JP2010071250A - 直噴火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 機関始動時に、機関回転数の急激な上昇に伴い分割噴射の噴射間隔τ１２が時間的にばらつくと、成層混合気の集中度（均質度）が低下し、燃焼安定性の低下やＨＣ排出量の増加を招く。
【解決手段】 燃焼室の上部中央に、中空円錐状の燃料噴霧を形成する燃料噴射弁（アウトワード弁）を配置する。機関始動時に、この燃料噴射弁からの成層燃焼のための燃料噴射を複数回に分割し、先の噴射ＩＴ１の噴射開始時期と後の噴射ＩＴ２の噴射開始時期との噴射間隔τ１２を一定時間に保つように、機関回転数の上昇に応じて燃料噴射弁の弁体のリフト量Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３を小さくしていく。
【選択図】 図４

Description

本発明は、直噴火花点火式内燃機関に関し、特に、機関始動時の燃料噴射制御に関する。

特許文献１では、直噴火花点火式内燃機関において、圧縮行程にて燃料を噴射する成層燃焼時に、燃料噴射を複数回に分割し、分割して噴射された燃料のうち先に噴射されたものに対して、その後に噴射された燃料が点火プラグの近傍において重なるように噴射させている。すなわち、分割された燃料のうち、先に噴射された燃料は、燃料噴射弁の噴射特性、噴射方向及び燃焼室内のガス流動の影響などによって定まる領域に、混合気を形成する。そして、この噴射の後に噴射される燃料に対しては、先の噴射の影響で噴射方向に沿った流れが生じているため、後に噴射された燃料は、同様な形態の噴霧を形成しつつも、先に噴射された燃料より高速で燃焼室内を進む。従って、後に噴射された燃料を先に噴射された燃料に追い付かせて重なり合わせることにより、その位置において適切な集中度の混合気を形成する。但し、機関冷間時には、機関壁面温度が低く、燃料の壁面付着による燃焼性能への悪影響が大きいため、分割噴射を禁止して、１回のみの単一噴射としている。
特開２００２−１１５５９３号公報

特許文献１に記載の技術のように、機関始動時に分割噴射を禁止して１回のみの単一噴射とすると、成層混合気の集中度（均質度）が低下して燃焼安定性が低下し、また、単一噴射では分割噴射に比べて燃料噴霧のペネトレーションが強くなるため、かえって壁面への付着量が増大するおそれがある。

但し、機関始動時には、図７に示すように、機関回転数Ｎｅの急激な上昇に伴って、燃圧Ｆｐやブースト圧が急激に上昇することから、図８に示すように、燃料噴射弁の弁体のリフト量（静流量）が一定Ｈ０であれば、機関回転数Ｎｅが初爆時（例えば２００ｒｐｍ程度），低速（例えば５００ｒｐｍ程度）及び中速（例えば７００ｒｐｍ程度）へと上昇していくに伴って、分割噴射の各噴射ＩＴ１，ＩＴ２のパルス幅つまり噴射時間τ１，τ２が時間的に短くなっていき、前の噴射ＩＴ１の噴射開始時期と後の噴射ＩＴ２の噴射開始時期との噴射間隔τ１２が時間的に短くなっていく。このため、例えば初爆時のように機関回転数が２００ｒｐｍ前後の始動開始直後の状態では、噴射間隔τ１２が時間的に長くなり、前の噴射ＩＴ１の初期に噴射された燃料の拡散が進行し、上述したように後に噴射された燃料を先に噴射された燃料に追い付かせて重なり合わせることができなくなって、良好な成層燃焼を実現することができなくなるおそれがある。

なお、本明細書において、『時間的』，『時間』とは、機関回転数（回転速度）に対する相対的な期間ではなく、絶対的な時間（秒・分等）を意味する。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、機関始動時にも分割噴射を利用した成層燃焼を安定して行えるようにすることを目的とする。

