(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁を備え、運転条件に応じて圧縮自己着火均質燃焼と火花点火均質燃焼とを機関運転中に動的に切換可能な圧縮自己着火式ガソリン機関において、
低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転から低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転に燃焼切り替えを行う過渡時に、
前記火花点火均質燃焼運転の後に、スロットル開度を増加させて圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の火花点火成層燃焼運転を行うことにより筒内圧力を高め、
その後に、前記圧縮自己着火均質燃焼運転を開始することを特徴とする圧縮自己着火式ガソリン機関。
【請求項２】
燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁を備え、運転条件に応じて圧縮自己着火均質燃焼と火花点火均質燃焼とを機関運転中に動的に切換可能な圧縮自己着火式ガソリン機関において、
低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転から低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転に燃焼切り替えを行う過渡時に、
前記圧縮自己着火均質燃焼運転の後に、スロットル開度を減少させて圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の火花点火成層燃焼運転を行うことにより燃料噴射量を抑制して、
その後に、前記火花点火均質燃焼運転を開始することを特徴とする圧縮自己着火式ガソリン機関。
【請求項３】
燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁を備え、運転条件に応じて圧縮自己着火均質燃焼と火花点火均質燃焼とを機関運転中に動的に切換可能な圧縮自己着火式ガソリン機関において、
低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転から低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転に燃焼切り替えを行う過渡時に、
前記火花点火均質燃焼運転の後に、圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の圧縮自己着火成層燃焼運転を行うことにより着火性を改善し、
その後に、前記圧縮自己着火均質燃焼運転を開始することを特徴とする圧縮自己着火式ガソリン機関。
【請求項４】
燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁を備え、運転条件に応じて圧縮自己着火均質燃焼と火花点火均質燃焼とを機関運転中に動的に切換可能な圧縮自己着火式ガソリン機関において、
低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転から低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転に燃焼切り替えを行う過渡時に、
前記圧縮自己着火均質燃焼運転の後に、圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の圧縮自己着火成層燃焼運転を行うことにより着火性を改善し、
その後に、燃料噴射量を少なくしてノッキングを抑制した前記火花点火均質燃焼運転を開始することを特徴とする圧縮自己着火式ガソリン機関。
【請求項５】
燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁と吸排気弁の開閉時期を変更する開閉時期可変手段とを備え、運転条件に応じて圧縮自己着火均質燃焼と火花点火均質燃焼とを機関運転中に動的に切換可能な圧縮自己着火式ガソリン機関において、
低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転から低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転に切り替える過渡時に、
前記開閉時期可変手段により排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じた密閉期間を設けて内部ＥＧＲを行い、
前記火花点火均質燃焼運転の後に、前記密閉期間中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う圧縮自己着火燃焼運転を行うことにより燃料改質を促進して着火性を改善し、
その後に、前記圧縮自己着火均質燃焼運転を開始することを特徴とする圧縮自己着火式ガソリン機関。
【請求項６】
燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁と吸排気弁の開閉時期を変更する開閉時期可変手段とを備え、運転条件に応じて圧縮自己着火均質燃焼と火花点火均質燃焼とを機関運転中に動的に切換可能な圧縮自己着火式ガソリン機関において、
低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転から低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転に切り替える過渡時に、前記開閉時期可変手段により排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じた密閉期間を設けて内部ＥＧＲを行い、
前記圧縮自己着火均質燃焼運転の後に、前記密閉期間中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う圧縮自己着火燃焼運転を行うことにより燃料改質を促進して着火性を改善し、
その後に、前記火花点火均質燃焼運転を開始することを特徴とする圧縮自己着火式ガソリン機関。
【請求項７】
燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁を備え、運転条件に応じて圧縮自己着火均質燃焼と火花点火均質燃焼とを機関運転中に動的に切換可能な圧縮自己着火式ガソリン機関において、
低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転から低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転に燃焼切り替えを行う過渡時に、
前記火花点火均質燃焼運転の後に、スロットル開度を増加させて圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の火花点火成層燃焼運転を行うことにより筒内圧力を高め、その後に、圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の圧縮自己着火成層燃焼運転を行うことにより着火性を改善し、
その後に、前記圧縮自己着火均質燃焼運転を開始することを特徴とする圧縮自己着火式ガソリン機関。
【請求項８】
燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁を備え、運転条件に応じて圧縮自己着火均質燃焼と火花点火均質燃焼とを機関運転中に動的に切換可能な圧縮自己着火式ガソリン機関において、
低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転から低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転に燃焼切り替えを行う過渡時に、
前記圧縮自己着火均質燃焼運転の後に、圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の圧縮自己着火成層燃焼運転を行うことにより着火性を改善し、その後に燃料噴射量を少なくしてノッキングを抑制した圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の火花点火成層燃焼運転を行い、その後に、前記火花点火均質燃焼運転を開始することを特徴とする圧縮自己着火式ガソリン機関。
【請求項９】
燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁と吸排気弁の開閉時期を変更する開閉時期可変手段とを備え、運転条件に応じて圧縮自己着火均質燃焼と火花点火均質燃焼とを機関運転中に動的に切換可能な圧縮自己着火式ガソリン機関において、
低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転から低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転に切り替える過渡時に、
