JP4075219B2 - 圧縮自己着火ガソリン内燃機関 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧縮自己着火ガソリン内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般のガソリン内燃機関では点火プラグによる火花点火と火炎伝播による燃焼が不安定化することから混合気のリーン化にも自ずと限界があり、また、リーン燃焼時には排気浄化のための触媒がいわゆる量論比での燃焼時ほど浄化性能、特にＮＯｘの還元性能を発揮できないという問題がある。
【０００３】
そこで、このような問題を解決する手段として、特開平７−３３２１４１号公報に示されているように、予混合気をピストンの圧縮作用により自己着火燃焼させることにより、リーン燃焼と低ＮＯｘ排出を図った高圧縮比の圧縮自己着火ガソリン内燃機関が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
圧縮自己着火によるリーン燃焼を実現するために、圧縮比を高圧縮比に設定しているため高回転側ではノッキングが発生して圧縮自己着火運転が成立せず、また、機関が十分に暖機してからでないと圧縮自己着火燃焼が行われないために冷間始動ができず、従って、運転可能な圧縮自己着火運転領域が狭められてしまう。
【０００５】
そこで、本発明は低圧縮比化が可能で運転可能領域を拡大できて、低燃費、低ＮＯｘを実現することができる圧縮自己着火ガソリン内燃機関を提供することものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にあっては、吸気ポートに燃料噴射弁を備え、ピストンの圧縮作用により燃焼室内の混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火ガソリン内燃機関において、燃焼室に点火手段を設ける一方、排気バルブの閉時期（ＥＶＣ）が排気行程途中で吸気バルブの開時期（ＩＶＯ）が吸気行程途中となるマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御可能に構成し、このバルブタイミングにおけるＥＶＣとＩＶＯの間で前記点火手段によりラジカル生成した上で、圧縮行程で自己着火燃焼を行わせるようにしたことを特徴としている。
【０００８】
請求項２の発明にあっては、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、ピストンの圧縮作用により燃焼室内の混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火ガソリン内燃機関において、燃焼室に点火手段を設ける一方、排気バルブの閉時期（ＥＶＣ）が排気行程途中で吸気バルブの開時期（ＩＶＯ）が吸気行程途中となるマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御可能に構成し、このバルブタイミングにおけるＥＶＣとＩＶＯの間で前記燃料噴射弁より燃料噴射すると共に点火手段によりラジカル生成した上で、圧縮行程で自己着火燃焼を行わせるようにしたことを特徴としている。
【０００９】
請求項３の発明にあっては、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、ピストンの圧縮作用により燃焼室内の混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火ガソリン内燃機関において、燃焼室に点火手段を設ける一方、排気バルブの閉時期（ＥＶＣ）が排気行程途中で吸気バルブの開時期（ＩＶＯ）が吸気行程途中となるマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御可能に構成し、このバルブタイミングにおけるＥＶＣとＩＶＯの間に燃料噴射弁より燃料噴射し、かつ、ＩＶＯと吸気下死点の間で点火手段によりラジカル生成した上で、圧縮行程で自己着火燃焼を行わせるようにしたことを特徴としている。
【００１０】
請求項４の発明にあっては、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、ピストンの圧縮作用により燃焼室内の混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火ガソリン内燃機関において、燃焼室に点火手段を設ける一方、排気バルブの閉時期（ＥＶＣ）が排気行程途中で吸気バルブの開時期（ＩＶＯ）が吸気行程途中となるマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御可能に構成し、このバルブタイミングにおけるＥＶＣとＩＶＯの間に燃料噴射弁よりパイロット燃料を噴射し、ＩＶＯと吸気下死点の間で点火手段によりラジカル生成すると共にラジカル生成の後に該燃料噴射弁より主燃料を噴射し、圧縮行程で自己着火燃焼を行わせるようにしたことを特徴としている。
【００１１】
請求項５の発明にあっては、請求項２〜４に記載の圧縮自己着火運転時に負荷の減少につれて点火手段の点火時期を早めたことを特徴としている。
【００１２】
請求項６の発明にあっては、請求項２〜４に記載の圧縮自己着火運転時に機関回転数の増加につれて点火手段の点火時期を早めたことを特徴としている。
【００１３】
請求項７の発明にあっては、請求項２〜６に記載の圧縮自己着火運転時に負荷の減少につれて燃料噴射弁の燃料噴射時期を早めたことを特徴としている。
【００１４】
請求項８の発明にあっては、請求項２〜６に記載の圧縮自己着火運転時に機関回転数の増加につれて燃料噴射弁の燃料噴射時期を早めたことを特徴としている。
【００１５】
請求項９の発明にあっては、請求項１〜４に記載の圧縮自己着火燃焼を機関の始動時に行わせるようにしたことを特徴としている。
【００１６】
請求項１０の発明にあっては、請求項１〜９に記載の圧縮自己着火ガソリン内燃機関は、圧縮比を１３以下に設定し、部分負荷域で圧縮自己着火燃焼を行わせ、全開運転時は圧縮行程後半に点火手段により点火して火炎伝播燃焼を行わせるようにしたことを特徴としている。
【００１７】
請求項１１の発明にあっては、請求項１０に記載の圧縮自己着火ガソリン内燃機関は、過給機を備えていることを特徴としている。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、排気バルブの閉時期（ＥＶＣ）が排気行程途中で排気バルブの開時期（ＩＶＯ）が吸気行程途中となるマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御されることにより、燃焼室に大量の高温の既燃ガスが滞留され、このＥＶＣとＩＶＯの間に点火手段によりラジカル生成することによって、ラジカルが生成，増殖して局部的に温度が上昇して圧縮比を高めたのと等価の効果を生じ、そして、吸気バルブの開弁により混合気が供給されることによってこの生成，増殖したラジカルが吸入，圧縮行程全般に亘って保持されて、圧縮上死点付近で自己着火を起こす。
【００１９】
従って、圧縮比をを高めなくても安定した圧縮自己着火燃焼を行わせることができるため、高回転側までのこの圧縮自己着火運転によるリーン燃焼領域を拡大することができて燃費の低減化を図ることができる。
【００２０】
そして、前述のようにバルブタイミングをマイナスオーバーラップに制御することで大量の内部ＥＧＲが行われて混合気中の酸素濃度が低下していることと、もともと圧縮自己着火の燃焼形態が火花点火燃焼に見られるような火炎伝播は存在せず、いわゆる同時多着火形態となって、火炎伝播に伴う局部的な高温部が存在することがなく、しかも、火炎面が通過した後の既燃ガス部分が火炎の伝播に伴って圧縮・高温化されないこと、とによってＮＯｘの排出を極少量に抑えることができる。