本発明に係る直噴火花点火式内燃機関は、燃焼室内に燃料噴射弁と点火プラグとを備えるとともに、上記燃料噴射弁及び点火プラグの動作を制御する制御部を有する。そして、この制御部は、機関始動時には、点火時期の直前に燃料噴射を行うことにより成層燃焼を行わせるとともに、燃料噴射を複数回に分割し、先の噴射の噴射開始時期と後の噴射の噴射開始時期との噴射間隔を一定時間に保つように、上記燃料噴射弁の動作を制御することを特徴としている。

本発明によれば、機関始動時に、分割噴射における噴射間隔を時間的に一定のものとしたことによって、成層燃焼における混合気の集中度（均質度）を高いレベルに維持し、機関始動時における燃焼安定性の向上を図ることができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施例に係る直噴火花点火式内燃機関の構成図である。この内燃機関では、シリンダヘッド１とシリンダボア２とピストン３とによりペントルーフ型の燃焼室４が形成され、その上部中央に燃料噴射弁５が下向きに配置されている。燃料噴射弁５は、図２に示すようなアウトワード弁であり、燃料噴射弁本体５０の先端部に軸心に沿って燃料通路５１が形成され、この燃料通路５１の下端にテーパ状開口部５２が開口形成されている。燃料通路５１にはロッド部５３が通路方向に移動可能に嵌合しており、このロッド部５３の先端にポペット型の弁体５４が設けられ、テーパ状開口部５２にポペット型の弁体５４のテーパ面が相対している。従って、弁体５４の下方へのリフト時に、テーパ状開口部５２と弁体５４のテーパ面との間に、外向きの環状の噴出口５５が形成されて、この噴出口５５から燃料が噴射され、その燃料噴霧は中空円錐状を呈する。

点火プラグ６は、燃焼室４の上部中央より偏心した位置に斜めに配置されていて、これにより、燃料噴射弁５から噴射される中空円錐状の燃料噴霧の外縁に点火するように配置されている。より詳しくは、燃料噴射弁５から噴射される中空円錐状の燃料噴霧の外縁の一部には、周囲の空気とのせん断で巻上がり部（膨らみ部）を生じるので、この巻上がり部に点火するように配置されている。

制御部としてのエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）７には、機関回転数センサにより検出される機関回転数Ｎｅ、燃圧センサにより検出される燃料圧力つまり燃圧Ｐｆ、水温センサにより検出される水温Ｔｗ等の信号が入力されている。燃圧Ｐｆは、例えば各燃料噴射弁５へ高圧燃料を供給する高圧燃料レール内の圧力である。ＥＣＵ７は、これらの信号に基づいて、燃料噴射弁５及び点火プラグ６の動作を制御する。特に、燃料噴射弁５については、弁体５４が設けられたロッド部５３を駆動するソレノイドへの通電制御により、燃料噴射タイミングすなわち噴射開始時期，噴射終了時期や噴射幅（噴射時間）を制御することに加え、静流量に対応する弁体５４のリフト量を調整・制御することができるものである。

この内燃機関の運転モード（燃焼モード）には、均質運転モードと成層運転モードとがある。均質運転モードでは、吸気行程にて燃料噴射弁５の燃料噴射を行い、点火プラグ６による点火時期までに、燃焼室４の全体に均質な混合気を形成することにより、ストイキ空燃比、又はリーン空燃比（Ａ／Ｆ＝２０〜３０）で、均質燃焼を行わせる。

これに対し、成層運転モードでは、圧縮行程にて燃料噴射弁５の燃料噴射を行い、燃焼室４の一部（点火プラグ６により点火可能な燃焼室４の中央部）に成層化された混合気塊を形成することにより、全体としては極めてリーンな空燃比（Ａ／Ｆ＝３０〜４０）で、成層燃焼を行わせる。

