部からインジェクタ格納部62内に臨む姿勢で、前記取り付け部66に取り付けられている。前記各噴口21aは、インジェクタ21の軸線u1を中心とする円周上に互いに等間隔に形成されており、各噴口21aの軸線u2すなわち各噴口21aの開口方向は、径方向外側に向かって斜め下方(ピストン4の冠面側)を向いている。すなわち、各噴口21aの軸線u2は、それぞれ、インジェクタ21の先端部I1を頂点としてインジェクタ21の軸線u1を中心軸とする円錐面の母線を構成している。前記インジェクタ21の各噴口21aから燃料が噴射された場合、その燃料は、ピストン5の冠面に近づくほど径方向外側に拡がるように放射状に噴射される。本実施形態では、各噴口21aの軸線u2は、インジェクタ21の軸線u1に対して45度傾斜している。すなわち、図3における角度α1が、45度に設定されている。   The tip end portion I1 of the injector 21 is located at the top portion of the injector storage portion 62, that is, the opening 66a of the attachment portion 66, and the axis line u1 thereof is the diameter of the top portion of the injector storage portion 62, that is, the ceiling surface 60 of the combustion chamber 6. It is attached to the attachment portion 66 so as to pass through the center in the direction and face the injector storage portion 62 from the top of the injector storage portion 62. The respective nozzle holes 21a are formed at equal intervals on a circumference centered on the axis u1 of the injector 21, and the axis line u2 of each nozzle hole 21a, that is, the opening direction of each nozzle hole 21a is inclined radially outward. It faces downward (the crown side of the piston 4). That is, the axis u2 of each nozzle hole 21a constitutes a generatrix of a conical surface having the tip end I1 of the injector 21 as a vertex and the axis u1 of the injector 21 as a central axis. When fuel is injected from each injection hole 21 a of the injector 21, the fuel is injected radially so as to expand radially outward as it approaches the crown surface of the piston 5. In the present embodiment, the axis u2 of each nozzle hole 21a is inclined 45 degrees with respect to the axis u1 of the injector 21. That is, the angle α1 in FIG. 3 is set to 45 degrees.

前記インジェクタ格納部62の内周面62aは、前記インジェクタ21から噴射された燃料がこの内周面62aに衝突しないように、この燃料の通過領域F1よりも径方向外側に位置している。本実施形態では、前記インジェクタ格納部62の内周面62aは、側面視で、前記燃料の通過領域F1よりも径方向外側においてインジェクタ21の噴口21aの軸線u2と平行に延びている。燃料の通過領域F1とは、各噴口21aから噴射された燃料が燃焼室6の壁面に到達する前に通過する領域であり、各噴口21aを頂点として各噴口21aの軸線u2を中心軸とした各噴口21aの噴霧角度α2(図3参照)を頂角とする円錐状の領域である。本実施形態では、噴霧角度α2は、15度に設定されている。   The inner peripheral surface 62a of the injector housing portion 62 is located radially outside the fuel passage region F1 so that the fuel injected from the injector 21 does not collide with the inner peripheral surface 62a. In the present embodiment, the inner peripheral surface 62a of the injector storage portion 62 extends in parallel to the axis u2 of the injection hole 21a of the injector 21 at the radially outer side from the fuel passage region F1 in a side view. The fuel passage region F1 is a region through which the fuel injected from each nozzle 21a passes before reaching the wall surface of the combustion chamber 6, and the axis u2 of each nozzle 21a is the central axis with each nozzle 21a as a vertex. This is a conical region with the apex angle being the spray angle α2 (see FIG. 3) of each nozzle 21a. In the present embodiment, the spray angle α2 is set to 15 degrees.

前記点火プラグ20は、図外の点火回路からの給電に応じてその先端から火花を放電して燃焼室6内の混合気に点火エネルギーを供給し、この混合気に点火する。本実施形態では、前記点火プラグ20は、前記燃焼室6の天井面60のうち前記インジェクタ格納部62よりも径方向外側の平面部分(以下、適宜、フラットヘッド面という)63から燃焼室6内を臨む状態で、取り付けられている。   The spark plug 20 discharges sparks from its tip in response to power supply from an ignition circuit (not shown), supplies ignition energy to the air-fuel mixture in the combustion chamber 6, and ignites the air-fuel mixture. In the present embodiment, the spark plug 20 is connected to the inside of the combustion chamber 6 from a plane portion 63 (hereinafter, appropriately referred to as a flat head surface) 63 radially outside the injector storage portion 62 of the ceiling surface 60 of the combustion chamber 6. It is attached in a state of facing.

本実施形態では、前記取り付け状態において、前記点火プラグ20の先端に設けられた外側電極と内側電極との中間部分すなわち点火点S1は、図4に示すように、平面視で前記インジェクタ21の互いに隣接する噴口21aの軸線u2_1、u2_2の中間に位置している。   In the present embodiment, in the mounted state, an intermediate portion between the outer electrode and the inner electrode provided at the tip of the spark plug 20, that is, the ignition point S 1, as shown in FIG. It is located in the middle of the axes u2_1 and u2_2 of the adjacent nozzle holes 21a.

また、前記取り付け状態において、前記点火点S1は、図3に示すように、側面視で点火プラグ20に最も近い位置にある噴口21aの軸線u2上に位置している。そして、この点火点S1とインジェクタ21の先端部I1との離間距離Lは、より詳細には、点火点S1とインジェクタ21の先端部I1の径方向中心部分との離間距離は、20mm以上25mm以下に設定されている。前記離間距離Lは、インジェクタ21の先端部I1から点火点S1に向かって延びる線であって、点火点S1に近い2つの噴口21aの軸線u2_1、u2_2の中間を通る線に沿った距離である。本実施形態では、この離間距離Lは20mmに設定されている。この離間距離Lの設定基準については後述する。   Further, in the attached state, as shown in FIG. 3, the ignition point S1 is located on the axis u2 of the injection hole 21a located closest to the ignition plug 20 in a side view. The separation distance L between the ignition point S1 and the tip end portion I1 of the injector 21 is more specifically, the separation distance between the ignition point S1 and the radial center portion of the tip end portion I1 of the injector 21 is 20 mm or more and 25 mm or less. Is set to The separation distance L is a line extending from the tip end portion I1 of the injector 21 toward the ignition point S1, and is a distance along a line passing through the middle of the axis lines u2_1 and u2_2 of the two injection holes 21a close to the ignition point S1. . In the present embodiment, the separation distance L is set to 20 mm. Setting criteria for the separation distance L will be described later.

さらに、前記取り付け状態において、前記点火点S1は、前記キャビティ40の外周縁よりも径方向内側に位置している。換言すれば、前記キャビティ40の径は、前記点火点S1が、前記キャビティ40の外周縁よりも径方向内側に位置する寸法に設定されている。   Further, in the attached state, the ignition point S <b> 1 is located radially inward from the outer peripheral edge of the cavity 40. In other words, the diameter of the cavity 40 is set such that the ignition point S <b> 1 is positioned radially inward from the outer peripheral edge of the cavity 40.

(2)点火点S1の位置の設定基準
図5(a)〜(c)および図6(a)〜(c)は、燃焼室6内の混合気の温度と当量比の分布が、点火エネルギーの供給を受けて、時間とともにどのように変化するのかを示した図である。各図の(a)、(b)、(c)の順に時間が経過している。図5(a)および図6(a)は、それぞれ点火エネルギーが供給される前の混合気の状態を示している。図5および図6の(b)、(c)は、それぞれ、点火エネルギー供給後の時間変化に伴う混合気の状態の変化を示している。各図に示されるように、点火エネルギーが供給されると、混合気は燃焼を開始し、これに伴って混合気(既燃ガス含む)の温度は上昇していく。
(2) Criteria for setting the position of the ignition point S1 FIGS. 5 (a) to 5 (c) and FIGS. It is the figure which showed how it receives supply of and changes with time. Time elapses in the order of (a), (b), and (c) in each figure. FIG. 5A and FIG. 6A show the state of the air-fuel mixture before ignition energy is supplied. (B) and (c) of FIG. 5 and FIG. 6 each show a change in the state of the air-fuel mixture accompanying a change in time after the ignition energy is supplied. As shown in each figure, when ignition energy is supplied, the air-fuel mixture starts to combust, and accordingly, the temperature of the air-fuel mixture (including burned gas) rises.

各図5と図6の各図には、SOOTとNOxが生成される領域が合わせて示されている。具体的には、燃焼室6内の混合気の当量比が高く(リッチ状態であり)、かつ、所定温度以上の領域E1が、SOOTが主に生成される領域であり、燃焼室6内の温度が高い領域E2がNOxが主に生成される領域である。   Each of FIGS. 5 and 6 shows a region where SOOT and NOx are generated. Specifically, the region E1 where the equivalence ratio of the air-fuel mixture in the combustion chamber 6 is high (in a rich state) and is equal to or higher than a predetermined temperature is a region where SOOT is mainly generated. The region E2 where the temperature is high is a region where NOx is mainly generated.

図5と図6とは、燃焼室6内のうち点火エネルギーが付与される部分(点火点)の位置が互いに異なっている。図5は、点火点が、当量比2付近の混合気が存在する位置(図5(a)の点S1)に設定された際の結果である。図6は、点火点が、当量比1付近の混合気が存在する位置(図6(a)の点S2)に設定された際の結果である。図5(b)と図6(b)とを、また、図5(c)と図6(c)とを比べると、NOx生成領域E2に含まれる混合気の量はほぼ同一である一方、当量比2付近の混合気が存在する位置に点火点が設定された場合の方が、当量比が高く、かつ、温度の高い混合気の量が多い、すなわち、SOOT生成領域E1に含まれる混合気の量が多くSOOTがより多く生成されている。このように、当量比が2付近といった高い領域に点火エネルギーが供給されると、空気不足の領域で燃焼が開始してこの領域の温度が高くなる結果、多量のSOOTが生成される。   5 and 6 are different from each other in the position (ignition point) of the combustion chamber 6 to which ignition energy is applied. FIG. 5 shows a result when the ignition point is set at a position where an air-fuel mixture with an equivalence ratio of 2 is present (point S1 in FIG. 5A). FIG. 6 shows a result when the ignition point is set at a position where an air-fuel mixture with an equivalence ratio of 1 is present (point S2 in FIG. 6A). Comparing FIG. 5 (b) and FIG. 6 (b) and FIG. 5 (c) and FIG. 6 (c), the amount of the air-fuel mixture contained in the NOx generation region E2 is almost the same, When the ignition point is set at a position where an air-fuel mixture with an equivalence ratio of 2 is present, the equivalence ratio is higher and the amount of the air-fuel mixture with a higher temperature is larger, that is, the mixture included in the SOOT generation region E1. The amount of energy is large and more SOOT is produced. Thus, when ignition energy is supplied to a high region where the equivalence ratio is close to 2, combustion starts in a region where air is insufficient and the temperature in this region increases, resulting in a large amount of SOOT being generated.

そのため、SOOTの生成量をより小さく抑えて排気性能を高めるためには、点火エネルギーが供給される領域の混合気の当量比を1よりも十分に小さくする必要がある。   For this reason, in order to suppress the amount of SOOT generated to a lower level and improve the exhaust performance, it is necessary to make the equivalent ratio of the air-fuel mixture in the region where the ignition energy is supplied sufficiently smaller than 1.

