JP2008025400A - 筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮行程において必要燃料量を少なくとも二回に分割して噴射することにより成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、点火時期を遅角する際の燃焼悪化を抑制することである。
【解決手段】圧縮行程において少なくとも二回の燃料噴射を実施し、二回目の噴射燃料により点火プラグ近傍に可燃混合気を形成して成層燃焼を実施する場合に、点火時期の遅角に合わせて二回目の燃料噴射時期を遅角させる時（ステップ１０８）には、一回目の燃料噴射時期も遅角させる（ステップ１０７）。
【選択図】図３

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置に関する。

点火プラグ近傍に着火性の良好な可燃混合気を形成して燃焼させる成層燃焼が公知である。このような成層燃焼の一方式として、圧縮行程においてピストン頂面のキャビティ内に燃料を噴射し、キャビティにより噴射燃料を点火プラグ近傍に偏向して可燃混合気を形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このような成層燃焼方式において、機関負荷の増加により必要燃料量が多くなると、一度に燃料を噴射した場合には、点火プラグ近傍に形成される混合気が濃厚となって良好に燃焼させ難くなるために、圧縮行程において二回に分けて燃料噴射を実施することも提案されている。それにより、一回目の燃料噴射により点火プラグ近傍に導かれた燃料を点火時期までにある程度分散させ、二回目の燃料噴射により点火プラグ近傍に導かれた燃料と合わさっても点火プラグ近傍に濃厚な混合気が形成されないようにしている。

また、機関負荷の増加によりさらに必要燃料量が多くなる時には、一回目の噴射燃料をさらに広範囲に分散させないと、二回目の噴射燃料により点火プラグ近傍に形成される混合気が濃厚となってしまうために、一回目の燃料噴射を吸気行程において実施することも提案されている。

また、一回目の燃料噴射が吸気行程で実施される場合において、触媒装置の暖気のために点火時期が遅角される時には、二回目の燃料噴射時期を遅角することも提案されている。

特開２０００−５４８８３ 特開２００４−３４２９ 特開２０００−７３８２０

前述の筒内噴射式火花点火内燃機関において、一回目の燃料噴射が圧縮行程で実施される場合に、点火時期の遅角に合わせて二回目の燃料噴射時期を遅角すると、点火時期において、一回目の噴射燃料が過剰に分散して良好に燃焼しないことがある。この時には、所望の機関出力が得られないだけでなく、未燃燃料の排出量を増加させる。

この問題は、直接的に点火プラグ近傍に向けて燃料を噴射して点火プラグ近傍に混合気を形成して着火燃焼させる成層燃焼方式において、圧縮行程の燃料噴射を二回に分割して、点火時期の遅角に合わせて二回目の燃料噴射時期を遅角する場合にも発生する。

従って、本発明の目的は、圧縮行程において必要燃料量を少なくとも二回に分割して噴射することにより成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、点火時期を遅角する際の燃焼悪化を抑制することである。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、圧縮行程において少なくとも二回の燃料噴射を実施し、二回目の噴射燃料により点火プラグ近傍に可燃混合気を形成して成層燃焼を実施する場合に、点火時期の遅角に合わせて二回目の燃料噴射時期を遅角させる時には、一回目の燃料噴射時期も遅角させることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置によれば、点火時期の遅角に合わせて二回目の燃料噴射時期を遅角させる時に、もし一回目の燃料噴射時期を遅角させないと、一回目の燃料噴射時期から点火時期までの間隔が長くなって点火時期において一回目の噴射燃料が過剰に分散して燃焼し難くなるために、一回目の燃料噴射時期も遅角するようにして燃焼悪化を抑制している。

図１は本発明による制御装置により制御される筒内噴射式火花点火内燃機関を示す概略縦断面図であり、成層燃焼のための圧縮行程の燃料噴射時期を示している。同図において、１は気筒上部略中心に配置された点火プラグであり、２は気筒上部周囲に配置された燃料噴射弁である。図示されていないが、図１において、気筒上部の右側には一対の排気弁が配置され、気筒上部の左側には一対の吸気弁が配置されている。３はピストンである。

本筒内噴射式火花点火内燃機関は、圧縮行程において、燃料噴射弁２が矢印で示す方向に点火プラグ１の点火ギャップ近傍へ向けて燃料を噴射することにより、噴射燃料は気筒内を飛行中に吸気との摩擦により微粒化及び気化して可燃混合気となり、点火時期において、この可燃混合気内に点火プラグ１の点火ギャップを位置させて、可燃混合気を燃焼させる成層燃焼を実施する。

