JP3843732B2 - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮行程後半において気筒内へ直接的に燃料を噴射することによって着火性の良好な可燃混合気を点火プラグ近傍だけに形成し、気筒内全体としてはリーンな混合気を燃焼可能な成層燃焼を実現する筒内噴射式火花点火内燃機関が公知である。このような筒内噴射式火花点火内燃機関において、各気筒の燃料噴射弁は、蓄圧室内の高圧燃料を噴射するものであり、それにより、圧縮行程後半の高圧となった気筒内へ燃料を噴射することが可能となる。
【０００３】
蓄圧室内の燃料は機関駆動式の高圧ポンプによって昇圧される。それにより、機関始動時においては、高圧ポンプが良好に作動せず、蓄圧室内の燃料は十分に昇圧されない。従って、一般的な筒内噴射式火花点火内燃機関では、機関始動時において、高圧の気筒内への燃料噴射は無理であるとして、成層燃焼ではなく、気筒内圧力が低い吸気行程で燃料を噴射する均質燃焼を実施するようになっている。
【０００４】
ところで、特開２０００−８０９４２号公報には、気筒毎に燃料噴射弁を有する内燃機関において、機関始動時に、気筒全体からの未燃燃料の排出量を低減することを意図して、一部気筒へだけ燃料を噴射する一部気筒運転により機関始動を完了することが開示されている。
【０００５】
このように、機関始動時の排気エミッション悪化を防止するために、機関本体から排出される未燃燃料を低減することは効果的であるが、それと同時に、排気系に設けられている触媒装置を早期暖機して活性化させ、機関始動後の排気エミッション悪化を防止しなければならない。触媒装置の早期暖機のために、点火時期を遅角して排気温度を高めることは一般的であるが、点火時期の遅角は一方で多少の燃焼悪化を引き起こす。
【０００６】
筒内噴射式火花点火内燃機関において、一部気筒運転により始動を開始する場合に、均質燃焼とは言っても、高圧ポンプが作動していない蓄圧室内の低燃料圧力による燃料噴射では、気筒内での燃料霧化状態が悪くなり、良好な燃焼を実現することはできない。従って、燃焼悪化を伴う点火時期の遅角を機関始動開始から実施すると、良好な始動性を確保することができなくなる。
【０００７】
一部気筒運転によって高圧ポンプが作動し始めて蓄圧室内の燃料圧力がある程度高まれば、安定した均質燃焼が可能となるために、一般的には、この時に触媒装置暖機のための点火時期遅角が開始される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうして燃料噴射圧力が高まって安定な燃焼が実現されると言っても一部気筒運転でのことであり、全体的な発生機関出力はそれほど大きくなく、この時に点火時期を遅角して多少なりとも燃焼を悪化させると、発生機関出力の低下に伴って、機関始動完了が大幅に遅れたり、また、一気筒でも失火したりすると機関停止したりする可能性がある。
【０００９】
従って、本発明の目的は、一部気筒運転により始動開始する筒内噴射式火花点火内燃機関において、機関始動完了遅れを防止すると共に早期に触媒装置を暖機することを可能とすることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
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は、一部気筒だけへ燃料を噴射する一部気筒運転により機関始動を開始し、燃焼安定性関連値が点火時期の遅角を可能とする領域内となる時に点火時期の遅角を開始する筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記一部気筒運転中は、前記燃焼安定性関連値が前記領域内となっても全気筒運転へ移行するまでは点火時期を遅角せず、前記一部気筒運転から前記全気筒運転への移行時に前記燃焼安定性関連値が前記領域内となっている場合には、前記全気筒運転への移行後に前記燃焼安定性関連値が前記領域内となる場合に比較して、大幅に点火時期を遅角することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、単位時間又は単位サイクル当たりの点火時期遅角増量を大きくして大幅に点火時期を遅角することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、初回の点火時期遅角量を大きくして大幅に点火時期を遅角することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明による請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１から３のいずれかに記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃焼安定性関連値は、機関回転数、燃料噴射圧力、又は、吸気管負圧であることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の気筒内概略縦断面図であり、図２は図１のピストン平面図である。これらの図において、１は気筒上部略中心に配置された点火プラグであり、２は気筒上部周囲から気筒内へ直接的に燃料を噴射するための燃料噴射弁である。また、３はピストンであり、その頂面には凹状のキャビティ４が形成されている。燃料噴射弁２は、燃料のベーパを防止するために、気筒内において吸気流により比較的低温度となる吸気ポート側に配置されている。
