JP3760725B2 - 圧縮自己着火式ガソリン機関 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも部分負荷運転においてガソリンを燃料として圧縮自己着火燃焼させる圧縮自己着火式ガソリン機関に係り、特に燃焼の速度または時期を最適化した圧縮自己着火式ガソリン機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の圧縮自己着火式機関としては、例えば特開平１０−１９６４２４号公報に示されるものがある。この例は、圧縮自己着火式ガソリン機関の燃焼開始時期をコントロールするため、燃焼室に面して設けたサブピストンによる付加的圧縮、又は着火油の噴射によって付加的温度上昇を与え、圧縮上死点付近に燃焼開始時期がくるようコントロールしようとする技術である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の技術は、サブピストンによる付加的な圧縮、或いは着火油の噴霧燃焼による未燃混合気温度の上昇を利用する構成となっていたため、装置の構造が複雑なため部品点数が増加し、高度な製造技術を必要としたり、保守性が悪化するという問題点があった。
【０００４】
また、サブピストンを利用する場合にはＳＶ比の増大による燃費・排気性能の悪化を招くという問題点があった。
さらに、着火油を使用する場合には排気スモークとＮＯｘが発生するという問題点があった。
【０００５】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、ガソリン混合気の成層状態の制御のみで混合気の主燃焼時期をコントロールし、主として自己着火運転領域を高負荷域に拡大することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、少なくとも部分負荷運転において、ガソリンを圧縮自己着火燃焼させる、圧縮自己着火式ガソリン機関において、燃焼室に面して設置された燃料噴射弁と、燃焼の速度または時期を表す指標を検出するセンサと、少なくとも部分負荷運転において、圧縮行程中に１度、それに先立つ排気行程終了後から前記圧縮行程中噴射に至るまでの間に１度、合計少なくとも２度の噴射を行なうとともに、前記センサから得られた前記指標に基づいて前記２度の燃料噴射の量と時期の少なくとも１つを制御する燃料噴射制御手段を備え、前記圧縮自己着火燃焼を行う領域であって、比較的高負荷領域または比較的高回転数領域でのみ前記燃料噴射制御手段によってフィードバック制御を行い、比較的低負荷かつ比較的低回転数の領域ではオープン制御を行うことを要旨とする。
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項２の発明は、請求項１記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記センサは、筒内圧力センサであり、前記燃焼の速度または時期を表す指標とは、筒内圧力の上昇率、筒内圧力の最大値、該最大値をとる時期、または筒内圧力の振動振幅のいずれかを含むことを要旨とする。
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項３の発明は、請求項１記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記センサはノックセンサであり、前記燃焼の速度または時期を表す指標とは、筒内圧力の振動振幅であることを要旨とする。
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項４の発明は、請求項１記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記燃焼の速度または時期を表す指標に基づいて制御される対象は、前記２度目の燃料噴射量であって、燃焼の速度が大または燃焼の時期が早と判断されたときは２度目の燃料噴射量を減少させることを要旨とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の圧縮自己着火式ガソリン機関。
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項５の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記燃焼の速度または時期を表す指標に基づいて制御される対象は、前記２度目の燃料噴射時期であって、燃焼の速度が大または燃焼の時期が早と判断されたときは２度目の燃料噴射時期を進角させることを要旨とする。
【００１１】
上記目的を達成するため、請求項６の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記燃焼の速度または時期を表す指標に基づいて制御される対象は、前記１度目の燃料噴射量であって、燃焼の速度が大または燃焼の時期が早と判断されたときは１度目の燃料噴射量を減少させることを要旨とする。
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項７の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記燃焼の速度または時期を表す指標に基づいて制御される対象は、前記１度目の燃料噴射時期であって、燃焼の速度が大または燃焼の時期が早と判断されたときは１度目の燃料噴射時期を進角させることを要旨とする。
【００１３】
上記目的を達成するため、請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記１度目の燃料噴射量と前記２度目の燃料噴射量の合計は、機関負荷に応じて一定であることを要旨とする。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、圧縮自己着火燃焼を行う領域であって、比較的高負荷領域または比較的高回転数領域において、センサによって燃焼の速度又は時期を表す指標を検出し、この検出された指標に基づいて、複数回の燃料噴射の量と時期の少なくとも１つをフィードバック制御する構成としたため、ガソリン以外の燃料を使用することなく、燃焼状態に応じて混合気の成層状態を最適に制御することで主燃焼時期をコントロールでき、自己着火運転領域を高負荷域に拡大できるという効果がある。
【００１５】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、筒内圧センサで検出した筒内圧力の上昇率、筒内圧力の最大値、該最大値をとる時期、または筒内圧力の振動振幅値のいずれかを含むようにしたので、圧縮自己着火式ガソリン機関を高負荷域で使用する際に問題となる最大筒内圧力、燃焼加振騒音、または燃焼室内気柱振動音（ノッキング音）を抑制しながら、自己着火運転範囲を高負荷領域へ拡大することができるという効果がある。
【００１６】
