JPWO2002097255A1 - 圧縮着火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

空気および燃料が供給される燃焼室１６と、燃焼室に連通する吸気ポート６と燃焼室との通路を開閉する吸気弁１９ａと、燃焼室に連通する排気ポート１４と燃焼室の通路を開閉する排気弁１９ｂとを有する。吸気弁１９ａが閉じた後のピストン圧縮動作によって、上記燃焼室内の温度および圧力を上昇させて混合気を自己着火させる。燃料噴射弁１１は、ピストン膨張中の混合気が着火可能な状態になるように、着火トリガ因子である加圧空気を直接燃焼室内に噴射する。ＥＣＵ１は、着火時期に応じて、加圧空気の噴射時期を制御する。これにより、大幅に燃焼室形状を変更することなく、負荷および回転数の広い機関運転領域において、適正な自己着火時期に制御可能となる。

Description

技術分野
本発明は、燃焼室内に供給された予混合気をピストン圧縮によって自己着火させる圧縮着火式内燃機関に係り、特に、広い機関運転領域において、混合気の自己着火時期を適正に制御可能な圧縮着火式内燃機関に関する。
背景技術
燃焼室内に供給された予混合気をピストン圧縮によって自己着火させる燃焼方式を採用した圧縮着火式内燃機関としては、例えば、特開平１０−５６４１３号公報に記載されたものが知られている。圧縮着火式内燃機関は、従来ガソリンおよびディーゼル機関ではなしえない超希薄領域（空燃比８０以上）の機関運転が可能であり、火炎温度低下および均一混合気による着火燃焼を実現することから、ＮＯｘおよび煤の大幅な同時低減が可能である。
一般に、予混合気が圧縮されてある温度に到達すると、燃料である炭化水素の脱水素反応を創始反応とする「低温酸化反応」と呼ばれる反応が開始する。この反応が進行すると、青炎と呼ばれる素反応を経由し、自己着火に至る。この着火は混合気中多点で同時に起こるため、燃焼室内全体でみた燃焼期間は、従来のガソリン機関における火花点火による燃焼、もしくはディーゼル機関における噴霧燃焼の燃焼期間よりもはるかに短いものである。このことが、火炎温度とその継続時間に依存するＮＯｘ生成を抑制する結果となり、圧縮着火式内燃機関において低ＮＯｘを実現する要因となっている。
しかしながら、従来の圧縮着火式内燃機関では、以下のような問題があった。すなわち、従来の機関では、圧縮着火による機関運転を行なう場合、燃料と空気の混合気は、吸気弁が閉じた後ピストン圧縮によって混合気の圧力，温度が上昇し、化学反応が促進することで自己着火に至ることから、機関運転条件の変動などによって混合気の断熱圧縮条件などが変化すると、着火時期のバラツキや失火を招き、正常な機関運転が困難になるという問題があった。また、混合気の自己着火は、燃焼室内の温度，圧力だけでなく、混合気の空燃比にも影響を受けるため、燃焼室内の燃料拡散状態によっても着火時期が異なり、それに起因するサイクル変動や気筒間のトルク変動が問題となっていた。
そこで、例えば、特開平１０−１９６４２４号公報に記載されているように、燃焼室内に補助圧縮手段であるコントロールピストンを設け、これを上死点付近で作用させて燃焼室容積を減少し、混合気の温度を過渡的に上昇させて混合気の着火時期を制御する圧縮着火式内燃機関が知られている。
発明の開示
しかしながら、特開平１０−１９６４２４号に記載された内燃機関では、燃焼室容積を可変にするためのコントロールピストンを付加することによって燃焼室内圧力，温度の上昇制御を行なうため、機関の大幅な形状変更に伴うシステム複雑化、車両搭載性悪化およびコスト増大の問題があった。
本発明の目的は、大幅に燃焼室形状を変更することなく、負荷および回転数の広い機関運転領域において、適正な自己着火時期に制御可能な圧縮着火式内燃機関を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、空気および燃料が供給される燃焼室と、上記燃焼室に連通する吸気ポートと上記燃焼室との通路を開閉する吸気弁と、上記燃焼室に連通する排気ポートと上記燃焼室の通路を開閉する排気弁とを有し、上記吸気弁が閉じた後のピストン圧縮動作によって、上記燃焼室内の温度および圧力を上昇させて混合気を自己着火させる圧縮着火式内燃機関において、ピストン圧縮中もしくは膨張中の混合気が着火可能な状態になるように、該圧縮着火式内燃機関の運転条件に応じて、着火トリガ因子を上記吸気弁および排気弁が閉じた状態の任意の時期に直接燃焼室内に噴射する着火トリガ因子噴射手段と、運転条件に応じて、上記着火トリガ因子の噴射時期，噴射量，噴射圧力の内少なくとも一つを制御する制御手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、大幅に燃焼室形状を変更することなく、負荷および回転数の広い機関運転領域において、適正な自己着火時期に制御を可能とする。
発明を実施するための最良の形態
以下、図１〜図８を用いて、本発明の第１の実施形態による圧縮着火式内燃機関の構成及び動作について説明する。
最初に、図１及び図２を用いて、本実施形態による圧縮着火式内燃機関の構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による圧縮着火式内燃機関の構成を示すブロック図であり、図２は、本発明の第１の実施形態による圧縮着火式内燃機関の燃焼室近辺の構成を示す平面図である。
図１に示すように、シリンダブロック９、ピストン１７およびシリンダヘッド１０によって囲まれた燃焼室１６に、吸気ポート６および排気ポート１４が連通している。燃焼室１６と吸気ポート６の接続部には、吸気弁１９ａが設けられており、燃焼室１６との通路開閉を行う。燃焼室１６と排気ポート１４の接続部には、排気弁１９ｂが設けられており、燃焼室１６との通路開閉を行う。図２に示すように、吸気ポート６は、２つに分岐された上で燃焼室１６に接続されており、それぞれの接続部に吸気弁１９ａが設けられている。また、排気ポート１４は、２つに分岐された上で燃焼室１６に接続されており、それぞれの接続部に排気弁１９ｂが設けられている。ピストン１７の往復動は、コンロッド２０を介して、クランク軸２１に伝達され、クランク軸２１を回転させる。
燃焼室１６内には点火プラグ１３を配置されており、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１から火花点火燃焼を指示された場合に、点火プラグ１３からの火花放電する。また、圧縮着火燃焼がＥＣＵ１より指示されている場合には、点火プラグ１３は燃焼状態を検出するイオン電流検出装置として機能させることも可能で、その場合は燃焼室１６内の燃焼状態および着火時期などを監視する。ただし、この点火プラグ１３を用いず、どの運転領域も圧縮着火燃焼、すなわちピストン圧縮にのみによって燃焼させる場合には、点火プラグ１３は設置しなくてもよいものである。点火プラグ１３は、図２に示すように、燃焼室１６の上部中央に設けられているが、特にこの場所に限るものではない。
ＥＣＵ１には、本実施形態の圧縮着火式内燃機関を搭載した車両を運転するドライバの意図を検出するドライバ意図検出手段としてアクセル開度検出装置２ａおよびブレーキ踏力検出装置２ｂの出力値や、また車両走行状態を検出する車両走行状態検出手段として車速検出装置２ｃの出力値や、さらに機関運転条件を検出するエアフローセンサ５，機関冷却水温センサ２４，空燃比センサ２２，触媒１２の後ろに設置されている触媒後排温センサ２３，クランク角センサ４，ノックセンサ２５からの出力値が逐次取り込まれている。このとき、エアフローセンサ５は、吸気温度を測定する機能を有するものであることが望ましく、この出力値も同時にＥＣＵ１に取り込まれる。
