JP2850595B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平２−１６９８３４号公報には、低
負荷運転時には、要求燃料噴射量の全量を圧縮行程にお
いて噴射して点火栓周りに混合気を形成し、中高負荷運
転時には、吸気行程において機関気筒内に燃料を噴射し
て予混合気を形成すると共に、圧縮行程において機関気
筒内に燃料を噴射して点火栓近傍に着火用混合気を形成
せしめるようにした内燃機関が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところがこの内燃機関
では、要求燃料噴射量を吸気行程と圧縮行程とに分割し
て噴射せしめる領域のうち、低負荷側の領域において
は、着火時において点火栓周りに着火の良好な混合気を
確実に形成することが困難であり、このため燃焼が不安
定になるという問題を生ずる。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め本発明によれば、吸気行程において燃料を噴射して機
関気筒内に予混合気を形成すると共に、圧縮行程におい
て機関気筒内に燃料を噴射して点火栓近傍に着火用混合
気を形成せしめるようにした内燃機関において、点火栓
によって混合気を着火せしめる際に放電を開始する電圧
を検出する放電開始電圧検出手段を設け、この放電開始
電圧検出手段によって検出された電圧の増大に応じて、
吸気行程燃料噴射量に対する圧縮行程燃料噴射量の比を
増大せしめ、それにより検出された電圧の増大に応じて
点火栓周りの空燃比を減少させるようにしている。

【０００５】

【作用】点火栓の放電開始電圧は、着火時における点火
栓周りの混合気の空燃比の増大に応じて増大する。従っ
て、点火栓の放電開始電圧は着火時における点火栓周り
の混合気の空燃比を間接的に表わしている。このため、
放電開始電圧の増大に応じて、すなわち着火時における
点火栓周りの混合気がリーンになるに応じて、吸気行程
燃料噴射量に対する圧縮行程燃料噴射量の比を増大せし
めて、着火時における点火栓周りの混合気をリッチ化せ
しめるようにしている。

【０００６】

【実施例】図１には本発明の一実施例である４気筒ガソ
リン機関の全体図を示す。同図において、１は機関本
体、２はサージタンク、３はサージタンク２から延びる
吸気管、４は吸気管３の途中に設けられたスロットル
弁、５は各気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁、６
は点火栓、７は高圧用リザーバタンク、８は高圧導管９
を介して高圧燃料をリザーバタンク７内に圧送するため
の、吐出圧制御可能な高圧燃料ポンプ、１０は燃料タン
ク、１１は導管１２を介して燃料タンク１０から高圧燃
料ポンプ８に燃料を供給する低圧燃料ポンプを夫々示
す。低圧燃料ポンプ１１の吐出側は、各燃料噴射弁５の
ピエゾ圧電素子を冷却するための圧電素子冷却用導入管
１３に接続される。圧電素子冷却用返戻管１４は燃料タ
ンク１０に連結され、この返戻管１４を介して圧電素子
冷却用導入管１３を流れる燃料を燃料タンク１０に回収
する。各枝管１５は、各高圧燃料噴射弁５を高圧用リザ
ーバタンク７に接続する。

【０００７】高圧用リザーバタンク７には圧力センサ３
６が取付けられ、この圧力センサ３６は高圧用リザーバ
タンク７内の燃料圧を検出する。圧力センサ３６の検出
値に基づいて、高圧用リザーバタンク７内の燃料圧が目
標燃料圧となるように高圧燃料ポンプ８が制御せしめら
れる。吸気管３の入口部には、吸入空気量ＱＡを検出す
るためのエアフローメータ３７が配置される。

【０００８】図２は電子制御ユニット２０の構成を示す
ブロック線図である。図２を参照すると、電子制御ユニ
ット２０はディジタルコンピュータからなり、双方向性
バス２１によって相互に接続されたＲＯＭ（リードオン
リメモリ）２２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２
３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２４、入力ポート２
５および出力ポート２６を具備する。

