(57)【要約】    【課題】  圧縮着火燃焼領域の高負荷側限界及び低負荷側限界を拡大する。    【解決手段】  吸気通路１１に主燃料（ガソリン）を噴射して燃焼室４内に予混合気を形成する第１燃料噴射弁１３と、燃焼室４内に前記主燃料より高自着火性の着火用燃料（軽油）を噴射する第２燃料噴射弁１４とを備える。圧縮着火燃焼を行わせる領域を、高負荷側の領域と低負荷側の領域とに分ける。高負荷側の領域では、着火用燃料の噴射時期を吸気行程とし、低負荷側の領域では、着火用燃料の噴射時期を圧縮行程とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に予混合気を形成するように主燃料を噴射する第１燃料噴射弁と、燃焼室内に前記主燃料より高自着火性の着火用燃料を噴射する第２燃料噴射弁とを備え、
所定の運転領域にて、前記第１燃料噴射弁から主燃料を噴射して燃焼室内に予混合気を形成し、前記第２燃料噴射弁から着火用燃料を噴射することで、燃焼室内の予混合気を自己着火燃焼させる内燃機関の燃焼制御装置において、
前記自己着火燃焼を行わせる領域を高負荷側の領域と低負荷側の領域とに分け、
前記高負荷側の領域では、前記着火用燃料の噴射時期を吸気行程とし、前記低負荷側の領域では、前記着火用燃料の噴射時期を圧縮行程ないし膨張行程とすることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項２】
吸入空気の空気流動を強化することができる空気流動付与手段を備え、
前記着火用燃料の噴射時期を吸気行程とするときに、前記空気流動付与手段を作動させ、前記着火用燃料の噴射時期を圧縮行程ないし膨張行程とするときは、前記空気流動付与手段を非作動とすることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項３】
前記高負荷側の領域と前記低負荷側の領域との境界での、前記着火用燃料の吸気行程噴射と圧縮行程ないし膨張行程噴射との切換時に、着火用燃料の噴射量に段差を設け、吸気行程噴射に比べ、圧縮行程ないし膨張行程噴射の方の噴射量を少なくすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項４】
前記高負荷側の領域と前記低負荷側の領域との境界での、前記着火用燃料の吸気行程噴射と圧縮行程ないし膨張行程噴射との切換時に、着火用燃料の噴射量に段差を設け、吸気行程噴射に比べ、圧縮行程ないし膨張行程噴射の方の噴射量を少なくする一方、主燃料の噴射量に逆の段差を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項５】
前記高負荷側の領域及び前記低負荷側の領域では、それぞれ、負荷の増大に伴って、主燃料の噴射量を増大する一方、着火用燃料の噴射量を減少させることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも所定の運転領域にて主燃料に対し高自着火性の着火用燃料を使用して自己着火燃焼を行わせる内燃機関の燃焼制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載の内燃機関の燃焼制御装置は、吸気通路に主燃料（ガソリン）を噴射する第１燃料噴射弁と、燃焼室内に前記主燃料より高自着火性の着火用燃料（軽油）を噴射する第２燃料噴射弁とを備えている。そして、所定の運転領域にて、前記第１燃料噴射弁から吸気通路に主燃料を噴射して燃焼室内に予混合気を形成し、前記第２燃料噴射弁から圧縮行程にて着火用燃料を噴射することで、燃焼室内の予混合気を自己着火燃焼させている。
