JP2002138868A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 機関始動中の機関駆動式ポンプによる蓄圧室
内の燃料昇圧遅れを防止し、触媒装置の暖気に有効な大
幅点火時期遅角が可能な成層燃焼を早期に開始可能とす
る筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することである。 【解決手段】 機関始動開始時における蓄圧室内の燃料
圧力が設定値未満の時には（ステップ１０２）、一部気
筒だけへ燃料を噴射して一部気筒運転により機関始動を
開始する（ステップ１０３）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、筒内噴射式火花点
火内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧縮行程後半において気筒内へ直接的に
燃料を噴射することによって着火性の良好な可燃混合気
を点火プラグ近傍だけに形成し、気筒内全体としてリー
ンな混合気を燃焼可能な成層燃焼を実現する筒内噴射式
火花点火内燃機関が公知である。このような筒内噴射式
火花点火内燃機関において、機関始動時には、吸気行程
で燃料を噴射して均質燃焼を実施することが一般的であ
る。また、機関始動時に大気中へ放出される未燃燃料を
低減するために、気筒全体からの未燃燃料の排出量を低
減することを意図して、一部気筒へだけ燃料を噴射する
ことにより、一部気筒でだけ均質燃焼を実施して機関始
動を完了させることが公知である。

【０００３】特開２０００−８０９４２号公報には、一
部気筒運転により機関始動を完了する筒内噴射式火花点
火内燃機関において、冷間始動時には、一部気筒運転だ
けでは始動性が悪化するとして全気筒へ燃料を噴射して
全気筒で均質燃焼を実施することが開示されている。

【０００４】筒内噴射式火花点火内燃機関は、成層燃焼
のために圧縮行程後半の高圧となった気筒内へ燃料を噴
射しなければならず、そのために、高圧燃料を蓄える蓄
圧室を有している。蓄圧室内の燃料は機関駆動式の高圧
ポンプによって加圧されるが、機関始動開始時は、高圧
ポンプが良好に作動しないために、通常、電気駆動式の
低圧ポンプによって僅かに昇圧されただけの蓄圧室内の
燃料を噴射しなければならない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】アイドル回転となるま
での機関始動中において、高圧ポンプは機関回転上昇に
伴って徐々に良好に作動し始め、蓄圧室内の燃料を昇圧
する。しかしながら、前述の従来技術のように、冷間始
動中に全気筒運転を実施すると、一部気筒運転に比較し
て全体的に多量の燃料が必要であるために、高圧ポンプ
が比較的良好に作動しているにもかかわらず、蓄圧室内
の燃料を早期に所望高燃料圧力へ昇圧することができな
い。それにより、大幅な点火時期の遅角等の暖気制御を
実施可能な成層燃焼の開始時期が遅れ、触媒装置の暖気
完了までの時間が延長することとなり、反って、機関始
動中及び機関始動直後における大気中へ放出される未燃
燃料が増加してしまう。

【０００６】従って、本発明の目的は、機関始動中の機
関駆動式ポンプによる蓄圧室内の燃料昇圧遅れを防止
し、触媒装置の暖気に有効な大幅点火時期遅角が可能な
成層燃焼を早期に開始可能とする筒内噴射式火花点火内
燃機関を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
による筒内噴射式火花点火内燃機関は、機関始動開始時
における蓄圧室内の燃料圧力が設定値未満の時には、一
部気筒だけへ燃料を噴射して一部気筒運転により機関始
動を開始することを特徴とする。

【０００８】また、請求項２に記載の本発明による筒内
噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射
式火花点火内燃機関において、前記一部気筒には吸気行
程で燃料が噴射されることを特徴とする。

