JP2006052687A - Cylinder direct injection internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To promote the early activation of an exhaust gas purification catalyst, minimizing the exhaust of an HC into environmental air, until the exhaust gas purification catalyst is activated from the start, in a cylinder direct injection internal combustion engine. <P>SOLUTION: An exhaust gas purification device of the internal combustion engine comprises a fuel injection valve 6 installed at the almost middle part of a combustion chamber 4 upper part to directly inject fuel into a cylinder, and the exhaust gas purification catalyst 11 installed in an exhaust passage 9 of the engine. In the exhaust gas purification device stratified combustion operation is carried out to perform stratified combustion by injecting fuel from the fuel injection valve 6 with spark ignition. In specified running conditions (for example, when the temperature of the exhaust gas purification catalyst is lower than a predetermined temperature, or the cycle number from the first explosion is less than a predetermined cycle number), while the fuel is injected in the expansion stroke, the injected fuel spray is directly ignited before it reaches the wall surface of the combustion chamber, so as to perform stratified combustion. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、筒内直接噴射式内燃機関に関し、特に、始動開始から排気浄化触媒が活性化するまでの間における大気中へのHCの排出量を抑制しつつ、排気浄化触媒を早期に活性化させる技術に関する。   The present invention relates to an in-cylinder direct injection internal combustion engine, and in particular, activates an exhaust purification catalyst at an early stage while suppressing the amount of HC discharged into the atmosphere from the start to the activation of the exhaust purification catalyst. It is related to the technology.

火花点火燃焼に際して、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筒内直接噴射式内燃機関は、特に低・中負荷領域において、大幅に燃料消費が低減できることが知られている。
そして、このような筒内直接噴射式内燃機関に関して、冷機始動からの暖機過程において、排気浄化触媒の活性化の促進を図るべく、いくつかの技術が提案されている。
In-cylinder direct injection internal combustion engines that perform significant lean combustion by directly injecting fuel into the cylinder from the fuel injection valve and forming a stratified mixture in the cylinder during spark ignition combustion are particularly It is known that fuel consumption can be greatly reduced in the load region.
With respect to such an in-cylinder direct injection internal combustion engine, several techniques have been proposed in order to promote the activation of the exhaust purification catalyst in the warm-up process from the cold start.

例えば、特許文献1に記載の技術では、排気昇温が要求されるときに、噴射時期を遅角して燃料と空気との混合時間を少なくし、点火プラグ周りの局所的な空燃比をオーバーリッチとすることで不完全燃焼物であるCOを生成させ、この生成したCOと燃焼に寄与しなかった筒内の余剰酸素とを主燃焼以降に反応させることにより、排気温度を上昇させるようにしている。   For example, in the technique described in Patent Document 1, when the exhaust gas temperature rise is required, the injection timing is retarded to reduce the mixing time of fuel and air, and the local air-fuel ratio around the spark plug is exceeded. By making it rich, CO, which is an incompletely combusted product, is generated, and this generated CO and excess oxygen in the cylinder that did not contribute to combustion are reacted after the main combustion, so that the exhaust temperature is raised. ing.

また、特許文献2に記載の技術では、層状燃焼のための主噴射を圧縮行程で行うとともに追加燃料を膨張行程で噴射するようにし、主燃焼(層状燃焼)を緩慢化させて追加燃料噴射直前の前炎反応生成物濃度を高めることにより、追加燃料を主燃焼の火炎伝播によって自己着火燃焼させて、排気温度を上昇させるようにしている。
特開平10−169488号公報 特開平10−212995号公報
In the technique described in Patent Document 2, main injection for stratified combustion is performed in the compression stroke and additional fuel is injected in the expansion stroke, and the main combustion (stratified combustion) is slowed down to immediately before the additional fuel injection. By increasing the pre-flame reaction product concentration, the additional fuel is self-ignited and combusted by the main combustion flame propagation to raise the exhaust gas temperature.
JP-A-10-169488 Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-212995

ところで、上記特許文献1に記載の筒内直接噴射式内燃機関は、燃料噴射弁が燃焼室の端(サイド)に設置されており、燃料は燃焼室内に斜めに噴射されてピストンキャビティによって点火プラグ周りへ運ばれる構造となっている。このような構造では、排気浄化触媒の昇温が要求されるとき(例えば、冷機始動から暖機過程)には、暖機時と比較して噴射された燃料があまり気化しないため、壁面に衝突した燃料はそのまま壁面に付着して液膜を形成しやすい。このため、後燃え時の余剰酸素との反応性が高い不完全燃焼物(CO、H2)の比率が減少して反応性の低い未燃HCの割合が増加してしまうと考えられ、大気中へ多くのHCを排出するおそれがある。 By the way, in the direct injection type internal combustion engine described in Patent Document 1, the fuel injection valve is installed at the end (side) of the combustion chamber, and the fuel is injected obliquely into the combustion chamber and is ignited by the piston cavity. It is structured to be carried around. In such a structure, when the temperature of the exhaust purification catalyst is required (for example, from the cold start to the warm-up process), the injected fuel does not vaporize much as compared with the warm-up, and thus collides with the wall surface. The deposited fuel easily adheres to the wall surface and forms a liquid film. For this reason, it is considered that the ratio of incompletely combusted matter (CO, H 2 ) having high reactivity with surplus oxygen at the time of afterburning decreases and the ratio of unreacted unburned HC increases. There is a risk of discharging a large amount of HC.

また、点火プラグ周りの局所的な空燃比をオーバーリッチとすることにより、部分的なリッチ失火が想定され、燃焼安定性が悪化するため、排気温度上昇の重要な因子である点火時期の設定範囲が狭くなってしまう(設定し難い)と考えられる。
点火時期は、排気温度の上昇又は後燃えによるHC低減効果に対して非常に感度を持っており、機関安定度限界の範囲内で最大限遅角させて設定するのが効果的である。すなわち、排気温度上昇の観点から言えば、点火時期は圧縮上死点後、膨張行程初期から中期に設定されることが望ましい。
In addition, by setting the local air-fuel ratio around the spark plug to be overrich, partial rich misfire is assumed and combustion stability deteriorates, so the ignition timing setting range, which is an important factor of exhaust temperature rise, is set. Is considered to be narrow (it is difficult to set).
The ignition timing is very sensitive to the HC reduction effect due to the exhaust gas temperature rise or afterburning, and it is effective to set the ignition timing with the maximum delay within the engine stability limit range. In other words, from the viewpoint of increasing the exhaust gas temperature, it is desirable that the ignition timing be set from the initial stage of the expansion stroke to the middle stage after the compression top dead center.

ここで、特許文献1に記載の筒内直接噴射式内燃機関において、点火時期を膨張行程初期から中期に設定しようとすると、点火プラグ周りの空燃比をオーバーリッチにするためには噴射時期と点火時期を近づけて空気との混合時間を少なくする必要があり、噴射時期は必然的に膨張行程になる。しかし、かかる膨張行程ではピストンが下降していくため、ピストンキャビティへ向けて噴射された燃料が、点火プラグ周りへ十分に運ばれず、失火を招くおそれがあり(図3(a)参照)、点火時期を膨張行程初期から中期に設定することが困難である。   Here, in the in-cylinder direct injection internal combustion engine described in Patent Document 1, if it is attempted to set the ignition timing from the initial stage to the middle stage of the expansion stroke, the injection timing and the ignition are required to make the air-fuel ratio around the spark plug overrich. It is necessary to reduce the mixing time with the air by approaching the timing, and the injection timing inevitably becomes an expansion stroke. However, since the piston descends in such an expansion stroke, the fuel injected toward the piston cavity is not sufficiently transported around the spark plug and may cause misfire (see FIG. 3A). It is difficult to set the timing from the initial stage of the expansion stroke to the middle stage.

一方、特許文献2に記載の筒内直接噴射式内燃機関において、膨張行程に噴射した追加燃料の燃焼は自己着火燃焼であるため、その噴射時期又は主燃焼時の点火時期を厳密に制御する必要がある。さらに、始動直後のように燃焼室温度が低い状況下では、追加燃料の燃え残りが発生し、環境大気中へのHCの排出量が増大する可能性がある。
このように、特許文献1、2に記載の筒内直接噴射式内燃機関では、いずれもHC排出量の抑制(特に始動直後)及び排気浄化触媒の早期活性化(排気温度上昇)といった点で更なる改良の余地があった。
On the other hand, in the in-cylinder direct injection internal combustion engine described in Patent Document 2, since the combustion of the additional fuel injected in the expansion stroke is self-ignition combustion, it is necessary to strictly control the injection timing or the ignition timing at the main combustion. There is. Furthermore, under conditions where the combustion chamber temperature is low, such as immediately after startup, there is a possibility that additional fuel will remain unburned, and the amount of HC discharged into the ambient atmosphere may increase.
As described above, the direct injection internal combustion engines described in Patent Documents 1 and 2 are both improved in terms of suppression of HC emission (particularly immediately after startup) and early activation of the exhaust purification catalyst (exhaust temperature rise). There was room for improvement.

本発明は、以上のような点に着目してなされたものであり、筒内直接噴射式内燃機関において、始動開始から排気浄化触媒が活性化するまでの間における環境大気中へのHCの排出を最大限に抑制しつつ、排気浄化触媒の早期活性化を促進すること並びに低負荷の成層運転が続いた等の原因により排気浄化触媒の温度が活性温度より低下した際にも直ちに活性化温度へと戻すことを目的とする。   The present invention has been made paying attention to the above points, and in an in-cylinder direct injection internal combustion engine, the discharge of HC into the ambient atmosphere from the start to the activation of the exhaust purification catalyst. The activation temperature is immediately activated even when the temperature of the exhaust purification catalyst falls below the activation temperature, for example, by promoting early activation of the exhaust purification catalyst while maximizing The purpose is to return.

このため、本発明は、燃焼室上部の略中央部に設けられ、筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、機関の排気通路に介装された排気浄化触媒と、を有し、前記燃料噴射弁から燃料を噴射して火花点火により層状燃焼させる成層燃焼運転を実施している筒内直接噴射式内燃機関において、特定の運転条件時に、膨張行程にて燃料を噴射するとともに噴射された燃料噴霧が前記燃焼室の壁面に到達する前に直接点火を行って層状燃焼させることを特徴とする。   For this reason, the present invention includes a fuel injection valve that is provided in a substantially central portion of the upper portion of the combustion chamber and directly injects fuel into the cylinder, and an exhaust purification catalyst interposed in an exhaust passage of the engine, In a direct injection internal combustion engine that performs stratified combustion operation in which fuel is injected from a fuel injection valve and stratified combustion is performed by spark ignition, fuel is injected and injected in an expansion stroke under specific operating conditions. Before the fuel spray reaches the wall surface of the combustion chamber, the fuel spray is directly ignited to cause stratified combustion.