前記開閉時期可変手段により排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じた密閉期間を設けて内部ＥＧＲを行い、
前記火花点火均質燃焼運転の後に、圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の火花点火成層燃焼運転を行うことによりトルク変動を抑制し、その後に、前記密閉期間中に燃料噴射を行う圧縮自己着火燃焼運転を行うことにより燃料改質を促進して着火性を改善し、
その後に、前記圧縮自己着火均質燃焼運転を開始することを特徴とする圧縮自己着火式ガソリン機関。
【請求項１０】
燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁と吸排気弁の開閉時期を変更する開閉時期可変手段とを備え、運転条件に応じて圧縮自己着火均質燃焼と火花点火均質燃焼とを機関運転中に動的に切換可能な圧縮自己着火式ガソリン機関において、
低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼から低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼に切り替える過渡時に、
前記開閉時期可変手段により排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じた密閉期間を設けて内部ＥＧＲを行い、
前記圧縮自己着火均質燃焼運転の後に、前記密閉期間中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う圧縮自己着火燃焼を行うことにより燃料改質を促進して着火性を改善し、
その後に燃料噴射量を少なくしてノッキングを抑制した圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の火花点火成層燃焼運転を行い、その後に、前記火花点火均質燃焼運転を開始することを特徴とする圧縮自己着火式ガソリン機関。
【請求項１１】
前記火花点火均質燃焼から圧縮自己着火均質燃焼への切り替え時に、燃料の一部のみを前記密閉期間中に前記筒内噴射弁から噴射するとともに、燃料の残部を機関の負荷に応じて、圧縮行程中または吸気行程中に前記筒内噴射弁から噴射することを特徴とする請求項５または請求項９に記載の圧縮自己着火式ガソリン機関。
【請求項１２】
前記火花点火均質燃焼から圧縮自己着火均質燃焼への切り替え時に、前記密閉期間の長さを燃焼切り替え時の負荷に応じて低負荷側は略一定とし、所定の負荷を超えたところから負荷の増加に応じて前記密閉期間の長さを減少させることを特徴とする請求項５，９，１１のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン機関。
【請求項１３】
前記火花点火均質燃焼から圧縮自己着火均質燃焼への切り替え時に、燃焼切り替えを行う気筒を少なくとも２つ以上のグループに分けて、グループ間で時間をずらして順次燃焼の切り替えを行うことを特徴とする請求項１、３、５、７、９、１１、１２のいずれか１項記載の圧縮自己着火式ガソリン機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運転条件によって火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とを動的に切り替える圧縮自己着火式ガソリン機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮自己着火燃焼は燃焼室の多点で燃焼が開始されるため燃焼速度が速く、通常の火花点火燃焼に比べて空燃比がリーンな状態でも安定した燃焼を実現することができて燃料消費率の向上が可能であり、また空燃比がリーンなため燃焼温度が低下することから、排気ガス中のＮＯxを大幅に低減することもできる。また燃料と空気を十分に予混合しておけば、空燃比がより均一となり、更にＮＯx を低減することができる。
【０００３】
また、高回転、高負荷領域では通常の火花点火燃焼を行わせ、低回転、低中負荷領域では火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼に燃焼形態を切り替えることによって、高回転、高負荷時の高出力確保と、低回転、低中負荷時の燃料消費率向上、ＮＯxの低減化の両立を図ることができる。
【０００４】
しかしながら、圧縮自己着火燃焼が可能となるような混合気の温度、圧力を達成するために、機関のベース圧縮比を上げる場合では、火花点火燃焼時にノッキングが発生する。ノッキングを回避するために、吸入空気量を低下させるか点火時期の遅角化を行うと、比出力の低下が避けられないという問題が生じる。
【０００５】
そこで機関のベース圧縮比を過度に上げずに圧縮自己着火燃焼を実現させる方法として、圧縮自己着火燃焼時には排気ＴＤＣ付近で吸排気弁が共に閉となり燃焼室を密閉する密閉期間を設けることで内部ＥＧＲにより吸気加熱を行う方法が提案されている（例えば、特開平１０−２５２５１２号公報）。
【０００６】
しかしながら従来技術はすべての運転領域を圧縮自己着火運転することを前提としており、火花点火燃焼運転と圧縮自己着火燃焼運転との機関運転中の動的な切り替えについては言及されていない。
【０００７】
また、吸排気弁の開閉時期又はリフト量を切り替える従来技術としては、カムシャフトにプロフィールの異なる複数のカムを備え、それぞれのカムに対向するロッカーアームの係合レバーの状態を油圧駆動ピストンで切り替える機械式可変動弁機構が知られている（例えば、特開平９−２０３３０７号公報）。
【０００８】
この機械式可変動弁機構によれば、油圧制御弁の操作から異なるロッカーアームへの切り替えが終了するまでに燃焼サイクルで数サイクル要していた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
自己ＥＧＲによる吸気加熱により圧縮自己着火燃焼を発生させる場合には、最後の火花点火燃焼サイクルに次ぐ燃焼サイクルでは、自己ＥＧＲ量を所定量増加させ圧縮自己着火燃焼を確実に発生させなければならない。もし次の燃焼サイクルにおいて圧縮自己着火燃焼が不十分であれば、筒内温度及び圧力が低下し、さらに圧縮自己着火が困難となる。
【００１０】
しかしながら、従来の機械式可変動弁機構の応答性では、圧縮自己着火燃焼で要求される自己ＥＧＲ量への変換には数サイクルを要してしまうため、燃焼切り替え前に予め自己ＥＧＲ量を増加させた場合には火花点火燃焼でノッキングが発生するという問題点があった。
【００１１】
反対に自己ＥＧＲ量の増加が後れた場合には、圧縮自己着火燃焼が不安定となり自己ＥＧＲによる熱量が少なくなるため、安定した圧縮自己着火燃焼の復帰が困難であるという問題点があった。
【００１２】
また、逆に圧縮自己着火燃焼から火花点火燃焼への切り替えに際しては、自己ＥＧＲ量が多い場合には、筒内温度が高くなり、火花点火燃焼時にノッキングが発生するという問題点があった。
【００１３】
反対に火花点火燃焼時のノッキングを防止するために、予め自己ＥＧＲ量を低減させた場合には、切り替え前の圧縮自己着火燃焼が不安定になるという問題点があった。
【００１４】
前記問題点に加えて、火花点火燃焼運転と圧縮自己着火燃焼運転の切り替えでは複数の運転条件によって行われ、条件によっては吸入負圧を変更する場合もある。この場合に、圧力の変更にも応答遅れがあるため、その設定には数サイクル要することになる。
【００１５】
従って、火花点火燃焼運転から圧縮自己着火燃焼運転への切り替えに際しては、筒内圧力が低いため、圧縮自己着火燃焼が不安定となる。また、逆に圧縮自己着火燃焼から火花点火燃焼への切り替えに際しては、筒内圧力が高いために、火花点火燃焼時にノッキングが発生するという問題点があった。
【００１６】
また、前述したように火花点火燃焼運転と圧縮自己着火燃焼運転の切り替えは、複数の運転条件で行われるため、各切り替え条件に適した制御を行わないと燃焼不安定およびノッキングが発生するという問題点があった。
【００１７】
本発明はかかる問題点に鑑みたもので、その目的は、低負荷運転領域において、火花点火燃焼運転から圧縮自己着火燃焼運転への切り替え時あるいは圧縮自己着火燃焼運転から火花点火燃焼運転への切り替え時に、燃焼不安定あるいはノッキングの発生を抑制しつつ、安定した切り替えができる圧縮自己着火式ガソリン機関を提供することにある。
【００１８】