【０００９】また、請求項３に記載の本発明による筒内
噴射式火花点火内燃機関は、請求項１又は２に記載の筒
内噴射式火花点火内燃機関において、機関始動開始時に
おける前記蓄圧室内の燃料圧力が前記設定値以上の時に
は、全気筒へ圧縮行程で燃料を噴射して全気筒で成層燃
焼を実施することにより機関始動を開始し、点火時期の
遅角を可能とすることを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は本発明による筒内噴射式火
花点火内燃機関の気筒内概略縦断面図であり、図２は図
１のピストン平面図である。これらの図において、１は
気筒上部略中心に配置された点火プラグであり、２は気
筒上部周囲から気筒内へ直接的に燃料を噴射するための
燃料噴射弁である。また、３はピストンであり、その頂
面には凹状のキャビティ４が形成されている。燃料噴射
弁２は、燃料のベーパを防止するために、気筒内におい
て吸気流により比較的低温度となる吸気ポート側に配置
されている。

【００１１】また、燃料噴射弁２は、スリット状の噴孔
を有し、燃料を厚さの薄い扇状に噴射するものである。
成層燃焼を実施するためには、図１に示すように、圧縮
行程後半において燃料をピストン３の頂面に形成された
キャビティ４内へ噴射する。噴射直後の燃料は液状であ
るが、キャビティ４の底壁４ａに沿って進行して幅方向
に拡がる際に底壁４ａの広範囲部分から熱吸収するため
に気化し易い。こうして気化しつつある燃料は、対向側
壁４ｂによって上方向に偏向させられる。

【００１２】図２に示すように、対向側壁４ｂは、平面
視において円弧形状を有している。それにより、キャビ
ティ４の底壁４ａ上を進行して気化しつつある燃料は、
対向側壁４ｂの円弧形状によって中央部へ集合し、点火
プラグ１近傍において一塊の可燃混合気となる。こうし
て、この可燃混合気を着火燃焼させることにより成層燃
焼が実現可能である。

【００１３】本筒内噴射式火花点火内燃機関は、このよ
うな成層燃焼だけでなく、吸気行程で燃料を噴射するこ
とにより、点火時点において気筒内に均質混合気を形成
し、この均質混合気を着火燃焼させる均質燃焼も実現可
能である。このような均質燃焼は、燃料噴射期間が圧縮
行程後半に限られる成層燃焼とは異なり、多量の燃料噴
射が可能となるために、主には高回転高負荷時に実施さ
れる。

【００１４】図１に示すように、各気筒の燃料噴射弁１
は、成層燃焼時において、圧縮行程後半の高圧となった
気筒内への燃料噴射を可能とするために、高圧の燃料を
蓄える蓄圧室５へ燃料配管５ａを介して接続されてい
る。この蓄圧室５内の燃料の昇圧には、一般的に、機関
駆動式の高圧ポンプが使用される。高圧ポンプは、例え
ば、連続する二気筒の燃料噴射毎に噴射で使用された分
の燃料を蓄圧室５へ調量して圧送するか、又は、連続す
る二気筒の燃料噴射毎に所定量の燃料を蓄圧室５へ圧送
し、必要以上の燃料を蓄圧室５に設けられたリリーフ弁
（図示せず）によって燃料タンクへ戻すようになってお
り、いずれにしても、高圧ポンプが良好に作動すれば、
蓄圧室５内は設定高燃料圧力近傍に維持される。６は蓄
圧室５内の燃料圧力を監視するための圧力センサであ
る。

【００１５】蓄圧室５内の燃料圧力は、機関運転中にお
いて前述のように設定高燃料圧力近傍に維持されるが、
機関停止によって高圧ポンプが停止すると、高圧ポンプ
を介しての燃料漏れ等によって、徐々に低下して、遂に
は大気圧となる。一般的な筒内噴射式火花点火内燃機関
では、機関始動開始時には、常に蓄圧室５内の燃料圧力
は大気圧まで低下していることを想定しており、高圧ポ
ンプと直列に配置された電気駆動式の低圧ポンプによっ
て機関始動開始時に僅かに昇圧された蓄圧室５内の燃料
圧力では、圧縮行程での燃料噴射は無理であるとして、
均質燃焼での機関始動が行われる。