【０００９】圧力センサ３６はＡＤ変換器３０を介して
入力ポート２５に接続される。機関回転数Ｎｅに比例し
た出力パルスを発生するクランク角センサ３８は入力ポ
ート２５に接続される。また、エアフローメータ３７は
ＡＤ変換器３２を介して入力ポート２５に接続される。
一方、出力ポート２６は、対応する駆動回路３３，３４
を介して夫々高圧燃料ポンプ７および燃料噴射弁５に接
続される。また、出力ポート２６は駆動回路３５を介し
てイグナイタ１６に接続される。このイグナイタ１６は
点火コイル１７を介して点火栓６に接続される。

【００１０】点火栓６と並列に分圧用の抵抗１８，１９
が接続される。抵抗１８と１９の間がピーク電圧ホール
ド回路３９に接続され、このピーク電圧ホールド回路３
９はＡＤ変換器３１を介して入力ポート２５に接続され
る。これによって点火栓６の放電開始電圧ＶＳＰを検出
することができる。図３に燃料噴射弁５の側面断面図を
示す。図３を参照すると、４０はノズル５０内に挿入さ
れたニードル、４１は加圧ロッド、４２は可動プランジ
ャ、４３はばね収容室４４内に配置されかつニードル４
０を下方に向けて押圧する圧縮ばね、４５は加圧ピスト
ン、４６はピエゾ圧電素子、４７は可動プランジャ４２
の頂部とピストン４５間に形成されかつ燃料で満たされ
た加圧室、４８はニードル加圧室を夫々示す。ニードル
加圧室４８は燃料通路４９および枝管１４を介して高圧
用リザーバタンク７（図１）に連結され、従って高圧用
リザーバタンク７内の高圧燃料が枝管１４および燃料通
路４９を介してニードル加圧室４８内に供給される。ピ
エゾ圧電素子４６に電荷がチャージされるとピエゾ圧電
素子４６が伸長し、それによって加圧室４７内の燃料圧
が高められる。その結果、可動プランジャ４２が下方に
押圧され、ノズル口５３は、ニードル４０によって閉弁
状態に保持される。一方、ピエゾ圧電素子４６にチャー
ジされた電荷がディスチャージされるとピエゾ圧電素子
４６が収縮し、加圧室４７内の燃料圧が低下する。その
結果、可動プランジャ４２が上昇するためにニードル４
０が上昇し、ノズル口５３から燃料が噴射される。

【００１１】図４には図１に示す機関の縦断面図を示
す。図４を参照すると、６０はシリンダブロック、６１
はシリンダヘッド、６２はピストン、６３はピストン６
２の頂面に形成された略円筒状凹部、６４はピストン６
２頂面とシリンダヘッド６１内壁面間に形成されたシリ
ンダ室を夫々示す。点火栓６はシリンダ室６４に臨んで
シリンダヘッド６１のほぼ中央部に取り付けられる。図
面には示さないがシリンダヘッド６１内には吸気ポート
および排気ポートが形成され、これら吸気ポートおよび
排気ポートのシリンダ室６４内への開口部には夫々吸気
弁６６（図７（ａ）参照）および排気弁が配置される。
燃料噴射弁５はスワール型の燃料噴射弁であり、広がり
角が大きく貫徹力の弱い噴霧状の燃料を噴射する。燃料
噴射弁５は、斜め下方を指向して、シリンダ室６４の頂
部に配置され、点火栓６近傍に向かって燃料噴射するよ
うに配置される。また、燃料噴射弁５の燃料噴射方向お
よび燃料噴射時期は、噴射燃料がピストン６２頂部に形
成された凹部６３を指向するように決められる。

【００１２】本実施例の内燃機関は機関運転状態に応じ
た燃料噴射量を吸気行程と圧縮行程とに分割噴射可能な
筒内噴射式内燃機関であって、図５には所定の機関回転
数における吸気行程燃料噴射量と圧縮行程燃料噴射量の
割合を示す。図５を参照すると、横軸は機関の負荷を表
しており、図５では負荷として燃料噴射量Ｑをとり、縦
軸にも燃料噴射量Ｑをとっている。