本実施形態において、機関の目標トルクは、アクセル開度検出装置２ａの出力値と車速により推定される。圧縮着火式内燃機関を搭載した車両の加速度を把握する手段として、本実施形態では、車両に取り付けられた車速センサの微分値を用いているが、車両に加速度センサを設置し、その出力値を用いてもよいものである。ブレーキ踏力検出装置２ｂの出力値は、ドライバがブレーキペダルを踏んだかどうかを判定するＯＮ・ＯＦＦ信号を用いているが、ブレーキペダル後ろにブレーキ踏力センサを設置してその出力値を用いることも可能であり、またブレーキの油圧配管中に油圧センサを設けることによってドライバのブレーキ踏力を把握してもよいものである。
燃料噴射弁１１は、燃焼室１６内に直接燃料噴射できるように設置されている。燃料噴射弁１１は、図２に示すように、分岐された吸気ポート６の間に設置されている。燃料噴射弁１１の配置は、吸気弁１９ａ近傍の燃焼室１６内側面付近となっているが、特にその場所を規定するものではなく、燃焼室１６内に噴射可能な任意の場所でよいものである。
本実施形態においては、燃料噴射弁１１は、空気と燃料の２流体を噴射することのできるエアアシストインジェクタであり、燃料のみ噴射，空気のみ噴射，燃料と空気の同時噴射が可能な構成となっている。エアアシストインジェクタである燃料噴射弁１１には、燃料系と空気系が導入されている。エアポンプ２６は、常時５ＭＰａ以上の空気圧を燃料噴射弁１１に供給することができる構成となっている。圧力レギュレータ２８は、エアポンプ２６をバイパスするバイパス流路３０に設けられており、燃料噴射弁１１にフィードする空気圧を制御する。圧力レギュレータ２８は、機関運転条件や筒内圧力に応じて制御する。電磁弁２７は、ＥＣＵ１からの制御信号により開閉動作して、燃料噴射弁１１にフィードする空気量を制御している。これらの構成により、機関の運転条件に応じて、任意の空気圧、空気量および燃圧、燃料量を燃料噴射弁１１、ひいては燃焼室１６内に供給できることとなる。
次に、図３及び図４を用いて、本実施形態による圧縮着火式内燃機関の制御法について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態による圧縮着火式内燃機関の着火制御方法を示すフローチャートであり、図４は、本発明の第１の実施形態による圧縮着火式内燃機関の動作説明図である。
機関運転中において、最初に、ステップＳ１０１において、ＥＣＵ１は、アクセル開度検出装置２ａの出力値によりアクセル開度を読み込み、また、ブレーキ踏力検出装置２ｂの出力値によりブレーキ踏力を読み込むことにより、圧縮着火式内燃機関を搭載した車両のドライバ意図を読み込む。
次に、ステップＳ１０２において、ＥＣＵ１は、車速検出装置２ｃの出力値を読み込むことにより、車両走行条件を検出する。また、エアフローセンサ５，機関冷却水温センサ２４，空燃比センサ２２，触媒１２の後ろに設置されている触媒後排温センサ２３，クランク角センサ４，ノックセンサ２５等の出力値を読み込むことにより、機関運転条件を検出する。そして、ＥＣＵ１は、これらの車両走行条件及び機関運転条件に基づいて、機関の目標トルクを演算する。
次に、ステップＳ１０３において、ＥＣＵ１は、ステップＳ１０１で読み込んだドライバ意図及びステップＳ１０２で演算された機関の目標トルクに基づいて、圧縮着火による運転が可能かどうかを判定する。
ステップＳ１０３において、運転不可と判断された場合は、ステップＳ１０４に進み、機関が例えば火花点火機関である場合には火花点火燃焼、点火プラグを具備しないディーゼル機関である場合には噴霧燃焼を行なうように機関の各パラメータを制御する。
また、ステップＳ１０３において、圧縮着火による運転可と判断された場合は、ステップＳ１０５以降のステップによって圧縮着火燃焼モードで制御される。
圧縮着火燃焼モードによる機関運転が選択されると、ステップＳ１０５において、ＥＣＵ１は、ＥＣＵ１に予め記憶されているマップから、現在の機関運転条件応じた吸入空気量、燃料噴射量および燃料噴射時期を呼び出し、決定する。
次に、ステップＳ１０６において、ＥＣＵ１は、着火トリガ因子である空気の噴射量、噴射圧力および噴射時期を決定する。
ここで、図４を用いて、着火トリガ因子について説明する。図４において、横軸は、内燃機関における排気工程ＥＸＨ，吸気工程ＩＮＴ，圧縮行程ＣＯＭ，膨張行程ＥＸＰの各工程を示しており、縦軸は、それぞれ、燃焼室内圧力Ｐ，燃料噴射タイミングＩＮＪ（Ｆｕ），加圧空気噴射タイミングＩＮＪ（Ａｉｒ）を示している。燃料噴射タイミングＴＦ１は、吸気下死点ＢＤＣｉｎ付近であり、これは、ステップＳ１０５において決定される。また、本実施形態においては、圧縮上死点ＴＤＣｃｏｍ付近で、燃料噴射弁から加圧された空気を噴射するようにしている。この加圧空気の噴射時期，噴射量及び噴射圧力が、ステップＳ１０６において決定される。
吹き出しＢ１に示すように、吸気行程で新気空気が燃焼室１６内に供給される。次に、吹き出しＢ２に示すように、吸気下死点ＢＤＣｉｎの付近の燃料噴射タイミングＩＮＪ（Ｆｕ）で、燃料噴射弁から燃料を噴射する。噴射された燃料は、吹き出しＢ３に示すように、燃焼室１６内に拡散し、予混合気を形成する。このときこの予混合気の温度、空燃比および機関圧縮比では、上死点までに自己着火しないような構成となっている。ピストンによって圧縮が進んだ予混合気に、吹き出しＢ４に示すように、圧縮上死点ＴＤＣｃｏｍの付近で、加圧空気噴射タイミングＩＮＪ（Ａｉｒ）において、燃料噴射弁から加圧空気を噴射する。この加圧空気が着火トリガ因子である。加圧空気を噴射することによって、燃焼室１６内の圧力Ｐが、実線Ｐ１で示すように急激に上昇し、予混合気の着火可能な温度，圧力条件に達して、着火に至ることとなる。このとき、噴射される加圧空気の圧力は、燃焼室１６内の圧力よりも大きな値となるように、エアポンプ２６およびレギュレータ２８で調圧され、噴射される加圧空気の量は、ＥＣＵ１からの信号によって決定される。
次に、ステップＳ１０７において、ＥＣＵ１は、決定された燃料噴射条件，空気量条件を満たすように、燃料噴射制御及び空気量制御を実行して、各パラメータを操作する。
そして、ピストンが圧縮上死点付近となり、着火トリガ因子を噴射するタイミングとなると、ステップＳ１０８において、ＥＣＵ１は、空気圧力に調整し、燃焼室内に空気を噴射する。
次に、ステップＳ１１０において、ＥＣＵ１は、このときの発生トルクが要求トルクに達しているかどうかについて、現在のアクセル開度より推定する。推定値が目標トルクに到達していない場合、ステップＳ１０９に進み、達しているときは、ステップＳ１１０に進む。
目標トルクに達していない場合には、さらに、ステップＳ１０９において、ＥＣＵ１は、着火時期が正常か否かを判定する。着火時期検出手段としては、点火プラグの電極間に発生するイオン電流の検出もしくはノックセンサ２５の出力値によって行なうが、燃焼室１６内圧力履歴をモニタする圧力センサを圧縮着火式内燃機関に具備して、その出力信号によって判定してもよいものである。
着火時期が正常でない場合には、ステップＳ１０８に戻り、着火時期が正常になるように、着火トリガ因子の噴射量，噴射圧力および噴射時期を、フィードバック制御する。
着火時期が正常で、目標トルクに達していない場合には、ステップＳ１０７に戻り、目標トルクとなるように、燃料噴射量や噴射時期，吸入空気量を、フィードバック制御する。
