JP2007239744A - 直噴式エンジンの燃料噴射制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】点火リタードによるエミッション特性や燃焼特性の悪化を抑えながら、排気系に設けられた触媒のライトオフを促進する。
【解決手段】触媒コンバータ16を備えたDISIエンジン10の、冷間始動後における触媒16のライトオフ時間を縮小するための燃料噴射制御方法は、エンジン10の気筒の点火タイミングを設定する工程と、燃料の少なくとも一部を気筒に噴射する工程と、を備え、その燃料噴射のタイミングを、上記点火タイミングに関連付けて設定するとともに、両者の相対的な関係を上記エンジンの運転状態に応じて変化させるものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、直噴式火花点火エンジンに関連し、より詳細には、そのエミッションを低減するための燃料噴射制御方法に関連する。

近年、エミッションの更なる低減を目的として、触媒のライトオフ（light-off）を迅速に行うことが必要とされている。直噴式火花点火（direct injection spark ignition: DISI）エンジンにおいてこの目的を達成するべく、大幅な点火リタードによって必要な排気ガス温度を生じさせる場合がある。

DISIエンジンの点火タイミングをリタードさせる従来技術の取り組みにおいては、リタードによってエミッション特性や燃焼特性が悪化することから、達成可能なリタード量が制限されることになり、それにより、触媒加熱の促進度合いも制限されていた。

上述の不利点を緩和することを目的として、本発明は、DISIエンジンにおいて冷間始動後の触媒のライトオフ時間を短縮するための制御方法（control strategy）を提供する。本発明は、各エンジン気筒に関する点火タイミングを設定する工程と、燃料の少なくとも一部を噴射する工程とを備え、この燃料噴射のタイミングを、上記点火タイミングに関連付けて設定するとともに、両者の相対的な関係を上記エンジンの運転状態に応じて変化させることを特徴とする。

点火タイミングは、気筒の膨張行程に設定するのが好ましい。

燃料噴射タイミングと点火タイミングとの相対関係を、燃料噴射の終了から点火タイミングまでの期間とすると、更に好ましい。

前述の燃料噴射が第二の燃料噴射であり、これに先立って第一の燃料噴射を行うようにすることが、更に有効である。

第一の燃料噴射は、吸気行程乃至圧縮行程において行うのが好ましい。

第二の燃料噴射のタイミングを、排気ガス温度、エンジン回転速度、エンジン冷媒温度、エンジンオイル温度、スロットル位置、大気温度、大気圧、吸気圧、吸気温度、及び圧縮比のいずれか一つ以上の関数にするのが、更に有効である。

本発明に係る直噴式エンジンの燃料噴射制御方法によると、燃料噴射のタイミングを、点火タイミングに関連付けて設定するとともに、両者の相対的な関係をエンジンの運転状態に応じて変化させるようにしたので、点火リタードによるエミッション特性や燃焼特性の悪化を抑えながら、排気系に設けられた触媒のライトオフを促進することができる。

図１は、DISIエンジン10の気筒の一つを示す。これは、従来の火花点火エンジンをベースとして気筒内に燃料を直接噴射する高圧燃料噴射弁12を付け加えたものと同じである。噴射弁12は、中央処理装置（central processing unit: CPU）14からの信号を受けるドライバ12によって制御される。点火系20もまたCPU14によって制御され、気筒内の混合気が従来同様の点火プラグ18によって点火される。それから、排気ガスが、排気系の触媒コンバータ16に供給される。

ここで、触媒が排気ガスを十分に浄化するためには、それが所定の最低温度以上で用いられなくてはならない。エンジンの始動から触媒が前記最低温度、即ち完全作動温度に達するまでの時間が、ライトオフ期間として知られている。この期間の間、車両からのエミッションは望ましくない高いレベルにあり、したがって、この期間を可能な限り短縮することが重要である。

このことは、気筒内の混合気への点火を、膨張行程にまで遅角する（リタードする）ことによって達成される。図２及び図３は、クランク角度（横軸）に対する気筒内圧力（縦軸）を示すグラフであり、四つの行程サイクルに亘る気筒内圧力を示す。A、B、C及びDの印が付けられた領域が夫々、排気行程、吸気行程、圧縮行程及び膨張行程を示す。吸気行程の初めにおける小さな圧力降下は、そこにおいて流動が生じ圧力を降下させる、バルブの開放を表わす。混合気への点火に先立って、吸気行程、圧縮行程乃至膨張行程の間の或る時期に、燃料が直接噴射弁12を介して噴射される。圧縮行程ではピストンが上死点（TDC）に近づくに連れて圧力が上昇する。圧力がピークに達した後、膨張行程にて圧力は再び降下するようになるが、そうして圧力が降下するとき、図中のポイントIgにおいて点火プラグ18により混合気に点火すれば、新しい周期が開始する前に、圧力に第二のピークが現れる（勿論、点火を圧縮行程にて行うことを妨げるものではない）。