請求項３の発明によれば、ノックセンサで筒内圧力の振動振幅値、即ち燃焼室内気柱振動の強さを検出し、混合気の成層状態にフィードバックする構成としたため、自己着火運転を高負荷域で使用する際に問題となる燃焼室内気柱振動音を抑制しながら、自己着火運転範囲を高負荷化できる。また筒内圧センサに比べて安価なノックセンサを使用することが可能となる。
【００１７】
請求項４の発明によれば、前記指標に基づいて２度目の燃料噴射量を制御する構成としたため、ガソリン混合気のみで主燃焼時期をコントロールでき、自己着火運転領域を高負荷域に拡大できる。この拡大された高負荷自己着火燃焼域にて燃焼の安定度も最も高くできる。
【００１８】
請求項５の発明によれば、前記指標に基づいて２度目の燃料噴射時期を制御する構成としたため、ガソリン混合気のみで主燃焼時期をコントロールでき、自己着火運転領域を高負荷域に拡大できる。この時、排出ＮＯｘの悪化を比較的小さくとどめることができる。
【００１９】
請求項６の発明によれば、前記指標に基づいて１度目の燃料噴射量を制御する構成としたため、ガソリン混合気のみで主燃焼時期をコントロールでき、自己着火運転領域を高負荷域に拡大できる。この時、排出ＮＯｘの悪化を最小限にとどめることができる。
【００２０】
請求項７の発明によれば、前記指標に基づいて１度目の燃料噴射時期を制御する構成としたため、ガソリン混合気のみで主燃焼時期をコントロールでき、自己着火運転領域を高負荷域に拡大できる。この時、排出ＮＯｘの悪化を最小限にとどめることができる。
【００２１】
請求項８の発明によれば、１度目の燃料噴射量と２度目の燃料噴射量との合計を機関負荷に応じて一定としたため、センサが検出した燃焼に関する指標に基づいて１度目または２度目の燃料噴射量をフィードバック制御しても同一機関負荷に対しては燃料噴射量の合計が一定となり、定常運転時の軸トルク変動を少なくし、運転性を向上させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る圧縮自己着火式ガソリン機関の一実施形態を示すシステム構成図である。
【００２３】
図１において、燃焼室１は、シリンダヘッド２と、シリンダブロック３とピストン４により形成されている。 シリンダヘッド２には、吸気ポート５とこれら吸気ポート５を開閉する吸気バルブ６、および吸気ポート５と対向的に配置された排気ポート９とこれら排気ポート９を開閉する排気バルブ８を備えている。
【００２４】
吸気バルブ６と排気バルブ８は、それぞれ吸気カム１１と排気カム１２を介して図外のバルブ駆動系により開閉される。
【００２５】
またシリンダヘッド２には、燃焼室内に直接燃料を噴射可能な燃料噴射弁７、および火花点火燃焼時にスパーク点火を行うための点火プラグ１０が設けられている。
【００２６】
符号１３は筒内圧力を検出する筒内圧センサ、または、筒内気柱振動を検出するノックセンサである。筒内圧センサの場合、半導体圧力センサを用いることができるが、シリコンチップが直接高温に曝されないように、金属製隔離ダイヤフラムと適当な長さの作用力伝達ロッドを用いて、筒内圧力をシリコンダイアフラムに伝達すればよい。
【００２７】
エンジントロールユニット（以下、ＥＣＵと略す）２０には、エンジン回転数及び要求負荷に基づいて運転領域を判定する運転領域判定部２１と、運転領域判定部２１が火花点火領域と判定したとき、点火タイミング等の火花点火燃焼を制御する火花点火燃焼制御部２２と、運転領域判定部２１が自己着火領域と判定したとき、圧縮自己着火燃焼を制御する圧縮自己着火燃焼制御部２３とを備えている。エンジン回転数及び要求負荷による運転領域の判定は、図１０を参照して、後述される。
【００２８】
本発明に特徴的な構成要素である圧縮自己着火燃焼制御部２３は、筒内圧センサ（燃焼指標として筒内気柱振動を検出する場合にはノックセンサを含む）１３が検出した筒内圧力信号に基づいて、燃焼の速度または時期を表す指標である、筒内圧力上昇率、筒内圧力の最大値、筒内圧力が最大値をとる時期、或いは、筒内圧力の振動振幅値を算出する燃焼指標算出部２４と、この燃焼指標算出部２４の算出結果に基づいて、１回目の燃料噴射時期Ｉ／Ｔ１、１回目の燃料噴射量Ｐｗ１、２回目の燃料噴射時期Ｉ／Ｔ２、及び２回目の燃料噴射量Ｐｗ２を制御する燃料噴射制御部２５とを備えている。
【００２９】
ここで、２回目の燃料噴射は、圧縮行程中に行われるものであり、１回目の燃料噴射は、排気行程終了後から２回目の燃料噴射に至るまでに行われるものとする。図２は、２回の燃料噴射の時期及び噴射量の例を示すタイムチャートであり、燃料噴射弁７の噴射パルス波形として示されている。
【００３０】
図２において、吸気行程中に行われる１回目の燃料噴射時期Ｉ／Ｔ１及び１回目の燃料噴射量Ｐｗ１、圧縮行程中に行われる２回目の燃料噴射時期Ｉ／Ｔ２及び２回目の燃料噴射量Ｐｗ２が示されている。以下の説明では、燃料噴射量は、燃料噴射パルスのパルス幅で制御されるものとする。
【００３１】
本実施形態の動作を説明する前に、まず、本発明が狙いとする燃焼の形態について説明する。
自己着火エンジンの狙いである低燃費・超希薄燃焼のためには、通常スロットルを全開にしてポンピングロスを無くすとともに、吸入空気量を最大に保つことが重要である。この状態でエンジンの負荷（出力トルク）を変化させるには、燃料の供給量をコントロールすることになる。
【００３２】
この時、負荷を高めようとして燃料量を増やしていくと、熱発生総量が増大する。さらに、空燃比が低下して燃料と空気の化学反応速度が増大することにより、燃焼期間が短縮するのみでなく、熱発生開始時期が進角する。
【００３３】
図３（ａ）は、負荷を増大するに伴って増大する筒内圧力変化、図３（ｂ）は同クランク角度当たりの発熱量ｄＱ／ｄθをそれぞれクランク角度に対してグラフ化したものである。
【００３４】
これら熱発生総量増大、燃焼期間短縮、熱発生開始時期進角の３者の相乗作用により、負荷の増大に伴って筒内圧上昇率の最大値と最大筒内圧力が増大する。このため、搭載車両の性格に基づく燃焼加振騒音の許容レベル、または機関本体の機械的強度によって、自己着火運転の負荷上限が決定されることになる。また、筒内圧上昇率の上昇に伴い、ノッキング様の筒内気柱振動が発生し、上記燃焼加振騒音をさらに高める場合がある。
【００３５】
これら現象を緩和するための１方策として、熱発生時期を負荷とは無関係に制御する方法が考えられる。
【００３６】
このためには、ほぼ均質で比較的希薄な混合気中に一部濃混合気を層状に形成し、この濃混合気の自己着火燃焼である１段目の燃焼により比較的希薄な混合気を圧縮し自己着火に至らしめ２段目の燃焼をさせる方法がある。以下この燃焼方法を２段燃焼と呼ぶことにする。
【００３７】
図４（ａ）は、２段燃焼を行った場合の筒内圧力変化を示すグラフであり、図４（ｂ）は、２段燃焼の模式図である。
【００３８】
濃混合気の１段目燃焼は、最も筒内温度が高くなるＴＤＣ付近で自己着火により発生させることが最も容易であるため、この方法によれば、それに続く比較的希薄な混合気の２段目燃焼をＴＤＣ後に発生させることができる。
【００３９】
次に、この燃焼形態を実現しようとしたときの問題点を説明する。