また本発明は、応答性が必ずしも高くない機械式可変動弁機構を用いた場合においても、ノッキングの発生を抑止しつつ、安定した圧縮自己着火燃焼への切り替えができる圧縮自己着火式ガソリン機関を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するために、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁を備え、運転条件に応じて圧縮自己着火均質燃焼と火花点火均質燃焼とを機関運転中に動的に切換可能な圧縮自己着火式ガソリン機関において、低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転から低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転に燃焼切り替えを行う過渡時に、前記火花点火均質燃焼運転の後に、スロットル開度を増加させて圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の火花点火成層燃焼運転を行うことにより筒内圧力を高め、その後に、前記圧縮自己着火均質燃焼運転を開始することを要旨とする。
【００２０】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するために、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁を備え、運転条件に応じて圧縮自己着火均質燃焼と火花点火均質燃焼とを機関運転中に動的に切換可能な圧縮自己着火式ガソリン機関において、低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転から低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転に燃焼切り替えを行う過渡時に、前記圧縮自己着火均質燃焼運転の後に、スロットル開度を減少させて圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の火花点火成層燃焼運転を行うことにより燃料噴射量を抑制して、その後に、前記火花点火均質燃焼運転を開始することを要旨とする。
【００２１】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するために、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁を備え、運転条件に応じて圧縮自己着火均質燃焼と火花点火均質燃焼とを機関運転中に動的に切換可能な圧縮自己着火式ガソリン機関において、低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転から低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転に燃焼切り替えを行う過渡時に、前記火花点火均質燃焼運転の後に、圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の圧縮自己着火成層燃焼運転を行うことにより着火性を改善し、その後に、前記圧縮自己着火均質燃焼運転を開始することを要旨とする。
【００２２】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するために、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁を備え、運転条件に応じて圧縮自己着火均質燃焼と火花点火均質燃焼とを機関運転中に動的に切換可能な圧縮自己着火式ガソリン機関において、低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転から低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転に燃焼切り替えを行う過渡時に、前記圧縮自己着火均質燃焼運転の後に、圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の圧縮自己着火成層燃焼運転を行うことにより着火性を改善し、その後に、燃料噴射量を少なくしてノッキングを抑制した前記火花点火均質燃焼運転を開始することを要旨とする。
【００２３】
請求項５記載の発明は、上記課題を解決するために、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁と吸排気弁の開閉時期を変更する開閉時期可変手段とを備え、運転条件に応じて圧縮自己着火均質燃焼と火花点火均質燃焼とを機関運転中に動的に切換可能な圧縮自己着火式ガソリン機関において、低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転から低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転に切り替える過渡時に、前記開閉時期可変手段により排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じた密閉期間を設けて内部ＥＧＲを行い、前記火花点火均質燃焼運転の後に、前記密閉期間中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う圧縮自己着火燃焼運転を行うことにより燃料改質を促進して着火性を改善し、その後に、前記圧縮自己着火均質燃焼運転を開始することを要旨とする。
【００２４】
請求項６記載の発明は、上記課題を解決するために、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁と吸排気弁の開閉時期を変更する開閉時期可変手段とを備え、運転条件に応じて圧縮自己着火均質燃焼と火花点火均質燃焼とを機関運転中に動的に切換可能な圧縮自己着火式ガソリン機関において、低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転から低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転に切り替える過渡時に、前記開閉時期可変手段により排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じた密閉期間を設けて内部ＥＧＲを行い、前記圧縮自己着火均質燃焼運転の後に、前記密閉期間中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う圧縮自己着火燃焼運転を行うことにより燃料改質を促進して着火性を改善し、その後に、前記火花点火均質燃焼運転を開始することを要旨とする。
【００２５】
請求項７記載の発明は、上記課題を解決するために、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁を備え、運転条件に応じて圧縮自己着火均質燃焼と火花点火均質燃焼とを機関運転中に動的に切換可能な圧縮自己着火式ガソリン機関において、低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転から低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転に燃焼切り替えを行う過渡時に、前記火花点火均質燃焼運転の後に、スロットル開度を増加させて圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の火花点火成層燃焼運転を行うことにより筒内圧力を高め、その後に、圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の圧縮自己着火成層燃焼運転を行うことにより着火性を改善し、その後に、前記圧縮自己着火均質燃焼運転を開始することを要旨とする。
【００２６】
請求項８記載の発明は、上記課題を解決するために、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁を備え、運転条件に応じて圧縮自己着火均質燃焼と火花点火均質燃焼とを機関運転中に動的に切換可能な圧縮自己着火式ガソリン機関において、低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転から低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転に燃焼切り替えを行う過渡時に、前記圧縮自己着火均質燃焼運転の後に、圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の圧縮自己着火成層燃焼運転を行うことにより着火性を改善し、その後に燃料噴射量を少なくしてノッキングを抑制した圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の火花点火成層燃焼運転を行い、その後に、前記火花点火均質燃焼運転を開始することを要旨とする。
【００２７】
