JP5440540B2 - gasoline engine - Google Patents

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Description

本発明は、気筒に形成された燃料室内に少なくとも一部がガソリンからなる燃料を供給可能なインジェクタを備え、特定運転領域において前記燃焼室内で前記燃料と空気との混合気を自着火により燃焼させることでピストンを往復運動させるガソリンエンジンに関する。   The present invention includes an injector capable of supplying fuel, at least part of which is made of gasoline, in a fuel chamber formed in a cylinder, and burns an air-fuel mixture of the fuel and air in the combustion chamber by self-ignition in a specific operation region. This relates to a gasoline engine that reciprocates a piston.

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

前記圧縮自己着火燃焼が適用されたガソリンエンジンの具体例として、例えば下記特許文献1に開示されたものが知られており、この特許文献1には、気筒の幾何学的圧縮比を14以上として混合気を自着火可能な温度にまで高めることが開示されている。   As a specific example of the gasoline engine to which the compression self-ignition combustion is applied, for example, one disclosed in Patent Document 1 below is known. In Patent Document 1, the geometric compression ratio of the cylinder is set to 14 or more. It is disclosed that the air-fuel mixture is raised to a temperature at which self-ignition is possible.

特開2007−154859号公報JP 2007-154859 A

燃費性能の観点等から熱効率の向上要求は依然として高く、圧縮自己着火燃焼の確実な実現等によって熱効率をより一層高めることが求められている。   There is still a high demand for improvement in thermal efficiency from the viewpoint of fuel efficiency, and there is a need to further increase thermal efficiency by, for example, reliable realization of compression self-ignition combustion.

本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、熱効率をより高めることができるガソリンエンジンを提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of the above situations, and it aims at providing the gasoline engine which can improve thermal efficiency more.

前記課題を解決するために、本発明は、気筒に形成された燃料室内に少なくとも一部がガソリンからなる燃料を供給可能なインジェクタを備え、エンジンの特定運転領域において前記燃焼室内で前記燃料と空気との混合気を自着火により燃焼させることでピストンを往復運動させるガソリンエンジンであって、前記気筒の幾何学的圧縮比は14以上に設定されており、前記燃焼室の天井面は、その径方向中央を頂部として径方向外側に向かうに従ってその高さが低くなるように傾斜した円錐面形状を有し、前記ピストンの冠面は、その中央部分に、所定の曲率をもって凹状に湾曲するキャビティを有するとともに、当該キャビティの開口縁よりも径方向外側に向かうに従って高さが低くなるように傾斜して前記燃焼室の天井面と平行に延びる基準面を有し、前記インジェクタは、前記ピストンの冠面側に向けて燃料を噴射可能な噴口が形成された先端部を有するとともに、当該先端部が前記燃焼室の天井面の頂部近傍に位置するように設けられていることを特徴とするガソリンエンジンを提供する(請求項1)。   In order to solve the above-described problems, the present invention includes an injector capable of supplying fuel, at least part of which is made of gasoline, in a fuel chamber formed in a cylinder, and the fuel and air in the combustion chamber in a specific operation region of the engine. A gasoline engine that reciprocates the piston by burning the mixture with self-ignition, the geometric compression ratio of the cylinder is set to 14 or more, and the ceiling surface of the combustion chamber has a diameter of It has a conical surface shape that is inclined so that its height decreases from the center in the direction toward the outer side in the radial direction, and the crown surface of the piston has a cavity curved in a concave shape with a predetermined curvature at the center. And extending parallel to the ceiling surface of the combustion chamber so as to decrease in height as it goes radially outward from the opening edge of the cavity. The injector has a tip portion formed with an injection hole capable of injecting fuel toward the crown side of the piston, and the tip portion is located near the top of the ceiling surface of the combustion chamber. A gasoline engine characterized by being provided is provided (claim 1).

本発明によれば、気筒を高圧縮比にするとともに混合気から燃焼室の壁面に放熱される放熱量すなわち冷却損失を小さく抑えることができ、より確実に燃焼室内の温度を混合気の自着火が可能な温度にまで高めることができるとともに、前記冷却損失の低減に伴って熱効率をより一層高めることができる。すなわち、高圧縮比に伴って圧縮上死点における燃焼室の容積は小さくなるが、本発明では、ピストンの冠面の径方向中央にキャビティが形成されているので、混合気が燃焼する領域における燃焼室天井面とピストン冠面との間のすきま寸法を確保して混合気の多くをこのキャビティ内で燃焼室の壁面から離間した状態で燃焼させることができ、燃焼室の壁面への放熱をより小さく抑えることができる。また、燃料の燃焼室壁面への付着を抑制して効率よく混合気を燃焼させることができる。   According to the present invention, the cylinder can have a high compression ratio, and the amount of heat released from the mixture to the wall of the combustion chamber, i.e., the cooling loss, can be suppressed to a low level. The temperature can be increased to a possible temperature, and the thermal efficiency can be further increased as the cooling loss is reduced. That is, the volume of the combustion chamber at the compression top dead center decreases with a high compression ratio. However, in the present invention, the cavity is formed in the radial center of the crown surface of the piston. The clearance between the combustion chamber ceiling surface and the piston crown surface is secured, and most of the air-fuel mixture can be burned in this cavity while being separated from the wall surface of the combustion chamber. It can be kept smaller. In addition, the air-fuel mixture can be burned efficiently while suppressing the adhesion of fuel to the combustion chamber wall surface.

しかも、燃焼室の天井面が円錐面状とされており、この天井面に設けられる吸気弁および排気弁の弁面積ひいては吸気量および排気量を確保することができるとともに、ピストンの冠面のキャビティよりも径方向外側の部分(以下、ピストン冠面の外周部分という場合がある)がこの円錐面状の燃焼室の天井面と平行に構成されているので、燃焼室のうち前記キャビティよりも径方向外側部分(以下、燃焼室の外周部分という場合がある)の容積および燃焼室天井面とピストン冠面との間のすきま寸法を確保してこの外側部分における混合気の適正な燃焼を実現しつつ、圧縮上死点における燃焼室容積V_TDCに対する燃焼室表面積Sの割合であるS/V_TDC(SV比)を小さくして、燃焼室壁面への放熱量を小さく抑えることができる。具体的には、燃焼室径および圧縮比が一定の条件下で、燃焼室の外周部分の容積およびすきま寸法をそれぞれ燃焼に必要な所定量に設定した場合、燃焼室の天井面およびピストン冠面の外周部分を円錐面状とした方が、これらを球面状とする場合に比べて、ピストン冠面の外周部分の長さを長くすることができ、これに伴ってキャビティの径方向の長さを短くすることができるため、キャビティの容積が一定の条件下において、キャビティの曲率をより大きくして前記SV比を小さくすることができる。   In addition, the ceiling surface of the combustion chamber has a conical surface, and the valve area of the intake and exhaust valves provided on the ceiling surface, as well as the intake and exhaust amounts, can be secured, and the cavity on the crown surface of the piston can be secured. Since the portion on the outer side in the radial direction (hereinafter sometimes referred to as the outer peripheral portion of the piston crown surface) is configured in parallel with the conical surface of the combustion chamber, the diameter of the combustion chamber is larger than that of the cavity. The volume of the outer part in the direction (hereinafter sometimes referred to as the outer peripheral part of the combustion chamber) and the clearance dimension between the ceiling surface of the combustion chamber and the piston crown surface are secured to achieve proper combustion of the air-fuel mixture in this outer part. However, S / V_TDC (SV ratio), which is the ratio of the combustion chamber surface area S to the combustion chamber volume V_TDC at the compression top dead center, can be reduced, and the amount of heat released to the combustion chamber wall surface can be kept small. . Specifically, when the volume and clearance size of the outer peripheral portion of the combustion chamber are set to predetermined amounts necessary for combustion under conditions where the combustion chamber diameter and compression ratio are constant, respectively, the combustion chamber ceiling surface and piston crown surface When the outer peripheral part of the piston is conical, the length of the outer peripheral part of the piston crown surface can be made longer than when the outer peripheral part is made spherical, and the radial length of the cavity is accordingly increased. Therefore, under the condition where the cavity volume is constant, the curvature of the cavity can be increased and the SV ratio can be reduced.

本発明において、前記インジェクタは、前記特定運転領域の少なくとも一部の運転領域において、圧縮上死点よりも前であって噴射した燃料が前記燃焼室のうち前記キャビティよりも径方向外側の部分に到達するタイミングで燃料を噴射する前段噴射と、前記前段噴射よりも後であって噴射した燃料が前記キャビティ内に到達するタイミングで燃料を噴射する後段噴射とを含む複数回に分けて燃料を噴射するのが好ましい(請求項2)。   In the present invention, the injector is disposed in a portion of the combustion chamber before the compression top dead center and injected fuel at a portion radially outside the cavity in at least a part of the specific operation region. The fuel is injected in multiple steps including a front injection that injects fuel at the arrival timing and a rear injection that injects fuel at a timing after the preceding injection and the injected fuel arrives in the cavity. (Claim 2).

このようにすれば、キャビティの内と外とに分けて混合気が形成されるため、これら混合気が混じり合って同時に燃焼することが回避され、これら混合気が同時に燃焼することに伴う筒内圧力の急上昇による燃焼騒音の増大や、局所的な酸素不足によるスートの大量発生を効果的に防止することができる。   In this way, an air-fuel mixture is formed separately inside and outside the cavity, so that the air-fuel mixture is prevented from being mixed and combusted at the same time. It is possible to effectively prevent an increase in combustion noise due to a sudden rise in pressure and a large amount of soot due to local oxygen shortage.

また、本発明において、前記燃焼室の天井面に形成された複数の吸気側開口部を介して前記燃焼室と連通する吸気ポートと、前記複数の吸気側開口部をそれぞれ開閉可能な弁体と当該弁体から延びてこの弁体をそれぞれ前記吸気側開口部の開閉方向に移動させるステムとを備えた複数の吸気弁と、前記燃焼室の天井面に形成された複数の排気側開口部を介して前記燃焼室と連通する排気ポートと、前記複数の排気側開口部をそれぞれ開閉可能な弁体と当該弁体から延びてこの弁体をそれぞれ前記排気側開口部の開閉方向に移動させるステムとを備えた複数の排気弁とを備え、前記複数の吸気弁と複数の排気弁の少なくとも一方は、その各弁体の前記燃焼室側の面が前記円錐面状の燃焼室の天井面との接面と平行に延び、かつ、その各ステムが、燃焼室の天井面の頂部からピストン冠面を見た平面視で、前記燃焼室の天井面の頂部を中心とする円の径方向に延びるように、配設されているのが好ましい(請求項3)。   Further, in the present invention, an intake port that communicates with the combustion chamber via a plurality of intake side openings formed on a ceiling surface of the combustion chamber, and a valve body that can open and close the plurality of intake side openings, respectively. A plurality of intake valves each including a stem extending from the valve body and moving the valve body in the opening / closing direction of the intake side opening; and a plurality of exhaust side openings formed on a ceiling surface of the combustion chamber. An exhaust port communicating with the combustion chamber, a valve body that can open and close the plurality of exhaust side openings, and a stem that extends from the valve body and moves the valve bodies in the opening and closing direction of the exhaust side opening, respectively. And at least one of the plurality of intake valves and the plurality of exhaust valves has a combustion chamber side surface of each valve body and a ceiling surface of the conical surface of the combustion chamber Extending parallel to the tangent surface, and each stem is It is preferably arranged so as to extend in the radial direction of a circle centered on the top of the ceiling surface of the combustion chamber in a plan view when the piston crown surface is viewed from the top of the ceiling surface of the combustion chamber. 3).

このようにすれば、前記吸気弁あるいは排気弁が閉弁した状態において、燃焼室の天井面をより平滑にして燃焼室天井面の表面積をより小さくすることができる。   In this way, in the state where the intake valve or the exhaust valve is closed, the ceiling surface of the combustion chamber can be made smoother and the surface area of the combustion chamber ceiling surface can be made smaller.

前記構成において、前記燃焼室内の混合気に点火可能な点火プラグを備え、
前記複数の排気弁は、互いに隣接するとともに、その各弁体の前記燃焼室側の面が前記円錐面状の燃焼室の天井面との接面と平行に延び、かつ、その各ステムが、平面視で、前記燃焼室の天井面の頂部を中心とする円の径方向に延びるように、配設されており、前記点火プラグは、前記排気弁の間に配置されているのが好ましい(請求項4)。
In the above configuration, a spark plug capable of igniting the air-fuel mixture in the combustion chamber is provided,
The plurality of exhaust valves are adjacent to each other, a surface of each valve body on the combustion chamber side extends in parallel with a contact surface with a ceiling surface of the conical combustion chamber, and each stem thereof, In plan view, it is preferably arranged so as to extend in the radial direction of a circle centering on the top of the ceiling surface of the combustion chamber, and the spark plug is preferably arranged between the exhaust valves ( Claim 4).

この構成によれば、排気弁間に点火プラグを配置しつつ、排気弁の弁体が燃焼室の天井面の接面と平行に延びていることによって当該弁体の面積ひいては排気側開口部の開口面積を確保することができる。   According to this configuration, while the spark plug is disposed between the exhaust valves, the exhaust valve body extends in parallel with the contact surface of the ceiling surface of the combustion chamber. An opening area can be ensured.

また、前記複数の吸気弁は、その各弁体が前記円錐面状の燃焼室の天井面との接面と平行に延び、かつ、その各ステムが、燃焼室の天井面の頂部からピストン冠面を見た平面視で、前記燃焼室の天井面の頂部を中心とする円の径方向に延びるように、配設されており、前記吸気側開口部の開口面積は、前記排気側開口部の開口面積よりも大きく設定されているのが好ましい(請求項5)。   Further, each of the plurality of intake valves has a valve body extending in parallel with a contact surface with the ceiling surface of the conical combustion chamber, and each stem has a piston crown from the top of the ceiling surface of the combustion chamber. In plan view of the combustion chamber, the exhaust chamber is disposed so as to extend in the radial direction of a circle centered on the top of the ceiling surface of the combustion chamber, and the opening area of the intake side opening is the exhaust side opening It is preferable that the opening area is set to be larger than the opening area.

