(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの圧縮作用により燃焼室の混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火式内燃機関において、自己着火時期が目標自己着火時期より早期となった場合に、圧縮自己着火後の熱発生期間中に燃焼室へ燃料もしくは水の少なくとも一方を供給して燃焼室の温度を下げ、自己着火時期の目標自己着火時期に対するずれ量が大きいほど、前記燃料もしくは水の供給量を多くすることを特徴とする圧縮自己着火式内燃機関。
【請求項２】
機関負荷の上昇とともに燃焼室に供給する燃料もしくは水の量を多くする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】
早期自己着火の検出は、燃焼室の圧力を検出して行うことを特徴とする請求項１または２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】
この発明は、ピストンの圧縮作用により燃焼室の混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般のガソリン内燃機関では、燃費削減のための混合気のリーン化には、点火プラグによる火花点火と火炎伝播による燃焼が不安定化することから、自ずと限界があり、また、リーン燃焼時には、排気浄化のための触媒が、いわゆる量論比での燃焼時ほど浄化作用、特にＮＯｘの還元作用を発揮できないという問題がある。
【０００３】
この問題を解決するものとして、ピストンの圧縮作用により自己着火燃焼させることにより、リーン燃焼と低エミッションを図った高圧縮比の圧縮自己着火式内燃機関が知られている（例えば特開平７−３３２１４１号公報参照）。
【０００４】
このような圧縮自己着火式内燃機関では、供給する燃料量の違い、つまり空燃比の違いが着火時期に影響するために、最適な着火時期が得られる空燃比の範囲が狭く、それ以外では過早着火や失火を招く。このような過早着火や失火を防ぐべく、着火時期を制御するようにした従来の圧縮自己着火式内燃機関としては、例えば特開平１０−１９６４２４号公報に記載されたものがある。
【０００５】
これは、燃焼室上部に設けたコントロールピストンにより、燃焼室内のピストンの上死点付近において燃焼室の圧縮された混合気を、さらに付加的に圧縮して混合気温度を過渡的に上昇させることで、自己着火を誘発させるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の圧縮自己着火式内燃機関では、圧縮自己着火後の燃焼が急峻となった場合には、排気温度上昇のため燃焼室温度が高くなり、次サイクルの着火時期制御が極めて困難となり、ノッキングの発生を回避することができない。
【０００７】
図１２は、同一負荷における自己着火燃焼が成立する着火時期の許容範囲を示している。曲線ａはノッキング強度を示し、曲線ｂは燃焼の安定度を示している。着火時期を早期にしていくとノッキング強度が増大する一方、着火時期を遅らせていくと燃焼安定度が悪化し、ノッキング強度の限界Ｎmおよび燃焼安定度の限界Ｋmを考慮すると、圧縮自己着火燃焼運転における着火時期許容範囲Ｓは極めて狭いものとなっている。
【０００８】
そこで、この発明は、急峻燃焼を抑制してノッキングの発生を回避し、圧縮自己着火燃焼運転における着火時期許容範囲を拡大することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、ピストンの圧縮作用により燃焼室の混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火式内燃機関において、自己着火時期が目標自己着火時期より早期となった場合に、圧縮自己着火後の熱発生期間中に燃焼室へ燃料もしくは水の少なくとも一方を供給して燃焼室の温度を下げ、自己着火時期の目標自己着火時期に対するずれ量が大きいほど、前記燃料もしくは水の供給量を多くする構成としてある。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１に記載の圧縮自己着火式内燃機関において、機関負荷の上昇とともに燃焼室に供給する燃料もしくは水の量を多くする構成としてある。