【００４０】
図５は、この方法を実際に実験した結果を示すグラフである。横軸はクランク軸角度、縦軸は筒内圧力であり、図中には６燃焼サイクル分が重ねて表示されている。
【００４１】
クランク角約３６０°から始まる１段目燃焼、その後約３７０°前後にピークとなる２段目燃焼（主燃焼）ともに進角方向または遅角方向に一方的にドリフトし、定常的に安定した２段燃焼を実現することができない。
【００４２】
この原因は、以下の正のフィードバックループが働き、外乱による変化を更に増幅するような動作となるからである。
【００４３】
（１）何らかの原因で１段目燃焼時期が早く（遅く）なる。
【００４４】
（２）ピストンによる圧縮との相乗作用で未燃混合気温度が上昇（低下）する。
【００４５】
（３）２段目燃焼の時期が早く（遅く）なる。
【００４６】
（４）筒内温度が上昇（低下）する。
【００４７】
（５）燃焼室壁温、シリンダ壁温が上昇（低下）する。
【００４８】
（６）吸気温度が上昇（低下）する。
【００４９】
（７）１段目燃焼時期が早く（遅く）なる。
【００５０】
本発明はこの問題を、燃焼速度に関する情報をセンサにより検出し、この検出結果を混合気の成層状態にフィードバック制御することにより解決するものである。
【００５１】
次に作用を説明する。
まず、図６に基づき、部分負荷時のエンジンの作動をエンジンの行程毎に説明する。
【００５２】
部分負荷時には、図６（ｂ）に示す吸気行程、または圧縮行程において筒内に第１回目のガソリン噴射を行う。この第１回目の噴射時期はほぼ均質な混合気を筒内に形成するためのものである。均質な混合気を形成するためには吸気行程に燃料噴射を行うのが通常であるが、ピストンやシリンダ壁への燃料付着を避けるために圧縮行程に燃料を噴射する場合もあり得る。
【００５３】
さらに第２回目の燃料噴射を図６（ｄ）に示す圧縮行程中に行う。この２回目に噴射された燃料は１回目の燃料噴射で形成されたほぼ均質な混合気の上に重なる形でさらに濃い混合気を形成する。
【００５４】
この濃い混合気の体積は、主として第２回目の燃料噴射時期で決まる。すなわち第２回目の燃料噴射時期が早い場合には、圧縮上死点付近までにある程度の大きさに拡散し濃い混合気の体積は大きくなる。逆に第２回目の燃料噴射時期が遅い場合には圧縮上死点付近までに拡散する半径が小さく、濃い混合気の体積は小さくなる。
【００５５】
濃い混合気の空燃比は、第１回目の燃料噴射量、第２回目の燃料噴射量、第２回目の燃料噴射時期、の３者によって決まる。
濃い混合気の自己着火燃焼つまり１段目燃焼の燃焼時期は濃い混合気の空燃比によって決まる。
１段目燃焼の熱発生量は、濃い混合気の当量比と体積の積により決まる。
【００５６】
以上示したように、１段目燃焼の熱発生量・熱発生時期ともに２度の燃料噴射の時期と量で第１義的には決まることがわかる。この概念を図７に示す。
【００５７】
図７において、横軸は、シリンダ直径方向である燃焼室内での水平座標、縦軸は、当量比である。同図は、第１回目の燃料噴射で形成された筒内均一な希薄混合気の空燃比に加えて、筒内中心部に第２回目燃料噴射による濃混合気領域が形成されていることを示している。
【００５８】
しかし、先に述べた理由により、オープンループ制御では、この１段目燃焼の熱発生時期を安定させることはできない。そこで、１段目燃焼の時期につれて移動する２段目燃焼（主燃焼）の時期で決定される筒内圧の指標、すなわち（１）筒内圧力上昇率の最大値、（２）最大筒内圧力、（３）筒内圧力が最大となる時期、（４）筒内気柱振動振幅のいずれかを使用して、濃混合気の空燃比またはボリュウムを制御する、すなわち（１）第１回目燃料噴射時期、（２）第１回目燃料噴射量、（３）第２回目燃料噴射量、（４）第２回目燃料噴射時期のいずれかを燃焼パラメータとして制御することが有効となる。
【００５９】
図８は、ＥＣＵ２０における燃焼パラメータ制御の流れを示すフローチャートである。
図８において、まず、エンジン回転数と、要求負荷（例えばアクセル開度信号として得られる）とを読込み（ステップＳ１０）、エンジン回転数と要求負荷で圧縮自己着火燃焼領域か否かを判定する（ステップＳ１２）。圧縮自己着火燃焼領域でなければ、従来と同様の火花点火燃焼制御を行い（ステップＳ１４）、リターンする。
【００６０】
Ｓ１２の判定で、圧縮自己着火燃焼領域であれば、次いで、後述するフィードバック制御対象運転領域か否かをエンジン回転数と要求負荷から判定する（ステップＳ１６）。
【００６１】
もし制御範囲外であれば（Ｓ１６の判定がＮｏ）、２回の燃料噴射パルスの時期と幅は、ＥＣＵ内に記録されたテーブルの値を使用して（ステップＳ１８）、リターンする。
【００６２】
もし制御範囲内であれば（Ｓ１６の判定がＹｅｓ）、燃料噴射パルスの時期と幅は、ＥＣＵ内に記録されたテーブルの値読み出して初期値とし（ステップＳ２０）、以下の制御を行う。
【００６３】
図中Ｘは制御対象であり、（１）Ｐｗ１（第１回目噴射の噴射パルス幅）、（２）Ｉ／Ｔ１（第１回目噴射の時期）、（３）Ｐｗ２（第２回目噴射の噴射パルス幅）、（４）Ｉ／Ｔ２（第２回目噴射の時期）のいずれかである。
【００６４】
図中Ｙは筒内圧センサまたはノックセンサの検出信号に基づいて算出される項目であり、燃焼の速度または時期を表す燃焼指標である。すなわち、（１）筒内圧力上昇率の最大値：ｄＰ／ｄθｍａｘ、（２）筒内圧力の最大値：Ｐｍａｘ、（３）Ｐｍａｘをとるクランク角度：θＰｍａｘ、（４）筒内気柱振動振幅のうちのいずれかである。
【００６５】
次いで、筒内圧センサ１３より筒内圧信号を読み込み（ステップＳ２２）、燃焼指標Ｙを算出し（ステップＳ２４）、Ｙは制御範囲か否かを判定する（ステップＳ２６）。Ｙが制御範囲でなければ再度筒内圧を検出するためＳ２２へ戻る。
【００６６】
Ｙが制御範囲であれば、これらの制御目標値をＥＣＵ内のテーブルから読み込みＹｔとし（ステップＳ２８）、そしてＹとＹｔの乖離量に比例したＸｎｅｗを計算し（ステップＳ３０）、ＸｎｅｗでＸを更新する（ステップＳ３２）。尚、Ｘｎｅｗを計算する際のαは、フィードバック係数である。Ｘを変化させる方向はＹおよびＸの選択により異なり、図９を用いて後述される。
【００６７】
次いで、再度エンジン回転数と要求負荷とを読込み（ステップＳ３４）、フードバック制御対象運転領域か否かを判定し（ステップＳ３６）、フードバック制御対象運転領域内であれば、フィードバック制御を続けるためにステップＳ２２へ移る。フードバック制御対象運転領域外であれば、フードバックループから抜け出るためにリターンする。
【００６８】
図９は、燃焼指標Ｙとして検出される検出項目の状態により、制御対象であるＸをどの方向に動かすかをまとめた表である。Ｙ、及びＸの定義は、先に説明した図８の場合と同様である。図９に示す表に従って、フィードバック制御を行うことにより燃焼時期を安定的に制御することができる。
【００６９】
