JP3873580B2 - 圧縮自己着火式内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮自己着火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮自己着火燃焼は燃焼室の多点で燃焼が開始されるため燃焼速度が速く、通常の火花点火燃焼に比べて空燃比がリーンな状態でも安定した燃焼を実現することができて燃料消費率の向上が可能であり、また、空燃比がリーンなため燃焼温度が低下することから、排気ガス中のＮＯｘを大幅に低減することができる。
【０００３】
また、高回転、高負荷領域では通常の火花点火燃焼を行わせ、低回転、低中負荷領域では上記火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼に燃焼形態を切り替えることによって、高回転、高負荷時の高出力確保と、低回転、低中負荷時の燃料消費率向上およびＮＯｘの低減と、の両立を図ることができる。
【０００４】
ガソリンのような自己着火性の低い燃料を用いて圧縮自己着火燃焼を行なわせる場合は、ノッキングを伴なう急速燃焼を抑制するために早期着火の防止が重要であり、これは、例えば特開平１０−１９６４２４号公報や特開平１１−２１０５３９号公報に示されているように、ＴＤＣ付近で混合気にスパークアシストや温度上昇などを与え、燃焼開始時期をコントロールすることで可能としている。
【０００５】
またディーゼルエンジンでの圧縮自己着火燃焼では、特開平７−４２８７号公報に示されているように、着火時期と燃焼温度を制御してＴＤＣ後の燃焼を実現し、ＮＯｘとスモークの両立を図っている例がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら前者の特開平１０−１９６４２４号公報や特開平１１−２１０５３９号公報の従来例では、負荷、エンジン回転数に応じた燃焼制御が行われていない。よって着火時期をＴＤＣ付近に制御できたとしても、高負荷時すなわち筒内の燃料濃度が高い場合には、低負荷時に比べて燃焼速度が早くなるため、筒内圧の上昇が急激となり、燃焼に起因した振動・騒音を十分に抑制することができない。また高回転時には、時間が相対的に不足するため、燃焼が終了する前に必要となる筒内温度ならびに圧力が低下してしまい、未燃燃料が増加するなどの不具合を生じる。
【０００７】
また後者の特開平７−４２８７号公報の従来例は、軽油のような高セタン化燃料を使用したものであり、負荷、回転数に拠らず、ＴＤＣ後のほぼ同一のクランク角度にて着火させるように、噴射時期および燃焼温度を制御する構成としている。しかしながら、ガソリンのような低セタン価燃料を用いた圧縮自己着火燃焼は、筒内状況の変動に対する安定性が乏しいこと、および自己着火燃焼可能な条件が軽油よりかなり狭いことから、燃焼安定性、未燃燃料の抑制、燃焼に起因した振動・騒音の抑制、を同時に達成するためには、燃焼を緻密に制御する必要がある。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みたもので、その目的は、圧縮自己着火燃焼の燃焼特性を主たる燃焼時期と主たる燃焼期間として捉え、機関の負荷、回転数に応じてこれらの主たる燃焼時期と主たる燃焼期間とを適切に制御し、広範囲の運転領域において低燃費かつ良好な運転性を持つ圧縮自己着火式内燃機関を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る圧縮自己着火式内燃機関は、燃焼質量割合が５０％となる時期（θ５０）、最大熱発生（ｄＱ／ｄ θ ｍａｘ）の時期、ＴＤＣ後における最大筒内圧変化率（ｄＰ／ｄ θ ｍａｘ）の時期、のいずれかからなる時期を主たる燃焼時期として、機関運転条件に応じた主たる燃焼時期の目標値を記憶した手段と、燃焼時期を制御可能な制御手段と、を有し、圧縮着火燃焼運転領域において、機関運転条件に応じた目標の主たる燃焼時期となるように燃焼時期を制御することを特徴としている。
【００１０】
この発明によれば、燃焼時期を制御するための燃焼特性の制御対象を、着火時期ではなく主たる燃焼時期とし、この主たる燃焼時期を制御することにより、運転条件が変化しても穏やかな圧縮自己着火燃焼を安定的に実現できる。
【００１１】
請求項２に係る発明は、実際の燃焼における主たる燃焼時期を検知または推定する手段を有し、実際の主たる燃焼時期が上記目標値となるようにフィードバック制御することを特徴とする。すなわち、外気温度、外気圧力などの環境の変化があっても上記主たる燃焼時期が適切に制御される。
【００１２】
請求項３に係る発明は、燃焼開始時期を制御する点火手段を備える。
【００１３】
請求項４に係る発明は、燃焼質量割合が２０％から５０％までの期間（θ２０−５０）を主たる燃焼期間として、機関運転条件に応じた主たる燃焼期間の目標値を記憶した手段をさらに備え、この目標の主たる燃焼期間となるように燃焼期間を制御することを特徴とする。この発明によれば、燃焼特性の制御対象として、上記の主たる燃焼時期に、主たる燃焼期間が追加されている。この主たる燃焼期間が所定の期間となるように燃焼速度を制御することにより、圧縮自己着火燃焼の燃焼安定性が維持される。
