内燃機関
【課題】 着火遅れおよび着火時期のばらつきを抑制可能な内燃機関を提供する。
【解決手段】ＥＣＵ５０は、通常運転を行う条件である通常運転条件を満たす場合、燃料噴射装置１４により第１所定量の燃料を噴射する通常噴射を行い、通常噴射により噴射された燃料と空気との混合気がピストン１３の移動によって圧縮されることで得られた熱量により、混合気を自着火させる。また、ＥＣＵ５０は、通常運転条件とは異なる条件である特定運転条件を満たす場合、燃料噴射装置１４により、通常噴射の後、第２所定量の燃料を噴射する追加噴射を行い、点火装置により追加噴射された燃料を着火させて得られた熱量により、混合気を自着火させる。
【解決手段】ＥＣＵ５０は、通常運転を行う条件である通常運転条件を満たす場合、燃料噴射装置１４により第１所定量の燃料を噴射する通常噴射を行い、通常噴射により噴射された燃料と空気との混合気がピストン１３の移動によって圧縮されることで得られた熱量により、混合気を自着火させる。また、ＥＣＵ５０は、通常運転条件とは異なる条件である特定運転条件を満たす場合、燃料噴射装置１４により、通常噴射の後、第２所定量の燃料を噴射する追加噴射を行い、点火装置により追加噴射された燃料を着火させて得られた熱量により、混合気を自着火させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関し、詳しくは、高セタン価燃料を燃料として使用する内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高セタン価燃料のエネルギー効率を高めるための予混合圧縮着火式の内燃機関が知られている。予混合圧縮着火式の内燃機関は、予め空気と高セタン価燃料とを混合させて形成された予混合気を着火させることで得られたエネルギーにより駆動される。この予混合圧縮着火式の内燃機関は、着火が安定しないという問題がある。予混合圧縮着火式の内燃機関の着火を安定させるために、例えば特許文献１に記載の内燃機関は、追加圧縮を行うことで、予混合気を着火させることにより、着火時期の制御性を高めようとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１９６４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１に記載の内燃機関は、追加圧縮により予混合気の温度を上昇させるため、予混合気の温度が自着火可能な温度まで上昇するのに時間がかかる。よって、予混合気の着火遅れが発生する。ここで、燃料の性状や吸気温度等により着火の温度条件がばらつけば、着火時期のばらつきが大きくなる。
また、混合気を圧縮自着火させるため、燃焼時の燃焼室の容積は従来までの高セタン価燃料の内燃機関と略同じとなる。これにより、燃焼時の圧力が内燃機関の制限圧力を超えることを防止するために、過給を行うことができない。したがって、特許文献１に記載の内燃機関の場合、スモークが発生しないようにするには、低負荷に限定して運転せざるを得なくなる。
さらに、特許文献１に記載の内燃機関は、機械式の追加圧縮により予混合気を着火させるため、内燃機関の高回転による運転には向かない。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、着火遅れおよび着火時期のばらつきを抑制可能な内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に係る発明によると、内燃機関は、ピストン、シリンダ、燃料噴射装置、点火装置、および、制御装置を備える。ピストンは往復移動可能である。シリンダは、ピストンを収容し、ピストンの往復移動により容積が可変する燃焼室を有する。燃料噴射装置は、噴孔を有し、噴孔から燃焼室に燃料を噴射する。点火装置は、点火源を生じることにより、燃焼室に噴射された燃料を着火させる。制御装置は、燃料噴射装置の燃料噴射、および、点火装置の点火を制御する。
制御装置は、通常運転を行う条件である通常運転条件を満たす場合、燃料噴射装置により第１所定量の燃料を噴射する通常噴射を行い、通常噴射により噴射された燃料と空気との混合気がピストンの移動によって圧縮されることで得られた熱量により、混合気を自着火させる。また、制御装置は、通常運転条件とは異なる条件である特定運転条件を満たす場合、燃料噴射装置により、通常噴射の後、第２所定量の燃料を噴射する追加噴射を行い、点火装置により追加噴射された燃料を着火させて得られた熱量により、混合気を自着火させる。
【０００６】
これにより、特定運転条件を満たす場合、点火装置により、熱の発生速度が速くなるため、着火遅れを抑制することができ、着火時期のばらつきを抑制することができる。また、熱発生量は、燃料の第２所定噴射量により制御可能であるため、着火時期の制御性を高めることができる。さらに、混合気を自着火可能な温度まで昇温させるのに必要な熱量を発生する燃料の量（第２所定量）を極めて少なくすることができる。このため、第Ｎ回噴射する燃料の量を低減することによりＮＯｘ（窒素酸化物）およびＰＭ（燃料の燃え残り）の発生を抑制することができる。
【０００７】
請求項２に係る発明によると、制御装置は、特定運転条件を満たす場合、ピストンが上死点近傍に位置するとき、燃料噴射装置により追加噴射を行い、点火装置により追加噴射された燃料を着火させる。
これにより、燃焼中心をピストンの上死点に近付けることができる。したがって、熱効率の悪化を抑制することができる。
【０００８】
請求項３に係る発明によると、特定運転条件は、燃焼室の圧縮比が燃焼室内に噴射された燃料を常に自着火させる圧縮比より小さいことを前提条件として含む。
これにより、特定運転時には、圧縮比を小さくすることで、燃焼時の最大圧力を低減することができる。このため、過給が可能になり、高負荷でＰＭを低減することができ、すす等の抑制効果を高めることができる。したがって、低ＰＭ燃焼の運転範囲を拡大することができる。
また、圧縮比の低下により熱効率が低下するが、予混合化によりエミッションに余裕ができるため、ＥＧＲ（排気再循環）により還流する排気の量を低減することができる。よって、比熱比を増加することができる。
【０００９】
請求項４に係る発明によると、特定運転条件は、ピストンの往復移動速度が所定値を超えることを前提条件として含む。
請求項５に係る発明によると、第２所定量は、第１所定量より少ない。
これにより、追加噴射された第２所定量の燃料の燃焼により、ＮＯｘおよびＰＭの発生を抑制することができる。
【００１０】
請求項６に係る発明によると、制御装置は、燃料噴射装置により通常噴射を行うとき、第１所定量の燃料を複数回に分けて噴射する。
所定量の燃料を一度に噴射すると噴霧が飛散し壁面に付着しやすくなる。これに対し、所定量の燃料を複数回分けて噴射すると、燃料がシリンダの壁面に付着することを低減することができる。
【００１１】
請求項７に係る発明によると、燃料噴射装置は、点火装置の点火源を生じる端部近傍に燃料を噴射する。
また、請求項８に係る発明によると、点火装置は、点火源を生じる端部が燃料噴射装置の噴孔近傍に位置するよう設けられている。
これにより、追加噴射された燃料を着火させる着火性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態のエンジンシステムの概略構成を示す説明図。
【図２】図１のＩＩ方向視平面図。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図。
【図４】本発明の一実施形態のエンジンの特性図。
【図５】本発明の一実施形態のエンジンの特性図。
【図６】本発明の一実施形態のエンジンの特性図。
【図７】本発明の一実施形態のエンジンの特性図。
