JP3945152B2 - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車用ガソリン機関のような４サイクル型の直噴火花点火圧縮自己着火式内燃機関において、圧縮自己着火燃焼のための２回の燃料噴射、及び点火により、所望の燃焼時期を得る内燃機関の燃焼制御装置に関する。
【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リーンな空燃比において安定燃焼が得られることから、燃料消費率の向上が可能である。また、リーンな空燃比により燃焼温度が低下することから、排気ガス中のＮＯｘ排出量を大幅に低減できる。
【０００３】
しかしながら、従来の圧縮自己着火式内燃機関では、燃焼開始時期はピストンの圧縮による温度、圧力変化によって進行する燃料の予反応速度に支配されていた。このため、圧縮自己着火燃焼において、適切な着火時期が得られる運転条件は、ごく限られた機関回転速度、負荷範囲に限られ、それ以外の運転条件においてはノッキングあるいは不安定燃焼が発生し、またノッキングに至らない場合でも、急激な圧力上昇により過大な燃焼騒音が発生するという問題点があった。
【０００４】
このような問題点に対し、圧縮自己着火式内燃機関の着火時期を任意に制御する方法として、特開平１０−１９６４２４号公報に示されるように、吸気通路内に噴射した燃料と吸入した空気とを混合し、シリンダ内に供給した混合気の一部に火花点火し、その燃焼により混合気全体の圧力、温度を上昇させ、残る混合気の圧縮自己着火を発生させる技術がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開平１０−１９６４２４号公報に示される圧縮自己着火式内燃機関の方式によっても、圧縮自己着火燃焼運転領域は、吸気通路内で形成し、シリンダ内に供給した混合気が、上死点前では圧縮自己着火しない条件を満たす機関回転速度、負荷範囲に限られるという問題点があった。
【０００６】
また、圧縮自己着火燃焼においては、燃焼効率を低下させないために一定クランク角以内で燃焼を完了させる場合に、燃焼が行われる実時間が減少し単位時間当たりの圧力上昇率が増加する高回転時、及び総発熱量が増加し単位時間当たりの圧力上昇率が増加する高負荷時ほど、ノッキングが起こり易く、運転領域の拡大を困難としている。
【０００７】
本発明は、かかる問題点に鑑みたもので、その目的は、機関の運転状態に応じて燃焼時期を最適に制御して、ノッキング及び不安定燃焼を回避しつつ、圧縮自己着火燃焼運転領域を高負荷側及び高回転側に拡大することで、大幅な燃料消費率向上及びＮＯｘ排出量低減が可能な直噴火花点火圧縮自己着火式内燃機関の燃焼制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、前記課題を解決するために、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射装置と、点火プラグとを備え、少なくとも１回の圧縮行程中の燃料噴射と、該燃料噴射開始以前に終了する燃料噴射とを含む１サイクル中に２回の燃料噴射を行い、２回目の燃料噴射により生成される混合気に火花点火することで１段目の燃焼を行い、１段目の燃焼による燃焼室内の温度圧力上昇により周囲の混合気が圧縮自己着火することで２段目の燃焼を行う運転条件を持つ内燃機関の燃焼制御装置において、１回目の燃料噴射の時期、２回目の燃料噴射の時期、１段目の燃焼を開始する点火時期を、機関回転速度及び機関負荷に応じて、１回目の燃料噴射の時期は、回転速度の増大に伴って遅角側に、また負荷の増大に伴って進角側に、２回目の燃料噴射の時期及び点火時期は、回転速度の増大に伴って遅角側に、また機関負荷の増大に伴って遅角側に、制御することにより、機関回転速度及び機関負荷に応じて２段目の燃焼の開始時期を制御することを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明は、全噴射量に対する２回目の噴射量割合を機関回転速度上昇に伴い増加させることを特徴とする。
また、請求項３記載の発明は、全噴射量に対する２回目の噴射量割合を機関負荷上昇に伴い増加させることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、筒内にＥＧＲガスを導入する手段を備え、機関回転速度上昇に伴いＥＧＲ率を増加させることを特徴とする。
また、請求項５記載の発明は、筒内にＥＧＲガスを導入する手段を備え、機関負荷上昇に伴いＥＧＲ率を減少させることを特徴とする。
【００１２】
請求項６記載の発明は、排気上死点付近の時期において排気弁と吸気弁とが共に閉じられた負のオーバーラップ期間を持つように制御可能な動弁機構を備え、機関回転速度上昇に伴い負のオーバーラップ期間を増加させることでＥＧＲ率を増加させることを特徴とする。
また、請求項７記載の発明は、排気上死点付近の時期において排気弁と吸気弁とが共に閉じられた負のオーバーラップ期間を持つように制御可能な動弁機構を備え、機関負荷上昇に伴い負のオーバーラップ期間を減少させることでＥＧＲ率を減少させることを特徴とする。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、直噴火花点火圧縮自己着火式内燃機関において、機関回転速度及び機関負荷に応じて２段目の燃焼（圧縮自己着火燃焼）の開始時期を制御することで、急激な圧力上昇を引き起こすことの無い適切な燃焼時期において、燃焼を行わせることができる。その結果、ノッキング及び不安定燃焼を防止しつつ、より広い範囲の機関回転速度及び機関負荷において圧縮自己着火燃焼運転が可能となる。
【００１９】
また、１回目の燃料噴射の時期、２回目の燃料噴射の時期、１段目の燃焼（火花点火燃焼）を開始する点火時期を、機関回転速度及び機関負荷に応じて制御することで、確実な燃焼時期制御ができ、より広い範囲の機関回転速度及び機関負荷において圧縮自己着火燃焼運転が可能となる。
【００２０】
また、１回目の燃料噴射時期を機関回転速度上昇に伴い遅らせることで、急激な圧力上昇を引き起こすことの無い適切な燃焼時期において、圧縮自己着火燃焼に関わる混合気の分散によるリーン化を抑制し、回転速度上昇に伴う燃料の予反応時間の不足に起因する圧縮自己着火燃焼の安定性低下、燃焼期間増大を防止できる。その結果、ノッキング、不安定燃焼及び熱効率低下を防止しつつ、圧縮自己着火燃焼運転領域をより高回転側に拡大できる。
また、１回目の燃料噴射時期を機関負荷上昇に伴い進ませることで、燃料を燃焼室内に分散させ、燃料噴射量の増加に伴う圧縮自己着火燃焼に関わる混合気のリッチ化を抑制し、急激な圧力上昇の発生を防止できる。その結果、ノッキングを防止しつつ、圧縮自己着火燃焼運転領域をより高負荷側に拡大できる。また逆に、１回目の燃料噴射時期を機関負荷低下に伴い遅らせることで、圧縮自己着火燃焼に関わる混合気の分散によるリーン化を抑制し、圧縮自己着火燃焼の安定性低下、燃焼期間増大を防止できる。その結果、不安定燃焼及び熱効率低下を防止しつつ、圧縮自己着火燃焼運転領域をより低負荷側に拡大できる。
【００２１】
また、点火時期を機関回転速度上昇に伴い遅らせることで、火花点火燃焼に引き続く圧縮自己着火燃焼開始時期を遅らせ、燃焼時の急激な圧力上昇の発生を防止できる。その結果、ノッキングを防止しつつ圧縮自己着火燃焼運転領域をより高回転側に拡大できる。
また、点火時期を機関負荷上昇に伴い遅らせることで、火花点火燃焼に引き続く圧縮自己着火燃焼開始時期を遅らせ、燃焼時の急激な圧力上昇の発生を防止できる。その結果、ノッキングを防止しつつ圧縮自己着火燃焼運転領域をより高負荷側に拡大できる。
また、２回目の燃料噴射時期を機関回転速度上昇に伴う点火時期の遅角に伴い遅らせることで、点火時期において火花点火燃焼に関わる混合気の分散によるリーン化を抑制し、着火安定性の低下を防止できる。その結果、圧縮自己着火燃焼開始時期の制御が精度良く行われ、ノッキング及び安定性低下を防止しつつ、圧縮自己着火燃焼運転領域をより高回転側に拡大できる。
また、２回目の燃料噴射時期を機関負荷上昇に伴う点火時期の遅角に伴い遅らせることで、点火時期において火花点火燃焼に関わる混合気の分散によるリーン化を抑制し、着火安定性の低下を防止できる。その結果、急激な圧力上昇を引き起こすことの無い適切な燃焼時期において、圧縮自己着火燃焼開始時期の制御が精度良く行われ、ノッキング及び安定性低下を防止しつつ、圧縮自己着火燃焼運転領域をより高負荷側に拡大できる。
