JP3843501B2 - 筒内噴射型エンジンの燃料噴射時期制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室に対して点火プラグおよび燃料噴射弁を臨設した筒内噴射型エンジンにおいて、上記燃料噴射弁からの燃料噴射時期の制御を行う筒内噴射型エンジンの燃料噴射時期制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、点火プラグにより点火が行われる火花点火式エンジン（ガソリンエンジン）において、燃料を燃焼室に直接噴射するように先端を燃焼室に臨ませたインジェクタを設け、少なくともエンジンの低速低負荷域で圧縮行程後期に上記インジェクタから燃料を噴射させることにより、成層燃焼（混合気が点火プラグ回りに偏在する状態での燃焼）を行わせて燃費改善を図るようにした筒内噴射型エンジンは知られている。
【０００３】
この種のエンジンでは、インジェクタからの燃料噴射時期を圧縮行程と吸気行程とに変更可能として、圧縮行程噴射が行われた場合は成層燃焼、吸気行程噴射が行われた場合は均一燃焼（燃焼室内に混合気を均一に分散させた状態での燃焼）となるようにし、運転状態に応じて圧縮行程噴射と吸気行程噴射とが使い分けられるようにすることも考えられている。
【０００４】
とくにエンジン始動時の制御としては、例えば特開昭６０−５６１４６号公報に示されるように、クランキング中には圧縮行程噴射を行い、クランキング後は吸気行程噴射を行うようにした装置が提案されている。この装置は、クランキング中は成層化によって点火プラグまわりがリッチの状態で点火を行わせようとし、またクランキング後は点火プラグまわりの混合気が過剰になることを避けてくすぶりを防止しようとするものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に示される従来装置のようにクランキング中に圧縮行程噴射を行うと、クランキング中はエンジン回転数がきわめて低く、かつ不安定に変動するため、噴射タイミングを精度良く制御することが困難であって、噴射タイミングのずれにより噴射燃料が点火時期に点火プラグまわりに達していなかったり点火プラグを通り過ぎてしまっていたりすることで着火不良を招き、始動性を悪化させるとともに、ＨＣ等の未燃ガスの排出量が増大するといった問題がある。
【０００６】
一方、クランキング後にエンジン回転数が立上がってからアイドル回転数に移行するときに、上記従来装置のように吸気行程噴射を行うと、シリンダ壁面への燃料の付着が多くなるため、実質的に燃焼に寄与する燃料が少なくなってエンジン回転数の立上りにもたつきが生じる。また、このようなもたつきを抑制するためにクランキング後に燃料の増量を行うと、ＨＣ等の未燃ガスの排出量の増加を招くといった不都合がある。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑み、エンジンのクランキング中の着火、燃焼性を向上するとともに、クランキング後のエンジン回転数の立上がりおよびアイドル状態への移行をスムーズに行わせることができる筒内噴射型エンジンの燃料噴射時期制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、燃焼室に対して点火プラグおよび燃料噴射弁を臨設し、この燃料噴射弁から燃料を燃焼室内に直接噴射するようにした筒内噴射型エンジンにおいて、吸気行程中に燃料を噴射する吸気行程噴射と圧縮行程中に燃料を噴射する圧縮行程噴射とにわたって噴射時期を変更可能とする噴射時期調節手段と、エンジン始動時においてクランキング開始からエンジン回転数が立ち上がるまでの期間を吸気行程噴射とし、その後に圧縮行程噴射に切換えるように、上記噴射時期調節手段を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、上記圧縮行程噴射への切換後のアイドル状態において排気通路中の触媒装置の温度が低い低温状態のときには、再び吸気行程噴射に切換えるように噴射時期調節手段を制御するものである。
【０００９】
