JP2001020842A - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃焼安定度の変化に応じて、まず燃焼室内の
混合気に付与する補助エネルギ量又は補助エネルギの付
与時期の補正を行い、次に燃料噴射量の補正を行い、そ
の結果圧縮自己着火の主燃焼を適切に行わせて熱効率を
高めると共に低エミッション化を実現する。 【解決手段】 ＥＣＵ１１の燃焼パターン判定部２１
は、運転領域に応じて火花点火燃焼又は圧縮自己着火燃
焼を選択する。安定度判定部２２は安定度を検出して判
定する。この安定度判定に応じて補助エネルギ制御部２
３は、点火プラグ１２が燃焼室内の混合気に付与する補
助エネルギ量又はエネルギ付与時期を点火制御部２５を
介して制御するとともに、補助エネルギ付与では所望の
安定度範囲内とならない場合、燃料噴射制御部２４に燃
料噴射量を増減させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、運転条件に応じ
て、火花点火燃焼運転と圧縮自己着火燃焼運転を切り替
える内燃機関の燃焼制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガソリンエンジンの熱効率を改善するた
めに、混合気をリーン化することでポンプ損失を低減す
ると共に作動ガスの比熱比を大きくして理論熱効率を向
上する手法が知られている。しかしながら、従来の火花
点火エンジンでは空燃比をリーンにすると燃焼期間が長
期化して、燃焼安定度が悪化する。このため、空燃比の
リーン化には限界がある。

【０００３】上記問題を解決する第１従来技術として、
特開平７−７１２７９号公報にあるように予混合圧縮自
己着火燃焼を起こさせる技術が開示されている。この技
術によれば、２サイクルエンジンの排気ポート近傍に、
該排気ポートの開口率を制御可能な排気制御弁を設け
て、エンジン回転数と吸気絞り弁開度とに応じた排気開
口率に制御することにより、筒内圧力を制御して自己着
火燃焼を起こさせるものである。

【０００４】このような予混合圧縮自己着火燃焼では、
筒内の複数の位置から燃焼反応が起こるため、空燃比が
リーン化した場合においても火花点火に比べると燃焼期
間が長期化せずに、よりリーンな空燃比での燃焼が可能
となる。また空燃比がリーンのため燃焼温度が低下し、
ＮＯｘも大幅に低減できる。

【０００５】また圧縮自己着火内燃機関の中には第２，
第３の従来技術として例えば実開昭５８−１５４８６９
号公報や特開平１−３０１９４４号公報に示されている
ように、燃焼室に補助着火源を設けて着火性、燃焼性に
問題のある運転領域で該補助着火源により外部着火エネ
ルギを付与することによって、燃焼の安定性の向上と排
気性状の改善を図るようにしたものが知られている。

【０００６】さらに、第４の従来技術として例えば特開
昭５４−５２２００６号公報に示されているいるよう
に、火花点火式内燃機関において、混合気が理論混合比
より希薄としたり、排気ガス還流（ＥＧＲ）を行なった
場合の燃焼改善策として、吸気行程から圧縮行程中にか
けて燃焼室に設けられた点火プラグに誘導放電を行いラ
ジカルを発生させ、混合気の一部を化学的に活性化する
技術が提案されている。

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記第
１従来技術では通常の２サイクルエンジン構成としてい
るため、ガス交換を制御する吸気バルブおよび排気バル
ブがなく、未燃焼ガスの吹き抜けが発生し燃費が悪化し
ていた。

【０００７】またガスの吹き抜けがなく燃費改善が期待
される４サイクルエンジンを考えた場合においても圧縮
自己着火内燃機関では、圧縮行程中に燃料ガスを高温、
高圧の場合に保持し、燃料を自発的に着火し易いように
予反応を起こさせ、膨張行程中で主燃焼が行われる燃焼
パターン特性があり、この膨張行程での主燃焼をいかに
適切に行わせるかで熱効率が左右される。

【０００８】しかしながら、第２、第３の従来技術のよ
うに補助着火源を用いて特定の運転域で補助エネルギを
付与するようにしても、この補助エネルギの付与時期が
最適でなければ主燃焼が良好に行われず、失火を生じた
りノッキングを生じるおそれがあるという問題点があっ
た。

【０００９】これは特に、ガソリン等のセタン価の低い
燃料を用いて該燃料を予混合して圧縮自己着火させる場
合には、燃料自体の着火性が低いためこの問題が顕著と
なってしまう。

【００１０】さらに、第４従来技術のように、ガソリン
などの低セタン価燃料を用いた内燃機関において、燃費
および排気性能の改善のために低中負荷域で圧縮自己着
火燃焼を行なおうとした場合、前記誘導放電を吸気下死
点から圧縮行程の前半において実施しても筒内の温度お
よび燃料密度が低いため、生成したラジカルは混合気を
活性化せしめる前に消滅してしまい十分な効果が得られ
ない。

【００１１】また、圧縮行程中盤から誘導放電を開始し
ても誘導放電によるラジカル生成量は微少であり、かつ
混合気の圧縮着火を発生させるべき着火時期までに十分
なラジカル量に発達するまでの反応時間に猶予が無いた
め効果的な燃焼改善の効果が得られない。反対に低回
転、高負荷時のように比較的圧縮自己着火が発生し易い
状態において、筒内に過剰なラジカル量を生成した場
合、圧縮着火後の燃焼が急激に進むためノック感を伴っ
た燃焼となり振動、騒音の増加という問題が発生する。
このように圧縮着火燃焼を広い運転領域で成立させるた
めには、筒内の混合気性状に応じて筒内に生成するラジ
カル量を適切に制御する必要がある。

【００１２】上記問題点に鑑み本発明の目的は、燃焼安
定度の変化に応じて、まず燃焼室内の混合気に付与する
補助エネルギ量又は補助エネルギの付与時期の補正を行
い、次に燃料噴射量の補正を行い、その結果圧縮自己着
火の主燃焼を適切に行わせて熱効率を高めると共に低エ
ミッション化を実現することができる内燃機関の燃焼制
御装置を提供することにある。

【００１３】また本発明の目的は、運転領域に応じて燃
焼室内の混合気に付与する補助エネルギ量又はエネルギ
付与時期を最適化し、広範囲の運転状態で圧縮自己着火
燃焼を可能とし、燃焼安定度及び燃料消費率を改善した
内燃機関の燃焼制御装置を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
上記課題を解決するため、混合気をピストンの圧縮によ
り自己着火して燃焼させる内燃機関の燃焼制御装置にお
いて、燃焼室内の混合気に補助エネルギを付与して混合
気を活性化させる補助エネルギ付与手段と、機関の燃焼
安定度を検出する安定度検出手段と、該安定度検出手段
が検出した燃焼安定度に応じて前記補助エネルギ付与手
段が付与する補助エネルギ量又はエネルギ付与時期を制
御する補助エネルギ制御手段と、を備えたことを要旨と
する。

【００１５】請求項２記載の発明は、上記課題を解決す
るため、請求項１記載の内燃機関の燃焼制御装置におい
て、前記補助エネルギ制御手段からの指示に従って燃料
噴射量を変化させることができる燃料噴射制御手段を更
に備え、前記補助エネルギ制御手段は、燃焼安定度が変
化した場合には、まず補助エネルギ量又はエネルギ付与
時期を前後に変化させることにより実効的な補助エネル
ギ量の増減を制御し、補助エネルギ量又はエネルギ付与
時期の制御範囲を超える場合には、前記燃料噴射制御手
段に指示して燃料噴射量を変化させることを要旨とす
る。

【００１６】請求項３記載の発明は、上記課題を解決す
るため、請求項１または請求項２記載の内燃機関の燃焼
制御装置において、前記補助エネルギ付与手段として点
火プラグを備えたことを要旨とする。

【００１７】請求項４記載の発明は、上記課題を解決す
るため、請求項１または請求項２記載の内燃機関の燃焼
制御装置において、前記補助エネルギ付与手段としてレ
ーザ光照射装置を備えたことを要旨とする。

【００１８】請求項５記載の発明は、上記課題を解決す
るため、請求項２ないし請求項４のいずれか１項記載の
内燃機関の燃焼制御装置において、燃焼安定度が許容値
よりも低下した場合、補助エネルギ量を増量又はエネル
ギ付与時期を順次進角して実効的な補助エネルギ量が最
大となるまで増量し、最大エネルギ量又は最大進角時期
においても燃焼安定度が許容値より低下している場合に
は、燃料噴射量を増量することを要旨とする。

