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JP2002004913A - 圧縮自己着火式内燃機関 - Google Patents

圧縮自己着火式内燃機関

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Publication number
JP2002004913A
JP2002004913A JP2000190692A JP2000190692A JP2002004913A JP 2002004913 A JP2002004913 A JP 2002004913A JP 2000190692 A JP2000190692 A JP 2000190692A JP 2000190692 A JP2000190692 A JP 2000190692A JP 2002004913 A JP2002004913 A JP 2002004913A
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JP
Japan
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fuel
combustion
injection
timing
fuel injection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2000190692A
Other languages
English (en)
Inventor
Yukihiro Yoshizawa
幸大 吉沢
Atsushi Terachi
淳 寺地
Hiroshi Miyakubo
博史 宮窪
Koji Hiratani
康治 平谷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2000190692A priority Critical patent/JP2002004913A/ja
Priority to EP01115304A priority patent/EP1167734B1/en
Priority to DE60114932T priority patent/DE60114932T2/de
Priority to US09/888,450 priority patent/US6636797B2/en
Publication of JP2002004913A publication Critical patent/JP2002004913A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 セタン価の低い燃料を用いた圧縮自己着火燃
焼が成立する運転領域を拡大し、燃費、エミッションを
改善する。 【解決手段】 点火プラグを備えた燃焼室に対し、直噴
型の燃料噴射装置を設け、低速低負荷側の所定の運転領
域では圧縮自己着火燃焼を行い、高回転、高負荷側で
は、火花点火燃焼を行うようにする。圧縮自己着火燃焼
の際には、１サイクル中の燃料噴射を２回に分けて行う
ようにし、１回目の噴射による予混合状態の混合気を、
２回目のトリガー燃料噴射による圧縮自己着火を利用し
て燃焼させる。１回目の燃料噴射では、目標とする燃焼
時期よりも早期に着火しない範囲でできるだけ多くの燃
料を噴射し、２回目の噴射は、上死点後に行う。急激な
燃焼による圧力上昇はノッキングを起こし、高負荷側の
制限となるので、ピストンの下降が開始する最適な時期
に燃焼が行われるように、噴射量および噴射時期を制御
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮自己着火式内
燃機関、特に複数回に分けて燃料噴射を行うようにした
圧縮自己着火式内燃機関に関する。
【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、燃料消費率の向上が可能である。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ができる。
【０００３】そして、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。
【０００４】また、高回転領域および高負荷領域では通
常の火花点火燃焼を行わせ、低回転低中負荷領域では上
記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、高回転高負荷時における高出力確
保と、低回転低中負荷時における燃料消費率向上および
ＮＯｘの低減と、の両立を図ることができる。
【０００５】このような観点から、燃料としてガソリン
を用いた圧縮自己着火式内燃機関が提案されており、例
えば特開平７−３３２１４１号公報には、ポート噴射に
よる均質予混合自己着火式内燃機関が開示されている。
【０００６】また、第２の従来例として、燃料の自己着
火性が高いディーゼルエンジン用の燃料を用い、１サイ
クル中に２回に分けて燃料噴射を行う技術が特開平１１
−７２０３８号公報に開示されている。この第２の従来
例では、燃料を２回に分けて噴射することによって、圧
縮自己着火燃焼の運転可能な負荷範囲拡大を狙ってい
る。
【０００７】さらに第３の従来例として、燃料噴射弁を
２つ設置し、吸気ポート噴射と筒内直接噴射とを組み合
わせた圧縮自己着火式内燃機関が特開平１０−２５２５
１２号公報に開示されている。この第３の従来例では、
ポート噴射する燃料量と筒内に直接噴射する燃料量とを
負荷に応じて変化させることによって、圧縮自己着火燃
焼の運転可能な負荷範囲拡大を狙っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平７−３３２１４１号公報に開示された第１の従来例
の圧縮自己着火式内燃機関にあっては、燃焼開始時期
が、ピストンの圧縮による温度ならびに圧力の変化によ
って発生するガソリンの予反応（低温酸化反応）速度に
支配される。このため、圧縮自己着火燃焼運転は、燃焼
開始時期が上死点付近となるごく限られた機関回転数お
よび負荷の範囲でしか成立し得ない。
【０００９】また、上記第２の従来例では、燃料の多く
を２回目に噴射しているため、燃料と空気が十分に予混
合されず、ＮＯｘが増加するという問題がある。また、
運転条件に応じて燃焼時期を最適に制御していないた
め、自己着火燃焼の運転範囲を十分に拡大することが困
難であり、燃費、排気の十分な改善効果を得られないと
いう問題点がある。
【００１０】さらに上記第３の従来例では、負荷が高負
荷になるにつれて筒内に噴射する燃料のみを増加してい
る。従って、高負荷では、燃料と空気が十分に予混合さ
れないため、ＮＯｘが増加するという問題がある。ま
た、運転条件に応じて燃焼時期を最適に制御していない
ため、自己着火燃焼の運転範囲を十分に拡大することが
困難であり、燃費、排気の十分な改善効果を得られない
という問題点がる。
【００１１】本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなさ
れたもので、その目的の一つは、機関の運転状態に応じ
て燃焼時期を最適に制御して、ノッキングおよび燃焼不
安定を回避しつつ、安定して自己着火燃焼を成立させ、
圧縮自己着火燃焼の運転範囲を高負荷側および低負荷側
あるいは低回転側および高回転側に拡大することのでき
る圧縮自己着火式ガソリン機関を提供することである。
【００１２】また本発明の他の目的は、圧縮自己着火燃
焼による運転範囲を拡大し、燃費、エミッションを改善
し、熱効率が高く排気がクリーンな内燃機関を提供する
ことにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１に係る発明は、筒内に直接燃料を噴射す
る直噴型の燃料噴射装置を備え、１サイクル中に２回以
上に分けて燃料噴射を行う圧縮自己着火式内燃機関にお
いて、１回の燃料噴射は燃焼が開始するトリガー噴射と
し、他の燃料噴射は上記トリガー噴射以前に行うことを
特徴としている。
【００１４】この内燃機関においては、圧縮自己着火運
転時において、燃料開始を制御するトリガー燃料噴射
