JP3952110B2

JP3952110B2 - 筒内噴射型火花点火式内燃機関

Info

Publication number: JP3952110B2
Application number: JP01715799A
Authority: JP
Inventors: 一親田島
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1999-01-26
Filing date: 1999-01-26
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2019-01-26
Also published as: JP2000213392A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射型火花点火式内燃機関に係り、詳しくは、燃料噴射時期と点火時期との最適化を図る技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
近年、より一層の燃費向上を図るため、例えば、特開平８−２６０９８６号公報に開示されるように、燃焼室内に直接燃料を噴射し、機関負荷状態に応じて層状燃焼（圧縮行程噴射）と均一燃焼（吸気行程噴射）とを切り換える筒内噴射型火花点火式内燃機関が実用化されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記公報に開示の筒内噴射型内燃機関では、使用燃料の性状を何ら考慮しておらず、指定燃料に対応して一義的に設定されたエンジン制御パラメータ値に基づきエンジン制御が行われるので、例えば、指定燃料よりもオクタン価の高い燃料が使用された場合、ノッキングが起こり難いにも拘わらず上記指定燃料で設定されたエンジン制御パラメータ値に基づきエンジン制御が実施されることになり、均一燃焼時において燃料性状に応じた十分な出力トルクが得られず、層状燃焼時においては燃費向上が図れないという問題がある。
【０００４】
この点に関し、吸気管噴射型内燃機関では、オクタン価に応じてエンジン制御パラメータ値である点火時期の設定を変更する技術が特開平８−４２４３４号公報により公知である。
しかしながら、筒内噴射型火花点火式内燃機関は、当該吸気管噴射型内燃機関と基本構成や燃焼形態が全く異なり、エンジン制御パラメータも多いため、単に上記公報の技術を筒内噴射型内燃機関に適用しただけでは燃料性状に対応した十分な出力トルクや燃費の向上を図ることはできない。
【０００５】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃料性状に応じて出力トルクと燃費の最適化を図った筒内噴射型火花点火式内燃機関を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１の発明では、噴射時期制御手段が噴射時期を少なくとも吸気行程で制御するとき、補正手段により、燃料性状検知手段によって検出または推定された使用燃料のオクタン価に応じて噴射時期及び点火時期を直接に補正するようにしている。特に、低温時にはオクタン価に応じてスモークが最少となるよう噴射時期及び点火時期を補正するようにしている。
また、請求項２の発明では、補正手段により、中高温時にはオクタン価に応じて出力トルクが最大となるよう噴射時期及び点火時期を補正するようにしている。
従って、暖機後の均一燃焼時には、オクタン価に応じてノッキングの発生し始める噴射時期及び点火時期が異なり、例えば、高オクタン価の場合の方が低オクタン価の場合よりもノッキングの発生し始める噴射時期、点火時期が進角側にあるのであるが、この場合において、噴射時期及び点火時期をともに補正することで、オクタン価、即ち燃料性状に応じた、スモークが最小となり出力トルクが良好となる最適な噴射時期及び点火時期を設定可能とされる。
【０００８】
さらに、冷態始動時の均一燃焼時において、噴射時期及び点火時期をともに補正することで、オクタン価、即ち燃料性状に応じた、スモークの発生量が最小となる最適な噴射時期及び点火時期を設定可能とされる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。
図１を参照すると、車両に搭載された本発明の筒内噴射型火花点火式内燃機関の概略構成図が示されており、以下同図に基づいて本発明の筒内噴射型火花点火式内燃機関の構成を説明する。
【００１０】