【特許文献１】特開２００４−３０８４２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来の燃焼制御装置では、着火用燃料の噴射時期を圧縮行程のみとしているため、これに起因して次のような課題がある。
負荷の増大に伴って着火性が向上することから、高負荷側で着火用燃料の噴射量を燃料噴射弁の最小噴射量に設定した場合においても、着火促進効果が大きすぎるために、ノッキングを生じたり、必要以上のトルク増加を生じる。このため、燃費の良い自己着火燃焼領域の高負荷側への拡大が制限されたり、着火用燃料の噴射の有無によるトルク段差を生じたりする。
【０００４】
また、圧縮行程噴射では、高回転時や噴射量が多い時は、着火用燃料が気化せずに、スモーク、ＮＯｘの排出量の増大につながる恐れがある。
本発明は、このような課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このため、本発明では、所定の運転領域にて、第１燃料噴射弁から主燃料を噴射して燃焼室内に予混合気を形成し、第２燃料噴射弁から燃焼室内に着火用燃料を噴射することで、燃焼室内の予混合気を自己着火燃焼させる場合に、自己着火燃焼を行わせる領域を、高負荷側の領域と低負荷側の領域とに分ける。そして、高負荷側の領域では、着火用燃料の噴射時期を吸気行程とし、低負荷側の領域では、着火用燃料の噴射時期を圧縮行程ないし膨張行程とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、高負荷側の領域では、着火用燃料を吸気行程噴射することにより、着火用燃料が十分に分散して、主燃料と着火用燃料とが予混合状態となる。従って、着火促進効果が弱まり、自己着火燃焼の高負荷側限界の拡大が可能となる。
【０００７】
また、低負荷側の領域では、着火用燃料を圧縮行程噴射若しくは膨張行程噴射することにより、着火用燃料が成層化して、着火促進効果が高まる。よって、自己着火燃焼の低負荷側限界の拡大が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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内燃機関（エンジン）のシステム図である。
シリンダヘッド１、シリンダブロック２及びピストン３によって画成される燃焼室４は、吸気弁５を介して吸気ポート６と接続され、また排気弁７を介して排気ポート８と接続されている。吸気弁５及び排気弁７の開閉時期は、それぞれ、可変動弁装置９、１０により制御可能である。
【０００９】
各可変動弁装置９、１０としては、例えば、クランク軸とカム軸との回転位相を変更して吸・排気弁のバルブタイミング（バルブ作動角の中心位相）を可変制御可能なバルブタイミング可変装置（ＶＴＣ装置）と、バルブ作動角（開期間）及びバルブリフト量を連続的に可変制御可能なバルブ作動角及びバルブリフト可変装置（ＶＥＬ装置）とを組み合わせて用いる。この他、吸・排気弁を電磁アクチュエータにより駆動する電磁駆動弁装置（ＥＭＶ装置）を用いてもよい。
【００１０】
吸気ポート６上流の吸気通路１１には、電制スロットル弁１２が設けられている。また、吸気通路１１には、各気筒毎に（各気筒の吸気ポート６毎に）、主燃料（一般的にはガソリン燃料）を噴射する第１燃料噴射弁１３が設けられている。主燃料の吸気ポート噴射は排気行程〜吸気行程になされ、吸気行程にて燃焼室４内に吸入されて、燃焼室４内に均質な予混合気が形成される。
【００１１】
