JP2003003897A - 自己着火式エンジン - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
- F02P5/00—Advancing or retarding ignition; Control therefor
- F02P5/04—Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions
- F02P5/145—Advancing or retarding ignition; Control therefor automatically, as a function of the working conditions of the engine or vehicle or of the atmospheric conditions using electrical means
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- F02P5/1502—Digital data processing using one central computing unit
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
- F02D41/30—Controlling fuel injection
- F02D41/3011—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion
- F02D41/3017—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion characterised by the mode(s) being used
- F02D41/3035—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion characterised by the mode(s) being used a mode being the premixed charge compression-ignition mode
- F02D41/3041—Controlling fuel injection according to or using specific or several modes of combustion characterised by the mode(s) being used a mode being the premixed charge compression-ignition mode with means for triggering compression ignition, e.g. spark plug
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
- F02B23/08—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
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- F02B23/101—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder the injector being placed on or close to the cylinder centre axis, e.g. with mixture formation using spray guided concepts
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 燃料活性化のために必要な高温場をできるだ
け少量の空気で実現し、燃料活性化に伴う損失の発生を
低減できる自己着火式エンジンを提供する。 【解決手段】 高温の空気と燃料とを混合して得た高温
混合気を燃焼室４内に直接噴射する混合気噴射弁８と、
燃焼室４に臨んで配設される火花点火栓９と、互いに隣
接して配置する。吸気行程中に混合気噴射弁８による高
温混合気の噴射を実行し、その噴射期間中に火花点火栓
９による補助的な火花点火を実行して、燃料を活性化す
る。そして、エンジン負荷に応じて圧縮行程中に少なく
とも１回の追加の噴射を行い、ピストン４の圧縮作用に
より、自己着火させる。
け少量の空気で実現し、燃料活性化に伴う損失の発生を
低減できる自己着火式エンジンを提供する。 【解決手段】 高温の空気と燃料とを混合して得た高温
混合気を燃焼室４内に直接噴射する混合気噴射弁８と、
燃焼室４に臨んで配設される火花点火栓９と、互いに隣
接して配置する。吸気行程中に混合気噴射弁８による高
温混合気の噴射を実行し、その噴射期間中に火花点火栓
９による補助的な火花点火を実行して、燃料を活性化す
る。そして、エンジン負荷に応じて圧縮行程中に少なく
とも１回の追加の噴射を行い、ピストン４の圧縮作用に
より、自己着火させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、自己着火式エンジ
ン、例えば自動車用の４サイクル型の直噴火花点火圧縮
自己着火式ガソリンエンジンにおいて、圧縮自己着火燃
焼のために、火炎伝播には至らない火花点火により燃料
の一部を活性化（改質）することで、燃料の着火性を改
善し、所望の燃焼時期を得る技術に関する。
ン、例えば自動車用の４サイクル型の直噴火花点火圧縮
自己着火式ガソリンエンジンにおいて、圧縮自己着火燃
焼のために、火炎伝播には至らない火花点火により燃料
の一部を活性化（改質）することで、燃料の着火性を改
善し、所望の燃焼時期を得る技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】圧縮自己着火による燃焼は、燃焼室の多