ここで、燃焼室6内に燃料が噴射された時期から燃焼室6内の混合気に点火エネルギーが供給される時期までの期間が長い場合には、混合気の予混合化が進むことで混合気全体の当量比は小さくなる。しかしながら、このように十分に混合されて当量比が非常に小さくなった混合気を燃焼させるためには、点火エネルギーを大きくする必要がある。そして、このように十分に予混合化された混合気に大きな点火エネルギーを供給すると、混合気の温度上昇にとどまらずに、火炎伝播が開始してしまうおそれがあり、適度に当量比の小さい混合気に点火エネルギーを供給する必要がある。   Here, when the period from the time when the fuel is injected into the combustion chamber 6 to the time when the ignition energy is supplied to the air-fuel mixture in the combustion chamber 6 is long, the premixing of the air-fuel mixture proceeds to mix the fuel. The equivalent ratio of the whole gas becomes small. However, it is necessary to increase the ignition energy in order to burn the air-fuel mixture that is sufficiently mixed and has a very small equivalence ratio. If large ignition energy is supplied to the air-fuel mixture that has been sufficiently premixed in this way, there is a risk that flame propagation may start, not only the temperature rise of the air-fuel mixture, and a mixture with a moderately low equivalence ratio. I need to supply ignition energy.

また、液体燃料に点火エネルギーを供給した場合は、SOOTが発生しやすいことが分かっており、燃料の多くが蒸気となっている領域に点火エネルギーを供給する必要がある。   Further, it is known that when the ignition energy is supplied to the liquid fuel, SOOT is likely to occur, and it is necessary to supply the ignition energy to a region where most of the fuel is vapor.

以上より、排気性能を高めつつ、火炎伝播にいたることなく混合気の温度を圧縮時着火温度にまで適正に高めるためには、噴射された燃料が燃焼室6内全体に拡散して予混合化する前、すなわち、噴射された燃料が燃焼室6の壁面に到達する前であって、混合気の当量比が1よりも十分に小さく、かつ、燃料の多くが蒸気となっている領域に点火エネルギーを供給する必要があるといえる。   As described above, in order to appropriately increase the temperature of the air-fuel mixture to the ignition temperature during compression without increasing the flame performance while improving exhaust performance, the injected fuel diffuses throughout the combustion chamber 6 and is premixed. Before the injection, that is, before the injected fuel reaches the wall surface of the combustion chamber 6 and the equivalence ratio of the air-fuel mixture is sufficiently smaller than 1, and the region where most of the fuel is steam is ignited It can be said that it is necessary to supply energy.

そこで、本発明者らは、前記のような条件を満足する領域を点火点に設定するべく、燃料噴射後の燃焼室6内の混合気の当量比の分布および燃料噴霧の状態(液体であるか蒸気であるか)を調べた。具体的には、図7に示すように、燃料が液体の状態で含まれている混合気の当量比の分布と、燃料が蒸気の状態で含まれている混合気の当量比の分布とをそれぞれ調べた。図7の左側のグラフは、液体燃料が含まれる混合気の当量比の分布を示している。このグラフにおいて、横軸rは、インジェクタ21の軸線u1からこの軸線u1と直交する方向の距離を示しており、左側ほどインジェクタ21の軸線u1からの距離が遠いことを示している。一方、図7の右側のグラフは、燃料蒸気が含まれる混合気の当量比の分布を示している。このグラフにおいて、横軸rは、インジェクタ21の軸線u1からこの軸線u1と直交する方向の距離を示しており、右側ほどインジェクタ21の先端からの距離が遠いことを示している。左右両グラフにおいて、縦軸Zは、いずれもインジェクタ21の先端部I1から、インジェクタ21の噴口21aの軸線u2方向の距離であり、下側ほどインジェクタ21の先端からの距離が遠いことを示している。また、左右両グラフ中の各数値は、指し示した領域の当量比の範囲を示している。例えば、0.1〜0.5と記された領域は、当量比が0.1以上0.5未満の領域であり、1.0〜と記された領域は、当量比が1.0以上の領域である。   Accordingly, the present inventors set the equivalence ratio distribution of the air-fuel mixture in the combustion chamber 6 after fuel injection and the state of fuel spray (liquid) so as to set the region satisfying the above conditions as the ignition point. Or steam). Specifically, as shown in FIG. 7, the distribution of the equivalence ratio of the air-fuel mixture containing the fuel in the liquid state and the distribution of the equivalence ratio of the air-fuel mixture containing the fuel in the vapor state Each was examined. The graph on the left side of FIG. 7 shows the distribution of the equivalence ratio of the air-fuel mixture containing liquid fuel. In this graph, the horizontal axis r indicates the distance from the axis u1 of the injector 21 in the direction orthogonal to the axis u1, and the left side indicates that the distance from the axis u1 of the injector 21 is farther. On the other hand, the graph on the right side of FIG. 7 shows the distribution of the equivalence ratio of the air-fuel mixture containing fuel vapor. In this graph, the horizontal axis r indicates the distance from the axis u1 of the injector 21 in the direction orthogonal to the axis u1, and the right side indicates that the distance from the tip of the injector 21 is farther. In both the left and right graphs, the vertical axis Z is the distance from the tip end portion I1 of the injector 21 in the direction of the axis u2 of the injection hole 21a of the injector 21, and indicates that the distance from the tip end of the injector 21 is farther downward. Yes. Each numerical value in the left and right graphs indicates the range of the equivalence ratio of the indicated region. For example, the region indicated as 0.1 to 0.5 is a region having an equivalent ratio of 0.1 or more and less than 0.5, and the region indicated as 1.0 to is an equivalent ratio of 1.0 or more. It is an area.

図7に示すような液体燃料が含まれる混合気の当量比の分布と燃料前記が含まれる混合気の当量比の分布の時間変化を、複数の噴射圧に対して調べた。その結果を図8および図9に示す。図8および図9には、噴射圧がそれぞれ120、80、40、20MPaの場合における当量比の分布および燃料噴霧の状態が示されている。図8には、燃料噴射後の経過時間がそれぞれ0.2ms、0.5ms、1.0msの場合の当量比の分布および燃料噴霧の状態が示されている。図9には、燃料噴射後の経過時間がそれぞれ1.5ms、2.0ms、2.5msの場合の当量比の分布および燃料噴霧の状態が示されている。   The time variation of the equivalence ratio distribution of the air-fuel mixture containing the liquid fuel and the distribution of the equivalence ratio of the air-fuel mixture containing the fuel as shown in FIG. 7 was examined for a plurality of injection pressures. The results are shown in FIGS. FIGS. 8 and 9 show the equivalence ratio distribution and fuel spray state when the injection pressure is 120, 80, 40, and 20 MPa, respectively. FIG. 8 shows the distribution of equivalence ratio and the state of fuel spray when the elapsed time after fuel injection is 0.2 ms, 0.5 ms, and 1.0 ms, respectively. FIG. 9 shows the equivalence ratio distribution and the fuel spray state when the elapsed time after fuel injection is 1.5 ms, 2.0 ms, and 2.5 ms, respectively.

図8に示されるように、噴射圧が高いほど、燃料噴霧は早期に蒸発し、かつ、この燃料蒸気は早期にインジェクタ先端から遠い範囲に移動している。しかしながら、図8および図9に示されるように、いずれの噴射圧においても、噴射後1.0msおよび1.5msにおいて、Zの値すなわち噴口21aの軸線u2に沿ってインジェクタ21の先端からの距離が20mm以上25mm以下となる領域では、燃料噴霧の多くが蒸気となり、かつ、この蒸気を含む混合気の当量比が0.2程度となっている。そのため、点火エネルギーが供給される領域すなわち点火点S1を、インジェクタ21の先端部I1からの距離が20mm以上25mm以下の領域に設定すれば、噴射圧によらず、適正に混合気を燃焼させることができる。このようにして、本エンジンでは、点火点S1が、この点火点S1とインジェクタ21の先端部I1との離間距離Lが20mm以上25mm以下となる位置に設定されている。   As shown in FIG. 8, the higher the injection pressure, the faster the fuel spray evaporates and the earlier this fuel vapor moves to a range far from the injector tip. However, as shown in FIGS. 8 and 9, at any injection pressure, the distance from the tip of the injector 21 along the value of Z, that is, the axis u2 of the nozzle 21a, at 1.0 ms and 1.5 ms after injection. In the region where the value is 20 mm or more and 25 mm or less, most of the fuel spray is steam, and the equivalent ratio of the air-fuel mixture containing the steam is about 0.2. Therefore, if the region where the ignition energy is supplied, that is, the ignition point S1 is set to a region where the distance from the tip end I1 of the injector 21 is 20 mm or more and 25 mm or less, the air-fuel mixture can be properly burned regardless of the injection pressure. Can do. Thus, in the present engine, the ignition point S1 is set to a position where the separation distance L between the ignition point S1 and the tip end portion I1 of the injector 21 is 20 mm or more and 25 mm or less.

(3)制御系
図10は、エンジンの制御系を示すブロック図である。本図に示されるECU50は、エンジンの各部を統括的に制御するための装置であり、周知のCPU、ROM、RAM等から構成されている。
(3) Control System FIG. 10 is a block diagram showing an engine control system. The ECU 50 shown in the figure is a device for comprehensively controlling each part of the engine, and includes a well-known CPU, ROM, RAM, and the like.

前記ECU50には、エンジン本体に設けられた前記水温センサSW1、クランク角センサSW2、およびカム角センサSW3等の各種センサから種々の情報が入力される。また、ECU50には、車両に設けられた各種センサからの情報も入力される。例えば、運転者により踏み込み操作される図外のアクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサSW4から、アクセル開度の情報がECU50に入力される。   Various information is input to the ECU 50 from various sensors such as the water temperature sensor SW1, the crank angle sensor SW2, and the cam angle sensor SW3 provided in the engine body. The ECU 50 also receives information from various sensors provided in the vehicle. For example, information on the accelerator opening is input to the ECU 50 from an accelerator opening sensor SW4 that detects the opening of an accelerator pedal (not shown) that is depressed by the driver.

前記ECU50は、その主な機能的要素として、判定手段51、インジェクタ制御手段52、吸気制御手段53、内部EGR制御手段54、外部EGR制御手段55、および点火制御手段56を有している。   The ECU 50 includes a determination unit 51, an injector control unit 52, an intake control unit 53, an internal EGR control unit 54, an external EGR control unit 55, and an ignition control unit 56 as main functional elements.

前記判定手段51は、クランク角センサSW2およびアクセル開度センサSW4の各検出値から特定されるエンジンの回転数Neおよび負荷T(目標トルク)に基づいて、現在のエンジンの運転領域が図11の制御マップにおけるいずれの運転領域であるかを判定する。   Based on the engine speed Ne and the load T (target torque) specified from the detected values of the crank angle sensor SW2 and the accelerator opening sensor SW4, the determination means 51 determines whether the current engine operating range is as shown in FIG. It is determined which operating region is in the control map.

具体的に、図11の制御マップにおいて、負荷Tが比較的低い領域には、全ての回転数域にわたって第1運転領域A1が設定されている。また、この第1運転領域A1よりも負荷Tが高くかつ回転速度Neが所定値よりも低い領域には、第2運転領域A2が設定されているとともに、前記第1運転領域A1よりも負荷Tが高くかつ回転速度Neが前記所定値よりも高い領域には、第3運転領域A3が設定されている。さらに、前記第1運転領域A1と第2運転領域A2と間、および、第1運転領域A1と第3運転領域A3との間には、それぞれ、第4運転領域A4および第5運転領域A5が設定されている。なお、これら第1〜第5運転領域A1〜A5からなる制御マップは、基本的に、エンジン水温センサSW1により検出された冷却水温が所定値(例えば80℃)以上となる温間状態のときのものである。エンジンが冷間状態にあるときの制御マップについては、ここでは説明を省略する。   Specifically, in the control map of FIG. 11, the first operation region A1 is set in the region where the load T is relatively low over the entire rotational speed region. Further, in a region where the load T is higher than the first operation region A1 and the rotational speed Ne is lower than a predetermined value, the second operation region A2 is set and the load T is higher than that in the first operation region A1. The third operation region A3 is set in a region where the rotational speed Ne is higher and the rotational speed Ne is higher than the predetermined value. Further, a fourth operation region A4 and a fifth operation region A5 are respectively provided between the first operation region A1 and the second operation region A2 and between the first operation region A1 and the third operation region A3. Is set. In addition, the control map which consists of these 1st-5th operation area | regions A1-A5 is fundamentally in the time of the warm state where the cooling water temperature detected by engine water temperature sensor SW1 becomes more than predetermined value (for example, 80 degreeC). Is. The description of the control map when the engine is in a cold state is omitted here.