図１０は、火花点火運転領域と、自己着火運転領域、及び自己着火運転領域中のオープン制御域とフィードバック制御を行う運転領域を示している。燃焼開始時期が過早となる問題が生じるのは主として自己着火の高負荷領域であることから、この付近のみをフィードバック制御し、他はオープン制御として、ＥＣＵの負荷を減らした例である。
【００７０】
以下、燃焼指標Ｙ及び制御対象Ｘのそれぞれの選択についての得失を述べる。まず燃焼の速度または時期を表す燃焼指標としての検出項目について述べる。
【００７１】
筒内圧力の上昇率を検出し混合気の成層状態にフィードバックする場合は、自己着火運転を高負荷域で使用する際に問題となる燃焼加振騒音を抑制しながら自己着火運転範囲を高負荷化できる。
【００７２】
筒内圧の最大値を検出し混合気の成層状態にフィードバックする場合は、エンジンの機械的強度から決まる最大許容筒内圧力以下に圧力を抑制しながら、自己着火運転範囲を高負荷化できる。
【００７３】
筒内圧が最大値をとる時期を検出し混合気の成層状態にフィードバックする場合は、圧力センサのドリフトや感度変化等の経時変化があっても悪影響が発生しない。また、センサの線形性等の要求性能が低くなりコストを抑制できる。
【００７４】
燃焼室内気柱振の強さを混合気の成層状態にフィードバックする場合は、自己着火運転を高負荷域で使用する際に聴感上問題となる燃焼室内気柱振動音（ノッキング音）を抑制しながら、自己着火運転範囲を高負荷化できる。また、筒内圧センサに比べて安価なノックセンサを使用することが可能となる。
【００７５】
次に制御対象であるフィードバック先噴射弁駆動項目について述べる。
まず、２度の燃料噴射における燃料噴射量と燃料噴射時期が、１段目燃焼のための濃混合気に与える影響を図１１及び図１２に図示する。
【００７６】
図１１（ａ）は、第２回目燃料噴射量を増大したときの混合気分布の変化を示す。第２回目燃料噴射量を増大すると濃混合気の当量比がリッチ化する。２回目の燃料噴射量を制御する場合、濃混合気の当量比すなわち１段目熱発生時期と熱発生量の両方を増減させることができるため、２段目熱発生時期への影響力が大きく燃焼の安定度も最も高くできる。しかしながら２度目の燃料噴射量が多くなるとＮＯｘとすすの排出が多くなる場合がある。
【００７７】
図１１（ｂ）は、第２回目燃料噴射時期を遅延したときの混合気分布の変化を示すものである。第２回目燃料噴射時期が遅れるほど濃混合気の領域が狭くなるとともに濃混合気の当量比がリッチ化され、１段目燃焼時期が進角する。２回目の燃料噴射時期を制御する場合、２回目の燃料噴射量は一定であるため制御状態により排出ＮＯｘが変化することは少ない。しかしながら１段目熱発生量はほぼ固定であるためフィードバックによる燃焼安定化作用は小さくなる。
【００７８】
図１２（ａ）は、第１回目燃料噴射量を増大したときの混合気分布の変化を示すものである。第１回目燃料噴射量が増大すれば希薄混合気及び濃混合気の当量比がリッチ化し、１段目燃焼時期および２段目燃焼時期が進角する。１回目の燃料噴射量を制御する場合、制御中に混合気の成層度合いが変化することが無く排出ＮＯｘの悪化を最小限にとどめることができる。しかしながら、供給燃料の大部分は第１回目噴射により占められているため、負荷が変化する過渡運転時には適用できない。
【００７９】
図１２（ｂ）は、第１回目燃料噴射時期を遅延したときの混合気分布の変化を示すものである。第１回目燃料噴射時期が遅れるほど希薄混合気及び濃混合気の当量比がリッチ化し、１段目燃焼時期および２段目燃焼時期が進角する。１回目の燃料噴射時期を制御する場合、制御中に局所的に濃い混合気が形成されにくく、排出ＮＯｘの悪化が小さい。しかしながら１段目燃焼のための混合気の混合比の変化幅は小さく、フィードバックによる燃焼安定化作用は小さくなる。
【００８０】
また、１回目の燃料噴射量と２回目の燃料噴射量の合計を機関負荷に応じて一定とした場合、定常運転時のフィードバック制御中、軸トルクの変動を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図２】実施形態における制御対象の燃料噴射タイミング及び燃料噴射量を燃料噴射弁駆動信号で示した図である。
【図３】（ａ）均質混合気の自己着火燃焼の特性を示す筒内圧力グラフ、及び（ｂ）均質混合気の自己着火燃焼の特性を示す熱発生率ｄＱ／ｄθグラフである。
【図４】２段燃焼の概念図である。
【図５】オープン制御の場合の圧縮自己着火燃焼の不安定現象説明図である。
【図６】実施形態における４サイクル行程の概要を示す筒内模式図である。
【図７】２回の燃料噴射による形成される混合気の形態を示す図である。
【図８】実施形態における燃料噴射の制御アルゴリズムである。
【図９】各種の燃焼指標による燃料噴射信号の制御方向である。
【図１０】実施形態における燃焼形態とフィードバック制御域を示す図である。
【図１１】実施形態における２回目の燃料噴射信号が混合気分布に与える影響を示す図である。
【図１２】実施形態における１回目の燃料噴射信号が混合気分布に与える影響を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃焼室
２ シリンダヘッド
３ シリンダブロック
４ ピストン
５ 吸気ポート
６ 吸気バルブ
７ 燃料噴射弁
８ 排気バルブ
９ 排気ポート
１０ 点火プラグ
１１ 吸気カム
１２ 排気カム
１３ 筒内圧センサまたはノックセンサ
２０ エンジンコントロールユニット
２１ 運転領域判定部
２２ 火花点火燃焼制御部
２３ 圧縮自己着火燃焼制御部
２４ 燃焼指標算出部
２５ 燃料噴射制御部
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも部分負荷運転においてガソリンを燃料として圧縮自己着火燃焼させる圧縮自己着火式ガソリン機関に係り、特に燃焼の速度または時期を最適化した圧縮自己着火式ガソリン機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の圧縮自己着火式機関としては、例えば特開平１０−１９６４２４号公報に示されるものがある。この例は、圧縮自己着火式ガソリン機関の燃焼開始時期をコントロールするため、燃焼室に面して設けたサブピストンによる付加的圧縮、又は着火油の噴射によって付加的温度上昇を与え、圧縮上死点付近に燃焼開始時期がくるようコントロールしようとする技術である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の技術は、サブピストンによる付加的な圧縮、或いは着火油の噴霧燃焼による未燃混合気温度の上昇を利用する構成となっていたため、装置の構造が複雑なため部品点数が増加し、高度な製造技術を必要としたり、保守性が悪化するという問題点があった。
【０００４】
また、サブピストンを利用する場合にはＳＶ比の増大による燃費・排気性能の悪化を招くという問題点があった。
さらに、着火油を使用する場合には排気スモークとＮＯｘが発生するという問題点があった。