【００２１】
また、前述のように圧縮自己着火によって大幅なリーン燃焼が実現できることと、大量の内部ＥＧＲにより通常排出・放棄されてしまう未燃ＨＣの燃焼回収を有効に行え、しかも、同時多点着火形態をとることにより燃焼終了後の温度空間分布が一様となって、燃焼室壁との温度差で決まる冷却損失が低減されることから、排気エミッションの改善と熱効率の向上を実現することができる。
【００２３】
請求項２に記載の発明によれば、排気バルブの閉時期（ＥＶＣ）が排気行程途中で吸気バルブの開時期（ＩＶＯ）が吸気行程途中となるマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御されることにより、燃焼室に大量の高温の既燃ガスが滞留され、このＥＶＣとＩＶＯの間に点火手段によりラジカル生成すると共に燃料噴射弁より燃焼室に燃料噴射することによって、ラジカルが著しく生成，増殖して局部的に温度が上昇して圧縮比を高めたのと等価の効果を生じ、この生成，増殖したラジカルが吸入，圧縮行程全般に亘って保持されて、圧縮上死点で自己着火を起こす。
【００２４】
従って、圧縮比を高めなくても安定した圧縮自己着火燃焼を行わせることができるため、高回転側までこの圧縮自己着火運転によるリーン燃焼領域を拡大できて燃費の低減化を図ることができる。
【００２５】
そして、前述のようにバルブタイミングをマイナスオーバーラップに制御することで大量の内部ＥＧＲが行われて混合気中の酸素濃度が低下していることと、もともと圧縮自己着火の燃焼形態が火花点火燃焼に見られるような火炎伝播は存在せずいわゆる同時多点着火形態となって、火炎伝播に伴う局所的な高温部が存在することがなく、しかも、火炎面が通過した後の既燃ガス部分が火炎の伝播に伴って圧縮・高温化されないこと、とによってＮＯｘの排出を極少量に抑えることができる。
【００２６】
また、前述のように圧縮自己着火によって大幅なリーン燃焼が実現できることと、大量の内部ＥＧＲにより通常排出・放棄されてしまう未燃ＨＣの燃焼回収を有効に行え、しかも、同時多点着火形態をとることにより燃焼終了後の温度空間分布が一様となって、燃焼室壁との温度差で決まる冷却損失が低減されることから、排気エミッションの改善と熱効率の向上を実現することができる。
【００２７】
請求項３に記載の発明によれば、排気バルブの閉時期（ＥＶＣ）が排気行程途中で吸気バルブの開時期（ＩＶＯ）が吸気行程途中となるマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御されることにより、燃焼室に大量の高温の既燃ガスが滞留されると共に、このＥＶＣとＩＶＯの間に燃料噴射弁より燃焼室に燃料が噴射され、そして、吸気バルブの開弁（ＩＶＯ）により空気が供給されて多量の酸素が付加された状況の中で、ＩＶＯと吸気下死点の間に点火手段によりラジカル生成することによって、ラジカルが著しく生成，増殖して局部的に温度が上昇して圧縮比を高めたのと等価の効果を生じ、この生成，増殖したラジカルが吸入，圧縮行程全般に亘って保持されて圧縮上死点付近で自己着火を起こして安定した圧縮自己着火燃焼を行わせることができ、従って、前記請求項３と同様の効果を奏せられる。
【００２８】
請求項４に記載の発明によれば、排気バルブの閉時期（ＥＶＣ）が排気行程途中で吸気バルブの開時期（ＩＶＯ）が吸気行程途中となるマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御されることにより、燃焼室に大量の高温の既燃ガスが滞留されると共に、このＥＶＣとＩＶＯの間に燃料噴射弁より燃焼室にパイロット燃料が噴射され、そして、吸気バルブの開弁（ＩＶＯ）により空気が供給されて多量の酸素が付加された状況の中で、ＩＶＯと吸気下死点の間に点火手段によりラジカル生成することによって、ラジカルが著しく生成，増殖して局部的に温度が上昇して圧縮比を高めたのと等価の効果を生じ、この生成，増殖したラジカルが吸入，圧縮行程全般に亘って保持されるから、前記ラジカル生成後に燃料噴射弁より主燃料を噴射することにより、この主燃料の混合気が圧縮上死点付近で自己着火を起こして安定した圧縮自己着火燃焼を行わせることができ、従って、前記請求項３と同様の効果を奏せられると共に、冷却損失を更に低減することができる。
【００２９】
請求項５に記載の発明によれば、請求項２〜４の発明の効果に加えて、燃料噴射弁からの燃料噴射量は負荷の減少につれて減少するが、点火手段の点火時期がこの負荷の減少につれて早められるため、混合気が稀薄化しても安定したラジカル生成を行わせることができる。
【００３０】
請求項６に記載の発明によれば、請求項２〜５の発明の効果に加えて、機関回転数の増加につれて点火手段による絶対的な点火時間が短くなるが、点火手段の点火時期が機関回転数の増加につれて早められるため安定したラジカル生成を行わせることができる。
【００３１】
請求項７に記載の発明によれば、請求項２〜６の発明の効果に加えて、燃料噴射弁からの燃料噴射量は負荷の減少につれて減少するが、燃料噴射時期がこの負荷の減少につれて早められるため、早めに濃い混合気状態を形成できて安定したラジカル生成を行わせることができる。
【００３２】
請求項８に記載の発明によれば、請求項２〜７の発明の効果に加えて、機関回転数の増加につれて燃料噴射弁の絶対的な燃料噴射時間が短くなるが、燃料噴射弁の燃料噴射時期が機関回転数の増加につれて早められるため、早めに濃い混合気状態を形成できて安定したラジカル生成を行わせることができる。
【００３３】
請求項９に記載の発明によれば、請求項１〜８の発明の効果に加えて、点火手段によるラジカル生成を伴った圧縮自己着火燃焼を機関の始動時に行うため、暖機促進を図ることができる。
【００３４】
請求項１０に記載の発明によれば、請求項１〜９の発明の効果に加えて、圧縮比を１３以下の低圧縮比に設定してあって、点火手段によるラジカル生成を伴った圧縮自己着火燃焼を、排気エミッションの改善と燃費の向上とが求められる部分負荷域で行わせるためより有効的となると共に、低圧縮比により圧縮自己着火運転時の音振レベルを低減することができ、そして、全開運転時は点火手段により点火して火炎伝播燃焼を行わせて通常のガソリン内燃機関と同様の燃焼形態が可能となって失火あるいはノッキングの発生を回避することができる。
【００３５】
請求項１１に記載の発明によれば、請求項１０の発明の効果に加えて、過給機により筒内圧力を高められるため全開運転時の燃焼を安定化できてトルク、出力を高めることができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。
【００３７】
図１において、１はシリンダブロック、２はピストン、３はシリンダヘッド、４はこれらシリンダブロック１，ピストン２およびシリンダヘッド３により形成された燃焼室を示す。
【００３８】
シリンダヘッド３には吸気ポート５を開閉する吸気バルブ６と、吸気ポート７を開閉する排気バルブ８とを配設してある。
【００３９】
吸気ポート５内にガソリン燃料を噴射する燃料噴射弁９を配設してあると共に、燃焼室４の中心位置に点火補助機構としての点火プラグ１０を配設してある。
【００４０】
燃料噴射弁９からは吸気バルブ６が閉じている時期に吸気ポート５内に燃料が噴射され、この燃料噴霧は吸気行程で燃焼室４内で均質に混合されて、圧縮行程でピストン２の上動によって高温高圧化することによって自己着火させて燃焼を行わせるようにしてある。
【００４１】
本実施形態では機関の圧縮比を高回転時にノッキングを発生しない１３以下の低圧縮比に設定してあり、吸気通路１１と排気通路１２とに跨って過給機としてのターボチャージャ１３を配設して所要の運転域でターボチャージャ１３の作動により筒内圧を高められるようにしてある。