【００１６】
また、燃料噴射弁２は、スリット状の噴孔を有し、燃料を厚さの薄い扇状に噴射するものである。成層燃焼を実施するためには、図１に示すように、圧縮行程後半において燃料をピストン３の頂面に形成されたキャビティ４内へ噴射する。噴射直後の燃料は液状であるが、キャビティ４の底壁４ａに沿って進行して幅方向に拡がる際に底壁４ａの広範囲部分から熱吸収するために気化し易い。こうして気化しつつある燃料は、対向側壁４ｂによって上方向に偏向させられる。
【００１７】
図２に示すように、対向側壁４ｂは、平面視において円弧形状を有している。それにより、キャビティ４の底壁４ａ上を進行して気化しつつある燃料は、対向側壁４ｂの円弧形状によって中央部へ集合し、点火プラグ１近傍において一塊の可燃混合気となる。こうして、この可燃混合気を着火燃焼させることにより成層燃焼が実現可能である。
【００１８】
本筒内噴射式火花点火内燃機関は、このような成層燃焼だけでなく、吸気行程で燃料を噴射することにより、点火時点において気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を着火燃焼させる均質燃焼も実現可能である。このような均質燃焼は、燃料噴射期間が圧縮行程後半に限られる成層燃焼とは異なり、多量の燃料噴射が可能となるために、主には高回転高負荷時に実施される。
【００１９】
図１に示すように、各気筒の燃料噴射弁１は、成層燃焼時において、圧縮行程後半の高圧となった気筒内への燃料噴射を可能とするために、高圧の燃料を蓄える蓄圧室５へ燃料配管５ａを介して接続されている。この蓄圧室５内の燃料の昇圧には、一般的に、機関駆動式の高圧ポンプが使用される。高圧ポンプは、例えば、連続する二気筒の燃料噴射毎に噴射で使用された分の燃料を蓄圧室５へ調量して圧送するか、又は、連続する二気筒の燃料噴射毎に所定量の燃料を蓄圧室５へ圧送し、必要以上の燃料を蓄圧室５に設けられたリリーフ弁（図示せず）によって燃料タンクへ戻すようになっており、いずれにしても、高圧ポンプが良好に作動すれば、蓄圧室５内は設定高燃料圧力近傍に維持される。６は蓄圧室５内の燃料圧力を監視するための圧力センサである。
【００２０】
蓄圧室５内の燃料圧力は、機関運転中において前述のように設定高燃料圧力近傍に維持されるが、機関停止によって高圧ポンプが停止すると、高圧ポンプを介しての燃料漏れ等によって、徐々に低下して、遂には大気圧となる。それにより、本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関は、機関始動開始時において、高圧ポンプと直列に配置された電気駆動式の低圧ポンプによって大気圧から僅かに昇圧された蓄圧室５内の燃料圧力では圧縮行程での燃料噴射は無理であるとして、均質燃焼での機関始動を行うようになっている。
【００２１】
本筒内噴射式火花点火内燃機関は、図３に示すフローチャートに従って機関始動を行う。先ず、ステップ１０１において、一部気筒（例えば、点火順序が連続しない半数の気筒）だけへ吸気行程で燃料を噴射して、これら一部気筒だけで均質燃焼を実施することにより、機関始動を開始する。
【００２２】
一部気筒運転は、非運転気筒で未燃燃料を全く排出することがないために、気筒全体から排出される未燃燃料量を低減することができ、また、全気筒運転への移行時において、一部気筒運転により吸気管内の負圧が高まっているために、これまでの非運転気筒が運転開始する際に、気筒内に導入された負圧が噴射燃料を良好に気化させ、これら気筒における未燃燃料の排出量を低減することができ、こうして、機関始動時の全体的な未燃燃料排出低減に効果的である。
【００２３】
次いで、ステップ１０２においては、機関始動開始からの経過時間ｔが設定時間ｔ’以上となったか否かが判断される。この判断が否定される時には、一部気筒運転を継続する。一方、この判断が肯定される時には、設定時間の一部気筒運転により機関始動は完了したとして、ステップ１０３において、一部気筒運転から全気筒運転へ移行する。この時、設定時間の一部気筒運転では、高圧ポンプは十分に作動せず、蓄圧室５内の燃料圧力はそれほど高められていることはないために、全気筒運転は均質燃焼とすることが好ましい。
【００２４】
