JP2001207890A

JP2001207890A - 内燃機関の燃焼制御装置

Info

Publication number: JP2001207890A
Application number: JP2000018898A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Terachi; 淳寺地; Takeshi Naito; 健内藤; 幸大 ▲吉▼沢; Yukihiro Yoshizawa; Eiji Aochi; 英治青地
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-01-27
Filing date: 2000-01-27
Publication date: 2001-08-03
Anticipated expiration: 2020-01-27
Also published as: JP3873560B2

Abstract

(57)【要約】【課題】圧縮自己着火燃焼による運転範囲を拡大し
て、燃費を改善するとともに、未燃ＨＣ及びＮＯｘの排
出量を低減する。【解決手段】ＥＣＵ１の運転条件判定部２は、クラン
ク角センサ信号及びアクセル開度センサ信号に基づいて
運転条件を判定し燃料噴射回数を１回または２回とす
る。１回目燃料噴射制御部３は、１回目の燃料噴射を制
御することによって第１の混合気領域６を形成し、２回
目燃料噴射制御部４は、２回目の燃料噴射を制御するこ
とによって第１の混合気領域６より濃厚な第２の混合気
領域７を形成する。燃料噴射弁駆動部５は、１回目燃料
噴射制御部３及び２回目燃料噴射制御部４からの信号に
従って燃料噴射弁１８の駆動信号を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、予混合圧縮自己着
火燃焼を行う内燃機関に係り、特に筒内の混合気分布を
最適化することによって、燃焼時期を安定させ、広い運
転範囲で圧縮自己着火燃焼を行う内燃機関の燃焼制御装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガソリンエンジンの熱効率を改善するた
めに、混合気をリーン化することでポンプ損失を低減す
ると共に作動ガスの比熱比を大きくして理論熱効率を向
上する手法が知られている。しかしながら、従来の火花
点火エンジンでは空燃比をリーン化すると燃焼期間が長
期化して燃焼安定度が悪化する。このため、空燃比のリ
ーン化には限界がある。

【０００３】このような燃焼安定度の悪化を避けながら
空燃比をリーン化する技術として、特開平７−７１２７
９号公報にあるように予混合圧縮自己着火燃焼を起こさ
せる２行程サイクルエンジンが開示されている。予混合
圧縮自己着火燃焼では燃焼室の複数の位置から燃焼反応
が起こるため、空燃比がリーン化した場合においても火
花点火に比べると燃焼期間が長期化せずに、よりリーン
な空燃比でも安定した燃焼が可能となる。また空燃比が
リーンのために燃焼温度が低下し、ＮＯｘ（窒素酸化
物）も大幅に低減できる。

【０００４】第２の従来技術として、特開平１１−２３
６８４８号公報にあるように、１サイクル中に燃料を２
回に分けて筒内に供給する圧縮着火式内燃機関が開示さ
れている。この従来例は、ディーゼル機関の燃焼を穏や
かにして、ノッキング限界改善とＮＯｘ及び煤の発生量
を低減するため、圧縮上死点前の所定の噴射時期におい
て総噴射量の３０％以下の第１回の燃料噴射を行い、次
いでほぼ圧縮上死点付近の第２回の噴射時期で残りの燃
料を噴射している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、第１の
従来例では通常の２行程サイクルエンジン構成としてい
るためガス交換を制御する吸気バルブおよび排気バルブ
がなく、未燃ガスの吹き抜けが発生し燃費が悪化してい
た。また、膨張行程はガス交換を行う必要性から後半に
排気を行う膨張排気行程となるので、燃焼ガスの膨張に
よる仕事を十分に取り出すことができないため、高負荷
運転が困難であるという問題点があった。

【０００６】また、第２の従来技術のように２回目の燃
料噴射量を１回目より多くした場合、１回目の噴射によ
って生成された薄い混合気は、軽油のように非常に着火
性の良い燃料の場合には燃焼するが、ガソリンのような
着火性が悪い燃料の場合には、大量の未燃ＨＣが排出さ
れるという問題点があった。

【０００７】また、２回目の噴射量が相対的に多いた
め、燃焼温度が高くなりＮＯｘ低減が困難であるという
問題点があった。

【０００８】本発明はかかる問題点に鑑みたもので、そ
の目的は、ノッキング及び燃焼不安定を回避しつつ、圧
縮自己着火燃焼による運転範囲を拡大して、燃費を改善
することのできる内燃機関の燃焼制御装置を提供するこ
とである。

【０００９】また本発明の目的は、圧縮自己着火燃焼に
よる未燃ＨＣ（炭化水素）及びＮＯｘを低減したクリー
ンな内燃機関を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
請求項１記載の発明は、ピストンの上動により圧縮した
高温高圧の混合気を着火燃焼させる内燃機関の燃焼制御
装置において、第１の混合気領域と、第１の混合気より
濃厚な空燃比である第２の混合気領域とを筒内に形成す
ることを要旨とする。

【００１１】上記課題を解決するため請求項２記載の発
明は、請求項１記載の内燃機関の燃焼制御装置におい
て、第１の混合気領域は、第１回の燃料噴射により形成
され、第２の混合気領域は、第１回の燃料噴射に加えて
第２回の燃料噴射により形成されることを要旨とする。

