JP5445421B2 - 予混合圧縮自己着火エンジン - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも部分的にガソリンを含有する燃料により駆動され、エンジンの少なくとも低負荷域で、上記燃料と空気とが混合された混合気を圧縮、高温化して自着火させる予混合圧縮自己着火エンジンに関する。

従来、下記特許文献１に示されるように、天然ガスを燃料とする予混合圧縮自己着火エンジンにおいて、エンジンが低負荷域で運転されているときに、グロープラグ（加熱手段）を用いて筒内を加熱しながら予混合圧縮自己着火燃焼を行わせる技術が知られている。

具体的に、この特許文献１では、エンジンの低負荷域で、吸気弁と排気弁とをともに閉じる期間を排気行程から吸気行程にかけて設定することにより、既燃ガスの一部を次回サイクルの混合気と混合させるとともに、このように既燃ガスと混合された混合気をグロープラグによって燃料の自着火温度以上に加熱するようにしている。

上記のように、グロープラグを用いて混合気を加熱するようにすれば、燃料が少なく筒内温度の低い低負荷域であっても、着火性を充分に確保して、混合気を確実に自着火させることができる。

特開２００４−３１６５９３号公報

上記特許文献１に開示された予混合圧縮自己着火エンジンは、天然ガスを燃料とするエンジンであったが、例えば自動車用の動力源としては、ガソリンを燃料とするガソリンエンジンがより広く使用されている。当然ながら、このようなガソリンエンジンにおいても、燃料と空気との混合気を圧縮して自着火させる予混合圧縮自己着火燃焼を適用する研究が盛んに行われている。

上記のようにガソリンを燃料とした予混合圧縮自己着火エンジンであっても、例えば燃料の噴射量の少ない低負荷域では着火性が悪いという事情は同じであり、そこでの着火性をいかに確保するかが問題となる。もちろん、上記特許文献１と同様に、低負荷域でグロープラグによる加熱を行うことも考えられるが、例えば、エンジンの圧縮比を充分に高くすれば、筒内が充分に高温化し、着火性が高まるため、燃料噴射量が少ない低負荷域であってもグロープラグを使用する必要はない。実際のところ、本願発明者等による研究によれば、圧縮比を一般的なガソリンエンジンの圧縮比（例えば９〜１１程度）よりもある程度高めたエンジンであれば、たとえ低負荷であっても、グロープラグ等の着火アシスト手段を用いることなく、混合気を安定的に自着火させられることが既に確認されている。

ただし、このように圧縮比を高めたガソリンエンジンにおいて、低負荷域での運転状態から加速が開始され、負荷が高い（燃料の噴射量が多い）運転領域に移行したときには、低負荷域と同じ条件で適正な予混合圧縮自己着火燃焼を行わせることは困難となる。すなわち、低負荷域だけでなく、燃料噴射量が増大される加速時（高負荷時）においても、低負荷域と同じ燃料噴射時期（例えば吸気行程中）を維持しつつ予混合圧縮自己着火燃焼を継続させようとした場合には、筒内の高温化に起因して、混合気の自着火のタイミングが早くなり過ぎるプリイグニッションと呼ばれる異常燃焼が発生するおそれがある。

なお、この場合に、筒内への燃料噴射時期を遅らせて、例えば圧縮行程の後半以降に燃料を噴射すれば、燃料が高温に晒される時間が短くなるため、その分だけ自着火のタイミングが遅くなり、プリイグニッションを回避できると考えられる。しかしながら、燃料噴射の遅延に伴って自着火のタイミングが遅くなることで、今度は、自着火の直後に急激に熱エネルギーが発生するノッキングと呼ばれる異常燃焼が起きるおそれがある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、燃料の噴射量が増大される加速時においても、適正なタイミングで混合気を自着火させることが可能な予混合圧縮自己着火エンジンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためのものとして、本発明は、少なくとも部分的にガソリンを含有する燃料により駆動され、エンジンの少なくとも低負荷域に設定された第１自着火領域で、上記燃料と空気とが混合された混合気を圧縮、高温化して自着火させる予混合圧縮自己着火エンジンであって、上記エンジンの筒内温度を強制的に上昇させる加熱手段と、上記燃料を筒内に噴射するインジェクタと、上記加熱手段およびインジェクタを制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記第１自着火領域での運転から加速が開始され、上記第１自着火領域よりも負荷が高くかつ上記燃料の噴射量が増大される第２自着火領域に移行すると、少なくとも加速中の所定期間の間、上記インジェクタによる燃料噴射時期を圧縮行程後半から膨張行程前半までの間の所定時期に設定し、かつ上記加熱手段を作動させることにより、混合気を自着火させることを特徴とするものである（請求項１）。

なお、「筒内温度を強制的に上昇させる加熱手段」とは、ピストンによる圧縮作用以外の方法で筒内温度を上昇させる手段をいう。

本発明では、燃料噴射量が増大される加速時に、加熱手段を作動させて筒内温度（特に圧縮上死点付近の温度）を充分に上昇させつつ、圧縮行程後半から膨張行程前半までというかなり遅めのタイミングでインジェクタから燃料を噴射することにより、圧縮上死点の比較的近くで混合気を自着火させることができ、例えば熱発生率のピークが圧縮上死点から少し遅れて生じるような適正な圧縮自己着火燃焼を確実に行わせることができる。これにより、圧縮上死点よりもかなり前に熱発生率がピークを迎えるような異常燃焼（プリイグニッション）や、圧縮上死点よりも大幅に遅れて自着火が起き、その自着火をきっかけに一気に大きな熱エネルギーが発生するような異常燃焼（ノッキング）を効果的に防止できるとともに、加速時に必要な高出力を適正な燃焼に基づき効率よく確保できるという利点がある。

