JP2006316721A - 筒内噴射内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】点火プラグの近傍に集中させた噴霧により火種を形成し、燃料の後燃えを生じさせて排気温度を上昇させる際に、壁流の形成を抑制し、エミッションを低減させる。
【解決手段】ピストン１２の冠面にキャビティ１２１ｂを形成し、昇温要求時において、インジェクタにより圧縮行程以降の複数の時期に燃料を噴射する。比較的に早い第１の時期に噴射された噴霧Ｓ１をキャビティ１２１ｂにより案内させて、燃焼室の比較的に広い範囲に偏在する混合気塊Ｍ１を形成する一方、この第１の時期よりも遅い第２の時期に噴射された噴霧Ｓ２を点火プラグ２２の近傍に偏在させて、混合気塊Ｍ２を形成する。点火は、点火プラグ２２により混合気塊Ｍ２に対して行う。
【選択図】 図１２

Description

本発明は、筒内噴射内燃機関に関し、詳細には、１サイクル毎に燃料を圧縮行程以降の時期を含む複数の時期に噴射するとともに、この圧縮行程以降の時期に噴射された噴霧による火炎を火種として比較的に緩慢な燃焼を生じさせて、排気温度を上昇させる技術に関する。

筒内噴射内燃機関は、シリンダヘッドに燃料供給用のインジェクタが設置され、このインジェクタにより筒内に燃料を直接噴射することで、層状の混合気を形成するものである。この筒内噴射内燃機関によれば、燃焼の大幅な希薄化が可能であるとともに、吸気に伴うポンプロスの低減の効果も相俟って、特に低負荷域における燃料消費量を低減し得ることが知られている。

筒内噴射内燃機関として、燃料供給用のインジェクタが気筒中心軸に対して傾斜させて、シリンダヘッドの側方から気筒中心に向けて配設された、いわゆる側方噴射タイプのもののほか、このインジェクタが気筒中心軸に対して平行に、シリンダヘッドの上方からピストンの冠面に対向させて配置された中央噴射タイプのものが知られている。
前者の側方噴射タイプの筒内噴射内燃機関に関するものであるが、冷間始動時における排気浄化触媒の活性促進を目的として、排気温度を上昇させる次のような技術が知られている（特許文献１）。すなわち、吸気行程中に燃料を先行して噴射するとともに、圧縮行程中に更に燃料を噴射し、この後行して噴射された噴霧を点火プラグの近傍に集中させる。点火時期を遅角させて設定することで、点火プラグの近傍の噴霧により得られる火炎を火種として燃焼室の全体に亘る比較的に緩慢な燃焼を生じさせ、燃料の後燃えの効果を得て排気温度を上昇させ、触媒の活性を促進させるものである。
特許第３３３７９３１号公報（段落番号００１１）

しかしながら、前掲特許文献１に記載された公知の排気昇温技術には、次のような問題がある。すなわち、このものでは、触媒活性前の低温時に燃料が吸気行程中に噴射されるため、壁面に付着した燃料が蒸発し難い状態にあり、この付着燃料が壁流を形成し、燃焼後の未燃ＨＣを増大させることである。吸気行程中に噴射する場合は、点火が行われるまでの時間が長いため、噴射された燃料のうち拡散により壁面に付着して、壁流を形成するものの割合が比較的に高い。

本発明は、点火プラグの近傍に集中させた噴霧により火種を形成し、燃料の後燃えを生じさせて排気温度を上昇させる際に、壁流の形成を抑制し、エミッションを低減させることを目的とする。

本発明は、筒内噴射内燃機関を提供する。本発明に係る装置は、ピストンの冠面に対向させて配置され、筒内に燃料を直接噴射する燃料供給用のインジェクタと、このインジェクタに隣接させて設置され、このインジェクタにより噴射された噴霧に点火する点火プラグとを含んで構成される。ピストンの冠面には、噴霧を案内するためのキャビティが形成され、排気温度を上昇させる昇温要求時において、インジェクタにより圧縮行程以降の複数の時期に燃料が噴射される。圧縮行程以降の比較的に早い第１の時期に噴射された噴霧がキャビティにより案内されて、燃焼室の比較的に広い範囲に偏在する第１の混合気塊を形成する一方、この第１の時期よりも遅い第２の時期に噴射された噴霧が点火プラグの近傍に偏在する第２の混合気塊を形成する。点火は、点火プラグによりこの第２の混合気塊に対して行われる。本発明の１つの側面によれば、キャビティとして、冠面の中央に形成された第１のキャビティと、この第１のキャビティの周囲に形成された第２のキャビティとが設けられ、昇温要求時において、インジェクタによる燃料の噴射時期として、噴霧が第２のキャビティにより案内される圧縮行程中の第１の時期と、噴霧が第１のキャビティにより案内される、第１の時期よりも遅い第２の時期とが設定される。

