JP2006170109A - 筒内直接噴射式内燃機関の点火制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 筒内直接噴射式内燃機関での点火プラグのくすぶりを改善して着火性を向上する。
【解決手段】 燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備える筒内直接噴射式内燃機関であって、成層燃焼時αには吸気弁の閉時期ＩＶＣ以降に燃料を噴射するとともに（Ｍα）、均質燃焼時βには吸気弁の開期間中に燃料を噴射する（Ｍβ）。燃料噴射後に第１の火花放電（Ｇ１α・Ｇ１β）を行い、燃焼室内の混合気に点火する。燃料噴射前に第２の火花放電（Ｇ２α・Ｇ２β）を行い、点火プラグの着火性を向上させる。特に、成層燃焼時αには吸気弁の閉時期ＩＶＣ以降に第２の火花放電Ｇ２αを行う。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と点火プラグとを備える筒内直接噴射式の火花点火内燃機関の点火制御装置に関し、特に、点火プラグのくすぶりを防止して着火性を改善する技術に関する。

周知のように、燃焼室内の混合気を火花点火するガソリンエンジンに代表される火花点火式内燃機関の分野では、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備え、機関運転状態に応じて成層（希薄）燃焼と理論空燃比近傍での均質燃焼とを切り換えることにより、成層燃焼による燃費向上と均質燃焼による出力向上とを両立する筒内直接噴射式内燃機関が知られている。

また、点火プラグに未燃燃料が付着して、いわゆる点火プラグのくすぶりが生じることを防止・回避するために、混合気に点火するための正規の火花放電（第１の火花放電）とは別に火花放電（第２の火花放電）いわゆる空打ちを行うことにより着火性を改善する技術が知られている。例えば特許文献１では、正規の火花放電の後に引き続き複数回の火花放電を行っている。また、特許文献２では、排気行程又は吸入行程に清掃火花放電いわゆる空打ちを行うことが記載されている。
特開平７−１０３１２２号公報 特公昭６２−９７４５号公報

筒内直接噴射式内燃機関では、燃料を燃焼室内に直接噴射しているために、吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射式内燃機関に比して、特に機関始動時やアイドル時のように筒内温度が低い状況では、燃料の気化・霧化が困難であるので、点火プラグへの燃料付着及びこれに起因するくすぶりによる着火性や燃焼安定性の低下が重要な課題である。しかしながら、成層燃焼時と均質燃焼時とでは燃料噴射時期や点火時期等が全く異なるので、単に上記の空打ちを行うだけでは十分な効果を期待できない。

更に特許文献１のように正規の火花点火の後に複数回の火花点火を行うものでは、複数回の点火により点火プラグが暖められても、次サイクルの火花点火までの間に、吸気行程で吸入される新気等により点火プラグが再び冷却されてしまい、十分な効果が得られない。また、特許文献２のように排気行程又は吸入（吸気）行程で第２の火花点火を行う構成であっても、この火花放電の後に吸入される新気によって同様に点火プラグが冷却されてしまう。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、成層燃焼と均質燃焼とを切換可能な筒内直接噴射式内燃機関における点火プラグの着火性・燃焼安定性を有効に向上することを主たる目的としている。

燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、燃焼室内で火花放電を行う点火プラグと、を備える。成層燃焼時には吸気弁の閉時期以降に燃料を噴射するとともに、均質燃焼時には吸気弁の開期間中に燃料を噴射する。燃料噴射後に第１の火花放電を行い、燃焼室内の混合気に点火する。そして、上記成層燃焼時と均質燃焼時とで第２の火花放電を行う時期を制御して、この第２の火花放電を燃料噴射前に行う。

本発明によれば、成層燃焼及び均質燃焼のいずれの場合であっても、燃料噴射前に第２の火花放電を行い、点火プラグの温度を高めてくすぶりを低減・回避することができる。従って、成層燃焼と均質燃焼とを切換可能な筒内直接噴射式内燃機関における着火性及び燃焼安定性を効果的に向上することができる。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施例に係る筒内直接噴射式内燃機関としてのガソリンエンジン１０のシステム構成図である。このエンジン１０は、気筒毎にシリンダボア１１が形成されたシリンダブロック１２と、シリンダボア１１内を昇降するピストン１３と、シリンダブロック１２上に固定されるシリンダヘッド１４と、を有し、シリンダヘッド１４の下面に凹設されたペントルーフ型の燃焼室１５に、ピストン１３の冠面が臨んでいる。

シリンダブロック１２には、ピストン１３の往復動に連動して回転する機関出力軸としてのクランクシャフト１６が支持されている。シリンダヘッド１４には、燃焼室１５内へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁１７と、燃焼室１５内の混合気を火花点火する点火プラグ１８と、吸気通路２０を開閉する吸気弁２１と、排気通路２２を開閉する排気弁２３と、が設けられている。また、吸気通路２０には、吸気通路２０のコレクタ２５上流部の開度を調整するスロットル弁２６が設けられる。排気通路２２には、排気を浄化する三元触媒等の触媒２７が設けられる。