【００４２】
吸気バルブ６および排気バルブ８は、それらの開弁時期と閉弁時期を変更可能な図外の可変動弁機構によってそれぞれ独立して開閉するようにしてある。
【００４３】
図１１は可変動弁機構によるこれら吸，排気バルブ６，７のバルブタイミングの変化状況の一例を示している。
【００４４】
図１１の（イ）は高負荷時のバルブタイミングを示しており、通常のガソリン機関と同様に排気バルブ８の閉時期ＥＶＣと吸気バルブ６の開時期ＩＶＯはともにピストン上死点ＴＤＣ付近となっていて所定のバルブオーバーラップ（Ｏ／Ｌ）が設定されている。
【００４５】
図１１の（ロ）は低負荷時のバルブタイミングを示しており、前記高負荷時に対して排気バルブ８の閉時期ＥＶＣが進角されて排気行程途中となっており、同時に排気バルブ８の開時期ＥＶＯが遅角されてピストン下死点ＢＤＣに近い時期となっている。
【００４６】
この低負荷時には吸気バルブ６については、その開時期ＩＶＯが排気バルブ８の閉時期ＥＶＣ〜ピストン上死点ＴＤＣまでの期間と、該吸気バルブ６のピストン上死点ＴＤＣ〜吸気バルブ６の開時期ＩＶＯまでの期間とがほぼ等しくなるように遅角して設定され、吸気バルブ６の閉時期ＩＶＣは同時に進角されてピストン下死点ＢＤＣに近い時期となっている。この時、ピストン上死点ＴＤＣ付近におけるバルブオーバーラップは存在せず、いわゆるマイナスオーバーラップ（マイナスＯ／Ｌ）の状態になっている。
【００４７】
図２，３は低負荷時のマイナスＯ／Ｌを成すバルブタイミングにおける吸，排気バルブ６，８、燃料噴射弁９、および点火プラグ１０の作動状態を示している。
【００４８】
この第１実施形態ではマイナスＯ／ＬのバルブタイミングにおけるＥＶＣとＩＶＯの間で点火プラグ１０により火花点火補助した上で、圧縮上死点付近で自己着火燃焼を行わせるようにしている。
【００４９】
また、全開運転時には前述のように所定のバルブオーバーラップとなるバルブタイミングに制御すると共に、圧縮行程の途中で点火プラグ１０により火花点火して通常のガソリン内燃機関と同様の火炎伝播燃焼を行わせるようにしている。
【００５０】
従って、この第１実施形態の構成によれば、低負荷時に排気バルブ８の閉時期ＥＶＣが排気行程途中で吸気バルブ６の開時期ＩＶＯが吸気行程途中となるマイナスＯ／Ｌのバルブタイミングに制御されることにより燃焼室に大量の高温の既燃ガスが滞留され、このＥＶＣとＩＶＯの間に点火プラグ１０により火花点火補助することによって、ラジカルが生成，増殖して局部的に温度が上昇して圧縮比を高めたのと等価の効果を生じ、そして、吸気バルブ６の開弁により吸気ポート５内に滞留した燃料噴霧Ｆが空気と共に燃焼室４内に供給されることによって、この生成，増殖したラジカルが吸入，圧縮行程全般に亘って保持されて、圧縮上死点付近で自己着火を起こす。
【００５１】
従って、圧縮比を高めなくても、即ち、圧縮比が１３以下の低圧縮比であっても安定した圧縮自己着火燃焼を行わせることができるため、高回転側までこの圧縮自己着火運転によるリーン燃焼領域を拡大することができて燃費の低減化を図ることができる。
【００５２】
そして、前述のようにバルブタイミングをマイナスＯ／Ｌに制御することで大量の内部ＥＧＲが行われて混合気中の酸素濃度が低下していることと、もともと圧縮自己着火の燃焼形態が火花点火燃焼に見られるような火炎伝播は存在せずいわゆる同時多点着火形態となって、火炎伝播に伴う局所的な高温部が存在することがなく、しかも、火炎面が通過した後の既燃ガス部分が火炎の伝播に伴って圧縮・高温化されないこと、とによってＮＯｘの排出を極少量に抑えることができる。
【００５３】
また、前述のように圧縮自己着火によって大幅なリーン燃焼が実現できることと、大量の内部ＥＧＲにより通常排出・放棄されてしまう未燃ＨＣの燃焼回収を有効に行え、しかも、同時多点着火形態をとることにより燃焼終了後の温度空間分布が一様となって、燃焼室壁との温度差で決まる冷却損失が低減されることから、排気エミッションの改善と熱効率の向上を実現することができる。
【００５４】
更に、圧縮比を１３以下の低圧縮比に設定してあるため、圧縮自己着火運転時の音振レベルを低減することができる。
【００５５】
一方、全開運転時には吸，排気バルブ６，８は所定のバルブオーバーラップのバルブタイミングに制御されると共に、圧縮行程の後半で点火プラグ１０により火花点火して火炎伝播燃焼を行わせるため、通常のガソリン内燃機関と同様の燃焼形態が可能となって失火あるいはノッキングの発生を回避することができることは勿論、ターボチャージャ１３の作動により筒内圧が高められるため燃焼を安定化できてトルク、出力を高めることができる。
【００５６】
図４は本発明の第２実施形態を示すもので、本実施形態にあっては前記第１実施形態における圧縮自己着火運転時の点火プラグ１０の点火時期を吸気バルブ６の開時期ＩＶＯと吸気下死点の間に設定してあり、他の構成については第１実施形態と全く同様にしてある。
【００５７】
従って、この第２実施形態の構成によれば点火プラグ１０による火花点火補助が、吸気バルブ６の開弁により燃料噴霧Ｆが空気と共に供給されて多量の酸素が付加された状況の中で行われ、ラジカルが生成，増殖して局部的に温度が上昇して圧縮比を高めたのと等価の効果を生じ、この生成，増殖したラジカルが吸入，圧縮行程全般に亘って保持されて圧縮上死点付近で自己着火を起こして安定した圧縮自己着火燃焼を行わせることができ、従って、前記第１実施形態と同様の効果を奏せられる。
【００５８】
図５〜７に示す第３，第４実施形態は本発明を筒内噴射式ガソリン内燃機関に適用したもので、前記第１実施形態における燃料噴射弁９を燃焼室４の側部で吸気バルブ６の近傍位置に配設して、該燃料噴射弁９により燃焼室４内に直接燃料を噴射するようにしてあり、低負荷時のマイナスＯ／Ｌの設定、点火プラグ１０の設定、および圧縮比の設定、等の構成については前記第１実施形態と同様であるので具体的な説明は省略する。
【００５９】
これら第３，第４実施形態にあっては前記吸，排気バルブ６，８のマイナスＯ／Ｌの設定は低負荷時でも所定の低負荷側で行って、燃料噴射弁９よりの燃料噴射と点火プラグ１０による火花点火補助とによりこの所定の低負荷域で圧縮自己着火燃焼を行い、その他の低，中負荷域では圧縮行程の途中で燃料噴射弁９より燃料噴射を行うと共に圧縮上死点付近で点火プラグ９により火花点火して成層燃焼を行わせ、高負荷域では吸入行程の途中で燃料噴射弁９より燃料噴射を行い、かつ、圧縮上死点付近で点火プラグ１０により火花点火して均質燃焼を行わせるようにしている。
【００６０】
ここで、図５，６に示す第３実施形態にあっては、前記所定の低負荷域ではマイナスＯ／Ｌのバルブタイミングにおける排気バルブ８の閉時期ＥＶＣと吸気バルブ６の開時期ＩＶＯの間で燃料噴射弁９より燃料噴射すると共に点火プラグ１０により火花点火補助するようにしている。
【００６１】
従って、この第３実施形態によれば前記ＥＶＣとＩＶＯの間で高温の既燃ガス中に燃料噴射弁９より燃料噴射すると共に点火プラグ１０により火花点火補助することによって、ラジカルが著しく生成，増殖して局部的に温度が上昇して圧縮比を高めたのと等価の効果を生じ、この生成，増殖したラジカルが吸入，圧縮行程全般に亘って保持されて、圧縮上死点付近で自己着火を起こして安定した圧縮自己着火燃焼を行わせることができる。
【００６２】
従って、この第３実施形態のような筒内噴射タイプの内燃機関の場合にあっても、前述した第１実施形態とほぼ同様の効果を奏せられる。
【００６３】
一方、図７に示す第４実施形態では前記第３実施形態における圧縮自己着火運転時の点火プラグ１０の点火時期を、吸気バルブ６の開時期ＩＶＯと吸気下死点の間に設定してある。
【００６４】
