JP2007239686A

JP2007239686A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2007239686A
Application number: JP2006065658A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ashizawa; 剛芦澤; Osamu Tomino; 修冨野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2007-09-20
Also published as: US20090000595A1; WO2007105080A2; KR20080098655A; CN101400881A; WO2007105080A3; EP1994271A2

Abstract

【課題】気筒内へ直接的に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁を具備する筒内噴射式火花点火内燃機関において、筒内燃料噴射弁の噴孔近傍へのデポジットの堆積を抑制する。
【解決手段】気筒内へ直接的に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁を少なくとも具備する筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置であって、筒内燃料噴射弁の噴孔近傍の測定温度又は推定温度（Ｔ）がデポジット生成温度範囲内（Ｔ１からＴ２）となった時には（ステップ１０２）、噴孔近傍の温度上昇を促進する温度上昇促進制御を実施する（ステップ１０８）。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

筒内噴射式火花点火内燃機関において、気筒内に位置する筒内燃料噴射弁の噴孔近傍がデポジット生成温度範囲となって噴孔近傍にデポジットが堆積することがある。このように噴孔近傍にデポジットが堆積すると、燃料噴射量及び燃料噴射方向等に悪影響を与える。

それにより、筒内燃料噴射弁の噴孔近傍へのデポジットの堆積を抑制することが必要であり、もう一つの燃料噴射弁として吸気ポートへ燃料を噴射するポート燃料噴射弁が設けられている筒内噴射式火花点火内燃機関においては、ポート燃料噴射弁によって燃料を噴射した方が有利な機関運転時にも、要求燃料量の一部を筒内燃料噴射弁から噴射するようにして噴射燃料により噴孔近傍を冷却し、噴孔近傍温度がデポジット生成温度範囲を下回るようにすることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３６４４０９特開２００５−９０２３１特開２００５−１２０８５２

機関始動時において、筒内燃料噴射弁の噴孔近傍温度は、デポジット生成温度範囲を下回っており、機関暖機が進行するにつれて、温度上昇してデポジット生成温度範囲内となる。しかしながら、特に、筒内燃料噴射弁が点火プラグの近傍に配置されている場合には噴孔近傍は加熱され易く、機関暖機が完了すれば、筒内燃料噴射弁により最大量の燃料を噴射して噴孔近傍を冷却しても、噴孔近傍温度はデポジット生成温度範囲を超えるようになって噴孔近傍には新たにデポジットが堆積することはない。

それにより、前述の背景技術では、筒内燃料噴射弁の噴孔近傍温度がデポジット生成温度範囲内となることを遅らせることはできても、機関暖機の進行によって、いずれ噴孔近傍温度はデポジット生成温度範囲内となり、その後は、噴射燃料による冷却によって、噴孔近傍温度がデポジット生成温度範囲をなかなか上回らないために、反って噴孔近傍には多量のデポジットが堆積することがある。

従って、本発明の目的は、気筒内へ直接的に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁を具備する筒内噴射式火花点火内燃機関において、筒内燃料噴射弁の噴孔近傍へのデポジットの堆積を抑制することができる内燃機関の制御装置を提供することである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の制御装置は、気筒内へ直接的に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁を少なくとも具備する筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置であって、前記筒内燃料噴射弁の噴孔近傍の測定温度又は推定温度がデポジット生成温度範囲内となった時には、前記噴孔近傍の温度上昇を促進する温度上昇促進制御を実施することを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の制御装置は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記筒内燃料噴射弁の噴孔近傍の測定温度又は推定温度がデポジット生成温度範囲内となっている期間が設定期間となってから前記温度上昇促進制御を実施することを特徴とする。

本発明による請求項３に記載の内燃機関の制御装置は、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置において、前記筒内噴射式火花点火内燃機関は、さらに、吸気ポートへ燃料を噴射するポート燃料噴射弁を具備し、前記温度上昇促進制御は、前記筒内燃料噴射弁による燃料噴射を停止すると共に前記ポート燃料噴射弁による燃料噴射を実施し、前記筒内燃料噴射弁の噴孔近傍が自身の噴射燃料により冷却されないようにすることを特徴とする。

本発明による請求項４に記載の内燃機関の制御装置は、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置において、前記温度上昇促進制御は、点火時期の進角により燃焼温度を高めて前記筒内燃料噴射弁の噴孔近傍がより加熱されるようにすることを特徴とする。