エンジン制御部３１は、周知のように各種制御処理を記憶及び実行する機能を有しており、つまり、アクセル開度ＡＰＯやエンジン回転数Ｎｅ等の機関運転状態に基づいて、燃料噴射弁１７、点火プラグ１８、及びスロットル弁２６等に指令信号を出力し、その動作を制御する。上記のアクセル開度ＡＰＯは例えばアクセルペダル３２の開度を検出するアクセル開度センサ３３により検出され、機関回転数Ｎｅは周知のクランク角センサ３４等により検出される。

図２は、本実施例に係る機関始動後の加速過渡期のタイムチャートである。同図において、縦軸の（ａ）はスロットル開度ＴＶＯ、（ｂ）は機関水温Ｔｗ、（ｃ）は機関回転数、（ｄ）は燃焼形態（成層燃焼α又は均質燃焼β）、（ｅ）は燃料噴射時期、（ｆ）は吸気弁の開閉時期、（ｇ）は点火時期を示している。なお、図２（ｇ）中では簡略的に矩形状に示されている一つの点火時期において一回又は複数回の火花放電が行われる。

同図に示すように、機関要求負荷に対応するスロットル開度ＴＶＯや機関水温Ｔｗ及び機関回転数Ｎｅ等の機関運転条件に応じて、成層燃焼αと均質燃焼βとが切り換えられる。成層燃焼時αには、燃料噴射時期Ｍαが吸気弁の閉時期ＩＶＣ以降に設定されており、燃料噴射Ｍα後の圧縮行程中に、正規の火花放電（第１の火花放電）Ｇ１αが行われて、燃焼室１５内の混合気への点火・着火が行われる。このような成層燃焼αでは、圧縮行程で燃料を噴射することにより燃焼室内に残存する吸気流動（スワールやタンブル等）を利用して点火プラグ１８の近傍に部分的に濃い層状の可燃混合気を形成することができ、全体としての空燃比が非常に高い希薄燃焼が可能となる。均質燃焼時βには、燃料噴射時期Ｍβが吸気弁の開期間つまり吸気行程中に設定され、かつ、続く圧縮行程中に点火プラグ１８による正規の火花放電Ｇ１βが行われ、燃焼室内の混合気が点火される。このような均質燃焼βでは、周知のように、吸気行程中に燃料を噴射することにより燃焼室内に理論空燃比近傍の均質な混合気を形成することができ、理論空燃比近傍での安定した燃焼を実現することができる。

そして本実施例では、混合気に点火（着火）するための正規の火花放電Ｇ１α・Ｇ１βとは別に、第２の火花放電Ｇ２α・Ｇ２β、いわゆる点火プラグの空打ちを、燃料噴射前に行う（噴射前放電手段）。つまり、燃料噴射前に空打ちが行われるように、成層燃焼時αと均質燃焼時βとでそれぞれ火花放電Ｇ２α・Ｇ２βの時期を適切に制御している。また、成層燃焼時α及び均質燃焼時βのいずれの場合であっても、第２の火花放電Ｇ２α・Ｇ２βの開始時期は吸気弁の開時期ＩＶＯ以降に設定されている。更に、成層燃焼時αには、第２の火花放電Ｇ２αが少なくとも吸気弁の閉時期ＩＶＣ以降にも行われるように設定されている。

更に好ましくは、図２（ｇ）の実線で示すように、成層燃焼時αの第２の火花放電Ｇ２αの開始時期は、吸気弁の閉時期ＩＶＣ以降に設定されている。これにより、上述したように新気の導入により点火プラグが再び冷やされることをより確実に回避することができる。但し、放電期間を長く確保するために、図２（ｇ）の破線で示すように、吸気弁の開期間中に第２の火花放電Ｇ２β’を開始するようにしても良い。

なお、この実施例では吸気弁２１の開時期ＩＶＯが吸気上死点ＴＤＣ近傍に設定され、吸気弁の閉時期ＩＶＣが下死点ＢＤＣ近傍に設定されている。従って、吸気弁の開期間がピストンストローク特性の吸気行程（すなわち吸気上死点ＴＤＣから下死点ＢＤＣまでの期間）とほぼ一致している。しかしながら本発明はこれに限定されるものではない。

図３は、本発明に係る第２の火花放電の制御の流れを示すフローチャートである。本ルーチンはエンジン制御部３１により記憶及び繰り返し実行される。ステップ１１では、機関回転数Ｎｅ，機関水温Ｔｗ，アクセル開度ＡＰＯ及びスロットル開度ＴＶＯ等の機関運転状態を読み込む。