【００１９】請求項６記載の発明は、上記課題を解決す
るため、請求項２ないし請求項５のいずれか１項記載の
内燃機関の燃焼制御装置において、燃焼安定度が許容値
よりも向上した場合、補助エネルギ量を減量又はエネル
ギ付与時期を順次遅角して実効的な補助エネルギ量が最
小となるまで減量し、最小エネルギ量又は最大遅角時期
においても燃焼安定度が許容値より向上している場合に
は、燃料噴射量を減量することを要旨とする。

【００２０】請求項７記載の発明は、上記課題を解決す
るため、請求項５記載の内燃機関の燃焼制御装置におい
て、筒内温度を予測する筒内温度予測手段を更に備え、
前記エネルギ付与時期の筒内温度予測値が所定値より低
い場合にはエネルギ付与時期の進角による実効エネルギ
量の増量を禁止して補助エネルギ量を増量し、補助エネ
ルギ量を最大まで増量しても筒内温度予測値が所定値よ
り低い場合に燃料噴射量を増量することを要旨とする。

【００２１】請求項８記載の発明は、上記課題を解決す
るため、請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の
内燃機関の燃焼制御装置において、前記補助エネルギ付
与を行うか否か及び補助エネルギ付与を行う場合の補助
エネルギ量又はエネルギ付与時期を機関回転数および負
荷に応じて学習することを要旨とする。

【００２２】請求項９記載の発明は、上記課題を解決す
るため、請求項１ないし請求項８のいずれか１項記載の
内燃機関の燃焼制御装置において、前記安定度検出手段
は、気筒毎の燃焼安定度を検出し、前記制御手段は、こ
の気筒毎の燃焼安定度に基づいて、前記補助エネルギの
付与を行うか否かの制御及び補助エネルギ量又はエネル
ギ付与時期の制御を気筒毎に行うことを要旨とする。

【００２３】請求項１０記載の発明は、上記課題を解決
するため、混合気をピストンの圧縮により自己着火して
燃焼させる内燃機関の燃焼制御装置において、燃焼室内
の混合気に補助エネルギを付与して混合気を活性化させ
る少なくとも１つの点火プラグを備え、該点火プラグを
含む点火系は、容量放電特性が異なる少なくとも２種類
の放電が可能であり、異なる容量放電特性を選択するこ
とにより補助エネルギ量を制御するか又は点火プラグか
らの放電タイミングによりエネルギ付与時期を制御する
ことを要旨とする。

【００２４】請求項１１記載の発明は、上記課題を解決
するため、請求項１０記載の内燃機関の燃焼制御装置に
おいて、前記点火系は少なくとも２つの点火コイルを備
え、これらの点火コイルの選択又は点火プラグに電気エ
ネルギを供給する点火コイルの数を変更することにより
補助エネルギ量を制御することを要旨とする。

【００２５】請求項１２記載の発明は、上記課題を解決
するため、請求項１０記載の内燃機関の燃焼制御装置に
おいて、前記点火系は、少なくとも２つの点火プラグを
各気筒に備え、通電する点火プラグの選択又は数を変更
することにより補助エネルギ量を制御することを要旨と
する。

【００２６】請求項１３記載の発明は、上記課題を解決
するため、請求項１２記載の内燃機関の燃焼制御装置に
おいて、第１の点火プラグを燃焼室のほぼ中央に配置
し、第２の点火プラグを燃焼室の周辺部に配置し、第１
の点火プラグの容量放電特性は、第２の点火プラグより
も容量放電の２次電圧の立ち上がり時間が時間が短い
か、又は容量放電電圧が高く設定されていることを要旨
とする。

【００２７】請求項１４記載の発明は、上記課題を解決
するため、請求項１０ないし請求項１３のいずれか１項
記載の内燃機関の燃焼制御装置において、第１の点火プ
ラグを燃焼室のほぼ中央に配置し、第２の点火プラグを
燃焼室の周辺部に配置し、成層燃焼時には、第１の点火
プラグの放電により混合気に着火し、均質希薄燃焼時又
は均質ＥＧＲ燃焼時には、第１の点火プラグの放電によ
る混合気の着火に先立って、第２の点火プラグの放電に
より補助エネルギ付与を行うことを要旨とする。

【００２８】請求項１５記載の発明は、上記課題を解決
するため、成層燃焼領域、均質希薄燃焼領域及び均質Ｅ
ＧＲ燃焼領域を有する内燃機関の燃焼制御装置であっ
て、第１の点火プラグを燃焼室のほぼ中央に配置し、第
２の点火プラグを燃焼室の周辺部に配置し、成層燃焼時
には、第１の点火プラグの放電により混合気に着火し、
均質希薄燃焼時又は均質ＥＧＲ燃焼時には、第１の点火
プラグの放電による混合気の着火に先立って、第２の点
火プラグによる放電を行うことを要旨とする。

【００２９】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、混合気を
ピストンの圧縮により自己着火して燃焼させる内燃機関
の燃焼制御装置において、安定度検出手段により機関の
燃焼安定度を検出し、この燃焼安定度に応じて補助エネ
ルギ付与手段が混合気に付与する補助エネルギ量又はエ
ネルギ付与時期を制御するようにしたので、外部環境や
燃料性状が変化した場合などにおいても確実に燃焼安定
度を改善できるという効果がある。

【００３０】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明の効果に加えて、補助エネルギ制御手段からの
指示に従って燃料噴射量を変化させることができる燃料
噴射制御手段を更に備え、補助エネルギ制御手段は、燃
焼安定度が変化した場合には、まず補助エネルギ量又は
エネルギ付与時期を前後に変化させることにより実効的
な補助エネルギ量の増減を制御し、補助エネルギ量又は
エネルギ付与時期の制御範囲を超える場合には、燃料噴
射制御手段に指示して燃料噴射量を変化させるようにし
たので、頻繁な燃料量変化によりトルク変動が発生し運
転性が悪化することを防ぐことができるという効果があ
る。

【００３１】請求項３記載の発明によれば、補助エネル
ギ付与手段として一般にガソリンエンジン内燃機関の点
火手段に用いられて技術が確立されている点火プラグ方
式を採用しているため、機関設計が容易であり、コスト
的に有利に得られていることは勿論、耐久性、信頼性を
高めることができるという効果がある。

【００３２】請求項４記載の発明によれば、補助エネル
ギ付与手段として、混合気に点としての着火補助ではな
く線状の着火補助が可能なレーザ光照射装置を用いてい
るため、燃焼室の広い範囲に渡ってエネルギ補助を行う
ことができ、安定した着火燃焼を行わせることができる
という効果がある。

【００３３】請求項５記載の発明によれば、燃焼安定度
が許容値よりも低下した場合に、補助エネルギ量を増量
又はエネルギ付与時期を実効的な補助エネルギ量が最大
となる時期まで順次進角していき、最大補助エネルギ量
又は最大進角時期においても安定度が許容値よりも悪化
している場合には燃料噴射量を増量する。これにより、
頻繁な燃料量変化によりトルク変動が発生し運転性が悪
化することを防ぐことができるという効果がある。

【００３４】請求項６記載の発明によれば、燃焼安定度
が許容値よりも向上した場合に、補助エネルギ量を減量
又はエネルギ付与時期を実効的な補助エネルギ量が最小
となる時期まで順次遅角し、最小補助エネルギ量又は最
大遅角時期においても、燃焼安定度が許容値よりも向上
している場合には燃料噴射量を減量する。これにより、
頻繁な燃料量変化によりトルク変動が発生し運転性が悪
化することを防ぐことができるという効果がある。

【００３５】請求項７記載の発明によれば、筒内温度予
測手段により筒内温度を予測し、エネルギ付与時期の筒
内温度が判断値よりの低い場合にはエネルギ付与時期の
進角を禁止し、燃料噴射量を増量する。これによって、
エネルギの付与時期が進角し過ぎて、燃焼安定度が急激
に悪化して、運転性が悪化することを防ぐことができる
という効果がある。

【００３６】請求項８記載の発明によれば、補助エネル
ギ付与を行うか否か及び補助エネルギ付与を行う場合の
補助エネルギ量又はエネルギ付与時期を機関回転数およ
び負荷に応じて学習する。これにより、燃料性状等が変
化した場合において、各運転条件において燃焼安定度を
改善するまでの時間を短くすることができ、運転性を改
善することができるという効果がある。