この構成によると、クランキング開始からエンジン回転数が立ち上がるまでの期間には、吸気行程噴射によって均一燃焼が行われることにより、エンジン回転数が極めて低くて不安定に変動する状況下でも噴射タイミングのずれによって着火性、燃焼性の悪化を招くことがなく、燃焼が良好に行われる。また、エンジン回転数の立ち上がり後は、圧縮行程噴射によって成層燃焼が行われることにより、シリンダ壁面への燃料付着が抑制され、有効に噴射燃料が燃焼に寄与して、エンジン回転数の立上りおよびアイドル状態への移行がスムーズに行われる。また、クランキング開始からエンジン回転数の立上がりまでの期間における吸気行程噴射と、エンジン回転数の立上がりからアイドル状態への移行完了までの期間における圧縮行程噴射を経た後、上記低温状態にあれば吸気行程噴射が行われることによって排気温度が上昇し、上記触媒装置の暖機が促進される。
【００１０】
この燃料噴射時期制御装置において、上記制御手段は、噴射時期調節手段を制御することによる吸気行程噴射から圧縮行程噴射への切換えを、エンジン回転数がクランキング回転数以上で、かつアイドル回転数よりも低い設定回転数を越えたときに行うようにすればよい。
【００１３】
上記燃料噴射弁と点火プラグとが、燃料噴射弁からの噴霧エリア内に点火プラグが介在するように配置されていると、圧縮行程噴射時に、シリンダ壁面への燃料付着が抑制されつつ成層燃焼が行われる。そして、とくにこのような構造の筒内噴射型エンジンでは、圧縮行程噴射時には点火プラグからの噴射燃料が点火プラグ付近を通る時期と点火時期との対応させるべく燃料噴射タイミングを制御する必要があって、エンジン回転数が低くて不安定なクランキング中にこのような制御を精度良く行うことは困難であるが、本発明ではエンジン回転数の立上がりまでは吸気行程噴射が行われることで、噴射タイミングの制御が容易になる。
【００１４】
また、上記燃料噴射弁に燃料を供給する燃料ポンプがエンジン出力軸で駆動されるものであると、上記の燃料噴射時期装置によってクランキング後のエンジン回転数の立上りがスムーズになることから、燃料ポンプにより供給される燃料の燃圧もスムーズに上昇する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の燃料噴射時期制御装置が適用される筒内噴射型エンジンの一例を示す断面図、図２は同エンジンの平面視の概略図である。これらの図において、１はシリンダブロック２上に設置されたシリンダヘッド、３はシリンダブロック２のシリンダボア４内に配置されたピストンであり、ピストン３の上面とシリンダヘッド１の下面との間に燃焼室５が形成されており、この部分におけるシリンダヘッド１の下面側には燃焼室５の天井部を構成する凹陥部が設けられている。
【００１６】
上記シリンダヘッド１には燃焼室５に開口する吸気ポートおよび排気ポートが形成され、当実施形態では気筒毎に２個の吸気ポート６，７と２個の排気ポート８，９とが形成されている。各吸気ポート６，７にはそれぞれ吸気弁１０が装備され、各排気ポート８，９にはそれぞれ排気弁１１が装備されている。
【００１７】
さらに、燃焼室５内に直接燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）１２と、点火プラグ１３とがシリンダヘッド１に取り付けられており、上記インジェクタ１２の先端部は燃焼室５の略周縁部に配置され、点火プラグ１３の先端は燃焼室５の天井部の略中央に配置されている。
【００１８】
上記インジェクタ１２は、燃焼室５の一側方において吸気ポート６，７が配設された部分の下方でシリンダヘッド１に取り付けられ、インジェクタ１２からの噴射方向は斜め下方を向いており、インジェクタ配置部分に対向する燃焼室周縁付近のピストン３上面側に向かう方向に燃料が噴射されるようになっている。上記ピストン３の上面には、その略中央部からインジェクタ１２に対向する側（排気側）の燃焼室周縁部付近にまで亘って、リセス１４が形成されている。また、点火プラグ１３は、インジェクタ１２からの噴霧エリア内に介在するように配置されている。
【００１９】
このようにインジェクタ１２及び点火プラグ１３を配置にすれば、圧縮行程噴射時に、シリンダ壁面への燃料付着が抑制されつつ成層燃焼が行われ、燃焼効率向上に有利となる。
【００２０】
なお、上記インジェクタ１２は、少なくとも圧縮行程噴射が行われるときに噴霧角が３０°以下となるような狭角インジェクタからなり、好ましくは、噴霧にスワールを生じさせるような噴射口形状となっている高圧スワールインジェクタにより構成されている。
【００２１】
