JP2003049650A - 圧縮自己着火式内燃機関 - Google Patents
圧縮自己着火式内燃機関Info
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- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
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- Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 筒内の混合気分布を圧縮自己着火燃焼のため
に最適化することにより、安定した着火時期の制御を可
能とすると共に、ＮＯｘ生成量を一定値以下に抑制す
る。 【解決手段】 混合気噴射弁９を用い、吸気行程などに
おいて１回目の混合気噴射を行い、燃焼室４内に希薄混
合気層を形成する。その後、圧縮行程において空気のみ
を噴射し、火炎伝播しない空気層を形成する。これに続
いて２回目の混合気噴射を行い、高背圧下で高濃度混合
気層を形成し、点火プラグ１０によりこれに火花点火す
る。この火花点火燃焼による圧力と温度の上昇で希薄混
合気層を自己着火させる。
に最適化することにより、安定した着火時期の制御を可
能とすると共に、ＮＯｘ生成量を一定値以下に抑制す
る。 【解決手段】 混合気噴射弁９を用い、吸気行程などに
おいて１回目の混合気噴射を行い、燃焼室４内に希薄混
合気層を形成する。その後、圧縮行程において空気のみ
を噴射し、火炎伝播しない空気層を形成する。これに続
いて２回目の混合気噴射を行い、高背圧下で高濃度混合
気層を形成し、点火プラグ１０によりこれに火花点火す
る。この火花点火燃焼による圧力と温度の上昇で希薄混
合気層を自己着火させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも所定の
運転条件にて圧縮自己着火燃焼を行わせる圧縮自己着火
式内燃機関に関する。
運転条件にて圧縮自己着火燃焼を行わせる圧縮自己着火
式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】圧縮自己着火式内燃機関の一例として、
特開平１０−１９６４２４号公報に記載されているもの
がある。これは、シリンダ内のピストンとは別に補助圧
縮手段としてコントロールピストンを備えており、自己
着火寸前の高温に至るまで圧縮された混合気に対し、コ
ントロールピストンによる圧縮を更に加えることで、混
合気を一斉に自己着火させる構成となっている。
特開平１０−１９６４２４号公報に記載されているもの
がある。これは、シリンダ内のピストンとは別に補助圧
縮手段としてコントロールピストンを備えており、自己
着火寸前の高温に至るまで圧縮された混合気に対し、コ
ントロールピストンによる圧縮を更に加えることで、混
合気を一斉に自己着火させる構成となっている。
【０００３】また、点火プラグを備える圧縮自己着火式
内燃機関が、特開平１１−２１０５３９号公報に開示さ
れている。これは、圧縮行程末期における筒内のガス温
度が、点火すると混合気全体の自己着火を引き起こす目
標温度であるかを判断し、吸気弁の開弁時期を制御する
ことにより、圧縮行程末期における筒内のガス温度が目
標温度に維持されるように制御している。
内燃機関が、特開平１１−２１０５３９号公報に開示さ
れている。これは、圧縮行程末期における筒内のガス温
度が、点火すると混合気全体の自己着火を引き起こす目
標温度であるかを判断し、吸気弁の開弁時期を制御する
ことにより、圧縮行程末期における筒内のガス温度が目
標温度に維持されるように制御している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記２つの従来技術
は、いずれも自己着火燃焼の着火時期を強制的に制御し
ようとするものであるが、コントロールピストンを用い
る特開平１０−１９６４２４号公報の技術は、エンジン
の構造が複雑になり過ぎて実用化が困難である。一方、
火花点火を用いる特開平１１−２１０５３９号公報の技
術では、火花点火によって与えることができる補助的な
圧力上昇の幅が小さく、安定した着火時期制御を行うこ
とが困難である。
は、いずれも自己着火燃焼の着火時期を強制的に制御し
ようとするものであるが、コントロールピストンを用い
る特開平１０−１９６４２４号公報の技術は、エンジン
の構造が複雑になり過ぎて実用化が困難である。一方、
火花点火を用いる特開平１１−２１０５３９号公報の技
術では、火花点火によって与えることができる補助的な
圧力上昇の幅が小さく、安定した着火時期制御を行うこ
とが困難である。
【０００５】火花点火による圧力上昇幅を大きくする方
法としては、燃焼室内の一部に燃料濃度の高い領域を形
成し、この領域の混合気に火花点火して限られた領域の
燃料を火炎伝播燃焼させることが考えられるが、燃焼室
内の状況が様々に変化すると火炎伝播燃焼する領域の範