【００１３】機関負荷を示す燃料噴射量がアイドル時の
燃料噴射量Ｑ_I から中負荷時の燃料噴射量Ｑ_M までは、
圧縮行程においてだけ燃料が噴射され、圧縮行程におけ
る燃料噴射量Ｑ_C はアイドル燃料噴射量Ｑ_I から中負荷
燃料噴射量Ｑ_M まで漸次増大せしめられる。機関負荷を
示す燃料噴射量がＱ_M を越えると、圧縮行程燃料噴射量
はＱ_M からＱ_D まで急激に減少せしめられると共に吸気
行程における燃料噴射量Ｑ_S はＱ_P まで急激に増大せし
められる。Ｑ_M は中負荷付近の燃料噴射量であり、Ｑ_D
とＱ_P との和として次式で示される。

【００１４】Ｑ_M ＝Ｑ_D ＋Ｑ_P ここで、Ｑ_D は点火栓６により着火可能な混合気を形成
し得る最小限の圧縮行程燃料噴射量でありアイドル燃料
噴射量Ｑ_I より少量である。また、Ｑ_P は吸気行程にお
いて噴射された燃料がシリンダ室６４内に均質に拡散し
た際に点火栓６による着火火炎が伝播可能な最小限の吸
気行程燃料噴射量である。中負荷時の燃料噴射量Ｑ_M か
ら高負荷時の燃料噴射量Ｑ_H までは燃料噴射量を圧縮行
程と吸気行程とに分割して噴射し、圧縮行程燃料噴射量
は機関負荷によらずＱ_D で一定とし、吸気行程燃料噴射
量は機関負荷の増大に伴って増大せしめる。

【００１５】機関負荷が高負荷時燃料噴射量Ｑ_H を越え
て最大燃料噴射量Ｑ_W までのごく高負荷時においては、
燃料噴射量が多いため吸気行程噴射によって形成される
シリンダ室内の予混合気の濃度が着火に十分なほど濃い
ため、着火のための圧縮行程噴射をやめて、要求燃料噴
射量の全量を吸気行程において噴射することとしてい
る。高負荷時燃料噴射量Ｑ_H はシリンダ室内に燃料が均
質に拡散した場合にも点火栓により着火可能な均質混合
気を形成可能な最小限吸気行程燃料噴射量である。

【００１６】図６に示されるように、吸気行程とは排気
プロセスの上死点から吸入プロセスの下死点までの期間
を意味し、圧縮行程とは吸入プロセスの下死点から圧縮
プロセスの上死点までの期間を意味する。吸気行程噴射
はＤ_I で示される期間内で実行される。この期間Ｄ_I は
吸気行程のほぼ前半に相当する。圧縮行程噴射はＤ_C で
示される期間内で実行される。この期間Ｄ_C は圧縮行程
のほぼ後半に相当する。燃料は期間Ｄ_I またはＤ_C 内で
噴射されるために、噴射燃料はシリンダブロック６０に
直接衝突することはなく、このため噴射燃料はシリンダ
ブロック６０の内面にほとんど付着しない。

【００１７】中負荷付近（燃料噴射量Ｑ_M ) より低い負
荷領域においては、図４に示されるように、圧縮行程後
期に圧縮行程噴射のみが実行され、燃料噴射弁５から点
火栓６およびピストン６２頂面の凹部６３を指向して燃
料が噴射される。この噴射燃料は貫徹力が弱く、またシ
リンダ室６４内の圧力が高くかつ空気流動が弱いため、
噴射燃料は点火栓６付近の領域Ｋに偏在する。この領域
Ｋ内の燃料分布は不均一であり、リッチな混合気層から
空気層まで変化するため、領域Ｋ内には最も燃焼し易い
理論空燃比付近の可燃混合気層が存在する。従って点火
栓６付近の可燃混合気層が容易に着火され、この着火火
炎が不均一混合気層全体に伝播して燃焼が完了する。こ
のように、中負荷より低い低負荷領域においては、圧縮
行程後期に点火栓６付近に燃料を噴射し、これによって
点火栓６付近に可燃混合気層を形成し、斯くして良好な
着火および燃焼が得られることとなる。