このようにすれば、吸気弁の弁体の面積ひいては排気側開口部の開口面積を大きくして、燃焼室内に流入する吸気量ひいてはエンジントルクを確保することができる。   In this way, the area of the valve body of the intake valve and thus the opening area of the exhaust side opening can be increased, and the amount of intake air flowing into the combustion chamber and thus the engine torque can be ensured.

以上説明したように、本発明によれば、熱効率をより高めることのできるガソリンエンジンを実現することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to realize a gasoline engine that can further increase thermal efficiency.

本発明の一実施形態に係るガソリンエンジンの全体構成を示す図である。It is a figure showing the whole gasoline engine composition concerning one embodiment of the present invention. 図1に示す燃焼室周辺を拡大して示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which expands and shows the combustion chamber periphery shown in FIG. 図2に示す燃焼室周辺の概略平面図である。FIG. 3 is a schematic plan view around the combustion chamber shown in FIG. 2. 図2に示す燃焼室を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the combustion chamber shown in FIG. 本発明の比較例の燃焼室を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the combustion chamber of the comparative example of this invention. (a)〜(e)本発明と比較例のSVを比較したグラフである。(A)-(e) It is the graph which compared SV of this invention and the comparative example. 前記エンジンの制御系を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the control system of the said engine. エンジンの運転状態に応じた燃焼形態を選択するための制御マップの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the control map for selecting the combustion form according to the driving | running state of an engine. 図5の第1運転領域(A1)における制御内容を説明するためのタイムチャートである。It is a time chart for demonstrating the control content in the 1st driving | operation area | region (A1) of FIG. 図5の第2運転領域(A2)における制御内容を説明するためのタイムチャートである。It is a time chart for demonstrating the control content in the 2nd driving | running area | region (A2) of FIG. 図5の第3運転領域(A3)における制御内容を説明するためのタイムチャートである。It is a time chart for demonstrating the control content in the 3rd driving | running area | region (A3) of FIG. 図5の第4運転領域(A4)における制御内容を説明するためのタイムチャートである。It is a time chart for demonstrating the control content in the 4th driving | running area | region (A4) of FIG. (a)〜(f)は、前記第2運転領域(A2)で行われる燃料噴射とそれに基づく混合気の燃焼を模式的に説明するための図である。(A)-(f) is a figure for demonstrating typically the fuel injection performed in the said 2nd driving | operation area | region (A2), and combustion of the air-fuel mixture based on it. (a)〜(f)は、前記第3運転領域(A3)で行われる燃料噴射とそれに基づく混合気の燃焼を模式的に説明するための図である。(A)-(f) is a figure for demonstrating typically fuel injection performed in the said 3rd driving | operation area | region (A3), and combustion of the air-fuel mixture based on it. 前記第3運転領域(A3)で行われる複数段の燃料噴射がそれぞれどのような領域で燃焼するかを模式的に説明するための図である。It is a figure for demonstrating typically in which area | region each of the multistage fuel injection performed in said 3rd operation area | region (A3) burns.

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

前記エンジン本体1すなわち気筒2の幾何学的圧縮比は、理論熱効率の向上や、後述するCI燃焼(圧縮自己着火燃焼)の安定化等を目的として、14以上という高い値に設定されている。なお、この幾何学的圧縮比は、実用上の観点等から20程度が限界であると考えられる。そのため、前記幾何学的圧縮比は、14以上20以下の範囲の適宜の値に設定される。   The geometric compression ratio of the engine body 1, that is, the cylinder 2 is set to a high value of 14 or more for the purpose of improving the theoretical thermal efficiency, stabilizing the CI combustion (compression self-ignition combustion) described later, and the like. The geometric compression ratio is considered to be about 20 from the practical viewpoint. Therefore, the geometric compression ratio is set to an appropriate value in the range of 14 or more and 20 or less.

前記ピストン5は、コネクティングロッド8を介してクランク軸7と連結されている。前記ピストン5の往復運動に応じて、前記クランク軸7はその中心軸回りに回転する。前記ピストン5の上方には燃焼室6が形成されている。   The piston 5 is connected to the crankshaft 7 via a connecting rod 8. In response to the reciprocating motion of the piston 5, the crankshaft 7 rotates about its central axis. A combustion chamber 6 is formed above the piston 5.

前記シリンダヘッド4には、先端部から燃焼室6内に燃料(ガソリンを主成分とする燃料)を噴射するインジェクタ21が、各気筒2につき1つずつ取り付けられている。このインジェクタ21は、いわゆる多噴口型のインジェクタである。本実施形態では、前記インジェクタ21は、その先端部I1に12個の噴口を有している。   The cylinder head 4 is provided with one injector 21 for each cylinder 2 for injecting fuel (fuel mainly composed of gasoline) into the combustion chamber 6 from the tip. This injector 21 is a so-called multi-hole injector. In the present embodiment, the injector 21 has twelve injection holes at its distal end portion I1.

前記インジェクタ21には燃料供給管23が接続されており、インジェクタ21は、この燃料供給管23を通じて供給された燃料を噴射する。前記燃料供給管23の上流側には、クランク軸7と連動連結されたプランジャー式のポンプ等からなる高圧燃料ポンプが接続されているとともに、この高圧燃料ポンプと前記燃料供給管23との間には、全気筒に共通の蓄圧用のコモンレールが設けられている。そして、このコモンレール内で蓄圧された燃料が各気筒2のインジェクタ21に供給されることにより、各インジェクタ21からは、30MPa以上の高い圧力の燃料が噴射される。なお、燃料噴射圧力の上限値は、実用上の観点等から120MPa程度であると考えられるため、前記インジェクタ21からの噴射圧力は、30MPa以上120MPa以下の範囲の適宜の値に設定されている。   A fuel supply pipe 23 is connected to the injector 21, and the injector 21 injects fuel supplied through the fuel supply pipe 23. Connected to the upstream side of the fuel supply pipe 23 is a high-pressure fuel pump such as a plunger pump linked to the crankshaft 7, and between the high-pressure fuel pump and the fuel supply pipe 23. Is provided with a common rail for accumulating pressure common to all cylinders. Then, the fuel accumulated in the common rail is supplied to the injectors 21 of the respective cylinders 2, whereby high pressure fuel of 30 MPa or more is injected from each injector 21. Since the upper limit value of the fuel injection pressure is considered to be about 120 MPa from a practical viewpoint, the injection pressure from the injector 21 is set to an appropriate value in the range of 30 MPa to 120 MPa.

前記シリンダヘッド4には、燃焼室6内の混合気に点火エネルギーを供給する点火プラグ20が各気筒2につき1つずつ取り付けられている。この点火プラグ20は、その点火点が燃焼室6内に臨む姿勢でシリンダヘッド4に取り付けられている。この点火プラグ20は、図外の点火回路からの給電に応じてその先端から火花を放電して燃焼室6内の混合気に点火する。   A spark plug 20 for supplying ignition energy to the air-fuel mixture in the combustion chamber 6 is attached to the cylinder head 4, one for each cylinder 2. The spark plug 20 is attached to the cylinder head 4 in such a posture that the ignition point faces the combustion chamber 6. The spark plug 20 discharges a spark from its tip in response to power supply from an ignition circuit (not shown) to ignite the air-fuel mixture in the combustion chamber 6.

前記シリンダヘッド4には、燃焼室6と連通する吸気ポート9および排気ポート10が形成されている。すなわち、燃焼室6には、前記吸気ポート9と連通する吸気側開口部61と排気ポート10と開口する排気側開口部62とが形成されている。前記シリンダヘッド4には、各開口部61,62を開閉する吸気弁11および排気弁12がそれぞれ設けられている。なお、図例のエンジンはいわゆるダブルオーバーヘッドカムシャフト式(DOHC)エンジンである。前記吸気側開口部61と排気側開口部62とは、各気筒2につき2つずつ設けられるとともに、前記吸気弁11および排気弁12も2つずつ設けられている。   The cylinder head 4 is formed with an intake port 9 and an exhaust port 10 communicating with the combustion chamber 6. That is, the combustion chamber 6 is formed with an intake side opening 61 communicating with the intake port 9 and an exhaust side opening 62 opening with the exhaust port 10. The cylinder head 4 is provided with an intake valve 11 and an exhaust valve 12 for opening and closing the openings 61 and 62, respectively. The illustrated engine is a so-called double overhead camshaft (DOHC) engine. Two intake side openings 61 and two exhaust side openings 62 are provided for each cylinder 2, and two intake valves 11 and two exhaust valves 12 are also provided.

前記吸気弁11および排気弁12は、それぞれ、傘状の前記各開口部61,62を開閉する弁体11a,12aと、この弁体11a,12aから垂直に延びるステム11b,12bとを有するいわゆるポペットバルブである。   The intake valve 11 and the exhaust valve 12 have so-called valve bodies 11a and 12a for opening and closing the umbrella-shaped openings 61 and 62 and so-called stems 11b and 12b extending vertically from the valve bodies 11a and 12a. It is a poppet valve.

前記吸気弁11および排気弁12は、それぞれ、シリンダヘッド4に配設された一対のカムシャフト(図示省略)等を含む動弁機構13,14によりクランク軸7の回転に連動して各ステム11b,12bが駆動され、これにより前記吸気側開口部61と排気側開口部62とを開閉する。   The intake valve 11 and the exhaust valve 12 are respectively connected to the stems 11b in conjunction with the rotation of the crankshaft 7 by valve mechanisms 13 and 14 including a pair of camshafts (not shown) disposed in the cylinder head 4. , 12b are driven to open and close the intake side opening 61 and the exhaust side opening 62.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

また、前記エンジン本体には、各種センサが取り付けられている。例えば、エンジン冷却水の温度を検出するための水温センサSW1、クランク軸7の回転角度(クランク角)ひいてはエンジン回転数を検出するためのクランク角センサSW2、前記カムシャフトの角度を検出して気筒判別(各気筒が吸気、圧縮、膨張、排気のいずれの行程にあるかの判別)用の信号を出力するカム角センサSW3が、エンジン本体に取り付けられている。
(2)燃焼室の詳細構造
図2は、燃焼室6周辺の概略断面図である。図3は、前記燃焼室6を上方から見た概略平面図である。図2等に示すように、燃焼室6の天井面60すなわちシリンダヘッド4の底面のうちピストン5と対向する部分は、その径方向中心すなわち気筒2の軸線u1上の点を頂部として径方向外側に向かうに従って高さが低くなる円錐面状を有している。
Various sensors are attached to the engine body. For example, a water temperature sensor SW1 for detecting the temperature of the engine coolant, a rotation angle (crank angle) of the crankshaft 7, and a crank angle sensor SW2 for detecting the engine speed, and the camshaft angle are detected to detect the cylinder temperature. A cam angle sensor SW3 that outputs a signal for determination (determination of whether each cylinder is in an intake stroke, compression stroke, expansion stroke, or exhaust stroke) is attached to the engine body.
(2) Detailed Structure of Combustion Chamber FIG. 2 is a schematic sectional view around the combustion chamber 6. FIG. 3 is a schematic plan view of the combustion chamber 6 as viewed from above. As shown in FIG. 2 and the like, a portion of the ceiling surface 60 of the combustion chamber 6, that is, the bottom surface of the cylinder head 4, which faces the piston 5 is radially outward with the center in the radial direction, that is, the point on the axis u 1 of the cylinder 2. It has a conical surface shape whose height decreases as it goes to.

前記インジェクタ21は、その先端部がこの燃焼室天井面60の頂部近傍(この頂部よりわずかに下方)に位置して、その軸線が気筒2の軸線u1と一致するように配設されている。インジェクタ21の各噴口21aは、インジェクタ21すなわち気筒2の軸線u1を中心とする円周上に互いに等間隔に形成されており、各噴口21aの軸線すなわち各噴口21aの開口方向は、径方向外側に向かって斜め下方(ピストン4の冠面側)を向いている。前記インジェクタ21の各噴口21aから燃料が噴射された場合、その燃料は、燃焼室6の天井面60とほぼ平行に下方かつ径方向外側に放射状に広がる。   The injector 21 is disposed such that its tip end is located near the top of the combustion chamber ceiling surface 60 (slightly below this top) and its axis coincides with the axis u 1 of the cylinder 2. The injection holes 21a of the injectors 21 are formed at equal intervals on a circumference centered on the axis 21 of the injector 21, that is, the cylinder 2. The axis of each injection hole 21a, that is, the opening direction of each injection hole 21a is radially outward. It faces diagonally downward (the crown side of the piston 4). When fuel is injected from each injection hole 21 a of the injector 21, the fuel spreads radially downward and radially outward substantially parallel to the ceiling surface 60 of the combustion chamber 6.

図3に示すように、前記吸気側開口部61と排気側開口部62とは、前記燃焼室6の天井面60に、その周方向に並んで開口している。2つの吸気側開口部61と2つの排気側開口部62とは、燃焼室6の天井面60の中心を通る直線を挟んで両側に設けられている。図3に示す例では、2つの吸気側開口部61は、燃焼室天井面60の右側に設けられており、2つの排気側開口部62は、燃焼室天井面60の左側に設けられている。吸気側開口部61の開口面積は、排気側開口部62の開口面積よりも大きく設定されており、より多くの吸気が燃焼室6内に導入され、これにより、高いエンジントルクが得られるように構成されている。   As shown in FIG. 3, the intake side opening 61 and the exhaust side opening 62 are opened on the ceiling surface 60 of the combustion chamber 6 side by side in the circumferential direction. The two intake side openings 61 and the two exhaust side openings 62 are provided on both sides of a straight line passing through the center of the ceiling surface 60 of the combustion chamber 6. In the example shown in FIG. 3, the two intake side openings 61 are provided on the right side of the combustion chamber ceiling surface 60, and the two exhaust side openings 62 are provided on the left side of the combustion chamber ceiling surface 60. . The opening area of the intake side opening 61 is set to be larger than the opening area of the exhaust side opening 62, and more intake air is introduced into the combustion chamber 6 so that high engine torque can be obtained. It is configured.