囲も様々に変化してしまい、火炎伝播燃焼に伴って多く
発生するＮＯｘの生成量を一定量以下に抑制することが
困難となる。
法としては、燃焼室内の一部に燃料濃度の高い領域を形
成し、この領域の混合気に火花点火して限られた領域の
燃料を火炎伝播燃焼させることが考えられるが、燃焼室
内の状況が様々に変化すると火炎伝播燃焼する領域の範
囲も様々に変化してしまい、火炎伝播燃焼に伴って多く
発生するＮＯｘの生成量を一定量以下に抑制することが
困難となる。
【０００６】そこで、本発明は、混合気場形成に着目
し、筒内の混合気分布を圧縮自己着火式内燃機関のため
に最適化することにより、安定した着火時期の制御を可
能とすると共に、ＮＯｘ生成量を一定値以下に抑制する
ことを目的とする。
し、筒内の混合気分布を圧縮自己着火式内燃機関のため
に最適化することにより、安定した着火時期の制御を可
能とすると共に、ＮＯｘ生成量を一定値以下に抑制する
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、筒内に直接燃料を噴射する噴射弁を具備し、少
なくとも所定の運転条件にて圧縮自己着火燃焼を行わせ
る圧縮自己着火式内燃機関において、筒内混合気場を濃
い混合気領域と薄い混合気領域とに分け、濃い混合気と
薄い混合気との間を火炎伝播しない層にしたことを特徴
とする。
明では、筒内に直接燃料を噴射する噴射弁を具備し、少
なくとも所定の運転条件にて圧縮自己着火燃焼を行わせ
る圧縮自己着火式内燃機関において、筒内混合気場を濃
い混合気領域と薄い混合気領域とに分け、濃い混合気と
薄い混合気との間を火炎伝播しない層にしたことを特徴
とする。
【０００８】請求項２の発明では、筒内中心に濃い混合
気を配し、その周りを取り囲むように火炎伝播しないほ
どの薄い混合気を配し、その周りに前記濃い混合気が燃
焼することにより自己着火に至る薄い混合気を配したこ
とを特徴とする。請求項３の発明では、筒内中央から偏
心した位置に濃い混合気を配し、この濃い混合気と交わ
らない位置に濃い混合気が燃焼することによって自己着
火に至る薄い混合気を配し、前記濃い混合気と前記薄い
混合気とを火炎伝播しない層にて隔てたことを特徴とす
る。
気を配し、その周りを取り囲むように火炎伝播しないほ
どの薄い混合気を配し、その周りに前記濃い混合気が燃
焼することにより自己着火に至る薄い混合気を配したこ
とを特徴とする。請求項３の発明では、筒内中央から偏
心した位置に濃い混合気を配し、この濃い混合気と交わ
らない位置に濃い混合気が燃焼することによって自己着
火に至る薄い混合気を配し、前記濃い混合気と前記薄い
混合気とを火炎伝播しない層にて隔てたことを特徴とす
る。
【０００９】請求項４の発明では、筒内に直接燃料及び
空気を噴射可能な噴射弁を用いて、燃料噴射を２回に分
割して行い、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射との
間に空気のみを噴射することを特徴とする。請求項５の
発明では、燃焼室に開口する副室を具備し、この副室に
直接燃料及び空気を噴射可能な噴射弁を用いて、燃料噴
射を２回に分割して行い、１回目の燃料噴射と２回目の
燃料噴射との間に空気のみを噴射することを特徴とす
る。
空気を噴射可能な噴射弁を用いて、燃料噴射を２回に分
割して行い、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射との
間に空気のみを噴射することを特徴とする。請求項５の
発明では、燃焼室に開口する副室を具備し、この副室に
直接燃料及び空気を噴射可能な噴射弁を用いて、燃料噴
射を２回に分割して行い、１回目の燃料噴射と２回目の
燃料噴射との間に空気のみを噴射することを特徴とす
る。
【００１０】請求項６の発明では、前記噴射弁をシリン
ダヘッド略中央に設ける一方、シリンダ軸方向と、上死
点近傍時のボア壁へ指向する方向とに、それぞれ燃料を
噴射する複数の噴口を持たせたことを特徴とする。
ダヘッド略中央に設ける一方、シリンダ軸方向と、上死
点近傍時のボア壁へ指向する方向とに、それぞれ燃料を
噴射する複数の噴口を持たせたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の効果】請求項１の発明によれば、筒内混合気場
を濃い混合気領域と薄い混合気領域とに２層化し、濃い
混合気層と薄い混合気層とを火炎伝播しない層にて隔て
ることにより、濃い混合気層の火花点火による火炎が薄
い混合気層に伝播せず、濃い混合気層の燃焼による圧力
と温度の上昇で薄い混合気層が自己着火するため、火花
点火時期を制御することで自己着火時期を確実に制御す
ることができる一方、火炎伝播燃焼に寄与する燃料の量
が設定量以上となるのを確実に防止して、ＮＯｘの生成
を抑制することができる。
を濃い混合気領域と薄い混合気領域とに２層化し、濃い
混合気層と薄い混合気層とを火炎伝播しない層にて隔て
ることにより、濃い混合気層の火花点火による火炎が薄
い混合気層に伝播せず、濃い混合気層の燃焼による圧力
