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JP4425445B2 - 自着火式エンジン - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、予混合気を多点着火させる自着火式エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、排出ガス清浄化の一環として、例えばガソリンエンジンでは、火花点火による運転だけでなく、運転領域によっては圧縮熱による自着火運転をも行なわせる技術が種々検討されている。この種の自着火式ガソリンエンジンでは、排出ガス中のＮＯｘの発生量が大幅に低減されるものの、自着火による燃焼であるため、通常の火花点火式ガソリンエンジンのように、着火時期を積極的に制御することが困難である。
【０００３】
従来、この種の自着火式ガソリンエンジンとして、特開平１１−２１０５３９号公報に開示されているようなものがある。この公報に開示されている自着火式ガソリンエンジンでは、燃焼室内のガス温度（混合気温度）が自着火を生じる温度よりも若干低い自着火不能領域に設定し、この領域で、火花点火により混合気に着火させることで、点火プラグ周りの混合気の燃焼により筒内圧を上昇させて、燃焼室内のガス温全体を上昇させることで、混合気全体を多点着火させる技術が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記公報に開示されている自着火式エンジンのように、点火プラグによる点火タイミングにて自着火時期を制御しようとする場合、混合気温度を点火による自着火不能温度範囲に収まるように制御しなければならず、例えば混合気温度が点火によらない自着火可能温度まで上昇した場合には、早期着火によりノッキングが発生し、一方、混合気温度が点火にる自着火可能温度以下となった場合は、失火を招いてしまうため、混合気温度の管理が難しく、しかも、混合気温度を急変させることができないため、安定した燃焼状態を得ることが困難である。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑み、管理の困難な混合気温度の管理を補う形で燃料噴射時期制御を加えることで、自着火運転領域において安定した燃焼状態を得ることのできる自着火式エンジンを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明による自着火式エンジンは、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射手段と、上記燃料噴射手段から噴射された燃料が蒸発して形成した予混合気を多点着火させる自着火可能温度まで昇温させる昇温手段と、上記自着火運転領域での燃料の噴射開始時期を設定する噴射時期制御手段とを備え、上記噴射時期制御手段では、１回目の燃料噴射を吸気行程中に設定し、２回目の燃料噴射を高負荷運転時は圧縮行程後半に設定し、低負荷運転時は膨脹行程前半に設定することを特徴とする。
【０００９】
このような構成では、燃料噴射手段から燃焼室内に直接噴射された燃料が蒸発して形成した予混合気を多点着火させる自着火運転領域では、昇温手段により混合気温度を自着火可能温度まで昇温させると共に、噴射時期制御手段により、１回目の燃料噴射を吸気行程中に設定し、２回目の燃料噴射を高負荷運転時は圧縮行程後半に設定し、低負荷運転時は膨脹行程前半に設定する。
【００１０】
この場合、好ましくは、１）上記昇温手段は排気行程終期から吸気行程初期にかけて吸排気バルブを閉弁動作させる可変バルブタイミング機構を備えることを特徴とする。
【００１１】
２）上記噴射時期制御手段では、エンジン運転状態に応じて燃料の噴射開始時期を可変設定することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の参考例及び一実施の形態を説明する。図１〜図８に本発明の参考例を示す。図１には自着火式エンジンの全体構成図が示されている。
【００１３】
同図の符号１はエンジン本体、２はピストン、３は燃焼室、４は吸気ポート、５は排気ポート、６は吸気弁、７は排気弁であり、吸気ポート４に連通する吸気通路８にスロットル弁９が介装されている。
【００１４】
又、燃焼室３の頂面中央に燃料噴射手段としての筒内噴射用インジェクタ１１の噴孔が臨まされており、この筒内噴射用インジェクタ１１の噴射方向に対設するピストン２の頂面に湾曲凹面状のピストンキャビティ２ａが形成されている。更に、燃焼室３の一側に点火プラグ１２の発火部が臨まされている。