【図８】本発明の一実施形態のエンジンの制御を示すフローチャート。
【図９】本発明の一実施形態のエンジンの制御を示すフローチャート。
【図１０】本発明の一実施形態のエンジンの特性図。
【図１１】従来のエンジンの特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（一実施形態）
本発明の一実施形態による内燃機関は、高セタン価燃料を燃料として使用する。ここで、高セタン価燃料というのは、例えば、軽油、ＤＭＥ等のセタン価が４０以上の燃料を言う。本発明の一実施形態による内燃機関を適用したエンジンシステムを図１に示す。エンジンシステム１は、車両に搭載されている。
【００１４】
まず、エンジンシステム１の構成について説明する。図１に示すように、エンジンシステム１は、内燃機関（以下、「エンジン」という）１０、吸気系２０、排気系３０、過給機６０、燃料噴射系４０、および電子制御装置（以下、「ＥＣＵ」という）５０などを備えている。
【００１５】
エンジン１０は、略円筒状のシリンダ１１を複数有し、当該シリンダ１１の内側にピストン１３を収容している。ピストン１３は、シリンダ１１の内側に軸方向へ往復移動可能に設けられる。エンジン１０は、シリンダ１１の一方の端部を塞ぐシリンダヘッド１２を有する。シリンダ１１の内壁とピストン１３とシリンダヘッド１２との間には燃焼室１１０が形成されている。燃焼室１１０の容積は、ピストン１３の往復移動により変化する。ここで、燃焼室１１０の最大容積Ｖ１（図１参照）と燃焼室１１０の最小容積Ｖ２（図３参照）との比をエンジン１０の静的な圧縮比とし、以下、「圧縮比」とする。本実施形態の場合、エンジン１０の圧縮比は、１１．５〜１２．５に設定されている。
【００１６】
シリンダヘッド１２には、シリンダ１１に対応し、複数の吸気ポート１６が設けられている。吸気ポート１６の内側には、燃焼室１１０と連通する通路１６０が形成されている。また、シリンダ１１の吸気ポート１６とは反対側には、排気ポート１７が設けられている。排気ポート１７の内側には、燃焼室１１０と連通する通路１７０が形成されている。
【００１７】
また、シリンダヘッド１２には、吸気弁１６１、排気弁１７１、燃料噴射装置１４および点火装置１５が設けられている。吸気弁１６１は、燃焼室１１０と通路１６０との間を開閉可能である。排気弁１７１は、燃焼室１１０と通路１７０との間を開閉可能である。
【００１８】
燃料噴射装置１４は、例えばソレノイド式インジェクタであり、燃焼室１１０内に開口する噴孔１４１を有し、燃料を燃焼室１１０に噴射する。点火装置１５は、例えばスパークプラグであり、火花発生端部１５１を有し、燃焼室１１０内の燃料を着火させる。本実施形態では、点火装置１５は、火花発生端部１５１が燃料噴射装置１４の噴孔１４１の近傍に位置するよう設けられている（図２参照）。本実施形態の場合、エンジン１０は、燃料噴射装置１４から噴射された燃料を燃焼室１１０で燃焼させることにより稼動する。ここで、火花発生端部１５１は、特許請求の範囲における「点火源を生じる端部」に対応する。
【００１９】
吸気系２０は、吸気管２１、エアクリーナ２２、および、インタクーラ２３を有する。吸気管２１は、一方の端部が吸気口２１１を形成し、他方の端部がエンジン１０の吸気ポート１６に接続している。吸気管２１は、内側に、吸気口２１１と吸気ポート１６の通路１６０とを接続する吸気通路２１０が形成されている。これにより、吸気口２１１から吸入された空気（吸気）は、吸気通路２１０を通じてエンジン１０の各燃焼室１１０へ導かれる。
【００２０】
エアクリーナ２２およびインタクーラ２３は、吸気口２１１側からこの順に吸気通路２１０に設けられている。また、インタクーラ２３と吸気ポート１６との間には、圧力センサ５１および温度センサ５２が設けられている。
【００２１】
エアクリーナ２２は、吸気に含まれる異物を捕集することで吸気を浄化する。インタクーラ２３は、後述する過給機６０のコンプレッサ６２によって高温となった吸気を冷却する。なお、圧力センサ５１および温度センサ５２は、燃焼室１１０に吸入された吸気の圧力および温度を検出する。
【００２２】
排気系３０は、一方の端部が排気口３１１を形成し他方の端部がエンジン１０の排気ポート１７に接続している排気管３１を有する。排気管３１は、内側に、排気口３１１と排気ポート１７の通路１７０とを接続する排気通路３１０が形成されている。排気通路３１０の排気口３１１側には、排気浄化部３２が設けられている。
【００２３】
過給機６０は、吸気管２１と排気管３１との間に設けられている。過給機６０は、タービン６３、コンプレッサ６２およびシャフト６１を有している。タービン６３は、排気通路３１０のエンジン１０の排気ポート１７と排気浄化部３２との間に回転可能に設けられている。一方、コンプレッサ６２は、吸気通路２１０のエアクリーナ２２とインタクーラ２３との間に回転可能に設けられている。シャフト６１は、タービン６３とコンプレッサ６２とを連結している。排気が排気通路３１０を流れると、タービン６３が回転する。これにより、コンプレッサ６２が回転する。コンプレッサ６２が回転すると、吸気は、コンプレッサ６２により圧縮されてエンジン１０に供給される。つまり、過給機６０は、吸気をエンジン１０に過給するターボチャージャである。
【００２４】
燃料噴射系４０は、各燃料噴射装置１４が接続されるコモンレール４１、及び、コモンレール４１へ燃料を圧送する高圧ポンプ４３を備える。
コモンレール４１は、燃料の圧力を維持したまま、すなわち蓄圧状態で燃料を蓄える。そして、コモンレール４１における燃料の圧力を上昇させるのが、高圧ポンプ４３である。コモンレール４１に蓄えられた燃料は、燃料噴射装置１４から噴射される。本実施形態では、燃料噴射装置１４内部の燃料通路の開放期間が通電期間として制御されることで、目標とする量の燃料がシリンダ１１内へ噴射されることになる。
【００２５】
ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、及びこれらを接続するバスラインを有する周知の小型のコンピュータである。
ＥＣＵ５０の入力ポートには、コモンレール４１における燃料の圧力を検出する油圧センサ５４、アクセルペダル７１の踏み込み量を検出するアクセルセンサ５５、エンジン１０の回転数を検出する回転数センサ５６、シリンダ１１内に吸入される吸気の温度および圧力を検出する温度センサ５２および圧力センサ５１、ならびに、ピストン１３の往復移動とともに回転するクランクシャフトの回転角を検出するクランク角センサ５３が電気的に接続されている。一方、ＥＣＵ５０の出力ポートには、上述した燃料噴射装置１４、高圧ポンプ４３、及び、点火装置１５などが電気的に接続されている。
【００２６】
ＥＣＵ５０は、アクセルセンサ５５からの信号に基づき目標とする燃料の噴射量を算出すると共に、アクセルセンサ５５および回転数センサ５６からの両信号に基づき、目標とする燃料圧力を算出する。そして、ＥＣＵ５０は、算出した燃料圧力となるように高圧ポンプ４３を制御する。また、算出した噴射量の燃料が噴射されるように燃料噴射装置１４への通電を行う。
【００２７】
ＥＣＵ５０は、クランク角センサ５３により検出されるクランク角により、インジェクタ１５への通電タイミングを決定する。また、インジェクタ１５への通電期間は、燃料圧力毎に予め記憶される噴射量と通電期間との対応関係（マップ）によって決定される。
【００２８】
次に、図８および図９のフローチャートに基づいて、ＥＣＵ５０の制御について説明する。
Ｓ１１０では、燃料の目標噴射量を算出する。燃料の目標噴射量は、アクセルセンサ５５からの信号に基づくアクセルペダル７１の踏み込み量に基づいて算出される。
【００２９】