【００３７】請求項９記載の発明によれば、安定度検出
手段が気筒毎の燃焼安定度を検出し、この気筒毎の燃焼
安定度に従って補助エネルギの付与を行うか否か、及び
補助エネルギ付与を行う場合の補助エネルギ量又はエネ
ルギ付与時期を各気筒毎に制御する。これにより、多気
筒エンジンの気筒毎のシリンダ内壁温度等の燃焼条件が
異なる場合においても、エネルギ付与を最適に制御し、
各気筒の燃焼安定度を最適に設定することができる。そ
の結果、運転性を改善すると共に燃費を向上することが
できるという効果がある。

【００３８】請求項１０記載の発明によれば、混合気を
ピストンの圧縮により自己着火して燃焼させる内燃機関
の燃焼制御装置において、燃焼室内の混合気に補助エネ
ルギを付与して混合気を活性化させる少なくとも１つの
点火プラグを備え、該点火プラグを含む点火系は、容量
放電特性が異なる少なくとも２種類の放電が可能であ
り、異なる容量放電特性を選択することにより補助エネ
ルギ量を制御するか又は点火プラグからの放電タイミン
グによりエネルギ付与時期を制御するようにしたので、
従来の誘導放電によるラジカル生成よりも急速に多量に
筒内にラジカルを発生させ、広範囲な運転領域において
圧縮自己着火運転を可能とし燃料消費率の改善が図れる
という効果がある。

【００３９】また、異なる容量放電特性の選択及び放電
時期を制御することにより、低負荷時などの筒内温度、
混合気密度が低い場合や、高回転時のラジカル増殖時間
が短い状況においても効果的な混合気活性化が図れる。

【００４０】請求項１１記載の発明によれば、請求項１
０記載の発明の効果に加えて、前記点火系は少なくとも
２つの点火コイルを備え、これらの点火コイルの選択又
は点火プラグに電気エネルギを供給する点火コイルの数
を変更することにより補助エネルギ量を制御するように
したので、負荷や機関回転数の変動に応じて適切なラジ
カル量を筒内に供給できるようになり、広い運転領域に
おいて圧縮自己着火燃焼運転を安定して行なうことがで
きるという効果がある。

【００４１】請求項１２記載の発明によれば、請求項１
０記載の発明の効果に加えて、前記点火系は、少なくと
も２つの点火プラグを各気筒に備え、通電する点火プラ
グの選択又は数を変更することにより補助エネルギ量を
制御するようにしたので、負荷や機関回転数の変動に応
じて適切なラジカル量を筒内に供給できるようになり、
広い運転領域において圧縮自己着火燃焼運転を安定して
行なうことができるという効果がある。

【００４２】請求項１３記載の発明によれば、請求項１
２記載の発明の効果に加えて、第１の点火プラグを燃焼
室のほぼ中央に配置し、第２の点火プラグを燃焼室の周
辺部に配置し、第１の点火プラグの容量放電特性は、第
２の点火プラグよりも容量放電の２次電圧の立ち上がり
時間が時間が短いか、又は容量放電電圧が高く設定され
ているようにしたので、第２の点火プラグの容量放電時
に発生した火炎核がその後の誘導放電により供給される
エネルギにより保持されるため燃料密度の薄い状態でも
火炎の形成が可能となる。

【００４３】請求項１４記載の発明によれば、請求項１
０ないし請求項１３記載の発明の効果に加えて、第１の
点火プラグを燃焼室のほぼ中央に配置し、第２の点火プ
ラグを燃焼室の周辺部に配置し、成層燃焼時には、第１
の点火プラグにより混合気に着火し、均質希薄燃焼時又
は均質ＥＧＲ燃焼時には、第１の点火プラグによる混合
気の着火に先立って、第２の点火プラグの放電により補
助エネルギ付与を行うようにしたので、第２の点火プラ
グの容量放電時に発生した火炎核がその後の誘導放電に
より供給されるエネルギにより保持されるため燃料密度
の薄い状態でも火炎の形成が可能となる。さらに筒内の
温度が上昇したところで、第１の点火プラグによる放電
を行なうことで、確実かつ急速な燃焼を実現できるた
め、リーンバーン燃焼や多量のＥＧＲ燃焼時の燃焼安定
性、燃料消費率の改善をも可能とすることができる。

【００４４】請求項１５記載の発明によれば、成層燃焼
領域、均質希薄燃焼領域及び均質ＥＧＲ燃焼領域を有す
る内燃機関の燃焼制御装置であって、第１の点火プラグ
を燃焼室のほぼ中央に配置し、第２の点火プラグを燃焼
室の周辺部に配置し、成層燃焼時には、第１の点火プラ
グにより混合気に着火し、均質希薄燃焼時又は均質ＥＧ
Ｒ燃焼時には、第１の点火プラグによる混合気の着火に
先立って、第２の点火プラグによる放電を行うようにし
たので、第２の点火プラグの容量放電時に発生した火炎
核がその後の誘導放電により供給されるエネルギにより
保持されるため燃料密度の薄い状態でも火炎の形成が可
能となる。さらに筒内の温度が上昇したところで、第１
の点火プラグによる放電を行なうことで、確実かつ急速
な燃焼を実現できるため、リーンバーン燃焼や多量のＥ
ＧＲ燃焼時の燃焼安定性、燃料消費率の改善をも可能と
することができる。

【００４５】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態について説明する。図１は本発明に係る内燃機
関の燃焼制御装置の第１の実施の形態を示すエンジンの
構成図である。図１において、本実施形態のエンジン
は、シリンダブロック１、シリンダヘッド２、ピストン
３により燃焼室４を形成している。

【００４６】シリンダヘッド２には少なくとも１本の吸
気ポート５と、吸気ポート５の下流で燃焼室４の入口に
位置する吸気バルブ６、および少なくとも１本の排気ポ
ート７と、排気ポート７の上流で燃焼室出口に位置する
排気バルブ８とが設けられ、図示しない動弁系駆動系に
より吸気バルブ６と排気バルブ８はエンジンのクランク
角度に連動し開閉する。

【００４７】また、吸気ポート５に燃料噴射弁９が設け
られているとともに、吸気ポート５の上流には図示しな
い空気量調整用スロットルと、吸気量測定用エアフロー
メーターと、吸気温度測定用温度センサと、エアクリー
ナーと配管からなる吸気系が設けられている。

【００４８】燃料噴射弁９から例えばガソリン等のセタ
ン価の低い燃料を吸気バルブ６に向けて噴射し得るよう
にしてある。具体的には燃料噴射弁９からは、吸気バル
ブ６を直撃するように指向して噴射され、これにより燃
焼室４から伝わる熱で十分に熱せられた吸気バルブ６に
よって気化が促進されるようにしてある。尚、燃料噴射
弁９は、筒内に直接燃料を噴射する位置に設置してもよ
い。

【００４９】この燃料噴射弁９はエンジンコントロール
ユニット（以下、ＥＣＵと略す）１１によって機関運転
条件に応じた燃料噴射時期と燃料噴射量に制御される。
尚、燃料噴射弁９は筒内に直接燃料を噴射する位置に設
置しても良い。

【００５０】また本発明では、燃焼室４に補助エネルギ
付与手段１２を設けており、補助エネルギの付与によ
り、混合気を改質しその着火性を改善するようにしてい
る。

【００５１】本実施形態では前述の補助エネルギ付与手
段１２として、一般のガソリン内燃機関の点火装置とし
て採用されている点火プラグを用いて、該点火プラグ１
２を燃焼室４の中央部分に配設してある。

【００５２】ＥＣＵ１１には、機関負荷を検出する負荷
センサ１４、機関回転数およびその変動を検出するクラ
ンク角センサ１５の検出信号が入力され、これらに検出
信号に基づいて燃料噴射弁９を作動すると共に、点火回
路１３を介して点火プラグ１２を作動するようにしてあ
る。