請求項９記載の発明は、上記課題を解決するために、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁と吸排気弁の開閉時期を変更する開閉時期可変手段とを備え、運転条件に応じて圧縮自己着火均質燃焼と火花点火均質燃焼とを機関運転中に動的に切換可能な圧縮自己着火式ガソリン機関において、低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転から低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転に切り替える過渡時に、前記開閉時期可変手段により排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じた密閉期間を設けて内部ＥＧＲを行い、前記火花点火均質燃焼運転の後に、圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の火花点火成層燃焼運転を行うことによりトルク変動を抑制し、その後に、前記密閉期間中に燃料噴射を行う圧縮自己着火燃焼運転を行うことにより燃料改質を促進して着火性を改善し、その後に、前記圧縮自己着火均質燃焼運転を開始することを要旨とする。
【００２８】
請求項１０記載の発明は、上記課題を解決するために、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁と吸排気弁の開閉時期を変更する開閉時期可変手段とを備え、運転条件に応じて圧縮自己着火均質燃焼と火花点火均質燃焼とを機関運転中に動的に切換可能な圧縮自己着火式ガソリン機関において、低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼から低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼に切り替える過渡時に、前記開閉時期可変手段により排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じた密閉期間を設けて内部ＥＧＲを行い、前記圧縮自己着火均質燃焼運転の後に、前記密閉期間中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う圧縮自己着火燃焼を行うことにより燃料改質を促進して着火性を改善し、その後に燃料噴射量を少なくしてノッキングを抑制した圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の火花点火成層燃焼運転を行い、その後に、前記火花点火均質燃焼運転を開始することを要旨とする。
【００３１】
請求項１１記載の発明は、上記課題を解決するために、請求項５または請求項９に記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記火花点火均質燃焼から圧縮自己着火均質燃焼への切り替え時に、燃料の一部のみを前記密閉期間中に前記筒内噴射弁から噴射するとともに、燃料の残部を機関の負荷に応じて、圧縮行程中または吸気行程中に前記筒内噴射弁から噴射することを要旨とする。
【００３３】
請求項１２記載の発明は、上記課題を解決するために、請求項５，９，１１のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記火花点火均質燃焼から圧縮自己着火均質燃焼への切り替え時に、前記密閉期間の長さを燃焼切り替え時の負荷に応じて低負荷側は略一定とし、所定の負荷を超えたところから負荷の増加に応じて前記密閉期間の長さを減少させることを要旨とする。
【００３４】
請求項１３記載の発明は、上記課題を解決するために、請求項１、３、５、７、９、１１、１２のいずれか１項記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記火花点火均質燃焼から圧縮自己着火均質燃焼への切り替え時に、燃焼切り替えを行う気筒を少なくとも２つ以上のグループに分けて、グループ間で時間をずらして順次燃焼の切り替えを行うことを要旨とする。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転から低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転に燃焼切り替えを行う過渡時に、前記火花点火均質燃焼運転の後に、スロットル開度を増加させて圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の火花点火成層燃焼運転を行うことにより筒内圧力を高め、その後に、前記圧縮自己着火均質燃焼運転を開始する。これによって、火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼への切り替え時の筒内圧力を高くすることができるため、圧縮自己着火燃焼時の燃焼を安定させることができる。その結果、運転時に切り替え時の燃焼不安定を抑制することができ、運転性の悪化を防止することができるという効果がある。
【００３６】
請求項２記載の本発明によれば、低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転から低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転に燃焼切り替えを行う過渡時に、前記圧縮自己着火均質燃焼運転の後に、スロットル開度を減少させて圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の火花点火成層燃焼運転を行うことにより燃料噴射量を抑制して、その後に、前記火花点火均質燃焼運転を開始する。これによって、均質の火花点火運転を行った場合に対して、火花点火運転時の燃料量の増加を抑制することができ、火花点火燃焼時のノッキングの発生を防止することができる。その結果、運転時に切り替え時のノッキングを抑制することができ、運転性の悪化を防止することができるという効果がある。
【００３７】
請求項３記載の本発明によれば、低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転から低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転に燃焼切り替えを行う過渡時に、前記火花点火均質燃焼運転の後に、
圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の圧縮自己着火成層燃焼運転を行うことにより着火性を改善し、その後に、前記圧縮自己着火均質燃焼運転を開始する。これによって、圧縮自己着火燃焼時の着火性を改善することができるため、圧縮自己着火燃焼時の燃焼を安定させることができる。その結果、運転時に切り替え時の燃焼不安定を抑制することができ、運転性の悪化を防止することができるという効果がある。
【００３８】
請求項４記載の本発明によれば、低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転から低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転に燃焼切り替えを行う過渡時に、前記圧縮自己着火均質燃焼運転の後に、圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の圧縮自己着火成層燃焼運転を行うことにより着火性を改善し、その後に、燃料噴射量を少なくしてノッキングを抑制した前記火花点火均質燃焼運転を開始する。これによって、圧縮自己着火燃焼時の着火性を改善することができるため、燃焼切り替え後の火花点火燃焼の燃料噴射量を少なくでき、ノッキングを防止することができる。その結果、運転時に切り替え時のノッキングを抑制することができ、運転性の悪化を防止することができるという効果がある。
【００３９】
請求項５記載の本発明によれば、低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転から低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転に切り替える過渡時に、開閉時期可変手段により排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じた密閉期間を設けて内部ＥＧＲを行い、前記火花点火均質燃焼運転の後に、前記密閉期間中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う圧縮自己着火燃焼運転を行うことにより燃料改質を促進して着火性を改善し、その後に、前記圧縮自己着火均質燃焼運転を開始する。これによって、開閉時期可変手段による吸排気弁の開閉切り替えの応答性が遅くても、１燃焼サイクルで火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼へ確実に切り替えることができるという効果がある。
【００４０】