と、燃料と空気の予混合状態を制御する燃料噴射群とに
分けて燃料を噴射する。これによって、圧縮自己着火燃
焼の燃焼時期を制御することができ、圧縮自己着火燃焼
運転の負荷範囲をより高負荷側に拡大することができ
る。
【００１５】また、請求項２に係る発明は、筒内に直接
燃料を噴射する直噴型の燃料噴射装置を備え、１サイク
ル中に３回以上に分けて燃料噴射を行う圧縮自己着火式
内燃機関において、１回の燃料噴射は燃焼が開始するト
リガー噴射とし、他の燃料噴射の中の少なくとも１つは
上記トリガー噴射以前に行い、残りの燃料噴射はトリガ
ー噴射以後に行うことを特徴としている。
【００１６】この請求項２の内燃機関においては、トリ
ガー噴射後から燃焼が開始する間にも燃料噴射が行われ
る。そのため、より多くの燃料を予混合状態で筒内に存
在させることができる。これにより、圧縮自己着火燃焼
運転の負荷範囲をより高負荷側に拡大することができ
る。
【００１７】請求項３に係る発明は、請求項１記載の圧
縮自己着火式内燃機関において、１サイクル中の燃料噴
射を２回とし、上記トリガー噴射は上死点近傍で行い、
他の燃料噴射時期をそれ以前とすることを特徴としてい
る。
【００１８】請求項４に係る発明は、請求項１〜３に記
載の圧縮自己着火式内燃機関において、上記燃料噴射に
用いる燃料は低セタン価の１種の燃料とすることを特徴
としている。
【００１９】例えば、ガソリン燃料が用いられる。これ
により、燃料を複数種使い分ける場合に比べて、システ
ムが簡素化される。
【００２０】請求項５に係る発明は、請求項３記載の圧
縮自己着火式内燃機関において、２回の燃料噴射におけ
る噴射時期および噴射量を運転条件により変えることを
特徴としている。これにより、各運転条件において、燃
焼時期が最適にコントロールされる。
【００２１】請求項６に係る発明は、請求項５記載の圧
縮自己着火式内燃機関において、上記トリガー噴射の噴
射時期は、負荷が高負荷になるほど遅角するように設定
されていることを特徴としている。
【００２２】これにより、圧縮自己着火運転時に、機関
の負荷が高負荷となるほど、燃焼時期が上死点から遅角
する。その結果、燃焼時の圧力上昇率を低減でき、急激
な燃焼の発生を防止できる。これは、ピストンが下降す
るときに燃焼が行われるため、ピストン下降に伴う圧力
低下によって、燃焼時の圧力上昇が抑制されるためであ
り、同じ負荷であれば、燃焼時期を上死点から遅角する
ほど、圧力上昇率は低下する。従って、ノッキングが抑
制され、圧縮自己着火燃焼が可能な負荷範囲をより高負
荷側に拡大することができる。
【００２３】請求項７に係る発明は、請求項５記載の圧
縮自己着火式内燃機関において、上記トリガー噴射の噴
射時期は、機関回転数が高回転になるほど遅角するよう
に設定されていることを特徴としている。
【００２４】これにより、圧縮自己着火運転時に、機関
回転数が高回転となるほど、燃焼時期が上死点から遅角
する。その結果、燃焼時の圧力上昇率を低減でき、急激
な燃焼の発生を防止できる。従って、ノッキングが抑制
され、圧縮自己着火燃焼が可能な回転数範囲をより高回
転側に拡大することができる。
【００２５】請求項８に係る発明は、請求項３〜７に記
載の圧縮自己着火式内燃機関において、負荷が高負荷に
なるほど２回の燃料噴射の噴射量をいずれも増量するこ
とを特徴としている。
【００２６】これにより、燃料と空気との予混合状態を
悪化させることなく、圧縮自己着火燃焼が可能な負荷範
囲をより高負荷側に拡大することができる。
【００２７】請求項９に係る発明は、請求項３〜８に記
載の圧縮自己着火式内燃機関機関において、回転数が高
回転になるほど１回目の燃料噴射の噴射量を減量し、２
回目の燃料噴射の噴射量を増量することを特徴としてい
る。
【００２８】このように１回目の燃料噴射の噴射量を減
量し２回目の燃料噴射の噴射量を増量することによっ
て、燃焼時期を上死点から遅角できる。従って、機関の
回転数が高回転になった場合に、負荷の変動なく燃焼時
期を遅角させることができる。その結果、燃焼時の圧力
上昇率が低減し、急激な燃焼の発生を防止することがで
きる。従って、ノッキングが抑制され、圧縮自己着火燃
焼が可能な回転数範囲をより高回転側に拡大することが
できる。
【００２９】請求項１０に係る発明は、請求項１〜５に
記載の圧縮自己着火式内燃機関において、目標燃焼開始
時期を算出する手段を有し、この目標燃焼開始時期に応
じて燃料噴射時期および噴射量が制御されるとともに、
上記目標燃焼開始時期は、負荷が高負荷になるほど遅角
するように設定されていることを特徴としている。
【００３０】上記目標燃焼開始時期は、機関の運転条件
に基づいて算出されるが、負荷が高負荷となるほど遅角
する特性となっている。このように燃焼開始時期を遅角
させることで、燃焼時の圧力上昇率を低減でき、急激な
燃焼の発生を防止できる。従って、ノッキングが抑制さ
れ、圧縮自己着火燃焼が可能な負荷範囲をより高負荷側
に拡大することができる。
【００３１】請求項１１に係る発明は、請求項１０記載
の圧縮自己着火式内燃機関において、機関回転数が高回
転になるほど上記目標燃焼開始時期が遅角するように設
定されていることを特徴としている。
【００３２】このように燃焼開始時期を遅角させること
で、燃焼時の圧力上昇率を低減でき、急激な燃焼の発生
を防止できる。従って、ノッキングが抑制され、圧縮自
己着火燃焼が可能な回転数範囲をより高回転側に拡大す
ることができる。
【００３３】請求項１２に係る発明は、請求項１〜１１
に記載の圧縮自己着火式内燃機関において、筒内温度を
制御する手段を有し、負荷が高負荷になるほど筒内温度
を低下させることを特徴としている。
【００３４】例えばガソリンのような低セタン価燃料に
より自己着火燃焼を成立させるためには、筒内温度を上
昇させることが有効であるが、筒内温度が同一の条件で
負荷を高めていくと、燃料が着火しやすくなるため、早
期に燃焼を開始してしまう。この場合には、急激な燃焼
となり、ノッキングを引き起こす。
【００３５】従って、負荷が高負荷となるほど筒内温度
を低下させることにより、燃焼時期が早期化するのを防
止しつつ、燃料量を増大することができる。これによ
り、急激な燃焼によるノッキングが抑制され、圧縮自己
着火燃焼運転の負荷範囲をより高負荷側に拡大すること
ができる。
【００３６】請求項１３に係る発明は、請求項１２記載
の圧縮自己着火式内燃機関において、機関回転数が高回
転になるほど筒内温度を上昇させることを特徴としてい
る。
【００３７】機関回転数が高回転となると、燃料と酸素
が反応する実時間が短くなるため燃焼開始時期が遅角す
る。そして、筒内温度を一定とした場合、機関回転数が
高回転となると、この反応の実時間の減少により、燃焼
開始時期が目標値よりも過度に遅角することがある。
【００３８】従って、機関回転数が高回転になるほど筒
内温度を上昇させることにより、高回転になった場合に
おいても、燃料と空気の混合気の着火性が悪化すること
なく、高回転での圧縮自己着火燃焼運転が可能になる。
【００３９】請求項１４に係る発明は、請求項１２また
は１３に記載の圧縮自己着火式内燃機関において、筒内
にＥＧＲガスを導入する手段を有し、上記筒内温度制御
手段としてＥＧＲガス量を制御することを特徴としてい
る。
【００４０】これにより、排気ガスの熱エネルギを有効
活用することができ、熱効率の悪化なく、圧縮自己着火
燃焼運転の範囲をより高範囲に拡大することができる。
【００４１】請求項１５に係る発明は、請求項１４記載
の圧縮自己着火式内燃機関において、排気バルブ閉時期
と吸気バルブ開時期とが重複しないマイナスオーバーラ
ップに制御可能な動弁機構を備え、そのマイナスオーバ
ーラップ量によって上記ＥＧＲガス量を制御することを
特徴としている。
【００４２】例えば排気バルブを上死点前に閉じ、吸気
バルブを上死点後に開くようにすると、両者が同時に閉
じている期間つまりマイナスオーバーラップが生じ、排
気ガスの一部が内部ＥＧＲガスとして閉じ込められる。
これによって筒内温度が上昇する。このように、圧縮自
己着火運転時において、マイナスオーバーラップによる
内部ＥＧＲガスによって筒内温度を上昇させるようにす