【００１４】
請求項５に係る発明は、燃焼速度を制御可能な制御手段を有し、これにより燃焼期間を制御することを特徴とする。
【００１５】
請求項６に係る発明は、吸気バルブもしくは排気バルブの少なくとも一方の開閉時期を可変制御する手段を有し、圧縮自己着火時に、マイナスオーバラップに制御することを特徴とする。
【００１６】
請求項７に係る発明は、圧縮着火燃焼運転領域において、機関の負荷上昇に伴ない主たる燃焼時期が遅角するように燃焼時期を制御することを特徴とする。
【００１９】
請求項８に係る発明は、上記主たる燃焼時期の遅角限界は、機関回転数により定めるようにしたことを特徴としている。
【００２０】
このように上記主たる燃焼時期に遅角限界を設けることで、未燃燃料の増加を抑制でき良好な燃費を維持することができる。そして、このように上記主たる燃焼時期の遅角限界を機関回転数により設定することで、簡便な制御となる。
【００２１】
請求項９に係る発明は、上記主たる燃焼時期の遅角限界は、機関回転数の上昇に伴い進角するように定められていることを特徴としている。
【００２２】
このように上記主たる燃焼時期の遅角限界を機関回転数の上昇に伴ない進角するように定めたことで、失火が抑制される。
【００２７】
請求項１０に係る発明は、上記主たる燃焼時期が、２０ｄｅｇＡＴＤＣ以前に制御されることを特徴としている。例えば燃料としてガソリンを用いた場合の主たる燃焼時期の実質的な遅角限界は、２０ｄｅｇＡＴＤＣとなる。
【００２８】
請求項１１に係る発明は、主たる燃焼時期がその遅角限界よりも進角側で、かつ、主たる燃焼期間が、長期側の第１限界期間と短期側の第２限界期間との間となるように、燃焼時期および燃焼期間を制御することを特徴としている。
【００２９】
主たる燃焼期間が過度に長期化すると燃焼が不安定化し、過度に短期化すると打音やノッキング振動が増加する。請求項１１の発明のように、主たる燃焼期間を長期側の第１限界期間と短期側の第２限界期間との間となるように制御することで、燃焼安定性維持と燃焼による打音や振動の発生抑制とを両立させることができる。そして、圧縮自己着火燃焼が運転状態に対応して適切に制御され、良好な性能を維持しつつ、圧縮自己着火燃焼の運転領域の拡大が可能となる。
【００３０】
請求項１２に係る発明は、上記第１限界期間を算出する手段を有し、この第１限界期間が負荷に応じて定められることを特徴としている。
【００３１】
このように上記第１限界期間を負荷により設定することで、簡便な制御となる。
【００３２】
請求項１３に係る発明は、上記第１限界期間は、負荷の増加に伴い短期化することを特徴としている。これにより負荷が増加しても燃焼安定性が維持される。
【００３３】
請求項１４に係る発明は、上記第２限界期間を算出する手段を有し、この第２限界期間が負荷および機関回転数の少なくとも一方に応じて定められることを特徴としている。
【００３４】
この請求項１４の発明においては、短期側の第２限界期間が負荷および機関回転数の一方もしくは双方に応じて定められるので、運転領域に応じた設定が可能となる。
【００３５】
請求項１５に係る発明は、上記第２限界期間は、負荷の増加もしくは機関回転数の上昇に伴い長期化することを特徴としている。これにより、燃焼による打音、振動の発生抑制が確実に得られる。
【００３８】
請求項１６に係る発明は、実際の燃焼における主たる燃焼期間を検知または推定する手段と、燃焼安定性および振動強度を検知する手段と、の少なくとも一方を有し、主たる燃焼期間および燃焼安定性の少なくとも一方により上記第１限界期間の補正をし、主たる燃焼期間および振動強度の少なくとも一方により上記第２限界期間の補正を行なうことを特徴としている。
【００３９】
すなわち、外気温度、外気圧力などの環境の変化があっても、上記主たる燃焼期間が適切に制御される。
【００４２】
さらに請求項１７に係る発明は、機関の要求回転数および要求負荷に対し、上記主たる燃焼時期の遅角限界と上記第１限界期間および上記第２限界期間により定まる領域が存在しない場合には、圧縮自己着火燃焼から火花点火燃焼へ燃焼を切り替えることを特徴としている。
【００４３】
これにより、圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼とが運転条件に応じて適切に切り替えられることになる。
【００４４】
【発明の効果】
この発明によれば、圧縮自己着火燃焼における燃焼状態を、主たる燃焼時期ならびに主たる燃焼期間に着目して把握し、これらを、機関回転数および負荷により定まる燃焼成立領域に収まるように、適切に制御するようにしたので、圧縮自己着火燃焼の性能を向上させつつ圧縮自己着火燃焼可能な領域の拡大を図ることが可能となる。
【００４５】
本発明によれば、負荷が変動しても穏やかな圧縮自己着火燃焼を安定的に実現できる。
【００４６】
本発明によれば、高負荷限界が向上し、圧縮着火燃焼領域が拡大する。
【００４７】
本発明によれば、圧縮自己着火燃焼の燃焼安定性を維持することができる。
【００４８】
本発明によれば、確実に上記主たる燃焼時期を適切な値とすることができる。
【００４９】
本発明によれば、未燃燃料の増加を抑制でき良好な燃費を維持することができる。
