JP4193535B2

JP4193535B2 - ガソリンエンジンの燃焼制御装置

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Publication number: JP4193535B2
Application number: JP2003079737A
Authority: JP
Inventors: 達也田中; 和晃楢原; 道彦田端
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2023-03-24
Also published as: JP2004285925A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気筒内の予混合気を圧縮して自己着火により燃焼させるようにしたガソリンエンジンの燃焼制御装置に関し、特に、その自己着火が安定して起きるように補助するための点火制御の技術分野にする。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガソリンエンジンのさらなる燃費改善や排気清浄化を図るために、気筒内の予混合気を圧縮して自己着火により燃焼させるという新しい燃焼形態が提案されており、一般には、均一予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）という呼称で知られている（例えば特許文献１等を参照）。この新しい燃焼形態では、従来一般的な火炎伝播によるものと異なり、気筒内の多数の箇所で予混合気が略同時に自己着火して、殆ど一斉に燃焼を開始することから、熱効率が極めて高くなる。
【０００３】
また、気筒の圧縮比を従来よりも高く設定することができるので、圧縮上死点（ＴＤＣ）近傍における気筒内の温度及び圧力状態を高くして、希薄な予混合気を安定して自己着火させることが可能になり、このことで、窒素酸化物や煤の生成も抑えることができる。
【０００４】
しかし、一般的にガソリンエンジンは、圧縮比が概略１３〜１６らいの範囲で最も効率が高くなると言われており、それ以上に高くなれば却って効率の悪いものになってしまうし、特に高回転側の運転状態でノッキングを誘発する虞れもあるから、圧縮比を過度に高くすることは好ましくない。
【０００５】
この点について、例えば特許文献２に開示される圧縮自己着火ガソリンエンジンでは、従来一般的なガソリンエンジンと同様に燃焼室の天井部に点火プラグを配置して、高負荷高回転側では火炎伝播による燃焼を行う一方、低負荷低回転側では吸排気弁のオーバーラップをなくして、多量の既燃ガスを残留させる（内部ＥＧＲ）ことにより、気筒内温度を高めるようにしている。また、このエンジンでは、前記の内部ＥＧＲガスに対し点火することによって、予混合気の着火安定性を向上できるとしている。
【０００６】
すなわち、排気弁の閉じた後に気筒内に残留する多量の既燃ガスに対して、吸気弁が開く前に、即ち気筒内に新気や予混合気が供給される前に火花点火を行うことによって、その既燃ガス中にラジカルを生成・増殖させることができ、このラジカルが気筒の吸入及び圧縮行程全般に渡って保持されて、ＴＤＣ近傍の適切な時期に予混合気の自己着火を誘発する、としている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−３３２１４１号公報
【特許文献２】
特開２００１−３７７１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記後者の従来例（特許文献２）のように多量の内部ＥＧＲガスによって気筒内温度を高め、さらに火花点火によってラジカルを生成させるようにしていても、エンジンが本来、温度状態の低い低負荷且つ低回転側の運転状態にあるときに予混合気を狙い通りに自己着火させることは難しいのが実状である。すなわち、元々の温度が低いときには、前記の如く多量の内部ＥＧＲを行っても、それだけでは気筒内の温度を予混合気の安定した自己着火に十分なほど高めることはできず、また、吸気行程の初期に生成したラジカルを圧縮上死点近傍まで保持することも難しいからである。
【０００９】
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、多量の既燃ガスを残留させて気筒の温度を高めることにより、予混合気の圧縮着火性を向上させるようにしたガソリンエンジンの燃焼制御装置において、温度状態の低い低負荷低回転側の特定の運転領域でも、予混合気の圧縮による着火安定性を確保することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明の解決手段では、エンジンが低負荷且つ低回転の特定の運転領域にあるときに、気筒内で比較的温度の低い吸気側周縁部にて予混合気に補助的な点火を行い、これにより生成して比較的緩慢に拡大する火炎の作用によって、予混合気全体の自己着火を誘発するようにした。
【００１１】
