JP5589730B2 - 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、燃料噴射量の少ない領域ではＮＯｘを抑制しつつ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。

また、特許文献２には、排気通路に配設された排気ガス浄化触媒の早期活性化のために、排気ガス温度を高めるべく、圧縮行程で前段燃料噴射を行った後、膨張行程において後段燃料噴射を行うものが開示されている。この特許文献２に記載のものでは、ＨＣＣＩ燃焼を行うものではなく、低負荷側で成層リーン燃焼を行い、高負荷側で均質燃焼を行うものとなっている。

特開２００９−７４４８８号公報 特開２０００−１３０２１２号公報

ところで、エンジン温度が低いとき、例えばエンジン始動前のピストン温度が所定温度（例えば８０度Ｃ）以下のときやエンジン冷却水温度が所定温度（例えば５０度Ｃ）以下のときは、エンジン温度を早期に上昇させて、排気ガス浄化触媒を早期に活性化させることが望まれることになる。その一方で、排気ガス浄化触媒の活性化途上では、浄化触媒が未活性状態にあるため、大気中へのＮＯｘ排出が課題となる。そこで、Ｒａｗ ＮＯｘの排出を少なくしつつエンジン温度をすみやかに上昇させることが必要になり、ＨＣＣＩ燃焼を行うことが考えられる。しかしながら、この場合は、エンジン温度が低いことに起因して燃料噴射量が増量されるため、ＨＣＣＩ燃焼の最高温度が高くなりすぎてしまい、Ｒａｗ ＮＯｘ発生が問題になってしまう。

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、エンジン温度が低いときに、ＨＣＣＩ燃焼を行いつつＮＯｘ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第１の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、
エンジンの幾何学的圧縮比が１５以上とされ、
エンジン始動後の燃料噴射量が増量されるエンジン未暖機時において、圧縮上死点前に燃料噴射を行って前段のＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）燃焼を行うための前段燃料噴射と、圧縮上死点後に燃料噴射を行って該前段ＨＣＣＩ燃焼の終了後に後段のＨＣＣＩ燃焼を開始させるための後段燃料噴射とを行うように設定され、
前記後段燃料噴射の燃料噴射量が、前記前段燃料噴射の噴射量以上とされ、
前記後段燃料噴射の噴射時期が、エンジン温度が所定温度となるまでは、エンジン温度の上昇に伴って、前記前段燃料噴射の噴射時期から離れるように遅角され、エンジン温度が所定温度を超えるエンジン未暖機状態では、エンジン温度の上昇に伴って、前記前段燃料噴射の噴射時期に近づくように進角される、
ようにしてある。

上記解決手法によれば、ＨＣＣＩ燃焼を、前段のＨＣＣＩ燃焼と後段のＨＣＣＩ燃焼とに分割して行うようにしてあるので、同じ燃料噴射量であっても１回のみのＨＣＣＩ燃焼を行う場合に比して燃焼最高温度を抑制して、ＮＯｘを抑制することができる。また、ＨＣＣＩ燃焼を行うことから、Ｒａｗ ＮＯｘの排出量を下げながら、排気ガス浄化触媒を早期に活性化することができる。勿論、エンジンの幾何学的圧縮比を１５以上に設定してあるので、未暖機時でも圧縮温度を十分高めて、前段のＨＣＣＩ燃焼を行うことが可能である。また、後段のＨＣＣＩ燃焼は、膨張行程での燃焼となるが、前段のＨＣＣＩ燃焼からの高熱を受けることもあって十分圧縮自己着火可能である。さらに、後段燃料噴射の噴射量を前段燃料噴射の噴射量以上とすることにより、前段のＨＣＣＩ燃焼による最高燃焼温度を抑制する上で、また後段のＨＣＣＩ燃焼の燃焼熱を利用したエンジンの暖機促進や排気ガス浄化触媒活性化を促進する上で好ましいものとなる。以上に加えて、エンジン温度が上昇するにつれて、後段のＨＣＣＩ燃焼を行うことが可能な時期が遅角されることになる。したがって、エンジン温度の上昇に伴って後段燃料噴射の時期を遅角させることにより、エンジンの早期暖機と排気ガス浄化触媒の早期活性化をより一層促進する上で好ましいものとなる。また、後段燃料噴射の時期が、一旦はエンジン温度の上昇に伴って遅角されるものの、エンジン未暖機状態でも比較的エンジン温度が高い状態になると、逆に、エンジン温度の上昇に伴って進角されることにより、エンジンの早期暖機と排気ガス浄化触媒の早期活性化を図りつつも、熱効率を高める上で好ましいものとなる。

