JP5561226B2 - Control device for spark ignition gasoline engine - Google Patents

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Description

本発明は、燃焼室の中心部に燃料を噴射する筒内燃料噴射手段を備えた火花点火式ガソリンエンジンの制御装置に関するものである。   The present invention relates to a control device for a spark ignition gasoline engine provided with in-cylinder fuel injection means for injecting fuel into the center of a combustion chamber.

火花点火式ガソリンエンジンの理論熱効率を向上させる上では、その幾何学的圧縮比を高めることが有効である。例えば特許文献1には、幾何学的圧縮比を14以上に設定した高圧縮比の火花点火式直噴エンジンが記載されている。   In order to improve the theoretical thermal efficiency of a spark ignition gasoline engine, it is effective to increase its geometric compression ratio. For example, Patent Document 1 describes a spark-ignition direct injection engine having a high compression ratio with a geometric compression ratio set to 14 or higher.

また、例えば特許文献2に記載されているように、排気エミッションの向上と熱効率の向上とを両立させる技術として、リーンな混合気を自着火させて予混合圧縮自己着火燃焼させることが知られている。このような予混合圧縮自己着火燃焼を行うエンジンにおいて幾何学的圧縮比を高くすれば、圧縮端圧力および圧縮端温度をそれぞれ高めることができるため、混合気を効果的に圧縮自着火燃焼させることができる。   Further, as described in Patent Document 2, for example, as a technique for achieving both improvement in exhaust emission and improvement in thermal efficiency, it is known that a lean air-fuel mixture is self-ignited and premixed compression self-ignition combustion is performed. Yes. In such an engine that performs premixed compression self-ignition combustion, if the geometric compression ratio is increased, the compression end pressure and the compression end temperature can be increased. Can do.

さらに、下記特許文献3には、エンジン負荷または回転数の増加に伴ってリーンHCCI燃焼状態から火花点火燃焼状態へ切り換えることができるように構成し、該燃料状態の切換時に、ノッキングを回避するために排気ガスの一部を吸気系に還流するEGRを実施するとともに、空燃比をリッチ化し、このときにEGR率推定手段により推定される実際のEGR率に応じて、空燃比のリッチ化度合を補正するように構成された内燃機関の燃焼制御装置が開示されている。   Further, Patent Document 3 below is configured to be able to switch from the lean HCCI combustion state to the spark ignition combustion state as the engine load or the rotational speed increases, and to avoid knocking at the time of switching the fuel state. In addition, EGR is performed to recirculate a part of the exhaust gas to the intake system, and the air-fuel ratio is enriched. At this time, the degree of enrichment of the air-fuel ratio is set according to the actual EGR rate estimated by the EGR rate estimating means. A combustion control apparatus for an internal combustion engine configured to correct is disclosed.

特開2007−292050号公報JP 2007-292050 A 特開2007−154859号公報JP 2007-154859 A 特開2009−091994号公報JP 2009-091994 A

ところで、特許文献1に記載されているような高圧縮比の火花点火式ガソリンエンジンでは、熱効率を効果的に向上できるという有利を有する反面、エンジンの運転状態が、特に低速域でかつ中・高負荷域にあるときに、過早着火やノッキング(スパークノック)といった異常燃焼を生じ易いという問題がある。   Incidentally, the spark-ignition gasoline engine having a high compression ratio as described in Patent Document 1 has the advantage that the thermal efficiency can be effectively improved, while the engine operating state is particularly low in the middle range and high. When in the load range, there is a problem that abnormal combustion such as pre-ignition and knocking (spark knock) is likely to occur.

また、上記予混合圧縮自己着火燃焼を行うエンジンでは、低負荷側の運転領域において混合気を適正に自着火させることができるが、エンジンの負荷が高くなるに応じて圧力上昇の激しい過早着火し易い傾向がある。そのため、燃焼騒音の増大やノッキング等の異常燃焼の発生を招くとともに、燃焼温度が過度に高くなってRaw NOxが増大する可能性があった。そこで、上記特許文献2,3に開示されているように、部分負荷域で予混合圧縮自己着火燃焼を行うエンジンにおいて、上記部分負荷運転領域よりも高回転側で、通常の強制着火運転を行うことが知られているが、予混合圧縮自己着火燃焼の安定化を目指して幾何学的圧縮比を高く設定したエンジンでは、強制着火運転を行う高負荷側の運転領域において、特許文献1のエンジンと同様に異常燃焼を招くという問題があった。   In addition, in the engine that performs the premixed compression self-ignition combustion, the air-fuel mixture can be appropriately self-ignited in the operation region on the low load side, but the pre-ignition with a severe pressure increase as the engine load increases. It tends to be easy to do. For this reason, an increase in combustion noise and occurrence of abnormal combustion such as knocking may be caused, and the combustion temperature may be excessively increased to increase Raw NOx. Therefore, as disclosed in Patent Documents 2 and 3, in an engine that performs premixed compression self-ignition combustion in a partial load region, normal forced ignition operation is performed on the higher rotation side than the partial load operation region. However, in an engine in which the geometric compression ratio is set to be high in order to stabilize premixed compression self-ignition combustion, the engine disclosed in Patent Document 1 is used in a high load side operation region where forced ignition operation is performed. There was a problem of causing abnormal combustion as well.

すなわち、上記エンジンの低負荷領域で予混合圧縮自己着火燃焼を行う場合には、吸気行程から圧縮行程中の比較的早い時期に燃料を噴射することにより、均質でリーンな混合気を形成するとともに、この混合気をピストンの圧縮作用により高温、高圧化して、圧縮上死点付近で自着火させることができる。これに対して上記部分負荷運転領域よりも高回転側で通常の強制着火運転を行うは場合には、点火前に混合気の反応度が着火しきい値を越えると、過早着火またはノッキング等の異常燃焼が生じることになる。   That is, when premixed compression self-ignition combustion is performed in the low load region of the engine, a homogeneous and lean mixture is formed by injecting fuel at a relatively early time from the intake stroke to the compression stroke. The air-fuel mixture can be heated to a high temperature and pressure by the compression action of the piston, and self-ignited near the compression top dead center. On the other hand, when normal forced ignition operation is performed on the higher rotation side than the partial load operation region, if the reactivity of the air-fuel mixture exceeds the ignition threshold before ignition, pre-ignition or knocking, etc. Abnormal combustion will occur.

したがって、エンジンが低負荷領域から高負荷領域に移行して強制着火運転を行う場合には、圧縮行程後期から膨張行程初期の比較的遅い時期に燃料を高圧で気筒内に噴射(高圧リタード噴射)することが望ましく、そのためには例えば30Mpa以上の高圧で気筒内に燃料を噴射する燃料噴射手段が必要となる。しかし、このような高圧の燃料噴射手段を用いてエンジンの低負荷領域で上記予混合圧縮自己着火燃焼を行うと、吸気行程で高圧の燃料が気筒内に噴射される結果、シリンダライナーに燃料が付着してオイルが希釈化されるとともに、噴射燃料と空気とを効率よく混合できなくなる等の不具合がある。これを防止するために、上記燃料噴射手段の燃料噴射圧力を調節する圧力調節手段を設け、エンジンの低負荷領域で上記予混合圧縮自己着火燃焼を行う際に気筒内に噴射される燃料圧力を低下させるように構成した場合には、燃料の粒径が増大してスモークが発生したり、混合気のミキシング不良に起因してエミッションが悪化したりする等の問題がある。   Therefore, when the engine shifts from the low load region to the high load region and performs the forced ignition operation, fuel is injected into the cylinder at a high pressure from the late stage of the compression stroke to the early stage of the expansion stroke (high pressure retarded injection). For this purpose, for example, a fuel injection means for injecting fuel into the cylinder at a high pressure of 30 Mpa or more is required. However, if the premixed compression self-ignition combustion is performed in the low load region of the engine using such a high-pressure fuel injection means, the high-pressure fuel is injected into the cylinder during the intake stroke. There are problems such as adhesion and dilution of the oil and inability to efficiently mix the injected fuel and air. In order to prevent this, pressure adjusting means for adjusting the fuel injection pressure of the fuel injection means is provided, and the fuel pressure injected into the cylinder when performing the premixed compression self-ignition combustion in the low load region of the engine is reduced. When it is configured to decrease, there is a problem that the particle size of the fuel increases and smoke is generated, or the emission deteriorates due to the mixing failure of the air-fuel mixture.

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、エンジンの低負荷域でオイルが希釈化され、あるいはエミッションが悪化する等の問題を生じることなく、適正に圧縮自己着火燃焼を行うことができるとともに、エンジンの高負荷域で異常燃焼の発生を効果的に防止することができる火花点火式ガソリンエンジンの制御装置を提供するものである。   The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and can appropriately perform compression self-ignition combustion without causing problems such as oil being diluted in a low load region of the engine or deterioration of emissions. The present invention provides a control device for a spark ignition type gasoline engine that can be performed and can effectively prevent occurrence of abnormal combustion in a high load region of the engine.

上記課題を解決するものとして、本願発明は、吸気ポートに燃料を噴射するポート燃料噴射手段と、燃焼室の中心部に燃料を噴射する筒内燃料噴射手段と、燃焼室から導出された排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置とを備えた火花点火式ガソリンエンジンであって、エンジン始動後の所定時間にわたり、排気ガスの温度を高くするために遅らせたタイミングで混合気に点火して燃焼させることにより上記排気浄化装置の活性化を促進させるAWSモードを実行し、その後AWSモードから定常モードに制御を切り替える制御手段を備え、上記制御手段は、上記定常モードでの制御として、エンジンの低負荷域では、上記ポート燃料噴射手段により吸気行程で吸気ポートに燃料を噴射して理論空燃比よりもリーンで均質な混合気を形成し、この混合気をピストンにより圧縮して自着火させる燃焼状態とし、エンジンの高負荷域では、上記筒内燃料噴射手段から30MPa以上の燃圧で圧縮行程から膨張行程初期までの間に燃料を燃焼室内に噴射して上記低負荷域よりもリッチな混合気を形成し、この混合気に圧縮上死点近傍で点火して圧縮上死点よりも所定期間遅れたタイミングで急速燃焼させる制か、あるいは圧縮行程中で燃焼室内に燃料を噴射して燃焼室の外周部に燃焼室の中心部よりもリッチな混合気を形成する前段噴射と、圧縮行程後期から膨張行程初期までの間の所定時期に燃焼室内に燃料を噴射して燃焼室の中心部に上記前段噴射の実行時よりもリッチな混合気を形成する後段噴射との少なくとも2回に分けて上記筒内燃料噴射手段から燃料を多段噴射するとともに、その噴射された燃料と空気との混合気を自着火させて圧縮自己着火燃焼させる制かのいずれかを実行することを特徴とするものである(請求項1)。
In order to solve the above problems, the present invention relates to a port fuel injection means for injecting fuel into an intake port, an in-cylinder fuel injection means for injecting fuel into the center of the combustion chamber, and an exhaust gas derived from the combustion chamber. A spark ignition gasoline engine equipped with an exhaust purification device for purifying harmful components therein, and igniting the mixture at a delayed timing to increase the temperature of the exhaust gas for a predetermined time after the engine is started A control unit that executes an AWS mode that promotes activation of the exhaust purification device by burning and then switches control from the AWS mode to the steady mode is provided, and the control unit controls the engine as a control in the steady mode . In the low load range, fuel is injected into the intake port during the intake stroke by the port fuel injection means to form a leaner and more homogeneous mixture than the stoichiometric air-fuel ratio. Then, this air-fuel mixture is compressed by a piston to become a self-ignited combustion state, and in the high load range of the engine, fuel is burned from the in-cylinder fuel injection means at a fuel pressure of 30 MPa or more from the compression stroke to the initial stage of the expansion stroke. is injected into the room to form a rich air-fuel mixture than the low load range, rapid combustion is allowed Ru control at a predetermined time delayed timing than the compression top dead center and ignited near compression top dead center in this mixture or, alternatively a pre-stage injection by injecting fuel into the combustion chamber in a compression stroke to form a mixture richer than the center portion of the combustion chamber on the outer peripheral portion of the combustion chamber, between the compression stroke late until the expansion stroke initial Fuel from the in-cylinder fuel injection means is divided into at least two times of the latter stage injection that injects the fuel into the combustion chamber at a predetermined time and forms a rich air-fuel mixture at the center of the combustion chamber than when the preceding stage injection is performed. Multi-stage injection Together it is characterized in that to perform the air-fuel mixture either Kano control system Ru is compressed self-ignition combustion by self-ignition of the injected fuel and air (claim 1).

本発明によれば、エンジンの低負荷域で予混合圧縮自己着火燃焼(以下、リーンHCCI燃焼ともいう)を行う際に、吸気行程でポート燃料噴射手段のポートインジェクタから吸気ポートに燃料を低圧で噴射するように構成したため、シリンダライナーに燃料が付着すること起因したオイルが希釈化される等の弊害を生じることなく、均質でリーンな混合気を燃焼室内に形成することができるとともに、この混合気をピストンの圧縮作用により高温、高圧化して、圧縮上死点付近で適正に自着火させることができる。しかも、エンジンの高負荷域では、筒内燃料噴射手段の直噴インジェクタにより燃焼室内に燃料を高圧で噴射することにより、燃料を効果的に気化および霧化させて適正にリタード燃焼させることができるため、高出力が得られるとともに、対ノック性を効果的に向上できるという利点がある。さらに、上記高負荷領域の強制着火急速燃焼状態(以下、急速リタードSI燃焼状態ともいう)または上記多段噴射による圧縮自己着火燃焼(以下、多段CI燃焼状態ともいう)から、リーンHCCI燃焼状態へと迅速に移行させる際に、上記燃料圧力の調整に所定時間を要して燃焼状態を迅速に移行させることが困難となったり、燃焼室内に噴射される燃料の粒径が増大してスモークが発生したり、混合気のミキシング不良に起因してエミッションが悪化したりする等の問題が生じるのを効果的に防止することができる。   According to the present invention, when premixed compression self-ignition combustion (hereinafter also referred to as lean HCCI combustion) is performed in a low load region of the engine, fuel is supplied from the port injector of the port fuel injection means to the intake port at a low pressure in the intake stroke. Since it is configured to inject fuel, a homogeneous and lean air-fuel mixture can be formed in the combustion chamber without causing adverse effects such as dilution of oil caused by fuel adhering to the cylinder liner. The air is heated to a high temperature and high pressure by the compression action of the piston, and can be properly self-ignited near the compression top dead center. Moreover, in the high load region of the engine, the fuel can be effectively vaporized and atomized to be appropriately retarded and burned by injecting the fuel into the combustion chamber at a high pressure by the direct injection injector of the in-cylinder fuel injection means. Therefore, there are advantages that high output can be obtained and knock resistance can be effectively improved. Further, from the forced ignition rapid combustion state in the high load region (hereinafter also referred to as the rapid retarded SI combustion state) or the compression self-ignition combustion by the multistage injection (hereinafter also referred to as the multistage CI combustion state) to the lean HCCI combustion state. When shifting quickly, it takes time to adjust the fuel pressure and it becomes difficult to quickly shift the combustion state, or the particle size of the fuel injected into the combustion chamber increases and smoke is generated It is possible to effectively prevent the occurrence of problems such as deterioration of emissions due to poor mixing of the air-fuel mixture and the like.

本発明において、好ましくは、上記筒内燃料噴射手段が、エンジンの回転によって駆動される高圧燃料ポンプを備えたものである(請求項2)。   In the present invention, preferably, the in-cylinder fuel injection means includes a high-pressure fuel pump driven by the rotation of the engine (claim 2).

この構成によれば、筒内燃料噴射手段から噴射される燃料の噴射圧力をエンジンの駆動力を利用して充分に高めることができるとともに、エンジンの負荷が急変してリーンHCCI燃焼状態から急速リタードSI燃焼状態または多段CI燃焼状態に移行させる際に、上記筒内燃料噴射手段の燃料噴射圧力を迅速かつ適正に高めることができる等の利点がある。   According to this configuration, the injection pressure of the fuel injected from the in-cylinder fuel injection means can be sufficiently increased by utilizing the driving force of the engine, and the engine load is suddenly changed so that the rapid retard from the lean HCCI combustion state. When shifting to the SI combustion state or the multi-stage CI combustion state, there is an advantage that the fuel injection pressure of the in-cylinder fuel injection means can be increased quickly and appropriately.

上記構成において、より好ましくは、上記エンジンの低負荷域で圧縮自己着火燃焼とする制御の実行時に、筒内燃料噴射手段の燃料圧力を予め高めて維持するように構成したものである(請求項3)。   In the above-described configuration, more preferably, the fuel pressure of the in-cylinder fuel injection means is increased and maintained in advance during the execution of control for compression self-ignition combustion in a low load region of the engine. 3).

この構成よれば、エンジンが低負荷域から高負荷域に移行してリーンHCCI燃焼状態から急速リタードSI燃焼状態等に移行させる際に、筒内燃料噴射手段の燃圧を上昇させるという制御を実行することなく、上記燃焼状態への移行を迅速かつ適正に実行できるという利点がある。   According to this configuration, when the engine shifts from the low load range to the high load range and shifts from the lean HCCI combustion state to the rapid retarded SI combustion state or the like, control is performed to increase the fuel pressure of the in-cylinder fuel injection means. There is an advantage that the transition to the combustion state can be performed quickly and appropriately.

上記構成において、より好ましくは、上記エンジンの高負荷域で、エンジン回転数が上昇するのに応じて上記筒内燃料噴射手段から燃焼室内に噴射される燃料の噴射圧力を高めるように構成したものである(請求項4)。   In the above configuration, more preferably, the injection pressure of the fuel injected from the in-cylinder fuel injection means into the combustion chamber is increased as the engine speed increases in the high load range of the engine. (Claim 4).

この構成よれば、クランク角をもって表される燃焼期間が短くなる傾向があるエンジンの高回転領域で上記燃料の噴射時間を短くして、その気化および霧化時間を充分に確保することができ、これにより混合気の燃焼性を効果的に高めることができる。   According to this configuration, it is possible to shorten the fuel injection time in the high engine speed region where the combustion period represented by the crank angle tends to be short, and to sufficiently ensure the vaporization and atomization time. Thereby, the combustibility of the air-fuel mixture can be effectively increased.

上記構成において、より好ましくは、燃焼室から導出された排気ガスを吸気系に還流させる排気還流手段を備えた火花点火式ガソリンエンジンにおいて、上記エンジンの高負荷域で、排気還流手段を介して吸気系に還流される排気還流量に応じて上記筒内燃料噴射手段から噴射される燃料の噴射圧力を調節するように構成したものである(請求項5)。   In the above configuration, more preferably, in a spark ignition type gasoline engine provided with an exhaust gas recirculation means for recirculating the exhaust gas derived from the combustion chamber to the intake system, the intake air is supplied via the exhaust gas recirculation means in a high load region of the engine. According to the present invention, the injection pressure of the fuel injected from the in-cylinder fuel injection means is adjusted in accordance with the amount of exhaust gas recirculated to the system.

この構成よれば、同一回転数でエンジン負荷が小さいために排気還流手段から吸気系に還流される排気還流量が多くなることに起因して、相対的に新気量が低下する傾向にある運転領域で、燃料圧力の目標値を高く設定して高い燃料圧力で気筒内に燃料を噴射することにより、その気筒内の乱れを強くして気筒内の乱れエネルギーを高めることができるため、新気量の少ない状態で混合気の燃焼期間を効果的に短縮してその燃焼性を高めることができる。   According to this configuration, since the engine load is small at the same rotational speed, the amount of exhaust gas recirculated from the exhaust gas recirculation means to the intake system increases, so that the amount of fresh air that tends to decrease relatively increases. In this region, by setting the fuel pressure target value high and injecting fuel into the cylinder at a high fuel pressure, the turbulence in the cylinder can be strengthened and the turbulent energy in the cylinder can be increased. The combustion period of the air-fuel mixture can be effectively shortened and the combustibility can be enhanced in a state where the amount is small.