ステップ１２では、機関要求負荷に対応するスロットル開度ＴＶＯ（又はアクセル開度ＡＰＯ）が所定値ＴＶＯ１以下であるかを判定する。スロットル開度ＴＶＯが所定値ＴＶＯ１を越えている比較的機関負荷の高い運転域では、筒内温度・圧力が高く点火プラグのくすぶり等が発生し難いので、この第２の火花放電を禁止し、つまり第２の火花放電をが無駄に行われることなく本ルーチンが終了する。

ＴＶＯが所定値ＴＶＯ１以下である比較的機関負荷の低い運転域では、ステップ１３へ進み、スロットル開度及び期間水温Ｔｗに基づいて、図４に示す予め設定・記憶された基本放電回数演算マップを参照して、第２の火花放電での制御量に相当する基本放電回数（あるいは、放電電圧や放電期間）を演算する。なお、図中の領域番号の増加に伴い放電回数が増加される。同図に示すように、機関水温Ｔｗが低いほど基本放電回数が高く設定され、また、機関負荷（スロットル開度ＴＶＯやアクセル開度ＡＰＯ）が小さいほど基本放電回数が高く設定される。

ステップ１４では、機関負荷や機関回転数に基づいて、成層燃焼αか均質燃焼βのいずれを行うかを判定する。基本的には低負荷側で成層燃焼αが行われ、高負荷側では均質燃焼βが行われる。

ステップ１５，１７では、その燃焼状態（成層又は均質）における燃料噴射開始時期に応じて、第２の火花点火の終了時期を演算する。典型的には、燃料噴射の開始直前に点火終了時期が設定される。

ステップ１６，１８では、その燃焼状態（成層又は均質）における点火終了時期と、放電回数と、機関回転数Ｎｅとに基づいて、点火開始時期を演算する。機関回転数が高くなるほど一回転当たりの実時間が短くなるので、機関回転数が高くなるほど点火終了時期に対する点火開始時期の進角量を大きくする。但し、上述したように、点火開始時期は吸気弁の開時期ＩＶＯ以降に制限され、かつ、成層燃焼時αには吸気弁の閉時期ＩＶＣ以降に制限される。

以上の説明より把握し得る本発明の特徴的な技術思想及びその作用効果を、上記実施例を参照して説明する。但し本発明は参照符号を付した実施例の構成に限定されるものではない。

（１）燃焼室１５内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁１７と、燃焼室１５内で火花放電を行う点火プラグ１８と、を備え、成層燃焼時αには吸気弁２１の閉時期ＩＶＣ以降に燃料を噴射するとともに（Ｍα）、均質燃焼時βには吸気弁２１の開期間中に燃料を噴射する（Ｍβ）。これらの燃焼運転α・βを機関運転条件に応じて行うことにより、成層燃焼αによる燃費向上と均質燃焼βによる出力向上とを図ることができる。

そして、燃料噴射後に第１の火花放電Ｇ１α・Ｇ１βを行い、燃焼室１５内の混合気に点火する火花点火手段と、成層燃焼時αと均質燃焼時βとで第２の火花放電Ｇ２α・Ｇ２βを行う時期を制御して、この第２の火花放電を燃料噴射前に行う噴射前放電手段と、を有している。従って、成層燃焼時α及び均質燃焼時βのいずれの場合であっても、燃料噴射前に第２の火花放電が適切に行われ、点火プラグ１８のくすぶりを低減・解消し、着火性を改善することができる。この結果、例えば正規の点火時期Ｇ１α・Ｇ１βのリタード側安定限界の向上により、機関始動時の触媒早期活性化を図ることができる。

（２）仮に第２の火花放電が吸気行程以前の排気行程中に行われると、この火花放電により点火プラグの温度を高めても、続く吸気行程中に吸入される新気により点火プラグが再び冷やされてしまい、効率が良くない。そこで、好ましくは、第２の火花放電Ｇ２α・Ｇ２βの開始時期を、成層燃焼α及び均質燃焼βともに、吸気弁の開時期ＩＶＣ以降に設定する。

（３）好ましくは成層燃焼時αには第２の火花放電Ｇ２αを少なくとも吸気弁の閉時期ＩＶＣ以降にも行う。ＩＶＣ以降の放電Ｇ２αにより暖められた点火プラグは新気の導入により再び冷やされることがないので、効率良く点火プラグのくすぶりを低減・回避することができ、続く第１の火花放電Ｇ１αによる着火性を更に向上することができる。

（４）更に好ましくは、成層燃焼時αでは第２の火花放電Ｇ２αの開始時期を、吸気弁の閉時期ＩＶＣ以降に設定する。これにより、第２の火花放電Ｇ２αが完全に閉時期ＩＶＣ以降に行われることとなるので、より一層効率よく点火プラグの着火性を改善することができる。