Ｓ１２０では、過給圧を検出する。この処理では、吸気ポート１６とインタクーラ２３との間に設けられている圧力センサ５１により、シリンダ１１に吸入される吸気の圧力を検出する。
【００３０】
Ｓ１３０では、吸気温度を検出する。この処理では、吸気ポート１６とインタクーラ２３との間に設けられている温度センサ５２により、シリンダ１１に吸入される吸気の温度を検出する。
【００３１】
Ｓ１４０では、所定回転数Ｒｐを算出する。所定回転数Ｒｐは、シリンダ１１内の燃料と空気との混合気が圧縮により自着火可能な最高回転数である。つまり、エンジン１０の回転数が所定回転数Ｒｐ以下の場合、シリンダ１１内の燃料と空気との混合気は圧縮により自着火する。また、エンジン１０の回転数が所定回転数Ｒｐより高い場合、シリンダ１１内の燃料と空気との混合気は圧縮によって自着火しない。ＥＣＵ５０は、Ｓ１２０で検出された過給圧およびＳ１３０で検出された吸気温度に基づいて、所定回転数Ｒｐを算出する。
【００３２】
Ｓ１５０では、現在回転数Ｒと所定回転数Ｒｐを比較する。ここで、現在回転数Ｒが所定回転数Ｒｐより大きい場合（Ｓ１５０：ＹＥＳ）、処理はＳ１６０へ移行する。一方、現在回転数Ｒが所定回転数Ｒｐより小さい場合（Ｓ１５０：ＮＯ）、処理はＳ１７０へ移行する。
【００３３】
Ｓ１６０では、エンジン１０はＥＣＵ５０の制御により特定運転モードに入る。また、Ｓ１７０では、エンジン１０はＥＣＵ５０の制御により通常運転モードに入る。本実施形態の場合、通常運転モードというのは、通常運転を行う条件である通常運転条件を満たす場合、ＥＣＵ５０の制御により燃料噴射装置１４が第１所定量の燃料を噴射する通常噴射を行い、通常噴射により噴射された燃料と空気との混合気がピストン１３の移動によって圧縮されることで得られた熱量により、混合気を自着火させる運転モードを言う。また、特定運転モードというのは、通常運転条件とは異なる条件である特定運転条件を満たす場合、ＥＣＵ５０の制御により、燃料噴射装置１４が通常噴射の後第２所定量の燃料を噴射する追加噴射を行い、点火装置１５が追加噴射された燃料を着火させて得られた熱量により、混合気を自着火させる運転モードを言う。通常運転モードまたは特定運転モードが終了すると、処理はＳ１８０へ移行する。
【００３４】
Ｓ１８０では、エンジン１０の運転を停止するか否かを判断する。「ＹＥＳ」と判断された場合、処理は「エンド」へ移行し、エンジン１０の運転は停止する。一方、「ＮＯ」と判断された場合、処理はＳ１１０へ戻る。
【００３５】
ここで、図９のフローチャートに基づいて、特定運転モードの制御について説明する。
特定運転モードの制御を説明する前に、まず、特定運転モードの前提条件について説明する。本実施形態では、ピストン１３が上死点まで移動するとき、シリンダ１１内の燃料と空気との混合気が圧縮により自着火しないという特定運転モードの前提条件は、エンジン１０の圧縮比が１１．５〜１２．５に設定されているということである。ここで、図４〜図７に基づいて、エンジン１０の圧縮比を１１．５〜１２．５に設定する根拠について説明する。
【００３６】
図４〜図６は、温度が４０℃であり、圧力がそれぞれ０．１ＭＰａ（図４の場合）、０．１４ＭＰａ（図５の場合）、０．１８ＭＰａ（図６の場合）である吸気がシリンダ１１内に吸入された場合の、圧縮比と回転数との関係を示す図である。０．１８ＭＰａは、吸気が過給機６０によって過給された場合の最大圧力である。図６に示すように、圧縮比が１２．５より高い場合、自着火させないための所定回転数Ｒｐは３２００ｒｐｍよりも高くなる。ここで、所定回転数Ｒｐを３２００ｒｐｍ以下に設定可能にするため、エンジン１０の圧縮比の上限を１２．５に設定する。
【００３７】
図７は、圧縮された予混合気を着火させるのに必要となる追加噴射の噴射量と圧縮比との関係を示す図である。ここで、シリンダ１１内に吸入された吸気の圧力が０．１ＭＰａ、０．１４ＭＰａ、および０．１８ＭＰａの場合の異なる関係をそれぞれ曲線Ｌ１、Ｌ２、およびＬ３で示す。図７に示すように、吸気圧が高いほど、吸入された空気の量が多くなる。このため、昇温するのに必要とする熱量が多くなり、必要とする燃料の量が増加する。しかしながら、低エミッション燃焼を維持するためには、追加噴射の噴射量を少なくするほうが良い。ここで、追加噴射の噴射量を例えば２．５ｍｍ3以下に設定すると、低エミッション燃焼を維持することができる。よって、低エミッション燃焼を維持するため、圧縮比の下限を１１．５に設定する。
【００３８】
続いて、特定運転の制御について説明する。
Ｓ１６１では、目標噴射量、過給圧、吸気温度、および現在回転数により、予め行う通常噴射の毎回の噴射量を算出する。
Ｓ１６２では、クランク角センサ５３によりクランク角を検出する。
【００３９】
Ｓ１６３では、燃料噴射装置１４により通常噴射を行う。ＥＣＵ５０は、Ｓ１６２で検出されたクランク角に基づいて通常噴射のタイミングを決定する。本実施形態の場合、燃料噴射装置１４は、ピストン１３が下死点から上死点まで移動するときに通常噴射を行う。また、本実施形態の通常噴射は、燃料噴射装置１４により燃料噴射を３回行う。これにより、シリンダ１１内に燃料と空気とからなる混合気が形成される。
【００４０】
Ｓ１６４では、燃料噴射装置１４により追加噴射を行う。ＥＣＵ５０は、Ｓ１６２で検出されたクランク角に基づいて追加噴射のタイミングを決定する。本実施形態では、ピストン１３が上死点近傍に位置するときに、燃料噴射装置１４による追加噴射を行う。また、本実施形態の追加噴射の噴射量は、極めて少量であり、通常噴射の毎回の噴射量よりも少なくなるよう設定されている。例えば、目標噴射量が１８ｍｍ3である場合、通常噴射の毎回の噴射量は６ｍｍ3であり、追加噴射の噴射量は２．５ｍｍ3である。燃料噴射装置１４は、点火装置１５の火花発生端部１５１の近傍に燃料を噴射する。
【００４１】
Ｓ１６５では、点火装置１５による点火を行う。点火装置１５は、ＥＣＵ５０によって制御され、火花発生端部１５１から火花を発生する。本実施形態の場合、点火装置１５は、火花発生端部１５１が燃料噴射装置１４の噴孔１４１の近傍に位置するよう設けられている。また、点火装置１５による点火と燃料噴射装置１４による追加噴射とは略同時に行う。これにより、追加噴射された燃料は、点火装置１５から発生する火花により燃焼する。そして、追加噴射された第２所定量の燃料の燃焼で得られた熱量により、シリンダ１１内に通常噴射により予め形成されている混合気を着火させる。
【００４２】
ここで、第２所定量を調節することで、着火時期を調節することができる。例えば、第２所定量を増加することで着火時期を短縮し、第２所定量を低減することで着火時期を延長することができる。
【００４３】
図１０は、本実施形態の特定運転を行う場合の混合気の温度の時間経過による変化を示している。また、曲線Ｌ４はピストンの移動により圧縮される混合気の温度の変化を示し、Ｌ５は特定運転の制御による混合気の温度変化を示す。図１０に示すように、特定運転の制御により、時刻ｔ１で追加燃料を着火させる。すると、混合気は、時刻ｔ２で着火可能な温度Ｔ１に達し、時刻ｔ３で温度Ｔ２に達して完全着火する。ここで、「着火可能な温度」というのは、少なくとも一部の混合気の着火開始可能な温度を意味する。
【００４４】
図１１は、上述した特許文献１に記載された発明と同様の構成における場合、混合気の温度の時間経過による変化を示す。また、曲線Ｌ６はピストンの移動により圧縮される混合気の温度の変化を示し、曲線Ｌ７は、追加圧縮を行った時の混合気の温度変化を示す。図１１に示すように、追加圧縮により、時刻ｔ４で追加圧縮を開始する。すると、混合気は、時刻ｔ５で着火可能な温度Ｔ３に達し、時刻ｔ６で温度Ｔ４に達して完全着火する。
