JP2006161733A - Control device for cylinder direct injection type spark ignition internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、筒内に燃料を直接に噴射する筒内直接噴射式火花点火内燃機関に関し、特に、その噴射時期および点火時期の制御に関する。 The present invention relates to an in-cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine that directly injects fuel into a cylinder, and more particularly to control of the injection timing and ignition timing.
特許文献1には、排気浄化用の触媒コンバータが活性温度よりも低い未暖機状態にあるときに、圧縮行程中に燃料噴射を行い、かつ、点火時期を圧縮上死点よりも遅角させる技術が開示されている。
内燃機関冷機時の触媒の早期活性化を図るべく排気ガス温度を昇温させるとともにHCを低減するためには、点火時期をなるべく大きく遅角させることが望ましいが、点火時期を大幅に遅角すると、燃焼安定度が悪化するため、燃焼安定度の観点から定まるある限界よりも遅角することはできない。上記従来の技術では、特に冷機時のような条件下において、安定した燃焼の確保が難しく、燃焼安定度から定まる点火時期の遅角限界が比較的進み側にあり、十分な点火時期の遅角を実現することができない。 In order to raise the exhaust gas temperature and reduce HC in order to achieve early activation of the catalyst when the internal combustion engine is cold, it is desirable to retard the ignition timing as much as possible, but if the ignition timing is significantly retarded Since the combustion stability deteriorates, it cannot be retarded from a certain limit determined from the viewpoint of combustion stability. In the above-described conventional technology, it is difficult to ensure stable combustion, particularly under conditions such as cold, the ignition timing delay limit determined from the combustion stability is relatively advanced, and the ignition timing is sufficiently retarded. Cannot be realized.
この発明は、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁および点火プラグを備えるとともに、上記燃料噴射弁へ供給される燃圧を可変制御する燃圧可変手段を備え、圧縮行程中に燃料を噴射することで成層希薄燃焼を実現する筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、所定の運転状態のとき、例えば冷機時のような排気ガス温度の昇温が必要な場合などに、上死点噴射運転モードとして、燃料噴射を、噴射開始時期が圧縮上死点前で噴射終了時期が圧縮上死点後となるように圧縮上死点を跨ぐ期間に行い、かつ、上記噴射開始時期から遅れた圧縮上死点後に点火を行うとともに、この上死点噴射運転モードにおける燃圧を、機関回転数が高いほど高燃圧となるように制御することを特徴としている。 The present invention includes a fuel injection valve that directly injects fuel into a cylinder and a spark plug, and fuel pressure variable means that variably controls the fuel pressure supplied to the fuel injection valve, and injects fuel during the compression stroke. In a cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine control device that realizes stratified lean combustion at the top dead center when the exhaust gas temperature needs to be raised in a predetermined operating state, for example, when the engine is cold As the injection operation mode, fuel injection is performed in a period that crosses the compression top dead center so that the injection start time is before the compression top dead center and the injection end time is after the compression top dead center, and is delayed from the injection start time. In addition, ignition is performed after the compression top dead center, and the fuel pressure in the top dead center injection operation mode is controlled so as to increase as the engine speed increases.
上記の上死点噴射運転モードにおける燃圧は、機関回転数の二乗に比例して高くすることが望ましい。 It is desirable that the fuel pressure in the top dead center injection operation mode be increased in proportion to the square of the engine speed.
図1は、本発明の上死点噴射運転モードの際の燃料噴射期間および点火時期を筒内圧変化とともに例示したものであり、噴射開始時期ITSが圧縮上死点(TDC)前、噴射終了時期ITEが圧縮上死点(TDC)後となる。その間の噴射期間Tの長さは、噴射量に相当する。点火時期ADVは、圧縮上死点(TDC)後であり、噴射開始時期ITSから所定クランク角(例えば10°CA〜25°CA)遅れた時期となる。この遅れ期間Dは、一般に、燃料噴射弁から点火プラグまでの距離に相関する。 FIG. 1 exemplifies a fuel injection period and an ignition timing in the top dead center injection operation mode of the present invention together with a change in in-cylinder pressure. The injection start timing ITS is before the compression top dead center (TDC), and the injection end timing. ITE is after compression top dead center (TDC). The length of the injection period T during that time corresponds to the injection amount. The ignition timing ADV is after compression top dead center (TDC), and is a timing delayed by a predetermined crank angle (for example, 10 ° CA to 25 ° CA) from the injection start timing ITS. This delay period D generally correlates with the distance from the fuel injection valve to the spark plug.