従って、この第４実施形態の構成によれば、マイナスＯ／Ｌのバルブタイミングにおける前記ＥＶＣとＩＶＯの間で高温の既燃ガス中に燃料噴射弁９より燃焼室４に燃料が噴射され、そして、吸気バルブ６の開弁により空気が供給されて多量の酸素が付加された状況の中で、前記ＩＶＯと吸気下死点の間に点火プラグ１０により火花点火補助することによって、ラジカルがより一層生成，増殖するようになるから圧縮自己着火燃焼をより安定的に行わせることができる。
【００６５】
ここで、これら第３，第４実施形態において、前述の圧縮自己着火運転時でも負荷が減少するとこれに伴って燃料噴射弁９からの燃料噴射量が減少することから、点火補助によるラジカルの生成が若干弱くなると考えられる。
【００６６】
そこで、図９の符号Ｓ１で示すように圧縮自己着火運転時に点火補助を行う点火プラグ１０の点火時期を負荷の減少につれて早めることにより、この負荷の減少により混合気が稀薄化しても安定した点火補助によるラジカル生成を行わせることができる。
【００６７】
また、このように負荷減少時に点火時期を早めることに替えて、図１０の符号Ｆ１で示すように圧縮自己着火運転時における燃料噴射弁９の燃料噴射時期を負荷の減少につれて早めることにより、早めに濃い混合気状態を形成できて安定した点火補助によるラジカル生成を行わせることができる。
【００６８】
図９，１０中、符号Ｓ２は成層燃焼および均質燃焼時における点火プラグ１０の点火時期、Ｆ２は成層燃焼時における燃料噴射弁９の燃料噴射時期、Ｆ３は均質燃焼時の燃料噴射時期を示している。
【００６９】
また、この他、圧縮自己着火運転時でも機関回転数が増加すると点火プラグ１０による絶対的な点火時間が短くなって、点火補助によるラジカルの生成が若干弱くなることも考えられる。
【００７０】
そこで、このような場合、図示は省略したが機関回転数の増加につれて点火プラグ９の点火時期を早めることにより、短い点火時間でも安定した点火補助によるラジカル生成を行わせることができる。
【００７１】
また、点火時期を早めるのに替えて機関回転数の増加につれて燃料噴射弁９の燃料噴射時期を早めることにより、早めに濃い混合気状態を形成して安定した点火補助によるラジカル生成を行わせることもできる。
【００７２】
図８に示す第５実施形態は筒内噴射タイプの機関に本発明を適用した更に異なる例を示すもので、この第５実施形態にあっては圧縮自己着火運転時は吸，排気バルブ６，８をマイナスＯ／Ｌのバルブタイミングに制御して、排気バルブ８の閉時期ＥＶＣと吸気バルブ６の開時期ＩＶＯの間で燃料噴射弁９より燃料の一部をパイロット燃料として噴射し、前記ＩＶＯと吸気下死点の間で点火プラグにより火花点火補助を行うと共に、この点火補助後の圧縮行程で残りの燃料を主燃料として噴射して、圧縮上死点付近で自己着火燃焼を行わせるようにしている。
【００７３】
即ち、この第５実施形態ではパイロット燃料の存在下で点火プラグ９による火花点火補助により前記第３，第４実施形態と同様にラジカルを著しく生成，増殖させることができると共に、この生成，増殖したラジカルを吸入，圧縮行程全般に亘って保持でき、そして、点火補助後の圧縮行程で主燃料を噴射するため混合気が成層化した状態で安定した圧縮自己着火燃焼を行わせることができるため、前記第３，第４実施形態と同様の効果を奏せされると共に、冷却損失を更に低減することができる。
【００７４】
以上の各実施形態から理解されるように、本発明によれば圧縮自己着火運転時は所定の条件で点火プラグ９により火花点火補助を行うことによってラジカルを生成，増殖して局部的に温度上昇させることができて、圧縮比を高めたのと等価の効果が得られることから圧縮比を低圧縮比に設定することが可能となる上、通常、圧縮自己着火燃焼は機関が暖機してからでないと成立できないが、前述のようにラジカルを生成，増殖させることができるため機関の冷間始動時でも圧縮自己着火燃焼が成立してその運転領域を拡大でき、特に冷間始動時に圧縮自己着火燃焼を行わせることによって暖機の促進を図ることができる。
【００７５】
なお、前記各実施形態では圧縮比を１３以下に設定した場合を例示したが、ボア−ストローク比や最高水温等によっては、設定圧縮比を１５位まで広げることが可能である。
【００７６】
また、点火補助機構としては点火プラグに限定されるものではなく、他の点火手段を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を概略的に示す断面説明図。
【図２】同実施形態の圧縮自己着火運転時の作動説明図。
【図３】同実施形態の圧縮自己着火運転時におけるバルブタイミング、燃料噴射時期、点火補助時期を示すタイムチャート図。
【図４】本発明の第２実施形態を示す図３と同様のタイムチャート図。
【図５】本発明の第３実施形態の圧縮自己着火運転時の作動説明図。
【図６】同実施形態の圧縮自己着火運転時におけるバルブタイミング、燃料噴射時期、点火補助時期を示すタイムチャート図。
【図７】本発明の第４実施形態を示す図６と同様のタイムチャート図。
【図８】本発明の第５実施形態を示す図６と同様のタイムチャート図。
【図９】本発明の第３，第４実施形態における点火補助時期を負荷変化に応じて変化させた場合のタイムチャート図。
【図１０】本発明の第３，第４実施形態における燃料噴射時期を負荷変化に応じて変化させた場合のタイムチャート図。
【図１１】吸，排気バルブのバルブタイミングの設定の一例を示す図で、（イ）は高負荷時を、（ロ）は低負荷時を示す。
【符号の説明】
１ シリンダブロック
２ ピストン
３ シリンダヘッド
４ 燃焼室
５ 吸気ポート
６ 吸気バルブ
７ 排気ポート
８ 排気バルブ
９ 燃料噴射弁
１０ 点火補助機構
１３ 過給機
【発明の属する技術分野】
本発明は圧縮自己着火ガソリン内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般のガソリン内燃機関では点火プラグによる火花点火と火炎伝播による燃焼が不安定化することから混合気のリーン化にも自ずと限界があり、また、リーン燃焼時には排気浄化のための触媒がいわゆる量論比での燃焼時ほど浄化性能、特にＮＯｘの還元性能を発揮できないという問題がある。
【０００３】
そこで、このような問題を解決する手段として、特開平７−３３２１４１号公報に示されているように、予混合気をピストンの圧縮作用により自己着火燃焼させることにより、リーン燃焼と低ＮＯｘ排出を図った高圧縮比の圧縮自己着火ガソリン内燃機関が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
圧縮自己着火によるリーン燃焼を実現するために、圧縮比を高圧縮比に設定しているため高回転側ではノッキングが発生して圧縮自己着火運転が成立せず、また、機関が十分に暖機してからでないと圧縮自己着火燃焼が行われないために冷間始動ができず、従って、運転可能な圧縮自己着火運転領域が狭められてしまう。
【０００５】
そこで、本発明は低圧縮比化が可能で運転可能領域を拡大できて、低燃費、低ＮＯｘを実現することができる圧縮自己着火ガソリン内燃機関を提供することものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にあっては、吸気ポートに燃料噴射弁を備え、ピストンの圧縮作用により燃焼室内の混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火ガソリン内燃機関において、燃焼室に点火手段を設ける一方、排気バルブの閉時期（ＥＶＣ）が排気行程途中で吸気バルブの開時期（ＩＶＯ）が吸気行程途中となるマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御可能に構成し、このバルブタイミングにおけるＥＶＣとＩＶＯの間で前記点火手段によりラジカル生成した上で、圧縮行程で自己着火燃焼を行わせるようにしたことを特徴としている。
【０００８】
