WO2002097255A1 - Moteur thermique a allumage par compression - Google Patents

Description

明 細 書 圧縮着火式内燃機関 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 1 0 — 5 6 4 1 3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 8 0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、 N O X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 N O X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 N O X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 1 0— 1 9 6 4 2 4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 1 0— 1 9 6 4 2 4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ビ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。 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プロ 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 示すフローチヤ一トである。

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プロック図である。

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プロ ック図である。

図 1 0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 1 1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 1 2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 1 3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 1 4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ツチスポットの空燃比の関係の説 明図である。

図 1 5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 1 6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 1 7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 1 8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 1 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に用いる燃料噴 射弁の第 5の構成の説明図である。

図 2 0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 2 1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 2 2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 2 3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。 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プロ 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 1 7およびシリンダへッド 1 0によって囲まれた燃焼室 1 6に、 吸気ポート 6および排気ポート 1 4が連通 している。 燃焼室 1 6と吸気ポート 6の接続部には、 吸気弁 1 9 aが設けられて おり、 燃焼室 1 6との通路開閉を行う。 燃焼室 1 6と排気ポート 1 4の接続部に は、 排気弁 1 9 bが設けられており、 燃焼室 1 6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 1 6に接続されており、 それぞれの接続部に吸気弁 1 9 aが設けられている。 また、 排気ポート 1 4は 2つに分岐された上で燃焼室 1 6に接続されており、 それぞれの接続部に排気弁 1 9 bが設けられている。 ピストン 1 7の往復動は、 コンロッド 2 0を介して、 クランク軸 2 1に伝達され、 クランク軸 2 1を回転させる。

燃焼室 1 6内には点火プラグ 1 3を配置されており、 エンジンコント口一ルュ ニット （E C U) 1から火花点火燃焼を指示された場合に、 点火プラグ 1 3から の火花放電する。 また、 圧縮着火燃焼が E C U 1より指示されている場合には、 点火プラグ 1 3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 1 6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 1 3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 1 3は設置しなく てもよいものである。 点火プラグ 1 3は、 図 2に示すように、 燃焼室 1 6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。

E C U 1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 2 a およびブレーキ踏力検出装置 2 b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 2 c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 2 4 , 空燃比センサ 2 2 , 触媒 1 2の後ろに設置されている触媒後排温センサ 2 3， クランク角センサ 4 , ノッ クセンサ 2 5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 E C U 1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 2 a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 2 b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 O N · O F F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、 またプレ 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 1 1は、 燃焼室 1 6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 1 1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 1 1の配置は、 吸気弁 1 9 a近傍の燃焼室 1 6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 1 6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 1 1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夕であり、 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夕であ る燃料噴射弁 1 1には、 燃料系と空気系が導入されている。 エアポンプ 2 6は、 常時 5 M P a以上の空気圧を燃料噴射弁 1 1に供給することができる構成となつ ている。 圧力レギユレ一タ 2 8は、 エアポンプ 2 6をバイパスするバイパス流路 3 0に設けられており、 燃料噴射弁 1 1にフィードする空気圧を制御する。 圧力 レギユレ一夕 2 8は、 機関運転条件や筒内圧力に応じて制御する。 電磁弁 2 7は、 E C U 1からの制御信号により開閉動作して、 燃料噴射弁 1 1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 1 1、 ひいては燃焼室 1 6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 S 1 0 1において、 E C U 1は、 ァク セル開度検出装置 2 a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 2 b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パ意図を読み込む。

次に、 ステップ S 1 0 2において、 E C U 1は、 車速検出装置 2 c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、 ェアフロ一センサ 5 , 機 関冷却水温センサ 2 4， 空燃比センサ 2 2， 触媒 1 2の後ろに設置されている触 媒後排温センサ 2 3， クランク角センサ 4 , ノックセンサ 2 5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、 E C U 1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 S 1 0 3において、 E C U 1は、 ステップ S 1 0 1で読み込ん だドライバ意図及びステップ S 1 0 2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 S 1 0 3において、 運転不可と判断された場合は、 ステップ S 1 0 4 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 メ一夕を制御する。，