れば、排気ガスの熱エネルギを有効に次サイクルで利用
できるため、熱効率の悪化なく、圧縮自己着火燃焼運転
の範囲をより高範囲に拡大することができる。
【００４３】
【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、圧縮自己
着火運転時に、燃料開始を制御するトリガー燃料噴射
と、燃料と空気の予混合状態を制御する燃料噴射群と、
に分けて燃料を噴射することによって、圧縮自己着火燃
焼の燃焼時期を適切に制御することができ、圧縮自己着
火燃焼運転の負荷範囲をより高負荷側に拡大することが
できる。その結果、高効率でかつ排気がクリーンな燃焼
を広い運転範囲で実現でき、燃費、エミッションが改善
できる。
【００４４】請求項２に係る発明によれば、トリガー噴
射後から燃焼が開始する間にも燃料を噴射することによ
り、圧縮自己着火燃焼運転の負荷範囲をより高負荷側に
拡大することができる。
【００４５】請求項３に係る発明によれば、制御ロジッ
クが比較的簡単なものとなる。
【００４６】請求項４に係る発明によれば、燃料を複数
種使い分ける場合に比べて、システムが簡素化され、低
コストに構成できる。
【００４７】請求項５に係る発明によれば、各運転条件
において、燃焼時期を最適に制御でき、広範囲の領域で
圧縮自己着火運転を実現できる。従って、高効率でかつ
排気がクリーンな燃焼を広い運転範囲で実現でき、燃
費、エミッションが改善できる。
【００４８】請求項６に係る発明によれば、特に、ノッ
キングを抑制でき、圧縮自己着火燃焼が可能な負荷範囲
をより高負荷側に拡大することができる。
【００４９】請求項７に係る発明によれば、同時に、圧
縮自己着火燃焼が可能な回転数範囲をより高回転側に拡
大することができる。
【００５０】請求項８に係る発明によれば、燃料と空気
との予混合状態を悪化させることなく、圧縮自己着火燃
焼が可能な負荷範囲をより高負荷側に拡大することがで
きる。
【００５１】請求項９に係る発明によれば、機関の回転
数が高回転になった場合に、負荷の変動なく燃焼時期を
遅角させることができ、従って、圧縮自己着火燃焼が可
能な回転数範囲をより高回転側に拡大することができ
る。
【００５２】請求項１０に係る発明によれば、圧縮自己
着火燃焼が可能な負荷範囲をより高負荷側に拡大するこ
とができる。
【００５３】請求項１１に係る発明は、さらに、圧縮自
己着火燃焼が可能な回転数範囲をより高回転側に拡大す
ることができる。
【００５４】請求項１２に係る発明によれば、筒内温度
の制御により、燃焼時期が早期化するのを防止しつつ、
燃料量を増大することができ、圧縮自己着火燃焼運転の
負荷範囲をより高負荷側に拡大することができる。
【００５５】請求項１３に係る発明によれば、高回転に
なった場合においても、燃料と空気の混合気の着火性が
悪化することなく、高回転での圧縮自己着火燃焼運転が
可能になる。
【００５６】請求項１４に係る発明によれば、排気ガス
の熱エネルギを有効活用することができ、熱効率の悪化
なく、圧縮自己着火燃焼運転の範囲をより高範囲に拡大
することができる。
【００５７】特に請求項１５に係る発明によれば、排気
ガスの熱エネルギを有効に次サイクルで利用することが
できる。
【００５８】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の好
ましい実施の形態について説明する。
【００５９】図１は、本発明を、ガソリンを燃料とする
圧縮自己着火式内燃機関として適用した第１の実施の形
態の構成を示すシステム構成図である。
【００６０】この第１の実施の形態においては、運転条
件に応じて圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼とに切換可
能となっている。そして、圧縮自己着火燃焼時には、直
噴型の燃料噴射装置によって、１サイクル中に２回の燃
料噴射が行われる。また、運転条件に応じて、燃焼が目
標の時期に行われるように、２回の燃料噴射のそれぞれ
の噴射量および噴射時期が制御される。
【００６１】図示するように、エンジン本体１０は、吸
気ポート１１、排気ポート１２、ピストン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、を備えている。
【００６２】このエンジン本体１０を総合的に制御する
エンジンコントロールユニット（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制御パラ
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、を備えており、上記自己着火燃焼制御
部４は、さらに、圧縮自己着火燃焼運転時における燃料
噴射を制御する燃料噴射量制御部５と燃料噴射時期制御
部６とを含んでいる。
【００６３】尚、これらの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、燃料噴射量
制御部５、燃料噴射時期制御部６等のＥＣＵ１の構成要
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。
【００６４】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（クランク角信号）と、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（負荷信号）と、に基づいて、運転条件を判定し、
これに適した燃焼形態を判断する。さらに、それぞれの
燃焼形態において、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および点火プラグ１８に
所定の信号を出力する。なお、点火時期の算出ならびに
点火プラグ１８による点火は、火花点火燃焼時にのみ行
われる。
【００６５】図２は、このような構成を備えた内燃機関
において実行される燃焼形態の切換について示したもの
で、図示するように、中低負荷及び中回転数以下の特定
の運転条件において圧縮自己着火燃焼を行い、高負荷ま
たは高回転数域においては火花点火燃焼を行う。
【００６６】次に、この実施の形態の動作について説明
する。
【００６７】図３は、ガソリンを燃料とした場合におい
て、空燃比に対し自己着火燃焼が成立する範囲の一般的
な特性を示している。ここで、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。
【００６８】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限界である安定度
限界値Ｓｔｈに対応する空燃比ＡＦＬがリーン限界とな
る。
【００６９】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Ｎ
ｔｈに対応する空燃比ＡＦＲがリッチ限界となる。
【００７０】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。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。
【００７１】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を例に説明しているが、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、この場合には、横軸は新気と既燃ガスとを合わ
せたトータルのガス量（Ｇ）と燃料量（Ｆ）との割合Ｇ
／Ｆとなる。
【００７２】図３のような空燃比に対する制限は、空燃
比の変化とともに燃焼時期が変化することに起因する。
自己着火燃焼の燃焼開始時期は、ガソリンの予反応（低
温酸化反応）速度に依存するが、この反応速度に対する
空燃比の感度が大きい。空燃比をリッチにした場合に
は、反応速度が増加する。その結果、圧縮上死点（ＴＤ
Ｃ）以前に燃焼が開始し、急激な燃焼となり、ノッキン
グを引き起こす。一方、空燃比をリーンにした場合に
は、反応速度が低下する。その結果、圧縮上死点（ＴＤ
Ｃ）から遅角した時期に燃焼が開始し、ピストンの下降
によって温度や圧力が低下することから、十分な燃焼が