前記目的を達成するため、本発明にあっては次のような第２の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２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、
エンジンの幾何学的圧縮比が１５以上とされ、
燃焼開始前のピストン温度が所定温度以下の状態のとき、圧縮上死点前に燃料噴射を行って前段のＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）燃焼を行うための前段燃料噴射と、圧縮上死点後に燃料噴射を行って該前段ＨＣＣＩ燃焼の終了後に後段のＨＣＣＩ燃焼を開始させるための後段燃料噴射とを行うように設定され、
前記後段燃料噴射の燃料噴射量が、前記前段燃料噴射の噴射量以上とされ、
前記後段燃料噴射の噴射時期が、エンジン温度が所定温度となるまでは、エンジン温度の上昇に伴って、前記前段燃料噴射の噴射時期から離れるように遅角され、エンジン温度が所定温度を超えるエンジン未暖機状態では、エンジン温度の上昇に伴って、前記前段燃料噴射の噴射時期に近づくように進角される、
ようにしてある。上記解決手法によれば、請求項１に対応した効果と同様の効果を得ることができる。

上記各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３以下に記載のとおりである。

前記各ＨＣＣＩ燃焼の最高温度が所定温度以下となるように、前記前段燃料噴射の噴射量と前記後段燃料噴射の噴射量と該噴射時期とが調整される、ようにしてある（請求項３対応）。この場合、ＮＯｘをよ後段燃料噴射の燃料り確実に抑制する上で好ましいものとなる。

エンジン始動後の少なくとも初回の前記前段のＨＣＣＩ燃焼は、点火プラグによる点火アシストが行われる、ようにしてある（請求項４対応）。この場合、圧縮自己着火しにくい始動初回の前段のＨＣＣＩ燃焼を、点火プラグによる点火アシストによって確実に行うことができる。

本発明によれば、エンジン温度が低いときに、ＨＣＣＩ燃焼を行ってＲａｗ ＮＯｘの排出量を低く抑えながら、エンジンの暖機促進や排気ガス浄化触媒の早期活性化を図ることができる。

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。 燃料噴射タイミングと発生熱量との関係を示す図。 燃料噴射タイミングと発生熱量との関係の別の例を示す図。

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、少なくとも排気ガス浄化触媒としての三元触媒が配設されている（必要に応じて、ＮＯｘ触媒を配設することもできる）。

エンジン１の幾何学的圧縮比は、１５以上に設定されている。より具体的には、幾何学的圧縮比は、実用上の観点から１５〜２１の範囲に設定することができる、好ましくは１６〜１９の範囲に設定することができる。このように、ガソリンエンジンとしては極めて高圧縮比に設定することにより、エンジン温度が低いときでも、ＨＣＣＩ燃焼（予混合圧縮着火）が可能とされている。

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、各種センサあるいはスイッチＳ１〜Ｓ６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。スイッチＳ５は、イグニッションスイッチであり、エンジン１の始動検出用となる。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。

コントローラＵは、エンジン暖機後（例えばエンジン冷却水温度が５０度Ｃを超えているとき）は、低負荷〜中負荷域において、圧縮上死点前に燃料噴射を行って、圧縮上死点付近で燃焼が開始されるＨＣＣＩ燃焼を行うように制御する（一括燃焼）。また、高負荷域では、圧縮上死点前に燃料噴射を行って、点火プラグ１１による火花点火を実行する通常のガソリンエンジンの燃焼形態となるように制御する。なお、ＨＣＣＩ燃焼を行う領域の上限負荷は、エンジン回転数が高いほど低くされる（エンジン回転数が高いときは、エンジン回転数が低いときに比して、相対的に低負荷までしかＨＣＣＩ燃焼が行われない）。なお、ＨＣＣＩ燃焼を行うときの空燃比は、Ｇを新規空気とＥＧＲガスとの合計のガス量、Ｆを燃料量としたとき、Ｇ／Ｆ（重量比）が２０以上のリーンとされる。

一方、エンジン温度が低いとき、例えばセンサＳ４で検出される冷却水温度が暖機完了温度（例えば５０度Ｃ）以下のときは、ＨＣＣＩ燃焼を前段と後段の少なくとも２段に分けて行うようにしてある。この点について、図３を参照しつつ説明するが、図３の（ａ）は燃料噴射時期を示し、図３の（ｂ）は熱発生割合（単位クランク角あたりの発熱量）を示す。この熱発生割合は筒内温度と比例しているので、熱発生割合のピーク値を所定値以下とすることによって、筒内温度をＮＯｘが問題とならない所定温度（例えば１８００Ｋ）以下の範囲に抑制することができる。なお、このときの空燃比は、理論空燃比あるいは理論空燃比よりもリッチとするのが好ましいが、理論空燃比よりもリーンな空燃比とすることもできる（同じ運転状態であれば、暖機時に比して未暖機時は相対的にリッチな空燃比とされる）。

