(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内に直接燃料を噴射する噴射弁と、点火プラグとを具備し、少なくとも所定の運転条件にて圧縮自己着火燃焼を行わせる圧縮自己着火式内燃機関において、
前記噴射弁として、筒内に直接燃料及び空気を噴射可能な噴射弁を用い、燃料噴射を２回に分割して、吸気行程から圧縮行程前期の間で１回目の燃料噴射を実行し、その後、圧縮行程にて、空気のみの噴射を実行し、更にこれに続けて２回目の燃料噴射を実行することにより、
筒内混合気場を、前記２回目の燃料噴射により点火プラグに近接して形成される濃い混合気領域と、前記１回目の燃料噴射により点火プラグから離れて形成される薄い混合気領域とに分け、濃い混合気と薄い混合気との間を前記空気のみの噴射による火炎伝播しない層にし、
点火プラグにより濃い混合気に火花点火してこれを火炎伝播によって燃焼させ、この燃焼に伴う筒内圧力と温度の上昇によって薄い混合気を自己着火させるようにしたことを特徴とする圧縮自己着火式内燃機関。
【請求項２】
筒内中心に濃い混合気を配し、その周りを取り囲むように火炎伝播しない層を配し、その周りに前記濃い混合気が燃焼することにより自己着火に至る薄い混合気を配したことを特徴とする請求項１記載の圧縮自己着火式内燃機関。
【請求項３】
筒内中央から偏心した位置に濃い混合気を配し、この濃い混合気と交わらない位置に濃い混合気が燃焼することによって自己着火に至る薄い混合気を配し、前記濃い混合気と前記薄い混合気とを火炎伝播しない層にて隔てたことを特徴とする請求項１記載の圧縮自己着火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも所定の運転条件にて圧縮自己着火燃焼を行わせる圧縮自己着火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮自己着火式内燃機関の一例として、特開平１０−１９６４２４号公報に記載されているものがある。これは、シリンダ内のピストンとは別に補助圧縮手段としてコントロールピストンを備えており、自己着火寸前の高温に至るまで圧縮された混合気に対し、コントロールピストンによる圧縮を更に加えることで、混合気を一斉に自己着火させる構成となっている。
【０００３】
また、点火プラグを備える圧縮自己着火式内燃機関が、特開平１１−２１０５３９号公報に開示されている。これは、圧縮行程末期における筒内のガス温度が、点火すると混合気全体の自己着火を引き起こす目標温度であるかを判断し、吸気弁の開弁時期を制御することにより、圧縮行程末期における筒内のガス温度が目標温度に維持されるように制御している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記２つの従来技術は、いずれも自己着火燃焼の着火時期を強制的に制御しようとするものであるが、コントロールピストンを用いる特開平１０−１９６４２４号公報の技術は、エンジンの構造が複雑になり過ぎて実用化が困難である。
一方、火花点火を用いる特開平１１−２１０５３９号公報の技術では、火花点火によって与えることができる補助的な圧力上昇の幅が小さく、安定した着火時期制御を行うことが困難である。
【０００５】
火花点火による圧力上昇幅を大きくする方法としては、燃焼室内の一部に燃料濃度の高い領域を形成し、この領域の混合気に火花点火して限られた領域の燃料を火炎伝播燃焼させることが考えられるが、燃焼室内の状況が様々に変化すると火炎伝播燃焼する領域の範囲も様々に変化してしまい、火炎伝播燃焼に伴って多く発生するＮＯｘの生成量を一定量以下に抑制することが困難となる。
【０００６】