また、 ステップ S 1 0 3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 S 1 0 5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。 圧縮着火燃焼モ一ドによる機関運転が選択されると、 ステップ S 1 0 5におい て、 E C U 1は、 E C U 1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 S 1 0 6において、 E C U 1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 EX P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 S 1 0 5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 S 1 0 6において決定される。

吹き出し B 1に示すように、 吸気行程で新気空気が燃焼室 1 6内に供給される。 次に、 吹き出し B 2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 INKFu)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 B 3に示すように、 燃焼室 1 6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 B 4 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 1 6内の圧力 Pが、 実線 P 1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 1 6内の圧 力よりも大きな値となるように、 エアポンプ 2 6およびレギユレ一夕 2 8で調圧 され、 噴射される加圧空気の量は、 E C U 1からの信号によって決定される。 次に、 ステップ S 1 0 7において、 E C U 1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、 各パラメ一 夕を操作する。

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夕イミ ングとなると、 ステップ S 1 0 8において、 E C U 1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 S 1 1 0において、 E C U 1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 S 1 0 9に進み、 達していると きは、 ステップ S 1 1 0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 S 1 0 9において、 E C U 1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 2 5の出力値 によって行なうが、 燃焼室 1 6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 S 1 0 8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 S 1 0 7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、 フィ一 ドパック制御する。

また、 ステップ S 1 1 0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 S 1 1 1において、 E C U 1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 2 2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 S 1 0 7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 1 2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、 E C U 1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 B 4 ' 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 B 4 ' 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 1 6内の圧力 Pが、 実線 P 1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 S 1 0 6において、 E C U 1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 S 1 0 8において、 E C U 1は、 燃焼室内に空気及び燃料を噴射す る。 そして、 ステップ S 1 1 0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 S 1 0 9の判定で、 着火時期が正常でない場合には、 ステツ プ S 1 0 8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 5 0と、 空気を噴射する空気噴射弁 5 1 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 5 0および空気噴射弁 5 1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

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 5 2と着火トリガ因子である空気噴射弁 5 1を別にし、 さらに燃料噴射弁 5 2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 5 2および空気噴射弁 5 1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。

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 5 3に、 燃料系と着火卜リガ用ガスボン ベ 5 4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 5 4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 5 3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 1 6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 1 9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 1 0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プロ ック図であり、 図 1 0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 5 9は、 そのノズル部分に複数の噴孔を 有している。 燃料 5 7は、 燃料ポンプ 5 8によって燃圧を調整され、 燃料噴射便 5 9によって、 燃焼室 1 6内に噴射される。 ここで、 本実施形態においては、 E C U 1は、 機関運転条件に応じて、 燃料ポンプ 5 8を用いて燃圧を制御するよう にしている。

次に、 図 1 1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 1 1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 1 1 (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 1 1 ( 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 1 1 ( C) は、 本実施形態に用いる燃料噴射弁の底面図 である。 ，

図 1 1 (A) に示すように、 燃料噴射弁 6 9の先端部からは、 複数の燃料噴霧 が噴射される。

図 1 1 (B ) に示すように、 燃料噴射弁の先端部には、 ノズル 7 5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、 スワラ一 73が配置されている。 プランジャ 74の 先端にはポール 76が取り付けられている。 スヮラー 73とノズル 75の間には、 燃料通路 71及びスワラ一流路 72が形成されている。 ノズル 75が上下動する ことにより、 ポール 76が主噴孔 78を開閉して、 燃料通路 71及びスワラ一流 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 1 1 (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 ツ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 S 112において、 ECU1は、 機関運転条件を読み込む。 次に、 ステップ S 1 13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 S 114において、 ECU1は、 ステップ S 1 13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 S 115において ECU1は、 ステップ S 113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 S 116において、 ECU1は、 燃料ポンプ 58を制御して、 燃料ポンプ 5 8の燃圧を所定の燃圧に制御する。