本発明によれば、昇温要求時において、第２の時期に噴射された噴霧を点火プラグの近傍に集中（又は偏在）させることで、この噴霧により火種を形成するとともに、後燃えのための余剰燃料を得ることができる。また、第１の時期に噴射された噴霧をキャビティにより案内して、燃焼室の中程に保持させることで、壁流の形成を抑制し、エミッションを低減することができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る筒内噴射内燃機関（以下「エンジン」という。）１の構成を、気筒中心軸ｍを含む平面による断面で示している。エンジン１は、いわゆる中央噴射タイプの筒内噴射内燃機関である。
シリンダブロック１１には、ピストン１２が挿入され、ピストン１２の冠面１２１とシリンダヘッド１３の下面１３１との間に形成される空間１４が燃焼室となる。気筒中心軸ｍを基準としたシリンダヘッド１３の一側には、吸気ポート１５が形成され、吸気ポート１５は、図示しない吸気マニホールドと接続されて、吸気通路を形成している。吸気ポート１５は、吸気弁１６により開放及び遮断される。シリンダヘッド１３の他側には、排気ポート１７が形成され、排気ポート１７は、排気マニホールド１８と接続されて、排気通路を形成している。排気ポート１７は、排気弁１９により開放及び遮断される。吸気弁１６及び排気弁１９は、各弁１６，１９の上方に配置された、図示しない吸気カム又は排気カムにより開方向に駆動される。

また、シリンダヘッド１３には、気筒中心軸ｍ上に、ピストン１２の冠面に対向させて位置させた燃料供給用のインジェクタ（以下、単に「インジェクタ」という。）２１が設置されるとともに、インジェクタ２１に対して排気ポート１７側に隣接させて、点火プラグ２２が設置されている。本実施形態において、インジェクタ２１は、圧縮行程噴射時における噴霧形状の乱れを抑制し得るホールノズルタイプのインジェクタであり、ピストン１２の冠面に向かって気筒中心軸ｍ上を進む中空円錐状の噴霧Ｓ（図１には、点線によりその外縁のみを示す。）を形成する。

本実施形態では、噴射された噴霧Ｓの案内のため、ピストン１２のキャビティとして、冠面１２１の中央に円形の内側キャビティ（「第１のキャビティ」に相当する。）１２１ａが形成されるとともに、この内側キャビティ１２１ａの周囲に連続させて、かつこれと同心に環状の外側キャビティ（「第２のキャビティ」に相当する。）１２１ｂが形成されている。インジェクタ２１による燃料の噴射時期をクランク角に関して進遅させることで、内側及び外側のいずれのキャビティ１２１ａ，１２１ｂによっても噴霧Ｓを案内することができる。各キャビティ１２１ａ，１２１ｂ内において、噴霧Ｓは、底面との衝突後これに沿って外向きに案内されるとともに、周壁により上方へ向けられ、燃焼室１４内をその上部中央に向けて上昇する。図１には、上死点前の圧縮行程中の比較的に遅い時期におけるピストン１２の位置が二点鎖線により示されており、この時期に燃料を噴射することで、内側キャビティ１２１ａの底面に噴霧Ｓを衝突させ、内側キャビティ１２１ａにより案内することができる。

インジェクタ２１及び点火プラグ２２の動作は、エンジンコントロールユニット３１により制御される。インジェクタ２１は、燃料ポンプ２３により所定の圧力に調整された燃料が燃料配管２４を介して供給され、この燃料をエンジンコントロールユニット３１により定められる所定の時期に噴射する。燃料ポンプ２３は、エンジン１の出力により駆動される。他方、点火プラグ２２は、エンジンコントロールユニット３１により定められる所定の時期に点火を行う。