図2は、内燃機関の1サイクル中のピストンストロークによるピストン位置変化量と燃焼室の体積変化量とを示したものである。図示するように、単位クランク角当たりの変化量は、ストロークの中間位置付近で最も大きく、下死点(BDC)付近ならびに上死点(TDC)付近では、非常に小さい。従って、本発明で燃料噴射を行う圧縮上死点付近は、ピストン位置変化や体積変化が非常に小さく、ピストンの動き等に影響されない安定した場が形成され得る。 FIG. 2 shows the piston position change amount and the combustion chamber volume change amount due to the piston stroke in one cycle of the internal combustion engine. As shown in the figure, the amount of change per unit crank angle is the largest near the middle position of the stroke, and is very small near the bottom dead center (BDC) and near the top dead center (TDC). Therefore, in the vicinity of the compression top dead center where the fuel injection is performed in the present invention, the piston position change and volume change are very small, and a stable field that is not affected by the piston movement or the like can be formed.
また、筒内には、吸気行程において、スワール流やタンブル流といった比較的大きな流れのガス流動が発生し、圧縮行程においても残存しているが、このようなスワール流やタンブル流といった大きな流れは、ピストンが圧縮上死点付近に達して燃焼室が狭小なものとなると、急激に崩壊する。図3は、種々の機関回転数の下での燃焼室内の大きな流れの流速変化を示したものであり、図示するように、回転数に応じた強さのスワール流ないしタンブル流が発生するが、圧縮上死点(360°CA)に達する前に、急激に崩壊する。従って、本発明において圧縮上死点付近で噴射された燃料噴霧は、スワール流やタンブル流のような大きな流れにより動かされることがなく、点火プラグに対し、常に安定した形で噴霧を形成することが可能である。 In the cylinder, a relatively large gas flow such as a swirl flow or a tumble flow is generated in the intake stroke and remains in the compression stroke. However, a large flow such as a swirl flow or a tumble flow is When the piston reaches near the compression top dead center and the combustion chamber becomes narrow, it collapses rapidly. FIG. 3 shows a change in flow velocity of a large flow in the combustion chamber under various engine speeds. As shown in the figure, a swirl flow or a tumble flow having a strength corresponding to the rotation speed is generated. Collapses rapidly before reaching compression top dead center (360 ° CA). Therefore, in the present invention, the fuel spray injected near the compression top dead center is not moved by a large flow such as a swirl flow or a tumble flow, and always forms a spray in a stable manner on the spark plug. Is possible.
一方、上記のスワール流やタンブル流といった比較的大きな流れのエネルギは、その流れの崩壊に伴って、微小な乱れへと遷移する。従って、燃焼室内の微小な乱れは、圧縮上死点の直前に、急激に増大する。図4は、図3に示した流れの崩壊に伴って生じる微小な乱れの強さを、流速に換算していわゆる乱れ流速として示したものであり、図示するように、圧縮上死点直前に、乱れが大きく増加する。このような微小な乱れは、燃焼場の活性化に寄与し、燃焼改善作用が得られる。 On the other hand, the energy of a relatively large flow such as the swirl flow or the tumble flow described above transitions to minute turbulence as the flow collapses. Therefore, the minute disturbance in the combustion chamber increases rapidly just before the compression top dead center. FIG. 4 shows the intensity of the minute turbulence caused by the collapse of the flow shown in FIG. 3 as a so-called turbulent flow rate converted to a flow velocity, and as shown in the figure, immediately before the compression top dead center. , Disturbances increase greatly. Such minute disturbances contribute to the activation of the combustion field, and a combustion improving action is obtained.