【００２２】
請求項２記載の発明によれば、全噴射量に対する２回目の噴射量割合を機関回転速度上昇に伴い増加させることで次のような効果が得られる。前述のように、点火時期は機関回転速度上昇に伴い遅らせるよう制御される。火花点火燃焼の時期が上死点から遅角すると、燃焼時の燃焼室容積が増加するため、同じ発熱量が発生した時の圧力上昇が小さくなる。その結果、未燃ガス部の温度圧力上昇幅が小さくなり、圧縮自己着火燃焼が不安定となる場合がある。その場合、全噴射量に対する２回目の噴射量割合を増加することで発熱量を増加し、引き続く圧縮自己着火燃焼を確実に行わせることが可能である。その結果、ノッキング及び安定性低下を防止しつつ圧縮自己着火燃焼運転領域をより高回転側に拡大できる。
請求項３記載の発明によれば、全噴射量に対する２回目の噴射量割合を機関負荷上昇に伴い増加させることで次のような効果が得られる。前述のように、点火時期は機関負荷上昇に伴い遅らせるよう制御される。火花点火燃焼の時期が上死点から遅角すると、燃焼時の燃焼室容積が増加するため、同じ発熱量が発生した時の圧力上昇が小さくなる。その結果、未燃ガス部の温度圧力上昇幅が小さくなり、圧縮自己着火燃焼が不安定となる場合がある。その場合、全噴射量に対する２回目の噴射量割合を増加することで発熱量を増加し、引き続く圧縮自己着火燃焼を確実に行わせることが可能である。その結果、ノッキング及び安定性低下を防止しつつ圧縮自己着火燃焼運転領域をより高負荷側に拡大できる。
【００２３】
請求項４記載の発明によれば、機関回転速度上昇に伴いＥＧＲ率を増加させ、圧縮自己着火燃焼に関わる混合気の温度を上昇させることで、回転上昇に伴う燃料の予反応時間の不足に起因する圧縮自己着火燃焼の安定性低下を防止でき、圧縮自己着火燃焼運転領域をより高回転側に拡大できる。
請求項５記載の発明によれば、機関負荷上昇に伴いＥＧＲ率を減少させ、圧縮自己着火燃焼に関わる混合気の温度を低下させることで、燃焼時期の早期化を防止し急激な圧力上昇の発生を防止できる。その結果、ノッキングを防止しつつ圧縮自己着火燃焼運転領域をより高負荷側に拡大できる。また逆に、機関負荷低下に伴いＥＧＲ率を増加させ、圧縮自己着火燃焼に関わる混合気の温度を上昇させることで、圧縮自己着火燃焼の安定性低下を防止できる。その結果、不安定燃焼を防止しつつ、圧縮自己着火燃焼運転領域をより低負荷側に拡大できる。
請求項６記載の発明によれば、機関回転速度上昇に伴い排気上死点付近の時期において排気弁と吸気弁とが共に閉じられた負のオーバーラップ期間を増加させることにより、ガスの閉じ込めによる内部ＥＧＲ率を増加させ、圧縮自己着火燃焼に関わる混合気の温度を上昇させることで、回転速度上昇に伴う燃料の予反応時間の不足に起因する圧縮自己着火燃焼の安定性低下を防止でき、圧縮自己着火燃焼運転領域をより高回転側に拡大できる。
請求項７記載の発明によれば、機関負荷上昇に伴い排気上死点付近の時期において排気弁と吸気弁とが共に閉じられた負のオーバーラップ期間を減少させることにより、ガスの閉じ込めによる内部ＥＧＲ率を減少させ、圧縮自己着火燃焼に関わる混合気の温度を低下させることで、燃焼時期の早期化を防止し急激な圧力上昇の発生を防止できる。その結果、ノッキングを防止しつつ圧縮自己着火燃焼運転領域をより高負荷側に拡大できる。また逆に、機関負荷低下に伴い負のオーバーラップ期間を増加させることにより、内部ＥＧＲ率を増加させ、圧縮自己着火燃焼に関わる混合気の温度を上昇させることで、圧縮自己着火燃焼の安定性低下を防止できる。その結果、不安定燃焼を防止しつつ、圧縮自己着火燃焼運転領域をより低負荷側に拡大できる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を直噴火花点火圧縮自己着火式内燃機関である４サイクル型の自動車用ガソリン機関に適用した実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る直噴火花点火圧縮自己着火式内燃機関の第１実施形態の構成を示すシステム図である。
【００３２】
シリンダ１、シリンダヘッド２及びピストン３により画成される燃焼室４には、図示しないスロットル弁の制御を受けた空気が、吸気通路を構成する吸気マニフォルド５及び吸気ポート６より、吸気弁７の開時に吸入される。
シリンダヘッド２には、燃焼室４の上側の略中心部に位置させて、燃焼室４内に直接燃料を噴射するように燃料噴射装置（燃料噴射弁）８が取付けられると共に、火花点火用の点火プラグ９が取付けられている。
【００３３】
燃焼後の排気は、排気弁１０の開時に、排気通路を構成する排気ポート１１及び排気マニフォルド１２より排出される。また、筒内にＥＧＲガスを導入する手段として、排気マニフォルド１２より排気の一部を吸気マニフォルド５に還流するＥＧＲ通路１３が設けられ、このＥＧＲ通路１３にはＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を調整可能なＥＧＲ制御弁１４が介装されている。
【００３４】
機関制御用の電子制御装置（エンジンコントロールユニット；以下ＥＣＵという）２０は、マイクロコンピュータを内蔵しており、これには、クランク角センサ（図示せず）からのクランク角信号（これにより機関回転速度Ｎを検出可能）、アクセル開度センサ（図示せず）からのアクセル開度信号（これにより機関負荷Ｔを検出可能）が入力され、更に、エアフローメータ（図示せず）からの吸入空気量信号、吸気温センサ（図示せず）からの吸気温度信号、排気温センサ（図示せず）からの排気温度信号等も入力されている。
【００３５】
ＥＣＵ２０は、これらの入力信号に基づいて、燃料噴射装置８、点火プラグ９、ＥＧＲ制御弁１４の作動を制御する。
特に、この内燃機関では、運転条件に応じた燃焼制御を行うため、ＥＣＵ２０は、運転条件に応じて火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼（火花点火圧縮自己着火燃焼）とのいずれの燃焼形態で運転を行うかを判断する燃焼形態判断部２１を備えると共に、その判定結果に従って燃焼パラメータを各燃焼形態にて最適となるように制御する燃料噴射量制御部２２、燃料噴射時期制御部２３、点火時期制御部２４、ＥＧＲ率制御部２５を備えている。但し、これらはマイクロコンピュータのプログラムとして実現される。
【００３６】
次に、本実施形態での燃焼制御について説明する。
前記構成のもと、本実施形態では、機関回転速度、負荷の運転条件に応じて、火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とを切換可能となっており、図２に示すように、機関回転速度Ｎと負荷Ｔとによる特定の運転領域（低中回転・低中負荷領域）において圧縮自己着火燃焼を行い、それ以外の運転領域においては火花点火燃焼を行う。
【００３７】
圧縮自己着火燃焼においては、圧縮行程中の燃料噴射（２回目の燃料噴射）と、該燃料噴射開始以前に終了する燃料噴射（１回目の燃料噴射）とを含む１サイクル中に２回の燃料噴射を行い、２回目の燃料噴射により生成される混合気に火花点火することで１段目の燃焼を行い、１段目の燃焼による燃焼室内の温度圧力上昇により周囲の混合気が圧縮自己着火することで２段目の燃焼を行う。
【００３８】
図３には圧縮自己着火燃焼時のクランク角度に対する筒内圧力の変化の例を示している。図中の１回目の筒内圧ピークが１段目の燃焼（火花点火燃焼）に対応し、２回目の筒内圧ピークが２段目の燃焼（圧縮自己着火燃焼）に対応する。
圧縮自己着火燃焼においては、図４に示すように、圧力上昇率とノッキング強度とには相関があり、圧力上昇率が大きくなるとノッキング強度が強くなることが明らかとなっている。尚、図中の圧力上昇率ｄＰ／ｄｔmax は１サイクル中の最大圧力上昇率である。
【００３９】
また、図５に示すように、燃焼期間の増大に伴い、燃焼期間中にピストンが下降することにより燃焼が不完全となり、燃焼効率（投入した燃料の発熱量に対する、実際に燃焼した燃料の発熱量の比）が低下することが明らかとなっている。尚、図中の燃焼期間θ10−90は、燃焼室内に噴射された燃料の１０％が燃焼したクランク角度から同燃料の９０％が燃焼したクランク角度までの期間であり、燃焼期間を表す１パラメータである。