そこで、本発明は、混合気場形成に着目し、筒内の混合気分布を圧縮自己着火式内燃機関のために最適化することにより、安定した着火時期の制御を可能とすると共に、ＮＯｘ生成量を一定値以下に抑制することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１の発明では、筒内に直接燃料を噴射する噴射弁と、点火プラグとを具備し、少なくとも所定の運転条件にて圧縮自己着火燃焼を行わせる圧縮自己着火式内燃機関において、前記噴射弁として、筒内に直接燃料及び空気を噴射可能な噴射弁を用い、燃料噴射を２回に分割して、吸気行程から圧縮行程前期の間で１回目の燃料噴射を実行し、その後、圧縮行程にて、空気のみの噴射を実行し、更にこれに続けて２回目の燃料噴射を実行することにより、筒内混合気場を、前記２回目の燃料噴射により点火プラグに近接して形成される濃い混合気領域と、前記１回目の燃料噴射により点火プラグから離れて形成される薄い混合気領域とに分け、濃い混合気と薄い混合気との間を前記空気のみの噴射による火炎伝播しない層にし、点火プラグにより濃い混合気に火花点火してこれを火炎伝播によって燃焼させ、この燃焼に伴う筒内圧力と温度の上昇によって薄い混合気を自己着火させるようにしたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明では、筒内中心に濃い混合気を配し、その周りを取り囲むように火炎伝播しない層を配し、その周りに前記濃い混合気が燃焼することにより自己着火に至る薄い混合気を配したことを特徴とする。
請求項３の発明では、筒内中央から偏心した位置に濃い混合気を配し、この濃い混合気と交わらない位置に濃い混合気が燃焼することによって自己着火に至る薄い混合気を配し、前記濃い混合気と前記薄い混合気とを火炎伝播しない層にて隔てたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、筒内混合気場を濃い混合気領域と薄い混合気領域とに２層化し、濃い混合気層と薄い混合気層とを火炎伝播しない層にて隔てることにより、濃い混合気層の火花点火による火炎が薄い混合気層に伝播せず、濃い混合気層の燃焼による圧力と温度の上昇で薄い混合気層が自己着火するため、火花点火時期を制御することで自己着火時期を確実に制御することができる一方、火炎伝播燃焼に寄与する燃料の量が設定量以上となるのを確実に防止して、ＮＯｘの生成を抑制することができる。
また、筒内に直接燃料及び空気を噴射可能な噴射弁を用いて、燃料噴射を２回に分割して行い、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射との間に空気のみを噴射することにより、１回目の燃料噴射による燃料は燃焼室内の空気と混ざり合って希薄化し、その後の空気噴射により、空気のみの領域が形成され、続けて行われる２回目の燃料噴射により、高背圧下で高濃度な混合気が形成される。これにより、火花点火のための濃い混合気と、自己着火のための薄い混合気とを、空気層により、火炎伝播しないよう確実に隔てることができ、ＮＯｘを抑制しつつ、安定した自己着火燃焼を実現できる。
【００１２】
請求項２の発明によれば、筒内中心に濃い混合気を配し、筒内中心から外側の比較的温度が低い領域に自己着火する薄い混合気を配することにより、急峻な燃焼を抑制することが可能となり、圧縮自己着火燃焼領域を高負荷側に広げることが可能となる他、筒内中心にて濃い混合気を燃焼させるため、未燃混合気を抑制し、ＨＣ排出量を低減することが可能となる。
【００１３】
請求項３の発明によれば、筒内中央から偏心した位置に濃い混合気を配することにより、濃い混合気が筒内中心から偏心した位置にて発熱することにより筒内温度分布に斑が生じることで、急峻な燃焼を抑制することが可能となり、圧縮自己着火燃焼領域を高負荷側に広げることが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す圧縮自己着火式内燃機関（特にガソリンエンジン）のシステム図である。
但し、このエンジンでは、所定の運転条件において圧縮自己着火燃焼を行い、他の運転条件では火花点火燃焼を行うよう、火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とを切換可能となっている。
【００１７】
図１において、１はシリンダ、２はシリンダヘッド、３はピストン、４は燃焼室、５は吸気ポート、６は吸気弁、７は排気ポート、８は排気弁、９は混合気噴射弁、１０は点火プラグである。
混合気噴射弁９は、内部に混合気室が形成されており、外部から供給される高圧の空気と燃料とをこの混合気室内で混合し、得られた混合気を燃焼室４内へ噴射する噴射弁である。また、混合気室へ燃料を供給することなく混合気噴射弁９を開弁させることにより、高圧空気のみを燃焼室４内へ噴射することもできるようになっている。