点で燃焼が開始されるため、通常の火花点火におけるリ
ーン限界よりもリーン側の空燃比で燃焼を行うことがで
きる利点を有する一方、着火時期を決定する燃料の予反
応の進行度合いが圧縮行程中の温度・圧力の変化履歴で
決まるため、適切な着火時期が得られる運転条件が限ら
れるという問題がある。
点で燃焼が開始されるため、通常の火花点火におけるリ
ーン限界よりもリーン側の空燃比で燃焼を行うことがで
きる利点を有する一方、着火時期を決定する燃料の予反
応の進行度合いが圧縮行程中の温度・圧力の変化履歴で
決まるため、適切な着火時期が得られる運転条件が限ら
れるという問題がある。
【０００３】例えば、比較的負荷の高い運転条件のとき
に圧縮上死点前後で自己着火するように設定したエンジ
ンの場合、負荷が低いときは圧縮上死点までに自己着火
が得られず、圧縮上死点後は燃焼室内の温度・圧力が低
下するので、結果的に燃焼の機会を失って失火すること
になる。このような失火の発生を回避する方法として
は、燃焼室内に供給した燃料を予め活性化しておき、圧
縮行程中の予反応の進行を速めて自己着火の準備が整う
までの時間を短縮することが考えられる。
に圧縮上死点前後で自己着火するように設定したエンジ
ンの場合、負荷が低いときは圧縮上死点までに自己着火
が得られず、圧縮上死点後は燃焼室内の温度・圧力が低
下するので、結果的に燃焼の機会を失って失火すること
になる。このような失火の発生を回避する方法として
は、燃焼室内に供給した燃料を予め活性化しておき、圧
縮行程中の予反応の進行を速めて自己着火の準備が整う
までの時間を短縮することが考えられる。
【０００４】例えば、特開２００１−３７７１号公報に
は、排気弁を早期に閉じることによって前サイクルの既
燃焼ガスを燃焼室内に残留させ、このガスの熱と補助的
に行う火花点火とによって燃焼室内にラジカルを生成す
るようにしている。
は、排気弁を早期に閉じることによって前サイクルの既
燃焼ガスを燃焼室内に残留させ、このガスの熱と補助的
に行う火花点火とによって燃焼室内にラジカルを生成す
るようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】燃料を改質してアルデ
ヒド等の活性種を生成しようとする場合、ある程度高温
の混合気中で火花点火を行うことが有効である。上記の
従来技術では、この高温を得るために前サイクルの既燃
焼ガスを利用するようにしているが、この場合、冷却損
失の増加による燃費の悪化が懸念される。すなわち、排
気弁を早期に閉じると、ピストンが上死点まで上昇する
間に圧縮仕事が発生する。この仕事は、ピストンが上死
点から下降するときにトルクとして回収されるが、高温
の既燃焼ガスから燃焼室壁を介して冷却水へ伝達されて
しまった熱のエネルギーまで回収することはできない。
燃料改質効果を高めようとして次サイクルへ残留させる
既燃焼ガス量を増やすと、上記の冷却損失も大きくなっ
てしまう。
ヒド等の活性種を生成しようとする場合、ある程度高温
の混合気中で火花点火を行うことが有効である。上記の
従来技術では、この高温を得るために前サイクルの既燃
焼ガスを利用するようにしているが、この場合、冷却損
失の増加による燃費の悪化が懸念される。すなわち、排
気弁を早期に閉じると、ピストンが上死点まで上昇する
間に圧縮仕事が発生する。この仕事は、ピストンが上死
点から下降するときにトルクとして回収されるが、高温
の既燃焼ガスから燃焼室壁を介して冷却水へ伝達されて
しまった熱のエネルギーまで回収することはできない。
燃料改質効果を高めようとして次サイクルへ残留させる
既燃焼ガス量を増やすと、上記の冷却損失も大きくなっ
てしまう。
【０００６】本発明は、かかる課題に鑑みなされたもの
で、燃料活性化のために必要な高温場をできるだけ少量
の空気で実現し、燃料活性化に伴う損失の発生を低減で
きる自己着火式エンジンを提供することを目的とする。
で、燃料活性化のために必要な高温場をできるだけ少量
の空気で実現し、燃料活性化に伴う損失の発生を低減で
きる自己着火式エンジンを提供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、高温の空気と燃料とを混合して得た高温混合気
を燃焼室内に直接噴射する混合気噴射弁と、燃焼室に臨
んで配設される火花点火栓と、を備え、前記混合気噴射
弁による高温混合気の噴射と前記火花点火栓による火花
点火との両方を吸気行程中に実行することを特徴とす
る。
明では、高温の空気と燃料とを混合して得た高温混合気
を燃焼室内に直接噴射する混合気噴射弁と、燃焼室に臨
んで配設される火花点火栓と、を備え、前記混合気噴射
弁による高温混合気の噴射と前記火花点火栓による火花
点火との両方を吸気行程中に実行することを特徴とす
る。
【０００８】請求項２の発明では、前記混合気噴射弁と
前記火花点火栓とを互いに隣接して配置すると共に、前
記混合気噴射弁による高温混合気の噴射期間中に前記火
花点火栓による火花点火を実行することを特徴とする。
請求項３の発明では、前記混合気噴射弁による吸気行程
中の噴射の他に、エンジン負荷に応じて圧縮行程中に少
なくとも１回の追加の噴射を行うことを特徴とする。
前記火花点火栓とを互いに隣接して配置すると共に、前
記混合気噴射弁による高温混合気の噴射期間中に前記火
花点火栓による火花点火を実行することを特徴とする。
請求項３の発明では、前記混合気噴射弁による吸気行程
中の噴射の他に、エンジン負荷に応じて圧縮行程中に少
なくとも１回の追加の噴射を行うことを特徴とする。
【０００９】請求項４の発明では、全噴射量に対する吸
気行程中の噴射量の割合を、エンジン負荷が大きい程小
さくすることを特徴とする。請求項５の発明では、全噴
射量に対する吸気行程中の噴射量の割合を、エンジン回
転速度が大きい程大きくすることを特徴とする。請求項
６の発明では、前記火花点火の時期は、エンジン負荷が
大きい程遅角することを特徴とする。