前記インジェクタ制御手段52は、前記インジェクタ21から燃焼室6に噴射される燃料の噴射量や噴射時期を制御するものである。具体的に、このインジェクタ制御手段52は、負荷Tやエンジン回転数Ne等に基づいて、目標とする燃料の噴射量および噴射時期を演算し、その演算結果に基づいてインジェクタ21を駆動する。   The injector control means 52 controls the amount and timing of fuel injected from the injector 21 into the combustion chamber 6. Specifically, the injector control means 52 calculates a target fuel injection amount and injection timing based on the load T, the engine speed Ne, and the like, and drives the injector 21 based on the calculation result.

前記吸気制御手段53は、前記CVVL15を駆動して吸気弁11のリフト量(開弁量)を変更する。例えば、吸気制御手段53は、エンジンの負荷Tが高い場合には、燃焼室6に多量の空気(新気)を導入すべく、吸気弁11のリフト量を増大させる。一方、吸気制御手段53は、エンジンの負荷Tが低い場合には、吸気弁11のリフト量を低減する。   The intake control means 53 drives the CVVL 15 to change the lift amount (valve opening amount) of the intake valve 11. For example, the intake control means 53 increases the lift amount of the intake valve 11 to introduce a large amount of air (fresh air) into the combustion chamber 6 when the engine load T is high. On the other hand, the intake control means 53 reduces the lift amount of the intake valve 11 when the engine load T is low.

前記内部EGR制御手段54は、前記VVL16を駆動して排気弁12の吸気行程中の開弁を実行または停止することにより、燃焼室6に残留する内部EGRガス量を調整する。なお、本実施形態において、VVL16付きの排気弁12が1気筒あたり2つ設けられているので、吸気行程中に開弁する排気弁12の数を0,1,2の間で切り替えることにより、内部EGRガス量を段階的に変化させることが可能である。   The internal EGR control means 54 adjusts the amount of internal EGR gas remaining in the combustion chamber 6 by driving or stopping the VVL 16 to open or stop the exhaust valve 12 during the intake stroke. In this embodiment, since two exhaust valves 12 with VVL 16 are provided per cylinder, by switching the number of exhaust valves 12 opened during the intake stroke between 0, 1, and 2, It is possible to change the amount of internal EGR gas stepwise.

前記外部EGR制御手段55は、前記EGR通路31に設けられたEGRバルブ32の開度を変更して、排気通路29から吸気通路28に還流する排気ガス量すなわち外部EGR量を調整する。   The external EGR control means 55 adjusts the amount of exhaust gas recirculated from the exhaust passage 29 to the intake passage 28, that is, the amount of external EGR, by changing the opening degree of the EGR valve 32 provided in the EGR passage 31.

前記点火制御手段56は、前記点火プラグ20が火花放電を行うタイミング(点火時期)等を制御する。   The ignition control means 56 controls the timing (ignition timing) at which the spark plug 20 performs spark discharge.

(4)各運転領域の具体的制御手順
次に、前記ECU50が、前記第1運転領域A1、第2運転領域A2で、それぞれどのような制御を実施するのかを具体的に説明する。
(4) Specific Control Procedure for Each Operating Area Next, the control performed by the ECU 50 in the first operating area A1 and the second operating area A2 will be specifically described.

まず、ECU50は、エンジンの運転が開始されると、前記クランク角センサSW2およびアクセル開度センサSW4の各検出値に基づいて、エンジンの運転点(負荷Tおよび回転数Ne)が図11の制御マップにおけるどの運転領域に該当するかを逐次判定する。そして、判定された運転領域に応じて、それぞれ以下のような制御を実行する。   First, when engine operation is started, the ECU 50 controls the engine operating point (load T and rotation speed Ne) based on the detected values of the crank angle sensor SW2 and the accelerator opening sensor SW4 as shown in FIG. It is sequentially determined which operation region in the map corresponds. And according to the determined driving | operation area | region, the following control is performed, respectively.

なお、この説明の前提として、エンジンの冷却水温は充分に暖まっている(つまり温間時の運転である)ものとする。そして、本実施形態では、ECU50は、温間時において、エンジンの運転点が前記運転領域A1〜A5のいずれにあっても、圧縮自己着火燃焼が実現される制御を実施する。ただし、適切な圧縮自己着火燃焼を行わせるには、インジェクタ21からの燃料噴射時期や、内部EGRまたは外部EGRの有無や、点火プラグ20からの点火の有無等を、運転領域A1、A2によって変化させる必要がある。そのため、ECU50は、前記インジェクタ21、点火プラグ20、CVVL15、VVL16、およびEGRバルブ32等を、エンジンの運転点を逐次判定しながら制御する。   As a premise of this explanation, it is assumed that the engine coolant temperature is sufficiently warm (that is, the engine is warm). In the present embodiment, the ECU 50 performs the control that realizes the compression self-ignition combustion even when the engine operating point is in any of the operation regions A1 to A5 during the warm period. However, in order to perform appropriate compression self-ignition combustion, the fuel injection timing from the injector 21, the presence / absence of internal EGR or external EGR, the presence / absence of ignition from the spark plug 20, and the like vary depending on the operation regions A1 and A2. It is necessary to let Therefore, the ECU 50 controls the injector 21, spark plug 20, CVVL15, VVL16, EGR valve 32, and the like while sequentially determining the operating point of the engine.

(i)第1運転領域A1
図12は、エンジンが第1運転領域A1で運転されている場合の燃料噴射時期と吸排気弁11,12のリフト特性、およびそれに基づく燃焼により生じる熱発生率(J/deg)を示す図である。本図に示すように、第1運転領域A1では、圧縮行程の前に噴射された燃料と空気との混合気をピストン5の圧縮作用によって自着火させる、一般的な予混合圧縮自己着火燃焼が実行される。具体的に、この第1運転領域A1では、吸気行程中の所定時期にインジェクタ21から燃焼室6に燃料が噴射(P)され、この燃料噴射Pにより噴射された燃料と、吸気通路28から燃焼室6に導入される空気(新気)との混合気が、ピストン5の圧縮作用により高温、高圧化し、圧縮上死点(圧縮行程と膨張行程の間のTDC)付近で自着火する。すると、このような自着火に基づき、波形Qaに示すような熱発生を伴う燃焼が生じることになる。
(I) 1st operation area A1
FIG. 12 is a diagram showing the fuel injection timing when the engine is operated in the first operating region A1, the lift characteristics of the intake and exhaust valves 11 and 12, and the heat generation rate (J / deg) generated by combustion based thereon. is there. As shown in the figure, in the first operation region A1, a general premixed compression self-ignition combustion is performed in which the air-fuel mixture injected before the compression stroke is self-ignited by the compression action of the piston 5. Executed. Specifically, in the first operation region A1, fuel is injected (P) from the injector 21 into the combustion chamber 6 at a predetermined time during the intake stroke, and the fuel injected by the fuel injection P is combusted from the intake passage 28. The mixture with the air (fresh air) introduced into the chamber 6 becomes high temperature and high pressure by the compression action of the piston 5, and self-ignites near the compression top dead center (TDC between the compression stroke and the expansion stroke). Then, based on such self-ignition, combustion accompanied by heat generation as shown by the waveform Qa occurs.

ただし、第1運転領域A1は、負荷Tが比較的低く、インジェクタ21から噴射される燃料の量が少ないため、筒内温度を意図的に上昇させないと、失火が起きるおそれがある。そこで、前記第1運転領域A1では、VVL16を駆動して排気弁12を吸気行程中に開弁させることにより、燃焼室6で生成された排気ガスを燃焼室6に逆流させて、燃焼室6内の内部EGRを多量に確保する。すなわち、排気弁12は、排気行程に加えて(図12のリフトカーブEX)、吸気行程でも開弁する(リフトカーブEX’)。このように、高温の内部EGRガス量が多く確保されると、燃焼室6内の混合気の温度は高温となり、混合気の自着火が促進される。なお、内部EGRガス量は、低負荷側ほど多く、高負荷側ほど少なく設定される。そのための制御として、例えば、第1運転領域A1における低負荷域(無負荷に近い領域)では、吸気行程中に開弁する排気弁12の数が2つとされ、それよりも負荷が高くなると、開弁数が1つに減らされる。   However, since the load T is relatively low in the first operation region A1 and the amount of fuel injected from the injector 21 is small, misfire may occur unless the in-cylinder temperature is intentionally increased. Therefore, in the first operation region A1, the VVL 16 is driven to open the exhaust valve 12 during the intake stroke, whereby the exhaust gas generated in the combustion chamber 6 is caused to flow back to the combustion chamber 6 and the combustion chamber 6 A large amount of internal EGR is secured. In other words, the exhaust valve 12 opens in the intake stroke (lift curve EX ′) in addition to the exhaust stroke (lift curve EX in FIG. 12). Thus, when a large amount of high-temperature internal EGR gas is ensured, the temperature of the air-fuel mixture in the combustion chamber 6 becomes high, and self-ignition of the air-fuel mixture is promoted. The amount of internal EGR gas is set to be larger on the low load side and smaller on the high load side. As a control for that, for example, in the low load region (region close to no load) in the first operation region A1, the number of the exhaust valves 12 opened during the intake stroke is two, and the load becomes higher than that, The number of valve openings is reduced to one.

前記のように、第1運転領域A1では、排気弁12の再開弁(吸気行程中の開弁)に基づく内部EGRガス量が増大されるのに伴い、外部EGRガスの導入は停止される。すなわち、EGR通路31に設けられたEGRバルブ32の開度が全閉に設定されることにより、排気通路29から吸気通路28への排気ガスの還流が停止される。また、点火プラグ20による混合気への点火は停止される。   As described above, in the first operation region A1, the introduction of the external EGR gas is stopped as the internal EGR gas amount based on the restart valve (opening during the intake stroke) of the exhaust valve 12 is increased. That is, when the opening degree of the EGR valve 32 provided in the EGR passage 31 is set to be fully closed, the recirculation of the exhaust gas from the exhaust passage 29 to the intake passage 28 is stopped. Further, the ignition of the air-fuel mixture by the spark plug 20 is stopped.

なお、前記第1運転領域A1では、燃焼室6内の混合気の空燃比(実空燃比)を理論空燃比(14.7)で割った値である空気過剰率λが、約2〜2.4程度という大幅にリーンな値に設定される。そのため、CVVL15の駆動により吸気弁11(リフトカーブIN)のリフト量を増減する制御が実行され、燃焼室6に導入される新気の量が、前記インジェクタ21からの燃料噴射量に対しかなり過剰になるように制御される。このように大幅にリーンに設定された混合気を燃焼させた場合、燃焼温度が大幅に低下するため、冷却損失を低減して熱効率(燃費)を向上させることができる。なお、λ=2〜2.4までリーンになると、三元触媒によるNOxの浄化作用はほとんど期待できなくなるが、λ=2〜2.4であれば、燃焼により生じるNOx量(生のNOx量)が大幅に少なくなるため、三元触媒以外に特別な触媒(例えばNOxトラップ触媒)を設けなくても、排気ガス中に含まれるNOxの量を十分に小さい値に抑制することができる。   In the first operation region A1, the excess air ratio λ, which is a value obtained by dividing the air-fuel ratio (actual air-fuel ratio) of the air-fuel mixture in the combustion chamber 6 by the theoretical air-fuel ratio (14.7), is about 2-2. It is set to a significantly lean value of about .4. Therefore, control for increasing or decreasing the lift amount of the intake valve 11 (lift curve IN) is executed by driving the CVVL 15, and the amount of fresh air introduced into the combustion chamber 6 is considerably excessive with respect to the fuel injection amount from the injector 21. It is controlled to become. In this way, when the air-fuel mixture set to be significantly lean is burned, the combustion temperature is greatly lowered, so that the cooling loss can be reduced and the thermal efficiency (fuel consumption) can be improved. Note that when λ = 2 to 2.4, the NOx purification action by the three-way catalyst can hardly be expected. However, if λ = 2 to 2.4, the amount of NOx produced by combustion (raw NOx amount) ) Is greatly reduced, the amount of NOx contained in the exhaust gas can be suppressed to a sufficiently small value without providing a special catalyst (for example, a NOx trap catalyst) in addition to the three-way catalyst.

