JP3823690B2 - 圧縮自己着火式ガソリン内燃機関 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮自己着火式ガソリン内燃機関に係り、特に、運転条件または噴射回数に応じて噴射する燃料の温度、または燃料の温度及び噴射燃圧を変更する圧縮自己着火式ガソリン内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ガソリンやメタノール等のセタン価の低い燃料を圧縮自己着火させる内燃機関において、自己着火時期を制御するために、特開平１１−２１０５３９号公報記載の技術のように、筒内温度及び圧力を制御して圧縮のみでは自己着火が起こらない筒内状態とし、火花点火によって、混合気全体の自己着火を引き起こすことが示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の技術においては、火花点火による温度上昇では十分な自己着火には至らず、たとえ自己着火を引き起こしたとしても、シソンダー中心から着火するため圧力上昇が大きくＮＯｘ低減は不可能であり、自己着火成立範囲も非常に狭いという問題点があった。
【０００４】
また、二回目の噴射をシリンダ壁から噴射し、シリンダ中心に配した点火栓において着火をしているが、燃料噴射量が多くなるため、ＮＯｘ 低減は不可能であり、また、噴射弁と点火栓が離れているため着火安定性が悪くなるという問題点があった。
【０００５】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、着火安定性を向上させた圧縮自己着火式ガソリン内燃機関を提供することである。
また本発明の目的は、自己着火成立範囲を拡大した圧縮自己着火式ガソリン内燃機関を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、混合気を圧縮着火により燃焼させる圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、１サイクル中に異なる温度の燃料を複数回噴射し、少なくとも最後の燃料噴射時に高温度の燃料を噴射することを要旨とする。
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項２の発明は、請求項１に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、１サイクル中に２回に分けて燃料を噴射し、２回目の燃料噴射を圧縮上死点付近で高温度の燃料を噴射することを要旨とする。
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項３の発明は、請求項２に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、前記燃料噴射弁内または燃料噴射弁上流に燃料を加熱するヒータを備え、１回目の噴射時には前記ヒータで加熱されない燃料を噴射し、２回目の噴射時には前記ヒータで加熱された燃料の噴射を行うことを要旨とする。
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項４の発明は、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、混合気を圧縮着火により燃焼させる圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、前記燃料噴射弁内または燃料噴射弁上流に燃料を加熱するヒータを備え、運転条件により噴射燃圧及び燃料温度を切り換え可能であり、燃料温度と噴射燃圧との組み合わせを、高温度且つ低噴射燃圧と、低温度且つ高噴射燃圧とに切り換えることを要旨とする。
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項５の発明は、請求項４に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、１サイクル中に噴射燃圧及び燃料温度の異なる燃料を複数回噴射することを要旨とする。
【００１１】
上記目的を達成するため、請求項６の発明は、請求項５に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、１サイクル中に燃料を複数回噴射する運転条件において、圧縮上死点近傍にて高温度の燃料を低噴射燃圧で噴射することを要旨とする。
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項７の発明は、請求項５または請求項６に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、圧縮自己着火運転領域内の高負荷運転時において、１回目に低温度の燃料を高噴射燃圧にて噴射し、圧縮上死点近傍時に高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射することを要旨とする。
【００１３】
上記目的を達成するため、請求項８の発明は、請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、圧縮自己着火運転領域内の中負荷運転時において、１回目に高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射し、圧縮上死点近傍時に高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射することを要旨とする。
【００１４】
上記目的を達成するため、請求項９の発明は、請求項５ないし請求項８のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、圧縮自己着火運転領域内の低負荷運転時において、圧縮行程時に高温度の燃料を低噴射燃圧にて１回噴射することを要旨とする。
【００１５】
上記目的を達成するため、請求項１０の発明は、請求項４ないし請求項９のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、可変リフト長の針弁及び２つの燃料供給口を有する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁の一方の燃料供給口に低噴射燃圧の燃料を供給する第１の燃料通路と、第１の燃料通路の燃料を加熱する加熱手段と、前記燃料噴射弁の他方の燃料供給口に高噴射燃圧の燃料を供給する第２の燃料通路と、を具備し、前記針弁のリフト長を変更することにより低噴射燃圧かつ高温度の燃料または高噴射燃圧かつ低温度の燃料を選択的に切り換えて噴射することを要旨とする。
【００１６】
上記目的を達成するため、請求項１１の発明は、請求項４ないし請求項９のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、燃料タンクと燃料噴射弁との間の燃料供給系に噴射燃圧の相異なる燃料通路を２つ具備し、一方の燃料通路の燃料を加熱する加熱手段を備えると共に、両燃料通路の燃料の流通を選択的に切り換えるバルブを有することを要旨とする。
【００１７】
上記目的を達成するため、請求項１２の発明は、請求項４ないし請求項９のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、筒内に直接燃料を噴射する第１の燃料噴射弁と吸気ポートに燃料を噴射する第２の燃料噴射弁とを具備し、第１の燃料噴射弁から高温度の燃料を低噴射燃圧で噴射し、第２の燃料噴射弁から低温度の燃料を高噴射燃圧で噴射することを要旨とする。
【００１８】
上記目的を達成するため、請求項１３の発明は、請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、少なくとも１つの燃料噴射弁と点火栓とを略燃焼室中心部に配設し、圧縮上死点近傍にて噴射した燃料を前記点火栓にて火花着火し、圧縮上死点近傍より進角側にて噴射した燃料の自己着火を誘発すること要旨とする。
【００１９】
上記目的を達成するため、請求項１４の発明は、少なくとも１つの燃料噴射弁を略シリンダ壁に配置し、点火栓を二個以上備え、第１の点火栓は燃料噴射弁近傍に配置し、第２の点火栓は略シリンダ中心に配置し、圧縮自己着火運転時には第１の点火栓により自己着火を誘発し、火花点火運転時には第２の点火栓により火花点火することを要旨とする請求項１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。
【００２０】
上記目的を達成するため、請求項１５の発明は、請求項１ないし請求項１４のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、機関回転速度が上がるにつれて、前記高温度の燃料の温度を上げることを要旨とする。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、混合気を圧縮着火により燃焼させる圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、１サイクル中に異なる温度の燃料を複数回噴射し、少なくとも最後の燃料噴射時に高温度の燃料を噴射することにより、燃料の気化熱による温度低下を極力抑制しつつ高濃度の気化燃料を含む濃厚混合気領域を局部的に所望の時期に形成することができるので、確実に着火させたい時期に自己着火させることができ、自己着火成立範囲を高負荷、高回転側へ拡大することができるという効果がある。
【００２２】
請求項２記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、１サイクル中に２回に分けて燃料を噴射し、２回目の燃料噴射を圧縮上死点付近で高温度の燃料を噴射するようにしたので、燃料の気化時間を短縮するとともに燃料の気化熱による雰囲気温度の低下を抑制しつつ濃厚混合気領域を高温になった筒内に形成することで直ちにこの混合気領域を自己着火させ、この領域の燃焼による圧力上昇および発熱により周囲の混合気も自己着火するので、主燃焼を圧縮上死点後に起こさせることができる。
【００２３】
請求項３記載の発明によれば、請求項２の発明の効果に加えて、前記燃料噴射弁内または燃料噴射弁上流に燃料を加熱するヒータを備え、１回目の噴射時には前記ヒータで加熱されない燃料を噴射し、２回目の噴射時には前記ヒータで加熱された燃料の噴射を行うようにしたので、燃料噴射弁及びこれに燃料を供給する燃料配管は１系統として複雑化することなく、燃料噴射弁内に設けたヒータのＯＮ／ＯＦＦ制御により加熱した高温度の燃料と非加熱の低温度の燃料とを噴き分けることが可能となる。
【００２４】
請求項４の発明によれば、運転条件により、噴射燃圧と燃料温度を切り換え可能であり、燃料温度と噴射燃圧との組み合わせを、高温度且つ低噴射燃圧と、低温度且つ高噴射燃圧とに切り換えることにより比較的高負荷及び高回転速度時に、均質燃焼または低成層燃焼を目指して燃料を高噴射燃圧かつ低温度にて噴射することより均質に拡散することができ、また低温度の燃料の気化潜熱により筒内の雰囲気温度を下げ、充填効率を高めることができ、大きな出力向上が得られる。
【００２５】
また、比較的低負荷時及び低回転速度時に、筒内混合気を高成層化するため、低噴射燃圧かつ高温度にて燃料噴射することにより、燃料噴霧の貫徹力を弱めるとともに燃料の気化時間を格段に早めることができ、筒内混合気の成層度を高めるとともに、燃費向上と共に燃焼安定度向上ができる。
【００２６】
請求項５の発明によれば、請求項４の発明の効果に加えて、少なくとも１回は上死点まで圧縮しても自己着火に至らない燃料量を噴射し、さらに圧縮行程後半にて、最後の燃料噴射を高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射することにより、局所的に濃い混合気を形成することが可能となり、自己着火を誘発する時期を２回目の噴射時期によりコントロールすることができる。
【００２７】