行われずに、燃焼不安定を引き起こす。
【００７３】従って、自己着火燃焼の成立範囲を拡大す
るためには、燃焼開始時期を制御する必要がある。
【００７４】本実施の形態では、燃料噴射を１サイクル
中に２回に分けて行い、燃焼時期を制御する。２回目の
燃料噴射はトリガー噴射として上死点近傍で行い、この
２回目の燃料噴射で燃焼時期を制御する。２回目の燃料
噴射の前に行われる１回目の燃料噴射は、燃料と空気を
十分に混合して、予混合状態とするため、燃焼開始時期
よりも十分進角した時期に行う。例えば、吸気行程中に
行えば、十分に混合した予混合気を形成することができ
る。また、燃料と空気の混合気を成層化したい場合に
は、目標とする成層度合に応じて、１回目の燃料噴射時
期を吸気下死点から十分に遅角した時期に設定するよう
にしても良い。
【００７５】２回目の燃料噴射では燃焼開始までの時間
が短いため、燃料と空気の予混合が進まない。このた
め、燃料噴射量が多くなった場合には、ＮＯｘ等のエミ
ッションが増加する可能性がある。そこで、２回目の燃
料噴射では、燃焼を開始するのに必要な最低限の量を噴
射する。
【００７６】１回目の燃料噴射では、目標とする燃焼時
期以前に燃焼を開始しない範囲で十分な量の燃料を噴射
する。前述したように、エミッションの点から２回目の
燃料噴射で噴射できる燃料量には制限があるため、目標
の燃焼時期以前に燃焼を開始しない範囲で、できるだけ
多くの燃料を１回目に噴射することにより、負荷を最大
限に高めることができる。そして、２回目のトリガー燃
料噴射で起こる燃焼の発熱量を利用し、１回目および２
回目に噴射した燃料全体を燃焼させることになる。
【００７７】図４は、このような２回の噴射による圧縮
自己着火燃焼の筒内圧波形を示している。２回目に噴射
したトリガー燃料が自己着火を開始し、これにより、１
回目に噴射された主たる燃料の自己着火を引き起こして
いることが確認できる。
【００７８】ここで、２回目の燃料噴射は、上死点近傍
で行う。目標とする燃焼時期は上死点後であり、燃料噴
射から燃焼までの期間が短いため、精度良く燃焼時期を
制御することができる。
【００７９】図５に、燃料を１回で噴射した場合と、前
述したように２回に分けて噴射した場合のＮＯｘならび
にスモークの特性を示す。負荷が大きくなると、燃料噴
射量が増える。このため１サイクル中の燃料噴射を１回
とした場合には、負荷が大きくなったときに、燃料と空
気の混合が十分に進まず、予混合状態が悪化する。これ
は筒内の空燃比バラツキが大きくなることを意味してい
る。結果として、ＮＯｘあるいはスモークが発生する空
燃比が部分的に存在することになる。従って、高負荷側
でＮＯｘおよびスモークが増加する。これに対して、本
発明の実施の形態では、燃料を２回に分けて噴射する。
１回目の燃料噴射は上死点から十分前で行うため、燃料
と空気が混合する時間が十分に与えられる。また１回目
の燃料噴射では、目標の燃焼時期以前に燃焼が起こらな
い範囲でできるだけ多くの燃料を噴射する。その結果、
燃料と空気は十分な予混合状態となり、筒内の空燃比バ
ラツキは小さくなる。
【００８０】トリガー噴射となる２回目の燃料噴射は上
死点近傍で行うが、その量は１回目の燃料噴射量よりも
少ないので、燃料と空気の混合は十分に行われる。従っ
て、高負荷側でも、ＮＯｘおよびスモークは、極めて少
なくなる。
【００８１】前述したように、空燃比をリッチ化するこ
とによりノッキング強度が悪化するので、自己着火燃焼
の高負荷側の限界は、ノッキング強度で制限される。図
６には１サイクル中の最大圧力上昇率ｄＰ／ｄｔ ｍａ
ｘとノッキング強度との関係を示す。圧力上昇率とノッ
キング強度との間には相関があり、図示するように、圧
力上昇率が大きくなるとノッキング強度が強くなる。従
って、ノッキングが急激な圧力上昇により発生している
ことがわかる。
【００８２】図７は、負荷Ｔと燃焼開始時期θ１０とに
対する圧力上昇率を示している。上記θ１０は、総燃料
の１０％が燃えたクランク時期であり、燃焼時期を表す
１つのパラメータである。なお、ここではθ１０を例に
説明するが、燃焼時期を表す指標として、θ２０、θ５
０、Ｐｍａｘ時期、ｄＰ／ｄθ ｍａｘ時期、ｄＱ／ｄ
θ ｍａｘ時期、などの当業者により燃焼時期を定義す
るものとして用いられる他の指標を用いることもでき
る。図７から、負荷が大きくなると圧力上昇率が増加す
ることがわかる。これは負荷が大きくなると燃焼する燃
料量が多くなり、それに伴う発熱量が増加するためであ
る。また同じ負荷であれば、燃焼時期を上死点から遅角
するほど圧力上昇率は低下する。これはピストンが下降
するときに燃焼が行われるため、ピストン下降による圧
力の低下によって燃焼時の圧力上昇率が抑えられるため
である。従って、ノッキング強度を許容レベルに抑える
ためには、負荷の増加に伴って燃焼時期を上死点から遅
角することが有効である。これにより自己着火燃焼の高
負荷限界を高負荷側へ拡大することができる。
【００８３】図８は、負荷に対し最適な２回目の燃料噴
射時期ＩＴ２の特性を示している。２回目の燃料噴射時
期を、負荷の増加に伴って遅角することによって、燃焼
時期を上死点から遅角させることができる。
【００８４】図９は、２回目の燃料噴射時期ＩＴ２と筒
内の未燃部の温度上昇代との関係を示している。２回目
の燃料噴射時期ＩＴ２を上死点から遅角すると、２回目
のトリガー燃料による燃焼が行われる時期も、上死点か
ら遅角する。上死点から遅角した時期では、上死点に対
してピストン位置が低下しており、筒内容積が増加して
いる。このため、同じ発熱量が発生した場合の圧力上昇
がそれだけ小さくなる。その結果、未燃部のガスの断熱
圧縮効果が小さくなり、未燃部の温度上昇代も小さくな
る。
【００８５】図１０は、２回目の燃料噴射時期ＩＴ２と
２回目の燃料噴射量ｑ２とに対する燃焼開始時期θ１０
の関係を示している。前述したように、２回目の燃料噴
射時期ＩＴ２を上死点から遅角すると、燃焼開始時期θ
１０が遅角する。しかしながら、燃焼時期を更に遅角す
べく２回目の燃料噴射時期ＩＴ２を更に遅角すると、や
がて失火が発生する。これは、前述したように、２回目
に噴射した燃料による燃焼時期が上死点から遅角する
と、未燃部の温度上昇代が小さくなり、１回目に噴射し
た燃料による燃焼が行われにくくなるためである。従っ
て、燃焼時期を更に遅角しようとする場合には、２回目
の燃料噴射量ｑ２を多くする必要がある。このように、
２回目の燃料噴射の噴射時期ＩＴ２と噴射量ｑ２とを制
御することによって、燃焼時期をコントロールすること
ができる。
【００８６】なお、上記の例では、２回目の燃料噴射の
噴射時期ＩＴ２を遅角すると燃焼時期が遅角するものと
して説明しているが、内燃機関を構成するハード構成
（例えば燃料系など）によっては、２回目の噴射時期Ｉ
Ｔ２を遅角するほど燃焼時期が進角する場合がある。こ
れは、燃料があまり拡散せずに混合気中にリッチな部分
が形成され、そこから燃焼が開始するためである。この
ような場合には、燃焼時期が遅角するように２回目の噴
射時期ＩＴ２を進角させることになる。
【００８７】図１１は、負荷Ｔに対する１サイクル中の
燃料噴射量の特性を示しており、詳しくは、１回目の噴
射量ｑ１と、２回目の噴射量ｑ２と、両者の和として示
される総噴射量ｑと、を示している。図示するように、
負荷が十分に小さい領域では、１サイクル中の燃料噴射
回数は１回とする。従って、全量が１回で噴射される。
負荷がある程度高負荷になると、１回の噴射による圧縮
自己着火燃焼では、ＮＯｘやスモークが悪化するため、
１サイクル中の燃料噴射回数を２回とする。
【００８８】ここで、前述したように、負荷が高負荷に
なるほど燃焼時期を上死点から遅角する必要がある。こ
のため、負荷が高負荷になるほど２回目の燃料量を多く
する。但し、２回目の燃料噴射量を過度に多くすると、
ＮＯｘやスモークの悪化を招く。そのため、負荷が大き
くなるほど１回目の燃料噴射量も多くし、１サイクル中
に必要な燃料量を確保する。
【００８９】次に、図１２は、本実施の形態における制
御の流れを示すフローチャートであって、以下、これに
基づいて制御の流れを説明する。まず、ステップ１で、