本発明において、好ましくは、上記制御手段は、上記第２自着火領域での運転から、負荷の低い上記第１自着火領域での運転に復帰した後でも、上記加熱手段の温度が所定量以上低下するまでの間は、上記インジェクタによる燃料の噴射時期を上記圧縮行程後半から膨張行程前半までの間の所定時期に維持する（請求項２）。

この構成によれば、加熱手段の作動が停止された後、加熱手段の温度が充分に低下するまでの間に、燃料噴射時期が第１自着火領域での本来の噴射時期まで不用意に早められることがなく、加熱手段の残熱に起因した異常燃焼を効果的に防止することができる。

本発明において、好ましくは、上記制御手段は、上記加熱手段の作動開始後、加熱手段の温度が所定値以上に上昇するまでの間は、圧縮行程後半および膨張行程前半の少なくとも２回に分けて上記インジェクタから燃料を噴射させることにより、混合気を自着火させる（請求項３）。

この構成によれば、負荷の高まりに応じた多量の燃料を１回で噴射した場合と異なり、燃料の気化潜熱による筒内温度の低下を抑制できるため、加熱手段による加熱が充分でない状態でも混合気を確実に自着火させることができる。

本発明のエンジンが、筒内に火花を放電する点火プラグを備える場合、上記制御手段は、上記加熱手段の作動開始後、加熱手段の温度が所定値以上に上昇するまでの間は、上記インジェクタによる燃料噴射時期を膨張行程前半に設定するとともに、上記点火プラグによる火花放電に基づき混合気を強制的に着火させるようにしてもよい（請求項４）。

この構成によれば、点火プラグから放電される火花を利用して、プリイグニッションやノッキング等を伴わない適正な燃焼を行わせることができ、加熱手段の温度が充分に高まるまで着火性を適正に確保することができる。

上記加熱手段としては、通電により発熱する発熱部を筒内に有したグロープラグが好適である。この場合、上記制御手段は、上記グロープラグの温度が所定値以上に上昇した後、依然としてエンジンが上記第２自着火領域で運転されている場合には、上記グロープラグへの通電量を低下させつつ通電を継続することが好ましい（請求項５）。

この構成によれば、筒内温度が必要以上に上昇するのを防止できるとともに、グロープラグの信頼性を適正に確保することができる。

以上説明したように、本発明の予混合圧縮自己着火エンジンによれば、燃料の噴射量が増大される加速時においても、適正なタイミングで混合気を自着火させることができる。

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。 エンジンの制御系を示すブロック図である。 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。 図３の第１自着火領域（Ａ１）における燃料噴射時期と、その燃料噴射に基づく熱発生率とを示す図である。 図３の第２自着火領域（Ａ２）における燃料噴射時期と、その燃料噴射に基づく熱発生率とを示す図である。 異常燃焼が起きるケースを説明するための図であり、（ａ）はプリイグニッションの発生を、（ｂ）はノッキングの発生を示している。 図３のＳＩ領域（Ｂ）における燃料噴射時期と、その燃料噴射に基づく熱発生率とを示す図である。 実際のエンジンの運転モードの中で、燃料噴射時期およびグロー通電量がどのように制御されるかを示すタイムチャートである。 上記第１自着火領域から第２自着火領域に移行した直後に行われる制御例を説明するための図である。

（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、シリンダブロック３の各気筒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。なお、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。

上記ピストン５はコネクティングロッド８を介してクランク軸７と連結されており、上記ピストン５の往復運動に応じて上記クランク軸７が中心軸回りに回転駆動されるようになっている。

上記ピストン５の上方には燃焼室６が形成され、燃焼室６に吸気ポート９および排気ポート１０が開口し、各ポート９，１０を開閉する吸気弁１１および排気弁１２が、上記シリンダヘッド４にそれぞれ設けられている。

ここで、「燃焼室」とは、狭義には、ピストン５が上死点にあるときにその上方に形成される空間のことを指すため、ここでは、ピストン５の上下位置にかかわらずその上方に形成される空間のことを指すときは、「気筒２の内部」、あるいは単に「筒内」と称することとする。

上記吸気弁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の回転に連動して開閉駆動される。

上記吸気弁１１および排気弁１２用の各動弁機構１３，１４には、ＶＶＴ１５，１６がそれぞれ組み込まれている。ＶＶＴ１５，１６は、可変バルブタイミング機構（Variable Valve Timing Mechanism）と呼ばれるものであり、吸排気弁１１，１２の動作タイミングを可変的に設定するものである。なお、ＶＶＴ（可変バルブタイミング機構）としては既に様々な形式のものが実用化されて公知であるため、ここでは上記ＶＶＴ１５，１６の構造についての詳細な説明は省略する。

上記シリンダブロック３やシリンダヘッド４の内部には、冷却水が流通する図外のウォータジャケットが設けられており、このウォータジャケット内の冷却水の温度を検出するためのエンジン水温センサＳＷ１が、上記シリンダブロック３に設けられている。

また、上記シリンダブロック３には、クランク軸７の回転速度をエンジンの回転速度として検出するエンジン回転速度センサＳＷ２が設けられている。

上記シリンダヘッド４には、点火プラグ２０、インジェクタ２１、およびグロープラグ２２が、各気筒２につき１組ずつ設けられている。

上記点火プラグ２０は、排気側（図１の左側）の側方から筒内（気筒２の内部）を臨むように設けられている。点火プラグ２０の先端は、筒内に突出する電極部とされ、図外の点火回路からの給電に応じて電極部から筒内に向けて火花が放電されるようになっている。

上記インジェクタ２１は、筒内をその上方から臨むように設けられており、図外の燃料供給管から供給される燃料（ガソリンを含む燃料）を筒内に向けて噴射する噴射口を先端に有している。そして、このインジェクタ２１の噴射口から噴射された燃料と筒内の空気とが混合されることで、燃料と空気からなる混合気が筒内に形成されるようになっている。