【００５３】また、ＥＣＵ１１は、運転領域に応じて火
花点火燃焼又は圧縮自己着火燃焼を選択する燃焼パター
ン判定部２１、機関の燃焼安定度（以下、単に安定度と
呼ぶ）を検出して判定する安定度判定部２２、安定度判
定部２２が検出し判定した安定度に応じて点火プラグ１
２が付与する補助エネルギ量又はエネルギ付与時期を制
御する補助エネルギ制御部２３、補助エネルギ制御部か
らの指示に従って燃料噴射量を増減することのできる燃
料噴射制御部２４、及び点火時期を制御する点火制御部
２５を備えている。

【００５４】次に、本第１実施形態の動作について説明
する。図２は、本実施形態の燃焼形態を示し、ＥＣＵ１
１は、図２のようなエンジン回転数および負荷に応じて
定まる火花点火燃焼領域と圧縮自己着火燃焼領域とを予
め記憶した燃焼形態マップを備えている。

【００５５】ＥＣＵ１１の燃焼パターン判定部２１は、
入力した負荷センサ１４及びクランク角センサ１５の信
号に基づいて、予め記憶した燃焼形態マップを参照し、
火花点火燃焼あるいは圧縮自己着火燃焼のいずれの燃焼
パターンで運転するかを判定する。

【００５６】火花点火燃焼を行う場合は、点火制御部２
５に点火回路１３を制御させて適切な点火信号を発生さ
せるとともに、特に限定されないが図示しないバルブタ
イミング制御機構に火花点火燃焼に適した圧縮比となる
バルブタイミングとするように指示している。

【００５７】圧縮自己着火燃焼を行う場合には、気筒内
の混合気に適切な補助エネルギが付与され圧縮自己着火
燃焼が安定して行われるように、補助エネルギ制御部２
３から点火制御部２５に補助エネルギ付与としての点火
プラグ１２からの放電時期又は放電エネルギ量を制御さ
せている。また特に限定されないが図示しないバルブタ
イミング制御機構に圧縮自己着火燃焼に適した圧縮比及
び内部ＥＧＲ率となるバルブタイミングとするように指
示している。

【００５８】図３にエネルギ付与時期を変えた時の熱発
生パターンを示す。エネルギ付与時期を進角させると熱
発生時期がＴＤＣ（上死点）に近づき、筒内の温度、圧
力が上昇するため燃焼が安定する。

【００５９】図４に燃料性状が変化した時の熱発生時期
を示す。燃料性状が軽質（比較的低オクタン価）から重
質（比較的高オクタン価）に変化すると熱発生時期がＴ
ＤＣから遅角し安定度が悪化する。燃料性状以外にも、
吸気温、吸気圧等の燃焼に影響を与えるパラメータが変
化した場合には熱発生時期が変化する。

【００６０】従って、燃焼に影響を与えるパラメータが
変化した場合には、エネルギ付与時期を変化させて熱発
生時期を補正して安定度を制御する必要がある。

【００６１】図５に火花点火燃焼における点火時期に対
する安定度を示す。火花点火燃焼では点火時期をＭＢＴ
（ Minimum Advance for Best Torque）に向かって進角
する程安定度が向上する。またＭＢＴより進角しても安
定度が大きく悪化することはない。

【００６２】図６に圧縮自己着火燃焼におけるエネルギ
付与時期と安定度の関係を示す。エネルギ付与時期に対
する安定度は、ある付与時期に最大値を持つ上に凸の曲
線となる。そしてエネルギ付与時期を遅角側から順次進
角する程安定度は増大するものの、安定度が最大の時期
よりも進角すると安定度が急激に減少する。従って、前
記傾向に対して、安定度がどの時期にあるかを把握して
エネルギ付与時期を制御又は補正する必要がある。

【００６３】図７にエネルギ付与時期と安定度変化の関
係を示す。安定度を表す指標として、エンジン回転の変
化割合（回転変動率）を取る。例えば、エンジン回転を
５０回転分サンプルして、この時の各回転におけるエン
ジン回転数の標準偏差σを平均エンジン回転数ｎで割っ
たものをσｎとして安定度の指標とする。

【００６４】

【数１】σｎ＝σ／ｎ σ：標準偏差、ｎ：平均エンジン回転数。

【００６５】エネルギ付与時期の変化に対して安定度の
変化、すなわちｄσｎ／ｄθが大きい場合には、エネル
ギ付与時期を進角（θは進角方向を正とする）させるこ
とによって、安定度を改善することができる。一方、エ
ネルギ付与時期の変化に対して安定度の変化、すなわ
ち、ｄσｎ／ｄθが小さい場合にはエネルギ付与時期を
進角させると安定度が急激に悪化する可能性がある。そ
こで後者の場合には、エネルギ付与時期の補正ではな
く、燃料噴射量を増量する必要がある。

【００６６】このように、圧縮自己着火燃焼においては
エネルギ付与時期の変化に対する安定度の変化特性が火
花点火とは異なる。この安定度変化特性の傾向に着目し
て、エネルギ付与時期の補正と燃料噴射量の補正を最適
に行うことによって、燃料性状、吸気温、冷却水温等の
燃焼に影響を与える因子が変化した場合においても、常
に安定度を最適に保つことができる。

【００６７】図８に本第１実施形態の制御の流れをフロ
ーで示す。まずステップ１０（以下ステップをＳと略
す）でクランク角センサ、負荷センサの信号を検出す
る。次いでＳ１１でエンジン回転数、負荷Ｔを算出す
る。次いでＳ１２で、エンジン回転数Ｎ、負荷Ｔに応じ
て、燃焼パターンを判断する。すなわちエンジン回転数
Ｎと負荷Ｔから図２のマップをもとに火花点火燃焼運転
を行うか圧縮自己着火燃焼運転を行うか判断する。

【００６８】火花点火燃焼運転を行う場合にはＳ１３に
進み火花点火燃焼運転の制御を開始する。自己着火燃焼
運転を行う場合にはＳ１４に進んで自己着火燃焼制御を
開始する。

【００６９】次いでＳ１５で安定度を検出する。例え
ば、クランク角センサの信号をもとに、回転変動を表す
指標として前述したσｎを算出する。Ｓ１６で安定度を
判断する。安定度が判断値よりも良い場合には補正の必
要がないため制御を終了する。安定度の判断には、内燃
機関の利用分野である搭載車両の性格等によって判断値
を決定するが、例えば以下の式を用いる。

【００７０】

【数２】σｎ＜ａ、 例えばａ＝５％。

【００７１】σｎが５％よりも小さい場合には安定が良
いと判断する。σｎが５％よりも大きい時には、安定度
を改善するためにＳ１７へ進む。Ｓ１７でエネルギ付与
時期を進角する。例えば１°ＣＡ（クランク角）進角す
る。Ｓ１８で再度、安定度を検出する。Ｓ１９で安定度
変化代を判断する。安定度変化代が大きい時はエネルギ
付与時期補正の効果は大きいと判断して、Ｓ１５に戻
り、安定度が改善するまでエネルギ付与時期の補正を続
ける。ここで安定度変化代の計算には前述したｄσｎ／
ｄθを用い、以下の式で判断する。

【００７２】

【数３】 ｄσｎ／ｄθ＞ｂ、例えばｂ＝０．５％／ＣＡ。

【００７３】安定度変化代が小さい時は、エネルギ付与
時期補正の効果は小さいと判断して、Ｓ２０で燃料噴射
量の補正を行う。

【００７４】次に、本発明の第２の実施形態について説
明する。第２の実施形態の構成は第１実施形態（図１）
と同じである。第２実施形態では安定度が判断値よりも
良い場合において燃料噴射量の減量を図るために、エネ
ルギ付与時期の遅角と燃料噴射量減量補正を行うことを
特徴としている。

【００７５】図９にエネルギ付与時期と安定度変化の関
係を示す。安定度変化を表す指標として、前述したｄσ
ｎ／ｄθを用いる。安定度変化代すなわちｄσｎ／ｄθ
が大きい場合にはエネルギ付与時期を遅角する安定度を
低下する。従って、エネルギ付与時期の補正によって安
定度を補正することができる。一方、エネルギ付与時期
の変化に対して安定の変化、すなわちｄσｎ／ｄθ、小
さい場合にはエネルギ付与時期を遅角しても安定度は変
化しない。従って、燃料噴射量を減量できる程、安定度
が良いと判断することができる。そこで後者の場合に
は、エネルギ付与時期の補正ではなく、燃料噴射量を減
量して燃費を改善する。

