JP5585533B2 - gasoline engine - Google Patents

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Description

本発明は、少なくとも一部がガソリンからなる燃料と空気との混合気を燃焼室で燃焼させることによりピストンを往復運動させるガソリンエンジンに関する。   The present invention relates to a gasoline engine in which a piston is reciprocated by burning an air-fuel mixture of at least a part of gasoline and air in a combustion chamber.

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

上記圧縮自己着火燃焼が適用されたガソリンエンジンの具体例として、例えば下記特許文献1に開示されたものが知られており、この特許文献1には、エンジンの一部の運転領域で、燃焼室に向けて燃料を複数回に分けて噴射するいわゆる分割噴射を行いながら、混合気を自着火により燃焼させることが開示されている。具体的には、圧縮行程よりも前に噴射された1回目の燃料により、燃料の濃度(混合気の空燃比)が均一な予混合領域を燃焼室に形成するとともに、圧縮行程後半の所定時期に行われる2回目の燃料噴射により、点火プラグの周りに混合気の成層領域を形成する。そして、ピストンが圧縮上死点の近傍に達した時点で、いわゆる着火アシストとして、点火プラグによる火花点火を行う。すると、この火花点火をきっかけに、上記成層領域内のリッチな混合気が燃焼するとともに、その燃焼による燃焼室の高温化をきっかけにして、上記予混合領域内の混合気が自着火により燃焼する。   As a specific example of a gasoline engine to which the compression self-ignition combustion is applied, for example, one disclosed in Patent Document 1 below is known. In Patent Document 1, a combustion chamber is provided in a part of the operating region of the engine. It is disclosed that the air-fuel mixture is combusted by self-ignition while performing so-called split injection in which fuel is injected in a plurality of times. Specifically, the first fuel injected prior to the compression stroke forms a premixed region in the combustion chamber in which the fuel concentration (air-fuel ratio of the air-fuel mixture) is uniform, and a predetermined timing in the latter half of the compression stroke. As a result of the second fuel injection performed in the above step, a stratified region of the air-fuel mixture is formed around the spark plug. When the piston reaches the vicinity of the compression top dead center, spark ignition is performed by a spark plug as so-called ignition assist. Then, the spark-ignition causes the rich air-fuel mixture in the stratified region to burn, and the air-fuel mixture in the pre-mixed region burns by auto-ignition triggered by the high temperature of the combustion chamber due to the combustion. .

特開2009−74488号公報JP 2009-74488 A

しかしながら、上記特許文献1のように、燃料濃度が均一な予混合領域内に燃料が偏在する成層領域が形成されるように燃料を分割噴射し、その状態で着火アシストを行うようにした場合には、特にエンジン負荷がある程度高まり、噴射されるトータルの燃料が増大したときに、上記予混合領域および成層領域内の両方の混合気がほとんど同時に燃焼することにより、筒内圧力が急上昇し、大きな燃焼騒音が発生するおそれがある。また、部分的に酸素が極端に不足した状態で燃焼が起きるため、多量のスート(炭素質粒子)が発生するおそれもある。   However, when the fuel is divided and injected so that a stratified region in which the fuel is unevenly distributed is formed in the premixed region where the fuel concentration is uniform as in Patent Document 1, the ignition assist is performed in that state. In particular, when the engine load increases to some extent and the total fuel to be injected increases, the mixture in both the premixed region and the stratified region burns almost simultaneously, so that the in-cylinder pressure rises rapidly, Combustion noise may occur. Further, since combustion occurs in a state where oxygen is extremely insufficient partially, a large amount of soot (carbonaceous particles) may be generated.

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、燃焼騒音やスートの増大を招くことなく、適正に圧縮自己着火燃焼を行うことが可能なガソリンエンジンを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and an object thereof is to provide a gasoline engine capable of appropriately performing compression self-ignition combustion without causing an increase in combustion noise and soot. To do.

上記課題を解決するためのものとして、本発明は、少なくとも一部がガソリンからなる燃料と空気との混合気を燃焼室で燃焼させることによりピストンを往復運動させるガソリンエンジンであって、上記ピストンの冠面の中央部に設けられた凹状のキャビティと、上
記キャビティと対向する燃焼室天井の中央部から上記燃料を複数の方向に向けて噴射する多噴口型のインジェクタと、上記インジェクタによる燃料の噴射動作を制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、予め設定されたエンジンの特定運転領域において、前段噴射および後段噴射の少なくとも2回に分けて上記インジェクタから燃料を噴射させるとともに、その噴射された燃料と空気との混合気を自着火により燃焼させ、上記前段噴射は、圧縮行程中でかつ上記後段噴射よりも前に燃料を噴射し、その噴射された燃料により、上記ピストンのキャビティよりもボア径方向の外側に位置する燃焼室の外周部に、上記キャビティの内部よりもリッチな混合気を形成するものであり、上記後段噴射は、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料を噴射し、その噴射された燃料により、上記前段噴射に基づく混合気の燃焼が上記燃焼室の外周部で既に起きている状態において、上記キャビティの内部に、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ものであり、上記特定運転領域における少なくとも低回転側の一部では、上記前段噴射の時期が圧縮行程後期に設定されるとともに、上記後段噴射の時期が圧縮上死点から膨張行程初期までのいずれかに設定されることを特徴とする(請求項1)。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a gasoline engine that reciprocates a piston by combusting an air-fuel mixture of at least a part of gasoline and air in a combustion chamber. A concave cavity provided in the center of the crown surface, a multi-hole injector that injects the fuel in a plurality of directions from the center of the combustion chamber ceiling facing the cavity, and fuel injection by the injector Control means for controlling the operation, and the control means injects the fuel from the injector in at least two times of the pre-stage injection and the post-stage injection in the predetermined specific operation region of the engine and The pre-injection is performed during the compression stroke and the post-injection. The fuel is injected before, and the injected fuel forms an air-fuel mixture richer than the inside of the cavity in the outer peripheral portion of the combustion chamber located outside the piston cavity in the bore radial direction. In the latter stage injection, fuel is injected at a predetermined time from the latter stage of the compression stroke to the early stage of the expansion stroke , and combustion of the air- fuel mixture based on the earlier stage injection is caused by the injected fuel in the outer peripheral portion of the combustion chamber. In the state that has already occurred, a richer air-fuel mixture is formed inside the cavity than at the time of execution of the preceding stage injection, and at least part of the low speed side in the specific operation region, the preceding stage injection. Is set in the latter half of the compression stroke, and the timing of the latter-stage injection is set to any one from the compression top dead center to the initial stage of the expansion stroke (claim 1).

本発明によれば、ピストンの中央部に設けられたキャビティと対向するようにインジェクタが設けられ、そのインジェクタから、圧縮行程以降の少なくとも2回の噴射時期(前段噴射および後段噴射)に分けて燃料が噴射されることにより、燃焼室内の別々の空間(燃焼室の外周部およびキャビティの内部)に分離して混合気が形成されるため、それらの混合気を圧縮上死点付近で独立して自着火、燃焼させることができる。このため、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といったことがなく、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(炭素質粒子)の増大を効果的に防止することができる。   According to the present invention, the injector is provided so as to face the cavity provided in the central portion of the piston, and the fuel is divided into at least two injection timings (pre-stage injection and post-stage injection) after the compression stroke from the injector. Is injected into separate spaces in the combustion chamber (the outer periphery of the combustion chamber and the inside of the cavity) to form an air-fuel mixture, so that the air-fuel mixture is independently formed near the compression top dead center. It can self-ignite and burn. For this reason, there is no case where the separately injected fuel is mixed and combusted at the same time, and an increase in combustion noise due to a sudden rise in in-cylinder pressure and an increase in soot (carbonaceous particles) due to local oxygen shortage are effective. Can be prevented.

本発明において、好ましくは、上記キャビティよりもボア径方向の外側に位置するピストン冠面に、ボア径方向の外側に至るほど高さが低くなる平面視円環状の環状凹部が形成される(請求項2)。   In the present invention, preferably, an annular concave portion having a circular shape in plan view is formed on the piston crown surface located on the outer side in the bore radial direction with respect to the cavity. Item 2).

この構成によれば、ピストン外周部の環状凹部に、上記前段噴射によって噴射された燃料が受け入れられることにより、その環状凹部の設置部に対応する燃焼室の外周部に、上記前段噴射に基づく混合気を確実に留めておくことができる。この結果、当該前段噴射に基づく混合気を、その後の後段噴射に基づきキャビティ内に形成される混合気から明確に分離することができ、それらの混合気の燃焼独立性をより確実に担保することができる。   According to this configuration, when the fuel injected by the preceding injection is received in the annular recess in the outer peripheral portion of the piston, the mixing based on the preceding injection is performed in the outer peripheral portion of the combustion chamber corresponding to the installation portion of the annular recess. You can be sure of it. As a result, the air-fuel mixture based on the preceding injection can be clearly separated from the air-fuel mixture formed in the cavity based on the subsequent post-injection, and the combustion independence of these air-fuel mixtures is more reliably ensured. Can do.

上記構成おいて、より好ましくは、上記環状凹部よりもさらにボア径方向の外側に、上記前段噴射により噴射された燃料を上方にガイドする立壁部が形成される(請求項3)。   In the above-described configuration, more preferably, an upright wall portion that guides the fuel injected by the preceding stage injection upward is further formed outside the annular recess in the bore radial direction.

この構成によれば、上記環状凹部に向けて噴射された前段噴射の燃料を立壁部に沿って上方に巻き上げることにより、燃料を十分に分散および気化・霧化させ、燃焼室の外周部における混合気の形成を効果的に促進することができる。   According to this configuration, the fuel of the pre-injection injected toward the annular recess is rolled up along the vertical wall portion, so that the fuel is sufficiently dispersed, vaporized and atomized, and mixed in the outer peripheral portion of the combustion chamber Qi formation can be effectively promoted.

本発明において、好ましくは、上記キャビティは、その上端の開口面積がキャビティ内部の最大断面積よりも小さくなるように上窄まり状に形成される(請求項4)。   In the present invention, preferably, the cavity is formed in a constricted shape so that an opening area at an upper end thereof is smaller than a maximum cross-sectional area inside the cavity.

この構成によれば、後段噴射により噴射された燃料に基づく混合気を、上記キャビティ内に確実に留めておくことができ、当該後段噴射に基づく混合気を、それ以前の前段噴射に基づく混合気から明確に分離して形成することができる。   According to this configuration, the air-fuel mixture based on the fuel injected by the post-injection can be reliably retained in the cavity, and the air-fuel mixture based on the post-stage injection is mixed with the air-fuel mixture based on the previous stage injection. Can be clearly separated from the film.

本発明において、好ましくは、上記インジェクタは、その先端に8個以上の噴口を有するとともに、当該8個の噴口を通じて、上記ピストン冠面に近づくほどボア径方向の外側に拡がるように放射状に燃料を噴射するものである(請求項5)。   In the present invention, preferably, the injector has eight or more injection holes at the tip thereof, and the fuel is radially radiated through the eight injection holes so as to expand outward in the bore radial direction as it approaches the piston crown surface. Injecting (claim 5).

この構成によれば、上記前段噴射および後段噴射を実行した後、ごく短時間で、周方向にほぼ均一な空燃比をもった混合気を形成することができ、その後の自着火による燃焼を適正に行わせることができる。   According to this configuration, an air-fuel mixture having a substantially uniform air-fuel ratio in the circumferential direction can be formed in a very short time after the above-described front-stage injection and rear-stage injection are performed. Can be done.

本発明において、好ましくは、上記特定運転領域に少なくとも高負荷域が含まれる(請求項6)。   In the present invention, preferably, the specific operation region includes at least a high load region (Claim 6).

この構成によれば、インジェクタからのトータルの燃料噴射量が多くなり、燃焼騒音の増大等が特に懸念される高負荷域において、上記のような混合気の分離形成を図ることにより、燃焼騒音を効果的に低減しつつ、スートの発生量を抑制することができる。   According to this configuration, in the high load region where the total fuel injection amount from the injector is increased and combustion noise is particularly concerned, the combustion noise can be reduced by forming the mixture mixture as described above. The amount of soot generated can be suppressed while effectively reducing.