具体的に、請求項１に係る発明は、エンジンがその負荷状態及び回転速度によって規定される所定の運転領域にあるときに、それ以外の運転領域にあるときよりも気筒内の既燃ガスの残留量を多くして、当該気筒内の予混合気を自己着火により燃焼させるようにしたガソリンエンジンの燃焼制御装置を前提とする。
【００１２】
そして、前記気筒内の燃焼室の吸気側周縁部に放電電極を臨ませて、補助点火プラグを配設するとともに、前記所定運転領域内の低負荷且つ低回転側に予め設定した特定領域において気筒内の予混合気の空燃比が所定のリーン状態になるように、少なくとも燃料噴射量を制御する空燃比制御手段と、前記特定領域において前記リーンな予混合気の自己着火を補助するための補助点火を、前記補助点火プラグによって気筒の圧縮行程中期以降に行わせる点火制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
前記の構成により、エンジンが所定運転領域にあるときには、気筒内の既燃ガスの残留量を相対的に多くして当該気筒内の温度を高めることにより、予混合気を圧縮上死点近傍で略一斉に自己着火させて、燃焼させることが可能になる（予混合圧縮着火燃焼）。このような燃焼形態では熱効率が高くなって燃費の改善が図られる上に、窒素酸化物等の有害物質の生成が非常に少なくなる。
【００１４】
また、エンジンが低負荷且つ低回転側の特定の運転領域にあって元々の気筒内温度が低く、前記のように多量の既燃ガスを残留させても十分な温度上昇が図れない場合には、燃焼室の吸気側周縁部に設けた補助点火プラグによって予混合気に補助的な点火を行い、これにより自己着火を誘発する。すなわち、気筒内では比較的温度の低い吸気側において所定のタイミングにて予混合気に点火すれば、これにより生成した火炎が比較的緩慢に成長し、予混合気全体の温度及び圧力を上昇させることによって、その自己着火を確実に発生させることができる。
【００１５】
また、そうして補助点火を行うときには、空燃比制御手段によって予混合気の空燃比が所定のリーン状態になるように制御され、そのリーンな予混合気に対して燃焼室の吸気側周縁部にて圧縮行程中期以降に補助点火が行われる。すなわち、比較的温度の低い吸気側の燃焼室周縁部にて補助点火を行い、これにより生成した火炎を空燃比のリーンな予混合気中で成長させることで、その火炎の成長が狙い通り緩慢なものとなるから、気筒の圧縮行程中期以降の補助点火によってＴＤＣ近傍の適切な時期に予混合気全体を自己着火させることができる。
【００１６】
請求項３の発明では、予混合気を自己着火させる運転領域内において特定領域とそれ以外の領域との境界線を、低回転側ほど高負荷になるように設定した。このことで、気筒の元々の温度状態に応じて、必要なときにのみ補助点火を行うことができる。
【００１７】
すなわち、前記したような補助点火を行うと、予混合気の一部は火炎伝播により燃焼することになるから、その分、圧縮自己着火による熱効率の向上という面では不利になる。この点について、本発明では、元々の温度状態が低くて、気筒の圧縮作動のみでは予混合気の自己着火安定性を確保できない場合にのみ、補助点火を行うようにすることで、予混合気の圧縮自己着火の安定性を十分に高めつつ、そのような燃焼形態によって得られる燃焼効率の改善という作用効果を可及的に高めることができる。
【００１８】
請求項４の発明では、気筒内の燃焼室の天井部略中央に放電電極を臨ませて主点火プラグを配設するとともに、点火制御手段は、エンジンが予混合気を自己着火させる運転領域外にあるときには、前記主点火プラグにより気筒内の予混合気に点火して燃焼させるものとする。
【００１９】
このことで、予混合圧縮着火の実現が困難な例えば高負荷側や高回転側の運転状態では、気筒内の予混合気に対し主点火プラグにより点火して、従来一般的な火炎伝播による燃焼を実現することができる。
【００２０】
請求項５の発明では、前記請求項４の発明において、ノッキングの発生を検出する検出手段をさらに備え、点火制御手段は、エンジンが予混合気を自己着火させる運転領域外にあって且つ前記検出手段によりノッキングが検出されたときには、主点火プラグによる予混合気への点火よりも進角側で補助点火プラグにより補助点火を行わせるものとする。
【００２１】
すなわち、エンジンが例えば高負荷乃至高回転側の運転領域にあって、従来一般的な火炎伝播による燃焼状態となる場合に、検出手段によりノッキングの発生が検出されたときには、このノッキング、即ち予混合気の一部分のみが局所的に自己着火して激しく燃焼することを抑えるべく、そのような局所的な自己着火の発生しやすい燃焼室の吸気側において予め補助点火を行うようにする。また、比較的温度の低い吸気側に先行して点火することで、従来型燃焼による予混合気全体としての燃焼時間を短縮することができて、燃費の低減が図られる。
【００２２】