【００１２】上記課題を解決するため請求項３記載の発
明は、請求項２記載の内燃機関の燃焼制御装置におい
て、第２回の燃料噴射における噴射量は、少なくともノ
ック限界付近において、第１回の燃料噴射量より少なく
したことを要旨とする。

【００１３】上記課題を解決するため請求項４記載の発
明は、請求項３記載の内燃機関の燃焼制御装置におい
て、第２回の燃料噴射における噴射量は、少なくともノ
ック限界付近において、総噴射量の約４０％以下とした
ことを要旨とする。

【００１４】上記課題を解決するため請求項５記載の発
明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の内
燃機関の燃焼制御装置において、第１の混合気領域は、
燃焼室中心軸付近に形成され、第２の混合気領域は、第
１の混合気領域の外周部に形成され、燃焼室壁付近は燃
料が殆どない空気層とされることを要旨とする。

【００１５】上記課題を解決するため請求項６記載の発
明は、請求項５記載の内燃機関の燃焼制御装置におい
て、第１の混合気領域は、燃焼室容積の２０ないし４０
％の体積としたことを要旨とする。

【００１６】上記課題を解決するため請求項７記載の発
明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の内
燃機関の燃焼制御装置において、第２の混合気領域は、
燃焼室中心軸付近に形成され、第１の混合気領域は、第
２の混合気領域の外周部に形成され、燃焼室壁付近は燃
料が殆どない空気層とされることを要旨とする。

【００１７】上記課題を解決するため請求項８記載の発
明は、請求項７記載の内燃機関の燃焼制御装置におい
て、第２の混合気領域は、燃焼室容積の１０ないし３０
％の体積としたことを要旨とする。

【００１８】上記課題を解決するため請求項９記載の発
明は、請求項１ないし請求項８のいずれか１項記載の内
燃機関の燃焼制御装置において、高負荷ノック限界付近
において、第１の混合気領域と第２の混合気領域との空
気過剰率の差は、約１．０以下としたことを要旨とす
る。

【００１９】上記課題を解決するため請求項１０記載の
発明は、請求項１ないし請求項９のいずれか１項記載の
内燃機関の燃焼制御装置において、低負荷安定度限界付
近において、第１の混合気領域と第２の混合気領域との
空気過剰率の差は、約１．０ないし３．０としたことを
要旨とする。

【００２０】上記課題を解決するため請求項１１記載の
発明は、請求項２ないし請求項１０のいずれか１項記載
の内燃機関の燃焼制御装置において、第１の混合気領域
の着火時期が圧縮行程終了後となるように、第２回の燃
料噴射時期を制御することを要旨とする。

【００２１】上記課題を解決するため請求項１２記載の
発明は、請求項２ないし請求項１１のいずれか１項記載
の内燃機関の燃焼制御装置において、機関負荷の低下に
応じて、前記空気過剰率の差を拡大、或いは第２回の燃
料噴射における噴射量を増加させることを要旨とする。

【００２２】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、ピスト
ンの上動により圧縮した高温高圧の混合気を着火燃焼さ
せる内燃機関の燃焼制御装置において、第１の混合気領
域と、第１の混合気より濃厚な空燃比である第２の混合
気領域とを筒内に形成するようにしたので、圧縮上死点
付近で第２の混合気領域が確実に着火すると共に、着火
した第２の混合気領域から未着火の第１の混合気領域へ
徐々に燃焼が広がる為に、内燃機関の自己着火性を向上
させるとともに、ノッキングを防止し音響振動特性を向
上させることができるという効果がある。

【００２３】請求項２に記載の発明によれば、請求項１
記載の発明の効果に加えて、第１の混合気領域は、第１
回の燃料噴射により形成され、第２の混合気領域は、第
１回の燃料噴射に加えて第２回の燃料噴射により形成さ
れるようにしたので、第１及び第２の混合気領域の形成
に複雑な装置を用いることなく、燃料噴射時期及び噴射
回数の制御のみで両混合気領域を形成することができる
という効果がある。

【００２４】請求項３に記載の発明によれば、請求項２
記載の発明の効果に加えて、第２回の燃料噴射における
噴射量は、少なくともノック限界付近において、第１回
の燃料噴射量より少なくしたので、燃料濃度が高く高温
で燃焼する部分の空間が減少し、ＮＯｘ排出量を低減す
ることができるとともに、粒子状物質の排出量を低減で
きるという効果がある。

【００２５】請求項４に記載の発明によれば、請求項３
記載の発明の効果に加えて、第２回の燃料噴射における
噴射量は、少なくともノック限界付近において、総噴射
量の約４０％以下としたことにより、ＮＯｘ及び粒子状
物質の排出量を更に低減することができる。