機関本体（以下、単にエンジンという）１は、例えば、燃料噴射モード（運転モード）を切換えることで均一燃焼を行う吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）または層状燃焼を行う圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）を実施可能な筒内噴射型火花点火式直列４気筒ガソリンエンジンとされている。そして、この筒内噴射型のエンジン１は、容易にして理論空燃比（ストイキオ）での運転やリッチ空燃比での運転（リッチ空燃比運転）の他、リーン空燃比での運転（リーン空燃比運転）が実現可能とされており、特に圧縮行程噴射モードでは、超リーン空燃比での運転が可能とされている。
【００１１】
同図に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ（点火栓）４とともに電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃焼室８内に燃料を直接噴射可能とされている。
燃料噴射弁６には、燃料パイプを介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（共に図示せず）が接続されている。より詳しくは、燃料供給装置には、低圧燃料ポンプと高圧燃料ポンプとが設けられており、これにより、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６に対し低燃圧或いは高燃圧で供給し、該燃料を燃料噴射弁６から燃焼室内に向けて所望の燃圧で噴射可能とされている。この際、燃料噴射量は高圧燃料ポンプの燃料吐出圧と燃料噴射弁６の開弁時間、即ち燃料噴射時間とから決定される。
【００１２】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。そして、吸気マニホールド１０の他端にはスロットル弁１１が接続されており、該スロットル弁１１にはスロットル開度θthを検出するスロットルセンサ１１ａが設けられている。
【００１３】
また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１２の一端がそれぞれ接続されている。
図中符号２０は、クランク角を検出するクランク角センサであり、該クランク角センサ２０はエンジン回転速度Ｎeを検出可能とされている。また、符号２２は、エンジン１の冷却水温、即ちエンジン温度を検出する水温センサである。さらに、符号２４は、エンジン１の異常振動を検知することによりノッキングを検出するノックセンサであり、該ノックセンサ２４の検出情報に基づいて燃料性状（オクタン価）が判別される（燃料性状検知手段）。
【００１４】
なお、当該筒内噴射型のエンジン１は既に公知のものであり、その構成の詳細についてはここでは説明を省略する。
排気マニホールド１２には、排気管１４が接続されており、この排気管１４には排気浄化触媒装置（三元触媒等）３０を介してマフラー（図示せず）が接続されている。
【００１５】
そして、排気マニホールド１２には、Ｏ₂センサ２６が設けられている。Ｏ₂センサ２６は、排気中のＮＯxの濃度に相関する値としての酸素量を検出するものであって、これにより実際の空燃比（実Ａ／Ｆ）を良好に検出可能となっている。
さらに、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子コントロールユニット）４０が設置されており、このＥＣＵ４０により、エンジン１を含めた本発明に係る内燃機関の総合的な制御が行われる。ＥＣＵ４０の入力側には、上述したスロットルセンサ１１ａ、クランク角センサ２０、水温センサ２２、ノックセンサ２４、Ｏ₂センサ２６等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。
【００１６】
一方、ＥＣＵ４０の出力側には、点火コイルを介して上述した点火プラグ４や燃料噴射弁６等が接続されており、これら点火コイル、燃料噴射弁６等には、各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量や燃料噴射時期、点火時期等の最適値がそれぞれ出力される。これにより、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ４によって適正なタイミングで点火が実施される。
【００１７】
実際には、ＥＣＵ４０では、スロットルセンサ１１ａからのスロットル開度情報θthとクランク角センサ２０からのエンジン回転速度情報Ｎeとに基づいてエンジン負荷に対応する目標平均有効圧Ｐeを求めるようにされている。そして、当該目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度情報Ｎeとに応じて燃料噴射モード設定マップ（図示せず）より燃料噴射モードを設定するようにされている。例えば、目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度Ｎeとが共に小さいときには、燃料噴射モードは圧縮行程噴射モード（圧縮リーンモード）とされ、燃料は圧縮行程で噴射され、一方、目標平均有効圧Ｐeが大きくなり或いはエンジン回転速度Ｎeが大きくなると燃料噴射モードは吸気行程噴射モードとされ、燃料は吸気行程で噴射される。吸気行程噴射モードには、リーン空燃比とされる吸気リーンモード、実Ａ／Ｆを理論空燃比（ストイキオ）となるようフィードバック制御するストイキオフィードバックモード（Ｓ−Ｆ／Ｂモード）、及び、リッチ空燃比とされるオープンループモード（Ｏ／Ｌモード）がある。