点火ポイントIgを膨張行程にまでリタードすると、気筒内の空気及び燃料の混合気が全て火炎伝播によって燃焼するのに十分な時間が存在しなくなり、未燃の混合気が排気ガスと共に気筒から排出されるようになる。このことは、気筒内の混合気の燃焼によって通常供給されるエネルギーの一部が、ピストンの下降移動に対し与えられないことを意味し、排気ガス温度の上昇をもたらす。このことは、膨張行程における点火に左右されない。同じ温度上昇は、点火時期をMBT（Minimum Spark Advance for Best Torque）点火時期からリタードさせることによっても達成され得るが、そうしてリタードさせる点火時期は依然として圧縮行程の中に留まっていることが多い。

点火リタード量は、燃焼安定性、並びに、気筒設計及び幾何学形状に関連する燃焼コンセプトに依存する。

点火をリタードすると、エンジンの出力は下がることになるが、排気ガス及び触媒16を加熱するための未燃混合気は依然として供給する一方で、エンジン出力の低下を補償し、それを維持するためにより多くの燃料を噴射する。

DISIエンジンにおいて、燃料の噴射タイミングは、燃料流量及び排出ガスのエミッションを最小化しつつ、所望の排気ガス熱流量を得るために、極めて重要である。したがって、燃料噴射タイミングと点火タイミングとの間の関係が重要である。触媒のライトオフを促進するために点火タイミングを変えるという前述の目的のため、本発明は、エンジンの運転状態に基づき、点火タイミングに関連付けて燃料噴射タイミングを変更する工程を備えている。燃料噴射と点火の相対的なタイミングは、燃料噴射の期間さがそれ自体、エンジンの運転状態によって変わることえお考慮して、燃料噴射の終了を基準とする点火タイミングまでのクランク角度として規定される。

噴射タイミングと点火タイミングとの相対関係は、一定である必要はない。クランク角度の間隔が、排気ガス温度、エンジン回転速度、エンジン冷媒温度、エンジンオイル温度、スロットル位置、大気温度、大気圧、吸気圧、吸気温度、及び、圧縮比を含む（がこれらに限定されない）多くの因子に依存し得ることが、予想される。重要なポイントは、点火タイミングが変わるとき、燃料噴射タイミングと点火タイミングとの間のクランク角度の差は、点火が圧縮行程で行われようが、膨張行程で行われようが、所定の関数的関係に維持されることである。このクランク角度の差は、図２及び3において、矢印ｄにて表わされている。

図３は、燃料噴射を二回に分割するようにした、本発明の好ましい第二実施形態を示す。これは、相対的に噴射量の多い単一の噴射の場合は、混合気を過度にリッチにしたり、達成可能な点火リタード量を制限したりして、それにより排気ガスの熱流量の増大が制限される可能性があるからである。

分割噴射は、全体としてはより希薄な混合気への点火を可能にする。図３中でInj1として示されるタイミングにおいて噴射される燃料は、希薄な均一混合気を生成し、一方で、Inj2として示されるタイミングにおいて噴射される燃料は、火花によって点火可能な領域に局所的なリッチ混合気を生成する。この実施形態において、第二の燃料噴射は、種々の点火タイミングにおいて点火が可能なようにリッチ混合気を生成する。尚、第１の燃料噴射Inj1は、圧縮行程において行われることが示されているが、これは吸気行程で行われることもあり得る。

DISIエンジンの気筒の一つを示す概略構成図である。 本発明の第一の実施形態にしたがって運転されるDISIエンジンの、クランク角度に対する気筒内圧力を示すグラフである。 第二の実施形態の図２相当図である。

符号の説明

10. エンジン
12. 燃料噴射弁
14. CPU
16. 触媒コンバータ
18. 点火プラグ
20. 点火系

Claims (7)

1. 触媒コンバータを備えた直噴式エンジンの燃料噴射制御方法であって、
   上記エンジンの気筒の点火タイミングを設定する工程と、
   燃料の少なくとも一部を上記気筒に噴射する工程と、を備え、
   上記燃料噴射のタイミングを、上記点火タイミングに関連付けて設定するとともに、両者の相対的な関係を上記エンジンの運転状態に応じて変化させることを特徴とする、
   制御方法。
2. 上記点火タイミングを気筒の膨張行程に設定する、請求項１に記載の制御方法。
3. 上記燃料噴射タイミングと点火タイミングとの相対関係を、燃料噴射の終了から点火タイミングまでの期間とし、この期間を上記エンジンの運転状態に応じて変更する工程を備える、請求項１又は２のいずれかに記載の方法。
4. 上記燃料噴射工程では、上記燃料の一部を噴射する第一の燃料噴射と、該第一の燃料噴射の後に残りの燃料を噴射する第二の燃料噴射と、を行う、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の方法。
5. 上記第一の燃料噴射を、上記気筒の吸気行程乃至圧縮行程において行う、請求項４に記載の方法。
6. 上記第二の燃料噴射のタイミングが、排気ガス温度、エンジン回転速度、エンジン冷媒温度、エンジンオイル温度、スロットル位置、大気温度、大気圧、吸気圧、吸気温度、及び、圧縮比の少なくとも一つの関数である、請求項４又は５のいずれかに記載の方法。
7. 上記燃料噴射のタイミングが、排気ガス温度、エンジン回転速度、エンジン冷媒温度、エンジンオイル温度、スロットル位置、大気温度、大気圧、吸気圧、吸気温度、及び、圧縮比の少なくとも一つの関数である、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の方法。

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