上記構成において、より好ましくは、上記ポート燃料噴射手段は、燃料タンクの燃料を吸気ポートに向けて噴射する低圧燃料ポンプを備え、上記低圧燃料ポンプから吐出され燃料を、上記筒内燃料噴射手段の高圧燃料ポンプに供給するように構成したものである(請求項6)。
In the above configuration, more preferably, the port fuel injection means includes a low pressure fuel pump that injects fuel in a fuel tank toward an intake port, and the fuel discharged from the low pressure fuel pump is supplied to the in- cylinder fuel injection means. It is comprised so that it may supply to the high pressure fuel pump of this (Claim 6).

この構成よれば、筒内燃料噴射手段と上記ポート燃料噴射手段とを適正に使い分けることができるため、エンジン負荷の変化状態に応じて上記リーンHCCI燃焼状態から急速リタードSI燃焼状態または多段CI燃焼状態への移行およびその逆方向への移行を迅速かつ適正に実行できるという利点がある。   According to this configuration, since the in-cylinder fuel injection means and the port fuel injection means can be properly used, the lean HCCI combustion state to the rapid retarded SI combustion state or the multistage CI combustion state according to the change state of the engine load. There is an advantage that the transition to the reverse direction and the reverse direction can be performed quickly and appropriately.

以上説明したように、本発明によれば、エンジンの低負荷域でオイルが希釈化され、あるいはエミッションが悪化する等の問題を生じることなく、適正に圧縮自己着火燃焼を行うことができるとともに、エンジンの高負荷域で異常燃焼の発生を効果的に防止できる火花点火式ガソリンエンジンの制御装置を提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to appropriately perform compression self-ignition combustion without causing problems such as dilution of oil in the low load region of the engine or deterioration of emissions, and the like. It is possible to provide a control device for a spark ignition gasoline engine that can effectively prevent the occurrence of abnormal combustion in a high load range of the engine.

本発明の一実施例に係る火花点火式ガソリンエンジンの全体構成を示す概略図である。1 is a schematic view showing an overall configuration of a spark ignition type gasoline engine according to an embodiment of the present invention. エンジンの制御系の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the control system of an engine. エンジンの燃焼室を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows the combustion chamber of an engine. エンジンの運転領域に応じた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 according to the driving | operation area | region of an engine. 高圧リタード噴射によるSI燃焼の状態と、従来のSI燃焼の状態とを比較する図である。It is a figure which compares the state of SI combustion by a high pressure retarded injection, and the state of conventional SI combustion. 未燃混合気の存在期間に関係する各パラメータの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of each parameter related to the presence period of unburned air-fuel mixture. 図4の運転荷域αにおける制御内容を説明するタイムチャートである。It is a time chart explaining the control content in the driving load area (alpha) of FIG. 図4の運転荷域βにおける制御内容を説明するタイムチャートである。It is a time chart explaining the control content in the driving load area (beta) of FIG. エンジントルクに対応した混合気充填量および吸排気系の制御状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the control state of the air-fuel | gaseous charge amount corresponding to an engine torque, and an intake / exhaust system. エンジントルクに対応した混合気充填量、燃料噴射および点火系の制御状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the control state of the fuel-air mixture filling amount corresponding to engine torque, fuel injection, and an ignition system. PCMにおいて実行されるエンジン制御のフローチャートである。It is a flowchart of the engine control performed in PCM. SIモードにおいて燃料の噴射圧力を設定するための特性図である。It is a characteristic view for setting the injection pressure of fuel in SI mode. 図4の運転荷域βにおける制御内容の別の例を説明するタイムチャートである。It is a time chart explaining another example of the control content in the driving load area (beta) of FIG. エンジンの燃焼室の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of the combustion chamber of an engine. 図13の制御より行われる燃料噴射とそれにも独混合気の燃焼状態を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the fuel injection performed by control of FIG. 13, and the combustion state of a so-called air-fuel mixture as well.

図1および図2は、本発明に係る火花点火式ガソリンエンジンの実施形態を示し、このエンジン1は、複数の気筒18(図1では一つのみを図示)が設けられたシリンダブロック11と、このシリンダブロック11上に配設されたシリンダヘッド12と、シリンダブロック11の下側に配設されて潤滑油を貯溜するオイルパン13とを有している。各気筒18内には、コンロッド142を介してクランクシャフト15と連結されたピストン14が往復動可能に嵌挿されている。上記エンジン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、その全てが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あってもよい。   1 and 2 show an embodiment of a spark ignition gasoline engine according to the present invention. The engine 1 includes a cylinder block 11 provided with a plurality of cylinders 18 (only one is shown in FIG. 1), A cylinder head 12 disposed on the cylinder block 11 and an oil pan 13 disposed on the lower side of the cylinder block 11 for storing lubricating oil are provided. A piston 14 connected to the crankshaft 15 via a connecting rod 142 is fitted in each cylinder 18 so as to be able to reciprocate. The fuel supplied to the engine 1 only needs to have gasoline as a main component, and all of the fuel may be gasoline, or gasoline containing ethanol (ethyl alcohol) or the like. Good.

ピストン14の頂面には、図3に拡大して示すように、リエントラント形のキャビティ20が形成されている。キャビティ20は、ピストン14が圧縮上死点付近に位置するときには、後述する直噴インジェクタ67に相対するように設置されている。シリンダヘッド12と、気筒18と、キャビティ20を有するピストン14とにより燃焼室19が区画されている。   A reentrant cavity 20 is formed on the top surface of the piston 14 as shown in an enlarged view in FIG. The cavity 20 is installed so as to face a direct injection injector 67 described later when the piston 14 is positioned near the compression top dead center. A combustion chamber 19 is defined by the cylinder head 12, the cylinder 18, and the piston 14 having the cavity 20.

なお、「燃焼室」とは、狭義には、上死点時におけるピストン14の上方空間のことを指すが、本明細書でいう燃焼室19とは、ピストン14の上下位置にかかわらずその上方に形成される空間からなる広義の燃焼室のことを指すものとする。また、燃焼室19の形状は、図示する形状に限定されるものではなく、例えばキャビティ20の形状、ピストン14の頂面形状、および燃焼室19の天井部の形状等を適宜に変更可能である。   The “combustion chamber”, in a narrow sense, refers to the space above the piston 14 at the top dead center, but the combustion chamber 19 in this specification refers to the upper side of the piston 14 regardless of the vertical position of the piston 14. It refers to a combustion chamber in a broad sense consisting of a space formed in Further, the shape of the combustion chamber 19 is not limited to the shape shown in the figure, and for example, the shape of the cavity 20, the top surface shape of the piston 14, the shape of the ceiling portion of the combustion chamber 19, and the like can be appropriately changed. .

このエンジン1の幾何学的圧縮比は、理論熱効率の向上や、後述する予混合圧縮自己着火燃焼の安定化等を目的として、比較的高い値、例えば14〜20程度の範囲内に設定されている。   The geometric compression ratio of the engine 1 is set to a relatively high value, for example, in the range of about 14 to 20, for the purpose of improving the theoretical thermal efficiency, stabilizing the premixed compression self-ignition combustion described later, and the like. Yes.

シリンダヘッド12には、吸気ポート16および排気ポート17が各気筒18にそれぞれ形成されている。これら吸気ポート16および排気ポート17には、燃焼室19側の開口を開閉する吸気弁21および排気弁22がそれぞれ配設されている。   An intake port 16 and an exhaust port 17 are formed in each cylinder 18 in the cylinder head 12. The intake port 16 and the exhaust port 17 are respectively provided with an intake valve 21 and an exhaust valve 22 that open and close the opening on the combustion chamber 19 side.

吸気弁21および排気弁22をそれぞれ駆動する動弁系の内、排気側には、排気弁22の作動モードを通常モードと特殊モードとに切り替える油圧作動式の可変機構、例えばVVL(Variable Valve Lift)71が設けられている。VVL71は、その構成の詳細な図示を省略するが、カム山を一つ有する第1カムおよびカム山を二つ有する第2カムからなるカムプロファイルの異なる2種類のカムと、この第1および第2カムのいずれか一方の作動状態を選択的に排気弁22に伝達するロストモーション機構とを備えている。第1カムの作動を排気弁22に伝達している状態では、排気弁22が排気行程中において一度だけ開弁される通常モードで作動し(図8参照)、第2カムの作動を排気弁22に伝達している状態では、排気弁22が排気行程中において開弁するとともに、吸気行程中においても開弁する特殊モード(排気の二度開きモード)で作動する(図7参照)。   Of the valve systems that drive the intake valve 21 and the exhaust valve 22 respectively, a hydraulically operated variable mechanism that switches the operation mode of the exhaust valve 22 between a normal mode and a special mode, such as a VVL (Variable Valve Lift), is provided on the exhaust side. ) 71 is provided. Although the VVL 71 is not shown in detail in its configuration, the VVL 71 includes two types of cams having different cam profiles including a first cam having one cam peak and a second cam having two cam peaks, and the first and first cams. A lost motion mechanism for selectively transmitting the operating state of either one of the two cams to the exhaust valve 22. In a state where the operation of the first cam is transmitted to the exhaust valve 22, the exhaust valve 22 operates in a normal mode in which the valve is opened only once during the exhaust stroke (see FIG. 8), and the operation of the second cam is performed in the exhaust valve. In the state of transmitting to the exhaust gas 22, the exhaust valve 22 opens during the exhaust stroke and operates in a special mode (exhaust double opening mode) that opens even during the intake stroke (see FIG. 7).

VVL71は、エンジン1の運転状態に応じて排気弁22の作動モードを上記通常モードと特殊モードとに切り替えるように構成されている。こうしたモードの切替を行う機構としては、排気弁22を電磁アクチュエータによって駆動する電磁駆動式の動弁系を採用可能である。また、内部EGRは、上記排気弁22の二度開きのみによって実現されるのではなく、例えば吸気弁21を二回開くようにした吸気の二度開きモードによっても行うことができ、また排気行程乃至吸気行程において吸気弁21および排気弁22の双方を閉じるネガティブオーバーラップ期間を設けて既燃ガスを気筒18内に残留させることによっても実現できる。   The VVL 71 is configured to switch the operation mode of the exhaust valve 22 between the normal mode and the special mode according to the operating state of the engine 1. As a mechanism for switching such a mode, an electromagnetically driven valve system that drives the exhaust valve 22 by an electromagnetic actuator can be employed. Further, the internal EGR is not realized only by opening the exhaust valve 22 only twice, but can also be performed by, for example, a double opening mode of intake air in which the intake valve 21 is opened twice. It can also be realized by providing a negative overlap period in which both the intake valve 21 and the exhaust valve 22 are closed in the intake stroke so that the burned gas remains in the cylinder 18.

VVL71を備えた排気側の動弁系に対し、吸気側には、図2に示すように、クランクシャフト15に対する吸気カムシャフトの回転位相を変更可能に構成されたVVT(Variable Valve Timing)72からなる位相可変機構と、吸気弁21のリフト量を連続的に変更可能に構成されたCVVL(Continuously Variable Valve Lift)73からなるリフト量可変機構とが設けられている。VVT72は、液圧式、電磁式または機械式等からなる公知の構造を採用可能であり、その詳細な構造についての図示は省略する。また、CVVL73も、種々の公知構造を適宜採用することができ、その詳細な構造についての図示は省略する。上記VVT72およびCVVL73により、吸気弁21の開弁タイミングおよび閉弁タイミング、並びにリフト量をそれぞれ変更可能に構成されている。   As shown in FIG. 2, the exhaust side valve system having the VVL 71 has a VVT (Variable Valve Timing) 72 configured so that the rotational phase of the intake camshaft with respect to the crankshaft 15 can be changed. And a lift amount variable mechanism composed of a CVVL (Continuously Variable Valve Lift) 73 configured so that the lift amount of the intake valve 21 can be continuously changed. The VVT 72 can employ a known structure such as a hydraulic type, an electromagnetic type, or a mechanical type, and illustration of the detailed structure is omitted. Also, the CVVL 73 can adopt various known structures as appropriate, and the detailed structure is not shown. By the VVT 72 and the CVVL 73, the valve opening timing and the valve closing timing of the intake valve 21 and the lift amount can be changed.

シリンダヘッド12には、各気筒18内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタ67と、吸気ポート16内に燃料を噴射するポートインジェクタ68とがそれぞれ取り付けられている。   A direct injection injector 67 that directly injects fuel into each cylinder 18 and a port injector 68 that injects fuel into the intake port 16 are attached to the cylinder head 12.

直噴インジェクタ67は、図3に拡大して示すように、その噴口が燃焼室19の天井面の中央部分から、その燃焼室19内に臨むように配設され、エンジン1の運転状態に応じた量の燃料を、適正なタイミングで燃焼室19内の中心部に直接噴射する。この例において、直噴インジェクタ67は、複数の噴口を有する多噴口型のインジェクタであって、燃料噴霧が放射状に広がるように、燃料を噴射するように構成されている。図3に矢印で示すように、ピストン14が圧縮上死点付近に位置するタイミングで、燃焼室中央の直噴インジェクタ67から放射状に広がるように噴射された燃料噴霧が、ピストン頂面に形成されたキャビティ20の壁面に沿って流動することにより、後述する点火プラグ25の周囲に到達するようになる。   As shown in an enlarged view in FIG. 3, the direct injection injector 67 is disposed so that its injection hole faces the inside of the combustion chamber 19 from the central portion of the ceiling surface of the combustion chamber 19, and depends on the operating state of the engine 1. An appropriate amount of fuel is directly injected into the center of the combustion chamber 19 at an appropriate timing. In this example, the direct injection injector 67 is a multi-injection type injector having a plurality of injection holes, and is configured to inject fuel so that the fuel spray spreads radially. As shown by the arrows in FIG. 3, at the timing when the piston 14 is positioned near the compression top dead center, a fuel spray injected radially from the direct injection injector 67 in the center of the combustion chamber is formed on the piston top surface. By flowing along the wall surface of the cavity 20, it reaches around the spark plug 25 described later.

キャビティ20は、ピストン14が圧縮上死点付近に位置するタイミングで噴射された燃料噴霧を、その内部に収めるように形成されている。上記多噴口型の直噴インジェクタ67とキャビティ20との組み合わせは、燃料の噴射後にその噴霧が点火プラグ25の周りに到達するまでの時間を短くするとともに、燃焼期間を短くする上で有利な構造となっている。   The cavity 20 is formed so that the fuel spray injected at the timing when the piston 14 is positioned near the compression top dead center is contained therein. The combination of the multi-injection type direct injection injector 67 and the cavity 20 is advantageous in that it shortens the time until the spray reaches around the spark plug 25 after fuel injection and shortens the combustion period. It has become.

そして、上記直噴インジェクタ67には、燃料タンク61から下記低圧燃料供給システム56を介して供給された燃料を30MPa以上、好ましくは40MPa以上の高圧に加圧する高圧燃料ポンプ63と、この高圧燃料ポンプ63から圧送された高圧の燃料を蓄えるとともに、各気筒18の直噴インジェクタ67に供給するコモンレール64とが配設された高圧燃料供給通路65が接続され、これらにより燃料を燃焼室19の中心部に高圧で燃料を噴射する筒内燃料噴射手段62が構成されている。   The direct injection injector 67 has a high-pressure fuel pump 63 that pressurizes the fuel supplied from the fuel tank 61 via the low-pressure fuel supply system 56 described below to a high pressure of 30 MPa or more, preferably 40 MPa or more, and the high-pressure fuel pump. A high-pressure fuel supply passage 65 in which a high-pressure fuel pumped from 63 is stored and a common rail 64 that supplies the direct-injection injector 67 of each cylinder 18 is disposed is connected. In-cylinder fuel injection means 62 for injecting fuel at a high pressure is configured.

高圧燃料ポンプ63は、例えばエンジン1により駆動されるクランク軸とカム軸との間に掛け渡されたタイミングベルトを介して駆動されるプランジャー式のポンプからなっている。上記高圧燃料ポンプ63から吐出される燃料の最大圧力は、エンジン1の性能および燃料の性状に適宜に設定可能であるが、燃料の噴射圧力を過度に高めるとエンジン1の駆動損失等が大きくなるため、通常は120MPa程度以下に設定される。   The high-pressure fuel pump 63 is composed of, for example, a plunger-type pump that is driven via a timing belt that is stretched between a crankshaft driven by the engine 1 and a camshaft. The maximum pressure of the fuel discharged from the high-pressure fuel pump 63 can be appropriately set depending on the performance of the engine 1 and the properties of the fuel. However, if the fuel injection pressure is excessively increased, the driving loss of the engine 1 increases. Therefore, it is usually set to about 120 MPa or less.

ポートインジェクタ68は、図1に示すように、吸気ポート16乃至吸気ポート16に連通する独立通路に臨んで配置され、吸気ポート16内に燃料を噴射する。ポートインジェクタ68は、一つの気筒18に対して一つ設けてもよく、一つの気筒18に対して二つの吸気ポート16が設けられているのであれば、二つの吸気ポート16のそれぞれに設けてもよい。ポートインジェクタ68の形式は、特定の形式に限定されるものではなく、種々の形式のインジェクタを適宜に採用可能である。   As shown in FIG. 1, the port injector 68 is arranged facing an independent passage communicating with the intake port 16 to the intake port 16, and injects fuel into the intake port 16. One port injector 68 may be provided for one cylinder 18, and if two intake ports 16 are provided for one cylinder 18, the port injector 68 is provided for each of the two intake ports 16. Also good. The format of the port injector 68 is not limited to a specific format, and various types of injectors can be appropriately employed.

ポートインジェクタ68には、その詳細な図示を省略するが、燃料タンク61内の燃料を供給する低圧燃料供給通路55が接続されている。この低圧燃料供給通路55には、電動またはエンジン駆動式の低圧ポンプと圧力調整用のレギュレータとを有する低圧燃料供給システム56が配設され、これらにより上記燃料を0.3〜0.4MPa程度の低圧で吸気ポート16に燃料を噴射するポート燃料噴射手段57が構成されている。   Although not shown in detail in the port injector 68, a low pressure fuel supply passage 55 for supplying fuel in the fuel tank 61 is connected. The low-pressure fuel supply passage 55 is provided with a low-pressure fuel supply system 56 having an electric or engine-driven low-pressure pump and a pressure-regulating regulator. Port fuel injection means 57 for injecting fuel into the intake port 16 at low pressure is configured.

また、上記ポート燃料噴射手段57の低圧燃料供給システム56に設けられた低圧ポンプからレギュレータを介して導出された低圧の燃料は、上記筒内燃料噴射手段62の高圧燃料ポンプ63に供給され、この高圧燃料ポンプ63により所定圧に加圧された状態で、コモンレール64および高圧燃料供給通路65を介して直噴インジェクタ67に供給されるようになっている。   Further, the low-pressure fuel derived from the low-pressure pump provided in the low-pressure fuel supply system 56 of the port fuel injection means 57 via the regulator is supplied to the high-pressure fuel pump 63 of the in-cylinder fuel injection means 62. The fuel is supplied to the direct injection injector 67 through the common rail 64 and the high-pressure fuel supply passage 65 while being pressurized to a predetermined pressure by the high-pressure fuel pump 63.

シリンダヘッド12には、図3に示すように、燃焼室19内の混合気に点火する点火プラグ25が取り付けられている。この点火プラグ25は、エンジン1の排気側から斜め下向きに延びるように、シリンダヘッド12内を貫通して配置されるとともに、点火プラグ25の先端部が、燃焼室19の中央部分に配置された直噴インジェクタ67の先端部に近接し、かつ燃焼室19内に臨むように設置されている。   As shown in FIG. 3, a spark plug 25 that ignites the air-fuel mixture in the combustion chamber 19 is attached to the cylinder head 12. The spark plug 25 is disposed through the cylinder head 12 so as to extend obliquely downward from the exhaust side of the engine 1, and the tip of the spark plug 25 is disposed in the center portion of the combustion chamber 19. The direct injection injector 67 is disposed in the vicinity of the tip of the direct injection injector 67 so as to face the combustion chamber 19.

エンジン1の一側面には、各気筒18の吸気ポート16に連通するように吸気通路30が接続されている。一方、エンジン1の他側面には、各気筒18の燃焼室19からの既燃ガス(排気ガス)を排出する排気通路40が接続されている。   An intake passage 30 is connected to one side of the engine 1 so as to communicate with the intake port 16 of each cylinder 18. On the other hand, an exhaust passage 40 for discharging burned gas (exhaust gas) from the combustion chamber 19 of each cylinder 18 is connected to the other side of the engine 1.