【００１８】
そして、目標平均有効圧Ｐe或いは体積効率Ｅvとエンジン回転速度Ｎeとから制御目標となる目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、上記適正量の燃料噴射量は該目標Ａ／Ｆに基づいて決定される。また、目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度Ｎeとが設定されると、これに応じて燃料の噴射時期Ｔinjや点火時期ＴIGも設定される（点火時期制御手段、噴射時期制御手段）。詳しくは、噴射時期Ｔinjに関しては、先ず燃料の噴射終了時期Ｔeinjが設定され、該噴射終了時期Ｔeinjに基づいて、燃料噴射量とこれに必要な燃料噴射時間とから噴射時期Ｔinj、即ち燃料の噴射開始時期が設定される。
【００１９】
ところで、これら噴射終了時期Ｔeinj、即ち噴射時期Ｔinjと点火時期ＴIGとは、燃料噴射モードが吸気行程噴射モードであるときには、車両の加速不良を防止するために出力トルクが最大となる最適値に設定するのがよく、また圧縮行程噴射モードであるときには、燃料噴射量を極力少なくして燃費が最高となる最適値に設定するのがよい。
【００２０】
しかしながら、火花点火式のガソリンエンジンでは、燃料性状が粗悪になるほど、即ちオクタン価が低く燃料の揮発性が高くなるほどノッキングを起こし易いという特性があり、このようなノッキングの発生を抑えるためには点火時期ＴIGを燃料性状に応じて遅角側に補正するのがよい一方、当該筒内噴射型火花点火式内燃機関においては、このように点火時期ＴIGのみを遅角側に補正すると、出力トルクや燃費が大きく低下してしまう場合があることがわかってきた。
【００２１】
そして、実験の結果、このような出力トルクや燃費の低下が噴射終了時期Ｔeinj、即ち噴射時期Ｔinjに依存しており、点火時期ＴIGとともに噴射終了時期Ｔeinjを遅角補正することで当該出力トルクや燃費の低下を最小限に抑えられることがわかってきた。換言すれば、逆に、燃料性状が良質であってオクタン価が高い場合には、点火時期ＴIGとともに噴射終了時期Ｔeinjを進角補正することで出力トルクや燃費を一層向上させられることがわかってきた。
【００２２】
以下、本発明に係る燃料性状に応じた噴射終了時期Ｔeinj及び点火時期ＴIGの最適値設定手順、即ち本発明の筒内噴射型火花点火式内燃機関の作用について説明する。
図２を参照すると、燃料噴射モードが吸気行程噴射モードであって、且つ、水温センサ２２からの情報によりエンジン１が所定温度以上の暖機状態と判定されている場合の噴射終了時期Ｔeinj及び点火時期ＴIGの設定マップが示されており、先ず、燃料噴射モードが吸気行程噴射モードであってエンジン１が暖機状態である場合の噴射終了時期Ｔeinj及び点火時期ＴIGの最適値設定方法について説明する。
【００２３】
同図には、高オクタン価である場合にノッキングが発生し始める噴射終了時期Ｔeinj及び点火時期ＴIGの限界線が高オクタン価ノックラインとして実線で示されており、低オクタン価である場合の限界線が低オクタン価ノックラインとして破線で示されており、さらに、噴射終了時期Ｔeinj及び点火時期ＴIGに応じた等トルクラインが併せて示されているが、同図より、ノッキングの発生なく出力トルクが最大となる点は、燃料性状が良質でオクタン価が高い場合には●印の点であり、燃料性状が粗悪でオクタン価が低い場合には○印の点であることがわかる。
【００２４】
即ち、当該マップに基づいて、燃料性状が良質である場合には噴射終了時期Ｔeinj及び点火時期ＴIGとして●印の点に対応した値を選択し、一方、燃料性状が粗悪である場合には○印の点に対応した値を選択するようにすれば、吸気行程噴射モードにおいて出力トルクを燃料性状に拘わらず常に最大の最適値に設定することができることになるのである（補正手段）。つまり、燃料性状が粗悪であってオクタン価が低い場合には、点火時期ＴIGのみならず噴射終了時期Ｔeinjをも併せて遅角補正することで、点火時期ＴIGのみの遅角補正だけでは大きく低下してしまう出力トルクを燃料性状に応じた最大の状態とすることができることになる。逆に、燃料性状が良質であってオクタン価が高い場合には、点火時期ＴIGと噴射終了時期Ｔeinjとを併せて進角補正することで、燃料の持つ高い性能を十分に発揮することができることになる。
