JP5594022B2 - ガソリンエンジンの燃焼制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＨＣＣＩ（Homogeneous-Charge Compression-Ignition）燃焼、所謂、予混合圧縮着火の燃焼を行うガソリンエンジンの燃焼制御装置に関するものである。

少なくともガソリンを含有する燃料が供給されるガソリンエンジンにおいては、特許文献１に記載のように、ＨＣＣＩ燃焼を行うものがある。このＨＣＣＩ燃焼においては、空燃比が理論空燃比よりも相当にリーンな雰囲気でも着火、燃焼が可能であり、しかも急速燃焼されることから、燃費向上の上で極めて好ましい燃焼形態となる。この特許文献１に記載の技術は、予混合圧縮着火用となる第１燃料噴射を行った後、第２燃料噴射によって成層領域を形成するもので、いずれの燃料噴射も着火（点火）開始前に行われるものとなっている。そして、ＮＯｘ発生が問題となる高負荷域では、上記第１燃料噴射の噴射量を０にするようになっている。

特開２００９−７４４８８号公報

ところで、ＨＣＣＩ燃焼においては、燃料噴射量が多くなる高負荷域では、急速燃焼に起因して、燃焼圧力が極めて高くなり、そのために騒音の発生はもとより、燃焼温度も極めて高くなってＮＯｘの発生が大きな問題となる。このため、高負荷域では、実質的にＨＣＣＩ燃焼を行わないようにするか、あるいはＮＯｘ浄化触媒を別途排気通路に設ける必要がある。

本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、高負荷域において、ＨＣＣＩ燃焼を行いつつＮＯｘ発生を抑制できるようにしたガソリンエンジンの燃焼制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項１に記載のように、
少なくとも部分的にガソリンを含有する燃料が供給されるガソリンエンジンの燃焼制御装置であって、
エンジン高負荷域において、圧縮上死点よりも前にＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）燃焼用となる前段燃料噴射を行う一方、圧縮上死点以降に後段燃料噴射を行うようにされ、
前記前段燃料噴射が、ＨＣＣＩ燃焼用の初回噴射と該ＨＣＣＩ燃焼の着火源用となる２回目噴射とに分割して行われると共に、該２回目噴射の噴射量が該初回噴射の噴射量よりも少なくされ、
前記後段燃料噴射の噴射時期が、該後段燃料噴射によって噴射された燃料が前記ＨＣＣＩ燃焼の終了から間隔をあけて燃焼開始されるように設定され、
燃料噴射量が少ない負荷域では、前記高負荷域に比して、前段燃料噴射時期と後段燃料噴射時期のクランク角間隔が短縮される、
ようにしてある。上記解決手法によれば、前段燃料噴射による予混合圧縮着火を実行して、燃費向上を図ることができる。また、燃焼は、予混合圧縮着火による燃焼と、その後に行われる後段燃料噴射による燃焼との分割された燃焼形態となるので、全体として筒内圧力つまり筒内温度の上昇を抑制して、騒音抑制は勿論のこと、ＮＯｘの発生を抑制することができる。特に、前段燃料噴射における２回目噴射の噴射量を初回噴射の噴射量よりも少なくしてあるので、２回目噴射に起因するＮＯｘ発生の問題も回避することができる。さらに、前段燃料噴射での２回目噴射によってＨＣＣＩ燃焼の着火時期を進角させることにより、後段燃料噴射時期を遅角させることなく該後段燃料噴射された燃料が気化する時間を確保して、高い熱効率つまりトルクを確保しつつ後段燃料噴射による燃焼でのスモーク発生を抑制することができる。以上に加えて、スモーク発生が問題となりにくい相対的に低負荷のときは、燃焼が全体的に極力圧縮上死点付近で行われるようにして、燃費向上の上で好ましいものとなる。

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項２以下に記載のとおりである。すなわち、
前記２回目の燃料噴射が、圧縮上死点より前に行われる、ようにしてある（請求項２対応）。この場合、圧縮上死点前に着火させて、前段燃料噴射による燃焼での燃費向上の上で好ましいものとなる。