【０００５】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、ガソリン混合気の成層状態の制御のみで混合気の主燃焼時期をコントロールし、主として自己着火運転領域を高負荷域に拡大することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、少なくとも部分負荷運転において、ガソリンを圧縮自己着火燃焼させる、圧縮自己着火式ガソリン機関において、燃焼室に面して設置された燃料噴射弁と、燃焼の速度または時期を表す指標を検出するセンサと、少なくとも部分負荷運転において、圧縮行程中に１度、それに先立つ排気行程終了後から前記圧縮行程中噴射に至るまでの間に１度、合計少なくとも２度の噴射を行なうとともに、前記センサから得られた前記指標に基づいて前記２度の燃料噴射の量と時期の少なくとも１つを制御する燃料噴射制御手段を備え、前記圧縮自己着火燃焼を行う領域であって、比較的高負荷領域または比較的高回転数領域でのみ前記燃料噴射制御手段によってフィードバック制御を行い、比較的低負荷かつ比較的低回転数の領域ではオープン制御を行うことを要旨とする。
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項２の発明は、請求項１記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記センサは、筒内圧力センサであり、前記燃焼の速度または時期を表す指標とは、筒内圧力の上昇率、筒内圧力の最大値、該最大値をとる時期、または筒内圧力の振動振幅のいずれかを含むことを要旨とする。
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項３の発明は、請求項１記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記センサはノックセンサであり、前記燃焼の速度または時期を表す指標とは、筒内圧力の振動振幅であることを要旨とする。
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項４の発明は、請求項１記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記燃焼の速度または時期を表す指標に基づいて制御される対象は、前記２度目の燃料噴射量であって、燃焼の速度が大または燃焼の時期が早と判断されたときは２度目の燃料噴射量を減少させることを要旨とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の圧縮自己着火式ガソリン機関。
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項５の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記燃焼の速度または時期を表す指標に基づいて制御される対象は、前記２度目の燃料噴射時期であって、燃焼の速度が大または燃焼の時期が早と判断されたときは２度目の燃料噴射時期を進角させることを要旨とする。
【００１１】
上記目的を達成するため、請求項６の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記燃焼の速度または時期を表す指標に基づいて制御される対象は、前記１度目の燃料噴射量であって、燃焼の速度が大または燃焼の時期が早と判断されたときは１度目の燃料噴射量を減少させることを要旨とする。
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項７の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記燃焼の速度または時期を表す指標に基づいて制御される対象は、前記１度目の燃料噴射時期であって、燃焼の速度が大または燃焼の時期が早と判断されたときは１度目の燃料噴射時期を進角させることを要旨とする。
【００１３】
上記目的を達成するため、請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の圧縮自己着火式ガソリン機関において、前記１度目の燃料噴射量と前記２度目の燃料噴射量の合計は、機関負荷に応じて一定であることを要旨とする。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、圧縮自己着火燃焼を行う領域であって、比較的高負荷領域または比較的高回転数領域において、センサによって燃焼の速度又は時期を表す指標を検出し、この検出された指標に基づいて、複数回の燃料噴射の量と時期の少なくとも１つをフィードバック制御する構成としたため、ガソリン以外の燃料を使用することなく、燃焼状態に応じて混合気の成層状態を最適に制御することで主燃焼時期をコントロールでき、自己着火運転領域を高負荷域に拡大できるという効果がある。
【００１５】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、筒内圧センサで検出した筒内圧力の上昇率、筒内圧力の最大値、該最大値をとる時期、または筒内圧力の振動振幅値のいずれかを含むようにしたので、圧縮自己着火式ガソリン機関を高負荷域で使用する際に問題となる最大筒内圧力、燃焼加振騒音、または燃焼室内気柱振動音（ノッキング音）を抑制しながら、自己着火運転範囲を高負荷領域へ拡大することができるという効果がある。
【００１６】
請求項３の発明によれば、ノックセンサで筒内圧力の振動振幅値、即ち燃焼室内気柱振動の強さを検出し、混合気の成層状態にフィードバックする構成としたため、自己着火運転を高負荷域で使用する際に問題となる燃焼室内気柱振動音を抑制しながら、自己着火運転範囲を高負荷化できる。また筒内圧センサに比べて安価なノックセンサを使用することが可能となる。
【００１７】
請求項４の発明によれば、前記指標に基づいて２度目の燃料噴射量を制御する構成としたため、ガソリン混合気のみで主燃焼時期をコントロールでき、自己着火運転領域を高負荷域に拡大できる。この拡大された高負荷自己着火燃焼域にて燃焼の安定度も最も高くできる。
【００１８】
請求項５の発明によれば、前記指標に基づいて２度目の燃料噴射時期を制御する構成としたため、ガソリン混合気のみで主燃焼時期をコントロールでき、自己着火運転領域を高負荷域に拡大できる。この時、排出ＮＯｘの悪化を比較的小さくとどめることができる。
【００１９】
請求項６の発明によれば、前記指標に基づいて１度目の燃料噴射量を制御する構成としたため、ガソリン混合気のみで主燃焼時期をコントロールでき、自己着火運転領域を高負荷域に拡大できる。この時、排出ＮＯｘの悪化を最小限にとどめることができる。
【００２０】
請求項７の発明によれば、前記指標に基づいて１度目の燃料噴射時期を制御する構成としたため、ガソリン混合気のみで主燃焼時期をコントロールでき、自己着火運転領域を高負荷域に拡大できる。この時、排出ＮＯｘの悪化を最小限にとどめることができる。
【００２１】