上記インジェクタ１２には燃料ポンプ１５から高圧の燃料が供給されるようになっており、この燃料ポンプ１５は伝動手段を介してエンジン出力軸に連結されている。
【００２２】
また、上記両吸気ポート６，７には、これらに対応する吸気通路１６，１７を備えた吸気マニホールド１８が接続されており、吸気通路１７にはスワール調節弁１９が設けられている。一方、排気ポート８，９は図外の排気マニホールドに接続され、排気マニホールドの下流の排気通路には、排気ガス浄化のための触媒装置（図示せず）が設けられている。
【００２３】
図３はインジェクタ１２からの燃料噴射時期等を制御する制御系統を示している。この図において、制御系統は、マイクロコンピュータ等から成るエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）２１を備え、この制御ユニット２１には、燃料噴射時期を調節する噴射時期調節手段２２と、これを制御する制御手段２３とが含まれている。噴射時期調節手段２２は、吸気行程中に燃料を噴射する吸気行程噴射と、圧縮行程の後期に燃料を噴射する圧縮行程噴射とにわたって燃料噴射時期を変更し得るようになっている。
【００２４】
また、上記制御手段２３は、スタータの作動を検出するスタータスイッチ２５およびエンジン回転数を検出する回転数センサ２６等からの信号に応じ、エンジン始動時に、クランキング開始からエンジン回転数が設定回転数を越えて立ち上がるまでの期間は吸気行程噴射とし、その後に圧縮行程噴射に切換えるように、上記噴射時期調節手段２２を制御する。上記設定回転数はクランキング回転数以上で、かつアイドル回転数よりも低い値、例えば３００ｒｐｍとされる。
【００２５】
さらに制御手段２３は、エンジン始動時の吸気行程噴射から圧縮行程噴射への切換を行ったときからカウンタ２４で設定した所定時間が経過した後のアイドル状態において排気通路中の触媒装置の温度が低い低温状態のときには、再び吸気行程噴射に切換えるようになっている。
【００２６】
なお、始動、暖機後の通常運転中の制御としては、低，中速域における低，中負荷の運転領域では成層燃焼による燃費性能向上等のため圧縮行程噴射とし、高負荷域および高回転域では均一燃焼を行わせるべく吸気行程噴射とすればよい。
【００２７】
上記制御ユニット２１によって行われる始動時の燃料噴射時期の制御を、図４のフローチャートによって具体的に説明する。
【００２８】
このフローチャートの制御がスタートすると、先ずスタータスイッチ２５がＯＮか否かが判定され（ステップＳ１）、スタータスイッチ２５がＯＮのクランキング中は、立上りカウンタＣの初期値が決定される（ステップＳ２）とともに、吸気行程噴射が行われる（ステップＳ３）。なお、上記立上りカウンタＣは、後に行われるエンジン回転数立上がり後の圧縮行程噴射の期間を定めるものであり、その初期値は一定値であってもよいが、エンジン水温に応じ、水温が低いほど大きな値としておいてもよい。
【００２９】
ステップＳ１の判定がＮＯとなったときは、続いてエンジン回転数Ｎｅが３００ｒｐｍ以上か否かが判定され（ステップＳ４）、その判定がＮＯのときにはスタータスイッチＯＮのときと同様にステップＳ２を経てステップＳ３へ移り、吸気行程噴射が行われる。
【００３０】
ステップＳ１の判定がＮＯで、かつステップＳ４の判定がＹＥＳのとき、つまりスタータ作動後にエンジン回転数Ｎｅが３００ｒｐｍ以上に立上がったときには、上記立上りカウンタＣが０となったか否かが判定され（ステップＳ５）、その判定がＮＯのときは、上記カウンタＣがディクリメントされる（ステップＳ６）とともに、圧縮行程噴射が行われる（ステップＳ７）。そして、上記立上りカウンタＣが０となるまで、ステップＳ６，Ｓ７の処理が繰り返される。
【００３１】
ステップＳ５の判定がＹＥＳ（上記立上りカウンタＣが０）となったとき、つまりエンジン回転数Ｎｅが３００ｒｐｍ以上となってからカウンタＣで設定された時間が経過したときは、排気温度ＴＥが設定値α以下か否かが判定される（ステップＳ８）。そして、このステップＳ８の判定がＹＥＳのときは、ステップＳ３に移ることにより、再び吸気行程噴射に切換えられる。一方、ステップＳ８の判定がＮＯのとき（排気温度ＴＥが設定値αより高いとき）は、通常運転時の噴射時期制御に移行し（ステップＳ９）、例えばアイドル状態であれば圧縮行程噴射とされる。
【００３２】