本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関によると、排気温度上昇の観点から点火時期を圧縮上死点後、膨張行程初期から中期に設定した場合でも、点火時期に点火プラグ周りに混合気が確実に形成されることとなり、膨張行程時に噴射した燃料のほぼ全量を燃焼させることができる。ここで、膨張行程噴射での燃焼最高到達温度は通常の均質又は成層燃焼と比較して低いためNOxの排出が低減され、また、熱発生位置が遅角であるため、未燃HCの後燃えも促進されて排気温度が上昇し、HCの排出を抑制することできる。さらに、燃料噴霧が未燃のまま壁面に到達して液膜を形成することを抑制でき、壁流分のHCの排出も合わせて低減できる。   According to the direct injection internal combustion engine according to the present invention, even when the ignition timing is set from the compression top dead center to the middle of the expansion stroke from the viewpoint of exhaust gas temperature rise, the air-fuel mixture is generated around the spark plug at the ignition timing. As a result, the fuel is surely formed and almost all of the fuel injected during the expansion stroke can be burned. Here, since the maximum combustion temperature in the expansion stroke injection is lower than that in the normal homogeneous or stratified combustion, NOx emission is reduced, and since the heat generation position is retarded, afterburning of unburned HC As a result, the exhaust temperature rises and HC emissions can be suppressed. Furthermore, it is possible to suppress the fuel spray from reaching the wall surface without being burned to form a liquid film, and to reduce the discharge of HC for the wall flow.

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図1は、第1実施形態に係る筒内直接噴射式内燃機関(以下、単に「エンジン」という)の概略構成図である。エンジン1は、吸気ポート2及び吸気バルブ3を介して燃焼室4内に新気を導入する。燃焼室4の下部には、往復運動を行うピストン5が設けられており、燃焼室4の上部には、筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁6、燃焼室4内の混合気に火花点火を行う点火プラグ7が設けられている。ここで、点火プラグ7は、燃料噴射弁6からの噴射により形成される燃料噴霧の一部が直接到達する位置に配設されており、燃料噴射弁6は、圧縮行程後半における筒内圧上昇時にも噴霧形状の変化が小さく、指向性の強いホールノズル噴射弁を採用している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a direct injection type internal combustion engine (hereinafter simply referred to as “engine”) according to a first embodiment. The engine 1 introduces fresh air into the combustion chamber 4 via the intake port 2 and the intake valve 3. A piston 5 that reciprocates is provided at the lower part of the combustion chamber 4. A fuel injection valve 6 that directly injects fuel into the cylinder is sparked at the upper part of the combustion chamber 4, and an air-fuel mixture in the combustion chamber 4 is sparked. A spark plug 7 for igniting is provided. Here, the spark plug 7 is disposed at a position where a part of the fuel spray formed by the injection from the fuel injection valve 6 reaches directly, and the fuel injection valve 6 is at the time of in-cylinder pressure increase in the latter half of the compression stroke. In addition, the change in spray shape is small, and a highly directional hole nozzle injection valve is adopted.

燃焼終了後の排気は、排気バルブ8を介して燃焼室4から排気通路9に排出される。また、排気通路9には排気空燃比を検出する排気空燃比センサ21が設けられており、その下流には排気浄化触媒11が設けられている。なお、排気浄化触媒11には、排気浄化触媒11の温度を検出する触媒温度センサ22が設けられている。
吸気バルブ3、排気バルブ8は、それぞれ吸気カム12、排気カム13により駆動される。吸気カム軸の端部には燃料ポンプ14が介装されており、この燃料ポンプ14で加圧された燃料は高圧燃料配管15を通して燃料噴射弁6に導かれる。なお、高圧燃料配管15には(高圧燃料配管15内を通過する)燃料圧力を検知する燃圧センサ23が設けられている。
The exhaust gas after the completion of combustion is discharged from the combustion chamber 4 to the exhaust passage 9 via the exhaust valve 8. The exhaust passage 9 is provided with an exhaust air-fuel ratio sensor 21 for detecting the exhaust air-fuel ratio, and an exhaust purification catalyst 11 is provided downstream thereof. The exhaust purification catalyst 11 is provided with a catalyst temperature sensor 22 that detects the temperature of the exhaust purification catalyst 11.
The intake valve 3 and the exhaust valve 8 are driven by an intake cam 12 and an exhaust cam 13, respectively. A fuel pump 14 is interposed at the end of the intake camshaft, and the fuel pressurized by the fuel pump 14 is guided to the fuel injection valve 6 through the high-pressure fuel pipe 15. The high-pressure fuel pipe 15 is provided with a fuel pressure sensor 23 that detects the fuel pressure (passing through the high-pressure fuel pipe 15).

エンジン1は、エンジンコントロールユニット(ECU)20により統合的に制御される。このため、ECU20には、上記排気空燃比センサ21、触媒温度センサ22、燃圧センサ23のほか、吸入空気量を検出するエアフローメータ24、アクセル開度センサ25、クランク角センサ26、カム角センサ27、冷却水温度センサ28、スタータスイッチ29等から信号が入力され、ECU20はこれらの信号をもとに燃料噴射弁6、点火プラグ7並びに燃料ポンプ14等を制御する。   The engine 1 is integrally controlled by an engine control unit (ECU) 20. Therefore, in addition to the exhaust air / fuel ratio sensor 21, the catalyst temperature sensor 22, and the fuel pressure sensor 23, the ECU 20 includes an air flow meter 24 that detects the intake air amount, an accelerator opening sensor 25, a crank angle sensor 26, and a cam angle sensor 27. Signals are input from the coolant temperature sensor 28, the starter switch 29, and the like, and the ECU 20 controls the fuel injection valve 6, the spark plug 7, the fuel pump 14, and the like based on these signals.

また、燃焼形態としては、主に圧縮行程中に燃料噴射(圧縮行程噴射)を行うことでリーン運転を実現して燃費を向上させる「成層燃焼モード」と、吸気行程中に燃料噴射(吸気行程噴射)を行ってストイキ(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、エンジン運転状態に応じて燃焼形態(燃料モード)が選択されるようになっている。   In addition, as a combustion mode, a “stratified combustion mode” that realizes a lean operation by performing fuel injection (compression stroke injection) mainly during the compression stroke to improve fuel efficiency, and fuel injection (intake stroke during the intake stroke) A “homogeneous combustion mode” is provided to perform stoichiometric (theoretical air-fuel ratio) operation by performing injection, and the combustion mode (fuel mode) is selected according to the engine operating state.

図2は、本実施形態(第1実施形態)における燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算の制御フローチャートである。
図2において、S1では、吸入空気量QM、エンジン回転速度NE、アクセル開度APO、燃料圧力Pf、触媒温度Tcat等のエンジン運転条件を読込む。
S2では、アクセル開度APOから目標トルクTTCを求める。この目標トルクTTCは、例えば図に示すような目標トルクTTCをアクセル開度APOに割り付けたテーブルデータを予めECU20に格納しておき、読込んだアクセル開度APOに応じてテーブルデータを参照することで求めることが可能である。
FIG. 2 is a control flowchart for calculating the fuel injection amount, the injection timing, and the ignition timing in the present embodiment (first embodiment).
In FIG. 2, in S1, engine operating conditions such as the intake air amount QM, the engine rotational speed NE, the accelerator opening APO, the fuel pressure Pf, and the catalyst temperature Tcat are read.
In S2, the target torque TTC is obtained from the accelerator opening APO. For this target torque TTC, for example, table data in which the target torque TTC shown in the figure is assigned to the accelerator opening APO is stored in the ECU 20 in advance, and the table data is referred to according to the read accelerator opening APO. It is possible to ask for.

S3では、成層燃焼領域か否か(燃焼形態を成層燃焼とするか均質燃焼とするか)をエンジン運転条件に基づいて判断する。この判断は、エンジン回転速度NE及びエンジン負荷と燃焼形態との関係を実験により求めて予め記憶させておいたテーブルより読み込む。そして、成層燃焼領域であればS4に進み、成層燃焼領域でなければ(すなわち、均質燃料領域であれば)S12に進む。なお、基本的には、低負荷領域が成層燃焼領域、高負荷領域が均質燃焼領域と判断される。   In S3, it is determined based on the engine operating conditions whether or not the stratified combustion region is set (whether the combustion mode is stratified combustion or homogeneous combustion). In this determination, the relationship between the engine rotational speed NE and the engine load and the combustion mode is obtained from an experiment and read from a table stored in advance. If it is the stratified combustion region, the process proceeds to S4, and if it is not the stratified combustion region (that is, if it is the homogeneous fuel region), the process proceeds to S12. Basically, it is determined that the low load region is the stratified combustion region and the high load region is the homogeneous combustion region.

S4では、エンジン回転速度NE及び目標トルクTTCから目標燃空比TFBYAを求める。この目標燃空比TFBYAは、例えば図に示すような目標燃空比TFBYAをエンジン回転速度NE及び目標トルクTTCに割り付けたマップデータをECU20に格納しておき、これらの値に応じてマップデータを参照することで求めることができる。なお、目標燃空比TFBYAは目標空気過剰率λの逆数を意味する。   In S4, the target fuel-air ratio TFBYA is obtained from the engine speed NE and the target torque TTC. For this target fuel-air ratio TFBYA, for example, map data in which the target fuel-air ratio TFBYA as shown in the figure is assigned to the engine speed NE and the target torque TTC is stored in the ECU 20, and the map data according to these values is stored. It can be determined by referring to it. The target fuel / air ratio TFBYA means the reciprocal of the target excess air ratio λ.