次いで、ステップ１０４では、全気筒運転移行時における蓄圧室５内の燃料圧力Ｐを圧力センサ６によって検出し、これが設定圧力Ｐ’以上であるか否かが判断される。この設定圧力Ｐ’は、均質燃焼における吸気行程燃料噴射において、例えば、吸気行程後半のような限られた時間で必要量の燃料を噴射可能とし、また、ある程度の燃料噴射速度を確保可能とするものである。それにより、蓄圧室５内の燃料圧力が設定圧力Ｐ’以上となれば、ピストン位置が燃料噴射弁に近い吸気行程前半に燃料を噴射してピストン頂面に液状燃料が付着し、この付着燃料が十分に気化せずに燃焼に寄与しないこととなったり、燃料噴射速度が遅くて気筒内の吸気と十分に接触せず、燃料霧化が悪くなったりして、均質燃焼が悪化するようなことはなく、安定した均質燃焼が実現可能である。
【００２５】
ステップ１０４における判断が否定される時には、ステップ１０５において再び、蓄圧室５内の燃料圧力Ｐが設定圧力Ｐ’以上となったか否かが判断され、この判断は肯定されるまで繰り返される。全気筒運転を継続して、この判断が肯定されれば、ステップ１０６において、通常の点火時期遅角制御が実施され、排気ガス温度が高められる。点火時期の遅角は、多少の燃焼悪化を伴うが、現在の全気筒運転における均質燃焼は、蓄圧室５内の燃料圧力Ｐが設定圧力Ｐ’以上であるために安定化しており、多少の燃焼悪化によって多少機関出力が低下しても、特に問題はない。
【００２６】
本筒内噴射式火花内燃機関を含めて一般的な内燃機関では、機関排気系に排気ガス中の有害成分を浄化するための触媒装置、例えば、未燃燃料を酸化浄化可能な三元触媒装置が配置されている。機関始動中及び機関始動直後における大気中への未燃燃料の放出量を低減するためには、前述のように一部気筒運転によって気筒全体からの未燃燃料の排出量を低減することが効果的であるが、それと同時に、触媒装置を早期に暖機して活性化することが好ましい。触媒装置が活性化されれば、それ以降は、未燃燃料だけでなく、他の有害物質、例えば、ＣＯ及びＮＯ_X等も同時に浄化することが可能となる。それにより、触媒装置を暖機するために、前述のように、点火時期を遅角して排気行程でも燃焼を持続させることにより、排気ガス温度が高められる。
【００２７】
図４は、このような制御における点火時期遅角量Ａ、機関回転数Ｎ、及び蓄圧室内の燃料圧力Ｐのタイムチャートである。これまで説明した制御は点線で示されている。すなわち、一部気筒運転を設定時間実施した時に全気筒運転へ移行し、その後、燃料圧力が設定圧力Ｐ’となった時に点火時期の遅角を開始する。この点火時期の遅角開始時点において、燃料圧力は設定圧力となった直ぐであり、全気筒運転の均質燃焼はやっと安定したところであり、大きな機関出力の低下は、機関停止等の可能性があるために好ましくない。それにより、点火時期遅角量は、燃料圧力の上昇に伴って燃焼がさらに安定化するほど大きくなるように、徐々に増大させるようになっている。
【００２８】
これに対して、ステップ１０４における判断が肯定される時、すなわち、全気筒運転移行時の蓄圧室内の燃料圧力Ｐが設定圧力Ｐ’以上である場合には、ステップ１０７において、大幅な点火時期遅角制御が実施される。この場合の制御は、図４において実線で示されている。すなわち、一部気筒運転を設定時間実施した時に全気筒運転へ移行し、この時に、既に燃料圧力Ｐが設定圧力Ｐ’以上である時には直ちに点火時期の遅角を開始するが、この場合の全気筒運転は、移行時から高い燃料圧力に伴って非常に安定した均質燃焼が実施されるために、比較的大きく機関出力を低下させても特に問題はなく、初回の点火時期遅角量を大きくし、その後に点火時期遅角量を徐々に増大するようになっている。こうして、前述の通常の点火時期遅角制御に比較して、早期に所望点火時期遅角量Ａ１での運転が実現され、排気系の触媒装置を早期に暖機して活性化することが可能となる。
【００２９】
この大幅な点火時期遅角制御は、図４に一点鎖線で示すように、単位時間（又は単位サイクル）当たりの点火時期遅角増量を通常の点火時期遅角制御に比較して大きくして、所望点火時期遅角量Ａ１を早期に実現するようにしても良い。
【００３０】
前述したように、蓄圧室５内の燃料圧力Ｐが設定圧力Ｐ’以上となれば、安定した均質燃焼を実現することができる。しかしながら、図４に実線で示すように、一部気筒運転中に燃料圧力Ｐが設定圧力Ｐ’以上となった場合に、点火時期の遅角を開始すると、一部気筒運転のために、各気筒における出力低下により、全体的な発生機関出力が機関始動時の要求出力を容易に下回って機関始動完了が大幅に遅れたり、また、一気筒でも失火したりすると、機関停止したりすることがある。
【００３１】
図３に示すフローチャートでは、一部気筒運転から全気筒運転へ移行した時に初めて蓄圧室５内の燃料圧力Ｐが設定圧力Ｐ’以上であるか否かを判断しており、すなわち、全気筒運転への移行以前には、燃料圧力Ｐが高まっても点火時期の遅角を実施しないようになっている。それにより、機関始動を早期に完了することができる。
【００３２】
前述のフローチャートでは、設定時間の一部気筒運転により全気筒運転へ移行するようにしたが、これは、本発明を限定するものではなく、例えば、図４に点線で示すように機関回転数Ｎが設定回転数Ｎ’となった時に、又は、機関回転数Ｎの上昇がほぼ停止した時にこれ以上一部気筒運転を実施しても意味が無いとして、又は、吸気管負圧が設定値となった時に、全気筒運転へ移行しても良い。