図１０および図１１を比較すると、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの時間は、時刻ｔ４からｔ６までの時間より短いということが分かる。つまり、点火装置を用いることは、追加圧縮を用いることより熱の発生速度が速い。
【００４５】
ここで、本実施形態の作用および効果について説明する。
（１）本実施形態では、シリンダ１１内に予め形成されている混合気は、追加噴射された燃料を燃焼させて得られた熱量により着火する。これにより、従来のエンジンに比べ、熱の発生速度が速いため、着火遅れを抑制することができ、着火時期のばらつきを抑制することができる（図１０および図１１参照）。また、熱発生量は燃料の噴射量（第２所定量）により制御可能であるため着火時期の制御性を高めることができる。さらに、本実施形態の場合、混合気を自着火可能な温度まで昇温させるのに必要な熱量を発生する燃料の量（第２所定量）は、第1所定量に比べて極めて少ない。このため、追加噴射する燃料の量を低減することによりＮＯｘ（窒素酸化物）およびＰＭの発生を抑制することができる。
【００４６】
（２）本実施形態では、エンジン１０の静的な圧縮比は、１１．５〜１２．５に設定されている。これにより、エンジン１０の圧縮比を従来のエンジンの圧縮比より小さくすることで、燃焼時の最大圧力を低減することができる。このため、過給が可能になり、高負荷でＰＭ（燃料の燃え残り）を低減することができ、すす等の抑制効果を高めることができる。したがって、低ＰＭ燃焼の運転範囲を拡大することができる。
また、本実施形態では、圧縮比の低下により熱効率が低下するが、予混合化によりエミッションに余裕ができるため、ＥＧＲ（排気再循環）により還流する排気の量を低減することができる。よって、比熱比を増加することができる。
【００４７】
（３）本実施形態では、燃料噴射装置１４による追加噴射は、ピストン１３が上死点近傍に位置するときに行う。これにより、燃焼中心をピストン１３の上死点に近付けることができる。したがって、熱効率の悪化を抑制することができる。
【００４８】
（４）本実施形態では、通常噴射では通常噴射により予混合気を形成する。所定量の燃料を一度に噴射すると噴霧が飛散し壁面に付着しやすくなる。これに対し、通常噴射により所定量の燃料を複数回に分けて噴射すると、燃料がシリンダの壁面に付着することを低減することができる。
【００４９】
（５）本実施形態では、追加噴射の噴射量は、極めて少量であり、通常噴射の毎回の噴射量よりも少なくなるよう設定されている。これにより、追加噴射された燃料の燃焼により、ＮＯｘおよびＰＭの発生を抑制することができる。
【００５０】
（６）本実施形態では、点火装置１５の火花発生端部１５１は、燃料噴射装置１４の噴孔１４１近傍に位置する。また、燃料噴射装置１４は、点火装置１５の火花発生端部１５１の近傍に燃料を噴射する。これにより、追加噴射された燃料を着火させる着火性を高めることができる。
【００５１】
（他の実施形態）
上記実施形態では、通常運転および特定運転を選択的に行う例を示した。これに対し、他の実施形態では、特定運転のみ行うこととしても良い。
【００５２】
上記実施形態では、点火装置としてスパークプラグが開示されている。これに対し、他の実施形態では、点火装置としてレーザー点火装置またはプラズマ点火装置等を用いることとしても良い。
【００５３】
上記実施形態では、燃料噴射装置としてソレノイド式インジェクタを用いる例を示した。これに対し、他の実施形態では、燃料噴射装置としてピエゾ式インジェクタ等他の電子制御式インジェクタを用いることとしても良い。
【００５４】
上記実施形態では、エンジンの静的な圧縮比を１１．５〜１２．５に設定している。これに対し、他の実施形態では、例えばエンジンの静的な圧縮比を１６に設定し、特定運転を行うときのみバルブタイミング調整装置等により動的に圧縮比を１１．５〜１２．５に設定することとしても良い。
【００５５】
上記実施形態では、エンジンの圧縮比は１１．５〜１２．５に設定されている。これに対し、他の実施形態では、燃焼室内に噴射された燃料を常に自着火させる圧縮比より小さい圧縮比であれば、エンジンの圧縮比を１１．５より小さい圧縮比、または、１２．５より大きい圧縮比に設定することとしても良い。
【００５６】
上記実施形態では、燃料噴射装置の通常噴射は、燃料を３回噴射する。これに対し、他の実施形態では、通常噴射により、燃料を１回、２回、または４回以上噴射することとしても良い。
以上、本発明は、上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない限度において種々の形態で実施できる。
【符号の説明】
【００５７】
１ ・・・エンジンシステム
１０ ・・・エンジン（内燃機関）
１１ ・・・シリンダ
１３ ・・・ピストン
１４ ・・・燃料噴射装置
１５ ・・・点火装置
１１０・・・燃焼室
１４１・・・噴孔
１５１・・・火花発生端部（点火源を生じる端部）
１６１・・・吸気弁
１７１・・・排気弁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関し、詳しくは、高セタン価燃料を燃料として使用する内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高セタン価燃料のエネルギー効率を高めるための予混合圧縮着火式の内燃機関が知られている。予混合圧縮着火式の内燃機関は、予め空気と高セタン価燃料とを混合させて形成された予混合気を着火させることで得られたエネルギーにより駆動される。この予混合圧縮着火式の内燃機関は、着火が安定しないという問題がある。予混合圧縮着火式の内燃機関の着火を安定させるために、例えば特許文献１に記載の内燃機関は、追加圧縮を行うことで、予混合気を着火させることにより、着火時期の制御性を高めようとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１９６４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１に記載の内燃機関は、追加圧縮により予混合気の温度を上昇させるため、予混合気の温度が自着火可能な温度まで上昇するのに時間がかかる。よって、予混合気の着火遅れが発生する。ここで、燃料の性状や吸気温度等により着火の温度条件がばらつけば、着火時期のばらつきが大きくなる。
また、混合気を圧縮自着火させるため、燃焼時の燃焼室の容積は従来までの高セタン価燃料の内燃機関と略同じとなる。これにより、燃焼時の圧力が内燃機関の制限圧力を超えることを防止するために、過給を行うことができない。したがって、特許文献１に記載の内燃機関の場合、スモークが発生しないようにするには、低負荷に限定して運転せざるを得なくなる。
さらに、特許文献１に記載の内燃機関は、機械式の追加圧縮により予混合気を着火させるため、内燃機関の高回転による運転には向かない。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、着火遅れおよび着火時期のばらつきを抑制可能な内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に係る発明によると、内燃機関は、ピストン、シリンダ、燃料噴射装置、点火装置、および、制御装置を備える。ピストンは往復移動可能である。シリンダは、ピストンを収容し、ピストンの往復移動により容積が可変する燃焼室を有する。燃料噴射装置は、噴孔を有し、噴孔から燃焼室に燃料を噴射する。点火装置は、点火源を生じることにより、燃焼室に噴射された燃料を着火させる。制御装置は、燃料噴射装置の燃料噴射、および、点火装置の点火を制御する。
