JP2007303428A - 筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 超リタード燃焼の燃焼安定性を向上させる。
【解決手段】 所定の運転状態のときに、点火時期を圧縮上死点後に設定した超リタード燃焼を行うものであって、超リタード燃焼時には、圧縮行程中に１回目の燃料噴射を行い、点火プラグ１４近傍の燃焼室３の一部にリッチな混合気を形成すると共に、局部的にさらにリッチな混合気が点火時期に点火プラグ１４に到達するように点火時期から所定期間先行したタイミングでかつ膨張行程中に２回目の燃料噴射を行い、点火プラグ１４近傍の燃焼室３の一部に２段階の成層混合気を形成した状態で点火する筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、圧縮上死点における筒内圧が大きいほど圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射の噴射開始時期を進角側にする。これによって、超リタード燃焼の燃焼安定性が向上する。
【選択図】図４

Description

本発明は、筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置に関する。

特許文献１には、筒内直接噴射式火花点火内燃機関の触媒暖機方法として、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のときに、吸気行程から点火時期にかけての期間内で、部分的な空燃比の濃淡を有する混合気を燃焼室内に形成する後期噴射と、この後期噴射より前に燃料を噴射して、後期噴射の燃料と後期噴射の燃焼とで延焼可能な、理論空燃比よりもリーンな空燃比の混合気を燃焼室内に生成する早期噴射と、の少なくとも２回の分割噴射を行い、かつ点火時期をＭＢＴ点より所定量リタードさせるとともに、機関の無負荷領域では点火時期を圧縮上死点よりも前に設定し、無負荷領域を除く低速低負荷領域では点火時期を圧縮上死点以降までリタードさせる技術が記載されている。上記後期噴射は、圧縮行程の中期以降、例えば１２０°ＢＴＤＣ〜４５°ＢＴＤＣに行われる。

また、特許文献２は、本出願人が先に提案したものであって、高圧燃料噴射の噴霧エネルギによる筒内の乱れを利用することで、点火時期を圧縮上死点後までリタードした燃焼を安定的に得るようにした技術が記載されており、その一つの例として、１回目の燃料噴射を圧縮行程後期に行い、２回目の燃料噴射を膨張行程の点火の直前に行うことが開示されている。
特許第３３２５２３０号公報 特開２００５−２１４０３９号公報

しかしながら、特許文献１では、主に、１回目の燃料噴射（早期噴射）を吸気行程中に行い、２回目の燃料噴射（後期噴射）を圧縮行程中の１２０°ＢＴＤＣ〜４５°ＢＴＤＣに行っているため、燃焼安定性が低く、特に、無負荷領域では、点火時期を圧縮上死点前（ＢＴＤＣ点火）としている。従って、点火時期のリタードによる排温上昇やＨＣの低減を十分に達成することができない。

しかも、１回目の噴射を吸気行程中に行うと、燃焼室内のクエンチ領域やクレビスに燃料が入り込み、ＨＣの発生源となる。

一方、特許文献２においては、１回目の燃料噴射を圧縮行程後期に行い、２回目の燃料噴射を膨張行程の点火の直前に行うが、２回目の燃料噴射による筒内の乱れに依存して燃焼が成立するので、高い燃圧が要求される。その結果、燃焼が相対的（燃圧が低い場合に比べて）に早くなり、排気温度の上昇さらにはこれに関連するＨＣの低減の点で、なお改善の余地があった。

本発明は、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、所定の運転状態のときに、点火時期を圧縮上死点後に設定した超リタード燃焼を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関であって、超リタード燃焼時には、圧縮行程中に１回目の燃料噴射を行い、点火プラグ近傍の燃焼室の一部にリッチな混合気を形成するとともに、局部的にさらにリッチな混合気が点火時期に点火プラグに到達するように点火時期から所定期間先行したタイミングでかつ膨張行程中に２回目の燃料噴射を行い、点火プラグ近傍の燃焼室の一部に２段階の成層混合気を形成した状態で点火する筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、圧縮上死点における筒内圧が大きいほど、圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射の噴射開始時期を進角側にすることを特徴としている。