請求項６記載の本発明によれば、低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転から低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転に切り替える過渡時に、開閉時期可変手段により排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じた密閉期間を設けて内部ＥＧＲを行い、圧縮自己着火均質燃焼運転の後に、前記密閉期間中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う圧縮自己着火燃焼運転を行うことにより燃料改質を促進して着火性を改善し、その後に、前記火花点火均質燃焼運転を開始するようにした。これによって、圧縮自己着火燃焼時の負荷を低下することができるため、燃焼切り替え後の火花点火燃焼の燃料噴射量を少なくでき、ノッキングを防止することができる。その結果、運転切り替え時のノッキングを抑制することができ、運転性の悪化を防止することができるという効果がある。
【００４１】
請求項７記載の本発明によれば、低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転から低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転に燃焼切り替えを行う過渡時に、前記火花点火均質燃焼運転の後に、スロットル開度を増加させて圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の火花点火成層燃焼運転を行うことにより筒内圧力を高め、その後に、圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の圧縮自己着火成層燃焼運転を行うことにより着火性を改善し、その後に、前記圧縮自己着火均質燃焼運転を開始する。これによって、火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼への切り替え時の筒内圧力を高くすることができるため、圧縮自己着火燃焼時の燃焼を安定させることができる。更に、圧縮自己着火燃焼時の着火性を改善することができるため、圧縮自己着火燃焼時の燃焼を安定させることができる。その結果、運転時に切り替え時の燃焼不安定を抑制することができ、運転性の悪化を防止することができるという効果がある。
【００４２】
請求項８記載の本発明によれば、低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転から低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転に燃焼切り替えを行う過渡時に、前記圧縮自己着火均質燃焼運転の後に、圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の圧縮自己着火成層燃焼運転を行うことにより着火性を改善し、その後に燃料噴射量を少なくしてノッキングを抑制した圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の火花点火成層燃焼運転を行い、その後に、前記火花点火均質燃焼運転を開始する。これによって、圧縮自己着火燃焼時の負荷を低下することができるため、燃焼切り替え後の火花点火燃焼の燃料噴射量を少なくでき、ノッキングを防止することができる。その結果、運転時に切り替え時のノッキングを抑制することができ、運転性の悪化を防止することができる。更に、均質の火花点火運転を行った場合に対して、火花点火運転時の燃料量の増加を抑制することができ、火花点火燃焼時のノッキングの発生を防止することができる。その結果、運転時に切り替え時のノッキングを抑制することができ、運転性の悪化を防止することができるという効果がある。
【００４３】
請求項９記載の本発明によれば、低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼運転から低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼運転に切り替える過渡時に、開閉時期可変手段により排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じた密閉期間を設けて内部ＥＧＲを行い、前記火花点火均質燃焼運転の後に、圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の火花点火成層燃焼運転を行うことによりトルク変動を抑制し、その後に、前記密閉期間中に燃料噴射を行う圧縮自己着火燃焼運転を行うことにより燃料改質を促進して着火性を改善し、その後に、前記圧縮自己着火均質燃焼運転を開始するようにしたので、低トルク領域においてもトルク変動の少ない滑らかな燃焼切り替えができるという効果がある。
【００４４】
請求項１０記載の本発明によれば、低中負荷域の相対的にスロットル開度の大きい圧縮自己着火均質燃焼から低負荷域の相対的にスロットル開度の小さい火花点火均質燃焼に切り替える過渡時に、開閉時期可変手段により排気上死点付近で吸排気弁が共に閉じた密閉期間を設けて内部ＥＧＲを行い、前記圧縮自己着火均質燃焼運転の後に、前記密閉期間中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う圧縮自己着火燃焼を行うことにより燃料改質を促進して着火性を改善し、その後に燃料噴射量を少なくしてノッキングを抑制した圧縮行程中に前記筒内噴射弁から燃料噴射を行う成層状態の火花点火成層燃焼運転を行い、その後に、前記火花点火均質燃焼運転を開始する。これにより、圧縮自己着火燃焼時の負荷を低下することができるため、燃焼切り替え後の火花点火燃焼の燃料噴射量を少なくでき、ノッキングを防止することができる。更に、均質の火花点火運転を行った場合に対して、火花点火運転時の燃料量の増加を抑制することができ、火花点火燃焼時のノッキングの発生を防止することができる。その結果、運転時に切り替え時のノッキングを抑制することができ、運転性の悪化を防止することができるという効果がある。
【００４７】
請求項１１記載の本発明によれば、火花点火均質燃焼から圧縮自己着火均質燃焼への切り替え時に、燃料の一部のみを密閉期間中に噴射するとともに、燃料の残部を機関の負荷に応じて、圧縮行程中または吸気行程中に噴射するようにしたので、圧縮過程で行われる燃料改質を過不足無く行うことができ、圧縮自己着火を安定的に起こさせるという効果がある。
【００４９】
請求項１２記載の本発明によれば、火花点火均質燃焼から圧縮自己着火均質燃焼への切り替え時に、密閉期間の長さを燃焼切り替え時の負荷に応じて低負荷側は略一定とし、所定の負荷を超えたところから負荷の増加に応じて密閉期間の長さを減少させるようにしたので、低負荷時の燃料改質時間を確保するとともに、高負荷時に燃料改質が進みすぎてノッキングが発生することを防止することができるという効果がある。
【００５０】
請求項１３記載の本発明によれば、火花点火均質燃焼から圧縮自己着火均質燃焼への切り替え時に、燃焼切り替えを行う気筒を少なくとも２つ以上のグループに分けて、グループ間で時間をずらして順次燃焼の切り替えを行うようにしたので、火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼への切り替え時の機関トルク変動を十分抑制することができるという効果がある。
【００５１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係る圧縮自己着火ガソリン内燃機関の第１の実施の形態の構成を示すシステム構成図である。
【００５２】
本実施形態においては、運転条件に応じて圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼とを機関運転中に動的に切換可能となっている。
図中のエンジン本体１０は、吸気ポート１１、排気ポート１２、ビストン１３、吸気バルブ１４、排気バルブ１５、クランク角センサ１６、燃料噴射装置１７、点火プラグ１８、スロットルバルブ１９を備えている。
【００５３】
このエンジン本体１０を制御する電子制御装置（以下、ＥＣＵと略す）１は、運転条件に応じて圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼のいずれかの燃焼方式で運転を行うかを判定する燃焼パターン判定部２と、火花点火燃焼運転時の燃焼パラメータを制御する火花点火燃焼制御部３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自己着火燃焼制御部４と、圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼との切り替えが必要か不要かを判定する燃焼切り替え判定部５と、燃焼切替が必要な場合に燃料噴射時期、燃料噴射量、点火時期を制御して円滑な燃焼切替を実現する燃焼切り替え制御部６とを備えている。
【００５４】
尚、ＥＣＵ１の構成要素である、燃焼パターン判定部２、火花点火燃焼制御部３、自己着火燃焼制御部４、燃焼切り替え判定部５、及び燃焼切り替え制御部６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。