【００５０】
本発明によれば、簡便な制御により所期の効果を有効に得ることができる。
【００５１】
本発明によれば、失火を抑制しつつ所期の効果を適切に得ることができる。
【００５２】
本発明によれば、外気温度、外気圧力などの環境の変化があっても上記主たる燃焼時期が適切に制御される。
【００５３】
本発明によれば、主たる燃焼時期として燃焼状態を的確に把握することができる。
【００５４】
本発明によれば、燃焼安定性維持と燃焼による打音、振動の発生抑制を両立させることができる。
【００５５】
本発明によれば、簡便な制御により燃焼安定性を確実に維持することが可能となる。
【００５６】
本発明によれば、燃焼による打音、振動の発生抑制の効果を確実に得ることができる。
【００５７】
本発明によれば、主たる燃焼期間を的確に把握することができる。
【００５８】
本発明によれば、外気温度、外気圧力などの環境の変化があっても上記主たる燃焼期間が適切に制御され、所期の効果を得ることができる。
【００５９】
本発明によれば、圧縮自己着火燃焼が運転状態に対応し適切に制御され、良好な性能を維持しつつ、圧縮自己着火燃焼の運転領域の拡大が可能となる。
【００６０】
本発明によれば、速やかな燃焼切替えが可能となり良好な運転性を確保できる。
【００６１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の好ましい実施の形態について説明する。
【００６２】
図１は、この発明に係る圧縮自己着火式内燃機関の構成を示す構成説明図であって、同図において、１はシリンダブロック、２はピストン、３はシリンダヘッド、４はこれらのシリンダブロック１、ピストン２およびシリンダヘッド３により形成された燃焼室を示している。
【００６３】
上記シリンダヘッド３には、吸気ポート５とこの吸気ポート５を開閉する吸気バルブ６とが設けられているとともに、上記吸気ポート５と対向するように配置された排気ポート７とこの排気ポート７を開閉する排気バルブ８とが設けられている。
【００６４】
上記吸気バルブ６ならびに排気バルブ８は、それぞれ吸気カム９、排気カム１０を介して図示せぬバルブ駆動系により開閉される。これらのバルブ駆動系は、エンジンコントロールユニット２２により開閉時期可変手段１１，１２を介して吸気バルブ６、排気バルブ８の開閉時期をそれぞれ制御可能な構成としてあり、機関の低、中負荷領域では、実質的な圧縮比の変更や内部ＥＧＲガス量などを制御し、圧縮自己着火運転が可能な高温、高圧状態を実現できる構成としている。尚、開閉時期可変手段としては、例えば、特開２０００−７３７９７号公報に開示されている機構を吸気側および排気側のカム軸にそれぞれ設けることが考えられる。
【００６５】
上記吸気ポート５の上流には吸気通路１３が接続されており、この吸気通路１３の上流側に、開度可変手段１７によって開度制御される空気量調整用スロットルバルブ１５が設けられているとともに、さらに上流側に、図示しない空気量測定用のエアフロメーターとエアクリーナーとが設けられている。
【００６６】
また上記排気ポート７の下流には、排気通路１４が接続されており、この排気通路１４の下流側に、図示しない排気浄化用の触媒装置や排気音低減のための消音装置等が接続される。
【００６７】
さらに本実施例では図示していないが、吸気温度の制御のために、上記吸気通路１３と排気通路１４とを、流量制御弁を具備したＥＧＲ通路を介して互いに接続した構成としても良い。
【００６８】
一方、上記シリンダヘッド３には、吸気ポート５の下方に臨んで、燃料ポンプ２３から供給されるガソリン燃料を直接燃焼室４内に噴射する燃料噴射弁１９を設けてある。この燃料噴射弁１９は、１サイクル中に複数回の噴射を行ない得る機能を有している。
【００６９】
また上記シリンダヘッド３には、燃焼室４内の略中心位置に点火プラグ２０が設けられている。この点火プラグ２０は、主に高回転、高負荷時に、通常の火花点火燃焼を行なう場合や、圧縮自己着火燃焼における燃焼開始時期を制御するために使用される。
【００７０】
さらに上記シリンダヘッド３には、筒内の圧力を検知する筒内圧センサ２１が燃焼室４に臨んで設けられている。この筒内圧センサ２１は、上記点火プラグ２０と一体に構成することができ、また上記点火プラグ２０と上記シリンダヘッド３との間に介装される図示しない座金部に圧力検知機能を持たせて構成することも可能である。
【００７１】
エンジンコントロールユニット２２には、機関運転条件を示す信号として、機関回転数信号、クランク角度信号、負荷信号、空気量信号、吸気温度信号、排気温度信号、燃圧信号、油水温信号および上記圧力センサ２１からの信号などが入力される。そして、エンジンコントロールユニット２２は、これら各種の信号を基づいて演算処理を実行し、上記吸気，排気バルブ６，８のバルブタイミング、スロットルバルブ１５の開度、燃料噴射弁２１の燃料量と噴射時期、高圧燃料ポンプ２３で発生させる燃圧、および点火プラグ２０の点火時期、などを適切に制御している。
【００７２】
本発明においては、上記コントロールユニット２２は、圧縮自己着火燃焼時の性能を向上させるとともに圧縮自己着火燃焼が可能な領域を拡大すべく、圧縮自己着火運転領域において、後述する主たる燃焼時期および主たる燃焼期間を適切に制御している。