【００１８】一方、中負荷付近（燃料噴射量Ｑ_M ）より
高い負荷領域においては、図７に示されるように、吸気
行程初期（図７（ａ））に吸気行程噴射が実行され、燃
料噴射弁５から点火栓６およびピストン６２頂面の凹部
６３を指向して燃料が噴射される。この噴射燃料は、広
がり角が大きく貫徹力の弱い噴霧状の燃料であり、噴射
燃料の一部はシリンダ室６４内に浮遊し、他は凹部６３
に衝突する。これらの噴射燃料は、吸気ポートからシリ
ンダ室６４内に流入する吸入空気流によって生ずるシリ
ンダ室６４内の乱れＴによってシリンダ室６４内に拡散
され、吸気行程から圧縮行程に至る間に予混合気Ｐが形
成される（図７（ｂ））。この予混合気Ｐの空燃比は、
着火火炎が伝播できる程度の空燃比である。尚、図７
（ｂ）の状態では噴射燃料の中心軸線の延長がシリンダ
壁に指向しているため、噴射燃料の貫徹力が強い場合に
は噴霧の一部が直接シリンダ壁に付着するおそれがあ
る。本実施例では比較的貫徹力の弱い噴射を行っている
ため特に問題はないが、本発明の実施例ではこの期間を
無噴射期間とすることにより、燃料のシリンダ壁面への
付着防止効果を高めている。続いて圧縮行程後期（図７
（ｃ））に圧縮行程噴射が実行され、燃料噴射弁５から
点火栓６近傍およびピストン６２頂面の凹部６３を指向
して燃料が噴射される。この噴射燃料は元々点火栓６に
指向しているうえ貫徹力が弱く、またシリンダ室６４内
の圧力が大きいため、噴射燃料は点火栓６付近の領域Ｋ
に偏在する。この領域Ｋ内の燃料分布も不均一であり、
リッチな混合気層から空気層まで変化するため、この領
域Ｋ内には最も燃焼し易い理論空燃比付近の可燃混合気
層が存在する。従って点火栓６によって可燃混合気層が
着火されると、不均一混合気領域Ｋを中心に燃焼が進行
する（図７（ｄ））。この燃焼過程で体積膨張した燃焼
ガスＢの周辺から順次、予混合気Ｐに火炎が伝播し燃焼
が完了する。このように、中負荷および高負荷領域にお
いては、吸気行程初期において燃料を噴射することによ
り火炎伝播用の混合気をシリンダ室６４内全体に形成す
ると共に、圧縮行程後期において燃料を噴射することに
より点火栓６近傍に比較的濃い混合気を形成して着火お
よび火炎核形成用の混合気を形成する。

【００１９】特に中負荷運転時においては、従来の機関
のように吸気行程、または圧縮行程前半に要求噴射量の
全量を噴射すると、噴射燃料はシリンダ室６４内全体に
拡散してしまうため、シリンダ室６４内に形成される混
合気は過薄となり、着火および燃焼が困難になるという
問題がある。また一方、中負荷運転時において要求噴射
量の全量を圧縮行程後期において噴射すると、多量のス
モークが発生したり、空気利用率を高めることができず
十分な高出力を得ることができないという問題がある。

【００２０】そこで、前述のように中負荷運転時におい
ては吸気行程と圧縮行程とに分割噴射することにより、
良好な着火と、空気利用率の高い燃焼により高出力を得
ようとしているのである。また、中負荷付近において
は、吸気行程で噴射された燃料により形成される均質混
合気は、着火可能な空燃比より薄い火炎伝播可能な程度
の空燃比でよく、希薄燃焼により燃費を向上することが
できる。

【００２１】ところで図５において、燃料噴射量がＱ_M
とＱ_H の間であって要求燃料噴射量を吸気行程と圧縮行
程とに分割して噴射せしめる領域のうち、低負荷側の領
域、すなわちＱ_M に近い領域では、着火時において点火
栓周りに着火の良好な混合気を確実に形成することが困
難であり、このため燃焼が不安定になるという問題を生
ずる。