また、圧縮行程後半より進角側で噴射する燃料の噴射燃圧と燃料温度を変化させることにより、燃料の成層度を変えることができ、圧縮上死点において自己着火に至らない燃料量をコントロールすることが可能となり、自己着火運転時においても負荷を自由に設定することが可能となると共に燃焼安定度を改善することが可能となる。
【００２８】
請求項６の発明によれば、請求項５の発明の効果に加えて、圧縮上死点近傍にて、高温度の燃料を低噴射燃圧で噴射することにより、燃料拡散を抑制し、混合気分布を非常に高成層な状態にすることができる。また、燃料を高温度にて噴射することにより、気化時間を格段に早めると共に、気化潜熱による雰囲気温度低下を抑え、安定した自己着火を誘発できる。
【００２９】
請求項７の発明によれば、請求項５または請求項６の発明の効果に加えて、圧縮自己着火運転領域内の高負荷運転時において、１回目の燃料噴射を低温度、高噴射燃圧にて噴射することにより、燃料の均質度を高めると共に、雰囲気温度を下げることが可能となり、上死点近傍にて自己着火に至る当量比を上げることが可能となる。従って、１回目に噴射する上死点近傍にて着火に至らない燃料量を増加することが可能となり、自己着火燃焼領域を高負荷領域へ拡大することが可能となる。
【００３０】
また、上死点近傍にて、高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射することにより、気化時間を格段に早めると共に、燃料の気化熱による雰囲気温度低下を抑え、安定した自己着火を上死点後に誘発することができ、ノック低減及びＮＯｘ低減することが可能になる。
【００３１】
請求項８の発明によれば、請求項５ないし請求項７の発明の効果に加えて、圧縮自己着火運転領域内の中負荷運転時において、１回目の燃料噴射を高温度、低噴射燃圧にて噴射することにより、燃料の拡散を抑制し、混合気成層度の高い状態を作り出すことができる。また、高温度の燃料を噴射することにより、燃料気化を大幅に促進し気化時間を短縮することが可能となり、燃料のピストン冠面付着量を大幅に低減することが可能となる。さらに、上死点近傍にて、高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射することにより、気化時間を格段に早めると共に、気化潜熱による雰囲気温度低下を抑え、安定した自己着火を上死点後に誘発することができ、スモーク低減、ＨＣ低減、ノック低減、ＮＯｘ低減することが可能となる。
【００３２】
請求項９の発明によれば、請求項５ないし請求項８の発明の効果に加えて、圧縮自己着火運転領域内の低負荷運転時において、圧縮行程時に高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射することにより、燃圧が低いことによる燃料噴霧の貫徹力の低下と、燃料温度の高さによる蒸発の早さとが相俟って燃料の拡散を抑制し、比較的燃料濃度の高い一部の領域とその周囲の空気領域からなる混合気成層度の非常に高い状態を作り出すことが可能となる。
【００３３】
従って、総噴射燃料が少ない燃料量であったとしても、上死点近傍にて、安定して自己着火を誘発することが可能となり、ＮＯｘ低減とＨＣ低減が可能となる。
【００３４】
請求項１０の発明によれば、請求項４ないし請求項９の発明の効果に加えて、燃料噴射弁に可変リフト長の針弁及び２つの燃料供給口を設け、第１の燃料通路から燃料噴射弁の一方の燃料供給口に低噴射燃圧の燃料を供給するとともに、加熱手段により第１の燃料通路の燃料を加熱し、第２の燃料通路から燃料噴射弁の他方の燃料供給口に高噴射燃圧の燃料を供給するようにしたので、針弁のリフト長を変更することにより、高温かつ低燃圧の燃料または低温かつ高燃圧の燃料を選択的に噴射することが可能となり、自己着火運転時の高負荷領域を拡大すると共に、均質燃焼運転時のＮＯｘを低減することが可能となる。
【００３５】
請求項１１の発明によれば、請求項４ないし請求項９の発明の効果に加えて、燃料タンクと燃料噴射弁との間の燃料供給系に噴射燃圧の相異なる燃料通路を２つ具備し、一方の燃料通路の燃料を加熱する加熱手段を備えると共に、両燃料通路の燃料の流通を選択的に切り換えるバルブを設けたので、バルブを切り換えることにより、燃料噴射弁へ供給する燃料を、低噴射燃圧かつ高燃料温度の燃料と、高噴射燃圧かつ低燃料温度の燃料とを切り替えることが可能となり、圧縮自己着火運転時の高負荷領域を拡大すると共に均質燃焼運転時のＮＯｘを低減することが可能となる。
【００３６】
請求項１２の発明によれば、請求項４ないし請求項９の発明の効果に加えて、筒内に直接燃料を噴射する第１の燃料噴射弁と吸気ポートに燃料噴射する第２の燃料噴射弁とを具備し、第１の燃料噴射弁から高温度の燃料を低噴射燃圧で噴射し、第２の燃料噴射弁から低温度の燃料を高噴射燃圧で噴射するようにしたので、運転条件または燃料噴射回数により、噴射する燃料噴射弁を切り換えることにより、自己着火運転時の高負荷領域を拡大すると共に均質運転時のＮＯｘを低減することが可能となる。
【００３７】
請求項１３の発明によれば、請求項１ないし請求項１２の発明の効果に加えて、少なくとも１つの燃料噴射弁と点火栓とを略燃焼室中心部に配設し、圧縮上死点近傍にて噴射した燃料をこの点火栓にて火花着火し、圧縮上死点近傍より進角側にて噴射した燃料の自己着火を誘発するようにしたので、主燃焼時期を圧縮上死点後にすることができる。従って、急峻な燃焼を抑制するとともに、燃焼温度が上がらないため、自己着火の負荷領域が拡大でき、ＮＯｘを低減することができる。
【００３８】
請求項１４の発明によれば、請求項１ないし請求項１２の発明の効果に加えて、少なくとも１つの燃料噴射弁を略シリンダ壁に配置し、点火栓を二個以上備え、第１の点火栓は燃料噴射弁近傍に配置し、第２の点火栓は略シリンダ中心に配置し、圧縮自己着火式運転時には第１の点火栓により自己着火を誘発し、火花点火式運転時には第２の点火栓により火花点火するようにしたので、自己着火運転時の燃焼開始時期を正確に制御するとともに急峻燃焼を抑制できるようになり、火花点火運転時のノッキングを抑制できる。
【００３９】
請求項１５の発明によれば、機関回転速度が上がるにつれて前記高温度の燃料温度を上げることにより、燃料噴射から自己着火までの時間が短くなる高回転領域においても速やかに燃料を気化させて着火タイミングを安定化し、燃焼安定度を増すことが可能となる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る圧縮自己着火式ガソリン内燃機関の第１の実施形態を説明するシステム構成図である。
【００４１】
図１において、エンジン本体１０は、シリンダ１１と、シリンダヘッド１２と、ピストン１３とを備え、これらで燃焼室１４を形成している。燃焼室１４へ通じる吸気ポート１５は、吸気バルブ１６により開閉され、排気ポート１７は、排気バルブ１８により開閉される。シリンダヘッド１２の燃焼室１４の略中心に対向する位置には、燃料噴射弁１９と点火プラグ２０とが取り付けられている。
【００４２】
燃料噴射弁１９は、後述するように例えば可変リフト長の針弁と２つの燃料供給口を備え、例えば燃料噴射弁の駆動パルス振幅を変化させることにより針弁のリフト長が可変であり、このリフト長の差異により、２つの燃料供給口のいずれか一方から供給される燃料を噴射することができるようになっている。
【００４３】
そして、燃料噴射弁１９の一方の燃料供給口には、高圧力・低温度燃料供給系７から高燃圧かつ低温度の燃料が供給され、他方の燃料供給口には、低圧力・高温度燃料供給系８から低燃圧かつ高温度に加熱された燃料が供給されている。
【００４４】
上記構成による本実施形態では、燃料噴射弁１９の針弁リフト長を変えることにより、高燃圧・低温度の燃料、或いは低燃圧・高温度の燃料を選択的に燃焼室１４へ噴射できるようになっている。
【００４５】
この燃料噴射により図１に示すように、ある運転条件では、高燃圧・低温度の燃料噴射により形成された比較的燃料濃度が低く広い比較的希薄混合気領域２１と、圧縮行程後半で低燃圧・高温度の燃料噴射により形成された比較的燃料濃度が高く狭い比較的濃厚混合気領域２２が形成される。そして圧縮上死点付近では、比較的濃厚混合気領域２２から自己着火し、周囲の比較的希薄混合気領域２１も引き続いて自己着火する。
【００４６】
このエンジン本体１０を制御する電子制御装置（以下、ＥＣＵと略す）１は、運転条件に応じて圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼とのいずれの方式で運転を行なうかを判定する燃焼パターン判定部２と、火花点火燃焼制御部３と、圧縮自己着火燃焼運転時の燃焼制御パラメータを制御する自己着火燃焼制御部４と、燃料噴射弁１９の駆動パルス振幅を変化させることにより燃料噴射の噴射燃圧と燃料温度を切り替える噴射燃料制御部５と、圧縮自己着火燃焼運転時に筒内ガスの成層化と燃料噴射時期を変更する噴射時期制御部６と、を備えている。
【００４７】
尚、ＥＣＵ１の構成要素のうち、燃焼パターン判定部２、火花点火燃焼制御部３、自己着火燃焼制御部４、噴射燃料制御部５、噴射時期制御部６はマイクロコンピユータのプログラムとして実現されている。
【００４８】
またＥＣＵ１は、図外のクランク角センサが検出したクランク角信号及び図外のアクセル開度センサが検出したアクセル開度信号を入力し、これら信号からエンジン回転数と負荷を検出する。そして燃焼パターン判定部２は、エンジン回転数、負荷に基づいて運転条件を判定し、火花点火か自己着火か燃焼形態を判断する。また運転条件に応じて１サイクル当たりの燃料噴射回数、燃料噴射量、燃料噴射時期、及び点火プラグ２０の火花放電により火花点火を起こさせる、または自己着火を誘起させる点火時期を算出する。そして、この算出結果に基づき、燃料噴射弁１９に燃料噴射パルス信号、点火プラグ２０に点火信号をそれぞれ送る。
【００４９】
このような構成のもと、本発明では、図２に示すような、中低負荷及び中回転数以下の特定の運転条件において圧縮自己着火燃焼を行ない、高負荷または高回転数域においては火花点火燃焼を行なう。
【００５０】
次に、本実施形態の動作について説明する。
図３は、空燃比に対する自己着火燃焼が成立する範囲を示すものである。空燃比をリーンにしていくと燃焼安定性が悪化し、機関のトルク変動が大きくなる。このため、内燃機関として設計値、またはこの内燃機関を搭載した車両の性格等として許容できる安定度限界が安定度限界値Ｓｔｈとなる空燃比ＡＦＬがリーン限界となる。
【００５１】
一方、空燃比をリッチにしていくとノッキング強度が増大する。これによりノッキング限界Ｎｔｈにおける空燃比ＡＦＲがリッチ限界となる。従って、安定度限界空燃比ＡＦＬとノック限界空燃比ＡＦＲとで囲まれる空燃比領域が自己着火成立範囲となる。
【００５２】
このように、自己着火は限られた空燃比範囲でしか成立しない。尚、ここではガスと燃料の割合を表す指標としてＡ/Ｆを例に説明した。残留ガスあるいはＥＧＲガスが含まれる場合についても同様の傾向を示し、この際には横軸は新気と既燃ガスを合せたトータルのガス量と燃料量割合であるＧ／Ｆとなる。
【００５３】
このように自己着火成立範囲が限定されるのは、空燃比の変化と共に燃焼時期が変化することに起因する。自己着火燃焼の燃焼開始時期は、ガソリンの予反応（低温酸化反応）速度に依存するが、この反応速度に対する空燃比の感度が大きい。このため、空燃比をリッチにした場合には反応速度が増加する。その結果、圧縮上死点（ＴＤＣ）以前で燃焼が開始し、急峻な燃焼となり、ノッキングを引き起こす。
【００５４】
一方、空燃比をリーンにした場合には反応速度が低下する。その結果、圧縮上死点（ＴＤＣ）から遅角した時期で燃焼が開始し、ピストンの下降による圧力低下などにより十分な燃焼が行われずに、燃焼不安定を引き起こす。
このように、自己着火燃焼範囲を拡大するためには燃焼開始時期を制御する必要がある。
【００５５】
図４は、空燃比に対する着火遅れ時間を示す図である。着火遅れの時間は燃料が噴射されてから自己着火して燃焼が開始するまでの時間である。空燃比が小さく燃料濃度が高い程、着火遅れ時間は短くなる。ここで、少量の燃料を追加的に低噴射燃圧で燃料噴霧の飛翔を抑制して噴射することにより、着火時間が短いリッチ空燃比領域を燃焼室内に局所的に形成し、成層度を高めることによって、自己着火燃焼開始時期を噴射時期によって制御することができる。