【００７３】
図９の（イ）、（ロ）は、上記吸，排気バルブ６，８のバルブタイミングの可変制御の一例を示している。図示するように、火花点火運転時には、通常のバルブタイミングである（イ）の状態とし、排気上死点において排気バルブ８と吸気バルブ６がともに開となる所定量のバルブオーバーラップ時期が発生するように設定される。
【００７４】
これに対し、圧縮自己着火運転時にはバルブタイミングを（ロ）の状態とする。すなわち排気バルブ８の閉時期が進角して排気行程途中で閉弁するとともに、吸気バルブ６の開時期が遅角して吸気行程途中で開弁するように制御され、排気上死点付近で双方が閉となるマイナスオーバーラップ状態になるように設定される。
【００７５】
このようにマイナスオーバーラップを生じるバルブタイミングとすることで、排気バルブ閉時期の燃焼室容積に相当する既燃ガスを燃焼室４内に滞留させて次サイクルへ内部ＥＧＲガスとして持ち越すことが可能となる。この内部ＥＧＲガスのもつ熱エネルギを有効に利用することにより、後述するようにリーン空燃比での圧縮自己着火燃焼が所定の時期に発生可能な状況を実現している。
【００７６】
次に本実施例の動作について説明する。
【００７７】
まず図２に、ガソリン等の低セタン化燃料を用いた場合の圧縮自己着火燃焼における代表的な熱発率（ｄＱ／ｄθ）のパターンと燃焼質量割合すなわち総発熱量に対するクランク角度毎の燃焼率を示し、本発明における「主たる燃焼時期」および「主たる燃焼期間」について説明する。
【００７８】
図示するように、圧縮自己着火燃焼では、熱発生の初期に冷炎反応と呼ばれる微少な発熱を伴なう初期燃焼が発生し、その後に主燃焼である熱炎反応が発生する。また燃焼の最後には、図中に後期燃焼として示してある期間のように、ピストン低下に伴なう緩慢な燃焼が発生する。
【００７９】
よって、圧縮自己着火燃焼の熱発生を初期燃焼と主燃焼と後期燃焼からなるものとし、上記主燃焼は図２の熱発生率中に○で示した前側変曲点と後側変曲点の間と捉えることとする。
【００８０】
本発明者らは、多数の実験的考察から圧縮自己着火燃焼における燃焼安定性や高負荷限界を決める打音発生は、最大熱発生率部を含む上記主燃焼の時期と期間が支配していることを見出した。
【００８１】
さらに上記主燃焼の時期つまり「主たる燃焼時期」は、燃焼特性を最も良く表す値として、最大熱発生（ｄＱ／ｄθｍａｘ）の時期、燃焼質量割合が５０％となる時期、あるいは、燃焼による筒内圧の変化率が最大となる（ｄＰ／ｄθｍａｘ）時期、いずれかを用いて定量化することができる。ここで、ｄＱ／ｄθｍａｘの時期と燃焼質量割合が５０％となる時期はほぼ同一となり、ｄＰ／ｄθｍａｘの時期は上記２つの時期に比べやや進角側の値となるが、制御上実質的な差異はない。従って、以下では、上記のいずれかの値からなる主たる燃焼時期を、θ５０と表記する。
【００８２】
一方、上記の主たる燃焼期間としては、上記初期燃焼と後期燃焼の影響が少ない時期として定義できれば良い。そして、この主たる燃焼期間の開始は上記冷炎反応による発熱および燃焼開始時期制御に用いる発熱量以上の値とすることで精度良く定義できること、また本実施例では主たる燃焼時期として上記θ５０を用いることから、以下では、主たる燃焼期間を、燃焼質量割合２０％から５０％の期間として定義し、θ２０−５０と表記する。
【００８３】
次に、圧縮自己着火燃焼の燃焼特性と上記θ５０およびθ２０−５０との関係を図３〜図５を用いて説明する。
【００８４】
図３は、上記θ５０と燃焼効率の関係を示した図である。圧縮自己着火燃焼の良好な燃費を維持するためには、θ５０の遅角限界が存在する。これはθ５０が遅角化するにつれて燃焼中のピストン２の下降速度が大きくなり、燃焼室４内の圧力，温度場が燃焼後期まで残った燃料を酸化させる条件を維持できなくなるためである。
【００８５】
上記燃焼効率は燃焼速度の影響も受けるが、圧縮自己着火燃焼の燃焼速度を大きく変更させることは困難であり、燃焼効率の主要支配因子は、上記θ５０となる。また機関回転数が上昇すると実質的な燃焼が終了する前にピストン２の降下が始まるため、上記θ５０の遅角限界は機関回転数の影響を受け、機関回転数の上昇に伴ない進角側の設定となる。このθ５０遅角限界は、圧縮自己着火燃焼領域の最低機関回転数域付近において最大遅角値をとるが、燃料にガソリンを用いた場合の実質的な限界値は２０ｄｅｇＡＴＤＣとなる。
【００８６】
また、上記θ５０は、機関の熱効率との相関も高く、冷却損失と時間損失の関係により決まる最適燃焼時期が存在する。この熱効率に関する最適燃焼時期も、主に機関回転数と負荷の影響を受ける。
【００８７】
以上のことから、上記θ５０としては、機関回転数によって定まるθ５０遅角限界より進角側の設定とするとともに、熱効率が最良となるような設定とすることを基本とする。
【００８８】
次に、図４は、燃焼安定性と上記θ２０−５０との関係を示した図である。ここで本実施例における燃焼安定性は、以下の（１）式により定義されるＣＰｉとする。
【００８９】
【数１】
ＣＰｉ＝σＰｉ／平均Ｐｉ ……（１）
ここでσＰｉ：図示平均有効圧Ｐｉの標準偏差