上記構成において、より好ましくは、上記特定運転領域では、燃焼室で生成された排気ガスをEGR通路を通じて吸気通路に還流させる外部EGRが実行される(請求項7)。   In the above-described configuration, more preferably, in the specific operation region, external EGR for returning the exhaust gas generated in the combustion chamber to the intake passage through the EGR passage is performed (Claim 7).

この構成によれば、燃焼室の過度な高温化による異常燃焼の発生を回避しながら、ポンピングロスを効果的に低減し、燃費の改善を図ることができる。   According to this configuration, it is possible to effectively reduce pumping loss and improve fuel efficiency while avoiding occurrence of abnormal combustion due to excessively high temperature in the combustion chamber.

上記構成において、より好ましくは、上記特定運転領域における少なくとも高回転域では、上記前段噴射および後段噴射よりも前に、吸気行程中に燃料を噴射する予備噴射が実行される(請求項8)。   In the above-described configuration, more preferably, at least in the high rotation region in the specific operation region, preliminary injection for injecting fuel during the intake stroke is performed prior to the front-stage injection and the rear-stage injection.

この構成によれば、前段噴射および後段噴射で噴射すべき燃料の量が減るため、噴射すべきトータルの燃料が多く、しかもピストンスピードが速い状況でも、上記前段噴射および後段噴射による混合気の分離形成を的確に図ることができる。   According to this configuration, since the amount of fuel to be injected in the front-stage injection and the rear-stage injection is reduced, even when the total amount of fuel to be injected is large and the piston speed is high, the mixture separation by the front-stage injection and the rear-stage injection is performed. Formation can be made accurately.

以上説明したように、本発明によれば、燃焼騒音やスートの増大を招くことなく、適正に圧縮自己着火燃焼を行うことが可能なガソリンエンジンを提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a gasoline engine capable of appropriately performing compression self-ignition combustion without causing an increase in combustion noise and soot.

本発明の一実施形態にかかるガソリンエンジンの全体構成を示す図である。It is a figure showing the whole gasoline engine composition concerning one embodiment of the present invention. 図1の一部拡大図である。FIG. 2 is a partially enlarged view of FIG. 1. 上記エンジンの制御系を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the control system of the said engine. エンジンの運転状態に応じた燃焼形態を選択するための制御マップの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the control map for selecting the combustion form according to the driving | running state of an engine. 図4の第1運転領域(A1)における制御内容を説明するためのタイムチャートである。It is a time chart for demonstrating the control content in the 1st driving | operation area | region (A1) of FIG. 図4の第2運転領域(A2)における制御内容を説明するためのタイムチャートである。It is a time chart for demonstrating the control content in the 2nd driving | running area | region (A2) of FIG. 図4の第3運転領域(A3)における制御内容を説明するためのタイムチャートである。It is a time chart for demonstrating the control content in the 3rd driving | running area | region (A3) of FIG. (a)〜(f)は、上記第2運転領域(A2)で行われる燃料噴射とそれに基づく混合気の燃焼を模式的に説明するための図である。(A)-(f) is a figure for demonstrating typically the fuel injection performed in the said 2nd driving | operation area | region (A2), and combustion of the air-fuel mixture based on it.

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

上記ピストン5はコネクティングロッド8を介してクランク軸7と連結されており、上記ピストン5の往復運動に応じて上記クランク軸7が中心軸回りに回転するようになっている。   The piston 5 is connected to the crankshaft 7 via a connecting rod 8, and the crankshaft 7 rotates around the central axis in accordance with the reciprocating motion of the piston 5.

上記ピストン5の上方には燃焼室6が形成され、燃焼室6に吸気ポート9および排気ポート10が開口し、各ポート9,10を開閉する吸気弁11および排気弁12が、上記シリンダヘッド4にそれぞれ設けられている。なお、図例のエンジンはいわゆるダブルオーバーヘッドカムシャフト式(DOHC)エンジンであり、各気筒につき上記吸気ポート9および排気ポート10が2つずつ設けられるとともに、上記吸気弁11および排気弁12も2つずつ設けられている。   A combustion chamber 6 is formed above the piston 5, an intake port 9 and an exhaust port 10 are opened in the combustion chamber 6, and an intake valve 11 and an exhaust valve 12 that open and close the ports 9 and 10 are connected to the cylinder head 4. Are provided respectively. The engine shown in the figure is a so-called double overhead camshaft (DOHC) engine, in which two intake ports 9 and two exhaust ports 10 are provided for each cylinder, and two intake valves 11 and two exhaust valves 12 are provided. It is provided one by one.

ここで、「燃焼室」とは、狭義には、ピストン5が上死点まで上昇したときに当該ピストン5の上方に形成される空間のことを指すが、本明細書でいう燃焼室6とは、ピストン5の上下位置にかかわらずその上方に形成される空間のことを指すものとする(広義の燃焼室)。   Here, in a narrow sense, the “combustion chamber” refers to a space formed above the piston 5 when the piston 5 rises to the top dead center. Refers to the space formed above the piston 5 regardless of the vertical position (combustion chamber in a broad sense).

上記吸気弁11および排気弁12は、それぞれ、シリンダヘッド4に配設された一対のカムシャフト(図示省略)等を含む動弁機構13,14によりクランク軸7の回転に連動して開閉駆動される。   The intake valve 11 and the exhaust valve 12 are driven to open and close in conjunction with the rotation of the crankshaft 7 by valve mechanisms 13 and 14 including a pair of camshafts (not shown) disposed in the cylinder head 4. The

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

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

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

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

上記VVL16の作用により排気弁12が吸気行程中に開弁することで、高温の排気ガスが排気ポート10から燃焼室6に逆流し、燃焼室6の高温化が図られるとともに、燃焼室6に導入される空気(新気)の量が低減される。以下では、このような排気弁12の再開弁(吸気行程中の開弁)による排気ガスの残留操作を、後述する外部EGR装置30による排気ガスの還流操作(外部EGR)と区別して、内部EGRと称する。   When the exhaust valve 12 is opened during the intake stroke by the action of the VVL 16, the high-temperature exhaust gas flows backward from the exhaust port 10 to the combustion chamber 6, the temperature of the combustion chamber 6 is increased, and the combustion chamber 6 is heated. The amount of air (fresh air) introduced is reduced. Hereinafter, the exhaust gas remaining operation by the resumption valve of the exhaust valve 12 (opening during the intake stroke) is distinguished from the exhaust gas recirculation operation (external EGR) by the external EGR device 30 to be described later. Called.

上記エンジン本体1のシリンダヘッド4には、点火プラグ20およびインジェクタ21が、各気筒2につき1組ずつ設けられている。   The cylinder head 4 of the engine body 1 is provided with one set of spark plugs 20 and injectors 21 for each cylinder 2.

上記インジェクタ21は、燃焼室6をその天井面(燃焼室6を覆うシリンダヘッド4の下面)から臨むように設けられている。インジェクタ21には燃料供給管23が接続されており、この燃料供給管23を通じて供給される燃料(ガソリンを主成分とする燃料)が上記インジェクタ21の先端部から噴射されるようになっている。   The injector 21 is provided so as to face the combustion chamber 6 from the ceiling surface (the lower surface of the cylinder head 4 covering the combustion chamber 6). A fuel supply pipe 23 is connected to the injector 21, and fuel (fuel mainly composed of gasoline) supplied through the fuel supply pipe 23 is injected from the tip of the injector 21.

上記インジェクタ21は、いわゆる多噴口型のインジェクタであり、その先端部に12個の噴口を有している。これらの噴口の設置部(インジェクタ21の先端部)は、燃焼室6天井の中央部に位置しており、各噴口は、その開口端がボア径方向外側の斜め下方を向くように穿孔されている。このため、上記インジェクタ21の各噴口から燃料が噴射された場合、その燃料は、ピストン5の冠面(上面)に近づくほどボア径方向の外側に拡がるように放射状に噴射されることになる。   The injector 21 is a so-called multi-hole injector, and has twelve nozzle holes at its tip. These nozzle holes are installed at the center of the ceiling of the combustion chamber 6, and each nozzle hole is perforated so that its opening end faces obliquely downward on the outside in the bore diameter direction. Yes. For this reason, when fuel is injected from each injection hole of the injector 21, the fuel is injected radially so as to expand outward in the bore radial direction as it approaches the crown surface (upper surface) of the piston 5.

上記点火プラグ20は、燃焼室6を上方から臨むように上記インジェクタ21と隣接して配置されており、図外の点火回路からの給電に応じて先端から火花を放電する。   The spark plug 20 is disposed adjacent to the injector 21 so as to face the combustion chamber 6 from above, and discharges sparks from the tip in response to power supply from an ignition circuit (not shown).

上記エンジン本体1の吸気ポート9および排気ポート10には、吸気通路28および排気通路29がそれぞれ接続されている。すなわち、外部からの吸入空気(新気)が上記吸気通路28を通じて燃焼室6に供給されるとともに、燃焼室6で生成された排気ガス(既燃ガス)が上記排気通路29を通じて外部に排出されるようになっている。   An intake passage 28 and an exhaust passage 29 are connected to the intake port 9 and the exhaust port 10 of the engine body 1, respectively. In other words, intake air (fresh air) from the outside is supplied to the combustion chamber 6 through the intake passage 28 and exhaust gas (burned gas) generated in the combustion chamber 6 is discharged to the outside through the exhaust passage 29. It has become so.

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

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

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

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

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

図2は、上記ピストン5の冠面の形状を具体的に説明するための拡大図である。この図2および先の図1に示すように、ピストン5の冠面の中央部には、凹状のキャビティ40が設けられている。キャビティ40は、上記インジェクタ21と対向する上向きの開口部40aを上端に有しており、この開口部40aの面積(開口面積)は、キャビティ40の内部の最大断面積(キャビティ40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40は、その開口部40a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。   FIG. 2 is an enlarged view for specifically explaining the shape of the crown surface of the piston 5. As shown in FIG. 2 and FIG. 1 above, a concave cavity 40 is provided at the center of the crown surface of the piston 5. The cavity 40 has an upward opening 40a facing the injector 21 at the upper end, and the area (opening area) of the opening 40a is the maximum cross-sectional area inside the cavity 40 (each height of the cavity 40). The maximum horizontal cross-sectional area at the position) is set. That is, the cavity 40 is formed in a constricted shape so that the inner diameter becomes narrower toward the upper side in the range from the opening 40a to a predetermined depth.

上記キャビティ40よりもボア径方向の外側に位置するピストン5の冠面には、平面視円環状の環状凹部41が、キャビティ40の周囲を取り囲むように設けられている。この環状凹部41は、ボア径方向の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40の深さよりも浅く設定されている。   An annular recess 41 having an annular shape in plan view is provided on the crown surface of the piston 5 located outside the cavity 40 in the bore radial direction so as to surround the cavity 40. The annular recess 41 is formed such that the height decreases toward the outer side in the bore radial direction, and the maximum depth (the depth of the outermost peripheral portion) is set shallower than the depth of the cavity 40. Yes.

また、上記環状凹部41よりもさらにボア径方向の外側に位置するピストン5の最外周部には、上記環状凹部41よりも上方に突出した円環状の立壁部42が設けられている。この立壁部42の突出高さは、上記キャビティ40上端の開口部40a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 42 protruding upward from the annular recess 41 is provided on the outermost peripheral portion of the piston 5 positioned further outside the annular recess 41 in the bore radial direction. The protruding height of the standing wall portion 42 is set to be the same as the portion (lip portion) surrounding the opening 40 a at the upper end of the cavity 40.

再び図1に戻って、上記エンジン本体1のシリンダブロック3やシリンダヘッド4の内部には、冷却水が流通するウォータジャケット(図示省略)が設けられており、このウォータジャケット内の冷却水の温度を検出するための水温センサSW1が、上記シリンダブロック3に設けられている。   Returning to FIG. 1, a water jacket (not shown) through which cooling water flows is provided inside the cylinder block 3 and the cylinder head 4 of the engine body 1, and the temperature of the cooling water in the water jacket. The cylinder block 3 is provided with a water temperature sensor SW1 for detecting the above.