圧縮上死点の筒内圧が大きくなると、圧縮上死点前後の筒内圧も相対的に大きくなる。従って、同じタイミングで燃料噴射を行う場合、圧縮上死点における筒内圧が大きくなるほど、燃料噴射開始時の筒内圧も大きくなる。

つまり、圧縮上死点における筒内圧が大きくなるほど、圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射の噴射開始時期を進角側にすることで、超リタード燃焼時の圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射の噴射開始時期の筒内圧を、圧縮上死点における筒内圧の大きさに関わらず安定させることで、圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射によるペネトレーション（噴霧の到達距離）を安定させることができ、安定した噴霧の形成を実現することができる。

本発明によれば、圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射によるペネトレーション（噴霧の到達距離）を安定させることができ、安定した噴霧の形成を実現することができるので、点火時期を圧縮上死点後に設定した超リタード燃焼の燃焼安定性が向上し、例えば冷間始動の際に、排気温度の上昇により触媒の早期活性化およびＨＣ低減を達成することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１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システム構成を示す構成説明図である。

この内燃機関１のピストン２により形成される燃焼室３には、吸気弁（図示せず）を介して吸気通路４が接続され、かつ排気弁（図示せず）を介して排気通路５が接続されている。上記吸気通路４には、吸入空気量を検出するエアフロメータ６が配設されているとともに、制御信号によりアクチュエータ８を介して開度制御される電子制御スロットル弁７が配設されている。排気通路５には、排気浄化用の触媒コンバータ１０が配設されているとともに、その上流側および下流側にそれぞれ空燃比センサ１１，１２が設けられており、さらに、上流側の空燃比センサ１１と並んで、触媒コンバータ１０入口側での排気温度を検出する排気温度センサ１３が設けられている。

燃焼室３の中央頂上部には、点火プラグ１４が配置されている。また、燃焼室３の吸気通路４側の側部に、該燃焼室３内に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には、高圧燃料ポンプ１６およびプレッシャレギュレータ１７によって所定圧力に調圧された燃料が、高圧燃料通路１８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。なお、１９は、燃圧を検出する燃圧センサ、２０は、上記高圧燃料ポンプ１６へ燃料を送る低圧燃料ポンプである。

また内燃機関１には、機関冷却水温を検出する水温センサ２１が設けられているとともに、クランク角を検出するクランク角センサ２２が設けられている。さらに、運転者による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２３が設けられている。

上記内燃機関１の燃料噴射量や噴射時期、点火時期、等は、コントロールユニット２５によって制御される。このコントロールユニット２５には、上述した各種のセンサ類の検出信号が入力されている。コントロールユニット２５は、これらの入力信号により検出される機関運転条件に応じて、燃焼方式つまり均質燃焼とするか成層燃焼とするかを決定するとともに、これに合わせて、電子制御スロットル弁７の開度、燃料噴射弁１５の燃料噴射時期および燃料噴射量、点火プラグ１４の点火時期、等を制御する。

暖機完了後においては、通常の成層燃焼運転ないしは均質燃焼運転が行われる。例えば、低速低負荷側の所定の領域では、通常の成層燃焼運転として、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。燃料噴霧は点火プラグ１４近傍に層状に集められ、これにより、例えば空燃比をリーンとした成層燃焼が実現される。また、高速高負荷側の所定の領域では、通常の均質燃焼運転として、吸気行程中に燃料噴射が行われ、かつ圧縮上死点前のＭＢＴ点近傍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る。

本発明は、例えば、触媒コンバータ１０の早期昇温が要求される内燃機関１の冷間始動時において、排気温度を高温とするように、超リタード燃焼を行うものであり、以下、この超リタード燃焼の燃料噴射時期および点火時期を図２に基づいて説明する。