【００５６】
しかしながら、高成層状態を形成するために筒内に直接燃料を噴射することは、燃料の気化潜熱により、雰囲気温度が下がることになり、自己着火に至る時間が安定しなくなる。これを回避するために高温度の燃料を低噴射燃圧で噴射すると、火花点火領域において筒内の均質度は悪化し、ＮＯｘと粒子状物質の排出を低減できない。
【００５７】
そこで、本発明では、運転条件により、高成層状態を生成するときには高温度の燃料を低噴射燃圧とし、均質状態を生成するときには低温度の燃料を高噴射燃圧とするように、燃料温度と噴射燃圧を変化させる。これにより、低温度の燃料を高噴射燃圧で噴射する場合、燃料噴霧の拡散が促進されるとともに、気化潜熱により温度が下がり充填効率が向上し、均質状態のノッキング防止とともに性能向上が可能となり、高温度の燃料を低噴射燃圧で噴射する場合、燃料拡散を抑制するとともに気化潜熱による雰囲気温度の低下を抑制し、局部的に自己着火に至るリッチ層を形成し、自己着火に最適な高成層状態を形成することができる。
【００５８】
また、回転数が上がるにつれ、噴射してから最適燃焼時期までの時間が短くなる。噴射時期を進角側にすることにより、噴射してから最適燃焼時期までの時間を長くすることができるが、混合気拡散が起こり成層度が悪くなるため、好ましくない。従って、回転数が上がるにつれ、燃料温度を上げ、気化時間を短くする必要がある。
【００５９】
図５は、燃料温度に対する気化速度を示すグラフである。ガソリン等の炭化水素燃料は、燃料温度が高くなればなるほど気化速度が高くなり、短時間で気化するようになる。
【００６０】
図６に自己着火領域における高負荷領域運転時における筒内混合気の空燃比分布を示す。横軸は左方にシリンダ中心、右方にシリンダ壁を表し、縦軸に空燃比を表す。ここに、領域Ａは、上死点近傍にて自己着火に至らない量の燃料を、吸気行程から圧縮行程初めに、低燃料温度かつ高噴射燃圧にて噴射することにより形成する。ここで、低燃料温度にて噴射することにより、筒内雰囲気温度が下がり、領域Ａの空燃比をリッチにすることが可能となる。また、高噴射燃圧にて噴射することにより、燃料噴霧が広く拡散し領域Ａの均質度を高めることが可能となる。
【００６１】
領域Ｂは、圧縮上死点近傍にて、高燃料温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射することにより形成する。高温度の燃料を噴射することにより、燃料の気化潜熱を抑制し、かつ、低噴射燃圧で噴射することにより、燃料の拡散を抑え、局所的な空燃比のリッチな領域Ｂを生成できる。空燃比のリッチな混合気は、噴射後からの着火遅れ時間が短いため、燃焼開始時期を上死点近傍の噴射時期を変化させることにより、コントロールすることが可能となる。よって、図６の筒内混合気分布を生成することにより、自己着火運転領域における高負荷限界を格段に広げることが可能となり、燃焼安定度も良くし、ＮＯｘ排出量をも低減することが可能となる。
【００６２】
図７に自己着火領域における中負荷領域運転時における筒内混合気の空燃比分布を示す。横軸は左方にシリンダ中心、右方にシリンダ壁を表し、縦軸に空燃比を表す。ここに、領域Ａは、圧縮上死点近傍にて自己着火に至らない量の燃料を、圧縮行程初めから圧縮行程後半に、高燃料温度かつ低噴射燃圧にて噴射することにより形成する。ここで、高温の燃料を低燃圧にて噴射することにより、燃料噴霧の貫徹力が弱まることと気化速度が高いことの相乗効果で非常に成層度の高い混合気分布を形成することが可能となる。
【００６３】
すなわち、圧縮上死点付近では自己着火に至らない濃度の混合気領域Ａは、負荷の大きさにもよるがシリンダ中心を中心としてシリンダ壁から離れたところまでしか分布しなくて、その外側には、空気層が分布している。領域Ｂは、図６の場合と同じく、圧縮上死点近傍にて、高燃料温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射することにより形成する。
【００６４】
ここで、シソンダー壁近傍の温度の非常に低い領域に燃料があると燃焼温度の上がらない中負荷運転領域においては未燃焼となり、ＨＣが排出される。
従って、図７の筒内混合気分布図にあるように、非常に成層度の高い混合気分布にすることで、非常にＨＣ排出量低減することが可能となる。
【００６５】
図８に自己着火領域における低負荷領域運転時における筒内混合気の空燃比分布を示す。横軸は左方にシリンダ中心、右方にシリンダ壁を表し、縦軸に空燃比を表す。圧縮上死点近傍にて自己着火に至る量の燃料を、圧縮行程初めから圧縮行程後半に、高燃料温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射することにより領域Ａを形成する。この領域Ａの半径は、図７の領域Ａの半径より小さく形成される。ここで、高温の燃料を低燃圧にて噴射することにより、非常に成層度の高い混合気分布を形成することが可能となり、ＨＣ排出量を低減することが可能となる。
【００６６】
次に、図９のフローチャートを参照して制御の流れを説明する。まずＳ３１にて、クランク角センサ信号及びアクセル開度信号に基づいてエンジン回転数、負荷を検出する。次いで、Ｓ３２でエンジン回転数、負荷に基づいて燃焼形態を判断する。すなわち、エンジン回転数、負荷から図２に示したような燃焼形態判断用のマップを使って、火花点火燃焼を行うか、自己着火燃焼を行うか判断する。火花点火燃焼を行う場合にはＳ３３で火花点火燃焼の制御を開始し、自己着火燃焼を行う場合にはＳ３４にて自己着火燃焼の制御を開始する。
【００６７】
次に、図１０のフローチャートを参照して、自己着火燃焼制御の流れを説明する。まずＳ４１にてクランク角センサ信号及びアクセル開度信号に基づいてエンジン回転数、負荷を検出し、Ｓ４２にて負荷を判断する。Ｓ４２にて低負荷と判断され場合、Ｓ４３で低負荷自己着火燃焼制御を開始する。Ｓ４４にて噴射時期、噴射燃料の温度及び燃圧を判断し、Ｓ４５にて高温度、低噴射燃圧の燃料を噴射する。
【００６８】
Ｓ４２にて中負荷と判断された場合、Ｓ４６にて中負荷自己着火燃焼制御を開始する。Ｓ４７にて噴射回数、噴射時期、噴射燃料の温度及び燃圧を判断し、Ｓ４８にて吸気行程後半から圧縮行程前半で高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射する。次いでＳ４９にて上死点近傍で高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射する。
【００６９】
Ｓ４２にて高負荷と判断された場合、Ｓ５０にて高負荷自己着火燃焼制御を開始する。Ｓ５１にて噴射回数、噴射時期、噴射燃料の温度及び燃圧を判断し、Ｓ５２にて吸気行程で低温度の燃料を高噴射燃圧にて噴射する。次いでＳ５３にて上死点近傍で高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射する。
【００７０】
次に、図１１のタイムチャートにて各々の運転条件における噴射時期を説明する。図１１の横軸はクランク角度であり、縦軸は負荷の大きさ別に４つのブロックに分割した負荷を示す。
【００７１】
火花点火運転領域においては、吸気行程にて低温度の燃料を高噴射燃圧にて噴射し均質混合気を形成する。自己着火運転領域における高負荷運転領域においては、吸気行程後半から圧縮行程前半において、１回目の燃料噴射を低温度燃料を高噴射燃圧にて噴射し、上死点近傍にて高温度燃料を低噴射燃圧にて２回目の燃料を噴射する。
【００７２】
自己着火運転領域における中負荷運転領域において、１回目の燃料噴射を圧縮行程前半から圧縮行程後半にて高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射し、上死点近傍にて高温度の燃料を低噴射燃圧にて２回目の燃料噴射を行う。
自己着火運転領域における低負荷運転領域において、圧縮行程後半にて高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射する。
【００７３】
次に、図１における高圧力・低温度燃料供給系７、及び低圧力・高温度燃料供給系８の詳細について、図１２の燃料供給系統図を参照して説明する。
【００７４】
図１２に示す燃料供給系統は、ガソリン等の燃料を貯蔵する燃料タンク３０と、燃料フィルタブロック（Ｆ／Ｂ）３１と、燃料タンク３０からＦ／Ｂ３１を経由して燃料を吸い上げ高圧に加圧して燃料噴射弁１９に供給する高圧力・低温度燃料供給系７と、ヒータ３８により燃料を加熱して低圧力且つ高温度の燃料を供給する低圧力・高温度燃料供給系８と、燃料噴射弁１９と、冷媒循環用のポンプ３５と、燃料タンク内に配置され燃料に浸された熱交換器３６と、を備えている。
【００７５】
高圧力・低温度燃料供給系７は、可変吐出圧電動ポンプ３２と、リリースバルブ３３と、熱交換器３４とを備え、Ｆ／Ｂ３１により濾過された燃料を可変吐出圧電動ポンプ３２により高圧力に加圧し、リリースバルブ３３で所定の高燃圧に燃料圧力を調整して、燃料配管Ａを介して燃料噴射弁１９の一方の燃料供給口に接続されている。そして、燃料配管Ａに接して熱交換器３４が設けられ、燃料配管Ａの内部の燃料を冷却するように、ポンプ３５により熱交換器３４と熱交換器３６との間で不凍液又は難燃性オイル等の冷媒が循環し、高燃圧に加圧された燃料の熱を燃料タンク３０内の燃料に放熱するようになっている。
【００７６】
低圧力・高温度燃料供給系８は、リリースバルブ３３のリターン側に接続されたリリースバルブ３７と、電熱または排気ガス等の熱により燃料配管Ｂの内部の燃料を加熱する加熱手段であるヒータ３８とを備え、リリースバルブ３７により所定の低燃圧に燃料圧力を調整した上で、ヒータ３８により所定の高温度まで加熱された燃料を燃料配管Ｂにより、燃料噴射弁１９の他方の燃料供給口に燃料を供給している。
【００７７】
従って、燃料配管Ａには低い温度かつ高噴射燃圧の燃料があり、燃料配管Ｂには高い温度かつ低噴射燃圧の燃料がある。また、燃料噴射弁１９内には燃料配管Ａと燃料配管Ｂの出口高さを変えて備えており、可変リフト長針弁４０のリフト長を変化させることにより、噴射する燃料の供給源を燃料配管Ａ又は燃料配管Ｂに切り換えできる。
【００７８】
この燃料噴射弁１９内の可変リフト針弁４０は、運転条件により図１の噴射燃料制御部５が指示する噴射弁駆動パルスの振幅を変化させることにより、リフト長を変化させることができる。高い温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射するときには、リフト長を短くし、低い温度の燃料を高噴射燃圧で噴射するときには、リフト長を長くする。この構成により、一つの燃料噴射弁により燃料を吹き分けることが可能となる。
【００７９】
次に、図１３を参照して第１実施形態の燃料供給系統の変形例について説明する。この変形例は、高圧力・低温度燃料供給系７と低圧力・高温度の燃料供給系８との切り換えに３方向弁を使用する例である。
【００８０】
図１３に示す燃料供給系統は、ガソリン等の燃料を貯蔵する燃料タンク３０と、燃料フィルタブロック（Ｆ／Ｂ）３１と、燃料タンク３０からＦ／Ｂ３１を経由して燃料を吸い上げ高圧に加圧する可変吐出圧電動ポンプ３２と、３方向バルブ３９と、熱交換器３４、３６と、ポンプ３５と、リリースバルブ３７と、ヒータ３８と、燃料噴射弁１９とを備えている。
【００８１】
熱交換器３４、３６と、ポンプ３５とによる高圧力・低温度燃料供給系７の燃料冷却機能、ヒータ３８による低圧力・高温度燃料供給系８の燃料加熱機能、及びリリースバルブ３７による燃圧調整機能は、図１２と同様である。
【００８２】
３方向バルブ３９は、可変吐出圧電動ポンプ３２から吐出される高燃圧の燃料を燃料配管Ａまたは燃料配管Ｂのいずれかに切り換えて送出する。
【００８３】
燃料配管Ａには熱交換器３４を備え、燃料配管Ｂにはヒータ３８と噴射燃圧を下げるためのリリースバルブ３７を備える。従って、燃料配管Ａには低い温度かつ高噴射燃圧の燃料があり、燃料配管Ｂには高い温度かつ低噴射燃圧の燃料がある。燃料配管Ａ，Ｂは、燃料噴射弁１９の直前で燃料配管Ｃに纏められて燃料噴射弁１９に燃料を供給するようになっている。
【００８４】