【００５５】
またＥＣＵ１は、クランク角センサ１６が検出したエンジン回転数信号、及びアクセル開度センサ（図示せず）が検出したアクセル開度信号（負荷）に基づいて、運転条件を判定し、燃焼パターンを判断する。また運転条件に応じて燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期を算出する。そして、この算出結果に基づき、燃料噴射装置１７、点火プラグ１８に信号を送る。
【００５６】
また吸気ポート１１の上流には、空気量調整用のスロットルバルブ１９と図示しないが空気量測定用のエアフロメータとエアクリーナと配管からなる吸気系が設けられている。
【００５７】
このような構成のもと、本実施形態では図２に示すような、低回転、低中負荷の特定の運転条件において圧縮自己着火燃焼を行い、極低負荷、高負荷または高回転域においては火花点火燃焼を行う。
【００５８】
次に、第１の実施形態の動作について説明する。
図３は、空燃比に対する自己着火燃焼が成立する範囲を示すものである。燃料噴射は上死点から十分に進角した時期に行われており、混合気は予混合状態となっている。空燃比をリーンにしていくと燃焼安定度が悪化し、機関のトルク変動が大きくなる。このため、内燃機関としての設計値、またはこの内燃機関を搭載した車両の性格等として許容できる安定度が安定度限界値Ｓｔｈとなる空燃比ＡＦＬがリーン限界となる。
【００５９】
一方、空燃比をリッチにしていくと、ノッキング強度が増大する。これによりノッキング限界Ｎｔｈにおける空燃比ＡＦＲがリッチ限界となる。従って、安定度限界空燃比ＡＦＬとノッキング限界空燃比ＡＦＲとで囲まれる空燃比領域が自己着火燃焼成立範囲となる。
【００６０】
このように、自己着火は限られた空燃比範囲でしか成立しない。尚、ここではガスと燃料の割合を表す指標として空燃比Ａ／Ｆを例に説明した。残留ガスあるいはＥＧＲガスが含まれる場合についても同様の傾向を示し、この際には横軸は新気と既燃ガスを合わせたトータルのガス量と燃料割合Ｇ／Ｆとなる。
【００６１】
図３では燃焼パラメータとして空燃比に対する自己着火燃焼成立範囲を示したが、空燃比以外にも温度、吸気圧あるいは過給圧に対しても同様な傾向を示す。すなわち温度が低下すると燃焼安定度が悪化し、温度が上昇するとノッキング強度が増大する。また吸気圧、過給圧についても圧力が低下すると燃焼安定度が悪化し、圧力が増加するとノッキング強度が増大する。従って、安定した自己着火燃焼を維持するためには、要求される温度、圧力を制御する必要がある。
【００６２】
図４は、第１実施形態における火花点火燃焼運転から自己着火燃焼運転が切り替わる条件について示している。図４に示すように燃焼パターンの切り替えは２種類存在する。低負荷域で火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼あるいは圧縮自己着火燃焼から火花点火燃焼に切り替わる場合と、高負荷域で圧縮自己着火燃焼から火花点火燃焼あるいは火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼に切り替わる場合である。
【００６３】
本発明は低負荷域で燃焼形態が切り替わる場合についてのものとなっている。図５には負荷に対するスロットル開度と筒内圧力を示している。火花点火燃焼は均質のストイキ燃焼となっている。低負荷域で燃焼形態が火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼に切り替える場合、スロットル開度が大きく異なる。このため筒内圧力が大きく異なることになる。このため燃焼形態が圧縮自己着火燃焼に切り替わった場合に、筒内圧力が不足し、前述したように燃焼が不安定になる可能性がある。
【００６４】
図６には低負荷域において火花点火燃焼を成層燃焼とした場合の、負荷に対するスロットル開度と筒内圧力を示している。成層燃焼を行う場合には、空気量を大きくしたまま、空燃比をリーンにできるため、スロットル開度を大きくすることができる。よって、筒内圧力も均質ストイキ燃焼に比べて、高く保つことができる。このため、燃焼状態を切り替える場合に筒内圧力が短い時間で目標値にできるため、燃焼が不安定になるのを防止することができる。
【００６５】
図７には圧縮自己着火燃焼時に成層燃焼を行った場合の負荷に対するスロットル開度と筒内圧力を示す。圧縮自己着火燃焼時に成層燃焼を行った場合には、圧縮自己着火燃焼が可能となる負荷を低負荷化できる。このため燃焼切り替えを行う負荷も低負荷化することになる。燃焼切り替えを行う負荷を低負荷した場合には、燃焼する燃料量が少なくなるため、火花点火燃焼、圧縮自己着火燃焼共に、ノッキングを起こし難くなる。すなわち、負荷が低いため燃焼する燃料量は少なく、燃焼時の発熱量が少なくなる。よって燃焼切り替え時に筒内圧力、温度等の燃焼パラメータが目標値からずれた場合においてもノッキングを起こし難い。
【００６６】
図８に燃焼状態を切り替える時の燃焼形態を示す。機関が定常運転している場合には、極低負荷時にストイキ均質の火花点火燃焼を行う。中負荷時に均質の圧縮自己着火燃焼を行う。負荷が変化する過渡時には、低負荷から順に、ストイキ均質の火花点火燃焼を行い、次に成層の火花点火燃焼を行い、次に成層の圧縮自己着火燃焼を行い、最後に均質の圧縮自己着火燃焼を行う。
【００６７】
以上説明してきた切り替え制御の流れをフローチャートを参照して説明する。図９に燃焼パターンを制御するメインフローチャートを示す。ステップ１１（以下Ｓ１１）でエンジン回転数Ｎ、負荷Ｔを検出する。次いでＳ１２で図３のマップから運転条件に応じた燃焼パターンを判断する。火花点火燃焼と判断された場合にはＳ１３で火花点火燃焼制御を開始する。自己着火燃焼と判断された場合にはＳ１４で自己着火燃焼制御を開始する。燃焼切り替えと判断された場合にはＳ１５で燃焼切り替え制御を開始する。
【００６８】
図１０に火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼に燃焼を切り替える場合の制御フローチャートを示す。まず、Ｓ２１でスロットル開度を変更する。次いでＳ２２でスロットル開度が図６に示す目標値に設定されているかどうか判断する。スロットル開度の設定が終了していない場合には、ストイキの均質燃焼を続けるためＳ２３で吸気行程噴射を続ける。Ｓ２２でスロットル開度の設定が終了したと判断された場合にはＳ２４で圧縮行程噴射を行い、成層状態の火花点火燃焼を行う。
【００６９】
次いで、Ｓ２５で再度スロットル開度を変更する。Ｓ２６でスロットル開度が図６に示す目標値に設定されているかどうか判断する。スロットル開度の設定が終了していない場合には火花点火燃焼を続けるため、Ｓ２７で火花点火を行う。Ｓ２６でスロットル開度の設定が完了したと判断された場合にはＳ２８で火花点火をオフして圧縮自己着火燃焼を開始する。Ｓ２９で機関の負荷が図８のグラフに示す均質燃焼負荷領域がどうか判断する。均質燃焼領域でない場合には、Ｓ３０で圧縮行程噴射を行い、成層状態の圧縮自己着火燃焼を行う。Ｓ２９で均質燃焼負荷領域と判断された場合にはＳ３１で吸気行程噴射を行い、均質状態の圧縮自己着火燃焼を開始する。
【００７０】
図１１に圧縮自己着火燃焼から火花点火燃焼に燃焼を切り替える場合の制御フローチャートを示す。図９のフローチャートで燃焼切り替えと判断された場合に、まずＳ４１で圧縮行程噴射を行い、成層状態の圧縮自己着火燃焼を開始する。Ｓ４２でスロットル開度を変更して、Ｓ４３でスロットル開度が図６に示す目標値に設定されているかどうか判断する。スロットル開度の設定が終了していない場合にはＳ４４で火花点火をオフとして圧縮自己着火燃焼を続ける。Ｓ４３でスロットル開度の設定が完了したと判断された場合にはＳ４５で火花点火をオンとして、火花点火燃焼を開始する。
【００７１】
次いで、Ｓ４６で再度スロットル開度を変更する。Ｓ４７で図６に示す目標値に設定されているかどうか判断する。目標値に設定されていない場合にはＳ４８で圧縮行程噴射を行い、成層状態火花点火燃焼を続ける。Ｓ４７でスロットル開度の設定が完了していると判断された場合には、Ｓ４９で吸気行程噴射を行い、均質状態の火花点火燃焼を開始する。
【００７２】
次に、第２の実施の形態について説明する。図１２は本発明に係る圧縮自己着火式ガソリン機関の第２の実施の形態の構成を示すシステム構成図である。第２の実施の形態は第１の実施の形態に対して、吸排気弁の開閉時期を変更する可変バルブタイミング機構２０を追加した構成となっている。可変バルブタイミング機構としては、例えば、特開平１０−２６６８７８号公報記載の技術が利用できる。
【００７３】
本実施形態の吸排気弁の開閉タイミングを図１３に示す。火花点火運転時には、通常の４サイクルガソリン機関と同様に排気バルブ（ＥＸＨ）の閉弁時期（ＥＶＣ）と吸気バルブ（ＩＮＴ）の開弁時期（ＩＶＯ）とがピストン上死点（ＴＤＣ）付近となって所要のバルブオーバラップ（Ｏ／Ｌ）に設定される。