【００１６】本筒内噴射式火花点火内燃機関は、図３に
示すフローチャートに従って機関始動を行う。先ず、ス
テップ１０１において、冷却水温センサ（図示せず）に
よって検出される機関冷却水温ＴＷが設定温度ＴＷ１以
下であるか否かが判断される。この判断が肯定される時
には、極低温始動時であるために、ステップ１０３に進
み、一部気筒（例えば、点火順序が連続しない半数の気
筒）だけへ吸気行程で燃料を噴射して、これら一部気筒
だけで均質燃焼を実施することにより、機関始動を開始
するようになっている。

【００１７】一方、ステップ１０１における判断が否定
される時、すなわち、極低温始動時以外の機関始動時で
は、ステップ１０２において、圧力センサ６によって検
出される始動開始時の蓄圧室５内の燃料圧力Ｐが設定圧
力Ｐ１未満であるか否かが判断される。この設定圧力Ｐ
１は、例えば、通常運転時における設定高燃料圧力が１
２ＭＰａである場合には５ＭＰａ程度である。ステップ
１０２における判断が肯定される時には、ステップ１０
３に進み、前述した一部気筒運転によって機関始動を開
始する。

【００１８】しかしながら、ステップ１０２における判
断が否定される時、すなわち、冷却水温がそれほど低く
なく、蓄圧室５内の燃料圧力Ｐが設定圧力Ｐ１以上であ
る時には、ステップ１０４に進み、全気筒へ圧縮行程で
燃料を噴射して全気筒で成層燃焼を実施することによ
り、機関始動を開始するようになっている。

【００１９】本筒内噴射式火花内燃機関を含めて一般的
な内燃機関では、機関排気系に排気ガス中の有害成分を
浄化するための触媒装置、例えば、未燃燃料を酸化浄化
可能な三元触媒装置が配置されている。機関始動中及び
機関始動直後における大気中への未燃燃料の放出量を低
減するためには、気筒全体からの未燃燃料の排出量を低
減することが有効であるが、それにもまして触媒装置を
早期に暖気して活性化することが有効である。触媒装置
が活性化されれば、それ以降は、気筒全体から多くの未
燃燃料が排出されたとしても、触媒装置での浄化によっ
て大気中へ放出される未燃燃料を良好に低減することが
可能となるためである。

【００２０】触媒装置の暖気は、点火時期の遅角により
排気行程においても燃焼を持続させる等して、排気ガス
の温度を高めることにより実現される。成層燃焼は、前
述したように、可燃混合気を点火プラグ近傍に位置させ
るために、均質燃焼に比較して、点火時期を大幅に遅角
しても確実な着火が可能である。それにより、本筒内噴
射式火花点火内燃機関では、機関停止直後の再始動のよ
うに、機関停止から徐々に低下する蓄圧室５内の燃料圧
力が設定圧力Ｐ１未満となる以前であれば、圧縮行程で
の燃料噴射が可能であるために、全気筒で成層燃焼を実
施して、点火時期の遅角を可能とし、早期に触媒装置を
活性化して、機関始動中及び機関始動直後の未燃燃料の
大気放出量を良好に低減するようになっている。もちろ
ん、三元触媒装置が活性化されることで、未燃燃料以外
の他の有害成分、例えば、ＣＯ及びＮＯ_X 等も同時に浄
化することが可能となる。

【００２１】点火時期を遅角するほど排気ガス温度は高
まるが、その一方で燃焼が悪化することとなるために、
成層燃焼によって大幅な点火時期の遅角が可能であると
いっても、機関始動時の初爆から大幅に点火時期を遅角
すると、燃焼が不安定となって機関始動性が悪化するこ
とがある。それにより、各気筒の初爆時には点火時期を
遅角せず、初爆以降に徐々に点火時期を大きく遅角する
ようにすることが好ましい。もちろん、各気筒の初爆時
から点火時期を遅角しても良い。各気筒での燃焼が繰り
返されれば、機関回転数は徐々に上昇し、それに伴っ
て、高圧ポンプが徐々に良好に作動し始め、蓄圧室５内
の燃料圧力を徐々に設定高燃料圧力へ昇圧する。