つまり、燃料が噴射される圧縮上死点付近での燃焼室内の場は、噴霧を動かしてしまうような大きな流れが存在せず、かつ燃焼を活発化させる微小な乱れが多く存在し、しかも、ピストンの動きに対し非常に安定した場となる。そして、点火に先だって圧縮上死点付近で燃料を噴射することにより、噴霧自体のエネルギによって筒内に微小な乱れを積極的に生成することができ、安定した場の中で点火プラグ近傍に最適混合気を形成し得るとともに、その燃焼が乱れにより活発化する。従って、圧縮上死点よりも遅角した点火時期でもって、安定した燃焼が可能であり、燃焼安定度の上で制限される点火時期の遅角限界が、より遅角側となる。そのため、点火時期の大幅な遅角により、排気ガス温度を大幅に昇温させることができ、かつHC排出量が低減する。 In other words, the field in the combustion chamber near the compression top dead center where the fuel is injected does not have a large flow that moves the spray, and there are many minute disturbances that activate the combustion, It is a very stable place against the movement of the piston. And by injecting fuel near the compression top dead center prior to ignition, it is possible to positively generate minute turbulence in the cylinder by the energy of the spray itself, which is optimal in the vicinity of the spark plug in a stable field An air-fuel mixture can be formed, and its combustion is activated by turbulence. Therefore, stable combustion is possible with the ignition timing retarded from the compression top dead center, and the retard limit of the ignition timing that is limited in terms of combustion stability is on the retard side. For this reason, the exhaust gas temperature can be significantly increased by a large retardation of the ignition timing, and the HC emission amount is reduced.
ここで機関回転数が高いほどサイクルに対する実時間が短くなり、安定した燃焼を行うためには、燃焼をより早める必要がある。本発明では、機関回転数が高いほど燃圧が高く与えられ、燃料噴霧により生成される筒内のガス流動が、より強いものとなって、燃焼が活発化し、燃焼速度が向上する。従って、機関高速域においても、安定した燃焼を確保できる。 Here, the higher the engine speed, the shorter the actual time for the cycle. In order to perform stable combustion, it is necessary to accelerate the combustion. In the present invention, the higher the engine speed, the higher the fuel pressure, the stronger the gas flow in the cylinder generated by the fuel spray, the more active the combustion, and the higher the combustion speed. Therefore, stable combustion can be ensured even in the engine high speed region.
燃料噴霧の流速は、燃圧の平方根に比例する。従って、機関回転数の二乗に比例した燃圧とすれば、機関回転数に比例した流動場を燃料噴霧によって生成でき、機関回転数に拘わらず燃焼期間を略同等のものとすることができる。 The fuel spray flow rate is proportional to the square root of the fuel pressure. Therefore, if the fuel pressure is proportional to the square of the engine speed, a flow field proportional to the engine speed can be generated by fuel spray, and the combustion period can be made substantially equal regardless of the engine speed.
この発明によれば、点火時期を圧縮上死点よりも大幅に遅角させた状態で安定した燃焼を得ることができ、例えば内燃機関の冷機時に、排気ガス温度を昇温させて触媒の早期活性化を図ることができるとともに、HC排出量の低減が可能となる。 According to the present invention, stable combustion can be obtained in a state where the ignition timing is significantly retarded from the compression top dead center. For example, when the internal combustion engine is cold, the exhaust gas temperature is raised and the catalyst is accelerated. Activation can be achieved and HC emissions can be reduced.
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図5〜図7は、この発明が適用される筒内直接噴射式火花点火内燃機関の一実施例を示しており、特に、図5,図6は、一つの気筒の構成を示し、図7は機関全体のシステム構成を示している。 5 to 7 show an embodiment of a direct injection type spark ignition internal combustion engine to which the present invention is applied. In particular, FIGS. 5 and 6 show the configuration of one cylinder. Indicates the system configuration of the entire organization.