請求項２の発明にあっては、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、ピストンの圧縮作用により燃焼室内の混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火ガソリン内燃機関において、燃焼室に点火手段を設ける一方、排気バルブの閉時期（ＥＶＣ）が排気行程途中で吸気バルブの開時期（ＩＶＯ）が吸気行程途中となるマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御可能に構成し、このバルブタイミングにおけるＥＶＣとＩＶＯの間で前記燃料噴射弁より燃料噴射すると共に点火手段によりラジカル生成した上で、圧縮行程で自己着火燃焼を行わせるようにしたことを特徴としている。
【０００９】
請求項３の発明にあっては、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、ピストンの圧縮作用により燃焼室内の混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火ガソリン内燃機関において、燃焼室に点火手段を設ける一方、排気バルブの閉時期（ＥＶＣ）が排気行程途中で吸気バルブの開時期（ＩＶＯ）が吸気行程途中となるマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御可能に構成し、このバルブタイミングにおけるＥＶＣとＩＶＯの間に燃料噴射弁より燃料噴射し、かつ、ＩＶＯと吸気下死点の間で点火手段によりラジカル生成した上で、圧縮行程で自己着火燃焼を行わせるようにしたことを特徴としている。
【００１０】
請求項４の発明にあっては、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、ピストンの圧縮作用により燃焼室内の混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火ガソリン内燃機関において、燃焼室に点火手段を設ける一方、排気バルブの閉時期（ＥＶＣ）が排気行程途中で吸気バルブの開時期（ＩＶＯ）が吸気行程途中となるマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御可能に構成し、このバルブタイミングにおけるＥＶＣとＩＶＯの間に燃料噴射弁よりパイロット燃料を噴射し、ＩＶＯと吸気下死点の間で点火手段によりラジカル生成すると共にラジカル生成の後に該燃料噴射弁より主燃料を噴射し、圧縮行程で自己着火燃焼を行わせるようにしたことを特徴としている。
【００１１】
請求項５の発明にあっては、請求項２〜４に記載の圧縮自己着火運転時に負荷の減少につれて点火手段の点火時期を早めたことを特徴としている。
【００１２】
請求項６の発明にあっては、請求項２〜４に記載の圧縮自己着火運転時に機関回転数の増加につれて点火手段の点火時期を早めたことを特徴としている。
【００１３】
請求項７の発明にあっては、請求項２〜６に記載の圧縮自己着火運転時に負荷の減少につれて燃料噴射弁の燃料噴射時期を早めたことを特徴としている。
【００１４】
請求項８の発明にあっては、請求項２〜６に記載の圧縮自己着火運転時に機関回転数の増加につれて燃料噴射弁の燃料噴射時期を早めたことを特徴としている。
【００１５】
請求項９の発明にあっては、請求項１〜４に記載の圧縮自己着火燃焼を機関の始動時に行わせるようにしたことを特徴としている。
【００１６】
請求項１０の発明にあっては、請求項１〜９に記載の圧縮自己着火ガソリン内燃機関は、圧縮比を１３以下に設定し、部分負荷域で圧縮自己着火燃焼を行わせ、全開運転時は圧縮行程後半に点火手段により点火して火炎伝播燃焼を行わせるようにしたことを特徴としている。
【００１７】
請求項１１の発明にあっては、請求項１０に記載の圧縮自己着火ガソリン内燃機関は、過給機を備えていることを特徴としている。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、排気バルブの閉時期（ＥＶＣ）が排気行程途中で排気バルブの開時期（ＩＶＯ）が吸気行程途中となるマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御されることにより、燃焼室に大量の高温の既燃ガスが滞留され、このＥＶＣとＩＶＯの間に点火手段によりラジカル生成することによって、ラジカルが生成，増殖して局部的に温度が上昇して圧縮比を高めたのと等価の効果を生じ、そして、吸気バルブの開弁により混合気が供給されることによってこの生成，増殖したラジカルが吸入，圧縮行程全般に亘って保持されて、圧縮上死点付近で自己着火を起こす。
【００１９】
従って、圧縮比をを高めなくても安定した圧縮自己着火燃焼を行わせることができるため、高回転側までのこの圧縮自己着火運転によるリーン燃焼領域を拡大することができて燃費の低減化を図ることができる。
【００２０】
そして、前述のようにバルブタイミングをマイナスオーバーラップに制御することで大量の内部ＥＧＲが行われて混合気中の酸素濃度が低下していることと、もともと圧縮自己着火の燃焼形態が火花点火燃焼に見られるような火炎伝播は存在せず、いわゆる同時多着火形態となって、火炎伝播に伴う局部的な高温部が存在することがなく、しかも、火炎面が通過した後の既燃ガス部分が火炎の伝播に伴って圧縮・高温化されないこと、とによってＮＯｘの排出を極少量に抑えることができる。
【００２１】
また、前述のように圧縮自己着火によって大幅なリーン燃焼が実現できることと、大量の内部ＥＧＲにより通常排出・放棄されてしまう未燃ＨＣの燃焼回収を有効に行え、しかも、同時多点着火形態をとることにより燃焼終了後の温度空間分布が一様となって、燃焼室壁との温度差で決まる冷却損失が低減されることから、排気エミッションの改善と熱効率の向上を実現することができる。
【００２３】
請求項２に記載の発明によれば、排気バルブの閉時期（ＥＶＣ）が排気行程途中で吸気バルブの開時期（ＩＶＯ）が吸気行程途中となるマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御されることにより、燃焼室に大量の高温の既燃ガスが滞留され、このＥＶＣとＩＶＯの間に点火手段によりラジカル生成すると共に燃料噴射弁より燃焼室に燃料噴射することによって、ラジカルが著しく生成，増殖して局部的に温度が上昇して圧縮比を高めたのと等価の効果を生じ、この生成，増殖したラジカルが吸入，圧縮行程全般に亘って保持されて、圧縮上死点で自己着火を起こす。
【００２４】
従って、圧縮比を高めなくても安定した圧縮自己着火燃焼を行わせることができるため、高回転側までこの圧縮自己着火運転によるリーン燃焼領域を拡大できて燃費の低減化を図ることができる。
【００２５】
そして、前述のようにバルブタイミングをマイナスオーバーラップに制御することで大量の内部ＥＧＲが行われて混合気中の酸素濃度が低下していることと、もともと圧縮自己着火の燃焼形態が火花点火燃焼に見られるような火炎伝播は存在せずいわゆる同時多点着火形態となって、火炎伝播に伴う局所的な高温部が存在することがなく、しかも、火炎面が通過した後の既燃ガス部分が火炎の伝播に伴って圧縮・高温化されないこと、とによってＮＯｘの排出を極少量に抑えることができる。
【００２６】
また、前述のように圧縮自己着火によって大幅なリーン燃焼が実現できることと、大量の内部ＥＧＲにより通常排出・放棄されてしまう未燃ＨＣの燃焼回収を有効に行え、しかも、同時多点着火形態をとることにより燃焼終了後の温度空間分布が一様となって、燃焼室壁との温度差で決まる冷却損失が低減されることから、排気エミッションの改善と熱効率の向上を実現することができる。
【００２７】