前記２回目の燃料噴射後でかつ圧縮上死点前に、点火プラグによって着火アシストが行われる、ようにしてある（請求項３対応）。この場合、点火プラグを利用して、より確実に圧縮上死点前に前段燃料噴射された燃料を着火させて、請求項２に対応した効果をより一層十分に発揮させることができる。

前記高負荷域でのＧ／Ｆ（筒内全ガス量／筒内に供給される燃料量）が２０以上とされている、ようにしてある（請求項４対応）。この場合、燃費向上とＮＯｘ抑制とを共に高い次元で満足させることができる。

前記初回噴射の噴射量と前記２回目の噴射量との合計噴射量が、前記後段燃料噴射の噴射量以下とされている、ようにしてある（請求項５対応）。この場合、ＨＣＣＩ燃焼される燃料量を極力少なくして、ＮＯｘ発生を抑制する上でより好ましいものとなる。

前記初回噴射の噴射量と前記２回目の噴射量との合計噴射量が、前記ＨＣＣＩ燃焼の最高温度がＮＯｘ発生が問題とならない所定温度以下となる範囲に制限されている、ようにしてある（請求項６対応）。この場合、ＨＣＣＩ燃焼によるＮＯｘ発生を確実に抑制することができる。

本発明によれば、高負荷域において、ＨＣＣＩ燃焼を行って燃費向上を図りつつＮＯｘ発生を抑制できる。また、スモークを低減しつつ高い熱効率を確保することができる。

本発明が適用されたエンジンの燃焼室付近の状態を示す概略構成図。 本発明の制御系統例をブロック図的に示す図。 運転領域の設定例を示す図。 領域Ｂにおける燃料噴射タイミングと熱発生割合と筒内温度との関係を示す図。 領域Ｃにおける燃料噴射タイミングと熱発生割合との関係を示す図。

図１は、エンジン１の燃焼室付近の様子を概略的に示す。実施形態では、エンジン１は、往復動型とされた直列４気筒の自動車用ガソリンエンジンとされている。なお、エンジン１は、ガソリンを含有する燃料であれば、ガソリン１００％の場合に限らず、例えばエタノール等の他の燃料を含有するものであってもよい。この図１において、２はシリンダ、３はシリンダ２内に摺動自在に嵌合されたピストンである。ピストン３の上方に燃焼室４が画成され、圧縮上死点位置において燃焼室容積を確保するために、ピストン３の上面中央部に凹部５が形成されている。

シリンダ２内つまり燃焼室４内には、吸気ポート６および排気ポート７が開口されている。吸気ポート６は吸気弁８により開閉され、排気ポート７は排気弁９により開閉される。また、圧縮上死点付近にある燃焼室４（凹部５）に臨ませて、燃料噴射弁１０，点火プラグ１１が配設されている。燃料噴射弁１０は多孔式とされて、燃焼室４（凹部５）の径方向に分散して燃料を噴射するようにされている。

排気ポート７に連なる排気通路（図示を略す）には、排気ガス浄化触媒としての三元触媒が配設されているが、排気通路には、ＮＯｘ触媒は配設されていないものとなっている。すなわち、本実施形態では、後述するように、リーンな空燃比でもってＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）燃焼を行っても、ＮＯｘそのものの発生を抑制するようにしてあるので、ＮＯｘ触媒を必要としない設定とされている。

エンジン１は、ガソリンエンジンとしては高圧縮比とされている。実施形態では、１気筒あたりの容積が略５００ccで、幾何学的圧縮比が１８とされている。なお、自動車用エンジンとして一般的な１気筒あたりの容積（排気量）が４００cc〜６００ccである場合に、幾何学的圧縮比は例えば１５〜２１（好ましくは１７〜２０）の範囲で適宜設定することができる。