図5,図6に示すように、シリンダブロック1に形成されたシリンダ2にピストン3が摺動可能に配置されているとともに、シリンダブロック1上面に固定されたシリンダヘッド4と上記ピストン3との間に、燃焼室5が形成されている。上記シリンダヘッド4には、吸気弁6によって開閉される吸気ポート7と、排気弁8によって開閉される排気ポート9と、が形成されている。1つの気筒に対し、一対の吸気弁6と一対の排気弁8とが設けられており、これらの4つの弁に囲まれた燃焼室5天井面中心部に、点火プラグ10が配置されている。また、この実施例では、運転状態によってタンブル流を強化することができるように、吸気ポート7内に、該吸気ポート7内を上下2つの流路に区画する隔壁11が設けられているとともに、その下側の流路を上流端で開閉するタンブル制御弁12が設けられている。当業者には容易に理解できるように、タンブル制御弁12によって下側の流路を閉塞した状態ではタンブル流が強化され、タンブル制御弁12を開いた状態ではタンブル流が弱まる。なお、このタンブル制御弁12は本発明において必ずしも必須のものではなく、省略することも可能であり、また、これに代えて、公知のスワール制御弁を設けるようにしてもよい。
As shown in FIGS. 5 and 6, a
上記シリンダヘッド4の吸気ポート7の下側、より詳しくは一対の吸気ポート7の中間部の位置には、筒内へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁15が配置されている。この燃料噴射弁15は、平面図上において図示せぬピストンピンと直交する方向に沿って燃料を噴射するように配置されているとともに、図5の断面図上において、斜め下方を指向して配置されているが、下方への傾斜角は比較的小さく、つまり水平に近い方向へ燃料を噴射する。
A
一方、ピストン3の頂部は、ペントルーフ型をなす燃焼室5天井面の傾斜に沿った凸部形状をなしているとともに、その中央部に、平面図上において略矩形をなす凹部16が形成されている。この凹部16の底面は、タンブル流に沿うように、所定の曲率半径の円弧面ないしは円弧に近似した湾曲面をなしている。
On the other hand, the top of the
図7に示すように、この実施例の内燃機関は、例えば直列4気筒機関であり、各気筒の排気ポート9が接続された排気通路21に、排気浄化用の触媒コンバータ22が設けられており、その上流側に、酸素センサ等の空燃比センサ23が配置されている。また、各気筒の吸気ポート7が接続された吸気通路24は、その入口側に、制御信号により開閉される電子制御スロットル弁25を備えている。上記排気通路21と上記吸気通路24との間には、排気還流通路26が設けられており、その途中に、排気還流制御弁27が介装されている。また、各気筒のタンブル制御弁12は、ソレノイドバルブ28を介して導入される吸入負圧により動作する負圧式タンブル制御アクチュエータ29によって、一斉に開閉される構成となっている。
As shown in FIG. 7, the internal combustion engine of this embodiment is, for example, an in-line four-cylinder engine, and a
また、上記燃料噴射弁15には、燃料ポンプ31およびプレッシャレギュレータ32によって適宜な圧力に調圧された燃料が、燃料ギャラリ33を介して供給されている。従って、各気筒の燃料噴射弁15が制御パルスにより開弁することで、その開弁期間に応じた量の燃料が噴射される。また、各気筒の点火プラグ10は、イグニッションコイル34に接続されている。ここで、上記プレッシャレギュレータ32は、燃圧可変手段として、燃料噴射弁15に供給される燃料の燃圧を、比較的広い範囲で変化させることができる構成となっている。
The
上記内燃機関の燃料噴射時期や噴射量、燃圧、点火時期等は、コントロールユニット35によって制御される。このコントロールユニット35には、アクセルペダル踏み込み量を検出するアクセル開度センサ30の検出信号や、クランク角センサ36の検出信号、空燃比センサ23の検出信号、冷却水温を検出する水温センサ37の検出信号、等が入力されている。
The fuel injection timing, injection amount, fuel pressure, ignition timing, etc. of the internal combustion engine are controlled by the
上記のように構成された内燃機関においては、暖機が完了した後の状態、例えば冷却水温が80℃を越えているときには、通常の成層燃焼運転および均質燃焼運転が行われる。 In the internal combustion engine configured as described above, when the warm-up is completed, for example, when the cooling water temperature exceeds 80 ° C., normal stratified combustion operation and homogeneous combustion operation are performed.
