JP5594023B2

JP5594023B2 - ガソリンエンジンの燃焼制御装置

Info

Publication number: JP5594023B2
Application number: JP2010219238A
Authority: JP
Inventors: 洋幸山下; 直哉渡邊
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: JP2012072729A

Description

本発明は、ＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）燃焼を行うガソリンエンジンの燃焼制御装置に関するものである。

少なくともガソリンを含有する燃料が供給されるガソリンエンジンにおいては、特許文献１に記載のように、ＨＣＣＩ燃焼を行うものがある。このＨＣＣＩ燃焼においては、空燃比が理論空燃比よりも相当にリーンな雰囲気でも着火、燃焼が可能であり、しかも急速燃焼されることから、燃費向上の上で極めて好ましい燃焼形態となる。この特許文献１に記載の技術は、予混合圧縮着火用となる第１燃料噴射を行った後、第２燃料噴射によって成層領域を形成するもので、いずれの燃料噴射も着火（点火）開始前に行われるものとなっている。そして、ＮＯｘ発生が問題となる高負荷域では、上記第１燃料噴射の噴射量を０にするようになっている。

特開２００９−７４４８８号公報

ところで、ＨＣＣＩ燃焼においては、燃料噴射量が多くなる高負荷域では、急速燃焼に起因して、燃焼圧力が極めて高くなり、そのために騒音の発生はもとより、燃焼温度も極めて高くなってＮＯｘの発生が大きな問題となる。このため、高負荷域では、実質的にＨＣＣＩ燃焼を行わないようにするか、あるいはＮＯｘ浄化触媒を別途排気通路に設ける必要がある。

本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、高負荷域において、ＨＣＣＩ燃焼を行いつつＮＯｘ発生を抑制できるようにしたガソリンエンジンの燃焼制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項１に記載のように、
少なくとも部分的にガソリンを含有する燃料が供給されるガソリンエンジンの燃焼制御装置であって、
エンジン高負荷域において、圧縮上死点よりも前にＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）用となる前段燃料噴射を行う一方、圧縮上死点以後でかつ該ＨＣＣＩ燃焼の開始後において後段燃料噴射を複数回行うようにされ、
前記後段燃料噴射の１回目の噴射量が、前記前段燃料噴射の噴射量より多くかつ前記後段燃料噴射の２回目以降における各回での噴射量より多くなるようにされている、
ようにしてある。上記解決手法によれば、前段燃料噴射による予混合圧縮着火を実行して、燃費向上を図ることができる。また、燃焼は、予混合圧縮着火による燃焼と、その後に行われる後段燃料噴射による拡散燃焼との燃焼形態となるので、全体として筒内圧力つまり筒内温度の上昇を抑制して、騒音抑制は勿論のこと、ＮＯｘの発生を抑制することができる。勿論、前段と後段の各燃料噴射によって十分な燃料噴射を行って、トルクを確保することができる。以上に加えて、後段燃料噴射を複数回に分けて行うこと、および各燃料噴射の噴射量設定により、上記効果をより十分に発揮させることができる。

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項２以下に記載のとおりである。

前記前段燃料噴射の噴射量は、所定温度以下で安定して自着火する温度範囲の量とされる、ようにしてある（請求項２対応）。この場合、ＨＣＣＩ燃焼の際に、燃焼ロバスト性を確保しつつ、燃焼温度が上昇し過ぎないようにしてＮＯｘ抑制を確実に行う上で好ましいものとなる。

前記高負荷域でのＧ／Ｆ（筒内全ガス量／筒内に供給される燃料量）が２０以上とされている、
ようにしてある（請求項３対応）。この場合、燃費向上とＮＯｘ抑制とを共に高い次元で満足させることができる。

本発明によれば、高負荷域において、ＨＣＣＩ燃焼を行って燃費向上を図りつつ、ＮＯｘ発生を抑制できる。

本発明が適用されたエンジンの燃焼室付近の状態を示す概略構成図。本発明の制御系統例をブロック図的に示す図。運転領域の設定例を示す図。燃料噴射タイミングと発生熱量と筒内温度との関係を示す図。