吸気通路30の上流側部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ31が配設されている。また、吸気通路30における下流端近傍には、サージタンク33が配設されている。このサージタンク33よりも下流側の吸気通路30は、各気筒18毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒18の吸気ポート16にそれぞれ接続されている。   An air cleaner 31 that filters intake air is disposed on the upstream side of the intake passage 30. A surge tank 33 is disposed near the downstream end of the intake passage 30. The intake passage 30 downstream of the surge tank 33 is an independent passage branched for each cylinder 18, and the downstream end of each independent passage is connected to the intake port 16 of each cylinder 18.

吸気通路30におけるエアクリーナ31とサージタンク33との間には、空気を冷却または加熱する水冷式のインタークーラ/ウォーマ34と、各気筒18への吸入空気量を調節するスロットル弁36とが配設されている。また、吸気通路30には、インタークーラ/ウォーマ34をバイパスするインタークーラバイパス通路35が接続されており、このインタークーラバイパス通路35には、当該通路35を通過する空気流量を調整するためのインタークーラバイパス弁351が配設されている。インタークーラバイパス弁351の開度を調整することにより、インタークーラバイパス通路35の通過流量とインタークーラ/ウォーマ34の通過流量との割合が変更されて、気筒18内に導入される新気の温度が調整されるようになっている。   Between the air cleaner 31 and the surge tank 33 in the intake passage 30, a water-cooled intercooler / warmer 34 that cools or heats the air and a throttle valve 36 that adjusts the amount of intake air to each cylinder 18 are arranged. Has been. Further, an intercooler bypass passage 35 that bypasses the intercooler / warmer 34 is connected to the intake passage 30, and the intercooler bypass passage 35 is connected to an intercooler for adjusting the flow rate of air passing through the passage 35. A cooler bypass valve 351 is provided. By adjusting the opening degree of the intercooler bypass valve 351, the ratio of the passage flow rate of the intercooler bypass passage 35 and the passage flow rate of the intercooler / warmer 34 is changed, and the temperature of fresh air introduced into the cylinder 18 is changed. Has been adjusted.

排気通路40の上流側部分は、各気筒18毎に分岐して排気ポート17の外側端に接続された独立通路と、該各独立通路が集合する集合部とを有する排気マニホールドにより構成されている。この排気通路40における排気マニホールドよりも下流側には、排気ガス中の有害成分を浄化する直キャタリスト41とアンダーフットキャタリスト42とからなる排気浄化装置が設けられている。直キャタリスト41およびアンダーフットキャタリスト42は、例えば筒状ケースと、その内部に配置された三元触媒とを備えている。   The upstream side portion of the exhaust passage 40 is constituted by an exhaust manifold having an independent passage that is branched for each cylinder 18 and connected to the outer end of the exhaust port 17, and a collecting portion where the independent passages gather. . An exhaust purification device including a direct catalyst 41 and an underfoot catalyst 42 for purifying harmful components in the exhaust gas is provided downstream of the exhaust manifold in the exhaust passage 40. The direct catalyst 41 and the underfoot catalyst 42 include, for example, a cylindrical case and a three-way catalyst disposed therein.

吸気通路30におけるサージタンク33とスロットル弁36との間と、排気通路40における直キャタリスト41よりも上流側部分とは、排気ガスの一部を吸気通路30に還流するEGR通路50により接続されている。このEGR通路50は、排気ガスをエンジン冷却水によって冷却するEGRクーラ52が配設された主通路51と、EGRクーラ52をバイパスするためのEGRクーラバイパス通路53とを有している。主通路51には、吸気通路30への排気還流量を調整するためのEGR弁511が配設され、EGRクーラバイパス通路53には、EGRクーラバイパス通路53を流通する排気ガスの流量を調整するためのEGRクーラバイパス弁531が配設され、これらにより燃焼室から導出された排気ガスを吸気系に還流させる排気還流手段54が構成されている。   A portion between the surge tank 33 and the throttle valve 36 in the intake passage 30 and a portion upstream of the direct catalyst 41 in the exhaust passage 40 are connected by an EGR passage 50 that recirculates a part of the exhaust gas to the intake passage 30. ing. The EGR passage 50 includes a main passage 51 in which an EGR cooler 52 for cooling the exhaust gas with engine coolant is disposed, and an EGR cooler bypass passage 53 for bypassing the EGR cooler 52. The main passage 51 is provided with an EGR valve 511 for adjusting the exhaust gas recirculation amount to the intake passage 30, and the EGR cooler bypass passage 53 adjusts the flow rate of the exhaust gas flowing through the EGR cooler bypass passage 53. An EGR cooler bypass valve 531 is provided for the exhaust gas recirculation means 54 for recirculating the exhaust gas led out from the combustion chamber to the intake system.

このように構成されたエンジン1は、PCM(パワートレイン・コントロール・モジュール)10からなる制御手段によって制御される。PCM10は、CPU、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェースおよびこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。   The engine 1 configured as described above is controlled by a control unit including a PCM (powertrain control module) 10. The PCM 10 is constituted by a microprocessor having a CPU, a memory, a counter timer group, an interface, and a path connecting these units.

PCM10には、図1,2に示すように、各種のセンサSW1〜SW14の検出信号が入力される。この各種のセンサには、エアクリーナ31の下流側で新気の流量を検出するエアフローセンサSW1および新気の温度を検出する吸気温度センサSW2と、インタークーラ/ウォーマ34の下流側に配置されてインタークーラ/ウォーマ34を通過した後の新気の温度を検出する第2吸気温度センサSW3と、EGR通路50における吸気通路30との接続部近傍に配置されて外部EGRガスの温度を検出するEGRガス温センサSW4と、吸気ポート16に取り付けられて気筒18内に流入する直前の吸気の温度を検出する吸気ポート温度センサSW5と、シリンダヘッド12に取り付けられて気筒18内の圧力を検出する筒内圧センサSW6と、排気通路40におけるEGR通路50の接続部近傍に配置されて排気温度および排気圧力を検出する排気温センサSW7および排気圧センサSW8と、直キャタリスト41の上流側に配置されて排気中の酸素濃度を検出するリニアO2センサSW9と、直キャタリスト41とアンダーフットキャタリスト42との間に配置されて排気中の酸素濃度を検出するラムダO2センサSW10と、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサSW11と、クランクシャフト15の回転角を検出するクランク角センサSW12と、車両のアクセルペダル(図示省略)の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサSW13と、吸気側および排気側のカム角センサSW14,SW15と、筒内燃料噴射手段62のコモンレール64に取り付けられて直噴インジェクタ67に供給する燃料圧力を検出する燃圧センサSW16とが含まれる。 As shown in FIGS. 1 and 2, detection signals from various sensors SW <b> 1 to SW <b> 14 are input to the PCM 10. These various sensors include an air flow sensor SW1 that detects the flow rate of fresh air on the downstream side of the air cleaner 31, an intake air temperature sensor SW2 that detects the temperature of fresh air, and a downstream side of the intercooler / warmer 34. EGR gas that is disposed in the vicinity of the connection portion between the second intake air temperature sensor SW3 that detects the temperature of fresh air after passing the cooler / warmer 34 and the intake passage 30 in the EGR passage 50 and detects the temperature of the external EGR gas. A temperature sensor SW4, an intake port temperature sensor SW5 that is attached to the intake port 16 and detects the temperature of intake air immediately before flowing into the cylinder 18, and an in-cylinder pressure that is attached to the cylinder head 12 and detects the pressure in the cylinder 18 The sensor SW6 and the exhaust passage 40 are arranged in the vicinity of the connection portion of the EGR passage 50 to control the exhaust temperature and the exhaust pressure. An exhaust temperature sensor SW7 and exhaust pressure sensor SW8 and out, the linear O 2 sensor SW9 for detecting oxygen concentration in exhaust gas is disposed upstream of the direct catalyst 41, the direct catalyst 41 and underfoot catalyst 42 , A lambda O 2 sensor SW10 that is disposed between and detects the oxygen concentration in the exhaust, a water temperature sensor SW11 that detects the temperature of the engine coolant, a crank angle sensor SW12 that detects the rotation angle of the crankshaft 15, and a vehicle Accelerator opening sensor SW13 for detecting the accelerator opening corresponding to the amount of operation of an accelerator pedal (not shown), intake and exhaust cam angle sensors SW14 and SW15, and common rail 64 of in-cylinder fuel injection means 62 And a fuel pressure sensor SW16 that detects the fuel pressure that is attached and supplied to the direct injector 67. That.

PCM10は、各センサの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによりエンジン1や車両の状態を判定し、これに応じて直噴インジェクタ67、ポートインジェクタ68、点火プラグ25、吸気弁側のVVT72およびCVVL73、排気弁側のVVL71、筒内燃料噴射手段62、並びに各種の弁(スロットル弁36、インタークーラバイパス弁351、EGR弁511、およびEGRクーラバイパス弁531)のアクチュエータへ制御信号を出力するものである。   The PCM 10 performs various calculations based on the detection signals of the sensors to determine the state of the engine 1 and the vehicle, and in response to this, the direct injection injector 67, the port injector 68, the ignition plug 25, and the VVT 72 on the intake valve side. And CVVL 73, exhaust valve side VVL 71, in-cylinder fuel injection means 62, and various valves (throttle valve 36, intercooler bypass valve 351, EGR valve 511, and EGR cooler bypass valve 531) actuators are supplied with control signals. Is.

図4は、エンジン1のクランク回転速度およびエンジン負荷(目標トルク)をパラメータとしたエンジン1の制御マップを示している。この制御マップにおいてエンジン負荷が比較的、低い領域には、燃費の向上や排気エミッションの向上を目的として、点火プラグ25による点火を行わずに、均質でリーンな混合気をピストンの圧縮作用により自着火させる予混合圧縮自己着火燃焼を行うCIモード領域αに設定されている。一方、エンジン負荷が相対的Iに高い領域には、上記予混合圧縮自己着火燃焼を中止して点火プラグ25を利用した強制着火を行うSIモード領域βが設定されている。   FIG. 4 shows a control map of the engine 1 with the crank rotational speed of the engine 1 and the engine load (target torque) as parameters. In a region where the engine load is relatively low in this control map, a homogeneous and lean air-fuel mixture is automatically generated by the compression action of the piston without ignition by the spark plug 25 for the purpose of improving fuel consumption and exhaust emission. It is set to a CI mode region α in which premixed compression self-ignition combustion is performed. On the other hand, an SI mode region β in which the premixed compression self-ignition combustion is stopped and forced ignition using the spark plug 25 is performed is set in a region where the engine load is relatively high.

詳しくは後述するが、CIモード領域αでは、基本的に吸気行程中に、ポート燃料噴射手段57の低圧ポンプおよびレギュレータから供給された燃料を、0.3〜0.4MPa程度の低圧でポートインジェクタ68から吸気ポート16内に噴射することにより、比較的均質なリーン混合気を燃焼室19内に形成するとともに、その混合気を圧縮上死点付近において自着火させるリーンHCCI(Homogeneous-Charge Compression Ignition Combustion)モードの燃焼(予混合圧縮自己着火燃焼)を行うように構成されている。   As will be described in detail later, in the CI mode region α, the fuel supplied from the low pressure pump and regulator of the port fuel injection means 57 is basically supplied to the port injector at a low pressure of about 0.3 to 0.4 MPa during the intake stroke. A relatively homogeneous lean air-fuel mixture is formed in the combustion chamber 19 by being injected into the intake port 16 from 68, and at the same time, the lean HCCI (Homogeneous-Charge Compression Ignition) is ignited near the compression top dead center. Combustion mode combustion (premixed compression self-ignition combustion) is performed.

これに対してSIモード領域βでは、基本的に圧縮行程後期から膨張行程の初期に、筒内燃料噴射手段62の直噴インジェクタ67から気筒18内に燃料を、30MPa以上の高圧で噴射することにより、燃焼室19内に均質乃至成層化した混合気を形成するとともに、圧縮上死点付近で点火プラグ25を用いた強制着火をきっかけにして、混合気を急速な火炎伝播により急速リタードSI燃焼させる制御が実行されるように構成されている。   On the other hand, in the SI mode region β, fuel is injected into the cylinder 18 from the direct injection injector 67 of the in-cylinder fuel injection means 62 at a high pressure of 30 MPa or more basically from the late stage of the compression stroke to the early stage of the expansion stroke. As a result, a homogeneous or stratified air-fuel mixture is formed in the combustion chamber 19 and a rapid retarded SI combustion is performed by rapid flame propagation using the forced ignition using the ignition plug 25 in the vicinity of the compression top dead center. It is comprised so that control to perform may be performed.

このエンジン1の幾何学的圧縮比は、前述のように14以上の高い値(例えば18)に設定されている。このように圧縮比を高い値に設定することにより、圧縮端温度および圧縮端圧力を上昇させることができるため、上記CIモード領域αでは、圧縮自己着火燃焼の安定化に有利になる。一方で、この高圧縮比のエンジン1は、高負荷域で強制着火のモード(SIモード)に切り替えられるため、特に低速域でエンジン負荷が高くなればなるほど、過早着火やノッキングといった異常燃焼が生じ易くなるという不都合がある。   As described above, the geometric compression ratio of the engine 1 is set to a high value of 14 or more (for example, 18). By setting the compression ratio to a high value in this way, the compression end temperature and the compression end pressure can be increased. Therefore, in the CI mode region α, it is advantageous for stabilizing the compression self-ignition combustion. On the other hand, since the engine 1 with this high compression ratio is switched to the forced ignition mode (SI mode) in the high load range, the abnormal combustion such as pre-ignition and knocking occurs as the engine load increases particularly in the low speed range. There is an inconvenience that it tends to occur.

そこで、このエンジン1では、エンジン1が高負荷のSIモード領域βにあるときに、燃料の噴射形態を従来とは大きく異ならせた急速リタードSI燃焼を行うことにより、異常燃焼を回避するようにしている。具体的に、この燃料の噴射形態は、従来と比較して大幅に高圧化した燃料圧力、例えば30MPa以上、好ましくは40MPa以上の圧力で、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけての大幅に遅角した期間内で、直噴インジェクタ67により気筒18内に燃料噴射を実行するものである。この特徴的な燃料噴射形態を、以下においては「高圧リタード噴射」と呼ぶ。   Therefore, in this engine 1, when the engine 1 is in the high load SI mode region β, abnormal combustion is avoided by performing rapid retarded SI combustion in which the fuel injection mode is greatly different from the conventional one. ing. Specifically, this fuel injection mode is greatly retarded from the latter half of the compression stroke to the early stage of the expansion stroke at a fuel pressure that is significantly higher than the conventional pressure, for example, 30 MPa or more, preferably 40 MPa or more. Within the period, fuel is injected into the cylinder 18 by the direct injection injector 67. This characteristic fuel injection mode is hereinafter referred to as “high pressure retarded injection”.

図5は、急速リタードSI燃焼(実線)の場合と、吸気行程中に燃料噴射を実行する従来のSI燃焼(破線)場合とで、熱発生率(図5上段)および未燃混合気の反応進行度(図5下段)がそれぞれどのように異なるかを概念的に示す説明図である。負荷Tおよび回転速度Neは同一であり、燃料の噴射量も同一であるものとする。ただし、燃料の噴射圧力は、急速リタードSI燃焼の方が、従来のSI燃焼よりも大幅に高い値に設定されているものとする。   FIG. 5 shows the heat generation rate (upper stage in FIG. 5) and the reaction of the unburned mixture in the case of rapid retarded SI combustion (solid line) and the conventional SI combustion (indicated by the broken line) in which fuel injection is performed during the intake stroke. FIG. 6 is an explanatory diagram conceptually showing how the degree of progress (lower part in FIG. 5) differs. The load T and the rotational speed Ne are the same, and the fuel injection amount is also the same. However, the fuel injection pressure is set to be significantly higher in the rapid retarded SI combustion than in the conventional SI combustion.

まず、従来のSI燃焼では、吸気行程中に燃料噴射P′を実行する。燃焼室19では、その燃料噴射P′の後、ピストン14が圧縮上死点に至るまでの間に、比較的均質な混合気が形成される。そして、この例では、圧縮上死点を過ぎたかなり遅めのタイミングθig’で火花点火が実行され、それによって火炎伝播による燃焼が開始される。燃焼の開始後は、図5の上段に破線の波形で示すように、点火時期θig’から所定期間が経過した時点で熱発生率のピークを迎え、その後の時点θend’で燃焼が完了する。   First, in the conventional SI combustion, the fuel injection P ′ is executed during the intake stroke. In the combustion chamber 19, a relatively homogeneous air-fuel mixture is formed after the fuel injection P 'and before the piston 14 reaches the compression top dead center. In this example, the spark ignition is executed at a timing θig ′ that is considerably late after the compression top dead center, thereby starting combustion by flame propagation. After the start of combustion, as shown by the broken line waveform in the upper part of FIG. 5, the peak of the heat generation rate is reached when a predetermined period has elapsed from the ignition timing θig ', and the combustion is completed at the subsequent time point θend'.

ここで、燃料噴射の開始から燃焼の終了までの間は、未燃混合気が存在し得る期間(未燃混合気の存在期間)ということができる。図5の下段に破線で示すように、未燃混合気の反応は、上記未燃混合気の存在期間中に徐々に進行する従来のSI燃焼は、未燃混合気の存在期間が非常に長く、その間に未燃混合気の反応が進行し続けることから、点火時期θig’とほぼ同時、もしくはそれよりも早いタイミングで未燃混合気の反応度が着火しきい値を超えることにより、火花点火とは関係なく未燃混合気が自着火してプリイグニッション(過早着火)を招く可能性がある。点火時期θig’を図5のタイミングより早めてもよいが、そのようにした場合には、上記プリイグニッションの発生は仮に避けられても、火花点火後の火炎伝播の途中で未燃混合気が自着火する異常燃焼、つまりノッキングが起きてしまう。   Here, the period from the start of fuel injection to the end of combustion can be referred to as a period during which an unburned mixture can exist (an unburned mixture period). As shown by the broken line in the lower part of FIG. 5, the conventional SI combustion in which the reaction of the unburned mixture gradually proceeds during the existence period of the unburned mixture has a very long existence period of the unburned mixture. In the meantime, since the reaction of the unburned mixture continues to proceed, the spark ignition occurs when the reactivity of the unburned mixture exceeds the ignition threshold almost simultaneously with the ignition timing θig ′ or earlier. Regardless of this, the unburned mixture may self-ignite and cause pre-ignition (pre-ignition). The ignition timing θig ′ may be set earlier than the timing shown in FIG. 5, but in such a case, the unburned air-fuel mixture is generated during the flame propagation after the spark ignition even if the preignition is avoided. Abnormal combustion with self-ignition, that is, knocking occurs.

以上のことから、当実施形態のような高圧縮比エンジンにおいて、SI運転領域βのような高負荷域で従来のSI燃焼を適用した場合(つまり吸気行程中のようなかなり早いタイミングで燃料を噴射した場合)には、たとえ火花点火のタイミングθig’を調節しても、プリイグニッションまたはノッキングといった異常燃焼が避けられないということが分かる。   From the above, when the conventional SI combustion is applied in the high load region such as the SI operation region β in the high compression ratio engine as in the present embodiment (that is, the fuel is supplied at a considerably early timing such as during the intake stroke). It is understood that abnormal combustion such as pre-ignition or knocking is unavoidable even if the spark ignition timing θig ′ is adjusted.