【００２２】成層燃焼における可燃混合気の形成には、
燃料噴射弁から噴射される燃料の慣性力が利用されるた
めに、こうして燃料圧力が高まるほど、可燃混合気が点
火プラグ近傍に良好に形成されるようになり、大幅に点
火時期を遅角しても良好な成層燃焼が可能となる。この
ように蓄圧室内の燃料の昇圧に合わせて点火時期を徐々
に遅角しても、機関始動開始から比較的早期に大幅に点
火時期が遅角された成層燃焼が実施され、早期に触媒装
置を活性化することができる。

【００２３】本フローチャートにおいて、機関始動に際
して蓄圧室５内の燃料圧力Ｐが圧縮行程での燃料噴射を
可能とするほど高くても、例えば、極低温始動で冷却水
温が上昇する以前に機関停止した直後の再始動のような
場合には、ステップ１０１における判断が肯定されるこ
とにより、一部気筒運転が実施されるようになってい
る。この場合には、気筒内での燃料気化が不十分となる
ために、成層燃焼か均質燃焼かにかかわらず、各気筒内
へ比較的多量の燃料を供給しなければならないために、
もし、全気筒での成層燃焼を実施すると、蓄圧室から多
量に消費される燃料によって、高圧ポンプが良好に作動
し始めても、蓄圧室５内の燃料圧力が設定高燃料圧力近
傍値へ昇圧するまでの時間が長くなり、大幅に点火時期
が遅角された成層燃焼を開始するまでに長期間を要する
こととなる。こうして、触媒装置が活性化するまでの時
間が延長し、この間において未燃燃料の大気放出量を十
分に低減することができなくなる。

【００２４】本フローチャートでは、このように各気筒
で多量の燃料を必要とする機関始動時には、一部気筒で
の均質燃焼によって機関始動を行うことにより、蓄圧室
５内の燃料消費を減少させて蓄圧室内の燃料圧力が設定
高燃料圧力近傍値へ昇圧するまでの時間を短くし、それ
により、大幅に点火時期が遅角された成層燃焼を全気筒
において比較的早く開始することができ、早期に触媒装
置を活性化することができる。ステップ１０１における
冷却水温の判断は、言わば、各気筒へ多量の燃料を噴射
することが必要であるか否かを判断するものであり、冷
却水温の判断に代えて、必要燃料噴射量の判断としても
良い。

【００２５】機関始動に際しての燃料圧力Ｐが設定圧力
Ｐ１未満である時の一部気筒運転も、同様に、機関始動
中の蓄圧室内の燃料消費を低減して燃料圧力を設定高燃
料圧力近傍値へ早期に昇圧可能とし、それにより、大幅
に点火時期が遅角された成層燃焼を全気筒において比較
的早く開始することができ、早期に触媒装置を活性化す
ることを可能とする。

【００２６】一部気筒運転は、このように蓄圧室内の燃
料圧力を設定高燃料圧力近傍値へ早期に昇圧することを
可能とすると共に、非運転気筒では、当然のことながら
未燃燃料を全く排出することがないために、気筒全体か
ら排出される未燃燃料量を低減することができ、その
分、大気中への未燃燃料排出量を低減することができ
る。

【００２７】本発明を限定するものではないが、機関始
動時の一部気筒運転は、成層燃焼に比較して均質燃焼の
方が多量の燃料を燃焼させて発生機関出力を高めること
ができるために、均質燃焼として機関始動性を向上する
ことが好ましい。また、機関始動に際して蓄圧室内が大
気圧まで低下していれば、低圧ポンプの昇圧だけでは実
際的に圧縮行程噴射は無理であり、この場合には、一部
気筒運転は、必然的に均質燃焼とされる。

【００２８】図４は、本筒内噴射式火花点火内燃機関の
機関始動時における点火時期遅角量と、機関回転数と、
蓄圧室内の燃料圧力との変化を示すタイムチャートであ
る。実線は、一部気筒運転による機関始動を示してい
る。一部気筒運転は、機関回転数が設定回転数Ｎ’に達
した時点で終了し、成層燃焼の全気筒運転へ切り換えら
れる。この時の燃料圧力はＰ’と比較的高くなってお
り、十分に圧縮行程噴射が可能である。一部気筒運転で
は、始動性を向上するために、機関出力を低下させる暖
気制御は実施されず、点火時期遅角量は０とされてい
る。