請求項８の発明によれば、１度目の燃料噴射量と２度目の燃料噴射量との合計を機関負荷に応じて一定としたため、センサが検出した燃焼に関する指標に基づいて１度目または２度目の燃料噴射量をフィードバック制御しても同一機関負荷に対しては燃料噴射量の合計が一定となり、定常運転時の軸トルク変動を少なくし、運転性を向上させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る圧縮自己着火式ガソリン機関の一実施形態を示すシステム構成図である。
【００２３】
図１において、燃焼室１は、シリンダヘッド２と、シリンダブロック３とピストン４により形成されている。 シリンダヘッド２には、吸気ポート５とこれら吸気ポート５を開閉する吸気バルブ６、および吸気ポート５と対向的に配置された排気ポート９とこれら排気ポート９を開閉する排気バルブ８を備えている。
【００２４】
吸気バルブ６と排気バルブ８は、それぞれ吸気カム１１と排気カム１２を介して図外のバルブ駆動系により開閉される。
【００２５】
またシリンダヘッド２には、燃焼室内に直接燃料を噴射可能な燃料噴射弁７、および火花点火燃焼時にスパーク点火を行うための点火プラグ１０が設けられている。
【００２６】
符号１３は筒内圧力を検出する筒内圧センサ、または、筒内気柱振動を検出するノックセンサである。筒内圧センサの場合、半導体圧力センサを用いることができるが、シリコンチップが直接高温に曝されないように、金属製隔離ダイヤフラムと適当な長さの作用力伝達ロッドを用いて、筒内圧力をシリコンダイアフラムに伝達すればよい。
【００２７】
エンジントロールユニット（以下、ＥＣＵと略す）２０には、エンジン回転数及び要求負荷に基づいて運転領域を判定する運転領域判定部２１と、運転領域判定部２１が火花点火領域と判定したとき、点火タイミング等の火花点火燃焼を制御する火花点火燃焼制御部２２と、運転領域判定部２１が自己着火領域と判定したとき、圧縮自己着火燃焼を制御する圧縮自己着火燃焼制御部２３とを備えている。エンジン回転数及び要求負荷による運転領域の判定は、図１０を参照して、後述される。
【００２８】
本発明に特徴的な構成要素である圧縮自己着火燃焼制御部２３は、筒内圧センサ（燃焼指標として筒内気柱振動を検出する場合にはノックセンサを含む）１３が検出した筒内圧力信号に基づいて、燃焼の速度または時期を表す指標である、筒内圧力上昇率、筒内圧力の最大値、筒内圧力が最大値をとる時期、或いは、筒内圧力の振動振幅値を算出する燃焼指標算出部２４と、この燃焼指標算出部２４の算出結果に基づいて、１回目の燃料噴射時期Ｉ／Ｔ１、１回目の燃料噴射量Ｐｗ１、２回目の燃料噴射時期Ｉ／Ｔ２、及び２回目の燃料噴射量Ｐｗ２を制御する燃料噴射制御部２５とを備えている。
【００２９】
ここで、２回目の燃料噴射は、圧縮行程中に行われるものであり、１回目の燃料噴射は、排気行程終了後から２回目の燃料噴射に至るまでに行われるものとする。図２は、２回の燃料噴射の時期及び噴射量の例を示すタイムチャートであり、燃料噴射弁７の噴射パルス波形として示されている。
【００３０】
図２において、吸気行程中に行われる１回目の燃料噴射時期Ｉ／Ｔ１及び１回目の燃料噴射量Ｐｗ１、圧縮行程中に行われる２回目の燃料噴射時期Ｉ／Ｔ２及び２回目の燃料噴射量Ｐｗ２が示されている。以下の説明では、燃料噴射量は、燃料噴射パルスのパルス幅で制御されるものとする。
【００３１】
本実施形態の動作を説明する前に、まず、本発明が狙いとする燃焼の形態について説明する。
自己着火エンジンの狙いである低燃費・超希薄燃焼のためには、通常スロットルを全開にしてポンピングロスを無くすとともに、吸入空気量を最大に保つことが重要である。この状態でエンジンの負荷（出力トルク）を変化させるには、燃料の供給量をコントロールすることになる。
【００３２】
この時、負荷を高めようとして燃料量を増やしていくと、熱発生総量が増大する。さらに、空燃比が低下して燃料と空気の化学反応速度が増大することにより、燃焼期間が短縮するのみでなく、熱発生開始時期が進角する。
【００３３】
図３（ａ）は、負荷を増大するに伴って増大する筒内圧力変化、図３（ｂ）は同クランク角度当たりの発熱量ｄＱ／ｄθをそれぞれクランク角度に対してグラフ化したものである。
【００３４】
これら熱発生総量増大、燃焼期間短縮、熱発生開始時期進角の３者の相乗作用により、負荷の増大に伴って筒内圧上昇率の最大値と最大筒内圧力が増大する。このため、搭載車両の性格に基づく燃焼加振騒音の許容レベル、または機関本体の機械的強度によって、自己着火運転の負荷上限が決定されることになる。また、筒内圧上昇率の上昇に伴い、ノッキング様の筒内気柱振動が発生し、上記燃焼加振騒音をさらに高める場合がある。
【００３５】
これら現象を緩和するための１方策として、熱発生時期を負荷とは無関係に制御する方法が考えられる。
【００３６】
このためには、ほぼ均質で比較的希薄な混合気中に一部濃混合気を層状に形成し、この濃混合気の自己着火燃焼である１段目の燃焼により比較的希薄な混合気を圧縮し自己着火に至らしめ２段目の燃焼をさせる方法がある。以下この燃焼方法を２段燃焼と呼ぶことにする。
【００３７】
図４（ａ）は、２段燃焼を行った場合の筒内圧力変化を示すグラフであり、図４（ｂ）は、２段燃焼の模式図である。
【００３８】
濃混合気の１段目燃焼は、最も筒内温度が高くなるＴＤＣ付近で自己着火により発生させることが最も容易であるため、この方法によれば、それに続く比較的希薄な混合気の２段目燃焼をＴＤＣ後に発生させることができる。
【００３９】
次に、この燃焼形態を実現しようとしたときの問題点を説明する。
【００４０】
図５は、この方法を実際に実験した結果を示すグラフである。横軸はクランク軸角度、縦軸は筒内圧力であり、図中には６燃焼サイクル分が重ねて表示されている。
【００４１】
クランク角約３６０°から始まる１段目燃焼、その後約３７０°前後にピークとなる２段目燃焼（主燃焼）ともに進角方向または遅角方向に一方的にドリフトし、定常的に安定した２段燃焼を実現することができない。
【００４２】
この原因は、以下の正のフィードバックループが働き、外乱による変化を更に増幅するような動作となるからである。
【００４３】
（１）何らかの原因で１段目燃焼時期が早く（遅く）なる。
【００４４】
（２）ピストンによる圧縮との相乗作用で未燃混合気温度が上昇（低下）する。
【００４５】
（３）２段目燃焼の時期が早く（遅く）なる。
【００４６】
（４）筒内温度が上昇（低下）する。
【００４７】
（５）燃焼室壁温、シリンダ壁温が上昇（低下）する。
【００４８】
（６）吸気温度が上昇（低下）する。
【００４９】
（７）１段目燃焼時期が早く（遅く）なる。
【００５０】
本発明はこの問題を、燃焼速度に関する情報をセンサにより検出し、この検出結果を混合気の成層状態にフィードバック制御することにより解決するものである。
【００５１】
次に作用を説明する。
まず、図６に基づき、部分負荷時のエンジンの作動をエンジンの行程毎に説明する。
【００５２】
部分負荷時には、図６（ｂ）に示す吸気行程、または圧縮行程において筒内に第１回目のガソリン噴射を行う。この第１回目の噴射時期はほぼ均質な混合気を筒内に形成するためのものである。均質な混合気を形成するためには吸気行程に燃料噴射を行うのが通常であるが、ピストンやシリンダ壁への燃料付着を避けるために圧縮行程に燃料を噴射する場合もあり得る。