これに対して急速リタードSI燃焼では、上述したように30MPa以上(例えば40MPa)という非常に高い噴射圧力で、しかも圧縮行程の後期という大幅に遅角した期間に燃料が噴射される(図5の上段のP1,P2)。このような高圧でかつ遅いタイミングの噴射(以下、高圧リタード噴射という)を行うことは、未燃混合気の存在期間を短縮し、異常燃焼を回避することにつながる。すなわち、未燃混合気の存在期間は、直噴インジェクタ67からの燃料の噴射に要する期間(燃料噴射期間(A))と、噴射終了後に点火プラグ25の周りに可燃混合気が形成されるまでの期間(混合気形成期間(B))と、点火によって開始された燃焼が終了するまでの期間(燃焼期間(C))とを足し合わせた期間(A)+(B)+(C)である。以下に説明するように、高圧リタード噴射は、噴射期間(A)、混合気形成期間(B)および燃焼期間(C)をそれぞれ短縮化し、それによって未燃混合気の存在期間を短くすることができる。   On the other hand, in the rapid retarded SI combustion, as described above, the fuel is injected at a very high injection pressure of 30 MPa or more (for example, 40 MPa) and in a greatly retarded period of the latter stage of the compression stroke (see FIG. 5). Upper P1, P2). Performing such high-pressure and late-time injection (hereinafter referred to as high-pressure retarded injection) shortens the duration of the unburned mixture and avoids abnormal combustion. That is, the duration of the unburned mixture is the period required for fuel injection from the direct injection injector 67 (fuel injection period (A)) and until the combustible mixture is formed around the spark plug 25 after the injection ends. (A) + (B) + (C) obtained by adding the period (air mixture formation period (B)) and the period until the combustion started by ignition ends (combustion period (C)) is there. As will be described below, the high pressure retarded injection shortens the injection period (A), the mixture formation period (B), and the combustion period (C), thereby shortening the existence period of the unburned mixture. it can.

まず、高い噴射圧力は、単位時間当たりに直噴インジェクタ67から噴射される燃料の量を相対的に多くする。このため、燃料噴射量を一定とした場合には、図6の下段に示すように、噴射圧力が高いほど、上記噴射量を噴射するのに要する期間(燃料噴射期間)は短くなる。したがって、噴射圧力が従来のSI燃焼に比べて大幅に高く設定された高圧リタード噴射は、上記燃料噴射期間(A)の短縮化に貢献する。   First, the high injection pressure relatively increases the amount of fuel injected from the direct injection injector 67 per unit time. For this reason, when the fuel injection amount is constant, as shown in the lower part of FIG. 6, the higher the injection pressure, the shorter the period required to inject the injection amount (fuel injection period). Therefore, the high pressure retarded injection in which the injection pressure is set to be significantly higher than the conventional SI combustion contributes to shortening the fuel injection period (A).

また、高い噴射圧力は、噴射された燃料噴霧の微粒化に有利になるとともに、燃料噴霧の飛翔距離をより長くする。このため、噴射圧力が高いほど、燃料の蒸発に要する時間(燃料蒸発時間)は短くなり、点火プラグ25の周りに噴霧が到達するまでの時間(噴霧到達時間)も短くなる。上記混合気形成期間(B)は、燃料蒸発時間と噴霧到達時間とを足し合わせた期間であるから、図6の下段に示すように、噴射圧力が高いほど、上記混合気形成期間(B)は短くなる。したがって、噴射圧力の高い高圧リタード噴射は、上記混合気形成期間(B)の短縮化に貢献する。   Further, the high injection pressure is advantageous for atomization of the injected fuel spray and makes the flight distance of the fuel spray longer. For this reason, the higher the injection pressure, the shorter the time required for the fuel to evaporate (fuel evaporating time), and the shorter the time required for the spray to reach around the spark plug 25 (spray reaching time). The mixture formation period (B) is a period obtained by adding the fuel evaporation time and the spray arrival time. Therefore, as shown in the lower part of FIG. 6, the mixture formation period (B) increases as the injection pressure increases. Becomes shorter. Therefore, the high-pressure retarded injection with a high injection pressure contributes to shortening the mixture formation period (B).

このように、高い噴射圧力によって燃料噴射期間(A)および混合気形成期間(B)を短縮化できれば、これに伴って燃料の噴射タイミング、より正確には、噴射開始タイミングを遅らせることができる。このような背景から、図5に示すように、燃料噴射P1,P2のタイミングが圧縮行程の後期にまで遅角されている。そして、圧縮行程の後期という遅いタイミングで燃料を高圧噴射することは、燃焼期間中の乱流エネルギーを増大させることにつながる。   Thus, if the fuel injection period (A) and the air-fuel mixture formation period (B) can be shortened by high injection pressure, the fuel injection timing, more precisely, the injection start timing can be delayed accordingly. Against this background, as shown in FIG. 5, the timings of the fuel injections P1, P2 are delayed to the later stage of the compression stroke. And high-pressure injection of fuel at a late timing of the latter stage of the compression stroke leads to an increase in turbulent energy during the combustion period.

すなわち、燃料噴射タイミングを圧縮行程後期にまで遅らせた場合、燃料の噴射圧力が高いほど乱流エネルギーは高くなる。これに対し、たとえ高い噴射圧力で燃焼室19に燃料を噴射したとしても、そのタイミングが早すぎる(例えば吸気行程中に噴射した)場合には、点火時期までの時間が長いことや、圧縮行程中にピストン14から圧縮を受けることに起因して、燃焼室19内の乱れは減衰してしまう。このため、吸気行程中のような早いタイミングで燃料噴射を行った場合には、燃焼期間中の乱流エネルギーは、噴射圧力の高低にかかわらず著しく低下してしまう。   That is, when the fuel injection timing is delayed to the latter stage of the compression stroke, the turbulent energy increases as the fuel injection pressure increases. On the other hand, even if fuel is injected into the combustion chamber 19 at a high injection pressure, if the timing is too early (for example, during the intake stroke), the time until the ignition timing is long, or the compression stroke Due to the compression from the piston 14 inside, the turbulence in the combustion chamber 19 is attenuated. For this reason, when fuel injection is performed at an early timing such as during the intake stroke, the turbulent energy during the combustion period significantly decreases regardless of the injection pressure level.

燃焼期間中の乱流エネルギーは、これが高いほど燃焼期間を短くする作用をもたらす。したがって、噴射タイミングが圧縮行程後期である場合には、図6の下段に示すように、噴射圧力が高いほど燃焼期間(C)が短くなる。つまり、圧縮行程の後期に高圧で燃料噴射する高圧リタード噴射は、上記燃焼期間(C)の短縮化に貢献する。   The higher the turbulent energy during the combustion period, the shorter the combustion period. Therefore, when the injection timing is the latter half of the compression stroke, the combustion period (C) becomes shorter as the injection pressure is higher, as shown in the lower part of FIG. That is, the high pressure retarded injection in which fuel is injected at a high pressure in the latter stage of the compression stroke contributes to shortening of the combustion period (C).

なお、図6の下段には、従来通りの低い噴射圧力で吸気行程中に燃料を噴射した場合の燃焼期間(C)を白丸の点で示している。この従来の緩慢燃焼期間との比較からも明らかなように、当実施形態の高圧リタード噴射のように、例えば30MPa以上の高い噴射圧力で圧縮行程後期に燃料を噴射した場合には、燃焼期間(C)を大幅に短縮できることが分かる。   In the lower part of FIG. 6, the combustion period (C) when fuel is injected during the intake stroke at a low injection pressure as in the past is indicated by white circles. As is clear from the comparison with the conventional slow combustion period, when the fuel is injected at the latter stage of the compression stroke at a high injection pressure of, for example, 30 MPa or more as in the high pressure retarded injection of the present embodiment, the combustion period ( It can be seen that C) can be greatly shortened.

しかも、当実施形態の直噴インジェクタ67のように、多数の噴口を有したインジェクタであれば、より乱流エネルギーが高まるため、燃焼期間(C)の短縮により有利となる。さらに、このような多噴口型の直噴インジェクタ67と、ピストン14に設けられたキャビティ20との組み合わせによって、圧縮行程後期の燃料噴射P1,P2により噴射された燃料の噴霧を、主にキャビティ20内で迅速に拡散させることができる。このことも、燃焼期間(C)の短縮化に貢献する。   Moreover, an injector having a large number of injection holes, such as the direct injection injector 67 of the present embodiment, is advantageous in shortening the combustion period (C) because the turbulent energy is further increased. Further, the combination of the multi-injector type direct injection injector 67 and the cavity 20 provided in the piston 14 mainly causes the fuel spray injected by the fuel injections P1 and P2 in the latter half of the compression stroke to be mainly injected into the cavity 20. Can diffuse quickly within. This also contributes to shortening of the combustion period (C).

ここで、図5に示したように、高圧リタード噴射として、圧縮行程後期の2回(P1,P2)に分けて燃料を噴射したのは、燃料の気化霧化の促進と乱流エネルギーの向上とをそれぞれ狙ったものである。   Here, as shown in FIG. 5, as the high-pressure retarded injection, the fuel was injected in two stages (P1, P2) in the latter half of the compression stroke because the fuel atomization was promoted and the turbulent energy was improved. And aimed at each.

すなわち、1回目の燃料噴射P1は、相対的に長い混合気形成期間(B)を確保することができるため、燃料の気化霧化に有利である。そして、1回目の燃料噴射P1によって十分な混合気形成期間(B)が確保される分、2回目の燃料噴射P2のタイミングは、より一層遅れたタイミングに設定することが可能になる。このことは、燃焼室19内の乱流エネルギーの向上に有利になり、燃焼期間(C)の短縮に貢献する。この場合において、1回目の燃料噴射P1と2回目の燃焼噴射P2の割合は、2回目の燃料噴射P2の噴射量を、1回目の燃料噴射P2の噴射量よりも多く設定することが望ましい。このようにすることで、燃焼室19内の乱れエネルギーが十分に高まり、燃焼期間(C)の短縮、ひいては異常燃焼の回避に有利になる。   That is, the first fuel injection P1 can ensure a relatively long air-fuel mixture formation period (B), which is advantageous for fuel vaporization atomization. Then, the timing of the second fuel injection P2 can be set to a timing that is further delayed as long as a sufficient mixture formation period (B) is secured by the first fuel injection P1. This is advantageous for improving the turbulent energy in the combustion chamber 19 and contributes to shortening the combustion period (C). In this case, it is desirable that the ratio of the first fuel injection P1 and the second combustion injection P2 is set such that the injection amount of the second fuel injection P2 is larger than the injection amount of the first fuel injection P2. By doing so, the turbulent energy in the combustion chamber 19 is sufficiently increased, which is advantageous for shortening the combustion period (C) and thus avoiding abnormal combustion.

以上のように、急速リタードSIモードにおける高圧リタード噴射により、燃料噴射期間(A)、混合気形成期間(B)、および燃焼期間(C)をそれぞれ短縮することかできる。その結果、図5に示したように、燃料の噴射開始時期θinjから燃焼終了時期θendまでの期間(未燃混合気の存在期間)を、吸気行程中に燃料噴射する従来の場合と比較して大幅に短縮することができる。そして、当該期間の短縮により、圧縮比が高く、しかも負荷Tの高い条件下であっても、異常燃焼を引き起こすことなく、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、図6の上段に示すように、低い噴射圧力で吸気行程噴射する従来のSI燃焼では、白丸の点で示すように、未燃混合気の反応進行度が着火しきい値を超えてしまい、異常燃焼が発生してしまうのに対し、高圧リタード噴射を用いたSI燃焼、つまり急速リタードSI燃焼では、黒丸の点で示すように、未燃混合気の反応の進行を抑制し、異常燃焼を回避することが可能になる。なお、図6の上段における白丸と黒丸とで、点火時期は互いに同じタイミングに設定している。   As described above, the fuel injection period (A), the mixture formation period (B), and the combustion period (C) can be shortened by high-pressure retarded injection in the rapid retarded SI mode. As a result, as shown in FIG. 5, the period from the fuel injection start timing θinj to the combustion end timing θend (the period in which the unburned mixture is present) is compared with the conventional case where fuel is injected during the intake stroke. It can be greatly shortened. And by shortening the said period, even if the compression ratio is high and the load T is high, the air-fuel mixture can be burned out by proper flame propagation without causing abnormal combustion. That is, as shown in the upper part of FIG. 6, in the conventional SI combustion in which the intake stroke injection is performed at a low injection pressure, the reaction progress of the unburned mixture exceeds the ignition threshold as shown by the white circles. In contrast, abnormal combustion occurs, whereas SI combustion using high-pressure retarded injection, that is, rapid retarded SI combustion, suppresses the progress of the reaction of the unburned mixture, as indicated by the black circles, and abnormal combustion. Can be avoided. It should be noted that the ignition timing is set to the same timing for the white circle and the black circle in the upper part of FIG.

しかも、急速リタードSI燃焼では、燃焼期間(C)が大幅に短縮化されることから、たとえ点火時期θigに基づく燃焼開始時期が、圧縮上死点から、ある程度遅れたタイミングに設定されていたとしても、膨張行程がかなり進行するまで燃焼が緩慢に継続するといったことがなく、熱効率および出力トルクの低下が避けられる。もちろん、点火時期θigを図5の例よりもさらに進角させれば、熱効率および出力トルクをさらに向上できる可能性がある。しかし、点火時期θigを早めると、ノッキングが起き易くなるため、ノッキングを起こさないという制約の下で、点火時期θigを可能な限り進角側に設定すべきである。   Moreover, in the rapid retarded SI combustion, since the combustion period (C) is greatly shortened, it is assumed that the combustion start timing based on the ignition timing θig is set to a timing delayed to some extent from the compression top dead center. However, combustion does not continue slowly until the expansion stroke has progressed considerably, and a decrease in thermal efficiency and output torque can be avoided. Of course, if the ignition timing θig is further advanced than in the example of FIG. 5, the thermal efficiency and the output torque may be further improved. However, if the ignition timing θig is advanced, knocking is likely to occur. Therefore, the ignition timing θig should be set as far as possible under the restriction that knocking does not occur.

図7は、エンジン1の低負荷域、つまり図5のCIモード領域αで実行されるリーンHCCIモードの燃焼制御における燃料噴射時期と吸排気弁21,22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、上記リーンHCCIモードでは、燃料噴射のタイミングが吸気行程中に設定され、ポート燃料噴射手段57のポートインジェクタ68から0.3〜0.4MPa程度の低圧で吸気ポート16に比較的少量の燃料が噴射されることにより、燃焼室19内に均質なリーン混合気が形成される。そして、このリーンな混合気が、ピストン14の圧縮作用により高温、高圧状態となって、圧縮上死点付近で自着火することにより、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。   FIG. 7 is caused by the fuel injection timing and the lift characteristics of the intake and exhaust valves 21 and 22 in the lean HCCI mode combustion control executed in the low load region of the engine 1, that is, the CI mode region α of FIG. It is a figure which shows a heat release rate (J / deg). As shown in the figure, in the lean HCCI mode, the fuel injection timing is set during the intake stroke, and the port injector 68 of the port fuel injection means 57 is supplied to the intake port 16 at a low pressure of about 0.3 to 0.4 MPa. By injecting a relatively small amount of fuel, a homogeneous lean air-fuel mixture is formed in the combustion chamber 19. This lean air-fuel mixture becomes a high temperature and high pressure state due to the compression action of the piston 14, and self-ignition near the compression top dead center causes combustion accompanied by heat generation as shown by the waveform Qa. Become.

上記リーンHCCIモードでは、燃焼室19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、燃焼室19の全体に亘って2以上となるように設定される。ただし、このように大幅にリーンでかつ均質な空燃比下では、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、上記リーンHCCIモードでは、VVL71を駆動して排気弁22を吸気行程中に開弁させることにより、排気ガスを燃焼室19内に逆流させる内部EGRが実行される。すなわち、排気弁22は、通常、排気行程のみで開弁するが(図7のリフトカーブEX)、VVL71の駆動に基づき排気弁22を吸気行程でも開弁させることにより(リフトカーブEX’)、排気ポート17から燃焼室19に排気ガスを逆流させる。このように、高温の排気ガスを燃焼室19に逆流(残留)させることで、燃焼室19を高温化して、混合気の自着火を促進できる。   In the lean HCCI mode, 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 19 by the stoichiometric air-fuel ratio (14.7), extends over the entire combustion chamber 19. It is set to be 2 or more. However, under such a substantially lean and homogeneous air-fuel ratio, misfire may occur unless the in-cylinder temperature is intentionally increased. Therefore, in the lean HCCI mode, the internal EGR that causes the exhaust gas to flow back into the combustion chamber 19 is performed by driving the VVL 71 and opening the exhaust valve 22 during the intake stroke. That is, the exhaust valve 22 is normally opened only in the exhaust stroke (lift curve EX in FIG. 7), but by opening the exhaust valve 22 in the intake stroke based on driving of the VVL 71 (lift curve EX ′), Exhaust gas is caused to flow backward from the exhaust port 17 to the combustion chamber 19. In this way, by causing the high-temperature exhaust gas to flow back (residual) into the combustion chamber 19, the temperature of the combustion chamber 19 can be increased and self-ignition of the air-fuel mixture can be promoted.

ここで、燃焼室19に残留する排気ガスの量(内部EGR量)は、低負荷側ほど多く、高負荷側ほど少なく設定される。これに対し、燃焼室19に導入される空気(新気)の量は、低負荷側ほど少なく、高負荷側ほど多く設定される。そのための制御として、上記リーンHCCIモードでは、吸気弁21のリフト量が、負荷の高まりとともに徐々に増大するように設定される。図7中の一点鎖線のリフトカーブINは、吸気弁21が小リフト状態のときのリフトカーブであり、この状態から負荷が高まると、それに伴って吸気弁21のリフト量が破線のリフトカーブを上限として徐々に増大するように設定される。上記のように吸気弁21のリフト量を増大させる際には、吸気弁21の閉時期が吸気下死点(吸気行程と圧縮行程の間のBDC)の近傍に固定されたまま、吸気弁21の開時期のみが排気上死点(排気行程と吸気行程の間のTDC)に向けて徐々に進角するように、吸気弁11の開閉タイミングおよびリフト量が上記VVT72およびCVVL73によって調整される。   Here, the amount of exhaust gas remaining in the combustion chamber 19 (internal EGR amount) is set to be larger on the low load side and smaller on the high load side. On the other hand, the amount of air (fresh air) introduced into the combustion chamber 19 is set to be smaller on the low load side and larger on the high load side. As a control for that purpose, in the lean HCCI mode, the lift amount of the intake valve 21 is set to gradually increase as the load increases. A lift curve IN indicated by a one-dot chain line in FIG. 7 is a lift curve when the intake valve 21 is in a small lift state. When the load increases from this state, the lift amount of the intake valve 21 is changed to a broken lift curve. The upper limit is set so as to increase gradually. When the lift amount of the intake valve 21 is increased as described above, the intake valve 21 is closed while the closing timing of the intake valve 21 is fixed in the vicinity of the intake bottom dead center (BDC between the intake stroke and the compression stroke). The opening / closing timing and the lift amount of the intake valve 11 are adjusted by the VVT 72 and the CVVL 73 so that only the opening timing of the valve gradually advances toward the exhaust top dead center (TDC between the exhaust stroke and the intake stroke).

なお、リーンHCCIモードでは、上記のように排気弁22の再開弁(吸気行程中の開弁)に基づく内部EGRが実行されるため、排気還流手段54による排気還流は停止される。すなわち、EGR通路50に設けられたEGR弁511の開度が全閉に設定されることにより、排気通路40から吸気通路30への排気ガスの還流が停止される。   In the lean HCCI mode, the internal EGR based on the restart valve (opening during the intake stroke) of the exhaust valve 22 is executed as described above, so that the exhaust gas recirculation by the exhaust gas recirculation means 54 is stopped. That is, when the opening degree of the EGR valve 511 provided in the EGR passage 50 is set to be fully closed, the recirculation of the exhaust gas from the exhaust passage 40 to the intake passage 30 is stopped.

また、上記リーンHCCIモードでは、上述したように空気過剰率λが2以上という大幅にリーンな値に設定される。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ると、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にまでリーンになると、三元触媒によるNOxの浄化作用をほとんど期待できないが、λ≧2のときに燃焼により生じるNOx量(生のNOx量)は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 lean HCCI mode, the excess air ratio λ is set to a significantly lean value of 2 or more as described above. When the air-fuel mixture that is set to be lean as described above 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. Note that when λ ≧ 2, the NOx purification action by the three-way catalyst can hardly be expected, but the amount of NOx (raw NOx amount) generated by combustion when λ ≧ 2 is greatly reduced. Even if a special catalyst (for example, NOx trap catalyst) is not provided in addition to the original catalyst, the amount of NOx contained in the exhaust gas can be suppressed to a sufficiently small value.