【００２６】請求項５に記載の発明によれば、請求項１
ないし請求項４記載の発明の効果に加えて、第１の混合
気領域は、燃焼室中心軸付近に形成され、第２の混合気
領域は、第１の混合気領域の外周部に形成され、燃焼室
壁付近は燃料が殆どない空気層とされるようにしたの
で、燃焼室中心軸付近及び燃焼室壁付近から共に離れた
温度勾配のある領域から着火することにより、燃焼が緩
慢となり、燃焼室中央部及び燃焼室壁方向へ燃焼が徐々
に広がるようになるため、急激な温度圧力上昇を抑えら
れ、更に負荷が高い運転領域までノッキングを回避する
ことができるという効果がある。

【００２７】請求項６に記載の発明によれば、請求項５
記載の発明の効果に加えて、第１の混合気領域は、燃焼
室容積の２０ないし４０％の体積としたことにより、高
負荷時の燃焼温度を高めることなく、低負荷時において
も着火性を良好とし広い運転範囲でＮＯｘ及びＨＣの排
出量を低減することができる。

【００２８】請求項７に記載の発明によれば、請求項１
ないし請求項４記載の発明の効果に加えて、第２の混合
気領域は、燃焼室中心軸付近に形成され、第１の混合気
領域は、第２の混合気領域の外周部に形成され、燃焼室
壁付近は燃料が殆どない空気層とされるようにしたの
で、燃焼室中心部付近から着火して燃焼室周辺部へ等方
的に燃焼が広がるので、シリンダに加えられる燃焼圧が
均等になり更に振動を低減するとともに、シリンダ壁付
近の低温部には燃料がないため、火炎がシリンダ壁付近
に達する前に燃料が燃え尽きて、ＨＣの排出量をほぼゼ
ロに低減することができる。

【００２９】請求項８に記載の発明によれば、請求項７
記載の発明の効果に加えて、第２の混合気領域は、燃焼
室容積の１０ないし３０％の体積としたことにより、高
負荷時の燃焼温度を高めることなく、低負荷時において
も着火性を良好とし広い運転範囲でＮＯｘ及びＨＣの排
出量を低減することができる。

【００３０】請求項９に記載の発明によれば、請求項１
ないし請求項８記載の発明の効果に加えて、高負荷ノッ
ク限界付近において、第１の混合気領域と第２の混合気
領域との空気過剰率の差は、約１．０以下としたことに
より、さらに大幅にＮＯｘを低減することができる。

【００３１】請求項１０に記載の発明によれば、請求項
１ないし請求項９記載の発明の効果に加えて、低負荷安
定度限界付近において、第１の混合気領域と第２の混合
気領域との空気過剰率の差は、約１．０ないし３．０と
したことにより、さらに大幅にＮＯｘ及びＨＣを低減す
ることができる。

【００３２】請求項１１に記載の発明によれば、請求項
２ないし請求項１０記載の発明の効果に加えて、第１の
混合気領域の着火時期が圧縮行程終了後となるように、
第２回の燃料噴射時期を制御するようにしたので、燃焼
室容積が拡大する膨張行程で燃焼が行われるため、ノッ
キングの原因となる筒内圧力上昇率を効果的に減少する
ことができる。

【００３３】請求項１２に記載の発明によれば、請求項
２ないし請求項１１記載の発明の効果に加えて、機関負
荷の低下に応じて、前記空気過剰率の差を縮小、或いは
第１回目の燃料噴射時期を遅角、或いは第２回の燃料噴
射における噴射量を減少させるようにしたので、高負荷
時のＨＣ及びＮＯｘの低減と、低負荷時のＨＣ及びＮＯ
ｘの低減を両立させることができる。

【００３４】

【発明の実施の形態】〔第１実施形態〕次に、図面を参
照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１
は、本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置をガソリンエ
ンジンに適用した第１実施形態の構成を示すシステム構
成図である。

【００３５】本発明においては、１回目の燃料噴射によ
り第１の混合気領域６を形成するとともに、燃料噴射弁
１８から２回目の燃料噴射により第１の混合気領域６よ
りも燃料濃度が濃厚な第２の混合気領域７を形成するこ
とが特徴である。

【００３６】図中のエンジン本体１０は、シリンダ１１
と、シリンダヘッド１２と、ピストン１３と、吸気ポー
ト１４と、吸気ポート１４を開閉する吸気弁１５と、排
気ポート１６と、排気ポート１６を開閉する排気弁１７
と、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１８とを備え
ている。

【００３７】尚、図中符号６は第１の混合気領域、符号
７は第２の混合気領域、符号８は燃焼室壁付近の空気層
をそれぞれ示す。

【００３８】このエンジン本体１０を制御する電子制御
装置（以下、ＥＣＵと略す）１は、クランク角センサ信
号及びアクセル開度センサ信号に基づいて運転条件を判
定し、燃料噴射回数を１回または２回とする運転条件判
定部２と、運転条件判定部２の判定に従って１回目の燃
料噴射を制御することによって第１の混合気領域６を形
成する１回目燃料噴射制御部３と、運転条件判定部２の
判定に従って２回目の燃料噴射を制御することによって
第２の混合気領域７を形成する２回目燃料噴射制御部４
と、１回目燃料噴射制御部３及び２回目燃料噴射制御部
４からの信号に従って燃料噴射弁１８の駆動信号を出力
する燃料噴射弁駆動部５とを備えている。