【００５３】
さらに第２回目の燃料噴射を図６（ｄ）に示す圧縮行程中に行う。この２回目に噴射された燃料は１回目の燃料噴射で形成されたほぼ均質な混合気の上に重なる形でさらに濃い混合気を形成する。
【００５４】
この濃い混合気の体積は、主として第２回目の燃料噴射時期で決まる。すなわち第２回目の燃料噴射時期が早い場合には、圧縮上死点付近までにある程度の大きさに拡散し濃い混合気の体積は大きくなる。逆に第２回目の燃料噴射時期が遅い場合には圧縮上死点付近までに拡散する半径が小さく、濃い混合気の体積は小さくなる。
【００５５】
濃い混合気の空燃比は、第１回目の燃料噴射量、第２回目の燃料噴射量、第２回目の燃料噴射時期、の３者によって決まる。
濃い混合気の自己着火燃焼つまり１段目燃焼の燃焼時期は濃い混合気の空燃比によって決まる。
１段目燃焼の熱発生量は、濃い混合気の当量比と体積の積により決まる。
【００５６】
以上示したように、１段目燃焼の熱発生量・熱発生時期ともに２度の燃料噴射の時期と量で第１義的には決まることがわかる。この概念を図７に示す。
【００５７】
図７において、横軸は、シリンダ直径方向である燃焼室内での水平座標、縦軸は、当量比である。同図は、第１回目の燃料噴射で形成された筒内均一な希薄混合気の空燃比に加えて、筒内中心部に第２回目燃料噴射による濃混合気領域が形成されていることを示している。
【００５８】
しかし、先に述べた理由により、オープンループ制御では、この１段目燃焼の熱発生時期を安定させることはできない。そこで、１段目燃焼の時期につれて移動する２段目燃焼（主燃焼）の時期で決定される筒内圧の指標、すなわち（１）筒内圧力上昇率の最大値、（２）最大筒内圧力、（３）筒内圧力が最大となる時期、（４）筒内気柱振動振幅のいずれかを使用して、濃混合気の空燃比またはボリュウムを制御する、すなわち（１）第１回目燃料噴射時期、（２）第１回目燃料噴射量、（３）第２回目燃料噴射量、（４）第２回目燃料噴射時期のいずれかを燃焼パラメータとして制御することが有効となる。
【００５９】
図８は、ＥＣＵ２０における燃焼パラメータ制御の流れを示すフローチャートである。
図８において、まず、エンジン回転数と、要求負荷（例えばアクセル開度信号として得られる）とを読込み（ステップＳ１０）、エンジン回転数と要求負荷で圧縮自己着火燃焼領域か否かを判定する（ステップＳ１２）。圧縮自己着火燃焼領域でなければ、従来と同様の火花点火燃焼制御を行い（ステップＳ１４）、リターンする。
【００６０】
Ｓ１２の判定で、圧縮自己着火燃焼領域であれば、次いで、後述するフィードバック制御対象運転領域か否かをエンジン回転数と要求負荷から判定する（ステップＳ１６）。
【００６１】
もし制御範囲外であれば（Ｓ１６の判定がＮｏ）、２回の燃料噴射パルスの時期と幅は、ＥＣＵ内に記録されたテーブルの値を使用して（ステップＳ１８）、リターンする。
【００６２】
もし制御範囲内であれば（Ｓ１６の判定がＹｅｓ）、燃料噴射パルスの時期と幅は、ＥＣＵ内に記録されたテーブルの値読み出して初期値とし（ステップＳ２０）、以下の制御を行う。
【００６３】
図中Ｘは制御対象であり、（１）Ｐｗ１（第１回目噴射の噴射パルス幅）、（２）Ｉ／Ｔ１（第１回目噴射の時期）、（３）Ｐｗ２（第２回目噴射の噴射パルス幅）、（４）Ｉ／Ｔ２（第２回目噴射の時期）のいずれかである。
【００６４】
図中Ｙは筒内圧センサまたはノックセンサの検出信号に基づいて算出される項目であり、燃焼の速度または時期を表す燃焼指標である。すなわち、（１）筒内圧力上昇率の最大値：ｄＰ／ｄθｍａｘ、（２）筒内圧力の最大値：Ｐｍａｘ、（３）Ｐｍａｘをとるクランク角度：θＰｍａｘ、（４）筒内気柱振動振幅のうちのいずれかである。
【００６５】
次いで、筒内圧センサ１３より筒内圧信号を読み込み（ステップＳ２２）、燃焼指標Ｙを算出し（ステップＳ２４）、Ｙは制御範囲か否かを判定する（ステップＳ２６）。Ｙが制御範囲でなければ再度筒内圧を検出するためＳ２２へ戻る。
【００６６】
Ｙが制御範囲であれば、これらの制御目標値をＥＣＵ内のテーブルから読み込みＹｔとし（ステップＳ２８）、そしてＹとＹｔの乖離量に比例したＸｎｅｗを計算し（ステップＳ３０）、ＸｎｅｗでＸを更新する（ステップＳ３２）。尚、Ｘｎｅｗを計算する際のαは、フィードバック係数である。Ｘを変化させる方向はＹおよびＸの選択により異なり、図９を用いて後述される。
【００６７】
次いで、再度エンジン回転数と要求負荷とを読込み（ステップＳ３４）、フードバック制御対象運転領域か否かを判定し（ステップＳ３６）、フードバック制御対象運転領域内であれば、フィードバック制御を続けるためにステップＳ２２へ移る。フードバック制御対象運転領域外であれば、フードバックループから抜け出るためにリターンする。
【００６８】
図９は、燃焼指標Ｙとして検出される検出項目の状態により、制御対象であるＸをどの方向に動かすかをまとめた表である。Ｙ、及びＸの定義は、先に説明した図８の場合と同様である。図９に示す表に従って、フィードバック制御を行うことにより燃焼時期を安定的に制御することができる。
【００６９】
図１０は、火花点火運転領域と、自己着火運転領域、及び自己着火運転領域中のオープン制御域とフィードバック制御を行う運転領域を示している。燃焼開始時期が過早となる問題が生じるのは主として自己着火の高負荷領域であることから、この付近のみをフィードバック制御し、他はオープン制御として、ＥＣＵの負荷を減らした例である。
【００７０】
以下、燃焼指標Ｙ及び制御対象Ｘのそれぞれの選択についての得失を述べる。まず燃焼の速度または時期を表す燃焼指標としての検出項目について述べる。
【００７１】
筒内圧力の上昇率を検出し混合気の成層状態にフィードバックする場合は、自己着火運転を高負荷域で使用する際に問題となる燃焼加振騒音を抑制しながら自己着火運転範囲を高負荷化できる。
【００７２】
筒内圧の最大値を検出し混合気の成層状態にフィードバックする場合は、エンジンの機械的強度から決まる最大許容筒内圧力以下に圧力を抑制しながら、自己着火運転範囲を高負荷化できる。
【００７３】
筒内圧が最大値をとる時期を検出し混合気の成層状態にフィードバックする場合は、圧力センサのドリフトや感度変化等の経時変化があっても悪影響が発生しない。また、センサの線形性等の要求性能が低くなりコストを抑制できる。
【００７４】
燃焼室内気柱振の強さを混合気の成層状態にフィードバックする場合は、自己着火運転を高負荷域で使用する際に聴感上問題となる燃焼室内気柱振動音（ノッキング音）を抑制しながら、自己着火運転範囲を高負荷化できる。また、筒内圧センサに比べて安価なノックセンサを使用することが可能となる。
【００７５】
次に制御対象であるフィードバック先噴射弁駆動項目について述べる。
まず、２度の燃料噴射における燃料噴射量と燃料噴射時期が、１段目燃焼のための濃混合気に与える影響を図１１及び図１２に図示する。
【００７６】