上記CIモード領域αよりもエンジン1の負荷が高いSIモード領域βでは、図8に示すような急速リタードSI燃焼制御が実行される。すなわち、圧縮上死点以前に直噴インジェクタ67から燃焼室19内に燃料を噴射させ(P1,P2)、この燃料噴射P1,P2の後に点火プラグ25による強制着火を行うことにより、圧縮上死点を過ぎたタイミングから火炎伝播により混合気を燃焼させる制御が実行される。   In the SI mode region β where the load of the engine 1 is higher than the CI mode region α, the rapid retarded SI combustion control as shown in FIG. 8 is executed. That is, the fuel is injected from the direct injection injector 67 into the combustion chamber 19 before the compression top dead center (P1, P2), and the forced injection by the spark plug 25 is performed after the fuel injection P1, P2, thereby causing the compression top dead center. Control is performed to burn the air-fuel mixture by flame propagation from the timing past the point.

上記燃料噴射P1,P2によるトータルの噴射量は、燃焼室19内に理論空燃比(空気過剰率λ=1)の混合気を形成し得る量に設定される。また、上記急速リタードSI燃焼が行われるSIモード領域βでは、上記CIモード領域αよりもエンジン負荷が高いため、このCIモード領域よりも燃料の噴射量がよりも多くなる。そこで、この増量される燃料に見合う多量の新気を確保すべく、エンジン負荷の増大に応じてCVVL73が駆動され、吸気弁21のリフト量がさらに増大される(リフトカーブIN)。なお、図8の例では、吸気弁21のリフトピーク位置を固定したままリフト量を増大させている。このため、リフト量の増大に伴って、吸気弁21の開時期は排気行程内に進角し、閉時期は圧縮行程内に進角することになる。このような吸気弁21の開閉タイミングの変更は、ポンピングロスの低減に有利となる。
The total injection amount by the fuel injections P1 and P2 is set to an amount capable of forming an air-fuel mixture having a stoichiometric air-fuel ratio (excess air ratio λ = 1) in the combustion chamber 19. Further, in the SI mode region β in which the rapid retarded SI combustion is performed, the engine load is higher than that in the CI mode region α. Therefore, the fuel injection amount is larger than that in the CI mode region. Therefore, in order to secure a large amount of fresh air commensurate with the increased fuel, the CVVL 73 is driven according to an increase in engine load, and the lift amount of the intake valve 21 is further increased (lift curve IN). In the example of FIG. 8, the lift amount is increased while the lift peak position of the intake valve 21 is fixed. For this reason, as the lift amount increases, the opening timing of the intake valve 21 is advanced within the exhaust stroke, and the closing timing is advanced within the compression stroke. Such a change in the opening / closing timing of the intake valve 21 is advantageous in reducing pumping loss.

また、上記急速リタードSIモードの燃焼状態では、EGR通路50を通じて排気ガスを吸気通路30に還流させる外部EGRが実行される。なお、上述したように、急速リタードSIモードの実行領域(図4のSIモード領域β)では、必要な新気量が多いために、エンジン負荷(トルク)の増大に応じて外部EGR領が低減され、全負荷域の近傍では、より多量の新気を確保するために、外部EGR量は0に設定される。   Further, in the rapid retarded SI mode combustion state, external EGR for returning the exhaust gas to the intake passage 30 through the EGR passage 50 is executed. As described above, in the execution region of the rapid retarded SI mode (SI mode region β in FIG. 4), the amount of fresh air required is large, so the external EGR region decreases as the engine load (torque) increases. In the vicinity of the full load range, the external EGR amount is set to 0 in order to secure a larger amount of fresh air.

上記燃料噴射P1,P2による噴射燃料に基づき形成される理論空燃比(λ=1)の混合気は、上記各噴射P1,P2の完了から比較的短い期間を空けた所定のタイミング(図例では圧縮上死点の直後)で実行される火花点火をきっかけに、通常よりも急速な火炎伝播によって燃焼し始め、図中の波形Qbに示すように、膨張行程のそう遅くない時期までに燃焼を完了させる。   The stoichiometric air-fuel ratio (λ = 1) mixture formed on the basis of the fuel injected by the fuel injections P1 and P2 has a predetermined timing (in the example shown in the figure) after a relatively short period from the completion of the injections P1 and P2. Triggered by the spark ignition executed immediately after compression top dead center), combustion starts by flame propagation that is faster than usual, and combustion is performed by the time when the expansion stroke is not so late as shown by the waveform Qb in the figure. Complete.

上記のようにSIモード領域βにおいて、リーンHCCIモードの燃焼(自着火による予混合圧縮自己着火燃焼)ではなく、急速リタードSI燃焼(火花点火に基づく火炎伝播燃焼)を実行するのは、負荷Tが相対的に高く、トータルの燃料噴射量が多いSIモード領域βで、これよりも負荷の低い領域と同様に、リーンHCCIモードの燃焼を継続させた場合には、異常燃焼の発生やスートの増大を招く可能性が高くなるためである。   As described above, in the SI mode region β, rapid retarded SI combustion (flame propagation combustion based on spark ignition) is performed instead of lean HCCI mode combustion (premixed compression self-ignition combustion by self-ignition). When the combustion in the lean HCCI mode is continued in the SI mode region β where the fuel injection amount is relatively high and the total fuel injection amount is large and the load is lower than this, the occurrence of abnormal combustion or soot This is because there is a high possibility of causing an increase.

このようにエンジン1の高負荷域に設定されたSIモード領域βにおいては、適切なCI燃焼の継続が困難であるため、上記SIモード領域βにまで負荷が高まったときに、CI燃焼状態からSI燃焼へと切り替えるようにしている。ただし、上述したように、当実施形態のエンジン1は、部分負荷域でCI燃焼を確実に行わせるために、幾何学的圧縮比が14以上というかなり高い値に設定されている。よって、通常のSI燃焼、つまり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という制御を、上記SIモード領域βで実行した場合には、上述したプリイグニッションや、火炎伝播の途中で未燃混合気(エンドガス)が自着火するノッキングのような異常燃焼を引き起こすことが懸念される。このため、図8に示したような急速リタードSIモードに基づく特殊なSI燃焼が必要となる。   Thus, in the SI mode region β set in the high load region of the engine 1, it is difficult to continue the appropriate CI combustion. Therefore, when the load increases to the SI mode region β, the CI combustion state starts from the CI combustion state. The system switches to SI combustion. However, as described above, in the engine 1 of the present embodiment, the geometric compression ratio is set to a considerably high value of 14 or more in order to reliably perform the CI combustion in the partial load region. Therefore, normal SI combustion, that is, control that injects fuel well before compression top dead center (for example, during the intake stroke) and performs spark ignition near the compression top dead center is executed in the SI mode region β. In such a case, there is a concern that abnormal combustion such as the above-described pre-ignition or knocking in which the unburned air-fuel mixture (end gas) self-ignites during the flame propagation is caused. For this reason, special SI combustion based on the rapid retarded SI mode as shown in FIG. 8 is required.

また、上記急速リタードSIモードにおける燃料噴射の形態は、前述した筒内燃料噴射手段62による高圧リタード噴射である。したがって、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてのリタード期間内に、高圧燃料ポンプ63により30MPa以上に高められた燃料圧力でもって、筒内燃料噴射手段62の直噴インジェクタ67から燃料を気筒18内に直接、噴射する。   The form of fuel injection in the rapid retard SI mode is high-pressure retarded injection by the in-cylinder fuel injection means 62 described above. Therefore, fuel is supplied from the direct injection injector 67 of the in-cylinder fuel injection means 62 into the cylinder 18 with the fuel pressure increased to 30 MPa or more by the high-pressure fuel pump 63 during the retard period from the latter stage of the compression stroke to the early stage of the expansion stroke. Inject directly.

なお、図8に示すように、前段の第1噴射P1と、後段の第2噴射P2との二回に分割した燃料噴射に代え、上記高圧リタード噴射を一回の噴射(一括噴射)によって構成してもよい。さらに、吸気充填効率の向上を目的として、吸気行程中にポート燃料噴射手段57による低圧の燃料噴射が追加される場合がある。この吸気行程噴射は、燃料噴射に伴う吸気の冷却効果によって吸気充填効率が向上し、トルクの向上に有利になる。   In addition, as shown in FIG. 8, it replaces with the fuel injection divided | segmented twice into the 1st injection P1 of the front | former stage, and the 2nd injection P2 of the back | latter stage, The said high pressure retarded injection is comprised by one injection (collective injection). May be. Furthermore, low-pressure fuel injection by the port fuel injection means 57 may be added during the intake stroke for the purpose of improving intake charging efficiency. In this intake stroke injection, the intake air charging efficiency is improved by the intake air cooling effect accompanying the fuel injection, which is advantageous in improving the torque.

ここで、前述の通り、筒内燃料噴射手段62による燃料の噴射圧力は極めて高いため、吸気行程中に上記筒内燃料噴射手段62のポートインジェクタ68から気筒18内に直接燃料を噴射してしまうと、気筒18内の壁面(シリンダライナー)に燃料が大量に付着して、オイル希釈等の問題を引き起こす可能性がある。しかし、上記のように吸気行程噴射を、筒内燃料噴射手段62の直噴インジェクタ67ではなく、相対的に低い燃料圧力でもって燃料を噴射するポート燃料噴射手段57のポートインジェクタ68から吸気ポート16内に燃料を噴射するように構成することにより、上記オイル希釈等の問題を回避することができる。   Here, as described above, since the fuel injection pressure by the in-cylinder fuel injection unit 62 is extremely high, the fuel is directly injected into the cylinder 18 from the port injector 68 of the in-cylinder fuel injection unit 62 during the intake stroke. Then, a large amount of fuel may adhere to the wall surface (cylinder liner) in the cylinder 18 and cause problems such as oil dilution. However, as described above, the intake stroke injection is performed not from the direct injection injector 67 of the in-cylinder fuel injection means 62 but from the port injector 68 of the port fuel injection means 57 that injects fuel with a relatively low fuel pressure. By configuring to inject the fuel into the inside, problems such as oil dilution can be avoided.

図9は、低速域内における負荷の変動に対するエンジン1の各パラメータ、つまり、スロットル弁36の開度(b)、EGR弁511の開度(c)、排気の二度開きモードにおける閉弁タイミング(d)、吸気弁21の開弁タイミング(e)、吸気弁21の閉弁タイミング(f)、および吸気弁のリフト量(g)の制御例をそれぞれ示している。   FIG. 9 shows each parameter of the engine 1 with respect to the load fluctuation in the low speed range, that is, the opening degree (b) of the throttle valve 36, the opening degree (c) of the EGR valve 511, and the closing timing in the exhaust double opening mode ( d), control examples of the valve opening timing (e) of the intake valve 21, the valve closing timing (f) of the intake valve 21, and the lift amount (g) of the intake valve are shown.

図9(a)は、気筒18内の状態を示している。同図は、横軸をトルク(言い換えるとエンジン負荷)、縦軸を気筒内の混合気充填量として、気筒内の混合気の構成を示している。前述の通り、相対的に負荷の低い図の左側の領域はCIモードとなり、所定負荷よりも負荷が高い図の右側の領域はSIモードとなる。燃料量(総括燃料量)は、CIモードおよびSIモードに拘わらず、エンジン負荷の増大に従って増量される。この燃料量に対して、理論空燃比(λ=1)となるための新気量が設定されることとなり、この新気量は、負荷の増大に対し、燃料量の増量に伴って増量することになる。   FIG. 9A shows the state in the cylinder 18. This figure shows the configuration of the air-fuel mixture in the cylinder with the horizontal axis representing torque (in other words, engine load) and the vertical axis representing the air-fuel mixture charge amount in the cylinder. As described above, the area on the left side of the figure with a relatively low load is the CI mode, and the area on the right side of the figure with a higher load than the predetermined load is the SI mode. The fuel amount (total fuel amount) is increased as the engine load increases regardless of the CI mode and the SI mode. A fresh air amount for setting the stoichiometric air-fuel ratio (λ = 1) is set with respect to this fuel amount, and this new air amount increases with an increase in the fuel amount as the load increases. It will be.

リーンHCCI燃焼が行われるCIモードにおいては、前述の通り、内部EGRガスが気筒18内に導入されることから、充填量の残り分は、内部EGRガスと余剰の新気とによって構成される。したがって、上記CIモードでは、リーン混合気となる。一方、急速リタードSI燃焼が行われるSIモードでは、λ=1となるようにエンジン1が運転されるとともに、内部EGRガスの導入が中止される。   In the CI mode in which lean HCCI combustion is performed, as described above, since the internal EGR gas is introduced into the cylinder 18, the remaining amount of the filling amount is constituted by the internal EGR gas and excess fresh air. Therefore, in the CI mode, a lean air / fuel mixture is obtained. On the other hand, in the SI mode in which the rapid retarded SI combustion is performed, the engine 1 is operated so that λ = 1, and the introduction of the internal EGR gas is stopped.

気筒18内の状態が、図9(a)に示すような状態となるように、スロットル弁36は、同図(b)に示すように、エンジン1の負荷の高低に拘わらず全開に設定される。一方、EGR弁511は、図9(c)に示すように、CIモードでは閉じられたままになるのに対し、SIモードでは開弁される。EGR弁511の開度は、SIモードにおいて低負荷ほど大きく高負荷ほど小さくなるように、エンジン負荷の増大に伴い次第に小さくされる。より正確には、CIモードとSIモードとの切り替わりにおいては全開とされ、全開負荷において全閉とされる。したがって、この制御例では、SIモードにおいても、全開負荷時に外部EGRガスの気筒18内への導入が停止される。   As shown in FIG. 9B, the throttle valve 36 is set to fully open regardless of the load level of the engine 1 so that the state in the cylinder 18 becomes as shown in FIG. The On the other hand, as shown in FIG. 9C, the EGR valve 511 remains closed in the CI mode, whereas it is opened in the SI mode. The opening degree of the EGR valve 511 is gradually decreased as the engine load increases so that the lower the load and the higher the load in the SI mode. More precisely, it is fully open at the switching between the CI mode and the SI mode, and is fully closed at the fully open load. Therefore, in this control example, even in the SI mode, the introduction of the external EGR gas into the cylinder 18 is stopped at the fully open load.

図9(d)は、排気の二度開きモードにおける排気弁22の閉弁タイミングを示している。CIモードでは、前述の通り、内部EGRガスを気筒18内に導入すべく、その閉弁タイミングが排気上死点と吸気下死点との間の所定タイミングに設定される。一方、SIモードでは、その閉弁タイミングが排気上死点に設定される。つまり、SIモードでは、排気弁22の二度開きが中止されることにより、内部EGRが停止される。   FIG. 9D shows the closing timing of the exhaust valve 22 in the exhaust double opening mode. In the CI mode, the valve closing timing is set to a predetermined timing between the exhaust top dead center and the intake bottom dead center in order to introduce the internal EGR gas into the cylinder 18 as described above. On the other hand, in the SI mode, the valve closing timing is set to the exhaust top dead center. That is, in the SI mode, the internal EGR is stopped by stopping the exhaust valve 22 from being opened twice.

また、図9(e)に示すように、CIモードでは、エンジン1の負荷が高くなるほど吸気弁21の開弁タイミングが排気上死点に近づくように進角される。したがって、エンジン1の負荷が低いほど、気筒18内に導入される内部EGRガスが増量するのに対し、エンジン1の負荷が高くなればなるほど、気筒18内に導入される内部EGRガスは減少する。エンジン1の負荷が低いほど、大量の内部EGRガスによって気筒18内の圧縮端温度が高まるため、安定した圧縮自己着火燃焼を実現する上で有利になり、かつエンジン1の負荷が高いほど、内部EGRガスを抑制することで気筒18内の圧縮端温度の上昇を抑制するため、過早着火を抑制する上で有利になる。   Further, as shown in FIG. 9E, in the CI mode, the valve opening timing of the intake valve 21 is advanced so as to approach the exhaust top dead center as the load of the engine 1 increases. Therefore, the internal EGR gas introduced into the cylinder 18 increases as the load on the engine 1 decreases, whereas the internal EGR gas introduced into the cylinder 18 decreases as the load on the engine 1 increases. . As the load on the engine 1 is lower, the compression end temperature in the cylinder 18 is increased by a large amount of internal EGR gas, which is advantageous in realizing stable compression self-ignition combustion. By suppressing the EGR gas, an increase in the compression end temperature in the cylinder 18 is suppressed, which is advantageous in suppressing premature ignition.

一方、吸気弁21の開弁タイミングは、図9(e)に示すように、SIモードにおいて排気上死点で一定とされ、吸気弁21の閉弁タイミングは、図9(f)に示すように、CIモードおよびSIモードにおいて吸気下死点で一定とされる。従って、SIモードでは、スロットル弁36が全開で一定にされ(図9(b))、吸気弁21の開弁タイミングおよび閉弁タイミングが一定にされるとともに、リフト量が最大で一定にされる(図9(g))。このことから、EGR弁511の開度調整によって、気筒18内の導入される新気量と、外部EGRガス量との割合が調整されることになる。このような制御は、ポンプ損失の低減に有利である。また、SIモードにおいて、外部EGRガスを気筒18内に導入することは、冷却損失の低減、異常燃焼の回避、およびRaw NOxの抑制に有利になる。   On the other hand, the opening timing of the intake valve 21 is constant at the exhaust top dead center in the SI mode as shown in FIG. 9E, and the closing timing of the intake valve 21 is as shown in FIG. 9F. Furthermore, the intake bottom dead center is constant in the CI mode and the SI mode. Therefore, in the SI mode, the throttle valve 36 is made constant when fully opened (FIG. 9B), the opening timing and closing timing of the intake valve 21 are made constant, and the lift amount is made constant at the maximum. (FIG. 9 (g)). From this, the ratio between the amount of fresh air introduced into the cylinder 18 and the amount of external EGR gas is adjusted by adjusting the opening of the EGR valve 511. Such control is advantageous in reducing pump loss. Further, in the SI mode, introducing the external EGR gas into the cylinder 18 is advantageous in reducing cooling loss, avoiding abnormal combustion, and suppressing Raw NOx.

図10は、エンジン1の負荷の変動に対する各制御パラメータであって、G/F(b)、噴射タイミング(c)、燃料圧力(d)、噴射期間に対応した燃料噴射パルス幅(e)、及び点火タイミング(f)の変化を示している。   FIG. 10 shows control parameters with respect to fluctuations in the load of the engine 1, and G / F (b), injection timing (c), fuel pressure (d), fuel injection pulse width (e) corresponding to the injection period, And the change of ignition timing (f) is shown.

気筒18内における混合気の状態は、図10(a)に示すようになるため、図10(b)に示すように、CIモードでは、G/Fが燃料量の増大に伴いリーンから次第に理論空燃比に近づくようになる。また、SIモードでは、外部EGRガスを気筒18内に導入していることから、上記CIモードに連続しつつ、エンジン負荷の増大に応じて次第に減少する。   Since the state of the air-fuel mixture in the cylinder 18 is as shown in FIG. 10 (a), as shown in FIG. 10 (b), in the CI mode, the G / F gradually increases from the lean as the fuel amount increases. It approaches the air-fuel ratio. In the SI mode, since the external EGR gas is introduced into the cylinder 18, the SI mode gradually decreases as the engine load increases while continuing to the CI mode.

燃料噴射タイミングは、図10(c)に示すように、CIモードにおいては、一例として、排気上死点と吸気下死点との間の吸気行程中に設定される。この燃料噴射タイミングを、エンジン1の負荷に応じて変更してもよい。これに対してSIモードでは、燃料噴射タイミングが圧縮行程後半から膨張行程初期にかけてのリタード期間に設定されることにより、高圧リタード噴射される。また、SIモードでは、エンジン負荷の増大に伴い、その噴射タイミングは次第に遅角側に変更される。これは、エンジン負荷の増大に伴い、気筒18内の圧力及び温度が高まって異常燃焼が発生し易くなることから、これを効率的に回避するには、燃焼の噴射タイミングを遅角側に設定する必要があるためである。   As shown in FIG. 10C, the fuel injection timing is set, for example, during the intake stroke between the exhaust top dead center and the intake bottom dead center in the CI mode. The fuel injection timing may be changed according to the load of the engine 1. In contrast, in the SI mode, the fuel injection timing is set to the retard period from the latter half of the compression stroke to the early stage of the expansion stroke, whereby high pressure retarded injection is performed. In the SI mode, the injection timing is gradually changed to the retard side as the engine load increases. This is because, as the engine load increases, the pressure and temperature in the cylinder 18 increase and abnormal combustion is likely to occur. To avoid this efficiently, the combustion injection timing is set to the retard side. It is necessary to do.