平均Ｐｉ：図示平均有効圧Ｐｉのサイクル平均値
発明者らは、多数の実験より、上記ＣＰｉはθ２０−５０との相関が高いことを見い出した。図４は、上記θ２０−５０と上記ＣＰｉの対数を取ったＬｏｇ（ＣＰｉ）の実験結果をプロットしたものであり、Ｌｏｇ（ＣＰｉ）はθ２０−５０の１次関数で示され、θ２０−５０が長期化すると燃焼安定性を示すＣＰｉは急速に悪化することが解る。なお、この関係は、上記θ５０がθ５０遅角限界より進角側にあるような実質的に圧縮自己着火燃焼の運転領域において、機関回転数および上記θ５０の影響を受けずに成立する。
【００９０】
上記θ２０−５０の長期化限界値は、実質的な圧縮自己着火燃焼の負荷領域において、車両振動を考慮すると、７ｄｅｇ以下となる設定をする必要があることが解った。さらに燃焼の良悪は上記ＣＰｉにより評価できるものの、実質的な車両振動は（１）式中のσＰｉの絶対値との相関が高い。よって上記θ２０−５０の長期化限界値は、負荷の依存性を有し、負荷の増加に対しθ２０−５０が短期化する設定とする必要が有る。
【００９１】
さらに、上記θ５０と上記θ２０−５０は、燃焼に起因した打音やノッキングの発生を支配する主要因でもある。燃焼に起因した打音やノッキングの発生は燃焼による筒内圧力の時間変化率の最大値ｄＰ／ｄｔｍａｘとの相関が高いこと、および上記ｄＰ／ｄｔｍａｘと上記θ５０および上記θ２０−５０の関係は、下記の関係式により表現することができることを、本発明者らは熱力学的考察および実験結果の統計処理により見出した。
【００９２】
【数２】
ｄＰ／ｄｔｍａｘ＝（Ｃｌ・Ｎｅ・ｄＱ／ｄθｍａｘ）／Ｖ５０−Ｃ２・Ｎｅ・Ｔ５０・（ｄＶ／ｄθ）５０ ……（２）
ｄＱ／ｄθｍａｘ＝（Ｃ３・Ｑｆｕｅｌ・ηｃｏｍｂ）／θ２０−５０ ……（３）
ここで、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３：燃料組成および混合気濃度により決定される値
Ｎｅ：機関回転数
Ｖ５０：θ５０時点での燃焼室容積
Ｔ５０：θ５０時点での燃焼室内平均温度
（ｄＶ／ｄθ）５０：θ５０時点での燃焼室容積のクランク角度に対する変化率
Ｑｆｕｅｌ：投入燃料量
ηｃｏｍｂ：燃焼効率
燃焼に起因した打音やノッキングの発生を抑制するためには、ｄＰ／ｄｔｍａｘを所定値以下とする必要があるが、上記（２）式より解るように、ｄＰ／ｄｔｍａｘについては、燃焼速度の最大値（ｄＱ／ｄθｍａｘ）と、該ｄＱ／ｄθｍａｘがいつ発生したかというθ５０とが決定の主要因となる。
【００９３】
ｄＰ／ｄｔｍａｘを低下させるためには、ゆっくり燃焼させる（ｄＱ／ｄθｍａｘの低下）ことと、遅角側で燃焼させる（（ｄＶ／ｄθ）５０の増大）すなわちθ５０の遅角化と、が有効であり、さらに、機関回転数Ｎｅの増加に応じて、ｄＱ／ｄθｍａｘの低下代ならびに（ｄＶ／ｄθ）５０の増大代を大きくしなければならないことが解る。
【００９４】
さらに上記ｄＱ／ｄθｍａｘは、（３）式で示すように負荷を決定する主要因である投入燃料量（Ｑｆｕｅｌ）に比例し、上記θ２０−５０に反比例の関係にあるものとして表現可能である。
【００９５】
よって、負荷の増大（Ｑｆｕｅｌの増量）に対し略同一なｄＱ／ｄθｍａｘを維持するためには、θ２０−５０のの長期化が必要であることが解る。
【００９６】
このように、機関回転数および負荷が決定された状態において、上記（２）、（３）式を用いて上記θ５０に対するθ２０−５０の短期化限界を決定することが可能となる。
【００９７】
以上のθ５０とθ２０−５０の関係を１つの図で示したものが図５である。圧縮自己着火燃焼における燃費、燃焼安定性、打音やノッキングといった諸性能を、維持ないしは向上するためには、上記θ２０−５０は、各々のθ５０に対し燃焼安定性（ＣＰｉ）より決定される長期側の第１限界期間を示す線と打音またはノッキングにより決定される短期側の第２限界期間を示す線との間に設定する必要があり、また上記θ５０は、各々のθ２０−５０に対し燃焼効率により決定されるθ５０遅角限界を示す線と上記第２限界期間の線との間に設定する必要がある。
【００９８】
各限界線は、これまでに説明したように、機関回転数や要求負荷に応じて移動し、機関回転数が高回転になるほど、また負荷が高負荷になるほど、θ５０およびθ２０−５０の成立範囲は減少する。
【００９９】
高負荷限界付近ではθ５０の成立範囲が負荷と共に遅角側に移動し、上記第１限界期間の線と第２限界期間の線とが交差する点のθ５０がθ５０遅角限界に達したとき、圧縮自己着火燃焼の成立範囲がなくなるため、それ以上の負荷では通常の火花点火燃焼へ燃焼状態の変更を行なうこととなる。
【０１００】
また、図５に、スロットル開度ならびにバルブ開閉タイミングを固定し、作動ガス状態を略一定とした状態で投入燃料量を増加していった場合の実際の燃焼の状況を作動線Ａの矢印でもって示す。このように単に燃料量を増やしていくと、θ５０の進角化とθ２０−５０の短期化が急速に進み、設定可能領域を残したまま図中●印の高負荷限界に到達してしまう。
【０１０１】