上記シリンダブロック3には、クランク角センサSW2も設けられている。クランク角センサSW2は、クランク軸7と一体に回転するクランクプレート(図示省略)の回転に応じてパルス信号を出力するものであり、このパルス信号に基づいて、クランク軸7の回転角度(クランク角)および回転速度(エンジン回転速度)が検出されるようになっている。   The cylinder block 3 is also provided with a crank angle sensor SW2. The crank angle sensor SW2 outputs a pulse signal according to the rotation of a crank plate (not shown) that rotates integrally with the crankshaft 7, and based on this pulse signal, the rotation angle (crank angle) of the crankshaft 7 is output. ) And rotation speed (engine rotation speed) are detected.

上記シリンダヘッド4には、動弁機構14におけるカムシャフトの角度を検出するためのカム角センサSW3が設けられている。カム角センサSW3は、カムシャフトと一体に回転するシグナルプレートの歯の通過に応じて、気筒判別(各気筒が吸気、圧縮、膨張、排気のいずれの行程にあるかの判別)用のパルス信号を出力するものである。   The cylinder head 4 is provided with a cam angle sensor SW3 for detecting the camshaft angle in the valve mechanism 14. The cam angle sensor SW3 is a pulse signal for determining a cylinder (determining whether each cylinder is in an intake stroke, compression stroke, expansion stroke, or exhaust stroke) according to passage of teeth of a signal plate that rotates integrally with the camshaft. Is output.

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

上記ECU50には、エンジンに設けられた各種センサから種々の情報が入力される。すなわち、ECU50は、エンジンに設けられた上記水温センサSW1、クランク角センサSW2、およびカム角センサSW3と電気的に接続されており、これら各センサSW1〜SW3からの入力信号に基づいて、エンジンの冷却水温、クランク角、エンジン回転速度、および気筒判別といった種々の情報を取得する。   Various information is input to the ECU 50 from various sensors provided in the engine. That is, the ECU 50 is electrically connected to the water temperature sensor SW1, the crank angle sensor SW2, and the cam angle sensor SW3 provided in the engine, and based on the input signals from these sensors SW1 to SW3, Various information such as cooling water temperature, crank angle, engine speed, and cylinder discrimination is acquired.

また、ECU50には、車両に設けられた各種センサからの情報も入力される。例えば、車両には、運転者により踏み込み操作される図外のアクセルペダルの開度(アクセル開度)を検出するアクセル開度センサSW4が設けられており、このアクセル開度センサSW4により検出されたアクセル開度が、上記ECU50に入力される。   The ECU 50 also receives information from various sensors provided in the vehicle. For example, the vehicle is provided with an accelerator opening sensor SW4 that detects the opening degree (accelerator opening degree) of an accelerator pedal (not shown) that is depressed by the driver, which is detected by the accelerator opening degree sensor SW4. The accelerator opening is input to the ECU 50.

上記ECU50が有するより具体的な機能について説明すると、上記ECU50は、その主な機能的要素として、判定手段51、インジェクタ制御手段52、吸気制御手段53、内部EGR制御手段54、外部EGR制御手段55、および点火制御手段56を有している。   A more specific function of the ECU 50 will be described. The ECU 50 includes, as main functional elements, a determination unit 51, an injector control unit 52, an intake control unit 53, an internal EGR control unit 54, and an external EGR control unit 55. , And ignition control means 56.

上記判定手段51は、クランク角センサSW2およびアクセル開度センサSW4の各検出値から特定されるエンジンの回転速度Neおよび負荷T(目標トルク)に基づいて、図4の制御マップにおけるいずれの運転領域でエンジンが運転されているかを判定するものである。   Based on the engine speed Ne and the load T (target torque) specified from the detected values of the crank angle sensor SW2 and the accelerator opening sensor SW4, the determination means 51 determines which operating region in the control map of FIG. It is determined whether or not the engine is operated.

具体的に、図4の制御マップにおいて、負荷Tが比較的低い領域には、全ての回転速度域にわたって第1運転領域A1が設定されている。また、この第1運転領域A1よりも負荷Tが高くかつ回転速度Neが所定値よりも低い領域には、第2運転領域A2が設定されているとともに、上記第1運転領域A1よりも負荷Tが高くかつ回転速度Neが上記所定値よりも高い領域には、第3運転領域A3が設定されている。さらに、上記第1運転領域A1と第2運転領域A2と間、および、第1運転領域A1と第3運転領域A3との間には、それぞれ、第4運転領域A4および第5運転領域A5が設定されている。なお、これら第1〜第5運転領域A1〜A5が設定された図4の制御マップは、基本的に、エンジン水温センサSW1により検出された冷却水温が所定値(例えば80℃)以上となる温間状態のときのものである。エンジンが冷間状態にあるときの制御マップについては、ここでは説明を省略する。   Specifically, in the control map of FIG. 4, the first operation region A1 is set over the entire rotational speed region in the region where the load T is relatively low. Further, in a region where the load T is higher than the first operation region A1 and the rotational speed Ne is lower than a predetermined value, the second operation region A2 is set and the load T is higher than that in the first operation region A1. The third operation region A3 is set in a region where the rotational speed Ne is higher than the predetermined value. Further, between the first operation region A1 and the second operation region A2 and between the first operation region A1 and the third operation region A3, there are a fourth operation region A4 and a fifth operation region A5, respectively. Is set. Note that the control map of FIG. 4 in which the first to fifth operation regions A1 to A5 are set basically has a temperature at which the coolant temperature detected by the engine coolant temperature sensor SW1 becomes a predetermined value (for example, 80 ° C.) or more. It is a thing at the time of an intermediate state. The description of the control map when the engine is in a cold state is omitted here.

エンジンの運転中においては、エンジンの運転点(負荷Tおよび回転速度Neの各値から特定される制御マップ上でのポイント)が上記図4中のどの運転領域(A1〜A5)に該当するかに応じて、それぞれ適切な燃焼形態が選択されるようになっている。   During operation of the engine, which operating region (A1 to A5) in FIG. 4 corresponds to the operating point of the engine (point on the control map specified from each value of the load T and the rotational speed Ne). Accordingly, an appropriate combustion mode is selected.

なお、詳細は後述するが、当実施形態では、エンジンの運転点が上記第1〜第5運転領域A1〜A5のいずれにある場合でも、ピストン5の圧縮作用により混合気を自着火させる燃焼形態(圧縮自己着火燃焼)が選択される。ただし、各運転領域A1〜A5では、インジェクタ21からの燃料噴射時期や、噴射された燃料に基づく混合気の空燃比、さらには内部EGRまたは外部EGRの有無等が異なる。例えば、第1運転領域A1では、吸気行程中に燃料が噴射され、かつ内部EGRが実行されるが、第2および第3運転領域A2,A3では、圧縮行程から膨張行程初期にかけた複数回(または吸気行程から膨張行程初期にかけた複数回)に分けて燃料が噴射され、かつ外部EGRが実行される。このうち、燃料を分割噴射しつつ圧縮自己着火燃焼を実行する第2および第3運転領域A2,A3は、本発明にかかる「特定運転領域」に相当するものである。   Although details will be described later, in this embodiment, the combustion mode in which the air-fuel mixture is self-ignited by the compression action of the piston 5 even when the operating point of the engine is in any of the first to fifth operating regions A1 to A5. (Compression self-ignition combustion) is selected. However, in each operation region A1 to A5, the fuel injection timing from the injector 21, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture based on the injected fuel, the presence or absence of internal EGR or external EGR, and the like are different. For example, in the first operating region A1, fuel is injected during the intake stroke and the internal EGR is executed. In the second and third operating regions A2 and A3, a plurality of times (from the compression stroke to the initial stage of the expansion stroke) ( Alternatively, fuel is injected in a plurality of times from the intake stroke to the initial stage of the expansion stroke, and external EGR is executed. Among these, the second and third operation regions A2 and A3 in which the compressed self-ignition combustion is executed while dividing the fuel are divided are equivalent to the “specific operation regions” according to the present invention.

上記インジェクタ制御手段52は、上記インジェクタ21から燃焼室6に噴射される燃料の噴射量や噴射時期を制御するものである。具体的に、このインジェクタ制御手段52は、アクセル開度センサSW4の検出値(アクセル開度)等から演算される負荷T(目標トルク)や、クランク角センサSW2から特定されるエンジン回転速度Ne等の情報に基づいて、目標とする燃料の噴射量および噴射時期を演算し、その演算結果に基づいてインジェクタ21の開弁時期および開弁期間を制御する。   The injector control means 52 controls the amount and timing of fuel injected from the injector 21 into the combustion chamber 6. Specifically, the injector control means 52 includes a load T (target torque) calculated from a detection value (accelerator opening) of the accelerator opening sensor SW4, an engine rotational speed Ne specified from the crank angle sensor SW2, and the like. Based on the information, the target fuel injection amount and injection timing are calculated, and the valve opening timing and valve opening period of the injector 21 are controlled based on the calculation result.

上記吸気制御手段53は、上記CVVL15を駆動して吸気弁11のリフト量(開弁量)を変更する制御を行うものである。例えば、吸気制御手段53は、エンジンの負荷Tが高くインジェクタ21からの燃料噴射量が多い場合には、それに合わせて燃焼室6に多量の空気(新気)を導入すべく、吸気弁11のリフト量を増大させる。一方、エンジンの負荷Tが低くインジェクタ21からの燃料噴射量が少ない場合には、新気の量も少なくて済むため、吸気弁11のリフト量は低減される。   The intake control means 53 performs control to drive the CVVL 15 and change the lift amount (opening amount) of the intake valve 11. For example, when the engine load T is high and the amount of fuel injected from the injector 21 is large, the intake control means 53 is configured so that a large amount of air (fresh air) is introduced into the combustion chamber 6 accordingly. Increase the lift amount. On the other hand, when the engine load T is low and the amount of fuel injected from the injector 21 is small, the amount of fresh air can be reduced, so the lift amount of the intake valve 11 is reduced.

上記内部EGR制御手段54は、上記VVL16を駆動して排気弁12の吸気行程中の開弁を実行または停止することにより、燃焼室6に排気ガスを残留(逆流)させる操作(内部EGR)の有無を切り替えるものである。なお、当実施形態において、排気弁12は1気筒あたり2つ設けられているので、吸気行程中に開弁する排気弁12の数を0,1,2の間で切り替えることにより、上記燃焼室6に残留する排気ガスの量(内部EGR量)を段階的に変化させることが可能である。   The internal EGR control means 54 performs an operation (internal EGR) for causing the exhaust gas to remain (reverse flow) in the combustion chamber 6 by driving the VVL 16 to execute or stop the valve opening during the intake stroke of the exhaust valve 12. The presence or absence is switched. In the present embodiment, since two exhaust valves 12 are provided per cylinder, the combustion chamber is switched by switching the number of exhaust valves 12 that are opened during the intake stroke between 0, 1, and 2. The amount of exhaust gas remaining in 6 (internal EGR amount) can be changed stepwise.

上記外部EGR制御手段55は、上記EGR通路31に設けられたEGRバルブ32の開度を調節することにより、排気通路29から吸気通路28に排気ガスを還流する操作(外部EGR)の有無を切り替えるとともに、その外部EGRによる排気ガスの還流量(外部EGR量)を制御するものである。   The external EGR control means 55 switches the presence / absence of an operation (external EGR) for returning the exhaust gas from the exhaust passage 29 to the intake passage 28 by adjusting the opening degree of the EGR valve 32 provided in the EGR passage 31. At the same time, the exhaust gas recirculation amount (external EGR amount) by the external EGR is controlled.

上記点火制御手段56は、上記点火プラグ20が火花放電を行うタイミング(点火時期)等を制御するものである。ただし、当実施形態では、上述したように、図4に示した第1〜第5運転領域A1〜A5のいずれにおいても、火花点火によらず混合気を自着火させる燃焼形態(圧縮自己着火燃焼)が選択されるため、少なくともエンジンの温間時には、点火プラグ20からの火花点火は停止される。すなわち、点火プラグ20は、例えばエンジンの始動時や冷間状態での運転時のように、混合気の自着火が困難な場合(火花点火による強制燃焼が必要な場合)にのみ作動し、それ以外のときは基本的に作動しない。   The ignition control means 56 controls the timing (ignition timing) at which the spark plug 20 performs spark discharge. However, in this embodiment, as described above, in any of the first to fifth operation regions A1 to A5 shown in FIG. 4, the combustion mode (compressed self-ignition combustion) that self-ignites the air-fuel mixture irrespective of spark ignition. ) Is selected, the spark ignition from the spark plug 20 is stopped at least when the engine is warm. That is, the spark plug 20 operates only when it is difficult to self-ignite the air-fuel mixture (for example, when forced combustion by spark ignition is necessary), such as when the engine is started or when it is operated in a cold state. Basically it does not work except for.