と温度の上昇で薄い混合気層が自己着火するため、火花
点火時期を制御することで自己着火時期を確実に制御す
ることができる一方、火炎伝播燃焼に寄与する燃料の量
が設定量以上となるのを確実に防止して、ＮＯｘの生成
を抑制することができる。
【００１２】請求項２の発明によれば、筒内中心に濃い
混合気を配し、筒内中心から外側の比較的温度が低い領
域に自己着火する薄い混合気を配することにより、急峻
な燃焼を抑制することが可能となり、圧縮自己着火燃焼
領域を高負荷側に広げることが可能となる他、筒内中心
にて濃い混合気を燃焼させるため、未燃混合気を抑制
し、ＨＣ排出量を低減することが可能となる。
混合気を配し、筒内中心から外側の比較的温度が低い領
域に自己着火する薄い混合気を配することにより、急峻
な燃焼を抑制することが可能となり、圧縮自己着火燃焼
領域を高負荷側に広げることが可能となる他、筒内中心
にて濃い混合気を燃焼させるため、未燃混合気を抑制
し、ＨＣ排出量を低減することが可能となる。
【００１３】請求項３の発明によれば、筒内中央から偏
心した位置に濃い混合気を配することにより、濃い混合
気が筒内中心から偏心した位置にて発熱することにより
筒内温度分布に斑が生じることで、急峻な燃焼を抑制す
ることが可能となり、圧縮自己着火燃焼領域を高負荷側
に広げることが可能となる。請求項４の発明によれば、
筒内に直接燃料及び空気を噴射可能な噴射弁を用いて、
燃料噴射を２回に分割して行い、１回目の燃料噴射と２
回目の燃料噴射との間に空気のみを噴射することによ
り、１回目の燃料噴射による燃料は燃焼室内の空気と混
ざり合って希薄化し、その後の空気噴射により、空気の
みの領域が形成され、続けて行われる２回目の燃料噴射
により、高背圧下で高濃度な混合気が形成される。これ
により、火花点火のための濃い混合気と、自己着火のた
めの薄い混合気とを、空気層により、火炎伝播しないよ
う確実に隔てることができ、ＮＯｘを抑制しつつ、安定
した自己着火燃焼を実現できる。
心した位置に濃い混合気を配することにより、濃い混合
気が筒内中心から偏心した位置にて発熱することにより
筒内温度分布に斑が生じることで、急峻な燃焼を抑制す
ることが可能となり、圧縮自己着火燃焼領域を高負荷側
に広げることが可能となる。請求項４の発明によれば、
筒内に直接燃料及び空気を噴射可能な噴射弁を用いて、
燃料噴射を２回に分割して行い、１回目の燃料噴射と２
回目の燃料噴射との間に空気のみを噴射することによ
り、１回目の燃料噴射による燃料は燃焼室内の空気と混
ざり合って希薄化し、その後の空気噴射により、空気の
みの領域が形成され、続けて行われる２回目の燃料噴射
により、高背圧下で高濃度な混合気が形成される。これ
により、火花点火のための濃い混合気と、自己着火のた
めの薄い混合気とを、空気層により、火炎伝播しないよ
う確実に隔てることができ、ＮＯｘを抑制しつつ、安定
した自己着火燃焼を実現できる。
【００１４】請求項５の発明によれば、燃焼室に連通す
る副室を具備し、この副室に直接燃料及び空気を噴射可
能な噴射弁を用いて、燃料噴射を２回に分割して行い、
１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射との間に空気のみ
を噴射することにより、１回目の燃料噴射による燃料は
その後の空気噴射により副室から確実に掃気されて燃焼
室内の空気と混ざり合って希薄化し、２回目の燃料噴射
による燃料はその前に噴射された空気が副室開口部を塞
ぐことで副室内に濃い混合気を形成することができる。
これにより、火花点火のための濃い混合気と、自己着火
のための薄い混合気とを、副室開口部の空気層により、
副室の内外に、火炎伝播しないよう確実に隔てることが
でき、混合気の分離をより確実なものとして、ＮＯｘを
抑制しつつ、安定した自己着火燃焼を実現できる。
る副室を具備し、この副室に直接燃料及び空気を噴射可
能な噴射弁を用いて、燃料噴射を２回に分割して行い、
１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射との間に空気のみ
を噴射することにより、１回目の燃料噴射による燃料は
その後の空気噴射により副室から確実に掃気されて燃焼
室内の空気と混ざり合って希薄化し、２回目の燃料噴射
による燃料はその前に噴射された空気が副室開口部を塞
ぐことで副室内に濃い混合気を形成することができる。
これにより、火花点火のための濃い混合気と、自己着火
のための薄い混合気とを、副室開口部の空気層により、
副室の内外に、火炎伝播しないよう確実に隔てることが
でき、混合気の分離をより確実なものとして、ＮＯｘを
抑制しつつ、安定した自己着火燃焼を実現できる。
【００１５】請求項６の発明によれば、シリンダヘッド
略中央に設けた噴射弁より、シリンダ軸方向と、上死点
近傍時のボア壁へ指向する方向とに、それぞれ燃料を噴
射することで、火花点火のための濃い混合気層と自己着
火のための薄い混合気層とに２層化し、これらを火炎伝