このような方式の成層燃焼において、機関負荷が設定負荷以上となって必要燃料量が多くなると、一度に燃料噴射を実施した場合には、点火プラグ１近傍に形成される混合気が濃厚となって着火性が悪化するために、図１に示すように、圧縮行程において必要燃料量を二回に分けて噴射する。二回目に噴射される燃料により形成される混合気Ｍ２内に点火時期において点火ギャップが位置するように、二回目の燃料噴射開始時期が設定される。一回目の噴射燃料により形成される混合気Ｍ１は、点火時期において、点火プラグ１近傍を通過しているが、この混合気Ｍ１が点火時期において過剰に分散して良好に燃焼しないほど希薄とならないように、一回目の燃料噴射量に基づき一回目の燃料噴射開始時期が設定される。

このように圧縮行程の一回目及び二回目の燃料噴射開始時期が設定されれば、二回目の噴射燃料により形成される混合気Ｍ２を確実に着火燃焼させることができ、この火炎は一回目の噴射燃料により形成される混合気Ｍ１に確実に伝播し、全ての燃料を良好に燃焼させることができる。

ところで、ノッキングの発生防止や、機関排気系の触媒装置の暖機のために、点火時期を遅角することがある。このような点火時期の遅角に合わせて、二回目の燃料噴射開始時期を遅角しないと、点火時期において二回目の噴射燃料により形成される混合気Ｍ２内に点火ギャップが位置せず、混合気Ｍ２の着火燃焼が困難となる。それにより、点火時期の遅角量に合わせて二回目の燃料噴射開始時期が遅角させられるが、そのままでは、一回目の燃料噴射開始時期から点火時期までの間隔が長くなるために、一回目の噴射燃料により形成される混合気Ｍ１が点火時期において過剰に分散して良好に燃焼しないほど希薄となり、混合気Ｍ２の火炎が良好に伝播せずに燃焼が悪化し、所望の機関出力が得られないだけでなく、未燃燃料の排出量が増加してしまう。

また、一回目の燃料噴射により形成される混合気Ｍ１と二回目の燃料噴射により形成される混合気Ｍ２との距離が長くなるために、混合気Ｍ１が燃焼しながら膨張してその火炎が混合気Ｍ２に伝播したとしても、火炎伝播するまでの時間が長くなって、全体の燃焼時間を延長させることとなる。

図３は、本発明による制御装置により実施される燃料噴射制御のフローチャートである。先ず、ステップ１０１において、ノッキングの発生防止又は触媒装置暖気のための点火時期遅角量Ａが設定される。ここで、点火時期を遅角しない場合には、点火時期遅角量Ａはゼロとなる。次いで、ステップ１０２において、必要燃料量が設定量以上であるために圧縮行程の燃料噴射を二回に分割する運転領域であるか否かが判断される。この判断が否定される時には、圧縮行程の一回の燃料噴射が実施される場合であり、ステップ１０３において、機関回転数及び燃料噴射量に基づく基準燃料噴射開始時期Ｔが算出される（又は、機関回転数及び燃料噴射量に基づくマップから読み取られる）。次いで、ステップ１０４において、実際の燃料噴射開始時期Ｔ’が、基準燃料噴射開始時期ＴからＡだけ遅角されて設定される。

一方、圧縮行程の燃料噴射を二回に分割する運転領域である場合には、ステップ１０２の判断が肯定され、ステップ１０５において、機関回転数及び一回目の燃料噴射量に基づき、一回目の基準燃料噴射開始時期Ｔ１が算出されるか又はマップから読み取られる。次いで、ステップ１０６において、機関回転数及び二回目の燃料噴射量に基づき、二回目の基準燃料噴射開始時期Ｔ２が算出されるか又はマップから読み取られる。次いで、ステップ１０７及び１０８において、実際の一回目の燃料噴射開始時期Ｔ１’が、基準燃料噴射開始時期Ｔ１からＡだけ遅角されて設定され、実際の二回目の燃料噴射開始時期Ｔ２’が、基準燃料噴射開始時期Ｔ２からＡだけ遅角されて設定される。

このような燃料噴射制御により、点火時期の遅角に合わせて、二回目の燃料噴射開始時期Ｔ２だけでなく、一回目の燃料噴射開始時期Ｔ１も遅角させられるために、一回目の燃料噴射開始時期から点火時期までの間隔が維持され、一回目の噴射燃料により形成される混合気Ｍ１が点火時期において過剰に分散することはなく、二回目の噴射燃料により形成される混合気Ｍ２を確実に着火燃焼させた火炎を一回目の噴射燃料により形成される混合気Ｍ１に確実に伝播することができ、全ての燃料を良好に燃焼させることができる。