【００４０】
従って、燃焼効率を低下させないために一定クランク角以内で燃焼を完了させる場合に、燃焼が行われる実時間が減少し単位時間当たりの圧力上昇率が増加する高回転時、及び総発熱量が増加し単位時間当たりの圧力上昇率が増加する高負荷時ほど、ノッキングが起こり易く、圧縮自己着火運転領域の拡大を困難としている。
【００４１】
図６には機関回転速度Ｎ及び負荷Ｔと燃焼時期θ50とに対する圧力上昇率ｄＰ／ｄｔmax の関係を示している。θ50は燃焼室内に噴射された燃料の５０％が燃焼したクランク角度であり、燃焼時期を表す１パラメータである。この図からわかるように、同じ回転速度あるいは同じ負荷であれば、燃焼時期を上死点から遅角するほど、圧力上昇率は低下する。これはピストンが下降する時に燃焼が行われるため、ピストン下降による圧力の低下によって燃焼時の圧力上昇率が抑えられるからである。
【００４２】
本実施形態においては、燃焼室内に噴射された燃料の５０％が燃焼したクランク角度で表す燃焼時期θ50を上死点後とし、図７に示すように、機関回転速度Ｎの上昇あるいは負荷Ｔの上昇に伴い、更に遅らせるよう制御することで、ノッキングを防止する。その結果、圧縮自己着火燃焼運転領域の拡大が可能となる。
そのため、機関の運転条件に応じて、適切な燃焼時期（２段目の燃焼の開始時期）が得られるように、１回目の燃料噴射時期、２回目の燃料噴射時期、１段目の燃焼を開始する点火時期、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射との噴射量割合（全噴射量に対する２回目の噴射量割合）、ＥＧＲ率のうち、少なくとも１つを以下のように制御する。
【００４３】
図８に機関回転速度Ｎ及び負荷Ｔに対する１回目の燃料噴射時期ＩＴ１の特性を示す。この図のように１回目の燃料噴射時期ＩＴ１を機関回転速度上昇に伴い遅らせることで、急激な圧力上昇を引き起こすことの無い適切な燃焼時期において、圧縮自己着火燃焼に関わる混合気の分散によるリーン化を抑制し、回転速度上昇に伴う燃料の予反応時間の不足に起因する圧縮自己着火燃焼の安定性低下、及び燃焼期間の増大を防止できる。また、１回目の燃料噴射時期ＩＴ１を機関負荷上昇に伴い進ませることで、燃料を燃焼室内に分散させ、燃料噴射量の増加に伴う圧縮自己着火燃焼に関わる混合気のリッチ化を抑制し、急激な圧力上昇の発生を防止できる。
【００４４】
図９に機関回転速度Ｎ及び負荷Ｔに対する点火時期ＩＧＴの特性を示す。この図のように点火時期ＩＧＴを機関回転速度上昇に伴い遅らせることで、火花点火燃焼に引き続く圧縮自己着火燃焼開始時期を遅らせ、燃焼時の急激な圧力上昇の発生を防止できる。また、点火時期ＩＧＴを機関負荷上昇に伴い遅らせることで、火花点火燃焼に引き続く圧縮自己着火燃焼時期を遅らせ、急激な圧力上昇の発生を防止できる。
【００４５】
図１０に機関回転速度Ｎ及び負荷Ｔに対する２回目の燃料噴射時期ＩＴ２の特性を示す。２回目の燃料噴射時期ＩＴ２を、機関回転速度及び負荷上昇に伴い、すなわち点火時期の遅角に伴い、遅らせることで、点火時期において火花点火燃焼に関わる混合気の分散によるリーン化を抑制し、着火安定性の低下を防止することで、圧縮自己着火燃焼開始時期の制御が精度良く行われる。
【００４６】
図１１に機関回転速度Ｎ及び負荷Ｔに対する全噴射量に対する２回目の噴射量割合の特性を示す。前述のように、点火時期ＩＧＴは機関回転速度及び負荷上昇に伴い遅らせるよう制御される。その場合、この図のように全噴射量に対する２回目の噴射量割合を増加させることで、火花点火燃焼の発熱量を増加し、引き続く圧縮自己着火燃焼を確実に行わせることが可能となる。
【００４７】
ディーゼル燃料に比べてセタン価が低いガソリンのような燃料を用いて圧縮自己着火燃焼を行うためには、混合気の昇温による着火性向上が有効である。そこで、本実施形態では、ＥＧＲガスにより筒内温度を上昇させる。
図１２に機関回転速度Ｎ及び負荷Ｔに対するＥＧＲ率の特性を示す。この図のように機関回転速度上昇に伴いＥＧＲ率を増加することで、燃焼時期遅角時の圧縮自己着火燃焼の安定度低下を防止できる。また、低負荷ほどＥＧＲ率を増加することで、圧縮自己着火燃焼の安定度低下を防止できると共に、負荷上昇に伴いＥＧＲ率を減少することで、ノッキングを防止できる。
【００４８】
尚、図１３にはＥＧＲ率と排気温度とに対するＥＧＲ制御弁開度の特性を示している。目標とするＥＧＲ率が大きくなるほど、ＥＧＲ制御弁開度を大きくすることは当然であるが、排気温度により筒内温度を間接的に検出し、排気温度が低くなるに従って、筒内温度上昇のためＥＧＲ制御弁開度を大側に補正し、逆に排気温度が高くなるに従って、ＥＧＲ制御弁開度を小側に補正している。尚、排気温度に代えて、吸気温度を用いるようにしてもよい。
【００４９】
以上に基づいて行われる本実施形態での燃焼制御の流れをフローチャートにより説明する。
図１４は燃焼制御ルーチンのフローチャートであり、所定時間毎又は所定クランク角毎に実行される。
Ｓ１０１では、機関回転速度Ｎ、負荷Ｔを検出する。
【００５０】
Ｓ１０２では、図２のマップに基づき、機関回転速度Ｎと負荷Ｔとから、火花点火燃焼運転領域であるか、圧縮自己着火燃焼運転領域であるか、燃焼形態を判断する。火花点火燃焼を行うと判断された場合は、Ｓ１０３に進み、通常の火花点火燃焼の制御を行う。
一方、圧縮自己着火燃焼を行うと判断された場合は、Ｓ１０４〜Ｓ１１０に示す圧縮自己着火燃焼の制御を行う。以下、この圧縮自己着火燃焼の制御について説明する。
【００５１】
Ｓ１０４では、図１２のマップに基づき、機関回転速度Ｎと負荷Ｔとから、ＥＧＲ率を算出する。ここで、ＥＧＲ率は、回転速度Ｎの増大に伴って大きく、また負荷Ｔの増大に伴って小さく設定される。
Ｓ１０５では、排気温度を検出する。
Ｓ１０６では、図１３のマップに基づき、ＥＧＲ率と排気温度とから、ＥＧＲ制御弁開度を算出し、制御する。ここで、ＥＧＲ制御弁開度は、ＥＧＲ率の増大に伴って大きく、排気温度の上昇に伴って小さく設定される。但し、ＥＧＲ率による燃焼時期制御を行わない場合はこれらＳ１０４〜Ｓ１０６は省略される。
【００５２】
Ｓ１０７では、図１１のマップを用いて、１回目の燃料噴射量ｑ１、２回目の燃料噴射量ｑ２を算出する。詳しくは、先ず、図１１のマップに基づき、機関回転速度Ｎと負荷Ｔとから、全噴射量ｑに対する２回目の噴射量割合Ｍを算出する。ここで、２回目の噴射量割合Ｍは、回転速度Ｎの増大及び負荷Ｔの増大に伴って大きく設定される。そして、１回目の燃料噴射量ｑ１＝全噴射量ｑ×（１−Ｍ）、２回目の燃料噴射量ｑ２＝全噴射量ｑ×Ｍとして、算出する。尚、全噴射量ｑは吸入空気量、機関回転速度、目標空燃比等から周知の方法で算出される。
【００５３】
Ｓ１０８では、図８のマップに基づき、機関回転速度Ｎと負荷Ｔとから、１回目の燃料噴射時期ＩＴ１を算出する。ここで、１回目の燃料噴射時期ＩＴ１は、回転速度Ｎの増大に伴って遅角側に、また負荷Ｔの増大に伴って進角側に設定される。
Ｓ１０９では、図１０のマップに基づき、機関回転速度Ｎと負荷Ｔとから、２回目の燃料噴射時期ＩＴ２を算出する。ここで、２回目の燃料噴射時期ＩＴ２は、回転速度Ｎの増大及び負荷Ｔの増大に伴って遅角側に設定される。
【００５４】
Ｓ１１０では、図９のマップに基づき、機関回転速度Ｎと負荷Ｔとから、点火時期ＩＧＴを算出する。ここで、点火時期ＩＧＴは、回転速度Ｎの増大及び負荷Ｔの増大に伴って遅角側に設定される。
このように制御することで、機関回転速度及び負荷に応じた最適な時期に燃焼を行うことができる。ここで、Ｓ１０４〜Ｓ１１０の部分が圧縮自己着火燃焼時に機関回転速度及び負荷に応じて２段目の燃焼（圧縮自己着火燃焼）の開始時期を制御する手段に相当する。
【００５５】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図１５は本発明に係る直噴火花点火圧縮自己着火式内燃機関の第２実施形態の構成を示すシステム図である。
第２の実施形態（図１５）の構成は第１の実施形態（図１）の構成に対して、ＥＧＲガスを内部ＥＧＲとして筒内に導入する手段を有している点が異なる。すなわち、図１におけるＥＧＲ通路１３及びＥＧＲ制御弁１４の代わりに、吸気弁７及び排気弁１０に対しその開閉時期を任意に制御可能な動弁機構（バルブタイミング可変機構）１５，１６を設置している。
