JP2004027924A

JP2004027924A - 筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2004027924A
Application number: JP2002183777A
Authority: JP
Inventors: Isamu Hotta; 堀田　勇; Hirobumi Tsuchida; 土田　博文; Masaaki Kubo; 久保　賢明; Toru Noda; 野田　徹
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2022-06-25
Also published as: JP4078894B2

Abstract

【課題】機関の運転条件に応じて、適切な濃度・大きさの混合気塊を、容積の固定されたピストンキャビティ３ｂを持つ燃焼室内に形成可能とする手段を提供する。
【解決手段】燃焼室４上部に設置された燃料噴射弁１１から噴射される噴霧の単位時間当たりの運動量を機関負荷に応じて変化させる。これによって、機関の負荷に応じて、適切な濃度・大きさの混合気塊を燃焼室４内に形成可能となる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直噴火花点火式内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火花点火燃焼に際し、燃料噴射弁から筒内に燃料を直接噴射し、筒内に成層化した混合気を形成することで、大幅な希薄燃焼を行う内燃機関は、特に低・中負荷において、大幅に燃料消費が低減できることが知られている。
【０００３】
このような直噴火花点火式内燃機関においては、混合気を着実に点火・燃焼せしめるために、機関の回転・負荷に応じて、筒内に適切な大きさ・空燃比の混合気塊を、確実に成層化した状態で形成することが重要である。
【０００４】
このような直噴火花点火式内燃機関において、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧をピストンボウルヘ衝突させ、ピストンボウル形状に沿った噴霧の循環流を形成することにより、筒内に適切な成層混合気を形成する手法がある。このような成層混合気形成手段として、例えば特開平１１−８２０２８号公報に示されているものがある。これは、燃料噴射弁をピストンボウルの真上近傍に配置し、燃料噴霧をピストンボウル周壁画に衝突させ、ピストンボウル中心部へ向かう噴霧循環流を形成することにより、筒内に適切な成層混合気を形成する手法である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、機関の負荷の増減に対して、混合気塊の空燃比をいわゆる理論空燃比近傍に維持するためには、混合気塊の大きさを制御する必要があるが、前記のようにピストンボウルを使って主に混合気の成層化を行う場合、ピストンボウル容積を負荷に対して可変にすることは困難であるので、低負荷時は混合気塊の空燃比が過薄となり、高負荷時は混合気塊の空燃比が過濃となる傾向が生じてしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、機関の運転条件に応じて、適切な濃度・大きさの混合気塊を、容積の固定されたピストンボウルを持つ燃焼室内に形成可能とする手段を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、燃焼室上部に設置された燃料噴射弁から噴射される噴霧の単位時間当たりの運動量を機関負荷に応じて変化させている。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、料噴射弁から噴射される噴霧の単位時間当たりの運動量を機関負荷に応じて変化させることにより、燃焼室内に形成される混合気塊を適切な能動及び大きさに制御することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１０】
図１は本発明の実施例の構成を示すものである。この内燃機関は、シリンダヘッド１、シリンダブロック２及びピストン３により画成される燃焼室４を有し、排気バルブ５及び吸気バルブ６を介して、吸気ポート７から新気を導入及び排気ポート８から排気を排出する。前記バルブを駆動するカム軸端には燃料ポンプ９が配置され、燃料ポンプ９は、燃圧センサ９ａを有しておりフィードバック制御により任意の圧力に制御可能となっている。燃料ポンプ９により加圧された燃料は燃料配管１０を介して燃料噴射弁１１より燃焼室４へ噴射可能である。また、燃料噴射弁１１はピエゾ式のアクチュエータを有し、針弁リフト量を任意に制御可能となっており、任意の噴口断面積に制御可能となっている。