播しない層にて隔てることが可能となり、通常の燃料噴
射弁を用いて、ＮＯｘを抑制しつつ、安定した自己着火
燃焼を実現できる。
略中央に設けた噴射弁より、シリンダ軸方向と、上死点
近傍時のボア壁へ指向する方向とに、それぞれ燃料を噴
射することで、火花点火のための濃い混合気層と自己着
火のための薄い混合気層とに２層化し、これらを火炎伝
播しない層にて隔てることが可能となり、通常の燃料噴
射弁を用いて、ＮＯｘを抑制しつつ、安定した自己着火
燃焼を実現できる。
【００１６】
【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
圧縮自己着火式内燃機関（特にガソリンエンジン）のシ
ステム図である。但し、このエンジンでは、所定の運転
条件において圧縮自己着火燃焼を行い、他の運転条件で
は火花点火燃焼を行うよう、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いる。
に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す
圧縮自己着火式内燃機関（特にガソリンエンジン）のシ
ステム図である。但し、このエンジンでは、所定の運転
条件において圧縮自己着火燃焼を行い、他の運転条件で
は火花点火燃焼を行うよう、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いる。
【００１７】図１において、１はシリンダ、２はシリン
ダヘッド、３はピストン、４は燃焼室、５は吸気ポー
ト、６は吸気弁、７は排気ポート、８は排気弁、９は混
合気噴射弁、１０は点火プラグである。混合気噴射弁９
は、内部に混合気室が形成されており、外部から供給さ
れる高圧の空気と燃料とをこの混合気室内で混合し、得
られた混合気を燃焼室４内へ噴射する噴射弁である。ま
た、混合気室へ燃料を供給することなく混合気噴射弁９
を開弁させることにより、高圧空気のみを燃焼室４内へ
噴射することもできるようになっている。
ダヘッド、３はピストン、４は燃焼室、５は吸気ポー
ト、６は吸気弁、７は排気ポート、８は排気弁、９は混
合気噴射弁、１０は点火プラグである。混合気噴射弁９
は、内部に混合気室が形成されており、外部から供給さ
れる高圧の空気と燃料とをこの混合気室内で混合し、得
られた混合気を燃焼室４内へ噴射する噴射弁である。ま
た、混合気室へ燃料を供給することなく混合気噴射弁９
を開弁させることにより、高圧空気のみを燃焼室４内へ
噴射することもできるようになっている。
【００１８】ここで、混合気噴射弁９はシリンダヘッド
２の中央部に垂直に取付けて、その噴口を燃焼室４内に
臨ませる一方、点火プラグ１０はシリンダヘッド２に斜
めに取付けて、その先端部を燃焼室４内に突出させるこ
とで、混合気噴射弁９により形成される燃料噴霧（噴霧
円錐）に近接して点火プラグ１０のスパークギャップを
配置してある。
２の中央部に垂直に取付けて、その噴口を燃焼室４内に
臨ませる一方、点火プラグ１０はシリンダヘッド２に斜
めに取付けて、その先端部を燃焼室４内に突出させるこ
とで、混合気噴射弁９により形成される燃料噴霧（噴霧
円錐）に近接して点火プラグ１０のスパークギャップを
配置してある。
【００１９】このエンジンを制御する電子制御装置（以
下、ＥＣＵという）２０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２２と、圧縮自己着火燃焼運転時の燃焼制御パラメ
ータを制御する圧縮自己着火燃焼制御部２３とを備えて
いる。
下、ＥＣＵという）２０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２２と、圧縮自己着火燃焼運転時の燃焼制御パラメ
ータを制御する圧縮自己着火燃焼制御部２３とを備えて
いる。
【００２０】尚、燃焼形態判断部２１、火花点火燃焼制
御部２２及び圧縮自己着火燃焼制御部２３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、本実施
形態で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。このような構成のもと、図２に示すよう
な、低中回転及び低中負荷領域において圧縮自己着火燃
焼を行い、高回転又は高負荷領域において火花点火燃焼
を行う。
御部２２及び圧縮自己着火燃焼制御部２３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、本実施
形態で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。このような構成のもと、図２に示すよう
な、低中回転及び低中負荷領域において圧縮自己着火燃
焼を行い、高回転又は高負荷領域において火花点火燃焼
を行う。
【００２１】次に、圧縮自己着火燃焼の特性について説
明する。図３は、同一負荷に対する着火時期の自己着火
燃焼が成立する範囲を示すものである。着火時期を早期