本発明による請求項５に記載の内燃機関の制御装置は、請求項４に記載の内燃機関の制御装置において、前記筒内燃料噴射弁は、噴射率を少なくとも低噴射率側と高噴射率側との二段階に変化させることができるものであり、前記温度上昇促進制御により燃焼温度を高める時には、前記筒内燃料噴射弁は、噴射率を前記高噴射率側として燃料を噴射することを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の制御装置によれば、筒内燃料噴射弁の噴孔近傍の測定温度又は推定温度がデポジット生成温度範囲内となった時には、噴孔近傍の温度上昇を促進する温度上昇促進制御を実施するようになっている。それにより、噴孔近傍の温度は、早期にデポジット生成温度範囲を上回るようになるために、噴孔近傍の温度がデポジット生成温度範囲内にあって噴孔近傍にデポジットが堆積する期間は短縮され、デポジットの堆積を抑制することができる。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の制御装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、筒内燃料噴射弁の噴孔近傍の測定温度又は推定温度がデポジット生成温度範囲内となっている期間が設定期間となってから温度上昇促進制御を実施するようになっている。それにより、機関運転状態によっては、設定期間内に噴孔近傍の温度がデポジット生成温度範囲を上回ることがあり、このように噴孔近傍の温度が早期にデポジット生成温度範囲を上回る時には、デポジットの堆積は抑制されるために、不必要に温度上昇促進制御を実施しないようになっている。

本発明による請求項３に記載の内燃機関の制御装置によれば、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置において、筒内噴射式火花点火内燃機関は、さらに、吸気ポートへ燃料を噴射するポート燃料噴射弁を具備し、温度上昇促進制御は、筒内燃料噴射弁による燃料噴射を停止すると共にポート燃料噴射弁による燃料噴射を実施し、筒内燃料噴射弁の噴孔近傍が自身の噴射燃料により冷却されないようにしている。こうして、温度上昇促進制御により、噴孔近傍の温度は早期にデポジット生成温度範囲を上回ることができる。

本発明による請求項４に記載の内燃機関の制御装置によれば、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置において、温度上昇促進制御は、点火時期の進角により燃焼温度を高めて筒内燃料噴射弁の噴孔近傍がより加熱されるようになっている。こうして、温度上昇促進制御により、噴孔近傍の温度は早期にデポジット生成温度範囲を上回ることができる。

本発明による請求項５に記載の内燃機関の制御装置によれば、請求項４に記載の内燃機関の制御装置において、筒内燃料噴射弁は、噴射率を少なくとも低噴射率側と高噴射率側との二段階に変化させることができ、温度上昇促進制御により燃焼温度を高める時には、筒内燃料噴射弁は、噴射率を高噴射率側として燃料を噴射するようになっている。それにより、筒内燃料噴射弁の噴孔近傍の温度は、高められた燃焼温度によって加熱され、早期にデポジット生成温度範囲を上回ることができ、また、噴孔近傍の温度がデポジット生成温度範囲内にある時に噴孔近傍にデポジットが堆積しても、この堆積デポジットは、筒内燃料噴射弁から噴射される高噴射率の燃料噴霧により容易に吹き飛ばされる。

図１は本発明による制御装置が取り付けられる筒内噴射式火花点火内燃機関を示すシリンダヘッドの底面図であり、図２は図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。これらの図において、１は一対の吸気弁であり、２は各吸気弁１を介して気筒内へ通じる吸気ポートである。また、３は一対の排気弁であり、４は各排気弁３を介して気筒内へ通じる排気ポートである。５は気筒上部略中心に配置された筒内燃料噴射弁であり、６は筒内燃料噴射弁５の近傍に配置された点火プラグである。吸気ポート２には、ポート燃料噴射弁７が配置されている。８はピストンである。

本筒内噴射式火花点火内燃機関は、機関負荷が設定負荷より小さな低負荷時において、図２に示すように、圧縮行程後半に筒内燃料噴射弁５から点火プラグ６の点火ギャップを通過するように燃料を噴射する。筒内燃料噴射弁５は、燃料を、好ましくは、中空又は中実円錐形状、又は、比較的厚さの薄い平らな略扇形状のような先広がりの噴霧として噴射し、それにより、燃料噴霧は気筒内を飛行中において吸気との摩擦によって容易に微粒化及び気化し、点火時期においては、気筒内の一部に一塊の可燃混合気を形成する。こうして形成された可燃混合気は、点火プラグ６の点火ギャップに接触しているために、確実に着火させられて良好な成層燃焼を実現することができる。成層燃焼時には、気筒内全体の空燃比は理論空燃比よりリーンとされるために、燃料消費を低減することができる。