従って、この燃料供給系統は、図１の噴射燃料制御部５からの指示に従って、３方向バルブ３９を切り替えることにより、高い温度にて低噴射燃圧の燃料と、低い温度にて高噴射燃圧の燃料とを吹き分ける。この構成により、一つの燃料噴射弁により、燃料を吹き分けることが可能となる。
【００８５】
図１４は、本発明に係る圧縮自己着火式ガソリン内燃機関の第２実施形態のシステム構成図である。本実施形態の構成は、図１に示した第１実施形態の構成の吸気ポート１５に燃料噴射弁２３を追加し、燃料噴射弁２３には高圧力・低温度燃料供給系７から燃料供給し、燃料噴射弁１９には低圧力・高温度燃料供給系８から燃料供給しするものである。
【００８６】
燃料噴射弁２３からは低い温度の燃料を高噴射燃圧で噴射し、燃料噴射弁１９からは高い温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射する。これにより均質燃焼運転時の均質度と充填効率を高めるとともに、自己着火運転時の成層度を高めることができる。
【００８７】
次に、自己着火燃焼時に圧縮上死点近傍にて噴射した燃料を点火プラグにて火花着火し、圧縮上死点近傍より進角側にて噴射した燃料の自己着火を誘発する実施形態を説明する。
【００８８】
前述の通り、自己着火燃焼範囲を拡大するためには、燃焼開始時期を制御する必要がある。さらに、燃焼安定度を高めるために、自己着火領域における高、中負荷領域について、上死点近傍にて噴射した燃料を図１５のタイムチャートに示したように、圧縮上死点後の間もない時期に火花点火することにより、上死点進角側にて噴射した燃料を自己着火に至らしめる。従って、サイクル変動を最小限に抑え、安定した自己着火燃焼を可能とする。
【００８９】
図１６は、本発明に係る圧縮自己着火式ガソリン内燃機関の第３実施形態のシステム構成図である。先に説明した第１、第２実施形態においては、高燃圧・低温度の燃料と、低燃圧・高温度の燃料を運転条件または噴射回数によって使い分けを行ったが、本実施形態においては、単に燃料温度を低温度のものと高温度のものとを運転条件または噴射回数によって使い分けることとしている。
【００９０】
第１、第２実施形態における噴射燃圧の高低の変化は、図１１のタイムチャートにまとめたように、吸気行程に噴射するものが低温度・高燃圧であり、圧縮行程に噴射するものが高温度・低燃圧であった。しかし、燃圧を変化させず、燃料温度の変化のみでもある程度の効果が得られる。
【００９１】
何故ならば、一定燃圧の条件で吸気行程噴射の場合と、圧縮行程噴射の場合、特に圧縮上死点付近で噴射する場合とを考えると、吸気行程では雰囲気圧力が１０５Ｐａ（約１気圧）以下であるのに対して、圧縮行程では、クランク角に応じて圧力が高まり、圧縮上死点付近では、圧縮比に応じて１０６Ｐａ（約１０気圧）程度の圧力となる。従って、吸気行程における燃料噴霧の貫徹力は大きくなり広く拡散し、圧縮行程、特に上死点付近における燃料噴霧の貫徹力は小さくなりあまり拡散しない。これにより、燃圧を変化させなくても噴射時期の雰囲気圧力の相違による燃料噴霧の拡散性によりある程度の効果が得られる。
【００９２】
本第３実施形態と図１に示した第１実施形態との相違は、燃料噴射弁５０が内部にヒータを備える燃料噴射弁であり、ＥＣＵ１の噴射弁ヒータ制御部９からのヒータＯＮ／ＯＦＦ指示により、加熱された高温度の燃料と非加熱の低温度の燃料とを吹き分けることができるようになっていることと、燃圧が一定であることである。
【００９３】
図１７は、図１６の燃料噴射弁５０の先端部の構造を説明する断面図である。図１７に示すように電気ヒータ５３を燃料噴射弁５０内に配設し、この電気ヒータ５３をＯＮ／ＯＦＦすることにより、燃料噴射弁キャビティ５４内にある燃料の加熱または非加熱の切換が可能となる。
【００９４】
本実施形態では、前サイクルの二度目の噴射後に、電気ヒータ５３をＯＦＦし、一度目に噴射する燃料を非加熱とすることにより、燃料の気化速度を抑制し、燃料の均一度を高める。
【００９５】
一方、一度目の噴射後に、電気ヒータ５３をＯＮし、二度目に噴射する燃料を加熱するにより、燃料の気化速度を高めることが可能となる。気化燃料は拡散が抑制されるため、二度目に噴射する燃料量の制御が可能となる。
【００９６】
本実施形態において、ヒータのスイッチを切り替えることとしているが、常時ヒータを点け、一度目の噴射を早期噴射とし、温度の低い吸気空気により燃料を冷やし、燃料の気化を抑制することにより、一度目に噴射した燃料の均一度を高めることも可能である。
【００９７】
図１８は、本実施形態の動作を説明するフローチャートである。
図外のフローチャートにより自己着火燃焼と判断された場合についての制御のみを説明する。Ｓ６１にて１回目に噴射する燃料噴射量αと２回目に噴射する燃料噴射量βを負荷により演算する。ここで、例えば、α：β＝９：１とする。Ｓ６２にて１回目の燃料噴射時期（ＩＴ１）を判断する。例えばここで、ＩＴ１＝３００ｄｅｇＢＴＤＣＦとすると、３００ＢＴＤＣとなった時期にＳ６３にて１回目の噴射を開始し、噴射量αだけ噴射する。
【００９８】
次いで、Ｓ６４にて噴射噴き終わり直後から燃料噴射弁内に備えられた電気ヒータ５３をＯＮとする。次いでＳ６５にて二度目の燃料噴射時期（ＩＴ２）を判断する。例えばここでＩＴ２＝ＴＤＣとすると、ＴＤＣとなった時期にＳ６６にて２回目の噴射を開始し、噴射量βだけ噴射する。次いでＳ６７にて噴射噴き終わり直後から燃料噴射弁内に備えられたヒータ５３をＯＦＦとし、次のサイクルの非加熱燃料噴射に備える。
【００９９】
図１９は、第４実施形態の構成を示すシステム構成図である。
図１に示した第１実施形態との相違は、略シソンダー中心に配設された点火プラグ２０ａの他に点火プラグ２０ｂを略シリンダ壁に配設し、また燃料噴射弁１９の位置を略シリンダ中心から略シリンダ壁に移動させ第２の点火プラグ２０ｂの近傍に配置したものである。
【０１００】
燃料噴射弁１９が略シリンダ壁に配置されたことにより、２回目の燃料噴射による比較的濃厚混合気２２は、シリンダ中心部ではなくシリンダ壁近くに形成される。燃料噴射の負荷によるタイミングは、図１１に示した第１実施形態と同様である。
【０１０１】
本実施形態においては、火花点火運転時に、略シリンダ中心に配設した点火プラグ２０ａにより火花点火をさせ、また自己着火運転時において、略シリンダ壁に配設した点火プラグ２０ｂにより、二度目に噴射した燃料による混合気２２に着火をすることにより、一度目に噴射した燃料の比較的希薄混合気２１に自己着火燃焼を起こさせることが可能となる。そして、比較的濃厚混合気２２がシリンダ中心部ではなく、シリンダ壁近傍に形成されるので、比較的濃厚混合気２２の燃焼により引き起こされる比較的希薄混合気２１の自己着火の立ち上がりが急峻ではなくなり、穏やかな自己着火の立ち上がりとなる。
【０１０２】
本実施形態の圧縮自己着火は、図２に示した第１実施形態と同様に、中回転以下、中負荷以下の運転領域で可能であり、高回転、高負荷運転時においては火花着火運転を行う。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧縮自己着火式ガソリン内燃機関の第１実施形態のシステム構成図である。
【図２】実施形態の運転条件による燃焼パターン判定図であり、エンジン回転数及び負荷による火花点火燃焼領域と自己着火燃焼領域とを示す。
【図３】空燃比に対する自己着火成立範囲を示す図である。
【図４】空燃比に対する着火遅れ時間を示す図である。
【図５】燃料温度に対する気化速度を示す図である。
【図６】自己着火領域における高負荷時の筒内混合気の空燃比分布図である。
【図７】自己着火領域における中負荷時の筒内混合気の空燃比分布図である。
【図８】自己着火領域における低負荷時の筒内混合気の空燃比分布図である。
【図９】第１実施形態の制御フローチャートである。
【図１０】自己着火領域運転時の制御フローチャートである。
【図１１】負荷の領域毎の燃料噴射時期のタイムチャートである。
【図１２】高圧力・低温度燃料供給系、および低圧力・高温度燃料供給系の詳細実施形態の説明図である。
【図１３】高圧力・低温度燃料供給系、および低圧力・高温度燃料供給系の変形例の説明図である。
【図１４】本発明に係る圧縮自己着火式ガソリン内燃機関の第２実施形態のシステム構成図である。
【図１５】自己着火領域運転時における噴射時期と点火時期とを示すタイムチャートである。
【図１６】本発明に係る圧縮自己着火式ガソリン内燃機関の第３実施形態のシステム構成図である。
【図１７】第３実施形態における燃料噴射弁の先端部の構造を説明する断面図である。
【図１８】第３実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図１９】本発明に係る圧縮自己着火式ガソリン内燃機関の第４実施形態のシステム構成図である。
【符号の説明】
１ エンジンコントロールユニット
２ 燃焼パターン判定部
３ 火花点火燃焼判定部
４ 自己着火燃焼制御部
５ 噴射燃料制御部
６ 噴射時期制御部
７ 高圧力・低温度燃料供給系
８ 低圧力・高温度燃料供給系
１０ エンジン本体
１１ シリンダブロック
１２ シリンダヘッド
１３ ピストン
１４ 燃焼室
１５ 吸気ポート
１６ 吸気バルブ
１７ 排気ポート
１８ 排気バルブ
１９ 燃料噴射弁
２０ 点火プラグ
２１ 比較的希薄混合気領域
２２ 比較的濃厚混合気領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮自己着火式ガソリン内燃機関に係り、特に、運転条件または噴射回数に応じて噴射する燃料の温度、または燃料の温度及び噴射燃圧を変更する圧縮自己着火式ガソリン内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ガソリンやメタノール等のセタン価の低い燃料を圧縮自己着火させる内燃機関において、自己着火時期を制御するために、特開平１１−２１０５３９号公報記載の技術のように、筒内温度及び圧力を制御して圧縮のみでは自己着火が起こらない筒内状態とし、火花点火によって、混合気全体の自己着火を引き起こすことが示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の技術においては、火花点火による温度上昇では十分な自己着火には至らず、たとえ自己着火を引き起こしたとしても、シソンダー中心から着火するため圧力上昇が大きくＮＯｘ低減は不可能であり、自己着火成立範囲も非常に狭いという問題点があった。
【０００４】
また、二回目の噴射をシリンダ壁から噴射し、シリンダ中心に配した点火栓において着火をしているが、燃料噴射量が多くなるため、ＮＯｘ 低減は不可能であり、また、噴射弁と点火栓が離れているため着火安定性が悪くなるという問題点があった。
【０００５】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、着火安定性を向上させた圧縮自己着火式ガソリン内燃機関を提供することである。
また本発明の目的は、自己着火成立範囲を拡大した圧縮自己着火式ガソリン内燃機関を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、混合気を圧縮着火により燃焼させる圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、１サイクル中に異なる温度の燃料を複数回噴射し、少なくとも最後の燃料噴射時に高温度の燃料を噴射することを要旨とする。
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項２の発明は、請求項１に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、１サイクル中に２回に分けて燃料を噴射し、２回目の燃料噴射を圧縮上死点付近で高温度の燃料を噴射することを要旨とする。
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項３の発明は、請求項２に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、前記燃料噴射弁内または燃料噴射弁上流に燃料を加熱するヒータを備え、１回目の噴射時には前記ヒータで加熱されない燃料を噴射し、２回目の噴射時には前記ヒータで加熱された燃料の噴射を行うことを要旨とする。