図２は、超リタード燃焼の際の燃料噴射時期および点火時期の一実施例を示しており、点火時期ＡＤＶは、排気温度を十分に高く得るために、１０°〜５０°ＡＴＤＣに設定される。つまり、期間Ｂは、１０°〜５０°ＣＡである。また、圧縮行程中に１回目の燃料噴射Ｉ１を行い、かつ膨張行程中に２回目の燃料噴射Ｉ２を行う。１回目の燃料噴射Ｉ１は、点火プラグ１４近傍の燃焼室３の一部に拡がったリッチな混合気を形成するためのものであり、その燃料噴射時期（詳しくは燃料噴射開始時期）から点火時期ＡＤＶまでの期間Ｃが、例えば５０°〜１４０°ＣＡに設定される。つまり、この１回目の燃料噴射Ｉ１による燃料噴霧が、燃焼室３内にある程度拡散するものの、過度に拡散しないように、その燃料噴射時期が設定される。期間Ｃが過度に長いと、燃料噴霧が拡散し過ぎ、クエンチ領域やクレビス内に燃料成分が入ってしまう。

そして、膨張行程中の２回目の燃料噴射Ｉ２は、局部的にさらにリッチな混合気塊が点火時期ＡＤＶにおいてちょうど点火プラグ１４に到達するように、点火時期ＡＤＶから所定期間Ａだけ先行したタイミングに行われる。この燃料噴射時期（詳しくは燃料噴射開始時期）から点火時期ＡＤＶまでの期間Ａは、基本的に燃料噴射弁１５から点火プラグ１４までの距離に相関するが、例えば、１０°〜２０°ＣＡである。

なお、このとき、空燃比（２回の噴射による燃焼室全体の平均的空燃比）は、理論空燃比ないしはこれよりも若干リーン（１６〜１７程度）に設定される。これにより、ＨＣの後燃えに必要な必要十分な量の酸素が確保される。

また、燃料噴霧のエネルギによる乱れに依存せずに燃焼を行うので、燃圧としては、後述するように燃焼が成立する範囲内で、比較的低い燃圧が用いられる。

上記のように燃料噴射を行うことにより、点火時期ＡＤＶにおいては、図３に示すように、点火プラグ１４を囲む２段階の濃度を有するコンパクトな成層混合気が形成される。つまり、１回目の燃料噴射Ｉ１によって、理論空燃比よりもリッチな第１の混合気塊が符号３１で示すように点火プラグ１４近傍の燃焼室３の一部に形成され、その内側に、２回目の燃料噴射Ｉ２による、さらにリッチな第２の混合気塊が符号３２に示すように点火プラグ１４近傍に局部的に形成される。２回の燃料噴射は、いずれも上死点近傍の筒内圧が高い場に向かって行われ、かつ燃圧も比較的低いので、いずれの噴霧もコンパクトなものとなり、第１の混合気塊３１の外側は、基本的に燃料が拡散していない新気の層となる。そして、このように成層化した状態で点火プラグ１４により第２の混合気塊３２に点火が行われ、比較的に緩慢に燃焼が行われる。

このような燃焼方式によれば、サイクル毎の微小な回転数の変化や微小な負荷の変化などに対し安定した燃焼が可能である。そして、２回の燃料噴射をいずれも筒内圧の高い場に比較的低い燃圧で噴射するので、噴霧がコンパクトとなって、クエンチ領域やクレビスに入りにくく、従って、ＨＣの発生が抑制される。また、比較的低い燃圧の利用が可能となることから、燃焼速度を抑制でき、排気温度の上昇やＨＣの低減の上で有利となる。

ここで、圧縮上死点での筒内圧力は、負荷の上昇、気圧の変化等によって変動する可能があり、また内燃機関１が機械的圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構（後述）や吸気弁のバルブタイミングを変更可能な可変動弁機構（後述）を備えている場合、これらの機構により圧縮上死点での筒内圧力が変更され、変動する可能性がある。