図２は、エンジン１の制御系統例を示すものである。この図２において、Ｕは、マイクロコンピュータを利用して構成されたコントローラである。このコントローラＵには、各種センサＳ１〜Ｓ４からの信号が入力される。センサＳ１は、エンジン負荷を検出する負荷センサである。センサＳ２は、エンジン回転数を検出する回転数センサである。センサＳ３は、筒内圧力を検出する圧力センサであり、実施形態では点火プラグ１１内に組み込まれている。なお、筒内圧力は、筒内温度と略比例関係にあるので、筒内圧力の検出は、筒内温度の検出ともなる。センサＳ４は、エンジン冷却水温度を検出する水温センサである。また、コントローラＵは、前述した燃料噴射弁１０からの燃料噴射量および燃料噴射タイミングを制御し、また点火プラグ１１の点火タイミングを制御する。

図３は、冷機時以外において、運転状態に応じたエンジン１の燃焼形態の設定例を示すものである。なお、冷機時は、全て、圧縮上死点前に燃料噴射を行って、圧縮上死点前に点火プラグ１１による点火を実行する通常のガソリンエンジンの燃焼形態とされる。この図３において、運転領域が、エンジン回転とエンジン負荷とをパラメータとして設定される。運転領域は、図中α線とβ線とγ線とによって、４つの領域に分けられている。

上記α線とβ線とγ線とはそれぞれ線形に設定されて、α線よりもβ線の方が高負荷域に設定され、β線よりもγ線の方が高負荷域に設定されている。そして、α線とβ線とγ線とはそれぞれ、エンジン回転数が大きくなるほど低負荷となるように設定されている。

α線よりも下方の領域Ａ、α線とβ線との間の領域Ｂ、β線とγ線との間の領域Ｃは、それぞれ、ＨＣＣＩ燃焼が実行される領域とされている。また、γ線より高負荷の領域Ｄは、通常のガソリンエンジンと同様に、ＨＣＣＩ燃焼は行われずに、点火プラグ１１の点火実行による燃焼形態とされる（圧縮上死点前に燃料噴射して、圧縮上死点前に点火プラグ１１による点火実行）。

ＨＣＣＩ燃焼が実行される領域Ａ、Ｂ、Ｃにおいては、それぞれ、圧縮上死点前に予混合圧縮着火用の燃料噴射が実行されるが、領域Ａにおいては、この予混合圧縮着火用の燃料噴射のみが実行される。領域Ａではかなり低負荷域となるので、筒内温度はＮＯｘ発生が問題となるしきい値温度としての所定温度（例えば１８００Ｋ）までは上昇しないものである。

領域Ｂでは、領域Ａに比して高負荷であり、要求燃料量を全て予混合圧縮着火した場合は、筒内温度が上昇して、ＮＯｘの問題が生じる。このため、要求燃料量の一部を、予混合圧縮着火用として圧縮上死点前に行ない（前段燃料噴射）、残りの燃料量全てについて、圧縮上死点以後でかつ予混合圧縮着火による燃焼が開始した後に噴射する（後段燃料噴射）ようにしてある。つまり、前段燃料噴射によるＨＣＣＩ燃焼が終了した後に、後段燃料噴射が行われる（燃焼のピークが合計で２回生じる）。後段燃料噴射は圧縮上死点から大きく遅角されない範囲で行われることにより、燃費向上の上で好ましいものとなる。なお、圧力センサＳ３で検出される筒内圧力に基づいて決定される筒内温度が、ＮＯｘ発生が問題なる所定温度（例えば１８００Ｋ）を超えないように、前段燃料噴射の噴射量が制限される。また、燃料噴射量は、筒内温度がＮＯｘ発生が問題となる所定温度を超えてしまうのを確実に防止するために、後段燃料噴射量を前段燃料噴射量以上にするのが好ましいものである。