気行程中の噴射量の割合を、エンジン負荷が大きい程小
さくすることを特徴とする。請求項５の発明では、全噴
射量に対する吸気行程中の噴射量の割合を、エンジン回
転速度が大きい程大きくすることを特徴とする。請求項
６の発明では、前記火花点火の時期は、エンジン負荷が
大きい程遅角することを特徴とする。
【００１０】請求項７の発明では、前記火花点火の時期
は、エンジン回転速度が大きい程進角することを特徴と
する。請求項８の発明では、ノッキング検出手段を備
え、該ノッキング検出手段がノッキングを検出した場合
に、前記吸気行程中の噴射量の割合を減少させることを
特徴とする。
は、エンジン回転速度が大きい程進角することを特徴と
する。請求項８の発明では、ノッキング検出手段を備
え、該ノッキング検出手段がノッキングを検出した場合
に、前記吸気行程中の噴射量の割合を減少させることを
特徴とする。
【００１１】請求項９の発明では、ノッキング検出手段
を備え、該ノッキング検出手段がノッキングを検出した
場合に、前記火花点火の時期を遅角させることを特徴と
する。請求項１０の発明では、燃焼安定度検出手段を備
え、該燃焼安定度検出手段が燃焼不安定を検出した場合
に、前記吸気行程中の噴射量の割合を増加させることを
特徴とする。
を備え、該ノッキング検出手段がノッキングを検出した
場合に、前記火花点火の時期を遅角させることを特徴と
する。請求項１０の発明では、燃焼安定度検出手段を備
え、該燃焼安定度検出手段が燃焼不安定を検出した場合
に、前記吸気行程中の噴射量の割合を増加させることを
特徴とする。
【００１２】請求項１１の発明では、燃焼安定度検出手
段を備え、該燃焼安定度検出手段が燃焼不安定を検出し
た場合に、前記火花点火の時期を進角させることを特徴
とする。
段を備え、該燃焼安定度検出手段が燃焼不安定を検出し
た場合に、前記火花点火の時期を進角させることを特徴
とする。
【００１３】
【発明の効果】請求項１の発明によれば、吸気行程中
に、高温の空気と燃料とを混合して得た高温混合気を燃
焼室内に噴射すると共に、この高温混合気に対し補助的
な火花点火を行うことで、燃料を活性化し、活性化され
た燃料を筒内に十分拡散させることによって、その後の
ピストンの圧縮作用による自己着火燃焼時の着火性を大
幅に改善できる一方、混合気噴射弁内で混合気を形成す
るのに必要な空気だけを高温とすればよいので、燃料活
性化に伴う損失の発生を低減できるという効果が得られ
る。
に、高温の空気と燃料とを混合して得た高温混合気を燃
焼室内に噴射すると共に、この高温混合気に対し補助的
な火花点火を行うことで、燃料を活性化し、活性化され
た燃料を筒内に十分拡散させることによって、その後の
ピストンの圧縮作用による自己着火燃焼時の着火性を大
幅に改善できる一方、混合気噴射弁内で混合気を形成す
るのに必要な空気だけを高温とすればよいので、燃料活
性化に伴う損失の発生を低減できるという効果が得られ
る。
【００１４】請求項２の発明によれば、混合気噴射弁と
火花点火栓とを互いに隣接して配置し、混合気噴射弁に
よる高温混合気の噴射期間中に火花点火栓による火花点
火を行うことで、高温混合気の温度が低下する前に良好
な燃料改質を行うことができる。すなわち、燃焼室内に
噴射された高温混合気は、燃焼室内に広く拡散していく
過程で徐々に温度が低下することになるので、燃料改質
のための火花点火は高温混合気の噴射と同時に行うのが
よいのである。また、早期に活性種を生成することで、
活性種を燃焼室内に広く拡散させることができる。
火花点火栓とを互いに隣接して配置し、混合気噴射弁に
よる高温混合気の噴射期間中に火花点火栓による火花点
火を行うことで、高温混合気の温度が低下する前に良好
な燃料改質を行うことができる。すなわち、燃焼室内に
噴射された高温混合気は、燃焼室内に広く拡散していく
過程で徐々に温度が低下することになるので、燃料改質
のための火花点火は高温混合気の噴射と同時に行うのが
よいのである。また、早期に活性種を生成することで、
活性種を燃焼室内に広く拡散させることができる。
【００１５】尚、混合気噴射弁の場合はその内部で燃料
の気化及び空気との混合が進んでいるため、噴射された
混合気は既に十分均質な混合気となっている。このた
め、噴射された混合気に直接火花点火を行っても、ここ
で生じる燃料の酸化反応はほとんど部分酸化反応（改質
反応）までとなる。これに対し、高温の燃焼室内へ液体
燃料を噴射した場合、噴射直後の燃料噴霧内には燃料の
疎密が存在しており、燃料密度が局所的に高くなってい
る部分（例えば燃料液滴の周囲）では酸化反応が改質反
応に止まらず完全酸化（燃焼）にまで至ってしまう恐れ
がある。
の気化及び空気との混合が進んでいるため、噴射された
混合気は既に十分均質な混合気となっている。このた
め、噴射された混合気に直接火花点火を行っても、ここ
で生じる燃料の酸化反応はほとんど部分酸化反応（改質
反応）までとなる。これに対し、高温の燃焼室内へ液体
燃料を噴射した場合、噴射直後の燃料噴霧内には燃料の
疎密が存在しており、燃料密度が局所的に高くなってい
る部分（例えば燃料液滴の周囲）では酸化反応が改質反
応に止まらず完全酸化（燃焼）にまで至ってしまう恐れ
がある。
【００１６】請求項３の発明によれば、混合気噴射弁に
よる吸気行程中の噴射の他に、エンジン負荷に応じて圧
縮行程中に少なくとも１回の追加の噴射を行うことで、
自己着火燃焼の運転領域を高負荷まで広げることができ
る。請求項４の発明によれば、全噴射量に対する吸気行
程中の噴射量の割合を、エンジン負荷が大きい程小さく
することで、ノッキングしやすい高負荷時は、吸気行程
中に噴射し補助点火を行うことで活性化させる燃料の割
合を少なくし、自己着火を比較的起こしにくくして、ノ
ッキングを回避することができる。
よる吸気行程中の噴射の他に、エンジン負荷に応じて圧
縮行程中に少なくとも１回の追加の噴射を行うことで、