以上のような当実施形態の装置による作用を、次に説明する。
【００３３】
エンジン始動時において、クランキング中は、エンジン回転数Ｎｅが２５０ｒｐｍ程度の極低回転で、かつ不安定に変動するため、圧縮行程噴射を行うと噴射燃料が点火プラグ１３付近を通る時期と点火時期とが正しく対応するように噴射タイミングを調整することが困難であって、着火性を確保することが難しい。このため、クランキング開始からエンジン回転数が立ち上がり始めるまでの期間は、吸気行程噴射とされることにより、燃料が燃焼室５内に均一に分散されて、噴射タイミングの調整が厳密に行われなくても着火性が確保される。
【００３４】
エンジンが完爆状態に至ってエンジン回転数Ｎｅが立ち上がり始めることにより３００ｒｐｍ以上となったときは、圧縮行程噴射が行われることにより、アイドル状態への移行がスムーズに行われる。すなわち、エンジン回転数Ｎｅがある程度高くなると、圧縮行程噴射でも点火プラグ１３付近に噴射燃料が多く存在する時期に点火が行われるように燃料噴射タイミングを調整することが容易に可能となり、圧縮行程噴射で成層燃焼が行われることにより、シリンダ壁面への燃料付着が抑制され、有効に噴射燃料が燃焼に寄与して、燃焼効率が高められる。このため、エンジン回転数の立上りおよびアイドル状態への移行がスムーズに行われる。
【００３５】
そして、少なくともエンジン回転数が立ち上がってからアイドル回転数で安定する状態に至るまでの時間（カウンタＣの設定時間）は圧縮行程噴射が行われる。この場合、エンジン温度が低い程、エンジン回転数が安定するまでの時間が長くなることから、カウンタＣの設定時間が長くされる。
【００３６】
また、上記設定時間の経過後は、排気温度ＴＥが高い場合、通常の制御としてアイドル状態等であれば圧縮行程噴射が持続されるが、排気温度ＴＥが設定値α以下であって、排気通路の触媒装置が活性化していないような状況にある場合、再び吸気行程噴射に切換えられる。これにより、排気温度ＴＥの上昇とそれによる上記触媒装置の暖機が促進される。すなわち、圧縮行程噴射で成層燃焼が行われると、燃焼効率は高められるが、空気が過剰なリーン状態にあるため、排気温度ＴＥが上昇しにくくなり、これに対し、吸気行程噴射によると、圧縮行程噴射より燃焼効率は悪いがその分だけ排気温度は上昇し易くなり、触媒装置の暖機が促進されることとなる。
【００３７】
従って、当実施形態の装置によると、図５のデータに示すように、始動性及び冷間始動時における排気温度上昇促進作用が高められる。これを、クランキングからクランキング後にまでわたって吸気行程噴射とした場合のデータ（図６）、及びクランキング後圧縮行程噴射に切換えて設定時間後に排気温度が低いときにも圧縮行程噴射を持続するようにした場合のデータ（図７）と比較しつつ説明する。
【００３８】
クランキングからクランキング後にまでわたって吸気行程噴射とした場合、図６のように、エンジン回転数Ｎｅが立ち上がり始めてからも、シリンダ壁面への燃料付着により燃焼安定性が阻害されるため、エンジン回転数Ｎｅがスムーズにアイドル回転数に移行せずにもたつきが生じる。しかも、このエンジン回転数Ｎｅのもたつきが生じている間は、エンジン出力軸で駆動される燃料ポンプ１５により与えられる燃圧Ｐｆの上昇にももたつきが生じるため、燃料噴射量の制御の精度も良くなく、燃焼安定性がより一層阻害され易くなる。また、このようにシリンダ壁面への燃料付着が生じ易く、燃焼効率も良くないことから、ＨＣ排出量が増加し易い。
【００３９】
これに対し、エンジン回転数Ｎｅが立ち上がり始めた時点から圧縮行程噴射に切換えると、シリンダ壁面への燃料付着が防止されるとともに燃焼効率が高められることにより、図５及び図７に示すように、エンジン回転数Ｎｅの立ち上がり及びアイドル回転数への移行がスムーズに行われ、燃圧Ｐｆもスムーズに適正圧力まで上昇して、燃料噴射量の制御が良好に行われる。また、シリンダ壁面への燃料付着が抑制され、かつ燃料が効率良く燃焼するので、ＨＣ排出量が低減される。
【００４０】
また、冷間始動時においてこのようにエンジン回転数Ｎｅが立ち上がり始めた時点から圧縮行程噴射が行われると、排気温度ＴＥが上昇しにくく、図７のように圧縮行程噴射が持続すると触媒装置の活性化に必要な温度にまで排気温度ＴＥが上昇しない状態が長く続いて排気ガス浄化の面で不利となるが、当実施形態では、設定時間経過時点で排気温度ＴＥが設定値α以下のときは吸気行程噴射に切換えられるため、図５中に示すように、排気温度ＴＥが上昇して触媒装置が活性化されることとなる。