【００５６】
そして、このバルブタイミング可変機構１５，１６により、排気上死点付近の時期において排気弁７と吸気弁１０とが共に閉じられた負のオーバーラップ期間（マイナスＯ／Ｌ）を持つように制御し、機関回転速度Ｎ及び負荷Ｔに応じて負のオーバーラップ期間を制御することで、ＥＧＲ率の制御を行う。尚、バルブタイミング可変機構は前記負のオーバーラップ期間を持つように設定可能であればどのような機構を用いても良い。
【００５７】
また、第２実施形態では、第１実施形態と異なり、燃料噴射装置（燃料噴射弁）８が、燃焼室４の周辺部における吸気ポート６の下寄りの位置から、燃焼室４の中心部を指向して、燃焼室４内に直接燃料を噴射するように、シリンダヘッド２に取付けられている。
尚、第１実施形態においても燃料噴射装置８を吸気側に設けるよう構成しても良く、逆に第２実施形態において、第１実施形態と同様に、燃料噴射装置８を燃焼室４の上側の略中心部に位置させても良い。
【００５８】
図１６に本実施形態での吸気弁７及び排気弁１０のバルブタイミング設定の一例を示す。
火花点火燃焼時（Ａ）は、通常の４サイクルガソリン機関と同様に、排気弁の閉時期（ＥＶＣ）と吸気弁の開時期（ＩＶＯ）とが排気上死点（ＴＤＣ）付近となって所要のオーバーラップ期間（Ｏ／Ｌ）を有するように設定する。
【００５９】
一方、圧縮自己着火燃焼時（Ｂ）は、火花点火燃焼時に対して、排気弁について、その閉時期（ＥＶＣ）を進角して排気行程中途で閉弁させると共に、吸気弁について、その開時期（ＩＶＯ）を遅角して吸気行程中途で開弁させるように制御し、排気上死点（ＴＤＣ）付近の時期において排気弁と吸気弁とが共に閉じられた負のオーバーラップ期間（マイナスＯ／Ｌ）を持つように設定する。
【００６０】
このように、圧縮自己着火燃焼時に負のオーバーラップ期間を持つバルブタイミングとすることにより、排気弁が排気行程中途にて閉弁され、その時点での燃焼室容積に相当する高温の既燃ガスを燃焼室内に滞留させ、次サイクルヘの内部ＥＧＲガスとする。次サイクルでは、吸気行程中途で吸気弁が開弁され、新気が吸入される。ここで、新気は内部ＥＧＲガスから熱量を受けて、筒内ガス温度が上昇することになる。
【００６１】
図１７にはＥＧＲ率（図１２の特性に従って機関回転速度Ｎ及び負荷Ｔから算出されるＥＧＲ率）と排気温度とに対する負のオーバーラップ期間の特性を示している。目標とするＥＧＲ率が大きくなるほど、内部ＥＧＲの増大のため、負のオーバーラップ期間を大きくすることは当然であるが、排気温度により筒内温度を間接的に検出し、排気温度が低くなるに従って、筒内温度上昇のため負のオーバーラップ期間を大側に補正し、逆に排気温度が高くなるに従って、負のオーバーラップ期間を小側に補正している。この場合も、排気温度に代えて、吸気温度を用いるようにしてもよい。
【００６２】
以上に基づいて行われる本実施形態での燃焼制御の流れをフローチャートにより説明する。
図１８は燃焼制御ルーチンのフローチャートであり、所定時間毎又は所定クランク角毎に実行される。
Ｓ２０１では、機関回転速度Ｎ、負荷Ｔを検出する。
【００６３】
Ｓ２０２では、図２のマップに基づき、機関回転速度Ｎと負荷Ｔとから、火花点火燃焼運転領域であるか、圧縮自己着火燃焼運転領域であるか、燃焼形態を判断する。
火花点火燃焼を行うと判断された場合は、Ｓ２０３に進み、通常の火花点火燃焼の制御を行う。また、Ｓ２０４で、通常のバルブタイミング制御、すなわち、図１６の（Ａ）に示すような通常の吸排気弁オーバーラップ期間を持つバルブタイミングに制御する。
【００６４】
一方、圧縮自己着火燃焼を行うと判断された場合は、Ｓ２０５〜Ｓ２１２に示す圧縮自己着火燃焼の制御を行う。以下、この圧縮自己着火燃焼の制御について説明する。
Ｓ２０５では、図１２のマップに基づき、機関回転速度Ｎと負荷Ｔとから、ＥＧＲ率を算出する。ここで、ＥＧＲ率は、回転速度Ｎの増大に伴って大きく、また負荷Ｔの増大に伴って小さく設定される。
【００６５】
Ｓ２０６では、排気温度を検出する。
Ｓ２０７では、図１７のマップに基づき、ＥＧＲ率と排気温度とから、負のオーバーラップ期間（マイナスＯ／Ｌ）を算出する。ここで、マイナスＯ／Ｌは、ＥＧＲ率の増大に伴って大きく、排気温度の上昇に伴って小さく設定される。
Ｓ２０８では、図１６の（Ｂ）に示すように、Ｓ２０７で算出された負のオーバーラップ期間（マイナスＯ／Ｌ）を持つように吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを制御する。
【００６６】
Ｓ２０９〜Ｓ２１２は、第１実施形態（図１４）のフローのＳ１０７〜Ｓ１１０と同じであり、１回目の燃料噴射量ｑ１、２回目の燃料噴射量ｑ２、１回目の燃料噴射時期ＩＴ、２回目の燃料噴射時期ＩＴ２、点火時期ＩＧＴを算出して、制御する。
このように制御することで、機関回転速度及び負荷に応じた最適な時期に燃焼を行うことができる。ここで、Ｓ２０５〜Ｓ２１２の部分が圧縮自己着火燃焼時に機関回転速度及び負荷に応じて２段目の燃焼（圧縮自己着火燃焼）の開始時期を制御する手段に相当する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態を示す内燃機関のシステム図
【図２】 圧縮自己着火燃焼を行う運転領域を示す図
【図３】 圧縮自己着火燃焼時の筒内圧力の変化を示す図
【図４】 圧力上昇率とノッキング強度との関係を示す図
【図５】 燃焼期間と燃焼効率との関係を示す図
【図６】 回転速度、負荷、燃焼時期と圧力上昇率との関係を示す図
【図７】 回転速度及び負荷に対する好ましい燃焼時期を示す図
【図８】 回転速度及び負荷に対する１回目の燃料噴射時期の特性図
【図９】 回転速度及び負荷に対する点火時期の特性図
【図１０】 回転速度及び負荷に対する２回目の燃料噴射時期の特性図
【図１１】 回転速度及び負荷に対する２回目の燃料噴射量割合の特性図
【図１２】 回転速度及び負荷に対するＥＧＲ率の特性図
【図１３】 ＥＧＲ率及び排気温度に対するＥＧＲ制御弁開度の特性図
【図１４】 第１実施形態での燃焼制御のフローチャート
【図１５】 本発明の第２実施形態を示す内燃機関のシステム図
【図１６】 吸排気弁のバルブタイミング設定の一例を示す図
【図１７】 ＥＧＲ率及び排気温度に対する負のオーバーラップの特性図
【図１８】 第２実施形態での燃焼制御のフローチャート
【符号の説明】
１ シリンダ
２ シリンダヘッド
３ ピストン
４ 燃焼室
５ 吸気マニフォルド
６ 吸気ポート
７ 吸気弁
８ 燃料噴射装置
９ 点火プラグ
１０ 排気弁
１１ 排気ポート
１２ 排気マニフォルド
１３ ＥＧＲ通路
１４ ＥＧＲ制御弁
１５ 吸気弁のバルブタイミング可変機構
１６ 排気弁のバルブタイミング可変機構
２０ ＥＣＵ
２１ 燃焼形態判断部
２２ 燃料噴射量制御部
２３ 燃料噴射時期制御部
２４ 点火時期制御部
２５ ＥＧＲ率制御部
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車用ガソリン機関のような４サイクル型の直噴火花点火圧縮自己着火式内燃機関において、圧縮自己着火燃焼のための２回の燃料噴射、及び点火により、所望の燃焼時期を得る内燃機関の燃焼制御装置に関する。
【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リーンな空燃比において安定燃焼が得られることから、燃料消費率の向上が可能である。また、リーンな空燃比により燃焼温度が低下することから、排気ガス中のＮＯｘ排出量を大幅に低減できる。
【０００３】
しかしながら、従来の圧縮自己着火式内燃機関では、燃焼開始時期はピストンの圧縮による温度、圧力変化によって進行する燃料の予反応速度に支配されていた。このため、圧縮自己着火燃焼において、適切な着火時期が得られる運転条件は、ごく限られた機関回転速度、負荷範囲に限られ、それ以外の運転条件においてはノッキングあるいは不安定燃焼が発生し、またノッキングに至らない場合でも、急激な圧力上昇により過大な燃焼騒音が発生するという問題点があった。
【０００４】