にしていくとノック強度が増大して、ノック限界を超え
る。逆に、着火時期を遅らしていくと安定度が悪化し
て、安定度限界を超える。従って、圧縮自己着火燃焼の
成立範囲である着火時期の許容範囲（ノック限界内かつ
安定度限界内の範囲）は、極めて狭い範囲である。
明する。図３は、同一負荷に対する着火時期の自己着火
燃焼が成立する範囲を示すものである。着火時期を早期
にしていくとノック強度が増大して、ノック限界を超え
る。逆に、着火時期を遅らしていくと安定度が悪化し
て、安定度限界を超える。従って、圧縮自己着火燃焼の
成立範囲である着火時期の許容範囲（ノック限界内かつ
安定度限界内の範囲）は、極めて狭い範囲である。
【００２２】図４は、着火時期を変化させた場合の筒内
圧力及び熱発生の波形を示すものである。破線の波形は
着火時期を進角して圧縮上死点直後とした場合の波形で
あり、実線の波形は着火時期を圧縮上死点から遅角した
場合の波形である。これからわかるように、着火時期を
進角すると、筒内圧力の変化は急峻となる。圧縮自己着
火燃焼中に、何らかの影響で着火時期が最適な時期から
進角すると、上記の通り筒内圧力の変化が急峻となり、
これに伴って筒内温度も上昇する。この影響は筒内残留
ガス温度の上昇という形で次サイクルへ持ち込まれ、次
サイクルの着火時期が更に進角する傾向となる。反対
に、着火時期が最適な時期から遅角すると、次サイクル
の着火時期は更に遅角する傾向となる。
圧力及び熱発生の波形を示すものである。破線の波形は
着火時期を進角して圧縮上死点直後とした場合の波形で
あり、実線の波形は着火時期を圧縮上死点から遅角した
場合の波形である。これからわかるように、着火時期を
進角すると、筒内圧力の変化は急峻となる。圧縮自己着
火燃焼中に、何らかの影響で着火時期が最適な時期から
進角すると、上記の通り筒内圧力の変化が急峻となり、
これに伴って筒内温度も上昇する。この影響は筒内残留
ガス温度の上昇という形で次サイクルへ持ち込まれ、次
サイクルの着火時期が更に進角する傾向となる。反対
に、着火時期が最適な時期から遅角すると、次サイクル
の着火時期は更に遅角する傾向となる。
【００２３】このように、圧縮自己着火燃焼における着
火時期は非常に不安定であるため、強制的に着火時期を
制御してやる必要があり、本発明では、燃焼室内に高濃
度な混合気と希薄な混合気とを形成し、高濃度な混合気
に火花点火してこれを火炎伝播によって燃焼させ、この
燃焼に伴う筒内圧力と温度の上昇によって希薄な混合気
を自己着火させるようにしている。この方法によれば、
火花点火時期を制御することで自己着火時期を確実に制
御することが可能である。
火時期は非常に不安定であるため、強制的に着火時期を
制御してやる必要があり、本発明では、燃焼室内に高濃
度な混合気と希薄な混合気とを形成し、高濃度な混合気
に火花点火してこれを火炎伝播によって燃焼させ、この
燃焼に伴う筒内圧力と温度の上昇によって希薄な混合気
を自己着火させるようにしている。この方法によれば、
火花点火時期を制御することで自己着火時期を確実に制
御することが可能である。
【００２４】但し、この方法では、全ての燃料を自己着
火燃焼させる場合よりもＮＯｘ生成量が増加することに
なるので、火花点火とその後の火炎伝播燃焼（以下、火
花点火燃焼という）に寄与する燃料の量を必要最小限と
することが望ましい。そこで本発明では、高濃度な混合
気と希薄な混合気とを燃焼室内で分離形成することによ
り、火花点火燃焼に寄与する燃料の量が設定量以上とな
ることを確実に防止するようにしている。
火燃焼させる場合よりもＮＯｘ生成量が増加することに
なるので、火花点火とその後の火炎伝播燃焼（以下、火
花点火燃焼という）に寄与する燃料の量を必要最小限と
することが望ましい。そこで本発明では、高濃度な混合
気と希薄な混合気とを燃焼室内で分離形成することによ
り、火花点火燃焼に寄与する燃料の量が設定量以上とな
ることを確実に防止するようにしている。
【００２５】次に、図５のフローにて制御の流れを説明
する。先ずＳ１で、エンジン回転数Ｎ及び負荷Ｔを検出
する。次にＳ２で、燃焼形態を判断する。すなわち、エ
ンジン回転数Ｎ及び負荷Ｔの検出値が図２のマップの火
花点火燃焼領域内にあるか、圧縮自己着火燃焼領域内に
あるかを判断する。
する。先ずＳ１で、エンジン回転数Ｎ及び負荷Ｔを検出
する。次にＳ２で、燃焼形態を判断する。すなわち、エ
ンジン回転数Ｎ及び負荷Ｔの検出値が図２のマップの火
花点火燃焼領域内にあるか、圧縮自己着火燃焼領域内に
あるかを判断する。
【００２６】この結果、火花点火燃焼領域内と判断され
た場合には、Ｓ３で火花点火燃焼の制御を行い、圧縮自
己着火燃焼領域と判断された場合には、Ｓ４で圧縮自己
着火燃焼の制御を行う。Ｓ３で行われる火花点火燃焼制
御では、吸気行程中に混合気噴射弁９を駆動して燃焼室
４内に混合気を噴射供給し、圧縮行程後期に点火プラグ
１０を駆動して火花点火を行う。この場合、火花点火に
よって生じた火炎は燃焼室４全体の混合気に伝播する。