燃焼室４内には、シリンダヘッド１側の中央部から、第２燃料噴射弁１４と点火プラグ１５とが臨んでいる。第２燃料噴射弁１４は、前記主燃料（ガソリン）より高自着火性（高セタン価、あるいは低オクタン価）の着火用燃料（例えば軽油）を噴射可能であり、圧縮着火燃焼時に圧縮行程後期にて着火用燃料を噴射する。点火プラグ１５は、燃焼室４内の混合気に点火可能であり、火花点火燃焼用である。
【００１２】
排気ポート８下流の排気通路１６からは、排気の一部をＥＧＲガスとして導くＥＧＲ通路１７が導出され、このＥＧＲ通路１７は吸気通路１１のスロットル弁１２下流に接続されている。ＥＧＲ通路１７の途中には、ＥＧＲ量を制御する例えばステップモータ式のＥＧＲ制御弁１８が設けられている。排気通路１６には、排気浄化触媒（三元触媒）１９が設けられている。
【００１３】
更に、吸気通路１１には、吸入空気の空気流動を強化することができる空気流動付与手段が設けられている。具体的には、燃料噴射弁１３のやや上流側に、各気筒毎に、吸気通路断面の一部を閉じることにより、吸入空気の空気流動を強化することができる空気流動制御弁２０が設けられている。
【００１４】
空気流動制御弁２０は、この例では、モータ駆動の片持ちフラップ型で、吸気通路壁面（底面）に沿って倒伏した全開位置（非作動位置、格納位置）から、弁軸回りに回動して、起立することで、吸気通路断面の一部（下側）を遮蔽することができ、これにより空気流動（タンブル流）を強化することができる。尚、この例は、タンブル流を強化するものであるが、スワール流を強化するものであってもよい。
【００１５】
可変動弁装置９、１０、電制スロットル弁１２、第１燃料噴射弁１３、第２燃料噴射弁１４、点火プラグ１５、ＥＧＲ制御弁１８、及び、空気流動制御弁２０の作動は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２１により制御される。
【００１６】
ＥＣＵ２１には、クランク角センサ（図示せず）により検出されるエンジン回転数Ｎ、アクセル開度センサ（図示せず）により検出されるアクセル開度ＡＰＯ、エアフローメータ２２により検出される吸入空気量Ｑａの他、排気通路１６の排気浄化触媒１９上流に設けた空燃比センサ２３等からの情報が入力されている。
【００１７】
本実施形態のエンジンでは、図２に示すように、比較的低回転・低負荷側の所定の運転領域（ＣＩ領域）にて、可変動弁装置９により吸気弁５の閉時期を下死点付近に設定して、有効圧縮比（実圧縮比）を増大させつつ、第２燃料噴射弁１４（着火用燃料）を用いて、圧縮着火燃焼を行わせ、このとき空燃比をリーン化することで、燃費を節減する。
【００１８】
その一方、高回転・高負荷側やアイドル運転域など、他の運転領域（ＳＩ領域）では、可変動弁装置９により吸気弁５の閉時期を下死点より遅らせた時期（圧縮着火燃焼時より遅角側）に設定して、有効圧縮比を低下させつつ、点火プラグ１５を用いて、火花点火燃焼を行わせ、高出力やアイドル安定性を確保する。
【００１９】
火花点火燃焼の場合は、第１燃料噴射弁１３から排気行程〜吸気行程にて主燃料をポート噴射し、吸気行程を経て、燃焼室内に均質な予混合気を形成する。その後、圧縮行程後期（圧縮上死点近傍）にて、点火プラグ１５により点火し、火炎伝播燃焼させる。
【００２０】
圧縮着火燃焼の場合は、圧縮着火燃焼を行わせる領域（ＣＩ領域）を、図２に示してあるように、低負荷側の領域（ＣＩ−Ｌ領域）と、高負荷側の領域（ＣＩ−Ｈ領域）とに分け、着火用燃料の噴射時期を異ならせて、次のように制御する。
【００２１】
〔低負荷側の領域（ＣＩ−Ｌ領域）〕
第１燃料噴射弁１３から排気行程〜吸気行程にて主燃料をポート噴射し、吸気行程を経て、燃焼室内に均質な予混合気を形成する。