【００１１】
ピストン３の燃料噴射弁１１に対面する部分、すなわちピストン冠面には、燃料噴射弁１１から噴射される噴霧の中心軸と略同一中心軸となるような、略円形状のリエントラント型のピストンキャビティ３ｂが形成されている。
【００１２】
このピストンキャビティ３ｂに噴射された燃料は、キャビティ底面３ｃの略中心部に衝突し、キャビティ底面３ｃの略中心部からキャビティ底面３ｃの外周側に向かって広がり、燃料噴射弁１１から噴射される噴霧の中心軸に対して傾いたキャビティ側壁３ｄに衝突することによって、このピストンキャビティ３ｂ内に混合気塊を形成する。そして、この混合気は、点火プラグ１２により点火・燃焼せしめられる。但し、燃料ポンプ９は、別に配置された電気モータにより駆動される形式としてもよい。
【００１３】
尚、この内燃機関はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１３にて統合的に制御される。このためＥＣＵ１３にはクランク角センサ信号、冷却水温、アクセル開度信号が入力され、これらの信号を基に、前記の各制御を行う。
【００１４】
また、本内燃機関では、燃焼形態として主に、圧縮行程中（特に、圧縮行程後半）に燃料噴射を行うことでリーン運転を実現し燃費を向上させる成層燃焼モードと、吸気行程中（特に吸気行程前半）に燃料噴射を行いストイキ運転（理論空燃比運転）を実現する均質燃焼モードとが設けられており、運転状態に応じて選択されるようになっている。
【００１５】
図２及び図３に本実施形態における、運転負荷と燃料噴射弁１１より噴射される単位時間あたりの噴霧の運動量との関係及び各運転負荷における燃焼室内の燃料混合気分布を示す。
【００１６】
成層燃焼モードにおける低負荷においては、噴射される燃料量が少ないため、単位時間あたりの噴霧の運動量が大きいと、噴射された燃料が燃焼室内部で高拡散され、着火及び燃焼安定性の悪い希薄混合気が形成される。そのため、低負荷時においては、単位時間あたりの噴霧の運動量を低下させ、噴霧の高拡散を抑制することにより、着火及び燃焼安定性に優れるストイキ近傍の混合気を形成可能となる（図３ａを参照）。
【００１７】
一方、成層燃焼モードにおける高負荷時においては、噴射される燃料量が多いため、単位時間あたりの噴霧の運動量が小さいと、噴射された燃料が燃焼室内部で比較的コンパクトに混合気形成され、エミッション性能の悪い過濃混合気が形成される。そのため、成層燃焼モードにおいては、負荷の増大に伴って、単位時間あたりの噴霧の運動量を増加させ、噴霧を高拡散させることにより、着火及び燃焼安定性に優れるストイキ近傍の混合気を形成可能となる（図３ｂ，図３ｃを参照）。
【００１８】
また、均質燃焼モードににおいては、吸気行程前半に燃料を噴射し、吸入空気のガス流動を利用して噴射燃料を拡散させることによって、燃焼室４内に均質混合気を形成可能となる（図３ｄを参照）。
【００１９】
本実施形態における燃料噴射弁より噴射される単位時間あたりの噴霧の運動量は、概略燃料噴射圧力と噴口断面積との積により決定される。
【００２０】
そのため、運転負荷の増大に伴い、噴口断面積一定で燃料噴射圧力を増大することにより適切な混合気分布を形成可能となる。この場合、ピエゾ式燃料噴射弁等のように針弁リフト量を変化させ、噴口断面積を変化させる必要が無く、低コストで実現可能となる。
【００２１】
一方、運転負荷の増大に伴い、燃料噴射圧力一定で噴口断面積を増大することにより適切な混合気分布を形成可能となる。この場合、可変燃圧ポンプ等を用いる必要が無く、低コストで実現可能であり、また、噴射圧力の増加に伴う燃料ポンプのエネルギ損失が無くなる為、機関の燃料消費も低減可能となる。
【００２２】
また、低負荷時においては、噴口断面積を小さくし燃料噴射圧力を増大することにより、燃料の微粒化特性を良好にし且つコンパクトな燃料混合気の形成が可能となる。
【００２３】
以上のように、負荷に応じて燃料噴射弁より噴射される単位時間あたりの噴霧の運動量を制御することで、低負荷時においては、噴霧の拡散・混合を抑制して、比較的小さな混合気塊を形成し、比較的高負荷時においては、噴霧の拡散・混合を促進して、ピストンキャビティ３ｂ内から外部に至る比較的大きな混合気塊を形成し、幅広い機関運転条件下において、良好に燃焼せしめるのである。これが本発明の要旨である。
【００２４】
図４に本実施形態における燃料噴射制御ルーチンの制御フローを示す。このルーチンはＥＣＵ１３内で所定時間毎に実行される。