自己着火燃焼の運転領域を高負荷まで広げることができ
る。請求項４の発明によれば、全噴射量に対する吸気行
程中の噴射量の割合を、エンジン負荷が大きい程小さく
することで、ノッキングしやすい高負荷時は、吸気行程
中に噴射し補助点火を行うことで活性化させる燃料の割
合を少なくし、自己着火を比較的起こしにくくして、ノ
ッキングを回避することができる。
【００１７】請求項５の発明によれば、全噴射量に対す
る吸気行程中の噴射量の割合を、エンジン回転速度が大
きい程大きくすることで、自己着火しにくい高回転時
は、吸気行程中に噴射し補助点火を行うことで活性化さ
せる燃料の割合を多くし、自己着火し易くして、安定し
た自己着火を行うことができる。請求項６の発明によれ
ば、火花点火の時期は、エンジン負荷が大きい程遅角す
ることで、ノッキングしやすい高負荷時は、燃料の活性
化の時間を短くすることにより活性化燃料の割合を少な
くし、自己着火を比較的起こしにくくして、ノッキング
を回避することができる。
る吸気行程中の噴射量の割合を、エンジン回転速度が大
きい程大きくすることで、自己着火しにくい高回転時
は、吸気行程中に噴射し補助点火を行うことで活性化さ
せる燃料の割合を多くし、自己着火し易くして、安定し
た自己着火を行うことができる。請求項６の発明によれ
ば、火花点火の時期は、エンジン負荷が大きい程遅角す
ることで、ノッキングしやすい高負荷時は、燃料の活性
化の時間を短くすることにより活性化燃料の割合を少な
くし、自己着火を比較的起こしにくくして、ノッキング
を回避することができる。
【００１８】請求項７の発明によれば、火花点火の時期
は、エンジン回転速度が大きい程進角することで、自己
着火しにくい高回転時は、燃料活性化の時間を長くする
ことにより活性化燃料の割合を多くし、自己着火し易く
して、安定した自己着火を行うことができる。請求項８
の発明によれば、ノッキングを検出した場合に、吸気行
程中の噴射量の割合を減少させることで、次サイクルか
ら比較的自己着火しにくくなり、ノッキングを回避でき
る。
は、エンジン回転速度が大きい程進角することで、自己
着火しにくい高回転時は、燃料活性化の時間を長くする
ことにより活性化燃料の割合を多くし、自己着火し易く
して、安定した自己着火を行うことができる。請求項８
の発明によれば、ノッキングを検出した場合に、吸気行
程中の噴射量の割合を減少させることで、次サイクルか
ら比較的自己着火しにくくなり、ノッキングを回避でき
る。
【００１９】請求項９の発明によれば、ノッキングを検
出した場合に、火花点火の時期を遅角させることで、次
サイクルから比較的自己着火しにくくなり、ノッキング
を回避できる。請求項１０の発明によれば、燃焼不安定
を検出した場合に、吸気行程中の噴射量の割合を増加さ
せることで、次サイクルから自己着火し易くなり、燃焼
不安定を回避できる。
出した場合に、火花点火の時期を遅角させることで、次
サイクルから比較的自己着火しにくくなり、ノッキング
を回避できる。請求項１０の発明によれば、燃焼不安定
を検出した場合に、吸気行程中の噴射量の割合を増加さ
せることで、次サイクルから自己着火し易くなり、燃焼
不安定を回避できる。
【００２０】請求項１１の発明によれば、燃焼不安定を
検出した場合に、火花点火の時期を進角させることで、
次サイクルから自己着火し易くなり、燃焼不安定を回避
できる。
検出した場合に、火花点火の時期を進角させることで、
次サイクルから自己着火し易くなり、燃焼不安定を回避
できる。
【００２１】
【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
直噴火花点火圧縮自己着火式ガソリンエンジンのシステ
ム図である。シリンダ１、シリンダヘッド２及びピスト
ン３により画成される燃焼室４には、図示しないスロッ
トル弁の制御を受けた空気が、吸気通路を構成する吸気
マニフォルド５及び吸気ポート６より、吸気弁７の開時
に吸入される。
に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す
直噴火花点火圧縮自己着火式ガソリンエンジンのシステ
ム図である。シリンダ１、シリンダヘッド２及びピスト
ン３により画成される燃焼室４には、図示しないスロッ
トル弁の制御を受けた空気が、吸気通路を構成する吸気
マニフォルド５及び吸気ポート６より、吸気弁７の開時
に吸入される。
【００２２】シリンダヘッド２には、その中央部付近
に、高温の空気と燃料とを混合して得た高温混合気を燃
焼室４内に直接噴射することのできる混合気噴射弁８が
取付けられると共に、この混合気噴射弁８に隣接して燃
焼室４に臨む火花点火栓９が取付けられている。ここ
で、混合気噴射弁８に対しては、吸気通路のスロットル
弁上流側からエアポンプ１０により加圧して導いた空気
をヒータ１１により電気加熱して得た高温の空気を供給
する空気配管１２が接続されると共に、図示しない燃料
タンクから燃料ポンプ１３により加圧して導いた燃料を
供給する燃料配管１４が接続されている。
に、高温の空気と燃料とを混合して得た高温混合気を燃
焼室４内に直接噴射することのできる混合気噴射弁８が
取付けられると共に、この混合気噴射弁８に隣接して燃
焼室４に臨む火花点火栓９が取付けられている。ここ
で、混合気噴射弁８に対しては、吸気通路のスロットル
弁上流側からエアポンプ１０により加圧して導いた空気
をヒータ１１により電気加熱して得た高温の空気を供給
する空気配管１２が接続されると共に、図示しない燃料
タンクから燃料ポンプ１３により加圧して導いた燃料を
供給する燃料配管１４が接続されている。
【００２３】混合気噴射弁８は、図２に概略構造図を示
すように、前記空気配管１２が接続される混合気噴射弁
本体８ａと、これに対し斜めに取付けられて前記燃料配
管１４が接続される燃料噴射弁８ｂとを備え、前記本体
８ａの混合室８ｃに高温の空気を導入すると共に、燃料