このような問題点に対し、圧縮自己着火式内燃機関の着火時期を任意に制御する方法として、特開平１０−１９６４２４号公報に示されるように、吸気通路内に噴射した燃料と吸入した空気とを混合し、シリンダ内に供給した混合気の一部に火花点火し、その燃焼により混合気全体の圧力、温度を上昇させ、残る混合気の圧縮自己着火を発生させる技術がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開平１０−１９６４２４号公報に示される圧縮自己着火式内燃機関の方式によっても、圧縮自己着火燃焼運転領域は、吸気通路内で形成し、シリンダ内に供給した混合気が、上死点前では圧縮自己着火しない条件を満たす機関回転速度、負荷範囲に限られるという問題点があった。
【０００６】
また、圧縮自己着火燃焼においては、燃焼効率を低下させないために一定クランク角以内で燃焼を完了させる場合に、燃焼が行われる実時間が減少し単位時間当たりの圧力上昇率が増加する高回転時、及び総発熱量が増加し単位時間当たりの圧力上昇率が増加する高負荷時ほど、ノッキングが起こり易く、運転領域の拡大を困難としている。
【０００７】
本発明は、かかる問題点に鑑みたもので、その目的は、機関の運転状態に応じて燃焼時期を最適に制御して、ノッキング及び不安定燃焼を回避しつつ、圧縮自己着火燃焼運転領域を高負荷側及び高回転側に拡大することで、大幅な燃料消費率向上及びＮＯｘ排出量低減が可能な直噴火花点火圧縮自己着火式内燃機関の燃焼制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、前記課題を解決するために、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射装置と、点火プラグとを備え、少なくとも１回の圧縮行程中の燃料噴射と、該燃料噴射開始以前に終了する燃料噴射とを含む１サイクル中に２回の燃料噴射を行い、２回目の燃料噴射により生成される混合気に火花点火することで１段目の燃焼を行い、１段目の燃焼による燃焼室内の温度圧力上昇により周囲の混合気が圧縮自己着火することで２段目の燃焼を行う運転条件を持つ内燃機関の燃焼制御装置において、１回目の燃料噴射の時期、２回目の燃料噴射の時期、１段目の燃焼を開始する点火時期を、機関回転速度及び機関負荷に応じて、１回目の燃料噴射の時期は、回転速度の増大に伴って遅角側に、また負荷の増大に伴って進角側に、２回目の燃料噴射の時期及び点火時期は、回転速度の増大に伴って遅角側に、また機関負荷の増大に伴って遅角側に、制御することにより、機関回転速度及び機関負荷に応じて２段目の燃焼の開始時期を制御することを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明は、全噴射量に対する２回目の噴射量割合を機関回転速度上昇に伴い増加させることを特徴とする。
また、請求項３記載の発明は、全噴射量に対する２回目の噴射量割合を機関負荷上昇に伴い増加させることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、筒内にＥＧＲガスを導入する手段を備え、機関回転速度上昇に伴いＥＧＲ率を増加させることを特徴とする。
また、請求項５記載の発明は、筒内にＥＧＲガスを導入する手段を備え、機関負荷上昇に伴いＥＧＲ率を減少させることを特徴とする。
【００１２】
請求項６記載の発明は、排気上死点付近の時期において排気弁と吸気弁とが共に閉じられた負のオーバーラップ期間を持つように制御可能な動弁機構を備え、機関回転速度上昇に伴い負のオーバーラップ期間を増加させることでＥＧＲ率を増加させることを特徴とする。
また、請求項７記載の発明は、排気上死点付近の時期において排気弁と吸気弁とが共に閉じられた負のオーバーラップ期間を持つように制御可能な動弁機構を備え、機関負荷上昇に伴い負のオーバーラップ期間を減少させることでＥＧＲ率を減少させることを特徴とする。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、直噴火花点火圧縮自己着火式内燃機関において、機関回転速度及び機関負荷に応じて２段目の燃焼（圧縮自己着火燃焼）の開始時期を制御することで、急激な圧力上昇を引き起こすことの無い適切な燃焼時期において、燃焼を行わせることができる。その結果、ノッキング及び不安定燃焼を防止しつつ、より広い範囲の機関回転速度及び機関負荷において圧縮自己着火燃焼運転が可能となる。
【００１９】
また、１回目の燃料噴射の時期、２回目の燃料噴射の時期、１段目の燃焼（火花点火燃焼）を開始する点火時期を、機関回転速度及び機関負荷に応じて制御することで、確実な燃焼時期制御ができ、より広い範囲の機関回転速度及び機関負荷において圧縮自己着火燃焼運転が可能となる。
【００２０】
また、１回目の燃料噴射時期を機関回転速度上昇に伴い遅らせることで、急激な圧力上昇を引き起こすことの無い適切な燃焼時期において、圧縮自己着火燃焼に関わる混合気の分散によるリーン化を抑制し、回転速度上昇に伴う燃料の予反応時間の不足に起因する圧縮自己着火燃焼の安定性低下、燃焼期間増大を防止できる。その結果、ノッキング、不安定燃焼及び熱効率低下を防止しつつ、圧縮自己着火燃焼運転領域をより高回転側に拡大できる。
また、１回目の燃料噴射時期を機関負荷上昇に伴い進ませることで、燃料を燃焼室内に分散させ、燃料噴射量の増加に伴う圧縮自己着火燃焼に関わる混合気のリッチ化を抑制し、急激な圧力上昇の発生を防止できる。その結果、ノッキングを防止しつつ、圧縮自己着火燃焼運転領域をより高負荷側に拡大できる。また逆に、１回目の燃料噴射時期を機関負荷低下に伴い遅らせることで、圧縮自己着火燃焼に関わる混合気の分散によるリーン化を抑制し、圧縮自己着火燃焼の安定性低下、燃焼期間増大を防止できる。その結果、不安定燃焼及び熱効率低下を防止しつつ、圧縮自己着火燃焼運転領域をより低負荷側に拡大できる。
【００２１】
また、点火時期を機関回転速度上昇に伴い遅らせることで、火花点火燃焼に引き続く圧縮自己着火燃焼開始時期を遅らせ、燃焼時の急激な圧力上昇の発生を防止できる。その結果、ノッキングを防止しつつ圧縮自己着火燃焼運転領域をより高回転側に拡大できる。
また、点火時期を機関負荷上昇に伴い遅らせることで、火花点火燃焼に引き続く圧縮自己着火燃焼開始時期を遅らせ、燃焼時の急激な圧力上昇の発生を防止できる。その結果、ノッキングを防止しつつ圧縮自己着火燃焼運転領域をより高負荷側に拡大できる。
また、２回目の燃料噴射時期を機関回転速度上昇に伴う点火時期の遅角に伴い遅らせることで、点火時期において火花点火燃焼に関わる混合気の分散によるリーン化を抑制し、着火安定性の低下を防止できる。その結果、圧縮自己着火燃焼開始時期の制御が精度良く行われ、ノッキング及び安定性低下を防止しつつ、圧縮自己着火燃焼運転領域をより高回転側に拡大できる。
また、２回目の燃料噴射時期を機関負荷上昇に伴う点火時期の遅角に伴い遅らせることで、点火時期において火花点火燃焼に関わる混合気の分散によるリーン化を抑制し、着火安定性の低下を防止できる。その結果、急激な圧力上昇を引き起こすことの無い適切な燃焼時期において、圧縮自己着火燃焼開始時期の制御が精度良く行われ、ノッキング及び安定性低下を防止しつつ、圧縮自己着火燃焼運転領域をより高負荷側に拡大できる。
【００２２】
請求項２記載の発明によれば、全噴射量に対する２回目の噴射量割合を機関回転速度上昇に伴い増加させることで次のような効果が得られる。前述のように、点火時期は機関回転速度上昇に伴い遅らせるよう制御される。火花点火燃焼の時期が上死点から遅角すると、燃焼時の燃焼室容積が増加するため、同じ発熱量が発生した時の圧力上昇が小さくなる。その結果、未燃ガス部の温度圧力上昇幅が小さくなり、圧縮自己着火燃焼が不安定となる場合がある。その場合、全噴射量に対する２回目の噴射量割合を増加することで発熱量を増加し、引き続く圧縮自己着火燃焼を確実に行わせることが可能である。その結果、ノッキング及び安定性低下を防止しつつ圧縮自己着火燃焼運転領域をより高回転側に拡大できる。
請求項３記載の発明によれば、全噴射量に対する２回目の噴射量割合を機関負荷上昇に伴い増加させることで次のような効果が得られる。前述のように、点火時期は機関負荷上昇に伴い遅らせるよう制御される。火花点火燃焼の時期が上死点から遅角すると、燃焼時の燃焼室容積が増加するため、同じ発熱量が発生した時の圧力上昇が小さくなる。その結果、未燃ガス部の温度圧力上昇幅が小さくなり、圧縮自己着火燃焼が不安定となる場合がある。その場合、全噴射量に対する２回目の噴射量割合を増加することで発熱量を増加し、引き続く圧縮自己着火燃焼を確実に行わせることが可能である。その結果、ノッキング及び安定性低下を防止しつつ圧縮自己着火燃焼運転領域をより高負荷側に拡大できる。