【００２２】そこで本実施例では、図８に示すように、
着火時における点火栓周りの混合気の空燃比の増大に応
じて点火栓の放電開始電圧ＶＳＰが増大することから、
放電開始電圧ＶＳＰを検出することによって着火時にお
ける点火栓周りの混合気の空燃比を間接的に検出してい
る。そして、放電開始電圧ＶＳＰが、例えば空燃比が１
３に相当する放電開始電圧ＶＢより低くなった場合に
は、リッチ失火が発生したとして、圧縮行程燃料噴射量
の比率を減少せしめて、着火時における点火栓周りの混
合気をリーン化せしめるようにしている。これによって
リッチ失火を防止するようにしている。

【００２３】一方、放電開始電圧ＶＳＰが、例えば空燃
比が２５に相当する放電開始電圧ＶＡより低くなった場
合には、リーン失火が発生したとして、圧縮行程燃料噴
射量の比率を増大せしめて、着火時における点火栓周り
の混合気をリッチ化せしめるようにしている。これによ
ってリーン失火を防止するようにしている。図９には吸
気行程および圧縮行程燃料噴射量を計算するルーチンを
示す。このルーチンは一定クランク角毎の割込みによっ
て実行される。

【００２４】図９を参照すると、まずステップ７０にお
いて、要求燃料噴射量Ｑが、機関回転数ＮｅおよびＱＡ
／Ｎｅに基づくマップ（図１０参照）から求められる。
ここでＱＡ／Ｎｅは機関１回転当りの吸入空気量であ
り、機関負荷を表わしている。次いでステップ７１で
は、要求燃料噴射量Ｑに基づいて分割率ＱＲが計算され
る。ここで分割率ＱＲは要求燃料噴射量Ｑに対する吸気
行程燃料噴射量Ｑ_S の比である。

【００２５】要求燃料噴射量Ｑと分割率ＱＲとのマップ
は図１１に示すようである。図１１は図５と対応してお
り、要求燃料噴射量ＱがＱ_I からＱ_M まではＱＲは０で
あり、従って、要求燃料噴射量Ｑの全量が圧縮行程にお
いて噴射される。Ｑ_M からＱ _H までは、吸気行程および
圧縮行程噴射が実行され、負荷の増大に応じて吸気行程
燃料噴射量の比率が増大する。Ｑ_H からＱ_W まではＱＲ
は１．０となり、要求燃料噴射量Ｑの全量が吸気行程に
おいて噴射される。

【００２６】再び図９を参照すると、ステップ７２にお
いてＱＲが０かまたは１に等しいか否か判定される。分
割率ＱＲが０および１に等しくない場合にはステップ７
３に進み、ＱＲに補正値ＫＱＲが加算される。補正値Ｋ
ＱＲは後述する図１２に示すルーチンにおいて計算され
る。ステップ７４ではＱＲが０以上か否か判定され、Ｑ
Ｒ＜０であればステップ７５に進みＱＲは０とされる。
一方、ＱＲ≧０であればステップ７６に進みＱＲ≦１か
否か判定される。ＱＲ＞１であればステップ７７に進み
ＱＲは１とされる。ＱＲ≦１であればＱＲの値はそのま
ま維持される。

【００２７】ステップ７８では次式に基づいて吸気行程
燃料噴射量Ｑ_S が計算される。 Ｑ_S ＝Ｑ・ＱＲ 次いでステップ７９ではＱから吸気行程燃料噴射量を減
算することによって圧縮行程燃料噴射量Ｑ_C が計算され
る。ステップ７２でＱＲが０または１であると判定され
た場合には、ステップ７３からステップ７７はスキップ
され、ＱＲは補正されず０または１に維持される。