S5では、現時点の触媒温度Tcatが触媒の活性温度TcatHに達しているかを判定する。触媒温度Tcatが活性温度TcatH以上であればS6に進み、以下のようにして通常の圧縮行程噴射による成層燃焼を行う(S6〜S8)。なお、かかる判定は、換言すれば排気浄化触媒11を昇温させる必要があるか否かを判定するものであり、Tcat<TcatHであれば排気浄化触媒11の昇温が要求されたことになる。   In S5, it is determined whether the current catalyst temperature Tcat has reached the catalyst activation temperature TcatH. If the catalyst temperature Tcat is equal to or higher than the activation temperature TcatH, the process proceeds to S6, and stratified combustion is performed by normal compression stroke injection as follows (S6 to S8). In other words, this determination is to determine whether or not the temperature of the exhaust purification catalyst 11 needs to be raised. If Tcat <TcatH, the temperature increase of the exhaust purification catalyst 11 is requested. .

S6では、例えばエンジン回転速度NE及び目標トルクTTCに割り付けたマップデータを参照して圧縮行程における最適な噴射開始時期ITcoを読込む。なお、ここで使用するマップデータは、負荷と最適な噴射開始時期ITcoとの関係を実験等により求め、予め格納したものである。
S7では、吸入空気量QMとエンジン回転速度NEとから定まる理論空燃比相当の基本燃料噴射量(K×QM/NE;Kは定数)と目標燃空比TFBYAとに基づいて、燃料噴射量Qfcoが設定される。
In S6, for example, the optimum injection start timing ITco in the compression stroke is read with reference to the map data allocated to the engine speed NE and the target torque TTC. Note that the map data used here is obtained by preliminarily storing the relationship between the load and the optimal injection start timing ITco through experiments or the like.
In S7, based on the basic fuel injection amount equivalent to the theoretical air-fuel ratio (K × QM / NE; K is a constant) determined from the intake air amount QM and the engine speed NE, and the target fuel-air ratio TFBYA, the fuel injection amount Qfco Is set.

S8では、点火時期ADVを算出する。ここで、成層燃焼では燃料噴射終了近傍の混合気に点火を行うので、例えば次に示す方法で点火時期ADVを算出する。
先ず、燃料圧力Pfにて燃料噴射量Qfcoを噴射するのに必要な噴射期間のクランク角換算値Tlを求める。この噴射期間(クランク角換算値)Tlは、例えば単位時間あたりの噴射量(噴射率)dQfを求め、基本噴射量Qfco及び噴射率dQfから次式(1)にて求める。なお、噴射率dQfは、燃料噴射弁6の燃料圧力Pfに対する噴射率特性を予め実験により求めてテーブルデータとしてECU20に格納しておき、読込んだ燃料圧力Pfに応じてテーブルデータを参照することで求めることが可能である(Cは単位換算用の定数)。
In S8, the ignition timing ADV is calculated. Here, in stratified combustion, since the air-fuel mixture near the end of fuel injection is ignited, for example, the ignition timing ADV is calculated by the following method.
First, the crank angle conversion value Tl for the injection period required to inject the fuel injection amount Qfco at the fuel pressure Pf is obtained. This injection period (crank angle conversion value) Tl is obtained, for example, by calculating the injection amount (injection rate) dQf per unit time and using the following equation (1) from the basic injection amount Qfco and the injection rate dQf. For the injection rate dQf, an injection rate characteristic with respect to the fuel pressure Pf of the fuel injection valve 6 is obtained in advance by experiment and stored in the ECU 20 as table data, and the table data is referred to according to the read fuel pressure Pf. (C is a constant for unit conversion).

Tl=Qfco/dQf×360×NE/60×C・・・(1)
そして、算出した噴射期間Tl、読込んだ噴射開始時期ITcoを用いて、次式(2)にて点火時期ADVを算出する。
ADV=ITco+Tl−Td・・・(2)
ここで、Tdは、噴霧の終端近傍に点火を行え、かつ噴霧先端が燃焼室4壁面に到達する前に点火を行えるように点火時期ADVを適合するための適合用の係数である。なお、この適合用の係数Tdは、予め実験により最適値を求めてそのデータをECU20のROMに格納しておき、その都度参照することで求めることが可能である。
Tl = Qfco / dQf × 360 × NE / 60 × C (1)
Then, the ignition timing ADV is calculated by the following equation (2) using the calculated injection period Tl and the read injection start timing ITco.
ADV = ITco + T1-Td (2)
Here, Td is a coefficient for adaptation for adapting the ignition timing ADV so that ignition can be performed near the end of spraying and ignition can be performed before the spray tip reaches the combustion chamber 4 wall surface. The coefficient Td for adaptation can be obtained by obtaining an optimum value in advance by experiment and storing the data in the ROM of the ECU 20 and referring to it each time.

一方、S5において触媒温度Tcatが活性温度TcatHを下回っていれば(すなわち、排気浄化触媒11の昇温が要求されると)S9に進み、以下のようにして膨張行程にて燃料を噴射する膨張行程噴射による成層燃焼を行う(S9〜S11)。
S9では、例えばエンジン回転速度NE及び目標トルクTTCに割り付けたマップデータを参照して膨張行程における最適な噴射開始時期ITeを読込む。なお、ここで使用するマップデータは、エンジン回転速度NE及びエンジン負荷と最適な噴射開始時期ITexとの関係を実験等により求め、予め格納したものである。なお、ここで読込まれる(設定される)噴射開始時期ITexは、噴射された供給燃料が比較的トルクとなる割合が高い膨張行程初期〜中期の間に設定される。
On the other hand, if the catalyst temperature Tcat is lower than the activation temperature TcatH in S5 (that is, if the temperature increase of the exhaust purification catalyst 11 is required), the process proceeds to S9, and the expansion for injecting fuel in the expansion stroke as follows. Stratified combustion is performed by stroke injection (S9 to S11).
In S9, for example, the optimum injection start timing ITe in the expansion stroke is read with reference to map data assigned to the engine speed NE and the target torque TTC. The map data used here is obtained by storing the relationship between the engine rotational speed NE and the engine load and the optimum injection start timing ITex through experiments and the like. The injection start timing ITex read (set) here is set between the initial stage and the middle stage of the expansion stroke where the ratio of the injected supplied fuel becomes relatively high.

S10では、膨張行程にて噴射する燃料噴射量Qfexを求める。この燃料噴射量Qfexの算出は上記S7と概略同様であるが、膨張行程噴射では供給燃料の全量がトルクとならない(一部は「後燃え」に用いられる)ため、その燃焼効率を考慮した燃焼効率係数Kco(>1)を乗算して最終的な燃料噴射量Qfexを求める。なお、燃焼補正係数Kcoは、例えば燃焼効率とエンジン負荷に対する関係を予め実験により求めてその関係をECU20のROMに格納しておき、エンジン回転速度NE及び目標トルクTTCに割り付けたマップデータを参照して読込む。また、目標燃空比TFBYAとなるように、燃焼効率を考慮することで増加した燃料量分に応じてスロットル(空気量)が調節される。   In S10, a fuel injection amount Qfex injected in the expansion stroke is obtained. The calculation of the fuel injection amount Qfex is substantially the same as S7 described above. However, in the expansion stroke injection, the entire amount of supplied fuel does not become torque (some are used for “afterburning”), and therefore combustion considering its combustion efficiency The final fuel injection amount Qfex is obtained by multiplying by the efficiency coefficient Kco (> 1). For the combustion correction coefficient Kco, for example, a relationship between the combustion efficiency and the engine load is obtained in advance through experiments, the relationship is stored in the ROM of the ECU 20, and the map data assigned to the engine speed NE and the target torque TTC is referred to. Read. Further, the throttle (air amount) is adjusted according to the fuel amount increased by considering the combustion efficiency so that the target fuel-air ratio TFBYA is obtained.

なお、膨張行程噴射による成層燃焼時は、その点火時期における点火プラグ7周辺の混合気がストイキよりリッチかつ着火可能な空燃比となり、また、膨張行程噴射による成層燃焼時は、そのトータル排気空燃比(燃焼室4内の平均空燃比)がストイキから弱リーン(排気A/F=14.4〜18程度)となるように制御されるのが望ましい。
S11では、点火時期ADVを算出する。かかる算出は、噴射開始時期ITex、燃料噴射量Qfexを用いてS8と同様である(式(1)、(2)参照)。
During stratified combustion by expansion stroke injection, the air-fuel ratio around the spark plug 7 at the ignition timing is richer than stoichiometric and can be ignited, and during stratified combustion by expansion stroke injection, the total exhaust air-fuel ratio It is desirable that the (average air-fuel ratio in the combustion chamber 4) be controlled so as to be slightly lean (exhaust A / F = 14.4 to 18) from stoichiometry.
In S11, the ignition timing ADV is calculated. This calculation is the same as S8 using the injection start timing ITex and the fuel injection amount Qfex (see formulas (1) and (2)).

S12(S3において均質燃料領域と判断された場合である)では、目標燃空比TFBYAに1を代入し、以下のようにして通常の吸気行程噴射による均質燃焼を行う(S13〜S15)。
S13では、吸気行程における燃料噴射開始時期ITinを設定する。なお、燃料噴射開始時期ITinは実験によりマッチングした、エンジン回転速度NEと目標トルクTTCに割り付けたマップデータをECU20に格納しておき、これらの値に応じて参照することで求めることができる。
In S12 (when it is determined that the fuel is in the homogeneous fuel region in S3), 1 is substituted for the target fuel-air ratio TFBYA, and the homogeneous combustion by the normal intake stroke injection is performed as follows (S13 to S15).
In S13, the fuel injection start timing ITin in the intake stroke is set. The fuel injection start timing ITin can be obtained by storing in the ECU 20 map data assigned to the engine rotational speed NE and the target torque TTC, which are matched by experiment, and referring to these values.

S14では、吸入空気量QMとエンジン回転速度NEとから定まる理論空燃比相当の基本燃料噴射量(K×QM/NE;Kは定数)が燃料噴射量Qfinとして設定される。
S15では、点火時期ADVの設定を行う。ここでの点火時期ADVの演算は、上記S8、S11(すなわち、膨張行程噴射の場合)とは異なり、例えばMBT設定とし、エンジン回転速度NE及び負荷に対するMBTの関係を実験により求めて予め記憶させておき、その都度参照することにより行う。
In S14, a basic fuel injection amount (K × QM / NE; K is a constant) corresponding to the theoretical air-fuel ratio determined from the intake air amount QM and the engine speed NE is set as the fuel injection amount Qfin.
In S15, the ignition timing ADV is set. The calculation of the ignition timing ADV here is different from the above S8 and S11 (that is, in the case of expansion stroke injection), for example, MBT is set, and the relationship between the engine rotation speed NE and the MBT with respect to the load is obtained by experiment and stored in advance. This is done by referring each time.