図１１（ａ）は、第２回目燃料噴射量を増大したときの混合気分布の変化を示す。第２回目燃料噴射量を増大すると濃混合気の当量比がリッチ化する。２回目の燃料噴射量を制御する場合、濃混合気の当量比すなわち１段目熱発生時期と熱発生量の両方を増減させることができるため、２段目熱発生時期への影響力が大きく燃焼の安定度も最も高くできる。しかしながら２度目の燃料噴射量が多くなるとＮＯｘとすすの排出が多くなる場合がある。
【００７７】
図１１（ｂ）は、第２回目燃料噴射時期を遅延したときの混合気分布の変化を示すものである。第２回目燃料噴射時期が遅れるほど濃混合気の領域が狭くなるとともに濃混合気の当量比がリッチ化され、１段目燃焼時期が進角する。２回目の燃料噴射時期を制御する場合、２回目の燃料噴射量は一定であるため制御状態により排出ＮＯｘが変化することは少ない。しかしながら１段目熱発生量はほぼ固定であるためフィードバックによる燃焼安定化作用は小さくなる。
【００７８】
図１２（ａ）は、第１回目燃料噴射量を増大したときの混合気分布の変化を示すものである。第１回目燃料噴射量が増大すれば希薄混合気及び濃混合気の当量比がリッチ化し、１段目燃焼時期および２段目燃焼時期が進角する。１回目の燃料噴射量を制御する場合、制御中に混合気の成層度合いが変化することが無く排出ＮＯｘの悪化を最小限にとどめることができる。しかしながら、供給燃料の大部分は第１回目噴射により占められているため、負荷が変化する過渡運転時には適用できない。
【００７９】
図１２（ｂ）は、第１回目燃料噴射時期を遅延したときの混合気分布の変化を示すものである。第１回目燃料噴射時期が遅れるほど希薄混合気及び濃混合気の当量比がリッチ化し、１段目燃焼時期および２段目燃焼時期が進角する。１回目の燃料噴射時期を制御する場合、制御中に局所的に濃い混合気が形成されにくく、排出ＮＯｘの悪化が小さい。しかしながら１段目燃焼のための混合気の混合比の変化幅は小さく、フィードバックによる燃焼安定化作用は小さくなる。
【００８０】
また、１回目の燃料噴射量と２回目の燃料噴射量の合計を機関負荷に応じて一定とした場合、定常運転時のフィードバック制御中、軸トルクの変動を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図２】実施形態における制御対象の燃料噴射タイミング及び燃料噴射量を燃料噴射弁駆動信号で示した図である。
【図３】（ａ）均質混合気の自己着火燃焼の特性を示す筒内圧力グラフ、及び（ｂ）均質混合気の自己着火燃焼の特性を示す熱発生率ｄＱ／ｄθグラフである。
【図４】２段燃焼の概念図である。
【図５】オープン制御の場合の圧縮自己着火燃焼の不安定現象説明図である。
【図６】実施形態における４サイクル行程の概要を示す筒内模式図である。
【図７】２回の燃料噴射による形成される混合気の形態を示す図である。
【図８】実施形態における燃料噴射の制御アルゴリズムである。
【図９】各種の燃焼指標による燃料噴射信号の制御方向である。
【図１０】実施形態における燃焼形態とフィードバック制御域を示す図である。
【図１１】実施形態における２回目の燃料噴射信号が混合気分布に与える影響を示す図である。
【図１２】実施形態における１回目の燃料噴射信号が混合気分布に与える影響を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃焼室
２ シリンダヘッド
３ シリンダブロック
４ ピストン
５ 吸気ポート
６ 吸気バルブ
７ 燃料噴射弁
８ 排気バルブ
９ 排気ポート
１０ 点火プラグ
１１ 吸気カム
１２ 排気カム
１３ 筒内圧センサまたはノックセンサ
２０ エンジンコントロールユニット
２１ 運転領域判定部
２２ 火花点火燃焼制御部
２３ 圧縮自己着火燃焼制御部
２４ 燃焼指標算出部
２５ 燃料噴射制御部
Claims (8)
- 少なくとも部分負荷運転において、ガソリンを圧縮自己着火燃焼させる圧縮自己着火式ガソリン機関において、
燃焼室に面して設置された燃料噴射弁と、
燃焼の速度または時期を表す指標を検出するセンサと、
少なくとも部分負荷運転において、圧縮行程中に１度、それに先立つ排気行程終了後から前記圧縮行程中噴射に至るまでの間に１度、合計少なくとも２度の噴射を行なうとともに、前記センサから得られた前記指標に基づいて前記２度の燃料噴射の量と時期の少なくとも１つを制御する燃料噴射制御手段とを備え、前記圧縮自己着火燃焼を行う領域であって、比較的高負荷領域または比較的高回転数領域でのみ前記燃料噴射制御手段によってフィードバック制御を行い、比較的低負荷かつ比較的低回転数の領域ではオープン制御を行うことを特徴とする圧縮自己着火式ガソリン機関。 - 前記センサは、筒内圧力センサであり、
前記燃焼の速度または時期を表す指標とは、筒内圧力の上昇率、筒内圧力の最大値、該最大値をとる時期、または筒内圧力の振動振幅のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の圧縮自己着火式ガソリン機関。 - 前記センサはノックセンサであり、
前記燃焼の速度または時期を表す指標とは、筒内圧力の振動振幅であることを特徴とする請求項１記載の圧縮自己着火式ガソリン機関。 - 前記燃焼の速度または時期を表す指標に基づいて制御される対象は、前記２度目の燃料噴射量であって、燃焼の速度が大または燃焼の時期が早と判断されたときは２度目の燃料噴射量を減少させることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の圧縮自己着火式ガソリン機関。
- 前記燃焼の速度または時期を表す指標に基づいて制御される対象は、前記２度目の燃料噴射時期であって、燃焼の速度が大または燃焼の時期が早と判断されたときは２度目の燃料噴射時期を進角させることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の圧縮自己着火式ガソリン機関。
- 前記燃焼の速度または時期を表す指標に基づいて制御される対象は、前記１度目の燃料噴射量であって、燃焼の速度が大または燃焼の時期が早と判断されたときは１度目の燃料噴射量を減少させることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の圧縮自己着火式ガソリン機関。
- 前記燃焼の速度または時期を表す指標に基づいて制御される対象は、前記１度目の燃料噴射時期であって、燃焼の速度が大または燃焼の時期が早と判断されたときは１度目の燃料噴射時期を進角させることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の圧縮自己着火式ガソリン機関。
- 前記１度目の燃料噴射量と前記２度目の燃料噴射量の合計は、機関負荷に応じて一定であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の圧縮自己着火式ガソリン機関。
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