また、ステップＳ１１０において、機関の目標トルクに達していると判定されると、ステップＳ１１１において、ＥＣＵ１は、目標空燃比であるかどうかについて判定する。このときの空燃比検出手段は、図１に示した空燃比センサ２２であり、その出力値によって機関運転中の空燃比を判定する。
目標空燃比でない場合には、ステップＳ１０７へ戻り、吸入空気量および燃料噴射量をフィードバック制御する。
目標空燃比の場合には、制御を終了する。以上のようにして、目標空燃比に合わせることによって、図１に示した触媒１２の排気浄化効率を最適値に制御することができる。
なお、着火トリガ因子の噴射制御は、図示するように着火時期等のフィードバック制御を行う方法でもよいが、ＥＣＵ１に記録されたマップによる制御のみで運転することも可能である。
以上説明したように、本実施形態によれば、圧縮上死点付近で加圧空気を噴射して、燃焼室内充填度を増加させて、ピストン圧縮中の混合気の温度，圧力を上昇させて、着火トリガとし、希薄空燃比状態に置いても、圧縮着火が可能となる。したがって、大幅に燃焼室形状を変更することなく、負荷および回転数の広い機関運転領域において、適正な自己着火時期に制御することが可能となる。
次に、図５を用いて、本発明の第１の実施形態による他の例による圧縮着火式内燃機関の構成及び動作について説明する。
本実施形態による圧縮着火式内燃機関の構成は、図１に示したものと同様である。また、本実施形態による圧縮着火式内燃機関の燃焼室近辺の構成は、図２に示したものと同様である。
図５は、本発明の第１の実施形態による他の例による圧縮着火式内燃機関の動作説明図である。なお、図４と同一符号は、同一部分を示している。
本実施形態では、着火トリガ因子としては、図４において説明した加圧空気だけでなく、吹き出しＢ４’に示すように、加圧空気と燃料を同時に噴射するようにしている。ピストンによって圧縮が進んだ予混合気に、吹き出しＢ４’に示すように、圧縮上死点ＴＤＣｃｏｍの付近で、加圧空気噴射タイミングＩＮＪ（Ａｉｒ）において、燃料噴射弁から加圧空気を噴射するとともに、燃料噴射タイミングＩＮＪ（Ｆｕ）において、燃料噴射弁から燃料も噴射する。この加圧空気及び燃料が着火トリガ因子である。加圧空気及び燃料を噴射することによって、燃焼室１６内の圧力Ｐが、実線Ｐ１で示すように急激に上昇し、予混合気の着火可能な温度，圧力条件に達して、着火に至ることとなる。
本実施形態による圧縮着火式内燃機関の着火制御方法を示すフローチャートは、図３と同様である。なお、ステップＳ１０６において、ＥＣＵ１は、着火トリガ因子である空気及び燃料の噴射量、噴射圧力および噴射時期を決定する。そして、ピストンが圧縮上死点付近となり、着火トリガ因子を噴射するタイミングとなると、ステップＳ１０８において、ＥＣＵ１は、燃焼室内に空気及び燃料を噴射する。そして、ステップＳ１１０の判定で、発生トルクが目標トルクに達しておらず、また、ステップＳ１０９の判定で、着火時期が正常でない場合には、ステップＳ１０８に戻り、着火時期が正常になるように、着火トリガ因子の噴射量，噴射圧力および噴射時期を、フィードバック制御する。
以上本実施形態においても、圧縮上死点付近で加圧空気の噴射制御を行なうことには変わりないため、図３と同様の着火制御効果が得られる。また、空気噴射に加えて、噴射する燃料量および燃圧制御を行なうことにより、噴霧内の空燃比を制御することができ、着火時期の制御ばかりでなく着火後の燃焼速度の制御も可能となり、機関からの最適トルク発生を実現する。
次に、図６を用いて、本発明の第１及の実施形態による圧縮着火制御に用いられる第２の例の圧縮着火式内燃機関の構成について説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態による圧縮着火制御に用いられる第２の例の圧縮着火式内燃機関の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
本例では、燃料を噴射する燃料噴射弁５０と、空気を噴射する空気噴射弁５１を別に設けている。かかる構成でも、図１〜図５に示した実施形態と同様にして、最適な着火制御が可能である。
なお、燃料噴射弁５０および空気噴射弁５１の配置は、図示した場所のみに規定されるものではなく、任意の配置において上記と同様の効果が得られるものである。
次に、図７を用いて、本発明の第１の実施形態による圧縮着火制御に用いられる第３の例の圧縮着火式内燃機関の構成について説明する。
図７は、本発明の第１の実施形態による圧縮着火制御に用いられる第３の例の圧縮着火式内燃機関の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
本例では、燃料を噴射する燃料噴射弁５２と着火トリガ因子である空気噴射弁５１を別にし、さらに燃料噴射弁５２の配置を吸気ポート６内としている。かかる構成でも、図１〜図５に示した実施形態と同様にして、最適な着火制御が可能である。
なお、燃料噴射弁５２および空気噴射弁５１の配置は、図示した場所のみに規定されるものではなく、任意の配置において上記と同様の効果が得られるものである。
次に、図８を用いて、本発明の第１の実施形態による圧縮着火制御に用いられる第４の例の圧縮着火式内燃機関の構成について説明する。
図８は、本発明の第１の実施形態による圧縮着火制御に用いられる第４の例の圧縮着火式内燃機関の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
本例では、燃料を噴射する燃料噴射弁５３に、燃料系と着火トリガ用ガスボンベ５４が接続されている。この例では、着火トリガ因子を空気以外のガス，例えば、水素，二酸化炭素，窒素などにすることが可能となるため、機関性状や使用形態に応じて、搭載するガスボンベ５４中のガスを着火性などを考慮して使い分けることも可能である。かかる構成でも、図１〜図５に示した実施形態と同様にして、最適な着火制御が可能である。
なお、燃料噴射弁５３の配置は、図示した場所のみに規定されるものではなく、燃焼室１６側面および上面の任意の配置において上記と同様の効果が得られるものである。
以上説明したように、本実施形態によれば、着火トリガ因子として、空気を始めとする気体を着火させたい時期に燃焼室内に噴射することで、燃焼室内の圧力を上昇させて、着火に至らしめることができるため、広い運転条件において最適な着火時期が得られると共に、これらを気筒毎に制御することで、気筒別やサイクル毎にも容易に着火制御が可能となる。
なお、上述の例において示した構成でなくとも、燃焼室に連結する副室などに前サイクルの燃焼圧力を利用して既燃ガスを蓄圧し、次サイクルにおいてこれを噴射することで着火トリガとする、などの構成においても、本実施例の範囲であることは言うまでもない。
また、燃焼室内圧力を検出する圧力センサのような燃焼室内圧力検出手段を備え、燃焼室内圧力の検出結果および機関運転条件に応じて、着火トリガ因子の噴射圧力を制御するようにすることもできる。
さらに、加圧空気の圧力を検出するような着火トリガ因子噴射手段の動作状態を検出する手段と、圧縮着火式内燃機関の運転状態を検出する手段を備え、上記着火トリガ因子噴射手段の動作状態を検出する手段の検出結果および圧縮着火式内燃機関の運転状態を検出する手段の検出結果のうち少なくとも何れか一方に基いて、自己着火燃焼による機関運転が不適もしくは不可能と判断された場合には、自己着火燃焼による機関運転を禁止するように制御することもできる。