すなわち、低速低負荷側の所定の領域では、通常の成層燃焼運転モードとして、基本的にタンブル制御弁12を閉じた状態の下で、圧縮行程の適宜な時期に燃料噴射が行われ、かつ圧縮上死点前の時期に点火が行われる。なお、この運転モードでは、圧縮上死点前に必ず燃料噴射が終了する。圧縮行程中にピストン3へ向けて噴射された燃料は、凹部16に沿って旋回するタンブル流を利用して点火プラグ10近傍へ集められ、ここで点火される。そのため、平均的な空燃比がリーンとなった成層燃焼が実現される。このとき、燃料噴射弁15から噴射される燃料の燃圧は、燃料噴射量の増加に対し燃料噴射期間が過度に長くならないように、負荷の上昇に伴って徐々に高くなる所定の特性に沿って制御される。
That is, in a predetermined region on the low speed and low load side, as a normal stratified combustion operation mode, fuel injection is performed at an appropriate time in the compression stroke, with the
また、暖機完了後の高速高負荷側の所定の領域では、通常の均質燃焼運転モードとして、基本的にタンブル制御弁12を開いた状態の下で、吸気行程中に燃料噴射が行われ、かつ圧縮上死点前のMBT点において点火が行われる。この場合は、燃料は筒内で均質な混合気となり、基本的に理論空燃比近傍で運転が行われる。
Further, in a predetermined region on the high speed and high load side after the warm-up is completed, fuel injection is performed during the intake stroke under the condition that the
これに対し、内燃機関の冷却水温が80℃以下のとき、つまり暖機が完了していない状態では、触媒コンバータ22の活性化つまり温度上昇の促進とHC排出量低減のために、上死点噴射運転モードとなる。この上死点噴射運転モードでは、燃料噴霧による乱れの生成が得られるように、プレッシャレギュレータ32により制御される燃圧が、上述した成層燃焼運転モードのときよりも十分に高く与えられる。そして、前述した図1に示したように、噴射開始時期ITSが圧縮上死点(TDC)前、噴射終了時期ITEが圧縮上死点(TDC)後となり、圧縮上死点を跨いで燃料噴射が行われる。点火時期ADVは、圧縮上死点(TDC)後となり、噴射開始時期ITSから10°CA〜25°CA遅れた時期に点火される。この遅れ期間の間に、燃料噴霧がちょうど点火プラグ10付近に到達し、点火プラグ10付近に可燃混合気を形成するので、確実に着火燃焼に至り、成層燃焼が行われる。このとき、燃料噴射量は、平均的な空燃比が理論空燃比となるように制御される。
On the other hand, when the cooling water temperature of the internal combustion engine is 80 ° C. or lower, that is, when the warm-up is not completed, the top dead center is used to activate the
本実施例では、上記の燃料噴射時期は、噴射開始時期ITSが所定のクランク角となるように制御され、噴射終了時期ITEは、この噴射開始時期ITSと燃料噴射量(噴射時間)とによって定まる。なお、燃料噴射期間における圧縮上死点前の期間と圧縮上死点後の期間とが等しくなるように、燃料噴射量に基づき、噴射開始時期ITSと噴射終了時期ITEとを求めるようにすることも可能である。 In this embodiment, the fuel injection timing is controlled so that the injection start timing ITS becomes a predetermined crank angle, and the injection end timing ITE is determined by the injection start timing ITS and the fuel injection amount (injection time). . The injection start timing ITS and the injection end timing ITE are obtained based on the fuel injection amount so that the period before the compression top dead center and the period after the compression top dead center in the fuel injection period are equal. Is also possible.