請求項６の発明では、補助点火プラグの容量放電電圧を主点火プラグに比べて小さな値に設定する。こうすることで、補助点火により生成した火炎の急速な拡大を抑えて、狙い通りの比較的緩慢な火炎伝播によって、予混合気を殆ど一斉に自己着火させることが可能になる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１Ａは、本願発明に係るガソリンエンジンのシリンダヘッド１の断面を示し、このシリンダヘッド１は、図には上端部のみを示すシリンダブロック２の上部に取り付けられて、図示しない複数のヘッドボルトにより強固に締結されている。そのシリンダブロック２の上面には気筒３（シリンダ）の上端が開口され、この開口部を覆うシリンダヘッド１の下面には円形の凹部が形成されていて、この凹部と、当該気筒３内に嵌装されたピストン４の頂面との間に、燃焼室５が区画形成されている。つまり、前記ピストン４の頂面が燃焼室５の底面になり、シリンダヘッド１の凹部が燃焼室５の天井部となる。また、この実施形態では、後述の如く気筒３内の予混合気を圧縮して自己着火させるのに好適なよう、当該気筒３の幾何学的な圧縮比を約１２に設定しているが、この限りではなく、気筒３の幾何学的な圧縮比は例えば１１〜１３くらいの範囲に設定すればよい。
【００２５】
図の例では、前記燃焼室５の天井部は、２つの傾斜面５ａ，５ｂが互いに差し掛けられた屋根のような形状をなすペントルーフ型のものであり、図示の如くエンジン前後方向に見ると、２つの傾斜面５ａ，５ｂはそれぞれ天井部の略中央から左右両側に向かって徐々にシリンダブロック２との合わせ面に近づくように延びている。そして、図の右側に示す一方の傾斜面５ａには吸気ポート６の下流端が開口し、そこから斜め上方に向かって略直線的に延びる吸気ポート６の上流端は、図の右側に示すシリンダヘッド１の一側面に開口している。また、排気ポート７の上流端が他方の傾斜面５ｂに開口し、そこから略水平に延びる排気ポート７の下流端はシリンダヘッド１の他側面（図の左側面）に開口している。
【００２６】
同図Ｂに示すように、この実施形態のエンジンは、前記吸気及び排気ポート６，７が１つの気筒３に対して２つずつ設けられた４弁式のものであり、該各ポート６，７の燃焼室５を臨む開口端には、吸気及び排気弁８，９が配設されている。この吸気弁８及び排気弁９は、それぞれ、軸端部に固定されたリテーナ１０，１０を介してコイルスプリング１１，１１により上方（弁を閉じる方向）に付勢される一方、バルブリフタ１２，１２を介してカムシャフト１３，１３により弁軸方向に押圧されることにより、前記スプリング１１の付勢力に抗して押し下げられるようになっている（弁の開作動）。つまり、前記２本のカムシャフト１３，１３が各々図外のクランクシャフトに同期して回転されることで、吸気弁８及び排気弁９がそれぞれ所定のタイミングで開閉される。
【００２７】
また、前記吸気及び排気カムシャフト１３，１３には、それぞれ、クランクシャフトに対する回転位相（位相角）を所定の角度範囲において連続的に変化させる可変動弁機構１５，１５（以下、ＶＶＴともいう）が付設されており、このＶＶＴ１５によって前記吸気弁８及び排気弁９の開閉時期がそれぞれ独立に変更されるようになっている。詳しくは、例えば吸気側について図２に一例を示すように、前記ＶＶＴ１５は、吸気側カムシャフト１３の前端部に固定されたロータ１５ａと、このロータ１５ａを覆うように配置されてスプロケット１５ｂに固定されたケーシング１５ｃとからなる。
【００２８】
前記ＶＶＴ１５のロータ１５ａの外周には外方に向かって放射状に突出する４つのベーンが設けられ、一方、ケーシング１５ｃの内周には内方に向かって延びる４つの区画壁が設けられていて、それらのベーンと区画壁とのの間に複数の油圧作動室１５ｄ，１５ｅ，…が形成されている。そして、そこに供給されるエンジンオイルの油圧がオイルコントロールバルブ１５ｆ（以下、ＯＣＶという）によって調整されることで、前記ロータ１５ａ及びケーシング１５ｃ、即ちカムシャフト１３及びスプロケット１５ａの相対的な回転位置が変更されて、該カムシャフト１３のクランクシャフトに対する回転位相が変化する。
【００２９】
すなわち、前記ＶＶＴ１５のロータ１５ａ及びケーシング１５ｃの間には、進角側の油圧作動室１５ｄ，１５ｄ，…と遅角側の油圧作動室１５ｅ，１５ｅ，…とが周方向に交互に配置されており、その進角側作動室１５ｄ，１５ｄ，…の油圧力が増大すると、ロータ１５ａはケーシング１５ｃに対しカムシャフト１３の回転する向き（図に矢印で示す）に回動され、これにより、図３に破線で示すように、吸排気弁８，９の開弁時期IO及び閉弁時期ICが進角側にシフトされる。反対に、前記遅角側作動室１５ｅ，１５ｅ，…の油圧力が増大すると、ロータ１５ａはケーシング１５ｃに対しカムシャフト１３の回転する向きとは反対に回動され、これにより、吸排気弁８，９の開弁時期IO及び閉弁時期ICは遅角側にシフトされる（図３に仮想線で示す）。
【００３０】
従って、前記吸気及び排気カムシャフト１３，１３のＶＶＴ１５，１５をそれぞれ遅角側及び進角側に作動させることによって、吸排気弁８，９のオーバーラップをなくすことができ、これにより燃焼室５に多量の既燃ガス（内部ＥＧＲガス）を滞留させることができる。その際、排気弁９が閉じてから吸気弁８が開くまでの期間（クランク角で表すマイナスのオーバーラップ期間）が相対的に短ければ、内部ＥＧＲガス量は相対的に少なくなり、このマイナスオーバーラップ期間が相対的に長くなれば、これに応じて内部ＥＧＲガス量も増大する。