以上説明したように、本実施形態では、ピストン圧縮中の混合気の温度，圧力を上昇させることを狙い、圧縮上死点付近で加圧空気もしくは加圧空気と燃料を噴射し、着火トリガとすることを特徴としている。また、流体を噴射することで燃焼室内充填度を増加させて、燃焼室内の温度，圧力を着火可能な状態に引き上げることが目的であるから、噴射される流体は、加圧空気や燃料だけに限るものではなく、空気以外のガスを用いることもできる。
次に、図９〜図１９を用いて、本発明の第２の実施形態による圧縮着火式内燃機関の構成及び動作について説明する。
最初に、図９及び図１０を用いて、本実施形態による圧縮着火式内燃機関の構成について説明する。
図９は、本発明の第２の実施形態による圧縮着火式内燃機関の構成を示すブロック図であり、図１０は、本発明の第２の実施形態による圧縮着火式内燃機関の燃焼室近辺の構成を示す平面図である。なお、図１及び図２と同一符号は、同一部分を示している。
本実施形態において用いる燃料噴射弁５９は、そのノズル部分に複数の噴孔を有している。燃料５７は、燃料ポンプ５８によって燃圧を調整され、燃料噴射便５９によって、燃焼室１６内に噴射される。ここで、本実施形態においては、ＥＣＵ１は、機関運転条件に応じて、燃料ポンプ５８を用いて燃圧を制御するようにしている。
次に、図１１を用いて、本実施形態による圧縮着火式内燃機関に用いる燃料噴射弁の構成について説明する。
図１１は、本発明の第２の実施形態による圧縮着火式内燃機関に用いる燃料噴射弁の構成の説明図である。図１１（Ａ）は、本実施形態に用いる燃料噴射弁の全体構成を示す正面図であり、図１１（Ｂ）は、本実施形態に用いる燃料噴射弁の要部断面図であり、図１１（Ｃ）は、本実施形態に用いる燃料噴射弁の底面図である。
図１１（Ａ）に示すように、燃料噴射弁６９の先端部からは、複数の燃料噴霧が噴射される。
図１１（Ｂ）に示すように、燃料噴射弁の先端部には、ノズル７５が備えられている。ノズル７５の先端には、主噴孔７８が形成されている。ノズル７５の内部には、プランジャ７４と、スワラー７３が配置されている。プランジャ７４の先端にはボール７６が取り付けられている。スワラー７３とノズル７５の間には、燃料通路７１及びスワラー流路７２が形成されている。ノズル７５が上下動することにより、ボール７６が主噴孔７８を開閉して、燃料通路７１及びスワラー流路７２を介して供給された燃料が、主噴孔７８から噴出する。ノズル７５の先端には、アトマイザ７９が設けられている。
図１１（Ｃ）に示すように、アトマイザ７９には、複数の副噴孔７７が設けられている。主噴孔７８から噴出した燃料は、複数の副噴孔７７から燃焼室１６内に噴射される。なお、ボール７６に代えて、円錐型など他の形状のものを用いることもできる。
なお、図示する例において、噴孔は直線状に５つ配置された形となっているが、配置および個数ともにこの限りではなく、複数の噴孔を有し、かつそれぞれの噴孔を燃料噴霧が干渉するように配置される構成であればよく、そのような構成の全てが本実施形態の範疇であることは明白である。
次に、図１２〜図１４を用いて、本実施形態による圧縮着火式内燃機関の制御法について説明する。
図１２は、本発明の第２の実施形態による圧縮着火式内燃機関の着火制御方法を示すフローチャートであり、図１３は、本発明の第２の実施形態による圧縮着火式内燃機関の動作説明図であり、図１４は、本発明の第２の実施形態による圧縮着火式内燃機関における雰囲気圧力一定下で所定時間経過した場合の燃圧とリッチスポットの空燃比の関係の説明図である。
最初に、ステップＳ１１２において、ＥＣＵ１は、機関運転条件を読み込む。
次に、ステップＳ１１３において、ＥＣＵ１は、機関の目標トルクを決定する。
次に、ステップＳ１１４において、ＥＣＵ１は、ステップＳ１１３における結果に基づき、吸入空気量，燃料噴射量，燃料噴射時期を決定する。
また、ステップＳ１１５において、ＥＣＵ１は、ステップＳ１１３における結果に基づき、燃圧および燃料噴射期間を決定する。
次に、ステップＳ１１６において、ＥＣＵ１は、燃料ポンプ５８を制御して、燃料ポンプ５８の燃圧を所定の燃圧に制御する。
次に、ステップＳ１１７において、ＥＣＵ１は、空気量制御および燃料噴射を実行する。
ここで、図１３を用いて、本実施形態における圧縮着火式内燃機関の制御概要について説明する。なお、図４と同一符号は、同一部分を示している。
吹き出しＢ２’に示すように、図１１に示した燃料噴射弁６９のそれぞれの噴孔から噴射された噴霧７０ａは、燃焼室内で干渉し、燃料過濃な部分７０ｂ（以下、「リッチスポット」と称する）を形成する。リッチスポット７０ｂは、噴霧７０ａが衝突（干渉）することによって粒径が大きくなるため、噴霧７０ａ内の他の部分に比べて燃料拡散が遅くなるが、リッチスポット７０ｂ以外の部分は燃料の気化が進行し、吹き出しＢ３に示すように燃焼室１６内の比較的広範な領域にリーンな混合気６６ａを形成する。
この混合気は、ピストン圧縮により上死点に到達したタイミングになると、吹き出しＢ３に示すように、空燃比の比較的大きな領域、すなわちリッチスポット７０ｂ付近より着火する。リッチスポット７０ｂの着火により、燃焼室１６内の温度圧力が急激に上昇し、これによりリーン領域６６ａでも着火に至ることとなる。このとき、リッチスポット７０ｂ付近の着火時期とリーン領域６６ａでの着火時期の時間差は非常に小さいため、ほぼ同時の着火であるとしても差し支えないものである。
すなわち、本実施形態では、この噴霧干渉によるリッチスポット７０ｂを着火トリガとするのがポイントである。リッチスポット７０ｂの空燃比は、燃圧によって粒径を変化させることにより制御可能であるが、着火時期にはその付近の空燃比が量論空燃比付近もしくはそれよりもリッチであることが望ましいものである。
ここで、図１４を用いて、雰囲気圧力一定下で所定時間経過した場合の燃圧とリッチスポットの空燃比の関係について説明する。
図１４に示すように、燃圧を大きくすると、リッチスポットの空燃比が大きく，すなわち、リーンになることから、圧縮着火時期が遅くなることがわかる。すなわち、機関運転条件に応じて燃圧を制御することにより、噴霧内の空燃比と燃料拡散速度を制御して圧縮着火時期を制御することが可能となる。
次に、図１２のステップＳ１１８において、ＥＣＵ１は、目標トルクに達しているどうかを判定する。
目標トルクに達していない場合には、ステップＳ１１６，Ｓ１１７に戻り、ＥＣＵ１は、燃料ポンプ５８の燃圧，空気量および燃料噴射をフィードバック制御する。
次に、目標トルクに達している場合には、ステップＳ１１９において、ＥＣＵ１は、目標空燃比になっているかどうかを判定する。
目標空燃比になっていない場合には、ステップＳ１１６，Ｓ１１７に戻り、ＥＣＵ１は、燃料ポンプ５８の燃圧，空気量および燃料噴射をフィードバック制御する。
目標空燃比に達している場合には、制御を終了する。
以上のようにして、燃圧制御によって着火時期を制御し、ＥＣＵ１からの要求トルクを達成するので、スムーズな機関運転状態を達成また維持することが可能になる。さらに触媒の状態に応じてトータルの空燃比を適正に制御することで、低排気な運転を実現することも可能になる。
次に、図１５を用いて、本実施形態による圧縮着火式内燃機関の第２の制御法について説明する。
図１５は、本発明の第２の実施形態による圧縮着火式内燃機関の第２の着火制御方法を示すフローチャートである。なお、図１２と同一ステップ番号は、同一処理内容を示している。