しかしながら、本発明においては、超リタード燃焼を行う際に、圧縮上死点における筒内圧が大きいほど、圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射の噴射開始時期を進角側にすると共に、膨張行程中に行う２回目の燃料噴射の噴射開始時期を遅角側にする。

圧縮上死点での筒内圧が大きくなると、圧縮上死点前後の筒内圧も相対的に大きくなる。従って、同じタイミングで燃料噴射を行う場合、圧縮上死点における筒内圧が大きくなるほど、燃料噴射開始時の筒内圧も大きくなる。

そこで、圧縮上死点における筒内圧が大きくなるほど、圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射の噴射開始時期を進角側にし、膨張行程中に行う２回目の燃料噴射の噴射開始時期を遅角側にすることで、圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射の噴射開始時期の筒内圧と、膨張行程中に行う２回目の燃料噴射の噴射開始時期の筒内圧と、を圧縮上死点における筒内圧の大きさに関わらず安定させることができる。

換言すれば、圧縮上死点における筒内圧が小さくなるほど、圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射の噴射開始時期を遅角側にし、膨張行程中に行う２回目の燃料噴射の噴射開始時期を進角側にする
図４を用いて詳述すると、圧縮行程時に筒内圧が予め設定された第１筒内圧力Ｐ１となるタイミングで圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射が開始され、膨張行程時に筒内圧が予め設定された第２筒内圧力Ｐ２となるタイミングで、膨張行程中に行う２回目の燃料噴射が開始される。

つまり、圧縮上死点における筒内圧の大きさに関わらず、圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射の噴射開始時期の筒内圧（Ｐ１）及び膨張行程中に行う２回目の燃料噴射の噴射開始時期の筒内圧（Ｐ２）は、それぞれ一定に維持されるので、圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射によるペネトレーション（噴霧の到達距離）及び膨張行程中に行う２回目の燃料噴射によるペネトレーションを常に安定させることができ、常に安定した噴霧の形成、ひいては安定した燃焼を実現することができる。

また、上述した超リタード燃焼を行う際に、通常運転時よりも圧縮比を上げると、図５に示すように、通常運転時よりも筒内圧が上昇し、筒内温度が高くなるため、筒内に噴霧された燃料の気化が促進され、スモークやＨＣの原因となる燃料液滴を一層減少させることができ、更なるＨＣの低減と燃焼安定化を実現することができる。尚、圧縮比を高くしても、筒内のガス流動や乱れ強さに変化はない。

圧縮比を変更する手段としては、例えば、クランク角が所定の圧縮上死点位置にあるときのピストン位置を上下に変化させることにより内燃機関の機械的圧縮比を変更する複リンク式ピストン−クランク機構からなる可変圧縮比機構がある。

図６は、内燃機関の機械的圧縮比（公称圧縮比）を可変制御する可変圧縮比機構１００の構成を示している。なお、この可変圧縮比機構自体は、例えば特開２００１−３４２８５９号公報等により本出願人が先に提案しており公知となっているものである。

この可変圧縮比機構５０は、複リンク式ピストン−クランク機構を利用したもので、ピストン５２にピストンピン５４を介して一端が連結されたアッパリンク５５と、このアッパリンク５５の他端に連結ピン５６を介して連結されるとともに、クランクシャフト５７のクランクピン５８に回転可能に連結されたロアリンク５９と、このロアリンク５９の自由度を制限するために該ロアリンク５９にさらに連結ピン６０を介して一端が連結され、かつ他端が内燃機関本体に揺動可能に支持されたコントロールリンク６１と、を備えており、上記コントロールリンク６１の揺動支持位置が制御軸６２の偏心カム部６３によって可変制御される構成となっている。