【００７６】このように、圧縮自己着火燃焼においては
エネルギ付与時期の変化に対する安定度の変化が火花点
火とは異なる。この安定度変化の傾向に着目して、エネ
ルギ付与時期の補正と燃料噴射量の補正を最適に行うこ
とによって、燃料性状、吸気温等の燃焼に影響を与える
因子が変化した場合においても、常に安定度を最適に保
つことができる。

【００７７】図１０に第２実施形態の制御の流れをフロ
ーで示す。第２実施形態の制御は第１実施形態（図８）
とほぼ同様であるが、安定度が判断値より良い場合にエ
ネルギ付与時期を遅角する点が異なる。

【００７８】第３実施形態のＳ３５の安定度検出までの
動作は、第１実施形態のＳ１５までの動作と同様であ
る。次いでステップ３６で安定度を判断する。安定度が
判断値より悪い場合には補正の必要がないため制御を終
了する。

【００７９】安定度の判断には例えば以下の式を用い
る。

【００８０】

【数４】σｎ＜ｃ、例えばｃ＝３％。

【００８１】σｎが３％よりも大きい場合には補正がで
きるほど安定度は良くないと判断する。σｎが３％より
も小さい時には、Ｓ３７へ進む。Ｓ３７でエネルギ付与
時期を遅角する。例えば１°ＣＡ遅角する。Ｓ３８で再
度、安定度を検出する。Ｓ３９で安定度変化代を判断す
る。安定度変化代が大きい時はエネルギ付与時期補正の
効果は大きいと判断して、Ｓ３５に戻り、安定度が最適
となるまでエネルギ付与時期の補正を続ける。

【００８２】ここで安定度変化代の補正には前述したｄ
σｎ／ｄθを用い、以下の式で判断する。

【００８３】

【数５】 ｄσｎ／ｄθ＞ｅ、例えばｅ＝０．５％／ＣＡ。

【００８４】安定度変化代が小さい時は、エネルギ付与
時期補正の効果は小さいと判断して、Ｓ４０で燃料噴射
量を減量する。

【００８５】次に、本発明の第３の実施形態について説
明する。第３実施形態の構成を図１１に示す。第３実施
形態の構成と、第１実施形態の構成（図１）との異なる
点は、第１実施形態の点火プラグ１２及び点火回路１３
に代えてレーザ光照射装置１６をエネルギ付与装置とし
て用いる点である。またエネルギ付与装置の変更に伴っ
て、ＥＣＵ１１には、第１実施形態の点火制御部２５に
代えてレーザ光制御部２７が設けられ、補助エネルギ制
御部２３の指示によりレーザ光照射エネルギ量又は照射
時期の変更により実効的な補助エネルギ量を制御できる
ようになっている。その他の構成は、第１実施形態と同
様である。

【００８６】レーザ光照射装置１６は、シリンダヘッド
２の吸気バルブ６、排気バルブ８を避けた位置、例えば
燃焼室中心部から燃焼室４内にレーザ光を照射できるよ
うに設けられ、レーザ光のエネルギ量又はエネルギ付与
時期としてのレーザ光照射時期を変えることによって、
前記実施形態と同等の作用効果を得ることができる。

【００８７】また、第３実施形態では混合気の着火燃焼
が点火プラグ１２を用いた場合のような点による着火で
はなく、レーザ光により線状の着火が行われるため、燃
焼室４の広い範囲に渡ってエネルギ補助を行えるため、
安定して補助エネルギの付与を行うことができる。

【００８８】さらに、第３実施形態の変形例として、点
火装置とレーザ光照射装置との双方を備えて、火花点火
燃焼運転とレーザ光照射による補助エネルギ付与が可能
な圧縮自己着火燃焼運転とを運転領域によって切り換え
ることもできる。

【００８９】次に、本発明の第４の実施形態について説
明する。第４実施形態の構成を図１２に示す。第４実施
形態の構成は、吸気ポート５に吸気温センサ１７を追加
し、ＥＣＵ１１に筒内温度演算部２６を追加している所
が第１実施形態の構成（図１）と異なる。その他の構成
要素は、第１実施形態と同様であり、同じ構成要素には
同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

【００９０】第４実施形態では、吸気温センサ１７で測
定した吸気温度に基づいて筒内温度演算部２６がエネル
ギ付与時期における筒内温度を予測して、この予測筒内
温度に応じてエネルギ付与の有無及びエネルギ付与時期
の制御を行う点を特徴としている。

【００９１】さて、混合気に補助エネルギを付与した時
に燃焼時期がＴＤＣに近づいて、燃焼の安定度が改善す
るのは、気化した燃料の一部が酸素と反応して化学的活
性の高いラジカルが生成されるためである。このラジカ
ルの存在によって、主要な熱発生化学反応である主燃焼
が促進され燃焼の安定度が向上することになる。

【００９２】図１３にはエネルギ付与後のラジカル量を
示している。エネルギ付与後の経過時間が長い程、ラジ
カルが増えている。これはエネルギ付与によって生じた
ラジカルが気化燃料の反応を促進して新たにラジカルが
生成されていることを示している。従って、時間的に早
い時期、すなわち進角側でエネルギを付与する方が、Ｔ
ＤＣまでに時間があるためにラジカル増殖時間が確保さ
れ、ラジカル量は増えることになる。

【００９３】図１４に筒内温度とラジカル生成量の関係
を示す。同図に示すようにある一定量のエネルギ付与を
行った場合の生成するラジカル量は筒内温度に依存す
る。筒内温度がある一定値Ｔａ以上であればラジカル量
は温度上昇に伴って急激に増加する。そしてＴａより高
いＴｂを超えた温度では、温度上昇に伴ってなだらかに
ラジカル量が増加する。本実施形態ではＴｂ以上の温度
領域を使用する。

【００９４】しかしながら、筒内温度がある一定値Ｔａ
より低い場合には、補助エネルギを付与してもラジカル
はほとんど生成されない。従って、エネルギ付与時期を
進角し過ぎるとエネルギ付与の意味は無くなり、ラジカ
ルは生成されないことになる。

【００９５】よって、筒内温度を予測して、安定度が改
善せずにエネルギ付与時期が進角し過ぎた場合にはエネ
ルギ付与時期の進角を禁止して、燃料量を増量すること
によって安定度の悪化を防ぐことができる。

【００９６】図１５に第４実施形態の制御の流れをフロ
ーで示す。第４実施形態の制御は第１実施形態（図８）
とほぼ同様である。異なる所のみ説明する。

【００９７】まずステップ５０ではクランク角センサ１
５、負荷センサ１４に加えて、吸気温センサ１７の信号
を検出するところが異なる。次いでＳ５１〜Ｓ５６は、
第１実施形態のＳ１１〜Ｓ１６と同様である。

【００９８】Ｓ５６で安定度が判断値よりも悪いと判断
された場合には、Ｓ５７でエネルギ付与時期を進角側に
補正する。次いでＳ５８でエネルギ付与時期の筒内温度
を算出する。筒内温度の算出には、まずＳ５０で検出し
た吸気温Ｔinから筒内圧縮開始温度Ｔ０を算出する。例
えば以下の式でＴ０を算出する。

【００９９】

【数６】Ｔ０＝Ｔin＋ｆ、例えばｆ＝３００Ｋ。

【０１００】次いで圧縮開始温度Ｔ０からエネルギ付与
時期の筒内温度Ｔ１を以下の式で算出する。

【０１０１】

【数７】Ｔ１＝Ｔ０×ε＾（ｎ−１） ε：エネルギ付与時期の圧縮比、ｎ：ポリトロープ指
数、「＾」は冪乗を表す。

【０１０２】エネルギ付与時期の圧縮比εは、例えば図
１６に示すマップを使用して、エネルギ付与時期から算
出する。また圧縮比εは、吸気弁閉時期のクランク角と
エネルギ付与時期のクランク角と燃焼室形状とから計算
により求めることもできる。ポリトロープ指数は例えば
ｎ＝１．３３とする。またポリトロープ指数は負荷に応
じて与えても良い。

【０１０３】次いでＳ５９で筒内温度Ｔ１を判断する。
筒内温度Ｔ１が所定の判断値より高い場合にはＳ６０で
実際にエネルギを付与する。筒内温度Ｔ１の判断は以下
の式を用いる。