従って、圧縮自己着火燃焼における高負荷限界を拡大するためには、燃焼のロバスト性を考慮し、少なくとも高負荷限界付近では、負荷の上昇に伴ないθ５０を遅角化するように制御することが重要となる。また、θ５０遅角化のために燃焼開始時期を遅角化すると、同一作動ガス条件ではθ２０−５０も長期化してしまうため、負荷の上昇とともに短期化してくる上記第１限界期間に対応すべく、燃焼期間の維持または短期化の制御をしなくてはならない。
【０１０２】
図６および図７に、以上説明してきたことを基本として決定した本実施例におけるθ５０およびθ２０−５０の設定状態をそれぞれ等高線として示す。
【０１０３】
図６に示すように、θ５０の制御目標値は、上記成立範囲および熱効率の観点から、負荷の上昇および機関回転数の低下に伴なって遅角化する傾向の設定としている。圧縮自己着火燃焼領域を示す太い実線とθ５０の等高線との交点は、ほぼ対応する機関回転数における上記θ５０遅角限界となるように決定している。
【０１０４】
また図７に示すように、θ２０−５０の制御目標値の設定は、ほぼ負荷の上昇に伴って短期化する傾向の設定となっている。圧縮自己着火燃焼領域を示す太い実線とθ２０−５０の等高線との交点は、上記第１限界期間の値にほぼ対応する設定であり、高負荷限界付近では、上記θ５０の遅角化を行なった場合でも燃焼安定性を維持するために長期化しない設定としている。低回転域では熱効率向上の観点から相対的に長期化の設定とする必要があるが、高負荷限界域および低回転域を除く他の領域では、設定自由度が高く、上記燃焼成立範囲内であれば良い。
【０１０５】
次に本実施例における圧縮自己着火燃焼の燃焼制御フローチャートを図８に示す。
【０１０６】
まず初めに、ステップ１００において、そのときの機関回転数、要求負荷および機関暖機状態から、圧縮自己着火運転領域か否かを判定する。機関回転数および負荷が圧縮自己着火運転領域以外の場合または暖機完了前であると判断された場合は、ステップ２００に進んで通常の火花点火燃焼を実施する。
【０１０７】
一方、圧縮自己着火燃焼が可能と判断されるとステップ１０２へ進み、予めコントロールユニット２２内に記憶してある設定マップから基本となるθ５０を読み込む。次にステップ１０３へ進み、同じく予め記憶してある設定マップから、上記第１限界期間であるθ２０−５０ｍａｘと上記第２限界期間であるθ２０−５０ｍｉｎを読み込む。
【０１０８】
次にステップ１０４において、θ２０−５０の設定が可能か否かを、「θ２０−５０ｍａｘ≧θ２０−５０ｍｉｎ」であるか否かにより判断する。「θ２０−５０ｍａｘ＜θ２０−５０ｍｉｎ」の場合つまり設定が不可の場合は、ステップ１２０へ進み、θ５０を遅角化させるために、θ２０−５０ｍｉｎとθ２０−５０ｍａｘとの差としてΔθを算出し、θ５０＝θ５０＋Δθとする。次にステップ１２１へ進み、再設定したθ５０を、機関回転数により設定されている上記θ５０の遅角限界値であるθ５０ｍａｘと比較する。ここで、θ５０≦θ５０ｍａｘの場合はステップ１０３へ戻って圧縮自己着火燃焼の制御を継続するが、θ５０＞θ５０ｍａｘの場合はステップ２００へ移行し、通常の火花点火燃焼を行なう。すなわち、以上のルーチンによって、図５に示した圧縮自己着火燃焼の運転成立範囲が存在するか否かの判定を行なっている。
【０１０９】
一方、ステップ１０４においてθ２０−５０の設定が可能と判断されると、ステップ１０５ヘ進み、以降の燃焼制御に用いるθ２０−５０を算出する。このステップ１０５では、予めコントロールユニット２２内に記憶している設定マップから読み込んだθ２０−５０が、上記θ２０−５０ｍａｘとθ２０−５０ｍｉｎの間にある場合は、読み込んだθ２０−５０をそのまま使用する。それ以外の場合は、上記θ２０−５０ｍａｘとθ２０−５０ｍｉｎのうち、読み込んだθ２０−５０に近い方の値をθ２０−５０として使用する。
【０１１０】
次にステップ１０６へ進み、決定したθ５０およびθ２０−５０より燃焼開始時期を算出する。
【０１１１】
次にステップ１０７へ進み、機関の制御定数を決定する。本実施例では燃焼開始時期の制御を以下に示すような方法で実施するものとしている。
【０１１２】
燃料噴射弁１９からの燃料噴射の時期ならびに噴射量は、吸気行程から圧縮行程中期までに噴射されて燃焼室４内に広く分布する主燃焼用の混合気と、圧縮行程後半に噴射されて圧縮ＴＤＣ付近で点火プラグ２０の近傍に分布する火炎伝播可能な少量の着火用混合気と、の２層構造を成すように決定される。
【０１１３】
また点火プラグ２０の放電は、ステップ１０６で算出された燃焼開始時期に上記主燃焼用の混合気が燃焼を開始するように、上記着火用混合気に点火するように制御される。
【０１１４】
この点火により主燃焼時期となる上記θ５０が基本的に制御される。
【０１１５】
また、上記主燃焼用の混合気は要求される燃焼開始以前に着火しないように、かつ上記着火用混合気の発熱により圧縮自己着火燃焼が発生する状態になるように、温度および空気過剰率（入）を制御する必要がある。そのため本実施例では、吸排気バルブ６，８のマイナスオーバラップ開閉時期による圧縮開始温度の制御、スロットル開度による空気量の制御、上記主燃焼用混合気の燃焼室内での濃度を変更可能な上記主燃焼用燃料の噴射時期制御のいずれか、またはこれらの組み合わせ、が実施され、これによって主燃焼用の混合気の制御が実現される。
【０１１６】