噴射弁８ｂより燃料を噴射して、混合室８ｃ内で高温の
空気と燃料とを混合し、同時に燃料を気化させる。この
ようにして得た高温混合気はノズル部８ｄより燃焼室内
に噴射供給する。
すように、前記空気配管１２が接続される混合気噴射弁
本体８ａと、これに対し斜めに取付けられて前記燃料配
管１４が接続される燃料噴射弁８ｂとを備え、前記本体
８ａの混合室８ｃに高温の空気を導入すると共に、燃料
噴射弁８ｂより燃料を噴射して、混合室８ｃ内で高温の
空気と燃料とを混合し、同時に燃料を気化させる。この
ようにして得た高温混合気はノズル部８ｄより燃焼室内
に噴射供給する。
【００２４】図１に戻って、燃焼後の排気は、排気弁１
５の開時に、排気通路を構成する排気ポート１６及び排
気マニフォルド１７より排出される。また、排気マニフ
ォルド１７より排気の一部を吸気マニフォルド５に還流
するＥＧＲ通路１８が設けられ、このＥＧＲ通路１８に
はＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を調整可能なＥＧＲ制御弁１９
が介装されている。
５の開時に、排気通路を構成する排気ポート１６及び排
気マニフォルド１７より排出される。また、排気マニフ
ォルド１７より排気の一部を吸気マニフォルド５に還流
するＥＧＲ通路１８が設けられ、このＥＧＲ通路１８に
はＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を調整可能なＥＧＲ制御弁１９
が介装されている。
【００２５】エンジン制御用の電子制御装置（エンジン
コントロールユニット；以下ＥＣＵという）２０は、マ
イクロコンピュータを内蔵しており、これには、クラン
ク角センサ３１からのクランク角信号（これによりエン
ジン回転速度Ｎを検出可能）、アクセル開度センサ３２
からのアクセル開度信号（これによりエンジン負荷Ｔを
検出可能）、排気温度センサ３３からの排気温度信号、
ノッキングセンサ３４からのノッキング検出信号などが
入力されている。
コントロールユニット；以下ＥＣＵという）２０は、マ
イクロコンピュータを内蔵しており、これには、クラン
ク角センサ３１からのクランク角信号（これによりエン
ジン回転速度Ｎを検出可能）、アクセル開度センサ３２
からのアクセル開度信号（これによりエンジン負荷Ｔを
検出可能）、排気温度センサ３３からの排気温度信号、
ノッキングセンサ３４からのノッキング検出信号などが
入力されている。
【００２６】ＥＣＵ２０は、これらの入力信号に基づい
て、混合気噴射弁８、火花点火栓９、ＥＧＲ制御弁１９
の作動を制御する。特に、このエンジンでは、運転条件
に応じた燃焼制御を行うため、ＥＣＵ２０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
を備えると共に、その判断結果に従って燃焼パラメータ
を各燃焼形態にて最適となるように制御する燃料噴射量
制御部２２、燃料噴射時期制御部２３、点火時期制御部
２４、筒内温度制御のためのＥＧＲ率制御部２５を備え
ている。但し、これらはマイクロコンピュータのプログ
ラムとして実現される。
て、混合気噴射弁８、火花点火栓９、ＥＧＲ制御弁１９
の作動を制御する。特に、このエンジンでは、運転条件
に応じた燃焼制御を行うため、ＥＣＵ２０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
を備えると共に、その判断結果に従って燃焼パラメータ
を各燃焼形態にて最適となるように制御する燃料噴射量
制御部２２、燃料噴射時期制御部２３、点火時期制御部
２４、筒内温度制御のためのＥＧＲ率制御部２５を備え
ている。但し、これらはマイクロコンピュータのプログ
ラムとして実現される。
【００２７】次に、本実施形態での燃焼制御について説
明する。前記構成のもと、本実施形態では、エンジン回
転速度、負荷の運転条件に応じて、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おり、図３に示すよ
うに、エンジン回転速度Ｎと負荷Ｔとによる特定の運転
領域（低中回転・低中負荷領域）において圧縮自己着火
燃焼を行い、それ以外の運転領域においては火花点火燃
焼を行う。
明する。前記構成のもと、本実施形態では、エンジン回
転速度、負荷の運転条件に応じて、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おり、図３に示すよ
うに、エンジン回転速度Ｎと負荷Ｔとによる特定の運転
領域（低中回転・低中負荷領域）において圧縮自己着火
燃焼を行い、それ以外の運転領域においては火花点火燃
焼を行う。
【００２８】図４に圧縮自己着火燃焼時のクランク角度
に対する噴射時期及び点火時期と筒内圧及び熱発生率の
変化とを示す。また、図５に図４中の各タイミングでの
エンジンの状態を模式的に示す。圧縮自着火燃焼時に
は、吸気行程において、詳しくは吸気弁７の開弁時期Ｉ
ＶＯから吸気下死点ＢＤＣまでの間に、混合気噴射弁８
から高温の空気と燃料とを混合して得た高温混合気を噴
射し（吸気行程噴射）、この噴射期間中に、噴射された
高温混合気に対し火花点火栓９により比較的弱い点火エ
ネルギーで補助的な火花点火（補助点火）を行う（図５
（Ａ）参照）。
に対する噴射時期及び点火時期と筒内圧及び熱発生率の
変化とを示す。また、図５に図４中の各タイミングでの
エンジンの状態を模式的に示す。圧縮自着火燃焼時に
は、吸気行程において、詳しくは吸気弁７の開弁時期Ｉ
ＶＯから吸気下死点ＢＤＣまでの間に、混合気噴射弁８
から高温の空気と燃料とを混合して得た高温混合気を噴
射し（吸気行程噴射）、この噴射期間中に、噴射された
高温混合気に対し火花点火栓９により比較的弱い点火エ
ネルギーで補助的な火花点火（補助点火）を行う（図５
（Ａ）参照）。
【００２９】このような補助点火により燃料の一部を活
性化（燃料改質）するが、火炎伝播には至らせない。混