機関回転数Ｎ、負荷Ｔを検出する。次に、ステップ２に
おいて、図２のマップから、機関回転数Ｎと負荷Ｔとに
基づいて火花点火燃焼とするか圧縮自己着火燃焼とする
かを判断する。火花点火燃焼領域であると判断されたと
きには、ステップ１３に進み、所定の火花点火燃焼の制
御を開始する。
【００９０】一方、ステップ１２で圧縮自己着火燃焼領
域であると判断された場合には、ステップ１４に進み、
自己着火燃焼の制御を開始する。そして、ステップ１５
において、サイクル中の必要な燃料噴射回数を判断す
る。これは、図１１に示す特性のマップから負荷Ｔに基
づいて決定する。燃料噴射回数を１回とすべき条件であ
ると判断された場合には、ステップ１６に進み、燃料噴
射回数が１回の場合の制御を開始する。
【００９１】ステップ１５において燃料噴射回数を２回
とすべき条件であると判断された場合には、ステップ１
７に進み、燃料噴射回数が２回の場合の制御を開始す
る。次に、ステップ１８において、図１１のマップか
ら、負荷Ｔに基づいて、総燃料噴射量ｑ、１回目の燃料
噴射量ｑ１、２回目の燃料噴射量ｑ２を、それぞれ算出
する。
【００９２】次に、ステップ１９において、１回目の燃
料噴射の噴射時期ＩＴ１を算出する。本実施の形態で
は、例えば上死点から十分に進角した吸気行程中に噴射
を行う。さらに、ステップ２０において、２回目の燃料
噴射の噴射時期ＩＴ２を算出する。この噴射時期ＩＴ２
は、図８のマップから負荷Ｔに基づいて算出する。例え
ば、本実施の形態では、６０°ＢＴＤＣ〜１０°ＢＴＤ
Ｃ付近で２回目の燃料噴射を行う。
【００９３】なお、ステップ１３の火花点火燃焼制御お
よびステップ１６の燃料噴射回数が１回の場合の制御に
ついては、その詳細を省略してあるが、それぞれに必要
な噴射量の算出、噴射時期の算出、点火時期の算出、等
が行われるのは勿論である。
【００９４】このように制御することによって、圧縮自
己着火燃焼として、種々の負荷に応じて最適な時期に燃
焼を行うことができる。尚、この実施の形態では、燃料
は一種類の燃料としているが、セタン価の異なる２種類
の燃料をそれぞれ噴射するように構成することもでき
る。この場合には、１回目の燃料噴射でより低セタン価
の燃料を噴射し、２回目の燃料噴射でより高セタン価の
燃料を噴射すると一層効果的となる。
【００９５】次に、第２の実施の形態について説明す
る。第２の実施の形態の基本的なシステム構成は、図１
に示した第１の実施形態と同一である。
【００９６】第２の実施の形態の特徴は、内燃機関の負
荷条件に応じて、１回目の燃料噴射時期ＩＴ１を変化さ
せることにより、１回目に噴射できる燃料量ｑ１を増加
させた点にある。
【００９７】前述したように、圧縮自己着火の高負荷限
界は、ノッキングによって制限される。このノッキング
を抑制するためには、燃焼時期を上死点から遅角するこ
とが有効である。図１０で説明したように、燃焼時期を
遅角するためには、トリガー噴射となる２回目の燃料噴
射の噴射時期ＩＴ２を吸気下死点から遅角し、かつこの
２回目の燃料噴射の噴射量ｑ２を増加する必要がある。
しかしながら、図５で説明したように、上死点近傍で行
う燃料噴射の噴射量が増量されると、燃料と空気との予
混合状態が悪化し、ＮＯｘやスモークが増加してしま
う。つまり、２回目の燃料噴射量ｑ２は、エミッション
の点で制限を受けることになる。従って、負荷Ｔを高め
るためには、１回目の燃料噴射の噴射量ｑ１を増加する
必要がある。
【００９８】前述したように、１回目の燃料噴射の噴射
量ｑ１は、目標とする燃焼開始時期以前に燃焼が開始し
ない量が限界となる。これ以上に燃料を噴射すると、２
回目のトリガー噴射でコントロールしようとしている目
標燃焼時期以前に燃焼が開始してしまい、急激な燃焼に
よるノッキングを引き起こす。
【００９９】ここで、１回目の燃料噴射で筒内に噴射さ
れた燃料が燃焼を開始するには以下のプロセスを必要と
する。まず燃料が気化し、次に空気と混合して予混合気
を形成する。そして最後に燃料と酸素が反応し着火に至
る。従って、上記プロセスに要する時間が同じであれ
ば、燃料噴射時期を遅角すると燃焼時期が遅角すること
になる。
【０１００】図１３は、燃料噴射時期ＩＴと燃料噴射量
ｑとに対する燃焼開始時期θ１０の関係を示している。
これは、１サイクル中の燃料噴射を１回とし、かつ上死
点から十分に進角した時期に燃料を噴射した例である。
燃料噴射量を増量した場合には燃焼開始時期が進角す
る。これは、前述したように空燃比が濃くなり、燃料と
空気の反応速度が増加するためである。これに対して、
上記のように燃料噴射時期を遅角すると、燃焼開始時期
θ１０が遅角する。従って、目標燃焼開始時期が決まっ
ている場合には、噴射時期を遅角することによって、噴
射できる燃料量がさらに増加する。その結果、内燃機関
の運転負荷範囲を、高負荷側に拡大することができる。
【０１０１】図１４は、第２の実施の形態における負荷
に対する１回目の燃料噴射時期ＩＴ１の特性を示してい
る。これまで説明してきたように、負荷Ｔが大きくなる
につれて１回目の燃料噴射時期ＩＴ１を遅角している。
【０１０２】さらに図１５は、負荷Ｔに対する燃料噴射
時期の遅角量を示している。図示するように、負荷Ｔが
大きくなるにつれて１回目の燃料噴射時期ＩＴ１も２回
目の燃料噴射時期ＩＴ２も遅角する。ここで、遅角量と
しては、２回目の燃料噴射時期ＩＴ２よりも１回目の燃
料噴射時期ＩＴ１の方が大きくなる。これは２回目の燃
料噴射時期ＩＴ２は上死点近傍にあり、従って、上死点
から十分に進角している１回目の燃料噴射時期ＩＴ１に
比べて、その噴射時期の遅角が最終的な燃焼時期に与え
る影響が大きいことによる。
【０１０３】この第２の実施の形態の制御の流れは、前
述した図１２による第１の実施の形態の制御の流れと同
様であるが、そのステップ１９において、１回目の燃料
噴射時期ＩＴ１を算出する際に、図１４のマップから負
荷Ｔに基づいて、ＩＴ１を算出する点のみが異なるもの
となる。
【０１０４】次に、第３の実施の形態について説明す
る。第３の実施の形態の基本的なシステム構成は、図１
に示した第１の実施形態と同一である。
【０１０５】第３の実施の形態の特徴は、内燃機関の回
転数に応じて、燃料噴射量および燃料噴射時期を最適に
制御する点にある。
【０１０６】図１６は、機関回転数Ｎに対する圧力上昇
率の変化を示している。回転数Ｎが増加すると、燃焼が
行われる際の実時間が減少するため、単位時間当たりの
圧力上昇率が増加する。これは高回転ほどノッキングが
起こり易いことを示している。従って、ノッキングを抑
制するためには、機関回転数が高回転になるほど燃焼時
期を上死点から遅角する必要がある。
【０１０７】図１７は、この第３の実施の形態における
機関回転数Ｎと負荷Ｔとに対する２回目の燃料噴射の噴
射時期ＩＴ２を示している。前述したように、負荷が高
負荷になるほど２回目の燃料噴射の噴射時期ＩＴ２は遅
角される。そして、この実施の形態では、機関回転数が
高回転になるほど２回目の燃料噴射の噴射時期ＩＴ２を
遅角する。
【０１０８】このようにトリガー噴射となる２回目の燃
料噴射時期ＩＴ２を制御することによって燃焼時期をコ
ントロールすることができる。
【０１０９】なお、上記の例では、２回目の燃料噴射の
噴射時期ＩＴ２を遅角すると燃焼時期が遅角するものと
して説明しているが、内燃機関を構成するハード構成
（例えば燃料系など）によっては、２回目の噴射時期Ｉ
Ｔ２を進角させる必要がある場合もある。これは、燃料
が噴射されてから気化するまでの時間が必要なためであ
る。機関回転数が高回転になるほど、クランク角で考え
た場合に気化に必要な期間が増えるためである。このよ
うな場合には、機関回転数が高回転になるほど、噴射時
期が遅角するように２回目の噴射時期ＩＴ２を進角させ
ることになる。
【０１１０】図１８は、機関回転数Ｎに対し異なるよう
に設定される燃料噴射量割合の特性を示している。本実
施の形態では、機関回転数が高回転になるほど２回目の
燃料噴射時期ＩＴ２は吸気下死点から遅角される。前述
したように、２回目の燃料噴射時期ＩＴ２を遅角した場
合には、２回目の燃料噴射量ｑ２を増加する必要があ
る。ただし、負荷を一定に保つため１回目の燃料噴射量