【００３３】
また、前述のフローチャートでは、燃焼安定性関連値として、蓄圧室内の燃料圧力、すなわち、燃料噴射圧力を使用し、設定圧力以上が点火時期の遅角を可能とする領域としたが、機関回転数が高まれば、燃焼が安定しているとして点火時期の遅角が可能であり、機関回転数を燃焼安定性関連値として使用しても良い。また、吸気管内負圧が高まれば、気筒内へ導入されて噴射燃料を気化させ易くするために、良好な均質混合気を形成して燃焼を安定させることができ、吸気管負圧を燃焼安定性関連値として使用しても良い。
【００３４】
前述のフローチャートにおいて、全気筒運転は均質燃焼として説明したが、これは本発明を限定するものではなく、一部気筒運転を多少長く実施する等して、全気筒運転移行時における蓄圧室内の燃料圧力をさらに高めて、全気筒運転を成層燃焼としても良い。
【００３５】
成層燃焼は、前述したように、点火プラグ近傍に可燃混合気を形成するものであるために、点火時期を大幅に遅角しても確実な着火燃焼が可能である。それにより、均質燃焼に比較して大幅な点火時期の遅角が可能となり、触媒装置の早期暖機に有利である。成層燃焼における可燃混合気の形成には、燃料噴射弁から噴射される燃料の慣性力が利用されるために、燃料噴射圧力が高まるほど、可燃混合気が点火プラグ近傍に良好に形成されるようになり、大幅な点火時期の遅角に対しても良好な成層燃焼が可能となる。それにより、全気筒運転を成層燃焼としても、全気筒運転移行時における蓄圧室内の燃料圧力に応じて、前述のフローチャートで説明と同様に、点火時期遅角量を異なって制御することが好ましい。本明細書中の点火時期の遅角は、ＭＢＴからの遅角を意味しており、すなわちＭＢＴを基準としている。
【００３６】
【発明の効果】
このように、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関は、一部気筒だけへ燃料を噴射する一部気筒運転により機関始動を開始し、燃焼安定性関連値が点火時期の遅角を可能とする領域内となる時に点火時期の遅角を開始する筒内噴射式火花点火内燃機関において、一部気筒運転中は、燃焼安定性関連値がこの領域内となっても全気筒運転へ移行するまでは点火時期を遅角しないようになっている。それにより、一部気筒運転中に点火時期が遅角されて、各気筒における出力低下により、全体的な発生機関出力が機関始動時の要求出力を容易に下回って機関始動完了が大幅に遅れることを防止することができると共に、全気筒運転における点火時期の遅角によって早期に触媒装置を暖機することができる。また、一部気筒運転から全気筒運転への移行時に燃焼安定性関連値が前述の領域内となっている場合には、全気筒運転への移行後に燃焼安定性関連値が前述の領域内となる場合に比較して、大幅に点火時期を遅角するようになっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の概略気筒内縦断面図である。
【図２】図１の筒内噴射式火花点火内燃機関のピストン頂面図である。
【図３】機関始動時の制御を示すフローチャートである。
【図４】機関始動時の制御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…燃料噴射弁
３…ピストン
４…キャビティ
５…蓄圧室

Claims (4)

1. 一部気筒だけへ燃料を噴射する一部気筒運転により機関始動を開始し、燃焼安定性関連値が点火時期の遅角を可能とする領域内となる時に点火時期の遅角を開始する筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記一部気筒運転中は、前記燃焼安定性関連値が前記領域内となっても全気筒運転へ移行するまで点火時期を遅角せず、前記一部気筒運転から前記全気筒運転への移行時に前記燃焼安定性関連値が前記領域内となっている場合には、前記全気筒運転への移行後に前記燃焼安定性関連値が前記領域内となる場合に比較して、大幅に点火時期を遅角することを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
2. 単位時間又は単位サイクル当たりの点火時期遅角増量を大きくして大幅に点火時期を遅角することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
3. 初回の点火時期遅角量を大きくして大幅に点火時期を遅角することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
4. 前記燃焼安定性関連値は、機関回転数、燃料噴射圧力、又は、吸気管負圧であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。

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