(3)各運転領域での燃焼形態
次に、以上のような機能を有するECU50の制御に基づき、図4に示した各運転領域(A1,A2,A3,A4,A5)で、それぞれどのような燃焼形態が選択されるのかを説明する。なお、この説明の前提として、エンジンの冷却水温は充分に暖まっている(つまり温間時の運転である)ものとする。この場合は、エンジンの運転点が上記運転領域A1〜A5のいずれにあっても、圧縮自己着火燃焼が選択されることになる。ただし、適切な圧縮自己着火燃焼を行わせるには、インジェクタ21からの燃料噴射時期や、内部EGRまたは外部EGRの有無等を、運転領域A1〜A5によって変化させる必要がある。そのため、ECU50は、上記インジェクタ21、CVVL15、VVL16、およびEGRバルブ32等を、エンジンの運転点を逐次判定しながら制御する。
(3) Combustion mode in each operation region Next, based on the control of the ECU 50 having the above function, how each combustion region (A1, A2, A3, A4, A5) shown in FIG. It will be explained whether a suitable combustion mode is selected. As a premise of this explanation, it is assumed that the engine coolant temperature is sufficiently warm (that is, the engine is warm). In this case, the compression self-ignition combustion is selected regardless of the operation range of the engine in any one of the operation regions A1 to A5. However, in order to perform appropriate compression self-ignition combustion, it is necessary to change the fuel injection timing from the injector 21, the presence / absence of internal EGR or external EGR, and the like depending on the operation regions A1 to A5. Therefore, the ECU 50 controls the injector 21, CVVL15, VVL16, EGR valve 32, and the like while sequentially determining the operating point of the engine.

すなわち、エンジンの運転が開始されると、ECU50は、上記クランク角センサSW2およびアクセル開度センサSW4の各検出値に基づいて、エンジンの運転点(負荷Tおよび回転速度Ne)が図4の制御マップにおけるどの運転領域に該当するかを逐次判定する。そして、判定された運転領域が、図4中の第1〜第5運転領域A1〜A5の中のいずれであるかに応じて、それぞれ以下のような制御を実行する。   That is, when the engine is started, the ECU 50 determines the engine operating point (load T and rotational speed Ne) based on the detected values of the crank angle sensor SW2 and the accelerator opening sensor SW4 as shown in FIG. It is sequentially determined which operation region in the map corresponds. Then, the following control is executed depending on which of the determined operation regions is one of the first to fifth operation regions A1 to A5 in FIG.

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

ただし、第1運転領域A1は、負荷Tが比較的低く、インジェクタ21から噴射される燃料の量が少ないため、筒内温度を意図的に上昇させないと、失火が起きるおそれがある。そこで、上記第1運転領域A1では、VVL16を駆動して排気弁12を吸気行程中に開弁させることにより、燃焼室6で生成された排気ガスを燃焼室6に逆流させる内部EGRが実行される。すなわち、排気弁12は、通常、排気行程のみで開弁するが(図5のリフトカーブEX)、VVL16の駆動に基づき排気弁12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10から燃焼室6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6に逆流(残留)させることで、燃焼室6を高温化して、混合気の自着火を促進する。なお、燃焼室6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。そのための制御として、例えば、第1運転領域A1における低負荷域(無負荷に近い領域)では、吸気行程中に開弁する排気弁12の数が2つとされ、それよりも負荷が高くなると、開弁数が1つに減らされる。   However, since the load T is relatively low in the first operation region A1 and the amount of fuel injected from the injector 21 is small, misfire may occur unless the in-cylinder temperature is intentionally increased. Therefore, in the first operation region A1, internal EGR is performed in which the exhaust gas generated in the combustion chamber 6 flows back to the combustion chamber 6 by driving the VVL 16 and opening the exhaust valve 12 during the intake stroke. The That is, the exhaust valve 12 is normally opened only in the exhaust stroke (lift curve EX in FIG. 5), but by opening the exhaust valve 12 in the intake stroke based on driving of the VVL 16 (lift curve EX ′), Exhaust gas is caused to flow backward from the exhaust port 10 to the combustion chamber 6. Thus, by causing the high-temperature exhaust gas to flow backward (residual) into the combustion chamber 6, the combustion chamber 6 is heated to promote self-ignition of the air-fuel mixture. Note that the amount of exhaust gas remaining in the combustion chamber 6 (internal EGR amount) is set to be larger on the low load side and smaller on the high load side. As a control for that, for example, in the low load region (region close to no load) in the first operation region A1, the number of the exhaust valves 12 opened during the intake stroke is two, and the load becomes higher than that, The number of valve openings is reduced to one.

上記のように、第1運転領域A1では、排気弁12の再開弁(吸気行程中の開弁)に基づく内部EGRが実行されるため、外部EGRについては停止される。すなわち、EGR通路31に設けられたEGRバルブ32の開度が全閉に設定されることにより、排気通路29から吸気通路28への排気ガスの還流が停止される。   As described above, in the first operation region A1, the internal EGR based on the restart valve (opening during the intake stroke) of the exhaust valve 12 is executed, so the external EGR is stopped. That is, when the opening degree of the EGR valve 32 provided in the EGR passage 31 is set to be fully closed, the recirculation of the exhaust gas from the exhaust passage 29 to the intake passage 28 is stopped.

また、上記第1運転領域A1では、燃焼室6内の混合気の空燃比(実空燃比)を理論空燃比(14.7)で割った値である空気過剰率λが、2以上という大幅にリーンな値に設定される。そのため、CVVL15の駆動により吸気弁11(リフトカーブIN)のリフト量を増減する制御が実行され、燃焼室6に導入される新気の量が、上記インジェクタ21からの燃料噴射量に対しかなり過剰になるように制御される。このように大幅にリーンに設定された混合気を燃焼させた場合、燃焼温度が大幅に低下するため、冷却損失を低減して熱効率(燃費)を向上させることができる。なお、λ≧2にまでリーンになると、三元触媒によるNOxの浄化作用はほとんど期待できなくなるが、λ≧2での燃焼により生じる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 first operation region A1, the excess air ratio λ, which is a value obtained by dividing the air-fuel ratio (actual air-fuel ratio) of the air-fuel mixture in the combustion chamber 6 by the stoichiometric air-fuel ratio (14.7), is 2 or more. Is set to a lean value. Therefore, the control for increasing or decreasing the lift amount of the intake valve 11 (lift curve IN) is executed by driving the CVVL 15, and the amount of fresh air introduced into the combustion chamber 6 is considerably excessive with respect to the fuel injection amount from the injector 21. It is controlled to become. In this way, when the air-fuel mixture set to be significantly lean is burned, the combustion temperature is greatly lowered, so that the cooling loss can be reduced and the thermal efficiency (fuel consumption) can be improved. When leaning to λ ≧ 2, the NOx purification action by the three-way catalyst can hardly be expected, but the NOx amount (raw NOx amount) generated by combustion at 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.

(ii)第2運転領域A2
上記第1運転領域A1よりも負荷Tが高く、かつ回転速度Neが比較的低い領域に設定された第2運転領域A2では、図6に示すような制御が実行される。すなわち、第2運転領域A2では、圧縮上死点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(P1,P2)に分けてインジェクタ21から燃料を噴射させる分割噴射が実行される。以下では、圧縮行程中に実行される1回目の燃料噴射P1を前段噴射、それより後の圧縮上死点付近(図例では膨張行程のごく初期)に実行される2回目の燃料噴射P2を後段噴射と称する。
(Ii) Second operation area A2
In the second operation region A2 where the load T is higher than that in the first operation region A1 and the rotation speed Ne is set to a relatively low region, the control as shown in FIG. 6 is executed. That is, in the second operation region A2, the fuel is injected from the injector 21 in two injection timings (P1, P2) set in the vicinity of the compression top dead center and a predetermined time in the previous compression stroke. Split injection is performed. In the following description, the first fuel injection P1 executed during the compression stroke is performed as the pre-stage injection, and the second fuel injection P2 executed near the compression top dead center after that (in the illustrated example, very early in the expansion stroke). This is called post-injection.

具体的に、上記第2運転領域A2において、前段噴射P1のタイミングは、圧縮上死点(TDC)を基準として、その上死点前(BTDC)60〜50°CA(CAはクランク角を表す)程度の期間内に設定され、後段噴射P2のタイミングは、上死点後(ATDC)0〜10°CA程度の期間内に設定される。また、前段噴射P1および後段噴射P2による各噴射量の割合については、前段噴射P1が10%以下で後段噴射P2が90%以上に設定されるパターンから、前段噴射P1が60%程度で後段噴射P2が40%程度に設定されるパターンまで、運転条件等により適宜の割合に設定される。   Specifically, in the second operation region A2, the timing of the front injection P1 is based on the compression top dead center (TDC) before the top dead center (BTDC) 60 to 50 ° CA (CA represents the crank angle). ) And the timing of the post-injection P2 is set within a period of about 0 to 10 ° CA after top dead center (ATDC). Further, regarding the ratio of each injection amount by the front stage injection P1 and the rear stage injection P2, the front stage injection P1 is about 60% and the rear stage injection from the pattern in which the front stage injection P1 is set to 10% or less and the rear stage injection P2 is set to 90% or more. Up to a pattern in which P2 is set to about 40%, it is set at an appropriate ratio depending on the operating conditions and the like.

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

上記のように前段噴射P1および後段噴射P2に分けて燃料を噴射するようにしたのは、燃焼騒音等の問題を考慮してのものである。すなわち、燃料噴射量の多い上記第2運転領域A2では、燃料を1回で噴射してしまうと、噴射された多量の燃料が短時間で全て燃焼する急激な燃焼が起きることにより、筒内圧力が急上昇し、燃焼騒音が著しく増大する等の事態を招くおそれがある。そこで、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。   The reason why the fuel is injected separately into the front injection P1 and the rear injection P2 as described above is in consideration of problems such as combustion noise. That is, in the second operation region A2 where the fuel injection amount is large, if the fuel is injected at one time, a sudden combustion occurs in which all of the injected large amount of fuel burns in a short time, thereby causing in-cylinder pressure. May suddenly increase, resulting in a marked increase in combustion noise. Therefore, by dividing and injecting fuel as described above, relatively mild combustion is continuously caused to avoid 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、インジェクタ21の配置やピストン5の形状によっては、各回に噴射された燃料どうしが混じり合い、その混じり合った燃料がほとんど同時に燃焼することがある。このように、噴射タイミングが異なる燃料どうしが混じり合った状態で燃焼が起きると、燃焼騒音が過大になるばかりでなく、燃焼時に必要な酸素が局所的に著しく不足し、多量のスート(炭素質粒子)が発生するおそれがある。   However, even if the fuel injection is divided into a plurality of times, depending on the arrangement of the injector 21 and the shape of the piston 5, the fuels injected at each time may be mixed and the mixed fuel may burn almost simultaneously. . In this way, if combustion occurs in a mixture of fuels with different injection timings, not only does combustion noise become excessive, but the oxygen required for combustion is significantly insufficient locally, resulting in a large amount of soot (carbonaceous matter). Particles) may occur.

このような問題に対し、当実施形態では、インジェクタ21が燃焼室6天井の中央部に配置されるとともに、ピストン5の冠面がキャビティ40等を有する特殊な形状に形成されているため、分割噴射された燃料が一緒に燃焼してしまうことがなく、上記のような燃焼騒音の増大やスートの大量発生を回避することが可能である(その詳細なメカニズムについては後述する)。   In this embodiment, the injector 21 is disposed at the center of the ceiling of the combustion chamber 6 and the crown surface of the piston 5 is formed in a special shape having a cavity 40 and the like. The injected fuel does not burn together, and it is possible to avoid an increase in combustion noise and a large amount of soot as described above (detailed mechanism will be described later).