制御装置は、通常運転を行う条件である通常運転条件を満たす場合、燃料噴射装置により第１所定量の燃料を噴射する通常噴射を行い、通常噴射により噴射された燃料と空気との混合気がピストンの移動によって圧縮されることで得られた熱量により、混合気を自着火させる。また、制御装置は、通常運転条件とは異なる条件である特定運転条件を満たす場合、燃料噴射装置により、通常噴射の後、第２所定量の燃料を噴射する追加噴射を行い、点火装置により追加噴射された燃料を着火させて得られた熱量により、混合気を自着火させる。
【０００６】
これにより、特定運転条件を満たす場合、点火装置により、熱の発生速度が速くなるため、着火遅れを抑制することができ、着火時期のばらつきを抑制することができる。また、熱発生量は、燃料の第２所定噴射量により制御可能であるため、着火時期の制御性を高めることができる。さらに、混合気を自着火可能な温度まで昇温させるのに必要な熱量を発生する燃料の量（第２所定量）を極めて少なくすることができる。このため、第Ｎ回噴射する燃料の量を低減することによりＮＯｘ（窒素酸化物）およびＰＭ（燃料の燃え残り）の発生を抑制することができる。
【０００７】
請求項２に係る発明によると、制御装置は、特定運転条件を満たす場合、ピストンが上死点近傍に位置するとき、燃料噴射装置により追加噴射を行い、点火装置により追加噴射された燃料を着火させる。
これにより、燃焼中心をピストンの上死点に近付けることができる。したがって、熱効率の悪化を抑制することができる。
【０００８】
請求項３に係る発明によると、特定運転条件は、燃焼室の圧縮比が燃焼室内に噴射された燃料を常に自着火させる圧縮比より小さいことを前提条件として含む。
これにより、特定運転時には、圧縮比を小さくすることで、燃焼時の最大圧力を低減することができる。このため、過給が可能になり、高負荷でＰＭを低減することができ、すす等の抑制効果を高めることができる。したがって、低ＰＭ燃焼の運転範囲を拡大することができる。
また、圧縮比の低下により熱効率が低下するが、予混合化によりエミッションに余裕ができるため、ＥＧＲ（排気再循環）により還流する排気の量を低減することができる。よって、比熱比を増加することができる。
【０００９】
請求項４に係る発明によると、特定運転条件は、ピストンの往復移動速度が所定値を超えることを前提条件として含む。
請求項５に係る発明によると、第２所定量は、第１所定量より少ない。
これにより、追加噴射された第２所定量の燃料の燃焼により、ＮＯｘおよびＰＭの発生を抑制することができる。
【００１０】
請求項６に係る発明によると、制御装置は、燃料噴射装置により通常噴射を行うとき、第１所定量の燃料を複数回に分けて噴射する。
所定量の燃料を一度に噴射すると噴霧が飛散し壁面に付着しやすくなる。これに対し、所定量の燃料を複数回分けて噴射すると、燃料がシリンダの壁面に付着することを低減することができる。
【００１１】
請求項７に係る発明によると、燃料噴射装置は、点火装置の点火源を生じる端部近傍に燃料を噴射する。
また、請求項８に係る発明によると、点火装置は、点火源を生じる端部が燃料噴射装置の噴孔近傍に位置するよう設けられている。
これにより、追加噴射された燃料を着火させる着火性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態のエンジンシステムの概略構成を示す説明図。
【図２】図１のＩＩ方向視平面図。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図。
【図４】本発明の一実施形態のエンジンの特性図。
【図５】本発明の一実施形態のエンジンの特性図。
【図６】本発明の一実施形態のエンジンの特性図。
【図７】本発明の一実施形態のエンジンの特性図。
【図８】本発明の一実施形態のエンジンの制御を示すフローチャート。
【図９】本発明の一実施形態のエンジンの制御を示すフローチャート。
【図１０】本発明の一実施形態のエンジンの特性図。
【図１１】従来のエンジンの特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（一実施形態）
本発明の一実施形態による内燃機関は、高セタン価燃料を燃料として使用する。ここで、高セタン価燃料というのは、例えば、軽油、ＤＭＥ等のセタン価が４０以上の燃料を言う。本発明の一実施形態による内燃機関を適用したエンジンシステムを図１に示す。エンジンシステム１は、車両に搭載されている。
【００１４】
まず、エンジンシステム１の構成について説明する。図１に示すように、エンジンシステム１は、内燃機関（以下、「エンジン」という）１０、吸気系２０、排気系３０、過給機６０、燃料噴射系４０、および電子制御装置（以下、「ＥＣＵ」という）５０などを備えている。
【００１５】
エンジン１０は、略円筒状のシリンダ１１を複数有し、当該シリンダ１１の内側にピストン１３を収容している。ピストン１３は、シリンダ１１の内側に軸方向へ往復移動可能に設けられる。エンジン１０は、シリンダ１１の一方の端部を塞ぐシリンダヘッド１２を有する。シリンダ１１の内壁とピストン１３とシリンダヘッド１２との間には燃焼室１１０が形成されている。燃焼室１１０の容積は、ピストン１３の往復移動により変化する。ここで、燃焼室１１０の最大容積Ｖ１（図１参照）と燃焼室１１０の最小容積Ｖ２（図３参照）との比をエンジン１０の静的な圧縮比とし、以下、「圧縮比」とする。本実施形態の場合、エンジン１０の圧縮比は、１１．５〜１２．５に設定されている。
【００１６】
シリンダヘッド１２には、シリンダ１１に対応し、複数の吸気ポート１６が設けられている。吸気ポート１６の内側には、燃焼室１１０と連通する通路１６０が形成されている。また、シリンダ１１の吸気ポート１６とは反対側には、排気ポート１７が設けられている。排気ポート１７の内側には、燃焼室１１０と連通する通路１７０が形成されている。
【００１７】
また、シリンダヘッド１２には、吸気弁１６１、排気弁１７１、燃料噴射装置１４および点火装置１５が設けられている。吸気弁１６１は、燃焼室１１０と通路１６０との間を開閉可能である。排気弁１７１は、燃焼室１１０と通路１７０との間を開閉可能である。
【００１８】
燃料噴射装置１４は、例えばソレノイド式インジェクタであり、燃焼室１１０内に開口する噴孔１４１を有し、燃料を燃焼室１１０に噴射する。点火装置１５は、例えばスパークプラグであり、火花発生端部１５１を有し、燃焼室１１０内の燃料を着火させる。本実施形態では、点火装置１５は、火花発生端部１５１が燃料噴射装置１４の噴孔１４１の近傍に位置するよう設けられている（図２参照）。本実施形態の場合、エンジン１０は、燃料噴射装置１４から噴射された燃料を燃焼室１１０で燃焼させることにより稼動する。ここで、火花発生端部１５１は、特許請求の範囲における「点火源を生じる端部」に対応する。
【００１９】
吸気系２０は、吸気管２１、エアクリーナ２２、および、インタクーラ２３を有する。吸気管２１は、一方の端部が吸気口２１１を形成し、他方の端部がエンジン１０の吸気ポート１６に接続している。吸気管２１は、内側に、吸気口２１１と吸気ポート１６の通路１６０とを接続する吸気通路２１０が形成されている。これにより、吸気口２１１から吸入された空気（吸気）は、吸気通路２１０を通じてエンジン１０の各燃焼室１１０へ導かれる。
【００２０】
エアクリーナ２２およびインタクーラ２３は、吸気口２１１側からこの順に吸気通路２１０に設けられている。また、インタクーラ２３と吸気ポート１６との間には、圧力センサ５１および温度センサ５２が設けられている。
【００２１】
エアクリーナ２２は、吸気に含まれる異物を捕集することで吸気を浄化する。インタクーラ２３は、後述する過給機６０のコンプレッサ６２によって高温となった吸気を冷却する。なお、圧力センサ５１および温度センサ５２は、燃焼室１１０に吸入された吸気の圧力および温度を検出する。