燃焼後の排気は、排気弁１９の開期間に排気ポート１７から排気通路に排出される。排気通路には、排気マニホールド１８の下流に排気浄化触媒（以下、単に「触媒」という。）２０が設置されており、排気は、触媒２０を通過した後、大気中に放出される。
エンジンコントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という。）３１へは、エンジン１の吸入空気量を検出するエアフローメータ４１の検出信号、エンジン１に対する要求負荷に相関するアクセル開度を検出するアクセルセンサ４２の検出信号、クランクシャフト（図示せず。）の基準位置及び単位位置を検出するクランク角センサ４３の検出信号（これをもとに、エンジン１の回転速度を算出することができる。）、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサ４４の検出信号、燃料配管２４内の燃料の圧力（以下「燃圧」という。）を検出する燃圧センサ４５の検出信号、触媒２０への流入前の排気の空燃比を検出する排気センサ４６の検出信号、及び触媒２０の温度（以下「触媒温度」という。）を検出する温度センサ４７等が入力される。ＥＣＵ３１は、入力した各種の検出信号をもとに、インジェクタ２１、点火プラグ２２、燃料ポンプ２３及びスロットル弁５１等のエンジン制御デバイスに対する制御信号を形成する。なお、スロットル弁５１は、吸入空気の流量又は圧力を制御するためのものであり、吸気通路の導入部に設置されている。

本実施形態では、エンジン１の運転状態に応じ、均質燃焼と成層燃焼との間で燃焼形態を切り換えて運転を行わせる。均質燃焼では、目標とする空燃比が理論値に設定されるとともに、燃料の噴射時期が吸気行程中に設定され、燃焼室１４の全体に噴霧を拡散させた状態で燃焼を行わせる。他方、成層燃焼では、目標とする空燃比が理論値よりも大きな値に設定されるとともに、燃料の噴射時期が圧縮行程中に設定され、燃焼室１４のうち点火プラグ２２の近傍に噴霧を集中させた状態で燃焼を行わせる。燃焼形態の切り換えの判断は、ＥＣＵ３１により行われる。また、本実施形態では、エンジン１の冷間始動時における触媒２０の活性促進のため、及び一旦活性したものの低排温運転の継続により不活性化の惧れがある場合の活性維持のため、成層燃焼の形態で燃料の後燃えを生じさせる排気昇温制御を行わせる。

図２は、本実施形態に係る排気昇温制御を行わせる際の、燃料の噴射時期ＩＴｗｐ１，ＩＴｗｐ２及び噴射期間ＤＬＴ１，ＤＬＴ２を、エンジン１の負荷Ｔｑとの関係で示している。
排気昇温制御では、１サイクル当たりの燃料供給量を圧縮行程中の２つの時期に噴射させ、燃焼室の全体での空燃比を１４．４〜１８程度に調整した状態で燃焼を行わせる。１回目の噴射（以下「先噴射」という。）は、圧縮行程のうち比較的に早い時期（「第１の時期」に相当する。）ＩＴｗｐ１に開始する期間ＤＬＴ１に行わせ、２回目の噴射（以下「後噴射」という。）は、圧縮行程のうち時期ＩＴｗｐ１よりも遅い時期（「第２の時期」に相当する。）ＩＴｗｐ２に開始する期間ＤＬＴ２に行わせる。先噴射による噴霧を外側キャビティ１２１ｂにより案内させることで、燃焼室の中程に保持された混合気塊を形成するとともに、後噴射による噴霧を内側キャビティ１２１ａにより案内させることで、点火プラグ２２の近傍に理論値よりも低い可燃空燃比（ここでは、９〜１２程度）の混合気塊を形成する。排気昇温制御において、１サイクル当たりの燃料供給量は、エンジン１の仕事として消費される基本分と、後燃えのためのエネルギー源となる増量分との和として与えられる。この和として与えられる燃料供給量のうち、負荷Ｔｑに拘わらず一定の量（すなわち、前記可燃空燃比の混合気塊を形成するための量）を後噴射により内側キャビティ１２１ｂに向けて噴射させ、残りの量を先噴射により外側キャビティ１２１ａに向けて噴射させる。先噴射と後噴射とは、弁体の動作時間を確保するため、一定の時間ＩＮＴを空けて行わせる。また、本実施形態では、前記１４．４〜１８程度の空燃比を実現するため、スロットル弁５１を制御し、負荷Ｔｑ（すなわち、燃料供給量）の増大に応じて吸気負圧ＢＳＴを発達させる。なお、図２には、噴射された噴霧が外側キャビティ１２１ｂを外側に外れることとなる噴射時期の設定期間が、符号Ａで、噴射された噴霧が外側キャビティ１２１ｂにより案内されることとなる噴射時期の設定期間が、符号Ｂで、噴射された噴霧が内側キャビティ１２１ａにより案内されることとなる噴射時期の設定期間が、符号Ｃで示されている。