【０１０４】

【数８】Ｔ１＞ｆ、例えばｆ＝７００Ｋ。

【０１０５】Ｔ１が判断値ｆよりも高い場合にはＳ６０
でエネルギを付与する。Ｔ１がｆよりも低い場合にはエ
ネルギ付与の効果は小さく、安定度が悪化してしまうの
で、エネルギ付与時期の進角を禁止して、Ｓ６３で燃料
増量を行う。

【０１０６】このように制御することによって、エネル
ギ付与時期が進角し過ぎて、エネルギ付与の効果がなく
なり安定度が悪化することを防ぐことができる。

【０１０７】次に、本発明の第５の実施形態について説
明する。第５の実施形態の構成は第１実施形態の構成
（図１）と同じである。第５実施形態はエネルギ付与時
期をエンジン回転数および負荷に応じて学習することを
特徴としている。

【０１０８】これまで説明した実施形態では、運転条件
が変化した時に、エネルギ付与時期を毎回補正してい
る。安定度が悪化している場合にはエネルギ付与時期の
補正を行っている間は運転性が悪化してしまう。そこ
で、本実施形態ではエネルギ付与時期を学習し記憶す
る。

【０１０９】図１７にエンジン回転数Ｎと負荷Ｔに対す
るエネルギ付与時期のマップを示す。図１７（ａ）は、
初期値として予め記憶された標準エネルギ付与時期のマ
ップであり、図１７（ｂ）は学習によるエネルギ付与時
期の補正値である。火花点火燃焼を行う場合には別のマ
ップを参照して点火時期の制御を行う。

【０１１０】圧縮自己着火燃焼領域において、図１７
（ａ）に示すように、エンジン回転数Ｎと負荷Ｔに対し
て、予め標準エネルギ付与時期Ｅｉｊ（ｉはエンジン回
転数による分割、ｊは負荷による分割）のマップを記憶
しておく。また図１７（ｂ）に示すように同様な記憶領
域を学習値であるエネルギ付与時期補正値αｉｊ（ｉは
エンジン回転数による分割、ｊは負荷による分割）用に
準備しておく。そして、エネルギ付与時期の制御を行う
場合、〔Ｅｉｊ＋αｉｊ〕を制御値とする。

【０１１１】図１７（ａ）の標準エネルギ付与時期Ｅｉ
ｊは、エンジン回転が高回転になる程、進角側の側に設
定されている。これにより、各エンジン回転において
も、補助エネルギ付与によるラジカル生成のための化学
反応時間が確保され、確実に燃焼安定度を改善すること
ができる。

【０１１２】図１８、１９に第５実施形態の制御のフロ
ーを示す。図１８のフローでエネルギ付与時期を学習し
て記憶し、図１９のフローで記憶したエネルギ付与時期
を呼び出して制御に用いている。

【０１１３】まずエネルギ付与時期を学習し学習値を記
憶する図１８のフローについて説明する。ステップ９０
でクランク角センサ、負荷センサの信号を検出する。次
いでＳ９１でエンジン回転数Ｎ、負荷Ｔを算出する。次
いでＳ９２で、エンジン回転数Ｎ、負荷Ｔに応じて、燃
焼パターンを判断する。火花点火運転を行う場合にはＳ
９３に進み火花点火運転の制御を開始する。自己着火運
転を行う場合にはＳ９４に進んで自己着火燃焼制御を開
始する。

【０１１４】次いでＳ９５で安定度を検出する。Ｓ９６
で安定度を判断する。安定度が判定値よりも悪い場合に
は補正を行っている最中であるため、学習値の記憶は行
わない。安定度が良い場合にはＳ９７で定常判断を行
う。運転条件が定常でない場合には過渡的な制御中であ
るので学習値の記憶は行わない。運転条件が定常の場合
にはＳ９８でエネルギ付与時期の確認を行い、Ｓ９９で
学習値であるエネルギ付与時期の補正値αｉｊを図１７
（ｂ）の補正値マップ中の対応する回転数Ｎ負荷Ｔで定
まるｉ，ｊの位置に記憶する。

【０１１５】次に、学習値を呼び出して利用する図１９
のフローについて説明する。図１９のフローは第１実施
形態のフロー（図８）とほぼ同様である。異なる所のみ
説明する。Ｓ７４で圧縮自己着火燃焼制御を開始した後
には、Ｓ７５でエネルギ付与時期を図２０にマップから
呼び込み、Ｓ７６でエネルギ付与を行う。

【０１１６】次に、本発明の第６実施形態について説明
する。第６の実施形態の構成は第１実施形態の構成（図
１）と同じであるが、安定度判定部２２が気筒毎の安定
度の判定を行うこと、補助エネルギ制御部２３が気筒毎
の補助エネルギ量またはエネルギ付与時期の制御を行う
こと、及び燃料噴射制御部２４が燃料噴射量の補正を各
気筒毎に行うことを特徴としている。

【０１１７】圧縮自己着火燃焼では、燃焼制御因子であ
る筒内温度、筒内圧力、残留ガス量、冷却水温度等の影
響を強く受ける。従って上記因子が各気筒毎に異なった
場合においては、気筒毎に燃焼状態が異なることにな
る。従って、エネルギ付与および燃料噴射量の補正を各
気筒毎に行った方が安定度を向上することができる。

【０１１８】この際に気筒毎の安定度はクランク角セン
サで検出する。すなわち、クランク角センサ信号に基づ
いて、各気筒の燃焼時である気筒毎の膨張行程における
クランク軸の角速度をそれぞれ取り出し、統計処理する
ことによって各気筒のσｎを検出することができる。そ
して各気筒のσｎを判定して気筒毎にエネルギ付与の有
無及びエネルギ付与時期を制御する。

【０１１９】図２０、２１に第６実施形態の制御のフロ
ーを示す。図２０は気筒別制御のフローである。図２０
について説明する。Ｓ１００でクランク角センサ、負荷
センサの信号を検出する。次いでＳ１０１でエンジン回
転数、負荷Ｔを算出する。次いでＳ１０２で、気筒別制
御の判断を行う。すなわち、始動後暖機中あるいは全開
付近等において気筒別制御を行わない場合には、Ｓ１０
８の全気筒同一制御となる。気筒別制御を行う場合には
Ｓ１０３で気筒判別を行う。各気筒毎にＳ１０４〜Ｓ１
０７で気筒毎の安定度に従ってエネルギ付与時期および
燃料噴射量の補正を行う。

【０１２０】図２１に各気筒毎のエネルギ付与時期およ
び燃料噴射量の制御を行うフローを示す。図２１の制御
フローは安定度の検出を各気筒毎に行う点と、気筒毎の
安定度に基づいて補助エネルギ付与及び燃料噴射量の増
減を行う点以外は第１実施形態の制御フロー（図８）と
同じである。本実施形態によれば、多気筒エンジンにお
いて、気筒毎の燃焼制御因子が異なる場合においても、
エネルギ付与を最適に制御し、安定度を高めることがで
きる。

【０１２１】以上説明した第１ないし第６実施形態にお
いては、燃焼室内にラジカルを生成する補助エネルギの
エネルギ付与時期を制御することにより、運転条件或い
は検出された安定度に応じて実効的な補助エネルギ量を
制御して、適切な圧縮自己着火を実現するものであっ
た。しかしながら本発明においては、エネルギ付与時期
の制御に限らず、放電電圧等の補助エネルギ量の制御、
例えば点火プラグの放電による補助エネルギ付与であれ
ば１次コイル電流通電時間を制御したり、レーザ光照射
であれば、レーザ光強度や照射時間を制御することによ
り適切な圧縮自己着火燃焼を実現することができるのは
明らかである。

【０１２２】次に、本発明の第７実施形態を説明する。
図２２は第７実施形態を示したエンジン構成図である。
本装置における燃焼室４はシリンダヘッド２と、シリン
ダブロック１およびピストン３により形成されている。
シリンダヘッド２には少なくとも１本の吸気ポート５
と、吸気ポート５の下流で燃焼室４の入口に位置する吸
気バルブ６、および少なくとも１本の排気ポート７と、
排気ポート７の上流で燃焼室出口に位置する排気バルブ
８とが設けられ、図示しない動弁系駆動系により吸気バ
ルブ６と排気バルブ８はエンジンのクランク角度に連動
し開閉する。

【０１２３】また、吸気ポート５に燃料噴射弁９が設け
られているとともに、吸気ポート５の上流には図示しな
い空気量調整用スロットルと、吸気量測定用エアフロー
メーターと、吸気温度測定用温度センサと、エアクリー
ナーと配管からなる吸気系が設けられている。