(ii)第2運転領域A2
前記第1運転領域A1よりも負荷Tが高く、かつ回転速度Neが比較的低い領域に設定された第2運転領域A2では、図13に示すような制御が実行される。すなわち、第2運転領域A2では、圧縮上死点を挟んだ2回(P1,P2)に分けてインジェクタ21から燃料を噴射させる分割噴射が実行される。以下では、圧縮行程中に実行される1回目の燃料噴射P1を前段噴射、それより後の圧縮上死点付近(図例では膨張行程のごく初期)に実行される2回目の燃料噴射P2を後段噴射と称する。
(Ii) Second operation area A2
In the second operation region A2 in which the load T is higher than the first operation region A1 and the rotation speed Ne is relatively low, the control as shown in FIG. 13 is executed. That is, in the second operation region A2, split injection is performed in which fuel is injected from the injector 21 in two steps (P1, P2) across the compression top dead center. In the following description, the first fuel injection P1 executed during the compression stroke is performed as the pre-stage injection, and the second fuel injection P2 executed near the compression top dead center after that (in the illustrated example, very early in the expansion stroke). This is called post-injection.

具体的に、上記第2運転領域A2において、前段噴射P1のタイミングは、圧縮上死点(TDC)を基準として、その上死点前(BTDC)50〜60°CA(CAはクランク角を表す)程度の期間内に設定され、後段噴射P2のタイミングは、上死点後(ATDC)0〜10°CA程度の期間内に設定される。また、前段噴射P1および後段噴射P2による各噴射量の割合については、前段噴射P1が10%以下で後段噴射P2が90%以上に設定されるパターンから、前段噴射P1が60%程度で後段噴射P2が40%程度に設定されるパターンまで、運転条件等により適宜の割合に設定される。   Specifically, in the second operation region A2, the timing of the front injection P1 is 50 to 60 ° CA before the top dead center (BTDC) with respect to the compression top dead center (TDC) (CA represents the crank angle). ) And the timing of the post-injection P2 is set within a period of about 0 to 10 ° CA after top dead center (ATDC). Further, regarding the ratio of each injection amount by the front stage injection P1 and the rear stage injection P2, the front stage injection P1 is about 60% and the rear stage injection from the pattern in which the front stage injection P1 is set to 10% or less and the rear stage injection P2 is set to 90% or more. Up to a pattern in which P2 is set to about 40%, it is set at an appropriate ratio depending on the operating conditions and the like.

前記前段噴射P1および後段噴射P2によるトータルの噴射量は、第2運転領域A2に対応する高い負荷に合わせて、第1運転領域A1のとき(燃料噴射Pによる噴射量)よりも増大される。また、このように増大設定される燃料噴射量に応じた多量の新気を燃焼室6に導入すべく、CVVL15が駆動されて吸気弁11のリフト量が増大される(リフトカーブIN)。そして、前記のように分割噴射された燃料と空気(新気)との混合気が圧縮上死点付近で自着火することにより、図中の波形Qbに示すように、時期の異なる2つのピークを有するような熱発生を伴う燃焼が生じる。なお、このような波形Qbの形状はあくまで概念的なものであり、実際には2つのピークが明確に現れない場合も当然にあり得る。   The total injection amount by the front injection P1 and the rear injection P2 is increased in comparison with the first operation region A1 (the injection amount by the fuel injection P) in accordance with the high load corresponding to the second operation region A2. Further, the CVVL 15 is driven to increase the lift amount of the intake valve 11 (lift curve IN) in order to introduce a large amount of fresh air corresponding to the fuel injection amount set to increase in this way into the combustion chamber 6. Then, as shown in the waveform Qb in the figure, two peaks having different timings are obtained by the self-ignition of the mixture of fuel and air (fresh air) separately injected as described above near the compression top dead center. Combustion accompanied by heat generation occurs. Note that such a shape of the waveform Qb is conceptual only, and there are naturally cases where two peaks do not appear clearly.

前記のように前段噴射P1および後段噴射P2に分けて燃料を噴射するようにしたのは、燃焼騒音等の問題を考慮してのものである。すなわち、燃料噴射量の多い前記第2運転領域A2では、燃料を1回で噴射してしまうと、噴射された多量の燃料が短時間で全て燃焼する急激な燃焼が起きることにより、筒内圧力が急上昇し、燃焼騒音が著しく増大する等の事態を招くおそれがある。そこで、前記のように燃料を分割噴射することにより、比較的マイルドな燃焼が継続的に起きるようにして、前記のような燃焼騒音の増大等を回避するようにしている。   The reason why the fuel is injected separately into the front injection P1 and the rear injection P2 as described above is in consideration of problems such as combustion noise. That is, in the second operation region A2 where the fuel injection amount is large, if the fuel is injected at one time, a sudden combustion occurs in which all of the injected large amount of fuel burns in a short period of time. May suddenly increase, resulting in a marked increase in combustion noise. Therefore, by dividing and injecting fuel as described above, relatively mild combustion is continuously caused to avoid the increase in combustion noise as described above.

ただし、たとえ燃料噴射を複数回に分割しても、インジェクタ21の配置やピストン5の形状によっては、各回に噴射された燃料どうしが混じり合い、その混じり合った燃料がほとんど同時に燃焼することがある。このように、噴射タイミングが異なる燃料どうしが混じり合った状態で燃焼が起きると、燃焼騒音が過大になるばかりでなく、燃焼時に必要な酸素が局所的に著しく不足し、多量のスート(炭素質粒子)が発生するおそれがある。   However, even if the fuel injection is divided into a plurality of times, depending on the arrangement of the injector 21 and the shape of the piston 5, the fuels injected at each time may be mixed and the mixed fuel may burn almost simultaneously. . In this way, if combustion occurs in a mixture of fuels with different injection timings, not only does combustion noise become excessive, but the oxygen required for combustion is significantly insufficient locally, resulting in a large amount of soot (carbonaceous matter). Particles) may occur.

このような問題に対し、当実施形態では、インジェクタ21が燃焼室6天井の径方向中央部分に配置されるとともに、ピストン5の冠面がキャビティ40等を有する特殊な形状に形成されているため、分割噴射された燃料が同時に燃焼してしまうことがなく、前記のような燃焼騒音の増大やスートの大量発生を回避することが可能である(その詳細なメカニズムについては後述する)。   In order to deal with such a problem, in the present embodiment, the injector 21 is disposed at the center portion in the radial direction of the ceiling of the combustion chamber 6 and the crown surface of the piston 5 is formed in a special shape having the cavity 40 and the like. In addition, the separately injected fuel does not burn at the same time, and it is possible to avoid an increase in combustion noise and a large amount of soot as described above (detailed mechanism will be described later).

また、前記第2運転領域A2では、前記のような燃料の分割噴射制御に加えて、吸気行程中に排気弁12を押し下げる機能を無効にするようにVVL16が駆動され、排気弁12の吸気行程中の開弁が停止される。これにより、排気ガスが燃焼室6に逆流することがほとんどなくなり、内部EGRが禁止される。   In the second operation region A2, in addition to the fuel split injection control as described above, the VVL 16 is driven so as to invalidate the function of depressing the exhaust valve 12 during the intake stroke, and the intake stroke of the exhaust valve 12 is determined. The valve opening inside is stopped. As a result, the exhaust gas hardly flows back into the combustion chamber 6 and internal EGR is prohibited.

一方、第2運転領域A2では、前記のように禁止された内部EGRに代わり、外部EGRが実行される。すなわち、EGR通路31に設けられたEGRバルブ32が所定開度まで開かれることにより、排気通路29から吸気通路28へ排気ガスを還流させる操作が実行される。   On the other hand, in the second operation region A2, external EGR is executed instead of the prohibited internal EGR as described above. That is, the operation of recirculating the exhaust gas from the exhaust passage 29 to the intake passage 28 is performed by opening the EGR valve 32 provided in the EGR passage 31 to a predetermined opening degree.

このように、内部EGRから外部EGRへと切り替えるのは、燃焼室6内の新気の量を確保するため、および、異常燃焼を回避するためである。すなわち、第2運転領域A2は、第1運転領域A1よりもエンジン負荷Tが高く、より多くの新気量が必要になるとともに、噴射されるトータルの燃料が多いことに伴ってプリイグニッションやノッキング等の異常燃焼が起きるおそれがある。そこで、内部EGRから外部EGRに切り替えて、EGRクーラ33付きのEGR通路31を通過した(つまりEGRクーラ33により冷却された)排気ガスを吸気通路28に還流させることにより、EGRガスの体積を減少させて燃焼室6内の新気の量を確保するとともに、燃焼室6の高温化を防ぎ、前記のような異常燃焼を回避するようにしている。ただし、第2運転領域A2であっても、エンジンの全負荷近傍では、多量の新気を確保するために、外部EGRは停止される。   The reason for switching from the internal EGR to the external EGR in this way is to ensure the amount of fresh air in the combustion chamber 6 and to avoid abnormal combustion. That is, in the second operation region A2, the engine load T is higher than that in the first operation region A1, a larger amount of fresh air is required, and pre-ignition and knocking are accompanied by a large amount of total fuel injected. Abnormal combustion may occur. Therefore, the volume of the EGR gas is reduced by switching from the internal EGR to the external EGR and returning the exhaust gas that has passed through the EGR passage 31 with the EGR cooler 33 (that is, cooled by the EGR cooler 33) to the intake passage 28. Thus, the amount of fresh air in the combustion chamber 6 is ensured, the temperature of the combustion chamber 6 is prevented from being increased, and abnormal combustion as described above is avoided. However, even in the second operation region A2, the external EGR is stopped in the vicinity of the full load of the engine in order to ensure a large amount of fresh air.

ここで、以上のような制御に基づき実現される第2運転領域A2での燃焼形態について、図15(a)〜(f)を参照しつつより具体的に説明する。図15(a)は、インジェクタ21から前段噴射P1が行われたときの状態を示している。このときのピストン5は、上述したように、圧縮上死点前(BTDC)50〜60°CA程度に位置している。このような位置にあるピストン5の冠面に向けて、前記インジェクタ21の先端部I1に備わる複数(12個)の噴口から放射状に燃料が噴射されると、その燃料の噴霧は、ピストン5の冠面の径方向外側寄りに設けられた環状凹部41に向かうことになる。   Here, the combustion mode in the second operation region A2 realized based on the above control will be described more specifically with reference to FIGS. 15 (a) to 15 (f). FIG. 15A shows a state when the upstream injection P1 is performed from the injector 21. FIG. As described above, the piston 5 at this time is positioned at about 50 to 60 ° CA before compression top dead center (BTDC). When fuel is injected radially from the plural (12) nozzle holes provided at the tip end portion I1 of the injector 21 toward the crown surface of the piston 5 at such a position, the spray of the fuel is It goes to the annular recess 41 provided on the outer side in the radial direction of the crown surface.