【００７４】
燃焼状態を切り替える際の特定の運転領域における圧縮自己着火運転時は、火花点火運転に対して排気バルブ閉時期（ＥＶＣ）が進角して排気行程途中に閉弁すると共に、吸気バルブ開時期（ＩＶＯ）が遅角して吸気行程途中に開弁するように制御されて、ピストン上死点付近におけるバルブオーバラップは全く存在せず、燃焼室を密閉した密閉期間であるマイナスオーバラップ（−Ｏ／Ｌ）状態に設定される。
【００７５】
このように圧縮自己着火運転時にマイナスオーバラップを成すバルブタイミングとすることにより、排気バルブが排気行程中途にて閉弁されてその時点での燃焼室容積に相当する高温の既燃ガスを燃焼室内に滞留させて、次サイクルへの内部ＥＧＲガスとする。次サイクルでは吸気行程途中で吸気バルブが開弁して新気が吸入される。ここで新気は内部ＥＧＲガスからの熱量を受けて、筒内温度が昇温することになる。
【００７６】
ここで−Ｏ／Ｌ中に燃料噴射を行うと、燃料は筒内に閉じこめられた高温のガスからの熱量を受けて改質される。その結果、燃料の着火性が改善されより低負荷条件での圧縮自己着火燃焼が可能になる。
【００７７】
図１４には低負荷時に−Ｏ／Ｌ噴射による圧縮自己着火燃焼を行った場合の負荷に対するスロットル開度と筒内圧力を示している。図７に比べてより低負荷条件における圧縮自己着火燃焼が可能となっている。このため燃焼切り替えを行う負荷も低負荷化することになる。燃焼切り替えを行う負荷を低負荷した場合には、燃焼する燃料量が少なくなるため、火花点火燃焼、圧縮自己着火燃焼共に、ノッキングを起こし難くなる。すなわち、負荷が低いため燃焼する燃料量は少なく、燃焼時の発熱量が少なくなる。よって燃焼切り替え時に筒内圧力、温度等の燃焼パラメータが目標値からずれた場合においてもノッキングを起こし難い。
【００７８】
図１５に燃焼状態を切り替える時の燃焼形態を示す。機関が定常運転している場合には、極低負荷時にストイキ均質の火花点火燃焼を行う。中負荷時に均質の圧縮自己着火燃焼を行う。負荷変化する過渡時には、低負荷から順に、ストイキ均質の火花点火燃焼を行い、次に成層の火花点火燃焼を行い、次に−Ｏ／Ｌ中噴射の圧縮自己着火燃焼を行い、最後に均質の圧縮自己着火燃焼を行う。
【００７９】
燃焼パターンを制御するフローチャートは、第１の実施形態（図９）と同じである。
【００８０】
図１６に火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼に燃焼を切り替える場合の制御フローチャートを示す。第１の実施形態（図１０）と異なる所のみ説明する。Ｓ５５でスロットル開度とバルブタイミングを変更する。Ｓ５６で−Ｏ／Ｌ噴射を開始する。Ｓ５７でスロットル開度、バルブタイミングが目標値（図１３，１４）に設定されたかどうか判断する。設定が完了していない場合にはＳ５８で火花点火をオンとして火花点火燃焼を続ける。Ｓ５７で設定が完了したと判断された場合にはＳ５９で火花点火をオフして圧縮自己着火燃焼を開始する。
【００８１】
次いでＳ６０で図１５をもとに均質燃焼負荷領域かどうか判断する。均質燃焼負荷領域でない場合にはＳ６１で−Ｏ／Ｌ噴射を続ける。均質燃焼領域と判断された場合にはＳ６２で吸気行程噴射を開始して均質状態の圧縮自己着火燃焼を行う。
【００８２】
図１７に圧縮自己着火燃焼から火花点火燃焼に燃焼を切り替える場合の制御フローチャートを示す。第１の実施形態（図１１）と異なる所のみ説明する。Ｓ７３でスロットル開度とバルブタイミングを変更する。Ｓ７２で−Ｏ／Ｌ噴射を開始する。Ｓ７３でスロットル開度とバルブタイミングの設定が完了したかどうか判断する。
【００８３】
設定が完了していないと判断された場合には、Ｓ７４で火花点火をオフのままとして圧縮自己着火燃焼を続ける。Ｓ７３で設定が完了したと判断された場合には、Ｓ７５で噴射タイミングを圧縮行程噴射として、Ｓ７６で火花点火を開始して、成層状態の火花点火燃焼を開始する。
【００８４】
次に、図１８ないし図２２を参照して、本発明の第３の実施形態を詳細に説明する。
図１８は、本発明に係る圧縮自己着火式ガソリン機関の第３の実施形態の構成を示すシステム構成図である。本実施形態においても運転条件に応じて圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼とを機関運転中に動的に切換可能となっている。
【００８５】
図中のエンジン本体１０は、吸気ポート１１、排気ポート１２、ビストン１３、吸気バルブ１４、排気バルブ１５、クランク角センサ１６、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射装置１７、点火プラグ１８を備えている。
【００８６】
このエンジン本体１０を制御する電子制御装置（以下、ＥＣＵと略す）１は、運転条件に応じて圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼のいずれかの燃焼方式で運転を行うかを判定する燃焼パターン判定部２と、火花点火燃焼運転時の燃焼パラメータを制御する火花点火燃焼制御部３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自己着火燃焼制御部４と、圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼との切り替えが必要か不要かを判定する燃焼切り替え判定部５と、燃焼切替が必要な場合に燃料噴射時期、燃料噴射量、点火時期を制御して円滑な燃焼切替を実現する燃焼切り替え制御部６とを備えている。
【００８７】
尚、ＥＣＵ１の構成要素である、燃焼パターン判定部２、火花点火燃焼制御部３、自己着火燃焼制御部４、燃焼切り替え判定部５、及び燃焼切り替え制御部６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。
【００８８】
またＥＣＵ１は、クランク角センサ１６が検出したエンジン回転数信号、及びアクセル開度センサ（図示せず）が検出したアクセル開度信号（負荷）に基づいて、運転条件を判定し、燃焼パターンを判断する。また運転条件に応じて燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期を算出する。そして、この算出結果に基づき、燃料噴射装置１７、点火プラグ１８に信号を送る。
【００８９】
また吸気ポート１１の上流には、図示しないが空気量調整用のスロットルバルブと空気量測定用のエアフロメータとエアクリーナと配管からなる吸気系が設けられている。
【００９０】
吸気弁１４および排気弁１５は、それぞれＥＣＵ１により、開閉時期可変手段である可変バルブタイミング機構２０を介して開閉時期を制御可能な構成とすることで、機関の低中負荷域では実質的な圧縮比の変更、ＥＧＲ量などを制御し、圧縮上死点付近で自己着火が可能な高温、高圧状態を実現できる構成としている。
【００９１】
次に、本実施形態における吸・排気弁の開閉タイミングの制御を図１９に示す。通常の火花点火燃焼時では排気上死点（ＴＤＣ）付近においてクランク角度にして数度から十数度程度の期間、吸・排気弁がともに開いている開弁重合期間（オーバーラップ期間）を有している。一方、圧縮自己着火燃焼時に排気作動角を縮小するとともに排気弁閉時期（以後ＥＶＣ）を排気ＴＤＣ前とし、かつ吸気作動角を縮小するとともに吸気弁開時期（以後ＩＶＯ）を排気ＴＤＣ後に制御することで、吸・排気弁がともに閉となる密閉期間を設けている。
【００９２】
このような吸・排気弁の作動状態を可変とする機構としては、例えば特開昭５５−１３７３０５号公報、特開平９−２０３３０７号公報に示されるような可変動弁システムがある。
【００９３】
圧縮自己着火燃焼時には、前記密閉期間を設けていることで、高温な排気ガスを閉じ込めることができるため、吸気が加熱され、過度な圧縮比増加を行なうことなくガソリン機関での圧縮自己着火燃焼を発生せしめることを可能としている。また、本発明では上記圧縮自己着火燃焼時のバルブタイミングを、火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼への切替え直前の火花点火燃焼にも用いる。
【００９４】
次に、前記吸・排気弁がともに閉となる密閉期間を設けた場合の、スロットル開度一定条件における圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼の空燃比（Ａ／Ｆ）に対する燃焼安定性について図２０により説明する。
【００９５】
圧縮自己着火燃焼において、燃料の少なくとも一部を前記密閉期間に噴射することにより、燃焼安定領域はＡ／Ｆのリーン側（すなわち低負荷側）に拡大することができる。これは密閉期間中に噴射された燃料が自己ＥＧＲガスとともに圧縮されるため、高温かつ高圧場に暴露され、自己ＥＧＲ中に存在する酸素と反応し、燃料が圧縮自己着火し易い状態に改質されるためである。
【００９６】