【００２５】
Ｓ１では、エンジン回転速度Ｎｅ、目標トルクｔＴｃ、燃料圧力ｒＰｆを読み込む。なお、エンジン回転速度Ｎｅはクランク角センサからの信号に応じて算出される値であり、目標トルクｔＴｃはエンジン回転速度Ｎｅとアクセル開度センサ出力とに基づいて算出される値であり、燃料圧力ｒＰｆは燃圧センサ９ａの検出値である。
【００２６】
Ｓ２では、現在のエンジン運転条件（エンジン回転速度Ｎｅ、目標トルクｔＴｃ）が成層燃焼運転領域にあるか否かを判断する。本実施形態では、低回転低負荷領域を成層燃焼領域とし、高回転高負荷領域を均質燃焼領域としている（図５参照）。
【００２７】
エンジン運転条件が成層燃焼運転領域にある場合はＳ３へ進み、目標トルクｔＴｃに基づいて燃料噴射量Ｑｆを算出する。
【００２８】
Ｓ４では、目標トルクｔＴｃとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて燃料噴霧の単位時間当たりの目標運動量ｔＭｆを算出する。図２で説明した通り、エンジン負荷（目標トルクｔＴｃ）が高くなるほど燃料噴霧の単位時間当たりの目標運動量ｔＭｆを大きくする。なお、図２のｔＭｆは図５中の一点鎖線上（エンジン回転速度一定）の目標運動量特性を示したものである。
【００２９】
Ｓ５では、目標トルクｔＴｃとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて目標燃料圧力ｔＰｆを算出する。具体的には、図２に示すように、成層燃焼領域内の中負荷領域で目標燃料圧力ｔＰｆを低圧側固定値ＰｆＬに設定し、成層燃焼領域内の低負荷領域と高負荷領域では高圧側固定値ＰｆＨに設定する。ＥＣＵ１３は、本ステップ（あるいは後述のＳ１１）で算出した目標燃料圧力ｔＰｆと実際の燃料圧力ｒＰｆとに基づいて燃圧のフィードバック制御（燃料ポンプ９の制御）を行う。燃料噴霧の運動量のみに着目すれば、負荷が高いほど目標燃料圧力ｔＰｆを高く設定するのが有利であるが、本実施形態では低負荷時の燃料微粒化のため、低負荷領域でも高圧側固定値ＰｆＨを使用している。
【００３０】
Ｓ６では、燃料噴霧の単位時間当たりの目標運動量ｔＭｆと実際の燃料圧力ｒＰｆとに基づいて燃料噴射弁のリフト量Ｌｉを算出する。具体的には、ｔＭｆとｒＰｆとに対応させてＬｉを記憶させてある制御マップから値をルックアップする。本実施形態では、燃圧制御の応答遅れを考慮して実際の燃料圧力ｒＰｆを使っているが、応答遅れが小さい場合はｒＰｆの代わりに目標燃料圧力ｔＰｆを使用してＬｉを算出してもよい。
【００３１】
Ｓ７では、燃料噴射量Ｑｆと燃料噴射弁リフト量Ｌｉと燃料圧力ｒＰｆとに基づいて燃料噴射弁の駆動時間Ｔｉを算出する。
【００３２】
Ｓ８では、エンジン回転速度Ｎｅと燃料噴射弁駆動時間Ｔｉとに基づいて燃料噴射時期ＩＴを算出する。ここでは、ピストンキャビティ３ｂの内部およびその上方に成層混合気が形成されるよう圧縮行程後半の噴射時期が算出される。Ｎｅが低いほど、また、Ｔｉが短いほどＩＴは圧縮上死点に近いクランク角度となり、反対にＮｅが高いほど、また、Ｔｉが長いほど圧縮上死点から進角したクランク角度となる。
【００３３】
Ｓ２でエンジン運転条件が成層燃焼運転領域にない（均質燃焼運転領域にある）場合はＳ９へ進み、目標トルクｔＴｃに基づいて燃料噴射量Ｑｆを算出する。均質燃焼と成層燃焼とでは燃焼の効率が異なるので、同じ目標トルクｔＴｃに対して算出されるＱｆがＳ３と本ステップとでは異なっている。
【００３４】
Ｓ１０では、燃料噴霧の単位時間当たりの目標運動量ｔＭｆを均質燃焼用の固定値Ｍｆｈｏに設定する。均質燃焼用の混合気を形成する場合は吸入空気のガス流動を利用して燃料を拡散させることができるため、ここでの目標運動量ｔＭｆは成層燃焼時と比較して小さい値となっている。
【００３５】
Ｓ１１では、目標燃料圧力ｔＰｆを低圧側固定値ＰｆＬに設定する。大きな運動量が必要ない場合、燃圧を低くしたほうが燃費の点で有利である。
【００３６】
Ｓ１２では、燃料噴射弁リフト量Ｌｉを均質燃焼用の固定値Ｌｉｈｏに設定する。
【００３７】
Ｓ１３では、燃料噴射量Ｑｆと燃料噴射弁リフト量Ｌｉと燃料圧力ｒＰｆとに基づいて燃料噴射弁の駆動時間Ｔｉを算出する。
【００３８】
Ｓ１４では、エンジン回転速度Ｎｅと燃料噴射弁駆動時間Ｔｉとに基づいて燃料噴射時期ＩＴを算出する。ここでは、燃焼室全体に均質混合気が形成されるよう吸気行程中の噴射時期が算出される。
【００３９】
エンジン回転に同期して実行される燃料噴射実行ルーチンでは、各気筒のクランク角度が上記のルーチンで算出された燃料噴射時期ＩＴになると燃料噴射弁駆動時間Ｔｉ相当の噴射弁駆動パルス信号を燃料噴射弁へ出力する。