【０１２４】また、シリンダヘッド２には点火プラグ１
２がネジ結合されており、点火プラグ１２は、容量放電
特性の異なる点火コイル１８ａおよび１８ｂが並列に接
続された点火回路１３に接続されている。

【０１２５】ここで、点火コイル１８ａの容量放電特性
は点火コイル１８ｂに対し容量放電エネルギーが大きい
ものとする。容量放電特性の変更は１次側と２次側のコ
イル巻き数を変更して、２次電圧値および２次電圧立ち
上がり時間を変化させたり、点火コイル１８の放電エネ
ルギ量そのものを変更することで実施可能である。さら
に２つの点火コイル１８ａ、１８ｂはＥＣＵ１１を介し
てバッテリー１９に接続されており、放電実施の有無お
よび放電時期はＥＣＵ１１により個別に制御される構成
としている。

【０１２６】また、本第７実施形態のエンジンは、機関
の低中負荷域では実質的な圧縮比の変更、吸気温度およ
び圧力、自己ＥＧＲおよび外部ＥＧＲ量などを制御し、
圧縮自己着火運転が可能な高温、高圧状態を実現できる
構成としている。

【０１２７】次に、放電波形と放電により発生するラジ
カル量の関係を図２３に基づいて説明する。点火プラグ
からの放電は、点火プラグ１２の電極間における絶縁破
壊を引き起こす高電圧な容量放電と、その後の低電圧か
つ相対的に長時間な誘導放電に大別される。このときに
点火プラグ１２の電極間で発生する化学的に高活性な中
間生成物・ラジカルの量は容量放電中に大量に発生し、
その誘導放電中に発生するラジカル量は相対的に僅かと
なる。このため、放電により発生するラジカル量を制御
するためには容量放電の特性を変更することが重要とな
る。

【０１２８】さらに、点火プラグ１２における放電タイ
ミングとその後のラジカル量の推移を図２４に基づいて
説明する。内燃機関では実質的な圧縮はほぼ吸気弁６が
閉じたところから始まり、ピストン３が上昇するにつれ
燃焼室４内の温度、混合気密度は上昇する。放電により
発生したラジカルのその後の増減は、燃焼室温度と混合
気中の酸素および燃料の密度により決定される。負荷が
低い場合の圧縮自己着火領域では、圧縮行程前半におけ
る筒内の温度、密度が低いため、放電により発生したラ
ジカルは活性化状態を保てずに減少、消滅する。

【０１２９】しかし、圧縮行程後半で放電をした場合は
筒内の温度、圧力が高いため、放電により発生したラジ
カルは時間とともに連鎖反応的に増殖し、本格的な熱発
生を伴う主燃焼の発現に必要な予反応を引き起こす。

【０１３０】また、点火プラグ１２への放電タイミング
と、熱効率により決まる前記予反応発生の要求時期での
生成ラジカル量の関係を図２５に示す。

【０１３１】予反応開始要求時点での生成ラジカル量は
前記ラジカルの減少、増加現象のため、放電タイミング
により極大値を持つ上に凸の傾向をもつ。このとき極大
値をとる放電タイミングよりも左側（早期放電側）で
は、放電タイミングに対するラジカル量変化が急である
ため制御ロバスト性の観点から極大側よりも右側でのタ
イミングによる制御が必要となる。

【０１３２】そこで容量放電特性の違う放電が可能な点
火コイルを２つ以上設け、低容量放電コイル１２ｂによ
る放電、高容量放電コイル１２ａによる放電、両コイル
同時放電の順による３タイプの放電と、放電タイミング
を遅期から早期へ変更することで、広範囲なラジカル量
の制御を精度良く行なうことが可能となる。

【０１３３】圧縮自己着火運転領域における機関の回転
数、負荷に対する要求ラジカル量は図２６に示すように
なる。機関低回転、高負荷時はラジカルが増加する反応
時間に余裕があることに加え、燃料および空気密度が高
い為に適切なラジカル量は低下する。反対に高回転、低
負荷時は前記反応時間が短く、燃料および空気密度も低
い為に自己着火発生に必要となるラジカル量が増加す
る。

【０１３４】実際の放電制御は図２２に示したＥＣＵ１
１により行われる。ＥＣＵ１１には機関の運転状態とし
て図示しないセンサにより計測されたエンジン回転数、
クランク角度、要求負荷に応じ、吸入空気量、燃料噴射
量、ＥＧＲ量を決定するとともに、予め用意されたマッ
プにより放電のために充電すべきコイルと放電のタイミ
ングを決定する。これにより圧縮自己着火燃焼を広範囲
な運転領域で成立させることが可能となる。

【０１３５】次に本発明の第８実施形態を図２７に示
す。第８実施形態では容量放電特性の違う点火プラグ１
２ａ、１２ｂを燃焼室４の中央および側方に配置したも
のである。このとき燃焼室４の略中央に配置した点火プ
ラグ１２ａは側方に配置した点火プラグ１２ｂに対し容
量放電電圧が高くなるような設定としているとともに、
点火プラグ１２ｂの誘導放電時間は点火プラグ１２ａに
対し長くなる様な点火コイル１８の設定としている。容
量放電電圧は電極間距離、電極形状により変更すること
が出来る。

【０１３６】また本実施形態では燃料の供給を燃焼室内
に直接行なう直噴ガソリンエンジンの例であり、ピスト
ン３の冠面には、燃焼室内に局所的に濃い混合気を作り
燃焼させる成層燃焼のための凹部（ピストンキャビテ
ィ）３ａが設けられている。

【０１３７】このような構成とすることで、機関の圧縮
自己着火燃焼時におけるラジカル量は第７実施形態と同
様に行なうことが出来るとともに、ラジカルの発生が燃
焼室内に空間的に分散するため自己着火燃焼の安定性を
向上することが出来る。

【０１３８】また、機関の成層燃焼運転時では燃焼室４
の略中央に設けた点火プラグ１２ａにより点火し火炎伝
播による燃焼を行なう。一般に成層燃焼時には点火プラ
グ１２ａ近傍の混合気がリッチとなっている為、電極近
傍にカーボンが堆積しプラグくすぶりが起こり易くなる
が、本実施形態のように容量放電を強化することで、容
量放電中に電極近傍のカーボンが燃焼するため、火花点
火時の燃焼安定性が維持できる。

【０１３９】さらに混合気濃度が理論空燃比より薄いリ
ーンバーン燃焼や多量の排気ガスを還流した場合の火花
点火燃焼領域では、最初に燃焼室４の側方に配置した点
火プラグ１２ｂによる点火を行い、所定の時間後燃焼室
４の略中央に配置した点火プラグ１２ａによる点火を行
なう。点火プラグ１２ｂによる点火では容量放電時に発
生した火炎核がその後の誘導放電により供給されるエネ
ルギにより保持されるため燃料密度の薄い状態でも火炎
の形成が可能となる。さらに筒内の温度が上昇したとこ
ろで、点火プラグ１２ａによる点火を行なうことで、確
実かつ急速な燃焼を実現できるため、リーンバーン燃焼
や多量のＥＧＲ燃焼時の燃焼安定性、燃料消費率の改善
をも可能とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置を適用し
たエンジンの第１実施形態の構成図である。