【００２９】全気筒成層燃焼へ切り換えられても、成層
燃焼の各気筒初爆時は、確実な着火燃焼を確保するため
に、好ましくは点火時期の遅角は実施せず、その後に、
急激に点火時期遅角量を増加させ、触媒装置を比較的早
期に活性化させるようになっている。また、燃焼を多少
不安定とさせるが、さらに早期に触媒装置を活性化する
ために、一点鎖線で示すように、均質燃焼の一部気筒運
転において、好ましくは各気筒初爆以降に、徐々に点火
時期を遅角するようにしても良い。点線は、機関始動を
全気筒成層燃焼で開始した場合の前述した点火時期遅角
量の変化を示している。一部気筒運転の始動開始に比較
して、早くから大幅な点火時期遅角を伴う成層燃焼が開
始されるために、より早く触媒装置を活性化させること
ができる。

【００３０】前述した実施形態は、蓄圧室の特別な昇圧
機構を有していない場合であるが、例えば、運転時にお
ける蓄圧室内の燃料圧力を蓄えるアキュームレータ式昇
圧機構又は低圧ポンプの燃料圧を増幅するピストン式昇
圧機構等を備えている場合には、機関始動時に、このよ
うな昇圧機構が正常に動作して蓄圧室内の燃料圧力が設
定圧力Ｐ１以上となれば、全気筒で成層燃焼を実施して
機関始動を開始することが可能である。

【００３１】

【発明の効果】このように本発明による筒内噴射式火花
点火内燃機関によれば、機関始動開始時における蓄圧室
内の燃料圧力が設定値未満の時には、一部気筒だけへ燃
料を噴射して一部気筒運転により機関始動を開始するよ
うになっている。それにより、機関始動中における蓄圧
室内の燃料消費を低減し、機関駆動式ポンプによる蓄圧
室内の燃料昇圧遅れを防止することができ、触媒装置の
暖気に有効な大幅点火時期遅角が可能な成層燃焼を早期
に開始することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の気
筒内概略縦断面図である。

【図２】図１のピストンの平面図である。

【図３】機関始動時の制御を示すフローチャートであ
る。

【図４】機関始動時における点火時期遅角量、機関回転
数、及び燃料圧力の変化を示すタイムチャートである。

【符号の説明】

１…点火プラグ ２…燃料噴射弁 ３…ピストン ４…キャビティ ５…蓄圧室

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） Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１ Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１Ｂ ３０１Ｈ ３０１Ｊ 45/00 ３０１ 45/00 ３０１Ｄ Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｅ (72)発明者 角岡 卓 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 3G022 AA07 CA01 DA02 GA09 3G084 AA03 AA04 BA09 BA13 BA15 BA17 CA01 DA10 FA20 3G092 AA01 AA06 AA09 AA14 BA04 BA09 BB06 BB10 CA06 CA07 CA09 CB05 DE03S EA04 EA09 EA11 EA22 FA08 FA18 GA01 HB01X HB02X HB03Z HC09X HE08Z 3G301 HA01 HA04 HA07 HA16 JA12 JA26 KA02 KA03 LB04 MA01 MA11 MA19 NE12 NE14 NE15 NE19 PB03Z PB05Z PB08Z PE08Z PE09Z

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機関始動開始時における蓄圧室内の燃料
   圧力が設定値未満の時には、一部気筒だけへ燃料を噴射
   して一部気筒運転により機関始動を開始することを特徴
   とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
2. 【請求項２】 前記一部気筒には吸気行程で燃料が噴射
   されることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火
   花点火内燃機関。
3. 【請求項３】 機関始動開始時における前記蓄圧室内の
   燃料圧力が前記設定値以上の時には、全気筒へ圧縮行程
   で燃料を噴射して全気筒で成層燃焼を実施することによ
   り機関始動を開始し、点火時期の遅角を可能とすること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点
   火内燃機関。