図３の（ａ）に示すように、圧縮上死点前に前段燃料噴射Ｆが実行されると共に、圧縮上死点後（膨張行程）において後段燃料噴射Ｒが実行される。図３の（ｂ）に示すように、前段燃料噴射Ｆによって前段のＨＣＣＩ燃焼Ｆａが行われ、後段燃料噴射Ｒによって後段のＨＣＣＩ燃焼Ｒａが行われる。エンジン１の幾何学的圧縮比が１５以上と高く設定してあるので、前段のＨＣＣＩ燃焼Ｆａが確実に行われる。また、後段のＨＣＣＩ燃焼Ｒａは、前段のＨＣＣＩ燃焼Ｆａの燃焼終了後に燃焼開始されるように後段燃料噴射Ｒの噴射時期が設定される。後段のＨＣＣＩ燃焼Ｒａの開始時期は、例えば圧縮上死点後２０度程度とすることができる。後段のＨＣＣＩ燃焼Ｒａは、前段のＨＣＣＩ燃焼Ｆａの高熱を受けることもあって、確実に圧縮自己着火される。

このように、エンジン温度が低いエンジン未暖機状態のときは、圧縮上死点から離れて後段のＨＣＣＩ燃焼Ｒａが実行されるため、、その分（圧縮上死点から離れて燃焼が開始される分）、後段のＨＣＣＩ燃焼Ｒａによるエンジントルクの成分が低くなるため、これを補うために燃料噴射量は増量されて、比較的多量の燃料が供給される。この場合、一括燃料噴射、つまり、同一エンジントルクを生成する燃料噴射量で前段のＨＣＣＩ燃焼Ｆａのみを行ったのでは、最高燃焼温度が高温になりすぎてＮＯｘ発生が問題となってしまうことになる。しかしながら、本発明では、同じ燃料噴射量もしくは多少多い燃料噴射量であっても、ＨＣＣＩ燃焼が前段のＨＣＣＩ燃焼Ｆａと後段のＨＣＣＩ燃焼Ｒａとに分割して行われるので、各ＨＣＣＩ燃焼ＦａとＲａとの最高温度が前記所定温度以下の範囲に抑制されて、Ｒａｗ ＮＯｘ発生が抑制されることになる。

このように、分割したＨＣＣＩ燃焼を行うことにより、Ｒａｗ ＮＯｘの排出量を下げながらエンジンの暖機が促進され、排気ガス浄化触媒も早期に活性化されることになる。特に、後段のＨＣＣＩ燃焼Ｒａが発生する高熱によって、エンジンの暖機と排気ガス浄化触媒の早期活性化が促進されることになる。そして、圧縮上死点から離れて燃焼が開始されても、ＨＣＣＩ燃焼（急速燃焼）であるから、通常のガソリンエンジンで行われている点火プラグの点火による燃焼（緩慢燃焼）の場合に比して、同程度にエンジンの暖機促進や排気ガス浄化触媒の早期活性化を行った場合でも、熱効率が高い分、消費燃料量が少なくてすむことになり、燃費の点でも好ましいものとなる。また、ＨＣＣＩ燃焼は点火プラグの点火による燃焼に比べてＧ／Ｆがリーンにできるため、この面からも、燃焼消費量が少なく、しかも、Ｒａｗ ＮＯｘの排出量をより下げることができる。

図４は、本発明の別の実施形態を示すもので、図３に対応している。本実施形態では、センサＳ４で検出される冷却水温度が所定温度（例えば４０度Ｃ）までは、後段燃料噴射Ｒの噴射時期を、エンジン温度の上昇に伴って徐々に遅角して、前段燃料噴射から離れるようにしてある。そして、後段のＨＣＣＩ燃焼Ｒａの開始時期が遅れるために、同一のエンジントルクを生成する観点から、後段燃料噴射Ｒの噴射量が増量される。すなわち、図４において、実線で示す後段燃料噴射Ｒ、後段のＨＣＣＩ燃焼Ｒａは、図３の場合と同じである。そして、図４破線で、遅角された燃料噴射時期Ｒ２と遅角された後段のＨＣＣＩ燃焼Ｒ２ａが示される。後段燃料噴射Ｒ２の噴射時期（つまり後段のＨＣＣＩ燃焼Ｒ２ａ）を遅角することにより、遅角させない場合に比して、熱効率を下げ、その分エンジンの暖機促進や排気ガス浄化触媒の早期活性化を図ることができる。なお、エンジン温度が上昇している分、後段燃料噴射の噴射時期を遅角しても、後段のＨＣＣＩ燃焼を確実に行うことができる（圧縮自己着火に必要な温度が確保される）。なお、後段燃料噴射の噴射時期の遅角は、エンジン温度の上昇に伴って、段階的あるいは連続可変的に行うことができる。