【００４０】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態では第１の実施形態との違いについてのみ説明する。
【００４１】
図６は本発明に係る直噴火花点火式内燃機関の第２の実施形態の構成を示すシステム図である。本実施形態での構成は、基本的に第一の実施形態（図１）の構成に類似しているが、カム軸端には空気ポンプ１４が配置され、空気ポンプ１４は、空気圧センサを有しておりフィードバック制御により任意の圧力に制御可能となっている。空気ポンプ１４により加圧された空気は空気配管１５を介してエアアシスト噴射弁１６より燃焼室４へ噴射可能である。また、エアアシスト噴射弁１６はピエゾ式のアクチュエータを有し、針弁リフト量を任意に制御可能となっており、任意の噴口断面積に制御可能となっている。
【００４２】
エアアシスト噴射弁１６について更に詳しく説明する。
【００４３】
前記バルブを駆動するカム軸端に燃料ポンプ９が配置され、燃料配管１０を経由して、エアアシスト噴射弁１６に加圧された燃料を供給する。もう一方のカム軸端には空気ポンプ１４が配置され、空気配管１５を経由して、エアアシスト噴射弁１６に加圧された空気を供給する。但し、燃料ポンプ９及び空気ポンプ１３は、別に配置された電気モータにより駆動される形式としてもよい。
【００４４】
エアアシスト噴射弁１６は、図７に概略構造図を示すように、燃焼室内に臨む主インジェクタ１７と、主インジェクタ１７の混合気室１７ａに臨む副インジェクタ１８とから構成される。
【００４５】
すなわち、エアアシスト噴射弁１６の本体である主インジェクタ１７の内部に、前記空気配管１５が接続される混合気室１７ａがあり、この混合気室１７ａは燃焼室内に臨む主インジェクタ１７の噴口１７ｂに接続されている。この噴口１７ｂはピエゾ式アクチュエータにより駆動される針弁１７ｃにより開閉される。また、副インジェクタ１８の内部に、前記燃料配管１０が接続され、混合気室１７ａへ直接燃料を噴射可能となっている。
【００４６】
本実施形態における燃料噴射弁より噴射される単位時間あたりの噴霧の運動量は、概略エアアシスト噴射弁１６の空気噴射圧力と噴口断面積との積により決定される。
【００４７】
そのため、運転負荷の増大に伴い、噴口断面積一定で空気噴射圧力を増大することにより適切な混合気分布を形成可能となり、特に高負荷時には、空気噴射圧力の増加に伴う燃料の微細化特性が良好となる。この場合、ピエゾ式噴射弁等のように針弁リフト量を変化させ、噴口断面積を変化させる必要が無く、低コストで実現可能となる。
【００４８】
一方、運転負荷の増大に伴い、空気噴射圧力一定で噴口断面積を増大することにより適切な混合気分布を形成可能となる。この場合、可変空気圧ポンプ等を用いる必要が無く、低コストで実現可能であり、また、空気噴射圧力の増加に伴う空気ポンプのエネルギ損失が無くなる為、機関の燃料消費も低減可能となる。
【００４９】
また、低負荷時において噴口断画積を小さくし空気噴射圧力を増大することにより、噴霧の運動量を低下させつつ空気噴射圧力の増大が可能となるため、燃料の微粒化特性を良好にし且つコンパクトな燃料混合気の形成が可能となる。
【００５０】
図８は本実施形態におけるＥＣＵ１３での制御フローを示したものである。本実施形態は、空気噴射圧力及び噴口断面積を負荷に応じて制御して、エアアシスト噴射弁１６より噴射される単位時間あたりの噴霧の運動量を制御するものであるが、その制御は以下に示すように、予め運転条件に対して割り付けた燃料噴射タイミング及び燃料噴射量テーブル、空気噴射タイミング及び空気噴射量テーブルを参照することで、容易に実現可能である。
【００５１】
先ずステップ２１では、クランク各センサ、アクセル開度等からの信号に基づき、機関の回転速度や負荷を検出する。
【００５２】
次にステップ２２では、機関の運転条件に基づいた燃料噴射タイミング及び燃料噴射量を予め記憶させておいたテーブルより読み込む。
【００５３】
次にステップ２３では、機関の運転条件に基づいた空気噴射タイミング及び空気噴射量を予め記億させておいたテーブルより読み込む。ここで、これらのテーブルの設定により、機関負荷の増大に応じて、エアアシスト噴射弁１６より噴射される単位時間あたりの噴霧の運動量を増大せしめるべく、空気噴射圧力または噴口断面積を増大させることは言うまでもない。
【００５４】