【００３１】
尚、前記図３に示す吸排気弁８，９の弁揚程曲線において、開弁時期IO,EXO、閉弁時期IC,EXCというのは、それぞれ緩衝部を除いた弁揚程曲線の始端及び終端のことである。また、この実施形態では、可変動弁機構として油圧式の連続位相変更方式のものを用いているが、これに限るものではなく、連続位相変更方式のものであっても電磁作動式のものを用いてもよいし、例えば特開平６−２８０５２５号公報に開示されるように、カム面がテーパ状に傾斜したカムシャフトを用いて吸排気弁のリフト量を変更するようにした機構を用いることもできる。さらに、本願発明は、カムシャフトを用いず、吸排気弁を個別に電磁ソレノイドにより開閉するようにしたエンジンにも適用できる。
【００３２】
前記図１Ａ，Ｂに示すように、各気筒３毎の燃焼室５の上方には、４つの吸排気弁８，９に取り囲まれるようにして点火プラグ１６が配設されている。この点火プラグ１６は、気筒３内に充填した混合気に圧縮行程中期以降の所定タイミングで点火して、従来一般的な火炎伝播による燃焼状態とするための主点火プラグであり、その先端の放電電極１６ａは、壁面への放熱によって火炎面の伝播速度が低下することを避けるべく、燃焼室５天井部から所定以上、突出するように位置付けられている。また、この実施形態のエンジンでは、前記主点火プラグ１６の基端部にはイグナイタを内蔵した点火コイル１７が接続されている。
【００３３】
一方、前記燃焼室５の吸気側の周縁部には、２つの吸気ポート８，８の下方においてそれらに挟まれるようにして、補助点火プラグ１８が配設されている。この補助点火プラグ１８は、後述の如く気筒３内に充填した混合気をピストン４の上昇により圧縮して、自己着火により燃焼させる場合に、所定の条件下でその圧縮による自己着火を補助するための点火を行うためのものである。このため、前記補助点火プラグ１８の先端の放電電極１８ａは、壁面への適度な放熱によって火炎の拡大が適度に遅くなるように、燃焼室５周縁部の気筒壁面に近接して配置されている。
【００３４】
また、前記補助点火プラグ１８の基端部にも前記主点火プラグ１６と同様にイグナイタを内蔵した点火コイル１９が接続されており、この点火コイル１９は、その容量放電電圧（１次側の電流を遮断したときに相互誘導作用により２次側コイルに最初に発生する電圧）が主点火プラグ１６の点火コイル１７よりも小さくなるように、例えば巻き数の相対的に少ないものとされている。すなわち、前記主点火プラグ１６に発生する容量放電電圧が通常、２０〜３５ｋｖくらいであるのに対し、前記補助点火プラグ１８では例えば１０〜１５ｋｖくらいであればよく、こうすることで、詳しくは後述するが、補助点火によて生成した火炎の成長を適度に緩慢なものとすることができる。
【００３５】
尚、この実施形態のエンジンでは、図示しないが、前記シリンダヘッド１の一側面に開口する吸気ポート８の上流端に連通するようにして、気筒３内の燃焼室５に吸気を供給するための吸気通路が接続されていて、この吸気通路の下流端部から吸気ポート８に向かって燃料を噴射するように、インジェクター２１（図４を参照）が配設されている。このインジェクター２１は、ニードル弁及び電磁ソレノイドを内蔵し、このソレノイドに印加されるパルス信号の幅（燃料噴射パルス幅）に対応する分量の燃料を噴射するものである。
【００３６】
図４は、この実施形態に係るガソリンエンジンの燃焼制御装置Ｓの概要を示すブロック図であり、この制御装置Ｓの主要部であるエンジンコントロールユニット２０（以下、ＥＣＵという）は、周知の如くＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェース回路等を備えており、少なくとも、クランクシャフトの回転速度を検出するエンジン回転速度センサ２２と、吸気通路に配設されて吸気の流量を検出するエアフローセンサ２３と、例えばシリンダブロック２の側壁に配設されて、ノッキングによる振動を検出するノックセンサ２４（検出手段）と、車両のアクセルペダルの操作量を検出するアクセルセンサ２５とからそれぞれ出力される検出信号を受け入れるようになっている。
【００３７】
そして、前記ＥＣＵ２０は、前記センサから入力した信号に基づいてエンジンの運転状態を検出し、これに応じてアクチュエータを作動させることによって、エンジンの種々の制御パラメータを制御する。すなわち、ＥＣＵ２０は、吸気通路に配設された電気式スロットル弁２６の開度を調節して吸気の流量を制御するとともに、燃料噴射パルスによりインジェクター２１の開弁時間を調整して燃料噴射量を制御し、これにより、予混合気の空燃比を制御する。つまり、ＥＣＵ２０は空燃比制御部２０ａを備える。
【００３８】
また、前記ＥＣＵ２０は、ＶＶＴ１５の油圧制御によって吸気及び排気弁８，９の開閉時期を変更することにより、それらのオーバーラップ期間を制御するバルブオーバーラップ制御部２０ｂを備える。さらに、ＥＣＵ２０は、主点火プラグ１６及び補助点火プラグ１８のイグナイタ１７，１９の作動制御によって予混合気への点火の形態を変更する点火制御部２０ｃを備え、これによりエンジンの運転状態に応じて予混合気の燃焼形態を切換えるようになっている。