次に、 ステップ S 1 1 7において、 E C U 1は、 空気量制御および燃料噴射を 実行する。

ここで、 図 1 3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 B 2 ' に示すように、 図 1 1に示した燃料噴射弁 6 9のそれぞれの噴 孔から噴射された噴霧 7 0 aは、 燃焼室内で干渉し、 燃料過濃な部分 7 O b (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 7 O bは、 噴霧 7 0 aが衝突 （千涉） することによって粒径が大きくなるため、 噴霧 7 0 a内の 他の部分に比べて燃料拡散が遅くなるが、 リツチスポット 7 0 b以外の部分は燃 料の気化が進行し、 吹き出し B 3に示すように燃焼室 1 6内の比較的広範な領域 にリーンな混合気 6 6 a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 B 3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 7 O b付近より着火する。 リッチスポット 7 0 bの着火により、 燃焼室 1 6内の 温度圧力が急激に上昇し、 これによりリーン領域 6 6 aでも着火に至ることとな る。 このとき、 リッチスポット 7 0 b付近の着火時期とリーン領域 6 6 a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 7 0 b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 7 0 bの空燃比は、 燃圧によ つ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 1 4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 1 4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 S 1 18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 S 1 16, S 117に戻り、 E CU1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 S 1 19において、 ECU 1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 プ S 1 16, S 117に戻り、 E CU1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パック制御 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 テツプ S 1 14， 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―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 1 6〜図 1 9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 1 6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 1 6 (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 1 6 (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 6 9 Aは、 ノズル面 8 0上に多数の噴孔 7 7を有している。 燃料室 1 6内の広範囲に燃料を拡散させることにより、 噴霧干涉がなされてもリッチ Z 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 N O X生成を抑制することができる。

図 1 7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 1 7 (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 1 7 ( 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 6 9 Bは、 複数の噴孔 7 7を有するノズルの頂面 8 1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 1 6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 （干涉） する。

図 1 8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 1 8 (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 1 8 ( 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 6 9 Cは、 スリット状の複数の噴孔 7 7 A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 1 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に用いる燃料噴 射弁の第 5の構成の説明図である。 図 1 9 (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 1 9 (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 6 9 Dは、 図 1 8に示したパターンの噴孔を持つノズルプレート 8 3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っため、 図 1 8の例よりも、 微粒化効果を有 するものである。

なお、 図 1 6〜図 1 9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 2 0〜図 2 2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 2 0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 2 0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 2 0に示すように、 シリンダブロック 9、 ピストン 1 7およびシリンダへッ ド 1 0によって囲まれた燃焼室 1 6に、 吸気ポート 6および排気ポー卜 1 4が連 通している。 燃焼室 1 6と吸気ポート 6の接続部には、 吸気弁 1 9 aが設けられ ており、 燃焼室 1 6との通路開閉を行う。 燃焼室 1 6と排気ポート 1 4の接続部 には、 排気弁 1 9 bが設けられており、 燃焼室 1 6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 1 6に接続されてお り、 それぞれの接続部に吸気弁 1 9 aが設けられている。 また、 排気ポート 1 4 は、 2つに分岐された上で燃焼室 1 6に接続されており、 それぞれの接続部に排 気弁 1 9 bが設けられている。 ピストン 1 7の往復動は、 コンロッド 2 0を介し て、 クランク軸 2 1に伝達され、 クランク軸 2 1を回転させる。 燃焼室 1 6内には点火プラグ 1 3を配置されており、 エンジンコントロールュ ニット （E C U) 1から火花点火燃焼を指示された場合に、 点火プラグ 1 3から の火花放電する。 また、 圧縮着火燃焼が E C U 1より指示されている場合には、 点火プラグ 1 3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 1 6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 1 3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 1 3は設置しなく てもよいものである。 点火プラグ 1 3は、 燃焼室 1 6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。