ｑ１は減量されることになる。従って、両者の割合が図
１８のように変化する。
【０１１１】図１９は、エンジン回転Ｎと負荷Ｔとに対
する総燃料噴射量ｑを示す。図示するように、総燃料噴
射量ｑは負荷の増加とともに増える。内燃機関の効率の
影響が若干あるものの、機関回転数が変化しても総燃料
噴射量ｑはあまり変化しない。
【０１１２】図２０は、機関回転数Ｎと負荷Ｔとに対す
る１回目の燃料噴射量ｑ１の関係を示す。１回目の燃料
噴射量ｑ１は負荷が高負荷になるほど増加する。一方、
前述した理由により、機関回転数が高回転になるほど、
１回目の燃料噴射量ｑ１は減量される。
【０１１３】図２１は、機関回転数Ｎと負荷Ｔとに対す
る２回目の燃料噴射量ｑ２の関係を示す。２回目の燃料
噴射量ｑ２も負荷が高負荷になるほど増加する。一方、
１回目の燃料噴射量ｑ１とは逆に、機関回転数が高回転
になるほど、２回目の燃料噴射量ｑ２は増量される。
【０１１４】図２２は、機関回転数Ｎと負荷Ｔとに対す
る１回目の燃料噴射の噴射時期ＩＴ１の関係を示す。機
関回転数が高回転になるほど実時間が短くなる。このた
め、燃焼が開始するまでにはより長いクランク角度が必
要となる。従って、図示するように、１回目の燃料噴射
時期ＩＴ１は高回転になるほど進角する必要がある。
【０１１５】図２３は、機関回転数Ｎと負荷Ｔとに対す
る２回目の燃料噴射の噴射時期ＩＴ２の関係を示す。前
述したように機関回転数が高回転になるほど、燃焼時期
を吸気下死点から遅角する必要があるが、回転数に伴っ
て実時間が短くなる影響が強いため、２回目の燃料噴射
の噴射時期ＩＴ２は進角させる。ただし、低回転側では
実時間が短くなる影響が小さいため、その変化代は小さ
い。
【０１１６】この第３の実施の形態の制御の流れは、前
述した図１２による第１の実施の形態の制御の流れと基
本的に同様のものであるが、そのステップ１８〜２０に
おける燃料噴射量および燃料噴射時期の算出方法が異な
るものとなる。以下、その部分のみを説明する。
【０１１７】ステップ１８では、まず１回目の燃料噴射
の噴射量ｑ１を図２０のマップから機関回転数Ｎと負荷
Ｔとに基づいて算出する。次に、２回目の燃料噴射の噴
射量ｑ２を図２１のマップから機関回転数Ｎと負荷Ｔと
に基づいて算出する。ステップ１９では、図２２のマッ
プから機関回転数Ｎと負荷Ｔとに基づいて１回目の燃料
噴射時期ＩＴ１を算出する。ステップ２０では、図２３
のマップから機関回転数Ｎと負荷Ｔとに基づいて２回目
の燃料噴射時期ＩＴ２を算出する。
【０１１８】このように制御することによって、機関回
転数に応じて最適な時期に燃焼を行うことができる。
【０１１９】次に、本発明の第４の実施の形態について
説明する。この第４の実施の形態のシステム構成を図２
４に示す。この第４の実施の形態は、第１の実施の形態
の構成を示す図１に比べて、ＥＣＵ１内部に筒内温度制
御部７を含み、またＥＧＲガス通路１９とＥＧＲバルブ
２０、排温センサ２１を備えている点において異なって
いる。
【０１２０】第４の実施の形態の特徴は、内燃機関の運
転状態に応じてさらに筒内温度を制御する点にある。
【０１２１】前述したように、本発明では、低中負荷運
転域で圧縮自己着火燃焼運転を行い、高回転、高負荷域
では火花点火燃焼運転を行う。ガソリンのような低セタ
ン価燃料は、高セタン価のディーゼル燃料に比べて、着
火性が悪い。このため、自己着火燃焼を成立させるため
には、混合気の温度を昇温させることが有効である。こ
こで、本実施の形態では、排気系から還流するＥＧＲガ
スを利用して筒内温度を昇温させている。
【０１２２】図２５は、燃料と空気を予混合状態で供給
した場合の圧縮開始時の筒内温度Ｔｅｍｐと燃料噴射量
ｑとに対する燃焼開始時期θ１０の関係を示している。
筒内温度Ｔｅｍｐが高いほど燃焼開始時期θ１０が進角
し、筒内温度Ｔｅｍｐが低いほど燃焼開始時期θ１０が
遅角する。燃料噴射量ｑに対しては、燃料噴射量ｑを多
くすると燃焼開始時期θ１０が進角する関係にある。こ
こで、機関回転数Ｎと負荷Ｔとがある値に設定される
と、ノッキングを抑制しつつ安定した自己着火燃焼を行
うための燃焼開始時期θ１０が決まる。そして、負荷が
大きくなったときに、筒内温度Ｔｅｍｐを一定とした場
合には、燃料が着火し易くなるため、１回目に噴射した
燃料が早期に燃焼を開始し、目標の燃焼開始時期θ１０
よりも進角してしまう。この場合には、急激な燃焼とな
りノッキングを引き起こすことになる。
【０１２３】従って、負荷が大きくなった場合には、１
回目に噴射した燃料が着火を起こさないように筒内温度
Ｔｅｍｐを低下させる必要がある。そこで本実施の形態
では、ＥＧＲガスの供給を制御して、負荷が高負荷にな
るほど、筒内温度Ｔｅｍｐを低下させる。これにより１
回目に噴射した燃料の早期着火を防止することができ
る。
【０１２４】図２６は、図２５と同様に燃料と空気を予
混合状態で供給した場合の機関回転数Ｎと筒内温度Ｔｅ
ｍｐとに対する燃焼開始時期θ１０の関係を示してい
る。機関回転数が高回転になった場合には、燃料と酸素
が反応する実時間が短くなるため、燃焼開始時期θ１０
が遅角する。
【０１２５】ここで筒内温度Ｔｅｍｐを一定とした場
合、機関回転数が高回転になった場合には、目標の燃焼
開始時期θ１０は遅角するものの、条件によっては実時
間が短くなった影響がより大きくなり、燃焼開始時期θ
１０が目標値から大幅に遅角することが起こり得る。従
って、この場合には、燃焼開始時期θ１０を進角側に修
正するために、筒内温度Ｔｅｍｐを高くする必要があ
る。
【０１２６】図２７は、機関回転数Ｎと負荷Ｔとに対す
る最適な筒内温度Ｔｅｍｐを示す。前述したように、機
関回転数Ｎが高くなるほど、また負荷Ｔが小さくなるほ
ど、筒内温度Ｔｅｍｐを高くする。こうすることによっ
て、１回目に噴射した燃料の早期着火あるいは燃焼時期
遅角による安定度の悪化を防止することができる。
【０１２７】本実施の形態では、ＥＧＲガス量によって
筒内温度Ｔｅｍｐを制御する。図２８は、排気ガス温度
Ｔｅｍｐ（ｏｕｔ）と筒内温度Ｔｅｍｐとに対する目標
のＥＧＲバルブ開度Ｏを示している。ここで、上記排気
ガス温度Ｔｅｍｐ（ｏｕｔ）は、排温センサ２１により
検出される。図示するように、要求の筒内温度Ｔｅｍｐ
が高くなるほど、ＥＧＲバルブの開度Ｏを大きくする。
また排気ガス温度Ｔｅｍｐ（ｏｕｔ）が低いほど、ＥＧ
Ｒバルブ開度Ｏを大きくする。
【０１２８】図２９は、この第４の実施の形態における
制御の流れを示すフローチャートである。これは、図１
２に示した第１の実施の形態における制御の流れとほぼ
同様であるので、以下、異なる部分のみ説明する。な
お、図２９のステップ２１〜２４、ステップ２８〜３３
は、図１２のステップ１１〜１４、ステップ１５〜２０
に、それぞれ対応し、同様の処理が行われる。
【０１２９】ステップ２４で自己着火燃焼制御を開始し
た後、ステップ２５において排気ガス温度Ｔｅｍｐ（ｏ
ｕｔ）を検出する。ステップ２６では、図２７のマップ
から機関回転数Ｎと負荷Ｔとに基づいて目標とする筒内
温度Ｔｅｍｐを算出する。ステップ２７では、図２８の
マップから、そのときの排気ガス温度Ｔｅｍｐ（ｏｕ
ｔ）と目標の筒内温度Ｔｅｍｐとに基づいて、必要なＥ
ＧＲバルブ開度Ｏを算出する。
【０１３０】このように制御することによって、機関回
転数および負荷に応じて最適に燃焼時期を制御すること
ができる。
【０１３１】次に、第５の実施の形態について説明す
る。第５の実施の形態のシステム構成を図３０に示す。
第５の実施の形態の特徴は、第４の実施の形態に比べ
て、外部から還流されるＥＧＲガスではなく、内部ＥＧ
Ｒガスを利用する点にある。
【０１３２】すなわち、この実施の形態では、前述した
ＥＧＲ通路１９やＥＧＲバルブ２０は基本的に具備して
おらず、吸気バルブ１４および排気バルブ１５の双方
に、可変バルブタイミング機構２２が設けられている。
この可変バルブタイミング機構２２としては、例えば、
特開２０００−７３９９号公報に記載の装置を利用する
ことができるが、これに限定されるものではない。
【０１３３】本実施の形態では、このような可変バルブ
タイミング機構２２を用いることにより、上死点付近で
吸気バルブ１４および排気バルブ１５の双方が閉じたい