次に、ＥＣＵ３１が行う制御の内容について、フローチャートにより説明する。
図３は、暖機制御ルーチンのフローチャートである。このルーチンにより、エンジン１の冷間始動時に触媒２０の活性促進が図られる。
Ｓ１０１では、エンジン１の状態指標として、エンジン回転数ＮＥ及び触媒温度Ｔｃａｔ等を読み込む。

Ｓ１０２では、読み込んだＮＥがエンジン１の始動完了（又は自律回転への移行）を示す所定の回転数ＮＥｍｉｎ以上であるか否かを判定する。ＮＥｍｉｎ以上であるときは、Ｓ１０３へ進み、ＮＥｍｉｎ未満であるときは、このルーチンをリターンし、始動が完了するまで待機する。
Ｓ１０３では、読み込んだＴｃａｔが触媒２０の活性温度である所定の温度ＴｃａｔH以上であるか否かを判定する。ＴｃａｔＨ以上であるときは、Ｓ１０４へ進み、ＴｃａｔＨ未満であるときは、Ｓ１０５へ進む。

Ｓ１０４では、暖機が完了したとしてこのルーチンを終了し、後述する燃焼制御ルーチン（図５）へ移行する。
Ｓ１０５では、暖機が未完了であるとして、触媒２０の活性促進のため、次の排気昇温制御を実行する。
図４は、排気昇温制御ルーチンのフローチャートである。なお、以下の説明において、「燃空比」とは、空気過剰率の逆数をいうものとする。

Ｓ２０１では、修正燃空比ＴＦＢＹＡ２を算出する。このＴＦＢＹＡ２は、暖機後の燃焼制御ルーチンで設定される目標燃空比ＴＦＢＹＡ１（図５のＳ３０４）とは異なる基準により定められるものであり、後燃えを生じさせるＣＯ，Ｈ２等の不完全燃焼物の量と、後燃えのために残存させる酸素の量とを均衡させるため、０．８〜１．０（既述の空燃比で１４．４〜１８程度）の範囲で設定される。

Ｓ２０２では、この制御のための燃料噴射量Ｑｆｗｐを算出する。既述の通り、このＱｆｗｐは、仕事として消費される基本分Ｑｆａと、後燃えのための増量分ＤＱ１との和として与えられる（Ｑｆｗｐ＝Ｑｆａ＋ＤＱ１）。基本分Ｑｆａは、運転状態毎のものとして、目標トルクＴＴＣ（又はアクセル開度ＡＰＯ）及びエンジン回転数ＮＥに基づいてマップデータの検索等により算出することができ、増量分ＤＱ１は、排気温度の上昇に必要なエネルギーを賄うだけのものとして、運転状態毎に予め実験等により決定することができる。

Ｓ２０３では、点火時期ＡＤＶｗｐを算出する。排気昇温制御において、このＡＤＶｗｐは、暖機後の成層燃焼時（図５のＳ３０６）に設定される点火時期ＡＤＶよりも遅角させて設定される。本実施形態では、ＡＤＶｗｐは、エンジン１の燃焼安定限界の範囲内で最大限遅角させて設定される。
Ｓ２０４では、最終的な燃料噴射量（以下「設定噴射量」という。）Ｑｆｒｅｔを算出する。このＱｆｒｅｔは、燃料噴射量Ｑｆｗｐに、基本分Ｑｆａのうち、点火時期の遅角に伴い仕事ではなく熱に変換される分の燃料量を加算したものとして算出される。

Ｓ２０５では、算出したＱｆｒｅｔが所定の値Ｑｍｉｎ以上であるか否かを判定する。Ｑｍｉｎ以上であるときは、Ｓ２０６へ進み、Ｑｍｉｎ未満であるときは、Ｓ２０９へ進む。このＱｍｉｎは、その全量を内側キャビティ１２１ａにより案内させて混合気塊を形成した場合に、点火時期における点火プラグ２２の近傍の空燃比が１２程度となる燃料噴射量に設定される。このため、ＱｆｒｅｔがＱｍｉｎ未満であるのに拘わらず無理に分割噴射をしたとすれば、先噴射により火炎伝播可能な混合気塊が形成されるだけの量の燃料が噴射された結果、後噴射のための燃料が不足し、点火時期を遅角させた場合の着火性が確保されない惧れがある。