本例では、燃料を１サイクルに複数回噴射するようにしている。すなわち、ステップＳ１１４’において、ＥＣＵ１は、噴射割合，噴射回数，噴射時期などを決定する。燃料を１サイクルの間の異なる時刻に複数回噴射、例えば圧縮行程に二回燃料噴射する場合、先に噴射された燃料の方が圧縮行程に噴射される燃料よりも着火までの燃料拡散時間が長くなるため、燃焼室内の広い領域に比較的均質な混合気を形成しやすい（この領域の空燃比は燃料噴射量によるが、ほとんどの場合、リーンに設定される）。つまり、複数回噴射によってリッチ領域とリーン領域をより明確にわけることができるものである。
次に、図１６〜図１９を用いて、本実施形態による圧縮着火式内燃機関に用いる燃料噴射弁の他の構成について説明する。
図１６は、本発明の第２の実施形態による圧縮着火式内燃機関に用いる燃料噴射弁の第２の構成の説明図である。図１６（Ａ）は、本実施形態に用いる燃料噴射弁の要部断面図であり、図１６（Ｂ）は、本実施形態に用いる燃料噴射弁の底面図である。
燃料噴射弁６９Ａは、ノズル面８０上に多数の噴孔７７を有している。燃料室１６内の広範囲に燃料を拡散させることにより、噴霧干渉がなされてもリッチ／リーン領域が発生しても、着火時期において過度にリッチなスポットを避け、すすやＮＯｘ生成を抑制することができる。
図１７は、本発明の第２の実施形態による圧縮着火式内燃機関に用いる燃料噴射弁の第３の構成の説明図である。図１７（Ａ）は、本実施形態に用いる燃料噴射弁の要部断面図であり、図１７（Ｂ）は、本実施形態に用いる燃料噴射弁の底面図である。
燃料噴射弁６９Ｂは、複数の噴孔７７を有するノズルの頂面８１が、中心に向かう傾斜を有している。噴射された燃料は、燃焼室１６内のある空間に指向される。このパターンでは、隣接する噴孔の噴霧だけでなく、噴射された噴霧の一部もしくは全てが、燃焼室内のある点で衝突（干渉）する。
図１８は、本発明の第２の実施形態による圧縮着火式内燃機関に用いる燃料噴射弁の第４の構成の説明図である。図１８（Ａ）は、本実施形態に用いる燃料噴射弁の要部断面図であり、図１８（Ｂ）は、本実施形態に用いる燃料噴射弁の底面図である。
燃料噴射弁６９Ｃは、スリット状の複数の噴孔７７Ａを備えている。このパターンでは、それぞれの噴孔から噴射された噴霧は、噴孔付近を中心とする扇型となるため、噴射後の燃焼室内の空間で噴霧干渉する。
図１９は、本発明の第２の実施形態による圧縮着火式内燃機関に用いる燃料噴射弁の第５の構成の説明図である。図１９（Ａ）は、本実施形態に用いる燃料噴射弁の要部断面図であり、図１９（Ｂ）は、本実施形態に用いる燃料噴射弁の底面図である。
燃料噴射弁６９Ｄは、図１８に示したパターンの噴孔を持つノズルプレート８３の内部にスリット状のノズルをクロスさせて重ねているパターンである。噴孔部の上流で乱れを増幅する性質を持つため、図１８の例よりも、微粒化効果を有するものである。
なお、図１６〜図１９に示した燃料噴射弁の構成およびパターン以外でも、複数の噴孔を有し本実施形態と同様の効果を発揮する燃料噴射弁についても、本実施形態の範囲内であることは言うまでもないものである。
以上説明したように、本実施形態によれば、用いる燃料噴射弁のノズル部分に複数の噴孔を有し、噴射された燃料噴霧同士を燃焼室内において干渉させる。噴霧同士の干渉部分は、燃料液滴が拡散しにくいことから、機関運転条件に応じて噴射燃料の燃圧を制御することによって、噴霧内空燃比分布および燃料拡散速度を制御し、これを着火トリガとして、圧縮着火時期を適正に制御することができるものとなる。
次に、図２０〜図２２を用いて、本発明の第３の実施形態による圧縮着火式内燃機関の構成及び動作について説明する。
最初に、図２０を用いて、本実施形態による圧縮着火式内燃機関の構成について説明する。
図２０は、本発明の第３の実施形態による圧縮着火式内燃機関の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
図２０に示すように、シリンダブロック９、ピストン１７およびシリンダヘッド１０によって囲まれた燃焼室１６に、吸気ポート６および排気ポート１４が連通している。燃焼室１６と吸気ポート６の接続部には、吸気弁１９ａが設けられており、燃焼室１６との通路開閉を行う。燃焼室１６と排気ポート１４の接続部には、排気弁１９ｂが設けられており、燃焼室１６との通路開閉を行う。図２に示すように、吸気ポート６は、２つに分岐された上で燃焼室１６に接続されており、それぞれの接続部に吸気弁１９ａが設けられている。また、排気ポート１４は、２つに分岐された上で燃焼室１６に接続されており、それぞれの接続部に排気弁１９ｂが設けられている。ピストン１７の往復動は、コンロッド２０を介して、クランク軸２１に伝達され、クランク軸２１を回転させる。
燃焼室１６内には点火プラグ１３を配置されており、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１から火花点火燃焼を指示された場合に、点火プラグ１３からの火花放電する。また、圧縮着火燃焼がＥＣＵ１より指示されている場合には、点火プラグ１３は燃焼状態を検出するイオン電流検出装置として機能させることも可能で、その場合は燃焼室１６内の燃焼状態および着火時期などを監視する。ただし、この点火プラグ１３を用いず、どの運転領域も圧縮着火燃焼、すなわちピストン圧縮にのみによって燃焼させる場合には、点火プラグ１３は設置しなくてもよいものである。点火プラグ１３は、燃焼室１６の上部中央に設けられているが、特にこの場所に限るものではない。
ＥＣＵ１には、本実施形態の圧縮着火式内燃機関を搭載した車両を運転するドライバの意図を検出するドライバ意図検出手段としてアクセル開度検出装置２ａおよびブレーキ踏力検出装置２ｂの出力値や、また車両走行状態を検出する車両走行状態検出手段として車速検出装置２ｃの出力値や、さらに機関運転条件を検出するエアフローセンサ５，機関冷却水温センサ２４，空燃比センサ２２，触媒１２の後ろに設置されている触媒後排温センサ２３，クランク角センサ４，ノックセンサ２５からの出力値が逐次取り込まれている。このとき、エアフローセンサ５は、吸気温度を測定する機能を有するものであることが望ましく、この出力値も同時にＥＣＵ１に取り込まれる。
本実施形態において、機関の目標トルクは、アクセル開度検出装置２ａの出力値により演算される。圧縮着火式内燃機関を搭載した車両の加速度を把握する手段として、本実施形態では、車両に取り付けられた車速センサの微分値を用いているが、車両に加速度センサを設置し、その出力値を用いてもよいものである。ブレーキ踏力検出装置２ｂの出力値は、ドライバがブレーキペダルを踏んだかどうかを判定するＯＮ・ＯＦＦ信号を用いているが、ブレーキペダル後ろにブレーキ踏力センサを設置してその出力値を用いることも可能であり、またブレーキの油圧配管中に油圧センサを設けることによってドライバのブレーキ踏力を把握してもよいものである。
燃料噴射弁１１は、燃焼室１６内に直接燃料噴射できるように設置されている。燃料噴射弁１１は、分岐された吸気ポート６の間に設置されている。燃料噴射弁１１の配置は、吸気弁１９ａ近傍の燃焼室１６内側面付近となっているが、特にその場所を規定するものではなく、燃焼室１６内に噴射可能な任意の場所でよいものである。
本実施形態では、さらに、吸気弁１９ａおよび排気弁１９ｂには、それぞれ、可変バルブ機構１５ａ，１５ｂを備えている。ＥＣＵ１は、機関運転状態，ドライバ意図，車両走行状態などに応じて、可変バルブ機構１５ａ，１５ｂを制御して、吸気弁１９ａもしくは排気弁１９ｂのバルブタイミングもしくはバルブリフト量のうち少なくとも何れか一つを制御する。