【００３９】
より詳しくは、図５の制御マップに一例を示すように、この実施形態の燃焼制御装置Ｓによれば、エンジンが相対的に低負荷且つ低回転側の所定運転領域Ｉ（図に斜線を入れて示す領域）にあるときには、気筒３内燃焼室５における予混合気の空燃比が所定のリーン状態（例えばＡ／Ｆ＝約１５〜３０くらい）になるように、インジェクター２１による燃料噴射量とスロットル弁２６の開度とを制御し、そのリーンな予混合気に対して主点火プラグ１６により点火することなく、予混合気を圧縮行程の終盤に自己着火させて燃焼させるようにする（以下、運転領域Ｉを自己着火領域ともいう）。その際、吸排気弁８，９のオーバーラップをなくすことで気筒３内の既燃ガス（内部ＥＧＲガス）の残留量を多くして、当該気筒３内の温度を高めるようにしており、このことによって、予混合気の圧縮による自己着火の安定性を高めることができる。
【００４０】
そのような予混合気の圧縮による自己着火については従来より知られており、一般にはＨＣＣＩ（Homogenious Charge Compression Ignition）と呼ばれている。このＨＣＣＩによる燃焼では、従来一般的な火炎伝播によるものとは異なり、気筒内の多数の箇所で予混合気が略同時に自己着火して、殆ど一斉に燃焼を開始することで、熱効率が極めて高くなると考えられている。例えば、図６は、ＨＣＣＩの燃焼圧力波形（指圧波形）を従来型のものと対比して示すグラフの一例であり、同図に実線で示すＨＣＣＩの指圧波形では、破線で示す従来型燃焼と比べて圧縮上死点（ＴＤＣ）近傍での燃焼圧力の立ち上がりがかなり急峻になっていることが分かる。
【００４１】
また、前記ＨＣＣＩの指圧波形ではＴＤＣ近傍での着火前の気筒内圧力も従来型に比べて高くなっているが、これは気筒の幾何学的な圧縮比が比較的高いことと、多大な内部ＥＧＲによって気筒内温度が高められていることとによる。また、ＨＣＣＩのグラフでは排気行程の後期から吸気行程の初期にかけて気筒内圧の上昇が見られるが、これは、吸排気弁のオーバーラップをなくして気筒内に多量の内部ＥＧＲガスを残留させていることによる。
【００４２】
この実施形態のエンジンは、前記図５の制御マップに示すように、自己着火領域Ｉ以外の相対的に高負荷側乃至高回転側の運転領域IIにおいては、気筒３内に充填した略理論空燃比かそれよりもややリッチな状態の予混合気に対して、気筒３の圧縮行程中期以降の所定タイミングで主点火プラグ１６により点火して、従来一般的な火炎伝播による燃焼を実現する。その際、燃焼に伴う窒素酸化物の生成を抑制するためには、気筒３内にある程度以上のＥＧＲガスが存在することが好ましいので、この実施形態では、同図に破線で示す境界線ｂ１よりも低負荷低回転側においては、所要の内部ＥＧＲ状態となるように、吸排気弁８，９のオーバーラップ期間を制御するようにしている。
【００４３】
ところで、上述の如く、エンジンが自己着火領域Ｉにあるときに、多量の内部ＥＧＲガスを残留させて気筒３内温度を上昇させるようにしていても、エンジンが本来、温度状態の低い低負荷且つ低回転側の特定の運転状態にあるときには、気筒３内の予混合気を狙い通りの適切なタイミングで自己着火させることは難しい。これは、元々の温度が低いときには内部ＥＧＲガスを多くしても、それだけでは気筒３内の温度を予混合気の安定した自己着火に十分なほど高めることができないからである。
【００４４】
この点について、この実施形態では、本願発明の特徴部分として、エンジンが前記自己着火領域Ｉの中でも特に負荷の低い特定の運転領域（図５にクロスハッチを入れて示す）にあって、内部ＥＧＲによる気筒３内温度の上昇が不十分な場合に、補助点火プラグ１８によって気筒３の圧縮行程中期以降に予混合気に対し補助的な点火を行うことによって、予混合気全体の自己着火を誘発するようにしている。こうすることで、従来はＨＣＣＩ燃焼の実現が困難であった低負荷且つ低回転の特定の運転状態においても、安定したＨＣＣＩ燃焼を実現することができる。
【００４５】
前記自己着火領域Ｉ内の低負荷且つ低回転側に特定運転領域を区画する境界線ｂ２は、エンジンの低回転側ほど高負荷側になるように設定されている。これは気筒３の元々の温度状態に応じて、必要なときにのみ補助点火を行うためである。すなわち、前記のような補助点火を行うと、これにより生成された火炎の成長によって予混合気の一部が従来型の燃焼をすることになるから、その分、ＨＣＣＩによる熱効率の向上については不利になる。そこで、この実施形態のエンジンでは、気筒３の圧縮作動のみでは予混合気の自己着火安定性を確保できないほど、元々の温度状態が低い特定の運転状態でのみ、補助点火を行うようにすることで、予混合気の圧縮自己着火の安定性を十分に高めつつ、ＨＣＣＩ燃焼によって得られる燃焼効率の改善効果は最大限に得られるようにしている。
【００４６】
（エンジンの燃焼制御の手順）