ここで、図10(c)の実線は、高圧リタード噴射を一回の燃料噴射によって行う一括噴射の場合の、燃料噴射タイミングの一例を示している。これに対し、図10(c)の一点鎖線は、高圧リタード噴射を、第1噴射と第2噴射との二回の燃料噴射に分割した場合の第1噴射及び第2噴射それぞれの燃料噴射タイミングの一例を示している。これによると、分割噴射における第2噴射は、一括噴射を行う場合よりも、遅角側に実行することになるため、異常燃焼の回避により有利になる。これは、前述したように、比較的早期に第1噴射を実行して燃料の気化霧化時間を確保していること、および第2噴射の燃料噴射量が相対的少なくなるために必要な気化霧化時間が短くなることに起因する。   Here, the solid line in FIG. 10C shows an example of the fuel injection timing in the case of collective injection in which the high pressure retarded injection is performed by one fuel injection. In contrast, the alternate long and short dash line in FIG. 10C indicates the fuel injection timing of each of the first injection and the second injection when the high pressure retarded injection is divided into two fuel injections of the first injection and the second injection. An example is shown. According to this, since the second injection in the divided injection is executed on the retard side as compared with the case of performing the batch injection, it is advantageous for avoiding abnormal combustion. As described above, this is because the first injection is executed relatively early to secure the vaporization atomization time of the fuel, and the vaporization necessary for relatively reducing the fuel injection amount of the second injection. This is because the atomization time is shortened.

さらに、図10(c)に点線で示すように、エンジン1の全開負荷域においては、総括燃料噴射量が多くなることから、燃料噴射量の増量分を、吸気充填効率の向上を目的として、吸気行程噴射を実行するようにしてもよい。   Further, as indicated by a dotted line in FIG. 10 (c), the overall fuel injection amount increases in the fully open load region of the engine 1, so that the increase in the fuel injection amount is increased for the purpose of improving the intake charging efficiency. Intake stroke injection may be executed.

図10(d)は、直噴インジェクタ67に供給される燃料圧力の変化を示しており、CIモードでは最小燃料圧力で一定に設定される。これに対してSIモードでは、最小燃料圧力よりも高い燃料圧力に設定されるとともに、エンジン負荷の増大に伴い、燃料圧力が増大するように設定される。これは、エンジン負荷が高くなるにつれて異常燃焼が発生し易くなることから、噴射期間のさらなる短縮や、噴射タイミングのさらなる遅角化が求められるためである。また、SIモードにおいて外部EGRガスを導入することから、特にエンジン1の運転状態が中負荷域にあるときには、燃焼が緩慢になって燃焼期間が長くなる虞がある。そこで、燃焼期間の短縮を目的に、この制御例では、外部EGRの導入を行わないと仮定した場合に設定される場合(同図の一点鎖線を参照)と比較して、燃料圧力がより高い値に調節される。   FIG. 10D shows a change in the fuel pressure supplied to the direct injection injector 67. In the CI mode, the fuel pressure is set to be constant at the minimum fuel pressure. In contrast, in the SI mode, the fuel pressure is set to be higher than the minimum fuel pressure, and the fuel pressure is set to increase as the engine load increases. This is because abnormal combustion is likely to occur as the engine load increases, and therefore further reduction in the injection period and further delay in the injection timing are required. Further, since the external EGR gas is introduced in the SI mode, particularly when the operating state of the engine 1 is in the middle load range, there is a possibility that the combustion becomes slow and the combustion period becomes long. Therefore, for the purpose of shortening the combustion period, in this control example, the fuel pressure is higher compared to the case where it is set when it is assumed that no external EGR is introduced (see the one-dot chain line in the figure). Adjusted to the value.

図10(e)は、一括噴射を行う場合の噴射期間に相当する噴射パルス幅(インジェクタの開弁期間)の変化を示しており、CIモードにおいては、燃料噴射量の増大に伴いパルス幅も大きくなり、SIモードにおいても同様に、燃料噴射量の増大に伴いパルス幅も大きくなる。しかしながら、同図(d)に示すように、SIモードでは、CIモードよりも燃料圧力が大幅に高く設定されているため、SIモードにおける燃料噴射量は、CIモードにおける燃料噴射量よりも多いにも拘わらず、そのパルス幅は、CIモードのパルス幅よりも短く設定される。これは、未燃混合気の存在期間を短縮し、異常燃焼の回避に有利になる。   FIG. 10 (e) shows the change in the injection pulse width (injector opening period) corresponding to the injection period in the case of performing batch injection. In the CI mode, the pulse width also increases as the fuel injection amount increases. Similarly, in the SI mode, the pulse width increases as the fuel injection amount increases. However, as shown in FIG. 4D, the fuel pressure in the SI mode is set to be significantly higher than that in the CI mode, so that the fuel injection amount in the SI mode is larger than the fuel injection amount in the CI mode. Nevertheless, the pulse width is set shorter than the pulse width in the CI mode. This shortens the duration of the unburned mixture and is advantageous for avoiding abnormal combustion.

また、図10(f)は、点火タイミングの変化を示しており、SIモードでは、燃料噴射タイミングがエンジン負荷の増大とともに遅角されることに従って、点火タイミングもまた、エンジン負荷の増大とともに遅角される。これは、異常燃焼の回避に有利である。また、CIモードでは、基本的には点火を実行しないものの、点火プラグ25のくすぶりを回避する目的で、同図に一点鎖線で示すように、例えば排気上死点付近で点火を行ってもよい。   FIG. 10F shows the change in the ignition timing. In the SI mode, as the fuel injection timing is retarded as the engine load increases, the ignition timing also retards as the engine load increases. Is done. This is advantageous for avoiding abnormal combustion. In the CI mode, although ignition is basically not performed, for the purpose of avoiding smoldering of the spark plug 25, for example, ignition may be performed in the vicinity of the exhaust top dead center as shown by a one-dot chain line in FIG. .

次に、図11に示すフローチャートを参照しながら、PCM10により実行されるエンジン1の制御を詳細に説明する。まず、ステップSA1において積算AWS実行時間を読み込んだ後、この読み込まれたAWS実行時間が所定値以上であるか否かを、ステップSA2において判定する。このAWS(Accelerated Warm-up System)は、エンジン1の始動時に排気ガスの温度を高めてキャタリスト41,42の活性化を早めることで、排気ガスの浄化を促進するシステムであり、エンジン1の始動後に、予め定められた所定時間だけAWSモードの制御が実行される。したがって、ステップSA2の判定においてNOのとき、つまりAWS実行時間が所定値以上でないときには、ステップSA3に移行してAWSモードとする。AWSモードでは、基本的に、吸入空気量を増量させるとともに、点火プラグ25の点火タイミングを大幅にリタードさせたSI燃焼を行う。   Next, the control of the engine 1 executed by the PCM 10 will be described in detail with reference to the flowchart shown in FIG. First, after reading the accumulated AWS execution time in step SA1, it is determined in step SA2 whether or not the read AWS execution time is a predetermined value or more. This AWS (Accelerated Warm-up System) is a system that accelerates the purification of exhaust gas by increasing the temperature of the exhaust gas at the start of the engine 1 to accelerate the activation of the catalyst 41, 42. After starting, the control in the AWS mode is executed for a predetermined time. Accordingly, when the determination in step SA2 is NO, that is, when the AWS execution time is not equal to or greater than the predetermined value, the process proceeds to step SA3 to set the AWS mode. In the AWS mode, basically, the amount of intake air is increased and SI combustion is performed in which the ignition timing of the spark plug 25 is significantly retarded.

一方、ステップSA2の判定においてYESのとき(つまり、AW実行時間が所定値以上のとき)には、ステップSA4に移行して定常モードの制御を実行する。このステップSA4において、アクセル開度およびエンジン回転数を読み込んだ後、ステップSA5において、エンジン1の運転状態が予混合圧縮自己着火燃焼(リーンHCCI燃焼)を行うCIモード領域αにあるか否かを判定し、当該判定がYESのときには、ステップSA6に移行し、エンジン1の運転モードをCIモードに設定する。一方、上記ステップSA5の判定結果がNOのときには、ステップSA11に移行し、エンジン1の運転モードをSIモードに設定する。 On the other hand, if YES is determined in step SA2 (i.e., when the AW S execution time is a predetermined value or more) to executes control of the constant mode proceeds to step SA4. In step SA4, after the accelerator opening and the engine speed are read, in step SA5, it is determined whether or not the operating state of the engine 1 is in the CI mode region α in which premixed compression self-ignition combustion (lean HCCI combustion) is performed. When the determination is YES, the process proceeds to step SA6, and the operation mode of the engine 1 is set to the CI mode. On the other hand, when the determination result of step SA5 is NO, the process proceeds to step SA11, and the operation mode of the engine 1 is set to the SI mode.

CIモードにおけるステップSA7では、1サイクル当たりに噴射する燃料噴射量を、予めPCM10に記憶されている特性図から読み込む。この燃料噴射量の特性図は、例えばアクセル開度の関数として設定され、アクセル開度が大きいほど燃料噴射量が大となるように設定されている。なお、上記CIモードにおける燃料の噴射圧力は、例えば0.3〜0.4MPa程度の低圧で一定値に設定される(図9(d)参照)。   In step SA7 in the CI mode, the fuel injection amount injected per cycle is read from a characteristic diagram stored in advance in the PCM 10. This characteristic diagram of the fuel injection amount is set, for example, as a function of the accelerator opening, and is set so that the fuel injection amount increases as the accelerator opening increases. The fuel injection pressure in the CI mode is set to a constant value at a low pressure of, for example, about 0.3 to 0.4 MPa (see FIG. 9D).

続くステップSA8では、充填量制御を行う。この充填量制御では、図7を参照しながら説明したように、VVL71による排気の二度開きモードを少なくとも含む制御によって、内部EGRガスを気筒18内に導入する。次いで、ステップSA9において、上記ステップSSA9で設定された量の燃料を、吸気行程における所定のタイミングで、かつ0.3〜0.4MPa程度の圧力で、ポート燃料噴射手段57のポートインジェクタ68から吸気ポート16に噴射する。   In the subsequent step SA8, the filling amount is controlled. In this filling amount control, as described with reference to FIG. 7, the internal EGR gas is introduced into the cylinder 18 by the control including at least the exhaust double opening mode by the VVL 71. Next, in step SA9, the amount of fuel set in step SSA9 is sucked from the port injector 68 of the port fuel injection means 57 at a predetermined timing in the intake stroke and at a pressure of about 0.3 to 0.4 MPa. Inject into port 16

その後、ステップSA10において、CIモードからSIモードへ移行した時に筒内燃料噴射手段62の直噴インジェクタ67から気筒18内に燃料を高圧で噴射可能なように、上記高圧燃料ポンプ63を作動させてコモンレール64に蓄えられる燃料の圧力を予め所定値に上昇させて維持する燃圧の上昇・維持制御を実行する。この燃圧の上昇・維持制御は、CIモードにおいて常に行うようにしてもよいが、例えばCIモードでエンジン負荷が上昇傾向にあることが検出され、CIモードからSIモードへ移行する可能性が高くなったことが確認された時点で開始するように構成してもよい。また、上記燃圧の上昇・維持制御における燃圧は、CIモードからSIモードへの移行時に、下記ステップSA16で設定される燃料の噴射圧力に対応した値、または上記高圧燃料ポンプ63の作動時に過大な機械抵抗が生じることがない値、例えば30MPa程度に設定される。   Thereafter, in step SA10, the high pressure fuel pump 63 is operated so that fuel can be injected into the cylinder 18 from the direct injection injector 67 of the in-cylinder fuel injection means 62 at a high pressure when the CI mode is shifted to the SI mode. Fuel pressure increase / maintenance control is executed to increase and maintain the pressure of the fuel stored in the common rail 64 in advance to a predetermined value. This increase / maintenance control of the fuel pressure may always be performed in the CI mode. However, for example, it is detected that the engine load tends to increase in the CI mode, and the possibility of shifting from the CI mode to the SI mode is increased. You may comprise so that it may start when it confirms. Further, the fuel pressure in the fuel pressure increase / maintenance control is excessive when the shift from the CI mode to the SI mode is performed, or a value corresponding to the fuel injection pressure set in Step SA16 below, or when the high pressure fuel pump 63 is operated. It is set to a value that does not cause mechanical resistance, for example, about 30 MPa.

また、上記SIモードにおけるステップSA12では、まず1サイクル当たりに噴射する燃料噴射量の総量を意味する総括噴射量を、予めPCM10に記憶された特性図から読み込む。次いで、ステップSA13において、SIモード用の燃料圧力(目標圧力)を、予めPCM10に記憶されている特性図から読み込む。   In step SA12 in the SI mode, first, a total injection amount, which means a total amount of fuel injection injected per cycle, is read from a characteristic diagram stored in the PCM 10 in advance. Next, in step SA13, the fuel pressure (target pressure) for the SI mode is read from the characteristic chart stored in the PCM 10 in advance.

上記燃料圧力の特性図は、図12に示すように、エンジン回転数および外部EGR率(吸気量に対する外部EGR量の比率)についての一次関数gとして設定されている。例えば、同一負荷域においてエンジン回転数が高くなるのに応じ、上記目標圧力が高い値に設定される。また、同一回転数では、エンジン負荷が小さくなって排気還流手段54から吸気系に還流される排気還流量が増大することにより、上記外部EGR率が大きくなるのに応じ、燃料圧力の目標値は高く設定される。   As shown in FIG. 12, the characteristic diagram of the fuel pressure is set as a linear function g for the engine speed and the external EGR rate (the ratio of the external EGR amount to the intake air amount). For example, the target pressure is set to a high value as the engine speed increases in the same load range. Further, at the same rotational speed, the target value of the fuel pressure is increased as the external EGR rate increases as the engine load decreases and the exhaust gas recirculation amount recirculated from the exhaust gas recirculation means 54 to the intake system increases. Set high.

ステップSA14において、予め設定された特性図(図10(c)参照)に基づいて、燃焼噴射時期を読み込むとともに、ステップSA15において、予めPCM10に記憶されている点火マップから点火タイミングを読み込む。この点火マップは、アクセル開度とに基づいて点火タイミングを設定するためのマップであり、アクセル開度が大きいほど、点火タイミングは遅角側に設定される(図10(f)参照)。なお、ここで設定される点火タイミングは、上記ステップSA14で設定される燃料噴射タイミングよりも後のタイミングに設定される。   In step SA14, the combustion injection timing is read based on a preset characteristic diagram (see FIG. 10C), and in step SA15, the ignition timing is read from an ignition map stored in advance in PCM10. This ignition map is a map for setting the ignition timing based on the accelerator opening, and the ignition timing is set to the retard side as the accelerator opening is larger (see FIG. 10F). The ignition timing set here is set to a timing later than the fuel injection timing set in step SA14.

このようにして、目標の燃料圧力、高圧リタード噴射の燃料噴射量および燃料噴射時期、吸気行程噴射を実行する場合は、その燃料噴射量および燃料噴射時期、並びに点火タイミングをそれぞれ設定した後、ステップSA16において、燃料圧力が目標圧力よりも低い場合には、燃料圧力を目標圧力まで高めるように筒内燃料噴射手段62を制御した後、ステップSA17において充填量制御を実行する。この充填量制御は、空燃比λ=1で運転されるSIモードにおいて設定された総括噴射量に応じ、空燃比λ=1とするために実行される制御であり、気筒18内に導入される吸気を絞る制御、気筒18内に外部EGRガスを導入する制御、またはその両方を組み合わせた制御を実行する(図9参照)。   In this way, when the target fuel pressure, the fuel injection amount and fuel injection timing of the high pressure retarded injection, and the intake stroke injection are executed, the fuel injection amount, the fuel injection timing, and the ignition timing are set, respectively. If the fuel pressure is lower than the target pressure in SA16, the cylinder fuel injection means 62 is controlled to increase the fuel pressure to the target pressure, and then the filling amount control is executed in step SA17. This filling amount control is a control executed to set the air-fuel ratio λ = 1 in accordance with the overall injection amount set in the SI mode operated at the air-fuel ratio λ = 1, and is introduced into the cylinder 18. Control that restricts intake air, control that introduces external EGR gas into the cylinder 18, or control that combines both is executed (see FIG. 9).

ステップSA18では、設定された噴射タイミングで、設定された燃料噴射量の吸気行程噴射を実行する。このステップSA18では、前述したようにポート燃料噴射手段57のポートインジェクタ68により、燃料を吸気ポート16内に噴射する。但し、吸気行程噴射の燃料噴射量が0に設定される場合には、ステップSA18の吸気行程噴射は省略される。   In step SA18, the intake stroke injection of the set fuel injection amount is executed at the set injection timing. In step SA18, fuel is injected into the intake port 16 by the port injector 68 of the port fuel injection means 57 as described above. However, when the fuel injection amount of the intake stroke injection is set to 0, the intake stroke injection in step SA18 is omitted.

ステップSA19では、設定された噴射タイミングで、設定された燃料噴射量の高圧リタード噴射を実行する。この噴射タイミングは、圧縮行程後期から膨張行程処理にかけてのリタード期間内であり、筒内燃料噴射手段62の直噴インジェクタ67によって気筒18内に燃料が直接噴射される。なお、上記高圧リタード噴射は、前述したように、例えばリタード期間内における第1噴射および第2噴射の二回の燃料噴射を含む分割噴射により行われる。そして、ステップSA23において、点火プラグ25による点火が設定タイミングで行われる。   In step SA19, high pressure retarded injection of the set fuel injection amount is executed at the set injection timing. This injection timing is within the retard period from the latter stage of the compression stroke to the expansion stroke process, and the fuel is directly injected into the cylinder 18 by the direct injection injector 67 of the in-cylinder fuel injection means 62. Note that, as described above, the high-pressure retarded injection is performed by split injection including two fuel injections of the first injection and the second injection within the retard period, for example. In step SA23, ignition by the spark plug 25 is performed at the set timing.

上記のように吸気ポート16に燃料を噴射するポート燃料噴射手段57と、燃焼室19の中心部に燃料を噴射する筒内燃料噴射手段62とを備えた火花点火式ガソリンエンジンにおいて、エンジン1の低負荷域では、上記ポート燃料噴射手段57により吸気行程で吸気ポート16に燃料を噴射して理論空燃比よりもリーンで均質な混合気を形成し、この混合気をピストン14により圧縮して自着火させる燃焼状態(リーンHCCI燃焼状態)とし、エンジン1の高負荷域では、上記筒内燃料噴射手段62により30MPa以上の燃圧で燃焼室19内に噴射された燃料により上記低負荷域よりもリッチな混合気を形成し、この混合気を圧縮上死点近傍で上記混合気に点火して圧縮上死点よりも所定期間遅れたタイミングで燃焼(急速リタードSI燃焼)させるように制御する制御手段(PCM10)を備えた構成としたため、エンジン1の低負荷域でオイルが希釈化され、あるいはエミッションが悪化する等の問題を生じることなく、適正に圧縮自己着火燃焼させることができるとともに、エンジン1の高負荷域で異常燃焼の発生を効果的に防止しつつ、適正に急速リタードSI燃焼を実行できるという利点がある。   In the spark ignition gasoline engine provided with the port fuel injection means 57 for injecting fuel into the intake port 16 and the in-cylinder fuel injection means 62 for injecting fuel into the center of the combustion chamber 19 as described above, In the low load range, fuel is injected into the intake port 16 by the port fuel injection means 57 in the intake stroke to form a leaner and more homogeneous mixture than the stoichiometric air-fuel ratio, and this mixture is compressed by the piston 14 and compressed. The combustion state to be ignited (lean HCCI combustion state) is set, and in the high load region of the engine 1, the fuel injected into the combustion chamber 19 with a fuel pressure of 30 MPa or more by the in-cylinder fuel injection means 62 is richer than the low load region. An air-fuel mixture is formed, and the air-fuel mixture is ignited in the vicinity of the compression top dead center and burned at a timing delayed by a predetermined period from the compression top dead center (rapid retard S Since the control means (PCM10) is controlled so as to cause combustion (combustion), compression self-ignition is properly performed without causing problems such as oil being diluted in the low load region of the engine 1 or emission deterioration. There is an advantage that the rapid retarded SI combustion can be executed properly while being able to burn and effectively preventing the occurrence of abnormal combustion in the high load region of the engine 1.