図2に戻って、前記吸気弁11および排気弁12は、その各弁体11a,12aの燃焼室6側の平面状のバルブ面11cが、円錐面状の燃焼室天井面60と接する面に沿って延びるように配設されている。これに伴い、これら各弁11,12のステム11b,12bは、円錐面状の燃焼室天井面60からそれぞれ垂直な方向に延びている。すなわち、図3に示すように、これらステム11b,12bは、気筒2の軸線u1方向から見た平面視で、燃焼室天井面60の頂部を中心とする円の径方向に放射状に延びている。このように、各弁11のバルブ面11c,12cが燃焼室天井面60の接面に沿って延びていることで、各弁11の閉弁時において、これらバルブ面11c,12cを含む燃焼室6の天井面は凹凸が小さく抑えられた形状となる。   Returning to FIG. 2, the intake valve 11 and the exhaust valve 12 are such that the planar valve surface 11 c on the combustion chamber 6 side of each valve body 11 a, 12 a is in contact with the conical combustion chamber ceiling surface 60. It is arrange | positioned so that it may extend along. Accordingly, the stems 11b and 12b of the valves 11 and 12 extend in a vertical direction from the conical surface of the combustion chamber ceiling surface 60, respectively. That is, as shown in FIG. 3, these stems 11 b and 12 b extend radially in the radial direction of a circle centered on the top of the combustion chamber ceiling surface 60 in a plan view as viewed from the direction of the axis u <b> 1 of the cylinder 2. . As described above, the valve surfaces 11c and 12c of the valves 11 extend along the contact surface of the combustion chamber ceiling surface 60, so that when the valves 11 are closed, the combustion chambers including the valve surfaces 11c and 12c are included. The ceiling surface of 6 has a shape in which unevenness is suppressed to a small size.

前記点火プラグ20は、前記シリンダヘッド9のうち前記排気弁12どうしの間に配置されている。前述のように、吸気弁11の開口面積の方が排気弁12よりも大きく設定されている。そのため、このように点火プラグ20を開口面積の小さい排気弁12側に配設することで、点火プラグ20の取り付け位置を確保しつつ、吸気弁11の開口面積ひいてはエンジントルクが確保されている。   The spark plug 20 is disposed between the exhaust valves 12 in the cylinder head 9. As described above, the opening area of the intake valve 11 is set larger than that of the exhaust valve 12. Therefore, by arranging the spark plug 20 on the exhaust valve 12 side having a small opening area in this way, the opening area of the intake valve 11 and thus the engine torque is secured while securing the mounting position of the spark plug 20.

図2に戻って、前記燃焼室6の底面を構成する前記ピストン5の冠面は、その中央部分に形成されて所定の曲率をもって下方に凹状に湾曲するキャビティ40と、このキャビティ40の開口縁40aから径方向外側に向かうに従って下方に傾斜する基準面41とからなる。   Returning to FIG. 2, the crown surface of the piston 5 that constitutes the bottom surface of the combustion chamber 6 is formed at the center portion thereof and has a cavity 40 that is concavely curved downward with a predetermined curvature, and an opening edge of the cavity 40. The reference surface 41 is inclined downwardly from 40a toward the radially outer side.

前記キャビティ40の内周面40bは、気筒2およびインジェクタ21の軸線u1上の点を中心とする球面の一部をなす形状を有しており、このキャビティ40と前記インジェクタ21とは対向している。前記基準面41は、円錐面状の燃焼室天井面60と平行に延びている。すなわち、ピストン5の冠面は、燃焼室天井面と平行に延びる円錐面状の面の中央に前記キャビティ40が形成された形状を有している。   The inner peripheral surface 40b of the cavity 40 has a shape that forms a part of a spherical surface centered on a point on the axis 2 of the cylinder 2 and the injector 21, and the cavity 40 and the injector 21 face each other. Yes. The reference surface 41 extends in parallel with the conical surface of the combustion chamber ceiling surface 60. That is, the crown surface of the piston 5 has a shape in which the cavity 40 is formed at the center of a conical surface extending parallel to the combustion chamber ceiling surface.

前記点火プラグ20は、その点火点が前記キャビティ40の上端の開口縁40aよりも径方向内側となるようにシリンダヘッド9に取り付けられている。   The spark plug 20 is attached to the cylinder head 9 so that the ignition point is radially inward of the opening edge 40a at the upper end of the cavity 40.

前記燃焼室6の天井面60および底面すなわちピストン5の冠面を前記のような形状としたのは、以下の理由による。   The reason why the ceiling surface 60 and bottom surface of the combustion chamber 6, that is, the crown surface of the piston 5, is formed as described above is as follows.

前記吸気側開口部61および排気側開口部62の開口面積ひいては燃焼室6に流入する吸気の量および燃焼室6から排気される排気の量を確保するためには、これら開口部61,62が開口する燃焼室天井面60は上に凸となる形状、すなわち径方向中央を頂部として径方向外側に向かうに従って高さが低くなる形状を有する必要がある。   In order to secure the opening area of the intake side opening 61 and the exhaust side opening 62 and thus the amount of intake air flowing into the combustion chamber 6 and the amount of exhaust exhausted from the combustion chamber 6, these openings 61, 62 are provided. The open combustion chamber ceiling surface 60 needs to have a shape that protrudes upward, that is, a shape that decreases in height as it goes radially outward with the radial center as the top.

燃焼室天井面60をこのように上に凸な形状とした上で、気筒2の幾何学的圧縮比をより高くすなわち圧縮上死点における燃焼室6の容積をより小さくするためには、ピストン5の冠面も上に凸となり燃焼室天井面60と平行に延びるような形状にする必要がある。   In order to further increase the geometric compression ratio of the cylinder 2, that is, to reduce the volume of the combustion chamber 6 at the compression top dead center, with the combustion chamber ceiling surface 60 having a convex shape as described above, a piston is used. It is necessary to make the shape of the crown 5 convex upward and to extend in parallel with the combustion chamber ceiling surface 60.

しかしながら、ピストン5の冠面全体を単に燃焼室天井面60と平行に延びる形状とすると、圧縮上死点において、燃焼室6の上下方向の高さ、すなわち燃焼室6の天井面60とピストン5の冠面との間のすきま寸法が全体的に短くなるために燃焼が適正に広がらない、また、後述する多段CI燃焼を行う際に各噴射に基づく混合気を分離して燃焼させることができないという問題が生じる。   However, if the entire crown surface of the piston 5 is simply extended in parallel with the combustion chamber ceiling surface 60, the vertical height of the combustion chamber 6 at the compression top dead center, that is, the ceiling surface 60 of the combustion chamber 6 and the piston 5. The overall clearance between the crown surface of the cylinder and the combustion chamber is shortened as a whole, so that the combustion does not spread properly. In addition, when performing multistage CI combustion, which will be described later, the air-fuel mixture based on each injection cannot be separated and burned. The problem arises.

そこで、本ガソリンエンジンでは、前記のようにピストン5の冠面のうち径方向外側の部分を燃焼室天井面60と平行な基準面41で構成する一方、ピストン5の冠面の中央に下方に凹むキャビティ40を形成することで、混合気を主にこのキャビティ40内において燃焼させることで適正な燃焼を実現するとともに、多段CI燃焼における各噴射に基づく混合気を分離させてこれらが同時に燃焼するのを抑制するようにしている。また、このようにキャビティ40を設ければ、前記効果に加えて、比較的温度の低い燃焼室6の側面すなわちシリンダ3の壁面と接触する部分を少なくして冷却損失をより小さく抑えることができる。   Therefore, in the present gasoline engine, the portion on the radially outer side of the crown surface of the piston 5 is constituted by the reference surface 41 parallel to the combustion chamber ceiling surface 60 as described above. By forming the hollow cavity 40, the air-fuel mixture is combusted mainly in the cavity 40 to achieve proper combustion, and the air-fuel mixture based on each injection in the multi-stage CI combustion is separated to burn them simultaneously. I try to suppress this. If the cavity 40 is provided in this way, in addition to the above-described effect, the cooling loss can be further suppressed by reducing the portion of the combustion chamber 6 having a relatively low temperature, that is, the portion contacting the wall surface of the cylinder 3. .

ただし、燃焼室6のうち前記キャビティ40よりも径方向外側の部分6bにおいても適正な燃焼が行われる必要がある(以下、適宜、燃焼室6のうち径方向中央であってキャビティ40が形成された部分を単に燃焼室6の中央部分6aといい、この中央部分6aよりも径方向外側部分を単に燃焼室6の外周部分6bという)。具体的には、後述するように、多段CI燃焼では、エンジントルクに対応する噴射量の一部がキャビティ40とキャビティ40よりも径方向外側の部分に分離して噴射されており、燃焼室6の中央部分6aに加えて外周部分6bにおいてもエンジントルクに寄与する適正な燃焼が必要である。また、火花点火による燃焼の場合においても、高い燃費性能を得るためには、燃焼室6の外周部分6bにおいて燃焼が短時間で完了する必要がある。そのため、本ガソリンエンジンでは、前記キャビティ40を設けつつ、圧縮上死点において、ピストン5の冠面のうちのキャビティ40よりも径方向外側の基準面41と燃焼室天井面60との間のすきま寸法d(図4参照)が所定量確保されてこれらで挟まれた領域の容積V2(図4参照)が確保されるように構成されている。例えば、前記多段CI燃焼において、燃焼室6の外周部分6bにおいて適正な燃焼を実現するためには、圧縮上死点において、そのすきま寸法dは2.4mm程度必要であり、その容積は11cc〜15cc程度必要である。   However, it is necessary that proper combustion is performed also in the portion 6b radially outside the cavity 40 in the combustion chamber 6 (hereinafter, the cavity 40 is formed at the center in the radial direction in the combustion chamber 6 as appropriate). This portion is simply referred to as the central portion 6a of the combustion chamber 6, and the radially outer portion of the central portion 6a is simply referred to as the outer peripheral portion 6b of the combustion chamber 6). Specifically, as will be described later, in multi-stage CI combustion, a part of the injection amount corresponding to the engine torque is injected separately into the cavity 40 and the part radially outside the cavity 40, and the combustion chamber 6 Appropriate combustion that contributes to the engine torque is required in the outer peripheral portion 6b in addition to the central portion 6a. Even in the case of combustion by spark ignition, in order to obtain high fuel efficiency, combustion needs to be completed in a short time in the outer peripheral portion 6b of the combustion chamber 6. Therefore, in this gasoline engine, the clearance between the reference surface 41 and the combustion chamber ceiling surface 60 radially outside the cavity 40 of the crown surface of the piston 5 is provided at the compression top dead center while providing the cavity 40. A predetermined amount of the dimension d (see FIG. 4) is secured, and the volume V2 (see FIG. 4) of the region sandwiched between these is secured. For example, in the multistage CI combustion, in order to realize proper combustion in the outer peripheral portion 6b of the combustion chamber 6, the clearance dimension d is required to be about 2.4 mm at the compression top dead center, and the volume thereof is 11 cc to 11 cc. About 15cc is required.

ここで、冷却損失を低減して熱効率を高めるためには、圧縮上死点における燃焼室6の全容積V_TDCに対する燃焼室6の表面積Sの割合であるSV比(S/V_TDC)を小さくする必要がある。一般的に、燃焼室6の天井面60を球面で構成した方が、これを平面で構成する場合よりもSV比が小さいといわれている。しかしながら、本発明者らは、鋭意研究の結果、前記のようにピストン5の冠面の中央にキャビティ40を形成し、ピストン5の冠面のうちキャビティ40よりも径方向外側部分(以下、適宜、このピストン5の冠面のうちキャビティ40よりも径方向外側部分を単にピスト5のン冠面の外周部分という)41を燃焼室6の天井面60と平行にし、かつ、燃焼室6の外周部分6bのすきま寸法dおよび容積V2を所定量確保するという条件下においては、燃焼室天井面60およびこれと平行なピストン5の冠面の外周部分41を球面で構成するよりも円錐面状で構成する方がSV比が小さくなることを突き止めた。   Here, in order to reduce the cooling loss and increase the thermal efficiency, it is necessary to reduce the SV ratio (S / V_TDC), which is the ratio of the surface area S of the combustion chamber 6 to the total volume V_TDC of the combustion chamber 6 at the compression top dead center. There is. Generally, it is said that the SV ratio is smaller when the ceiling surface 60 of the combustion chamber 6 is a spherical surface than when the ceiling surface 60 is a planar surface. However, as a result of intensive studies, the inventors have formed the cavity 40 in the center of the crown surface of the piston 5 as described above, and the radially outer portion of the crown surface of the piston 5 (hereinafter referred to as appropriate). The portion of the crown surface of the piston 5 that is radially outward from the cavity 40 is simply referred to as the outer peripheral portion of the crown surface of the piston 5) 41 and parallel to the ceiling surface 60 of the combustion chamber 6, and the outer periphery of the combustion chamber 6. Under the condition that a predetermined amount of the clearance d and the volume V2 of the portion 6b is ensured, the combustion chamber ceiling surface 60 and the outer peripheral portion 41 of the crown surface of the piston 5 parallel thereto are more conical than the spherical surface. It has been found that the SV ratio becomes smaller when it is configured.

すなわち、前記条件下では、図4に示すような燃焼室天井面60およびこれと平行なピストン5の冠面の外周部分41を円錐面状とした方が、これらを図5に示すような燃焼室天井面60およびこれと平行なピストン5の冠面の径方向外側部分を球面とし場合に比べて、キャビティ40の上端の開口縁40aの径方向の長さL2(図4および図5参照)が小さくなり、キャビティ40の曲率(1/r、rは図4および図5参照)を大きくすることができるため、SV比が小さくなることが分かった。図4および図5は、前記形状の差を比較するために、燃焼室6の構造を模式的に示した図である。   That is, under the above-described conditions, the combustion chamber ceiling surface 60 as shown in FIG. 4 and the outer peripheral portion 41 of the crown surface of the piston 5 parallel to the combustion chamber have a conical surface as shown in FIG. The radial length L2 of the opening edge 40a at the upper end of the cavity 40 as compared with the case where the radially outer portion of the crown surface of the piston 5 parallel to the chamber ceiling surface 60 is a spherical surface (see FIGS. 4 and 5). Since the curvature of the cavity 40 (1 / r and r are shown in FIGS. 4 and 5) can be increased, the SV ratio is reduced. 4 and 5 are diagrams schematically showing the structure of the combustion chamber 6 in order to compare the difference in shape.