た場合には、Ｓ３で火花点火燃焼の制御を行い、圧縮自
己着火燃焼領域と判断された場合には、Ｓ４で圧縮自己
着火燃焼の制御を行う。Ｓ３で行われる火花点火燃焼制
御では、吸気行程中に混合気噴射弁９を駆動して燃焼室
４内に混合気を噴射供給し、圧縮行程後期に点火プラグ
１０を駆動して火花点火を行う。この場合、火花点火に
よって生じた火炎は燃焼室４全体の混合気に伝播する。
【００２７】Ｓ４で行われる圧縮自己着火燃焼制御で
は、自己着火の条件を成立させるために吸入空気の温度
を上昇させる制御（例えば、排気行程中に排気弁８を閉
じて残留ガス量を増加させる制御）を行うと共に、高濃
度な混合気と希薄な混合気とを燃焼室内で分離形成する
ための混合気噴射弁９の制御を行う。具体的には、図６
に示すように、混合気噴射弁９により、吸気行程から圧
縮行程前期の間で１回目の混合気噴射を実行し、その
後、圧縮行程にて、高圧空気のみの噴射を実行し、更に
２回目の混合気噴射を実行する。
は、自己着火の条件を成立させるために吸入空気の温度
を上昇させる制御（例えば、排気行程中に排気弁８を閉
じて残留ガス量を増加させる制御）を行うと共に、高濃
度な混合気と希薄な混合気とを燃焼室内で分離形成する
ための混合気噴射弁９の制御を行う。具体的には、図６
に示すように、混合気噴射弁９により、吸気行程から圧
縮行程前期の間で１回目の混合気噴射を実行し、その
後、圧縮行程にて、高圧空気のみの噴射を実行し、更に
２回目の混合気噴射を実行する。
【００２８】１回目の混合気噴射による混合気は燃焼室
４内の空気と混ざり合って希薄化し、燃焼室４の全域に
希薄な混合気を形成する（図６（ａ）参照）。その後の
空気噴射により、混合気噴射弁９の周囲に空気のみの領
域が形成され（図６（ｂ）参照）、続けて実行される２
回目の混合気噴射により、混合気噴射弁９の周囲に高濃
度な混合気が形成される（図６（ｃ）参照））。
４内の空気と混ざり合って希薄化し、燃焼室４の全域に
希薄な混合気を形成する（図６（ａ）参照）。その後の
空気噴射により、混合気噴射弁９の周囲に空気のみの領
域が形成され（図６（ｂ）参照）、続けて実行される２
回目の混合気噴射により、混合気噴射弁９の周囲に高濃
度な混合気が形成される（図６（ｃ）参照））。
【００２９】２回目の混合気噴射は、圧縮行程の後半、
すなわち高背圧下で実行されるため、噴射混合気の到達
距離が短く、拡散があまり進まないうちに点火プラグ１
０による点火が行われるので、この混合気の燃料濃度は
比較的高くなる。結果として、混合気噴射弁９の周囲に
高濃度混合気が存在し、周辺部に希薄混合気が存在する
と共に、２つの混合気領域の間に空気層が存在する混合
気分布（図７参照）を実現することができる。尚、図７
では、高濃度混合気領域を火花着火領域、希薄混合気領
域を圧縮着火領域、これらの間の空気層を火炎伝播しな
い領域と記してある。
すなわち高背圧下で実行されるため、噴射混合気の到達
距離が短く、拡散があまり進まないうちに点火プラグ１
０による点火が行われるので、この混合気の燃料濃度は
比較的高くなる。結果として、混合気噴射弁９の周囲に
高濃度混合気が存在し、周辺部に希薄混合気が存在する
と共に、２つの混合気領域の間に空気層が存在する混合
気分布（図７参照）を実現することができる。尚、図７
では、高濃度混合気領域を火花着火領域、希薄混合気領
域を圧縮着火領域、これらの間の空気層を火炎伝播しな
い領域と記してある。
【００３０】このような混合気分布を形成して混合気噴
射弁９に隣接する点火プラグ１０を点火駆動すると、高
濃度混合気が火炎伝播によって燃焼し、この燃焼に伴う
筒内圧力と温度の上昇を受けて希薄混合気が自己着火に
よって燃焼する。このとき、高濃度混合気と希薄混合気
とは空気層によって空間的に分離されているので、図８
に示すように火花点火燃焼と自己着火燃焼とを分離する
ことができる。このため、火花点火燃焼する燃料の量が
設定量より多くなり過ぎてＮＯｘ生成量が過大となるこ
とを防止できる。
射弁９に隣接する点火プラグ１０を点火駆動すると、高
濃度混合気が火炎伝播によって燃焼し、この燃焼に伴う
筒内圧力と温度の上昇を受けて希薄混合気が自己着火に
よって燃焼する。このとき、高濃度混合気と希薄混合気
とは空気層によって空間的に分離されているので、図８
に示すように火花点火燃焼と自己着火燃焼とを分離する
ことができる。このため、火花点火燃焼する燃料の量が
設定量より多くなり過ぎてＮＯｘ生成量が過大となるこ
とを防止できる。
【００３１】尚、火花点火燃焼と自己着火燃焼との分離
は空間的に行われていればよく、時間的には図９に示す
ような重なりを生じていてもよい。図８及び図９は熱発
生パターンを示すもので、ｄＱ／ｄθは熱発生率であ
る。また、高濃度混合気と希薄混合気とを分離する空気
層が空気のみから成る層である必要はなく、高濃度混合
気の伝播火炎を希薄混合気へ伝播させないほど燃料希薄
な層となっていればよい。
は空間的に行われていればよく、時間的には図９に示す
ような重なりを生じていてもよい。図８及び図９は熱発