ところで、機関始動時に成層燃焼を行う場合、言い換えれば、成層燃焼で始動して、始動時及び始動直後のＨＣ排出量の低減を図る場合、単に混合気を成層化するだけでなく、混合気をコンパクトにする必要がある。そこで、機関始動時には、アウトワード弁の特性を利用して成層燃焼のための燃料噴射を複数回に分割する。そして、この分割噴射（多段噴き）は、先に噴射した燃料噴霧に後から噴射する燃料噴霧が引込まれるタイミングで後の噴射を行う構成とする。

このようなアウトワード弁の特性を利用した分割噴射による成層燃焼について、図３を参照して説明する。一度噴きの場合（要求噴射量を一度に噴射する場合）は、図３（ａ）に示すように、ペネトレーションが大きく、中空円錐状噴霧の内側は大きく空間があいている。これに対し、分割噴射の場合（要求噴射量を二度度に分けて噴射する場合；二度噴きの場合）は、次のようになる。

二度噴きの１回目噴射では、図３（ｂ−１）に示すように、一度噴きの場合に比べ、１回当たりの噴射量が減るため、ペネトレーションが小さくなる。それゆえ、拡がりも小さくなる。言い換えれば、アウトワード弁の燃料噴霧はそもそも低ペネトレーションであるが、噴射量が分割されることで、更に運動量が少なくなって、噴霧点に近いところで噴霧が留まるのである。そして、１回目噴射の噴霧後方に噴射の流速による負圧領域が発生する。２度噴きの２回目噴射は、図３（ｂ−２）に示すように、１回目噴射の噴霧後方の負圧領域に向けてなされる。従って、２回目噴射の噴霧は、負圧に引かれるため、１回目噴射の噴霧より流速が高くなり、１回目噴射の噴霧に追いついて、２回目噴射の噴霧が１回目噴射の噴霧に入り込む。言い換えれば、噴霧後端は負圧となり、通常であれば周囲の空気が流入してくるが、そこに２回目噴射を行うことで、２回目噴射の噴霧が１回目噴射の噴霧に引込まれるのである。

こうして、最終的には図３（ｂ−３）に示すように、２回目噴射の噴霧が１回目噴射の噴霧の中に入り込み、拡散防止と均一度向上が見込まれる。また、引込まれる際の周囲空気との衝突とによって、気化も促進される。

このように、機関始動時に成層燃焼を行わせるに際し、燃料を複数回に分けて噴射することで、単に集中度を高めるだけでなく、燃料噴霧のペネトレーションを抑え、コンパクトでかつ均質な成層混合気を形成することができ、火炎伝播の安定性向上並びに燃焼速度の短縮を図り、燃焼安定度の向上や、拡散によるガスクエンチ量の減少を図ることができる。

そして本実施例では、機関始動時には、上述したように点火時期の直前における圧縮行程中に燃料噴射を行うことにより成層燃焼を行わせるとともに、図４に示すように、燃料噴射を複数回に分割し、先の噴射ＩＴ１の噴射開始時期と後の噴射ＩＴ２の噴射開始時期との噴射間隔τ１２を一定時間に保つように、燃料噴射弁５の動作を制御している。つまり、機関始動時には、噴射間隔τ１２を一定時間に保つように、機関回転数Ｎｅの上昇に応じて弁体のリフト量をＨ１からＨ２，Ｈ３へと小さくしていく。

更に言えば、機関始動時には、上記の噴射間隔τ１２の他、各燃料噴射ＩＴ１，ＩＴ２の噴射幅（パルス幅・噴射時間）τ１，τ２や、両噴射間の噴射休止時間τｒのそれぞれが、初爆時，低速時及び中速時を含む始動開始から始動完了までの始動過渡期にわたって一定時間を保つように制御している。