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１または２記載の圧縮自己着火式内燃機関において、早期自己着火の検出は、燃焼室の圧力を検出して行う構成としてある。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、目標自己着火時期に対し早期に自己着火した場合に、圧縮自己着火後の熱発生期間中に燃焼室へ燃料もしくは水の少なくとも一方を供給して燃焼室の温度を下げることで、急峻燃焼を抑制でき、ノッキングの発生を回避できるとともに、自己着火燃焼可能な着火時期許容範囲を拡大することができる。また、急峻燃焼によって発生する残留ＥＧＲガスによる燃焼室内温度上昇が回避されるので、着火時期のサイクルばらつきを抑制でき、燃焼安定度を向上させることができる。
また、着火時期が早期になるほど燃焼が急峻になるので、自己着火時期の目標自己着火時期に対するずれ量が大きいほど、燃料もしくは水の供給量を多くすることで、自己着火時期の目標自己着火時期に対するずれ量に拘わらず、ノッキングの発生を回避でき、かつ自己着火燃焼可能な着火時期許容範囲を拡大できるとともに、燃焼安定度向上も達成するができる。
【００２２】
請求項２の発明によれば、機関負荷が増大するにつれて燃焼がより急峻となるので、機関負荷の増大とともに燃料もしくは水の供給量を多くすることで、機関負荷の上昇に拘わらず、ノッキングの発生を回避でき、かつ自己着火燃焼可能な着火時期許容範囲を拡大できるとともに、燃焼安定度向上も達成することができる。
【００２３】
請求項３の発明によれば、燃焼室の圧力を検出することで、目標自己着火時期に対する早期自己着火時期を検出でき、早期自己着火を検出した場合に、燃焼室の温度を下げることで、急峻燃焼を抑制でき、ノッキングの発生を回避できるとともに、自己着火燃焼可能な着火時期許容範囲を拡大することができる。また、急峻燃焼によって発生する残留ＥＧＲガスによる燃焼室内温度上昇が回避されるので、着火時期のサイクルばらつきを抑制でき、燃焼安定度を向上させることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００２６】
図１は、この発明の実施の一形態を示す圧縮自己着火内燃機関の全体構成図で、シリンダブロック１に形成されているシリンダ３内にピストン５が上下動可能に収容され、シリンダ３とピストン５とシリンダヘッド７との間に燃焼室９が形成されている。シリンダヘッド７には、燃焼室９に連通する吸気ポート１１および排気ポート１３が形成されるとともに、これら各ポート１１，１３を開閉する吸気バルブ１５および排気バルブ１７がそれぞれ設けられている。
【００２７】
燃焼室９に臨むシリンダヘッド７のほぼ中央には、燃料噴射弁１９が設置され、燃料噴射弁１９の近傍には点火プラグ２１が設置されている。また、シリンダブロック１のシリンダヘッド７近傍には、燃焼室９内の圧力を検出する筒内圧センサ２３が取り付けられている。
【００２８】
筒内圧センサ２３の検出値は、マイクロコンピュータなどで構成される電子制御装置２５に入力される。電子制御装置２５は、運転条件に応じて、ピストン５の圧縮作用により混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火燃焼と、点火プラグ２１を用いた火花点火燃焼とのいずれかの方式で運転を行うかを判定する燃焼パターン判定部２７と、火花点火燃焼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２９と、圧縮自己着火燃焼時の燃焼制御パラメータを制御する自己着火燃焼制御部３１と、圧縮自己着火燃焼運転時に筒内圧センサ２３が検出した燃焼室９の圧力に基づいて、着火後の燃焼室９の温度を制御する筒内温度制御部３３とを備えている。
【００２９】
なお、電子制御装置２５に備えられた上記各構成要素は、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。
【００３０】