次に、この実施形態に係るエンジンの燃焼制御の概略について、図７のフローチャート図に基づいて説明する。尚、このフローに示す制御手順はエンジンの各気筒３毎に行われ、当該気筒３の燃焼サイクル毎に所定のクランク角（例えば排気行程の所定クランク角）に開始される。
【００４７】
まず、スタート後のステップＳＡ１では、エンジン制御用のデータとして少なくともエンジン負荷とエンジン回転速度とを求める。尚、エンジン負荷は、例えばエアフローセンサ２３からの出力とエンジン回転速度とに基づいて求められる吸気充填効率と内部ＥＧＲガス量とに基づいて演算してもよいし、さらにアクセルペダルの操作量を加味して求めるようにしてもよい。或いは、気筒３内圧力を検出するセンサを設けて、このセンサからの出力に基づいて当該気筒３の平均有効圧等を計算するようにしてもよい。
【００４８】
続いて、ステップＳＡ２では、前記エンジン負荷等のデータに基づいて、予め設定した目標ＥＧＲマップから内部ＥＧＲガス量の目標値を読み出す。この目標ＥＧＲマップは、ＨＣＣＩ燃焼と従来型の火炎伝播による燃焼とでそれぞれエンジンの運転状態に対応する最適な内部ＥＧＲガス量の目標値を予め実験的に求めて、この値をエンジン負荷とエンジン回転速度とに対応付けてマップとして設定したものであり、ＥＣＵ２０のメモリ（例えばＲＯＭ、ＲＡＭ等）に電子的に格納されている。尚、ＨＣＣＩ燃焼における内部ＥＧＲガスの目標値は、いわゆるＥＧＲ率で略２０〜６０％くらいであり、また、従来型の火炎伝播による燃焼においては０〜１５％くらいとしている。
【００４９】
続いて、ステップＳＡ３において、前記ステップＳＡ２で読み出した内部ＥＧＲガス量の目標値から、この目標値に対応する吸気及び排気の各ＶＶＴ１５，１５の制御量を決定し、これに対応する制御信号を各ＶＶＴ１５のＯＣＶ１５ｆに出力して、該各ＶＶＴ１５をそれぞれ進角又は遅角作動させることにより、吸排気弁８，９のオーバーラップ量を制御する。すなわち、ＨＣＣＩ燃焼のときには、吸気ＶＶＴ１５を遅角側に作動させるとともに、排気ＶＴ１５を進角側に作動させて、吸排気弁のオーバーラップをなくすことにより、気筒３内に多量の内部ＥＧＲガスが残留するようにする。尚、前記各ＶＶＴ１５，１５の制御量も内部ＥＧＲガス量の目標値とエンジン負荷及びエンジン回転速度とに対応する値を予め実験的に求めてマップとして設定しておき、このマップから読み出すようにすればよい。
【００５０】
続いて、ステップＳＡ４において、前記図５に示す制御マップを参照して、エンジンが予混合気の圧縮による自己着火領域Ｉにあるかどうか判別し、この判別結果がＮＯでエンジンが自己着火領域Ｉ外にあれば、後述するステップＳＡ８に進む一方、判別結果がＹＥＳでエンジンが自己着火領域Ｉにあれば、ステップＳＡ５に進んで、今度はエンジン負荷が予め設定した境界値よりも小さいかどうか、即ちエンジンが前記図５に示すマップの境界線ｂ２よりも下側の特定領域にあるかどうか判別する。
【００５１】
その判別結果がＮＯであれば、エンジンは特定領域にはなく、気筒３内の温度状態は元々、ある程度以上に高い状態であって、内部ＥＧＲガスの増大によって十分に安定した圧縮自己着火が可能であるから、この場合にはステップＳＡ６に進んで、点火プラグ１６，１８による点火は行わずにリターンする。一方、判別結果がＹＥＳでエンジンが特定領域にあれば、元々の気筒３内温度がかなり低くて、内部ＥＧＲによる気筒３内温度の上昇が不十分な状態であるから、この場合にはステップＳＡ７に進んで、補助点火プラグ１８により予混合気に点火して、しかる後にリターンする。
【００５２】
より詳しくは、エンジンが自己着火領域Ｉ内の前記特定領域にあるときには、気筒３の圧縮行程中期以降の所定のタイミング（例えば、主点火プラグ１６により予混合気に点火して従来型の火炎伝播による燃焼を行わせるのと略同じタイミング）で、補助点火プラグ１８により吸気側周縁部の予混合気に点火する（補助点火）。この補助点火のエネルギーは比較的小さく、しかも気筒３の壁面によって燃焼熱が奪われることから、生成した火炎の初期成長は適度に抑制される。また、気筒３内の吸気側周縁部では予混合気の温度が比較的低く、しかも、その予混合気の空燃比が所定のリーン状態であることから、前記火炎の成長は、以下に述べるように適度に緩慢なものとなる。
【００５３】
すなわち、図８に模式的に示すように、気筒３内燃焼室５の吸気側周縁部から排気側に向かって比較的緩慢に進行する燃焼反応によって予混合気全体が圧縮され、これにより温度及び圧力が上昇した予混合気は、ちょうどＴＤＣ近傍の適切な時期に気筒３内の多数の箇所で略同時に自己着火して、殆ど一斉に燃焼を開始するようになる。つまり、本来はＨＣＣＩ燃焼の実現が難しい低負荷低回転側の特定運転領域においても、補助点火によって予混合気の圧縮による自己着火を誘発し、安定したＨＣＣＩ燃焼を実現することができる。
【００５４】