【００２５】
実際には、ノックセンサ２４からの情報に基づいて燃料性状、即ちオクタン価が検知されると、それに応じてノックラインがマップ上に設定され、これにより出力トルクが最大となる噴射終了時期Ｔeinjと点火時期ＴIGとが●印と○印の間（矢印の間）で適宜決定されることになる。
また、図３を参照すると、燃料噴射モードが圧縮行程噴射モードである場合の噴射終了時期Ｔeinj及び点火時期ＴIGの設定マップが示されており、次に、燃料噴射モードが圧縮行程噴射モードである場合の噴射終了時期Ｔeinj及び点火時期ＴIGの最適値設定方法について説明する。
【００２６】
圧縮行程噴射モードでは、構造上、燃焼の成立する噴射終了時期Ｔeinj及び点火時期ＴIGが限られており、図３中において、その燃焼成立範囲が実線の楕円で示されている。つまり、圧縮行程噴射モードにあっては、楕円外の失火領域では安定した燃焼が成立せず、楕円内部の燃焼領域においてのみ噴射終了時期Ｔeinj及び点火時期ＴIGが設定されることになる。詳しくは、楕円の長径軸（一点鎖線で示す）に近い位置ほど燃焼状態は良好なものとされる。
【００２７】
そして、同図には、当該燃焼領域を示す楕円の他、低オクタン価である場合の限界線が低オクタン価ノックラインとして破線で示されており、さらに、噴射終了時期Ｔeinj及び点火時期ＴIGに応じた等燃費ラインが併せて示されているが、同図より、燃焼が良好に成立し且つノッキングの発生なく燃費が最高となる点は、燃料性状が良質でオクタン価が高い場合にはやはり●印で示す点であり、燃料性状が粗悪でオクタン価が低い場合には○印で示す点であることがわかる。なお、図中に高オクタン価ノックラインが示されていないが、これは、当該高オクタン価ノックラインが、より燃費大側、即ち楕円の外側に位置しているためである。
【００２８】
即ち、当該マップに基づいて、燃料性状が良質である場合には噴射終了時期Ｔeinj及び点火時期ＴIGとして●印の点に対応した値を選択し、一方、燃料性状が粗悪である場合には○印の点に対応した値を選択するようにすれば、圧縮行程噴射モードにおいて燃費を燃料性状に拘わらず常に最高の最適値に設定することができることになる（補正手段）。つまり、燃料性状が粗悪であってオクタン価が低い場合には、楕円の長径軸（一点鎖線で示す）に沿い点火時期ＴIGのみならず噴射終了時期Ｔeinjを併せて遅角補正することで、燃焼状態の悪化なく燃費を燃料性状に応じた最高の状態とすることができるのである。逆に、燃料性状が良質であってオクタン価が高い場合には、楕円の長径軸に沿い点火時期ＴIGと噴射終了時期Ｔeinjとを併せて進角補正することで、燃料の持つ高い性能を十分に発揮することができることになる。
【００２９】
実際には、上記吸気行程噴射モード時においてノックセンサ２４からの情報に基づき検知された燃料性状、即ちオクタン価に応じて、ノックラインがマップ上に設定され、これにより燃費が最大となる噴射終了時期Ｔeinjと点火時期ＴIGとが●印と○印の間（矢印の間）で適宜決定される。なお、圧縮行程噴射モード時においてノックセンサ２４からの情報を直接使用せずに吸気行程噴射モード時の情報を用いるのは、圧縮行程噴射モードでは圧縮行程で燃料を噴射する際の燃料噴射弁６の振動がノイズとして混入して正確な検出ができないためであり、一方、燃料性状は吸気行程噴射モード時と圧縮行程噴射モード時とで変化なく同一だからである。
【００３０】
そして、このように燃料性状に応じて燃焼状態の悪化なく燃費を最高の状態とすることができることになると、燃料性状が良質であってオクタン価が高いような場合には、圧縮行程噴射モードでの運転領域を広げることが可能となる。つまり、上記燃料噴射モード設定マップのうち、例えば圧縮行程噴射モードから吸気行程噴射モードへの目標平均有効圧Ｐeの切り換え閾値を高くすることができることになる。これにより、燃料性状が良質である場合において、圧縮リーンモードの実施頻度を高くして燃費のさらなる向上を図ることが可能となる。
【００３１】
ところで、エンジン１の冷態始動時等、エンジン１が低温状態である場合には、上記燃料噴射モード設定マップに拘わらず、吸気行程噴射モードが選択される。ところが、エンジン１が低温状態である場合には、通常はノッキングは発生し難い一方、スモークが多く発生し易いという特性があり、当該低温状態での吸気行程噴射モードでは、ノッキングではなく当該スモークとの関係において噴射終了時期Ｔeinj及び点火時期ＴIGの最適値が設定される。
【００３２】