図１は、エンジン１の燃焼室付近の様子を概略的に示す。実施形態では、エンジン１は、往復動型とされた直列４気筒の自動車用ガソリンエンジンとされている。なお、エンジン１は、ガソリンを含有する燃料であれば、ガソリン１００％の場合に限らず、例えばエタノール等の他の燃料を含有するものであってもよい。この図１において、２はシリンダ、３はシリンダ２内に摺動自在に嵌合されたピストンである。ピストン３の上方に燃焼室４が画成され、圧縮上死点位置において燃焼室容積を確保するために、ピストン３の上面中央部に凹部５が形成されている。

シリンダ２内つまり燃焼室４内には、吸気ポート６および排気ポート７が開口されている。吸気ポート６は吸気弁８により開閉され、排気ポート７は排気弁９により開閉される。また、圧縮上死点付近にある燃焼室４（凹部５）に臨ませて、燃料噴射弁１０，点火プラグ１１が配設されている。燃料噴射弁１０は多孔式とされて、燃焼室４（凹部５）の径方向に分散して燃料を噴射するようにされている。

排気ポート７に連なる排気通路（図示を略す）には、排気ガス浄化触媒としての三元触媒が配設されているが、排気通路には、ＮＯｘ触媒は配設されていないものとなっている。すなわち、本実施形態では、後述するように、リーンな空燃比でもってＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）燃焼を行っても、ＮＯｘそのものの発生を抑制するようにしてあるので、ＮＯｘ触媒を必要としない設定とされている。

エンジン１は、ガソリンエンジンとしては高圧縮比とされている。実施形態では、１気筒あたりの容積が略５００ccで、幾何学的圧縮比が１８とされている。なお、自動車用エンジンとして一般的な１気筒あたりの容積（排気量）が４００cc〜６００ccである場合に、幾何学的圧縮比は例えば１５〜２１（好ましくは１７〜２０）の範囲で適宜設定することができる。

図２は、エンジン１の制御系統例を示すものである。この図２において、Ｕは、マイクロコンピュータを利用して構成されたコントローラである。このコントローラＵには、各種センサＳ１〜Ｓ４からの信号が入力される。センサＳ１は、エンジン負荷を検出する負荷センサである。センサＳ２は、エンジン回転数を検出する回転数センサである。センサＳ３は、筒内圧力を検出する圧力センサであり、実施形態では点火プラグ１１内に組み込まれている。なお、筒内圧力は、筒内温度と略比例関係にあるので、筒内圧力の検出は、筒内温度の検出ともなる。センサＳ４は、エンジン冷却水温度を検出する水温センサである。また、コントローラＵは、前述した燃料噴射弁１０からの燃料噴射量および燃料噴射タイミングを制御し、また点火プラグ１１の点火タイミングを制御する。

図３は、冷機時以外において、運転状態に応じたエンジン１の燃焼形態の設定例を示すものである。なお、冷機時は、全て、圧縮上死点前に燃料噴射を行って、点火プラグ１１による点火を実行する通常のガソリンエンジンの燃焼形態とされる。この図３において、運転領域が、エンジン回転とエンジン負荷とをパラメータとして設定される。運転領域は、図中α線とβ線とγ線とによって、４つの領域に分けられている。

上記α線とβ線とγ線とはそれぞれ線形に設定されて、α線よりもβ線の方が高負荷域に設定され、β線よりもγ線の方が高負荷域に設定されている。そして、α線とβ線とγ線とはそれぞれ、エンジン回転数が大きくなるほど低負荷となるように設定されている。

α線よりも下方の領域Ａ、α線とβ線との間の領域Ｂ、β線とγ線との間の領域Ｃは、それぞれ、ＨＣＣＩ燃焼が実行される領域とされている。また、γ線より高負荷の領域Ｄは、通常のガソリンエンジンと同様に、ＨＣＣＩ燃焼は行われずに、点火プラグ１１の点火実行による燃焼形態とされる（圧縮上死点前に燃料噴射して、圧縮上死点前に点火プラグ１１による点火実行）。