このような機関始動時の始動時噴射制御におけるリフト量の具体的な設定の一例として、始動後の通常噴射制御に演算・設定される要求パルス幅（噴射時間）Ｔｉを利用した例について、図５を参照して説明する。なお、機関始動中における要求燃料噴射量は一定である。通常噴射制御における要求パルス幅Ｔｉは、エアフロメータからの入力値に対して燃圧や水温で補正したパルス幅Ｔｉ１と、燃圧・水温・機関回転数のテーブル値から求めたパルス幅Ｔｉ２と、の大きい方を選択する。図５（Ａ）は燃圧テーブルの一例を示し、このテーブルは図５（Ｂ），（Ｃ）に示すように燃圧やパルス幅に応じて静流量が増加することを考慮して設定される。機関回転数のテーブルは、機関回転数の上昇に伴う充填効率の低下分を考慮して設定され、水温のテーブルは、水温の変化に伴う壁流分燃料や充填効率の変化を考慮して設定される。

このような通常噴射制御における要求パルス幅Ｔｉを利用して、始動時噴射制御における燃料噴射弁５の弁体５４の要求リフト量Ｈが設定される。具体的には、機関始動時におけるパルス幅（噴射時間）は一定の値τ（＝τ１＋τ２）とされるので、通常噴射制御での基準リフト量Ｈ０でのパルス幅Ｔｉと、機関始動時に実際に設定されるパルス幅τ（＝τ１＋τ２）とのパルス幅比Ｔｉ／τを求め、このパルス幅比Ｔｉ／τに基づいて要求リフト量Ｈを求める。具体的には図５（Ｄ）に示すように、リフト量（インジェクタリフト量）が大きくなるほど噴射量が大きくなる関係にあることから、図５（Ｅ）に示すように、パルス幅比が大きくなるほどリフト量Ｈが小さくなるように設定される。

なお、機関始動時におけるリフト量の設定としては、これに限らず、より簡易的に、機関回転数（あるいは燃圧）の上昇に伴ってリフト量を小さくしていくようにしても良い。

図６は燃料噴射制御の流れを簡略的に示すフローチャートである。ステップＳ１では、機関回転数Ｎｅ，燃圧Ｐｆ及び水温Ｔｗ等の機関運転状態を表す各種信号を読み込む。ステップＳ２では、機関回転数Ｎｅが所定の始動完了回転数Ｎ１（例えば７００〜８００ｒｐｍ）未満であるか、つまり機関始動の開始から完了までの機関始動時（始動過渡期）であるかを判定する。

機関回転数Ｎｅが始動完了回転数Ｎ１未満であればステップＳ３へ進み、燃圧Ｆｐが機関始動可能な判定値Ｐ１を超えているかを判定する。そして、燃圧Ｆｐが判定値Ｐ１を超えると、ステップＳ４へ進み、上述した機関始動時の噴射制御が行われる。

一方、機関回転数Ｎｅが始動完了回転数Ｎ１を超えていれば、ステップＳ２からステップＳ５へ進み、始動後の噴射制御が行われる。この始動後噴射制御については、本件の要部ではないので、簡単に説明すると、例えば暖機後の通常制御では、運転条件（主に機関回転数及び負荷）に応じて均質燃焼と成層燃焼とを切り換え、すなわち低回転・低負荷領域にて成層燃焼を行い、高回転・高負荷領域にて均質燃焼を行う。

また、始動直後の暖機運転中には、例えば点火時期と共に噴射時期をＴＤＣ以降まで遅角して膨張行程噴射とする。この場合、ピストンが下向きに進んでいるため、圧縮行程噴射に比べ、混合気が拡散しやすい状態にあり、また先の噴射による噴霧後端の負圧の発生時期も早くなることから、分割噴射の噴射間隔を上述した機関始動時における圧縮行程噴射での噴射間隔よりも短くすることにより、膨張行程噴射の際は、ピストンが下向きに進んでいるため、混合気が拡散しやすい状態であるにもかかわらず、混合気の集中度を高く維持することができ、また先の噴射による噴霧後端の負圧の発生時期が早くなるのに対応して、的確な時期に後噴射できるという効果が得られる。