【００３９】尚、ＥＣＵ１の構成要素は、ハードワイヤ
ードの論理回路で構成することもできるが、マイクロコ
ンピュータ及びその制御プログラムとして実現すること
もできる。

【００４０】図２は、エンジン本体１０の要部平面図の
例である。図２において、エンジン本体１０は、吸気ポ
ート１４、吸気弁１５、排気ポート１６、排気弁１７を
それぞれ２つづつ備え、高回転高負荷時の吸排気効率を
改善すると共に、動弁系の質量を低減している。吸気ポ
ート１４の一方には、スワール制御弁１９が設けられ、
スワール制御弁１９を閉じることにより、筒内に横旋回
流（スワール）を形成し、燃料と吸気の混合を促進でき
るようになっている。

【００４１】但し、本発明は、必ずしも吸排気弁が多弁
であることを必要とせず、スワール制御弁も必須ではな
い。

【００４２】図３は、本実施形態に用いられる燃料噴射
弁１８の一例であるホロコーン噴射弁２０の先端部の形
状を示す縦断面図である。ホロコーン噴射弁２０は、バ
ルブボディ先端部２１の中央に噴射弁軸方向に一つの噴
口２２と、この噴口２２を開閉するニードルバルブ２３
とが設けられている。そして図示しない駆動コイルに燃
料噴射パルスの通電を行うと、ニードルバルブ２３が図
中上方へ引き上げられ、噴口２２が開いて燃料が噴射さ
れるようになっている。ニードルバルブ２３の弁リフト
量は所望の噴射期間に応じて可変となるような構成とし
ても良い。

【００４３】噴口２２から噴射された燃料は、ホロコー
ン噴射弁２０の軸と同軸の円錐面形状に広がる。ホロコ
ーン噴射弁２０は、比較的低い燃料圧力で用いることが
できる。

【００４４】ホロコーン噴射弁２０を用いた燃料噴射時
期が吸気行程、又は圧縮行程中の比較的早い時期であれ
ば、筒内圧力は余り高くないので噴射された燃料は容易
に飛翔することができ、筒内の比較的広い領域に分布す
る。これとは逆に、燃料噴射時期が圧縮行程中の比較的
遅い時期であれば、筒内圧力が高いので、噴射された燃
料は飛翔が困難となり、余り広がることはない。

【００４５】図４は、本実施形態に用いられる燃料噴射
弁１８の他の例である多噴口噴射弁３０の先端部の形状
を示す縦断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。多噴口
噴射弁３０は、バルブボディ先端部３１の中央に噴射弁
軸方向に一つの中央噴口３２と、この中央噴口３２の周
囲に噴射弁軸方向に対して傾いた方向を指向する複数の
側方噴口３３と、ニードルバルブ３４とが設けられてい
る。ニードルバルブ３４の弁リフト量は所望の噴射期間
に応じて可変となるような構成としても良い。側方噴口
３３は、燃料噴射弁軸、または気筒軸周りに回転対称に
配置されるのが好ましく、その数は必ずしも４に限らず
複数、好ましくは３以上の数であればよい。

【００４６】そして、図示しない駆動コイルに燃料噴射
パルスを通電すると、ニードルバルブ３４が図中上方へ
引き上げられ、中央噴口３２及び複数の側方噴口３３が
開き、燃料が噴射されるようになっている。中央噴口３
２、側方噴口３３から噴射された燃料は、多噴口噴射弁
３０の軸と同軸の円錐形状に広がる。

【００４７】多噴口噴射弁３０を用いた燃料噴射時期が
吸気行程、又は圧縮行程中の比較的早い時期であれば、
筒内圧力は余り高くないので噴射された燃料は容易に飛
翔することができ、筒内の比較的広い領域に分布する。
これとは逆に、燃料噴射時期が圧縮行程中の比較的遅い
時期であれば、筒内圧力が高いので、噴射された燃料は
飛翔が困難となり、余り広がることはない。

【００４８】図５は、第１実施形態の燃料噴射により形
成される高負荷時の筒内燃料分布の例を示すグラフであ
る。同図において、横軸はシリンダ中心軸（燃焼室中心
軸）からの距離を示し、縦軸は当量比を示す。シリンダ
軸回り方向の燃料分布は、一様な分布、即ち図５を縦軸
中心に回転させた分布となっている。

【００４９】同図に示すように、高負荷時には、シリン
ダ中心軸付近に当量比が比較的低い第１の混合気領域６
が形成され、その外周部に第１の混合気領域６よりも濃
厚で当量比が比較的高い第２の混合気領域７がドーナツ
状に形成され、さらにシリンダ壁付近は燃料が殆どない
空気層８となっている。

【００５０】第１の混合気領域６は、１回目燃料噴射制
御部３の制御により吸気行程または圧縮行程に噴射され
て形成され、第２の混合気領域７は、２回目燃料噴射制
御部４の制御により圧縮行程中の１回目燃料噴射後から
圧縮上死点までの間に燃料噴射されて形成される。尚、
空気層８の形成を確実にするためには、１回目燃料噴射
は吸気行程の後半以後に行うことが望ましい。