【００１５】
又、吸気弁６と排気弁７とを開閉駆動する吸気カム１３ａ、排気カム１３ｂが可変バルブタイミング（ＶＶＴ）機構１４ａ，１４ｂに連設されている。このＶＶＴ機構１４ａ，１４ｂは、油圧ソレノイド（或いは電磁ソレノイド）等のアクチュエータにより、吸気カム１３ａ或いは排気カム１３ｂの回転位相を変えて、吸気弁６或いは排気弁７の開閉タイミングを可変制御するもので、ソレノイドバルブ等のアクチュエータ１５から出力される作動圧（或いは作動信号）等により、各々制御動作される。
【００１６】
尚、符号１６はノックセンサ、１７は水温センサ、１８はＯ2センサである。
【００１７】
これら各センサで検出した信号は電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０に入力される。電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０は、ＣＰＵ２１、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３、入力ポート２４、出力ポート２５等からなるマイクロコンピュータを中心として構成され、これらが双方向性バス２６によって相互に接続されている。
【００１８】
入力ポート２４には、上記各センサ類以外に、設定クランク角度毎にクランクパルスを発生するクランク角センサ３１が接続されていると共に、アクセルペダル３２の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ３３がＡ／Ｄ変換器３４を介して接続されている。
【００１９】
又、出力ポート２５が駆動回路３５を介して筒内噴射用インジェクタ１１に接続されていると共に、アクチュエータ駆動回路３６ａ，３６ｂを介して、ＶＶＴ機構１４ａ，１４ｂを個別に動作させるアクチュエータ１５に接続されている。
【００２０】
本参考例では、図３に示すように、運転領域を、エンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷Ｌｏとをパラメータとして、アイドリング運転時及び低回転低負荷態の荷運転領域Ｉと、自着火可能な運転領域IIと、それ以外の運転領域IIIとに区分し、運転領域Ｉ，IIIのバルブタイミングを、図２（ａ）に示すように、排気行程終期から吸気行程初期にかけて両弁７，８が共に開弁する正のオーバラップ期間を形成するように制御し、運転領域IIでは、同図（ｂ）に示すように、排気行程終期から吸気行程初期にかけて両弁７，８が共に閉弁する負のオーバラップ期間を形成するように制御する。
【００２１】
そして、燃焼形態を、運転領域Ｉでは成層燃焼制御を行い、運転領域IIでは自着火燃焼制御を行い、運転領域IIIでは均一燃焼制御を行う。
【００２２】
成層燃焼制御では、圧縮行程後期等の比較的遅い時期にピストン２に形成したピストンキャビティ２ａに向けて筒内噴射用インジェクタ１１から燃料を噴射し、この噴射された燃料をピストンキャビティ２ａの湾曲凹面に沿って上昇させて、点火プラグ１２の発火部周りに比較的リッチな燃料混合気を集めて、良好な点火性を得る。
【００２３】
均一燃焼制御では、吸気行程初期等の比較的早期に筒内噴射用インジェクタ１１から燃焼室３内に燃料を噴射し、噴射された燃料と新気との混合を促進して、点火プラグ１２による点火の際には、均質化された燃料混合気を生成する。
【００２４】
一方、運転領域IIでは、吸気弁６と排気弁７とを共に閉弁する負のオーバラップ期間（図２(b)参照）中、或いは吸気行程から圧縮行程前半にかけてインジェクタ１１から燃料を噴射することで、燃焼室３のガス温度が自着火可能温度に達する前に均一予混合気を生成させ、自着火温度に達したとき、燃焼室３内の混合気が一斉に着火して火炎が伝播しない燃焼、いわば無限数の点火プラグを配したような多点着火燃焼を実現させる。
【００２５】
すなわち、運転領域IIでは、吸気弁６と排気弁７とを共に閉弁する負のオーバラップ期間中に、燃焼室３内に閉じこめられた残留ガスがピストン２の上昇により予圧昇温され、その後の吸気行程において吸入された新規が残留ガスにより昇温されると共に、この新規はその後の圧縮行程によっても昇温されて、自着火可能温度に達する。
【００２６】
自着火燃焼による混合気の燃焼温度は１８００℃程度で、通常の点火による燃焼に比し２００℃程度低く、又、混合気が一斉に着火するため急速低温燃焼が可能となる。その結果、低温燃焼であるためＮＯｘの排出量が低減され、しかも一斉に着火するため熱効率が良くなり、その分、希薄燃焼が可能となり、直噴ディーゼルエンジン並の燃費を確保しながら、排気ガスを本質的にクリーンな状態とすることができる。