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項４の発明は、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、混合気を圧縮着火により燃焼させる圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、前記燃料噴射弁内または燃料噴射弁上流に燃料を加熱するヒータを備え、運転条件により噴射燃圧及び燃料温度を切り換え可能であり、燃料温度と噴射燃圧との組み合わせを、高温度且つ低噴射燃圧と、低温度且つ高噴射燃圧とに切り換えることを要旨とする。
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項５の発明は、請求項４に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、１サイクル中に噴射燃圧及び燃料温度の異なる燃料を複数回噴射することを要旨とする。
【００１１】
上記目的を達成するため、請求項６の発明は、請求項５に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、１サイクル中に燃料を複数回噴射する運転条件において、圧縮上死点近傍にて高温度の燃料を低噴射燃圧で噴射することを要旨とする。
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項７の発明は、請求項５または請求項６に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、圧縮自己着火運転領域内の高負荷運転時において、１回目に低温度の燃料を高噴射燃圧にて噴射し、圧縮上死点近傍時に高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射することを要旨とする。
【００１３】
上記目的を達成するため、請求項８の発明は、請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、圧縮自己着火運転領域内の中負荷運転時において、１回目に高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射し、圧縮上死点近傍時に高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射することを要旨とする。
【００１４】
上記目的を達成するため、請求項９の発明は、請求項５ないし請求項８のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、圧縮自己着火運転領域内の低負荷運転時において、圧縮行程時に高温度の燃料を低噴射燃圧にて１回噴射することを要旨とする。
【００１５】
上記目的を達成するため、請求項１０の発明は、請求項４ないし請求項９のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、可変リフト長の針弁及び２つの燃料供給口を有する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁の一方の燃料供給口に低噴射燃圧の燃料を供給する第１の燃料通路と、第１の燃料通路の燃料を加熱する加熱手段と、前記燃料噴射弁の他方の燃料供給口に高噴射燃圧の燃料を供給する第２の燃料通路と、を具備し、前記針弁のリフト長を変更することにより低噴射燃圧かつ高温度の燃料または高噴射燃圧かつ低温度の燃料を選択的に切り換えて噴射することを要旨とする。
【００１６】
上記目的を達成するため、請求項１１の発明は、請求項４ないし請求項９のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、燃料タンクと燃料噴射弁との間の燃料供給系に噴射燃圧の相異なる燃料通路を２つ具備し、一方の燃料通路の燃料を加熱する加熱手段を備えると共に、両燃料通路の燃料の流通を選択的に切り換えるバルブを有することを要旨とする。
【００１７】
上記目的を達成するため、請求項１２の発明は、請求項４ないし請求項９のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、筒内に直接燃料を噴射する第１の燃料噴射弁と吸気ポートに燃料を噴射する第２の燃料噴射弁とを具備し、第１の燃料噴射弁から高温度の燃料を低噴射燃圧で噴射し、第２の燃料噴射弁から低温度の燃料を高噴射燃圧で噴射することを要旨とする。
【００１８】
上記目的を達成するため、請求項１３の発明は、請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、少なくとも１つの燃料噴射弁と点火栓とを略燃焼室中心部に配設し、圧縮上死点近傍にて噴射した燃料を前記点火栓にて火花着火し、圧縮上死点近傍より進角側にて噴射した燃料の自己着火を誘発すること要旨とする。
【００１９】
上記目的を達成するため、請求項１４の発明は、少なくとも１つの燃料噴射弁を略シリンダ壁に配置し、点火栓を二個以上備え、第１の点火栓は燃料噴射弁近傍に配置し、第２の点火栓は略シリンダ中心に配置し、圧縮自己着火運転時には第１の点火栓により自己着火を誘発し、火花点火運転時には第２の点火栓により火花点火することを要旨とする請求項１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。
【００２０】
上記目的を達成するため、請求項１５の発明は、請求項１ないし請求項１４のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、機関回転速度が上がるにつれて、前記高温度の燃料の温度を上げることを要旨とする。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、混合気を圧縮着火により燃焼させる圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、１サイクル中に異なる温度の燃料を複数回噴射し、少なくとも最後の燃料噴射時に高温度の燃料を噴射することにより、燃料の気化熱による温度低下を極力抑制しつつ高濃度の気化燃料を含む濃厚混合気領域を局部的に所望の時期に形成することができるので、確実に着火させたい時期に自己着火させることができ、自己着火成立範囲を高負荷、高回転側へ拡大することができるという効果がある。
【００２２】
請求項２記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、１サイクル中に２回に分けて燃料を噴射し、２回目の燃料噴射を圧縮上死点付近で高温度の燃料を噴射するようにしたので、燃料の気化時間を短縮するとともに燃料の気化熱による雰囲気温度の低下を抑制しつつ濃厚混合気領域を高温になった筒内に形成することで直ちにこの混合気領域を自己着火させ、この領域の燃焼による圧力上昇および発熱により周囲の混合気も自己着火するので、主燃焼を圧縮上死点後に起こさせることができる。
【００２３】
請求項３記載の発明によれば、請求項２の発明の効果に加えて、前記燃料噴射弁内または燃料噴射弁上流に燃料を加熱するヒータを備え、１回目の噴射時には前記ヒータで加熱されない燃料を噴射し、２回目の噴射時には前記ヒータで加熱された燃料の噴射を行うようにしたので、燃料噴射弁及びこれに燃料を供給する燃料配管は１系統として複雑化することなく、燃料噴射弁内に設けたヒータのＯＮ／ＯＦＦ制御により加熱した高温度の燃料と非加熱の低温度の燃料とを噴き分けることが可能となる。
【００２４】
請求項４の発明によれば、運転条件により、噴射燃圧と燃料温度を切り換え可能であり、燃料温度と噴射燃圧との組み合わせを、高温度且つ低噴射燃圧と、低温度且つ高噴射燃圧とに切り換えることにより比較的高負荷及び高回転速度時に、均質燃焼または低成層燃焼を目指して燃料を高噴射燃圧かつ低温度にて噴射することより均質に拡散することができ、また低温度の燃料の気化潜熱により筒内の雰囲気温度を下げ、充填効率を高めることができ、大きな出力向上が得られる。
【００２５】
また、比較的低負荷時及び低回転速度時に、筒内混合気を高成層化するため、低噴射燃圧かつ高温度にて燃料噴射することにより、燃料噴霧の貫徹力を弱めるとともに燃料の気化時間を格段に早めることができ、筒内混合気の成層度を高めるとともに、燃費向上と共に燃焼安定度向上ができる。
【００２６】
請求項５の発明によれば、請求項４の発明の効果に加えて、少なくとも１回は上死点まで圧縮しても自己着火に至らない燃料量を噴射し、さらに圧縮行程後半にて、最後の燃料噴射を高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射することにより、局所的に濃い混合気を形成することが可能となり、自己着火を誘発する時期を２回目の噴射時期によりコントロールすることができる。
【００２７】
また、圧縮行程後半より進角側で噴射する燃料の噴射燃圧と燃料温度を変化させることにより、燃料の成層度を変えることができ、圧縮上死点において自己着火に至らない燃料量をコントロールすることが可能となり、自己着火運転時においても負荷を自由に設定することが可能となると共に燃焼安定度を改善することが可能となる。
【００２８】
請求項６の発明によれば、請求項５の発明の効果に加えて、圧縮上死点近傍にて、高温度の燃料を低噴射燃圧で噴射することにより、燃料拡散を抑制し、混合気分布を非常に高成層な状態にすることができる。また、燃料を高温度にて噴射することにより、気化時間を格段に早めると共に、気化潜熱による雰囲気温度低下を抑え、安定した自己着火を誘発できる。
【００２９】
請求項７の発明によれば、請求項５または請求項６の発明の効果に加えて、圧縮自己着火運転領域内の高負荷運転時において、１回目の燃料噴射を低温度、高噴射燃圧にて噴射することにより、燃料の均質度を高めると共に、雰囲気温度を下げることが可能となり、上死点近傍にて自己着火に至る当量比を上げることが可能となる。従って、１回目に噴射する上死点近傍にて着火に至らない燃料量を増加することが可能となり、自己着火燃焼領域を高負荷領域へ拡大することが可能となる。
【００３０】
また、上死点近傍にて、高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射することにより、気化時間を格段に早めると共に、燃料の気化熱による雰囲気温度低下を抑え、安定した自己着火を上死点後に誘発することができ、ノック低減及びＮＯｘ低減することが可能になる。
【００３１】
請求項８の発明によれば、請求項５ないし請求項７の発明の効果に加えて、圧縮自己着火運転領域内の中負荷運転時において、１回目の燃料噴射を高温度、低噴射燃圧にて噴射することにより、燃料の拡散を抑制し、混合気成層度の高い状態を作り出すことができる。また、高温度の燃料を噴射することにより、燃料気化を大幅に促進し気化時間を短縮することが可能となり、燃料のピストン冠面付着量を大幅に低減することが可能となる。さらに、上死点近傍にて、高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射することにより、気化時間を格段に早めると共に、気化潜熱による雰囲気温度低下を抑え、安定した自己着火を上死点後に誘発することができ、スモーク低減、ＨＣ低減、ノック低減、ＮＯｘ低減することが可能となる。
【００３２】
請求項９の発明によれば、請求項５ないし請求項８の発明の効果に加えて、圧縮自己着火運転領域内の低負荷運転時において、圧縮行程時に高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射することにより、燃圧が低いことによる燃料噴霧の貫徹力の低下と、燃料温度の高さによる蒸発の早さとが相俟って燃料の拡散を抑制し、比較的燃料濃度の高い一部の領域とその周囲の空気領域からなる混合気成層度の非常に高い状態を作り出すことが可能となる。
【００３３】