図3は、膨張行程噴射によって形成される混合気について、前記特許文献1に記載のもの(a)と本実施形態(b)とを比較したものである。
図3(a)に示すように、特許文献1に記載のものは、燃料を燃料室内に斜めに噴射する構成であるところ、膨張行程ではピストンが下降していくため、ピストンキャビティに向けて噴射した燃料が点火プラグ周りへと十分に運ばれず、失火のおそれがある。
FIG. 3 compares the mixture (a) described in Patent Document 1 with the present embodiment (b) for the air-fuel mixture formed by the expansion stroke injection.
As shown in FIG. 3 (a), the one described in Patent Document 1 is configured to inject fuel into the fuel chamber at an angle, and the piston descends during the expansion stroke, so that it is injected toward the piston cavity. The burned fuel is not transported enough around the spark plug and may cause misfire.

これに対し、本実施形態では、燃料噴射弁が燃焼室上部の略中央部に設けられ、(特定の運転条件時に)膨張行程にて燃料を噴射するとともに噴射された燃料噴霧が燃焼室の壁面に到達する前に直接点火を行うので(S3〜5、9〜11参照)、図3(b)に示すように、排気温度上昇の観点から望ましい点火時期、すなわち、点火時期を圧縮上死点後、膨張行程初期から中期に設定した場合であっても、点火時期に点火プラグ周りに確実に混合気が形成されることとなり、膨張行程時に噴射した燃料のほぼ全量を燃焼することが可能である。   On the other hand, in the present embodiment, the fuel injection valve is provided in a substantially central portion at the upper part of the combustion chamber, and the fuel spray injected while injecting fuel in the expansion stroke (during a specific operating condition) is the wall surface of the combustion chamber. As shown in FIG. 3B, the ignition timing that is desirable from the viewpoint of the exhaust gas temperature rise, that is, the ignition timing is compressed top dead center. Later, even when the expansion stroke is set from the initial stage to the middle stage, the air-fuel mixture is reliably formed around the spark plug at the ignition timing, and almost all of the fuel injected during the expansion stroke can be burned. is there.

ここで、膨張行程噴射での燃焼最高到達温度は、通常の均質または成層燃焼と比較して低いため、NOxの排出を低減することができる。また、熱発生位置が遅角(側)であることから、未燃HCの「後燃え」も促進されて排気温度が上昇し、HCの排出も抑制することが可能である。さらに、燃料噴霧が未燃のまま壁面に到達して液膜を形成することを抑制することができ、壁流分のHCの排出についても合わせて低減可能である。   Here, since the maximum combustion temperature in the expansion stroke injection is lower than that in the normal homogeneous or stratified combustion, NOx emission can be reduced. Further, since the heat generation position is retarded (on the side), “afterburning” of unburned HC is promoted, the exhaust temperature rises, and HC emissions can be suppressed. Furthermore, it is possible to suppress the fuel spray from reaching the wall surface without being burned to form a liquid film, and it is possible to reduce the discharge of HC for the wall flow.

また、点火プラグは燃料噴射弁からの噴射により形成される燃料噴霧の一部が直接到達するように配置されており、燃料噴霧の先端が前記燃焼室の壁面に到達する前に点火プラグを作動させるようにしている(S11、式(1)、式(2)参照)。これにより、混合気が燃焼室壁面に到達する前に確実に着火させることができる。
また、排気浄化触媒の昇温が要求された場合(例えば、触媒温度が活性温度に達していない場合)に膨張行程噴射による成層燃焼を行う構成としたので、触媒活性化前であっても、HC、NOxの排出を最大限抑制しつつ、触媒温度を早期に上昇させること(すなわち、触媒の早期活性化)が可能である。
The spark plug is arranged so that a part of the fuel spray formed by injection from the fuel injection valve reaches directly, and the spark plug is operated before the tip of the fuel spray reaches the wall surface of the combustion chamber. (See S11, Equation (1), Equation (2)). As a result, the air-fuel mixture can be reliably ignited before reaching the combustion chamber wall surface.
In addition, when the temperature of the exhaust purification catalyst is required (for example, when the catalyst temperature does not reach the activation temperature), the stratified combustion is performed by the expansion stroke injection, so even before the catalyst activation, It is possible to raise the catalyst temperature early (that is, early activation of the catalyst) while suppressing the emission of HC and NOx to the maximum.

次に、本発明の第2実施形態について記載する。なお、構成は上記第1実施形態(図1)と同じであるので、その説明は省略する。
図4は、第2実施形態における燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算の制御フローチャートである。図4において、S21〜S28は図2のS1〜S8と同様であるので説明は省略する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. Since the configuration is the same as that of the first embodiment (FIG. 1), description thereof is omitted.
FIG. 4 is a control flowchart for calculating the fuel injection amount, the injection timing, and the ignition timing in the second embodiment. In FIG. 4, S21 to S28 are the same as S1 to S8 of FIG.

S25において、触媒温度Tcatが触媒の活性温度TcatHを下回っていればS29に進み、以下に記すように、「圧縮行程噴射+点火」に追加して「膨張行程噴射+点火」を行う(S29〜S34)。
S29〜S31は図2のS6〜S8と同様である。
S32では、「圧縮行程噴射+点火」後の膨張行程における追加噴射の噴射開始時期ITexを設定する。ここで設定される噴射開始時期ITexは、供給燃料全量が排気温度を上昇させるため又は未燃HCを低減させるための「後燃え」に使用されるように、図2のS9における噴射開始時期ITexの設定とは異なり、膨張行程中期から後期の間に設定される。なお、かかる噴射開始時期ITexは、エンジン回転速度NEが高いほど膨張行程中期側に設定されるようになっており、具体的には、実験により求めた関係をエンジン回転速度NEに割り付けたテーブルデータとしてECU20に格納しておき、読込んだエンジン回転速度NEに応じてテーブルデータを参照することで設定できる。
In S25, if the catalyst temperature Tcat is lower than the activation temperature TcatH of the catalyst, the process proceeds to S29, and “expansion stroke injection + ignition” is performed in addition to “compression stroke injection + ignition” as described below (S29˜). S34).
S29 to S31 are the same as S6 to S8 in FIG.
In S32, the injection start timing ITex of the additional injection in the expansion stroke after “compression stroke injection + ignition” is set. The injection start timing ITex set here is used so that the total amount of supplied fuel is used for “afterburning” for raising the exhaust gas temperature or reducing unburned HC. Unlike the setting of, it is set between the middle and later stages of the expansion stroke. The injection start timing ITex is set to the middle stage of the expansion stroke as the engine rotational speed NE is higher. Specifically, the table data in which the relationship obtained by the experiment is assigned to the engine rotational speed NE. Can be set by referring to the table data in accordance with the read engine rotational speed NE.

S33では、膨張行程中期から後期に追加噴射する追加燃料噴射量adQfexを求める。この追加燃料噴射量adQfexは、現時点の触媒温度Tcat、主燃焼の目標燃空比TFBYAに応じて図5に示すような関係を有しており、例えば図5に示すようなテーブルデータをECU20に格納しておき、これを参照することで求める。
なお、現在の触媒温度Tcatが低いほど、早く活性温度にするためにより多くの追加燃料量を噴射する(追加燃料量が多く設定される)。また、「後燃え」するための十分な空気量がない場合は追加燃料が燃え残ってしまうため、目標燃空比TFBYAが大きくなる場合(すなわち、空燃比A/Fがリッチ化する方向であり、主燃焼後の残存酸素量がより少なくなる場合)は、追加燃料量は少なく設定される。
In S33, an additional fuel injection amount adQfex to be additionally injected from the middle stage to the latter stage of the expansion stroke is obtained. This additional fuel injection amount adQfex has a relationship as shown in FIG. 5 according to the current catalyst temperature Tcat and the target combustion air ratio TFBYA of the main combustion. For example, table data as shown in FIG. Store it and find it by referring to it.
Note that, as the current catalyst temperature Tcat is lower, a larger amount of additional fuel is injected to make the activation temperature faster (a larger amount of additional fuel is set). Further, if there is not enough air for “afterburning”, additional fuel will remain unburned, so that the target fuel-air ratio TFBYA increases (that is, the air-fuel ratio A / F tends to become richer). When the residual oxygen amount after the main combustion becomes smaller), the additional fuel amount is set to be small.

S34では、S32で設定された噴射開始時期ITexにてS33で設定された追加噴射量adQfexを燃焼させる追加点火時期ADVを設定する。なお、この追加点火時期ADVは、噴射開始時期ITex、追加燃料噴射量adQfexを用いて、図2のS8と同様な方法で算出する(式(1)、(2)参照)。
S35(S33において均質燃焼領域と判断された場合である)では、現時点の触媒温度Tcatが触媒の活性温度TcatH以上であるか否かを判定する。触媒温度Tcatが活性温度TcatH以上であればS36に進み、通常の吸気行程噴射による均質燃焼を行う(S36〜S39)。なお、S36〜S39は図2のS12〜S15と同じである。
In S34, an additional ignition timing ADV for burning the additional injection amount adQfex set in S33 is set at the injection start timing ITex set in S32. The additional ignition timing ADV is calculated by the same method as S8 in FIG. 2 using the injection start timing ITex and the additional fuel injection amount adQfex (see formulas (1) and (2)).
In S35 (when it is determined in S33 that the region is a homogeneous combustion region), it is determined whether or not the current catalyst temperature Tcat is equal to or higher than the catalyst activation temperature TcatH. If the catalyst temperature Tcat is equal to or higher than the activation temperature TcatH, the process proceeds to S36, and homogeneous combustion is performed by normal intake stroke injection (S36 to S39). S36 to S39 are the same as S12 to S15 in FIG.