図４は、領域Ｂにおいて、燃料噴射タイミングと単位クランク角あたりの発熱量（熱発生割合）と筒内温度との関係を示すものである。この図４の（ａ）が燃料噴射タイミングを示し、符合Ｆが予混合圧縮着火用の燃料噴射タイミングを示し、符合Ｒが後段燃料噴射のタイミングを示す。図４の（ｂ）は、単位クランク角あたりの発熱量つまり熱発生割合を示すもので、符合Ｆａが予混合圧縮着火での燃焼に対応し、符合Ｒａが後段燃料噴射での燃焼に対応する。そして、図４の（ｃ）は、筒内温度を示し、符合Ｆｂが予混合圧縮着火での燃焼に対応し、符合Ｒｂが後段燃料噴射での燃焼に対応する。この図４の（ｃ）において、ＫＸで示す温度が、ＮＯｘ発生が問題となるしきい値としての所定温度（例えば１８００Ｋ）である。この図４からも理解されるように、筒内温度は、ＮＯｘ発生が問題となる所定温度以下の範囲に抑制される。なお、領域Ｂにおいては、Ｇ／Ｆ（筒内全ガス量／筒内に供給される燃料量）が２０以上とされる。筒内全ガス量は、新規量とＥＧＲガス量との合計量となるが、ＥＧＲガス量が実質的に０である場合は、空燃比が２０以上ということになる。

ここで、各燃料噴射を行うに際しては、圧力センサＳ３で検出される圧力に応じて決定される筒内温度が、常にＮＯｘ発生が問題となる所定温度以下になるように、燃料噴射時期や燃料噴射量を設定することができる。この場合、既述のように、予混合圧縮着火用となる前段燃料噴射に際しては、燃料噴射量を、筒内温度が所定温度以下となるように制限しつつ、安定して自己着火する温度範囲（例えば１２００Ｋ〜１８００Ｋ）の燃焼が得られるようにするのが好ましい。また、筒内温度が上記所定温度以下になる範囲では、ベストトルクが得られるように燃料噴射時期や燃料噴射量を選択するのが好ましいものである。

領域Ｃでは、領域Ｂと同様に、圧縮上死点前に燃料噴射される予混合圧縮着火用の前段燃料噴射と、圧縮上死点後に燃料噴射される後段燃料噴射とが行われる。特に、領域Ｃでは、前段燃料噴射による燃焼の終了から十分な間隔をあけて、後段燃料噴射による燃焼が開始されるようにしてある。そして、領域Ｃでは、前段燃料噴射による燃焼を領域Ｂの場合に比して進角させて、その分後段燃料噴射された燃料が気化する時間を十分に確保して、スモーク発生を抑制するようにしてある。

領域Ｃでは、前段燃料噴射による燃焼開始を進角させるため、２回の分割噴射が行われる。すなわち、初回噴射は、ＨＣＣＩ燃焼用となるもので、圧縮上死点よりも前に行われる。また、２回目噴射は、成層燃焼用で、初回噴射の後でかつ圧縮上死点前に行われる。この２回目噴射は初回噴射によるＨＣＣＩ燃焼の着火促進のために行われるもので、２回目噴射の噴射量は初回噴射の噴射量よりも十分に少なくものとされる。この２回目噴射によって、初回噴射された燃料（より具体的には初回噴射の燃料＋２回目噴射の燃料）が早期に着火されることになる。前段燃料噴射された燃料の着火をより確実に進角させるために、点火プラグ１１による着火アシストを行うこともできる（点火プラグ１１の作動による混合気の活性化で、点火そのものによる着火ではない）。前段燃料噴射による燃焼つまりＨＣＣＩ燃焼によるＮＯｘ発生の問題を回避するために、前段燃料噴射の噴射量は、圧力センサＳ３で検出され筒内圧力に応じて決定される筒内温度が前記所定温度以下の範囲となるように制限される。

領域Ｃでの後段燃料噴射は、領域Ｂでの後段燃料噴射とほぼ同じ時期あるいは若干遅い時期に噴射される。これにより、前段燃料噴射された燃料の燃焼終了から間隔をあけて、後段燃料噴射された燃料の燃焼が開始される。後段燃料噴射された燃料は、十分に気化されて、スモーク発生が抑制される。後段燃料噴射の噴射時期は、熱効率向上つまりトルク確保の観点から、燃料の十分な気化が確保される範囲で、極力圧縮上死点に近いタイミングとするのが好ましい。領域Ｃにおいても、ＨＣＣＩ燃焼を行いつつＮＯｘ発生の問題を回避することができ、またスモーク発生も抑制することができる。