上記グロープラグ２２は、本発明にかかる加熱手段に相当するもので、吸気側（図１の右側）の側方から筒内を臨むように設けられている。グロープラグ２２の先端は、筒内に突出する発熱部とされ、この発熱部が必要に応じ通電されることにより、筒内が加熱されるようになっている。

また、上記グロープラグ２２には、その発熱部の温度を検出するためのグロー温度センサＳＷ３（図２参照）が設けられている。

以上のように構成されたエンジン本体１は、その幾何学的圧縮比が１６以上２２以下に設定されている。すなわち、一般的なガソリンエンジンの幾何学的圧縮比が約９〜１１程度であるのに対し、当実施形態のエンジン本体１では、その幾何学的圧縮比が、１６以上２２以下というかなり高い値に設定されている。

上記エンジン本体１の吸気ポート９および排気ポート１０には、吸気通路２３および排気通路２４がそれぞれ接続されている。すなわち、外部からの吸入空気（新気）が上記吸気通路２３を通じて筒内に供給されるとともに、筒内で生成された既燃ガス（排気ガス）が上記排気通路２４を通じて外部に排出されるようになっている。

上記吸気通路２３には、その内部を流通して筒内に導入される新気の量を調節するためのスロットル弁２５が設けられている。このスロットル弁２５は、電子制御式のスロットル弁からなり、車両（図１のエンジンが搭載された車両）に備わる図外のアクセルペダルの開度に応じて電気的に開閉駆動される。すなわち、アクセルペダルにはアクセル開度センサＳＷ４（図２）が設けられており、このアクセル開度センサ３３により検出されたアクセルペダルの開度（アクセル開度）に基づいて、図外の電気式のアクチュエータがスロットル弁２５を開閉駆動する。

上記排気通路２４には、排気ガス浄化用の触媒コンバータ２６が設けられている。触媒コンバータ２６には例えば三元触媒が内蔵されており、排気通路２４を通過する排気ガス中の有害成分が上記三元触媒の作用により浄化されるようになっている。

（２）制御系
図２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ＥＣＵ３０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。

上記ＥＣＵ３０には、各種センサからの種々の情報が入力される。例えば、ＥＣＵ３０は、上記エンジン水温センサＳＷ１、エンジン回転速度センサＳＷ２、グロー温度センサＳＷ３、およびアクセル開度センサＳＷ４と電気的に接続されており、これら各センサＳＷ１〜ＳＷ４による検出情報として、エンジンの冷却水温Ｔｗ、エンジンの回転速度Ｎｅ、グロープラグ２２の発熱部の温度（発熱温度）Ｔｇ、アクセル開度Ａｃといった種々の情報が、それぞれＥＣＵ３０に入力されるようになっている。

また、上記ＥＣＵ３０は、上記ＶＶＴ１５，１６、点火プラグ２０、インジェクタ２１、グロープラグ２２、およびスロットル弁２５とも電気的に接続されており、これらの装置にそれぞれ駆動用の制御信号を出力するように構成されている。

上記ＥＣＵ３０が有するより具体的な機能について説明すると、上記ＥＣＵ３０は、その主な機能的要素として、判定手段３１、燃料制御手段３２、点火制御手段３２、グロー制御手段３４、およびバルブ制御手段３５を有している。

上記判定手段３１は、エンジン回転速度センサ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速度Ｎｅおよび負荷Ｔ（目標トルク）に基づいて、エンジンの運転状態が、図３に示す制御マップにおけるいずれの運転領域に該当するかを判定するものである。

具体的に、図３の制御マップでは、エンジン回転速度Ｎｅおよび負荷Ｔが比較的低い領域（低回転・低負荷域）に、第１自着火領域Ａ１が設定されている。また、この第１自着火領域Ａ１よりも高負荷側の領域には第２自着火領域が設定されており、第１自着火領域Ａ１よりも高回転側の領域には第３自着火領域Ａ３が設定されている。さらに、これら第１〜第３自着火領域Ａ１〜Ａ３よりも外側であって、エンジンの全負荷領域（図中の最上辺部）および高回転かつ高負荷領域（右上の角部領域）を含む領域には、ハッチングで示すＳＩ領域Ｂが設定されている。

エンジンの運転中においては、上記図３の制御マップにおけるどの運転領域（Ａ１〜Ａ３，Ｂ）であるかに応じて、それぞれ適切な燃焼形態が選択されるようになっている。なお、各運転領域でそれぞれどのような燃焼形態が選択されるかについては後述する。

上記燃料制御手段３２は、上記インジェクタ２１から筒内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、この燃料制御手段３２は、アクセル開度センサＳＷ４の検出値（アクセル開度Ａｃ）から演算される負荷Ｔ（目標トルク）や、エンジン回転速度センサＳＷ２から特定されるエンジン回転速度Ｎｅ等の情報に基づいて、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の開弁時期および開弁期間を制御する。

上記点火制御手段３３は、エンジンの運転状態に応じ予め定められた所定のタイミングで点火プラグ２０の点火回路に給電信号を出力することにより、上記点火プラグ２０が火花放電を行うタイミング（点火時期）等を制御するものである。ただし、当実施形態において、少なくとも図３に示した第１〜第３自着火領域Ａ１〜Ａ３では、火花点火によらず混合気を自着火させる燃焼形態（圧縮自己着火燃焼）が実行されるため、上記領域Ａ１〜Ａ３での運転時には、基本的に点火プラグ２０からの火花点火は停止される。

上記グロー制御手段３４は、グロープラグ２２に電流を供給してその発熱部を昇温させるとともに、上記グロー温度センサＳＷ３の検出値に基づいて、グロープラグの発熱温度Ｔｇ（発熱部の温度）が所望の温度になるように制御するものである。

上記バルブ制御手段３５は、上記ＶＶＴ１５，１６を駆動して吸排気弁１１，１２の動作タイミングを変更する制御を行うものである。特に、図３中の負荷Ｔが比較的低い領域（第１自着火領域Ａ１や、第３自着火領域Ａ３の低負荷側）において、バルブ制御手段３５は、上記のような吸排気弁１１，１２の動作タイミングの制御に基づき、筒内に残留する既燃ガス（内部ＥＧＲガス）の量を増減させて筒内温度の上昇幅を調節する機能を有している。