生パターンを示すもので、ｄＱ／ｄθは熱発生率であ
る。また、高濃度混合気と希薄混合気とを分離する空気
層が空気のみから成る層である必要はなく、高濃度混合
気の伝播火炎を希薄混合気へ伝播させないほど燃料希薄
な層となっていればよい。
【００３２】更に、高濃度混合気（火花着火領域）と希
薄混合気（圧縮着火領域）と空気層（火炎伝播しない領
域）とを図７に示したように同心円上に形成することも
必須ではなく、図１０及び図１１に示すような分布で高
濃度混合気（火花着火領域）と希薄混合気（圧縮着火領
域）とを分離形成してもよい。図１０及び図１１の実施
形態では、シリンダヘッド２の周辺部に混合気噴射弁９
を斜めに取付け、これに近接して点火プラグ１０を配置
してある。
薄混合気（圧縮着火領域）と空気層（火炎伝播しない領
域）とを図７に示したように同心円上に形成することも
必須ではなく、図１０及び図１１に示すような分布で高
濃度混合気（火花着火領域）と希薄混合気（圧縮着火領
域）とを分離形成してもよい。図１０及び図１１の実施
形態では、シリンダヘッド２の周辺部に混合気噴射弁９
を斜めに取付け、これに近接して点火プラグ１０を配置
してある。
【００３３】高濃度混合気と希薄混合気との分離をより
確実に行う必要がある場合は、燃焼室（主燃焼室）に連
通して開口する副室を設け、この副室内に混合気噴射弁
と点火プラグとを配設して、上記のような混合気噴射弁
の制御を行うとよい。この場合、１回目の混合気噴射後
に実行される空気噴射により、副室内の混合気を一旦掃
気すると共に副室開口部付近に空気層を形成し、その後
実行する２回目の混合気噴射により、副室内に高濃度混
合気を形成することで、混合気の分離をより確実に行う
ことができる。
確実に行う必要がある場合は、燃焼室（主燃焼室）に連
通して開口する副室を設け、この副室内に混合気噴射弁
と点火プラグとを配設して、上記のような混合気噴射弁
の制御を行うとよい。この場合、１回目の混合気噴射後
に実行される空気噴射により、副室内の混合気を一旦掃
気すると共に副室開口部付近に空気層を形成し、その後
実行する２回目の混合気噴射により、副室内に高濃度混
合気を形成することで、混合気の分離をより確実に行う
ことができる。
【００３４】図１２及び図１３には更に本発明の他の実
施形態を示す。図１２のシステムでは、燃料噴射弁１５
を用い、これをシリンダヘッド２の中央部に垂直に取付
け、これに近接して点火プラグ１０を配置してある。こ
の場合、燃料噴射弁１５は、図１３に示されるように、
シリンダ軸方向に燃料を噴射する第１の噴口１５ａと、
上死点近傍時のボア壁へ指向する方向（水平に近い方
向）に燃料を噴射する第２の噴口１５ｂとを備えてい
る。
施形態を示す。図１２のシステムでは、燃料噴射弁１５
を用い、これをシリンダヘッド２の中央部に垂直に取付
け、これに近接して点火プラグ１０を配置してある。こ
の場合、燃料噴射弁１５は、図１３に示されるように、
シリンダ軸方向に燃料を噴射する第１の噴口１５ａと、
上死点近傍時のボア壁へ指向する方向（水平に近い方
向）に燃料を噴射する第２の噴口１５ｂとを備えてい
る。
【００３５】かかる構成において、燃料噴射弁１５から
圧縮行程において燃料を噴射することにより、シリンダ
軸方向に噴射された燃料は拡散せずに濃い混合気層が形
成され、ボア壁方向へ噴射されて拡散する燃料により薄
い混合気層が形成されることで、７に示す混合気分布を
具現化し、図８又は図９に示す熱発生パターンを実現す
ることが可能となる。
圧縮行程において燃料を噴射することにより、シリンダ
軸方向に噴射された燃料は拡散せずに濃い混合気層が形
成され、ボア壁方向へ噴射されて拡散する燃料により薄
い混合気層が形成されることで、７に示す混合気分布を
具現化し、図８又は図９に示す熱発生パターンを実現す
ることが可能となる。
【図１】 本発明の一実施形態を示す内燃機関のシステ
ム図
ム図
【図２】 圧縮自己着火燃焼領域を示す図
【図３】 圧縮自己着火燃焼の成立範囲を示す図
【図４】 着火時期を変化させた場合の筒内圧力及び熱
発生の波形を示す図
発生の波形を示す図
【図５】 制御の流れを示すフローチャート
【図６】 圧縮自己着火燃焼時の混合気分離形成方法を
示す図
示す図
【図７】 筒内混合気分布を示す図
【図８】 熱発生パターンの一例を示す図
【図９】 熱発生パターンの他の例を示す図
【図１０】 本発明の他の実施形態を示す内燃機関のシ
ステム図
ステム図
【図１１】 図１０の実施形態における筒内混合気分布
を示す図
を示す図
【図１２】 本発明の他の実施形態を示す内燃機関のシ
ステム図
ステム図
【図１３】 図１２の実施形態における燃料噴射弁噴口
部分の拡大図
部分の拡大図
１ シリンダ
２ シリンダヘッド
３ ピストン
４ 燃焼室
５ 吸気ポート
６ 吸気弁
７ 排気ポート
８ 排気弁
９ 混合気噴射弁
１０ 点火プラグ
１５ 燃料噴射弁
１５ａ 第１の噴口
１５ｂ 第２の噴口
２０ ＥＣＵ
２１ 燃焼形態判断部
２２ 火花点火燃焼制御部
２３ 圧縮自己着火燃焼制御部