上記制御軸６２はクランクシャフト５７と平行に配置され、かつシリンダブロック７１に回転自在に支持されている。そして、この制御軸６２は、歯車機構６４を介して、電動モータからなるアクチュエータ６５によって回転方向に駆動され、その回転位置が制御されるようになっている。

上記構成の可変圧縮比機構５０では、上記制御軸６２の回転位置つまり偏心カム部６３の位置によってコントロールリンク６１下端の揺動支持位置が変化し、ロアリンク５９の初期の姿勢が変わるため、これに伴ってピストン５２の上死点位置、ひいては圧縮比が変化する。

このように、超リタード燃焼を行う際に、上述の可変圧縮比機構１００を用いて通常運転時よりも圧縮比を上げるようにすれば、図７に示すように、排気温度が相対的に低下するため触媒の早期活性化の効果は薄れるものの、熱効率が向上して等トルク運転を行う際の空気量が低減でき、排出されるＨＣのさらなる低減を実現することができる。

また、圧縮比を変更する手段としては、吸気弁の閉弁時期を変更することにより内燃機関１の圧縮比を変更可能な可変動弁機構がある。

図８に示す可変動弁機構１０１は、吸気弁１００のリフト・作動角を連続的に拡大・縮小させることが可能な第１可変動弁機構１１１に、さらに、作動角の中心角を連続的に遅進させることが可能な第２可変動弁機構１２１を組み合わせたものである。

リフト・作動角を可変制御する第１可変動弁機構１１１は、内燃機関のクランクシャフトにより駆動される駆動軸１２２と、この駆動軸１２２に固定された偏心カム１２３と、回転自在に支持された制御軸１３２と、この制御軸１３２の偏心カム部１３８に揺動自在に支持されたロッカアーム１２６と、吸気弁１００のタペット１３０に当接する揺動カム１２９と、を備えており、上記偏心カム１２３とロッカアーム１２６とはリンクアーム１２４によって連係され、ロッカアーム１２６と揺動カム１２９とは、リンク部材１２８によって連係されている。

上記ロッカアーム１２６は、略中央部が上記偏心カム部１３８によって揺動可能に支持されており、その一端部に、連結ピン１２５を介して上記リンクアーム１２４のアーム部が連係しているとともに、他端部に、連結ピン１２７を介して上記リンク部材１２８の上端部が連係している。上記偏心カム部１３８は、制御軸１３２の軸心から偏心しており、従って、制御軸１３２の角度位置に応じてロッカアーム１２６の揺動中心は変化する。

上記揺動カム１２９は、駆動軸１２２の外周に嵌合して回転自在に支持されており、側方へ延びた端部に、連結ピン１３７を介して上記リンク部材１２８の下端部が連係している。この揺動カム１２９の下面には、駆動軸１２２と同心状の円弧をなすベースサークル面と、該ベースサークル面から所定の曲線を描いて延びるカム面と、が連続して形成されており、これらのベースサークル面ならびにカム面が、揺動カム１２９の揺動位置に応じてタペット１３０の上面に当接する。上記カム面がタペット１３０を押圧すると、吸気弁１００は、図示せぬバルブスプリング反力に抗して押し開かれることになり、これに伴い、バルブスプリング反力が、揺動カム１２９から各部へ作用する。

上記制御軸１３２は、一端部に設けられたリフト・作動角制御用アクチュエータ１３３によって所定角度範囲内で回転するように構成されている。このリフト・作動角制御用アクチュエータ１３３は、例えばウォームギア１３５を介して制御軸１３２を駆動する電動モータからなり、コントロールユニット１１０からの制御信号によって制御される。上記制御軸１３２の回転角度は、制御軸センサ１３４によって検出される。

上記第１可変動弁機構１１１によれば、上記制御軸１３２の回転角度位置に応じて吸気弁のリフトならびに作動角が、両者同時に、連続的に拡大，縮小し、このリフト・作動角の大小変化に伴い、吸気弁１００の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。リフト・作動角の大きさは、制御軸１３２の回転角度によって一義的に定まるので、上記制御軸センサ１３４の検出値により、そのときの実際のリフト・作動角が示される。