（３）各運転領域での燃焼形態
次に、以上のような機能を有するＥＣＵ３０の制御に基づき、図３に示した各運転領域（Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｂ）で、それぞれどのような燃焼形態が選択されるのかを説明する。

エンジンの運転が開始されると、上記エンジン回転速度センサＳＷ２およびアクセル開度センサＳＷ４の各検出値に基づいて、エンジンの運転状態（回転速度Ｎｅ、負荷Ｔ）が図３の制御マップにおけるいずれの運転領域に該当するかが逐次判定される。そして、判定された運転領域が、図３中の第１自着火領域Ａ１、第２自着火領域Ａ２、第３自着火領域Ａ３、およびＳＩ領域Ｂの中のいずれであるかに応じて、それぞれ以下のような燃焼形態が選択される。

（ｉ）第１自着火領域Ａ１
エンジンが第１自着火領域Ａ１で運転されている場合は、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、いわゆる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自着火領域Ａ１では、圧縮上死点（圧縮行程と膨張行程との間の上死点）よりもかなり手前の段階で（例えば吸気行程中に）インジェクタ２１から筒内に燃料を噴射し、この噴射された燃料と、吸気通路２３から筒内に導入される空気（新気）とが混合して形成された混合気を、ピストン５の圧縮作用で充分に高温、高圧化することにより、混合気を自着火させる。

図４は、上記第１自着火領域Ａ１における燃料噴射の時期θｉ（°ＣＡ）と、その燃料噴射に基づく燃焼により生じる熱発生率ＲＨ（Ｊ／ｄｅｇ）とを示している。図４の例では、吸気行程の前半、より具体的には、排気上死点（排気行程と吸気行程との間の上死点）から４０°ＣＡ程度経過した時点で、燃料噴射を開始している。このように吸気行程中に噴射された燃料は、圧縮上死点に至るまでに充分に空気と混合され、それによって形成された均一な混合気が圧縮されて高温化し、圧縮上死点付近で自着火する（予混合圧縮自己着火燃焼）。この燃焼により生じる熱発生率の波形Ｊ１は、例えば、圧縮上死点の手前から上昇し始め、圧縮上死点を少し過ぎた時点でピークを迎えるような形状となる。

ここで、第１自着火領域Ａ１の中でも特に低負荷寄りの領域では、燃料の噴射量がかなり少ないため、当実施形態のエンジンの圧縮比が比較的高い値（１６以上２２以下）に設定されているとはいっても、ピストン５による圧縮作用だけでは混合気を確実に自着火させることができないと考えられる。そこで、第１自着火領域Ａ１における特に低負荷寄りの領域では、上記ＶＶＴ１５，１６による吸排気弁１１，１２の動作タイミングの設定により、排気行程の途中から吸気行程にかけて吸気弁１１および排気弁１２の双方が閉じられる期間（いわゆるネガティブオーバーラップ期間）が設けられる。このようなネガティブオーバーラップ期間が設けられると、筒内で生成された高温の既燃ガスの一部が筒内に残留するため（内部ＥＧＲ）、この残留した既燃ガスの存在によって筒内温度が上昇し、混合気の自着火が促進される。また、既燃ガスを筒内に残留させることにより、スロットル弁２５を大幅に絞らなくても新気の量が調節されるため、ポンピングロスが低減される。

ただし、エンジンが冷間始動された直後のような、エンジンの冷却水温Ｔｗが充分に上昇していない状況では、上記のような内部ＥＧＲ（既燃ガスの残留操作）を行っても、混合気を確実に自着火させることができない場合がある。そこで、このような場合には、グロープラグ２２を作動させる（つまりグロープラグ２２に通電してその発熱部の温度Ｔｇを上昇させる）操作が行われることにより、筒内のさらなる高温化が図られる。なお、図３では、このようにエンジンの冷間時（ウォーミングアップ時）にグロープラグ２２で加熱しながら混合気を自着火させるケースを、破線で囲まれたウォームアップ領域Ａ１’として示している。

以上のように、上記第１自着火領域Ａ１（ウォームアップ領域Ａ１’）では、必要に応じ内部ＥＧＲやグロープラグ２２による加熱を行いながら混合気を自着火させるという燃焼形態が選択される。

（ii）第２自着火領域Ａ２
エンジンが第２自着火領域Ａ２で運転されている場合も、上記第１自着火領域Ａ１のときと同様、混合気を自着火させる燃焼形態が選択される。ただし、第１自着火領域Ａ１のときと異なり、インジェクタ２１からの燃料噴射時期θｉが大幅に遅延されて、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間の所定時期に設定されるとともに、グロープラグ２２を作動させて筒内温度を上昇させる操作が実行される（図５参照）。なお、圧縮行程後半とは、圧縮上死点（圧縮行程と膨張行程との間の上死点）からその手前９０°ＣＡ（クランク角）までの範囲をいい、膨張行程前半とは、圧縮上死点からその経過後９０°ＣＡまでの範囲をいう。

上記のような燃焼形態でエンジンを運転するのは、第２自着火領域Ａ２では、第１自着火領域Ａ１よりも負荷が高く、噴射される燃料の量が多いことから、プリイグニッションやノッキングが起き易いためである。

すなわち、第２自着火領域Ａ２では、燃料噴射量が多いため、発生する熱エネルギーが大きく、筒内が高温化し易い。このため、比較的負荷が低く燃料噴射量の少ない第１自着火領域Ａ１と同じタイミング（例えば吸気行程中）で燃料を噴射すると、筒内の高温化に起因して、図６（ａ）の波形Ｊ２’に示すように、圧縮行程中の比較的早いタイミングで混合気が自着火してしまい、圧縮上死点よりもかなり前に熱発生率ＲＨがピークを迎えるような異常燃焼（プリイグニッション）が起きるおそれがある。