（５）機関水温Ｔｗ及び機関負荷Ｎｅに応じて第２の火花放電の基本放電回数が演算される（ステップ１３）。より具体的には、機関負荷が低いほど、また機関水温が低いほど、着火性が低くなるので、基本放電回数を多くする。

（６）吸入される新気による点火プラグの再冷却を低減・回避しつつ、十分な放電回数（期間）を確保するために、好ましくは、第２の火花放電Ｇ２α・Ｇ２βの終了時期は燃料噴射の開始直前に設定されている。

（７）一般的には、吸気弁の閉時期は吸気上死点ＴＤＣ近傍であり、吸気弁の閉時期は下死点ＢＤＣ近傍であり、吸気弁の開期間は吸気行程とほぼ同等である。従って、上記の説明に代えて、成層燃焼時には圧縮行程中に燃料を噴射し、均質燃焼時には吸気行程中に燃料を噴射し、圧縮行程中に第１の火花放電を行い、燃焼室内の混合気に点火する、と言い換えることもできる。

（８）燃焼室１５内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁１７と、燃焼室１５内で火花放電を行う点火プラグ１８と、を備え、成層燃焼時αには吸気弁２１の閉時期ＩＶＣ以降に燃料を噴射する（Ｍα）。そして、燃料噴射後に第１の火花放電Ｇ１αを行い、燃焼室内の混合気に点火する火花点火手段と、上記成層燃焼時α吸気弁の閉時期ＩＶＣ以降であって燃料噴射Ｍα前に第２の火花放電Ｇ２αを行う噴射前放電手段と、を有することを特徴としている。

このように吸気弁の閉時期ＩＶＣ以降に第２の火花放電を行うことにより、この第２の火花放電により暖められた点火プラグ１８が吸気行程時に吸入される新気により冷やされることがない。従って、点火プラグ１８のくすぶりを低減・解消し、着火性を改善することができる。

本発明の一実施例に係る筒内直接噴射式内燃機関の点火制御装置を示すシステム構成図。 本実施例の加速過渡期のタイムチャート。 本実施例に係る第２の点火放電制御の流れを示すフローチャート。 第２の点火放電の基本放電回数演算マップ。

符号の説明

１０…筒内直接噴射式内燃機関
１５…燃焼室
１７…燃料噴射弁
１８…点火プラグ
２１…吸気弁

Claims (8)

1. 燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、燃焼室内で火花放電を行う点火プラグと、成層燃焼時には吸気弁の閉時期以降に燃料を噴射するとともに、均質燃焼時には吸気弁の開期間中に燃料を噴射する燃料噴射制御手段と、を有する筒内直接噴射式内燃機関の点火制御装置において、
   燃料噴射後に第１の火花放電を行い、燃焼室内の混合気に点火する火花点火手段と、
   上記成層燃焼時と均質燃焼時とで第２の火花放電を行う時期を制御して、この第２の火花放電を燃料噴射前に行う噴射前放電手段と、を有することを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関の点火制御装置。
2. 上記第２の火花放電の開始時期が吸気弁の開時期以降に設定されることを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関の点火制御装置。
3. 成層燃焼時には、上記第２の火花放電が少なくとも吸気弁の閉時期以降にも行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内直接噴射式内燃機関の点火制御装置。
4. 上記成層燃焼時では第２の火花放電の開始時期が吸気弁の閉時期以降に設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内直接噴射式内燃機関の点火制御装置。
5. 機関水温及び機関負荷に応じて上記第２の火花放電の基本放電回数が演算されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関の点火制御装置。
6. 上記第２の火花放電の終了時期が、上記燃料噴射の開始直前に設定されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関の点火制御装置。
7. 燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、燃焼室内で火花放電を行う点火プラグと、成層燃焼時には圧縮行程中に燃料を噴射し、均質燃焼時には吸気行程中に燃料を噴射する燃料噴射制御手段と、を有する筒内直接噴射式内燃機関の点火制御装置において、
   圧縮行程中に第１の火花放電を行い、燃焼室内の混合気に点火する火花点火手段と、
   上記成層燃焼時と均質燃焼時とで第２の火花放電を行う時期を制御して、この第２の火花放電を燃料噴射前に行う噴射前放電手段と、
   を有することを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関の点火制御装置。
8. 燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、燃焼室内で火花放電を行う点火プラグと、成層燃焼時に吸気弁の閉時期以降に燃料を噴射する燃料噴射制御手段と、を有する筒内直接噴射式内燃機関の点火制御装置において、
   燃料噴射後に第１の火花放電を行い、燃焼室内の混合気に点火する火花点火手段と、
   吸気弁の閉時期以降であって燃料噴射前に第２の火花放電を行う噴射前放電手段と、を有することを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関の点火制御装置。

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