請求項３に記載の発明によれば、排気バルブの閉時期（ＥＶＣ）が排気行程途中で吸気バルブの開時期（ＩＶＯ）が吸気行程途中となるマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御されることにより、燃焼室に大量の高温の既燃ガスが滞留されると共に、このＥＶＣとＩＶＯの間に燃料噴射弁より燃焼室に燃料が噴射され、そして、吸気バルブの開弁（ＩＶＯ）により空気が供給されて多量の酸素が付加された状況の中で、ＩＶＯと吸気下死点の間に点火手段によりラジカル生成することによって、ラジカルが著しく生成，増殖して局部的に温度が上昇して圧縮比を高めたのと等価の効果を生じ、この生成，増殖したラジカルが吸入，圧縮行程全般に亘って保持されて圧縮上死点付近で自己着火を起こして安定した圧縮自己着火燃焼を行わせることができ、従って、前記請求項３と同様の効果を奏せられる。
【００２８】
請求項４に記載の発明によれば、排気バルブの閉時期（ＥＶＣ）が排気行程途中で吸気バルブの開時期（ＩＶＯ）が吸気行程途中となるマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御されることにより、燃焼室に大量の高温の既燃ガスが滞留されると共に、このＥＶＣとＩＶＯの間に燃料噴射弁より燃焼室にパイロット燃料が噴射され、そして、吸気バルブの開弁（ＩＶＯ）により空気が供給されて多量の酸素が付加された状況の中で、ＩＶＯと吸気下死点の間に点火手段によりラジカル生成することによって、ラジカルが著しく生成，増殖して局部的に温度が上昇して圧縮比を高めたのと等価の効果を生じ、この生成，増殖したラジカルが吸入，圧縮行程全般に亘って保持されるから、前記ラジカル生成後に燃料噴射弁より主燃料を噴射することにより、この主燃料の混合気が圧縮上死点付近で自己着火を起こして安定した圧縮自己着火燃焼を行わせることができ、従って、前記請求項３と同様の効果を奏せられると共に、冷却損失を更に低減することができる。
【００２９】
請求項５に記載の発明によれば、請求項２〜４の発明の効果に加えて、燃料噴射弁からの燃料噴射量は負荷の減少につれて減少するが、点火手段の点火時期がこの負荷の減少につれて早められるため、混合気が稀薄化しても安定したラジカル生成を行わせることができる。
【００３０】
請求項６に記載の発明によれば、請求項２〜５の発明の効果に加えて、機関回転数の増加につれて点火手段による絶対的な点火時間が短くなるが、点火手段の点火時期が機関回転数の増加につれて早められるため安定したラジカル生成を行わせることができる。
【００３１】
請求項７に記載の発明によれば、請求項２〜６の発明の効果に加えて、燃料噴射弁からの燃料噴射量は負荷の減少につれて減少するが、燃料噴射時期がこの負荷の減少につれて早められるため、早めに濃い混合気状態を形成できて安定したラジカル生成を行わせることができる。
【００３２】
請求項８に記載の発明によれば、請求項２〜７の発明の効果に加えて、機関回転数の増加につれて燃料噴射弁の絶対的な燃料噴射時間が短くなるが、燃料噴射弁の燃料噴射時期が機関回転数の増加につれて早められるため、早めに濃い混合気状態を形成できて安定したラジカル生成を行わせることができる。
【００３３】
請求項９に記載の発明によれば、請求項１〜８の発明の効果に加えて、点火手段によるラジカル生成を伴った圧縮自己着火燃焼を機関の始動時に行うため、暖機促進を図ることができる。
【００３４】
請求項１０に記載の発明によれば、請求項１〜９の発明の効果に加えて、圧縮比を１３以下の低圧縮比に設定してあって、点火手段によるラジカル生成を伴った圧縮自己着火燃焼を、排気エミッションの改善と燃費の向上とが求められる部分負荷域で行わせるためより有効的となると共に、低圧縮比により圧縮自己着火運転時の音振レベルを低減することができ、そして、全開運転時は点火手段により点火して火炎伝播燃焼を行わせて通常のガソリン内燃機関と同様の燃焼形態が可能となって失火あるいはノッキングの発生を回避することができる。
【００３５】
請求項１１に記載の発明によれば、請求項１０の発明の効果に加えて、過給機により筒内圧力を高められるため全開運転時の燃焼を安定化できてトルク、出力を高めることができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。
【００３７】
図１において、１はシリンダブロック、２はピストン、３はシリンダヘッド、４はこれらシリンダブロック１，ピストン２およびシリンダヘッド３により形成された燃焼室を示す。
【００３８】
シリンダヘッド３には吸気ポート５を開閉する吸気バルブ６と、吸気ポート７を開閉する排気バルブ８とを配設してある。
【００３９】
吸気ポート５内にガソリン燃料を噴射する燃料噴射弁９を配設してあると共に、燃焼室４の中心位置に点火補助機構としての点火プラグ１０を配設してある。
【００４０】
燃料噴射弁９からは吸気バルブ６が閉じている時期に吸気ポート５内に燃料が噴射され、この燃料噴霧は吸気行程で燃焼室４内で均質に混合されて、圧縮行程でピストン２の上動によって高温高圧化することによって自己着火させて燃焼を行わせるようにしてある。
【００４１】
本実施形態では機関の圧縮比を高回転時にノッキングを発生しない１３以下の低圧縮比に設定してあり、吸気通路１１と排気通路１２とに跨って過給機としてのターボチャージャ１３を配設して所要の運転域でターボチャージャ１３の作動により筒内圧を高められるようにしてある。
【００４２】
吸気バルブ６および排気バルブ８は、それらの開弁時期と閉弁時期を変更可能な図外の可変動弁機構によってそれぞれ独立して開閉するようにしてある。
【００４３】
図１１は可変動弁機構によるこれら吸，排気バルブ６，７のバルブタイミングの変化状況の一例を示している。
【００４４】
図１１の（イ）は高負荷時のバルブタイミングを示しており、通常のガソリン機関と同様に排気バルブ８の閉時期ＥＶＣと吸気バルブ６の開時期ＩＶＯはともにピストン上死点ＴＤＣ付近となっていて所定のバルブオーバーラップ（Ｏ／Ｌ）が設定されている。
【００４５】
図１１の（ロ）は低負荷時のバルブタイミングを示しており、前記高負荷時に対して排気バルブ８の閉時期ＥＶＣが進角されて排気行程途中となっており、同時に排気バルブ８の開時期ＥＶＯが遅角されてピストン下死点ＢＤＣに近い時期となっている。
【００４６】
この低負荷時には吸気バルブ６については、その開時期ＩＶＯが排気バルブ８の閉時期ＥＶＣ〜ピストン上死点ＴＤＣまでの期間と、該吸気バルブ６のピストン上死点ＴＤＣ〜吸気バルブ６の開時期ＩＶＯまでの期間とがほぼ等しくなるように遅角して設定され、吸気バルブ６の閉時期ＩＶＣは同時に進角されてピストン下死点ＢＤＣに近い時期となっている。この時、ピストン上死点ＴＤＣ付近におけるバルブオーバーラップは存在せず、いわゆるマイナスオーバーラップ（マイナスＯ／Ｌ）の状態になっている。
【００４７】
図２，３は低負荷時のマイナスＯ／Ｌを成すバルブタイミングにおける吸，排気バルブ６，８、燃料噴射弁９、および点火プラグ１０の作動状態を示している。
【００４８】
この第１実施形態ではマイナスＯ／ＬのバルブタイミングにおけるＥＶＣとＩＶＯの間で点火プラグ１０により火花点火補助した上で、圧縮上死点付近で自己着火燃焼を行わせるようにしている。
【００４９】
また、全開運転時には前述のように所定のバルブオーバーラップとなるバルブタイミングに制御すると共に、圧縮行程の途中で点火プラグ１０により火花点火して通常のガソリン内燃機関と同様の火炎伝播燃焼を行わせるようにしている。
【００５０】