従って、総噴射燃料が少ない燃料量であったとしても、上死点近傍にて、安定して自己着火を誘発することが可能となり、ＮＯｘ低減とＨＣ低減が可能となる。
【００３４】
請求項１０の発明によれば、請求項４ないし請求項９の発明の効果に加えて、燃料噴射弁に可変リフト長の針弁及び２つの燃料供給口を設け、第１の燃料通路から燃料噴射弁の一方の燃料供給口に低噴射燃圧の燃料を供給するとともに、加熱手段により第１の燃料通路の燃料を加熱し、第２の燃料通路から燃料噴射弁の他方の燃料供給口に高噴射燃圧の燃料を供給するようにしたので、針弁のリフト長を変更することにより、高温かつ低燃圧の燃料または低温かつ高燃圧の燃料を選択的に噴射することが可能となり、自己着火運転時の高負荷領域を拡大すると共に、均質燃焼運転時のＮＯｘを低減することが可能となる。
【００３５】
請求項１１の発明によれば、請求項４ないし請求項９の発明の効果に加えて、燃料タンクと燃料噴射弁との間の燃料供給系に噴射燃圧の相異なる燃料通路を２つ具備し、一方の燃料通路の燃料を加熱する加熱手段を備えると共に、両燃料通路の燃料の流通を選択的に切り換えるバルブを設けたので、バルブを切り換えることにより、燃料噴射弁へ供給する燃料を、低噴射燃圧かつ高燃料温度の燃料と、高噴射燃圧かつ低燃料温度の燃料とを切り替えることが可能となり、圧縮自己着火運転時の高負荷領域を拡大すると共に均質燃焼運転時のＮＯｘを低減することが可能となる。
【００３６】
請求項１２の発明によれば、請求項４ないし請求項９の発明の効果に加えて、筒内に直接燃料を噴射する第１の燃料噴射弁と吸気ポートに燃料噴射する第２の燃料噴射弁とを具備し、第１の燃料噴射弁から高温度の燃料を低噴射燃圧で噴射し、第２の燃料噴射弁から低温度の燃料を高噴射燃圧で噴射するようにしたので、運転条件または燃料噴射回数により、噴射する燃料噴射弁を切り換えることにより、自己着火運転時の高負荷領域を拡大すると共に均質運転時のＮＯｘを低減することが可能となる。
【００３７】
請求項１３の発明によれば、請求項１ないし請求項１２の発明の効果に加えて、少なくとも１つの燃料噴射弁と点火栓とを略燃焼室中心部に配設し、圧縮上死点近傍にて噴射した燃料をこの点火栓にて火花着火し、圧縮上死点近傍より進角側にて噴射した燃料の自己着火を誘発するようにしたので、主燃焼時期を圧縮上死点後にすることができる。従って、急峻な燃焼を抑制するとともに、燃焼温度が上がらないため、自己着火の負荷領域が拡大でき、ＮＯｘを低減することができる。
【００３８】
請求項１４の発明によれば、請求項１ないし請求項１２の発明の効果に加えて、少なくとも１つの燃料噴射弁を略シリンダ壁に配置し、点火栓を二個以上備え、第１の点火栓は燃料噴射弁近傍に配置し、第２の点火栓は略シリンダ中心に配置し、圧縮自己着火式運転時には第１の点火栓により自己着火を誘発し、火花点火式運転時には第２の点火栓により火花点火するようにしたので、自己着火運転時の燃焼開始時期を正確に制御するとともに急峻燃焼を抑制できるようになり、火花点火運転時のノッキングを抑制できる。
【００３９】
請求項１５の発明によれば、機関回転速度が上がるにつれて前記高温度の燃料温度を上げることにより、燃料噴射から自己着火までの時間が短くなる高回転領域においても速やかに燃料を気化させて着火タイミングを安定化し、燃焼安定度を増すことが可能となる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る圧縮自己着火式ガソリン内燃機関の第１の実施形態を説明するシステム構成図である。
【００４１】
図１において、エンジン本体１０は、シリンダ１１と、シリンダヘッド１２と、ピストン１３とを備え、これらで燃焼室１４を形成している。燃焼室１４へ通じる吸気ポート１５は、吸気バルブ１６により開閉され、排気ポート１７は、排気バルブ１８により開閉される。シリンダヘッド１２の燃焼室１４の略中心に対向する位置には、燃料噴射弁１９と点火プラグ２０とが取り付けられている。
【００４２】
燃料噴射弁１９は、後述するように例えば可変リフト長の針弁と２つの燃料供給口を備え、例えば燃料噴射弁の駆動パルス振幅を変化させることにより針弁のリフト長が可変であり、このリフト長の差異により、２つの燃料供給口のいずれか一方から供給される燃料を噴射することができるようになっている。
【００４３】
そして、燃料噴射弁１９の一方の燃料供給口には、高圧力・低温度燃料供給系７から高燃圧かつ低温度の燃料が供給され、他方の燃料供給口には、低圧力・高温度燃料供給系８から低燃圧かつ高温度に加熱された燃料が供給されている。
【００４４】
上記構成による本実施形態では、燃料噴射弁１９の針弁リフト長を変えることにより、高燃圧・低温度の燃料、或いは低燃圧・高温度の燃料を選択的に燃焼室１４へ噴射できるようになっている。
【００４５】
この燃料噴射により図１に示すように、ある運転条件では、高燃圧・低温度の燃料噴射により形成された比較的燃料濃度が低く広い比較的希薄混合気領域２１と、圧縮行程後半で低燃圧・高温度の燃料噴射により形成された比較的燃料濃度が高く狭い比較的濃厚混合気領域２２が形成される。そして圧縮上死点付近では、比較的濃厚混合気領域２２から自己着火し、周囲の比較的希薄混合気領域２１も引き続いて自己着火する。
【００４６】
このエンジン本体１０を制御する電子制御装置（以下、ＥＣＵと略す）１は、運転条件に応じて圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼とのいずれの方式で運転を行なうかを判定する燃焼パターン判定部２と、火花点火燃焼制御部３と、圧縮自己着火燃焼運転時の燃焼制御パラメータを制御する自己着火燃焼制御部４と、燃料噴射弁１９の駆動パルス振幅を変化させることにより燃料噴射の噴射燃圧と燃料温度を切り替える噴射燃料制御部５と、圧縮自己着火燃焼運転時に筒内ガスの成層化と燃料噴射時期を変更する噴射時期制御部６と、を備えている。
【００４７】
尚、ＥＣＵ１の構成要素のうち、燃焼パターン判定部２、火花点火燃焼制御部３、自己着火燃焼制御部４、噴射燃料制御部５、噴射時期制御部６はマイクロコンピユータのプログラムとして実現されている。
【００４８】
またＥＣＵ１は、図外のクランク角センサが検出したクランク角信号及び図外のアクセル開度センサが検出したアクセル開度信号を入力し、これら信号からエンジン回転数と負荷を検出する。そして燃焼パターン判定部２は、エンジン回転数、負荷に基づいて運転条件を判定し、火花点火か自己着火か燃焼形態を判断する。また運転条件に応じて１サイクル当たりの燃料噴射回数、燃料噴射量、燃料噴射時期、及び点火プラグ２０の火花放電により火花点火を起こさせる、または自己着火を誘起させる点火時期を算出する。そして、この算出結果に基づき、燃料噴射弁１９に燃料噴射パルス信号、点火プラグ２０に点火信号をそれぞれ送る。
【００４９】
このような構成のもと、本発明では、図２に示すような、中低負荷及び中回転数以下の特定の運転条件において圧縮自己着火燃焼を行ない、高負荷または高回転数域においては火花点火燃焼を行なう。
【００５０】
次に、本実施形態の動作について説明する。
図３は、空燃比に対する自己着火燃焼が成立する範囲を示すものである。空燃比をリーンにしていくと燃焼安定性が悪化し、機関のトルク変動が大きくなる。このため、内燃機関として設計値、またはこの内燃機関を搭載した車両の性格等として許容できる安定度限界が安定度限界値Ｓｔｈとなる空燃比ＡＦＬがリーン限界となる。
【００５１】
一方、空燃比をリッチにしていくとノッキング強度が増大する。これによりノッキング限界Ｎｔｈにおける空燃比ＡＦＲがリッチ限界となる。従って、安定度限界空燃比ＡＦＬとノック限界空燃比ＡＦＲとで囲まれる空燃比領域が自己着火成立範囲となる。
【００５２】
このように、自己着火は限られた空燃比範囲でしか成立しない。尚、ここではガスと燃料の割合を表す指標としてＡ/Ｆを例に説明した。残留ガスあるいはＥＧＲガスが含まれる場合についても同様の傾向を示し、この際には横軸は新気と既燃ガスを合せたトータルのガス量と燃料量割合であるＧ／Ｆとなる。
【００５３】
このように自己着火成立範囲が限定されるのは、空燃比の変化と共に燃焼時期が変化することに起因する。自己着火燃焼の燃焼開始時期は、ガソリンの予反応（低温酸化反応）速度に依存するが、この反応速度に対する空燃比の感度が大きい。このため、空燃比をリッチにした場合には反応速度が増加する。その結果、圧縮上死点（ＴＤＣ）以前で燃焼が開始し、急峻な燃焼となり、ノッキングを引き起こす。
【００５４】
一方、空燃比をリーンにした場合には反応速度が低下する。その結果、圧縮上死点（ＴＤＣ）から遅角した時期で燃焼が開始し、ピストンの下降による圧力低下などにより十分な燃焼が行われずに、燃焼不安定を引き起こす。
このように、自己着火燃焼範囲を拡大するためには燃焼開始時期を制御する必要がある。
【００５５】
図４は、空燃比に対する着火遅れ時間を示す図である。着火遅れの時間は燃料が噴射されてから自己着火して燃焼が開始するまでの時間である。空燃比が小さく燃料濃度が高い程、着火遅れ時間は短くなる。ここで、少量の燃料を追加的に低噴射燃圧で燃料噴霧の飛翔を抑制して噴射することにより、着火時間が短いリッチ空燃比領域を燃焼室内に局所的に形成し、成層度を高めることによって、自己着火燃焼開始時期を噴射時期によって制御することができる。
【００５６】
しかしながら、高成層状態を形成するために筒内に直接燃料を噴射することは、燃料の気化潜熱により、雰囲気温度が下がることになり、自己着火に至る時間が安定しなくなる。これを回避するために高温度の燃料を低噴射燃圧で噴射すると、火花点火領域において筒内の均質度は悪化し、ＮＯｘと粒子状物質の排出を低減できない。
【００５７】
そこで、本発明では、運転条件により、高成層状態を生成するときには高温度の燃料を低噴射燃圧とし、均質状態を生成するときには低温度の燃料を高噴射燃圧とするように、燃料温度と噴射燃圧を変化させる。これにより、低温度の燃料を高噴射燃圧で噴射する場合、燃料噴霧の拡散が促進されるとともに、気化潜熱により温度が下がり充填効率が向上し、均質状態のノッキング防止とともに性能向上が可能となり、高温度の燃料を低噴射燃圧で噴射する場合、燃料拡散を抑制するとともに気化潜熱による雰囲気温度の低下を抑制し、局部的に自己着火に至るリッチ層を形成し、自己着火に最適な高成層状態を形成することができる。
【００５８】
また、回転数が上がるにつれ、噴射してから最適燃焼時期までの時間が短くなる。噴射時期を進角側にすることにより、噴射してから最適燃焼時期までの時間を長くすることができるが、混合気拡散が起こり成層度が悪くなるため、好ましくない。従って、回転数が上がるにつれ、燃料温度を上げ、気化時間を短くする必要がある。
【００５９】
図５は、燃料温度に対する気化速度を示すグラフである。ガソリン等の炭化水素燃料は、燃料温度が高くなればなるほど気化速度が高くなり、短時間で気化するようになる。
【００６０】
図６に自己着火領域における高負荷領域運転時における筒内混合気の空燃比分布を示す。横軸は左方にシリンダ中心、右方にシリンダ壁を表し、縦軸に空燃比を表す。ここに、領域Ａは、上死点近傍にて自己着火に至らない量の燃料を、吸気行程から圧縮行程初めに、低燃料温度かつ高噴射燃圧にて噴射することにより形成する。ここで、低燃料温度にて噴射することにより、筒内雰囲気温度が下がり、領域Ａの空燃比をリッチにすることが可能となる。また、高噴射燃圧にて噴射することにより、燃料噴霧が広く拡散し領域Ａの均質度を高めることが可能となる。
【００６１】
領域Ｂは、圧縮上死点近傍にて、高燃料温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射することにより形成する。高温度の燃料を噴射することにより、燃料の気化潜熱を抑制し、かつ、低噴射燃圧で噴射することにより、燃料の拡散を抑え、局所的な空燃比のリッチな領域Ｂを生成できる。空燃比のリッチな混合気は、噴射後からの着火遅れ時間が短いため、燃焼開始時期を上死点近傍の噴射時期を変化させることにより、コントロールすることが可能となる。よって、図６の筒内混合気分布を生成することにより、自己着火運転領域における高負荷限界を格段に広げることが可能となり、燃焼安定度も良くし、ＮＯｘ排出量をも低減することが可能となる。