【００２２】
その後、圧縮行程にて、第２燃料噴射弁１４から燃焼室中央部に着火用燃料（軽油）を噴射する。これにより、着火用燃料の自己着火燃焼を生じる。燃焼室中央部の着火用燃料が自己着火燃焼を生じると、これをトリガとして、周囲の予混合気が自己着火燃焼を生じる。
【００２３】
尚、着火用燃料の噴射時期は、１８０°〜−１０°ＢＴＤＣの範囲とする。従って、圧縮上死点近傍の膨張行程を含むが、以下では、圧縮上死点近傍での膨張行程噴射も含めて、圧縮行程噴射という。
【００２４】
また、このときは、空気流動制御弁２０を非作動側（開側）に制御して、吸入空気の空気流動を弱め、着火用燃料を成層化を阻害しないようにする。
〔高負荷側の領域（ＣＩ−Ｈ領域）〕
第１燃料噴射弁１３から排気行程〜吸気行程にて主燃料をポート噴射し、吸気行程を経て、燃焼室内に均質な予混合気を形成する。
【００２５】
また、第２燃料噴射弁１４から吸気行程（３６０°〜１８０°ＢＴＤＣの範囲）にて着火用燃料を燃焼室内に噴射する。噴射された着火用燃料は、燃焼室内に分散し、主燃料と着火用燃料とが予混合状態となる。
【００２６】
その後、圧縮行程後期（圧縮上死点近傍）にて、着火用燃料を包含する予混合気が自己着火に至り、燃焼する。
また、このときは、空気流動制御弁２０を作動側（閉側）に制御して、吸入空気の空気流動を強化し、着火用燃料の混合を促進する。
【００２７】
図３は、着火用燃料の噴射時期の切換概念図を示す。
図３（Ａ）、（Ｂ）は、横軸を着火用燃料の噴射量、縦軸を負荷（具体的には筒内平均有効圧で、主燃料の噴射量と等価）として、ノッキング限界と、燃焼安定性限界（着火限界）とを示したもので、これらの限界線により囲まれる領域（ハッチング部分）が運転可能領域となる。
【００２８】
ここで、図３（Ａ）が着火用燃料を吸気行程噴射（２４０°ＢＴＤＣで噴射）した場合、図５（Ｂ）が着火用燃料を圧縮行程噴射（４０°ＢＴＤＣで噴射）した場合である。
これらの図から、吸気行程噴射の場合は、運転可能な負荷範囲が狭い（高負荷側に限定される）ものの、着火用燃料の噴射量の変化に対し、負荷変化がゆるやかである。
【００２９】
また、圧縮行程噴射の場合は、運転可能な負荷範囲が低負荷側に拡大するものの、着火用燃料の噴射量の変化に対し、負荷変化が急峻である。
従って、高負荷側（図示のＣＩ−Ｈ領域）では、着火用燃料の噴射量の変化に対し負荷変動の少ない吸気行程噴射とし、低負荷側（図示のＣＩ−Ｌ領域）では、着火促進効果が大きい圧縮行程噴射とすることで低負荷限界の拡大が可能となる。
【００３０】
尚、着火用燃料の噴射時期と着火性との関係は図６に示す通りであり、負荷と着火性との関係は図７（Ａ）に示す通りである。
図４は燃焼切換制御のフローチャートである。
【００３１】
Ｓ１では、エンジン運転条件として、エンジン回転数Ｎ、負荷Ｔを検出する。尚、負荷Ｔとしては、アクセル開度ＡＰＯとエンジン回転数Ｎとから算出される要求エンジントルクを用いるが、アクセル開度ＡＰＯや、燃料噴射量を用いてもよい。
【００３２】
Ｓ２では、検出されたエンジン回転数Ｎ、負荷Ｔに基づいて、現在の運転領域が、図２のマップのＳＩ領域、ＣＩ領域のいずれに該当するかを判定する。
Ｓ２での判定の結果、ＳＩ領域の場合は、Ｓ３へ進み、火花点火燃焼（ＳＩ燃焼）を行わせる。
【００３３】
Ｓ２での判定の結果、ＣＩ燃焼領域の場合は、Ｓ４へ進み、低負荷側の領域（ＣＩ−Ｌ領域）か、高負荷側の領域（ＣＩ−Ｈ領域）かを判定する。
低負荷側の領域（ＣＩ−Ｌ領域）の場合は、Ｓ５へ進み、着火用燃料（軽油）を圧縮行程噴射とし、また、空気流動制御弁２０をＯＦＦ（開）にした上で、圧縮着火燃焼（ＣＩ燃焼）を行わせる。