従って、この第１実施形態の構成によれば、低負荷時に排気バルブ８の閉時期ＥＶＣが排気行程途中で吸気バルブ６の開時期ＩＶＯが吸気行程途中となるマイナスＯ／Ｌのバルブタイミングに制御されることにより燃焼室に大量の高温の既燃ガスが滞留され、このＥＶＣとＩＶＯの間に点火プラグ１０により火花点火補助することによって、ラジカルが生成，増殖して局部的に温度が上昇して圧縮比を高めたのと等価の効果を生じ、そして、吸気バルブ６の開弁により吸気ポート５内に滞留した燃料噴霧Ｆが空気と共に燃焼室４内に供給されることによって、この生成，増殖したラジカルが吸入，圧縮行程全般に亘って保持されて、圧縮上死点付近で自己着火を起こす。
【００５１】
従って、圧縮比を高めなくても、即ち、圧縮比が１３以下の低圧縮比であっても安定した圧縮自己着火燃焼を行わせることができるため、高回転側までこの圧縮自己着火運転によるリーン燃焼領域を拡大することができて燃費の低減化を図ることができる。
【００５２】
そして、前述のようにバルブタイミングをマイナスＯ／Ｌに制御することで大量の内部ＥＧＲが行われて混合気中の酸素濃度が低下していることと、もともと圧縮自己着火の燃焼形態が火花点火燃焼に見られるような火炎伝播は存在せずいわゆる同時多点着火形態となって、火炎伝播に伴う局所的な高温部が存在することがなく、しかも、火炎面が通過した後の既燃ガス部分が火炎の伝播に伴って圧縮・高温化されないこと、とによってＮＯｘの排出を極少量に抑えることができる。
【００５３】
また、前述のように圧縮自己着火によって大幅なリーン燃焼が実現できることと、大量の内部ＥＧＲにより通常排出・放棄されてしまう未燃ＨＣの燃焼回収を有効に行え、しかも、同時多点着火形態をとることにより燃焼終了後の温度空間分布が一様となって、燃焼室壁との温度差で決まる冷却損失が低減されることから、排気エミッションの改善と熱効率の向上を実現することができる。
【００５４】
更に、圧縮比を１３以下の低圧縮比に設定してあるため、圧縮自己着火運転時の音振レベルを低減することができる。
【００５５】
一方、全開運転時には吸，排気バルブ６，８は所定のバルブオーバーラップのバルブタイミングに制御されると共に、圧縮行程の後半で点火プラグ１０により火花点火して火炎伝播燃焼を行わせるため、通常のガソリン内燃機関と同様の燃焼形態が可能となって失火あるいはノッキングの発生を回避することができることは勿論、ターボチャージャ１３の作動により筒内圧が高められるため燃焼を安定化できてトルク、出力を高めることができる。
【００５６】
図４は本発明の第２実施形態を示すもので、本実施形態にあっては前記第１実施形態における圧縮自己着火運転時の点火プラグ１０の点火時期を吸気バルブ６の開時期ＩＶＯと吸気下死点の間に設定してあり、他の構成については第１実施形態と全く同様にしてある。
【００５７】
従って、この第２実施形態の構成によれば点火プラグ１０による火花点火補助が、吸気バルブ６の開弁により燃料噴霧Ｆが空気と共に供給されて多量の酸素が付加された状況の中で行われ、ラジカルが生成，増殖して局部的に温度が上昇して圧縮比を高めたのと等価の効果を生じ、この生成，増殖したラジカルが吸入，圧縮行程全般に亘って保持されて圧縮上死点付近で自己着火を起こして安定した圧縮自己着火燃焼を行わせることができ、従って、前記第１実施形態と同様の効果を奏せられる。
【００５８】
図５〜７に示す第３，第４実施形態は本発明を筒内噴射式ガソリン内燃機関に適用したもので、前記第１実施形態における燃料噴射弁９を燃焼室４の側部で吸気バルブ６の近傍位置に配設して、該燃料噴射弁９により燃焼室４内に直接燃料を噴射するようにしてあり、低負荷時のマイナスＯ／Ｌの設定、点火プラグ１０の設定、および圧縮比の設定、等の構成については前記第１実施形態と同様であるので具体的な説明は省略する。
【００５９】
これら第３，第４実施形態にあっては前記吸，排気バルブ６，８のマイナスＯ／Ｌの設定は低負荷時でも所定の低負荷側で行って、燃料噴射弁９よりの燃料噴射と点火プラグ１０による火花点火補助とによりこの所定の低負荷域で圧縮自己着火燃焼を行い、その他の低，中負荷域では圧縮行程の途中で燃料噴射弁９より燃料噴射を行うと共に圧縮上死点付近で点火プラグ９により火花点火して成層燃焼を行わせ、高負荷域では吸入行程の途中で燃料噴射弁９より燃料噴射を行い、かつ、圧縮上死点付近で点火プラグ１０により火花点火して均質燃焼を行わせるようにしている。
【００６０】
ここで、図５，６に示す第３実施形態にあっては、前記所定の低負荷域ではマイナスＯ／Ｌのバルブタイミングにおける排気バルブ８の閉時期ＥＶＣと吸気バルブ６の開時期ＩＶＯの間で燃料噴射弁９より燃料噴射すると共に点火プラグ１０により火花点火補助するようにしている。
【００６１】
従って、この第３実施形態によれば前記ＥＶＣとＩＶＯの間で高温の既燃ガス中に燃料噴射弁９より燃料噴射すると共に点火プラグ１０により火花点火補助することによって、ラジカルが著しく生成，増殖して局部的に温度が上昇して圧縮比を高めたのと等価の効果を生じ、この生成，増殖したラジカルが吸入，圧縮行程全般に亘って保持されて、圧縮上死点付近で自己着火を起こして安定した圧縮自己着火燃焼を行わせることができる。
【００６２】
従って、この第３実施形態のような筒内噴射タイプの内燃機関の場合にあっても、前述した第１実施形態とほぼ同様の効果を奏せられる。
【００６３】
一方、図７に示す第４実施形態では前記第３実施形態における圧縮自己着火運転時の点火プラグ１０の点火時期を、吸気バルブ６の開時期ＩＶＯと吸気下死点の間に設定してある。
【００６４】
従って、この第４実施形態の構成によれば、マイナスＯ／Ｌのバルブタイミングにおける前記ＥＶＣとＩＶＯの間で高温の既燃ガス中に燃料噴射弁９より燃焼室４に燃料が噴射され、そして、吸気バルブ６の開弁により空気が供給されて多量の酸素が付加された状況の中で、前記ＩＶＯと吸気下死点の間に点火プラグ１０により火花点火補助することによって、ラジカルがより一層生成，増殖するようになるから圧縮自己着火燃焼をより安定的に行わせることができる。
【００６５】
ここで、これら第３，第４実施形態において、前述の圧縮自己着火運転時でも負荷が減少するとこれに伴って燃料噴射弁９からの燃料噴射量が減少することから、点火補助によるラジカルの生成が若干弱くなると考えられる。
【００６６】
そこで、図９の符号Ｓ１で示すように圧縮自己着火運転時に点火補助を行う点火プラグ１０の点火時期を負荷の減少につれて早めることにより、この負荷の減少により混合気が稀薄化しても安定した点火補助によるラジカル生成を行わせることができる。
【００６７】
また、このように負荷減少時に点火時期を早めることに替えて、図１０の符号Ｆ１で示すように圧縮自己着火運転時における燃料噴射弁９の燃料噴射時期を負荷の減少につれて早めることにより、早めに濃い混合気状態を形成できて安定した点火補助によるラジカル生成を行わせることができる。
【００６８】
図９，１０中、符号Ｓ２は成層燃焼および均質燃焼時における点火プラグ１０の点火時期、Ｆ２は成層燃焼時における燃料噴射弁９の燃料噴射時期、Ｆ３は均質燃焼時の燃料噴射時期を示している。
【００６９】
また、この他、圧縮自己着火運転時でも機関回転数が増加すると点火プラグ１０による絶対的な点火時間が短くなって、点火補助によるラジカルの生成が若干弱くなることも考えられる。
【００７０】
そこで、このような場合、図示は省略したが機関回転数の増加につれて点火プラグ９の点火時期を早めることにより、短い点火時間でも安定した点火補助によるラジカル生成を行わせることができる。
【００７１】
また、点火時期を早めるのに替えて機関回転数の増加につれて燃料噴射弁９の燃料噴射時期を早めることにより、早めに濃い混合気状態を形成して安定した点火補助によるラジカル生成を行わせることもできる。
【００７２】
図８に示す第５実施形態は筒内噴射タイプの機関に本発明を適用した更に異なる例を示すもので、この第５実施形態にあっては圧縮自己着火運転時は吸，排気バルブ６，８をマイナスＯ／Ｌのバルブタイミングに制御して、排気バルブ８の閉時期ＥＶＣと吸気バルブ６の開時期ＩＶＯの間で燃料噴射弁９より燃料の一部をパイロット燃料として噴射し、前記ＩＶＯと吸気下死点の間で点火プラグにより火花点火補助を行うと共に、この点火補助後の圧縮行程で残りの燃料を主燃料として噴射して、圧縮上死点付近で自己着火燃焼を行わせるようにしている。