また、機関負荷が設定負荷以上の高負荷時において、本筒内噴射式火花点火内燃機関は、ポート燃料噴射弁７により燃料を吸気同期又は吸気非同期として噴射して、吸気行程において吸気と共に燃料を気筒内へ供給する。それにより、点火時期までの十分に長い時間によって噴射燃料は気筒内全体に拡散し、点火時期においては、気筒内に均質混合気を形成する。こうして形成された均質混合気は、確実に着火させられて良好な均質燃焼を実現することができる。均質燃焼時には、気筒内全体の空燃比は、理論空燃比よりリーンとしても良いが、理論空燃比又は理論空燃比よりリッチな空燃比とすることにより、高い機関出力を得ることができる。

もし、ポート燃料噴射弁７が設けられていないならば、均質燃焼に際して、筒内燃料噴射弁５によって吸気行程末期に燃料を噴射することとなる。このような場合には、吸気行程において気筒内にタンブル流又はスワール流を生成することが好ましく、生成されたタンブル流又はスワール流によって噴射燃料を気筒内全体に分散させて点火時期において均質混合気を形成する。

また、均質燃焼時において、ポート燃料噴射弁７により噴射されて吸気と共に気筒内へ供給される燃料は気筒内での均質化に有利であるが、一方、筒内燃料噴射弁５により吸気行程において噴射される燃料は、燃料の気化潜熱により筒内温度を低下させるために、吸気充填効率を高めるのに有利である。それにより、均質燃焼時において、ポート燃料噴射弁７及び筒内燃料噴射弁５の両方によって燃料噴射を実施するようにしても良い。この場合において、要求燃料噴射量は、筒内燃料噴射弁５及びポート燃料噴射弁７のそれぞれの噴射割合で噴射される。高い機関出力が必要となるほど、筒内燃料噴射弁５の噴射割合を大きくして吸気充填効率を高めることが好ましい。

また、前述した成層燃焼を実施することなく、このような筒内燃料噴射弁５及びポート燃料噴射弁７の両方を使用して燃料噴射を実施する均質燃焼を全ての機関運転状態において実施するようにしても良い。

ところで、特に、本筒内噴射式火花点火内燃機関のように、筒内燃料噴射弁５と点火プラグ６とがいずれも気筒上部に配置されている場合には、成層燃焼及び均質燃焼に係わらずに、気筒内において最も高温度となる点火プラグ６近傍に、筒内燃料噴射弁５が位置することが多い。それにより、筒内燃料噴射弁５の噴孔近傍は十分に加熱され、機関暖機完了後には、成層燃焼及び均質燃焼のいずれにおいても、噴孔近傍の温度は、燃料噴射により冷却されても約２００℃を超えるようになるために、噴孔近傍に液状燃料が付着しても、液状燃料は沸騰して球状となり、蒸し焼き状態の燃料であるデポジットとはなり難い。

しかしながら、機関始動時の噴孔近傍温度は、大気温度近くまで低下しているために、機関暖機の進行に伴って、噴孔近傍温度が徐々に上昇すると、必ず、約１５０℃から約１８０℃の間のデポジット生成温度範囲となり、この時には、噴孔近傍にデポジットが生成され易い。

本発明による制御装置は、図３に示すフローチャートにより筒内燃料噴射弁５の噴孔近傍へのデポジットの堆積を抑制している。先ず、ステップ１０１において、機関温度を表す冷却水温ＴＨＷが設定水温ＴＨＷ１以上であるか否かが判断される。この判断が肯定される時には、機関暖機は完了しており、筒内燃料噴射弁５の噴孔近傍の温度Ｔは、約２００℃を超えて、デポジット生成温度範囲を上回っているために、噴孔近傍に新たにデポジットが堆積することはなく、そのまま終了する。

一方、ステップ１０１の判断が否定される時には、機関暖機の完了前であり、ステップ１０２において、筒内燃料噴射弁５の噴孔近傍温度Ｔがデポジット生成温度範囲内（Ｔ１以上Ｔ２以下）であるか否かが判断される。噴孔近傍温度Ｔは、噴孔近傍に温度センサを配置して測定したり、又は、筒内に温度センサを配置して測定される筒内温度に基づき推定したりすれば良い。また、燃料噴射量に基づき燃焼温度を推定して、この推定燃焼温度から噴孔近傍温度Ｔを推定するようにしても良い。