合気噴射弁８の場合はその内部で燃料の気化及び空気と
の混合が進んでいるため、噴射された混合気は既に十分
均質な混合気となっている。このため、噴射された混合
気に直接火花点火を行っても、ここで生じる燃料の酸化
反応はほとんど部分酸化反応（改質反応）までとなる。
性化（燃料改質）するが、火炎伝播には至らせない。混
合気噴射弁８の場合はその内部で燃料の気化及び空気と
の混合が進んでいるため、噴射された混合気は既に十分
均質な混合気となっている。このため、噴射された混合
気に直接火花点火を行っても、ここで生じる燃料の酸化
反応はほとんど部分酸化反応（改質反応）までとなる。
【００３０】このようにして活性化された燃料は、吸気
行程の進行と共に、筒内に拡散する（図５（Ｂ）参
照）。圧縮行程においては、混合気噴射弁８より、エン
ジン負荷に応じて少なくとも１回の追加の噴射（圧縮行
程噴射）を行う（図５（Ｃ）参照）。圧縮行程中に噴射
された燃料は、吸気行程中に噴射されて活性化し筒内に
拡散している燃料と混合し、ピストン３の圧縮作用によ
り、圧縮上死点ＴＤＣ近傍で、自己着火に至り、燃焼を
開始する（図５（Ｄ）参照）。
行程の進行と共に、筒内に拡散する（図５（Ｂ）参
照）。圧縮行程においては、混合気噴射弁８より、エン
ジン負荷に応じて少なくとも１回の追加の噴射（圧縮行
程噴射）を行う（図５（Ｃ）参照）。圧縮行程中に噴射
された燃料は、吸気行程中に噴射されて活性化し筒内に
拡散している燃料と混合し、ピストン３の圧縮作用によ
り、圧縮上死点ＴＤＣ近傍で、自己着火に至り、燃焼を
開始する（図５（Ｄ）参照）。
【００３１】燃料の活性化により自己着火し易い燃料成
分を多く含むため、燃料の着火性が向上し、自己着火燃
焼の運転領域を広げることができる。また、混合気噴射
弁８内で混合気を形成するのに必要な空気だけをヒータ
１１などを用いて高温とすればよいので、燃料活性化に
伴う損失の発生を低減できる。ここで、圧縮自己着火燃
焼においては、エンジン回転が高い程、また負荷が小さ
い程自己着火しにくい。従って、図６に示すように、エ
ンジン回転速度Ｎが大きい程、また負荷Ｔが小さい程、
全噴射量に対する吸気行程噴射量（活性化燃料）の割合
を大きくして、自己着火を起こし易くする。
分を多く含むため、燃料の着火性が向上し、自己着火燃
焼の運転領域を広げることができる。また、混合気噴射
弁８内で混合気を形成するのに必要な空気だけをヒータ
１１などを用いて高温とすればよいので、燃料活性化に
伴う損失の発生を低減できる。ここで、圧縮自己着火燃
焼においては、エンジン回転が高い程、また負荷が小さ
い程自己着火しにくい。従って、図６に示すように、エ
ンジン回転速度Ｎが大きい程、また負荷Ｔが小さい程、
全噴射量に対する吸気行程噴射量（活性化燃料）の割合
を大きくして、自己着火を起こし易くする。
【００３２】また、補助点火時期ＩＧＴは、進角側で点
火した方が、燃料活性化の時間が長くなり、自己着火し
易くなる。従って、図７に示すように、エンジン回転速
度Ｎが大きい程、また負荷Ｔが小さい程、補助点火時期
ＩＧＴを進角し、自己着火を起こし易くする。この場
合、混合気噴射弁８による高温混合気の噴射期間中に火
花点火を行うことが望ましいので、補助点火時期ＩＧＴ
の変更に合わせて、吸気行程噴射時期を変更するのが望
ましい。
火した方が、燃料活性化の時間が長くなり、自己着火し
易くなる。従って、図７に示すように、エンジン回転速
度Ｎが大きい程、また負荷Ｔが小さい程、補助点火時期
ＩＧＴを進角し、自己着火を起こし易くする。この場
合、混合気噴射弁８による高温混合気の噴射期間中に火
花点火を行うことが望ましいので、補助点火時期ＩＧＴ
の変更に合わせて、吸気行程噴射時期を変更するのが望
ましい。
【００３３】以上に基づいて行われる本発明での燃焼制
御の流れを図８のフローチャートにより説明する。Ｓ１
では、エンジン回転速度Ｎ、負荷Ｔを検出する。Ｓ２で
は、図３のマップに基づき、エンジン回転速度Ｎと負荷
Ｔとから、火花点火燃焼運転領域であるか、圧縮自己着
火燃焼運転領域であるか、燃焼形態を判断する。火花点
火燃焼を行うと判断された場合は、Ｓ３に進み、通常の
火花点火燃焼の制御を行う。
御の流れを図８のフローチャートにより説明する。Ｓ１
では、エンジン回転速度Ｎ、負荷Ｔを検出する。Ｓ２で
は、図３のマップに基づき、エンジン回転速度Ｎと負荷
Ｔとから、火花点火燃焼運転領域であるか、圧縮自己着
火燃焼運転領域であるか、燃焼形態を判断する。火花点
火燃焼を行うと判断された場合は、Ｓ３に進み、通常の
火花点火燃焼の制御を行う。
【００３４】一方、圧縮自己着火燃焼を行うと判断され
た場合は、Ｓ４〜Ｓ１４に示す圧縮自己着火燃焼の制御
を行う。以下、この圧縮自己着火燃焼の制御について説
明する。Ｓ４では、マップ（図示せず）に基づき、エン
ジン回転速度Ｎと負荷Ｔとから、ＥＧＲガスにより筒内
温度を適度に昇温させるためのＥＧＲ率を算出する。
た場合は、Ｓ４〜Ｓ１４に示す圧縮自己着火燃焼の制御
を行う。以下、この圧縮自己着火燃焼の制御について説
明する。Ｓ４では、マップ（図示せず）に基づき、エン
ジン回転速度Ｎと負荷Ｔとから、ＥＧＲガスにより筒内
温度を適度に昇温させるためのＥＧＲ率を算出する。
【００３５】Ｓ５では、マップ（図示せず）に基づき、
ＥＧＲ率と、実際に検出した排気温度とから、ＥＧＲ制
御弁開度を算出し、制御する。ここで、目標とするＥＧ
Ｒ率が大きくなるほど、ＥＧＲ制御弁開度を大きくする
ことは当然であるが、排気温度により筒内温度を間接的
に検出し、排気温度が低くなるに従って、筒内温度上昇
のためＥＧＲ制御弁開度を大側に補正する。但し、ＥＧ
Ｒ率による燃焼時期制御を行わない場合はこれらＳ４、
Ｓ５は省略される。
ＥＧＲ率と、実際に検出した排気温度とから、ＥＧＲ制
御弁開度を算出し、制御する。ここで、目標とするＥＧ
Ｒ率が大きくなるほど、ＥＧＲ制御弁開度を大きくする