前記ピストン5の環状凹部41に向けて噴射された燃料(噴霧)は、その後、ピストン5の最外周部に設けられた立壁部42により上方にガイドされながら分散し、その分散した燃料に基づき、図15(b)に示すように、燃焼室6の外周部(主に環状凹部41の内部およびその上方空間)に混合気X1が形成される。ここで形成される混合気X1の空燃比は、燃焼室6の外周部だけの局所的な空燃比として、理論空燃比(空気過剰率λ=1)程度に設定される。すなわち、理論空燃比程度の濃さの混合気X1が燃焼室6の外周部に局所的に形成されるように、前記前段噴射P1の噴射時期および噴射量が設定されている。   The fuel (spray) injected toward the annular recess 41 of the piston 5 is then dispersed while being guided upward by the standing wall portion 42 provided on the outermost peripheral portion of the piston 5, and based on the dispersed fuel, As shown in FIG. 15B, the air-fuel mixture X1 is formed in the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 (mainly inside the annular recess 41 and the space above it). The air-fuel ratio of the air-fuel mixture X1 formed here is set to a theoretical air-fuel ratio (excess air ratio λ = 1) as a local air-fuel ratio only in the outer peripheral portion of the combustion chamber 6. That is, the injection timing and the injection amount of the pre-stage injection P1 are set so that the air-fuel mixture X1 having a concentration about the stoichiometric air-fuel ratio is locally formed on the outer periphery of the combustion chamber 6.

もちろん、前記前段噴射P1によって、燃焼室6の外周部以外(例えばキャビティ40の内部)にも微量の燃料が存在し得るが、その燃料の濃度は、前記燃焼室6の外周部に比べれば極めて薄いものである。言い換えれば、前段噴射P1が実行された時点で、燃焼室6の外周部には、キャビティ40の内部より極めてリッチな混合気X1が形成されていることになる。   Of course, a small amount of fuel may be present outside the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 (for example, inside the cavity 40) by the front injection P1, but the concentration of the fuel is extremely higher than that of the outer peripheral portion of the combustion chamber 6. It is thin. In other words, the air-fuel mixture X1 that is extremely richer than the inside of the cavity 40 is formed in the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 at the time when the front injection P1 is executed.

前記のように燃焼室6の外周部に形成された混合気X1は、ピストン5の上昇により圧縮されて高温・高圧化し、圧縮上死点付近までピストン5が達したところで、図15(c)に示すように自着火により燃焼する(圧縮自己着火)。なお、同図では、混合気X1が燃焼している領域を黒またはグレーに着色して示している。この混合気X1が燃焼する領域Y2は、前記混合気X1が形成された領域に対応して、燃焼室6の外周部分に限られる。   The air-fuel mixture X1 formed on the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 as described above is compressed by the rise of the piston 5 to become high temperature and pressure, and when the piston 5 reaches the vicinity of the compression top dead center, FIG. It burns by self-ignition as shown in (compression self-ignition). In the figure, the region where the air-fuel mixture X1 is burning is shown in black or gray. The region Y2 where the air-fuel mixture X1 burns is limited to the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 corresponding to the region where the air-fuel mixture X1 is formed.

前記のような前段噴射P1に基づく燃焼が始まると、それとほぼ同時、もしくはわずかな期間をあけて、図15(d)に示すような後段噴射P2が実行される。この後段噴射P2のタイミングは、上述したように、ピストン5が降下を始めて間もない上死点後(ATDC)0〜10°CA程度である。このようにピストン5が上死点に近いタイミングでインジェクタ21から燃料が噴射されると、その燃料の噴霧は、ピストン5の冠面の径方向中央部分に設けられたキャビティ40の内部へと向かうことになる。すると、このキャビティ40の内部に向けて噴射された燃料(噴霧)は、キャビティ40の周壁に沿って上方にガイドされながら分散し、その分散した燃料に基づき、図15(e)に示すように、燃焼室6の径方向中央部分(主にキャビティ40の内部)に混合気X2が形成される。この混合気X2の局所的な空燃比も、上述した前段噴射P1に基づく混合気X1と同様、理論空燃比(空気過剰率λ=1)程度に設定される。言い換えれば、前記後段噴射P2により、キャビティ40の内部には、前段噴射P1の実行時よりもリッチな混合気X2が形成されていることになる。   When the combustion based on the front injection P1 as described above starts, the rear injection P2 as shown in FIG. 15 (d) is executed almost simultaneously or with a short period of time. As described above, the timing of the post-injection P2 is about 0 to 10 ° CA after top dead center (ATDC) shortly after the piston 5 starts to descend. Thus, when the fuel is injected from the injector 21 at the timing when the piston 5 is close to the top dead center, the spray of the fuel goes to the inside of the cavity 40 provided in the radial center portion of the crown surface of the piston 5. It will be. Then, the fuel (spray) injected toward the inside of the cavity 40 is dispersed while being guided upward along the peripheral wall of the cavity 40, and based on the dispersed fuel, as shown in FIG. The air-fuel mixture X2 is formed in the radially central portion of the combustion chamber 6 (mainly inside the cavity 40). The local air-fuel ratio of the air-fuel mixture X2 is also set to about the stoichiometric air-fuel ratio (excess air ratio λ = 1), similar to the air-fuel mixture X1 based on the pre-stage injection P1 described above. In other words, the rich air-fuel mixture X2 is formed inside the cavity 40 by the post-injection P2 than when the pre-injection P1 is executed.

前記のような後段噴射P2に基づく混合気X2は、ピストン5が圧縮上死点に近く、しかも前段噴射P1に基づく混合気X1の燃焼が既に起きている状態で形成されるものである。このため、前記混合気X2は、図15(f)に示すように、後段噴射P2の後、ごく短時間で自着火に至り、燃焼する。この混合気X2が燃焼する領域Y2は、前記混合気X2が形成された領域に対応して、燃焼室6の径方向中央部分に限られる。すなわち、上述した前段噴射P1に基づく混合気X1が、環状凹部41の設置部に対応する燃焼室6の外周部分(燃料領域Y1)で燃焼するのに対し、後段噴射P2に基づく混合気X2は、キャビティ40の設置部に対応する燃焼室6の径方向中央部分(燃焼領域Y2)で燃焼することになる。   The mixture X2 based on the post-stage injection P2 as described above is formed in a state where the piston 5 is close to the compression top dead center and the combustion of the mixture X1 based on the pre-stage injection P1 has already occurred. For this reason, as shown in FIG. 15 (f), the air-fuel mixture X2 reaches self-ignition in a very short time after the post-injection P2, and burns. The region Y2 where the air-fuel mixture X2 burns is limited to the central portion in the radial direction of the combustion chamber 6 corresponding to the region where the air-fuel mixture X2 is formed. That is, the air-fuel mixture X1 based on the above-described front-stage injection P1 burns in the outer peripheral portion (fuel region Y1) of the combustion chamber 6 corresponding to the installation portion of the annular recess 41, whereas the air-fuel mixture X2 based on the rear-stage injection P2 Then, combustion occurs in the radial center portion (combustion region Y2) of the combustion chamber 6 corresponding to the installation portion of the cavity 40.

以上のように、第2運転領域A2では、負荷Tに応じた比較的多量の燃料を複数回(前段噴射P1および後段噴射P2)に分けて噴射することで、別々の空間に混合気(X1,X2)を形成し、それらを独立して自着火、燃焼させるようにしている。このような制御が行われる前記第2運転領域A2では、分割噴射された燃料が混じり合って同時に燃焼してしまうことがないため、筒内圧力の急上昇による燃焼騒音の増大や、局所的な酸素不足によるスートの大量発生が起きる心配がない。しかも、前段噴射P1および後段噴射P2に基づく混合気X1,X2は、それぞれ局所的にλ=1程度の空気過剰率に設定されるので、そのような環境下の燃焼により生成された排気ガスであれば、三元触媒のみによって十分に有害成分の浄化が可能である。   As described above, in the second operation region A2, a relatively large amount of fuel corresponding to the load T is injected in a plurality of times (the front-stage injection P1 and the rear-stage injection P2), so that the air-fuel mixture (X1) , X2) and self-igniting and burning them independently. In the second operation region A2 in which such control is performed, the separately injected fuel is not mixed and combusted at the same time. Therefore, an increase in combustion noise due to a sudden rise in the in-cylinder pressure, and local oxygen There is no worry that a large amount of soot will occur due to shortage. Moreover, the air-fuel mixtures X1 and X2 based on the front-stage injection P1 and the rear-stage injection P2 are each locally set to an excess air ratio of about λ = 1, so that the exhaust gas generated by combustion in such an environment is used. If it exists, harmful components can be sufficiently purified only by the three-way catalyst.

特に、キャビティ40よりも径方向外側に位置するピストン5の冠面に、径方向外側に至るほど高さが低くなる平面視円環状の環状凹部41が形成されている。そのため、前記前段噴射P1によって噴射された燃料が前記環状凹部41に受け入れられることにより、その環状凹部41の設置部に対応する燃焼室6の外周部に、前記前段噴射P1に基づく混合気X1を確実に留めておくことができる。この結果、当該前段噴射P1に基づく混合気X1を、その後の後段噴射P2に基づきキャビティ40内に形成される混合気X2から明確に分離することができ、それらの混合気X1,X2の燃焼独立性をより確実に担保することができる。   In particular, an annular recess 41 having a circular shape in plan view is formed on the crown surface of the piston 5 located radially outward from the cavity 40 and the height decreases toward the radially outer side. Therefore, when the fuel injected by the upstream injection P1 is received by the annular recess 41, the air-fuel mixture X1 based on the upstream injection P1 is introduced into the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 corresponding to the installation portion of the annular recess 41. You can keep it securely. As a result, the air-fuel mixture X1 based on the preceding injection P1 can be clearly separated from the air-fuel mixture X2 formed in the cavity 40 based on the subsequent post-injection P2, and the combustion of the air-fuel mixtures X1 and X2 is independent of combustion. Sex can be secured more reliably.

また、前記環状凹部41よりもさらに径方向外側に、前記前段噴射P1により噴射された燃料を上方にガイドする立壁部42が設けられている。そのため、前記環状凹部41に向けて噴射された前段噴射P1の燃料を立壁部42に沿って上方に巻き上げることにより、燃料を十分に分散および気化・霧化させ、燃焼室6の外周部における混合気X1の形成を効果的に促進することができる。   Further, an upright wall portion 42 that guides the fuel injected by the front injection P1 upward is provided further radially outward than the annular recess 41. Therefore, the fuel of the front injection P1 injected toward the annular recess 41 is wound up upward along the standing wall portion 42, so that the fuel is sufficiently dispersed, vaporized and atomized, and mixed in the outer peripheral portion of the combustion chamber 6. The formation of Qi X1 can be effectively promoted.

また、キャビティ40が上窄まり状に形成され、その上端の開口部40aの面積がキャビティ40内部の最大断面積よりも小さく設定されている。そのため、後段噴射P2により噴射された燃料に基づく混合気X2を、前記キャビティ40の内部に確実に留めておくことができ、当該後段噴射P2に基づく混合気X2を、それ以前の前段噴射P1に基づく混合気X1から明確に分離して形成することができる。   Further, the cavity 40 is formed in a constricted shape, and the area of the opening 40 a at the upper end is set smaller than the maximum cross-sectional area inside the cavity 40. Therefore, the air-fuel mixture X2 based on the fuel injected by the post-injection P2 can be reliably kept inside the cavity 40, and the air-fuel mixture X2 based on the post-injection P2 is changed to the previous pre-injection P1. It can be formed clearly separated from the based air-fuel mixture X1.