Ｓ２０６では、燃料分割比Ｋｓｐを算出する。このＫｓｐは、設定噴射量Ｑｆｒｅｔに占める先噴射による噴射量の割合である。本実施形態において、Ｋｓｐは、基本値Ｋｓｐ０に対して目標トルクＴＴＣ、エンジン回転数ＮＥ及び冷却水温度Ｔｗによる補正を施して算出される（Ｋｓｐ＝Ｋｓｐ０×ＨＯＳ１×ＨＯＳ２×ＨＯＳ３）。図６〜８は、各補正値ＨＯＳ１〜ＨＯＳ３の変化の傾向を示している。目標トルクＴＴＣによる補正値ＨＯＳ１は、ＴＴＣの増大に応じて大きな値に設定される。負荷に拘わらず後噴射による噴射量を一定に保つためである。また、エンジン回転数ＮＥによる補正値ＨＯＳ２は、ＮＥの上昇に応じて小さな値に設定される。後噴射から点火までの時間の短縮に対し、点火プラグ２２の近傍に集中させる燃料の割合を増大させて、着火性を確保するためである。更に、冷却水温度Ｔｗによる補正値ＨＯＳ３は、Ｔｗが所定の値ＬＴｗ以下である範囲で、Ｔｗの低下に応じて大きな値に設定される。低温時に後噴射による噴射量を減少させることで、燃料の蒸発不良によるスモークの発生を抑制するためである。なお、ＬＴｗは、基本値Ｋｓｐ０による場合に、点火プラグ２２の近傍で発生するスモークの量が規定の量以下に抑えられる範囲の下限である。

Ｓ２０７では、先噴射及び後噴射の各噴射時期ＩＴｗｐ１，ＩＴｗｐ２を設定する。ＩＴｗｐ１，ＩＴｗｐ２は、既述の通り負荷（すなわち、目標トルクＴＴＣ）によるほか、エンジン回転数ＮＥ及び冷却水温度Ｔｗにより変更される。図９，１０は、各噴射時期ＩＴｗｐ１，ＩＴｗｐ２の変化の傾向を示している。図９において、エンジン回転数ＮＥの上昇に応じてＩＴｗｐ１，ＩＴｗｐ２の双方が進角されるが、ＮＥの単位変化量当たりの進角の幅ΔＩＴ１，ΔＩＴ２は、後噴射に関するΔＩＴ２の方が大きい（図９）。回転速度の上昇に対し、後噴射から点火までの時間を確保し、燃料の蒸発を進ませるためである。他方、図１０において、冷却水温度Ｔｗの低下に対し、ＩＴｗｐ１が一定の時期に保持される一方、ＩＴｗｐ２は、Ｔｗが所定の値ＬＴｗ以下である範囲で、Ｔｗの低下に応じて進角される。低温時にＩＴｗｐ２を進角させることで、点火までの燃料の蒸発を促し、スモークの発生を抑制するためである。

Ｓ２０８では、設定したＩＴｗｐ１，ＩＴｗｐ２により先噴射及び後噴射を行う。先噴射では、設定噴射量Ｑｆｒｅｔに燃料分割比Ｋｓｐを乗算した量（＝Ｑｆｒｅｔ×Ｋｓｐ）の燃料をＩＴｗｐ１に噴射する一方、後噴射では、残りの量（＝Ｑｆｒｅｔ×（１−Ｋｓｐ））の燃料をＩＴｗｐ２に噴射する。
Ｓ２０９では、内側キャビティ１２１ａを利用した一括噴射による場合の燃料の噴射時期ＩＴｗｐを設定する。本実施形態において、このＩＴｗｐは、分割噴射時に設定される後噴射の噴射時期ＩＴｗｐ２と一致させる。

Ｓ２１０では、設定したＩＴｗｐに設定噴射量Ｑｆｒｅｔを一時に噴射する。
図５は、暖機後における燃焼制御ルーチンのフローチャートである。このルーチンにより、通常運転時の燃焼形態が切り換えられるとともに、触媒２０の温度低下を検出し、その活性維持が図られる。
Ｓ３０１では、エンジン１の運転状態として、吸入空気量ＱＭ、エンジン回転数ＮＥ、アクセル開度ＡＰＯ、触媒温度Ｔｃａｔ及び冷却水温度Ｔｗ等を読み込む。