【００１８】
ここで、混合気噴射弁９はシリンダヘッド２の中央部に垂直に取付けて、その噴口を燃焼室４内に臨ませる一方、点火プラグ１０はシリンダヘッド２に斜めに取付けて、その先端部を燃焼室４内に突出させることで、混合気噴射弁９により形成される燃料噴霧（噴霧円錐）に近接して点火プラグ１０のスパークギャップを配置してある。
【００１９】
このエンジンを制御する電子制御装置（以下、ＥＣＵという）２０は、運転条件に応じて火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とのいずれの燃焼形態で運転を行うかを判断する燃焼形態判断部２１と、火花点火燃焼運転時の燃焼制御パラメータを制御する火花点火燃焼制御部２２と、圧縮自己着火燃焼運転時の燃焼制御パラメータを制御する圧縮自己着火燃焼制御部２３とを備えている。
【００２０】
尚、燃焼形態判断部２１、火花点火燃焼制御部２２及び圧縮自己着火燃焼制御部２３は、ハードワイヤードの論理回路で構成することもできるが、本実施形態ではマイクロコンピュータのプログラムとして実現されている。
このような構成のもと、図２に示すような、低中回転及び低中負荷領域において圧縮自己着火燃焼を行い、高回転又は高負荷領域において火花点火燃焼を行う。
【００２１】
次に、圧縮自己着火燃焼の特性について説明する。
図３は、同一負荷に対する着火時期の自己着火燃焼が成立する範囲を示すものである。着火時期を早期にしていくとノック強度が増大して、ノック限界を超える。逆に、着火時期を遅らしていくと安定度が悪化して、安定度限界を超える。従って、圧縮自己着火燃焼の成立範囲である着火時期の許容範囲（ノック限界内かつ安定度限界内の範囲）は、極めて狭い範囲である。
【００２２】
図４は、着火時期を変化させた場合の筒内圧力及び熱発生の波形を示すものである。破線の波形は着火時期を進角して圧縮上死点直後とした場合の波形であり、実線の波形は着火時期を圧縮上死点から遅角した場合の波形である。これからわかるように、着火時期を進角すると、筒内圧力の変化は急峻となる。
圧縮自己着火燃焼中に、何らかの影響で着火時期が最適な時期から進角すると、上記の通り筒内圧力の変化が急峻となり、これに伴って筒内温度も上昇する。この影響は筒内残留ガス温度の上昇という形で次サイクルへ持ち込まれ、次サイクルの着火時期が更に進角する傾向となる。反対に、着火時期が最適な時期から遅角すると、次サイクルの着火時期は更に遅角する傾向となる。
【００２３】
このように、圧縮自己着火燃焼における着火時期は非常に不安定であるため、強制的に着火時期を制御してやる必要があり、本発明では、燃焼室内に高濃度な混合気と希薄な混合気とを形成し、高濃度な混合気に火花点火してこれを火炎伝播によって燃焼させ、この燃焼に伴う筒内圧力と温度の上昇によって希薄な混合気を自己着火させるようにしている。この方法によれば、火花点火時期を制御することで自己着火時期を確実に制御することが可能である。
【００２４】
但し、この方法では、全ての燃料を自己着火燃焼させる場合よりもＮＯｘ生成量が増加することになるので、火花点火とその後の火炎伝播燃焼（以下、火花点火燃焼という）に寄与する燃料の量を必要最小限とすることが望ましい。
そこで本発明では、高濃度な混合気と希薄な混合気とを燃焼室内で分離形成することにより、火花点火燃焼に寄与する燃料の量が設定量以上となることを確実に防止するようにしている。
【００２５】
次に、図５のフローにて制御の流れを説明する。
先ずＳ１で、エンジン回転数Ｎ及び負荷Ｔを検出する。
次にＳ２で、燃焼形態を判断する。すなわち、エンジン回転数Ｎ及び負荷Ｔの検出値が図２のマップの火花点火燃焼領域内にあるか、圧縮自己着火燃焼領域内にあるかを判断する。
【００２６】
この結果、火花点火燃焼領域内と判断された場合には、Ｓ３で火花点火燃焼の制御を行い、圧縮自己着火燃焼領域と判断された場合には、Ｓ４で圧縮自己着火燃焼の制御を行う。
Ｓ３で行われる火花点火燃焼制御では、吸気行程中に混合気噴射弁９を駆動して燃焼室４内に混合気を噴射供給し、圧縮行程後期に点火プラグ１０を駆動して火花点火を行う。この場合、火花点火によって生じた火炎は燃焼室４全体の混合気に伝播する。
【００２７】