E C U 1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 2 a およびブレーキ踏力検出装置 2 b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 2 c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 2 4， 空燃比センサ 2 2 , 触媒 1 2の後ろに設置されている触媒後排温センサ 2 3 , クランク角センサ 4 , ノッ クセンサ 2 5からの出力値が逐次取り込まれている。 このとき、 ェアフロ一セン 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 E C U 1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 2 aの出ガ 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 2 b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 O N ' O F F信号を用いているが、 ブレーキペダル後ろにブレー キ踏カ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 1 1は、 燃焼室 1 6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 1 1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 19 a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 19 aおよび排気弁 19 bには、 それぞれ 可変バルブ機構 15 a, 1 5 bを備えている。 ECU1は、 機関運転状態， ドラ ィバ意図， 車両走行状態などに応じて、 可変バルブ機構 15 a， 15 bを制御し て、 吸気弁 19 aもしくは排気弁 19 b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 S 101において、 ECU1は、 ァク セル開度検出装置 2 a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 2 b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 S 102において、 ECU1は、 車速検出装置 2 c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 S 103において、 ECU1は、 ステップ S 101で読み込ん だドライバ意図及びステップ S 102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 S 103において、 運転不可と判断された場合は、 ステップ S 104 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 S 1 0 3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 S 1 0 5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 S 1 0 5 Aにお いて、 E C U 1は、 E C U 1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 2 2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 2 2において、 横軸は、 内燃機関における排気工程 EXH, 吸気工程 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 2 2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 1 9 b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 B A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

8 9 a中に副燃料 8 9 b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 5 0 %以下に抑える。

この副燃料 8 9 bが、 吹き出し B B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 O H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 5 0 %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 B 1に示すように、 新気である空気が吸入され、 吹き出し B 2

9 2において （圧縮行程） 、 残りの燃料 9 2 a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、 機関蓮転 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 9 2 aは燃焼室 1 6内に分布し、 副燃料 8 9 bが改質されて できた O H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 B 4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 8 9 bも着火し、 燃焼室 1 6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 1 9 aおよび排気弁 1 9 b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 2 0に示す例においては、 副燃料 8 9 bと主燃料 9 2 a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 2 1のステップ S 1 0 7 Aにおいて、 E C U 1は、 ステップ S 1 0 5 A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 1 5 a , 1 5 bを制御する。

なお、 図 2 0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。 可変パルプ機 構 1 5 a , 1 5 bの操作により、 既燃残留ガスを燃焼室 1 6内に閉じ込めるよう にした後、 ステップ S 1 0 8 A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 S 1 0 8 Bにおいて、 主燃料を噴射 する。

次に、 ステップ S 1 1 0において、 E C U 1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、 ステツ プ S 1 0 9に進み， 達しているときは、 ステップ S 1 1 0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 S 1 0 9において、 E C U 1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 2 5の出力値 によって行なうが、 燃焼室 1 6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 S 1 0 8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 パック制御する。 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、 ステツ プ S 1 0 7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 S 1 1 0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 S 1 1 1において、 E C U 1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 2 2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 S 1 0 7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 1 2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 O H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 E G R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 2 3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 2 3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 2 3において、 縦軸は、 燃料噴射量 I N J vo l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 2 3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つ て吸引するタイプのものである。 この構造においては、 図 2 3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 t inv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、 4 m c c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、 これによつて芯弁のリフト量を制御できるため、 図 2 3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 4 m c c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、 圧電素子ゃ磁歪素子を用いるものだけでなく、 4 m c c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。

Claims

請求の範囲

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、 ビ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流体噴射が可能なェ ァ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^ 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。

1 0 . 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。

1 1 . 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 卜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。

1 2。 請求項 1 1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。

1 3 . 請求項 1 2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。

1 4 . 請求項 1 1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。

1 5。 請求項 1 1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。

1 6。 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。

1 7 . 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。

1 8 . 請求項 1 7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。

1 9 . 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。

2 0 . 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。

2 1。 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