具体的には、燃焼室6の外周部分6bのすきま寸法dおよび容積V2が一定の場合、燃焼室天井面60およびピストン5の冠面の外周部分41を円錐面状とした方が、これらを球面とした場合よりも、燃焼室6の外周部分6bの径方向の長さL1が長くなる。そのため、燃焼室6の外周部分6b容積V2が一定の場合、前記各部位を円錐面状とした方がキャビティ40の上端の開口縁40aの径方向の長さL2が小さくなり、これに伴って、キャビティ40の容積が一定である条件下において、キャビティ40の曲率(1/r、rは図4および図5参照)は大きくなる。   Specifically, when the clearance dimension d and the volume V2 of the outer peripheral portion 6b of the combustion chamber 6 are constant, the outer peripheral portion 41 of the combustion chamber ceiling surface 60 and the crown surface of the piston 5 is conical. The radial length L1 of the outer peripheral portion 6b of the combustion chamber 6 is longer than that of the spherical surface. Therefore, when the volume V2 of the outer peripheral portion 6b of the combustion chamber 6 is constant, the length L2 in the radial direction of the opening edge 40a at the upper end of the cavity 40 becomes smaller when the respective parts are formed in a conical surface shape. Under the condition that the volume of the cavity 40 is constant, the curvature of the cavity 40 (1 / r, r for FIGS. 4 and 5) increases.

図6(a)〜(e)に、前記条件下において、前記燃焼室6の天井面60およびピストン5の冠面の外周部分41を円錐面状とした場合(実線)と、これらを球面状とした場合(破線)とについて、それぞれ、燃焼室6のSV比を調べた結果をに示す。これら図6(a)〜(e)において、横軸は、圧縮上死点における燃焼室6全体の容積V_TDCに対するキャビティ40の容積V1の割合(V1/V_TDC)であり、縦軸は、燃焼室6全体でのSV比である。また、各図6(a)〜(e)は、前記吸気側開口部61および排気側開口部62の開口面積が一定となるように、燃焼室天井面60の水平面(気筒2の軸線u1と平行な面)に対する傾斜角度α(球面形状の場合は燃焼室天井面60の接線の水平面に対する傾斜角度、図4および図5参照)を一定とした場合の比較結果である。具体的には、図6(a)は、前記傾斜角度αが10度の結果であり、図6(b)は、前記傾斜角度αが20度の結果であり、図6(c)は、前記傾斜角度αが30度の結果であり、図6(d)は、前記傾斜角度αが40度の結果であり、図6(e)は、前記傾斜角度αが50度の結果である。なお、これら各図6(a)〜(e)は、排気量2000cc、幾何学的圧縮比20、気筒2のボア径86mm、燃焼室6の外周部分のすきま寸法d=2.4mm、とした場合の結果である。ここで、圧縮上死点における燃焼室6全体の容積V_TDCに対するキャビティ40の容積V1の割合(V1/V_TDC)は、7/10〜9/10が好ましい。   FIGS. 6A to 6E show a case where the ceiling surface 60 of the combustion chamber 6 and the outer peripheral portion 41 of the crown surface of the piston 5 are conical (under solid lines) under the above conditions, and these are spherical. The results obtained by examining the SV ratio of the combustion chamber 6 are shown in FIG. 6 (a) to 6 (e), the horizontal axis represents the ratio (V1 / V_TDC) of the volume V1 of the cavity 40 to the volume V_TDC of the entire combustion chamber 6 at the compression top dead center, and the vertical axis represents the combustion chamber. SV ratio of 6 as a whole. 6 (a) to 6 (e) show the horizontal plane of the combustion chamber ceiling surface 60 (with the axis u1 of the cylinder 2) so that the opening areas of the intake side opening 61 and the exhaust side opening 62 are constant. FIG. 4 is a comparison result when the inclination angle α with respect to the parallel plane is constant (in the case of a spherical shape, the inclination angle of the tangent to the combustion chamber ceiling surface 60 with respect to the horizontal plane, see FIGS. 4 and 5). Specifically, FIG. 6A shows the result when the tilt angle α is 10 degrees, FIG. 6B shows the result when the tilt angle α is 20 degrees, and FIG. FIG. 6D shows the result when the tilt angle α is 30 degrees, FIG. 6D shows the result when the tilt angle α is 40 degrees, and FIG. 6E shows the result when the tilt angle α is 50 degrees. 6A to 6E, the displacement is 2000 cc, the geometric compression ratio is 20, the bore diameter of the cylinder 2 is 86 mm, and the clearance d of the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 is d = 2.4 mm. Is the result of the case. Here, the ratio (V1 / V_TDC) of the volume V1 of the cavity 40 to the volume V_TDC of the entire combustion chamber 6 at the compression top dead center is preferably 7/10 to 9/10.

これら図6(a)〜(e)に示されるように、燃焼室天井面60およびこれとピストン5の冠面の外周部分41を円錐面状とした方が、いずれの条件においても、球面状の場合よりもSV比は小さくなっている。なお、αが20度以下では、SV比の差は非常に小さく、燃焼室天井面60を円錐面状とすることによるSV比の低減効果を得るためには、αを20度以上とするのが好ましい。   As shown in FIGS. 6 (a) to 6 (e), the combustion chamber ceiling surface 60 and the outer peripheral portion 41 of the crown surface of the piston 5 are conical. The SV ratio is smaller than in the case of FIG. When α is 20 degrees or less, the difference in SV ratio is very small. To obtain the effect of reducing the SV ratio by making the combustion chamber ceiling surface 60 conical, α should be 20 degrees or more. Is preferred.

(3)制御系
図7は、エンジンの制御系を示すブロック図である。本図に示されるECU50は、エンジンの各部を統括的に制御するための装置であり、周知のCPU、ROM、RAM等から構成されている。
(3) Control System FIG. 7 is a block diagram showing an engine control system. The ECU 50 shown in the figure is a device for comprehensively controlling each part of the engine, and includes a well-known CPU, ROM, RAM, and the like.

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

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

前記判定手段51は、クランク角センサSW2およびアクセル開度センサSW4の各検出値から特定されるエンジンの回転数Neおよび負荷T(目標トルク)に基づいて、現在のエンジンの運転領域が図8の制御マップにおけるいずれの運転領域であるかを判定する。   Based on the engine speed Ne and the load T (target torque) specified from the detected values of the crank angle sensor SW2 and the accelerator opening sensor SW4, the determination means 51 determines whether the current engine operating range is as shown in FIG. It is determined which operating region is in the control map.

前記図8の制御マップにおいて、エンジン負荷Tが比較的低い領域(低負荷域)には、全ての回転速度域にわたって第1運転領域(特定運転領域)A1が設定されている。また、この第1運転領域A1よりも負荷Tが高い中負荷域には、低回転側から順に第2運転領域(特定運転領域)A2および第3運転領域(特定運転領域)A3が設定されている。つまり、エンジンの中負荷域において、回転速度Neが所定値(例えば2000〜3000rpm程度)よりも低い領域に第2運転領域A2が設定されるとともに、この第2運転領域A2よりも回転速度Neの高い領域に第3運転領域A3が設定されている。さらに、前記第2、第3運転領域A2,A3よりも負荷Tが高い高負荷域には、全ての回転速度域にわたって第4運転領域A4が設定されている。   In the control map of FIG. 8, in the region where the engine load T is relatively low (low load region), the first operation region (specific operation region) A1 is set over the entire rotational speed region. Further, in the middle load region where the load T is higher than the first operation region A1, the second operation region (specific operation region) A2 and the third operation region (specific operation region) A3 are set in order from the low rotation side. Yes. That is, in the medium load region of the engine, the second operation region A2 is set in a region where the rotation speed Ne is lower than a predetermined value (for example, about 2000 to 3000 rpm), and the rotation speed Ne is higher than the second operation region A2. The third operation region A3 is set in the high region. Further, in the high load region where the load T is higher than those in the second and third operation regions A2 and A3, the fourth operation region A4 is set over the entire rotation speed region.

エンジンの運転中においては、エンジンの運転点(負荷Tおよび回転速度Neの各値から特定される制御マップ上でのポイント)が前記図8中のどの運転領域(A1〜A4)に該当するかが都度判断され、各運転領域に応じた適切な制御が実行されるようになっている。   During the operation of the engine, which operating region (A1 to A4) in FIG. 8 corresponds to the operating point of the engine (the point on the control map specified from each value of the load T and the rotational speed Ne). Is determined each time, and appropriate control corresponding to each operation region is executed.

前記図8の制御マップに基づく制御の中身について簡単に説明しておく。この制御マップのうち、最も高負荷側に設定された第4運転領域A4を除く部分負荷の領域、つまり第1運転領域A1、第2運転領域A2、および第3運転領域A3は、そのいずれもが、ピストン5の圧縮作用により混合気を自着火させるCI燃焼(圧縮自己着火燃焼)の実行領域(特定領域)として規定されている。ただし、各領域A1〜A3では、インジェクタ21からの燃料噴射の形態や、点火プラグ20を利用した着火アシストの有無、さらには内部EGRまたは外部EGRの有無等が異なる(その詳細については後述する)。ここでは、前記各領域A1〜A3で実行されるCI燃焼用の制御のことを、それぞれ「リーンHCCIモード」「多段CIモード」「SA−多段CIモード」と称する。   The contents of control based on the control map of FIG. 8 will be briefly described. Of this control map, all of the partial load areas excluding the fourth operation area A4 set on the highest load side, that is, the first operation area A1, the second operation area A2, and the third operation area A3. Is defined as the execution region (specific region) of CI combustion (compression self-ignition combustion) in which the air-fuel mixture is self-ignited by the compression action of the piston 5. However, in each of the regions A1 to A3, the form of fuel injection from the injector 21, the presence or absence of ignition assist using the spark plug 20, and the presence or absence of internal EGR or external EGR are different (details will be described later). . Here, the control for CI combustion executed in each of the regions A1 to A3 is referred to as “lean HCCI mode”, “multistage CI mode”, and “SA-multistage CI mode”, respectively.

一方、前記第1〜第3運転領域A1〜A3よりも高負荷側に設定された第4運転領域A4では、CI燃焼ではなく、点火プラグ20を用いた火花点火(Spark Ignition)をきっかけに混合気を火炎伝播により燃焼させる燃焼形態(以下、SI燃焼と略称する)が選択される。ただし、前記第4運転領域A4でのSI燃焼は、一般的なSI燃焼とは異なり、燃料の噴射時期および点火時期を遅めに設定しつつ混合気を急速な火炎伝播により燃焼させるものであり(その詳細については後述する)、このような燃焼を実現するための前記第4運転領域A4での制御のことを、ここでは「急速リタードSIモード」と称する。   On the other hand, in the fourth operation region A4 set on the higher load side than the first to third operation regions A1 to A3, mixing is performed not by CI combustion but by spark ignition using the spark plug 20 (spark ignition). A combustion mode (hereinafter abbreviated as SI combustion) in which the gas is burned by flame propagation is selected. However, SI combustion in the fourth operation region A4 is different from general SI combustion in that the air-fuel mixture is burned by rapid flame propagation while setting the fuel injection timing and ignition timing later. The control in the fourth operation region A4 for realizing such combustion (which will be described in detail later) is referred to herein as “rapid retarded SI mode”.

なお、これら第1〜第4運転領域A1〜A4からなる制御マップは、基本的に、エンジン水温センサSW1により検出された冷却水温が所定値(例えば80℃)以上となる温間状態のときのものである。エンジンが冷間状態にあるときの制御マップについては、ここでは説明を省略する。   In addition, the control map which consists of these 1st-4th operation area | regions A1-A4 is fundamentally in the time of the warm state where the coolant temperature detected by engine water temperature sensor SW1 becomes more than predetermined value (for example, 80 degreeC). Is. The description of the control map when the engine is in a cold state is omitted here.

再び図7に戻って、前記インジェクタ制御手段52は、前記インジェクタ21から燃焼室6に噴射される燃料の噴射量や噴射時期を制御するものである。具体的に、このインジェクタ制御手段52は、負荷Tやエンジン回転数Ne等に基づいて、目標とする燃料の噴射量および噴射時期を演算し、その演算結果に基づいてインジェクタ21を駆動する。   Returning to FIG. 7 again, the injector control means 52 controls the injection amount and timing of fuel injected from the injector 21 into the combustion chamber 6. Specifically, the injector control means 52 calculates a target fuel injection amount and injection timing based on the load T, the engine speed Ne, and the like, and drives the injector 21 based on the calculation result.

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

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

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

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

(3)各運転領域の具体的制御手順
次に、前記ECU50が、各運転領域A1〜A4で、それぞれどのような制御を実施するのかを具体的に説明する。
(3) Specific control procedure for each operation region Next, the control performed by the ECU 50 in each operation region A1 to A4 will be specifically described.

まず、ECU50は、エンジンの運転が開始されると、前記クランク角センサSW2およびアクセル開度センサSW4の各検出値に基づいて、エンジンの運転点(負荷Tおよび回転数Ne)が図8の制御マップにおけるどの運転領域に該当するかを逐次判定する。そして、判定された運転領域に応じて、それぞれ以下のような制御を実行する。   First, when the engine is started, the ECU 50 controls the engine operating point (load T and rotational speed Ne) based on the detected values of the crank angle sensor SW2 and the accelerator opening sensor SW4 as shown in FIG. It is sequentially determined which operation region in the map corresponds. And according to the determined driving | operation area | region, the following control is performed, respectively.