(iii)第3運転領域A3
前記第1運転領域A1よりも負荷Tが高く、かつ第2運転領域A2よりも回転速度Neが高い第3運転領域A3では、図14に示すような制御が実行される。すなわち、第3運転領域A3では、インジェクタ21からの燃料が、吸気行程から圧縮上死点付近にかけた3回の時期に分けて噴射される(P0,P1,P2)。このうち、圧縮行程中に実行される2回目の燃料噴射P1と、それより後の圧縮上死点付近(図例では膨張行程のごく初期)に実行される3回目の燃料噴射P2とは、それぞれ、先に説明した第2運転領域A2における前段噴射P1および後段噴射P2(図13)にそれぞれ対応している。一方、吸気行程中に実行される1回目の燃料噴射P0は、第2運転領域A2では行われない噴射であり、第3運転領域A3に特有のものである。以下では、第3運転領域A3における1回目の燃料噴射P0を予備噴射、2回目の燃料噴射P1を前段噴射、3回目の燃料噴射P2を後段噴射と称する。
(Iii) Third operation area A3
In the third operation region A3 where the load T is higher than that in the first operation region A1 and the rotational speed Ne is higher than that in the second operation region A2, the control as shown in FIG. 14 is executed. That is, in the third operation region A3, the fuel from the injector 21 is injected in three times from the intake stroke to the vicinity of the compression top dead center (P0, P1, P2). Of these, the second fuel injection P1 executed during the compression stroke and the third fuel injection P2 executed near the compression top dead center after that (in the illustrated example, very early in the expansion stroke) are: Each corresponds to the front-stage injection P1 and the rear-stage injection P2 (FIG. 13) in the second operation region A2 described above. On the other hand, the first fuel injection P0 executed during the intake stroke is an injection that is not performed in the second operation region A2, and is specific to the third operation region A3. Hereinafter, the first fuel injection P0 in the third operation region A3 is referred to as preliminary injection, the second fuel injection P1 is referred to as pre-injection, and the third fuel injection P2 is referred to as post-injection.

前記第3運転領域A3で実行される前段噴射P1および後段噴射P2は、第2運転領域でのそれと同様の役割を果たすものである。すなわち、圧縮行程中に実行される前段噴射P1により、図15(b)に示したような、燃焼室6の外周部に偏在する混合気X1が形成され、圧縮上死点付近で実行される後段噴射P2により、図15(e)に示したような、燃焼室6の径方向中央部分に偏在する混合気X2が形成される。   The pre-stage injection P1 and the post-stage injection P2 executed in the third operation area A3 play the same role as that in the second operation area. That is, the pre-stage injection P1 executed during the compression stroke forms an air-fuel mixture X1 that is unevenly distributed in the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 as shown in FIG. 15B, and is executed near the compression top dead center. By the post-injection P2, the air-fuel mixture X2 that is unevenly distributed in the radial center portion of the combustion chamber 6 as shown in FIG. 15 (e) is formed.

ただし、第3運転領域A3では、第2運転領域A2のときよりもエンジン回転速度Neが高く、ピストンスピードが速いため、インジェクタ21からの噴射燃料がピストン5の冠面付近に達するまでの間にピストン5が比較的大きく移動する。このことを考慮して、前記前段噴射P1および後段噴射P2の時期は、第2運転領域A2のときよりも若干早めに設定される。これにより、エンジン回転速度Neの相違にかかわらず、前記各噴射P1,P2に基づく混合気X1,X2が図15(b),(e)に示したのと同様の場所に別々に形成される(図15(c),(f))。   However, in the third operation region A3, the engine rotation speed Ne is higher than that in the second operation region A2, and the piston speed is faster. Therefore, the injected fuel from the injector 21 is in the vicinity of the vicinity of the crown surface of the piston 5. The piston 5 moves relatively large. Considering this, the timings of the front injection P1 and the rear injection P2 are set slightly earlier than in the second operation region A2. Thereby, the air-fuel mixture X1, X2 based on the injections P1, P2 is separately formed at the same place as shown in FIGS. 15B and 15E regardless of the difference in the engine rotational speed Ne. (FIGS. 15C and 15F).

一方、前記第3運転領域A3で、前段噴射P1および後段噴射P2に加えて、吸気行程中に実行される予備噴射P0を追加しているのは、エンジン回転速度Neが比較的高い第3運転領域A3では、短期間のうちに所要量の燃料を噴射し切ることが困難だからである。すなわち、エンジン回転速度Neが高い第3運転領域A3では、相対的に回転速度Neが低い第2運転領域A2のときと異なり、ピストンスピードが速いため、同じ時間をかけて所要量の燃料を噴射しようとしても、その間にピストン5の位置が大きく変化してしまい、ピストン5と燃料の噴霧との位置関係が崩れてしまうおそれがある。   On the other hand, in the third operation region A3, in addition to the front injection P1 and the rear injection P2, the preliminary injection P0 executed during the intake stroke is added because the third operation has a relatively high engine speed Ne. This is because in the region A3, it is difficult to inject a required amount of fuel within a short period of time. That is, in the third operating region A3 where the engine rotational speed Ne is high, unlike the second operating region A2 where the rotational speed Ne is relatively low, the piston speed is fast, so the required amount of fuel is injected over the same time. Even if it tries to do so, the position of the piston 5 may change significantly during that time, and the positional relationship between the piston 5 and the fuel spray may be destroyed.

例えば、前記第3運転領域A3において、第2運転領域A2のときと同量の燃料を前段噴射P1によって噴射しようとすれば、インジェクタ21からの燃料噴射動作(インジェクタ21の噴口を開いてそこから燃料を噴射させる動作)を、第2運転領域A2のときと同じ期間だけ継続させる必要があるが、ピストンスピードの速い第3運転領域A3では、燃料の吹き始めから吹き終わりまでの間にピストン5の位置が大きく上昇することにより、図15(a)に示したような適正な位置関係が崩れ、噴霧の方向がピストン5の環状凹部41から外れてしまうおそれがある。このような事態が生じると、前記環状凹部41の設置部に対応する燃焼室6の外周部分に混合気X1を確実に偏在させることができず、その後の圧縮上死点以降において、前段噴射P1および後段噴射P2に基づく混合気X1,X2を十分に独立して燃焼させることができなくなると考えられる。   For example, in the third operation region A3, if the same amount of fuel as in the second operation region A2 is to be injected by the pre-injection P1, the fuel injection operation from the injector 21 (from the injection port of the injector 21 by opening the injection port) It is necessary to continue the fuel injection operation) for the same period as in the second operation region A2, but in the third operation region A3 where the piston speed is high, the piston 5 If the position of the valve is greatly raised, the proper positional relationship as shown in FIG. 15A may be lost, and the spray direction may deviate from the annular recess 41 of the piston 5. When such a situation occurs, the air-fuel mixture X1 cannot be unevenly distributed on the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 corresponding to the installation portion of the annular recess 41, and the subsequent injection P1 after the compression top dead center. It is considered that the air-fuel mixture X1, X2 based on the post-injection P2 cannot be burned sufficiently independently.

そこで、前記のような事態を確実に回避すべく、第3運転領域A3では、まず吸気行程中に予備噴射P0を実行して少量の燃料を噴射し、その後の圧縮行程中および圧縮上死点付近において、前段噴射P1および後段噴射P2をそれぞれ実行するようにしている。これにより、前段噴射P1および後段噴射P2により噴射すべき燃料の量が減るので、その燃料の噴射に要する時間も減り、上述したような不具合(燃料噴射中にピストン5の位置が大きく変化することによる不具合)が回避される。   Therefore, in order to surely avoid the above situation, in the third operation region A3, first, the preliminary injection P0 is executed during the intake stroke to inject a small amount of fuel, and during the subsequent compression stroke and the compression top dead center. In the vicinity, the front injection P1 and the rear injection P2 are executed. As a result, the amount of fuel to be injected by the pre-stage injection P1 and the post-stage injection P2 is reduced, so the time required for the injection of the fuel is also reduced, and the above-described problems (the position of the piston 5 changes greatly during the fuel injection). ) Is avoided.

前記のように予備噴射P0、前段噴射P1、および後段噴射P2の3回に分けて燃料を噴射した場合、予備噴射P0によって予め燃焼室6に形成された極めてリーンな混合気中に、前段噴射P1および後段噴射P2による燃料が追加的に噴射されることとなる。すると、燃焼室6では、その外周部および径方向中央部分(キャビティ40の内部)に、予備噴射P0、前段噴射P1、および後段噴射P2に基づくλ=1程度のリッチな混合気が形成される一方、それ以外の領域では、予備噴射P0のみに基づく極めてリーンな混合気(例えばλ=2を大幅に超えるような混合気)が形成される。   As described above, when the fuel is injected in three times, that is, the preliminary injection P0, the pre-stage injection P1, and the post-stage injection P2, the pre-stage injection is performed in the extremely lean mixture previously formed in the combustion chamber 6 by the preliminary injection P0. Fuel from P1 and post-injection P2 is additionally injected. Then, in the combustion chamber 6, a rich air-fuel mixture of about λ = 1 based on the preliminary injection P0, the pre-stage injection P1, and the post-stage injection P2 is formed in the outer peripheral portion and the radial center portion (inside the cavity 40). On the other hand, in other regions, an extremely lean air-fuel mixture (for example, an air-fuel mixture that greatly exceeds λ = 2) based only on the preliminary injection P0 is formed.

ここで、後段噴射P2は、上死点後(ATDC)0〜10°CA程度の期間内に噴射されている。そのため、燃費性能の面から、この後段噴射P2で噴射された燃料は、噴射後、早期(クランク角度での早期)に燃焼開始および終了するのが好ましい。これに対して、第3運転領域A3は、エンジン回転数が高い。そのため、自着火可能になるまで燃料が十分に吸熱されるのを待っていると、燃焼開始角度が上死点から非常に遅角側になり、燃費性能が悪化するという問題がある。さらに、第3運転領域A3は、負荷Tが高く、燃焼室6内に吸入される新気の量が多い。そのため、燃焼室6内の温度が低くなり、圧縮自着火が困難な傾向にある。そこで、この第3運転領域A3では、後段噴射P2の噴射後に点火プラグ20により混合気に火花点火を行う。前述のように、排気性能を高めつつ混合気の温度を適正に高めるためには、噴射された燃料が燃焼室の壁面に到達する前に、点火エネルギーが混合気に供給される必要がある。そのため、第3運転領域A3では、後段噴射P2が噴射された直後に点火プラグ20により混合気に火花点火が行われる。   Here, the post-injection P2 is injected within a period of about 0 to 10 ° CA after top dead center (ATDC). For this reason, from the viewpoint of fuel efficiency, it is preferable that the fuel injected by the post-injection P2 starts and ends early after injection (early at the crank angle). On the other hand, in the third operation region A3, the engine speed is high. Therefore, when waiting for the fuel to sufficiently absorb heat until self-ignition is possible, there is a problem that the combustion start angle becomes very retarded from the top dead center, and the fuel consumption performance deteriorates. Further, in the third operation region A3, the load T is high and the amount of fresh air sucked into the combustion chamber 6 is large. Therefore, the temperature in the combustion chamber 6 becomes low, and compression self-ignition tends to be difficult. Therefore, in the third operation region A3, after the post-injection P2 is injected, the air-fuel mixture is sparked by the spark plug 20. As described above, in order to appropriately increase the temperature of the air-fuel mixture while improving the exhaust performance, it is necessary to supply ignition energy to the air-fuel mixture before the injected fuel reaches the wall surface of the combustion chamber. Therefore, in the third operation region A3, spark ignition is performed on the air-fuel mixture by the spark plug 20 immediately after the post-stage injection P2 is injected.