一方、前記ステップＳＡ４においてＮＯ、即ちエンジンが高負荷乃至高回転側の領域IIにあると判別して進んだステップＳＡ８では、今度はノックセンサ２４からの信号に基づいてノッキングが発生しているかどうか判定し、この判定結果もＮＯでノッキングが発生していなければ、ステップＳＡ９に進んで主点火プラグ１６のみにより気筒３内の予混合気に点火して、しかる後にリターンする。一方、判定結果がＹＥＳでノッキングが発生していれば、ステップＳＡ１０に進んで、気筒３の圧縮行程中期以降の所定のタイミングにて、まず補助点火プラグ１８により燃焼室５の吸気側周縁部にて予混合気に点火し、それから僅かに遅れて主点火プラグ１６により燃焼室５の中心部近傍で予混合気に点火して、しかる後にリターンする。
【００５５】
つまり、エンジンが自己着火領域Ｉ外にあれば、基本的には気筒３内の予混合気に対して主点火プラグ１６により点火して、従来一般的な火炎伝播による燃焼状態とするのであるが、このような燃焼においてノッキングが発生する場合には、いわゆる位相差点火制御によってノッキングの発生を抑制するのである。
【００５６】
すなわち、従来型の火炎伝播による燃焼の場合、ノッキングは、火炎面の伝播が遅れる燃焼室の吸気側周縁部において一部の予混合気のみが自己着火して局所的に急激に燃焼することによって発生すると考えられており、そのような局所的な自己着火燃焼が発生しやすい部位において予め補助点火を行うようにすれば、ノッキングを効果的に抑制することができる。しかも、比較的温度の低い吸気側に先行して点火することで、従来型燃焼による予混合気全体としての燃焼時間を短縮することができ、燃費の低減が図られる。
【００５７】
前記図７に示すフローのステップＳＡ２，ＳＡ３の各ステップは、エンジンが自己着火領域Ｉにあるときに、それ以外の運転領域IIにあるときよりも気筒３内の既燃ガスの残留量（内部ＥＧＲガス量）を多くする、というオーバーラップ制御部２０ｂの制御手順に対応している。
【００５８】
また、同じフローのステップＳＡ４〜ＳＡ１０の各ステップは、エンジンの運転状態に応じて主点火プラグ１６及び補助点火プラグ１８による点火の形態を変更する点火制御部３０ｃに対応しており、特にステップＳＡ５からＳＡ７に進む制御手順は、エンジンが自己着火領域Ｉ内の低負荷且つ低回転側に予め設定した特定領域にあるときに、補助点火プラグ１８によって予混合気の自己着火を補助するための補助点火を行わせる、という手順に対応している。
【００５９】
また、ステップＳＡ４からＳＡ８〜ＳＡ１０へと進む制御手順は、エンジンが前記自己着火領域Ｉ外にあるときには、主点火プラグ１６により気筒３内の予混合気に点火して燃焼させる、というものであり、その中でも、前記ステップＳＡ８からＳＡ１０へと進む制御手順は、ノッキングが検出されたときに、主点火プラグ１６による予混合気への点火よりも進角側で補助点火プラグ１８により補助点火を行わせる、という手順に対応している。
【００６０】
したがって、この実施形態に係るガソリンエンジンの燃焼制御装置Ｓによると、まず、エンジンが相対的に低負荷低回転側の自己着火領域Ｉにあるときには、内部ＥＧＲガス量を相対的に多くして気筒３内の温度を高めることにより、当該気筒３内に充填したリーンな予混合気をＴＤＣ近傍で同時多点的に自己着火させて、熱効率の高いＨＣＣＩ燃焼により燃費を大幅に低減することができるとともに、窒素酸化物等の有害成分の生成を抑制することができる。
【００６１】
また、エンジンが前記自己着火領域Ｉの低負荷側の特定領域にあるとき、即ち、気筒３の本来の温度状態が低くて従来まではＨＣＣＩ燃焼を実現することが困難だった運転状態のときでも、燃焼室５の吸気側で補助点火を行うことによって予混合気全体の圧縮による自己着火を安定的に誘発することができ、これによりＨＣＣＩ燃焼を行う運転領域を拡大することができるので、エンジンの運転領域全体に亘ってみたときに前記した燃費低減や排気清浄化という効果を一層、向上することができる。
【００６２】
（他の実施形態）
尚、本願発明の構成は前記した実施形態のものに限定されることはなく、その他の種々の構成を包含するものである。すなわち、前記実施形態では、補助点火プラグ１８を２つの吸気ポート６，６の中間に挟むようにして、燃焼室５の吸気側周縁部の中でも最も吸気側寄りの端縁部に配置しているが、これに限らず、補助点火プラグ１８は、燃焼室５を吸気側及び排気側に分けて、その吸気側の周縁部に配置すればよい。また、吸気ポート６と排気ポート７との間に配置する場合には中央寄りも僅かに排気側寄りの位置まで、燃焼室５の吸気側周縁部に含めるものとする。
【００６３】
また、前記補助点火プラグ１８の容量放電電圧は主点火プラグ１６と略同じに設定してもよく、補助点火によって生成された火炎があまり成長する前に気筒３内の予混合気の温度及び圧力を上昇させて、当該気筒３の圧縮上死点近傍で同時多点的な自己着火を発生させることができるように、その気筒３の温度状態、予混合気の空燃比やＥＧＲ率等に対応付けて、容量放電電圧や補助点火時期を適切に設定すればよい。
【００６４】
さらに、前記実施形態では、本願発明を、燃料を吸気ポート６に噴射するようにしたガソリンエンジンに適用しているが、これに限らず、燃料を気筒３内に直接、噴射するようにした直噴ガソリンエンジンにも適用可能である。
【００６５】
【発明の効果】