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

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

このように、内部EGRから外部EGRへと切り替えるのは、燃焼室6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、第2運転領域A2は、第1運転領域A1よりもエンジン負荷Tが高く、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6が高温化する傾向にある。このため、仮に第2運転領域A2でも内部EGRを継続したのでは、燃焼室6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33付きのEGR通路31を通過した(つまりEGRクーラ33により冷却された)排気ガスを吸気通路28に還流させることにより、燃焼室6の過度な高温化を防ぎ、上記のような異常燃焼を回避するようにしている。ただし、第2運転領域A2であっても、エンジンの全負荷近傍では、多量の新気を確保するために、外部EGRは停止される。   The reason for switching from the internal EGR to the external EGR in this manner is to prevent excessive combustion of the combustion chamber 6 and avoid abnormal combustion. That is, in the second operation region A2, the engine load T is higher than that in the first operation region A1, and the total amount of injected fuel is large. Therefore, the amount of heat generated with combustion increases, and the combustion chamber 6 tends to be heated. It is in. For this reason, if the internal EGR is continued even in the second operation region A2, the combustion chamber 6 becomes increasingly hot and abnormal combustion such as pre-ignition or knocking may occur. Therefore, the internal EGR is switched to the external EGR, and the exhaust gas that has passed through the EGR passage 31 with the EGR cooler 33 (that is, cooled by the EGR cooler 33) is recirculated to the intake passage 28. High temperature is prevented and abnormal combustion as described above is avoided. However, even in the second operation region A2, the external EGR is stopped in the vicinity of the full load of the engine in order to ensure a large amount of fresh air.

ここで、以上のような制御に基づき実現される第2運転領域A2での燃焼形態について、図8(a)〜(f)を参照しつつより具体的に説明する。図8(a)は、インジェクタ21から前段噴射P1が行われたときの状態を示している。このときのピストン5は、上述したように、圧縮上死点前(BTDC)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5の冠面に向けて、上記インジェクタ21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5の冠面のボア径方向の外側寄りに設けられた環状凹部41に向かうことになる。   Here, the combustion mode in the second operation region A2 that is realized based on the control as described above will be described more specifically with reference to FIGS. FIG. 8A shows a state when the upstream injection P1 is performed from the injector 21. FIG. The piston 5 at this time is located at about 60 to 50 ° CA before compression top dead center (BTDC) as described above. When fuel is injected radially from the plural (12) nozzle holes provided at the tip of the injector 21 toward the crown surface of the piston 5 at such a position, the spray of the fuel is sprayed on the crown of the piston 5. It faces the annular recess 41 provided on the outer side of the surface in the bore radial direction.

上記ピストン5の環状凹部41に向けて噴射された燃料(噴霧)は、その後、ピストン5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8(b)に示すように、燃焼室6の外周部(主に環状凹部41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6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、理論空燃比程度の濃さの混合気X1が燃焼室6の外周部に局所的に形成されるように、上記前段噴射P1の噴射時期および噴射量が設定されている。   The fuel (spray) injected toward the annular recess 41 of the piston 5 is then dispersed while being guided upward by the standing wall portion 42 provided on the outermost peripheral portion of the piston 5, and based on the dispersed fuel, As shown in FIG. 8B, the air-fuel mixture X1 is formed in the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 (mainly inside the annular recess 41 and the space above it). 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 6. That is, the injection timing and the injection amount of the pre-stage injection P1 are set so that the air-fuel mixture X1 having a concentration about the theoretical air-fuel ratio is locally formed on the outer peripheral portion of the combustion chamber 6.

もちろん、上記前段噴射P1によって、燃焼室6の外周部以外(例えばキャビティ40の内部)にも微量の燃料が存在し得るが、その燃料の濃度は、上記燃焼室6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、前段噴射P1が実行された時点で、燃焼室6の外周部には、キャビティ40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, a small amount of fuel may be present outside the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 (for example, inside the cavity 40) due to the upstream injection P1, but the concentration of the fuel is extremely higher than that of the outer peripheral portion of the combustion chamber 6. It is thin. In other words, the air-fuel mixture X1 richer than the inside of the cavity 40 is formed in the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 at the time when the front injection P1 is executed.

上記のように燃焼室6の外周部に形成された混合気X1は、ピストン5の上昇により圧縮されて高温・高圧化し、圧縮上死点付近までピストン5が達したところで、図8(c)に示すように自着火により燃焼する(圧縮自己着火)。なお、同図では、混合気X1が燃焼している領域を黒またはグレーに着色して示している。この混合気X1が燃焼する領域Y1は、上記混合気X1が形成された領域に対応して、燃焼室6の外周部分に限られる。   The air-fuel mixture X1 formed on the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 as described above is compressed by the rise of the piston 5 to become high temperature and pressure, and when the piston 5 reaches the vicinity of the compression top dead center, FIG. It burns by self-ignition as shown in (compression self-ignition). 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 6 corresponding to the region where the air-fuel mixture X1 is formed.

上記のような前段噴射P1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P1に基づく燃焼開始とほぼ同時に)、図8(d)に示すような後段噴射P2が実行される。この後段噴射P2のタイミングは、上述したように、ピストン5が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)でインジェクタ21から燃料が噴射されると、その燃料の噴霧は、ピストン5の冠面の中央部に設けられたキャビティ40の内部へと向かうことになる。すると、このキャビティ40の内部に向けて噴射された燃料(噴霧)は、キャビティ40の周壁に沿って上方にガイドされながら分散し、その分散した燃料に基づき、図8(e)に示すように、燃焼室6の中央部(主にキャビティ40の内部)に混合気X2が形成される。この混合気X2の局所的な空燃比も、上述した前段噴射P1に基づく混合気X1と同様、理論空燃比(空気過剰率λ=1)程度に設定される。言い換えれば、上記後段噴射P2により、キャビティ40の内部には、前段噴射P1の実行時よりもリッチな(より具体的には、前段噴射P1により噴射された燃料に基づきキャビティ40内に形成される極めて薄い混合気の空燃比よりもリッチな)混合気X2が形成されていることになる。   When combustion based on the front injection P1 as described above starts, the rear injection P2 as shown in FIG. 8 (d) is executed around that time (in the example shown, substantially simultaneously with the start of combustion based on the front injection P1). . As described above, the timing of the post-injection P2 is about ATDC 0 to 10 ° CA at approximately the same time as or immediately after the time when the piston 5 reaches its rising end (compression top dead center). When fuel is injected from the injector 21 at such a timing (near the compression top dead center), the spray of the fuel goes to the inside of the cavity 40 provided in the central portion of the crown surface of the piston 5. . Then, the fuel (spray) injected toward the inside of the cavity 40 is dispersed while being guided upward along the peripheral wall of the cavity 40, and based on the dispersed fuel, as shown in FIG. The air-fuel mixture X2 is formed at the center of the combustion chamber 6 (mainly inside the cavity 40). The local air-fuel ratio of the air-fuel mixture X2 is also set to about the stoichiometric air-fuel ratio (excess air ratio λ = 1), similar to the air-fuel mixture X1 based on the pre-stage injection P1 described above. In other words, the latter-stage injection P2 forms the inside of the cavity 40 in the cavity 40, which is richer than when the first-stage injection P1 is executed (more specifically, based on the fuel injected by the first-stage injection P1. A mixture X2 (richer than the air-fuel ratio of an extremely thin mixture) is formed.

上記のような後段噴射P2に基づく混合気X2は、ピストン5が圧縮上死点に近く、しかも前段噴射P1に基づく混合気X1の燃焼が既に起きている状態で形成されるものである。このため、上記混合気X2は、図8(f)に示すように、後段噴射P2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6の中央部に限られる。すなわち、上述した前段噴射P1に基づく混合気X1が、環状凹部41の設置部に対応する燃焼室6の外周部分(燃料領域Y1)で燃焼するのに対し、後段噴射P2に基づく混合気X2は、キャビティ40の設置部に対応する燃焼室6の中央部(上記燃料領域Y1よりもボア径方向の中心寄りに位置する燃焼領域Y2)で燃焼することになる。   The air-fuel mixture X2 based on the rear injection P2 as described above is formed in a state where the piston 5 is close to the compression top dead center and combustion of the air-fuel mixture X1 based on the front injection P1 has already occurred. For this reason, as shown in FIG. 8F, the air-fuel mixture X2 reaches self-ignition and burns in a short time after the post-injection P2. The region Y2 where the air-fuel mixture X2 burns is limited to the central portion of the combustion chamber 6 corresponding to the region where the air-fuel mixture X2 is formed. That is, the air-fuel mixture X1 based on the above-described front-stage injection P1 burns in the outer peripheral portion (fuel region Y1) of the combustion chamber 6 corresponding to the installation portion of the annular recess 41, whereas the air-fuel mixture X2 based on the rear-stage injection P2 Then, combustion occurs in the central portion of the combustion chamber 6 corresponding to the installation portion of the cavity 40 (combustion region Y2 located closer to the center in the bore radial direction than the fuel region Y1).

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

(iii)第3運転領域A3
上記第1運転領域A1よりも負荷Tが高く、かつ第2運転領域A2よりも回転速度Neが高い第3運転領域A3では、図7に示すような制御が実行される。すなわち、第3運転領域A3では、インジェクタ21からの燃料が、吸気行程から圧縮上死点付近にかけた3回の時期に分けて噴射される(P0,P1,P2)。このうち、圧縮行程中に実行される2回目の燃料噴射P1と、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3回目の燃料噴射P2とは、それぞれ、先に説明した第2運転領域A2における前段噴射P1および後段噴射P2(図6)にそれぞれ対応している。一方、吸気行程中に実行される1回目の燃料噴射P0は、第2運転領域A2では行われない噴射であり、第3運転領域A3に特有のものである。よって、以下では、第3運転領域A3における1回目の燃料噴射P0を予備噴射、2回目の燃料噴射P1を前段噴射、3回目の燃料噴射P2を後段噴射と称する。
(Iii) Third operation area A3
In the third operation region A3 where the load T is higher than that in the first operation region A1 and the rotational speed Ne is higher than that in the second operation region A2, the control as shown in FIG. 7 is executed. That is, in the third operation region A3, the fuel from the injector 21 is injected in three times from the intake stroke to the vicinity of the compression top dead center (P0, P1, P2). Of these, the second fuel injection P1 executed during the compression stroke and the third fuel injection P2 executed near the compression top dead center after that (in the illustrated example, very early in the expansion stroke) are: Each corresponds to the front injection P1 and the rear injection P2 (FIG. 6) in the second operation region A2 described above. On the other hand, the first fuel injection P0 executed during the intake stroke is an injection that is not performed in the second operation region A2, and is specific to the third operation region A3. Therefore, hereinafter, the first fuel injection P0 in the third operation region A3 is referred to as preliminary injection, the second fuel injection P1 is referred to as pre-injection, and the third fuel injection P2 is referred to as post-injection.

上記第3運転領域A3で実行される前段噴射P1および後段噴射P2は、第2運転領域でのそれと同様の役割を果たすものである。すなわち、圧縮行程中に実行される前段噴射P1により、図8(b)に示したような、燃焼室6の外周部に偏在する混合気X1が形成され、圧縮上死点付近で実行される後段噴射P2により、図8(e)に示したような、燃焼室6の中央部に偏在する混合気X2が形成される。   The pre-stage injection P1 and the post-stage injection P2 executed in the third operation area A3 play a role similar to that in the second operation area. That is, the pre-stage injection P1 executed during the compression stroke forms an air-fuel mixture X1 that is unevenly distributed in the outer periphery of the combustion chamber 6 as shown in FIG. 8B, and is executed near the compression top dead center. By the post-injection P2, an air-fuel mixture X2 that is unevenly distributed at the center of the combustion chamber 6 as shown in FIG.