わゆるマイナスオーバーラップ状態とし、筒内に閉じ込
められた内部ＥＧＲガスを利用して筒内温度を目標の温
度に制御するようにしている。
【０１３４】図３１は、マイナスオーバーラップを行う
ためのバルブタイミング可変制御の一例を示す。火花点
火運転時は、（イ）に示すように、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）が上死点（ＴＤＣ）後、吸気バルブ（ＩＮ
Ｔ）の開弁時期（ＩＶＯ）が上死点前となって、上死点
付近に、双方が同時に開状態となる所要のバルブオーバ
ーラップ（Ｏ／Ｌ）が与えられる。
【０１３５】これに対し、圧縮自己着火運転時は、
（ロ）のように、火花点火運転時に対して排気バルブの
閉弁時期（ＥＶＣ）が進角して上死点前に閉弁するとと
もに、吸気バルブの開弁時期（ＩＶＯ）が遅角して上死
点後に開弁するように制御されて、ピストン上死点付近
には、両者が同時に閉状態となるマイナスオーバーラッ
プが与えられる。
【０１３６】このように、圧縮自己着火運転時に、マイ
ナスオーバーラップとなるバルブタイミングに制御する
ことにより、排気バルブ１５が閉じた時点での燃焼室容
積に相当する量の高温既燃ガスが燃焼室内に滞留し、次
サイクルにおける内部ＥＧＲガスとなる。次サイクルで
は、上死点から遅れて吸気バルブ１４が開弁し、新気が
吸入されるが、この新気は内部ＥＧＲガスから熱量を受
け、筒内温度Ｔｅｍｐが昇温することになる。
【０１３７】図３２は、マイナスオーバーラップ量に対
する筒内温度Ｔｅｍｐの関係を示す。図示するように、
マイナスオーバーラップ量が増加するに従って、筒内温
度Ｔｅｍｐが昇温する。ここで、マイナスオーバーラッ
プ量が小さいときには、マイナスオーバーラップ量の増
加に伴う筒内容積の変化が小さいために、筒内温度Ｔｅ
ｍｐの変化が小さい。また一方、マイナスオーバーラッ
プ量の大きい所ではシリンダ壁面への冷却損失増加があ
るため、筒内温度Ｔｅｍｐの昇温代は小さくなる。この
ようにマイナスオーバーラップ量を変えることによっ
て、筒内温度Ｔｅｍｐを制御することができる。
【０１３８】尚、バルブタイミングの変更は複数のカム
を切り換えることによっても可能である。または、バル
ブのリフトカーブを無段階に変更する方法でも良い。あ
るいは電磁弁を用いても良い。
【０１３９】図３３は、排気ガス温度Ｔｅｍｐ（ｏｕ
ｔ）と目標筒内温度Ｔｅｍｐとに対する要求マイナスオ
ーバーラップ量を示す。排温センサ２１により検出され
る排気ガス温度Ｔｅｍｐ（ｏｕｔ）が低いほど、また目
標とする筒内温度Ｔｅｍｐが高いほど、要求マイナスオ
ーバーラップ量は大きくなる。
【０１４０】図３４は、この第５の実施の形態における
制御の流れを示すフローチャートである。これは、図２
９に示した第４の実施の形態における制御の流れとほぼ
同様であるので、以下、異なる部分のみ説明する。な
お、図３４のステップ４１〜４３、ステップ４５〜４
７、ステップ５０〜５５は、図２９のステップ２１〜２
３、ステップ２４〜２６、ステップ２８〜３３に、それ
ぞれ対応し、同様の処理が行われる。
【０１４１】ステップ４２において必要な燃焼形態が火
花点火燃焼であると判断された場合には、ステップ４３
で火花点火燃焼制御を開始する。次にステップ４４で、
図３１の（イ）に示すようなプラスオーバーラップのバ
ルブタイミングに変更する。
【０１４２】ステップ４２において自己着火燃焼領域で
あると判断された場合には、ステップ４５で自己着火燃
焼の制御を開始する。
【０１４３】次のステップ４６で排気ガス温度Ｔｅｍｐ
（ｏｕｔ）を検出し、ステップ４７において、図２７の
マップから機関回転数Ｎと負荷Ｔとに基づいて必要な筒
内温度Ｔｅｍｐを算出する。そして、ステップ４８で、
図３３のマップからそのときの排気ガス温度Ｔｅｍｐ
（ｏｕｔ）と要求筒内温度Ｔｅｍｐとに基づいて、必要
なマイナスオーバーラップ量Ｌを算出する。ステップ４
９では、このマイナスオーバーラップ量Ｌとなるように
バルブタイミングを変更する。
【０１４４】次に、第６の実施の形態について説明す
る。第６の実施の形態のシステム構成を図３５に示す。
この第６の実施の形態は、第１の実施の形態の構成を示
す図１に比べて、ＥＣＵ１内部に燃焼時期制御部８を含
み、この燃焼時期制御部８の一部として燃料噴射量制御
部５および燃料噴射時期制御部６を備える点において異
なっている。
【０１４５】第６の実施の形態の特徴は、自己着火燃焼
を行う場合に、まず運転条件から最適な燃焼時期を決定
し、次に、この燃焼時期を実現するための２回の燃料噴
射の噴射量および噴射時期を設定する点にある。
【０１４６】図３６は、機関回転数Ｎと負荷Ｔとに対す
る目標の燃焼時期θ１０を示している。
【０１４７】前述したように、燃焼時の圧力上昇を小さ
くするために、負荷Ｔが高いほど、また回転数Ｎが高回
転なほど、目標の燃焼時期θ１０が遅角する。なお、こ
こではθ１０を例に説明するが、燃焼時期を表す指標と
して、θ２０、θ５０、Ｐｍａｘ時期、ｄＰ／ｄθ ｍ
ａｘ時期、ｄＱ／ｄθ ｍａｘ時期、などの当業者によ
り燃焼時期を定義するものとして用いられる他の指標を
用いることもできる。
【０１４８】図３７は、この第６の実施の形態における
制御の流れを示すフローチャートである。これは、図１
２に示した第１の実施の形態における制御の流れとほぼ
同様であるので、以下、異なる部分のみ説明する。な
お、図３７のステップ６１〜６４、ステップ６６〜７１
は、図１２のステップ１１〜１４、ステップ１５〜２０
に、それぞれ対応し、同様の処理が行われる。
【０１４９】ステップ６２において自己着火燃焼領域で
あると判断された場合には、ステップ６４で自己着火燃
焼の制御を開始するが、次のステップ６５において、機
関回転数Ｎおよび負荷Ｔに基づいて、図３５のマップか
ら目標とする燃焼時期θ１０を算出する。そして、ステ
ップ６９〜７１においては、この燃焼時期θ１０が得ら
れるように、噴射量および噴射時期が決定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧縮自己着火式内燃機関の第１の
実施の形態の構成図である。
【図２】自己着火燃焼の運転領域を示す特性図である。
【図３】空燃比に対する自己着火成立範囲を説明する特
性図である。
【図４】２回噴射によるクランク角度に対する筒内圧変
化を示す特性図である。
【図５】負荷に対するＮＯｘ、スモークの変化を示す特
性図である。
【図６】圧力上昇率ｄＰ／ｄｔ ｍａｘとノッキング強
度の関係を示す特性図である。
【図７】負荷および燃焼開始時期θ１０に対する圧力上
昇率ｄＰ／ｄｔ ｍａｘを示す特性図である。
【図８】負荷に対する２回目の燃料噴射時期を示す特性
図である。
【図９】２回目の燃料噴射時期に対する未燃部温度昇温
代を示す特性図である。
【図１０】２回目の燃料噴射時期と２回目の燃料噴射量
に対する燃焼開始時期θ１０の関係を示す特性図であ
る。
【図１１】負荷に対する燃料噴射量を示す特性図であ
る。
【図１２】第１の実施の形態の制御の流れを示すフロー
チャートである。
【図１３】燃料噴射時期と燃料量に対する燃焼開始時期
θ１０の関係を示す特性図である。
【図１４】負荷に対する１回目の燃料噴射時期を示す特
性図である。
【図１５】負荷に対する燃料噴射時期遅角代を示す特性
図である。
【図１６】エンジン回転に対する圧力上昇率ｄＰ／ｄｔ
ｍａｘを示す特性図である。
【図１７】機関回転数Ｎおよび負荷に対する２回目の燃
料噴射時期を示す特性図である。
【図１８】機関回転数Ｎに対する燃料噴射量割合を示す
特性図である。
【図１９】機関回転数Ｎと負荷とに対する総燃料噴射量
を示す特性図である。
【図２０】機関回転数Ｎと負荷とに対する１回目の燃料
噴射量を示す特性図である。
【図２１】機関回転数Ｎと負荷とに対する２回目の燃料
噴射量を示す特性図である。
【図２２】機関回転数Ｎと負荷とに対する１回目の燃料
噴射時期を示す特性図である。
【図２３】機関回転数Ｎと負荷とに対する２回目の燃料
噴射時期を示す特性図である。
【図２４】第４の実施の形態の構成図である。
【図２５】筒内温度Ｔｅｍｐおよび燃料量ｑに対する燃
焼開始時期θ１０を示す特性図である。