【００２３】
請求項４記載の発明によれば、機関回転速度上昇に伴いＥＧＲ率を増加させ、圧縮自己着火燃焼に関わる混合気の温度を上昇させることで、回転上昇に伴う燃料の予反応時間の不足に起因する圧縮自己着火燃焼の安定性低下を防止でき、圧縮自己着火燃焼運転領域をより高回転側に拡大できる。
請求項５記載の発明によれば、機関負荷上昇に伴いＥＧＲ率を減少させ、圧縮自己着火燃焼に関わる混合気の温度を低下させることで、燃焼時期の早期化を防止し急激な圧力上昇の発生を防止できる。その結果、ノッキングを防止しつつ圧縮自己着火燃焼運転領域をより高負荷側に拡大できる。また逆に、機関負荷低下に伴いＥＧＲ率を増加させ、圧縮自己着火燃焼に関わる混合気の温度を上昇させることで、圧縮自己着火燃焼の安定性低下を防止できる。その結果、不安定燃焼を防止しつつ、圧縮自己着火燃焼運転領域をより低負荷側に拡大できる。
請求項６記載の発明によれば、機関回転速度上昇に伴い排気上死点付近の時期において排気弁と吸気弁とが共に閉じられた負のオーバーラップ期間を増加させることにより、ガスの閉じ込めによる内部ＥＧＲ率を増加させ、圧縮自己着火燃焼に関わる混合気の温度を上昇させることで、回転速度上昇に伴う燃料の予反応時間の不足に起因する圧縮自己着火燃焼の安定性低下を防止でき、圧縮自己着火燃焼運転領域をより高回転側に拡大できる。
請求項７記載の発明によれば、機関負荷上昇に伴い排気上死点付近の時期において排気弁と吸気弁とが共に閉じられた負のオーバーラップ期間を減少させることにより、ガスの閉じ込めによる内部ＥＧＲ率を減少させ、圧縮自己着火燃焼に関わる混合気の温度を低下させることで、燃焼時期の早期化を防止し急激な圧力上昇の発生を防止できる。その結果、ノッキングを防止しつつ圧縮自己着火燃焼運転領域をより高負荷側に拡大できる。また逆に、機関負荷低下に伴い負のオーバーラップ期間を増加させることにより、内部ＥＧＲ率を増加させ、圧縮自己着火燃焼に関わる混合気の温度を上昇させることで、圧縮自己着火燃焼の安定性低下を防止できる。その結果、不安定燃焼を防止しつつ、圧縮自己着火燃焼運転領域をより低負荷側に拡大できる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を直噴火花点火圧縮自己着火式内燃機関である４サイクル型の自動車用ガソリン機関に適用した実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る直噴火花点火圧縮自己着火式内燃機関の第１実施形態の構成を示すシステム図である。
【００３２】
シリンダ１、シリンダヘッド２及びピストン３により画成される燃焼室４には、図示しないスロットル弁の制御を受けた空気が、吸気通路を構成する吸気マニフォルド５及び吸気ポート６より、吸気弁７の開時に吸入される。
シリンダヘッド２には、燃焼室４の上側の略中心部に位置させて、燃焼室４内に直接燃料を噴射するように燃料噴射装置（燃料噴射弁）８が取付けられると共に、火花点火用の点火プラグ９が取付けられている。
【００３３】
燃焼後の排気は、排気弁１０の開時に、排気通路を構成する排気ポート１１及び排気マニフォルド１２より排出される。また、筒内にＥＧＲガスを導入する手段として、排気マニフォルド１２より排気の一部を吸気マニフォルド５に還流するＥＧＲ通路１３が設けられ、このＥＧＲ通路１３にはＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を調整可能なＥＧＲ制御弁１４が介装されている。
【００３４】
機関制御用の電子制御装置（エンジンコントロールユニット；以下ＥＣＵという）２０は、マイクロコンピュータを内蔵しており、これには、クランク角センサ（図示せず）からのクランク角信号（これにより機関回転速度Ｎを検出可能）、アクセル開度センサ（図示せず）からのアクセル開度信号（これにより機関負荷Ｔを検出可能）が入力され、更に、エアフローメータ（図示せず）からの吸入空気量信号、吸気温センサ（図示せず）からの吸気温度信号、排気温センサ（図示せず）からの排気温度信号等も入力されている。
【００３５】
ＥＣＵ２０は、これらの入力信号に基づいて、燃料噴射装置８、点火プラグ９、ＥＧＲ制御弁１４の作動を制御する。
特に、この内燃機関では、運転条件に応じた燃焼制御を行うため、ＥＣＵ２０は、運転条件に応じて火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼（火花点火圧縮自己着火燃焼）とのいずれの燃焼形態で運転を行うかを判断する燃焼形態判断部２１を備えると共に、その判定結果に従って燃焼パラメータを各燃焼形態にて最適となるように制御する燃料噴射量制御部２２、燃料噴射時期制御部２３、点火時期制御部２４、ＥＧＲ率制御部２５を備えている。但し、これらはマイクロコンピュータのプログラムとして実現される。
【００３６】
次に、本実施形態での燃焼制御について説明する。
前記構成のもと、本実施形態では、機関回転速度、負荷の運転条件に応じて、火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とを切換可能となっており、図２に示すように、機関回転速度Ｎと負荷Ｔとによる特定の運転領域（低中回転・低中負荷領域）において圧縮自己着火燃焼を行い、それ以外の運転領域においては火花点火燃焼を行う。
【００３７】
圧縮自己着火燃焼においては、圧縮行程中の燃料噴射（２回目の燃料噴射）と、該燃料噴射開始以前に終了する燃料噴射（１回目の燃料噴射）とを含む１サイクル中に２回の燃料噴射を行い、２回目の燃料噴射により生成される混合気に火花点火することで１段目の燃焼を行い、１段目の燃焼による燃焼室内の温度圧力上昇により周囲の混合気が圧縮自己着火することで２段目の燃焼を行う。
【００３８】
図３には圧縮自己着火燃焼時のクランク角度に対する筒内圧力の変化の例を示している。図中の１回目の筒内圧ピークが１段目の燃焼（火花点火燃焼）に対応し、２回目の筒内圧ピークが２段目の燃焼（圧縮自己着火燃焼）に対応する。
圧縮自己着火燃焼においては、図４に示すように、圧力上昇率とノッキング強度とには相関があり、圧力上昇率が大きくなるとノッキング強度が強くなることが明らかとなっている。尚、図中の圧力上昇率ｄＰ／ｄｔmax は１サイクル中の最大圧力上昇率である。
【００３９】
また、図５に示すように、燃焼期間の増大に伴い、燃焼期間中にピストンが下降することにより燃焼が不完全となり、燃焼効率（投入した燃料の発熱量に対する、実際に燃焼した燃料の発熱量の比）が低下することが明らかとなっている。尚、図中の燃焼期間θ10−90は、燃焼室内に噴射された燃料の１０％が燃焼したクランク角度から同燃料の９０％が燃焼したクランク角度までの期間であり、燃焼期間を表す１パラメータである。
【００４０】
従って、燃焼効率を低下させないために一定クランク角以内で燃焼を完了させる場合に、燃焼が行われる実時間が減少し単位時間当たりの圧力上昇率が増加する高回転時、及び総発熱量が増加し単位時間当たりの圧力上昇率が増加する高負荷時ほど、ノッキングが起こり易く、圧縮自己着火運転領域の拡大を困難としている。
【００４１】
図６には機関回転速度Ｎ及び負荷Ｔと燃焼時期θ50とに対する圧力上昇率ｄＰ／ｄｔmax の関係を示している。θ50は燃焼室内に噴射された燃料の５０％が燃焼したクランク角度であり、燃焼時期を表す１パラメータである。この図からわかるように、同じ回転速度あるいは同じ負荷であれば、燃焼時期を上死点から遅角するほど、圧力上昇率は低下する。これはピストンが下降する時に燃焼が行われるため、ピストン下降による圧力の低下によって燃焼時の圧力上昇率が抑えられるからである。
【００４２】
本実施形態においては、燃焼室内に噴射された燃料の５０％が燃焼したクランク角度で表す燃焼時期θ50を上死点後とし、図７に示すように、機関回転速度Ｎの上昇あるいは負荷Ｔの上昇に伴い、更に遅らせるよう制御することで、ノッキングを防止する。その結果、圧縮自己着火燃焼運転領域の拡大が可能となる。