ただし、第3運転領域A3では、第2運転領域A2のときよりもエンジン回転速度Neが高く、ピストンスピードが速いため、インジェクタ21からの噴射燃料がピストン5の冠面付近に達するまでの間にピストン5が比較的大きく移動する。このことを考慮して、上記前段噴射P1および後段噴射P2の時期は、第2運転領域A2のときよりも若干早めに設定される。これにより、エンジン回転速度Neの相違にかかわらず、上記各噴射P1,P2に基づく混合気X1,X2が図8(b),(e)に示したのと同様の場所に別々に形成され、それらの混合気が独立して自着火、燃焼するようになる(図8(c),(f))。   However, in the third operation region A3, the engine rotation speed Ne is higher than that in the second operation region A2, and the piston speed is faster. Therefore, the injected fuel from the injector 21 is in the vicinity of the vicinity of the crown surface of the piston 5. The piston 5 moves relatively large. Considering this, the timing of the front injection P1 and the rear injection P2 is set slightly earlier than in the second operation region A2. As a result, regardless of the difference in engine speed Ne, the air-fuel mixtures X1, X2 based on the injections P1, P2 are separately formed at the same locations as shown in FIGS. 8B and 8E. These air-fuel mixtures are self-ignited and burned independently (FIGS. 8C and 8F).

一方、上記第3運転領域A3で、前段噴射P1および後段噴射P2に加えて、吸気行程中に実行される予備噴射P0を追加しているのは、エンジン回転速度Neが比較的高い第3運転領域A3では、短期間のうちに所要量の燃料を噴射し切ることが困難だからである。すなわち、エンジン回転速度Neが高い第3運転領域A3では、相対的に回転速度Neが低い第2運転領域A2のときと異なり、ピストンスピードが速いため、同じ時間をかけて所要量の燃料を噴射しようとしても、その間にピストン5の位置が大きく変化してしまい、ピストン5と燃料の噴霧との位置関係が崩れてしまうおそれがある。   On the other hand, in the third operation region A3, in addition to the front injection P1 and the rear injection P2, the preliminary injection P0 executed during the intake stroke is added because the third operation has a relatively high engine speed Ne. This is because in the region A3, it is difficult to inject a required amount of fuel within a short period of time. That is, in the third operating region A3 where the engine rotational speed Ne is high, unlike the second operating region A2 where the rotational speed Ne is relatively low, the piston speed is fast, so the required amount of fuel is injected over the same time. Even if it tries to do so, the position of the piston 5 may change significantly during that time, and the positional relationship between the piston 5 and the fuel spray may be destroyed.

例えば、上記第3運転領域A3において、第2運転領域A2のときと同量の燃料を前段噴射P1によって噴射しようとすれば、インジェクタ21からの燃料噴射動作(インジェクタ21の噴口を開いてそこから燃料を噴射させる動作)を、第2運転領域A2のときと同じ期間だけ継続させる必要があるが、ピストンスピードの速い第3運転領域A3では、燃料の吹き始めから吹き終わりまでの間にピストン5の位置が大きく上昇することにより、図8(a)に示したような適正な位置関係が崩れ、噴霧の方向がピストン5の環状凹部41から外れてしまうおそれがある。このような事態が生じると、上記環状凹部41の設置部に対応する燃焼室6の外周部分に混合気X1を確実に偏在させることができず、その後の圧縮上死点以降において、前段噴射P1および後段噴射P2に基づく混合気X1,X2を十分に独立して燃焼させることができなくなると考えられる。   For example, in the third operation region A3, if the same amount of fuel as in the second operation region A2 is to be injected by the pre-injection P1, the fuel injection operation from the injector 21 (from the injection port of the injector 21 by opening it) It is necessary to continue the fuel injection operation) for the same period as in the second operation region A2, but in the third operation region A3 where the piston speed is high, the piston 5 If the position of the valve is greatly raised, the proper positional relationship as shown in FIG. 8A may be lost, and the spray direction may deviate from the annular recess 41 of the piston 5. When such a situation occurs, the air-fuel mixture X1 cannot be reliably unevenly distributed in the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 corresponding to the installation portion of the annular recess 41, and the subsequent injection P1 after the compression top dead center. It is considered that the air-fuel mixture X1, X2 based on the post-injection P2 cannot be burned sufficiently independently.

そこで、上記のような事態を確実に回避すべく、第3運転領域A3では、まず吸気行程中に予備噴射P0を実行して少量の燃料を噴射し、その後の圧縮行程中および圧縮上死点付近において、前段噴射P1および後段噴射P2をそれぞれ実行するようにしている。これにより、前段噴射P1および後段噴射P2により噴射すべき燃料の量が減るので、その燃料の噴射に要する時間も減り、上述したような不具合(燃料噴射中にピストン5の位置が大きく変化することによる不具合)が回避される。   Therefore, in order to surely avoid the above situation, in the third operation region A3, first, the preliminary injection P0 is executed during the intake stroke to inject a small amount of fuel, and during the subsequent compression stroke and the compression top dead center. In the vicinity, the front injection P1 and the rear injection P2 are executed. As a result, the amount of fuel to be injected by the pre-stage injection P1 and the post-stage injection P2 is reduced, so the time required for the injection of the fuel is also reduced, and the above-described problems (the position of the piston 5 changes greatly during the fuel injection). ) Is avoided.

上記のように予備噴射P0、前段噴射P1、および後段噴射P2の3回に分けて燃料を噴射した場合、予備噴射P0によって予め燃焼室6に形成された極めてリーンな混合気中に、前段噴射P1および後段噴射P2による燃料が追加的に噴射されることとなる。すると、燃焼室6では、その外周部および中央部(キャビティ40の内部)に、予備噴射P0、前段噴射P1、および後段噴射P2に基づくλ=1程度のリッチな混合気が形成される一方、それ以外の領域では、予備噴射P0のみに基づく極めてリーンな混合気(例えばλ=2を大幅に超えるような混合気)が形成される。   As described above, when the fuel is injected in three times, that is, the preliminary injection P0, the pre-stage injection P1, and the post-stage injection P2, the pre-stage injection is performed in the extremely lean mixture previously formed in the combustion chamber 6 by the preliminary injection P0. Fuel from P1 and post-injection P2 is additionally injected. Then, in the combustion chamber 6, a rich air-fuel mixture of about λ = 1 based on the preliminary injection P0, the front injection P1, and the rear injection P2 is formed in the outer peripheral portion and the central portion (inside the cavity 40), In other regions, an extremely lean air-fuel mixture (for example, an air-fuel mixture that greatly exceeds λ = 2) based on the preliminary injection P0 alone is formed.

この場合でも、上記前段噴射P1により噴射された燃料と、後段噴射P2により噴射された燃料とは、基本的に混じり合うことなく、別々の場所で(燃焼室6の外周部およびキャビティ40の内部で)独立して燃焼することになる。これにより、燃焼室6全体としては、図6の波形Qcに概念的に示すように、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。また、上記のような空燃比の混合気が燃焼した場合、生成される排気ガスは、三元触媒により十分に浄化可能なものか、もしくはNOx生成量の極めて少ないものとなるので、エミッション性については問題なくクリアされる。   Even in this case, the fuel injected by the front-stage injection P1 and the fuel injected by the rear-stage injection P2 are basically not mixed and are separated at different locations (the outer periphery of the combustion chamber 6 and the interior of the cavity 40). In) will burn independently. As a result, the combustion chamber 6 as a whole undergoes combustion accompanied by heat generation having two peaks at different times, as conceptually shown in the waveform Qc of FIG. In addition, when the air-fuel ratio mixture as described above burns, the generated exhaust gas can be sufficiently purified by a three-way catalyst, or the amount of NOx produced is extremely small. Is cleared without problems.

なお、図7に示すように、上記第3運転領域A3では、上記のような燃料の分割噴射に関する制御を除けば、第2運転領域A2のときとほぼ同様の制御が実行される。例えば、第3運転領域A3では、排気弁12を吸気行程中に開弁させる(排気ガスを燃焼室6に逆流させる)内部EGRが禁止されるとともに、EGR通路31を通じて排気ガスを吸気通路28に還流させる外部EGRが実行される。ただし、エンジンの全負荷近傍では、多量の新気を確保するために、外部EGRは禁止される。   As shown in FIG. 7, in the third operation region A3, the same control as that in the second operation region A2 is executed except for the control related to the fuel split injection as described above. For example, in the third operation region A3, the internal EGR that opens the exhaust valve 12 during the intake stroke (returns the exhaust gas to the combustion chamber 6) is prohibited, and the exhaust gas is passed through the EGR passage 31 to the intake passage 28. External EGR to reflux is performed. However, external EGR is prohibited in the vicinity of the full load of the engine in order to ensure a large amount of fresh air.

(iv)第4運転領域A4および第5運転領域A5
上記第4運転領域A4および第5運転領域A5は、第1運転領域A1と第2運転領域A2との間、または第1運転領域A1と第3運転領域A3との間に位置する領域であるから、上述の(i)〜(iii)で説明した各制御内容の中間的な制御が実行される。
(Iv) Fourth operation region A4 and fifth operation region A5
The fourth operation region A4 and the fifth operation region A5 are regions located between the first operation region A1 and the second operation region A2 or between the first operation region A1 and the third operation region A3. Thus, intermediate control of each control content described in the above (i) to (iii) is executed.

具体的に、第4運転領域A4では、インジェクタ21からの燃料噴射時期が、第1運転領域A1での燃料噴射時期よりもリタードされ、例えば圧縮行程中の1回に設定される。そのときの噴射量は、第1運転領域A1のときと同様、空気過剰率λが2以上になるように設定される。また、EGR通路31を通じて排気ガスを吸気通路28に還流させる外部EGRが実行される。   Specifically, in the fourth operation region A4, the fuel injection timing from the injector 21 is retarded from the fuel injection timing in the first operation region A1, and is set to, for example, once during the compression stroke. The injection amount at that time is set so that the excess air ratio λ is 2 or more, as in the first operation region A1. In addition, external EGR for returning the exhaust gas to the intake passage 28 through the EGR passage 31 is executed.

一方、第5運転領域A5では、圧縮行程中の所定時期およびそれより後の圧縮上死点付近の2回に分けて燃料を噴射する制御が実行される。そのときの噴射量は、空気過剰率λが局所的にλ=1程度になるように設定される。また、吸気行程中の排気弁12の開弁により排気ガスを燃焼室6に逆流させる内部EGRが実行される。   On the other hand, in the fifth operation region A5, the control for injecting the fuel is executed in two steps near the predetermined timing during the compression stroke and after the compression top dead center. The injection amount at that time is set so that the excess air ratio λ is locally about λ = 1. Further, the internal EGR for causing the exhaust gas to flow backward to the combustion chamber 6 is performed by opening the exhaust valve 12 during the intake stroke.

(4)作用効果等
以上説明したように、当実施形態のガソリンエンジンでは、ピストン5の冠面の中央部に凹状のキャビティ40が設けられるとともに、キャビティ40と対向する燃焼室6天井の中央部から放射状に燃料(ガソリンを主成分とする燃料)を噴射する多噴口型のインジェクタ21がシリンダヘッド4に設けられている。このエンジンの運転領域のうち、高負荷域を含む第2、第3運転領域A2,A3(特定運転領域)では、圧縮行程中に設定された前段噴射P1と、それより後の圧縮上死点付近に設定された後段噴射P2との少なくとも2回に分けて燃料を噴射する制御が実行される。そして、前段噴射P1が実行されると、その時点において、ピストン5のキャビティ40よりもボア径方向の外側に位置する燃焼室6の外周部に、キャビティ40の内部よりもリッチな(λ=1程度の)混合気X1が形成され、また、後段噴射P2が実行されると、上記キャビティ40の内部に、上記前段噴射P1の実行時よりもリッチな(混合気X1と同様のλ=1程度の)混合気X2が形成されるようになっている。このような構成によれば、比較的負荷Tの高い上記第2、第3運転領域A2,A3(特定運転領域)において、燃焼騒音やスート(炭素質粒子)の増大を伴わない適正な圧縮自己着火燃焼を行わせることができる。
(4) Operational Effects As described above, in the gasoline engine of the present embodiment, the concave cavity 40 is provided in the central portion of the crown surface of the piston 5 and the central portion of the ceiling of the combustion chamber 6 facing the cavity 40. The cylinder head 4 is provided with a multi-hole type injector 21 that injects fuel (fuel mainly composed of gasoline) radially. Among the engine operating ranges, in the second and third operating ranges A2 and A3 (specific operating ranges) including the high load range, the pre-stage injection P1 set during the compression stroke and the compression top dead center after that are set. Control for injecting fuel is performed at least twice with the post-injection P2 set in the vicinity. When the pre-injection P1 is executed, at that time, the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 located outside the cavity 40 of the piston 5 in the bore radial direction is richer than the inside of the cavity 40 (λ = 1). When the air-fuel mixture X1 is formed and the post-injection P2 is executed, the inside of the cavity 40 is richer than the time when the pre-injection P1 is executed (same as λ = 1, similar to the air-fuel mixture X1) The air-fuel mixture X2 is formed. According to such a configuration, in the second and third operation regions A2 and A3 (specific operation regions) where the load T is relatively high, an appropriate compression self without increasing combustion noise and soot (carbonaceous particles). Ignition combustion can be performed.