電子制御装置２５（燃焼パターン判定部２７）は、図示しないクランク角センサおよびアクセル開度センサがそれぞれ検出した機関回転数Ｎおよびアクセル開度Ａ（機関負荷Ｔ）に基づいて運転条件を判定し、燃焼形態が圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼とのいずれであるかを判定する。また、電子制御装置２５は、上記した運転条件に応じて燃料噴射量と点火時期とを算出し、これら算出結果に基づいて燃料噴射弁１９および点火プラグ２１に信号を出力する。
【００３１】
このような構成のもと、本実施形態では、図２に示すように、中・低負荷運転領域以下および中回転数領域以下の特定の運転条件において圧縮自己着火運転を行う一方、高負荷運転領域または高回転数運転領域において火花点火燃焼を行う。
【００３２】
次に作用を説明する。図３は、圧縮自己着火燃焼運転時での着火時期を変化させた場合の着火後の筒内圧力（燃焼室９の圧力）および熱発生状態をそれぞれ示す波形図であり、破線の波形は着火時期を圧縮上死点（ＴＤＣ）直後に設定したもので、実線の波形は着火時期を圧縮上死点直後から遅角したものである。これによれば、着火時期を進角すると、筒内圧力は破線で示すように急峻となり、熱発生も同様に急峻となる。
【００３３】
燃焼室９の温度は、残留ＥＧＲガスの影響を受けることから、一度着火時期が進角すると上昇するため、着火時期がより進角する傾向にある。そこで、本実施形態では、自己着火後の熱発生期間中に、燃焼室９の温度を下げることにより、筒内圧力および熱発生の変化を緩やかにするものである。
【００３４】
図４は、着火時期を圧縮上死点直後として、着火後の燃焼期間中の燃焼室９の温度を下げた場合の筒内圧力および熱発生状態を実線の波形としてそれぞれ示している。破線の波形は上記図３の破線波形と同じものである。着火後の燃焼室９の温度を下げることで、実線の波形で示すように、筒内圧力および熱発生状態が緩やかに上昇しており、破線の波形で示すような急峻燃焼を抑制できることがわかる。
【００３５】
これにより、着火時期が早期となった場合でも、燃焼が緩やかとなり、ノッキングの発生を回避でき、ＮＯxの発生も抑制できるとともに、自己着火燃焼可能な着火時期許容範囲を拡大することができる。また、急峻燃焼によって発生する残留ＥＧＲガスによる燃焼室９の温度上昇が回避されるので、着火時期のサイクルばらつきを抑制でき、燃焼安定度を向上させることができる。
【００３６】
燃焼室９の温度を下げるための具体例としては、燃料噴射弁１９から燃料を噴射し、この噴射した燃料の気化潜熱を利用する。燃料に代えて、水を噴射するようにしてもよい。水噴射の場合は、水噴射専用の噴射弁を、例えば燃料噴射弁１９の近傍に設置する必要がある。
【００３７】
着火時期が早期であるかどうかの判定は、筒内圧センサ２３が燃焼室９の圧力を検出し、この検出値が着火時に相当する所定値以上となる時期が、目標とする着火時期に対して早期であるかどうかによって行う。図５は、目標着火時期Ｐに対しクランク角度でαだけ早期に着火した場合に、燃料噴射を行うことで、実線で示すような緩慢燃焼となる状態を示している。破線の波形は、燃料噴射を行わない図４の破線波形と同じものである。
【００３８】
また、目標着火時期に対する着火時期のずれ量が大きいほど燃焼が急峻になることから、図６に示すように、このずれ量の増大に伴って燃焼期間中における燃料噴射量を多くする。これにより、自己着火時期の目標自己着火時期に対するずれ量に拘わらず、ノッキング回避、自己着火燃焼可能な着火時期許容範囲の拡大および燃焼安定度の向上を確実に達成することができる。
【００３９】
図７は、筒内圧センサ２３が着火後所定期間における燃焼室９の圧力を検出し、この検出値に基づく圧力上昇率が、目標圧力上昇率に対して大きい場合に燃料噴射を行うようにする例を示している。この場合おいても、自己着火後に燃料噴射を行うことで、実線で示すような緩慢燃焼が得られる。
【００４０】
また、着火後の圧力上昇率の目標圧力上昇率に対するずれ量が大きくなるほど燃焼が急峻となることから、図８に示すように、このずれ量の増大に伴って燃焼期間中における燃料噴射量を多くする。これにより、圧力上昇率の目標圧力上昇率に対するずれ量に拘わらず、ノッキング回避、自己着火燃焼可能な着火時期許容範囲の拡大および燃焼安定度の向上を確実に達成することができる。