図４は、一回目及び二回目の圧縮行程の燃料噴射パターンを示すタイムチャートである。必要燃料量を二回に分割するに際して、上側のタイムチャートに示すように、必要燃料量を二等分する場合と、下側のタイムチャートに示すように、良好な着火性が確保される一定の燃料量を二回目の燃料噴射量として固定し、必要燃料量の残りを一回目の燃料噴射量として噴射する場合とがある。いずれにしても、一回目の基準燃料噴射開始時期Ｔ１及び二回目の基準燃料噴射開始時期Ｔ２は、点火時期遅角量Ａだけ遅角され、一回目の燃料噴射終了時期と二回目の燃料噴射開始時期との間の間隔Ｉが維持される。この間隔Ｉが長くなると、二回目の噴射燃料により形成される混合気Ｍ２の火炎が一回目の噴射燃料により形成される混合気Ｍ１へ伝播し難くなるが、この間隔Ｉを維持することにより確実な火炎伝播を確保することができる。

図２は本発明による制御装置により制御されるもう一つの筒内噴射式火花点火内燃機関を示す概略縦断面図であり、成層燃焼のための圧縮行程の燃料噴射時期を示している。同図において、１の気筒上部略中心に配置された点火プラグであり、２’は気筒上部周囲に配置された燃料噴射弁である。図示されていないが、図２において、気筒上部の右側には一対の排気弁が配置され、気筒上部の左側には一対の吸気弁が配置されている。３’はピストンである。

本筒内噴射式火花点火内燃機関は、圧縮行程において、燃料噴射弁２’が矢印で示す方向にピストン３’の頂面に形成されたキャビティ３ａ’内へ燃料を噴射することにより、噴射燃料はキャビティ３ａ’の壁面から受熱により気化しながら点火プラグ１近傍へ偏向されて可燃混合気となり、点火時期において、この可燃混合気内に点火プラグ１の点火ギャップを位置させて、可燃混合気を燃焼させる成層燃焼を実施する。

このような方式の成層燃焼においても、機関負荷が設定負荷以上となって必要燃料量が多くなると、一度に燃料噴射を実施した場合には、点火プラグ１近傍に形成される混合気が濃厚となって着火性が悪化するために、図２に示すように、圧縮行程において必要燃料量を二回に分けて噴射を実施する。二回目に噴射される燃料により形成される混合気Ｍ２’内に点火時期において点火ギャップが位置するように、二回目の燃料噴射開始時期が設定される。一回目の噴射燃料により形成される混合気Ｍ１’は、点火時期において、点火プラグ１近傍から分散しているが、この混合気Ｍ１’が点火時期において過剰に分散して良好に燃焼しないほど希薄とならないように、一回目の燃料噴射量に基づき一回目の燃料噴射開始時期が設定される。

このように圧縮行程の一回目及び二回目の燃料噴射開始時期が設定されれば、二回目の噴射燃料により形成される混合気Ｍ２’を確実に着火燃焼させることができ、この火炎は一回目の噴射燃料により形成される混合気Ｍ１’に確実に伝播し、全ての燃料を良好に燃焼させることができる。

このような方式の成層燃焼においても、二回目の燃料噴射開始時期を点火時期遅角量だけ遅角し、二回目の噴射燃料により形成される混合気Ｍ２’の確実な着火燃焼を確保すると共に、一回目の噴射燃料により形成される混合気Ｍ１’が点火時期において過剰に分散して良好に燃焼しないほど希薄にならないようにしなければならず、前述同様に、一回目の燃料噴射開始時期も点火時期遅角量だけ遅角することとなる。それにより、二回目の噴射燃料により形成される混合気Ｍ２’を確実に着火燃焼させた火炎を一回目の噴射燃料により形成される混合気Ｍ１’に確実に伝播することができ、全ての燃料を良好に燃焼させることができる。

前述の二つの筒内噴射式火花点火内燃機関において、機関負荷の増加に伴って一回目の燃料噴射量が多くなり、点火時期までに気筒内全体に分散させることが必要となれば、一回目の燃料噴射は吸気行程で実施することが好ましい。このような場合には、点火時期が遅角される時に一回目の燃料噴射開始時期を遅角しても意味はなく、二回目の燃料噴射開始時期だけを点火時期遅角量だけ遅角する。また、さらに機関負荷が増加して必要燃料量が多量となれば、必要燃料量の全てを吸気行程において噴射して均質燃焼を実施するようにしても良い。

本発明による制御装置により制御される筒内噴射式火花点火内燃機関を示す圧縮行程後半の概略縦断面図である。 本発明による制御装置により制御されるもう一つの筒内噴射式火花点火内燃機関を示す圧縮行程後半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燃料噴射制御を示すフローチャートである。 一回目及び二回目の圧縮行程の燃料噴射パターンを示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 点火プラグ
２，２’ 燃料噴射弁
３，３’ ピストン
３ａ’ キャビティ

Claims (1)

1. 圧縮行程において少なくとも二回の燃料噴射を実施し、二回目の噴射燃料により点火プラグ近傍に可燃混合気を形成して成層燃焼を実施する場合に、点火時期の遅角に合わせて二回目の燃料噴射時期を遅角させる時には、一回目の燃料噴射時期も遅角させることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。

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