一方、S35において触媒温度Tcatが活性温度TcatHを下回っていればS40に進み、以下に記すように、主燃焼の「吸気行程噴射+点火」に追加して「膨張行程噴射+点火」を行う(S40〜S46)。
先ず、S40では、主燃焼である「吸気行程噴射+点火」による排気空燃比がストイキよりリーンとなるように、すなわち、排気A/F=15〜18程度となるように、目標燃空比TFBYAに0.8〜0.96を代入する。これは、続いて行う膨張行程噴射の追加燃料が燃えるための酸素量を主燃焼後に残存させるためである。
On the other hand, if the catalyst temperature Tcat is lower than the activation temperature TcatH in S35, the process proceeds to S40, and “expansion stroke injection + ignition” is performed in addition to “intake stroke injection + ignition” of the main combustion as described below ( S40-S46).
First, in S40, the target fuel-air ratio TFBYA is set so that the exhaust air-fuel ratio by “intake stroke injection + ignition”, which is the main combustion, becomes leaner than stoichiometric, that is, the exhaust A / F = about 15-18. Is substituted for 0.8 to 0.96. This is because the amount of oxygen for burning the additional fuel in the subsequent expansion stroke injection remains after the main combustion.

その後のS41〜S43は図2のS13〜S15と同様であり、S44〜S46は図2のS12〜S14と同様である。
この実施形態によると、上記第1実施形態における効果に加えて、さらに次のような効果を有する。
すなわち、本実施形態では、成層燃焼領域において排気浄化触媒の昇温要求があったときは、トータル排気空燃比がストイキよりリーンとなる量の燃料を圧縮行程にて噴射し、火花点火して層状の主燃焼を行った後に、膨張行程にて比較的少量の燃料を追加噴射し、火花点火して層状燃焼させるようにしている(S25、S29〜S34)。これにより、例えば、排気浄化触媒の昇温要求直前に運転が圧縮行程噴射の成層運転だった場合は、排気浄化触媒の昇温要求時に、まず、トータル排気空燃比(燃焼室内平均空燃比)をリーンとして酸素量を残存させ、その後、膨張行程(特に、膨張行程中期から後期)にて追加噴射した比較的少量の燃料分の燃焼エネルギーが、排気温度の上昇または不完全燃焼物であるCO、H2、未燃HCの「後燃え」に使われることになるため、制御切替え時のトルクショックが少なく運転性の悪化を抑制できる。つまり、膨張行程中期から後期への比較的少量の燃料噴射と2回目の点火を追加するだけで運転性の悪化を抑制しつつ排気温度(触媒)を昇温することが可能である。
Subsequent S41 to S43 are the same as S13 to S15 in FIG. 2, and S44 to S46 are the same as S12 to S14 in FIG.
According to this embodiment, in addition to the effects in the first embodiment, the following effects are further obtained.
That is, in this embodiment, when there is a request for raising the temperature of the exhaust purification catalyst in the stratified combustion region, an amount of fuel that makes the total exhaust air-fuel ratio leaner than the stoichiometric injection is injected in the compression stroke, spark ignited, and stratified After the main combustion is performed, a comparatively small amount of fuel is additionally injected in the expansion stroke, and is ignited with sparks to cause stratified combustion (S25, S29 to S34). Thus, for example, when the operation is a stratified operation of compression stroke injection immediately before the temperature increase request of the exhaust purification catalyst, the total exhaust air / fuel ratio (combustion chamber average air / fuel ratio) is first set at the time of the temperature increase request of the exhaust purification catalyst. The amount of oxygen remaining as lean, and then the combustion energy of a relatively small amount of fuel additionally injected in the expansion stroke (especially from the middle stage to the latter stage) is increased in the exhaust gas temperature or incompletely combusted CO, Since it is used for “afterburning” of H 2 and unburned HC, there is little torque shock at the time of control switching, and deterioration of drivability can be suppressed. That is, it is possible to raise the exhaust gas temperature (catalyst) while suppressing deterioration of drivability only by adding a relatively small amount of fuel injection from the middle stage to the latter stage of the expansion stroke and the second ignition.

一方、均質燃焼領域において排気浄化触媒の昇温要求があったときは、トータル排気空燃比がストイキよりリーンとなるような量の燃料を吸気行程にて噴射し、点火して均質な主燃焼を行った後に、前記膨張行程にて比較的少量の燃料を噴射し、点火して層状燃焼させるようにしている(S35、S40〜S46)。これにより、例えば、排気浄化触媒の昇温要求直前に運転が吸気行程噴射による均質燃焼運転だった場合は、排気浄化触媒の昇温要求時(触媒温度が活性温度未満となったとき)に、燃料量と空気量を調整し空燃比をリーンとすれば、続いて行う膨張行程噴射の追加燃料が燃えるための酸素量を主燃焼後に残存させることができる。そして、その後の膨張行程(特に、膨張行程中期から後期)にて追加噴射した比較的少量の燃料分の燃焼エネルギーが、排気温度の上昇または不完全燃焼物であるCO、H2、未燃HCの「後燃え」に使われることになるため、制御切替え時のトルクショックが少なく運転性の悪化を抑制できる。 On the other hand, when there is a request to raise the temperature of the exhaust purification catalyst in the homogeneous combustion region, an amount of fuel that makes the total exhaust air-fuel ratio leaner than the stoichiometric injection is injected in the intake stroke and ignited to produce homogeneous main combustion. After this, a relatively small amount of fuel is injected in the expansion stroke and ignited to cause stratified combustion (S35, S40 to S46). Thereby, for example, when the operation is a homogeneous combustion operation by intake stroke injection immediately before the temperature increase request of the exhaust purification catalyst, when the temperature increase request of the exhaust purification catalyst (when the catalyst temperature becomes less than the activation temperature), If the fuel amount and the air amount are adjusted and the air-fuel ratio is made lean, the oxygen amount for burning the additional fuel in the subsequent expansion stroke injection can be left after the main combustion. The combustion energy of a relatively small amount of fuel additionally injected in the subsequent expansion stroke (especially from the middle stage to the later stage of the expansion stroke) is caused by CO, H 2 , unburned HC as exhaust temperature rise or incomplete combustion products. Therefore, there is little torque shock at the time of control switching, and the deterioration of drivability can be suppressed.

なお、上記のいずれであっても、膨張行程へ噴射する追加燃料は、前記特許文献2に記載されているような自己着火燃焼するのではなく、点火プラグにより確実に点火されるため、始動直後のように燃焼室温度が低い状況下での追加燃料の燃え残りを抑制し、環境大気中へのHCの排出量を低減できる。また、1回目の点火時期や2回目の噴射時期を機関要求等に応じて、容易に変更することも可能である。   In any of the above cases, the additional fuel injected into the expansion stroke does not self-ignite and burn as described in Patent Document 2, but is ignited reliably by the spark plug. As described above, it is possible to suppress the remaining unburned additional fuel under the condition where the combustion chamber temperature is low, and to reduce the amount of HC discharged into the ambient atmosphere. It is also possible to easily change the first ignition timing and the second injection timing according to the engine request or the like.

次に、本発明の第3実施形態について記載する。図6は、第3実施形態に係るエンジンの概略構成図である。本実施形態における前記第1、第2実施形態との構成上の相違は、ピストン5の上面略中央部にキャビティ5aが形成されている点及び触媒温度センサ22が設置されていない点である(その他は同じであるので説明は省略する)。
図7は、第3実施形態における燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算の制御フローチャートである。
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a schematic configuration diagram of an engine according to the third embodiment. The difference in configuration between the first and second embodiments in the present embodiment is that a cavity 5a is formed at a substantially central portion of the upper surface of the piston 5 and that the catalyst temperature sensor 22 is not installed ( Others are the same and will not be described).
FIG. 7 is a control flowchart for calculating the fuel injection amount, injection timing, and ignition timing in the third embodiment.

図7において、S51では、キースイッチがオンとなりスタータ起動位置までキーが回されるとスタータが起動し(スタータスイッチがONし)、エンジンがクランキングを開始する。
S52では、エンジン回転によって入力されるクランク角度センサ27及びカム角度センサ28を用いて気筒判別を行う。
In FIG. 7, in S51, when the key switch is turned on and the key is turned to the starter activation position, the starter is activated (the starter switch is turned on), and the engine starts cranking.
In S52, cylinder discrimination is performed using the crank angle sensor 27 and the cam angle sensor 28 input by the engine rotation.

S53では、吸入空気量QM、エンジン回転速度NE、燃料圧力Pf、冷却水温度Tw、初爆からの各気筒のサイクル数Ncylを読込む。なお、各気筒のサイクル数Ncylは燃料噴射弁6の噴射回数や点火プラグ7の点火回数等から判断可能である。
S54では、冷却水温度Tw、エンジン回転速度NEに応じて目標トルクTTCを算出する。本実施形態においては、図に示すような冷却水温度Tw、エンジン回転速度NEに割り付けたテーブルデータを予めECU20に格納しておき、読込んだ冷却水温度Tw、エンジン回転速度NEに応じてテーブルデータを参照することで求める。
In S53, the intake air amount QM, the engine speed NE, the fuel pressure Pf, the coolant temperature Tw, and the cycle number Ncyl of each cylinder from the first explosion are read. The cycle number Ncyl of each cylinder can be determined from the number of injections of the fuel injection valve 6, the number of ignitions of the spark plug 7, and the like.
In S54, the target torque TTC is calculated according to the coolant temperature Tw and the engine speed NE. In the present embodiment, table data assigned to the cooling water temperature Tw and the engine rotation speed NE as shown in the figure is stored in the ECU 20 in advance, and the table is set according to the read cooling water temperature Tw and the engine rotation speed NE. Obtained by referring to the data.

S55では、目標トルクTTCとエンジン回転速度NEとから目標燃空比TFBYAを求める(図2のS4と同様である)。
S56では、スタータスイッチ(STSW)がONからOFFに切り替わったか否かを判定する。ONからOFFに切り替わっていればS57に進み、ONのままであればS66に進む。
In S55, the target fuel-air ratio TFBYA is obtained from the target torque TTC and the engine speed NE (similar to S4 in FIG. 2).
In S56, it is determined whether or not the starter switch (STSW) has been switched from ON to OFF. If it has been switched from ON to OFF, the process proceeds to S57, and if it remains ON, the process proceeds to S66.