次に、図２１及び図２２を用いて、本実施形態による圧縮着火式内燃機関の制御法について説明する。
図２１は、本発明の第３の実施形態による圧縮着火式内燃機関の着火制御方法を示すフローチャートであり、図２２は、本発明の第３の実施形態による圧縮着火式内燃機関の動作説明図である。
機関運転中において、最初に、ステップＳ１０１において、ＥＣＵ１は、アクセル開度検出装置２ａの出力値によりアクセル開度を読み込み、また、ブレーキ踏力検出装置２ｂの出力値によりブレーキ踏力を読み込むことにより、圧縮着火式内燃機関を搭載した車両のドライバ意図を読み込む。
次に、ステップＳ１０２において、ＥＣＵ１は、車速検出装置２ｃの出力値を読み込むことにより、車両走行条件を検出する。また、エアフローセンサ５，機関冷却水温センサ２４，空燃比センサ２２，触媒１２の後ろに設置されている触媒後排温センサ２３，クランク角センサ４，ノックセンサ２５等の出力値を読み込むことにより、機関運転条件を検出する。そして、ＥＣＵ１は、これらの車両走行条件及び機関運転条件に基づいて、機関負荷を演算する。
次に、ステップＳ１０３において、ＥＣＵ１は、ステップＳ１０１で読み込んだドライバ意図及びステップＳ１０２で演算された機関負荷に基づいて、圧縮着火による運転が可能かどうかを判定する。
ステップＳ１０３において、運転不可と判断された場合は、ステップＳ１０４に進み、機関が例えば火花点火機関である場合には火花点火燃焼、点火プラグを具備しないディーゼル機関である場合には噴霧燃焼を行なうように機関の各パラメータを制御する。
また、ステップＳ１０３において、圧縮着火による運転可と判断された場合は、ステップＳ１０５以降のステップによって圧縮着火燃焼モードで制御される。
圧縮着火燃焼モードによる機関運転が選択されると、ステップＳ１０５Ａにおいて、ＥＣＵ１は、ＥＣＵ１に予め記憶されているマップから、現在の機関運転条件に応じた吸入空気量、可変バルブ操作量、総燃料噴射量、燃料噴射割合および燃料噴射時期を呼び出し、決定する。
ここで、図２２を用いて、本実施形態における着火トリガ因子について説明する。図２２において、横軸は、内燃機関における排気工程ＥＸＨ，吸気工程ＩＮＴ，圧縮行程ＣＯＭ，膨張行程ＥＸＰの各工程を示しており、縦軸は、それぞれ、燃焼室内圧力Ｐ，燃料噴射タイミングＩＮＪ（Ｆｕ）を示している。
図２２に示すように、本実施形態では、圧縮着火燃焼による運転モードの際には、排気行程中に排気弁１９ｂを早閉じして、前サイクルまでの既燃ガスを残留させ、この残留ガス中に着火トリガとして副燃料を噴射するようにしている。
まず、吹き出しＢＡに示すように、排気行程中の任意の時期において残留ガス８９ａ中に副燃料８９ｂを噴射する。このときの副燃料の噴射量は、多くとも１サイクルあたりに噴射される燃料量の５０％以下に抑える。
この副燃料８９ｂが、吹き出しＢＢに示すように、高温の残留ガス中に滞留し、かつ、吸排気弁が両方とも閉じた状態でピストンにより圧縮されることにより、燃料がＯＨラジカルなどの活性化学種を多く含む成分に改質される。このとき、副燃料量は多くても全噴射量の５０％以下になっていることから自己着火には至らないものである。
次に、吹き出しＢ１に示すように、新気である空気が吸入され、吹き出しＢ２９２において（圧縮行程）、残りの燃料９２ａを主燃料として噴射する。この噴射時期については、本実施形態において特に規定するものではないが、機関運転条件や設定空燃比などによって、その時期を変化させる。
噴射された主燃料９２ａは燃焼室１６内に分布し、副燃料８９ｂが改質されてできたＯＨラジカルなどの活性化学種によって着火が促進され、吹き出しＢ４に示すように、圧縮上死点付近で自己着火に至る。このとき改質された副燃料８９ｂも着火し、燃焼室１６内の熱発生に寄与することは言うまでもない。
このように、本実施形態においては、排気行程中の吸排気弁が閉じた状態に噴射される副燃料が着火トリガ因子であり、吸気弁１９ａおよび排気弁１９ｂのバルブタイミングもしくはバルブリフト量のうち少なくとも何れか一方と、この着火トリガ因子である副燃料の噴射量によって、圧縮着火時期を制御する。
なお、図２０に示す例においては、副燃料８９ｂと主燃料９２ａは、同じ燃料噴射弁から噴射される同じ燃料であるが、２つが別の燃料であったり、複数の噴射弁から単一もしくは複数の燃料が噴射される構成となっていてもよいものである。
次に、図２１のステップＳ１０７Ａにおいて、ＥＣＵ１は、ステップＳ１０５Ａにおいて決定された各条件を満たすように、吸入空気量制御装置７および可変バルブ機構１５ａ，１５ｂを制御する。
なお、図２０の例では、吸入空気制御装置としてスロットルを用いているが、その上流側に過給器を設けて吸気量を制御してもよいものである。可変バルブ機構１５ａ，１５ｂの操作により、既燃残留ガスを燃焼室１６内に閉じ込めるようにした後、ステップＳ１０８Ａにおいて、排気上死点を迎える前に着火トリガ因子として副燃料を噴射し、さらに、ステップＳ１０８Ｂにおいて、主燃料を噴射する。
次に、ステップＳ１１０において、ＥＣＵ１は、このときの発生トルクが要求トルクに達しているかどうかについてを判定する。達していないときは、ステップＳ１０９に進み、達しているときは、ステップＳ１１０に進む。
目標トルクに達していない場合には、さらに、ステップＳ１０９において、ＥＣＵ１は、着火時期が正常か否かを判定する。着火時期検出手段としては、点火プラグの電極間に発生するイオン電流の検出もしくはノックセンサ２５の出力値によって行なうが、燃焼室１６内圧力履歴をモニタする圧力センサを圧縮着火式内燃機関に具備して、その出力信号によって判定してもよいものである。
着火時期が正常でない場合には、ステップＳ１０８に戻り、着火時期が正常になるように、着火トリガ因子である副燃料の噴射量および噴射時期を、フィードバック制御する。例えば、着火時期が目標着火時期より進角している場合には、着火トリガ因子の噴射量を減じるか、着火トリガ因子の噴射時期を遅角するように制御する。また、着火時期が目標着火時期より遅角している場合には、着火トリガ因子の噴射量を増すか、着火トリガ因子の噴射時期を進角するように制御する。
着火時期が正常で、発生トルクが目標トルクに達していない場合には、ステップＳ１０７に戻り、目標トルクが発生するように、吸入空気量や燃料噴射量や噴射時期を、フィードバック制御する。
また、ステップＳ１１０において、機関の目標トルクに達していると判定されると、ステップＳ１１１において、ＥＣＵ１は、目標空燃比であるかどうかについて判定する。このときの空燃比検出手段は、図１に示した空燃比センサ２２であり、その出力値によって機関運転中の空燃比を判定する。
目標空燃比でない場合には、ステップＳ１０７へ戻り、吸入空気量および燃料噴射量をフィードバック制御する。