【００２２】
排気系３０は、一方の端部が排気口３１１を形成し他方の端部がエンジン１０の排気ポート１７に接続している排気管３１を有する。排気管３１は、内側に、排気口３１１と排気ポート１７の通路１７０とを接続する排気通路３１０が形成されている。排気通路３１０の排気口３１１側には、排気浄化部３２が設けられている。
【００２３】
過給機６０は、吸気管２１と排気管３１との間に設けられている。過給機６０は、タービン６３、コンプレッサ６２およびシャフト６１を有している。タービン６３は、排気通路３１０のエンジン１０の排気ポート１７と排気浄化部３２との間に回転可能に設けられている。一方、コンプレッサ６２は、吸気通路２１０のエアクリーナ２２とインタクーラ２３との間に回転可能に設けられている。シャフト６１は、タービン６３とコンプレッサ６２とを連結している。排気が排気通路３１０を流れると、タービン６３が回転する。これにより、コンプレッサ６２が回転する。コンプレッサ６２が回転すると、吸気は、コンプレッサ６２により圧縮されてエンジン１０に供給される。つまり、過給機６０は、吸気をエンジン１０に過給するターボチャージャである。
【００２４】
燃料噴射系４０は、各燃料噴射装置１４が接続されるコモンレール４１、及び、コモンレール４１へ燃料を圧送する高圧ポンプ４３を備える。
コモンレール４１は、燃料の圧力を維持したまま、すなわち蓄圧状態で燃料を蓄える。そして、コモンレール４１における燃料の圧力を上昇させるのが、高圧ポンプ４３である。コモンレール４１に蓄えられた燃料は、燃料噴射装置１４から噴射される。本実施形態では、燃料噴射装置１４内部の燃料通路の開放期間が通電期間として制御されることで、目標とする量の燃料がシリンダ１１内へ噴射されることになる。
【００２５】
ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、及びこれらを接続するバスラインを有する周知の小型のコンピュータである。
ＥＣＵ５０の入力ポートには、コモンレール４１における燃料の圧力を検出する油圧センサ５４、アクセルペダル７１の踏み込み量を検出するアクセルセンサ５５、エンジン１０の回転数を検出する回転数センサ５６、シリンダ１１内に吸入される吸気の温度および圧力を検出する温度センサ５２および圧力センサ５１、ならびに、ピストン１３の往復移動とともに回転するクランクシャフトの回転角を検出するクランク角センサ５３が電気的に接続されている。一方、ＥＣＵ５０の出力ポートには、上述した燃料噴射装置１４、高圧ポンプ４３、及び、点火装置１５などが電気的に接続されている。
【００２６】
ＥＣＵ５０は、アクセルセンサ５５からの信号に基づき目標とする燃料の噴射量を算出すると共に、アクセルセンサ５５および回転数センサ５６からの両信号に基づき、目標とする燃料圧力を算出する。そして、ＥＣＵ５０は、算出した燃料圧力となるように高圧ポンプ４３を制御する。また、算出した噴射量の燃料が噴射されるように燃料噴射装置１４への通電を行う。
【００２７】
ＥＣＵ５０は、クランク角センサ５３により検出されるクランク角により、インジェクタ１５への通電タイミングを決定する。また、インジェクタ１５への通電期間は、燃料圧力毎に予め記憶される噴射量と通電期間との対応関係（マップ）によって決定される。
【００２８】
次に、図８および図９のフローチャートに基づいて、ＥＣＵ５０の制御について説明する。
Ｓ１１０では、燃料の目標噴射量を算出する。燃料の目標噴射量は、アクセルセンサ５５からの信号に基づくアクセルペダル７１の踏み込み量に基づいて算出される。
【００２９】
Ｓ１２０では、過給圧を検出する。この処理では、吸気ポート１６とインタクーラ２３との間に設けられている圧力センサ５１により、シリンダ１１に吸入される吸気の圧力を検出する。
【００３０】
Ｓ１３０では、吸気温度を検出する。この処理では、吸気ポート１６とインタクーラ２３との間に設けられている温度センサ５２により、シリンダ１１に吸入される吸気の温度を検出する。
【００３１】
Ｓ１４０では、所定回転数Ｒｐを算出する。所定回転数Ｒｐは、シリンダ１１内の燃料と空気との混合気が圧縮により自着火可能な最高回転数である。つまり、エンジン１０の回転数が所定回転数Ｒｐ以下の場合、シリンダ１１内の燃料と空気との混合気は圧縮により自着火する。また、エンジン１０の回転数が所定回転数Ｒｐより高い場合、シリンダ１１内の燃料と空気との混合気は圧縮によって自着火しない。ＥＣＵ５０は、Ｓ１２０で検出された過給圧およびＳ１３０で検出された吸気温度に基づいて、所定回転数Ｒｐを算出する。
【００３２】
Ｓ１５０では、現在回転数Ｒと所定回転数Ｒｐを比較する。ここで、現在回転数Ｒが所定回転数Ｒｐより大きい場合（Ｓ１５０：ＹＥＳ）、処理はＳ１６０へ移行する。一方、現在回転数Ｒが所定回転数Ｒｐより小さい場合（Ｓ１５０：ＮＯ）、処理はＳ１７０へ移行する。
【００３３】
Ｓ１６０では、エンジン１０はＥＣＵ５０の制御により特定運転モードに入る。また、Ｓ１７０では、エンジン１０はＥＣＵ５０の制御により通常運転モードに入る。本実施形態の場合、通常運転モードというのは、通常運転を行う条件である通常運転条件を満たす場合、ＥＣＵ５０の制御により燃料噴射装置１４が第１所定量の燃料を噴射する通常噴射を行い、通常噴射により噴射された燃料と空気との混合気がピストン１３の移動によって圧縮されることで得られた熱量により、混合気を自着火させる運転モードを言う。また、特定運転モードというのは、通常運転条件とは異なる条件である特定運転条件を満たす場合、ＥＣＵ５０の制御により、燃料噴射装置１４が通常噴射の後第２所定量の燃料を噴射する追加噴射を行い、点火装置１５が追加噴射された燃料を着火させて得られた熱量により、混合気を自着火させる運転モードを言う。通常運転モードまたは特定運転モードが終了すると、処理はＳ１８０へ移行する。
【００３４】
Ｓ１８０では、エンジン１０の運転を停止するか否かを判断する。「ＹＥＳ」と判断された場合、処理は「エンド」へ移行し、エンジン１０の運転は停止する。一方、「ＮＯ」と判断された場合、処理はＳ１１０へ戻る。
【００３５】
ここで、図９のフローチャートに基づいて、特定運転モードの制御について説明する。
特定運転モードの制御を説明する前に、まず、特定運転モードの前提条件について説明する。本実施形態では、ピストン１３が上死点まで移動するとき、シリンダ１１内の燃料と空気との混合気が圧縮により自着火しないという特定運転モードの前提条件は、エンジン１０の圧縮比が１１．５〜１２．５に設定されているということである。ここで、図４〜図７に基づいて、エンジン１０の圧縮比を１１．５〜１２．５に設定する根拠について説明する。
【００３６】
図４〜図６は、温度が４０℃であり、圧力がそれぞれ０．１ＭＰａ（図４の場合）、０．１４ＭＰａ（図５の場合）、０．１８ＭＰａ（図６の場合）である吸気がシリンダ１１内に吸入された場合の、圧縮比と回転数との関係を示す図である。０．１８ＭＰａは、吸気が過給機６０によって過給された場合の最大圧力である。図６に示すように、圧縮比が１２．５より高い場合、自着火させないための所定回転数Ｒｐは３２００ｒｐｍよりも高くなる。ここで、所定回転数Ｒｐを３２００ｒｐｍ以下に設定可能にするため、エンジン１０の圧縮比の上限を１２．５に設定する。
【００３７】