前述のように、前記点火プラグ20の点火点S1の位置は、インジェクタ21の先端部I1からの離間距離Lが20mmとなる位置に設定されている。そのため、点火点S1に加えられた点火エネルギーは、当量比が十分に小さく、かつ、蒸気を多く含む燃料噴霧に供給され、SOOT等の生成が抑制されつつこの燃料噴霧を含む混合気が燃焼して、混合気が適正に昇温される。また、前記点火点S1は、平面視で前記インジェクタ21の互いに隣接する噴口21aの軸線u2_1、u2_2の中間に位置している。そのため、点火エネルギーは、点火点S1の両隣を通過する2つの噴口21aから噴射された燃料噴霧に効率よく供給され、混合気はより確実に燃焼する。   As described above, the position of the ignition point S1 of the spark plug 20 is set to a position where the separation distance L from the tip end I1 of the injector 21 is 20 mm. Therefore, the ignition energy applied to the ignition point S1 is supplied to the fuel spray containing a sufficiently high equivalence ratio and containing a large amount of steam, and the mixture containing the fuel spray burns while the generation of SOOT and the like is suppressed. Thus, the air-fuel mixture is heated appropriately. Further, the ignition point S1 is located in the middle of the axial lines u2_1 and u2_2 of the nozzle holes 21a adjacent to each other in the injector 21 in plan view. Therefore, the ignition energy is efficiently supplied to the fuel spray injected from the two injection holes 21a that pass on both sides of the ignition point S1, and the air-fuel mixture burns more reliably.

また、前述のように、前記点火プラグ20の点火点S1の位置は、前記キャビティ40の外周縁よりも径方向内側に位置している。そのため、点火プラグ20により燃焼室内に供給された点火エネルギーは、燃焼室6の外周部に存在する前段噴射P1により形成された混合気に加えられることなく、後段噴射P2により形成された混合気にのみ加えられる。従って、この第3運転領域A3でも、第2運転領域A2と同様に、前記前段噴射P1により噴射された燃料と、後段噴射P2により噴射された燃料とは、別々の場所で(燃焼室6の外周部およびキャビティ40の内部で)独立して燃焼する。具体的には、前段噴射P1により形成された混合気は圧縮上死点近傍で自着火燃焼を開始し、後段噴射P2により形成された混合気は、点火エネルギーを受けて昇温した後、自着火燃焼する。これにより、燃焼室6全体としては、図8の波形Qcに概念的に示すように、時期の異なる2つのピークを有するような熱発生を伴う燃焼が生じる。また、前記のような空燃比の混合気が燃焼した場合、生成される排気ガスは、三元触媒により十分に浄化可能なものか、もしくはNOx生成量の極めて少ないものとなるので、エミッション性については問題なくクリアされる。   Further, as described above, the position of the ignition point S1 of the spark plug 20 is located on the radially inner side with respect to the outer peripheral edge of the cavity 40. Therefore, the ignition energy supplied into the combustion chamber by the spark plug 20 is not added to the air-fuel mixture formed by the front-stage injection P1 existing in the outer peripheral portion of the combustion chamber 6, but the air-fuel mixture formed by the rear-stage injection P2. Only added. Accordingly, also in the third operation region A3, as in the second operation region A2, the fuel injected by the front injection P1 and the fuel injected by the rear injection P2 are in different locations (in the combustion chamber 6). Burns independently (inside the perimeter and cavity 40). Specifically, the air-fuel mixture formed by the front-stage injection P1 starts self-ignition combustion near the compression top dead center, and the air-fuel mixture formed by the rear-stage injection P2 receives the ignition energy and then rises in temperature. Ignite and burn. As a result, the combustion chamber 6 as a whole, as shown conceptually in the waveform Qc of FIG. 8, undergoes combustion accompanied by heat generation having two peaks at different times. In addition, when the air-fuel ratio mixture as described above burns, the generated exhaust gas can be sufficiently purified by a three-way catalyst, or the amount of NOx generated is extremely small. Is cleared without problems.

なお、図14に示すように、前記第3運転領域A3では、前記のような燃料の分割噴射に関する制御を除けば、第2運転領域A2のときとほぼ同様の制御が実行される。例えば、第3運転領域A3では、排気弁12を吸気行程中に開弁させる(排気ガスを燃焼室6に逆流させる)内部EGRが禁止されるとともに、EGR通路31を通じて排気ガスを吸気通路28に還流させる外部EGRが実行される。ただし、エンジンの全負荷近傍では、多量の新気を確保するために、外部EGRは禁止される。   As shown in FIG. 14, in the third operation region A3, the same control as that in the second operation region A2 is executed except for the control related to the fuel split injection as described above. For example, in the third operation region A3, the internal EGR that opens the exhaust valve 12 during the intake stroke (returns the exhaust gas to the combustion chamber 6) is prohibited, and the exhaust gas is passed through the EGR passage 31 to the intake passage 28. External EGR to reflux is performed. However, external EGR is prohibited in the vicinity of the full load of the engine in order to ensure a large amount of fresh air.

(iv)第4運転領域A4および第5運転領域A5
前記第4運転領域A4および第5運転領域A5は、第1運転領域A1と第2運転領域A2との間、または第1運転領域A1と第3運転領域A3との間に位置する領域であるから、上述の(i)〜(iii)で説明した各制御内容の中間的な制御が実行される。
(Iv) Fourth operation region A4 and fifth operation region A5
The fourth operation region A4 and the fifth operation region A5 are regions located between the first operation region A1 and the second operation region A2 or between the first operation region A1 and the third operation region A3. From the above, intermediate control of each control content described in the above (i) to (iii) is executed.

具体的に、第4運転領域A4では、インジェクタ21からの燃料噴射時期が、第1運転領域A1での燃料噴射時期よりもリタードされ、例えば圧縮行程中の1回に設定される。そのときの噴射量は、第1運転領域A1のときと同様、空気過剰率λがλ=2〜2.4程度になるように設定される。また、EGR通路31を通じて排気ガスを吸気通路28に還流させる外部EGRが実行される。   Specifically, in the fourth operation region A4, the fuel injection timing from the injector 21 is retarded from the fuel injection timing in the first operation region A1, and is set to, for example, once during the compression stroke. The injection amount at that time is set so that the excess air ratio λ is about λ = 2 to 2.4, as in the first operation region A1. In addition, external EGR for returning the exhaust gas to the intake passage 28 through the EGR passage 31 is executed.

一方、第5運転領域A5では、圧縮行程中の所定時期およびそれより後の圧縮上死点付近の2回に分けて燃料を噴射する制御が実行される。そのときの噴射量は、空気過剰率λが局所的にλ=1程度になるように設定される。また、吸気行程中の排気弁12の開弁により排気ガスを燃焼室6に逆流させる内部EGRが実行される。   On the other hand, in the fifth operation region A5, the control for injecting the fuel is executed in two steps near the predetermined timing during the compression stroke and after the compression top dead center. The injection amount at that time is set so that the excess air ratio λ is locally about λ = 1. Further, the internal EGR for causing the exhaust gas to flow backward to the combustion chamber 6 is performed by opening the exhaust valve 12 during the intake stroke.

(5)作用効果等
以上説明したように、当実施形態のガソリンエンジンでは、点火点S1とインジェクタ21の先端部I1との離間距離Lが20mmとなる位置に設定されているとともに、噴射された燃料が燃焼室の壁面に到達する前にこの燃料に点火エネルギーが供給されている。そのため、SOOT等の生成が抑制されつつ混合気が適正に昇温されて、その後の圧縮自己着火燃焼を適正に実現することができる。
(5) Operational effects and the like As described above, in the gasoline engine of the present embodiment, the separation distance L between the ignition point S1 and the tip end portion I1 of the injector 21 is set at a position where the distance is 20 mm and the fuel is injected. Ignition energy is supplied to the fuel before it reaches the wall of the combustion chamber. Therefore, the air-fuel mixture is appropriately heated while suppressing the generation of SOOT and the like, and the subsequent compression self-ignition combustion can be properly realized.

特に、前記点火点S1が、平面視で前記インジェクタ21の互いに隣接する噴口21aの軸線u2_1、u2_2の中間に位置している。そのため、点火エネルギーが、点火点S1の両隣を通過する2つの噴口21aから噴射された燃料噴霧に効率よく供給され、混合気をより確実に適正に燃焼させることができる。   In particular, the ignition point S1 is located in the middle of the axial lines u2_1 and u2_2 of the nozzle holes 21a adjacent to each other of the injector 21 in plan view. Therefore, the ignition energy is efficiently supplied to the fuel spray injected from the two injection holes 21a passing on both sides of the ignition point S1, and the air-fuel mixture can be burned more reliably and appropriately.

また、本実施形態では、ピストン5の冠面の径方向中央部分に凹状のキャビティ40が設けられるとともに、キャビティ40と対向する燃焼室6天井の径方向中央部分から放射状に燃料(ガソリンを主成分とする燃料)を噴射する多噴口型のインジェクタ21がシリンダヘッド4に設けられている。また、前記キャビティ40の径は、前記点火点S1が、前記キャビティ40の外周縁よりも径方向内側に位置する寸法に設定されている。そして、高負荷域を含む第3運転領域A3(特定運転領域)において、燃焼室6内の別々の空間(燃焼室6の外周部およびキャビティ40の内部)に分離して混合気X1,X2が形成されるよう、圧縮行程中に設定された前段噴射P1と、それより後の圧縮上死点付近に設定された後段噴射P2との少なくとも2回に分けて燃料を噴射する制御が実行されるとともに、キャビティ40の内部に形成される混合気X2に対してのみ点火エネルギーが供給される。そのため、これらの混合気X1,X2を圧縮上死点付近で独立して自着火、燃焼させることができ、これら燃料が混じり合って同時に燃焼することに伴う筒内圧力の急上昇による燃焼騒音の増大や、局所的な酸素不足によるスートの大量発生を効果的に防止することができる。   In the present embodiment, a concave cavity 40 is provided in the radial center portion of the crown surface of the piston 5, and fuel (gasoline is a main component) radially from the radial center portion of the combustion chamber 6 facing the cavity 40. The cylinder head 4 is provided with a multi-hole type injector 21 for injecting the fuel. In addition, the diameter of the cavity 40 is set such that the ignition point S <b> 1 is positioned radially inward from the outer peripheral edge of the cavity 40. And in 3rd operation area | region A3 (specific operation area | region) including a high load area, it isolate | separates into the separate space (the outer peripheral part of the combustion chamber 6, and the inside of the cavity 40) in the combustion chamber 6, and air-fuel | gaseous mixture X1, X2 Control is performed so that fuel is injected in at least two times, that is, the front injection P1 set during the compression stroke and the rear injection P2 set near the compression top dead center after that so as to be formed. At the same time, ignition energy is supplied only to the air-fuel mixture X2 formed inside the cavity 40. Therefore, these air-fuel mixtures X1, X2 can be self-ignited and burned independently in the vicinity of compression top dead center, and combustion noise increases due to a sudden rise in in-cylinder pressure due to the mixture of these fuels and simultaneous combustion In addition, a large amount of soot due to local oxygen shortage can be effectively prevented.

ここで、点火アシストを行う運転領域は、前記に限らない。また、点火アシストを行う運転領域において実施される燃料噴射の制御は前記に限らない。例えば、燃焼室内の温度が比較的低い、エンジン回転数が低く、かつ、エンジン負荷が小さい低負荷低速領域において点火アシストを実施してもよい。   Here, the operation region where the ignition assist is performed is not limited to the above. Further, the fuel injection control performed in the operation region where the ignition assist is performed is not limited to the above. For example, the ignition assist may be performed in a low load low speed region where the temperature in the combustion chamber is relatively low, the engine speed is low, and the engine load is small.

また、前記インジェクタ格納部62は省略可能である。すなわち、図16に示すように、燃焼室6の天井面全体を略平面としてもよい。ただし、前記実施形態のように、燃焼室6の天井面にインジェクタ格納部62を設け、インジェクタ21の先端部I1の位置をより上方(ピストン冠面から離間する方向)に配置すれば、点火点S1を側面視でインジェクタ21の各噴口21aの軸線上に配置しつつ点火プラグ20の燃焼室6内への突出量を小さく抑えることができる。   Further, the injector storage 62 can be omitted. That is, as shown in FIG. 16, the entire ceiling surface of the combustion chamber 6 may be substantially flat. However, as in the above-described embodiment, if the injector storage portion 62 is provided on the ceiling surface of the combustion chamber 6 and the position of the tip end portion I1 of the injector 21 is arranged higher (in the direction away from the piston crown surface), the ignition point The amount of projection of the spark plug 20 into the combustion chamber 6 can be kept small while disposing S1 on the axis of each injection hole 21a of the injector 21 in a side view.