すなわち、例えばエンジン1の低負荷域で圧縮自己着火燃焼を行う際に、燃料の噴射圧力が30MPa以上の高圧に設定された筒内燃料噴射手段62により吸気行程で燃焼室19内に燃料を噴射するように構成した場合には、シリンダライナーに高圧で燃料が吹き付けられて付着することによりオイルが希釈化され、あるいは噴射燃料と空気との混合が不充分になる等の不具合を生じることが避けられない。これに対して上記実施形態に示すように吸気行程でポート燃料噴射手段57のポートインジェクタ68から吸気ポート16に燃料を0.3〜0.4MPa程度の低圧で噴射した場合には、シリンダライナーに燃料が付着すること起因したオイルが希釈化される等の弊害を生じることなく、均質でリーンな混合気を燃焼室19内に形成することができるとともに、この混合気をピストン14の圧縮作用により高温、高圧化して、圧縮上死点付近で適正に自着火させることができる。   That is, for example, when performing compression self-ignition combustion in the low load region of the engine 1, the fuel is injected into the combustion chamber 19 in the intake stroke by the in-cylinder fuel injection means 62 in which the fuel injection pressure is set to a high pressure of 30 MPa or more. In such a configuration, it is possible to avoid the occurrence of problems such as the oil being diluted by the high pressure sprayed on the cylinder liner and adhering to it, or the oil being diluted or insufficient mixing of the injected fuel and air. I can't. On the other hand, as shown in the above embodiment, when fuel is injected from the port injector 68 of the port fuel injection means 57 to the intake port 16 at a low pressure of about 0.3 to 0.4 MPa in the intake stroke, A homogeneous and lean air-fuel mixture can be formed in the combustion chamber 19 without causing adverse effects such as dilution of the oil caused by the fuel adhering, and this air-fuel mixture is compressed by the compression action of the piston 14. High temperature and high pressure can be generated and self-ignited properly near the compression top dead center.

しかも、エンジンの高負荷域では、筒内燃料噴射手段62の直噴インジェクタ67により燃焼室19内に燃料を高圧で噴射することにより、燃料を効果的に気化および霧化させて適正にリタード燃焼させることができるため、高出力が得られるとともに、対ノック性を効果的に向上できるという利点がある。さらに、エンジン1の高負荷域における急速リタードSI燃焼状態からエンジン1の低負荷領域におけるリーンHCCI燃焼状態に移行させる際に、上記筒内燃料噴射手段62から吸気行程で燃焼室19内に噴射される燃料の噴射圧力を低下させる制御を実行する必要がないため、この燃料圧力の調整に所定時間を要するために燃焼状態を迅速に移行させることが困難となったり、燃焼室19内に噴射される燃料の粒径が増大してスモークが発生したり、混合気のミキシング不良に起因してエミッションが悪化する等の問題を生じることなく、吸気行程でポート燃料噴射手段57のポートインジェクタ68から吸気ポート16に燃料を低圧で噴射することにより、上記急速リタードSI燃焼状態からリーンHCCI燃焼状態へと迅速に移行することができる。   Moreover, in the high load region of the engine, the fuel is effectively vaporized and atomized by appropriately injecting the fuel into the combustion chamber 19 by the direct injection injector 67 of the in-cylinder fuel injection means 62, so that the retarded combustion is appropriately performed. Therefore, there is an advantage that high output can be obtained and antiknock property can be effectively improved. Further, when shifting from the rapid retarded SI combustion state in the high load region of the engine 1 to the lean HCCI combustion state in the low load region of the engine 1, the in-cylinder fuel injection means 62 is injected into the combustion chamber 19 in the intake stroke. It is not necessary to execute control for lowering the fuel injection pressure, and it takes a predetermined time to adjust the fuel pressure, so that it is difficult to quickly shift the combustion state or the fuel is injected into the combustion chamber 19. The intake of the fuel from the port injector 68 of the port fuel injection means 57 in the intake stroke without causing problems such as smoke generated due to the increase in the particle size of the fuel or the deterioration of the emission due to the mixing failure of the air-fuel mixture. By injecting fuel into the port 16 at a low pressure, the rapid retarded SI combustion state is rapidly shifted to the lean HCCI combustion state. It is possible.

なお、筒内燃料噴射手段62の高圧燃料ポンプ63をエンジン1の回転によって駆動するように構成した上記実施形態に代え、電磁ポンプからなる高圧燃料ポンプを用いることも可能である。しかし、上記実施形態に示すように、エンジン1の回転によって駆動される高圧燃料ポンプ63を用いた場合には、この筒内燃料噴射手段62から噴射される燃料の噴射圧力をエンジン1の駆動力を利用して充分に高めることができるとともに、エンジン1の負荷が急変してリーンHCCI燃焼状態から急速リタードSI燃焼状態に移行させる際に、上記筒内燃料噴射手段62の燃料噴射圧力を迅速かつ適正に高めることができる等の利点がある。   Note that, instead of the above-described embodiment in which the high-pressure fuel pump 63 of the in-cylinder fuel injection means 62 is driven by the rotation of the engine 1, a high-pressure fuel pump composed of an electromagnetic pump can be used. However, as shown in the above embodiment, when the high-pressure fuel pump 63 driven by the rotation of the engine 1 is used, the injection pressure of the fuel injected from the in-cylinder fuel injection means 62 is used as the driving force of the engine 1. The fuel injection pressure of the in-cylinder fuel injection means 62 can be quickly and quickly changed when the load of the engine 1 changes suddenly and shifts from the lean HCCI combustion state to the rapid retarded SI combustion state. There is an advantage that it can be increased appropriately.

また、上記実施形態に示すように、エンジン1の低負荷域におけるリーンHCCI燃焼制御の実行時に、筒内燃料噴射手段62の燃料噴射圧力を予め所定値に高めて維持するように構成した場合には、エンジン1が低負荷域から高負荷域に移行して上記リーンHCCI燃焼状態から急速リタードSI燃焼状態に移行させる際に、筒内燃料噴射手段62の燃圧を上昇させることに起因した応答遅れが生じるのを効果的に防止し、上記急速リタードSI燃焼状態への移行を迅速かつ適正に実行できるという利点がある。   Further, as shown in the above-described embodiment, when the lean HCCI combustion control in the low load region of the engine 1 is executed, the fuel injection pressure of the in-cylinder fuel injection means 62 is increased and maintained in advance to a predetermined value. Is a response delay caused by increasing the fuel pressure of the in-cylinder fuel injection means 62 when the engine 1 shifts from the low load range to the high load range and shifts from the lean HCCI combustion state to the rapid retarded SI combustion state. Is effectively prevented and the transition to the rapid retarded SI combustion state can be performed quickly and appropriately.

なお、上記リーンHCCI燃焼の制御時に維持される筒内燃料噴射手段62の燃圧は、このCIモードのリーンHCCI燃焼状態からSIモードの急速リタードSI燃焼状態への移行時に設定される燃料の噴射圧力に対応した値、または上記高圧燃料ポンプ63の作動時に過大な機械抵抗が生じることがない値、例えば30MPa程度に設定することが望ましい。上記のように筒内燃料噴射手段62の燃圧を、上記急速リタードSI燃焼状態への移行時に設定される燃料の噴射圧力に対応した値に設定した場合には、急速リタードSI燃焼状態への移行を直ちに実行できるという利点がある。一方、上記筒内燃料噴射手段62の燃圧を、高圧燃料ポンプ63の作動時に過大な機械抵抗が生じるのを防止し得る値に設定した場合には、この燃圧ポンプ63を駆動するためにエンジン1の駆動力が必要上に大きくなるのを抑制して、燃費の悪化を効果的に防止できるという利点がある。   The fuel pressure of the in-cylinder fuel injection means 62 that is maintained when the lean HCCI combustion is controlled is the fuel injection pressure that is set when the CI mode lean HCCI combustion state shifts to the SI mode rapid retarded SI combustion state. Or a value that does not cause excessive mechanical resistance when the high-pressure fuel pump 63 is operated, for example, about 30 MPa is desirable. As described above, when the fuel pressure of the in-cylinder fuel injection means 62 is set to a value corresponding to the fuel injection pressure set at the time of transition to the rapid retard SI combustion state, the transition to the rapid retard SI combustion state is performed. There is an advantage that can be executed immediately. On the other hand, when the fuel pressure of the in-cylinder fuel injection means 62 is set to a value that can prevent excessive mechanical resistance when the high-pressure fuel pump 63 is operated, the engine 1 is used to drive the fuel pressure pump 63. Therefore, there is an advantage that it is possible to effectively prevent the deterioration of the fuel consumption by suppressing the necessary driving force from increasing.

また、上記実施形態では、エンジン1の高負荷域で急速リタードSI燃焼を行う際に、エンジン回転数が上昇するのに応じて上記筒内燃料噴射手段62から燃焼室19内に噴射される燃料の噴射圧力を高めるように構成したため、クランク角をもって表される燃焼期間が短くなる傾向があるエンジン1の高回転領域で上記燃料の噴射時間を短くして、その気化および霧化時間を充分に確保することができ、これにより混合気の燃焼性を効果的に高めることができる。   In the above embodiment, when rapid retarded SI combustion is performed in the high load region of the engine 1, the fuel injected from the in-cylinder fuel injection means 62 into the combustion chamber 19 as the engine speed increases. The fuel injection time is shortened in the high rotation region of the engine 1 where the combustion period represented by the crank angle tends to be shortened, and the vaporization and atomization time is sufficiently increased. As a result, the combustibility of the air-fuel mixture can be effectively enhanced.

さらに、エンジン1の高負荷域で、排気還流手段54のEGR通路50を介して吸気通路30からなる吸気系に還流される排気還流量に応じ、上記筒内燃料噴射手段62から噴射される燃料の噴射圧力を調節することにより、同一回転数でエンジン負荷が小さいために排気還流手段54から吸気系に還流される排気還流量が多くなることに起因して、相対的に新気量が低下する傾向にある運転領域で、混合気の燃焼性を充分に確保することができるように構成することが望ましい。すなわち、上記相対的に新気量が低下する傾向にある運転領域で、外部EGRの導入を行わないと仮定した場合に設定される場合と比較して燃料圧力の目標値を、相対的に高く設定して高い燃料圧力で気筒18内に燃料を噴射することにより、その気筒内の乱れを強くして気筒18内の乱れエネルギーを高めることができるため、新気量の少ない状態で混合気の燃焼期間を効果的に短縮してその燃焼性を高めることができる。   Further, the fuel injected from the in-cylinder fuel injection means 62 according to the exhaust gas recirculation amount recirculated to the intake system comprising the intake air passage 30 via the EGR passage 50 of the exhaust gas recirculation means 54 in the high load region of the engine 1. By adjusting the injection pressure of the exhaust gas, the amount of exhaust gas recirculated from the exhaust gas recirculation means 54 to the intake system increases because the engine load is small at the same rotation speed, so that the amount of fresh air is relatively reduced. It is desirable that the air-fuel mixture be sufficiently combustible in the operating region where the air-fuel ratio tends to occur. That is, the target value of the fuel pressure is set to a relatively high value compared to the case where it is assumed that the external EGR is not introduced in the operation region where the fresh air amount tends to decrease. By setting and injecting fuel into the cylinder 18 at a high fuel pressure, the turbulence in the cylinder can be strengthened and the turbulence energy in the cylinder 18 can be increased. The combustion period can be effectively shortened and the combustibility can be enhanced.

また、上記実施形態のように、ポート燃料噴射手段57の低圧燃料供給システム56に設けられた低圧燃料ポンプにより燃料タンク61の燃料を吸気ポート16に向けて噴射するとともに、上記低圧燃料ポンプから吐出され燃料を、筒内燃料噴射手段62の高圧燃料ポンプ63に供給するように構成した場合には、この筒内燃料噴射手段62と上記ポート燃料噴射手段57とを適正に使い分けることにより、エンジン負荷の変化状態に応じて上記リーンHCCI燃焼状態から急速リタードSI燃焼状態への移行およびその逆方向への移行を迅速かつ適正に実行できるという利点がある。   Further, as in the above embodiment, the fuel in the fuel tank 61 is injected toward the intake port 16 by the low pressure fuel pump provided in the low pressure fuel supply system 56 of the port fuel injection means 57 and discharged from the low pressure fuel pump. When the fuel is supplied to the high-pressure fuel pump 63 of the in-cylinder fuel injection means 62, the in-cylinder fuel injection means 62 and the port fuel injection means 57 are properly used, so that the engine load There is an advantage that the transition from the lean HCCI combustion state to the rapid retarded SI combustion state and the transition in the opposite direction can be performed promptly and appropriately in accordance with the change state.

なお、エンジン1の高負荷領域(図4のSIモード領域)βで、急速リタードSI燃焼状態するように構成した上記実施形態に代え、図13に示すような多段CIモードの制御を実行するように構成してもよい。すなわち、この多段CIモードでは、圧縮上死点付近とそれより前の圧縮行程中の所定時期とに設定された2回の噴射タイミング(Pa,Pb)に分けて直噴インジェクタ67から燃料を燃焼室19内に燃料を噴射することにより、それぞれの燃料に基づく混合気を自着火により燃焼させる制御が実行される。なお、以下の説明では、圧縮行程中に実行される1回目の燃料噴射Pa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Pbを後段噴射と称する。   It should be noted that control in the multi-stage CI mode as shown in FIG. 13 is executed in place of the above-described embodiment configured to cause the rapid retarded SI combustion state in the high load region (SI mode region in FIG. 4) β of the engine 1. You may comprise. That is, in this multi-stage CI mode, fuel is burned from the direct injection injector 67 in two injection timings (Pa, Pb) set in the vicinity of the compression top dead center and a predetermined time in the compression stroke before that. By injecting fuel into the chamber 19, control is performed to combust the air-fuel mixture based on each fuel by self-ignition. In the following description, the first fuel injection Pa executed during the compression stroke is performed at the front stage, and the second fuel injection Pa executed near the compression top dead center after that (in the illustrated example, very early in the expansion stroke). The fuel injection Pb is referred to as post-injection.

具体的に、当実施形態において、上記多段CIモードのときの前段噴射Paのタイミングは、例えば圧縮上死点(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Pbのタイミングは、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Paおよび後段噴射Pb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 this embodiment, the timing of the front injection Pa in the multi-stage CI mode is, for example, before the top dead center (BTDC) with reference to 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 a crank angle), and the timing of the post-injection Pb is set within a period of about 0 to 10 ° CA after top dead center (ATDC). Moreover, the ratio of each injection amount by the front | former stage injection Pa and the back | latter stage injection Pb is set to about 3: 7-7: 3.

ここで、多段CIモードが実行される運転領域βは、上記リーンHCCIモードの実行領域(CIモード領域)αよりも負荷が高いため、上記前段噴射Paおよび後段噴射Paによるトータルの噴射量は、上記リーンHCCIモードのとき(図7の燃料噴射P0)よりも多く設定される。また、吸気弁11のリフト量は、上記リーンHCCIモードのときよりも大きく設定され(リフトカーブIN)、比較的多量の空気(新気)が燃焼室19に導入されるようになっている。そして、上記のように分割噴射された燃料と空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13の波形Qc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ことになる。なお、このような波形Qc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。   Here, since the operation region β in which the multistage CI mode is executed has a higher load than the lean HCCI mode execution region (CI mode region) α, the total injection amount by the front injection Pa and the rear injection Pa is More than the lean HCCI mode (fuel injection P0 in FIG. 7). The lift amount of the intake valve 11 is set to be larger than that in the lean HCCI mode (lift curve IN), and a relatively large amount of air (fresh air) is introduced into the combustion chamber 19. And, as shown in the waveform Qc of FIG. 13, the mixture of fuel and air that has been separately injected as described above self-ignites near the compression top dead center, so that it has two peaks at different times. Combustion accompanied by heat generation will occur. It should be noted that such a shape of the waveform Qc is merely conceptual, and there are naturally cases where two peaks do not appear clearly.

上記のように前段噴射Paおよび後段噴射Pbに分けて燃料を噴射するのは、燃焼騒音等の問題を考慮してのものである。すなわち、燃料噴射量の多い上記エンジン1の高負荷領域β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、上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、上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。   As described above, the fuel is injected separately into the front injection Pa and the rear injection Pb in consideration of problems such as combustion noise. That is, in the high load region β of the engine 1 having a large amount of fuel injection, if fuel is injected at a time, a sudden combustion occurs in which a large amount of injected fuel is burnt in a short time, thereby causing There is a risk that the internal pressure will rise rapidly and the combustion noise will increase significantly. Therefore, by dividing and injecting fuel as described above, relatively mild combustion is continuously caused to avoid an 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、直噴インジェクタ67の配置やピストン14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 direct injection injector 67 and the shape of the piston 14, the fuels injected at each time may be mixed and the mixed fuel burns almost simultaneously. There is. 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、直噴インジェクタ67が燃焼室19の天井部中央に配置されるとともに、図14に示すように、ピストン14の冠面に位置するキャビティ58が特殊な形状に形成されることにより、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、燃焼騒音の増大やスートの大量発生を後述するように回避可能に構成されている。ピストン14の冠面の中央部に形成されたキャビティ58は、上記直噴インジェクタ67と対向する上向きの開口部58aを上端に有しており、この開口部58aの面積(開口面積)は、キャビティ58の内部の最大断面積(キャビティ58の各高さ位置における水平方向断面積の最大値)よりも小さく設定されている。すなわち、キャビティ58は、その開口部58aから所定深さまでの範囲において、上方に至るほど内径が狭くなるように上窄まり状に形成されている。   In order to deal with such a problem, in this embodiment, the direct injection injector 67 is disposed at the center of the ceiling portion of the combustion chamber 19, and the cavity 58 positioned on the crown surface of the piston 14 is special as shown in FIG. By being formed into a shape, the separately injected fuel does not burn at the same time, and an increase in combustion noise and a large amount of soot can be avoided as will be described later. The cavity 58 formed at the center of the crown surface of the piston 14 has an upward opening 58a facing the direct injection injector 67 at the upper end, and the area (opening area) of the opening 58a is the cavity. 58 is set to be smaller than the maximum cross-sectional area inside 58 (the maximum value of the horizontal cross-sectional area at each height position of the cavity 58). That is, the cavity 58 is formed in a constricted shape so that the inner diameter becomes narrower toward the upper side in the range from the opening 58a to a predetermined depth.

上記キャビティ58よりも径方向外側に位置するピストン14の冠面には、平面視円環状の環状凹部59が、キャビティ58の周囲を取り囲むように設けられている。この環状凹部59は、径方向外側に至るほど高さが低くなるように形成されており、その最大深さ(最外周部の深さ)は、キャビティ58の深さよりも浅く設定されている。   An annular recess 59 having an annular shape in plan view is provided on the crown surface of the piston 14 located radially outside the cavity 58 so as to surround the cavity 58. The annular recess 59 is formed such that the height decreases toward the outer side in the radial direction, and the maximum depth (the depth of the outermost peripheral portion) is set to be shallower than the depth of the cavity 58.

また、上記環状凹部59よりもさらに径方向外側に位置するピストン14の最外周部には、環状凹部59よりも上方に突出した円環状の立壁部60が設けられている。この立壁部60の突出高さは、上記キャビティ58上端の開口部58aを囲む部分(リップ部)と同一に設定されている。   Further, an annular standing wall portion 60 protruding upward from the annular recess 59 is provided on the outermost peripheral portion of the piston 14 positioned further radially outward than the annular recess 59. The protruding height of the standing wall portion 60 is set to be the same as the portion (lip portion) surrounding the opening 58 a at the upper end of the cavity 58.