目標空燃比の場合には、制御を終了する。以上のようにして、目標空燃比に合わせることによって、図１に示した触媒１２の排気浄化効率を最適値に制御することができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、吸気弁および排気弁のうち少なくともどちらか一方のバルブタイミングを可変にする可変バルブ機構を備えており、排気行程時に吸気弁および排気弁が両方とも閉じる状態となるように可変バルブ機構を制御して高温既燃ガスを残留させ、その残留ガス中に燃料の一部を噴射して、この燃料そのものを着火トリガ因子としている。これは、高温ガス中に噴射された燃料の一部がさらに圧縮されることで、着火には至らないものの、着火を促進するＯＨラジカルなどの活性化学種を多く含んだガスが生成されるという性質を利用したものであり、主たる燃焼を行なうために噴射される燃料と残留ガス中に噴射される燃料の割合を制御することで、着火を促進する活性化学種濃度を制御し、着火時期を制御することが可能となる。すなわち、本実施形態においては、燃料噴射弁を用いて、燃料の噴射時期，噴射回数，噴射割合の制御を行なうことで着火時期を最適値に制御可能なため、複雑なシステム改造や付加を必要とせず、低コストかつ着火制御応答性のよい機関を提供することができるものである。このとき、各気筒毎の運転状態（着火時期，燃焼圧力など）を判定することで、燃料の噴射時期，噴射回数，噴射割合について各気筒毎に制御することもできる。
本実施形態においては、可変バルブ機構によって内部ＥＧＲ量を制御し、さらに燃料噴射弁を用いて燃料の噴射時期、噴射回数、噴射割合の制御を行なって副燃料を着火トリガ因子とすることで着火時期を最適値に制御可能であるため、大幅なシステム改造や複雑なデバイス付加などが必要なくなり、低コストかつ制御応答性がよい、低排気低燃費な内燃機関を提供することができる。
以上説明したように、本発明は、圧縮着火燃焼させる運転状態において、吸排気弁の閉じている時期に着火トリガ因子を噴射して、着火時期を最適に制御することを特徴としている。よって、上述の実施形態に示した以外の方法でも、着火トリガ因子を噴射する手段によって圧縮着火時期を制御する手段および方法は、本発明の範囲内のものである。また圧縮着火燃焼以外の燃焼による運転モードが選択されている場合や、着火トリガ因子噴射装置の故障や不具合により、圧縮着火時期が最適に制御することができない場合には、着火トリガ因子噴射装置の動作を禁止、すなわち圧縮着火燃焼による運転を禁止することにより、失火や過早着火などの異常燃焼を防止し、気筒毎やサイクル毎のトルク変動を低減することができる。
次に、図２３を用いて、本発明の各実施形態における圧縮着火式内燃機関に用いる燃料噴射弁の他の例について説明する。
図２３は、本発明の各実施形態における圧縮着火式内燃機関に用いる他の例の燃料噴射弁の特性図である。図２３において、縦軸は、燃料噴射量ＩＮＪｖｏｌを示し、横軸は噴射パルス幅Ｗｉｎｊを示している。
本例では、着火トリガ因子を噴射する噴射弁として、圧電素子若しくは磁歪素子などを用い、噴射弁に供給する電圧値と噴射パルス幅を制御することで、副燃料および主燃料の噴射量を制御するようにしている。
図２３において、点線Ｘは、従来の噴射弁における噴射パルス幅と噴射量の関係を示している。ここでいう従来の噴射弁とは、噴射弁内の芯弁を電磁石によって吸引するタイプのものである。この構造においては、図２３に示すように、噴射パルス幅の狭いところ、すなわち、噴射量の少ないところでは、無効噴射パルス幅ｔｉｎｖが存在し、この領域では流体の噴射を正確に制御することが困難である。現状の筒内噴射用の燃料噴射弁でガソリンを噴射する場合、１回辺りに噴射可能な最小噴射量は、４ｍｃｃ程度となっている。
それに対して、本例では、圧電素子若しくは磁歪素子を用いた噴射弁を用いることによって、供給する電圧値に応じて、これらの圧電素子若しくは磁歪素子が変形し、これによって芯弁のリフト量を制御できるため、図２３中に実線Ｙで示すように、無効噴射パルス幅が殆ど存在しない特性を得ることができる。即ち、アイドル条件などの機関低負荷領域では、副噴射時に４ｍｃｃ以下の噴射量が必要となることがあり、そのような場合にも、圧電素子若しくは磁歪素子を用いた噴射弁を用いることにより、機関低負荷領域においても、制御精度を向上することができる。なお、圧電素子や磁歪素子を用いるものだけでなく、４ｍｃｃ以下のような燃料噴射量を得られるものであれば、他の燃料噴射弁を用いることもできる。
産業上の利用の可能性
本発明によれば、大幅に燃焼室形状を変更することなく、負荷および回転数の広い機関運転領域において、適正な自己着火時期に制御可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１の実施形態による圧縮着火式内燃機関の構成を示すブロック図である。
図２は、本発明の第１の実施形態による圧縮着火式内燃機関の燃焼室近辺の構成を示す平面図である。
図３は、本発明の第１の実施形態による圧縮着火式内燃機関の着火制御方法を示すフローチャートである。
図４は、本発明の第１の実施形態による圧縮着火式内燃機関の動作説明図である。
図５は、本発明の第１の実施形態による他の例による圧縮着火式内燃機関の動作説明図である。
図６は、本発明の第１の実施形態による圧縮着火制御に用いられる第２の例の圧縮着火式内燃機関の構成を示すブロック図である。
図７は、本発明の第１の実施形態による圧縮着火制御に用いられる第３の例の圧縮着火式内燃機関の構成を示すブロック図である。
図８は、本発明の第１の実施形態による圧縮着火制御に用いられる第４の例の圧縮着火式内燃機関の構成を示すブロック図である。
図９は、本発明の第２の実施形態による圧縮着火式内燃機関の構成を示すブロック図である。
図１０は、本発明の第２の実施形態による圧縮着火式内燃機関の燃焼室近辺の構成を示す平面図である。
図１１は、本発明の第２の実施形態による圧縮着火式内燃機関に用いる燃料噴射弁の構成の説明図である。
図１２は、本発明の第２の実施形態による圧縮着火式内燃機関の着火制御方法を示すフローチャートである。
図１３は、本発明の第２の実施形態による圧縮着火式内燃機関の動作説明図である。
図１４は、本発明の第２の実施形態による圧縮着火式内燃機関における雰囲気圧力一定下で所定時間経過した場合の燃圧とリッチスポットの空燃比の関係の説明図である。
図１５は、本発明の第２の実施形態による圧縮着火式内燃機関の第２の着火制御方法を示すフローチャートである。
図１６は、本発明の第２の実施形態による圧縮着火式内燃機関に用いる燃料噴射弁の第２の構成の説明図である。
図１７は、本発明の第２の実施形態による圧縮着火式内燃機関に用いる燃料噴射弁の第３の構成の説明図である。
図１８は、本発明の第２の実施形態による圧縮着火式内燃機関に用いる燃料噴射弁の第４の構成の説明図である。
図１９は、本発明の第２の実施形態による圧縮着火式内燃機関に用いる燃料噴射弁の第５の構成の説明図である。
図２０は、本発明の第３の実施形態による圧縮着火式内燃機関の構成を示すブロック図である。
図２１は、本発明の第３の実施形態による圧縮着火式内燃機関の着火制御方法を示すフローチャートである。
図２２は、本発明の第３の実施形態による圧縮着火式内燃機関の動作説明図である。
図２３は、本発明の各実施形態における圧縮着火式内燃機関に用いる他の例の燃料噴射弁の特性図である。

Claims (21)

1. 空気および燃料が供給される燃焼室と、上記燃焼室に連通する吸気ポートと上記燃焼室との通路を開閉する吸気弁と、上記燃焼室に連通する排気ポートと上記燃焼室の通路を開閉する排気弁とを有し、
   上記吸気弁が閉じた後のピストン圧縮動作によって、上記燃焼室内の温度および圧力を上昇させて混合気を自己着火させる圧縮着火式内燃機関において、
   ピストン圧縮中もしくは膨張中の混合気が着火可能な状態になるように、該圧縮着火式内燃機関の運転条件に応じて、着火トリガ因子を上記吸気弁および排気弁が閉じた状態の任意の時期に直接燃焼室内に噴射する着火トリガ因子噴射手段と、