なお、この説明の前提として、エンジンの冷却水温は充分に暖まっている(つまり温間時の運転である)ものとする。そして、本実施形態では、ECU50は、温間時において、エンジンの運転点が前記運転領域A1〜A4のいずれにあっても、圧縮自己着火燃焼が実現される制御を実施する。ただし、適切な圧縮自己着火燃焼を行わせるには、インジェクタ21からの燃料噴射時期や、内部EGRまたは外部EGRの有無や、点火プラグ20からの点火の有無等を、運転領域によって変化させる必要がある。そのため、ECU50は、前記インジェクタ21、点火プラグ20、CVVL15、VVL16、およびEGRバルブ32等を、エンジンの運転点を逐次判定しながら制御する。   As a premise of this explanation, it is assumed that the engine coolant temperature is sufficiently warm (that is, the engine is warm). In the present embodiment, the ECU 50 performs the control that realizes the compression self-ignition combustion regardless of the operation range A1 to A4 when the engine is operating in the warm state. However, in order to perform appropriate compression self-ignition combustion, it is necessary to change the fuel injection timing from the injector 21, the presence / absence of internal EGR or external EGR, the presence / absence of ignition from the spark plug 20, and the like depending on the operation region. is there. Therefore, the ECU 50 controls the injector 21, spark plug 20, CVVL15, VVL16, EGR valve 32, and the like while sequentially determining the operating point of the engine.

(i)第1運転領域A1
図9は、エンジンが第1運転領域A1で運転されている場合の燃料噴射時期と吸排気弁11,12のリフト特性、およびそれに基づく燃焼により生じる熱発生率(J/deg)を示す図である。本図に示すように、第1運転領域A1では、圧縮行程の前に噴射された燃料と空気との混合気をピストン5の圧縮作用によって自着火させる、一般的な予混合圧縮自己着火燃焼が実行される。具体的に、この第1運転領域A1では、吸気行程中の所定時期にインジェクタ21から燃焼室6に燃料が噴射(P)され、この燃料噴射Pにより噴射された燃料と、吸気通路28から燃焼室6に導入される空気(新気)との混合気が、ピストン5の圧縮作用により高温、高圧化し、圧縮上死点(圧縮行程と膨張行程の間のTDC)付近で自着火する。すると、このような自着火に基づき、波形Qaに示すような熱発生を伴う燃焼が生じることになる。
(I) 1st operation area A1
FIG. 9 is a diagram showing the fuel injection timing when the engine is operated in the first operation region A1, the lift characteristics of the intake and exhaust valves 11 and 12, and the heat generation rate (J / deg) generated by combustion based thereon. is there. As shown in the figure, in the first operation region A1, a general premixed compression self-ignition combustion is performed in which the air-fuel mixture injected before the compression stroke is self-ignited by the compression action of the piston 5. Executed. Specifically, in the first operation region A1, fuel is injected (P) from the injector 21 into the combustion chamber 6 at a predetermined time during the intake stroke, and the fuel injected by the fuel injection P is combusted from the intake passage 28. The mixture with the air (fresh air) introduced into the chamber 6 becomes high temperature and high pressure by the compression action of the piston 5, and self-ignites near the compression top dead center (TDC between the compression stroke and the expansion stroke). Then, based on such self-ignition, combustion accompanied by heat generation as shown by the waveform Qa occurs.

ただし、第1運転領域A1は、負荷Tが比較的低く、インジェクタ21から噴射される燃料の量が少ないため、筒内温度を意図的に上昇させないと、失火が起きるおそれがある。そこで、前記第1運転領域A1では、VVL16を駆動して排気弁12を吸気行程中に開弁させることにより、燃焼室6で生成された排気ガスを燃焼室6に逆流させて、燃焼室6内の内部EGRを多量に確保する。すなわち、排気弁12は、排気行程に加えて(図9のリフトカーブEX)、吸気行程でも開弁する(リフトカーブEX’)。このように、高温の内部EGRガス量が多く確保されると、燃焼室6内の混合気の温度は高温となり、混合気の自着火が促進される。なお、内部EGRガス量は、低負荷側ほど多く、高負荷側ほど少なく設定される。そのための制御として、例えば、第1運転領域A1における低負荷域(無負荷に近い領域)では、吸気行程中に開弁する排気弁12の数が2つとされ、それよりも負荷が高くなると、開弁数が1つに減らされる。   However, since the load T is relatively low in the first operation region A1 and the amount of fuel injected from the injector 21 is small, misfire may occur unless the in-cylinder temperature is intentionally increased. Therefore, in the first operation region A1, the VVL 16 is driven to open the exhaust valve 12 during the intake stroke, whereby the exhaust gas generated in the combustion chamber 6 is caused to flow back to the combustion chamber 6 and the combustion chamber 6 A large amount of internal EGR is secured. That is, the exhaust valve 12 opens in the intake stroke (lift curve EX ′) in addition to the exhaust stroke (lift curve EX in FIG. 9). Thus, when a large amount of high-temperature internal EGR gas is ensured, the temperature of the air-fuel mixture in the combustion chamber 6 becomes high, and self-ignition of the air-fuel mixture is promoted. The amount of internal EGR gas is set to be larger on the low load side and smaller on the high load side. As a control for that, for example, in the low load region (region close to no load) in the first operation region A1, the number of the exhaust valves 12 opened during the intake stroke is two, and the load becomes higher than that, The number of valve openings is reduced to one.

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

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

このように、第1運転領域A1では、λ=2以上という大幅なリーンでの圧縮自己着火燃焼が実施されるが、前述のように、本ガソリンエンジンでは圧縮比が高く設定されつつ、冷却損失が低減されるよう構成されているため、圧縮上死点付近において燃焼室6内の温度を確実に高めることができ適正な圧縮自己着火燃焼を実現することができるとともに、熱効率をより一層高めることができる。   Thus, in the first operating region A1, compression self-ignition combustion is performed with a large lean of λ = 2 or more. As described above, in the gasoline engine, the cooling loss is set while the compression ratio is set high. Therefore, it is possible to reliably increase the temperature in the combustion chamber 6 in the vicinity of the compression top dead center, realize appropriate compression self-ignition combustion, and further increase the thermal efficiency. Can do.

(ii)第2運転領域A2
前記第1運転領域A1よりも負荷Tが高く、かつ回転速度Neが比較的低い領域に設定された第2運転領域A2では、図10に示すような制御が実行される。すなわち、第2運転領域A2では、圧縮上死点を挟んだ2回(P1,P2)に分けてインジェクタ21から燃料を噴射させる分割噴射が実行される。以下では、圧縮行程中に実行される1回目の燃料噴射P1を前段噴射、それより後の圧縮上死点付近(図例では膨張行程のごく初期)に実行される2回目の燃料噴射P2を後段噴射と称する。また、点火プラグ20による混合気への点火は停止される。
(Ii) Second operation area A2
In the second operation region A2 where the load T is higher than the first operation region A1 and the rotation speed Ne is relatively low, the control as shown in FIG. 10 is executed. That is, in the second operation region A2, split injection is performed in which fuel is injected from the injector 21 in two steps (P1, P2) across the compression top dead center. In the following description, the first fuel injection P1 executed during the compression stroke is performed as the pre-stage injection, and the second fuel injection P2 executed near the compression top dead center after that (in the illustrated example, very early in the expansion stroke). This is called post-injection. Further, the ignition of the air-fuel mixture by the spark plug 20 is stopped.

具体的に、当実施形態において、前記多段CIモードのときの前段噴射P1のタイミング(より正確には開始タイミング)は、圧縮上死点(圧縮行程と膨張行程の間のTDC)を基準として、その上死点前(BTDC)60〜50°CA(CAはクランク角を表す)程度の期間内に設定され、後段噴射P2のタイミング(開始タイミング)は、上死点後(ATDC)0〜10°CA程度の期間内に設定される。また、前段噴射P1および後段噴射P2による各噴射量の割合は、3:7〜7:3程度に設定される。   Specifically, in the present embodiment, the timing (more precisely, the start timing) of the front injection P1 in the multistage CI mode is based on the compression top dead center (TDC between the compression stroke and the expansion stroke). It is set within a period of about 60 to 50 ° CA (CA represents the crank angle) before its top dead center (BTDC), and the timing (start timing) of the post-injection P2 is 0 to 10 after top dead center (ATDC). It is set within a period of about CA. Moreover, the ratio of each injection amount by the front | former stage injection P1 and the back | latter stage injection P2 is set to about 3: 7-7: 3.

前記前段噴射P1および後段噴射P2によるトータルの噴射量は、第2運転領域A2に対応する高い負荷に合わせて、第1運転領域A1のとき(燃料噴射Pによる噴射量)よりも増大される。また、このように増大設定される燃料噴射量に応じた多量の新気を燃焼室6に導入すべく、CVVL15が駆動されて吸気弁11のリフト量が増大される(リフトカーブIN)。そして、前記のように分割噴射された燃料と空気(新気)との混合気が圧縮上死点付近で自着火することにより、図10の波形Qbに示すように、時期の異なる2つのピークを有するような熱発生を伴う燃焼が生じる。なお、このような波形Qbの形状はあくまで概念的なものであり、実際には2つのピークが明確に現れない場合も当然にあり得る。   The total injection amount by the front injection P1 and the rear injection P2 is increased in comparison with the first operation region A1 (the injection amount by the fuel injection P) in accordance with the high load corresponding to the second operation region A2. Further, the CVVL 15 is driven to increase the lift amount of the intake valve 11 (lift curve IN) in order to introduce a large amount of fresh air corresponding to the fuel injection amount set to increase in this way into the combustion chamber 6. Then, as shown in the waveform Qb of FIG. 10, two peaks with different timings are obtained by the self-ignition of the mixture of fuel and air (fresh air) separately injected as described above near the compression top dead center. Combustion accompanied by heat generation occurs. Note that such a shape of the waveform Qb is conceptual only, and there are naturally cases where two peaks do not appear clearly.

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

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

このような問題に対し、当実施形態では、インジェクタ21が燃焼室6天井の径方向中央部分に配置されるとともに、ピストン5の冠面の径方向中央にキャビティ40が形成されているため、分割噴射された燃料が同時に燃焼してしまうことがなく、前記のような燃焼騒音の増大やスートの大量発生を回避することが可能である(その詳細なメカニズムについては後述する)。また、燃焼室6のうち前記キャビティ40よりも径方向外側部分すなわち燃焼室6の外周部分6bの容積が所定量確保されているため、この外周部分6bにおいて、前段噴射P1により形成された混合気を確実に燃焼させることができる。   In this embodiment, the injector 21 is disposed at the radial center of the ceiling of the combustion chamber 6, and the cavity 40 is formed at the radial center of the crown surface of the piston 5. The injected fuel does not burn at the same time, and it is possible to avoid an increase in combustion noise and a large amount of soot (the detailed mechanism will be described later). Further, since a predetermined amount of the volume of the combustion chamber 6 in the radially outer portion than the cavity 40, that is, the outer peripheral portion 6b of the combustion chamber 6, is secured, the air-fuel mixture formed by the upstream injection P1 in the outer peripheral portion 6b. Can be reliably burned.

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

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

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

ここで、以上のような制御に基づき実現される第2運転領域A2での燃焼形態について、図13(a)〜(f)を参照しつつより具体的に説明する。図13(a)は、インジェクタ21から前段噴射P1が行われたときの状態を示している。このときのピストン5は、上述したように、圧縮上死点前(BTDC)50〜60°CA程度に位置している。このような位置にあるピストン5の冠面に向けて、前記インジェクタ21の先端部I1に備わる複数(12個)の噴口から放射状に燃料が噴射されると、その燃料の噴霧は、燃焼室6の外周部分6bに向かうことになる。   Here, the combustion mode in the second operation region A2 realized based on the control as described above will be described more specifically with reference to FIGS. 13 (a) to (f). FIG. 13A shows a state when the front injection P1 is performed from the injector 21. FIG. As described above, the piston 5 at this time is positioned at about 50 to 60 ° CA before compression top dead center (BTDC). When fuel is injected radially from the plural (12) nozzle holes provided at the tip end portion I1 of the injector 21 toward the crown surface of the piston 5 at such a position, the spray of the fuel is sprayed into the combustion chamber 6. It goes to the outer peripheral part 6b.

前記燃焼室6の外周部分6bに向けて噴射された燃料(噴霧)は、その後分散し、その分散した燃料に基づき、図13(b)に示すように、主に燃焼室6の外周部分6bに混合気X1が形成される。ここで形成される混合気X1の空燃比は、燃焼室6の外周部分6bだけの局所的な空燃比として、理論空燃比(空気過剰率λ=1)程度に設定される。すなわち、理論空燃比程度の濃さの混合気X1が燃焼室6の外周部に局所的に形成されるように、前記前段噴射P1の噴射時期および噴射量が設定されている。   The fuel (spray) injected toward the outer peripheral portion 6b of the combustion chamber 6 is then dispersed. Based on the dispersed fuel, as shown in FIG. 13B, the outer peripheral portion 6b of the combustion chamber 6 is mainly used. The air-fuel mixture X1 is formed. The air-fuel ratio of the air-fuel mixture X1 formed here is set to a theoretical air-fuel ratio (excess air ratio λ = 1) as the local air-fuel ratio of only the outer peripheral portion 6b of the combustion chamber 6. That is, the injection timing and the injection amount of the pre-stage injection P1 are set so that the air-fuel mixture X1 having a concentration about the stoichiometric air-fuel ratio is locally formed on the outer periphery of the combustion chamber 6.

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

前記のように燃焼室6の外周部分6bに形成された混合気X1は、ピストン5の上昇により圧縮されて高温・高圧化し、圧縮上死点付近までピストン5が達したところで、図13(c)に示すように自着火により燃焼する(圧縮自己着火)。なお、同図では、混合気X1が燃焼している領域を黒またはグレーに着色して示している。この混合気X1が燃焼する領域Y2は、前記混合気X1が形成された領域に対応して、燃焼室6の外周部分6bに限られる。   The air-fuel mixture X1 formed in the outer peripheral portion 6b of the combustion chamber 6 as described above is compressed by the rise of the piston 5 to become high temperature and pressure, and when the piston 5 reaches the vicinity of the compression top dead center, FIG. ) To burn by self-ignition as shown in (). In the figure, the region where the air-fuel mixture X1 is burning is shown in black or gray. The region Y2 where the air-fuel mixture X1 burns is limited to the outer peripheral portion 6b of the combustion chamber 6 corresponding to the region where the air-fuel mixture X1 is formed.