すなわち、上記実施形態では、ピストン5冠面の中央部に設けられたキャビティ40と対向するようにインジェクタ21が設けられ、そのインジェクタ21から、圧縮行程以降の少なくとも2回の噴射時期(前段噴射P1および後段噴射P2)に分けて燃料が噴射されることにより、図8(a)〜(f)に示したように、燃焼室6内の別々の空間(燃焼室6の外周部およびキャビティ40の内部)に分離して混合気X1,X2が形成されるため、それらの混合気X1,X2を圧縮上死点付近で独立して自着火、燃焼させることができる。このため、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といったことがなく、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効果的に防止することができる。   That is, in the above-described embodiment, the injector 21 is provided so as to face the cavity 40 provided in the central portion of the crown surface of the piston 5, and at least two injection timings after the compression stroke (pre-stage injection P1) from the injector 21. In addition, as shown in FIGS. 8A to 8F, the fuel is injected separately into the second-stage injection P2), and as shown in FIGS. 8A to 8F, separate spaces in the combustion chamber 6 (the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 and the cavity 40). Since the air-fuel mixtures X1 and X2 are formed separately inside, the air-fuel mixtures X1 and X2 can be self-ignited and burned independently in the vicinity of the compression top dead center. For this reason, it is possible to effectively prevent an increase in combustion noise due to a sudden rise in in-cylinder pressure and an increase in soot due to a local lack of oxygen, without the fuel that is separately injected mixed and combusted simultaneously. Can do.

特に、比較的負荷Tの高い上記第2、第3運転領域A2,A3では、インジェクタ21から噴射する必要のあるトータルの燃料が多くなるため、仮に分割噴射された燃料が混じり合って同時に燃焼したとすると、筒内圧力が急激に上昇してかなり大きな燃焼騒音が発生するとともに、多量のスートが発生することが懸念される。しかしながら、上記実施形態のように、分割噴射された燃料を別々の空間に分離しながら独立して燃焼させた場合には、上記のような問題を効果的に回避することができ、燃焼騒音を低減しつつエミッション性を向上させることができる。   In particular, in the second and third operation regions A2 and A3 where the load T is relatively high, the total fuel that needs to be injected from the injector 21 increases, and therefore, the fuel that is divided and injected is mixed and burned simultaneously. As a result, the in-cylinder pressure suddenly rises and a considerable amount of combustion noise is generated, and a large amount of soot may be generated. However, as in the above embodiment, when the separately injected fuel is burned independently while being separated into separate spaces, the above problems can be effectively avoided and combustion noise can be reduced. It is possible to improve emission while reducing.

また、上記実施形態では、キャビティ40よりもボア径方向の外側に位置するピストン5の冠面に、ボア径方向の外側に至るほど高さが低くなる平面視円環状の環状凹部41が形成されているため、上記前段噴射P1および後段噴射P2に基づく各混合気X1,X2の空間分離をより確実に図ることができる。   Further, in the above-described embodiment, the annular concave portion 41 having a circular shape in a plan view is formed on the crown surface of the piston 5 that is located on the outer side in the bore radial direction with respect to the cavity 40, and the height decreases toward the outer side in the bore radial direction. Therefore, the spatial separation of the air-fuel mixture X1, X2 based on the preceding injection P1 and the succeeding injection P2 can be achieved more reliably.

すなわち、キャビティ40よりもボア径方向の外側に環状凹部41が設けられていれば、上記前段噴射P1によって噴射された燃料が上記環状凹部41に受け入れられることにより、その環状凹部41の設置部に対応する燃焼室6の外周部に、上記前段噴射P1に基づく混合気X1を確実に留めておくことができる。この結果、当該前段噴射P1に基づく混合気X1を、その後の後段噴射P2に基づきキャビティ40内に形成される混合気X2から明確に分離することができ、それらの混合気X1,X2の燃焼独立性をより確実に担保することができる。   That is, if the annular recess 41 is provided outside the cavity 40 in the bore diameter direction, the fuel injected by the preceding injection P1 is received by the annular recess 41, so that the installation portion of the annular recess 41 is provided. The air-fuel mixture X1 based on the preceding stage injection P1 can be reliably retained on the outer peripheral portion of the corresponding combustion chamber 6. As a result, the air-fuel mixture X1 based on the preceding injection P1 can be clearly separated from the air-fuel mixture X2 formed in the cavity 40 based on the subsequent post-injection P2, and the combustion of the air-fuel mixtures X1 and X2 is independent of combustion. Sex can be secured more reliably.

特に、上記実施形態では、上記環状凹部41よりもさらにボア径方向の外側に、上記前段噴射P1により噴射された燃料を上方にガイドする立壁部42が設けられているため、上記環状凹部41に向けて噴射された前段噴射P1の燃料を立壁部42に沿って上方に巻き上げることにより、燃料を十分に分散および気化・霧化させ、燃焼室6の外周部における混合気X1の形成を効果的に促進することができる。   In particular, in the above-described embodiment, since the standing wall portion 42 that guides the fuel injected by the front injection P1 upward is further provided outside the annular recess 41 in the bore radial direction, The fuel of the pre-injection P1 injected toward the upper side is wound up upward along the standing wall portion 42, so that the fuel is sufficiently dispersed, vaporized and atomized, and the formation of the air-fuel mixture X1 in the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 is effective. Can be promoted.

また、上記実施形態では、キャビティ40が上窄まり状に形成され、その上端の開口部40aの面積がキャビティ40内部の最大断面積よりも小さく設定されているため、後段噴射P2により噴射された燃料に基づく混合気X2を、上記キャビティ40の内部に確実に留めておくことができ、当該後段噴射P2に基づく混合気X2を、それ以前の前段噴射P1に基づく混合気X1から明確に分離して形成することができる。   Moreover, in the said embodiment, since the cavity 40 is formed in the shape of a constriction and the area of the opening part 40a of the upper end is set smaller than the largest cross-sectional area inside the cavity 40, it injected by the back | latter stage injection P2. The mixture X2 based on the fuel can be reliably kept inside the cavity 40, and the mixture X2 based on the subsequent injection P2 is clearly separated from the mixture X1 based on the preceding injection P1. Can be formed.

また、上記実施形態では、前段噴射P1および後段噴射P2による燃料の分割噴射が実行される運転領域(第2、第3運転領域A2,A3)において、燃焼室6で生成された排気ガスを吸気通路28からEGR通路31を通じて排気通路29に還流させる外部EGRを実行するようにしたため、ポンピングロスを効果的に低減し、燃費を改善することができる。なお、ポンピングロスの低減は、排気ガスを燃焼室6に残留させる内部EGRによっても同様に得ることができるが、比較的負荷の高い上記第2、第3運転領域A2,A3では、燃料噴射量が多いため、高温の排気ガスをそのまま燃焼室6に残留させると、燃焼室6が過度に高温化し、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。これに対し、上記実施形態では、内部EGRではなく、EGR通路31を通じて排気ガスを還流させる外部EGRを実行するようにしたため、燃焼室6の過度な高温化による異常燃焼の発生を回避しながら、ポンピングロスの低減を図ることができる。   Further, in the above-described embodiment, the exhaust gas generated in the combustion chamber 6 is taken into the intake region in the operation region (second and third operation regions A2, A3) in which the split injection of fuel is performed by the front injection P1 and the rear injection P2. Since the external EGR that recirculates from the passage 28 to the exhaust passage 29 through the EGR passage 31 is executed, the pumping loss can be effectively reduced and the fuel consumption can be improved. The pumping loss can be similarly reduced by the internal EGR that causes the exhaust gas to remain in the combustion chamber 6. However, in the second and third operation regions A2 and A3 having a relatively high load, the fuel injection amount is reduced. Therefore, if the high-temperature exhaust gas is left in the combustion chamber 6 as it is, the combustion chamber 6 becomes excessively hot and abnormal combustion such as pre-ignition or knocking may occur. On the other hand, in the above embodiment, since the external EGR that recirculates the exhaust gas through the EGR passage 31 is executed instead of the internal EGR, the occurrence of abnormal combustion due to excessively high temperature in the combustion chamber 6 is avoided. The pumping loss can be reduced.

また、上記実施形態では、上記分割噴射が実行される第2、第3運転領域A2,A3のうち、相対的に高回転側に位置する第3運転領域A3において、上記前段噴射P1および後段噴射P2よりも前に、吸気行程中に燃料を噴射する予備噴射P0を実行するようにした。このような構成によれば、噴射すべきトータルの燃料が多く、しかもピストンスピードが速い状況でも、上記前段噴射P1および後段噴射P2による混合気X1,X2の分離形成を的確に図ることができる。   Moreover, in the said embodiment, in the 3rd driving | operation area | region A3 located in the relatively high rotation side among 2nd, 3rd driving | running area | region A2, A3 in which the said division | segmentation injection is performed, the said front stage injection P1 and a back | latter stage injection. Prior to P2, preliminary injection P0 for injecting fuel during the intake stroke is performed. According to such a configuration, even when the total amount of fuel to be injected is large and the piston speed is high, the air-fuel mixture X1 and X2 can be accurately separated and formed by the front injection P1 and the rear injection P2.

すなわち、高回転かつ高負荷域を含む上記第3運転領域A3において、噴射すべき多量の燃料を前段噴射P1および後段噴射P2の2回だけで無理に噴射しようとすれば、その噴射中にピストン5の位置が大きく変化することで、混合気X1,X2を所望の場所に形成することができなくなると考えられる。これに対し、上記実施形態のように、前段噴射P1および後段噴射P2の前に予備噴射P0を実行した場合には、上記前段噴射P1および後段噴射P2による燃料噴射量が減るため、上記のような不具合を効果的に回避することができ、負荷に応じた十分なエンジン出力を確保しながら、上記混合気X1,X2の分離形成を的確に図ることができる。   In other words, in the third operation region A3 including the high rotation and high load region, if a large amount of fuel to be injected is to be injected forcibly by only two injections, the first injection P1 and the second injection P2, the piston is injected during the injection. It is considered that the air-fuel mixture X1 and X2 cannot be formed at a desired location because the position 5 greatly changes. On the other hand, when the preliminary injection P0 is executed before the front stage injection P1 and the rear stage injection P2 as in the above embodiment, the fuel injection amount by the front stage injection P1 and the rear stage injection P2 is reduced. Therefore, the air-fuel mixture X1, X2 can be separated and formed accurately while ensuring sufficient engine output according to the load.

なお、上記実施形態では、第2運転領域A2において、圧縮上死点前60〜50°CA程度の期間内に前段噴射P1を実行し、圧縮上死点後0〜10°CA程度の期間内に後段噴射P2を実行するものとし、また、上記第2運転領域A2よりも回転速度Neの高い第3運転領域A3では、ピストンスピードが速まることを考慮して、上記タイミングよりも若干早めのタイミングで前段噴射P1および後段噴射P2を実行するものとしたが、こられ各燃料噴射P1,P2のタイミングは、インジェクタ21からの燃料の噴射角(気筒中心軸に対する拡がり角度)やピストン5冠面の形状等に応じて適宜設定すべきものであり、上記実施形態はその一例を例示したものに過ぎない。   In the above embodiment, in the second operation region A2, the pre-stage injection P1 is executed within a period of about 60 to 50 ° CA before the compression top dead center, and within a period of about 0 to 10 ° CA after the compression top dead center. In the third operation region A3 where the rotational speed Ne is higher than that in the second operation region A2, the timing slightly higher than the above timing is considered in consideration of the increase in the piston speed. However, the timing of each of the fuel injections P1 and P2 is determined by the injection angle of fuel from the injector 21 (expansion angle with respect to the center axis of the cylinder) and the crown surface of the piston 5. It should be set appropriately according to the shape and the like, and the above embodiment is merely an example.