S57では、燃料圧力Pfが所定の燃料圧力値LPfより高いかを判定する。なお、ここで用いる所定の燃料圧力値LPfは、燃料噴射弁6から噴射された燃料噴霧形状が変形して燃料噴霧の一部が直接点火プラグ7に到達せず、失火するおそれがある燃圧値として設定されたものであり、予め実験によって燃料噴射弁6の特性として燃料圧圧と噴霧との関係を調べて決定した値である。Pf>LPfであればS58に進み、Pf≦LPfであればS65に進む。   In S57, it is determined whether the fuel pressure Pf is higher than a predetermined fuel pressure value LPf. The predetermined fuel pressure value LPf used here is a fuel pressure value at which the shape of the fuel spray injected from the fuel injection valve 6 is deformed and a part of the fuel spray does not directly reach the spark plug 7 and may misfire. And is a value determined by examining the relationship between the fuel pressure and the spray as a characteristic of the fuel injection valve 6 in advance through experiments. If Pf> LPf, the process proceeds to S58, and if Pf ≦ LPf, the process proceeds to S65.

S58では、触媒昇温制御サイクル数Kcylを算出する。この触媒昇温制御サイクル数Kcylは、排気浄化触媒11が活性温度TcatHに達するまでに実施する必要があるサイクル数(すなわち、昇温制御に必要なサイクル数)である。本実施形態では、触媒温度Tcatを直接計測せず、始動時水温Tw0と触媒昇温制御サイクル数Kcylとの関係を予め実験等により求めてテーブルデータとしてECU20のROMに格納しておき、始動時水温Tw0に応じてテーブルデータを参照して求めるようにした。ここで、本実施形態においては、始動時水温Tw0が所定温度LTw未満ではKcyl=0が設定される(すなわち、触媒昇温制御を行わない)。なお、所定温度LTwは、燃焼安定性の問題から成層燃焼を行うことができないと判断される温度として設定されるものである。   In S58, the catalyst temperature increase control cycle number Kcyl is calculated. The catalyst temperature increase control cycle number Kcyl is the number of cycles that need to be implemented until the exhaust purification catalyst 11 reaches the activation temperature TcatH (that is, the number of cycles necessary for temperature increase control). In the present embodiment, the catalyst temperature Tcat is not directly measured, but the relationship between the starting water temperature Tw0 and the catalyst temperature increase control cycle number Kcyl is obtained in advance through experiments or the like and stored in the ROM of the ECU 20 as table data. The table data is obtained according to the water temperature Tw0. Here, in this embodiment, Kcyl = 0 is set when the starting water temperature Tw0 is lower than the predetermined temperature LTw (that is, the catalyst temperature increase control is not performed). The predetermined temperature LTw is set as a temperature at which it is determined that stratified combustion cannot be performed due to the problem of combustion stability.

S59では、現時点のサイクル数Ncylが触媒昇温制御サイクル数Kcyl未満であるかどうかを判断する。Kcyl>Ncylであれば触媒の昇温要求ありとしてS60に進み、以下に記すように、触媒昇温制御を実施する(S60〜S64)。
S60では、修正燃空比TFBYA2を算出する。この修正燃空比TFBYA2は、目標トルクTTCを発生させるために必要とされる目標燃空比TFBYAと、「後燃え」をさせるための未燃成分量との和である。ここで、排気温度を効率的に昇温させるためには、主燃焼により生成される不完全燃焼物であるCO、H2の量と、主燃焼後に存在する残存酸素量とをバランスさせる必要があるため、修正燃空比TFBYA2は0.8〜1.0の間で設定される。
In S59, it is determined whether or not the current cycle number Ncyl is less than the catalyst temperature increase control cycle number Kcyl. If Kcyl> Ncyl, it is determined that there is a catalyst temperature increase request and the process proceeds to S60, and catalyst temperature increase control is performed as described below (S60 to S64).
In S60, the corrected fuel-air ratio TFBYA2 is calculated. This corrected fuel / air ratio TFBYA2 is the sum of the target fuel / air ratio TFBYA required for generating the target torque TTC and the amount of unburned components for causing “afterburning”. Here, in order to efficiently raise the exhaust gas temperature, it is necessary to balance the amount of CO and H 2 that are incomplete combustion products generated by main combustion and the amount of residual oxygen existing after main combustion. Therefore, the corrected fuel-air ratio TFBYA2 is set between 0.8 and 1.0.

S61では、図2のS9と同様に、エンジン回転速度NE及び目標トルクTTCから膨張行程の最適な噴射開始時期ITex(膨張行程初期〜中期)を設定する。
S62では、図2のS10と同様、基本燃料噴射量(K×QM/NE;Kは定数)に、修正目標燃空比TFBYA2、燃焼効率係数Kcoが乗算されて、修正燃料噴射量Qfexが設定される。
In S61, as in S9 of FIG. 2, the optimal injection start timing ITex (expansion stroke initial to middle period) of the expansion stroke is set from the engine speed NE and the target torque TTC.
In S62, as in S10 of FIG. 2, the basic fuel injection amount (K × QM / NE; K is a constant) is multiplied by the corrected target fuel-air ratio TFBYA2 and the combustion efficiency coefficient Kco to set the corrected fuel injection amount Qfex. Is done.

S63では、点火時期ADVの設定を行う。点火時期ADVは、噴射開始時期ITex、修正燃料噴射量Qfexを用いて、図2のS8と同様な方法で算出する(式(1)、(2)参照)。
S64では、修正燃料噴射量(全燃料量)Qfexを膨張行程初期〜中期の間で設定した噴射開始時期ITexにて噴射する。図8は、かかる燃料噴射を行った場合の点火時期における混合気の様子を示している。図8に示すように、点火時期ADVにおいて、点火プラグ7周りの混合気はストイキよりリッチ着火可能な空燃比となっており、その混合気の外側には空気が存在している。すなわち、本実施形態においては、燃料噴射量Qfexは点火時期における点火プラグ7周辺の混合気がストイキよりリッチかつ着火可能な空燃比となるように設定され、また、膨張行程噴射による成層燃焼時は、そのトータル排気空燃比(燃焼室4内の平均空燃比)がストイキから弱リーン(排気A/F=14.4〜18程度)となるように制御されている。
In S63, the ignition timing ADV is set. The ignition timing ADV is calculated by the same method as S8 in FIG. 2 using the injection start timing ITex and the corrected fuel injection amount Qfex (see equations (1) and (2)).
In S64, the corrected fuel injection amount (total fuel amount) Qfex is injected at the injection start timing ITex set between the initial stage and the middle stage of the expansion stroke. FIG. 8 shows the state of the air-fuel mixture at the ignition timing when such fuel injection is performed. As shown in FIG. 8, at the ignition timing ADV, the air-fuel mixture around the spark plug 7 has an air-fuel ratio that allows rich ignition from stoichiometry, and air exists outside the air-fuel mixture. That is, in this embodiment, the fuel injection amount Qfex is set so that the air-fuel ratio around the spark plug 7 at the ignition timing is richer than stoichiometric and can be ignited, and during stratified combustion by expansion stroke injection The total exhaust air-fuel ratio (the average air-fuel ratio in the combustion chamber 4) is controlled so as to be slightly lean (exhaust A / F = 14.4 to about 18) from stoichiometry.

一方、S65(S56でにおいてスタータスイッチがONのままである場合又はS57において燃料圧力Pfが所定の燃料圧力値LPf以下である場合である)では、通常の制御を行う。この通常の制御は、具体的には、次のようなものである。
まず、スタータスイッチがONのままである場合は急激な回転上昇を伴う始動過渡時であり、この始動過渡時には、基本燃料噴射量(K×QM/NE;Kは定数)、目標燃空比TFBYA、水温増量補正、始動及び始動後増量補正などから算出された燃料量を吸気行程または圧縮行程前半に噴射する。また、良好な回転上昇のため、点火時期ADVは、通常のファストアイドル時の点火時期よりも比較的進角側に設定する。
On the other hand, normal control is performed in S65 (when the starter switch remains ON in S56 or when the fuel pressure Pf is equal to or lower than the predetermined fuel pressure value LPf in S57). Specifically, this normal control is as follows.
First, when the starter switch remains ON, it is a start-up transition accompanied by a sudden increase in rotation. At the start-up transition, the basic fuel injection amount (K × QM / NE; K is a constant), the target fuel-air ratio TFBYA The fuel amount calculated from the water temperature increase correction, the start-up and the post-start-up increase correction, etc. is injected in the first half of the intake stroke or the compression stroke. In order to improve the rotation, the ignition timing ADV is set to a relatively advanced side with respect to the ignition timing during normal fast idling.

一方、スタータスイッチがONからOFFに切り替わった後であっても、燃料圧力Pfが所定の燃料圧力値LPf以下の場合は、燃料噴霧の一部が直接点火プラグ7に到達せずに失火するおそれがあると判断し、吸気行程または圧縮行程に燃料を噴射し、点火時期ADVは燃料噴射時期にかかわらず、例えばエンジン回転・機関負荷に対するMBT設定とする。   On the other hand, even after the starter switch is switched from ON to OFF, if the fuel pressure Pf is equal to or lower than the predetermined fuel pressure value LPf, a part of the fuel spray may not reach the spark plug 7 and may misfire. Therefore, the fuel is injected during the intake stroke or the compression stroke, and the ignition timing ADV is set to, for example, the MBT setting for engine rotation and engine load regardless of the fuel injection timing.

この実施形態によると、上記第1実施形態における効果に加えて、さらに次のような効果を有する。
すなわち、初爆からの各気筒のサイクル数Ncylが所定回数(触媒昇温制御サイクル数Kcyl)未満のときに、触媒昇温制御(膨張行程噴射による層状燃焼)を行うようにしたので(59〜S64)、触媒温度センサを削除できコストを低減できる。
According to this embodiment, in addition to the effects in the first embodiment, the following effects are further obtained.
That is, when the cycle number Ncyl of each cylinder from the first explosion is less than the predetermined number (catalyst temperature increase control cycle number Kcyl), the catalyst temperature increase control (stratified combustion by expansion stroke injection) is performed (59- S64), the catalyst temperature sensor can be deleted, and the cost can be reduced.

また、膨張行程噴射は、その点火時期において点火プラグ周りの混合気がストイキよりリッチかつ着火可能な空燃比となるように(なるような量の)燃料を噴射しているので、主燃焼の際に不完全燃焼物であるCO、H2が生成され、これが燃焼室内の余剰酸素と、残りの膨張行程・排気行程・触媒上流の排気通路内で反応(再燃焼)し、排気温度がさらに上昇し、また、未燃HCの「後燃え」が促進されるためHC排出をさらに抑制することが可能である。 Further, in the expansion stroke injection, fuel is injected (in such an amount) that the air-fuel ratio around the spark plug becomes richer than the stoichiometric and ignitable air-fuel ratio at the ignition timing. Incomplete combustion products such as CO and H 2 are generated, and this reacts with excess oxygen in the combustion chamber in the remaining expansion stroke, exhaust stroke, and exhaust passage upstream of the catalyst (reburning), further increasing the exhaust temperature. Moreover, since the “afterburning” of unburned HC is promoted, HC emission can be further suppressed.