前記のような前段噴射P1に基づく燃焼が始まると、それとほぼ同時、もしくはわずかな期間をあけて、図13(d)に示すような後段噴射P2が実行される。この後段噴射P2のタイミングは、上述したように、ピストン5が降下を始めて間もない上死点後(ATDC)0〜10°CA程度である。このようにピストン5が上死点に近いタイミングでインジェクタ21から燃料が噴射されると、その燃料の噴霧は、ピストン5の冠面の径方向中央部分に設けられたキャビティ40の内部へと向かうことになる。すると、このキャビティ40の内部に向けて噴射された燃料(噴霧)は、キャビティ40の周壁に沿って上方にガイドされながら分散し、その分散した燃料に基づき、図13(e)に示すように、燃焼室6の径方向中央部分6a(主にキャビティ40の内部)に混合気X2が形成される。この混合気X2の局所的な空燃比も、上述した前段噴射P1に基づく混合気X1と同様、理論空燃比(空気過剰率λ=1)程度に設定される。言い換えれば、前記後段噴射P2により、燃焼室6の径方向中央部分6aには、前段噴射P1の実行時よりもリッチな混合気X2が形成されていることになる。   When the combustion based on the front injection P1 as described above starts, the rear injection P2 as shown in FIG. 13 (d) is executed almost at the same time or after a short period of time. As described above, the timing of the post-injection P2 is about 0 to 10 ° CA after top dead center (ATDC) shortly after the piston 5 starts to descend. Thus, when the fuel is injected from the injector 21 at the timing when the piston 5 is close to the top dead center, the spray of the fuel goes to the inside of the cavity 40 provided in the radial center portion of the crown surface of the piston 5. It will be. Then, the fuel (spray) injected toward the inside of the cavity 40 is dispersed while being guided upward along the peripheral wall of the cavity 40, and based on the dispersed fuel, as shown in FIG. 13 (e). The air-fuel mixture X2 is formed in the radial center portion 6a of the combustion chamber 6 (mainly inside the cavity 40). The local air-fuel ratio of the air-fuel mixture X2 is also set to about the stoichiometric air-fuel ratio (excess air ratio λ = 1), similar to the air-fuel mixture X1 based on the pre-stage injection P1 described above. In other words, the rich air-fuel mixture X2 is formed in the radial center portion 6a of the combustion chamber 6 by the post-stage injection P2 than when the pre-stage injection P1 is performed.

前記のような後段噴射P2に基づく混合気X2は、ピストン5が圧縮上死点に近く、しかも前段噴射P1に基づく混合気X1の燃焼が既に起きている状態で形成されるものである。このため、前記混合気X2は、図13(f)に示すように、後段噴射P2の後、ごく短時間で自着火に至り、燃焼する。この混合気X2が燃焼する領域Y2は、前記混合気X2が形成された領域に対応して、燃焼室6の径方向中央部分6aに限られる。すなわち、上述した前段噴射P1に基づく混合気X1が、燃焼室6の外周部分6b(燃料領域Y1)で燃焼するのに対し、後段噴射P2に基づく混合気X2は、キャビティ40の設置部に対応する燃焼室6の径方向中央部分6a(燃焼領域Y2)で燃焼することになる。   The mixture X2 based on the post-stage injection P2 as described above is formed in a state where the piston 5 is close to the compression top dead center and the combustion of the mixture X1 based on the pre-stage injection P1 has already occurred. For this reason, as shown in FIG. 13 (f), the air-fuel mixture X2 reaches self-ignition in a very short time after the post-injection P2, and burns. The region Y2 where the air-fuel mixture X2 burns is limited to the radial center portion 6a of the combustion chamber 6 corresponding to the region where the air-fuel mixture X2 is formed. That is, the air-fuel mixture X1 based on the above-described front-stage injection P1 burns in the outer peripheral portion 6b (fuel region Y1) of the combustion chamber 6, whereas the air-fuel mixture X2 based on the rear-stage injection P2 corresponds to the installation portion of the cavity 40. Combustion is performed in the radial center portion 6a (combustion region Y2) of the combustion chamber 6 that performs.

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

特に、キャビティ40を含む燃焼室6の中央部分6aと、燃焼室6の外周部分6bにそれぞれ容積が確保されつつ、燃焼室6のSV比が小さく抑えられて冷却損失が低減されており、燃焼室6内の温度を混合気が自着火可能な温度にまでより確実に高めて各噴射P1、P2で形成される混合気をより確実に自着火させることができる。   In particular, while the volume is secured in the central portion 6a of the combustion chamber 6 including the cavity 40 and the outer peripheral portion 6b of the combustion chamber 6, the SV ratio of the combustion chamber 6 is suppressed to be small and the cooling loss is reduced. The temperature in the chamber 6 can be more reliably increased to a temperature at which the air-fuel mixture can self-ignite, and the air-fuel mixture formed by the injections P1 and P2 can be self-ignited more reliably.

(iii)第3運転領域A3
前記第1運転領域A1よりも負荷Tが高く、かつ前記第2運転領域A2よりも回転速度Neが高い第3運転領域A3では、図10に示すような制御が実行される。すなわち、第3運転領域A3では、前記第2運転領域A2のときと同様、インジェクタ21からの燃料が複数回に分けて噴射されるが、前記第2運転領域A2のときとは異なり、前段噴射P1および後段噴射P2との間に、自着火を促進するための着火アシストが実行される。なお、図5の制御マップでは、このような分割噴射および着火アシスト(Spark Asist)に基づく圧縮自己着火燃焼が実行されることを指して、第3運転領域A3内に「SA+多段CI」と表記している。
(Iii) Third operation area A3
In the third operation region A3 where the load T is higher than that in the first operation region A1 and the rotational speed Ne is higher than that in the second operation region A2, the control as shown in FIG. 10 is executed. That is, in the third operation region A3, the fuel from the injector 21 is injected in a plurality of times as in the second operation region A2, but unlike the second operation region A2, the pre-stage injection is performed. An ignition assist for promoting self-ignition is executed between P1 and the subsequent injection P2. In the control map of FIG. 5, “SA + multi-stage CI” is indicated in the third operation region A3 to indicate that the compression self-ignition combustion based on such divided injection and ignition assist (Spark Assist) is executed. doing.

具体的に、前記着火アシストとしては、圧縮行程中に実行される前段噴射P1と、圧縮上死点付近に実行される後段噴射P2との間の所定時期に、これら前段および後段噴射P1,P2の各噴射量よりも少量の燃料がインジェクタ21から噴射されるとともに(Pa)、その噴射Paの直後でかつ後段噴射P2よりも前の圧縮行程後期に、点火プラグ20による火花点火Sが実行される。すると、このような着火アシストにより図10の波形Qc’のような少量の熱発生を伴う燃焼が生じるとともに、当該燃焼により燃焼室6が高温化するのをきっかけにして、続く波形Qcに示すように、前記前段噴射P1および後段噴射P2に基づく混合気が自着火により燃焼する。なお、以下では、着火アシストのために実行される少量の燃料噴射Pa(着火アシスト用の燃料噴射)のことをアシスト用噴射Pa、着火アシストのために実行される火花点火S(着火アシスト用の火花点火)のことをアシスト用点火Sと称する。   Specifically, as the ignition assist, the pre-stage and post-stage injections P1, P2 are performed at a predetermined time between the pre-stage injection P1 executed during the compression stroke and the post-stage injection P2 executed near the compression top dead center. A small amount of fuel is injected from the injector 21 (Pa), and spark ignition S is performed by the spark plug 20 immediately after the injection Pa and at the end of the compression stroke before the post-injection P2. The Then, such ignition assist causes combustion with a small amount of heat generation as shown by waveform Qc ′ in FIG. 10, and the combustion chamber 6 is heated to a high temperature due to the combustion, as shown in the following waveform Qc. In addition, the air-fuel mixture based on the front injection P1 and the rear injection P2 burns by self-ignition. In the following, the small amount of fuel injection Pa (ignition assist fuel injection) executed for the ignition assist is referred to as the assist injection Pa, and the spark ignition S (ignition assist) executed for the ignition assist. The spark ignition) is referred to as assist ignition S.

前記アシスト用点火Sは、インジェクタ21の先端部(噴口)からアシスト用噴射Paとして噴射された燃料(噴霧)の先端が、インジェクタ格納部62の下端の開口縁62bを通過した直後のタイミングで実行される。   The assist ignition S is performed at a timing immediately after the tip of fuel (spray) injected as assist injection Pa from the tip end (injection port) of the injector 21 passes through the opening edge 62b at the lower end of the injector storage portion 62. Is done.

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

図14(a)〜(h)は、以上のような着火アシストに基づく圧縮自己着火燃焼が行われる第3運転領域A3での燃焼の様子を模式的に示す図である。図14(a)に示すように、第3運転領域A3では、上述した第2運転領域A2での前段噴射P1(図14(a))のタイミング(BTDC50〜60°CA程度)とほぼ同じタイミングで前段噴射P1が実行され、この前段噴射P1により、燃焼室6の外周部に、理論空燃比(λ=1)程度の空燃比をもった混合気X1が形成される。ただし、前記前段噴射P1のタイミングは、厳密には、前記第2運転領域A2での前段噴射P1のタイミングよりもわずかに早い時期に設定される。これは、第3運転領域A3では、第2運転領域A2のときよりもエンジン回転速度Neが高く、ピストンスピードが速いからである。つまり、ピストンスピードが速いと、インジェクタ21からの噴射燃料がピストン5の冠面付近に達するまでの間にピストン5が比較的大きく移動するため、ピストン5上の同様の位置に燃料(噴霧)を届かせようとすれば、インジェクタ21からの噴射タイミングをわずかにでも早める必要がある。このことは、後述する後段噴射P2の場合でも同様である。   FIGS. 14A to 14H are diagrams schematically showing the state of combustion in the third operation region A3 in which the compression self-ignition combustion based on the above-described ignition assist is performed. As shown in FIG. 14 (a), in the third operation region A3, substantially the same timing as the timing of the preceding injection P1 (FIG. 14 (a)) in the second operation region A2 (about BTDC 50 to 60 ° CA). Thus, the front stage injection P1 is executed, and by this front stage injection P1, the air-fuel mixture X1 having an air-fuel ratio of about the theoretical air-fuel ratio (λ = 1) is formed in the outer peripheral portion of the combustion chamber 6. However, strictly speaking, the timing of the upstream injection P1 is set to be slightly earlier than the timing of the upstream injection P1 in the second operation region A2. This is because in the third operation region A3, the engine rotation speed Ne is higher and the piston speed is faster than in the second operation region A2. In other words, if the piston speed is high, the piston 5 moves relatively large until the fuel injected from the injector 21 reaches the vicinity of the crown surface of the piston 5, so that fuel (spray) is injected at the same position on the piston 5. If it is to be delivered, it is necessary to advance the injection timing from the injector 21 even slightly. The same applies to the later-stage injection P2 described later.

前記前段噴射P1の後は、図14(c)に示す着火アシストが実行される。すなわち、前記前段噴射P1の後、ピストン5がある程度上昇した時点(例えばBTDC30〜10°CA程度)で、着火アシスト用の燃料噴射であるアシスト用噴射Paが実行されるとともに、その直後に、アシストの火花点火であるアシスト用点火Sが実行される。すると、前記アシスト用噴射Paにより噴射された燃料に基づいて、点火プラグ20の電極周りに十分に霧化された燃料を含む混合気が形成されるとともに、その混合気が前記アシスト用点火Sを火種として火炎を形成することにより、図14(d)に示すように、点火プラグ20の電極周りに混合気の燃焼領域Yaが局所的に形成される。   After the pre-stage injection P1, the ignition assist shown in FIG. 14 (c) is executed. That is, after the pre-stage injection P1, when the piston 5 is raised to some extent (for example, about BTDC 30 to 10 ° CA), the assist injection Pa that is the fuel injection for the ignition assist is executed and immediately after that, the assist Assist ignition S that is spark ignition is executed. Then, based on the fuel injected by the assist injection Pa, an air-fuel mixture containing sufficiently atomized fuel is formed around the electrode of the spark plug 20, and the air-fuel mixture causes the assist ignition S to flow. By forming a flame as a fire type, a combustion region Ya of the air-fuel mixture is locally formed around the electrode of the spark plug 20 as shown in FIG.

前記のようにして着火アシストによる火炎(燃焼領域Ya)が生じると、その火炎による燃焼室6の高温化と、ピストン5の上昇による圧縮作用とが相俟って、燃焼室6の外周部に形成されていた前記前段噴射P1に基づく混合気X1が、図14(e)に示すように、圧縮上死点付近で自着火により燃焼する。この混合気X1の燃焼領域Y1は、燃焼室6の外周部分6bに限られ、点火プラグ20の電極からは径方向外側に離間した領域となる。   When the flame (combustion region Ya) is generated by the ignition assist as described above, the high temperature of the combustion chamber 6 due to the flame and the compression action due to the rising of the piston 5 are combined, and the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 is combined. The air-fuel mixture X1 based on the pre-stage injection P1 that has been formed burns by self-ignition near the compression top dead center, as shown in FIG. 14 (e). The combustion region Y1 of the air-fuel mixture X1 is limited to the outer peripheral portion 6b of the combustion chamber 6, and is a region spaced radially outward from the electrode of the spark plug 20.