【００６２】
図７に自己着火領域における中負荷領域運転時における筒内混合気の空燃比分布を示す。横軸は左方にシリンダ中心、右方にシリンダ壁を表し、縦軸に空燃比を表す。ここに、領域Ａは、圧縮上死点近傍にて自己着火に至らない量の燃料を、圧縮行程初めから圧縮行程後半に、高燃料温度かつ低噴射燃圧にて噴射することにより形成する。ここで、高温の燃料を低燃圧にて噴射することにより、燃料噴霧の貫徹力が弱まることと気化速度が高いことの相乗効果で非常に成層度の高い混合気分布を形成することが可能となる。
【００６３】
すなわち、圧縮上死点付近では自己着火に至らない濃度の混合気領域Ａは、負荷の大きさにもよるがシリンダ中心を中心としてシリンダ壁から離れたところまでしか分布しなくて、その外側には、空気層が分布している。領域Ｂは、図６の場合と同じく、圧縮上死点近傍にて、高燃料温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射することにより形成する。
【００６４】
ここで、シソンダー壁近傍の温度の非常に低い領域に燃料があると燃焼温度の上がらない中負荷運転領域においては未燃焼となり、ＨＣが排出される。
従って、図７の筒内混合気分布図にあるように、非常に成層度の高い混合気分布にすることで、非常にＨＣ排出量低減することが可能となる。
【００６５】
図８に自己着火領域における低負荷領域運転時における筒内混合気の空燃比分布を示す。横軸は左方にシリンダ中心、右方にシリンダ壁を表し、縦軸に空燃比を表す。圧縮上死点近傍にて自己着火に至る量の燃料を、圧縮行程初めから圧縮行程後半に、高燃料温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射することにより領域Ａを形成する。この領域Ａの半径は、図７の領域Ａの半径より小さく形成される。ここで、高温の燃料を低燃圧にて噴射することにより、非常に成層度の高い混合気分布を形成することが可能となり、ＨＣ排出量を低減することが可能となる。
【００６６】
次に、図９のフローチャートを参照して制御の流れを説明する。まずＳ３１にて、クランク角センサ信号及びアクセル開度信号に基づいてエンジン回転数、負荷を検出する。次いで、Ｓ３２でエンジン回転数、負荷に基づいて燃焼形態を判断する。すなわち、エンジン回転数、負荷から図２に示したような燃焼形態判断用のマップを使って、火花点火燃焼を行うか、自己着火燃焼を行うか判断する。火花点火燃焼を行う場合にはＳ３３で火花点火燃焼の制御を開始し、自己着火燃焼を行う場合にはＳ３４にて自己着火燃焼の制御を開始する。
【００６７】
次に、図１０のフローチャートを参照して、自己着火燃焼制御の流れを説明する。まずＳ４１にてクランク角センサ信号及びアクセル開度信号に基づいてエンジン回転数、負荷を検出し、Ｓ４２にて負荷を判断する。Ｓ４２にて低負荷と判断され場合、Ｓ４３で低負荷自己着火燃焼制御を開始する。Ｓ４４にて噴射時期、噴射燃料の温度及び燃圧を判断し、Ｓ４５にて高温度、低噴射燃圧の燃料を噴射する。
【００６８】
Ｓ４２にて中負荷と判断された場合、Ｓ４６にて中負荷自己着火燃焼制御を開始する。Ｓ４７にて噴射回数、噴射時期、噴射燃料の温度及び燃圧を判断し、Ｓ４８にて吸気行程後半から圧縮行程前半で高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射する。次いでＳ４９にて上死点近傍で高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射する。
【００６９】
Ｓ４２にて高負荷と判断された場合、Ｓ５０にて高負荷自己着火燃焼制御を開始する。Ｓ５１にて噴射回数、噴射時期、噴射燃料の温度及び燃圧を判断し、Ｓ５２にて吸気行程で低温度の燃料を高噴射燃圧にて噴射する。次いでＳ５３にて上死点近傍で高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射する。
【００７０】
次に、図１１のタイムチャートにて各々の運転条件における噴射時期を説明する。図１１の横軸はクランク角度であり、縦軸は負荷の大きさ別に４つのブロックに分割した負荷を示す。
【００７１】
火花点火運転領域においては、吸気行程にて低温度の燃料を高噴射燃圧にて噴射し均質混合気を形成する。自己着火運転領域における高負荷運転領域においては、吸気行程後半から圧縮行程前半において、１回目の燃料噴射を低温度燃料を高噴射燃圧にて噴射し、上死点近傍にて高温度燃料を低噴射燃圧にて２回目の燃料を噴射する。
【００７２】
自己着火運転領域における中負荷運転領域において、１回目の燃料噴射を圧縮行程前半から圧縮行程後半にて高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射し、上死点近傍にて高温度の燃料を低噴射燃圧にて２回目の燃料噴射を行う。
自己着火運転領域における低負荷運転領域において、圧縮行程後半にて高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射する。
【００７３】
次に、図１における高圧力・低温度燃料供給系７、及び低圧力・高温度燃料供給系８の詳細について、図１２の燃料供給系統図を参照して説明する。
【００７４】
図１２に示す燃料供給系統は、ガソリン等の燃料を貯蔵する燃料タンク３０と、燃料フィルタブロック（Ｆ／Ｂ）３１と、燃料タンク３０からＦ／Ｂ３１を経由して燃料を吸い上げ高圧に加圧して燃料噴射弁１９に供給する高圧力・低温度燃料供給系７と、ヒータ３８により燃料を加熱して低圧力且つ高温度の燃料を供給する低圧力・高温度燃料供給系８と、燃料噴射弁１９と、冷媒循環用のポンプ３５と、燃料タンク内に配置され燃料に浸された熱交換器３６と、を備えている。
【００７５】
高圧力・低温度燃料供給系７は、可変吐出圧電動ポンプ３２と、リリースバルブ３３と、熱交換器３４とを備え、Ｆ／Ｂ３１により濾過された燃料を可変吐出圧電動ポンプ３２により高圧力に加圧し、リリースバルブ３３で所定の高燃圧に燃料圧力を調整して、燃料配管Ａを介して燃料噴射弁１９の一方の燃料供給口に接続されている。そして、燃料配管Ａに接して熱交換器３４が設けられ、燃料配管Ａの内部の燃料を冷却するように、ポンプ３５により熱交換器３４と熱交換器３６との間で不凍液又は難燃性オイル等の冷媒が循環し、高燃圧に加圧された燃料の熱を燃料タンク３０内の燃料に放熱するようになっている。
【００７６】
低圧力・高温度燃料供給系８は、リリースバルブ３３のリターン側に接続されたリリースバルブ３７と、電熱または排気ガス等の熱により燃料配管Ｂの内部の燃料を加熱する加熱手段であるヒータ３８とを備え、リリースバルブ３７により所定の低燃圧に燃料圧力を調整した上で、ヒータ３８により所定の高温度まで加熱された燃料を燃料配管Ｂにより、燃料噴射弁１９の他方の燃料供給口に燃料を供給している。
【００７７】
従って、燃料配管Ａには低い温度かつ高噴射燃圧の燃料があり、燃料配管Ｂには高い温度かつ低噴射燃圧の燃料がある。また、燃料噴射弁１９内には燃料配管Ａと燃料配管Ｂの出口高さを変えて備えており、可変リフト長針弁４０のリフト長を変化させることにより、噴射する燃料の供給源を燃料配管Ａ又は燃料配管Ｂに切り換えできる。
【００７８】
この燃料噴射弁１９内の可変リフト針弁４０は、運転条件により図１の噴射燃料制御部５が指示する噴射弁駆動パルスの振幅を変化させることにより、リフト長を変化させることができる。高い温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射するときには、リフト長を短くし、低い温度の燃料を高噴射燃圧で噴射するときには、リフト長を長くする。この構成により、一つの燃料噴射弁により燃料を吹き分けることが可能となる。
【００７９】
次に、図１３を参照して第１実施形態の燃料供給系統の変形例について説明する。この変形例は、高圧力・低温度燃料供給系７と低圧力・高温度の燃料供給系８との切り換えに３方向弁を使用する例である。
【００８０】
図１３に示す燃料供給系統は、ガソリン等の燃料を貯蔵する燃料タンク３０と、燃料フィルタブロック（Ｆ／Ｂ）３１と、燃料タンク３０からＦ／Ｂ３１を経由して燃料を吸い上げ高圧に加圧する可変吐出圧電動ポンプ３２と、３方向バルブ３９と、熱交換器３４、３６と、ポンプ３５と、リリースバルブ３７と、ヒータ３８と、燃料噴射弁１９とを備えている。
【００８１】
熱交換器３４、３６と、ポンプ３５とによる高圧力・低温度燃料供給系７の燃料冷却機能、ヒータ３８による低圧力・高温度燃料供給系８の燃料加熱機能、及びリリースバルブ３７による燃圧調整機能は、図１２と同様である。
【００８２】
３方向バルブ３９は、可変吐出圧電動ポンプ３２から吐出される高燃圧の燃料を燃料配管Ａまたは燃料配管Ｂのいずれかに切り換えて送出する。
【００８３】
燃料配管Ａには熱交換器３４を備え、燃料配管Ｂにはヒータ３８と噴射燃圧を下げるためのリリースバルブ３７を備える。従って、燃料配管Ａには低い温度かつ高噴射燃圧の燃料があり、燃料配管Ｂには高い温度かつ低噴射燃圧の燃料がある。燃料配管Ａ，Ｂは、燃料噴射弁１９の直前で燃料配管Ｃに纏められて燃料噴射弁１９に燃料を供給するようになっている。
【００８４】
従って、この燃料供給系統は、図１の噴射燃料制御部５からの指示に従って、３方向バルブ３９を切り替えることにより、高い温度にて低噴射燃圧の燃料と、低い温度にて高噴射燃圧の燃料とを吹き分ける。この構成により、一つの燃料噴射弁により、燃料を吹き分けることが可能となる。
【００８５】
図１４は、本発明に係る圧縮自己着火式ガソリン内燃機関の第２実施形態のシステム構成図である。本実施形態の構成は、図１に示した第１実施形態の構成の吸気ポート１５に燃料噴射弁２３を追加し、燃料噴射弁２３には高圧力・低温度燃料供給系７から燃料供給し、燃料噴射弁１９には低圧力・高温度燃料供給系８から燃料供給しするものである。
【００８６】
燃料噴射弁２３からは低い温度の燃料を高噴射燃圧で噴射し、燃料噴射弁１９からは高い温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射する。これにより均質燃焼運転時の均質度と充填効率を高めるとともに、自己着火運転時の成層度を高めることができる。
【００８７】
次に、自己着火燃焼時に圧縮上死点近傍にて噴射した燃料を点火プラグにて火花着火し、圧縮上死点近傍より進角側にて噴射した燃料の自己着火を誘発する実施形態を説明する。
【００８８】
前述の通り、自己着火燃焼範囲を拡大するためには、燃焼開始時期を制御する必要がある。さらに、燃焼安定度を高めるために、自己着火領域における高、中負荷領域について、上死点近傍にて噴射した燃料を図１５のタイムチャートに示したように、圧縮上死点後の間もない時期に火花点火することにより、上死点進角側にて噴射した燃料を自己着火に至らしめる。従って、サイクル変動を最小限に抑え、安定した自己着火燃焼を可能とする。
【００８９】
図１６は、本発明に係る圧縮自己着火式ガソリン内燃機関の第３実施形態のシステム構成図である。先に説明した第１、第２実施形態においては、高燃圧・低温度の燃料と、低燃圧・高温度の燃料を運転条件または噴射回数によって使い分けを行ったが、本実施形態においては、単に燃料温度を低温度のものと高温度のものとを運転条件または噴射回数によって使い分けることとしている。
【００９０】
第１、第２実施形態における噴射燃圧の高低の変化は、図１１のタイムチャートにまとめたように、吸気行程に噴射するものが低温度・高燃圧であり、圧縮行程に噴射するものが高温度・低燃圧であった。しかし、燃圧を変化させず、燃料温度の変化のみでもある程度の効果が得られる。
【００９１】
何故ならば、一定燃圧の条件で吸気行程噴射の場合と、圧縮行程噴射の場合、特に圧縮上死点付近で噴射する場合とを考えると、吸気行程では雰囲気圧力が１０５Ｐａ（約１気圧）以下であるのに対して、圧縮行程では、クランク角に応じて圧力が高まり、圧縮上死点付近では、圧縮比に応じて１０６Ｐａ（約１０気圧）程度の圧力となる。従って、吸気行程における燃料噴霧の貫徹力は大きくなり広く拡散し、圧縮行程、特に上死点付近における燃料噴霧の貫徹力は小さくなりあまり拡散しない。これにより、燃圧を変化させなくても噴射時期の雰囲気圧力の相違による燃料噴霧の拡散性によりある程度の効果が得られる。