【００５１】図６は、本第１実施形態の燃料噴射により
形成される低負荷時の筒内燃料分布の例を示すグラフで
ある。同図において、横軸はシリンダ中心軸（燃焼室中
心軸）からの距離を示し、縦軸は当量比を示す。シリン
ダ軸回り方向の燃料分布は、一様な分布、即ち図６を縦
軸中心に回転させた分布となっている。

【００５２】同図に示すように、低負荷時には、例えば
シリンダ中心軸付近からボア半径の約１／３程度まで第
１の混合気領域６が形成され、その外周部に比較的当量
比が高い第２の混合気領域７がボア半径の約２／３程度
までドーナツ状に形成され、その外側はシリンダ壁まで
空気層８が設けられている。

【００５３】そして低負荷時には、第１の混合気領域６
の当量比と、第２の混合気領域７の当量比の差は、高負
荷時より大きくなるように設定されている。これによ
り、低負荷時の着火性を確保するとともに、低温のシリ
ンダ壁に火炎が達する前に燃料が燃え尽き、未燃ＨＣの
排出をほぼゼロとすることができる。

【００５４】図７は、第１の混合気領域の筒内体積比率
を変化させた場合のＮＯｘ排出量変化を示すグラフであ
り、高負荷時から低負荷時までほぼ同様の傾向を示す。

【００５５】燃焼室中心軸付近の第１の混合気領域の体
積比率を０％から１００％まで徐々に増やすと、体積比
率３５％程度までは、ＮＯｘ排出量はほぼゼロである
が、体積比率の増加に従ってＮＯｘ排出量は増加し、ほ
ぼ７０％前後で最大となり、以後低下する。

【００５６】これは、圧縮上死点付近で着火しない第１
の混合気領域の体積比率が増加するに従って圧縮上死点
付近で着火する第２の混合気領域の体積比率が減少し、
結果として第２の混合気領域の燃料濃度が高まり、燃焼
温度が上昇してＮＯｘ排出量が増加するためである。

【００５７】第１の混合気領域の体積比率が約７０％を
超えたところから１００％へ向かってＮＯｘ排出量が低
減するのは、第１の混合気領域の体積比率の増加に従っ
て第２の混合気領域の体積比率が減少するとともに、燃
焼時までに第２の混合気領域がその外側の空気層に拡散
することにより、高温度で燃焼する領域が減少するため
である。

【００５８】図８は、第１の混合気領域の筒内体積比率
を変化させた場合のＨＣ排出量変化を示すグラフであ
り、高負荷時から低負荷時までほぼ同様の傾向を示す。

【００５９】燃焼室中心軸付近の第１の混合気領域の体
積比率を０％から１００％まで徐々に増やすと、最初は
圧縮上死点付近で着火しない第１の混合気領域が殆どな
く、圧縮上死点付近で着火する第２の混合気領域の体積
比率が殆どを占めるため、第２の混合気領域全体の当量
比が低下し、その着火性が悪くＨＣ排出量が多いが、第
１の混合気領域の体積比率の増加に伴って第２の混合気
領域の着火性が良くなるため急激にほぼゼロまでＨＣ排
出量が低下する。

【００６０】そして、第１の混合気領域の体積比率が約
２０％から約４５％程度までＨＣ排出量はほぼゼロとな
る。第１の混合気領域の体積比率が約４５％を超えたと
ころから、体積比率の増加に従って、ＨＣ排出量が増加
する。しかもその増加の割合は、体積比率が１００％に
近づくにつれてより急激となる。

【００６１】これは、燃焼室中心部から周囲に広がる第
１の混合気領域の体積比率が増加するに従って、その外
周部に存在する着火性の良い第２の混合気領域、即ち、
当量比の高い、燃料濃度の高い混合気領域が燃焼室壁付
近まで広がることになる。このため、ピストンクレビス
部や燃焼室壁面の直近まで燃料が拡散し、これら低温部
に接する燃料層がクエンチ層（消炎層）となることによ
る。

【００６２】以上の図７及び図８から、本第１実施形態
においては、第１の混合気領域は、燃焼室体積の約２０
％〜約４０％程度の体積であることが好ましいといえ
る。

【００６３】図９は、１回目燃料噴射制御部３及び２回
目燃料噴射制御部４による燃料噴射量の負荷に対する制
御を説明するグラフである。

【００６４】１回目噴射量は、高負荷時の噴射量から負
荷の減少に従って噴射量は直線的に減少する。２回目噴
射量は、高負荷時の噴射量から負荷の減少に従って直線
的に増加し、その増加の割合は、１回目噴射量の減少の
割合より小さい。

【００６５】高負荷時の１回目噴射量は、１回目と２回
目とを合わせた全噴射量の半分を超える噴射量、好まし
くは６０ないし８０％とし、２回目噴射量はその残量で
ある２０ないし４０％とする。