ことは当然であるが、排気温度により筒内温度を間接的
に検出し、排気温度が低くなるに従って、筒内温度上昇
のためＥＧＲ制御弁開度を大側に補正する。但し、ＥＧ
Ｒ率による燃焼時期制御を行わない場合はこれらＳ４、
Ｓ５は省略される。
【００３６】Ｓ６では、吸気行程噴射量ｑ１及び圧縮行
程噴射量ｑ２を算出する。詳しくは、先ず、図６のマッ
プに基づき、エンジン回転速度Ｎと負荷Ｔとから、全噴
射量ｑに対する吸気行程噴射量の割合Ｍを算出する。こ
こで、吸気行程噴射量の割合Ｍは、高回転、低負荷にな
るにつれて大きく設定される。そして、吸気行程噴射量
ｑ１＝全噴射量ｑ×Ｍ、圧縮行程噴射量ｑ２＝全噴射量
ｑ×（１−Ｍ）として、算出する。尚、全噴射量ｑは吸
入空気量、エンジン回転速度、目標空燃比等から周知の
方法で算出される。
程噴射量ｑ２を算出する。詳しくは、先ず、図６のマッ
プに基づき、エンジン回転速度Ｎと負荷Ｔとから、全噴
射量ｑに対する吸気行程噴射量の割合Ｍを算出する。こ
こで、吸気行程噴射量の割合Ｍは、高回転、低負荷にな
るにつれて大きく設定される。そして、吸気行程噴射量
ｑ１＝全噴射量ｑ×Ｍ、圧縮行程噴射量ｑ２＝全噴射量
ｑ×（１−Ｍ）として、算出する。尚、全噴射量ｑは吸
入空気量、エンジン回転速度、目標空燃比等から周知の
方法で算出される。
【００３７】但し、前サイクルのルーチンにおいて、後
述するＳ１２又はＳ１４にて吸気行程噴射量の割合を減
少又は増加すべきとの指令がある場合は、前記割合Ｍは
マップ値を補正して用いる。Ｓ７では、図７のマップに
基づき、エンジン回転速度Ｎと負荷Ｔとから、補助点火
時期ＩＧＴを算出する。ここで、補助点火時期ＩＧＴ
は、高回転、低負荷になるにつれて進角側に設定され
る。
述するＳ１２又はＳ１４にて吸気行程噴射量の割合を減
少又は増加すべきとの指令がある場合は、前記割合Ｍは
マップ値を補正して用いる。Ｓ７では、図７のマップに
基づき、エンジン回転速度Ｎと負荷Ｔとから、補助点火
時期ＩＧＴを算出する。ここで、補助点火時期ＩＧＴ
は、高回転、低負荷になるにつれて進角側に設定され
る。
【００３８】但し、前サイクルのルーチンにおいて、後
述するＳ１２又はＳ１４にて補助点火時期を遅角又は進
角すべきとの指令がある場合は、補助点火時期ＩＧＴの
補正を行う。Ｓ８では、吸気行程噴射を実行する。すな
わち、吸気行程中の所定の噴射時期又は補助点火時期Ｉ
ＧＴに合わせて設定された噴射時期において、混合気噴
射弁８により、Ｓ６で設定された吸気行程噴射量ｑ１分
の燃料噴射（混合気噴射）を行う。
述するＳ１２又はＳ１４にて補助点火時期を遅角又は進
角すべきとの指令がある場合は、補助点火時期ＩＧＴの
補正を行う。Ｓ８では、吸気行程噴射を実行する。すな
わち、吸気行程中の所定の噴射時期又は補助点火時期Ｉ
ＧＴに合わせて設定された噴射時期において、混合気噴
射弁８により、Ｓ６で設定された吸気行程噴射量ｑ１分
の燃料噴射（混合気噴射）を行う。
【００３９】Ｓ９では、吸気行程中の補助点火を実行す
る。すなわち、吸気行程中、特に混合気噴射弁８による
吸気行程噴射中に、Ｓ７で設定された補助点火時期ＩＧ
Ｔにおいて、火花点火栓９により、火花点火を行う。Ｓ
１０では、圧縮行程噴射を実行する。すなわち、圧縮行
程中の所定の噴射時期において、混合気噴射弁８によ
り、Ｓ６で設定された圧縮行程噴射量ｑ２分の燃料噴射
（混合気噴射）を行う。
る。すなわち、吸気行程中、特に混合気噴射弁８による
吸気行程噴射中に、Ｓ７で設定された補助点火時期ＩＧ
Ｔにおいて、火花点火栓９により、火花点火を行う。Ｓ
１０では、圧縮行程噴射を実行する。すなわち、圧縮行
程中の所定の噴射時期において、混合気噴射弁８によ
り、Ｓ６で設定された圧縮行程噴射量ｑ２分の燃料噴射
（混合気噴射）を行う。
【００４０】Ｓ１１では、ノッキングセンサの信号に基
づいて、ノッキングの有無を判定する（この部分がノッ
キング検出手段に相当する）。ノッキングを検出した場
合は、Ｓ１２へ進み、次サイクルでの吸気行程噴射量の
割合Ｍを減少させるか、次サイクルでの補助点火時期Ｉ
ＧＴを遅角させるか、少なくとも一方を行うようにし、
自己着火を比較的起こしにくくして、ノッキングを回避
する。
づいて、ノッキングの有無を判定する（この部分がノッ
キング検出手段に相当する）。ノッキングを検出した場
合は、Ｓ１２へ進み、次サイクルでの吸気行程噴射量の
割合Ｍを減少させるか、次サイクルでの補助点火時期Ｉ
ＧＴを遅角させるか、少なくとも一方を行うようにし、
自己着火を比較的起こしにくくして、ノッキングを回避
する。
【００４１】ノッキング無しの場合は、Ｓ１３へ進む。
Ｓ１３では、クランク角センサの信号より回転変動を検
出し、これに基づいて燃焼安定性を判定する（この部分
が燃焼安定度検出手段に相当する）。燃焼不安定を検出
した場合は、Ｓ１４へ進み、次サイクルでの吸気行程噴
射量の割合Ｍを増加させるか、次サイクルでの補助点火
時期ＩＧＴを進角させるか、少なくとも一方を行うよう
にし、自己着火を起こし易くして、燃焼不安定を回避す
る。
Ｓ１３では、クランク角センサの信号より回転変動を検
出し、これに基づいて燃焼安定性を判定する（この部分
が燃焼安定度検出手段に相当する）。燃焼不安定を検出
した場合は、Ｓ１４へ進み、次サイクルでの吸気行程噴
射量の割合Ｍを増加させるか、次サイクルでの補助点火
時期ＩＧＴを進角させるか、少なくとも一方を行うよう
にし、自己着火を起こし易くして、燃焼不安定を回避す
る。
【００４２】このように制御することで、ノッキングの
発生や燃焼安定性の悪化を防止しつつ、安定した自己着
火燃焼を実現できる。尚、本実施形態では、混合気噴射
弁８への空気配管１２に電気ヒータを装着することによ
り高温の空気を得ているが、高温の空気を得る方法はこ
れに限るものではなく、電気ヒータ以外の他の加熱手段
を用いてもよいし、加熱位置も混合気噴射弁８により近
づけるなどしてもよい。
発生や燃焼安定性の悪化を防止しつつ、安定した自己着