なお、図では、１気筒分のみが示されているが、上記駆動軸１２２および制御軸１３２は複数気筒に共通のものであり、他の偏心カム１２３、リンクアーム１２４、ロッカアーム１２６、リンク部材１２８、揺動カム１２９、偏心カム部１３８等からなるリンク機構は、気筒毎に設けられている。また、Ｖ型内燃機関等では、各バンク毎に、駆動軸１２２および制御軸１３２が設けられる。

一方、中心角を可変制御する第２可変動弁機構１２１は、上記駆動軸１２２の前端部に設けられたスプロケット１４２と、このスプロケット１４２と上記駆動軸１２２とを、所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相制御用アクチュエータ１４３と、から構成されている。上記スプロケット１４２は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトに連動している。上記位相制御用アクチュエータ１４３は、例えば油圧式の回転型アクチュエータからなり、コントロールユニット１１０からの制御信号によって図示せぬ油圧制御弁を介して制御される。この位相制御用アクチュエータ１４３の作用によって、スプロケット１４２と駆動軸１２２とが相対的に回転し、バルブリフトにおけるリフト中心角が遅進する。つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も、連続的に得ることができる。この第２可変動弁機構１２１の制御状態は、駆動軸１２２の回転位置に応答する駆動軸センサ１３６によって検出される。

従って、第１，第２可変動弁機構１１１，１２１の制御を組み合わせることにより、吸気弁１００の開時期および閉時期をリフト量とともに可変制御できる。

このような可変動弁機構１０１を用いて、超リタード燃焼を行う際に、吸気弁の閉弁時期を下死点位置に近づけれることで、通常運転時よりも実圧縮比を上げることができる。このとき、作動角一定で吸気弁の閉弁時期が進角側に動くのであれば、バルブオーバーラップによる内部ＥＧＲ効果により、筒内温度がさらに高くなり、更なる気化促進が図られ、図９に示すように、さらなるＨＣの低減を図ることができる。

上記実施形態から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。

（１） 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、所定の運転状態のときに、点火時期を圧縮上死点後に設定した超リタード燃焼を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関であって、超リタード燃焼時には、圧縮行程中に１回目の燃料噴射を行い、点火プラグ近傍の燃焼室の一部にリッチな混合気を形成するとともに、局部的にさらにリッチな混合気が点火時期に点火プラグに到達するように点火時期から所定期間先行したタイミングでかつ膨張行程中に２回目の燃料噴射を行い、点火プラグ近傍の燃焼室の一部に２段階の成層混合気を形成した状態で点火する筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、圧縮上死点における筒内圧が大きいほど、圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射の噴射開始時期を進角側にする。

圧縮上死点の筒内圧が大きくなると、圧縮上死点前後の筒内圧も相対的に大きくなる。従って、同じタイミングで燃料噴射を行う場合、圧縮上死点における筒内圧が大きくなるほど、燃料噴射開始時の筒内圧も大きくなる。つまり、圧縮上死点における筒内圧が大きくなるほど、圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射の噴射開始時期を進角側にすることで、超リタード燃焼時の圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射の噴射開始時期の筒内圧を、圧縮上死点における筒内圧の大きさに関わらず安定させることで、圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射によるペネトレーション（噴霧の到達距離）を安定させることができ、安定した噴霧の形成を実現することができる。

これによって、圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射によるペネトレーション（噴霧の到達距離）を安定させることができ、安定した噴霧の形成を実現することができるので、点火時期を圧縮上死点後に設定した超リタード燃焼の燃焼安定性が向上し、例えば冷間始動の際に、排気温度の上昇により触媒の早期活性化およびＨＣ低減を達成することができる。