【図２６】機関回転数Ｎおよび筒内温度Ｔｅｍｐに対す
る燃焼開始時期θ１０を示す特性図である。
【図２７】機関回転数Ｎと負荷Ｔとに対する筒内温度Ｔ
ｅｍｐを示す特性図である。
【図２８】筒内温度Ｔｅｍｐおよび排気ガス温度Ｔｅｍ
ｐ（ｏｕｔ）に対するＥＧＲバルブ開度Ｏを示す特性図
である。
【図２９】第４の実施の形態の制御の流れを示すフロー
チャートである。
【図３０】第５の実施の形態の構成図である。
【図３１】吸気バルブおよび排気バルブのタイミング設
定の一例を説明するバルブタイミングチャートである。
【図３２】マイナスオーバーラップ量に対する筒内温度
Ｔｅｍｐを示す特性図である。
【図３３】筒内温度Ｔｅｍｐおよび排気ガス温度Ｔｅｍ
ｐ（ｏｕｔ）に対するマイナスオーバーラップ量を示す
特性図である。
【図３４】第５の実施の形態の制御の流れを示すフロー
チャートである。
【図３５】第６の実施の形態の構成図である。
【図３６】機関回転数Ｎと負荷Ｔとに対する燃焼時期θ
１０を示す特性図である。
【図３７】第６の実施の形態の制御の流れを示すフロー
チャートである。
【符号の説明】
１…エンジンコントロールユニット（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…燃焼時期制御部 ６…燃料噴射量制御部 ７…燃料噴射時期制御部 ８…筒内温度制御部 １０…エンジン本体 １６…クランク角センサ １７…燃料噴射装置 １８…点火プラグ １９…ＥＧＲガス通路 ２０…ＥＧＲバルブ ２１…排温センサ ２２…可変バルブタイミング機構
───────────────────────────────────────────────────── 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 13/02 Ｆ０２Ｄ 13/02 Ｋ ３Ｇ３０１ 21/08 ３０１ 21/08 ３０１Ｃ 41/38 41/38 Ｂ 41/40 41/40 Ｃ Ｄ 43/00 ３０１ 43/00 ３０１Ｊ ３０１Ｈ ３０１Ｎ ３０１Ｚ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５１０ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５１０Ｂ ５５０ ５５０Ｊ ５５０Ｒ ５７０ ５７０Ｊ (72)発明者 宮窪 博史 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 平谷 康治 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） 3G018 AA11 AA12 AB09 BA38 CA12 EA04 EA14 EA31 EA32 EA35 FA09 FA23 GA08 GA09 3G023 AA01 AA02 AA05 AA06 AB03 AB06 AC05 AD03 AG02 AG03 AG05 3G062 AA00 AA10 BA04 BA05 BA09 CA08 GA05 GA06 GA08 GA09 GA15 GA18 3G084 AA00 BA13 BA15 BA20 BA23 DA02 DA10 DA28 FA10 FA27 FA33 FA38 3G092 AA01 AA11 AA17 BB01 BB06 BB12 BB13 DA12 DC08 EA01 EA02 EA04 FA15 FA24 HD01Z HE01Z HE03Z HF08Z 3G301 HA01 HA04 HA13 HA19 JA02 JA21 KA09 KA25 LA00 LB04 MA11 MA18 MA23 MA26 MA27 NE01 NE06 NE12 PD11Z PE01Z PE03Z PF03Z

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 筒内に直接燃料を噴射する直噴型の燃料
    噴射装置を備え、１サイクル中に２回以上に分けて燃料
    噴射を行う圧縮自己着火式内燃機関において、１回の燃
    料噴射は燃焼が開始するトリガー噴射とし、他の燃料噴
    射は上記トリガー噴射以前に行うことを特徴とする圧縮
    自己着火式内燃機関。
  2. 【請求項２】 筒内に直接燃料を噴射する直噴型の燃料
    噴射装置を備え、１サイクル中に３回以上に分けて燃料
    噴射を行う圧縮自己着火式内燃機関において、１回の燃
    料噴射は燃焼が開始するトリガー噴射とし、他の燃料噴
    射の中の少なくとも１つは上記トリガー噴射以前に行
    い、残りの燃料噴射はトリガー噴射以後に行うことを特
    徴とする圧縮自己着火式内燃機関。
  3. 【請求項３】 １サイクル中の燃料噴射を２回とし、上
    記トリガー噴射は上死点近傍で行い、他の燃料噴射時期
    をそれ以前と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。
  4. 【請求項４】 上記燃料噴射に用いる燃料は低セタン価
    の１種の燃料とすることを特徴とする請求項１〜３のい
    ずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
  5. 【請求項５】 ２回の燃料噴射における噴射時期および
    噴射量を運転条件により変えることを特徴とする請求項
    ３記載の圧縮自己着火式内燃機関。
  6. 【請求項６】 上記トリガー噴射の噴射時期は、負荷が
    高負荷になるほど遅角するように設定されていることを
    特徴とする請求項５記載の圧縮自己着火式内燃機関。
  7. 【請求項７】 上記トリガー噴射の噴射時期は、機関回
    転数が高回転になるほど遅角するように設定されている
    ことを特徴とする請求項５記載の圧縮自己着火式内燃機
    関。
  8. 【請求項８】 負荷が高負荷になるほど２回の燃料噴射
    の噴射量をいずれも増量することを特徴とする請求項３
    〜７のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
  9. 【請求項９】 機関回転数が高回転になるほど１回目の
    燃料噴射の噴射量を減量し、２回目の燃料噴射の噴射量
    を増量することを特徴とする請求項３〜８のいずれかに
    記載の圧縮自己着火式内燃機関。
  10. 【請求項１０】 目標燃焼開始時期を算出する手段を有
    し、この目標燃焼開始時期に応じて燃料噴射時期および
    噴射量が制御されるとともに、上記目標燃焼開始時期
    は、負荷が高負荷になるほど遅角するように設定されて
    いることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の
    圧縮自己着火式内燃機関。
  11. 【請求項１１】 機関回転数が高回転になるほど上記目
    標燃焼開始時期が遅角するように設定されていることを
    特徴とする請求項１０記載の圧縮自己着火式内燃機関。
  12. 【請求項１２】 筒内温度を制御する手段を有し、負荷
    が高負荷になるほど筒内温度を低下させることを特徴と
    する請求項１〜１１のいずれかに記載の圧縮自己着火式
    内燃機関。
  13. 【請求項１３】 機関回転数が高回転になるほど筒内温
    度を上昇させることを特徴とする請求項１２記載の圧縮
    自己着火式内燃機関。
  14. 【請求項１４】 筒内にＥＧＲガスを導入する手段を有
    し、上記筒内温度制御手段としてＥＧＲガス量を制御す
    ることを特徴とする請求項１２または１３に記載の圧縮
    自己着火式内燃機関。
  15. 【請求項１５】 排気バルブ閉時期と吸気バルブ開時期
    とが重複しないマイナスオーバーラップに制御可能な動
    弁機構を備え、そのマイナスオーバーラップ量によって
    上記ＥＧＲガス量を制御することを特徴とする請求項１
    ４記載の圧縮自己着火式内燃機関。
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