更に圧縮自己着火燃焼時に燃料の少なくとも一部を圧縮行程に噴射することで、混合気を成層化する行うことで燃焼室内に部分的にＡ／Ｆがリッチ場ができるため、燃焼室全体としてのＡ／Ｆは、よりリーンな状態でも圧縮自己着火が可能となる。
【００９７】
前記圧縮自己着火燃焼と同一密閉期間、同一スロットル開度における成層混合気での火花点火燃焼安定領域を図２０の破線で示す。圧縮自己着火燃焼が発生しない成層混合気場であっても、火花点火により火炎核を形成することで火炎伝播燃焼が可能となるＡ／Ｆの領域が存在する。
【００９８】
よって前記Ａ／Ｆ領域では図中の矢印に示すように、同一のスロットル開度および同一吸・排気弁開閉時期でありながら燃料の噴射タイミングを変更することで、火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼へ移行が可能となる。
【００９９】
次に本発明における基本となる燃焼切替え手順を図２１の実線により説明する。火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼への切替えは２段階に分けて実施する。
【０１００】
第１段階では吸気行程中に燃料を噴射し理論混合比での均質予混合気における火花点火燃焼から、スロットル開度を大とするとともに燃料噴射タイミングを圧縮行程とした成層リーン混合気での火花点火燃焼へ移行する。
【０１０１】
成層リーン燃焼に移行した後、吸・排気弁の開閉時期を圧縮自己着火燃焼で要求される前記密閉期間となるように変更する。この時、スロットルは自己ＥＧＲ量の増加により減少する新気量を補うため、前記密閉期間が伸びるのに対応し全開近くまで開弁する。この状態で図２０における●印の状態となる。
【０１０２】
第２段階では火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼への移行であり、燃焼の移行は火花点火燃焼における圧縮行程中の噴射タイミングを前記密閉期間中の噴射に変更することで実施する。これにより燃焼状態は図２０の●印から○印へ移行する。同時に燃料噴射量も減少させることで燃焼切替え時の負荷変動を吸収する。これは圧縮自己着火燃焼では火花点火燃焼に比べ燃焼期間が短いため熱効率の向上効果があるためである。またこの時、点火プラグにおける放電は圧縮自己着火燃焼への移行とともに中止しても構わない。
【０１０３】
次に燃焼切替え時の負荷が前記基本状態に対し異なる場合の手順について、前記基本状態に対して低負荷の場合を図２１の破線で、高負荷の場合を図２１の一点鎖線で説明する。
【０１０４】
切替え負荷が低い場合、火花点火燃焼における燃焼安定性を確保するためには、スロットル開度を圧縮自己着火燃焼での要求値まで開弁することが出来なくなる。低負荷時における火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼への移行では、前記基本状態と同様に燃料噴射タイミングを前記密閉期間に変更することで実施するが、同時にスロットルの開弁動作を伴うため吸気圧が上がるまでの圧縮自己着火燃焼が不安定となる。
【０１０５】
この時の圧縮自己着火燃焼の安定性向上のため、燃料噴射の回数を第１の燃料噴射時期である前記密閉期間噴射に加え、第２の燃料噴射時期である圧縮行程噴射を追加して２回とする。そして、密閉期間噴射による燃料改質と圧縮行程噴射による成層化によって安定性を向上させる。
【０１０６】
この噴射タイミングの切替えは図２０における●印から△印への移行と捉えることができ、前記圧縮行程噴射の追加により燃焼室内にリッチな混合気場が形成されるため圧縮自己着火燃焼が発生し易くなることを利用したものである。
【０１０７】
燃焼切替え直後の燃料の全噴射量はスロットル開弁動作が終了した時点での全噴射量に対し増加させることで、燃焼安定性の向上、燃焼切替え時のトルク変動の低減効果を得ることができる。
【０１０８】
また火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼への燃焼切替え直前の火花点火燃焼において、点火プラグにおける放電タイミングを遅角することで、自己ＥＧＲガスの温度を上昇させるとともに酸化反応途中のＨＣを自己ＥＧＲガス中に多く残留させることが可能となるため、燃焼切替え直後の圧縮自己着火燃焼を確実に発生させることができる。
【０１０９】
更に圧縮自己着火燃焼時においてもＴＤＣ前３０°付近で点火プラグから放電することで燃料の改質効果が増加するため、燃焼切替え時の圧縮自己着火燃焼の安定性向上を得ることができる。
【０１１０】
高負荷時には前記密閉期間に燃料を全量噴射してしまうと、排気ＴＤＣでの発熱量が過大となり、燃費の悪化とともに圧縮自己着火燃焼の過早着火が発生してノッキングとなってしまう。よって、高負荷側では前記密閉期間の燃料噴射量を基本状態に対し減少させるとともに、燃料の噴射を前記密閉期間中と吸気行程中の２回とし燃料が過度に改質されることを防止する。
【０１１１】
以上に述べた基本状態、低負荷時、高負荷時の３種類の負荷に対する燃焼切替え手順における燃料噴射時期および前記吸・排気弁の密閉時期の相違を図２２に示す。ただし、切替えの適切な負荷範囲は機関のベース圧縮比および吸入空気量等のの影響をうけるため、同一機関において必ずしも３種類の切替えを行なう必要はない。
【０１１２】
また、本発明による火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼への燃焼切替えは、各気筒毎の燃料噴射弁の噴射タイミングの変更により実施しているため、各気筒毎に燃焼切替え時期を変更することが容易である。よって、噴射タイミングの切替を気筒毎又は気筒グループ毎に順次行なうことで、火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼への燃焼切替え時の機関トルク変動を低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧縮自己着火式ガソリン機関の第１の実施形態の構成図である。
【図２】エンジン回転数Ｎ、負荷Ｔに対する燃焼パターンを説明する図である。
【図３】圧縮自己着火燃焼時の空燃比に対するノッキング強度、安定度、燃焼時期を説明する図である。
【図４】第１の実施形態の燃焼切り替えを説明する図である。
【図５】負荷に対するスロットル開度、筒内圧力を説明する図である。
【図６】成層状態の火花点火燃焼を行う場合の負荷に対するスロットル開度、筒内圧力を説明する図である。
【図７】成層状態の圧縮自己着火燃焼を行う場合の負荷に対するスロットル開度、筒内圧力を説明する図である。
【図８】第１の実施形態における定常運転時と過渡運転時の燃焼状態を説明する図である。
【図９】燃焼パターン判断の制御フロー図である。
【図１０】第１の実施形態における火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼への燃焼切り替える場合の制御フローである。
【図１１】第１の実施形態における圧縮自己着火燃焼から火花点火燃焼への燃焼切り替える場合の制御フローである。
【図１２】第２の実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図１３】各燃焼状態における吸排気弁の開閉時期を示す図である。
【図１４】第２の実施形態における負荷に対するスロットル開度、筒内圧力を説明する図である。
【図１５】第２の実施形態における定常運転時と過渡運転時の燃焼状態を説明する図である。
【図１６】第２の実施形態における火花点火燃焼から圧縮自己着火燃焼への燃焼切り替える場合の制御フローである。
【図１７】第２の実施形態における圧縮自己着火燃焼から火花点火燃焼への燃焼切り替える場合の制御フローである。
【図１８】第３の実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図１９】第３の実施形態の各燃焼状態における吸・排気弁の開閉時期を示す図である。
【図２０】第３の実施形態における燃料噴射タイミングを変更した場合の圧縮自己着火燃焼安定領域を示す図である。
【図２１】第３の実施形態における燃焼切替えの手順を示すタイムチャートである。
【図２２】第３の実施形態における燃焼切替え時の機関負荷に対する相違を示す図である。
【符号の説明】
１  ＥＣＵ
２  燃焼パターン判定部
３  火花点火燃焼制御部
４  自己着火燃焼制御部
５  燃焼切り替え判定部
６  燃焼切り替え制御部
１０  エンジン本体
１１  吸気ポート
１２  排気ポート
１３  ピストン
１４  吸気バルブ
１５  排気バルブ
１６  クランク角センサ
１７  燃料噴射装置
１８  点火プラグ
１９  スロットルバルブ
２０  可変バルブタイミング機構
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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