前記のような前段噴射P1に基づく燃焼が始まると、それ以降は、前記第2運転領域A2のときと同様にして燃焼が進行していく。すなわち、前記前段噴射P1に基づく燃焼の開始とほぼ同時、もしくはわずかな期間をあけて、図14(f)に示すような後段噴射P2が実行され、その後段噴射P2に基づき、燃焼室6の径方向中央部分6a(主にキャビティ40の内部)に、理論空燃比(λ=1)程度の空燃比をもった混合気X2が形成される。すると、この混合気X2は、ごく短い時間で自着火に至り、燃焼室6の径方向中央部分6aに、前記混合気X2の燃料領域Y2を形成する。   When the combustion based on the pre-stage injection P1 as described above starts, the combustion proceeds thereafter in the same manner as in the second operation region A2. That is, the post-injection P2 as shown in FIG. 14 (f) is executed almost simultaneously with the start of combustion based on the pre-injection P1, or after a short period of time, and based on the post-injection P2, the combustion chamber 6 An air-fuel mixture X2 having an air-fuel ratio of about the theoretical air-fuel ratio (λ = 1) is formed in the radial center portion 6a (mainly inside the cavity 40). Then, the air-fuel mixture X2 is self-ignited in a very short time, and forms a fuel region Y2 of the air-fuel mixture X2 in the radial center portion 6a of the combustion chamber 6.

以上のように、第3運転領域A3では、前段噴射P1および後段噴射P2の間に、点火プラグ20を用いて着火アシストを実行し、その着火アシストにより燃焼室6を高温化することにより、前記着火アシストに引き続いて前記前段噴射P1および後段噴射P2に基づく混合気X1,X2をそれぞれ自着火により燃焼させるようにした。このように、着火アシストにより混合気の自着火を促進するようにした第3運転領域A3では、上述した第2運転領域A2のときよりもエンジン回転速度Neが高く、燃料の受熱期間が短くなる状況であるにもかかわらず、混合気が確実に自着火により燃焼し、失火が起きることが回避される。しかも、前記第2運転領域A2のときと同様、前段噴射P1および後段噴射P2に基づく混合気X1,X2が別々の空間で独立して自着火、燃焼するため、燃焼騒音の増大やスートの発生についても回避される。特に、前記第2運転領域A2のときと同様、本ガソリンエンジンでは、キャビティ40を含む燃焼室6の中央部分6aと、その径方向外側の燃焼室6の外周部分6bにそれぞれ容積が確保されつつ、燃焼室6のSV比が小さく抑えられて冷却損失が低減されているため、各噴射P1、P2で形成される混合気を燃焼室6の中央部分6aと外周部分6bとにおいてより確実に、また、効率よく燃焼させることができる。   As described above, in the third operation region A3, the ignition assist is executed using the spark plug 20 between the front injection P1 and the rear injection P2, and the combustion chamber 6 is heated to a high temperature by the ignition assist. Following the ignition assist, the air-fuel mixtures X1 and X2 based on the front injection P1 and the rear injection P2 are each burned by self-ignition. As described above, in the third operation region A3 in which self-ignition of the air-fuel mixture is promoted by the ignition assist, the engine rotation speed Ne is higher than that in the above-described second operation region A2, and the fuel heat receiving period is shortened. In spite of the situation, it is ensured that the air-fuel mixture burns by self-ignition and misfires are avoided. In addition, as in the second operation region A2, the air-fuel mixture X1, X2 based on the front injection P1 and the rear injection P2 is self-ignited and burned independently in separate spaces, so that combustion noise increases and soot is generated. Is also avoided. In particular, as in the case of the second operation region A2, in this gasoline engine, volumes are secured in the central portion 6a of the combustion chamber 6 including the cavity 40 and the outer peripheral portion 6b of the combustion chamber 6 on the radially outer side. Since the SV ratio of the combustion chamber 6 is kept small and the cooling loss is reduced, the air-fuel mixture formed by the injections P1 and P2 is more reliably determined in the central portion 6a and the outer peripheral portion 6b of the combustion chamber 6. Moreover, it can be burned efficiently.

なお、図15は、前記第3運転領域A3で、着火アシストに基づく混合気の燃焼領域Yaと、前段噴射P1および後段噴射P2に基づく混合気の燃焼領域Y1,Y2との位置関係を模式的に示すための平面図である。上述した第3運転領域A3での燃焼形態によれば、図12のように、まず着火アシストに基づく燃焼領域Yaが点火プラグ20の周辺に限って形成され、これとほぼ重ならない燃焼室6の外周部に、前段噴射P1に基づく燃焼領域Y1が形成され、さらに、後段噴射P2に基づく燃焼領域Y2が、前記燃焼領域Y1よりも径方向内側に形成される。これら各燃焼領域は、Ya→Y1→Y2の順に形成され、その発生位置または発生時期は、ほとんど重なり合うことがない。   FIG. 15 schematically shows the positional relationship between the combustion region Ya of the air-fuel mixture based on the ignition assist and the combustion regions Y1 and Y2 of the air-fuel mixture based on the front injection P1 and the rear injection P2 in the third operation region A3. It is a top view for showing to. According to the combustion mode in the third operation region A3 described above, as shown in FIG. 12, first, the combustion region Ya based on the ignition assist is formed only in the vicinity of the spark plug 20, and the combustion chamber 6 that does not substantially overlap therewith is formed. A combustion region Y1 based on the front-stage injection P1 is formed on the outer periphery, and further, a combustion region Y2 based on the rear-stage injection P2 is formed radially inward from the combustion region Y1. These combustion regions are formed in the order of Ya → Y1 → Y2, and their generation positions or generation times hardly overlap each other.

(iV)第4運転領域A4
高負荷域に設定された前記第4運転領域A4では、多量の燃料が噴射されるため、圧縮自己着火燃焼を行わせようとすると、燃焼騒音が著しく増大する、また、ノッキングが生じるという問題がある。そこで、この第4運転領域A4では、圧縮自己着火燃焼に代わり、混合気に点火して火炎伝播させる火花点火燃焼(SI燃焼)を実施する。
(IV) Fourth operation region A4
In the fourth operation region A4 set in the high load region, a large amount of fuel is injected. Therefore, if compression self-ignition combustion is performed, combustion noise increases remarkably and knocking occurs. is there. Therefore, in this fourth operation region A4, spark ignition combustion (SI combustion) is performed in which the air-fuel mixture is ignited and flame is propagated instead of compression self-ignition combustion.

ここで、SI燃焼においても、燃焼室6内の温度が過度に高い場合には、ノッキングが生じる。特に、本ガソリンエンジンでは圧縮比が非常に高い値に設定されている。そのため、燃焼室6内の温度は高くなりやすい。   Here, also in SI combustion, when the temperature in the combustion chamber 6 is excessively high, knocking occurs. In particular, in this gasoline engine, the compression ratio is set to a very high value. Therefore, the temperature in the combustion chamber 6 tends to increase.

そこで、本ガソリンエンジンでは、この第4運転領域A4において、ノッキング等の異常燃焼をより確実に回避するべく、圧縮上死点よりもかなり前(例えば吸気行程中)に燃料を噴射して圧縮上死点付近で火花点火を行わせる通常のSI燃焼ではなく、図11に示すように、圧縮行程中にインジェクタ21から燃料を噴射させ(P3,P4)、この燃料噴射P3,P4の後に点火プラグ20に火花点火を行わせて、圧縮上死点を過ぎたタイミング(膨張行程の初期)から短時間で火炎伝播により混合気を燃焼させる急速リタードSI燃焼モードを実行する。図11は、前記急速リタードSI燃焼モードが実行された際の、燃料噴射時期と吸排気弁11,12のリフト特性、およびそれに基づく燃焼により生じる熱発生率(J/deg)を示す図である。   Therefore, in this gasoline engine, in this fourth operating region A4, in order to more reliably avoid abnormal combustion such as knocking, the fuel is injected considerably before the compression top dead center (for example, during the intake stroke). Instead of normal SI combustion in which spark ignition is performed in the vicinity of the dead center, as shown in FIG. 11, fuel is injected from the injector 21 during the compression stroke (P3, P4), and an ignition plug is inserted after the fuel injection P3, P4. 20 is ignited with a spark, and a rapid retarded SI combustion mode is executed in which the air-fuel mixture is combusted by flame propagation in a short time from the timing when the compression top dead center is passed (the initial stage of the expansion stroke). FIG. 11 is a diagram showing the fuel injection timing, the lift characteristics of the intake and exhaust valves 11 and 12, and the heat generation rate (J / deg) generated by combustion based on the fuel injection timing and the lift characteristics when the rapid retarded SI combustion mode is executed. .

具体的には、この図11に示すように、この急速リタードSI燃焼モードでは、圧縮行程の後期に設定された2回の噴射時期(P3,P4)に分けてインジェクタ21から、30MPa以上の高圧で燃料が噴射される。各燃料噴射P3,P4のタイミングとしては、例えば、1回目の噴射P1の開始時期から、2回目の噴射P2の完了時期までの期間が、概ね圧縮上死点前(BTDC)20〜0°CA程度の期間内に収まるように設定される。   Specifically, as shown in FIG. 11, in this rapid retarded SI combustion mode, the high pressure of 30 MPa or more is supplied from the injector 21 in two injection timings (P3, P4) set in the latter half of the compression stroke. Then fuel is injected. As the timing of each fuel injection P3, P4, for example, the period from the start timing of the first injection P1 to the completion timing of the second injection P2 is approximately 20 to 0 ° CA before compression top dead center (BTDC). It is set to be within a certain period.

このような噴射制御が実施されるこの急速リタードSI燃焼モードでは、前記のように30MPa以上(例えば40MPa)という非常に高い噴射圧力で燃料が噴射されることで、噴射期間を短くすることができるとともに燃料噴霧を微粒化することができ、短時間で多量の燃料を十分に気化霧化させて比較的均質な(もしくは弱成層化した)混合気を形成することができる。また、噴射圧力が高いために、燃焼室6が最も高温・高圧化する圧縮上死点をある程度過ぎるまで大きな乱流エネルギーを維持することができる。従って、燃料が噴射されてから短時間であって、燃料噴射に伴う乱流エネルギーの減衰が小さい間に(乱流エネルギーが大きい状態で)火花点火による燃焼を開始させることができ、この比較的大きな乱流エネルギーによって燃焼期間を短くすることができる。そして、この燃焼期間の短縮化に伴って、燃焼が引き起こされる前に適正な火炎伝播によって混合気を燃焼し切ることができる。すなわち、ノッキング等の異常燃焼を回避しつつ、熱効率およびエンジントルクを高く維持することができる。また、燃焼温度が過度に上昇せず、燃料の気化霧化が不十分なまま燃焼が開始されることもないため、NOxやスートの増大が回避され、エミッション性についても良好に維持される。   In the rapid retarded SI combustion mode in which such injection control is performed, the injection period can be shortened by injecting fuel at a very high injection pressure of 30 MPa or more (for example, 40 MPa) as described above. At the same time, the fuel spray can be atomized, and a large amount of fuel can be sufficiently vaporized and atomized in a short time to form a relatively homogeneous (or weakly stratified) mixture. In addition, since the injection pressure is high, large turbulent energy can be maintained until the combustion chamber 6 passes a certain amount of compression top dead center at which the temperature and pressure of the combustion chamber 6 are the highest. Therefore, it is possible to start combustion by spark ignition within a short time after the fuel is injected and while the attenuation of the turbulent energy accompanying the fuel injection is small (in a state where the turbulent energy is large). The combustion period can be shortened by large turbulent energy. As the combustion period is shortened, the air-fuel mixture can be burned out by proper flame propagation before combustion is caused. That is, high thermal efficiency and engine torque can be maintained while avoiding abnormal combustion such as knocking. Further, since the combustion temperature does not rise excessively and combustion does not start with insufficient vaporization and atomization of fuel, an increase in NOx and soot is avoided, and the emission property is also maintained well.

特に、本ガソリンエンジンでは、キャビティ40と、その径方向外側部分にそれぞれ容積が確保されつつ、燃焼室6のSV比が小さく抑えられて冷却損失が低減されているため、径方向外側部分においても燃焼を急速に完了させることができ、高いエンジントルクを確保することができる。   In particular, in this gasoline engine, the volume is secured in the cavity 40 and the radially outer portion thereof, and the SV ratio of the combustion chamber 6 is suppressed to be small and the cooling loss is reduced. Combustion can be completed rapidly, and high engine torque can be secured.

また、燃料が2回に分けて噴射されて2回目の燃料噴射の後に点火が行われており、1回目の燃料噴射P3によって燃料を霧化させつつ、2回目の燃料噴射により点火時点での乱流エネルギーを大きくすることができる。また、12個という多数の噴口から噴射されることによっても乱流エネルギーは増大される。   In addition, the fuel is injected in two parts and ignition is performed after the second fuel injection. The fuel is atomized by the first fuel injection P3, and the fuel is injected at the time of ignition by the second fuel injection. Turbulent energy can be increased. The turbulent energy is also increased by being ejected from as many as 12 nozzles.

ここで、点火時期を図11の例よりもさらに進角させれば、これに伴って燃焼開始時期θigが圧縮上死点により近づくため、熱効率および出力トルクのさらなる向上が期待できるが、点火時期を早めるとノッキングが起き易くなるため、点火時期は、ノッキングを起こさないという制約の下、できるだけ進角側に設定される。このような事情から、点火時期は、例えば圧縮上死点後(ATDC)0〜20°CA程度の範囲内に設定される。   Here, if the ignition timing is further advanced than in the example of FIG. 11, the combustion start timing θig approaches the compression top dead center accordingly, and therefore further improvement in thermal efficiency and output torque can be expected. Since the knocking is likely to occur if the acceleration is accelerated, the ignition timing is set to the advance side as much as possible under the restriction that knocking does not occur. For this reason, the ignition timing is set, for example, within a range of about 0 to 20 ° CA after compression top dead center (ATDC).