【００２８】図１２には補正値ＫＱＲを計算するための
ルーチンを示す。このルーチンは一定クランク角毎の割
込みによって実行される。図１２を参照すると、まずス
テップ９０において放電開始電圧ＶＳＰが読込まれる。
次いでステップ９１において、ＶＳＰ＞ＶＡか否か判定
される。ＶＡは、前述のように、例えば空燃比２５に相
当する放電開始電圧である（図８参照）。ＶＳＰ＞ＶＡ
の場合には、着火時における点火栓近傍の混合気が過薄
なためにリーン失火が発生するとして、ステップ９２に
進み補正値ＫＱＲがαだけ減少せしめられる。これによ
って分割率ＱＲが減少し、斯くして圧縮行程燃料噴射量
の比率が増大して、着火時における点火栓近傍の混合気
をリッチ化することができる。この結果リーン失火を防
止し斯くして安定した燃焼を得ることができる。

【００２９】一方、ＶＳＰ＝ＶＡの場合にはステップ９
３に進み、ＶＳＰ＜ＶＢか否か判定される。ＶＢは、前
述のように、例えば空燃比１３に相当する放電開始電圧
である（図８参照）。ＶＳＰ＜ＶＢの場合には、着火時
における点火栓近傍の混合気が過濃なためにリッチ失火
が発生するとして、ステップ９４に進み補正値ＫＱＲが
αだけ増大せしめられる。これによって分割率ＱＲが増
大し、斯くして圧縮行程燃料噴射量の比率が減少して、
着火時における点火栓近傍の混合気をリーン化すること
ができる。この結果リッチ失火を防止し斯くして安定し
た燃焼を得ることができる。

【００３０】なお、本実施例のように放電開始電圧ＶＳ
Ｐの値をそのまま用いて失火判定するのではなく、例え
ばフュエルカット時（混合気が形成されていない時）に
おける放電開始電圧を基準放電開始電圧ＶＳＰ₀ とし、
このＶＳＰ₀ に対するＶＳＰの比に基づいて失火判定す
るようにすることによって、経時変化等の要因を除去し
て、より精度の高い制御を行うことが可能である。

【００３１】また、本実施例では１つの燃料噴射弁によ
って吸気行程噴射および圧縮行程噴射を実行せしめるよ
うにしているが、各気筒の吸気ポートにポート燃料噴射
弁を夫々追加し、吸気行程噴射をこのポート燃料噴射弁
によって実行せしめるようにしてもよい。

【００３２】

【発明の効果】着火時において点火栓周りに着火の良好
な混合気を形成することができ、このため良好な着火を
得ることができ、斯くして安定した燃焼を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の内燃機関の全体図である。

【図２】電子制御ユニットのブロック線図である。

【図３】燃料噴射弁の縦断面図である。

【図４】図１の機関の縦断面図である。

【図５】圧縮行程噴射と吸気行程噴射の制御パターンの
一例を示す線図である。

【図６】燃料噴射時期を示す線図である。

【図７】吸気行程および圧縮行程噴射を実行するときの
動作説明図である。

【図８】着火直前における点火栓近傍の空燃比と点火栓
の放電開始電圧ＶＳＰとの関係を示す線図である。

【図９】吸気行程および圧縮行程燃料噴射量を計算する
ためのフローチャートである。

【図１０】機関回転数ＮｅとＱＡ／Ｎｅとに基づく燃料
噴射量Ｑのマップである。

【図１１】燃料噴射量Ｑに基づく分割率ＱＲのマップで
ある。

【図１２】補正量ＫＱＲを計算するためのフローチャー
トである。

【符号の説明】

５…燃料噴射弁 ６…点火栓

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸気行程において燃料を噴射して機関気
   筒内に予混合気を形成すると共に、圧縮行程において機
   関気筒内に燃料を噴射して点火栓近傍に着火用混合気を
   形成せしめるようにした内燃機関において、前記点火栓
   によって混合気を着火せしめる際に放電を開始する電圧
   を検出する放電開始電圧検出手段を設け、該放電開始電
   圧検出手段によって検出された電圧の増大に応じて、吸
   気行程燃料噴射量に対する圧縮行程燃料噴射量の比を増
   大せしめ、それにより検出された電圧の増大に応じて点
   火栓周りの空燃比を減少させるようにした内燃機関。