（２） 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、所定の運転状態のときに、点火時期を圧縮上死点後に設定した超リタード燃焼を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関であって、超リタード燃焼時には、圧縮行程中に１回目の燃料噴射を行い、点火プラグ近傍の燃焼室の一部にリッチな混合気を形成するとともに、局部的にさらにリッチな混合気が点火時期に点火プラグに到達するように点火時期から所定期間先行したタイミングでかつ膨張行程中に２回目の燃料噴射を行い、点火プラグ近傍の燃焼室の一部に２段階の成層混合気を形成した状態で点火する筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、圧縮上死点における筒内圧が大きいほど、膨張行程中に行う２回目の燃料噴射の噴射開始時期を遅角側にする。

これによって、膨張行程中に行う２回目の燃料噴射によるペネトレーション（噴霧の到達距離）を安定させることができ、安定した噴霧の形成を実現することができるので、点火時期を圧縮上死点後に設定した超リタード燃焼の燃焼安定性が向上し、例えば冷間始動の際に、排気温度の上昇により触媒の早期活性化およびＨＣ低減を達成することができる。

（３） 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、所定の運転状態のときに、点火時期を圧縮上死点後に設定した超リタード燃焼を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関であって、超リタード燃焼時には、圧縮行程中に１回目の燃料噴射を行い、点火プラグ近傍の燃焼室の一部にリッチな混合気を形成するとともに、局部的にさらにリッチな混合気が点火時期に点火プラグに到達するように点火時期から所定期間先行したタイミングでかつ膨張行程中に２回目の燃料噴射を行い、点火プラグ近傍の燃焼室の一部に２段階の成層混合気を形成した状態で点火する筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、圧縮上死点における筒内圧が大きいほど、圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射の噴射開始時期を進角側にすると共に、膨張行程中に行う２回目の燃料噴射の噴射開始時期を遅角側にする。

これによって、圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射及び膨張行程中に行う２回目の燃料噴射によるペネトレーション（噴霧の到達距離）を安定させることができ、安定した噴霧の形成を実現することができるので、点火時期を圧縮上死点後に設定した超リタード燃焼の燃焼安定性が向上し、例えば冷間始動の際に、排気温度の上昇により触媒の早期活性化およびＨＣ低減を達成することができる。

（４） 上記（１）〜（３）のいずれかに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、具体的には、圧縮行程時に筒内圧が予め設定された所定の第１筒内圧力となるタイミングで圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射が開始され、膨張行程時に筒内圧が予め設定された所定の第２筒内圧力となるタイミングで、膨張行程中に行う２回目の燃料噴射が開始される。

（５） 上記（１）〜（４）のいずれかに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、具体的には、超リタード燃焼を行う際には、通常運転に比べて圧縮比が高く設定されている。つまり、圧縮比が高圧縮比に設定されることにより筒内圧の特性が変化すると、圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射の噴射時期と、膨張行程中に行う２回目の燃料噴射の噴射時期とが変更されることになる。

（６） 上記（５）に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、具体的には、クランク角が所定の圧縮上死点位置にあるときのピストン位置を上下に変化させることにより内燃機関の機械的圧縮比を変更する複リンク式ピストン−クランク機構からなる可変圧縮比機構を備える。

（７） 上記（５）に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、具体的には、吸気弁の閉弁時期を変更することにより内燃機関の圧縮比を変更可能な可変動弁機構を備える。

（８） 上記（１）〜（４）のいずれかに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、具体的には、所定の運転状態として、排気ガス温度の昇温が要求されたときに、上記の超リタード燃焼が実行される。