─────────────────────────────────────────────────────
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）
Ｆ０２Ｂ 23/10 Ｆ０２Ｂ 23/10 Ｄ
Ｋ
Ｆ０２Ｄ 41/02 ３５１ Ｆ０２Ｄ 41/02 ３５１
41/32 41/32 Ｚ
41/38 41/38 Ｂ
Ｆ０２Ｍ 61/14 ３１０ Ｆ０２Ｍ 61/14 ３１０Ｄ
61/18 ３２０ 61/18 ３２０Ｚ
３６０ ３６０Ｇ
３６０Ｊ
Ｆターム(参考） 3G023 AA01 AA04 AA05 AB06 AC01
AC05 AG01
3G066 AA02 AB02 BA14 BA25 BA26
CC26 CC46 CC48 DA04 DA09
3G301 HA04 HA16 JA25 JA26 LB04
MA23
Claims (6)
- 【請求項１】筒内に直接燃料を噴射する噴射弁を具備
し、少なくとも所定の運転条件にて圧縮自己着火燃焼を
行わせる圧縮自己着火式内燃機関において、 筒内混合気場を濃い混合気領域と薄い混合気領域とに分
け、濃い混合気と薄い混合気との間を火炎伝播しない層
にしたことを特徴とする圧縮自己着火式内燃機関。 - 【請求項２】筒内中心に濃い混合気を配し、その周りを
取り囲むように火炎伝播しないほどの薄い混合気を配
し、その周りに前記濃い混合気が燃焼することにより自
己着火に至る薄い混合気を配した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。 - 【請求項３】筒内中央から偏心した位置に濃い混合気を
配し、この濃い混合気と交わらない位置に濃い混合気が
燃焼することによって自己着火に至る薄い混合気を配
し、前記濃い混合気と前記薄い混合気とを火炎伝播しな
い層にて隔てた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。 - 【請求項４】筒内に直接燃料及び空気を噴射可能な噴射
弁を用いて、燃料噴射を２回に分割して行い、１回目の
燃料噴射と２回目の燃料噴射との間に空気のみを噴射す
ることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つ
に記載の圧縮自己着火式内燃機関。 - 【請求項５】燃焼室に開口する副室を具備し、この副室
に直接燃料及び空気を噴射可能な噴射弁を用いて、燃料
噴射を２回に分割して行い、１回目の燃料噴射と２回目
の燃料噴射との間に空気のみを噴射することを特徴とす
る請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の圧縮自己
着火式内燃機関。 - 【請求項６】前記噴射弁をシリンダヘッド略中央に設け
る一方、シリンダ軸方向と、上死点近傍時のボア壁へ指
向する方向とに、それぞれ燃料を噴射する複数の噴口を
持たせたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれ
か１つに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001237378A JP3952710B2 (ja) | 2001-08-06 | 2001-08-06 | 圧縮自己着火式内燃機関 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001237378A JP3952710B2 (ja) | 2001-08-06 | 2001-08-06 | 圧縮自己着火式内燃機関 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003049650A true JP2003049650A (ja) | 2003-02-21 |
| JP3952710B2 JP3952710B2 (ja) | 2007-08-01 |
Family
ID=19068470
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001237378A Expired - Fee Related JP3952710B2 (ja) | 2001-08-06 | 2001-08-06 | 圧縮自己着火式内燃機関 |
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|---|---|
| JP (1) | JP3952710B2 (ja) |
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2001
- 2001-08-06 JP JP2001237378A patent/JP3952710B2/ja not_active Expired - Fee Related
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