ＨＣＣＩ燃焼が実行される領域Ａ、Ｂ、Ｃにおいては、それぞれ、圧縮上死点前に予混合圧縮着火用の燃料噴射が実行されるが、領域Ａにおいては、この予混合圧縮着火用の燃料噴射のみが実行される。領域Ａではかなり低負荷域となるので、筒内温度はＮＯｘ発生が問題となる所定温度（例えば１８００Ｋ）までは上昇しないものである。

領域Ｂでは、領域Ａに比して高負荷であり、要求燃料量を全て予混合圧縮着火した場合は、筒内温度が上昇して、ＮＯｘの問題が生じる。このため、要求燃料量の一部を、予混合圧縮着火用として圧縮上死点前に行ない（前段燃料噴射）、残りの燃料量全てについて、圧縮上死点以後でかつ予混合圧縮着火による燃焼が開始した後に噴射する（後段燃料噴射）ようにしてある。この後段燃料噴射による燃焼は、拡散燃焼とされる。なお、領域Ｂにおいては、上記後段燃料噴射は、分割して行うことなく、１回の燃料噴射によって行われる。このように、燃焼を、予混合圧縮着火と１回の拡散燃焼とに分けて行うことにより、トルクを確保しつつ、筒内温度が所定温度まで上昇するのが抑制されて、ＮＯｘの発生が抑制される。なお、燃料噴射量は、筒内温度がＮＯｘ発生が問題となる所定温度以上になってしまうのを確実に防止するために、後段燃料噴射量を前段燃料噴射量以上にするのが好ましいものである。

領域Ｃでは、予混合圧縮着火用の前段燃料噴射と、拡散燃焼用の後段燃料噴射とが行われるが、後段燃料噴射を複数回（例えば２回）に分けて行うようにしてある。すなわち、領域Ｃでは、エンジン負荷が相当に大きくなって要求燃料量が多くなることから、筒内温度がＮＯｘ発生が問題となる所定温度（例えば１８００Ｋ）以下となるように、後段燃料噴射を複数回に分割して行うようにしてある。つまり、領域Ｃでは、予混合圧縮着火による燃焼と、この予混合圧縮着火の燃焼開始後の１回目の拡散燃焼と、この１回目の拡散燃焼の開始後に行われる２回目以降の拡散燃焼が行われる。このように、燃焼を３回以上に分けて行うことにより、筒内温度がＮＯｘ発生が問題となる所定温度にまで上昇することが抑制される。なお、燃料噴射量は、ＮＯｘ抑制とトルク確保との観点から、１回目の後段燃料噴射量がもっとも多くなるように（前段燃料噴射量よりも多く、かつ２回目以降の燃料噴射量よりも多くなるように）するのが好ましい。特に、２回目以降の拡散燃焼は、圧縮上死点からかなり遅角された時点での燃焼となるのでトルク確保には不利となるので、筒内温度がＮＯｘ発生が問題となる所定温度以上にならない範囲で、前段燃料噴射の噴射量や１回目の後段燃料噴射の燃料噴射量を極力多くするのが好ましいものである。