このとき、本実施例では図示していないが、排気通路１４と吸気通路１３を連通する外部ＥＧＲ通路と外部ＥＧＲ量調整用のＥＧＲバルブとを設けて、燃焼室内に冷えたＥＧＲガスを投入したり、吸気系に過給機を設けて燃焼室内の総ガス量を制御することによっても、主燃焼用の混合気の制御は可能である。
【０１１７】
また主たる燃焼期間である上記θ２０−５０は、上記主燃焼用の混合気状態により基本となる期間が決定されるが、上記着火用の混合気の発熱量を制御することで所定の期間となるように制御される構成としている。
【０１１８】
以上の方法で算出された機関制御定数に則り、ステップ１０８からステップ１１０において、順次、スロットル開度、バルブタイミング、燃料噴射、点火が処理され、圧縮自己着火燃焼（ステップ１５０）が行われる。
【０１１９】
次に本実施例における燃焼状態の最適化方法について説明する。
【０１２０】
まずステップ１１１において、実際の燃焼におけるθ５０を計測する。この計測は、シリンダヘッド３に付設した筒内圧センサ２１からの出力およびクランク角度に基づいて熱発生状態を計算し、ｄＱ／ｄθｍａｘとなるクランク角度または燃焼質量割合が５０％となるクランク角度を算出するか、または単純に筒内圧の変化率を計算し、ＴＤＣ後にｄＰ／ｄθｍａｘをとるクランク角度を算出することで行われる。筒内圧の計測方法としては、本実施例以外にも、点火プラグ２０の座金部に圧力センサを介装したり、点火プラグに発生するイオン電流を計測したり、クランクシャフトのサイクル中の回転変動を計測し機関運動モデルから推定する方法でも可能である。
【０１２１】
次にステップ１１２において、計測された実θ５０が、設定値である前述のθ５０と遅角限界である上記θ５０ｍａｘとの間にあるか否かを判定する。実θ５０が上記条件を満たしている場合はステップ１１３へ進むが、上記条件を満たしていない場合はステップ１３０へ進み、燃焼開始時期の補正量を算出して、上記ステップ１０６での燃焼開始時期算出に反映させる。これにより所定のθ５０となるように適応制御することが可能となる。
【０１２２】
次に燃焼期間の適応制御について説明する。
【０１２３】
ステップ１１３において、実際の燃焼に起因したノッキングまたは打音の発生を検知、判定する。ノッキング、打音の判定は、筒内圧センサ２１の出力からｄＰ／ｄｔｍａｘの値を算出することで可能であるが、通常のノックセンサを用いた計測によっても判定可能である。ステップ１１３においてノッキングまたは打音の発生が許容レベル未満の場合は、そのままステップ１１４へ移行する。一方、ノッキングまたは打音の発生が許容レベル以上の場合はステップ１４０へ移行する。
【０１２４】
ステップ１４０では、ノッキングまたは打音の発生レベルに応じて、上記実θ５０に対する上記θ２０−５０ｍｉｎを長期化して、ステップ１０３のθ２０−５０ｍｉｎ読み込み時に反映させる。これにより実質的なθ２０−５０の長期化処理が施されノッキングまたは打音の発生が回避される。
【０１２５】
次にステップ１１４において、燃焼安定性のレベルを検知、判定する。燃焼安定性の検出は、筒内圧センサ２１の出力から図示平均有効圧Ｐｉを算出して直接σＰｉを検知したり、機関回転数の変動を検知することで可能となる。ステップ１１４において燃焼安定性が許容レベルを満たしていれば、そのまま一連の燃焼制御を終了する。一方、燃焼安定性が許容レベルを超えている場合は、ステップ１４１に移行する。
【０１２６】
ステップ１４１では、燃焼安定性の悪化レベルに応じて、上記実θ５０に対する上記θ２０−５０ｍａｘを短期化して、ステップ１０３のθ２０−５０ｍａｘ読み込み時に反映させる。これにより実質的なθ２０−５０の短期化処理が施され燃焼安定性が向上する。
【０１２７】
なお、筒内圧センサ２１の出力から燃焼質量割合および実θ２０−５０を算出し、直接θ２０−５０をフィードバック制御する燃焼制御も可能であるが、本実施例のようにθ２０−５０ｍｉｎとθ２０−５０ｍａｘの設定値を変更することにより、コントロールユニット２２の演算処理に負担をかけることなく適応制御が可能となる。
【０１２８】
以上のように、圧縮自己着火燃焼状態を主たる燃焼時期および主たる燃焼期間とし、機関回転数および負荷により定まる燃焼成立領域に収まるように、主たる燃焼時期および主たる燃焼期間を制御することで、圧縮自己着火燃焼の性能を維持、向上させつつ領域の拡大を図ることが可能となる。
【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機関の実施例の構成説明図。
【図２】圧縮自己着火燃焼における熱発生率および燃焼率の変化を示す特性図。
【図３】主たる燃焼時期と燃焼効率の関係を示した特性図。
【図４】主たる燃焼期間と燃焼安定性の関係を示した特性図。
【図５】本発明に係る主たる燃焼時期および主たる燃焼期間の設定可能領域を示した図。
【図６】本発明による主たる燃焼時期の設定状態を示した特性図。
【図７】本発明による主たる燃焼期間の設定状態を示した特性図。
【図８】本発明における燃焼制御の流れを示すフローチャート。
【図９】本発明における吸、排気バルブタイミングの設定の一例を示す図。
【符号の説明】
１…シリンダブロック
２…ピストン
３…シリンダヘッド