例えば、インジェクタ21からの燃料の噴射角が上記実施形態の例よりも小さい場合には、鉛直下向きにより近い角度(つまりインジェクタ21から遠く離れないとボア径方向の外側に大きく拡がらないような角度)で燃料が噴射されるため、仮にピストン5の冠面の形状が上記実施形態と同一であると仮定すると、上記実施形態のときよりも早いタイミングで前段噴射P1および後段噴射P2を実行しなければ、当該各噴射P1,P2による燃料をそれぞれ所望の場所(燃焼室6の外周部およびキャビティ40の内部)に偏在させることができなくなる。   For example, when the injection angle of the fuel from the injector 21 is smaller than the example of the above embodiment, an angle closer to the vertical downward direction (that is, an angle that does not greatly expand outward in the bore radial direction unless it is far from the injector 21). Therefore, assuming that the shape of the crown surface of the piston 5 is the same as that in the above embodiment, the front injection P1 and the rear injection P2 must be executed at an earlier timing than in the above embodiment. In this case, the fuel from the injections P1 and P2 cannot be unevenly distributed at desired locations (the outer periphery of the combustion chamber 6 and the inside of the cavity 40).

ただし、このような噴射角等の相違による影響があるとしても、設定可能な噴射角や、キャビティ40および環状凹部41等の配置バランス等を考慮すれば、後段噴射P2は、少なくとも圧縮行程後期から膨張行程初期までの間のいずれかのタイミングで実行する必要があり、前段噴射P1は、上記後段噴射P2よりも前であって、かつ圧縮行程中に実行する必要がある。なお、ここでいう圧縮行程後期とは、圧縮行程を初期、中期、後期に分けたときの後期であって、圧縮上死点前(BTDC)60〜0°CAの範囲を指す。同様に、膨張行程初期とは、膨張行程を初期、中期、後期に分けたときの初期であって、圧縮上死点後(ATDC)0〜60°CAの範囲を指す。   However, even if there is an influence due to such a difference in the injection angle and the like, if the injection angle that can be set and the arrangement balance of the cavity 40 and the annular recess 41 are taken into consideration, the post-injection P2 is at least from the latter stage of the compression stroke It is necessary to execute at any timing until the beginning of the expansion stroke, and the front injection P1 needs to be executed before the post injection P2 and during the compression stroke. Here, the latter term of the compression stroke refers to a later stage when the compression stroke is divided into an initial stage, a middle stage, and a late stage, and indicates a range of 60 to 0 ° CA before compression top dead center (BTDC). Similarly, the initial stage of the expansion stroke is an initial stage when the expansion stroke is divided into an initial stage, an intermediate stage, and a late stage, and indicates a range of 0 to 60 ° CA after compression top dead center (ATDC).

また、上記実施形態では、エンジンの温間時において、エンジンの運転点が図4に示した運転領域A1〜A5のいずれにあっても、点火プラグ20を用いることなく混合気を自着火させる圧縮自己着火燃焼を実行するものとしたが、例えば第3運転領域A3のうちの特に高回転側では、外部EGRにより燃焼温度が低くなりがちであり、しかも燃料の受熱期間が短いため、混合気が確実に自着火しないおそれがある。そこで、このような運転領域では、混合気の自着火を促進するための措置(着火アシスト)として、圧縮上死点付近で点火プラグ20による火花点火を補助的に行うようにしてもよい。   Further, in the above embodiment, when the engine is warm, the compression is performed so that the air-fuel mixture is self-ignited without using the spark plug 20 regardless of the operating range of the engine A1 to A5 shown in FIG. Although self-ignition combustion is performed, for example, particularly on the high rotation side in the third operation region A3, the combustion temperature tends to be low due to external EGR, and the heat receiving period of the fuel is short. There is a risk that self-ignition will not occur. Therefore, in such an operation region, as a measure for accelerating the self-ignition of the air-fuel mixture (ignition assist), spark ignition by the spark plug 20 may be performed in the vicinity of the compression top dead center.

また、上記実施形態では、インジェクタ21が多噴口型のインジェクタであり、その先端部に12個の噴口が設けられるものとしたが、噴口の数は12個に限られず、12個より多くても少なくてもよい。ただし、噴口の数があまりに少ないと、インジェクタ21から噴射された燃料の濃度が周方向に大きくばらつくことになる。このため、噴口の数は8個以上とすることが望ましい。噴口の数が8個以上であれば、上記前段噴射P1および後段噴射P2を実行した後、ごく短時間で、周方向にほぼ均一な空燃比をもった混合気を形成することができ、その後の自着火による燃焼(圧縮自己着火燃焼)を適正に行わせることができる。   Moreover, in the said embodiment, although the injector 21 was a multi-hole type injector and 12 nozzle holes were provided in the front-end | tip part, the number of nozzle holes is not restricted to 12, It is possible even if more than 12 nozzle holes. It may be less. However, if the number of injection holes is too small, the concentration of the fuel injected from the injector 21 varies greatly in the circumferential direction. For this reason, it is desirable that the number of nozzle holes be eight or more. If the number of nozzle holes is eight or more, it is possible to form an air-fuel mixture having a substantially uniform air-fuel ratio in the circumferential direction in a very short time after performing the preceding injection P1 and the following injection P2. It is possible to properly perform combustion by self-ignition (compression self-ignition combustion).

5 ピストン
6 燃焼室
21 インジェクタ
31 EGR通路
40 キャビティ
41 環状凹部
42 立壁部
50 ECU(制御手段)
A2 第2運転領域(特定運転領域)
A3 第3運転領域(特定運転領域)
P0 予備噴射
P1 前段噴射
P2 後段噴射
5 Piston 6 Combustion chamber 21 Injector 31 EGR passage 40 Cavity 41 Annular recess 42 Standing wall 50 ECU (control means)
A2 Second operation area (specific operation area)
A3 3rd operation area (specific operation area)
P0 Pre-injection P1 Pre-stage injection P2 Post-stage injection

Claims (8)

少なくとも一部がガソリンからなる燃料と空気との混合気を燃焼室で燃焼させることによりピストンを往復運動させるガソリンエンジンであって、
上記ピストンの冠面の中央部に設けられた凹状のキャビティと、
上記キャビティと対向する燃焼室天井の中央部から上記燃料を複数の方向に向けて噴射する多噴口型のインジェクタと、
上記インジェクタによる燃料の噴射動作を制御する制御手段とを備え、
上記制御手段は、予め設定されたエンジンの特定運転領域において、前段噴射および後段噴射の少なくとも2回に分けて上記インジェクタから燃料を噴射させるとともに、その噴射された燃料と空気との混合気を自着火により燃焼させ、
上記前段噴射は、圧縮行程中でかつ上記後段噴射よりも前に燃料を噴射し、その噴射された燃料により、上記ピストンのキャビティよりもボア径方向の外側に位置する燃焼室の外周部に、上記キャビティの内部よりもリッチな混合気を形成するものであり、
上記後段噴射は、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料を噴射し、その噴射された燃料により、上記前段噴射に基づく混合気の燃焼が上記燃焼室の外周部で既に起きている状態において、上記キャビティの内部に、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ものであり、
上記特定運転領域における少なくとも低回転側の一部では、上記前段噴射の時期が圧縮行程後期に設定されるとともに、上記後段噴射の時期が圧縮上死点から膨張行程初期までのいずれかに設定されることを特徴とするガソリンエンジン。
A gasoline engine that reciprocates a piston by burning a mixture of fuel and air, at least part of which is gasoline, in a combustion chamber,
A concave cavity provided in the center of the crown of the piston;
A multi-hole injector that injects the fuel in a plurality of directions from the center of the combustion chamber ceiling facing the cavity;
Control means for controlling the fuel injection operation by the injector,
The control means injects fuel from the injector in at least two times of front-stage injection and rear-stage injection in a predetermined specific operation region of the engine, and automatically mixes the injected fuel and air. Burned by ignition,
The pre-stage injection injects fuel during the compression stroke and before the post-stage injection, and by the injected fuel, the outer circumference of the combustion chamber located outside the piston cavity in the bore radial direction, A richer air-fuel mixture than the inside of the cavity,
In the latter-stage injection, fuel is injected at a predetermined time from the latter stage of the compression stroke to the initial stage of the expansion stroke , and combustion of the air- fuel mixture based on the earlier- stage injection has already occurred in the outer peripheral portion of the combustion chamber by the injected fuel. In this state, a richer air-fuel mixture is formed inside the cavity than when the preceding injection is performed,
In at least a part on the low rotation side in the specific operation region, the timing of the preceding injection is set to the latter half of the compression stroke, and the timing of the latter injection is set to any one from the compression top dead center to the initial stage of the expansion stroke. gasoline engine, characterized in that that.
請求項1記載のガソリンエンジンにおいて、
上記キャビティよりもボア径方向の外側に位置するピストン冠面に、ボア径方向の外側に至るほど高さが低くなる平面視円環状の環状凹部が形成されたことを特徴とするガソリンエンジン。
The gasoline engine according to claim 1, wherein
A gasoline engine, characterized in that an annular concave portion having a circular shape in plan view is formed on a piston crown surface located on the outer side in the bore radial direction from the cavity.
請求項2記載のガソリンエンジンにおいて、
上記環状凹部よりもさらにボア径方向の外側に、上記前段噴射により噴射された燃料を上方にガイドする立壁部が形成されたことを特徴とするガソリンエンジン。
The gasoline engine according to claim 2, wherein
A gasoline engine characterized in that a standing wall portion for guiding the fuel injected by the preceding injection upward is formed further outside the annular recess in the bore radial direction.
請求項1〜3のいずれか1項に記載のガソリンエンジンにおいて、
上記キャビティは、その上端の開口面積がキャビティ内部の最大断面積よりも小さくなるように上窄まり状に形成されていることを特徴とするガソリンエンジン。
The gasoline engine according to any one of claims 1 to 3,
The gasoline engine according to claim 1, wherein the cavity is formed in a constricted shape so that an opening area at an upper end thereof is smaller than a maximum cross-sectional area inside the cavity.
請求項1〜4のいずれか1項に記載のガソリンエンジンにおいて、
上記インジェクタは、その先端に8個以上の噴口を有するとともに、当該8個の噴口を通じて、上記ピストン冠面に近づくほどボア径方向の外側に拡がるように放射状に燃料を噴射するものであることを特徴とするガソリンエンジン。
The gasoline engine according to any one of claims 1 to 4,
The injector has eight or more injection holes at its tip, and injects fuel radially through the eight injection holes so as to expand outward in the bore diameter direction as it approaches the piston crown surface. Characteristic gasoline engine.
請求項1〜5のいずれか1項に記載のガソリンエンジンにおいて、
上記特定運転領域には、少なくとも高負荷域が含まれることを特徴とするガソリンエンジン。
The gasoline engine according to any one of claims 1 to 5,
The gasoline engine characterized in that the specific operation region includes at least a high load region.
請求項6記載のガソリンエンジンにおいて、
上記特定運転領域では、燃焼室で生成された排気ガスをEGR通路を通じて吸気通路に還流させる外部EGRが実行されることを特徴とするガソリンエンジン。
The gasoline engine according to claim 6,
In the specific operation region, a gasoline engine is characterized in that external EGR is performed to recirculate exhaust gas generated in the combustion chamber to the intake passage through the EGR passage.
請求項6または7記載のガソリンエンジンにおいて、
上記特定運転領域における少なくとも高回転域では、上記前段噴射および後段噴射よりも前に、吸気行程中に燃料を噴射する予備噴射が実行されることを特徴とするガソリンエンジン。
The gasoline engine according to claim 6 or 7,
A gasoline engine characterized in that preliminary injection for injecting fuel during an intake stroke is executed prior to the front-stage injection and the rear-stage injection at least in a high-speed region in the specific operation region.
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