前述したように、この上死点噴射運転モードにおいて燃料が噴射される圧縮上死点付近での燃焼室内の場は、大きな流れの崩壊により噴霧を動かしてしまうような大きな流れが存在せず、かつ大きな流れの崩壊に伴い、燃焼を活発化させる微小な乱れが多く存在し、しかも、ピストンの動きに対し非常に安定した場となる。そして、このように大きな流れが存在しない安定した場の中で、高圧で燃料噴射を行うことにより、噴霧自体のエネルギによって筒内に微小な乱れを積極的に生成することができる。従って、圧縮上死点よりも遅角した点火時期でもって、安定した燃焼が可能であり、燃焼安定度の上で制限される点火時期の遅角限界が、より遅角側となる。そのため、点火時期の大幅な遅角により、排気ガス温度を大幅に昇温させることができ、かつHC排出量が低減する。噴霧自体によって筒内に生成される微小な乱れと燃圧とは相関があり、燃圧が高いほど乱れが活発に生成される。 As described above, the field in the combustion chamber near the compression top dead center where fuel is injected in this top dead center injection operation mode does not have a large flow that causes the spray to move due to the collapse of the large flow, Along with the collapse of the large flow, there are many minute disturbances that activate the combustion, and the field becomes very stable against the movement of the piston. Then, by performing fuel injection at a high pressure in a stable field where there is no such a large flow, minute turbulence can be positively generated in the cylinder by the energy of the spray itself. Therefore, stable combustion is possible with the ignition timing retarded from the compression top dead center, and the retard limit of the ignition timing that is limited in terms of combustion stability is on the retard side. For this reason, the exhaust gas temperature can be significantly increased by a large retardation of the ignition timing, and the HC emission amount is reduced. There is a correlation between the minute disturbance generated in the cylinder by the spray itself and the fuel pressure, and the higher the fuel pressure, the more actively the disturbance is generated.
一方、上記の上死点噴射運転モードの際の燃圧は、機関回転数の変化に対し、高速側ほど高燃圧となるように制御される。より具体的には、機関回転数の二乗に比例して燃圧が高くなる。前述したように、高速域において安定した燃焼を行うためには、低速域よりも燃焼を早める必要があるが、燃圧を低速域よりも高めることで、燃料噴霧のエネルギにより生成される筒内の微小な乱れつまり微小なガス流動がより活発化し、燃焼速度が高くなる。従って、機関回転数による影響が相殺され、高速域においても安定した燃焼を確保できる。 On the other hand, the fuel pressure in the top dead center injection operation mode is controlled so that the fuel pressure becomes higher as the speed increases with respect to the change in the engine speed. More specifically, the fuel pressure increases in proportion to the square of the engine speed. As described above, in order to perform stable combustion in the high speed region, it is necessary to accelerate the combustion faster than the low speed region, but by increasing the fuel pressure from the low speed region, the in-cylinder generated by the energy of the fuel spray Minute turbulence, that is, minute gas flow becomes more active, and the combustion speed increases. Therefore, the influence of the engine speed is offset and stable combustion can be ensured even in the high speed range.
なお、上記実施例では、燃料噴射弁15が燃焼室5の側部に配置され、水平に近い方向に燃料を噴射する構成となっているが、これに代えて、燃料噴射弁15が、一対の吸気弁6と一対の排気弁8とに囲まれた燃焼室5天井面中心部に配置され、垂直に近い角度でピストン3頂面へ向けて燃料を噴射するようにした所謂直上噴射形式の構成とすることも可能である。
In the above embodiment, the
3…ピストン
5…燃焼室
10…点火プラグ
15…燃料噴射弁
3 ...
Claims (4)
The in-cylinder direct injection according to any one of claims 1 to 3, wherein the top dead center injection operation mode is executed when a temperature increase of the exhaust gas is requested as a predetermined operation state. -Type spark ignition internal combustion engine control device.
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