また、燃焼室6の天井面60は、インジェクタ格納部62よりも径方向外側の面が水平面であるものに限らない。例えば、図17に示すように、燃焼室6の天井面60は、インジェクタ格納部62の外周縁から径方向外側に向かうに従って下方(ピストン冠面に近づく方向)に傾斜する形状を有していてもよい。   Further, the ceiling surface 60 of the combustion chamber 6 is not limited to the one in which the surface radially outside of the injector storage portion 62 is a horizontal plane. For example, as shown in FIG. 17, the ceiling surface 60 of the combustion chamber 6 has a shape that inclines downward (in the direction approaching the piston crown surface) from the outer peripheral edge of the injector storage portion 62 toward the radially outer side. Also good.

また、前記実施形態では、点火点S1を平面視で隣接する噴口21aの軸線u2_1、u2_1の中間に配置した場合について説明したが、図18に示すように、点火点S1を、平面視で、所定の噴口21aの軸線u2上、すなわち、点火点S1を燃料通過領域F1中に配置してもよい。ただし、燃料通過領域F1内は、当量比が比較的大きいことが分かっている。そのため、このように、点火点S1を燃料通過領域F1中に配置した場合には、図19に示すように、点火点S1を、側面視で、噴口21aの軸線u2よりも上方(インジェクタ21に近い側)に離間させた位置に配置するのが好ましい。例えば、インジェクタ21の噴口21aの数が8よりも大きく、1つの噴口21aから噴射される燃料量が少ない場合には、より多くの燃料に点火エネルギーが供給されるように、点火点S1を隣接する噴口21aの中間に位置させる一方、インジェクタ21の噴口21a数が8未満の場合には、噴霧領域A1中に点火点S1を配置させるようにしてもよい。   In the above embodiment, the case where the ignition point S1 is arranged in the middle of the axes u2_1 and u2_1 of the adjacent nozzle holes 21a in plan view has been described. However, as shown in FIG. The ignition point S1 may be arranged on the axis u2 of the predetermined injection hole 21a, that is, in the fuel passage region F1. However, it is known that the equivalence ratio is relatively large in the fuel passage region F1. Therefore, when the ignition point S1 is arranged in the fuel passage region F1 in this way, as shown in FIG. 19, the ignition point S1 is located above the axis u2 of the injection hole 21a (in the injector 21) in a side view. It is preferable to dispose at a position separated on the near side. For example, when the number of injection holes 21a of the injector 21 is larger than eight and the amount of fuel injected from one injection hole 21a is small, the ignition point S1 is adjacent so that ignition energy is supplied to more fuel. On the other hand, when the number of nozzle holes 21a of the injector 21 is less than 8, the ignition point S1 may be disposed in the spray region A1.

また、インジェクタ21の噴口の数は12個に限られず、12個より多くても少なくてもよい。ただし、噴口の数があまりに少ないと、インジェクタ21から噴射された燃料の濃度が周方向に大きくばらつくことになる。このため、噴口の数は8個以上とすることが望ましい。噴口の数が8個以上であれば、前記前段噴射P1および後段噴射P2を実行した後、ごく短時間で、周方向にほぼ均一な空燃比をもった混合気を形成することができ、その後の自着火による燃焼(圧縮自己着火燃焼)を適正に行わせることができる。   Further, the number of nozzle holes of the injector 21 is not limited to 12, and may be more or less than 12. However, if the number of injection holes is too small, the concentration of the fuel injected from the injector 21 varies greatly in the circumferential direction. For this reason, it is desirable that the number of nozzle holes be eight or more. If the number of nozzle holes is eight or more, an air-fuel mixture having a substantially uniform air-fuel ratio in the circumferential direction can be formed in a very short time after the execution of the front injection P1 and the rear injection P2. It is possible to properly perform combustion by self-ignition (compression self-ignition combustion).

5 ピストン
6 燃焼室
21 インジェクタ
21a 噴口
40 キャビティ
50 ECU(制御手段)
60 天井面
62 インジェクタ格納部
A3 第3運転領域(特定運転領域)
I1 インジェクタの先端部
S1 点火点
5 Piston 6 Combustion chamber 21 Injector 21a Injection hole 40 Cavity 50 ECU (control means)
60 ceiling surface 62 injector storage part A3 3rd operation area (specific operation area)
I1 Injector tip S1 Ignition point

Claims (7)

少なくとも一部がガソリンからなる燃料と空気との混合気を燃焼室で燃焼させることによりピストンを往復運動させるガソリンエンジンであって、
前記燃料を燃焼室内に噴射する複数の噴口が先端に形成されているとともに、当該先端部が前記燃焼室天井の径方向中央部分において前記燃焼室内に臨む状態で、前記燃焼室天井に配設されたインジェクタと、
前記燃焼室天井のうち前記インジェクタよりも径方向外側の位置に配設されて、前記混合気に点火エネルギーを供給する点火プラグと、
前記インジェクタによる燃料の噴射動作および前記点火プラグによる点火動作を制御する制御手段とを備え、
前記インジェクタの各噴口は、当該各噴口を通じて燃料が前記ピストンの冠面に近づくほど径方向外側に拡がって放射状に噴射されるように、その各軸線が前記ピストン冠面に近づくほど径方向外側に傾斜する形状を有し、
前記点火プラグは、その点火点と前記インジェクタの先端部との離間距離が、20mm以上25mm以下となる位置に配設されており、
前記制御手段は、予め設定されたエンジンの特定運転領域において、前記インジェクタの各噴口から燃料を噴射させるとともに、前記インジェクタの各噴口から噴射された燃料が前記燃焼室の壁面に到達する前に前記点火プラグから点火エネルギーを供給させて、当該点火エネルギーにより前記混合気の温度を上昇させた後、当該混合気を自着火により燃焼させることを特徴とするガソリンエンジン。
A gasoline engine that reciprocates a piston by burning a mixture of fuel and air, at least part of which is gasoline, in a combustion chamber,
A plurality of nozzle holes for injecting the fuel into the combustion chamber are formed at the tip, and the tip is disposed on the combustion chamber ceiling with the tip facing the combustion chamber at the radial center of the combustion chamber ceiling. Injectors,
An ignition plug that is disposed at a position radially outside the injector in the ceiling of the combustion chamber and supplies ignition energy to the air-fuel mixture;
Control means for controlling the fuel injection operation by the injector and the ignition operation by the spark plug;
Each nozzle hole of the injector expands radially outward as the fuel approaches the crown surface of the piston through each nozzle hole, and radially outwards as its axis line approaches the piston crown surface. Has an inclined shape,
The spark plug is disposed at a position where a separation distance between the ignition point and the tip of the injector is 20 mm or more and 25 mm or less,
The control means injects fuel from each injection port of the injector in a predetermined specific operation region of the engine, and before the fuel injected from each injection port of the injector reaches the wall surface of the combustion chamber, A gasoline engine characterized in that ignition energy is supplied from an ignition plug, the temperature of the mixture is increased by the ignition energy, and then the mixture is burned by self-ignition.
請求項1に記載のガソリンエンジンにおいて、
前記インジェクタは、その先端に8個以上の噴口を有することを特徴とするガソリンエンジン。
The gasoline engine according to claim 1,
The gasoline engine has eight or more nozzle holes at its tip.
請求項1または2に記載のガソリンエンジンにおいて、
前記点火プラグは、その点火点が側面視で前記インジェクタの特定の噴口の軸線近傍に位置するように、前記燃焼室天井から燃焼室内部に向かって突出していることを特徴とするガソリンエンジン。
The gasoline engine according to claim 1 or 2,
The gasoline engine, wherein the ignition plug protrudes from the ceiling of the combustion chamber toward the inside of the combustion chamber so that an ignition point thereof is located in the vicinity of an axis of a specific nozzle hole of the injector in a side view.
請求項3に記載のガソリンエンジンにおいて、
前記燃焼室天井の径方向中央部分には、前記ピストン冠面から離間する方向に凹むインジェクタ格納部が形成されており、
前記インジェクタは、その先端部が前記インジェクタ格納部の径方向中央部分に位置する状態で、当該インジェクタ格納部内に臨んでおり、
前記インジェクタ格納部の内周面は、前記インジェクタの各噴口から前記燃焼室の壁面に向かう燃料の通過領域から径方向外側に離間した位置で当該燃料の通過領域を囲む形状を有することを特徴とするガソリンエンジン。
The gasoline engine according to claim 3,
An injector housing portion that is recessed in a direction away from the piston crown surface is formed in a radially central portion of the combustion chamber ceiling,
The injector faces the injector storage portion in a state where a tip portion thereof is positioned at a radial central portion of the injector storage portion,
The inner peripheral surface of the injector storage portion has a shape surrounding the fuel passage region at a position spaced radially outward from the fuel passage region from each nozzle hole of the injector toward the wall surface of the combustion chamber. Gasoline engine.
請求項4に記載のガソリンエンジンにおいて、
前記インジェクタ格納部の内周面は、前記燃焼室天井の径方向中央部分を頂部とする略円錐面状を有しており、
前記インジェクタの先端部は、前記頂部に位置していることを特徴とするガソリンエンジン。
The gasoline engine according to claim 4, wherein
The inner peripheral surface of the injector storage portion has a substantially conical surface shape with the center portion in the radial direction of the combustion chamber ceiling as a top portion,
The gasoline engine according to claim 1, wherein a tip portion of the injector is located at the top.
請求項1〜5のいずれかに記載のガソリンエンジンにおいて、
前記ピストンは、その冠面の径方向中央部分に設けられて前記燃焼室天井から離間する方向に凹む凹状のキャビティを有し、
前記点火プラグは、その点火点が前記キャビティの径方向外側縁よりも径方向内側となる位置に配設されていることを特徴とするガソリンエンジン。
In the gasoline engine according to any one of claims 1 to 5,
The piston has a concave cavity that is provided in a central portion in the radial direction of the crown surface and is recessed in a direction away from the combustion chamber ceiling,
The gasoline engine according to claim 1, wherein the ignition plug is disposed at a position where an ignition point is radially inward of a radially outer edge of the cavity.
請求項6に記載のガソリンエンジンにおいて、
前記制御手段は、前記特定運転領域において、前段噴射および後段噴射の少なくとも2回に分けて前記インジェクタから燃料を噴射させるとともに、前記後段噴射時に噴射された燃料に前記点火プラグにより点火エネルギーを供給させ、
前記前段噴射は、圧縮行程中でかつ前記後段噴射よりも前に燃料を噴射し、その噴射された燃料により、前記ピストンのキャビティよりも径方向外側に位置する燃焼室の外周部に、前記キャビティの内部よりもリッチな混合気を形成するものであり、
前記後段噴射は、圧縮行程後期から膨張行程初期までの間の所定時期に燃料を噴射し、その噴射された燃料により、前記キャビティの内部に、前記前段噴射の実行時よりもリッチな混合気を形成するものであることを特徴とするガソリンエンジン。
The gasoline engine according to claim 6,
In the specific operation region, the control means injects fuel from the injector in at least two times of front-stage injection and rear-stage injection, and supplies ignition energy to the fuel injected during the rear-stage injection by the spark plug. ,
The pre-stage injection injects fuel during the compression stroke and before the post-stage injection, and the injected fuel causes the cavity to enter the outer peripheral portion of the combustion chamber located radially outside the cavity of the piston. Which forms a richer mixture than the interior of
In the latter-stage injection, fuel is injected at a predetermined time from the latter stage of the compression stroke to the early stage of the expansion stroke, and the injected fuel causes a richer air-fuel mixture to be formed in the cavity than when the preceding-stage injection is performed. A gasoline engine characterized by what is formed.
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