このとき、筒内への燃料噴射時期θｉを遅らせて、例えば圧縮行程の後半以降に燃料を噴射すれば、燃料が高温に晒される時間が短くなるため、その分だけ自着火のタイミングが遅くなり、上記のようなプリイグニッションを回避できると考えられる。しかしながら、燃料噴射の遅延に伴って自着火のタイミングが遅くなることで、今度は、図６（ｂ）の波形Ｊ２’’に示すように、自着火をきっかけに一気に大きな熱エネルギーが発生するような異常燃焼（ノッキング）が発生するおそれがある。

上述したプリイグニッションやノッキングが発生すると、エンジンの効率が悪化するばかりでなく、大きな騒音や振動が発生し、ひいてはピストン等の損傷につながる。そこで、プリイグニッションおよびノッキングをともに回避し、適正な圧縮自己着火燃焼を行わせるべく、上記第２自着火領域Ａ２では、図５に示すように、燃料噴射時期θｉを圧縮行程後半から膨張行程前半までの間の所定時期（図５では圧縮行程後半）に設定しながら、グロープラグ２２を作動させて筒内温度を強制的に上昇させるようにしている。このように、グロープラグ２２による加熱を行うことで、燃料噴射時期θｉが遅くても、その噴射から大きく遅れることなく自着火が開始されるため、図５の波形Ｊ２に示すように、圧縮上死点から少し遅れて熱発生率ＲＨがピークを迎えるような適正な圧縮自己着火燃焼が起きるようになる。なお、図５では、圧縮行程後半にインジェクタ２１から燃料を噴射した例を示したが、例えば負荷Ｔがエンジンの全負荷の近傍（ＳＩ領域Ｂの近く）まで高まったようなときには、さらに燃料噴射時期θｉが遅らされて、膨張行程前半に燃料噴射が行われる場合もある。

ここで、上記グロープラグ２２による加熱温度（発熱部の温度）Ｔｇは、エンジンの運転状態が第２自着火領域Ａ２に移行した後、一旦かなりの高温（例えば１０００℃以上）に設定されるが、その後さらに第２自着火領域Ａ２での運転が継続されれば、加熱温度Ｔｇは相対的に低く設定される。つまり、エンジンの運転状態が第２自着火領域Ａ２に移行すると、グロープラグ２２への通電量が直ちに上限値（１００％）に設定され、グロープラグ２２の発熱部の温度Ｔｇが急速に上昇するが、温度Ｔｇが所定値以上に上昇した後、なおも上記第２自着火領域Ａ２での運転が継続された場合は、グロープラグ２２による加熱にそれほど頼らなくても筒内が充分に高温化するため、グロープラグ２２への通電量が低減される（アフターグロー）。

（iii）第３自着火領域Ａ３
エンジンが第３自着火領域Ａ３で運転されている場合も、上記第２自着火領域Ａ２のときと同様、グロープラグ２２を用いて混合気を自着火させる燃焼形態が選択される。ただし、この第３自着火領域Ａ３では、エンジンの回転速度Ｎｅが比較的高いため、燃料の受熱期間（燃料が圧縮上死点付近の高温環境下に晒される時間）が短く、混合気の自着火が起き難い。このため、第３自着火領域Ａ３でのグロープラグ２２の使用は、第２自着火領域Ａ２のときのようにプリイグニッションやノッキングを防止するという目的ではなく、混合気の自着火をアシストする目的で使用される。この場合、燃料の受熱期間が短く混合気が自着火し難いという事情から、インジェクタ２１からの燃料の噴射時期θｉは、上記第２自着火領域Ａ２のときよりも若干進角側にずらされる。

また、第３自着火領域Ａ３において、その中の特に低負荷域では、内部ＥＧＲ（筒内に高温の既燃ガスを残留させる操作）を行うことにより、筒内をさらに高温化させ、混合気を確実に自着火させるようにする。

（iv）ＳＩ領域Ｂ
エンジンがＳＩ領域Ｂで運転されている場合には、上述した各自着火領域Ａ１，Ａ２，Ａ３のときと異なり、点火プラグ２０による火花点火をきっかけに混合気を強制的に着火させる燃焼形態が選択される。

すなわち、エンジンの負荷Ｔが略全負荷まで高まっているか、もしくは、エンジンの回転速度Ｎｅおよび負荷Ｔの両方ともが高い状態にあるＳＩ領域Ｂでは、プリイグニッションやノッキングを起すことなく確実に混合気を自着火させることが困難であるため、火花点火によりコントロールされた燃焼を行う。このとき、プリイグニッションやノッキングを回避するために、インジェクタ２１からの燃料の噴射時期θｉは、例えば膨張行程の前半まで大幅に遅らされる。そして、このように大幅に遅い時期に噴射される燃料を強制着火させるため、図７に示すように、点火プラグ２０による火花点火を行うだけでなく、さらにグロープラグ２２による加熱を行う。これにより、点火プラグ２０の電極部およびグロープラグ２２の発熱部の２箇所が火種となるため、確実に混合気が着火するとともに、火炎の伝播速度が向上して、通常の火花点火による燃焼よりも燃焼期間を短縮することができる（図中の波形Ｊ３）。

（４）動作例
次に、実際のエンジンの運転例を想定して、インジェクタ２１からの燃料の噴射時期およびグロープラグ２２の通電量が運転状態の変化とともにどのように制御されるかを、図８に基づき説明する。