   運転条件に応じて、上記着火トリガ因子の噴射時期，噴射量，噴射圧力の内少なくとも一つを制御する制御手段を備えることを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
2. 請求項１記載の圧縮着火式内燃機関において、
   上記着火トリガ因子噴射手段は、ピストン圧縮中もしくは膨張中の混合気の全体が着火可能な状態になるように、上記着火トリガ因子を燃焼室内に噴射することを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
3. 請求項１記載の圧縮着火式内燃機関において、
   上記着火トリガ因子噴射手段は、ピストン圧縮中もしくは膨張中の混合気の一部が着火可能な状態になるように、上記着火トリガ因子を燃焼室内に噴射することを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
4. 請求項１記載の圧縮着火式内燃機関において、
   上記制御手段は、各気筒毎に、運転条件に応じて、上記着火トリガ因子の噴射時期，噴射量，噴射圧力の内少なくとも一つを制御することを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
5. 請求項１記載の圧縮着火式内燃機関において、
   上記着火トリガ因子は、加圧気体であることを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
6. 請求項２記載の圧縮着火式内燃機関において、
   上記着火トリガ因子は加圧空気であり、
   上記着火トリガ因子噴射手段は、加圧空気および燃料の２流体噴射が可能なエアアシストインジェクタであることを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
7. 請求項６記載の圧縮着火式内燃機関において、
   上記着火トリガ因子噴射手段は、圧縮着火式内燃機関を運転するための燃料を噴射する燃料噴射装置であることを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
8. 請求項１記載の圧縮着火式内燃機関において、
   上記着火トリガ因子は、燃料および加圧気体であることを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
9. 請求項１記載の圧縮着火式内燃機関において、
   上記着火トリガ因子が噴射される噴射時期は、圧縮着火式内燃機関の圧縮行程中であることを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
10. 請求項１記載の圧縮着火式内燃機関において、
    上記着火トリガ因子が噴射される噴射時期は、圧縮着火式内燃機関の圧縮上死点付近であることを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
11. 請求項１記載の圧縮着火式内燃機関において、
    上記吸気弁および上記排気弁のうち少なくともどちらか一方のバルブタイミングを可変にする可変バルブ機構を備え、
    排気行程時に上記吸気弁および排気弁が両方とも閉じる状態となるように上記可変バルブ機構を制御して高温既燃ガスを残留させ、その残留ガス中に上記着火トリガ因子を噴射することを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
12. 請求項１１記載の圧縮着火式内燃機関において、
    残留ガス中に噴射される着火トリガ因子は、機関の要求トルクに応じて噴射される燃料の一部であることを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
13. 請求項１２記載の圧縮着火式内燃機関において、
    上記制御手段は、各気筒毎に、運転条件に応じて、上記着火トリガ因子の噴射時期，噴射割合を制御することを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
14. 請求項１１記載の圧縮着火式内燃機関において、
    混合気の自己着火時期を検出する着火時期検出装置を備え、
    上記着火時期検出装置の検出結果が目標着火時期より進角している場合には、上記着火トリガ因子の噴射量を減じるか、上記着火トリガ因子の噴射時期を遅角するように制御することを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
15. 請求項１１記載の圧縮着火式内燃機関において、
    混合気の自己着火時期を検出する着火時期検出装置を備え、
    上記着火時期検出装置の検出結果が目標着火時期より遅角している場合には、上記着火トリガ因子の噴射量を増すか、上記着火トリガ因子の噴射時期を進角するように制御することを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
16. 請求項１記載の圧縮着火式内燃機関において、
    上記着火トリガ因子噴射手段は、圧電素子若しくは磁歪素子を用いた噴射弁であることを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
17. 請求項１記載の圧縮着火式内燃機関において、
    上記着火トリガ因子噴射手段の噴射ノズルは、複数の噴孔を備えていることを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
18. 請求項１７記載の圧縮着火式内燃機関において、
    上記噴射ノズルの噴射孔は、噴射した着火トリガ因子の噴霧が上記燃焼室内で干渉するように配置されていることを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
19. 請求項１記載の圧縮着火式内燃機関において、
    燃焼室内圧力を検出する燃焼室内圧力検出手段を備え、
    上記制御手段は、上記燃焼室内圧力検出手段の検出結果および機関運転条件に応じて、上記着火トリガ因子の噴射圧力を制御することを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
20. 請求項１記載の圧縮着火式内燃機関において、
    火花点火による機関運転を行なうための点火装置を備え、
    圧縮着火式内燃機関の機関運転条件や圧縮着火式内燃機関を搭載した車両の車両走行状態および圧縮着火式内燃機関を搭載した車両のドライバのドライバ意図に応じて、圧縮着火燃焼と火花点火燃焼に切り換えて機関運転を行なう場合、火花点火燃焼時には、上記着火トリガ因子の噴射を禁止することを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
21. 請求項１記載の圧縮着火式内燃機関において、
    上記着火トリガ因子噴射手段の動作状態を検出する手段と、圧縮着火式内燃機関の運転状態を検出する手段とを備え、
    上記着火トリガ因子噴射手段の動作状態を検出する装置の検出結果および圧縮着火式内燃機関の運転状態を検出する装置の検出結果のうち少なくとも何れか一方に基いて、自己着火燃焼による機関運転が不適もしくは不可能と判断された場合には、自己着火燃焼による機関運転を禁止することを特徴とする圧縮着火式内燃機関。

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