そのため、機関の運転条件に応じて、適切な燃焼時期（２段目の燃焼の開始時期）が得られるように、１回目の燃料噴射時期、２回目の燃料噴射時期、１段目の燃焼を開始する点火時期、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射との噴射量割合（全噴射量に対する２回目の噴射量割合）、ＥＧＲ率のうち、少なくとも１つを以下のように制御する。
【００４３】
図８に機関回転速度Ｎ及び負荷Ｔに対する１回目の燃料噴射時期ＩＴ１の特性を示す。この図のように１回目の燃料噴射時期ＩＴ１を機関回転速度上昇に伴い遅らせることで、急激な圧力上昇を引き起こすことの無い適切な燃焼時期において、圧縮自己着火燃焼に関わる混合気の分散によるリーン化を抑制し、回転速度上昇に伴う燃料の予反応時間の不足に起因する圧縮自己着火燃焼の安定性低下、及び燃焼期間の増大を防止できる。また、１回目の燃料噴射時期ＩＴ１を機関負荷上昇に伴い進ませることで、燃料を燃焼室内に分散させ、燃料噴射量の増加に伴う圧縮自己着火燃焼に関わる混合気のリッチ化を抑制し、急激な圧力上昇の発生を防止できる。
【００４４】
図９に機関回転速度Ｎ及び負荷Ｔに対する点火時期ＩＧＴの特性を示す。この図のように点火時期ＩＧＴを機関回転速度上昇に伴い遅らせることで、火花点火燃焼に引き続く圧縮自己着火燃焼開始時期を遅らせ、燃焼時の急激な圧力上昇の発生を防止できる。また、点火時期ＩＧＴを機関負荷上昇に伴い遅らせることで、火花点火燃焼に引き続く圧縮自己着火燃焼時期を遅らせ、急激な圧力上昇の発生を防止できる。
【００４５】
図１０に機関回転速度Ｎ及び負荷Ｔに対する２回目の燃料噴射時期ＩＴ２の特性を示す。２回目の燃料噴射時期ＩＴ２を、機関回転速度及び負荷上昇に伴い、すなわち点火時期の遅角に伴い、遅らせることで、点火時期において火花点火燃焼に関わる混合気の分散によるリーン化を抑制し、着火安定性の低下を防止することで、圧縮自己着火燃焼開始時期の制御が精度良く行われる。
【００４６】
図１１に機関回転速度Ｎ及び負荷Ｔに対する全噴射量に対する２回目の噴射量割合の特性を示す。前述のように、点火時期ＩＧＴは機関回転速度及び負荷上昇に伴い遅らせるよう制御される。その場合、この図のように全噴射量に対する２回目の噴射量割合を増加させることで、火花点火燃焼の発熱量を増加し、引き続く圧縮自己着火燃焼を確実に行わせることが可能となる。
【００４７】
ディーゼル燃料に比べてセタン価が低いガソリンのような燃料を用いて圧縮自己着火燃焼を行うためには、混合気の昇温による着火性向上が有効である。そこで、本実施形態では、ＥＧＲガスにより筒内温度を上昇させる。
図１２に機関回転速度Ｎ及び負荷Ｔに対するＥＧＲ率の特性を示す。この図のように機関回転速度上昇に伴いＥＧＲ率を増加することで、燃焼時期遅角時の圧縮自己着火燃焼の安定度低下を防止できる。また、低負荷ほどＥＧＲ率を増加することで、圧縮自己着火燃焼の安定度低下を防止できると共に、負荷上昇に伴いＥＧＲ率を減少することで、ノッキングを防止できる。
【００４８】
尚、図１３にはＥＧＲ率と排気温度とに対するＥＧＲ制御弁開度の特性を示している。目標とするＥＧＲ率が大きくなるほど、ＥＧＲ制御弁開度を大きくすることは当然であるが、排気温度により筒内温度を間接的に検出し、排気温度が低くなるに従って、筒内温度上昇のためＥＧＲ制御弁開度を大側に補正し、逆に排気温度が高くなるに従って、ＥＧＲ制御弁開度を小側に補正している。尚、排気温度に代えて、吸気温度を用いるようにしてもよい。
【００４９】
以上に基づいて行われる本実施形態での燃焼制御の流れをフローチャートにより説明する。
図１４は燃焼制御ルーチンのフローチャートであり、所定時間毎又は所定クランク角毎に実行される。
Ｓ１０１では、機関回転速度Ｎ、負荷Ｔを検出する。
【００５０】
Ｓ１０２では、図２のマップに基づき、機関回転速度Ｎと負荷Ｔとから、火花点火燃焼運転領域であるか、圧縮自己着火燃焼運転領域であるか、燃焼形態を判断する。火花点火燃焼を行うと判断された場合は、Ｓ１０３に進み、通常の火花点火燃焼の制御を行う。
一方、圧縮自己着火燃焼を行うと判断された場合は、Ｓ１０４〜Ｓ１１０に示す圧縮自己着火燃焼の制御を行う。以下、この圧縮自己着火燃焼の制御について説明する。
【００５１】
Ｓ１０４では、図１２のマップに基づき、機関回転速度Ｎと負荷Ｔとから、ＥＧＲ率を算出する。ここで、ＥＧＲ率は、回転速度Ｎの増大に伴って大きく、また負荷Ｔの増大に伴って小さく設定される。
Ｓ１０５では、排気温度を検出する。
Ｓ１０６では、図１３のマップに基づき、ＥＧＲ率と排気温度とから、ＥＧＲ制御弁開度を算出し、制御する。ここで、ＥＧＲ制御弁開度は、ＥＧＲ率の増大に伴って大きく、排気温度の上昇に伴って小さく設定される。但し、ＥＧＲ率による燃焼時期制御を行わない場合はこれらＳ１０４〜Ｓ１０６は省略される。
【００５２】
Ｓ１０７では、図１１のマップを用いて、１回目の燃料噴射量ｑ１、２回目の燃料噴射量ｑ２を算出する。詳しくは、先ず、図１１のマップに基づき、機関回転速度Ｎと負荷Ｔとから、全噴射量ｑに対する２回目の噴射量割合Ｍを算出する。ここで、２回目の噴射量割合Ｍは、回転速度Ｎの増大及び負荷Ｔの増大に伴って大きく設定される。そして、１回目の燃料噴射量ｑ１＝全噴射量ｑ×（１−Ｍ）、２回目の燃料噴射量ｑ２＝全噴射量ｑ×Ｍとして、算出する。尚、全噴射量ｑは吸入空気量、機関回転速度、目標空燃比等から周知の方法で算出される。
【００５３】
Ｓ１０８では、図８のマップに基づき、機関回転速度Ｎと負荷Ｔとから、１回目の燃料噴射時期ＩＴ１を算出する。ここで、１回目の燃料噴射時期ＩＴ１は、回転速度Ｎの増大に伴って遅角側に、また負荷Ｔの増大に伴って進角側に設定される。
Ｓ１０９では、図１０のマップに基づき、機関回転速度Ｎと負荷Ｔとから、２回目の燃料噴射時期ＩＴ２を算出する。ここで、２回目の燃料噴射時期ＩＴ２は、回転速度Ｎの増大及び負荷Ｔの増大に伴って遅角側に設定される。
【００５４】
Ｓ１１０では、図９のマップに基づき、機関回転速度Ｎと負荷Ｔとから、点火時期ＩＧＴを算出する。ここで、点火時期ＩＧＴは、回転速度Ｎの増大及び負荷Ｔの増大に伴って遅角側に設定される。
このように制御することで、機関回転速度及び負荷に応じた最適な時期に燃焼を行うことができる。ここで、Ｓ１０４〜Ｓ１１０の部分が圧縮自己着火燃焼時に機関回転速度及び負荷に応じて２段目の燃焼（圧縮自己着火燃焼）の開始時期を制御する手段に相当する。
【００５５】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図１５は本発明に係る直噴火花点火圧縮自己着火式内燃機関の第２実施形態の構成を示すシステム図である。
第２の実施形態（図１５）の構成は第１の実施形態（図１）の構成に対して、ＥＧＲガスを内部ＥＧＲとして筒内に導入する手段を有している点が異なる。すなわち、図１におけるＥＧＲ通路１３及びＥＧＲ制御弁１４の代わりに、吸気弁７及び排気弁１０に対しその開閉時期を任意に制御可能な動弁機構（バルブタイミング可変機構）１５，１６を設置している。
【００５６】
そして、このバルブタイミング可変機構１５，１６により、排気上死点付近の時期において排気弁７と吸気弁１０とが共に閉じられた負のオーバーラップ期間（マイナスＯ／Ｌ）を持つように制御し、機関回転速度Ｎ及び負荷Ｔに応じて負のオーバーラップ期間を制御することで、ＥＧＲ率の制御を行う。尚、バルブタイミング可変機構は前記負のオーバーラップ期間を持つように設定可能であればどのような機構を用いても良い。
【００５７】
また、第２実施形態では、第１実施形態と異なり、燃料噴射装置（燃料噴射弁）８が、燃焼室４の周辺部における吸気ポート６の下寄りの位置から、燃焼室４の中心部を指向して、燃焼室４内に直接燃料を噴射するように、シリンダヘッド２に取付けられている。
尚、第１実施形態においても燃料噴射装置８を吸気側に設けるよう構成しても良く、逆に第２実施形態において、第１実施形態と同様に、燃料噴射装置８を燃焼室４の上側の略中心部に位置させても良い。
【００５８】
図１６に本実施形態での吸気弁７及び排気弁１０のバルブタイミング設定の一例を示す。
火花点火燃焼時（Ａ）は、通常の４サイクルガソリン機関と同様に、排気弁の閉時期（ＥＶＣ）と吸気弁の開時期（ＩＶＯ）とが排気上死点（ＴＤＣ）付近となって所要のオーバーラップ期間（Ｏ／Ｌ）を有するように設定する。
【００５９】