本発明に係る内燃機関全体のシステム構成を示す構成説明図。 本発明の超リタード燃焼の燃料噴射時期および点火時期を示す特性図。 燃焼室内に形成される成層混合気の状態を示す説明図。 本発明に係る内燃機関の制御装置において、筒内圧と燃料噴射開始時期との相関を模式的に示した説明図。 筒内圧の変化に伴う筒内の各種状態量の変化及び燃料噴射と点火時期をまとめて示した特性図。 可変圧縮比機構の構成を示す構成説明図。 圧縮比と、噴霧ペネトレーション、ピストン位置、Ｓ／Ｖ比、排温、熱効率、トルク変動との関係をまとめて示す特性図。 可変動弁機構の概略構成を示す説明図。 吸気弁閉時期とトルク変動、ＨＣ排出量との関係を示す特性図。

符号の説明

３…燃焼室
１０…触媒コンバータ
１４…点火プラグ
１５…燃料噴射弁
２５…コントロールユニット

Claims (8)

1. 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、所定の運転状態のときに、点火時期を圧縮上死点後に設定した超リタード燃焼を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関であって、
   超リタード燃焼時には、圧縮行程中に１回目の燃料噴射を行い、点火プラグ近傍の燃焼室の一部にリッチな混合気を形成するとともに、局部的にさらにリッチな混合気が点火時期に点火プラグに到達するように点火時期から所定期間先行したタイミングでかつ膨張行程中に２回目の燃料噴射を行い、点火プラグ近傍の燃焼室の一部に２段階の成層混合気を形成した状態で点火する筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、
   圧縮上死点における筒内圧が大きいほど、圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射の噴射開始時期を進角側にすることを特徴とする筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
2. 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、所定の運転状態のときに、点火時期を圧縮上死点後に設定した超リタード燃焼を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関であって、
   超リタード燃焼時には、圧縮行程中に１回目の燃料噴射を行い、点火プラグ近傍の燃焼室の一部にリッチな混合気を形成するとともに、局部的にさらにリッチな混合気が点火時期に点火プラグに到達するように点火時期から所定期間先行したタイミングでかつ膨張行程中に２回目の燃料噴射を行い、点火プラグ近傍の燃焼室の一部に２段階の成層混合気を形成した状態で点火する筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、
   圧縮上死点における筒内圧が大きいほど、膨張行程中に行う２回目の燃料噴射の噴射開始時期を遅角側にすることを特徴とする筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
3. 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、所定の運転状態のときに、点火時期を圧縮上死点後に設定した超リタード燃焼を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関であって、
   超リタード燃焼時には、圧縮行程中に１回目の燃料噴射を行い、点火プラグ近傍の燃焼室の一部にリッチな混合気を形成するとともに、局部的にさらにリッチな混合気が点火時期に点火プラグに到達するように点火時期から所定期間先行したタイミングでかつ膨張行程中に２回目の燃料噴射を行い、点火プラグ近傍の燃焼室の一部に２段階の成層混合気を形成した状態で点火する筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、
   圧縮上死点における筒内圧が大きいほど、圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射の噴射開始時期を進角側にすると共に、膨張行程中に行う２回目の燃料噴射の噴射開始時期を遅角側にすることを特徴とする筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
4. 圧縮行程時に筒内圧が予め設定された所定の第１筒内圧力となるタイミングで圧縮行程中に行う１回目の燃料噴射が開始され、膨張行程時に筒内圧が予め設定された所定の第２筒内圧力となるタイミングで、膨張行程中に行う２回目の燃料噴射が開始されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
5. 超リタード燃焼を行う際には、通常運転に比べて圧縮比が高く設定されてい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火花点火内燃機関の制御装置。
6. クランク角が所定の圧縮上死点位置にあるときのピストン位置を上下に変化させることにより内燃機関の機械的圧縮比を変更する複リンク式ピストン−クランク機構からなる可変圧縮比機構を備えることを特徴とする請求項５に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
7. 吸気弁の閉弁時期を変更することにより内燃機関の圧縮比を変更可能な可変動弁機構を備えることを特徴とする請求項５に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
8. 所定の運転状態として、排気ガス温度の昇温が要求されたときに、上記の超リタード燃焼が実行されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。

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