図８の各グラフは、上から順に、アクセル開度Ａｃ、エンジン回転速度Ｎｅ、エンジン負荷Ｔ、エンジン水温（エンジンの冷却水温）Ｔｗ、インジェクタ２１からの燃料噴射時期θｉ、およびグロー通電量（グロープラグ２２への通電量）Ｉｇの時間変化を示している。本図に示す運転例では、まず、時点ｔ０でエンジンが始動され、その後しばらくの間アイドリング運転が継続されていることにより、時点ｔ１でエンジンの冷却水温Ｔｗが充分に暖まり、暖機が完了している。暖機完了後は、時点ｔ２までアイドリング運転が継続され、その時点ｔ２で、アクセルペダルが踏み込まれて加速が開始されている。そして、時点ｔ４まで加速が継続されると、アクセルペダルの踏み込みが緩められて定常運転に復帰し、時点ｔ６まではその状態が継続している。最後に、時点ｔ６でほぼアクセル全開での急加速が行われ、時点ｔ８でその急加速が終了している。

以上のような運転モードの場合、エンジンの始動時点ｔ０から暖機完了時点ｔ１までの期間が、図３のウォームアップ領域Ａ１’に対応し、暖機完了時点ｔ１から加速開始時点ｔ２までの期間が、図３の第１自着火領域Ａ１に対応することとなる。

また、時点ｔ２で加速が開始されると、これに伴いエンジン負荷Ｔが増大するとともに、エンジン回転速度Ｎｅが上昇するため、エンジンの運転状態は、例えば図３中の矢印Ｘ１に示すように、第１自着火領域Ａ１から第２自着火領域Ａ２へと移行する。その後、時点ｔ４で加速が終了すると、この時点ｔ４以降は、図３中の矢印Ｘ２に示すように、再び第１自着火領域Ａ１へと復帰することになる。つまり、加速中である時点ｔ２〜ｔ４の期間が、第２自着火領域Ａ２に対応し、加速終了後の時点ｔ４〜ｔ６の期間が、第１自着火領域Ａ１に対応している。

最後に、時点ｔ６でほぼアクセル全開による急加速が開始されると、エンジンの運転状態は、全負荷付近を含む図３のＳＩ領域Ｂに移行し、時点ｔ８までその状態が継続する。つまり、急加速中である時点ｔ６〜ｔ８の期間は、ＳＩ領域Ｂに対応している。

以上のような運転モードでエンジンが運転された場合、燃料噴射時期θｉおよびグロー通電量Ｉｇは、それぞれ以下のように制御されることになる。

エンジン始動直後である時点ｔ０〜ｔ１では、インジェクタ２１からの燃料の噴射時期が吸気行程中に設定されるとともに、グロープラグ２２への通電が行われる。すなわち、上記時点ｔ０〜ｔ１の期間は、燃料噴射量が少なく筒内温度が低い（つまり着火性の悪い）環境下で予混合圧縮自己着火燃焼を行うウォームアップ領域Ａ１’に対応するため、ここでは、圧縮上死点の充分手前から燃料を噴射するとともに、グロープラグ２２により筒内温度を強制的に上昇させることにより、混合気を自着火させる制御が実行される。

次いで、暖機完了後の時点ｔ１〜ｔ２では、燃料噴射時期が吸気行程中に維持される一方、グロープラグ２２への通電が停止される。すなわち、上記時点ｔ１〜ｔ２の期間は、エンジン水温Ｔｗが充分に暖まった状態でアイドリング運転が行われている期間であり、図３の第１自着火領域Ａ１に対応するため、上記ウォームアップ領域Ａ１’（期間ｔ０〜ｔ１）のときのようにグロープラグ２２による加熱を行わなくても、予混合圧縮自己着火燃焼が可能である。このため、上記領域Ａ１に対応する期間ｔ１〜ｔ２では、インジェクタ２１からの燃料噴射時期θｉを吸気行程中に設定するとともに、グロープラグ２２への通電をキャンセルする（通電量Ｉｇをゼロにする）制御が実行される。

次いで、加速中の期間である時点ｔ２〜ｔ４では、インジェクタ２１からの燃料の噴射時期θｉが大幅に遅らされるともに、グロープラグ２２への通電が行われる。すなわち、上記時点ｔ２〜ｔ４の期間（加速中の期間）は、負荷Ｔが比較的高い図３の第２自着火領域Ａ２に対応するため、ここでは、燃料噴射量が多く筒内温度が高い環境下においてもプリイグニッションやノッキングを起こさないようにするべく、インジェクタ２１からの燃料の噴射時期θｉを大幅に（例えば図示のように圧縮行程後半まで）遅らせるともに、グロープラグ２２に通電してその発熱部の温度を上昇させることにより、混合気を自着火させる制御が実行される。

このとき、グロープラグ２２の通電量Ｉｇは、加速が開始されてから所定期間は上限値（１００％）に設定されるが、その後は、筒内が必要以上に高温化しないように、上限値よりも低い値に低減される（アフターグロー）。

次いで、加速が終了した後の定常運転期間である時点ｔ４〜ｔ６では、上記時点ｔ１〜ｔ２のときと同様、第１自着火領域Ａ１に対応する制御として、インジェクタ２１からの燃料噴射時期θｉを吸気行程中に設定するとともに、グロープラグ２２への通電をキャンセルする（通電量Ｉｇをゼロにする）制御が実行される。ただし、燃料噴射時期θｉを吸気行程中に戻す制御は、加速終了時点ｔ４で直ちに実行されるのではなく、しばらく時間が過ぎた時点ｔ５まで待ってから実行される。これは、グロープラグ２２の発熱部は、通電を終了した後でもしばらくの間は高温に維持されることから、その高温の期間が過ぎてグロープラグ２２の温度が充分に低下するまでの間は、燃料噴射時期θｉを吸気行程中に戻さない方がよいためである。