ステップ１０２における判断が否定される時、すなわち、噴孔近傍温度ＴがＴ１より低いか、又は、Ｔ２より高い時には、デポジットは生成され難く、ステップ１０３において、カウント値Ｃが設定値Ｃ１以上であるか否かが判断される。ステップ１０３の判断が肯定される時には、詳しくは後述する温度上昇促進制御が実施されているために、ステップ１０４においてこの制御を中止して、また、ステップ１０３の判断が否定される時にはそのまま、ステップ１０５へ進み、カウント値Ｃを０にリセットして終了する。

一方、ステップ１０２の判断が肯定される時には、筒内燃料噴射弁５の噴孔近傍温度Ｔは、機関暖機の進行に伴って、デポジット生成温度範囲内となっている。この時には、ステップ１０６において、ステップ１０５において０にリセットされたカウント値Ｃを１だけ増加させる。次いで、ステップ１０７において、カウントＣが設定値Ｃ１まで達したか否かが判断される。この判断が否定される時にはそのまま終了する。

ステップ１０６のカウント値Ｃの増加が繰り返されると、ステップ１０７の判断が肯定されるようになり、この時には、ステップ１０８において、筒内燃料噴射弁５の噴孔近傍温度Ｔの温度上昇を促進する温度上昇促進制御を実施する。すなわち、噴孔近傍温度Ｔがデポジット生成温度範囲内となっている期間が、当初０のカウント値Ｃを設定値Ｃ１まで増加させる設定期間となると、温度上昇促進制御が実施される。

言い換えれば、機関暖機途中の機関運転状態によっては、噴孔近傍の加熱が十分であって、噴孔近傍温度Ｔが、デポジット生成温度範囲内となっている期間が設定期間となる以前にデポジット生成温度範囲を上回ることがあり、このような場合には、温度上昇促進制御は実施されない。

温度上昇促進制御は、筒内燃料噴射弁５による燃料噴射を停止し、筒内燃料噴射弁５の噴孔近傍が自身の噴射燃料により冷却されないようにすることである。この場合には、ポート燃料噴射弁７による燃料噴射によって機関運転を実施しなければならない。このような温度上昇促進制御により、噴孔近傍温度Ｔは早期にデポジット生成温度範囲を上回るようになり、デポジット生成温度範囲内において噴孔近傍に堆積するデポジット量を減少させることができる。

例えば、この温度上昇促進制御を実施する際に、筒内燃料噴射弁５による噴射燃料によって成層燃焼が実施されていれば、温度上昇促進制御の実施によって、成層燃焼は中止され、ポート燃料噴射弁７による噴射燃料により均質燃焼が実施されることとなる。また、筒内燃料噴射弁５及びポート燃料噴射弁７による噴射燃料により均質燃焼が実施されていれば、ポート燃料噴射弁７の噴射割合を１００％として、均質燃焼が実施されることとなる。

また、温度上昇促進制御として、点火時期を進角して燃焼温度を高めるようにしても良い。このような温度上昇促進制御によっても、噴孔近傍温度Ｔは早期にデポジット生成温度範囲を上回るようになり、デポジット生成温度範囲内において噴孔近傍に堆積するデポジット量を減少させることができる。

この温度上昇促進制御を実施する際に成層燃焼が実施されていれば、均質燃焼に切り換えることが好ましい。点火時期を進角する均質燃焼において、燃料噴射を筒内燃料噴射弁５だけによって実施しても良い。それにより、この温度上昇促進制御は、ポート燃料噴射弁７を有しない筒内噴射式火花点火内燃機関にも適用可能である。

また、温度上昇促進制御として点火時期の進角により燃焼温度を高める場合に、ポート燃料噴射弁７により燃料噴射が実施される場合には、筒内燃料噴射弁５の噴射割合を０％にするか又は小さくすることにより、自身噴射燃料による噴孔近傍の冷却が弱められ、さらに早期に噴孔近傍温度Ｔがデポジット生成温度範囲を上回るようになる。