Ｓ３０２では、読み込んだＡＰＯに基づいてエンジン１の目標トルクＴＴＣを算出する。目標トルクのＴＴＣの算出は、ＴＴＣの値をＡＰＯに対応させて割り付けたエンジン回転数ＮＥ毎のマップデータの検索により行われる。
Ｓ３０３では、エンジン１の運転状態が成層燃焼域にあるか否かを判定する。成層燃焼域にあるときは、Ｓ３０４へ進み、成層燃焼域にない（すなわち、均質燃焼域にある）ときは、Ｓ３０８へ進む。エンジン１の運転領域全体のうち、成層燃焼域は、比較的に低負荷側の領域として設定され、均質燃焼域は、成層燃焼域以外の高負荷側の領域として設定される。

Ｓ３０４では、成層燃焼のための目標燃空比ＴＦＢＹＡ１を算出する。目標燃空比ＴＦＢＹＡ１の算出は、ＴＦＢＹＡ１の値をエンジン回転数ＮＥ及び目標トルクＴＴＣに対応させて割り付けたマップデータの検索により行われる。
Ｓ３０５では、触媒温度Ｔｃａｔが所定の温度ＴｃａｔH以上であるか否かを判定する。ＴｃａｔＨ以上であるときは、Ｓ３０６へ進み、ＴｃａｔＨ未満であるときは、Ｓ３０７へ進む。

Ｓ３０６では、通常の成層燃焼によりエンジン１を運転させる。吸入空気量ＱＭ及びエンジン回転数ＮＥに基づいて算出される理論値相当の基本噴射量（＝Ｋ×ＱＭ／ＮＥ：Kを係数とする。）に算出したＴＦＢＹＡ１を乗算し、更に冷却水温度Ｔｗ等による各種の補正を施して、最終的な燃料噴射量Ｑｆａを算出する。噴霧が内側キャビティ１２１ａにより案内されることとなる噴射時期（図９に示す期間Ｃ中の時期）を設定し、この時期にＱｆａの全量を噴射する。本実施形態において、点火時期は、ＭＢＴ（Minimum Advance For Best Torque）に設定する。

Ｓ３０７では、触媒２０の温度が低下したとして、その早期維持のため、図４のフローチャートに従い排気昇温制御を実行する。
Ｓ３０８では、均質燃焼によりエンジン１を運転させる。吸入空気量ＱＭ及びエンジン回転数ＮＥに基づいて算出される理論値相当の基本噴射量（＝Ｋ×ＱＭ／ＮＥ）に、冷却水温度Ｔｗ等による各種の補正を施して、燃料噴射量Ｑｆａを算出する。吸気行程中の噴射時期を設定するとともに、点火時期をＭＢＴに設定する。

本実施形態に関し、図４に示すフローチャートのＳ２０７の処理が「噴射時期設定手段」に、同フローチャートのＳ２０３の処理が「点火時期設定手段」に、同フローチャートのＳ２０２，２０６及び２０８が「噴射量設定手段」に相当する。
本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
すなわち、エンジン１の冷間始動時又は触媒２０の温度低下時を「昇温要求時」として排気昇温制御を実行し、燃料を第１の時期ＩＴｗｐ１と第２の時期ＩＴｗｐ２とに分けて噴射し、ＩＴｗｐ１に噴射された噴霧を「第２のキャビティ」としての外側キャビティ１２１ｂにより案内して、燃焼室１４の中程に保持させるとともに、ＩＴｗｐ２に噴射された噴霧を「第１のキャビティ」としての内側キャビティ１２１ａにより案内して、点火プラグ２２の近傍に集中させることとした。

図１１〜１３は、本実施形態に係る排気昇温制御による混合気塊Ｍ１，Ｍ２の形成概念を負荷毎に示しており、図１１は、設定噴射量ＱｆｒｅｔがＱｍｉｎ未満である極低負荷時のものを、図１２，１３は、ＱｆｒｅｔがＱｍｉｎ以上である低負荷時又は高負荷時のものを示している。
排気昇温制御では、燃料の分割噴射に併せ、点火時期が通常運転時のものよりも遅角させて設定され、これにより燃焼が緩慢なものとなり、混合気塊Ｍ１の領域に残存する酸素により、混合気塊Ｍ２の領域で発生したＣＯ等の不完全燃焼物の後燃えの効果が得られ、排気温度が上昇する。本実施形態によれば、図１２に示すように、内側キャビティ１２１ａにより案内される噴霧Ｓ２により点火プラグ２２の近傍に燃料の濃い混合気塊（「第２の混合気塊」に相当する。）Ｍ２が形成されるため、これにより着火に際しての火種が形成されるとともに、後燃えのための余剰燃料を得ることができる。また、外側キャビティ１２１ｂにより案内される噴霧Ｓ１により形成される混合気塊（「第１の混合気塊」に相当する。）Ｍ１が燃焼室１４の中程に保持されるため、壁流の形成を抑制し、エミッションを低減することができる。