【００４１】
なお、上記実施形態では吸気行程噴射から圧縮行程噴射に切換える設定回転数を３００ｒｐｍとしているが、上記設定回転数はエンジン回転数の立上りを確実に判定できるようにクランキング回転数以上で、かつアイドル回転数よりも低い値であればよい。また、上記実施形態では排気温度ＴＥが設定値α以下か否かにより触媒装置の温度が活性化温度と比べて低いか否かを調べているが、それに代えて、例えば触媒装置の温度を直接検出するようにしてもよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように本発明は、筒内噴射型エンジンにおいて、エンジン始動時にクランキング開始からエンジン回転数が立ち上がるまでの期間を吸気行程噴射とし、その後に圧縮行程噴射に切換えるようにしているため、クランキング開始からエンジン回転数が立ち上がるまでの期間には均一燃焼により着火性を確保し、エンジン回転数の立ち上がり後は成層燃焼によりシリンダ壁面への燃料付着を抑制するとともに燃焼効率を高めて、エンジン回転数の立上りおよびアイドル状態への移行をスムーズに行わせることができ、こうして始動性を大幅に向上することができる。
【００４３】
また、この装置において、上記圧縮行程噴射への切換後のアイドル状態において排気通路中の触媒装置の温度が低い低温状態のとき、再び吸気行程噴射に切換えるように噴射時期調節手段を制御すると、冷間始動時の触媒装置の暖機の促進も良好に行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による燃料噴射時期制御装置が適用される筒内噴射型エンジンの断面図である。
【図２】燃焼室およびその付近の概略平面図である。
【図３】制御系統のブロック図である。
【図４】燃料噴射時期制御のフローチャートである。
【図５】エンジン始動からアイドル状態へ移行する間のエンジン回転数、燃圧及び排気温度の変化を、本発明の実施形態による場合について示す図である。
【図６】エンジン始動からアイドル状態へ移行する間のエンジン回転数、燃圧及び排気温度の変化を、クランキングからクランキング後にまでわたって吸気行程噴射とした場合について示す図である。
【図７】エンジン始動からアイドル状態へ移行する間のエンジン回転数、燃圧及び排気温度の変化を、クランキング後圧縮行程噴射に切換えて設定時間後に排気温度が低いときにも圧縮行程噴射を持続するようにした場合について示す図である。
【符号の説明】
５ 燃焼室
１２ インジェクタ
１３ 点火プラグ
１５ 燃料ポンプ
２１ 制御ユニット
２２ 噴射時期調節手段
２３ 制御手段

Claims (4)

1. 燃焼室に対して点火プラグおよび燃料噴射弁を臨設し、この燃料噴射弁から燃料を燃焼室内に直接噴射するようにした筒内噴射型エンジンにおいて、吸気行程中に燃料を噴射する吸気行程噴射と圧縮行程中に燃料を噴射する圧縮行程噴射とにわたって噴射時期を変更可能とする噴射時期調節手段と、エンジン始動時においてクランキング開始からエンジン回転数が立ち上がるまでの期間を吸気行程噴射とし、その後に圧縮行程噴射に切換えるように、上記噴射時期調節手段を制御する制御手段とを備え、この制御手段は、上記圧縮行程噴射への切換後のアイドル状態において排気通路中の触媒装置の温度が低い低温状態のときには、再び吸気行程噴射に切換えるように噴射時期調節手段を制御することを特徴とする燃料噴射時期制御装置。
2. 上記制御手段は、噴射時期調節手段を制御することによる吸気行程噴射から圧縮行程噴射への切換えを、エンジン回転数がクランキング回転数以上で、かつアイドル回転数よりも低い設定回転数を越えたときに行うことを特徴とする請求項１記載の筒内噴射型エンジンの燃料噴射時期制御装置。
3. 上記燃料噴射弁と点火プラグとを、燃料噴射弁からの噴霧エリア内に点火プラグが介在するように配置したことを特徴とする請求項１または２記載の燃料噴射時期制御装置。
4. 上記燃料噴射弁に燃料を供給する燃料ポンプがエンジン出力軸で駆動されるものであることを特徴する請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料噴射時期制御装置。

Images