図５は、領域Ｃにおける燃料噴射タイミングと熱発生割合の様子を示すものである（筒内温度は熱発生割合に応じたものとなる）。すなわち、燃料噴射視タイミングを示す図５の（ａ）において、ＦＸ１が前段燃料噴射における初回噴射を示し、ＦＸ２が２回目噴射を示し、ＲＸが後段燃料噴射を示す。また、熱発生割合を示す図５の（ｂ）において、ＦＸａが前段燃料噴射による燃焼を示し（ＦＸ１＋ＦＸ２での燃料噴射対応）、ＲＸａが後段燃料噴射による燃焼を示す（ＲＸでの燃料噴射対応）。また、図５の（ｂ）において、比較のために、領域Ｂにおける前段燃料噴射での熱発生割合を破線で示してあり（図４の（ｂ）の符合Ｆａ対応）、領域Ｃでは領域Ｂの場合に比して、前段燃料噴射による燃焼が進角されていることが理解される。

以上実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能である。予混合圧縮着火を行う際、特に低温時やエンジン１が十分に暖機されていない中温時に、点火プラグ１１を作動させて混合気を活性化させるようにしてもよい（点火プラグ１１の点火による着火ではない）。トルク確保等の観点から、勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。

本発明は、例えば自動車用エンジンに適用して、高負荷域において、燃費向上とＮＯｘ発生抑制と熱効率向上とスモーク抑制とを行うことができる。

１：エンジン
２：シリンダ
３：ピストン
４：燃焼室
５：凹部
６：吸気通路
７：排気通路
８：吸気弁
９：排気弁
１０：燃料噴射弁
１１：点火プラグ
Ａ：領域（予混合圧縮着火のみ）
Ｂ：領域（１回の前段燃料噴射＋後段燃料噴射）
Ｃ：領域（２回に分割された前段燃料噴射＋後段燃料噴射）

Claims (6)

1. 少なくとも部分的にガソリンを含有する燃料が供給されるガソリンエンジンの燃焼制御装置であって、
   エンジン高負荷域において、圧縮上死点よりも前にＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）燃焼用となる前段燃料噴射を行う一方、圧縮上死点以降に後段燃料噴射を行うようにされ、
   前記前段燃料噴射が、ＨＣＣＩ燃焼用の初回噴射と該ＨＣＣＩ燃焼の着火源用となる２回目噴射とに分割して行われると共に、該２回目噴射の噴射量が該初回噴射の噴射量よりも少なくされ、
   前記後段燃料噴射の噴射時期が、該後段燃料噴射によって噴射された燃料が前記ＨＣＣＩ燃焼の終了から間隔をあけて燃焼開始されるように設定され、
   燃料噴射量が少ない負荷域では、前記高負荷域に比して、前段燃料噴射時期と後段燃料噴射時期のクランク角間隔が短縮される、
   ことを特徴とするガソリンエンジンの燃焼制御装置。
2. 請求項１において、
   前記２回目の燃料噴射が、圧縮上死点より前に行われる、ことを特徴とするガソリンエンジンの燃焼制御装置。
3. 請求項２において、
   前記２回目の燃料噴射後でかつ圧縮上死点前に、点火プラグによって着火アシストが行われる、ことを特徴とするガソリンエンジンの燃焼制御装置。
4. 請求項１において、
   前記高負荷域でのＧ／Ｆ（筒内全ガス量／筒内に供給される燃料量）が２０以上とされている、ことを特徴とするガソリンエンジンの燃焼制御装置。
5. 請求項１において、
   前記初回噴射の噴射量と前記２回目の噴射量との合計噴射量が、前記後段燃料噴射の噴射量以下とされている、ことを特徴とするガソリンエンジンの燃焼制御装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、
   前記初回噴射の噴射量と前記２回目の噴射量との合計噴射量が、前記ＨＣＣＩ燃焼の最高温度がＮＯｘ発生が問題とならない所定温度以下となる範囲に制限されている、ことを特徴とするガソリンエンジンの燃焼制御装置。
   

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