また、負荷の増大に対し、後噴射による噴射量を一定に保持する一方、先噴射による噴射量を増大させることとしたので（図３）、混合気塊Ｍ２を火種とする着火を安定させながら、要求負荷を実現することができる。
更に、Ｑｍｉｎ未満の極低負荷時において、先及び後噴射による分割噴射を禁止し、内側キャビティ１２１ａを利用した一括噴射によることとしたので（図１１）、後噴射のための燃料の不足による着火の不安定化を回避することができる。

なお、以上では、後噴射による噴霧を内側キャビティ１２１ａにより案内して、燃料の濃い混合気塊Ｍ２を点火プラグ２２の近傍に集中させることとしたが、第２の時期ＩＴｗｐ２は、更に遅らせて上死点後に設定することもできる。この場合は、後噴射による噴霧に対し、ピストン１２との衝突前に点火を行い、着火させることができる。
また、触媒温度Ｔｃａｔは、以上のように温度センサ４７により直接検出することによるほか、エンジン冷却水の温度、始動後の経過サイクル数又は低排温運転（たとえば、成層燃焼域のうち特に低負荷側の領域での運転）の継続時間等から推定することもできる。

本発明の一実施形態に係る筒内噴射内燃機関の構成 同上実施形態に係る負荷Ｔｑに対する噴射時期ＩＴｗｐ１，ＩＴｗｐ２の設定 同上実施形態に係る暖機制御ルーチンのフローチャート 同上実施形態に係る排気昇温制御ルーチンのフローチャート 同上実施形態に係る燃焼制御ルーチンのフローチャート 目標トルクＴＴＣによる燃料分割比補正値ＨＯＳ１のテーブルデータ エンジン回転数ＮＥによる燃料分割比補正値ＨＯＳ２のテーブルデータ 冷却水温度Ｔｗによる燃料分割比補正値ＨＯＳ３のテーブルデータ エンジン回転数ＮＥに対する噴射時期ＩＴｗｐ１，ＩＴｗｐ２の設定 冷却水温度Ｔｗに対する噴射時期ＩＴｗｐ１，ＩＴｗｐ２の設定 排気昇温制御による極低負荷時における混合気塊の形成概念 同上低負荷時期における混合気塊の形成概念 同上高負荷時期における混合気塊の形成概念

符号の説明

１…エンジン、１１…シリンダブロック、１２…ピストン、１２１…冠面、１２１ａ…「第１のキャビティ」としての内側キャビティ、１２１ｂ…「第２のキャビティ」としての外側キャビティ、１３…シリンダヘッド、１４…燃焼室、１５…吸気ポート、１６…吸気弁、１７…排気ポート、１８…排気マニホールド、１９…排気弁、２０…排気浄化触媒、２１…インジェクタ、２２…点火プラグ、２３…燃料ポンプ、２４…燃料配管、３１…エンジンコントロールユニット、４１…エアフローメータ、４２…アクセルセンサ、４３…クランク角センサ、４４…冷却水温度センサ、４５…燃圧センサ、４６…排気センサ、４７…触媒温度センサ、Ｓ…噴霧、Ｍ…混合気塊。

Claims (16)