【００２７】
尚、燃料としては、セタン価の低いガソリンやメタノールを採用している。このようなセタン価の低い燃料であっても、例えばガソリンでは、燃焼室３内のガス温度が約９００℃を越えると燃料が自着火することが知られており、本参考例では、残留ガスを予圧した際の昇温と、通常の圧縮比とを昇温手段とし、これらの関数でガス温度が自着火可能温度に達するように設定している。
【００２８】
すなわち、理論熱効率ηthは、定容サイクルの場合、下式に示す通りとなる。
ηth＝１−（１／εκ−１）
ここで、ε：圧縮比、κ：比熱比である。
【００２９】
従って、残留ガスの予圧昇温により比熱比κを高めることで、圧縮比εを、大幅に高めることなく実用範囲内で、ガス温度を自着火可能温度まで高めることが可能となる。ちなみに、本参考例では、圧縮比を１４〜２０の間で設定している。
【００３０】
この場合、図８に実線で示すように、燃焼の極大値を圧縮上死点を過ぎた当たりに設定することが、ノッキングの発生しない理想的な燃焼とされており、そのときの自着火時期は、必然的に圧縮行程終了直前となる。電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０では、燃料噴射時期の制御により、予混合気の自着火時期を制御するようにしている。
【００３１】
具体的には、図４、図５に示すフローチャートに従って処理される。図４には燃焼形態設定ルーチンが示されている。このルーチンでは、先ず、ステップＳ１で、運転領域をエンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷Ｌｏ等のエンジンの運転状態を検出するパラメータに基づき、図３に示すマップを参照して決定する。
【００３２】
そして、運転状態が、運転領域Ｉのアイドリング運転を含む低回転低負荷状態にあると判定したときは、ステップＳ２へ進み、ＶＶＴ機構１４ａ，１４ｂにより、吸気弁６、排気弁７が排気行程終期から吸気行程初期にかけて共に開弁する正のオーバラップ（図２(a)参照）が形成されるように、吸気カム１３ａ及び排気カム１３ｂの回転位相を変える駆動信号をアクチュエータ１５へ出力し、ステップＳ３へ進み、燃焼形態を点火プラグ１２の点火による成層燃焼制御に設定してルーチンを抜ける。
【００３３】
尚、成層燃焼制御時の燃料噴射タイミングは公知のものが採用されているため、ここでの説明は省略する。
【００３４】
一方、運転状態が、運転領域IIIにあるときは、ステップＳ４へ進み、ステップＳ２と同様、ＶＶＴ機構１４ａ，１４ｂにより、吸気弁６、排気弁７が排気行程終期から吸気行程初期にかけて共に開弁する正のオーバラップ（図２(a)参照）が形成されるように、吸気カム１３ａ及び排気カム１３ｂの回転位相を変える駆動信号をアクチュエータ１５へ出力し、ステップＳ４へ進み、燃焼形態を点火プラグ１２の点火による均一燃焼制御に設定してルーチンを抜ける。
【００３５】
尚、均一燃焼制御時の燃料噴射タイミングは公知のものが採用されているため、ここでの説明は省略する。
【００３６】
又、運転状態が、運転領域IIの自着火可能領域にあるときは、ステップＳ６へ進み、ＶＶＴ機構１４ａ，１４ｂにより、吸気弁６、排気弁７が排気行程終期から吸気行程初期にかけて共に閉弁する負のオーバラップ（図２(a)参照）が形成されるように、吸気カム１３ａ及び排気カム１３ｂの回転位相を変える駆動信号をアクチュエータ１５へ出力し、ステップＳ７へ進み、燃焼形態を自着火燃焼制御に設定してルーチンを抜ける
図４の燃焼形態設定ルーチンで自着火燃焼が選択されると、図５に示す自着火燃焼時噴射制御ルーチンが起動され、先ず、ステップＳ１１で、エンジン負荷Ｌｏとエンジン回転数Ｎｅ等のエンジン運転状態を検出するパラメータに基づき運転状態を判定し、低負荷運転のときは、ステップＳ１２へ進み、吸気行程噴射制御を実行して、ルーチンを抜ける。一方、高負荷運転のときは、ステップＳ１３へ進み、圧縮行程前半噴射制御を実行してルーチンを抜ける。
【００３７】
ステップＳ１２で吸気行程噴射制御が実行されると、燃料噴射対象気筒のピストン２が吸気行程前半の設定クランク角に到達したとき、噴射開始信号を出力する（図６参照）。
【００３８】
低負荷運転時の燃料噴射開始時期を吸気行程前半に設定することで、噴射された燃料の全てが蒸発して、自着火時期までに充分な予混合気を生成することができ、自着火が促進される。この場合、燃料噴射開始時期は、図７に示すように、吸気行程時のピストン２の頂面に対して燃料噴霧の先端が、ピストン頂部に付着すること無く、ピストン２を追いかけるような状態となるタイミングで設定されることが望ましく、本参考例では、排気上死点後６０°ＣＡ付近に設定されている。