また、筒内燃料噴射弁５が、例えば弁体のリフト量を変化させる等して、噴射率を少なくとも低噴射率側と高噴射率側とに切り換えられるものであるならば、温度上昇促進制御として、点火時期の進角により燃焼温度を高める場合に、筒内燃料噴射弁５による燃料噴射を高噴射率側とすることが好ましい。それにより、噴孔近傍温度Ｔがデポジット生成温度範囲内にある時にデポジットが生成されても、筒内燃料噴射弁５から噴射される高噴射率の燃料噴霧によって噴孔近傍に堆積するデポジットを吹き飛ばすことができる。

前述したように、温度上昇促進制御は、一方で成層燃焼を均質燃焼へ切り換えたり、点火時期を進角したりすることとなるために、燃料消費が悪化する。それにより、図３のフローチャートのように、筒内燃料噴射弁５の噴孔近傍温度Ｔがデポジット生成温度範囲内となってからの期間が設定期間となる前に、噴孔近傍温度Ｔがデポジット生成温度範囲を上回るならば、すなわち、早期に噴孔近傍温度Ｔがデポジット生成温度範囲を上回るならば、燃料消費の悪化を伴う温度上昇促進制御は実施しないようにしている。しかしながら、噴孔近傍温度Ｔがデポジット生成温度範囲内となったら直ぐに温度上昇促進制御を実施して、さらに早期に噴孔近傍温度Ｔがデポジット生成温度範囲を上回るようにしても良い。

本実施形態の制御装置によれば、筒内燃料噴射弁５の噴孔近傍温度Ｔは早期にデポジット生成温度範囲を上回るようになるが、噴孔近傍温度Ｔがデポジット生成温度範囲内にある時に僅かなデポジットが噴孔近傍に堆積することがある。それにより、噴孔近傍温度Ｔがデポジット生成温度範囲を上回った時には、点火時期を進角し、燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンとする均質燃焼を実施することが好ましい。このための燃料噴射は、筒内燃料噴射弁５及びポート燃料噴射弁７の一方又は両方により実施することができる。特に、要求燃料量の全てを筒内燃料噴射弁５によって高噴射率で実施することにより、噴孔近傍に堆積するデポジットを吹き飛ばすことができる。また、点火時期の進角により燃焼温度を高めてリーン空燃比の均質燃焼が実施されれば、気筒内には十分に酸素が存在して気筒内温度が高まるために、筒内燃料噴射弁５の噴孔近傍に堆積する僅かなデポジットを、容易に焼失又は噴孔近傍から剥離させることができる。

この点火時期を進角するリーン空燃比の均質燃焼は、機関始動毎の筒内燃料噴射弁５の噴孔近傍温度Ｔがデポジット生成温度範囲を上回る時に実施しなくても良く、複数回の機関始動毎において噴孔近傍温度Ｔがデポジット生成温度範囲を上回る時に実施するようにしても良い。

本発明による制御装置が取り付けられる筒内噴射式火花点火内燃機関のシリンダヘッドの概略底面図である。図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。本発明による制御装置により実施されるデポジット堆積抑制のためのフローチャートである。

符号の説明

１吸気弁
３排気弁
５筒内燃料噴射弁
７ポート燃料噴射弁

Claims

気筒内へ直接的に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁を少なくとも具備する筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置であって、前記筒内燃料噴射弁の噴孔近傍の測定温度又は推定温度がデポジット生成温度範囲内となった時には、前記噴孔近傍の温度上昇を促進する温度上昇促進制御を実施することを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記筒内燃料噴射弁の噴孔近傍の測定温度又は推定温度がデポジット生成温度範囲内となっている期間が設定期間となってから前記温度上昇促進制御を実施することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
前記筒内噴射式火花点火内燃機関は、さらに、吸気ポートへ燃料を噴射するポート燃料噴射弁を具備し、前記温度上昇促進制御は、前記筒内燃料噴射弁による燃料噴射を停止すると共に前記ポート燃料噴射弁による燃料噴射を実施し、前記筒内燃料噴射弁の噴孔近傍が自身の噴射燃料により冷却されないようにすることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
前記温度上昇促進制御は、点火時期の進角により燃焼温度を高めて前記筒内燃料噴射弁の噴孔近傍がより加熱されるようにすることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
前記筒内燃料噴射弁は、噴射率を少なくとも低噴射率側と高噴射率側との二段階に変化させることができるものであり、前記温度上昇促進制御により燃焼温度を高める時には、前記筒内燃料噴射弁は、噴射率を前記高噴射率側として燃料を噴射することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の制御装置。