以上のように、本実施例では、機関始動時には、点火時期の直前の圧縮行程中に燃料噴射を行うことにより成層燃焼を行わせるとともに、燃料噴射を複数回に分割し、先の噴射ＩＴ１の噴射開始時期と後の噴射ＩＴ２の噴射開始時期との噴射間隔τ１２を、機関始動過渡期にわたって一定時間に保つように燃料噴射弁５の動作を制御するようにしたので、前の噴射ＩＴ１の初期に噴射された燃料の拡散が過度に進行するようなことがなく、機関始動の開始から終了にわたって、分割噴射による成層混合気の集中度・均質度を高いレベルに維持することで、良好な燃焼を実現するとともに、機関始動時におけるガスクエンチ量を減らして、ＨＣ排出量の低減を図ることができる。

また、燃料噴射弁５として、燃焼室４の上部中央に下向きに設けられて、外向きの環状の噴出口５５により、中空円錐状の燃料噴霧を形成するアウトワード弁を用い、点火プラグ６は、上記中空円錐状の燃料噴霧の外縁に直接点火するように配置することにより、そもそも低ペネトレーションのアウトワード弁５からの燃料噴霧を分割噴射により更に低ペネトレーション化して、成層混合気の集中度（均質度）をより一層高めることができると共に、燃料噴霧をピストン冠面やシリンダ壁面に達しさせることなく点火・燃焼させて機関始動時におけるＨＣ排出量の低減を図ることができる。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば上記実施例では分割噴射の回数を２回としたが、可能であれば、３回以上に分割して、更にペネトレーションを抑えることで、成層混合気の均質度を向上させるようにしても良い。

更に、機関始動時における可変動弁機構等による筒内圧変化に応じて、先の噴射と後の噴射との噴射量（パルス幅）の割合・比を変更・制御することにより、噴霧のペネトレーションを筒内圧変化に応じた適切なものとすることも可能である。

本発明の一実施例に係る直噴火花点火式内燃機関を示す構成図。 燃料噴射弁（アウトワード弁）を示す説明図。 分割噴射の説明図。 本実施例に係る機関始動時における始動時噴射制御を示すタイミングチャート。 本実施例の燃料噴射制御の流れを簡略的に示すフローチャート。 本実施例の燃料噴射弁の弁体の一設定例に係る説明図。 機関始動時における機関回転数と燃圧の変化を示すグラフ。 従来例に係る機関始動時の燃料噴射制御を示す説明図。

符号の説明

１…シリンダヘッド
２…シリンダボア
３…ピストン
４…燃焼室
５…燃料噴射弁
６…点火プラグ
７…ＥＣＵ（制御部）
５０…燃料噴射弁本体
５１…燃料通路
５２…テーパ状開口部
５３…ロッド部
５４…弁体
５５…噴出口

Claims (5)

1. 燃焼室内に燃料噴射弁と点火プラグとを備える直噴火花点火式内燃機関において、
   上記燃料噴射弁及び点火プラグの動作を制御する制御部を有し、
   この制御部は、機関始動時には、点火時期の直前に燃料噴射を行うことにより成層燃焼を行わせるとともに、燃料噴射を複数回に分割し、先の噴射の噴射開始時期と後の噴射の噴射開始時期との噴射間隔を一定時間に保つように、上記燃料噴射弁の動作を制御することを特徴とする直噴火花点火式内燃機関。
2. 上記燃料噴射弁は、燃焼室の上部中央に下向きに設けられ、弁体がリフトすることで開口部との間の噴出口より中空円錐状の燃料噴霧を形成するアウトワード弁であることを特徴とする請求項１に記載の直噴火花点火式内燃機関。
3. 上記制御部は、上記機関始動時には、上記噴射間隔を一定時間に保つように、機関回転数の上昇に応じて上記弁体のリフト量を小さくすることを特徴とする請求項２に記載の直噴火花点火式内燃機関。
4. 上記点火プラグは、上記中空円錐状の燃料噴霧の外縁に点火するように配置されることを特徴とする請求項２又は３に記載の直噴火花点火式内燃機関。
5. 上記制御部は、上記機関始動時には、各燃料噴射の噴射時間が一定となるように、上記燃料噴射弁の動作を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の直噴火花点火式内燃機関。

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