一方、圧縮自己着火燃焼時（Ｂ）は、火花点火燃焼時に対して、排気弁について、その閉時期（ＥＶＣ）を進角して排気行程中途で閉弁させると共に、吸気弁について、その開時期（ＩＶＯ）を遅角して吸気行程中途で開弁させるように制御し、排気上死点（ＴＤＣ）付近の時期において排気弁と吸気弁とが共に閉じられた負のオーバーラップ期間（マイナスＯ／Ｌ）を持つように設定する。
【００６０】
このように、圧縮自己着火燃焼時に負のオーバーラップ期間を持つバルブタイミングとすることにより、排気弁が排気行程中途にて閉弁され、その時点での燃焼室容積に相当する高温の既燃ガスを燃焼室内に滞留させ、次サイクルヘの内部ＥＧＲガスとする。次サイクルでは、吸気行程中途で吸気弁が開弁され、新気が吸入される。ここで、新気は内部ＥＧＲガスから熱量を受けて、筒内ガス温度が上昇することになる。
【００６１】
図１７にはＥＧＲ率（図１２の特性に従って機関回転速度Ｎ及び負荷Ｔから算出されるＥＧＲ率）と排気温度とに対する負のオーバーラップ期間の特性を示している。目標とするＥＧＲ率が大きくなるほど、内部ＥＧＲの増大のため、負のオーバーラップ期間を大きくすることは当然であるが、排気温度により筒内温度を間接的に検出し、排気温度が低くなるに従って、筒内温度上昇のため負のオーバーラップ期間を大側に補正し、逆に排気温度が高くなるに従って、負のオーバーラップ期間を小側に補正している。この場合も、排気温度に代えて、吸気温度を用いるようにしてもよい。
【００６２】
以上に基づいて行われる本実施形態での燃焼制御の流れをフローチャートにより説明する。
図１８は燃焼制御ルーチンのフローチャートであり、所定時間毎又は所定クランク角毎に実行される。
Ｓ２０１では、機関回転速度Ｎ、負荷Ｔを検出する。
【００６３】
Ｓ２０２では、図２のマップに基づき、機関回転速度Ｎと負荷Ｔとから、火花点火燃焼運転領域であるか、圧縮自己着火燃焼運転領域であるか、燃焼形態を判断する。
火花点火燃焼を行うと判断された場合は、Ｓ２０３に進み、通常の火花点火燃焼の制御を行う。また、Ｓ２０４で、通常のバルブタイミング制御、すなわち、図１６の（Ａ）に示すような通常の吸排気弁オーバーラップ期間を持つバルブタイミングに制御する。
【００６４】
一方、圧縮自己着火燃焼を行うと判断された場合は、Ｓ２０５〜Ｓ２１２に示す圧縮自己着火燃焼の制御を行う。以下、この圧縮自己着火燃焼の制御について説明する。
Ｓ２０５では、図１２のマップに基づき、機関回転速度Ｎと負荷Ｔとから、ＥＧＲ率を算出する。ここで、ＥＧＲ率は、回転速度Ｎの増大に伴って大きく、また負荷Ｔの増大に伴って小さく設定される。
【００６５】
Ｓ２０６では、排気温度を検出する。
Ｓ２０７では、図１７のマップに基づき、ＥＧＲ率と排気温度とから、負のオーバーラップ期間（マイナスＯ／Ｌ）を算出する。ここで、マイナスＯ／Ｌは、ＥＧＲ率の増大に伴って大きく、排気温度の上昇に伴って小さく設定される。
Ｓ２０８では、図１６の（Ｂ）に示すように、Ｓ２０７で算出された負のオーバーラップ期間（マイナスＯ／Ｌ）を持つように吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを制御する。
【００６６】
Ｓ２０９〜Ｓ２１２は、第１実施形態（図１４）のフローのＳ１０７〜Ｓ１１０と同じであり、１回目の燃料噴射量ｑ１、２回目の燃料噴射量ｑ２、１回目の燃料噴射時期ＩＴ、２回目の燃料噴射時期ＩＴ２、点火時期ＩＧＴを算出して、制御する。
このように制御することで、機関回転速度及び負荷に応じた最適な時期に燃焼を行うことができる。ここで、Ｓ２０５〜Ｓ２１２の部分が圧縮自己着火燃焼時に機関回転速度及び負荷に応じて２段目の燃焼（圧縮自己着火燃焼）の開始時期を制御する手段に相当する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態を示す内燃機関のシステム図
【図２】 圧縮自己着火燃焼を行う運転領域を示す図
【図３】 圧縮自己着火燃焼時の筒内圧力の変化を示す図
【図４】 圧力上昇率とノッキング強度との関係を示す図
【図５】 燃焼期間と燃焼効率との関係を示す図
【図６】 回転速度、負荷、燃焼時期と圧力上昇率との関係を示す図
【図７】 回転速度及び負荷に対する好ましい燃焼時期を示す図
【図８】 回転速度及び負荷に対する１回目の燃料噴射時期の特性図
【図９】 回転速度及び負荷に対する点火時期の特性図
【図１０】 回転速度及び負荷に対する２回目の燃料噴射時期の特性図
【図１１】 回転速度及び負荷に対する２回目の燃料噴射量割合の特性図
【図１２】 回転速度及び負荷に対するＥＧＲ率の特性図
【図１３】 ＥＧＲ率及び排気温度に対するＥＧＲ制御弁開度の特性図
【図１４】 第１実施形態での燃焼制御のフローチャート
【図１５】 本発明の第２実施形態を示す内燃機関のシステム図
【図１６】 吸排気弁のバルブタイミング設定の一例を示す図
【図１７】 ＥＧＲ率及び排気温度に対する負のオーバーラップの特性図
【図１８】 第２実施形態での燃焼制御のフローチャート
【符号の説明】
１ シリンダ
２ シリンダヘッド
３ ピストン
４ 燃焼室
５ 吸気マニフォルド
６ 吸気ポート
７ 吸気弁
８ 燃料噴射装置
９ 点火プラグ
１０ 排気弁
１１ 排気ポート
１２ 排気マニフォルド
１３ ＥＧＲ通路
１４ ＥＧＲ制御弁
１５ 吸気弁のバルブタイミング可変機構
１６ 排気弁のバルブタイミング可変機構
２０ ＥＣＵ
２１ 燃焼形態判断部
２２ 燃料噴射量制御部
２３ 燃料噴射時期制御部
２４ 点火時期制御部
２５ ＥＧＲ率制御部
Claims (7)
- 燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射装置と、点火プラグとを備え、少なくとも１回の圧縮行程中の燃料噴射と、該燃料噴射開始以前に終了する燃料噴射とを含む１サイクル中に２回の燃料噴射を行い、２回目の燃料噴射により生成される混合気に火花点火することで１段目の燃焼を行い、１段目の燃焼による燃焼室内の温度圧力上昇により周囲の混合気が圧縮自己着火することで２段目の燃焼を行う運転条件を持つ内燃機関の燃焼制御装置において、
１回目の燃料噴射の時期、２回目の燃料噴射の時期、１段目の燃焼を開始する点火時期を、機関回転速度及び機関負荷に応じて、１回目の燃料噴射の時期は、回転速度の増大に伴って遅角側に、また負荷の増大に伴って進角側に、２回目の燃料噴射の時期及び点火時期は、回転速度の増大に伴って遅角側に、また機関負荷の増大に伴って遅角側に、制御することにより、
機関回転速度及び機関負荷に応じて２段目の燃焼の開始時期を制御することを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 全噴射量に対する２回目の噴射量割合を機関回転速度上昇に伴い増加させることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃焼制御装置。
- 全噴射量に対する２回目の噴射量割合を機関負荷上昇に伴い増加させることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の燃焼制御装置。
- 筒内にＥＧＲガスを導入する手段を備え、機関回転速度上昇に伴いＥＧＲ率を増加させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
- 筒内にＥＧＲガスを導入する手段を備え、機関負荷上昇に伴いＥＧＲ率を減少させることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
- 排気上死点付近の時期において排気弁と吸気弁とが共に閉じられた負のオーバーラップ期間を持つように制御可能な動弁機構を備え、機関回転速度上昇に伴い負のオーバーラップ期間を増加させることでＥＧＲ率を増加させることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
- 排気上死点付近の時期において排気弁と吸気弁とが共に閉じられた負のオーバーラップ期間を持つように制御可能な動弁機構を備え、機関負荷上昇に伴い負のオーバーラップ期間を減少させることでＥＧＲ率を減少させることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
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