４…燃焼室
５…吸気ポート
６…吸気バルブ
７…排気ポート
８…排気バルブ
９…吸気カム
１０…排気カム
１１…吸気バルブ開閉時期可変手段
１２…排気バルブ開閉時期可変手段
１３…吸気通路
１４…排気通路
１５…スロットルバルブ
１７…スロットルバルブ開度可変手段
１９…燃料噴射弁
２０…点火プラグ
２１…筒内圧センサ
２２…エンジンコントロールユニット
２３…燃料ポンプ

Claims (17)

1. 燃焼質量割合が５０％となる時期（θ５０）、最大熱発生（ｄＱ／ｄ θ ｍａｘ）の時期、ＴＤＣ後における最大筒内圧変化率（ｄＰ／ｄ θ ｍａｘ）の時期、のいずれかからなる時期を主たる燃焼時期として、機関運転条件に応じた主たる燃焼時期の目標値を記憶した手段と、燃焼時期を制御可能な制御手段と、を有し、圧縮着火燃焼運転領域において、機関運転条件に応じた目標の主たる燃焼時期となるように燃焼時期を制御することを特徴とする圧縮自己着火式内燃機関。
2. 実際の燃焼における主たる燃焼時期を検知または推定する手段を有し、実際の主たる燃焼時期が上記目標値となるようにフィードバック制御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内燃機関。
3. 燃焼開始時期を制御する点火手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮自己着火式内燃機関。
4. 燃焼質量割合が２０％から５０％までの期間（θ２０−５０）を主たる燃焼期間として、機関運転条件に応じた主たる燃焼期間の目標値を記憶した手段をさらに備え、この目標の主たる燃焼期間となるように燃焼期間を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
5. 燃焼速度を制御可能な制御手段を有し、これにより燃焼期間を制御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内燃機関。
6. 吸気バルブもしくは排気バルブの少なくとも一方の開閉時期を可変制御する手段を有し、圧縮自己着火時に、マイナスオーバラップに制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
7. 圧縮着火燃焼運転領域において、機関の負荷上昇に伴ない主たる燃焼時期が遅角するように燃焼時期を制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
8. 上記主たる燃焼時期の遅角限界は、機関回転数により定めるようにしたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
9. 上記主たる燃焼時期の遅角限界は、機関回転数の上昇に伴い進角するように定められていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
10. 上記主たる燃焼時期が、２０ｄｅｇＡＴＤＣ以前に制御されることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
11. 主たる燃焼時期がその遅角限界より進角側で、かつ、主たる燃焼期間が、長期側の第１限界期間と短期側の第２限界期間との間となるように、燃焼時期および燃焼期間を制御することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
12. 上記第１限界期間を算出する手段を有し、この第１限界期間が負荷に応じて定められることを特徴とする請求項１１に記載の圧縮自己着火式内燃機関。
13. 上記第１限界期間は、負荷の増加に伴い短期化することを特徴とする請求項１２に記載の圧縮自己着火式内燃機関。
14. 上記第２限界期間を算出する手段を有し、この第２限界期間が負荷および機関回転数の少なくとも一方に応じて定められることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
15. 上記第２限界期間は、負荷の増加もしくは機関回転数の上昇に伴い長期化することを特徴とする請求項１４に記載の圧縮自己着火式内燃機関。
16. 実際の燃焼における主たる燃焼期間を検知または推定する手段と、燃焼安定性および振動強度を検知する手段と、の少なくとも一方を有し、主たる燃焼期間および燃焼安定性の少なくとも一方により上記第１限界期間の補正をし、主たる燃焼期間および振動強度の少なくとも一方により上記第２限界期間の補正を行なうことを特徴とする請求項１１〜１５のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
17. 機関の要求回転数および要求負荷に対し、上記主たる燃焼時期の遅角限界と上記第１限界期間および上記第２限界期間により定まる領域が存在しない場合には、圧縮自己着火燃焼から火花点火燃焼へ燃焼を切り替えることを特徴とする請求項１１〜１６のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関。

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