図７は、圧縮された予混合気を着火させるのに必要となる追加噴射の噴射量と圧縮比との関係を示す図である。ここで、シリンダ１１内に吸入された吸気の圧力が０．１ＭＰａ、０．１４ＭＰａ、および０．１８ＭＰａの場合の異なる関係をそれぞれ曲線Ｌ１、Ｌ２、およびＬ３で示す。図７に示すように、吸気圧が高いほど、吸入された空気の量が多くなる。このため、昇温するのに必要とする熱量が多くなり、必要とする燃料の量が増加する。しかしながら、低エミッション燃焼を維持するためには、追加噴射の噴射量を少なくするほうが良い。ここで、追加噴射の噴射量を例えば２．５ｍｍ3以下に設定すると、低エミッション燃焼を維持することができる。よって、低エミッション燃焼を維持するため、圧縮比の下限を１１．５に設定する。
【００３８】
続いて、特定運転の制御について説明する。
Ｓ１６１では、目標噴射量、過給圧、吸気温度、および現在回転数により、予め行う通常噴射の毎回の噴射量を算出する。
Ｓ１６２では、クランク角センサ５３によりクランク角を検出する。
【００３９】
Ｓ１６３では、燃料噴射装置１４により通常噴射を行う。ＥＣＵ５０は、Ｓ１６２で検出されたクランク角に基づいて通常噴射のタイミングを決定する。本実施形態の場合、燃料噴射装置１４は、ピストン１３が下死点から上死点まで移動するときに通常噴射を行う。また、本実施形態の通常噴射は、燃料噴射装置１４により燃料噴射を３回行う。これにより、シリンダ１１内に燃料と空気とからなる混合気が形成される。
【００４０】
Ｓ１６４では、燃料噴射装置１４により追加噴射を行う。ＥＣＵ５０は、Ｓ１６２で検出されたクランク角に基づいて追加噴射のタイミングを決定する。本実施形態では、ピストン１３が上死点近傍に位置するときに、燃料噴射装置１４による追加噴射を行う。また、本実施形態の追加噴射の噴射量は、極めて少量であり、通常噴射の毎回の噴射量よりも少なくなるよう設定されている。例えば、目標噴射量が１８ｍｍ3である場合、通常噴射の毎回の噴射量は６ｍｍ3であり、追加噴射の噴射量は２．５ｍｍ3である。燃料噴射装置１４は、点火装置１５の火花発生端部１５１の近傍に燃料を噴射する。
【００４１】
Ｓ１６５では、点火装置１５による点火を行う。点火装置１５は、ＥＣＵ５０によって制御され、火花発生端部１５１から火花を発生する。本実施形態の場合、点火装置１５は、火花発生端部１５１が燃料噴射装置１４の噴孔１４１の近傍に位置するよう設けられている。また、点火装置１５による点火と燃料噴射装置１４による追加噴射とは略同時に行う。これにより、追加噴射された燃料は、点火装置１５から発生する火花により燃焼する。そして、追加噴射された第２所定量の燃料の燃焼で得られた熱量により、シリンダ１１内に通常噴射により予め形成されている混合気を着火させる。
【００４２】
ここで、第２所定量を調節することで、着火時期を調節することができる。例えば、第２所定量を増加することで着火時期を短縮し、第２所定量を低減することで着火時期を延長することができる。
【００４３】
図１０は、本実施形態の特定運転を行う場合の混合気の温度の時間経過による変化を示している。また、曲線Ｌ４はピストンの移動により圧縮される混合気の温度の変化を示し、Ｌ５は特定運転の制御による混合気の温度変化を示す。図１０に示すように、特定運転の制御により、時刻ｔ１で追加燃料を着火させる。すると、混合気は、時刻ｔ２で着火可能な温度Ｔ１に達し、時刻ｔ３で温度Ｔ２に達して完全着火する。ここで、「着火可能な温度」というのは、少なくとも一部の混合気の着火開始可能な温度を意味する。
【００４４】
図１１は、上述した特許文献１に記載された発明と同様の構成における場合、混合気の温度の時間経過による変化を示す。また、曲線Ｌ６はピストンの移動により圧縮される混合気の温度の変化を示し、曲線Ｌ７は、追加圧縮を行った時の混合気の温度変化を示す。図１１に示すように、追加圧縮により、時刻ｔ４で追加圧縮を開始する。すると、混合気は、時刻ｔ５で着火可能な温度Ｔ３に達し、時刻ｔ６で温度Ｔ４に達して完全着火する。
図１０および図１１を比較すると、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの時間は、時刻ｔ４からｔ６までの時間より短いということが分かる。つまり、点火装置を用いることは、追加圧縮を用いることより熱の発生速度が速い。
【００４５】
ここで、本実施形態の作用および効果について説明する。
（１）本実施形態では、シリンダ１１内に予め形成されている混合気は、追加噴射された燃料を燃焼させて得られた熱量により着火する。これにより、従来のエンジンに比べ、熱の発生速度が速いため、着火遅れを抑制することができ、着火時期のばらつきを抑制することができる（図１０および図１１参照）。また、熱発生量は燃料の噴射量（第２所定量）により制御可能であるため着火時期の制御性を高めることができる。さらに、本実施形態の場合、混合気を自着火可能な温度まで昇温させるのに必要な熱量を発生する燃料の量（第２所定量）は、第1所定量に比べて極めて少ない。このため、追加噴射する燃料の量を低減することによりＮＯｘ（窒素酸化物）およびＰＭの発生を抑制することができる。
【００４６】
（２）本実施形態では、エンジン１０の静的な圧縮比は、１１．５〜１２．５に設定されている。これにより、エンジン１０の圧縮比を従来のエンジンの圧縮比より小さくすることで、燃焼時の最大圧力を低減することができる。このため、過給が可能になり、高負荷でＰＭ（燃料の燃え残り）を低減することができ、すす等の抑制効果を高めることができる。したがって、低ＰＭ燃焼の運転範囲を拡大することができる。
また、本実施形態では、圧縮比の低下により熱効率が低下するが、予混合化によりエミッションに余裕ができるため、ＥＧＲ（排気再循環）により還流する排気の量を低減することができる。よって、比熱比を増加することができる。
【００４７】
（３）本実施形態では、燃料噴射装置１４による追加噴射は、ピストン１３が上死点近傍に位置するときに行う。これにより、燃焼中心をピストン１３の上死点に近付けることができる。したがって、熱効率の悪化を抑制することができる。
【００４８】
（４）本実施形態では、通常噴射では通常噴射により予混合気を形成する。所定量の燃料を一度に噴射すると噴霧が飛散し壁面に付着しやすくなる。これに対し、通常噴射により所定量の燃料を複数回に分けて噴射すると、燃料がシリンダの壁面に付着することを低減することができる。
【００４９】
（５）本実施形態では、追加噴射の噴射量は、極めて少量であり、通常噴射の毎回の噴射量よりも少なくなるよう設定されている。これにより、追加噴射された燃料の燃焼により、ＮＯｘおよびＰＭの発生を抑制することができる。
【００５０】
（６）本実施形態では、点火装置１５の火花発生端部１５１は、燃料噴射装置１４の噴孔１４１近傍に位置する。また、燃料噴射装置１４は、点火装置１５の火花発生端部１５１の近傍に燃料を噴射する。これにより、追加噴射された燃料を着火させる着火性を高めることができる。
【００５１】
（他の実施形態）
上記実施形態では、通常運転および特定運転を選択的に行う例を示した。これに対し、他の実施形態では、特定運転のみ行うこととしても良い。
【００５２】
上記実施形態では、点火装置としてスパークプラグが開示されている。これに対し、他の実施形態では、点火装置としてレーザー点火装置またはプラズマ点火装置等を用いることとしても良い。
【００５３】
上記実施形態では、燃料噴射装置としてソレノイド式インジェクタを用いる例を示した。これに対し、他の実施形態では、燃料噴射装置としてピエゾ式インジェクタ等他の電子制御式インジェクタを用いることとしても良い。
【００５４】
上記実施形態では、エンジンの静的な圧縮比を１１．５〜１２．５に設定している。これに対し、他の実施形態では、例えばエンジンの静的な圧縮比を１６に設定し、特定運転を行うときのみバルブタイミング調整装置等により動的に圧縮比を１１．５〜１２．５に設定することとしても良い。
【００５５】