次にステップ２４では、前ステップまでに決まった噴射パラメータに従って、所定の燃料圧力を供給する燃料ポンプ９及び燃料噴射弁１１の針弁を駆動する信号と、所定の空気圧力を供給する空気ポンプ１４及びエアアシスト噴射弁１６の針弁１７ｃを駆動する信号とを出力することで、燃料および空気の噴射を制御する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の構成を示す説明図。
【図２】運転負荷に対する単位時間当たりの噴霧の運動量、噴射弁リフト量及び目標燃料圧力の関係を示す説明図。
【図３】各運転負荷における燃焼室内の燃料混合気分布を示す説明図。
【図４】本発明の第１の実施形態における制御の流れを示すフローチャート。
【図５】エンジン運転条件を判定する際に用いるマップ図。
【図６】本発明の第１の実施形態の構成を示す説明図。
【図７】エアアシスト噴射弁の概略構成を示す説明図。
【図８】本発明の第１の実施形態における制御の流れを示すフローチャート。
【符号の説明】
１…シリンダヘッド
２…シリンダブロック
３…ピストン
３ｂ…ピストンキャビティ
４…燃焼室
５…排気バルブ
６…吸気バルブ
７…吸気ポート
８…排気ポート
９…燃料ポンプ
１０…燃料配管
１１…燃料噴射弁
１２…点火プラグ
１３…エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１４…空気ポンプ
１５…空気配管
１６…エアアシスト噴射弁
１７…主インジェクタ
１７ａ…混合気室
１７ｂ…噴口
１７ｃ…針弁
１８…副インジェクタ

Claims

燃焼室上部に設置された燃料噴射弁から噴射される噴霧の単位時間当たりの運動量を機関負荷に応じて変化させることを特徴とする筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
燃焼室上部に燃料噴射弁が設置され、
圧縮行程中に上記燃料噴射弁から燃料を筒内に噴射して成層化した混合気を形成することにより成層燃焼を行う成層燃焼モードと、
吸気行程中に上記燃料噴射弁から燃料を筒内に噴射して略均質化した混合気を形成することにより均質燃焼を行う均質燃焼モードと、を運転状態に応じて選択可能であり、
上記成層燃焼モードでは、機関負荷に応じて上記燃料噴射弁から噴射される噴霧の単位時間当たりの運動量を変化させることを特徴とする筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
ピストン冠面には、上記燃料噴射弁から噴射される噴霧の中心軸と略同一中心軸となる略円形状のリエントラント型のピストンキャビティが形成され、
キャビティ底面の略中心部に衝突した燃料噴霧を、上記キャビティ底面の略中心部からキャビティ底面の外周側に向かって広がらせ、燃料噴射弁から噴射される噴霧の中心軸に対して傾いたキャビティ側壁に衝突させていることを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
機関負荷の増大に伴い上記燃料噴射弁から噴射される噴霧の単位時間当たりの運動量を増大させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
上記燃料噴射弁の燃料噴射圧力を増大させることによって、上記燃料噴射弁から噴射される噴霧の単位時間当たりの運動量を増大させていることを特徴とする請求項４に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
上記燃料噴射弁の燃料噴射圧力を増大させる際には、上記燃料噴射弁の噴孔断面積を減少させていることを特徴とする請求項５に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
上記燃料噴射弁の噴孔断面積を減少させることによって、上記燃料噴射弁から噴射される噴霧の単位時間当たりの運動量を増大させていることを特徴とする請求項４に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
上記燃料噴射弁は燃料と少なくとも１種類の気体を噴射するものであり、上記燃料噴射弁から燃料と伴に噴射される気体の気体噴射圧力を増大させることによって、上記燃料噴射弁から噴射される噴霧の単位時間当たりの運動量を増大させることを特徴とする請求項４に記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
上記燃料噴射弁から燃料と伴に噴射される気体の気体噴射圧力を増大させる際には、上記燃料噴射弁の噴孔断面積を減少させていることを特徴とする請求項８に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。