図４を参照すると、燃料噴射モードが吸気行程噴射モードであって、且つ、水温センサ２２からの情報によりエンジン１が所定温度より低い低温状態と判定されている場合の噴射終了時期Ｔeinj及び点火時期ＴIGの設定マップが示されており、以下、燃料噴射モードが吸気行程噴射モードであってエンジン１が低温状態である場合の噴射終了時期Ｔeinj及び点火時期ＴIGの最適値設定方法について説明する。
【００３３】
同図には、高オクタン価である場合にスモーク発生率が０％となる噴射終了時期Ｔeinj及び点火時期ＴIGの境界線が高オクタン価スモーク０％ラインとして実線で示されており、低オクタン価である場合の境界線が低オクタン価スモーク０％ラインとして破線で示されており、さらに、噴射終了時期Ｔeinj及び点火時期ＴIGに応じた等トルクラインが併せて示されているが、同図より、スモークの発生なく出力トルクが最大となる点は、燃料性状が良質でオクタン価が高い場合には●印の点であり、燃料性状が粗悪でオクタン価が低い場合には○印の点であることがわかる。
【００３４】
即ち、当該マップに基づいて、燃料性状が良質である場合には噴射終了時期Ｔeinj及び点火時期ＴIGとして●印の点に対応した値を選択し、一方、燃料性状が粗悪である場合には○印の点に対応した値を選択するようにすれば、低温状態での吸気行程噴射モードにおいて、スモークを殆ど発生させることなく出力トルクを燃料性状に拘わらず常に最大の最適値に設定することができることになるのである（補正手段）。これにより、主として冷態始動時において、スモークの発生少なく出力トルクを燃料性状に応じた最大の状態とすることができることになる。
【００３５】
実際には、上記同様に、やはり吸気行程噴射モード時におけるノックセンサ２４からの情報に基づく燃料性状、即ちオクタン価に応じて、スモーク０％ラインがマップ上に設定され、これにより燃費が最大となる噴射終了時期Ｔeinjと点火時期ＴIGとが●印と○印の間（矢印の間）で適宜決定される。
なお、上記実施形態では、ノックセンサ２４からの情報に基づいてオクタン価を検知し燃料性状を判定するようにしたが、例えばエンジン回転速度Ｎeの上昇率、即ちエンジン１の吹き上がり具合を検出して推定するようにしてもよい（燃料性状検知手段）。この場合、エンジン１の吹き上がりが良い場合には、高オクタン価で燃料性状が良質と判定でき、吹き上がりが悪い場合には、低オクタン価で燃料性状が粗悪と判定できる。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の筒内噴射型火花点火式内燃機関によれば、低温の均一燃焼時には、噴射時期及び点火時期をともに補正することで、オクタン価、即ち燃料性状に応じた、スモークが最少となる最適な噴射時期及び点火時期を設定することができ、中高温の均一燃焼時には、噴射時期及び点火時期をともに補正することで、オクタン価、即ち燃料性状に応じた、出力トルクが良好となる最適な噴射時期及び点火時期を設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の筒内噴射型火花点火式内燃機関を示す概略構成図である。
【図２】燃料噴射モードが吸気行程噴射モードで且つエンジンが暖機状態である場合の噴射終了時期Ｔeinj及び点火時期ＴIGの設定マップである。
【図３】燃料噴射モードが圧縮行程噴射モードである場合の噴射終了時期Ｔeinj及び点火時期ＴIGの設定マップである。
【図４】燃料噴射モードが吸気行程噴射モードで且つエンジンが低温状態である場合の噴射終了時期Ｔeinj及び点火時期ＴIGの設定マップである。
【符号の説明】
１エンジン
４点火プラグ（点火栓）
６燃料噴射弁
２２水温センサ
２４ノックセンサ（燃料性状検知手段）
４０電子コントロールユニット（ＥＣＵ）

Claims

燃焼室内に直接燃料を噴射する噴射弁と、
前記燃焼室内に臨むよう設けられた点火栓と、
機関運転状態に応じて前記噴射弁から噴射される燃料の噴射時期を制御する噴射時期制御手段と、
機関運転状態に応じて前記点火栓の点火時期を制御する点火時期制御手段と、
使用燃料の性状を検出または推定する燃料性状検知手段と、
前記噴射時期制御手段が前記噴射時期を少なくとも吸気行程で制御するとき、前記燃料性状検知手段により検出または推定された使用燃料のオクタン価に応じて直接に該噴射時期及び前記点火時期を補正する補正手段とを備え、
該補正手段は、低温時には前記オクタン価に応じてスモークが最少となるよう前記噴射時期及び前記点火時期を補正することを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
前記補正手段は、さらに、中高温時には前記オクタン価に応じて出力トルクが最大となるよう前記噴射時期及び前記点火時期を補正することを特徴とする、請求項１記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関。