上記実施形態では、エンジンの圧縮比は１１．５〜１２．５に設定されている。これに対し、他の実施形態では、燃焼室内に噴射された燃料を常に自着火させる圧縮比より小さい圧縮比であれば、エンジンの圧縮比を１１．５より小さい圧縮比、または、１２．５より大きい圧縮比に設定することとしても良い。
【００５６】
上記実施形態では、燃料噴射装置の通常噴射は、燃料を３回噴射する。これに対し、他の実施形態では、通常噴射により、燃料を１回、２回、または４回以上噴射することとしても良い。
以上、本発明は、上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない限度において種々の形態で実施できる。
【符号の説明】
【００５７】
１ ・・・エンジンシステム
１０ ・・・エンジン（内燃機関）
１１ ・・・シリンダ
１３ ・・・ピストン
１４ ・・・燃料噴射装置
１５ ・・・点火装置
１１０・・・燃焼室
１４１・・・噴孔
１５１・・・火花発生端部（点火源を生じる端部）
１６１・・・吸気弁
１７１・・・排気弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復移動可能なピストンと、
前記ピストンを収容し、前記ピストンの往復移動により容積が可変する燃焼室を有する筒状のシリンダと、
噴孔を有し、当該噴孔から前記燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射装置と、
点火源を生じることにより、前記燃焼室に噴射された燃料を着火させる点火装置と、
前記燃料噴射装置の燃料噴射、および、前記点火装置の点火を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
通常運転を行う条件である通常運転条件を満たす場合、前記燃料噴射装置により第１所定量の燃料を噴射する通常噴射を行い、前記通常噴射により噴射された燃料と空気との混合気が前記ピストンの移動によって圧縮されることで得られた熱量により、前記混合気を自着火させ、
前記通常運転条件とは異なる条件である特定運転条件を満たす場合、前記燃料噴射装置により、前記通常噴射の後、第２所定量の燃料を噴射する追加噴射を行い、前記点火装置により前記追加噴射された燃料を着火させて得られた熱量により、前記混合気を自着火させることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記制御装置は、前記特定運転条件を満たす場合、前記ピストンが上死点近傍に位置するとき、
前記燃料噴射装置により、前記追加噴射を行い、前記点火装置により、前記追加噴射された燃料を着火させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記特定運転条件は、前記燃焼室の圧縮比が前記燃焼室内に噴射された燃料を常に自着火させる圧縮比より小さいことを前提条件として含むことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記特定運転条件は、前記ピストンの往復移動速度が所定値を超えることを前提条件として含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記第２所定量は、前記第１所定量より少ないことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記制御装置は、前記燃料噴射装置により前記通常噴射を行うとき、前記第１所定量の燃料を複数回に分けて噴射することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記燃料噴射装置は、前記点火装置の前記点火源を生じる端部近傍に燃料を噴射することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記点火装置は、前記点火源を生じる端部が前記燃料噴射装置の前記噴孔近傍に位置するよう設けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１】
往復移動可能なピストンと、
前記ピストンを収容し、前記ピストンの往復移動により容積が可変する燃焼室を有する筒状のシリンダと、
噴孔を有し、当該噴孔から前記燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射装置と、
点火源を生じることにより、前記燃焼室に噴射された燃料を着火させる点火装置と、
前記燃料噴射装置の燃料噴射、および、前記点火装置の点火を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
通常運転を行う条件である通常運転条件を満たす場合、前記燃料噴射装置により第１所定量の燃料を噴射する通常噴射を行い、前記通常噴射により噴射された燃料と空気との混合気が前記ピストンの移動によって圧縮されることで得られた熱量により、前記混合気を自着火させ、
前記通常運転条件とは異なる条件である特定運転条件を満たす場合、前記燃料噴射装置により、前記通常噴射の後、第２所定量の燃料を噴射する追加噴射を行い、前記点火装置により前記追加噴射された燃料を着火させて得られた熱量により、前記混合気を自着火させることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記制御装置は、前記特定運転条件を満たす場合、前記ピストンが上死点近傍に位置するとき、
前記燃料噴射装置により、前記追加噴射を行い、前記点火装置により、前記追加噴射された燃料を着火させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記特定運転条件は、前記燃焼室の圧縮比が前記燃焼室内に噴射された燃料を常に自着火させる圧縮比より小さいことを前提条件として含むことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記特定運転条件は、前記ピストンの往復移動速度が所定値を超えることを前提条件として含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記第２所定量は、前記第１所定量より少ないことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記制御装置は、前記燃料噴射装置により前記通常噴射を行うとき、前記第１所定量の燃料を複数回に分けて噴射することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記燃料噴射装置は、前記点火装置の前記点火源を生じる端部近傍に燃料を噴射することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記点火装置は、前記点火源を生じる端部が前記燃料噴射装置の前記噴孔近傍に位置するよう設けられていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の内燃機関。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−２３７８（Ｐ２０１３−２３７８Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３４９４３（Ｐ２０１１−１３４９４３）
【出願日】平成２３年６月１７日（２０１１．６．１７）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１７日（２０１１．６．１７）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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