以上のように、本願の請求項１の発明に係るガソリンエンジンの燃焼制御装置によると、エンジンが所定運転領域にあるときに気筒内に多量の既燃ガスを残留させて当該気筒内の温度を高めることにより、予混合気の圧縮着火性を向上させるものにおいてその所定運転領域内でも特に温度の低い低負荷側の特定領域においては、吸気側周縁部に配置した補助点火プラグによって予混合気に補助的な点火を行って、その予混合気全体の自己着火を誘発するようにしたので、その特定領域において従来までは困難であった予混合気の圧縮による自己着火を安定的に行わせることができる。これにより、エンジンの運転領域全体に亘ってみたときに燃費改善と排気の清浄化が図られる。
【００６６】
また、予混合気の空燃比を所定のリーン状態に制御し、且つ、そのリーンな予混合気に対し当該気筒の圧縮行程中期以降に前記の補助点火を行うことで、予混合気の圧縮自己着火をＴＤＣ近傍の適切な時期に起こさせることができる。
【００６７】
請求項３の発明によると、予混合気を自己着火させる運転領域内において特定領域とそれ以外の領域との境界線を低回転側ほど高負荷になるように設定したことで、補助点火を必要なときにのみ行うことができる。
【００６８】
請求項４の発明によると、予混合圧縮着火の実現が困難な例えば高負荷側や高回転側の運転状態では、燃焼室の天井部略中央に配設した主点火プラグによって予混合気に点火して、従来からの火炎伝播による燃焼を実現できる。
【００６９】
請求項５の発明によると、補助点火プラグ及び主点火プラグによる位相差点火によって、従来型燃焼時のノッキングを抑制でき、これに加えて、燃焼時間の短縮による燃費の低減が図られる。
【００７０】
請求項６の発明によると、補助点火のエネルギーを比較的小さなものとして、火炎の成長を狙い通り適度なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るガソリンエンジンのシリンダヘッドの構成を示す断面図である。
【図２】可変動弁機構を一部分、切り欠いてその構成を示す斜視図である。
【図３】吸気弁及び排気弁の開閉時期の変化を示す説明図である。
【図４】エンジンの燃焼制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図５】エンジンの制御マップの一例を示す図である。
【図６】ＨＣＣＩ燃焼の指圧波形を従来型燃焼と対比して示すグラフ図である。
【図７】エンジンの燃焼制御手順の概略を示すフローチャート図である。
【図８】補助点火によって生成した火炎が拡大する様子のイメージ図である。
【符号の説明】
Ｓエンジンの燃焼制御装置
３気筒（シリンダ）
５燃焼室
１５ＶＶＴ（可変動弁機構）
１６主点火プラグ
１８補助点火プラグ
２０ＥＣＵ
２０ａ空燃比制御部（空燃比制御手段）
２０ｂバルブオーバーラップ制御部
２０ｃ点火制御部（点火制御手段）
２４ノックセンサ（検出手段）

Claims

エンジンがその負荷状態及び回転速度によって規定される所定の運転領域にあるときに、それ以外の運転領域にあるときよりも気筒内の既燃ガスの残留量を多くして、当該気筒内の予混合気を自己着火により燃焼させるようにしたガソリンエンジンの燃焼制御装置において、
前記気筒内の燃焼室の吸気側周縁部に放電電極を臨ませて、補助点火プラグを配設し、
前記所定運転領域内の低負荷且つ低回転側に予め設定した特定領域において、気筒内の予混合気の空燃比が所定のリーン状態になるように、少なくとも燃料噴射量を制御する空燃比制御手段と、
前記特定領域において、前記リーンな予混合気の自己着火を補助するための補助点火を、前記補助点火プラグによって気筒の圧縮行程中期以降に行わせる点火制御手段と、を備えたことを特徴とするガソリンエンジンの燃焼制御装置。
請求項１において、
補助点火プラグは、気筒の２つの吸気ポートの下方においてそれらに挟まれるように配設されていることを特徴とするガソリンエンジンの燃焼制御装置。
請求項１又は２のいずれかにおいて、
予混合気を自己着火させる運転領域内において特定領域とそれ以外の領域との境界線が低回転側ほど高負荷になるように設定されていることを特徴とするガソリンエンジンの燃焼制御装置。
請求項１〜３のいずれか１つにおいて、
気筒内の燃焼室の天井部略中央に放電電極を臨ませて、主点火プラグが配設されており、
点火制御手段は、エンジンが予混合気を自己着火させる運転領域外にあるときには、前記主点火プラグにより気筒内の予混合気に点火して燃焼させるものであることを特徴とするガソリンエンジンの燃焼制御装置。
請求項４において、
ノッキングの発生を検出する検出手段を備え、
点火制御手段は、エンジンが予混合気を自己着火させる運転領域外にあって、且つ前記検出手段によりノッキングが検出されたときには、主点火プラグによる予混合気への点火よりも進角側で補助点火プラグにより補助点火を行わせるように構成されていることを特徴とするガソリンエンジンの燃焼制御装置。
請求項３〜５のいずれか１つにおいて、
補助点火プラグの容量放電電圧が主点火プラグに比べて小さな値に設定されていることを特徴とするガソリンエンジンの燃焼制御装置。