【００９２】
本第３実施形態と図１に示した第１実施形態との相違は、燃料噴射弁５０が内部にヒータを備える燃料噴射弁であり、ＥＣＵ１の噴射弁ヒータ制御部９からのヒータＯＮ／ＯＦＦ指示により、加熱された高温度の燃料と非加熱の低温度の燃料とを吹き分けることができるようになっていることと、燃圧が一定であることである。
【００９３】
図１７は、図１６の燃料噴射弁５０の先端部の構造を説明する断面図である。図１７に示すように電気ヒータ５３を燃料噴射弁５０内に配設し、この電気ヒータ５３をＯＮ／ＯＦＦすることにより、燃料噴射弁キャビティ５４内にある燃料の加熱または非加熱の切換が可能となる。
【００９４】
本実施形態では、前サイクルの二度目の噴射後に、電気ヒータ５３をＯＦＦし、一度目に噴射する燃料を非加熱とすることにより、燃料の気化速度を抑制し、燃料の均一度を高める。
【００９５】
一方、一度目の噴射後に、電気ヒータ５３をＯＮし、二度目に噴射する燃料を加熱するにより、燃料の気化速度を高めることが可能となる。気化燃料は拡散が抑制されるため、二度目に噴射する燃料量の制御が可能となる。
【００９６】
本実施形態において、ヒータのスイッチを切り替えることとしているが、常時ヒータを点け、一度目の噴射を早期噴射とし、温度の低い吸気空気により燃料を冷やし、燃料の気化を抑制することにより、一度目に噴射した燃料の均一度を高めることも可能である。
【００９７】
図１８は、本実施形態の動作を説明するフローチャートである。
図外のフローチャートにより自己着火燃焼と判断された場合についての制御のみを説明する。Ｓ６１にて１回目に噴射する燃料噴射量αと２回目に噴射する燃料噴射量βを負荷により演算する。ここで、例えば、α：β＝９：１とする。Ｓ６２にて１回目の燃料噴射時期（ＩＴ１）を判断する。例えばここで、ＩＴ１＝３００ｄｅｇＢＴＤＣＦとすると、３００ＢＴＤＣとなった時期にＳ６３にて１回目の噴射を開始し、噴射量αだけ噴射する。
【００９８】
次いで、Ｓ６４にて噴射噴き終わり直後から燃料噴射弁内に備えられた電気ヒータ５３をＯＮとする。次いでＳ６５にて二度目の燃料噴射時期（ＩＴ２）を判断する。例えばここでＩＴ２＝ＴＤＣとすると、ＴＤＣとなった時期にＳ６６にて２回目の噴射を開始し、噴射量βだけ噴射する。次いでＳ６７にて噴射噴き終わり直後から燃料噴射弁内に備えられたヒータ５３をＯＦＦとし、次のサイクルの非加熱燃料噴射に備える。
【００９９】
図１９は、第４実施形態の構成を示すシステム構成図である。
図１に示した第１実施形態との相違は、略シソンダー中心に配設された点火プラグ２０ａの他に点火プラグ２０ｂを略シリンダ壁に配設し、また燃料噴射弁１９の位置を略シリンダ中心から略シリンダ壁に移動させ第２の点火プラグ２０ｂの近傍に配置したものである。
【０１００】
燃料噴射弁１９が略シリンダ壁に配置されたことにより、２回目の燃料噴射による比較的濃厚混合気２２は、シリンダ中心部ではなくシリンダ壁近くに形成される。燃料噴射の負荷によるタイミングは、図１１に示した第１実施形態と同様である。
【０１０１】
本実施形態においては、火花点火運転時に、略シリンダ中心に配設した点火プラグ２０ａにより火花点火をさせ、また自己着火運転時において、略シリンダ壁に配設した点火プラグ２０ｂにより、二度目に噴射した燃料による混合気２２に着火をすることにより、一度目に噴射した燃料の比較的希薄混合気２１に自己着火燃焼を起こさせることが可能となる。そして、比較的濃厚混合気２２がシリンダ中心部ではなく、シリンダ壁近傍に形成されるので、比較的濃厚混合気２２の燃焼により引き起こされる比較的希薄混合気２１の自己着火の立ち上がりが急峻ではなくなり、穏やかな自己着火の立ち上がりとなる。
【０１０２】
本実施形態の圧縮自己着火は、図２に示した第１実施形態と同様に、中回転以下、中負荷以下の運転領域で可能であり、高回転、高負荷運転時においては火花着火運転を行う。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧縮自己着火式ガソリン内燃機関の第１実施形態のシステム構成図である。
【図２】実施形態の運転条件による燃焼パターン判定図であり、エンジン回転数及び負荷による火花点火燃焼領域と自己着火燃焼領域とを示す。
【図３】空燃比に対する自己着火成立範囲を示す図である。
【図４】空燃比に対する着火遅れ時間を示す図である。
【図５】燃料温度に対する気化速度を示す図である。
【図６】自己着火領域における高負荷時の筒内混合気の空燃比分布図である。
【図７】自己着火領域における中負荷時の筒内混合気の空燃比分布図である。
【図８】自己着火領域における低負荷時の筒内混合気の空燃比分布図である。
【図９】第１実施形態の制御フローチャートである。
【図１０】自己着火領域運転時の制御フローチャートである。
【図１１】負荷の領域毎の燃料噴射時期のタイムチャートである。
【図１２】高圧力・低温度燃料供給系、および低圧力・高温度燃料供給系の詳細実施形態の説明図である。
【図１３】高圧力・低温度燃料供給系、および低圧力・高温度燃料供給系の変形例の説明図である。
【図１４】本発明に係る圧縮自己着火式ガソリン内燃機関の第２実施形態のシステム構成図である。
【図１５】自己着火領域運転時における噴射時期と点火時期とを示すタイムチャートである。
【図１６】本発明に係る圧縮自己着火式ガソリン内燃機関の第３実施形態のシステム構成図である。
【図１７】第３実施形態における燃料噴射弁の先端部の構造を説明する断面図である。
【図１８】第３実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図１９】本発明に係る圧縮自己着火式ガソリン内燃機関の第４実施形態のシステム構成図である。
【符号の説明】
１ エンジンコントロールユニット
２ 燃焼パターン判定部
３ 火花点火燃焼判定部
４ 自己着火燃焼制御部
５ 噴射燃料制御部
６ 噴射時期制御部
７ 高圧力・低温度燃料供給系
８ 低圧力・高温度燃料供給系
１０ エンジン本体
１１ シリンダブロック
１２ シリンダヘッド
１３ ピストン
１４ 燃焼室
１５ 吸気ポート
１６ 吸気バルブ
１７ 排気ポート
１８ 排気バルブ
１９ 燃料噴射弁
２０ 点火プラグ
２１ 比較的希薄混合気領域
２２ 比較的濃厚混合気領域
Claims (15)
- 筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、混合気を圧縮着火により燃焼させる圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、
１サイクル中に異なる温度の燃料を複数回噴射し、少なくとも最後の燃料噴射時に高温度の燃料を噴射することを特徴とする圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。 - １サイクル中に２回に分けて燃料を噴射し、２回目の燃料噴射は圧縮上死点付近で高温度の燃料を噴射することを特徴とする請求項１に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。
- 前記燃料噴射弁内または燃料噴射弁上流に燃料を加熱するヒータを備え、
１回目の噴射時には前記ヒータで加熱されない燃料を噴射し、
２回目の噴射時には前記ヒータで加熱された燃料の噴射を行うことを特徴とする請求項２に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。 - 筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、混合気を圧縮着火により燃焼させる圧縮自己着火式ガソリン内燃機関において、
前記燃料噴射弁内または燃料噴射弁上流に燃料を加熱するヒータを備え、
運転条件により噴射燃圧及び燃料温度を切り換え可能であり、燃料温度と噴射燃圧との組み合わせを、高温度且つ低噴射燃圧と、低温度且つ高噴射燃圧とに切り換えることを特徴とする圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。 - １サイクル中に噴射燃圧及び燃料温度の異なる燃料を複数回噴射することを特徴とする請求項４に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。
- １サイクル中に燃料を複数回噴射する運転条件において、
圧縮上死点近傍にて高温度の燃料を低噴射燃圧で噴射することを特徴とする請求項５に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。 - 圧縮自己着火運転領域内の高負荷運転時において、
１回目に低温度の燃料を高噴射燃圧にて噴射し、圧縮上死点近傍時に高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。 - 圧縮自己着火運転領域内の中負荷運転時において、
１回目に高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射し、圧縮上死点近傍時に高温度の燃料を低噴射燃圧にて噴射することを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。 - 圧縮自己着火運転領域内の低負荷運転時において、
圧縮行程時に高温度の燃料を低噴射燃圧にて１回噴射することを特徴とする請求項５ないし請求項８のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。 - 可変リフト長の針弁及び２つの燃料供給口を有する燃料噴射弁と、
前記燃料噴射弁の一方の燃料供給口に低噴射燃圧の燃料を供給する第１の燃料通路と、
第１の燃料通路の燃料を加熱する加熱手段と、
前記燃料噴射弁の他方の燃料供給口に高噴射燃圧の燃料を供給する第２の燃料通路と、を具備し、
前記針弁のリフト長を変更することにより低噴射燃圧かつ高温度の燃料または高噴射燃圧かつ低温度の燃料を選択的に切り換えて噴射することを特徴とする請求項４ないし請求項９のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。 - 燃料タンクと燃料噴射弁との間の燃料供給系に噴射燃圧の相異なる燃料通路を２つ具備し、一方の燃料通路の燃料を加熱する加熱手段を備えると共に、両燃料通路の燃料の流通を選択的に切り換えるバルブを有することを特徴とする請求項４ないし請求項９のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。
- 筒内に直接燃料を噴射する第１の燃料噴射弁と吸気ポートに燃料を噴射する第２の燃料噴射弁とを具備し、第１の燃料噴射弁から高温度の燃料を低噴射燃圧で噴射し、第２の燃料噴射弁から低温度の燃料を高噴射燃圧で噴射することを特徴とする請求項４ないし請求項９のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。
- 少なくとも１つの燃料噴射弁と点火栓とを略燃焼室中心部に配設し、
圧縮上死点近傍にて噴射した燃料を前記点火栓にて火花着火し、圧縮上死点近傍より進角側にて噴射した燃料の自己着火を誘発すること特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。 - 少なくとも１つの燃料噴射弁を略シリンダ壁に配置し、点火栓を二個以上備え、第１の点火栓は燃料噴射弁近傍に配置し、第２の点火栓は略シリンダ中心に配置し、圧縮自己着火運転時には第１の点火栓により自己着火を誘発し、火花点火運転時には第２の点火栓により火花点火することを特徴とする請求項１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。
- 機関回転速度が上がるにつれて、前記高温度の燃料の温度を上げることを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン内燃機関。
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