【００６６】高負荷から低負荷へ負荷が減少するに従っ
て２回目噴射量を減少させているので、１回目の燃料噴
射により形成される第１の混合気領域の空気過剰率と、
２回目の燃料噴射により形成される第２の混合気領域の
空気過剰率との差は、高負荷時に０ないし１．０であ
り、負荷が減少するに従って低下する。

【００６７】図１０は、１回目燃料噴射制御部３及び２
回目燃料噴射制御部４による燃料噴射時期の負荷に対す
る制御を説明するグラフである。

【００６８】２回目の噴射時期は、圧縮行程後半の上死
点前の一定の時期とし、好ましくは第２の混合気領域が
圧縮自己着火する時期が圧縮行程終了後となるように時
期が設定される。１回目の噴射時期は、図示しない吸気
行程、または図１０に示すように圧縮行程の前半の時期
としている。

【００６９】〔第２実施形態〕次に、図１１ないし図１
９を参照して、本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置の
第２の実施形態を説明する。

【００７０】図１１は、本発明に係る内燃機関の燃焼制
御装置をガソリンエンジンに適用した第２実施形態の構
成を示すシステム構成図である。本実施形態の構成は、
図１に示した第１実施形態の構成とほぼ同様であるの
で、同様な構成要素には同じ符号を付与して、重複する
説明を省略する。

【００７１】第２実施形態においては、筒内に直接燃料
を噴射する燃料噴射弁１８から１回目の燃料噴射により
形成される第１の混合気領域６の形状と、２回目の燃料
噴射により形成される第２の混合気領域７の形状とが第
１実施形態と異なっていることが特徴である。

【００７２】図１２は、本第２実施形態の燃料噴射によ
り形成される高負荷時の筒内燃料分布の例を示すグラフ
である。同図において、横軸はシリンダ中心軸（燃焼室
中心軸）からの距離を示し、縦軸は当量比を示す。シリ
ンダ軸回り方向の燃料分布は、一様な分布、即ち図１２
を縦軸中心に回転させた分布となっている。

【００７３】同図に示すように、高負荷時には、シリン
ダ中心軸付近に当量比が高く圧縮上死点付近で着火する
第２の混合気領域７が形成され、その外周部に当量比が
低く圧縮上死点付近で着火しない第１の混合気領域６が
形成され、さらにシリンダ壁付近は燃料が殆どない空気
層８となっている。

【００７４】第１の混合気領域６は、１回目燃料噴射制
御部３の制御により吸気行程または圧縮行程に噴射され
て形成され、第２の混合気領域７は、２回目燃料噴射制
御部４の制御により圧縮行程中の１回目燃料噴射後から
圧縮上死点までの間に燃料噴射されて形成される。尚、
空気層８の形成を確実にするためには、１回目燃料噴射
は吸気行程の後半以後に行うことが望ましい。

【００７５】図１３は、本第２実施形態の燃料噴射によ
り形成される低負荷時の筒内燃料分布の例を示すグラフ
である。同図において、横軸はシリンダ中心軸（燃焼室
中心軸）からの距離を示し、縦軸は当量比を示す。シリ
ンダ軸回り方向の燃料分布は、一様な分布、即ち図１３
を縦軸中心に回転させた分布となっている。

【００７６】同図に示すように、低負荷時には、例えば
シリンダ中心軸付近からボア半径の１／２程度まで１つ
の混合気領域９が形成され、その外側はシリンダ壁まで
空気層８が設けられている。

【００７７】低負荷時の混合気領域９の当量比は、高負
荷時の第１の混合気領域６より高く、同第２の混合気領
域７よりやや低くなるように、１回目燃料噴射制御部３
の制御により形成される。これにより、低負荷時の着火
性を確保するとともに、低温のシリンダ壁に火炎が達す
る前に燃料が燃え尽き、未燃ＨＣの排出をほぼゼロとす
ることができる。

【００７８】図１４は、高負荷時に第２の混合気領域の
筒内体積比率を変化させた場合のＮＯｘ排出量変化を示
すグラフである。高負荷時に燃焼室中心軸付近の第２の
混合気領域の体積比率を０％から１００％まで徐々に増
やすと、体積比率の増加に従ってＮＯｘ排出量は増加す
る。これは、当量比の高い、言い換えれば燃料濃度の高
い領域の体積比率が増加するため、燃焼温度が高くなる
領域の体積比率が増加するためである。

【００７９】図１５は、高負荷時に第２の混合気領域の
筒内体積比率を変化させた場合のＨＣ排出量変化を示す
グラフである。

【００８０】高負荷時に燃焼室中心軸付近の第２の混合
気領域の体積比率を０％から１００％まで徐々に増やす
と、最初は着火性の良い第２の混合気領域が殆どないた
め、着火性が悪くＨＣ排出量が多いが、体積比率の増加
に伴って着火性が良くなるため急激にほぼゼロまでＨＣ
排出量が低下する。そして、体積比率が約２０％程度を
超えたところから、体積比率の増加に従って、ＨＣ排出
量が増加する。しかもその増加の割合は、体積比率が１
００％に近づくにつれてより急激となる。