最後に、ほぼアクセル全開による急加速が行われる期間である時点ｔ６〜ｔ８では、インジェクタ２１からの燃料の噴射時期θｉが、上記加速中の期間ｔ２〜ｔ４のときよりもさらに遅い膨張行程前半まで遅らされるとともに、グロープラグ２２を発熱させるための通電が行われる。また、図８には示さないが、点火プラグ２０による火花点火も行われる。すなわち、上記時点ｔ６〜ｔ８の期間（急加速中の期間）は、エンジンの全負荷付近を含む図３のＳＩ領域Ｂに対応するため、ここでは、燃料噴射量や筒内温度が最も高い環境下においても確実に異常燃焼を防止すべく、インジェクタ２１からの燃料の噴射時期θｉを圧縮上死点よりも後の膨張行程前半まで遅らせるとともに、点火プラグ２０による火花点火とグロープラグ２２による加熱とを合わせて行うことにより、混合気を強制的に着火させる制御が実行される。

なお、このときのグロープラグ２２の通電量Ｉｇは、急加速が開始されてから所定期間は上限値（１００％）に設定されるが、その後は、筒内が必要以上に高温化しないように、上限値よりも低い値に低減される（アフターグロー）。

（５）作用効果等
以上説明したように、当実施形態のエンジンは、少なくとも部分的にガソリンを含有する燃料を筒内に噴射するインジェクタ２１と、筒内温度を強制的に上昇させるグロープラグ２２（加熱手段）と、上記インジェクタ２１およびグロープラグ２２を制御するＥＣＵ３０（制御手段）とを備える。そして、このエンジンでは、上記ＥＣＵ３０の制御の下、エンジンの低回転かつ低負荷域に設定された第１自着火領域Ａ１（図３）で、上記インジェクタ２１から噴射された燃料と空気とが混合された混合気を圧縮、高温化して自着火させる予混合圧縮自己着火燃焼が行われる。一方、上記第１自着火領域Ａ１での運転から加速が開始され、図３の矢印Ｘ１に示すように、上記第１自着火領域Ａ１よりも負荷Ｔが高くかつ上記燃料の噴射量が増大される第２自着火領域Ａ２に移行すると、上記インジェクタ２１による燃料噴射時期θｉを圧縮行程後半から膨張行程前半までの間の所定時期に設定し、かつ上記グロープラグ２２を作動させることにより、混合気を自着火させる制御が実行される。このような構成によれば、燃料の噴射量が増大される加速時においても、適正なタイミングで混合気を自着火させることができる。

すなわち、上記実施形態では、燃料噴射量が増大される加速時（例えば図８の期間ｔ２〜ｔ４）に、グロープラグ２２を作動させて筒内温度（特に圧縮上死点付近の温度）を充分に上昇させつつ、圧縮行程後半から膨張行程前半までというかなり遅めのタイミングでインジェクタ２１から燃料を噴射することにより、圧縮上死点の比較的近くで混合気を自着火させることができ、例えば熱発生率のピークが圧縮上死点から少し遅れて生じるような適正な圧縮自己着火燃焼を確実に行わせることができる。これにより、圧縮上死点よりもかなり前に熱発生率がピークを迎えるような異常燃焼（プリイグニッション）や、圧縮上死点よりも大幅に遅れて自着火が起き、その自着火をきっかけに一気に大きな熱エネルギーが発生するような異常燃焼（ノッキング）を効果的に防止できるとともに、加速時に必要な高出力を適正な燃焼に基づき効率よく確保できるという利点がある。

また、上記実施形態では、図３の矢印Ｘ２に示すように、グロープラグ２２が作動する上記第２自着火領域Ａ２での運転から、負荷の低い第１自着火領域Ａ１での運転に復帰した後でも、上記グロープラグ２２の温度Ｔｇが所定量以上低下するまでの間は、上記インジェクタ２１による燃料の噴射時期θｉが上記所定時期（圧縮行程後半から膨張行程前半までの間）に維持されるようになっている（例えば図８の期間ｔ４〜ｔ５参照）。これにより、グロープラグ２２の作動が停止された後、グロープラグ２２の温度Ｔｇが充分に低下するまでの間に、燃料噴射時期θｉが第１自着火領域Ａ１での本来の噴射時期（例えば吸気行程中）まで不用意に早められることがなく、グロープラグ２２の残熱に起因した異常燃焼を効果的に防止することができる。

すなわち、グロープラグ２２の発熱部は、通電を終了した後でもしばらくの間は高温に維持されるため、この期間中に燃料噴射時期θｉを例えば吸気行程中まで早めてしまうと、上記グロープラグ２２の残熱により、混合気の自着火のタイミングが早くなり過ぎ、プリイグニッションが起きるおそれがある。これに対し、上記実施形態のように、グロープラグ２２の温度Ｔｇが充分に低下するまで燃料噴射時期θｉを早めないようにすれば、上記プリイグニッションのような異常燃焼を回避して、第１自着火領域Ａ１に復帰した直後においても適正な燃焼を行わせることができる。

また、上記実施形態では、グロープラグ２２の温度Ｔｇが所定値以上に上昇した後、依然としてエンジンが上記第２自着火領域Ａ２で運転されている場合には、上記グロープラグ２２への通電量を低下させつつ通電を継続するようにした（例えば図８の期間ｔ３〜ｔ４参照）。これにより、筒内温度が必要以上に上昇するのを防止できるとともに、グロープラグ２２の信頼性を適正に確保することができる。

なお、上記実施形態では、第１自着火領域Ａ１での運転から加速が開始され、負荷Ｔの高い第２自着火領域Ａ２に移行した場合に、この第２自着火領域Ａ２での運転が続いている間は、グロープラグ２２への通電を継続するようにしたが（例えば図８の時点ｔ２〜ｔ４）、第２自着火領域Ａ２での運転中に筒内温度が充分に高まり、グロープラグ２２による加熱が必要ないと判断された時点で、グロープラグ２２への通電を完全に停止してもよい。つまり、第２自着火領域Ａ２での運転中（加速中）は、異常燃焼が起きない範囲で、少なくとも所定期間の間グロープラグ２２への通電を継続すればよい。