火燃焼を実現できる。尚、本実施形態では、混合気噴射
弁８への空気配管１２に電気ヒータを装着することによ
り高温の空気を得ているが、高温の空気を得る方法はこ
れに限るものではなく、電気ヒータ以外の他の加熱手段
を用いてもよいし、加熱位置も混合気噴射弁８により近
づけるなどしてもよい。
【図１】 本発明の一実施形態を示すエンジンのシステ
ム図
ム図
【図２】 混合気噴射弁の概略構造図
【図３】 圧縮自己着火燃焼を行う運転領域を示す図
【図４】 圧縮自己着火燃焼の制御の説明図
【図５】 図４中の各タイミングでのエンジンの状態を
示す模式図
示す模式図
【図６】 回転速度及び負荷に対する吸気行程噴射量の
割合の特性図
割合の特性図
【図７】 回転速度及び負荷に対する補助点火時期の特
性図
性図
【図８】 燃焼制御のフローチャート
４ 燃焼室
７ 吸気弁
８ 混合気噴射弁
８ａ 混合気噴射弁本体
８ｂ 燃料噴射弁
８ｃ 混合室
８ｄ ノズル部
９ 火花点火栓
１０ エアポンプ
１１ ヒータ
１２ 空気配管
１３ 燃料ポンプ
１４ 燃料配管
２０ ＥＣＵ
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｆ０２Ｄ 41/38 Ｆ０２Ｄ 41/38 Ｄ
45/00 ３６２ 45/00 ３６２Ｊ
３６８ ３６８Ａ
Ｆ０２Ｍ 45/02 Ｆ０２Ｍ 45/02
53/00 53/00 Ｊ
61/14 ３１０ 61/14 ３１０Ｓ
67/02 67/02
69/04 69/04 Ｇ
Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｄ
5/152 Ｃ
5/153
(72)発明者 小松 浩幸
神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産
自動車株式会社内
(72)発明者 飯山 明裕
神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産
自動車株式会社内
Ｆターム(参考） 3G022 CA09 DA01 DA02 EA02 EA07
FA06 GA01 GA05 GA08 GA10
3G023 AA00 AA02 AB06 AC01 AD03
AF01 AG01 AG03 AG05
3G066 AA02 AA07 AB02 AD12 BA01
BA14 BA21 BA22 CC46 CC63
CD22 CD25 CD26 DA01 DA04
DA09 DB09 DB13 DC00 DC01
DC04 DC05 DC09 DC13
3G084 AA01 BA13 BA15 BA17 BA20
CA09 DA00 DA02 DA11 EB08
EB11 FA10 FA25 FA27 FA34
FA37 FA38
3G301 HA01 HA02 HA04 HA16 JA02
JA04 JA22 KA06 KA08 KA09
KA23 KA24 KA25 LA00 LA01
LB04 LB11 MA11 MA15 MA18
MA23 NA08 NC02 ND01 NE01
NE06 NE11 NE12 PC08A
PC08Z PD11Z PD15A PD15Z
PE01Z PE03Z PE09A PF03Z
Claims (11)
- 【請求項１】高温の空気と燃料とを混合して得た高温混
合気を燃焼室内に直接噴射する混合気噴射弁と、燃焼室
に臨んで配設される火花点火栓と、を備え、 前記混合気噴射弁による高温混合気の噴射と前記火花点
火栓による火花点火との両方を吸気行程中に実行するこ
とを特徴とする自己着火式エンジン。 - 【請求項２】前記混合気噴射弁と前記火花点火栓とを互
いに隣接して配置すると共に、前記混合気噴射弁による
高温混合気の噴射期間中に前記火花点火栓による火花点
火を実行することを特徴とする請求項１記載の自己着火
式エンジン。 - 【請求項３】前記混合気噴射弁による吸気行程中の噴射
の他に、エンジン負荷に応じて圧縮行程中に少なくとも
１回の追加の噴射を行うことを特徴とする請求項１又は
請求項２記載の自己着火式エンジン。 - 【請求項４】全噴射量に対する吸気行程中の噴射量の割
合を、エンジン負荷が大きい程小さくすることを特徴と
する請求項３記載の自己着火式エンジン。 - 【請求項５】全噴射量に対する吸気行程中の噴射量の割
合を、エンジン回転速度が大きい程大きくすることを特
徴とする請求項３又は請求項４記載の自己着火式エンジ
ン。 - 【請求項６】前記火花点火の時期は、エンジン負荷が大
きい程遅角することを特徴とする請求項１〜請求項５の
いずれか１つに記載の自己着火式エンジン。 - 【請求項７】前記火花点火の時期は、エンジン回転速度
が大きい程進角することを特徴とする請求項１〜請求項
６のいずれか１つに記載の自己着火式エンジン。 - 【請求項８】ノッキング検出手段を備え、該ノッキング
検出手段がノッキングを検出した場合に、前記吸気行程
中の噴射量の割合を減少させることを特徴とする請求項
３〜請求項５のいずれか１つに記載の自己着火式エンジ
ン。 - 【請求項９】ノッキング検出手段を備え、該ノッキング
検出手段がノッキングを検出した場合に、前記火花点火
の時期を遅角させることを特徴とする請求項１〜請求項
８のいずれか１つに記載の自己着火式エンジン。 - 【請求項１０】燃焼安定度検出手段を備え、該燃焼安定
度検出手段が燃焼不安定を検出した場合に、前記吸気行
程中の噴射量の割合を増加させることを特徴とする請求
項３〜請求項５のいずれか１つに記載の自己着火式エン
ジン。 - 【請求項１１】燃焼安定度検出手段を備え、該燃焼安定
度検出手段が燃焼不安定を検出した場合に、前記火花点
火の時期を進角させることを特徴とする請求項１〜請求
項１０のいずれか１つに記載の自己着火式エンジン。
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