1. ピストンの冠面に対向させて配置され、筒内に燃料を直接噴射する燃料供給用のインジェクタと、
   前記インジェクタに隣接させて設置され、前記インジェクタにより噴射された噴霧に点火する点火プラグと、
   前記インジェクタによる燃料の噴射時期を設定する噴射時期設定手段と、を含んで構成され、
   前記ピストンには、前記噴霧を案内するためのキャビティとして、冠面の中央に形成された第１のキャビティと、この第１のキャビティの周囲に形成された第２のキャビティとが設けられ、
   前記噴射時期設定手段は、排気温度を上昇させる昇温要求時において、前記インジェクタによる燃料の噴射時期として、噴霧が前記第２のキャビティにより案内される圧縮行程中の第１の時期と、噴霧が前記第１のキャビティにより案内される、前記第１の時期よりも遅い第２の時期とを設定する筒内噴射内燃機関。
2. 前記排気昇温時において、前記点火時期を前記排気昇温時以外の通常運転時におけるよりも遅角させて設定する点火時期設定手段を更に含んで構成される請求項１に記載の筒内噴射内燃機関。
3. 前記点火時期設定手段による点火時期の遅角量が大きいときほど、前記インジェクタによる１サイクル当たりの燃料噴射量を増大させる手段を更に含んで構成される請求項２に記載の筒内噴射内燃機関。
4. 前記インジェクタによる燃料噴射量を設定する噴射量設定手段を更に含んで構成され、
   前記噴射量設定手段は、前記昇温要求時において、前記第１の時期に関する第１の噴射量と、前記第２の時期に関する第２の噴射量とを設定し、
   前記点火時期において、前記第１のキャビティ内及びその上方に、理論値又はこれよりも低い可燃空燃比の混合気塊が形成される請求項１〜３のいずれかに記載の筒内噴射内燃機関。
5. 前記噴射量設定手段は、前記第１及び第２の噴射量を、燃焼室全体での平均空燃比が理論値又はこれよりも高い値となるものとして設定する請求項４に記載の筒内噴射内燃機関。
6. 前記噴射量設定手段は、機関に対する要求負荷の増大に応じ、前記第１の噴射量を増大させる請求項４又は５に記載の筒内噴射内燃機関。
7. 前記噴射量設定手段は、機関の回転速度の上昇に応じ、前記第１の噴射量に対する前記第２の噴射量の割合を増大させる請求項４〜６のいずれかに記載の筒内噴射内燃機関。
8. 前記噴射量設定手段は、機関の温度が所定の温度よりも低いときに、これ以外のときと比較して、前記第１の噴射量に対する前記第２の噴射量の割合を減少させる請求項４〜７のいずれかに記載の筒内噴射内燃機関。
9. 前記噴射時期設定手段は、機関の回転速度の上昇に応じ、前記第１及び第２の時期を進角させる請求項１〜８のいずれかに記載の筒内噴射内燃機関。
10. 前記噴射時期設定手段は、機関の回転速度の上昇に対し、第２の時期を前記第１の時期よりも大きく進角させる請求項９に記載の筒内噴射内燃機関。
11. 前記噴射時期設定手段は、機関の温度が所定の温度よりも低いときに、これ以外のときと比較して、前記第２の時期を進角させる請求項１〜１０のいずれかに記載の筒内噴射内燃機関。
12. 排気通路に設置された排気浄化用の触媒を更に含んで構成され、
    前記噴射時期設定手段は、前記触媒の不活性時を前記昇温要求時として、前記第１及び第２の時期を設定する請求項１〜１１のいずれかに記載の筒内噴射内燃機関。
13. 前記昇温要求時において、機関の運転状態が所定の負荷よりも低負荷側の領域にあるときに、前記噴射時期設定手段による前記第１及び第２の時期の設定を禁止し、噴霧が前記第１のキャビティにより案内される圧縮行程中の第３の時期を設定する手段を更に含んで構成される請求項１〜１２のいずれかに記載の筒内噴射内燃機関。
14. 前記噴射時期設定手段は、第１の時期に関する燃料の噴射期間の終期が、前記第２の時期よりも所定の時間以上早い時期となるものとして、前記第１及び第２の時期を設定する請求項１〜１３のいずれかに記載の筒内噴射内燃機関。
15. 前記噴射時期設定手段に対し、機関の自律回転前における前記第１及び第２の時期の設定を禁止する手段を更に含んで構成される請求項１〜１４のいずれかに記載の筒内噴射内燃機関。
16. ピストンの冠面に対向させて配置され、筒内に燃料を直接噴射する燃料供給用のインジェクタと、
    前記インジェクタに隣接させて設置され、前記インジェクタにより噴射された噴霧に点火する点火プラグと、を含んで構成され、
    前記ピストンの冠面には、前記噴霧を案内するためのキャビティが形成され、
    排気温度を上昇させる昇温要求時において、前記インジェクタにより圧縮行程以降の複数の時期に燃料が噴射され、比較的に早い第１の時期に噴射された噴霧が前記キャビティにより案内されて、燃焼室の比較的に広い範囲に偏在する第１の混合気塊を形成する一方、この第１の時期よりも遅い第２の時期に噴射された噴霧が前記点火プラグの近傍に偏在する第２の混合気塊を形成し、前記点火プラグによりこの第２の混合気塊に対して点火が行われる筒内噴射内燃機関。

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