【００７３】
即ち、この第５実施形態ではパイロット燃料の存在下で点火プラグ９による火花点火補助により前記第３，第４実施形態と同様にラジカルを著しく生成，増殖させることができると共に、この生成，増殖したラジカルを吸入，圧縮行程全般に亘って保持でき、そして、点火補助後の圧縮行程で主燃料を噴射するため混合気が成層化した状態で安定した圧縮自己着火燃焼を行わせることができるため、前記第３，第４実施形態と同様の効果を奏せされると共に、冷却損失を更に低減することができる。
【００７４】
以上の各実施形態から理解されるように、本発明によれば圧縮自己着火運転時は所定の条件で点火プラグ９により火花点火補助を行うことによってラジカルを生成，増殖して局部的に温度上昇させることができて、圧縮比を高めたのと等価の効果が得られることから圧縮比を低圧縮比に設定することが可能となる上、通常、圧縮自己着火燃焼は機関が暖機してからでないと成立できないが、前述のようにラジカルを生成，増殖させることができるため機関の冷間始動時でも圧縮自己着火燃焼が成立してその運転領域を拡大でき、特に冷間始動時に圧縮自己着火燃焼を行わせることによって暖機の促進を図ることができる。
【００７５】
なお、前記各実施形態では圧縮比を１３以下に設定した場合を例示したが、ボア−ストローク比や最高水温等によっては、設定圧縮比を１５位まで広げることが可能である。
【００７６】
また、点火補助機構としては点火プラグに限定されるものではなく、他の点火手段を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を概略的に示す断面説明図。
【図２】同実施形態の圧縮自己着火運転時の作動説明図。
【図３】同実施形態の圧縮自己着火運転時におけるバルブタイミング、燃料噴射時期、点火補助時期を示すタイムチャート図。
【図４】本発明の第２実施形態を示す図３と同様のタイムチャート図。
【図５】本発明の第３実施形態の圧縮自己着火運転時の作動説明図。
【図６】同実施形態の圧縮自己着火運転時におけるバルブタイミング、燃料噴射時期、点火補助時期を示すタイムチャート図。
【図７】本発明の第４実施形態を示す図６と同様のタイムチャート図。
【図８】本発明の第５実施形態を示す図６と同様のタイムチャート図。
【図９】本発明の第３，第４実施形態における点火補助時期を負荷変化に応じて変化させた場合のタイムチャート図。
【図１０】本発明の第３，第４実施形態における燃料噴射時期を負荷変化に応じて変化させた場合のタイムチャート図。
【図１１】吸，排気バルブのバルブタイミングの設定の一例を示す図で、（イ）は高負荷時を、（ロ）は低負荷時を示す。
【符号の説明】
１ シリンダブロック
２ ピストン
３ シリンダヘッド
４ 燃焼室
５ 吸気ポート
６ 吸気バルブ
７ 排気ポート
８ 排気バルブ
９ 燃料噴射弁
１０ 点火補助機構
１３ 過給機
Claims (11)
- 吸気ポートに燃料噴射弁を備え、ピストンの圧縮作用により燃焼室内の混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火ガソリン内燃機関において、燃焼室に点火手段を設ける一方、排気バルブの閉時期（ＥＶＣ）が排気行程途中で吸気バルブの開時期（ＩＶＯ）が吸気行程途中となるマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御可能に構成し、このバルブタイミングにおけるＥＶＣとＩＶＯの間で前記点火手段によりラジカル生成した上で、圧縮行程で自己着火燃焼を行わせるようにしたことを特徴とする圧縮自己着火ガソリン内燃機関。
- 燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、ピストンの圧縮作用により燃焼室内の混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火ガソリン内燃機関において、燃焼室に点火手段を設ける一方、排気バルブの閉時期（ＥＶＣ）が排気行程途中で吸気バルブの開時期（ＩＶＯ）が吸気行程途中となるマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御可能に構成し、このバルブタイミングにおけるＥＶＣとＩＶＯの間で前記燃料噴射弁より燃料噴射すると共に点火手段によりラジカル生成した上で、圧縮行程で自己着火燃焼を行わせるようにしたことを特徴とする圧縮自己着火ガソリン内燃機関。
- 燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、ピストンの圧縮作用により燃焼室内の混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火ガソリン内燃機関において、燃焼室に点火手段を設ける一方、排気バルブの閉時期（ＥＶＣ）が排気行程途中で吸気バルブの開時期（ＩＶＯ）が吸気行程途中となるマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御可能に構成し、このバルブタイミングにおけるＥＶＣとＩＶＯの間に燃料噴射弁より燃料噴射し、かつ、ＩＶＯと吸気下死点の間で点火手段によりラジカル生成した上で、圧縮行程で自己着火燃焼を行わせるようにしたことを特徴とする圧縮自己着火ガソリン内燃機関。
- 燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、ピストンの圧縮作用により燃焼室内の混合気を自己着火して燃焼させる圧縮自己着火ガソリン内燃機関において、燃焼室に点火手段を設ける一方、排気バルブの閉時期（ＥＶＣ）が排気行程途中で吸気バルブの開時期（ＩＶＯ）が吸気行程途中となるマイナスオーバーラップのバルブタイミングに制御可能に構成し、このバルブタイミングにおけるＥＶＣとＩＶＯの間に燃料噴射弁よりパイロット燃料を噴射し、ＩＶＯと吸気下死点の間で点火手段によりラジカル生成すると共にラジカル生成の後に該燃料噴射弁より主燃料を噴射し、圧縮行程で自己着火燃焼を行わせるようにしたことを特徴とする圧縮自己着火ガソリン内燃機関。
- 圧縮自己着火運転時に負荷の減少につれて点火手段の点火時期を早めたことを特徴とする請求項２〜４の何れかに記載の圧縮自己着火ガソリン内燃機関。
- 圧縮自己着火運転時に機関回転数の増加につれて点火手段の点火時期を早めたことを特徴とする請求項２〜５の何れかに記載の圧縮自己着火ガソリン内燃機関。
- 圧縮自己着火運転時に負荷の減少につれて燃料噴射弁の燃料噴射時期を早めたことを特徴とする請求項２〜６の何れかに記載の圧縮自己着火ガソリン内燃機関。
- 圧縮自己着火運転時に機関回転数の増加につれて燃料噴射弁の燃料噴射時期を早めたことを特徴とする請求項２〜７の何れかに記載の圧縮自己着火ガソリン内燃機関。
- 圧縮自己着火燃焼を機関の始動時に行わせるようにしたことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の圧縮自己着火ガソリン内燃機関。
- 圧縮比を１３以下に設定し、部分負荷域で圧縮自己着火燃焼を行わせ、全開運転時は圧縮行程後半に点火手段により点火して火炎伝播燃焼を行わせるようにしたことを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の圧縮自己着火ガソリン内燃機関。
- 過給機を備えていることを特徴とする請求項１０に記載の圧縮自己着火ガソリン内燃機関。
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