【００８１】これは、着火性の良い第２の混合気領域の
体積比率が増加するということは、当量比の高い、燃料
濃度の高い混合気領域が燃焼室壁付近まで広がることに
なる。このため、ピストンクレビス部や燃焼室壁面の直
近まで燃料が拡散し、これら低温部に接する燃料層がク
エンチ層（消炎層）となることによる。

【００８２】以上の図１４及び図１５から、高負荷時の
第２の混合気領域は、燃焼室体積の１０〜３０％程度の
体積であることが好ましいといえる。

【００８３】図１６は、低負荷時に第２の混合気領域の
筒内体積比率を変化させた場合のＮＯｘ排出量変化を示
すグラフである。低負荷時に燃焼室中心軸付近の第２の
混合気領域の体積比率を０％から１００％まで徐々に増
やすと、体積比率の増加に従ってＮＯｘ排出量は低減
し、約５０％程度でＮＯｘは殆ど無くなる。

【００８４】図１７は、低負荷時に第２の混合気領域の
筒内体積比率を変化させた場合のＨＣ排出量変化を示す
グラフである。低負荷時に燃焼室中心軸付近の第２の混
合気領域の体積比率を０％から１００％まで徐々に増や
すと、０％から５０％程度までは、ＨＣ排出量は殆どな
いが、５０％程度を超えたところから体積比率の増加に
伴って最初は徐々に、後に急激にＨＣ排出量が増加す
る。これは、着火性の良い第２の混合気領域の体積比率
に従って、ピストンクレビス部や燃焼室壁面の直近まで
燃料が拡散し、これら低温部に接する燃料層がクエンチ
層となることによる。

【００８５】以上の図１６及び図１７から、低負荷時に
は、第２の混合気領域は、燃焼室容積の２回目の燃料噴
射量を少なくするか、１回目の燃料噴射のみとすること
により、ＮＯｘ及びＨＣの排出量を低減することができ
る。

【００８６】図１８は、１回目燃料噴射制御部３及び２
回目燃料噴射制御部４による燃料噴射量の負荷に対する
制御を説明するグラフである。

【００８７】１回目噴射量は、高負荷時の噴射量から負
荷の減少に従って噴射量は直線的に減少する。２回目噴
射量は、高負荷時の噴射量から負荷の減少に従って直線
的に減少し、低負荷近辺ではゼロとする。高負荷時の１
回目噴射量は、１回目と２回目とを合わせた全噴射量の
半分を超える噴射量、好ましくは６０ないし８０％と
し、２回目噴射量はその残量である２０ないし４０％と
する。

【００８８】高負荷から低負荷へ負荷が減少するに従っ
て２回目噴射量を減少させているので、１回目の燃料噴
射により形成される第１の混合気領域の空気過剰率と、
２回目の燃料噴射により形成される第２の混合気領域の
空気過剰率との差は、高負荷時に０．５ないし１．０で
あり、負荷が減少するに従って低下する。

【００８９】図１９は、１回目燃料噴射制御部３及び２
回目燃料噴射制御部４による燃料噴射時期の負荷に対す
る制御を説明するグラフである。

【００９０】２回目の噴射時期は、圧縮行程後半の上死
点前の一定の時期とし、好ましくは第２の混合気領域が
圧縮自己着火する時期が圧縮行程終了後となるように時
期が設定される。１回目の噴射時期は、高負荷時にはＢ
ＤＣ近くの進角した時期であるが、負荷の減少に従って
２回目噴射時期の直前、好ましくは圧縮行程終了前６０
度まで遅角させている。

【００９１】図２０は、第１または第２実施形態におけ
る第１の混合気領域と第２の混合気領域との空燃比の空
気過剰率の差の大きさによる排気性能の特性を表すもの
である。同図に示すように、空気過剰率差が小さくなり
過ぎると燃焼速度が上がるため急速燃焼となり、燃焼温
が増加することによりＮＯｘが増加する。

【００９２】一方、空気過剰率差が大きくなり過ぎる
と、シリンダ壁近傍とシリンダ中心の中心部の空燃比リ
ーン部が未燃となりＨＣが増加する特性となる。よって
空気過剰率の差は１．０〜３．０の範囲が排気性能上、
相応しい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置をガソリ
ンエンジンに適用した第１の実施形態の構成を示すシス
テム構成図である。

【図２】実施形態のエンジン本体の要部平面図の例であ
る。

【図３】実施形態に用いられるホロコーン噴射弁の先端
部の形状を示す縦断面図である。

【図４】実施形態に用いられる多噴口噴射弁の先端部の
形状を示す縦断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。

【図５】第１実施形態の燃料噴射により形成される高負
荷時の筒内燃料分布の例を示すグラフである。

【図６】第１実施形態の燃料噴射により形成される低負
荷時の筒内燃料分布の例を示すグラフである。

【図７】第１実施形態において、第１の混合気領域の筒
内体積比率を変化させた場合のＮＯｘ排出量を示すグラ
フである。

【図８】第１実施形態において、第１の混合気領域の筒
内体積比率を変化させた場合のＨＣ排出量を示すグラフ
である。

【図９】第１実施形態において、１回目及び２回目燃料
噴射量の負荷に対する制御を説明するグラフである。

【図１０】第１実施形態において、１回目及び２回目燃
料噴射時期の負荷に対する制御を説明するグラフであ
る。

【図１１】本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置をガソ
リンエンジンに適用した第２の実施形態の構成を示すシ
ステム構成図である。