図４は、領域Ｃにおいて、後段燃料噴射を２回に分けて行った場合に、燃料噴射タイミングと単位クランク角あたりの発熱量と筒内温度との関係を示すものである。この図４の（ａ）が燃料噴射タイミングを示し、符合Ｆが予混合圧縮着火用の燃料噴射タイミングを示し、符合ＲＦが１回目の後段燃料噴射のタイミングを示し、符合ＲＲが２回目の後段燃料噴射のタイミングを示す。図４（ｂ）は、単位クランク角あたりの発熱量を示すもので、符合Ｆａが予混合圧縮着火での燃焼に対応し、符合ＲＦａが１回目の後段燃料噴射での燃焼に対応し、符合ＲＲａが２回目の後段燃料噴射での燃焼に対応する。そして、図４（ｃ）は、筒内温度を示し、符合Ｆｂが予混合圧縮着火での燃焼に対応し、符合ＲＦｂが１回目の後段燃料噴射での燃焼に対応し、ＲＲｂが２回目の後段燃料噴射での燃焼に対応する。この図（ｃ）において、ＫＸで示す温度が、ＮＯｘ発生が問題となる所定温度（例えば１８００Ｋ）である。この図４からも理解されるように、筒内温度は、ＮＯｘ発生が問題となる所定温度以下の範囲に抑制される。なお、高負荷域となる領域Ｃにおいては、Ｇ／Ｆ（筒内全ガス量／筒内に供給される燃料量）が２０以上とされる。筒内全ガス量は、新規量とＥＧＲガス量との合計量となるが、ＥＧＲガス量が実質的に０である場合は、空燃比が２０以上ということになる。

ここで、各燃料噴射を行うに際しては、圧力センサＳ３で検出される圧力に応じて決定される筒内温度が、常にＮＯｘ発生が問題とならない所定温度以下になるように、燃料噴射時期や燃料噴射量を設定することができる。この場合、既述のように、予混合圧縮着火用となる前段燃料噴射に際しては、燃料噴射量を、筒内温度が所定温度以下となるように制限しつつ、安定して自己着火する温度範囲（例えば１２００Ｋ〜１８００Ｋ）の燃焼が得られるようにするのが好ましい。また、筒内温度が上記所定温度以下になる範囲では、ベストトルクが得られるように燃料噴射時期や燃料噴射量を選択するのが好ましいものである。

以上実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能である。予混合圧縮着火を行う際、特に低温時やエンジン１が十分に暖機されていない中温時に、点火プラグ１１を作動させて混合気を活性化させるようにしてもよい（点火プラグ１１の点火による着火ではない）。トルク確保等の観点から、ＮＯｘ発生が問題とならない所定温度に近い温度範囲までは極力１回目の後段燃料噴射量を多くして、１回目の後段燃料噴射では供給できない範囲の燃料量を２回目以降の後段燃料噴射とするのが好ましい。スモークの発生をも考慮する場合は、燃料噴射から燃焼開始されるまでの時間を長く確保するという観点から燃料噴射タイミングを選択したり、燃料の微粒化促進（例えば噴射圧力つまり燃圧のアップ）を行うようにすることもできる。勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。

本発明は、例えば自動車用エンジンに適用して、燃費向上を図りつつＮＯｘ発生を抑制する上で好ましいものとなる。

１：エンジン
２：シリンダ
３：ピストン
４：燃焼室
５：凹部
６：吸気通路
７：排気通路
８：吸気弁
９：排気弁
１０：燃料噴射弁
１１：点火プラグ
Ａ：領域（予混合圧縮着火のみ）
Ｂ：領域（予混合圧縮着火用の前段燃料噴射＋１回の後段燃料噴射）
Ｃ：領域（予混合圧縮着火用の前段燃料噴射＋２回の後段燃料噴射）

Claims

少なくとも部分的にガソリンを含有する燃料が供給されるガソリンエンジンの燃焼制御装置であって、
エンジン高負荷域において、圧縮上死点よりも前にＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）用となる前段燃料噴射を行う一方、圧縮上死点以後でかつ該ＨＣＣＩ燃焼の開始後において後段燃料噴射を複数回行うようにされ、
前記後段燃料噴射の１回目の噴射量が、前記前段燃料噴射の噴射量より多くかつ前記後段燃料噴射の２回目以降における各回での噴射量より多くなるようにされている、
ことを特徴とするガソリンエンジンの燃焼制御装置。
請求項１において、
前記前段燃料噴射の噴射量は、所定温度以下で安定して自着火する温度範囲の量とされる、ことを特徴とするガソリンエンジンの燃焼制御装置。
請求項１において、
前記高負荷域でのＧ／Ｆ（筒内全ガス量／筒内に供給される燃料量）が２０以上とされている、ことを特徴とするガソリンエンジンの燃焼制御装置。