さらに、センサＳ４で検出される冷却水温度が、所定温度（例えば４０度Ｃ）を超えて暖機完了温度（例えば５０度Ｃ）となるまでは、後段燃料噴射Ｒの噴射時期を、エンジン温度の上昇に伴って、今度は徐々に進角していき、その分、後段燃料噴射Ｒの噴射量を減量して、熱効率を高めるようにしてもよい。この場合は、所定温度から暖機完了温度となるまで、後段燃料噴射Ｒの噴射時期を遅角したままの固定タイミングに比べて、エンジンの暖機促進や排気ガス浄化触媒の早期活性化の効果は低下するが、既にエンジン暖機が促進している状態であるため、排気ガス温度も高くなっており、その効果の目減りは少ない。よって、熱効率を高める上で好ましい。

ここで、前段燃料噴射の噴射量、後段燃料噴射の噴射量および後段燃料噴射の噴射時期を調整して、前段と後段との各ＨＣＣＩ燃焼による最高温度が、所定温度（例えば１８００度Ｋ）を超えないように制御することができる。すなわち、前段燃料噴射の噴射量を少なくすることにより、前段のＨＣＣＩ燃焼の燃焼最高温度を低下させることができる。また、後段燃料噴射の噴射量を少なくすることにより、あるいは後段燃料噴射の噴射時期を遅角させることにより、後段のＨＣＣＩ燃焼の燃焼最高温度を低下させることができる。このような制御を行う場合は、圧力センサＳ３により検出される圧力（つまり温度）に基づいて、上記各パラメータを調整制御すればよい。

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を利用した着火アシストを行うようにしてもよい。後段燃料噴射をさらに２つ以上分割して行うこともできる。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、エンジン温度をすみやかに上昇させつつＮＯｘ発生を抑制する上で好ましいものとなる。

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
Ｕ：コントローラ
Ｓ１：センサ（エンジン負荷）
Ｓ２センサ（エンジン回転数）
Ｓ３：センサ（筒内圧力）
Ｓ４：センサ（冷却水温）
Ｓ５：イグニッションスイッチ

Claims (4)

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、
   エンジンの幾何学的圧縮比が１５以上とされ、
   エンジン始動後の燃料噴射量が増量されるエンジン未暖機時において、圧縮上死点前に燃料噴射を行って前段のＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）燃焼を行うための前段燃料噴射と、圧縮上死点後に燃料噴射を行って該前段ＨＣＣＩ燃焼の終了後に後段のＨＣＣＩ燃焼を開始させるための後段燃料噴射とを行うように設定され、
   前記後段燃料噴射の燃料噴射量が、前記前段燃料噴射の噴射量以上とされ、
   前記後段燃料噴射の噴射時期が、エンジン温度が所定温度となるまでは、エンジン温度の上昇に伴って、前記前段燃料噴射の噴射時期から離れるように遅角され、エンジン温度が所定温度を超えるエンジン未暖機状態では、エンジン温度の上昇に伴って、前記前段燃料噴射の噴射時期に近づくように進角される、
   ことを特徴とするガソリンエンジンの燃焼制御装置。
2. 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、
   エンジンの幾何学的圧縮比が１５以上とされ、
   燃焼開始前のピストン温度が所定温度以下の状態のとき、圧縮上死点前に燃料噴射を行って前段のＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）燃焼を行うための前段燃料噴射と、圧縮上死点後に燃料噴射を行って該前段ＨＣＣＩ燃焼の終了後に後段のＨＣＣＩ燃焼を開始させるための後段燃料噴射とを行うように設定され、
   前記後段燃料噴射の燃料噴射量が、前記前段燃料噴射の噴射量以上とされ、
   前記後段燃料噴射の噴射時期が、エンジン温度が所定温度となるまでは、エンジン温度の上昇に伴って、前記前段燃料噴射の噴射時期から離れるように遅角され、エンジン温度が所定温度を超えるエンジン未暖機状態では、エンジン温度の上昇に伴って、前記前段燃料噴射の噴射時期に近づくように進角される、
   ことを特徴とするガソリンエンジンの燃焼制御装置。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記各ＨＣＣＩ燃焼の最高温度が所定温度以下となるように、前記前段燃料噴射の噴射量と前記後段燃料噴射の噴射量と該後段燃料噴射の燃料噴射時期とが調整される、ことを特徴とするガソリンエンジンの燃焼制御装置。
4. 請求項１または請求項２において、
   エンジン始動後の少なくとも初回の前記前段のＨＣＣＩ燃焼は、点火プラグによる点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。
   

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