【図１２】第２実施形態の燃料噴射により形成される高
負荷時の筒内燃料分布の例を示すグラフである。

【図１３】第２実施形態の燃料噴射により形成される低
負荷時の筒内燃料分布の例を示すグラフである。

【図１４】第１実施形態において、高負荷時に第２の混
合気領域の筒内体積比率を変化させた場合のＮＯｘ排出
量を示すグラフである。

【図１５】第２実施形態において、高負荷時に第２の混
合気領域の筒内体積比率を変化させた場合のＨＣ排出量
を示すグラフである。

【図１６】第２実施形態において、低負荷時に第２の混
合気領域の筒内体積比率を変化させた場合のＮＯｘ排出
量を示すグラフである。

【図１７】第２実施形態において、低負荷時に第２の混
合気領域の筒内体積比率を変化させた場合のＨＣ排出量
を示すグラフである。

【図１８】第２実施形態において、１回目及び２回目燃
料噴射量の負荷に対する制御を説明するグラフである。

【図１９】第２実施形態において、１回目及び２回目燃
料噴射時期の負荷に対する制御を説明するグラフであ
る。

【図２０】第１または第２実施形態において、第１の混
合気領域と第２の混合気領域の空燃比の空気過剰率の差
による排気性能の特性を説明するグラフである。

【符号の説明】

１電子制御装置（ＥＣＵ）２運転条件判定部３１回目燃料噴射制御部４２回目燃料噴射制御部５燃料噴射弁駆動部６第１の混合気領域７第２の混合気領域８空気層１０エンジン本体１１シリンダブロック１２シリンダヘッド１３ピストン１４吸気ポート１５吸気弁１６排気ポート１７排気弁１８燃料噴射弁１９スワール制御弁

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 Ｂ (72)発明者 ▲吉▼沢幸大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)発明者青地英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） 3G023 AA02 AA04 AA05 AA06 AB05 AC04 AC05 AD03 AD06 AG01 AG02 3G301 HA00 HA04 HA16 HA17 JA02 JA21 JA22 JA25 JA26 KA08 KA09 LA05 LB04 LC01 MA11 MA18 MA26 MA27 PE03Z PF03Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ピストンの上動により圧縮した高温高圧
の混合気を着火燃焼させる内燃機関の燃焼制御装置にお
いて、第１の混合気領域と、第１の混合気より濃厚な空燃比で
ある第２の混合気領域とを筒内に形成することを特徴と
する内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項２】第１の混合気領域は、第１回の燃料噴射
により形成され、第２の混合気領域は、第１回の燃料噴
射に加えて第２回の燃料噴射により形成されることを特
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】第２回の燃料噴射における噴射量は、少
なくともノック限界付近において、第１回の燃料噴射量
より少なくしたことを特徴とする請求項２記載の内燃機
関の燃焼制御装置。
【請求項４】第２回の燃料噴射における噴射量は、少
なくともノック限界付近において、総噴射量の約４０％
以下としたことを特徴とする請求項３記載の内燃機関の
燃焼制御装置。
【請求項５】第１の混合気領域は、燃焼室中心軸付近
に形成され、第２の混合気領域は、第１の混合気領域の
外周部に形成され、燃焼室壁付近は燃料が殆どない空気
層とされることを特徴とする請求項１ないし請求項４の
いずれか１項記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項６】第１の混合気領域は、燃焼室容積の２０
ないし４０％の体積としたことを特徴とする請求項５記
載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項７】第２の混合気領域は、燃焼室中心軸付近
に形成され、第１の混合気領域は、第２の混合気領域の
外周部に形成され、燃焼室壁付近は燃料が殆どない空気
層とされることを特徴とする請求項１ないし請求項４の
いずれか１項記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項８】第２の混合気領域は、燃焼室容積の１０
ないし３０％の体積としたことを特徴とする請求項７記
載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項９】高負荷ノック限界付近において、第１の
混合気領域と第２の混合気領域との空気過剰率の差は、
約１．０以下としたことを特徴とする請求項１ないし請
求項８のいずれか１項記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項１０】低負荷安定度限界付近において、第１
の混合気領域と第２の混合気領域との空気過剰率の差
は、約１．０ないし３．０としたことを特徴とする請求
項１ないし請求項９のいずれか１項記載の内燃機関の燃
焼制御装置。
【請求項１１】第１の混合気領域の着火時期が圧縮行
程終了後となるように、第２回の燃料噴射時期を制御す
ることを特徴とする請求項２ないし請求項１０のいずれ
か１項記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項１２】機関負荷の低下に応じて、前記空気過
剰率の差を拡大、或いは第２回の燃料噴射における噴射
量を増加させることを特徴とする請求項２ないし請求項
１１のいずれか１項記載の内燃機関の燃焼制御装置。