さらに、膨張行程噴射による成層燃焼時は、トータル排気空燃比(燃焼室内の平均空燃比)をストイキから弱リーン(排気A/F=14.4〜18程度)としたので、主燃焼により生成される不完全燃焼物であるCO、H2の量と、主燃焼後に存在する残存酸素量とをバランスさせることができ、排気温度を効率的に昇温させることができる。特に、トータル排気空燃比(燃焼室内平均空燃比)をほぼ理論空燃比(ストイキ)とすれば、不完全燃焼物量と残存酸素量とがほぼ当量となり、排気温度の昇温効率を最良の状態にできる。 Further, at the time of stratified combustion by the expansion stroke injection, the total exhaust air-fuel ratio (average air-fuel ratio in the combustion chamber) is changed from stoichiometric to weak lean (exhaust A / F = 14.4 to about 18), so it is generated by main combustion. The amount of CO and H 2 that are incompletely combusted products and the amount of residual oxygen present after the main combustion can be balanced, and the exhaust temperature can be raised efficiently. In particular, if the total exhaust air / fuel ratio (combustion chamber average air / fuel ratio) is almost the stoichiometric air / fuel ratio (stoichiometric), the amount of incompletely combusted matter and the amount of residual oxygen will be almost equivalent, and the temperature rise efficiency of the exhaust temperature will be in the best condition. it can.

さらにまた、燃料圧力Pfが所定値LPfを下回る場合あるいは冷却水温度Tw(Tw0)が所定温度LTwを下回る場合には、膨張行程にて燃料を噴射して行う成層燃焼運転を行わないので(S57、S58)、失火及び燃焼不安定を回避することができる。
次に、本発明の第4実施形態について説明する。なお、構成は上記第3実施形態(図6)と同じであるので、その説明は省略する。
Furthermore, when the fuel pressure Pf is lower than the predetermined value LPf or when the cooling water temperature Tw (Tw0) is lower than the predetermined temperature LTw, the stratified combustion operation performed by injecting fuel in the expansion stroke is not performed (S57). , S58), misfire and combustion instability can be avoided.
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. Since the configuration is the same as that of the third embodiment (FIG. 6), description thereof is omitted.

図9は、第4実施形態における燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算の制御フローチャートである。図9において、S71〜S82は図7のS51〜S62と同じであるので説明は省略する。
S83では、燃料分割比Ksp、すなわち、全(修正)燃料量Qfexに対して一部の燃料を先行して噴射するための先行噴射燃料量の割合を設定する。この燃料分割比Kspはエンジン回転速度NE・エンジン負荷によって最適値が存在するものの、通常、0〜0.3(0%〜30%)程度の値に設定される。本実施形態においては、実験結果に基づいて燃料分割比Kspが設定されている。
FIG. 9 is a control flowchart for calculating the fuel injection amount, the injection timing, and the ignition timing in the fourth embodiment. In FIG. 9, S71 to S82 are the same as S51 to S62 of FIG.
In S83, the fuel split ratio Ksp, that is, the ratio of the pre-injected fuel amount for injecting a part of the fuel ahead of the total (corrected) fuel amount Qfex is set. The fuel split ratio Ksp is normally set to a value of about 0 to 0.3 (0% to 30%), although an optimum value exists depending on the engine speed NE and the engine load. In the present embodiment, the fuel split ratio Ksp is set based on the experimental results.

S84では、図7のS63と同様にして点火時期ADVの設定を行う。
S85では、燃料噴射を行う。但し、上記第3実施形態と異なり、先行噴射燃料量(=全燃料量Qfex×燃料分割比Ksp)を吸気行程時に先行して噴射し、残り(=Qfex×(1−Ksp))を膨張行程初期〜中期の間で設定した燃料噴射時期ITexにて噴射する。図10は、かかる燃料噴射を行った場合の点火時期における混合気の様子を示している。図10に示すように、本実施形態では、点火時期ADVにおいて、点火プラグ7周りの混合気はストイキよりリッチかつ着火可能な空燃比となっており、その混合気の外側にはリーンな混合気が存在することになる。
In S84, the ignition timing ADV is set in the same manner as S63 in FIG.
In S85, fuel injection is performed. However, unlike the third embodiment, the preceding injected fuel amount (= total fuel amount Qfex × fuel split ratio Ksp) is injected prior to the intake stroke, and the remaining (= Qfex × (1−Ksp)) is expanded. Injection is performed at the fuel injection timing ITex set between the initial period and the middle period. FIG. 10 shows the state of the air-fuel mixture at the ignition timing when such fuel injection is performed. As shown in FIG. 10, in the present embodiment, at the ignition timing ADV, the air-fuel mixture around the spark plug 7 has a richer air-fuel ratio that can be ignited than stoichiometric, and a lean air-fuel mixture is present outside the air-fuel mixture. Will exist.

なお、S86は図7のS65と同じであるので説明は省略する。
この実施形態によると、上記第1、第3実施形態における効果に加えて、さらに次のような効果を有する。
すなわち、膨張行程噴射による成層燃焼運転時に、燃料の一部を吸気行程中に先行して分割噴射するようにしたので(S85)、膨張行程初期から中期に設定した点火時期において、点火プラグ周辺には空燃比がストイキ又はストイキよりリッチな混合気が存在し、その混合気の外側にはリーンな混合気が存在する(図10)。この場合、主燃焼の結果、不完全燃焼物であるCO、H2又は未燃HCが生成され、また、主燃焼の熱又は多少の火炎伝播によって外側のリーンな混合気内の燃料が部分反応を起こし、化学反応的に活性な燃焼前駆体物質(アルデヒド類、OHラジカル等)を生成する。これにより、残りの膨張行程・排気行程・触媒上流の排気通路内でのCO、H2及び未燃HCの反応(再燃焼)がより連鎖的に行われ、排気温度をさらに効果的に上昇させることができるとともに、HCの排出をさらに抑制することが可能である。
Since S86 is the same as S65 in FIG. 7, the description thereof is omitted.
According to this embodiment, in addition to the effects in the first and third embodiments, the following effects are further obtained.
That is, during the stratified charge combustion operation by the expansion stroke injection, a part of the fuel is divided and injected prior to the intake stroke (S85), so at the ignition timing set from the initial stage to the middle stage of the expansion stroke, The air-fuel ratio is stoichiometric or an air-fuel mixture richer than stoichiometric exists, and a lean air-fuel mixture exists outside the air-fuel mixture (FIG. 10). In this case, as a result of the main combustion, CO, H 2 or unburned HC which is an incomplete combustion product is generated, and the fuel in the outer lean mixture is partially reacted by the heat of the main combustion or some flame propagation. To generate a chemically reactive combustion precursor material (aldehydes, OH radicals, etc.). As a result, the reaction (reburning) of CO, H 2 and unburned HC in the remaining expansion stroke, exhaust stroke, and exhaust passage upstream of the catalyst is performed in a more chained manner, and the exhaust temperature is further effectively increased. In addition, it is possible to further suppress HC emissions.

次に、本発明の第5実施形態について説明する。なお、構成は上記第3実施形態(図6)と同じであるので、その説明は省略する。
図11は、第5実施形態における燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算の制御フローチャートである。図11において、S91〜S104は図9のS71〜S84と同様であるので説明は省略する。
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. Since the configuration is the same as that of the third embodiment (FIG. 6), description thereof is omitted.
FIG. 11 is a control flowchart for calculating the fuel injection amount, the injection timing, and the ignition timing in the fifth embodiment. In FIG. 11, S91 to S104 are the same as S71 to S84 of FIG.

S105では、図9のS85と同様、燃料噴射を行う。すなわち、先行噴射燃料量(=全燃料量Qfex×燃料分割比Ksp)を圧縮行程時に先行して噴射し、残り(=Qfex×(1−Ksp))を膨張行程初期〜中期の間で設定した設定した燃料噴射時期ITex1にて噴射する。ここで、本実施形態における圧縮行程時の先行噴射時期は、噴霧のベクトルとピストン5の略中央部に形成したキャビティ5aとの幾何学的関係によって、燃料噴霧の全量がキャビティ5a内に入る範囲内で設定されている。図12は、かかる燃料噴射を行った場合の点火時期における混合気の様子を示している。図12に示すように、本実施形態では、点火時期ADVにおいて、点火プラグ7周りの混合気はストイキよりリッチかつ着火可能な空燃比となっており、キャビティ5aの上空にはリーンな混合気が、さらにそのリーン混合気の外側には空気が存在することになる。   In S105, fuel injection is performed as in S85 of FIG. That is, the pre-injected fuel amount (= total fuel amount Qfex × fuel split ratio Ksp) is injected in advance during the compression stroke, and the remaining (= Qfex × (1−Ksp)) is set between the initial stage and the middle stage of the expansion stroke. Injection is performed at the set fuel injection timing ITex1. Here, the preceding injection timing at the time of the compression stroke in the present embodiment is a range in which the total amount of fuel spray enters the cavity 5a due to the geometric relationship between the spray vector and the cavity 5a formed at the substantially central portion of the piston 5. Is set within. FIG. 12 shows the state of the air-fuel mixture at the ignition timing when such fuel injection is performed. As shown in FIG. 12, in the present embodiment, at the ignition timing ADV, the air-fuel mixture around the spark plug 7 is richer than stoichiometric and can be ignited, and a lean air-fuel mixture is formed above the cavity 5a. Furthermore, air exists outside the lean air-fuel mixture.