【００３４】
高負荷側の領域（ＣＩ−Ｈ領域）の場合は、Ｓ６へ進み、着火用燃料（軽油）を吸気行程噴射とし、また、空気流動制御弁２０をＯＮ（閉）にした上で、圧縮着火燃焼（ＣＩ燃焼）を行わせる。
【００３５】
図５はＣＩ領域での噴射時期切換制御のタイムチャートであり、ＣＩ領域にて、負荷が、低負荷側から高負荷側に移行した場合のタイムチャートである。
主燃料の噴射時期は、吸気行程のままであり、着火用燃料の噴射時期は、低負荷側での圧縮行程噴射から高負荷側での吸気行程噴射へ変化する。
【００３６】
主燃料の噴射量は、低負荷側の領域及び高負荷側の領域で、それぞれ、負荷の増大に伴って、増大させるが、着火用燃料の噴射量は、低負荷側の領域及び高負荷側の領域で、それぞれ、負荷の増大に伴って、減少させる。図７（Ａ）に示すように、負荷の増大に伴って、着火性が向上するからである。
【００３７】
尚、着火用燃料の噴射量は、負荷によって変化させる他、回転数によって変化させ、回転数の増大に伴って、増加させる。図７（Ｂ）に示すように、回転数の増大に伴って、着火性が悪化するからである。
【００３８】
また、着火用燃料の噴射量は、低負荷側の領域と高負荷側の領域との境界での、着火用燃料の圧縮行程噴射と吸気行程噴射との切換時に、段差を設け、圧縮行程噴射に比べ、吸気行程噴射の方の噴射量を多くする。逆に言えば、吸気行程噴射に比べ、圧縮行程噴射の方の噴射量を少なくする。圧縮行程噴射では、着火用燃料を成層化して用いるので、少ない噴射量で着火できるからである。
【００３９】
また、主燃料の噴射量は、低負荷側の領域と高負荷側の領域との境界での、切換時に、段差を設け、低負荷側の領域に比べ、高負荷側の領域の方の噴射量を少なくする。逆に言えば、高負荷側の領域に比べ、低負荷側の方の噴射量を多くする。低負荷側の領域（着火用燃料の圧縮行程噴射）では、着火用燃料の噴射量を少なくしているので、その分、主燃料を多くして、トルクを一定に保つためである。
【００４０】
また、空気流動制御弁２０については、低負荷側の領域（着火用燃料を圧縮行程噴射する領域）では、ＯＦＦ（開）として、着火用燃料の成層化状態を維持できるようにする。高負荷側の領域では、ＯＮ（閉）として、空気流動を強化し、混合気の均質度を高めるようにする。
【００４１】
図８は、着火用燃料を圧縮行程噴射した場合と吸気行程噴射した場合とについて、負荷と燃費率との関係を示したもので、燃費率が逆転する負荷で、圧縮行程噴射と吸気行程噴射との切換えを行うのが望ましい。
【００４２】
図９は、局所空燃比（着火部位すなわち燃焼室中央部の空燃比）とＰＭ発生量との関係を示し、圧縮行程噴射の噴射時期を早くして、局所空燃比が薄くなると、ＰＭ生成量が少なくなる。従って、圧縮行程噴射の噴射時期は、ＰＭ生成量（局所空燃比）を考慮して、図示の利用可能領域にて設定するのが望ましい。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態によれば、所定の運転領域にて、第１燃料噴射弁１３から主燃料を噴射して燃焼室内に予混合気を形成し、第２燃料噴射弁１４から燃焼室内に高自着火性の着火用燃料を噴射することで、燃焼室内の予混合気を自己着火燃焼させる場合に、自己着火燃焼を行わせる領域を高負荷側の領域（ＣＩ−Ｈ領域）と低負荷側の領域（ＣＩ−Ｌ領域）とに分け、高負荷側の領域（ＣＩ−Ｈ領域）では、着火用燃料を吸気行程噴射することにより、負荷変動を少なくして、スムーズな負荷の移動が可能となる。また、低負荷側の領域（ＣＩ−Ｌ領域）では、着火用燃料を圧縮行程噴射することにより、着火促進効果を高めて、低負荷限界の拡大が可能となる。