また、上記実施形態では、比較的負荷の低い領域（第１自着火領域Ａ１や、第３自着火領域Ａ３の低負荷側）での着火性を確保するために、吸気弁１１および排気弁１２の双方が閉じられるネガティブオーバーラップ期間を排気行程から吸気行程にかけて設けることにより、高温の既燃ガスの一部を筒内に残留させる内部ＥＧＲを行うようにしたが、例えば排気弁１２を排気行程だけでなく吸気行程でも開弁させて、既燃ガスを吸気ポートから筒内に逆流させることにより、内部ＥＧＲを実現させてもよい。

また、上記のような内部ＥＧＲによる筒内の高温化により、比較的負荷の低い領域での着火性を確保する態様に代えて、点火プラグ２０を補助的に点火することで混合気を自着火させる、いわゆる着火アシストを行ってもよい。

また、上記実施形態では、エンジンの筒内温度を強制的に上昇させる加熱手段としてグロープラグ２２を用いたが、短時間で昇温が可能なものであればこれに限られない。

また、上記実施形態の中では特に説明しなかったが、第１自着火領域Ａ１での運転から加速が開始され、負荷Ｔの高い第２自着火領域Ａ２に移行した直後は、グロープラグ２２が充分に昇温せず、上記実施形態で説明したような燃焼形態で運転することが困難な場合もある。すなわち、グロープラグ２２は、通電を開始することで急速に昇温するものの、充分に高い温度になるまでにはわずかながら時間がかかり（例えば５００ｍｓｅｃ）、その間は、単に燃料噴射時期θｉを遅らせただけでは混合気が確実に自着火しないおそれがある。そこで、グロープラグ２２の温度Ｔｇが所定値以上に上昇するまでの間は、着火性を確保するための過渡的な処置として、以下に示す制御のいずれかを実施することが考えられる。

（ｉ）分割噴射による自着火
１つ目の対策として、グロープラグ２２の温度Ｔｇが所定値以上に上昇するまでの間、圧縮行程後半および膨張行程前半の少なくとも２回（θ１，θ２）に分けてインジェクタ２１から燃料を噴射させることが考えられる（例えば図９参照）。このようにすれば、負荷の高まりに応じた多量の燃料を１回で噴射した場合と異なり、燃料の気化潜熱による筒内温度の低下を抑制できるため、グロープラグ２２による加熱が充分でない状態でも混合気を確実に自着火させることができる（Ｊ４）。

（ii）火花点火による燃焼
２つ目の対策として、上記ＳＩ領域Ｂのときと同様、インジェクタ２１による燃料噴射時期θｉを膨張行程前半に設定するとともに、上記点火プラグ２０による火花放電に基づき混合気を強制的に着火させるようにしてもよい。つまり、グロープラグ２２が充分に昇温するまでのわずかな時間に限り、火花点火による強制燃焼に切り替えるようにする。このようにすれば、点火プラグ２０から放電される火花を利用して、プリイグニッションやノッキング等を伴わない適正な燃焼を行わせることができ、グロープラグ２２の温度Ｔｇが充分に高まるまで着火性を適正に確保することができる。

２０ 点火プラグ
２１ インジェクタ
２２ グロープラグ（加熱手段）
３０ ＥＣＵ（制御手段）
Ａ１ 第１自着火領域
Ａ２ 第２自着火領域

Claims (5)

1. 少なくとも部分的にガソリンを含有する燃料により駆動され、エンジンの少なくとも低負荷域に設定された第１自着火領域で、上記燃料と空気とが混合された混合気を圧縮、高温化して自着火させる予混合圧縮自己着火エンジンであって、
   上記エンジンの筒内温度を強制的に上昇させる加熱手段と、
   上記燃料を筒内に噴射するインジェクタと、
   上記加熱手段およびインジェクタを制御する制御手段とを備え、
   上記制御手段は、上記第１自着火領域での運転から加速が開始され、上記第１自着火領域よりも負荷が高くかつ上記燃料の噴射量が増大される第２自着火領域に移行すると、少なくとも加速中の所定期間の間、上記インジェクタによる燃料噴射時期を圧縮行程後半から膨張行程前半までの間の所定時期に設定し、かつ上記加熱手段を作動させることにより、混合気を自着火させることを特徴とする予混合圧縮自己着火エンジン。
2. 請求項１記載の予混合圧縮自己着火エンジンにおいて、
   上記制御手段は、上記第２自着火領域での運転から、負荷の低い上記第１自着火領域での運転に復帰した後でも、上記加熱手段の温度が所定量以上低下するまでの間は、上記インジェクタによる燃料の噴射時期を上記圧縮行程後半から膨張行程前半までの間の所定時期に維持することを特徴とする予混合圧縮自己着火エンジン。
3. 請求項１または２記載の予混合圧縮自己着火エンジンにおいて、
   上記制御手段は、上記加熱手段の作動開始後、加熱手段の温度が所定値以上に上昇するまでの間は、圧縮行程後半および膨張行程前半の少なくとも２回に分けて上記インジェクタから燃料を噴射させることにより、混合気を自着火させることを特徴とする予混合圧縮自己着火エンジン。
4. 請求項１または２記載の予混合圧縮自己着火エンジンにおいて、
   筒内に火花を放電する点火プラグを備え、
   上記制御手段は、上記加熱手段の作動開始後、加熱手段の温度が所定値以上に上昇するまでの間は、上記インジェクタによる燃料噴射時期を膨張行程前半に設定するとともに、上記点火プラグによる火花放電に基づき混合気を強制的に着火させることを特徴とする予混合圧縮自己着火エンジン。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の予混合圧縮自己着火エンジンにおいて、
   上記加熱手段が、通電により発熱する発熱部を筒内に有したグロープラグであり、
   上記制御手段は、上記グロープラグの温度が所定値以上に上昇した後、依然としてエンジンが上記第２自着火領域で運転されている場合には、上記グロープラグへの通電量を低下させつつ通電を継続することを特徴とする予混合圧縮自己着火エンジン。

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