【００３９】
ピストン２の下降動作に対して燃料噴霧の先端が、ピストン頂部に付着すること無く、ピストン２を追いかけるような状態で噴射させることで、燃料が効率よく拡散され、燃焼室３内に均質な予混合気が生成される。
【００４０】
この場合、同図に、例えば一点鎖線で示すような吸気行程末期付近で燃料を噴射した場合、圧縮行程時のピストン２の上昇により燃焼室３内のガスが圧縮されるため、筒内噴射用インジェクタ１１から噴射された燃料は充分に拡散されず、均質化された予混合気を得ることが困難である。又、吸気行程初期に燃料を噴射した場合、噴射燃料がピストン２の頂面に衝突して滴下されるため、全ての燃料を蒸発させることが難しい。
【００４１】
又、ステップＳ１３で圧縮行程前半噴射制御が実行されると、燃料噴射対象気筒のピストン２が圧縮行程前半の設定クランク角に到達したとき、噴射開始信号を出力する。
【００４２】
高負荷運転時の燃料噴射開始時期を圧縮行程前半に設定することで、一部の燃料のみが予混合気を形成し、残りの燃料は燃料液滴の形で燃焼室３内に分散されるため、予混合気が自着火することにより、これが熱源となって燃料液滴から蒸発する燃料が順次燃焼することで、図８に一点鎖線で示すような過早着火が抑制され、同図に実線で示す燃焼位置で自着火燃焼させることができる。尚、本参考例では、燃料噴射開始時期を排気上死点後２４０°ＣＡ付近に設定している。
【００４３】
この場合、燃料噴射開始時期は、予め運転状態毎に設定した可変値であっても良い。
【００４４】
このように、本参考例では、運転状態に応じて燃料噴射時期を可変設定することで、最適な自着火燃焼を実現し、自着火可能領域において、安定した燃焼を得ることができる。又、運転領域II（自着火可能領域）では、排気行程終期から吸気行程初期にかけて両弁７，８が共に閉弁して、残留ガスを予圧昇温する負のオーバラップ期間を形成するようにしたので、高い比熱比を得ることができ、燃焼室３のガス温度を自着火可能温度まで容易に上昇させることが可能となり、燃焼室３の温度管理が容易になる。
【００４５】
又、図９〜図１１に本発明の実施の形態を示す。本実施の形態では、１サイクル中に燃料を２度噴射させて、自着火可能領域である運転領域IIを拡張するようにしたものである。
【００４６】
すなわち、参考例の図４に示す燃焼形態設定ルーチンで自着火燃焼制御が選択されると、図９に示す自着火燃焼時噴射制御ルーチンが起動され、先ず、ステップＳ２１で、燃料噴射対象気筒が吸気行程へ移行したか否かを調べ、吸気行程へ移行したとき、ステップＳ２２へ進み、１回目噴射制御を実行する。
【００４７】
この１回目噴射制御は、排気上死点を通過したときからのクランク角をカウントし、或いは経過時間を計時して、吸気行程前半の所定クランク角（本実施の形態では、６０°ＣＡ付近）に達したとき、燃料噴射を開始する。
【００４８】
１回目に噴射された燃料により、参考例と同様、燃焼室３のガス温度が自着火可能温度に達する前に均一予混合気が生成される。
【００４９】
そして、ステップＳ２３へ進み、エンジン負荷Ｌｏとエンジン回転数Ｎｅ等のエンジン運転状態を検出するバラメータに基づき運転状態を判定し、低負荷運転のときは、ステップＳ２４へ進み、燃料噴射対象気筒が膨張行程へ移行するまで待機し、膨張行程へ移行したとき、ステップＳ２５へ進み、２回目噴射制御を実行して、ルーチンを抜ける。
【００５０】
２回目噴射制御では、圧縮上死点を通過したときからのクランク角をカウントし、或いは経過時間を計時して、膨張行程前半の所定クランク角に達したとき、燃料噴射を開始する（図１０(b)参照）。
【００５１】
２回目噴射制御時の燃料噴射量は、１回目の燃料噴射量に比し少なく設定されており、本実施の形態では、１回目の燃料噴射量と２回目の燃料噴射量とを、７：３の割合に設定している。尚、空燃比Ａ／Ｆは、１回目と２回目の燃料噴射量の総和となる。
【００５２】
低負荷運転時の２回目の燃料噴射時期を膨張行程前半としたことで、排気ガス温度が上昇され、次回の吸気弁６と排気弁７とが排気行程終期から吸気行程初期にかけて共に閉弁する負のオーバラップ期間（図２(a)参照）における残留ガス温度がより昇温され、その分、高い比熱比が得られるため、次回の自着火燃焼が促進される。
【００５３】
又、ステップＳ２３で、高負荷運転と判断されて、ステップＳ２６へ進むと、燃料噴射対象気筒が圧縮行程へ移行するまで待機し、圧縮行程へ移行したとき、ステップＳ２７ヘ進み、２回目噴射制御を実行して、ルーチンを抜ける。