【００４４】
また、本実施形態によれば、吸入空気の空気流動を強化することができる空気流動付与手段（空気流動制御弁２０）を備え、着火用燃料の噴射時期を吸気行程とするときに、空気流動付与手段を作動させることで、主燃料と着火用燃料の混合が促進され、自己着火時期の不均一性を低減可能となる。また、着火用燃料の噴射時期を圧縮行程とするときは、空気流動付与手段を非作動とすることにより、着火用燃料の成層化状態を維持し、所望の着火性を維持することができる。
【００４５】
また、本実施形態によれば、高負荷側の領域（ＣＩ−Ｈ領域）と低負荷側の領域（ＣＩ−Ｌ領域）との境界での、着火用燃料の吸気行程噴射と圧縮行程噴射との切換時に、着火用燃料の噴射量に段差を設け、吸気行程噴射に比べ、圧縮行程噴射の方の噴射量を少なくすることにより、噴射形態の違いにより、着火性が大幅に変化するのを防止して、切換ショックを低減できる。
【００４６】
また、本実施形態によれば、高負荷側の領域（ＣＩ−Ｈ領域）と低負荷側の領域（ＣＩ−Ｌ領域）との境界での、着火用燃料の吸気行程噴射と圧縮行程噴射との切換時に、着火用燃料の噴射量に段差を設け、吸気行程噴射に比べ、圧縮行程噴射の方の噴射量を少なくする一方、主燃料の噴射量に逆の段差を設けることにより、切換時のトルク段差を低減することができる。
【００４７】
また、本実施形態によれば、高負荷側の領域（ＣＩ−Ｈ領域）及び低負荷側の領域（ＣＩ−Ｌ領域）では、それぞれ、負荷の増大に伴って、主燃料の噴射量を増大する一方、着火用燃料の噴射量を減少させることにより、所望のトルク、所望の着火性を得ることができる。
【００４８】
尚、以上の実施形態では、主燃料（ガソリン）を噴射する第１燃料噴射弁１３を吸気通路１１（吸気ポート６）に設けたが、レイアウト的に可能であれば、燃焼室４の側部などに、燃焼室４内に直接臨ませて設けてもよい。この場合は、吸気行程〜圧縮行程前期に主燃料を噴射して、燃焼室４内に予混合気を形成するようにする。
【００４９】
また、着火用燃料としては、軽油の他、エタノールに代表されるアルコール燃料、バイオ燃料、あるいは着火促進剤を混入させた燃料などを用いることもできる。
また、圧縮着火燃焼のために、有効圧縮比（実圧縮比）を変更する手段としては、可変動弁装置を用いて、吸気弁閉時期を変更する他、ピストンのストローク量を調整する圧縮比可変機構などを用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図
【図２】ＣＩ燃焼領域とＳＩ燃焼領域の説明図
【図３】ＣＩ−Ｈ領域とＣＩ−Ｌ領域の説明図
【図４】燃焼切換制御のフローチャート
【図５】ＣＩ燃焼での噴射時期切換制御のタイムチャート
【図６】負荷、回転数と着火性との関係を示す図
【図７】噴射時期と着火性との関係を示す図
【図８】負荷と燃費率との関係を示す図
【図９】局所空燃比とＰＭ生成量との関係を示す図
【符号の説明】
【００５１】
４  燃焼室
５  吸気弁
７  排気弁
９、１０  可変動弁装置
１１  吸気通路
１２  電制スロットル弁
１３  第１燃料噴射弁
１４  第２燃料噴射弁
１５  点火プラグ
１６  排気通路
１７  ＥＧＲ通路
１８  ＥＧＲ制御弁
１９  排気浄化触媒
２０  空気流動制御弁
２１  ＥＣＵ
２２  エアフローメータ
２３  空燃比センサ
【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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