なお、前記急速リタードSI燃焼モードでは、前記燃料噴射P1,P2によるトータルの噴射量に対して燃焼室6全体の平均の空燃比が理論空燃比(空気過剰率λ=1)となるように新気量が制御される。具体的には、この第2運転領域A2では、負荷Tの増大に応じてCVVL15が駆動され、吸気弁11のリフト量が増大され、これに伴って燃料噴射量に応じた新気が導入される(図11のリフトカーブIN)。なお、本実施形態では、吸気弁11のリフトピーク位置を固定したままリフト量が増大される。   In the rapid retarded SI combustion mode, the new air-fuel ratio is set so that the average air-fuel ratio of the entire combustion chamber 6 becomes the stoichiometric air-fuel ratio (excess air ratio λ = 1) with respect to the total injection amount by the fuel injections P1 and P2. The volume is controlled. Specifically, in the second operation region A2, the CVVL 15 is driven according to the increase in the load T, the lift amount of the intake valve 11 is increased, and accordingly, fresh air corresponding to the fuel injection amount is introduced. (Lift curve IN in FIG. 11). In this embodiment, the lift amount is increased while the lift peak position of the intake valve 11 is fixed.

また、前記急速リタードSI燃焼モードのときは、EGR通路31を通じて排気ガスを吸気通路28に還流させる外部EGRが実行される。なお、エンジンの全負荷近傍では、より多量の新気を確保するために、外部EGRは禁止される。   Further, in the rapid retarded SI combustion mode, external EGR for returning the exhaust gas to the intake passage 28 through the EGR passage 31 is executed. Note that external EGR is prohibited in the vicinity of the full load of the engine in order to secure a larger amount of fresh air.

(5)作用効果等
以上説明したように、当実施形態のガソリンエンジンでは、燃焼室天井面60が円錐面状とされ、ピストン5の冠面の径方向中央にキャビティ40が形成され、かつ、ピストン5の冠面のうちキャビティ40よりも径方向外側部分が、前記燃焼室天井面60と平行な円錐面状の基準面41とされて、吸気側開口部61および排気側開口部62の開口面積および燃焼室6の径方向中央部分6aおよび径方向外側部分6bの容積が確保されつつ、燃焼室6のSV比が小さく抑えられて冷却損失が低減されているため、燃焼室6の径方向中央部分6aおよび径方向外側部分6bにおいて効率のよい燃焼を実現することができ、熱効率をより一層高めることができる。
(5) Operational effects and the like As described above, in the gasoline engine of the present embodiment, the combustion chamber ceiling surface 60 is conical, the cavity 40 is formed in the center in the radial direction of the crown surface of the piston 5, and A portion of the crown surface of the piston 5 that is radially outward from the cavity 40 is a conical reference surface 41 parallel to the combustion chamber ceiling surface 60, and the intake side opening 61 and the exhaust side opening 62 are opened. Since the SV ratio of the combustion chamber 6 is kept small and the cooling loss is reduced while the area and the volume of the radially central portion 6a and the radially outer portion 6b of the combustion chamber 6 are ensured, the cooling loss is reduced. Efficient combustion can be realized in the central portion 6a and the radially outer portion 6b, and thermal efficiency can be further increased.

特に、前記第2運転領域A2および第3運転領域A3では、キャビティ40を含む燃焼室6aの中央部分6aと、その径方向外側の外周部分6bとにそれぞれ個別に燃料が噴射されて、これら各部位で個別に燃焼が実施されており、これら各部位の燃焼室6の天井面60とピストン5の冠面との間のすきま寸法dおよび容積V1,V2が確保されることで、各部位での適正な燃焼を実現することができ、エンジントルクを確保しつつ燃焼騒音およびSOOTの発生を抑制することができる。   In particular, in the second operation region A2 and the third operation region A3, the fuel is individually injected into the central portion 6a of the combustion chamber 6a including the cavity 40 and the outer peripheral portion 6b on the radially outer side. Combustion is carried out individually in each part, and clearances d and volumes V1, V2 between the ceiling surface 60 of the combustion chamber 6 and the crown surface of the piston 5 in each part are secured, so that Therefore, combustion noise and SOOT generation can be suppressed while ensuring engine torque.

また、各弁11,12のバルブ面11c,12cが燃焼室天井面60の接面に沿って延び、かつ、各弁11,12バルブのステム11b,11cが燃焼室天井面60の頂部を中心とする円の径方向に放射状に延びて各弁11に対して垂直に延びており、各弁11,12を安定して駆動しつつ、バルブ面11c,12cを含む燃焼室6の天井面60の凹凸が小さく抑えられているため、この凹凸が大きい場合に比べて燃焼室6内で燃焼を適正に広げることができるとともに燃焼室6の表面積をより確実に小さくして高い熱効率を得ることができる。また、点火プラグ20が排気弁12間に配置され、吸気弁11の面積がより大きく確保されており、吸気量ひいてはエンジントルクを高くすることができる。   The valve surfaces 11c and 12c of the valves 11 and 12 extend along the contact surface of the combustion chamber ceiling surface 60, and the stems 11b and 11c of the valves 11 and 12 are centered on the top of the combustion chamber ceiling surface 60. The ceiling surface 60 of the combustion chamber 6 including the valve surfaces 11c and 12c while stably driving the valves 11 and 12 while extending radially in the radial direction of the circle Therefore, the combustion can be appropriately expanded in the combustion chamber 6 as compared with the case where the unevenness is large, and the surface area of the combustion chamber 6 can be more reliably reduced to obtain high thermal efficiency. it can. Further, the spark plug 20 is disposed between the exhaust valves 12, and the area of the intake valve 11 is ensured to be larger, so that the intake air amount and thus the engine torque can be increased.

ここで、本発明は、幾何学的圧縮比が14以上であって、所定の運転領域で圧縮自着火燃焼を実施するエンジンに広く適用可能であって、各運転領域の具体的な燃焼形態は前記に限らない。例えば、第2運転領域、第3運転領域、第4運転領域の全てにおいて、吸気行程で1回燃料を噴射するとともに圧縮上死点付近で火花点火を行う、通常の火花点火式の燃焼を行ってもよい。   Here, the present invention is widely applicable to engines having a geometric compression ratio of 14 or more and performing compression auto-ignition combustion in a predetermined operation region, and specific combustion modes in each operation region are as follows. It is not restricted to the above. For example, in all of the second operation region, the third operation region, and the fourth operation region, normal spark ignition type combustion is performed in which fuel is injected once in the intake stroke and spark ignition is performed near the compression top dead center. May be.

また、インジェクタ21の噴口の数は12個に限られず、12個より多くても少なくてもよい。ただし、噴口の数があまりに少ないと、インジェクタ21から噴射された燃料の濃度が周方向に大きくばらつくことになる。このため、噴口の数は8個以上とすることが望ましい。   Further, the number of nozzle holes of the injector 21 is not limited to 12, and may be more or less than 12. However, if the number of injection holes is too small, the concentration of the fuel injected from the injector 21 varies greatly in the circumferential direction. For this reason, it is desirable that the number of nozzle holes be eight or more.

5 ピストン
6 燃焼室
21 インジェクタ
40 キャビティ
41 基準面
50 ECU(制御手段)
A1 第1運転領域(特定運転領域)
A2 第3運転領域(特定運転領域)
A3 第3運転領域(特定運転領域)
5 Piston 6 Combustion Chamber 21 Injector 40 Cavity 41 Reference Surface 50 ECU (Control Unit)
A1 1st operation area (specific operation area)
A2 3rd operation area (specific operation area)
A3 3rd operation area (specific operation area)

Claims (5)

気筒に形成された燃料室内に少なくとも一部がガソリンからなる燃料を供給可能なインジェクタを備え、エンジンの特定運転領域において前記燃焼室内で前記燃料と空気との混合気を自着火により燃焼させることでピストンを往復運動させるガソリンエンジンであって、
前記気筒の幾何学的圧縮比は14以上に設定されており、
前記燃焼室の天井面は、その径方向中央を頂部として径方向外側に向かうに従ってその高さが低くなるように傾斜した円錐面形状を有し、
前記ピストンの冠面は、その中央部分に、所定の曲率をもって凹状に湾曲するキャビティを有するとともに、当該キャビティの開口縁よりも径方向外側に向かうに従って高さが低くなるように傾斜して前記燃焼室の天井面と平行に延びる基準面を有し、
前記インジェクタは、前記ピストンの冠面側に向けて燃料を噴射可能な噴口が形成された先端部を有するとともに、当該先端部が前記燃焼室の天井面の頂部近傍に位置するように設けられていることを特徴とするガソリンエンジン。
A fuel chamber formed in the cylinder is provided with an injector capable of supplying at least a part of gasoline fuel, and a mixture of the fuel and air is combusted by self-ignition in the combustion chamber in a specific operation region of the engine. A gasoline engine that reciprocates a piston,
The geometric compression ratio of the cylinder is set to 14 or more,
The ceiling surface of the combustion chamber has a conical surface shape that is inclined so that its height decreases as it goes radially outward with the radial center as a top,
The crown surface of the piston has a cavity curved in a concave shape with a predetermined curvature at the center portion thereof, and is inclined so that the height decreases toward the outer side in the radial direction from the opening edge of the cavity. A reference surface extending parallel to the ceiling surface of the room,
The injector has a tip portion formed with an injection hole capable of injecting fuel toward the crown side of the piston, and is provided so that the tip portion is located near the top of the ceiling surface of the combustion chamber. A gasoline engine characterized by
請求項1に記載のガソリンエンジンにおいて、
前記インジェクタは、前記特定運転領域の少なくとも一部の運転領域において、圧縮上死点よりも前であって噴射した燃料が前記燃焼室のうち前記キャビティよりも径方向外側の部分に到達するタイミングで燃料を噴射する前段噴射と、前記前段噴射よりも後であって噴射した燃料が前記キャビティ内に到達するタイミングで燃料を噴射する後段噴射とを含む複数回に分けて燃料を噴射することを特徴とするガソリンエンジン。
The gasoline engine according to claim 1,
The injector is configured so that, in at least a part of the operation region of the specific operation region, fuel injected before reaching the compression top dead center reaches a portion radially outside the cavity in the combustion chamber. The fuel is injected in a plurality of times including a front-stage injection for injecting fuel and a rear-stage injection for injecting the fuel when the injected fuel reaches the cavity after the front-stage injection. A gasoline engine.
請求項1または2に記載のガソリンエンジンにおいて、
前記燃焼室の天井面に形成された複数の吸気側開口部を介して前記燃焼室と連通する吸気ポートと、前記複数の吸気側開口部をそれぞれ開閉可能な弁体と当該弁体から延びてこの弁体をそれぞれ前記吸気側開口部の開閉方向に移動させるステムとを備えた複数の吸気弁と、前記燃焼室の天井面に形成された複数の排気側開口部を介して前記燃焼室と連通する排気ポートと、前記複数の排気側開口部をそれぞれ開閉可能な弁体と当該弁体から延びてこの弁体をそれぞれ前記排気側開口部の開閉方向に移動させるステムとを備えた複数の排気弁とを備え、
前記複数の吸気弁と複数の排気弁の少なくとも一方は、その各弁体の前記燃焼室側の面が前記円錐面状の燃焼室の天井面との接面と平行に延び、かつ、その各ステムが、燃焼室の天井面の頂部からピストン冠面を見た平面視で、前記燃焼室の天井面の頂部を中心とする円の径方向に延びるように、配設されていることを特徴とするガソリンエンジン。
The gasoline engine according to claim 1 or 2,
An intake port communicating with the combustion chamber via a plurality of intake side openings formed in the ceiling surface of the combustion chamber, a valve body capable of opening and closing the plurality of intake side openings, and extending from the valve body A plurality of intake valves each having a stem for moving the valve body in the opening / closing direction of the intake side opening, and the combustion chamber via a plurality of exhaust side openings formed on a ceiling surface of the combustion chamber; A plurality of exhaust ports, a plurality of valve bodies capable of opening and closing the plurality of exhaust side openings, and a stem extending from the valve body and moving the valve bodies in the opening and closing direction of the exhaust side openings, respectively. An exhaust valve,
At least one of the plurality of intake valves and the plurality of exhaust valves has a surface on the combustion chamber side of each valve body extending in parallel with a contact surface with the ceiling surface of the conical surface combustion chamber, and The stem is disposed so as to extend in a radial direction of a circle centering on the top of the ceiling surface of the combustion chamber in a plan view when the piston crown surface is viewed from the top of the ceiling surface of the combustion chamber. A gasoline engine.
請求項3に記載のガソリンエンジンにおいて、
前記燃焼室内の混合気に点火可能な点火プラグを備え、
前記複数の排気弁は、互いに隣接するとともに、その各弁体の前記燃焼室側の面が前記円錐面状の燃焼室の天井面との接面と平行に延び、かつ、その各ステムが、平面視で、前記燃焼室の天井面の頂部を中心とする円の径方向に延びるように、配設されており、
前記点火プラグは、前記排気弁の間に配置されていることを特徴とするガソリンエンジン。
The gasoline engine according to claim 3,
A spark plug capable of igniting the air-fuel mixture in the combustion chamber;
The plurality of exhaust valves are adjacent to each other, a surface of each valve body on the combustion chamber side extends in parallel with a contact surface with a ceiling surface of the conical combustion chamber, and each stem thereof, Arranged in a plan view so as to extend in the radial direction of a circle centered on the top of the ceiling surface of the combustion chamber;
The gasoline engine, wherein the spark plug is disposed between the exhaust valves.
請求項4に記載のガソリンエンジンにおいて、
前記複数の吸気弁は、その各弁体が前記円錐面状の燃焼室の天井面との接面と平行に延び、かつ、その各ステムが、燃焼室の天井面の頂部からピストン冠面を見た平面視で、前記燃焼室の天井面の頂部を中心とする円の径方向に延びるように、配設されており、
前記吸気側開口部の開口面積は、前記排気側開口部の開口面積よりも大きく設定されていることを特徴とするガソリンエンジン。
The gasoline engine according to claim 4, wherein
Each of the plurality of intake valves has a valve body extending in parallel with a contact surface with the conical surface of the combustion chamber, and each stem has a piston crown surface from the top of the combustion chamber ceiling surface. It is arranged so as to extend in the radial direction of a circle centered on the top of the ceiling surface of the combustion chamber in a plan view as seen,
The gasoline engine according to claim 1, wherein an opening area of the intake side opening is set larger than an opening area of the exhaust side opening.
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