Ｓ４で行われる圧縮自己着火燃焼制御では、自己着火の条件を成立させるために吸入空気の温度を上昇させる制御（例えば、排気行程中に排気弁８を閉じて残留ガス量を増加させる制御）を行うと共に、高濃度な混合気と希薄な混合気とを燃焼室内で分離形成するための混合気噴射弁９の制御を行う。
具体的には、図６に示すように、混合気噴射弁９により、吸気行程から圧縮行程前期の間で１回目の混合気噴射を実行し、その後、圧縮行程にて、高圧空気のみの噴射を実行し、更に２回目の混合気噴射を実行する。
【００２８】
１回目の混合気噴射による混合気は燃焼室４内の空気と混ざり合って希薄化し、燃焼室４の全域に希薄な混合気を形成する（図６（ａ）参照）。その後の空気噴射により、混合気噴射弁９の周囲に空気のみの領域が形成され（図６（ｂ）参照）、続けて実行される２回目の混合気噴射により、混合気噴射弁９の周囲に高濃度な混合気が形成される（図６（ｃ）参照））。
【００２９】
２回目の混合気噴射は、圧縮行程の後半、すなわち高背圧下で実行されるため、噴射混合気の到達距離が短く、拡散があまり進まないうちに点火プラグ１０による点火が行われるので、この混合気の燃料濃度は比較的高くなる。結果として、混合気噴射弁９の周囲に高濃度混合気が存在し、周辺部に希薄混合気が存在すると共に、２つの混合気領域の間に空気層が存在する混合気分布（図７参照）を実現することができる。尚、図７では、高濃度混合気領域を火花着火領域、希薄混合気領域を圧縮着火領域、これらの間の空気層を火炎伝播しない領域と記してある。
【００３０】
このような混合気分布を形成して混合気噴射弁９に隣接する点火プラグ１０を点火駆動すると、高濃度混合気が火炎伝播によって燃焼し、この燃焼に伴う筒内圧力と温度の上昇を受けて希薄混合気が自己着火によって燃焼する。
このとき、高濃度混合気と希薄混合気とは空気層によって空間的に分離されているので、図８に示すように火花点火燃焼と自己着火燃焼とを分離することができる。このため、火花点火燃焼する燃料の量が設定量より多くなり過ぎてＮＯｘ生成量が過大となることを防止できる。
【００３１】
尚、火花点火燃焼と自己着火燃焼との分離は空間的に行われていればよく、時間的には図９に示すような重なりを生じていてもよい。図８及び図９は熱発生パターンを示すもので、ｄＱ／ｄθは熱発生率である。
また、高濃度混合気と希薄混合気とを分離する空気層が空気のみから成る層である必要はなく、高濃度混合気の伝播火炎を希薄混合気へ伝播させないほど燃料希薄な層となっていればよい。
【００３２】
更に、高濃度混合気（火花着火領域）と希薄混合気（圧縮着火領域）と空気層（火炎伝播しない領域）とを図７に示したように同心円上に形成することも必須ではなく、図１０及び図１１に示すような分布で高濃度混合気（火花着火領域）と希薄混合気（圧縮着火領域）とを分離形成してもよい。図１０及び図１１の実施形態では、シリンダヘッド２の周辺部に混合気噴射弁９を斜めに取付け、これに近接して点火プラグ１０を配置してある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態を示す内燃機関のシステム図
【図２】  圧縮自己着火燃焼領域を示す図
【図３】  圧縮自己着火燃焼の成立範囲を示す図
【図４】  着火時期を変化させた場合の筒内圧力及び熱発生の波形を示す図
【図５】  制御の流れを示すフローチャート
【図６】  圧縮自己着火燃焼時の混合気分離形成方法を示す図
【図７】  筒内混合気分布を示す図
【図８】  熱発生パターンの一例を示す図
【図９】  熱発生パターンの他の例を示す図
【図１０】  本発明の他の実施形態を示す内燃機関のシステム図
【図１１】  図１０の実施形態における筒内混合気分布を示す図
【符号の説明】
１  シリンダ
２  シリンダヘッド
３  ピストン
４  燃焼室
５  吸気ポート
６  吸気弁
７  排気ポート
８  排気弁
９  混合気噴射弁
１０  点火プラグ
２０  ＥＣＵ
２１  燃焼形態判断部
２２  火花点火燃焼制御部
２３  圧縮自己着火燃焼制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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