【００４１】
また、機関負荷の増大に伴って燃焼はより急峻となるので、図９に示すように、機関負荷の増大に伴って燃焼期間中の燃料噴射量を増大させる必要がある。このにより、機関負荷の上昇に拘わらず、ノッキング回避、自己着火燃焼可能な着火時期許容範囲の拡大および燃焼安定度の向上を確実に達成することができる。
【００４２】
次に、上記した圧縮自己着火式内燃機関における電子制御装置２５の制御動作を、図１０および図１１のフローチャートに基づき説明する。まず、図１０において、機関回転数Ｎおよびアクセル開度Ａ（機関負荷Ｔ）を取り込み（ステップ１０１）、燃焼パターン判定部２７が燃焼形態を判定する（ステップ１０３）。すなわち機関回転数Ｎおよび機関負荷Ｔから図２のマップを利用して火花点火燃焼を行うか圧縮自己着火燃焼を行うかを判定する。火花点火燃焼を行う領域であれば、火花点火燃焼制御部２９が火花点火燃焼制御を行い（ステップ１０５）、圧縮自己着火燃焼を行う領域であれば、自己着火燃焼制御部３１が圧縮自己着火燃焼の制御を行う（ステップ１０７）。
【００４３】
図１１は、圧縮自己着火燃焼制御動作を示している。まず、機関回転数Ｎおよび機関負荷Ｔに対する目標着火時期および目標圧力上昇率をそれぞれ設定し、この各設定値を図示しないメモリに格納する（ステップ１１０１）。次に、筒内圧センサ２３により検出した燃焼室９の圧力に基づいて、着火時期および圧力上昇率をそれぞれ算出する（ステップ１１０３）。
【００４４】
そして、算出した着火時期が、前記メモリに格納した目標着火時期に対して早期であるかどうかを判断するとともに、算出した圧力上昇率が前記メモリに格納した目標圧力上昇率に対して大きいかどうかを判断する（ステップ１１０５）。
【００４５】
早期着火と判断された場合には、筒内温度制御部３３が、図６のマップにより着火時期の目標着火時期とのずれ量に応じて燃料噴射量を計算し（ステップ１１０７）、計算した量の燃料噴射を行うよう燃料噴射弁１９に信号出力する（ステップ１１０９）。一方、圧力上昇率が大きいと判断された場合には、筒内温度制御部３３が、図８のマップにより圧力上昇率の目標圧力上昇率とのずれ量に応じて燃料噴射量を計算し（ステップ１１１１）、計算した量の燃料噴射を行うよう燃料噴射弁１９に信号出力する（ステップ１１１３）。早期着火でもなく、圧力上昇率も大きくない場合には、燃料噴射は行わない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の一形態を示す圧縮自己着火式内燃機関の全体構成図である。
【図２】運転条件による自己着火燃焼領域と火花点火燃焼領域とを示す運転領域パターン図である。
【図３】着火時期を変化させた場合のクランク角度に対する筒内圧力および熱発生状態を示す相関図である。
【図４】早期着火後に筒内温度を低下させた場合と低下させない場合とを比較して示したクランク角度に対する筒内圧力および熱発生状態を示す相関図である。
【図５】着火時期が目標着火時期に対して早期となった場合の燃料噴射によるクランク角度に対する熱発生状態の相関図である。
【図６】着火時期の目標着火時期からのずれ量に対応する燃料噴射量を示す相関図である。
【図７】圧力上昇率が目標圧力上昇率に対して大きい場合の燃料噴射によるクランク角度に対する熱発生状態の相関図である。
【図８】圧力上昇率の目標圧力上昇率からのずれ量に対応する燃料噴射量を示す相関図である。
【図９】機関負荷に対する燃焼期間中の燃料噴射量を示す相関図である。
【図１０】電子制御装置の制御動作を示すフローチャートである。
【図１１】電子制御装置の制御動作を示すフローチャートである。
【図１２】圧縮自己着火燃焼が可能な着火時期の許容範囲をノッキング強度および燃焼安定度を考慮して示した説明図である。
【符号の説明】
５  ピストン
９  燃焼室
１９  燃料噴射弁
２１  点火プラグ
２３  筒内圧センサ
【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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【図１２】
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