そして、多段CIモードでは、上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22を押し下げる機能を無効にするようにVVL71が駆動され、排気弁22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19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。また、多段CIモードでは、上記内部EGRに代わり、外部EGRが実行される。すなわち、排気還流手段54のEGR通路50に設けられたEGR弁511が所定開度まで開かれることにより、排気通路40から吸気通路30へ排気ガスを還流させる制御が実行される。   In the multi-stage CI mode, in addition to the fuel split injection control as described above, the VVL 71 is driven so as to invalidate the function of depressing the exhaust valve 22 during the intake stroke, and the exhaust valve 22 is opened during the intake stroke. The valve is stopped. As a result, the exhaust gas hardly flows back into the combustion chamber 19 and internal EGR is prohibited. In the multistage CI mode, external EGR is executed instead of the internal EGR. That is, the control to recirculate the exhaust gas from the exhaust passage 40 to the intake passage 30 is executed by opening the EGR valve 511 provided in the EGR passage 50 of the exhaust gas recirculation means 54 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19の過度の高温化を防いで異常燃焼を回避するためである。すなわち、多段CIモードが実行される上記高負荷領域βは、リーンHCCIモードの実行領域(CIモード領域α)よりもエンジン負荷が高く、噴射されるトータルの燃料が多いため、燃焼に伴い発生する熱量が増大し、燃焼室19が高温化する傾向にある。このため、上記高負荷領域βで内部EGRを継続した場合には、燃焼室19がますます高温化し、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52付きのEGR通路50を通過して冷却された排気ガスを吸気通路30に還流させることにより、燃焼室19の過度な高温化を防いで、上記のような異常燃焼を回避するようにしている。なお、エンジン負荷が高まれば、その分だけ必要な新気量が増えることから、上記外部EGRにより還流される排気ガスの量(外部EGR量)は、負荷が高くなるほど低減される。   The reason for switching from the internal EGR to the external EGR in this way is to prevent excessive combustion of the combustion chamber 19 and avoid abnormal combustion. That is, the high load region β in which the multi-stage CI mode is executed has a higher engine load than the lean HCCI mode execution region (CI mode region α) and a large amount of total fuel is injected. The amount of heat increases, and the combustion chamber 19 tends to increase in temperature. For this reason, when the internal EGR is continued in the high load region β, the combustion chamber 19 becomes increasingly hot and abnormal combustion such as pre-ignition or knocking may occur. Therefore, by switching from the internal EGR to the external EGR, the exhaust gas cooled after passing through the EGR passage 50 with the EGR cooler 52 is returned to the intake passage 30 to prevent the combustion chamber 19 from being excessively heated. The abnormal combustion as described above is avoided. If the engine load increases, the amount of fresh air required increases accordingly, so the amount of exhaust gas recirculated by the external EGR (external EGR amount) decreases as the load increases.

ここで、以上のような多段CIモードに基づく制御により実現される燃焼形態について、図15(a)〜(f)を参照しつつより具体的に説明する。図15(a)は、直噴インジェクタ67から前段噴射Pa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14は、上述したように、圧縮上死点前(BTDC)60〜50°CA程度に位置している。このような位置にあるピストン14の冠面に向けて、上記直噴インジェクタ67の先端部に備わる複数(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、ピストン14の冠面の径方向外側寄りに設けられた環状凹部59に向かうことになる。   Here, the combustion mode realized by the control based on the multi-stage CI mode as described above will be described more specifically with reference to FIGS. FIG. 15A shows a state where the front injection Pa is performed from the direct injection injector 67. As described above, the piston 14 at this time is located at about 60 to 50 ° CA before compression top dead center (BTDC). When fuel is injected radially from a plurality (12) of nozzle holes provided at the tip of the direct injection injector 67 toward the crown surface of the piston 14 at such a position, the spray of the fuel is injected into the piston 14. It goes to the annular recess 59 provided on the outer side in the radial direction of the crown surface.

上記ピストン14の環状凹部59に向けて噴射された燃料(噴霧)は、その後、ピストン14の最外周部に設けられた立壁部42により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15(b)に示すようなピストン位置(圧縮上死点以前のタイミング)で、燃焼室19の外周部(主に環状凹部59の内部およびその上方空間)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19の外周部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、圧縮上死点以前において、理論空燃比程度の濃さの混合気X1が燃焼室19の外周部に局所的に形成されるように、前段噴射Pa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 annular recess 59 of the piston 14 is then dispersed while being guided upward by the standing wall portion 42 provided on the outermost peripheral portion of the piston 14, and based on the dispersed fuel, At the piston position (timing before compression top dead center) as shown in FIG. 15B, the air-fuel mixture X1 is formed in the outer peripheral portion of the combustion chamber 19 (mainly inside the annular recess 59 and its upper space). 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 a local air-fuel ratio only in the outer peripheral portion of the combustion chamber 19. That is, before the compression top dead center, the injection timing and the injection amount of the pre-stage injection Pa are set so that the air-fuel mixture X1 having a concentration about the stoichiometric air-fuel ratio is locally formed on the outer peripheral portion of the combustion chamber 19. Yes.

もちろん、上記前段噴射Paによって、燃焼室19の外周部以外(例えばキャビティ58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、上記燃焼室19の外周部に比べれば極めて薄いものである。言い換えれば、上記前段噴射Paにより、燃焼室19の外周部には、キャビティ58の内部よりもリッチな混合気X1が形成されていることになる。   Of course, the pre-injection Pa may cause a small amount of fuel to exist in a region other than the outer peripheral portion of the combustion chamber 19 (for example, inside the cavity 58), but the concentration of the fuel is extremely high compared to the outer peripheral portion of the combustion chamber 19. It is thin. In other words, the air-fuel mixture X1 richer than the inside of the cavity 58 is formed in the outer peripheral portion of the combustion chamber 19 by the preceding injection Pa.

上記のように燃焼室19の外周部に形成された混合気X1は、ピストン14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14が達したところで、図15(c)に示すように自着火により燃焼する(CI燃焼)。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Y1は、上記混合気X1が形成された領域に対応して、燃焼室19の外周部分に限られる。   The air-fuel mixture X1 formed on the outer peripheral portion of the combustion chamber 19 as described above is compressed by the rise of the piston 14 to become high temperature and pressure, and when the piston 14 reaches the vicinity of the compression top dead center, FIG. It burns by self-ignition as shown in (CI combustion). In the figure, the region where the air-fuel mixture X1 is burning is shown in black or gray. The region Y1 where the air-fuel mixture X1 burns is limited to the outer peripheral portion of the combustion chamber 19 corresponding to the region where the air-fuel mixture X1 is formed.

上記のような前段噴射Paに基づく燃焼が始まると、それと前後して(図例では前段噴射Paに基づく燃焼開始とほぼ同時に)、図15(d)に示すような後段噴射Pbが実行される。この後段噴射Pbのタイミングは、上述したように、ピストン14がその上昇端に至った時点(圧縮上死点)とほぼ同時か、その直後のATDC0〜10°CA程度である。このようなタイミング(圧縮上死点付近)で直噴インジェクタ67から燃料が噴射されると、その燃料の噴霧は、ピストン14の冠面中央部に設けられたキャビティ58の内部へと向かうことになる。すると、このキャビティ58の内部に向けて噴射された燃料(噴霧)は、キャビティ58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15(e)に示すように、燃焼室19の中央部(主にキャビティ58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Pa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、上記後段噴射Pbにより、キャビティ58の内部には、前段噴射Paの実行時よりもリッチな(より具体的には、前段噴射Paにより噴射された燃料に基づきキャビティ58内に形成される極めて薄い混合気よりもリッチな)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 Pa as described above starts, the rear injection Pb as shown in FIG. 15 (d) is executed around that time (in the example shown, almost simultaneously with the start of combustion based on the front injection Pa). . As described above, the timing of the post-injection Pb is substantially the same as the time when the piston 14 reaches its rising end (compression top dead center) or about ATDC 0 to 10 ° CA immediately after that. When the fuel is injected from the direct injection injector 67 at such timing (near the compression top dead center), the spray of the fuel is directed toward the inside of the cavity 58 provided at the center of the crown surface of the piston 14. Become. Then, the fuel (spray) injected toward the inside of the cavity 58 is dispersed while being guided upward along the peripheral wall of the cavity 58, and based on the dispersed fuel, as shown in FIG. The air-fuel mixture X2 is formed at the center of the combustion chamber 19 (mainly inside the cavity 58). 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 preceding injection Pa. In other words, the latter-stage injection Pb forms the inside of the cavity 58 in the cavity 58 richer than when the first-stage injection Pa is executed (more specifically, based on the fuel injected by the first-stage injection Pa. A mixture X2 (richer than an extremely thin mixture) is formed.

ただし、混合気X2は、少なくとも上記前段噴射Paに基づく混合気X1の燃焼が終了する前には存在している必要がある。すなわち、上記前段噴射Paに基づく燃焼が終了するよりも前に、理論空燃比程度の濃さの混合気X2が燃焼室19の中央部に局所的に形成されるように、上記後段噴射Pbの噴射時期および噴射量が設定されている。なお、当実施形態では、前段噴射Paに基づく燃焼の開始タイミングとほぼ同時に後段噴射Pbを実行しているが、直噴インジェクタ67からの燃料噴射圧力は、30MPa以上というかなり高い値に設定されているので、上記のような遅いタイミングで後段噴射Pbを実行しても、上記燃焼の終了前には混合気X2を形成することが可能である。   However, the air-fuel mixture X2 needs to be present before the combustion of the air-fuel mixture X1 based on at least the preceding stage injection Pa ends. That is, before the combustion based on the front stage injection Pa is finished, the mixture X2 having a concentration about the stoichiometric air-fuel ratio is locally formed in the central portion of the combustion chamber 19 so that the rear stage injection Pb is Injection timing and injection amount are set. In this embodiment, the post-injection Pb is executed almost simultaneously with the combustion start timing based on the pre-injection Pa, but the fuel injection pressure from the direct injection injector 67 is set to a fairly high value of 30 MPa or more. Therefore, even if the post injection Pb is executed at a late timing as described above, the air-fuel mixture X2 can be formed before the end of the combustion.

ここで、上述したように、後段噴射Pbに基づく混合気X2の局所的な空燃比と、これよりも前に実行される前段噴射Paに基づく混合気X1の局所的な空燃比とが、ともに理論空燃比程度であり、かつこれら混合気X1,X2が燃焼室19内で分離して形成されることから、燃焼室全体の平均の空気過剰率λとしては、1より大きい値に設定されることになる。   Here, as described above, both the local air-fuel ratio of the air-fuel mixture X2 based on the post-injection Pb and the local air-fuel ratio of the air-fuel mixture X1 based on the front-stage injection Pa executed before this are both Since the air-fuel ratio is approximately the stoichiometric air-fuel ratio and these air-fuel mixtures X1 and X2 are formed separately in the combustion chamber 19, the average excess air ratio λ of the entire combustion chamber is set to a value greater than 1. It will be.

上記のような後段噴射Pbに基づき、圧縮上死点付近でしかも前段噴射Paによる燃焼の継続中(燃焼の終了前)に混合気X2が形成されることで、この混合気X2は、図15(f)に示すように、上記後段噴射Pbの後、短い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、上記混合気X2が形成された領域に対応して、燃焼室19の中央部に限られる。すなわち、上述した前段噴射Paに基づく混合気X1が、環状凹部59の設置部に対応する燃焼室19の外周部(燃料領域Y1)で燃焼するのに対し、後段噴射Pbに基づく混合気X2は、キャビティ58の設置部に対応する燃焼室19の中央部(上記燃料領域Y1よりも径方向中心寄りに位置する燃焼領域Y2)で燃焼することになる。   Based on the post-injection Pb as described above, the air-fuel mixture X2 is formed near the compression top dead center and while the combustion by the pre-injection Pa is continuing (before the end of the combustion). As shown in (f), after the post-injection Pb, self-ignition occurs and burns in a short time. The region Y2 where the air-fuel mixture X2 burns is limited to the central portion of the combustion chamber 19 corresponding to the region where the air-fuel mixture X2 is formed. That is, the air-fuel mixture X1 based on the upstream injection Pa described above burns in the outer peripheral portion (fuel region Y1) of the combustion chamber 19 corresponding to the installation portion of the annular recess 59, whereas the air-fuel mixture X2 based on the rear injection Pb Then, combustion occurs in the central portion of the combustion chamber 19 corresponding to the installation portion of the cavity 58 (the combustion region Y2 located closer to the radial center than the fuel region Y1).

以上のように、多段CIモードでは、負荷Tに応じた比較的多量の燃料を複数回(前段噴射Paおよび後段噴射Pb)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。このような多段CIモードが実行される上記高負荷領域β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増大を招く心配がない。しかも、前段噴射Paおよび後段噴射Pb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できるという利点がある。   As described above, in the multi-stage CI mode, a relatively large amount of fuel corresponding to the load T is injected in a plurality of times (pre-stage injection Pa and post-stage injection Pb), so that the air-fuel mixture (X1, X2) is divided into separate spaces. ) And self-ignite and burn them independently. In the high load region β in which such a multi-stage CI mode is executed, the separately injected fuels are not mixed and burned at the same time. There is no worry of increasing soot due to a lack of oxygen. In addition, the air-fuel mixtures X1 and X2 based on the front injection Pa and the rear injection Pb are locally set to have an excess air ratio of about λ = 1, so that the exhaust gas generated by combustion in such an environment is used. If present, there is an advantage that harmful components can be sufficiently purified only by the three-way catalyst.

1 エンジン
10 PCM(制御手段)
14 ピストン
16 吸気ポート
19 燃焼室
25 点火プラグ
50 EGR通路
54 排気還流手段
57 ポート燃料噴射手段
62 筒内燃料噴射手段
67 直噴インジェクタ
68 ポートインジェクタ
1 engine 10 PCM (control means)
14 piston 16 intake port 19 combustion chamber 25 spark plug 50 EGR passage 54 exhaust gas recirculation means 57 port fuel injection means 62 in-cylinder fuel injection means 67 direct injection injector 68 port injector

Claims (6)

吸気ポートに燃料を噴射するポート燃料噴射手段と、燃焼室の中心部に燃料を噴射する筒内燃料噴射手段と、燃焼室から導出された排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置とを備えた火花点火式ガソリンエンジンであって、
エンジン始動後の所定時間にわたり、排気ガスの温度を高くするために遅らせたタイミングで混合気に点火して燃焼させることにより上記排気浄化装置の活性化を促進させるAWSモードを実行し、その後AWSモードから定常モードに制御を切り替える制御手段を備え、
上記制御手段は、上記定常モードでの制御として、
エンジンの低負荷域では、上記ポート燃料噴射手段により吸気行程で吸気ポートに燃料を噴射して理論空燃比よりもリーンで均質な混合気を形成し、この混合気をピストンにより圧縮して自着火させる燃焼状態とし、
エンジンの高負荷域では、上記筒内燃料噴射手段から30MPa以上の燃圧で圧縮行程から膨張行程初期までの間に燃料を燃焼室内に噴射して上記低負荷域よりもリッチな混合気を形成し、この混合気に圧縮上死点近傍で点火して圧縮上死点よりも所定期間遅れたタイミングで急速燃焼させる制か、あるいは圧縮行程中で燃焼室内に燃料を噴射して燃焼室の外周部に燃焼室の中心部よりもリッチな混合気を形成する前段噴射と、圧縮行程後期から膨張行程初期までの間の所定時期に燃焼室内に燃料を噴射して燃焼室の中心部に上記前段噴射の実行時よりもリッチな混合気を形成する後段噴射との少なくとも2回に分けて上記筒内燃料噴射手段から燃料を多段噴射するとともに、その噴射された燃料と空気との混合気を自着火させて圧縮自己着火燃焼させる制かのいずれかを実行することを特徴とする火花点火式ガソリンエンジンの制御装置。
Port fuel injection means for injecting fuel into the intake port, in-cylinder fuel injection means for injecting fuel into the center of the combustion chamber, and an exhaust purification device for purifying harmful components in the exhaust gas derived from the combustion chamber A spark ignition gasoline engine,
For a predetermined time after the engine is started, the AWS mode is executed to promote the activation of the exhaust purification device by igniting and burning the air-fuel mixture at a delayed timing in order to increase the temperature of the exhaust gas, and then the AWS mode Control means for switching the control from the steady mode to
As the control in the steady mode, the control means,
In the low engine load range, fuel is injected into the intake port during the intake stroke by the port fuel injection means to form a leaner and more homogeneous mixture than the stoichiometric air-fuel ratio, and this mixture is compressed by the piston and self-ignited. Let the combustion state
In the high load region of the engine, fuel is injected into the combustion chamber from the in-cylinder fuel injection means at a fuel pressure of 30 MPa or more from the compression stroke to the initial stage of the expansion stroke to form a richer air-fuel mixture than in the low load region. , the combustion chamber air-fuel mixture into or rapid combustion is allowed Ru control at a timing delayed a predetermined time period than the compression top dead center and ignited near compression top dead center, or by injecting fuel into the combustion chamber in the compression stroke Fuel is injected into the combustion chamber at a predetermined timing between the front stage injection that forms a richer air-fuel mixture at the outer peripheral part than the center part of the combustion chamber, and the late stage of the compression stroke to the early stage of the expansion stroke, and The fuel is injected in multiple stages from the in-cylinder fuel injection means in at least two times with the latter stage injection that forms a richer mixture than when the former stage injection is performed, and the mixture of the injected fuel and air is Self ignition and compression self Control apparatus for a spark ignition gasoline engine and executes either Kano control system Ru is fire burning.
請求項1に記載の火花点火式ガソリンエンジンの制御装置において、
上記筒内燃料噴射手段は、エンジンの回転によって駆動される高圧燃料ポンプを備えたことを特徴とする火花点火式ガソリンエンジンの制御装置。
In the control device of the spark ignition type gasoline engine according to claim 1,
The in-cylinder fuel injection means includes a high-pressure fuel pump driven by the rotation of the engine.
請求項1または2に記載の火花点火式ガソリンエンジンの制御装置において、
上記エンジンの低負荷域で圧縮自己着火燃焼とする制御の実行時に、筒内燃料噴射手段の燃料圧力を予め高めて維持するように構成したことを特徴とする火花点火式ガソリンエンジンの制御装置。
In the control device of the spark ignition type gasoline engine according to claim 1 or 2,
A control apparatus for a spark ignition gasoline engine, characterized in that the fuel pressure of the in-cylinder fuel injection means is increased and maintained in advance during the execution of control for compression self-ignition combustion in a low load region of the engine.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の火花点火式ガソリンエンジンの制御装置において、
上記エンジンの高負荷域で、エンジン回転数が上昇するのに応じて上記筒内燃料噴射手段から燃焼室内に噴射される燃料の噴射圧力を高めるように構成したことを特徴とする火花点火式ガソリンエンジンの制御装置。
In the control apparatus of the spark ignition type gasoline engine according to any one of claims 1 to 3,
A spark-ignited gasoline configured to increase the injection pressure of fuel injected from the in-cylinder fuel injection means into the combustion chamber as the engine speed increases in a high load range of the engine. Engine control device.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の火花点火式ガソリンエンジンの制御装置において、
燃焼室から導出された排気ガスを吸気系に還流させる排気還流手段を備え、
上記エンジンの高負荷域で、排気還流手段を介して吸気系に還流される排気還流量に応じて上記筒内燃料噴射手段から噴射される燃料の噴射圧力を調節するように構成したことを特徴とする火花点火式ガソリンエンジンの制御装置。
In the control device of the spark ignition type gasoline engine according to any one of claims 1 to 4,
Provided with exhaust gas recirculation means for recirculating exhaust gas derived from the combustion chamber to the intake system;
The fuel injection pressure of the in-cylinder fuel injection means is adjusted in accordance with the exhaust gas recirculation amount recirculated to the intake system via the exhaust gas recirculation means in a high load region of the engine. A spark ignition gasoline engine control device.
請求項1〜5のいずれか1項に記載の火花点火式ガソリンエンジンの制御装置において、
上記ポート燃料噴射手段は、燃料タンクの燃料を吸気ポートに向けて噴射する低圧燃料ポンプを備え、
上記低圧燃料ポンプから吐出され燃料を、上記筒内燃料噴射手段の高圧燃料ポンプに供給するように構成したことを特徴とする火花点火式ガソリンエンジンの制御装置。
In the control device of the spark ignition type gasoline engine according to any one of claims 1 to 5,
The port fuel injection means includes a low pressure fuel pump that injects fuel in a fuel tank toward an intake port,
A control device for a spark ignition gasoline engine, characterized in that the fuel discharged from the low pressure fuel pump is supplied to the high pressure fuel pump of the in-cylinder fuel injection means.
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