なお、S106は図7のS65(図9のS86)同じであるので説明は省略する。
この実施形態によると、上記第1、第3実施形態における効果に加えて、さらに次のような効果を有する。
すなわち、膨張行程噴射による成層燃焼運転時に、燃料の一部を圧縮行程中に先行して分割噴射するようにしたので(S105)、上記第4実施形態と同様な効果が得られ、特に、圧縮行程噴射による通常の成層燃焼用にピストンキャビティが形成されている場合には、圧縮行程中に先行して行う燃料の噴射時期を燃料噴霧がキャビティ内に入る時期に設定することで、壁流分のHCが減少し、HC排出をさらに抑制することできる。
Since S106 is the same as S65 in FIG. 7 (S86 in FIG. 9), description thereof is omitted.
According to this embodiment, in addition to the effects in the first and third embodiments, the following effects are further obtained.
That is, during the stratified charge combustion operation by the expansion stroke injection, since a part of the fuel is divided and injected prior to the compression stroke (S105), the same effect as the fourth embodiment can be obtained. If the piston cavity is formed for normal stratified combustion by stroke injection, the fuel injection timing prior to the compression stroke is set to the timing at which the fuel spray enters the cavity. HC can be reduced and HC emission can be further suppressed.

本発明の実施形態に係る筒内直接噴射式内燃機関の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a direct injection type internal combustion engine according to an embodiment of the present invention. 第1実施形態に係る燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算の制御フローチャートである。It is a control flowchart of fuel injection amount, injection timing, and ignition timing calculation which concern on 1st Embodiment. 従来の技術(a)と第1実施形態(b)とのぞれぞれで膨張行程噴射により形成される混合気の様子を示した図である。It is the figure which showed the mode of the air-fuel | gaseous mixture formed by expansion stroke injection in each of the prior art (a) and 1st Embodiment (b). 第2実施形態に係る燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算の制御フローチャートである。It is a control flowchart of fuel injection amount, injection timing, and ignition timing calculation concerning 2nd Embodiment. 追加燃料噴射量adQfexの設定テーブルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the setting table of additional fuel injection quantity adQfex. 本発明の他の実施形態に係る筒内直接噴射式内燃機関の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the direct injection type internal combustion engine which concerns on other embodiment of this invention. 第3実施形態に係る燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算の制御フローチャートである。It is a control flowchart of fuel injection amount, injection timing, and ignition timing calculation concerning 3rd Embodiment. 第3実施形態において膨張行程噴射による成層燃焼運転時の点火時期における混合気の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the air-fuel | gaseous mixture in the ignition timing at the time of the stratified combustion operation by expansion stroke injection in 3rd Embodiment. 第4実施形態に係る燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算の制御フローチャートである。It is a control flowchart of fuel injection amount, injection timing, and ignition timing calculation concerning 4th Embodiment. 第4実施形態において膨張行程噴射による成層燃焼運転時の点火時期における混合気の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the air-fuel | gaseous mixture in the ignition timing at the time of the stratified combustion operation by expansion stroke injection in 4th Embodiment. 第5実施形態に係る燃料噴射量、噴射時期及び点火時期演算の制御フローチャートである。It is a control flowchart of fuel-injection amount, injection timing, and ignition timing calculation concerning 5th Embodiment. 第5実施形態において膨張行程噴射による成層燃焼運転時の点火時期における混合気の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the air-fuel | gaseous mixture in the ignition timing at the time of the stratified combustion operation by expansion stroke injection in 5th Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1…筒内直接噴射式内燃機関(エンジン)、4…燃焼室、5…ピストン、5…キャビティ、6…燃料噴射弁、7…点火プラグ、14…燃料ポンプ、20…エンジンコントロールユニット(ECU)、21…排気空燃比センサ、22…触媒温度センサ、23…燃圧センサ、24…エアフローメータ、25…アクセル開度センサ、26…クランク角センサ、27…カム角センサ、28…冷却水温度センサ、29…スタータスイッチ   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Direct injection type internal combustion engine (engine), 4 ... Combustion chamber, 5 ... Piston, 5 ... Cavity, 6 ... Fuel injection valve, 7 ... Spark plug, 14 ... Fuel pump, 20 ... Engine control unit (ECU) , 21 ... exhaust air-fuel ratio sensor, 22 ... catalyst temperature sensor, 23 ... fuel pressure sensor, 24 ... air flow meter, 25 ... accelerator opening sensor, 26 ... crank angle sensor, 27 ... cam angle sensor, 28 ... cooling water temperature sensor, 29 ... Starter switch

Claims (13)

燃焼室上部の略中央部に設けられ、筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
燃焼室内の混合気に火花点火を行う点火プラグと
機関の排気通路に介装された排気浄化触媒と、を有し、
前記燃料噴射弁から燃料を噴射して火花点火により層状燃焼させる成層燃焼運転を実施している筒内直接噴射式内燃機関において、
特定の運転条件時に、膨張行程にて燃料を噴射するとともに噴射された燃料噴霧が前記燃焼室の壁面に到達する前に直接点火を行って層状燃焼させることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
A fuel injection valve that is provided in a substantially central portion of the upper portion of the combustion chamber and directly injects fuel into the cylinder;
An ignition plug that performs spark ignition on the air-fuel mixture in the combustion chamber, and an exhaust purification catalyst interposed in the exhaust passage of the engine,
In the cylinder direct injection internal combustion engine performing stratified combustion operation in which fuel is injected from the fuel injection valve and stratified combustion is performed by spark ignition,
In-cylinder direct injection internal combustion engine that injects fuel in an expansion stroke under specific operating conditions and ignites directly before the injected fuel spray reaches the wall surface of the combustion chamber for stratified combustion organ.
前記点火プラグは、前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の一部が直接到達するように配置され、
前記燃料噴霧の先端が前記燃焼室の壁面に到達する前に前記点火プラグを作動させることを特徴とする請求項1記載の筒内直接噴射式内燃機関。
The spark plug is arranged so that a part of the fuel spray injected from the fuel injection valve reaches directly,
2. The direct injection internal combustion engine according to claim 1, wherein the spark plug is operated before the tip of the fuel spray reaches the wall surface of the combustion chamber.
前記特定の運転条件時は、前記排気浄化触媒の昇温が要求されたときであることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の筒内直接噴射式内燃機関。   The in-cylinder direct injection internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein the specific operating condition is a time when a temperature increase of the exhaust purification catalyst is required. 前記特定の運転条件時は、前記排気浄化触媒の温度が所定温度を下回っているとき又は初爆からのサイクル数が所定回数未満のときであることを特徴とする請求項3記載の筒内直接噴射式内燃機関。   The in-cylinder direct according to claim 3, wherein the specific operating condition is when the temperature of the exhaust purification catalyst is lower than a predetermined temperature or when the number of cycles from the first explosion is less than a predetermined number. Injection-type internal combustion engine. 前記所定回数は、機関冷却水温度に応じて設定されることを特徴とする請求項4記載の筒内直接噴射式内燃機関。   5. The direct injection type internal combustion engine according to claim 4, wherein the predetermined number of times is set according to an engine coolant temperature. 点火時期において点火プラグ周辺の混合気がストイキよりリッチかつ着火可能な空燃比となるように前記膨張行程にて燃料を噴射することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。   The fuel is injected in the expansion stroke so that the air-fuel ratio around the spark plug is richer than stoichiometric and can be ignited at the ignition timing. In-cylinder direct injection internal combustion engine. 膨張行程にて燃料を噴射する膨張行程噴射による成層燃焼運転時は、トータル排気空燃比がストイキから弱リーンとすることを特徴とする請求項6記載の筒内直接噴射式内燃機関。   The direct injection internal combustion engine according to claim 6, wherein the total exhaust air-fuel ratio is changed from stoichiometric to weak lean during stratified charge combustion operation by expansion stroke injection in which fuel is injected in an expansion stroke. 前記特定の運転条件時に、トータル排気空燃比がストイキよりリーンとなるような量の燃料を圧縮行程にて噴射し、点火して層状の主燃焼を行った後に、膨張行程にて比較的少量の燃料を追加噴射し、点火して層状燃焼させることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。   Under the specific operating conditions, an amount of fuel that makes the total exhaust air-fuel ratio leaner than stoichiometric is injected in the compression stroke, ignited and stratified main combustion is performed, and then a relatively small amount in the expansion stroke. The direct injection internal combustion engine according to any one of claims 1 to 7, wherein fuel is additionally injected, ignited, and stratified combustion is performed. 前記特定の運転条件時に、トータル排気空燃比がストイキよりリーンとなるような量の燃料を吸気行程にて噴射し、点火して均質な主燃焼を行った後に、膨張行程にて比較的少量の燃料を追加噴射し、火花点火して層状燃焼させることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。   Under the specific operating conditions, an amount of fuel that makes the total exhaust air / fuel ratio leaner than the stoichiometric injection is injected in the intake stroke, ignited to perform homogeneous main combustion, and then a relatively small amount in the expansion stroke. The direct injection type internal combustion engine according to any one of claims 1 to 7, wherein fuel is additionally injected, spark ignited and layered combustion is performed. 膨張行程にて燃料を噴射する膨張行程噴射による成層燃焼運転時に、燃料の一部を吸気行程中に先行して分割噴射することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。   The stratified combustion operation by the expansion stroke injection that injects the fuel in the expansion stroke, a part of the fuel is divided and injected prior to the intake stroke. In-cylinder direct injection internal combustion engine. 膨張行程にて燃料を噴射する膨張行程噴射による成層燃焼運転時に、燃料の一部を圧縮行程中に先行して分割噴射することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。   8. The fuel injection according to claim 1, wherein a part of the fuel is divided and injected prior to the compression stroke during the stratified combustion operation by the expansion stroke injection in which the fuel is injected in the expansion stroke. In-cylinder direct injection internal combustion engine. 上面略中央部にキャビティが形成されたピストンを有し、
燃料噴霧が前記キャビティ内に入るように前記圧縮行程中の分割噴射を行うことを特徴とする請求項11記載の筒内直接噴射式内燃機関。
It has a piston with a cavity formed in the upper surface approximately in the center,
The in-cylinder direct injection internal combustion engine according to claim 11, wherein split injection is performed during the compression stroke so that fuel spray enters the cavity.
燃料圧力が所定値を下回るとき又は機関冷却水温度が所定温度を下回るときは、膨張行程噴射による成層燃焼運転を行わないことを特徴とする請求項1〜12のいずれか1つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。   The cylinder according to any one of claims 1 to 12, wherein the stratified combustion operation by the expansion stroke injection is not performed when the fuel pressure is lower than a predetermined value or when the engine coolant temperature is lower than the predetermined temperature. Internal direct injection internal combustion engine.
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