【図２】運転条件に対する火花点火燃焼又は圧縮自己着
火燃焼を選択する燃焼パターンの説明図である。

【図３】圧縮自己着火時のエネルギ付与時期と熱発生の
関係を説明する図である。

【図４】燃料性状が熱発生時期に与える影響を説明する
図である。

【図５】火花点火燃焼における点火時期と安定度の関係
を説明する図である。

【図６】圧縮自己着火燃焼におけるエネルギ付与時期と
安定度の関係を説明する図である。

【図７】エネルギ付与時期進角時のエネルギ付与時期変
化に対する安定度の変化割合を説明する図である。

【図８】第１実施形態の動作を説明する制御フロー図で
ある。

【図９】エネルギ付与時期遅角時のエネルギ付与時期変
化に対する安定度の変化割合を説明する図である。

【図１０】第２実施形態の動作を説明する制御フロー図
である。

【図１１】第３実施形態の構成図である。

【図１２】第４実施形態の構成図である。

【図１３】エネルギ付与後の経過時間とラジカル量との
関係を説明する図である。

【図１４】筒内温度とラジカル生成量との関係を説明す
る図である。

【図１５】第４実施形態の動作を説明する制御フロー図
である。

【図１６】エネルギ付与時期と圧縮比の関係を説明する
図である。

【図１７】エンジン回転数と負荷に対するエネルギ付与
時期標準マップ（ａ）とエネルギ付与時期の補正値マッ
プ（ｂ）を説明する図である。

【図１８】第５実施形態の動作を説明する制御フロー図
である。

【図１９】第５実施形態の動作を説明する制御フロー図
である。

【図２０】第６実施形態の動作を説明する制御フロー図
である。

【図２１】第６実施形態の動作を説明する制御フロー図
である。

【図２２】第７実施形態を示したエンジン構成の概略図
である。

【図２３】点火プラグにおける放電波形と発生ラジカル
量を示した図である。

【図２４】点火プラグへの放電タイミングによる筒内ラ
ジカル量の推移を示した図である。

【図２５】放電する点火プラグの数および放電タイミン
グによる生成ラジカル量への影響を示した図である。

【図２６】機関の圧縮自己着火運転中における供給ラジ
カル量の制御状態を示した図である。

【図２７】第８実施形態を示したエンジン構成の概略図
である。

【符号の説明】

１ シリンダブロック ２ シリンダヘッド ３ ピストン ４ 燃焼室 ９ 燃料噴射弁 １１ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ） １２ 点火プラグ １３ 点火回路 １４ 負荷センサ １５ クランク角センサ １６ レーザ光照射装置 １７ 吸気温センサ

───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｆ０２Ｐ 15/08 ３０１ Ｆ０２Ｐ 15/08 ３０１Ｍ ３０１Ａ 23/04 23/04 Ａ (72)発明者 ▲吉▼沢 幸大 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 平谷 康治 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 谷山 剛 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 Ｆターム(参考） 3G019 AA07 AA08 AA09 BA00 KA15 3G023 AA01 AA02 AA06 AB03 AB06 AB08 AC02 AC04 AG01 AG02 AG03

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 混合気をピストンの圧縮により自己着火
   して燃焼させる内燃機関の燃焼制御装置において、 燃焼室内の混合気に補助エネルギを付与して混合気を活
   性化させる補助エネルギ付与手段と、 機関の燃焼安定度を検出する安定度検出手段と、 該安定度検出手段が検出した燃焼安定度に応じて前記補
   助エネルギ付与手段が付与する補助エネルギ量又はエネ
   ルギ付与時期を制御する補助エネルギ制御手段と、を備
   えたことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
2. 【請求項２】 前記補助エネルギ制御手段からの指示に
   従って燃料噴射量を変化させることができる燃料噴射制
   御手段を更に備え、 前記補助エネルギ制御手段は、燃焼安定度が変化した場
   合には、まず補助エネルギ量又はエネルギ付与時期を前
   後に変化させることにより実効的な補助エネルギ量の増
   減を制御し、補助エネルギ量又はエネルギ付与時期の制
   御範囲を超える場合には、前記燃料噴射制御手段に指示
   して燃料噴射量を変化させることを特徴とする請求項１
   記載の内燃機関の燃焼制御装置。
3. 【請求項３】 前記補助エネルギ付与手段として点火プ
   ラグを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２
   記載の内燃機関の燃焼制御装置。
4. 【請求項４】 前記補助エネルギ付与手段としてレーザ
   光照射装置を備えたことを特徴とする請求項１または請
   求項２記載の内燃機関の燃焼制御装置。
5. 【請求項５】 燃焼安定度が許容値よりも低下した場
   合、補助エネルギ量を増量又はエネルギ付与時期を順次
   進角して実効的な補助エネルギ量が最大となるまで増量
   し、最大エネルギ量又は最大進角時期においても燃焼安
   定度が許容値より低下している場合には、燃料噴射量を
   増量することを特徴とする請求項２ないし請求項４のい
   ずれか１項記載の内燃機関の燃焼制御装置。
6. 【請求項６】 燃焼安定度が許容値よりも向上した場
   合、補助エネルギ量を減量又はエネルギ付与時期を順次
   遅角して実効的な補助エネルギ量が最小となるまで減量
   し、最小エネルギ量又は最大遅角時期においても燃焼安
   定度が許容値より向上している場合には、燃料噴射量を
   減量することを特徴とする請求項２ないし請求項５のい
   ずれか１項記載の内燃機関の燃焼制御装置。
7. 【請求項７】 筒内温度を予測する筒内温度予測手段を
   更に備え、 前記エネルギ付与時期の筒内温度予測値が所定値より低
   い場合にはエネルギ付与時期の進角による実効エネルギ
   量の増量を禁止して補助エネルギ量を増量し、補助エネ
   ルギ量を最大まで増量しても筒内温度予測値が所定値よ
   り低い場合に燃料噴射量を増量することを特徴とする請
   求項５記載の内燃機関の燃焼制御装置。
8. 【請求項８】 前記補助エネルギ付与を行うか否か及び
   補助エネルギ付与を行う場合の補助エネルギ量又はエネ
   ルギ付与時期を機関回転数および負荷に応じて学習する
   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
   項記載の内燃機関の燃焼制御装置。
9. 【請求項９】 前記安定度検出手段は、気筒毎の燃焼安
   定度を検出し、 前記制御手段は、この気筒毎の燃焼安定度に基づいて、
   前記補助エネルギの付与を行うか否かの制御及び補助エ
   ネルギ量又はエネルギ付与時期の制御を気筒毎に行うこ
   とを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項
   記載の内燃機関の燃焼制御装置。
10. 【請求項１０】 混合気をピストンの圧縮により自己着
    火して燃焼させる内燃機関の燃焼制御装置において、 燃焼室内の混合気に補助エネルギを付与して混合気を活
    性化させる少なくとも１つの点火プラグを備え、 該点火プラグを含む点火系は、容量放電特性が異なる少
    なくとも２種類の放電が可能であり、異なる容量放電特
    性を選択することにより補助エネルギ量を制御するか又
    は点火プラグからの放電タイミングによりエネルギ付与
    時期を制御することを特徴とする内燃機関の燃焼制御装
    置。
11. 【請求項１１】 前記点火系は少なくとも２つの点火コ
    イルを備え、これらの点火コイルの選択又は点火プラグ
    に電気エネルギを供給する点火コイルの数を変更するこ
    とにより補助エネルギ量を制御することを特徴とする請
    求項１０記載の内燃機関の燃焼制御装置。
12. 【請求項１２】 前記点火系は、少なくとも２つの点火
    プラグを各気筒に備え、通電する点火プラグの選択又は
    数を変更することにより補助エネルギ量を制御すること
    を特徴とする請求項１０記載の内燃機関の燃焼制御装
    置。
13. 【請求項１３】 第１の点火プラグを燃焼室のほぼ中央
    に配置し、 第２の点火プラグを燃焼室の周辺部に配置し、 第１の点火プラグの容量放電特性は、第２の点火プラグ
    よりも容量放電の２次電圧の立ち上がり時間が時間が短
    いか、又は容量放電電圧が高く設定されていることを特
    徴とする請求項１２記載の内燃機関の燃焼制御装置。
14. 【請求項１４】 第１の点火プラグを燃焼室のほぼ中央
    に配置し、 第２の点火プラグを燃焼室の周辺部に配置し、 成層燃焼時には、第１の点火プラグの放電により混合気
    に着火し、 均質希薄燃焼時又は均質ＥＧＲ燃焼時には、第１の点火
    プラグの放電による混合気の着火に先立って、第２の点
    火プラグの放電により補助エネルギ付与を行うことを特
    徴とする請求項１０ないし請求項１３のいずれか１項記
    載の内燃機関の燃焼制御装置。
15. 【請求項１５】 成層燃焼領域、均質希薄燃焼領域及び
    均質ＥＧＲ燃焼領域を有する内燃機関の燃焼制御装置で
    あって、 第１の点火プラグを燃焼室のほぼ中央に配置し、 第２の点火プラグを燃焼室の周辺部に配置し、 成層燃焼時には、第１の点火プラグの放電により混合気
    に着火し、 均質希薄燃焼時又は均質ＥＧＲ燃焼時には、第１の点火
    プラグの放電による混合気の着火に先立って、第２の点
    火プラグによる放電を行うことを特徴とする内燃機関の
    燃焼制御装置。