【００５４】
高負荷運転時の２回目噴射制御では、ビストン２が吸気行程下死点を通過したときからのクランク角をカウントし、或いは経過時間を計時して、圧縮行程後半の所定クランク角に達したとき、燃料噴射を開始する（図１０(a)参照）。
【００５５】
高負荷運転時の２回目の燃料噴射量は、低負荷運転時の燃料噴射量と同様の割合で設定されており、当然、空燃比Ａ／Ｆは、１回目と２回目の燃料噴射量の総和となる。
【００５６】
高負荷運転時に、２回目の燃料噴射時期を圧縮行程後半としたことで、自着火燃焼中の燃焼室３内に液滴状の燃料が分散され、この燃料液滴から蒸発する燃料が順次燃焼することで、過早着火が抑制され、理想的な自着火燃焼を得ることができる。
【００５７】
このように、１サイクル中の燃料噴射を２回に分散することで、低負荷運転時は、自着火燃焼の促進を図り、又、高負荷運転では自着火燃焼を抑制することで、過早着火を防止し、その結果、図１１に示すように、自着火可能領域である運転領域IIを、破線で示す参考例の領域から、その外側の運転領域IVの分だけ拡張することができ、より一層の燃費向上、及び排気エミッションの低減を実現することができるとともに、自着火可能領域において、安定した燃焼を得ることができる。
【００５８】
又、参考例と同様、運転領域II（自着火可能領域）では、排気行程終期から吸気行程初期にかけて両弁７，８が共に閉弁して、残留ガスを予圧昇温する負のオーバラップ期間を形成するようにしたので、比熱比が高くなり、燃焼室３のガス温度を自着火可能温度まで容易に上昇させることが可能となり、燃焼室３の温度管理が容易になる。
【００５９】
尚、本発明は、上述した各実施の形態に限るものではなく、例えば吸気弁６、排気弁７は電磁制御弁であっても良く、この場合、ＶＶＴ機構を用いることなく、各弁の開閉タイミングを可変制御することができる。
【００６０】
更に、排気通路に排気絞り弁を介装し、自着火可能領域では、排気行程後半において排気絞り弁により排気の一部を絞り、吸気行程初期において排気弁を開弁することで内部ＥＧＲを発生させるようにしても良い。この場合、負のオーバラップ期間を設ける必要が無くなる。
【００６１】
又、実施の形態における１回目の燃料噴射時期と２回目の燃料噴射時期は固定値であっても、運転パラメータに基づいて設定する可変値であっても良い。
【００６２】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、管理の困難な混合気温度の管理を補う形で燃料噴射時期制御を加えることで、自着火運転領域において安定した燃焼状態を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例による自着火式エンジンの全体構成図
【図２】同、吸気弁と排気弁との開弁期間の制御を示す説明図
【図３】同、運転領域を示す説明図
【図４】同、燃焼形態設定ルーチンを示すフローチャート
【図５】同、自着火燃焼時噴射制御ルーチンを示すフローチャート
【図６】同、燃料噴射時期を示す説明図
【図７】同、吸気行程時のピストン頂面と燃料噴射との関係を示す説明図
【図８】同、自着火燃焼時の燃焼圧力を示す説明図
【図９】本発明の実施の形態による自着火燃焼時噴射制御ルーチンを示す説明図
【図１０】同、（ａ）高負荷運転時の燃料噴射時期を示す説明図、（ｂ）低負荷運転時の燃料噴射時期を示す説明図
【図１１】同、運転領域を示す説明図

Claims (3)

  1. 燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射手段と、
    上記燃料噴射手段から噴射された燃料が蒸発して形成した予混合気を多点着火させる自着火可能温度まで昇温させる昇温手段と、
    上記自着火運転領域での燃料の噴射開始時期を設定する噴射時期制御手段とを備え、
    上記噴射時期制御手段では、１回目の燃料噴射を吸気行程中に設定し、２回目の燃料噴射を高負荷運転時は圧縮行程後半に設定し、低負荷運転時は膨脹行程前半に設定することを特徴とする自着火式エンジン。
  2. 上記昇温手段は排気行程終期から吸気行程初期にかけて吸排気バルブを閉弁動作させる可変バルブタイミング機構を備えることを特徴とする請求項１記載の自着火式エンジン。
  3. 上記噴射時期制御手段では、エンジン運転状態に応じて燃料の噴射開始時期を可変設定することを特徴とする請求項１記載の自着火式エンジン。
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