JP4092489B2 - Fuel injection control device for in-cylinder direct injection spark ignition engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は筒内直接噴射式火花点火エンジンの燃料噴射制御装置の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
ピストンと、燃焼室に直接に燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを備える筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、ピストンの冠面に、略円筒状の周壁面と、この周壁面に滑らかに接続される底壁面と、この底壁面に滑らかに接続される略円錐状の隆起部とを有するキャビティを形成し、点火プラグを前記隆起部の真上近傍に配置し、燃料噴射弁より燃焼室の上部より略中空円錐状に燃料を噴射させると共に、燃料噴射弁からの燃料噴射を圧縮行程で行わせるようにしたものが提案されている(特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開2001−271688号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいては、混合気塊を着実に着火・燃焼させるために、エンジンの運転条件(回転速度・負荷)に応じて、適切な大きさと適切な空燃比の混合気塊をキャビティの上空に形成することが重要である。その際、排気低減の観点からも混合気塊内の空燃比分布は均質であることが望ましい。例えば混合気塊内の空燃比分布に偏りを生じてリッチな部分が存在すると未燃HC、COが増加したり、局所的に燃焼温度が上昇してNOx生成の原因となり、この逆にリーンな部分が存在するときには消炎が生じて未燃HC、COの増加を招く。
【0005】
このため、上記従来装置では、圧縮行程末期に燃料噴射弁より略中空円錐状に噴射して、その燃料噴霧をキャビティ周壁面に衝突させることで、キャビティ周壁部に付着した燃料が気化する過程でキャビティ隆起部へとまとまりつつキャビティ上空に混合気塊が形成されるようにしている。
【0006】
しかしながら、圧縮行程噴射時より点火までの時間は元々短いので、エンジン温度が所定値より低い場合には点火までに付着燃料の気化が十分に促進されないし、燃料圧力が所定値より低い場合には噴射方向速度が小さくなってこれまた点火までに付着燃料の気化が十分に促進されないので、キャビティ上空にドーナツ状の混合気塊が形成されるしかない状態となることが考えられる。このドーナツ状の混合気塊ではドーナツ孔に相当する部分に燃料がほとんど存在しないか少ししか存在しないので、このドーナツ孔の部分が、キャビティ隆起部の真上近傍に位置する点火プラグに運悪く到達したとき、混合気塊への着火に失敗したり失火することになり、成層燃焼を安定して行わせることが困難になる。
【0007】
そこで本発明は、エンジン温度が所定値より低い場合や燃料圧力が所定値より低い場合においても、安定した成層燃焼を実現することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ピストンと、燃焼室に直接に燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを備える筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、前記ピストンの冠面に、略円筒状の周壁面とこの周壁面に滑らかに接続される底壁面とを有するキャビティを形成し、前記点火プラグを前記底壁面の中央真上近傍に配置し、前記燃料噴射弁より燃焼室の上部より略中空円錐状に燃料を噴射させると共に、前記燃料噴射弁からの燃料噴射を吸気上死点近傍と圧縮行程との2回に分けた分割噴射を行わせるようにした。
【0009】
【発明の効果】
本発明によれば、吸気上死点近傍での1回目の燃料噴射により、略中空円錐状に噴射された燃料の噴霧がキャビティ内中心付近に付着し、この付着した燃料は点火までに燃料が気化する時間が十分に存在するためにその気化が促進され、キャビティの中心部上空付近に第1の混合気塊を形成する。そのあと圧縮行程での2回目の燃料噴射により形成される第2の混合気塊はドーナッツ状となり、そのドーナツ孔の部分には燃料が存在しないかまたは少ないのであるが、このドーナツ孔の部分を、吸気上死点近傍での1回目の燃料噴射により形成されている前記第1の混合気塊が埋める働きをするため、全体としてキャビティの上空に1つの均質な混合気塊を形成することが可能となり、安定した成層燃焼を行わせることができる。
【0010】
【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いて説明する。
【0011】
図1は第1実施形態のエンジンの概略構成図である。図1においてシリンダヘッド2には図で左右にほぼ均等な傾斜の屋根を有するペントルーフ状の燃焼室3が形成されると共に、この左右の屋根の部分に吸気を導入する吸気ポート4が、また燃焼後のガスを排出するための排気ポート5がそれぞれ開口している。シリンダブロック6にはシリンダ7が図で上下方向に穿設され、このシリンダ7をピストン8が上下方向に摺動する。吸気弁15、排気弁16はこのピストン8の動きに合わせて各ポート4、5を開閉する。すなわち、弁15、16をスプリングに抗して押し下げる各カム(図示しない)がエンジンにより駆動されるカム軸にそれぞれ固定されている。
【0012】
本実施形態では燃料圧力が所定値より低い場合においても、安定した成層燃焼を実現するため、燃料噴射弁11及び点火プラグ12の配置とピストン冠面に形成されるキャビティ9の形状とが工夫されている。すなわち、燃焼室3天井の略中央位置に噴射中心方向を鉛直下方とする燃料噴射弁11が、またそのすぐ右側に点火プラグ12が設けられている。この燃料噴射弁11は、燃料を略中空円錐状に噴射するものであり、噴霧の貫徹力の垂直成分が水平成分より大きくされている。
【0013】
ピストン冠面の略中央部には、切頭円錐状のキャビティ9が形成されている。このキャビティ9は、切頭円錐側面を形状とする周壁面9aと、この周壁面9aと滑らかに接続されている底壁面9bとを有している。
【0014】
そして、燃料噴射弁11からは燃焼室3の上部より略中空円錐状に燃料を噴射するのであるが、エンジンコントローラ25では燃料圧力Pfが所定値LPfを下回る場合に、こうした燃料噴射弁11からの燃料噴射を吸気上死点近傍と圧縮行程との2回に分けた分割噴射を行うことにより、成層燃焼を実現する。なお、燃料圧力Pfが所定値LPf以上となるときには従来装置と同様に圧縮行程噴射を行うことで、成層燃焼を実現する。
【0015】
燃料圧力Pfが所定値LPfを下回る場合における成層燃焼の実現方法を図6を参照して説明すると、同図は上より下に向けて時間的に経過し、最上段の(a)は吸気上死点近傍での燃料噴射時(1回目の燃料噴射時)の、第2段目の(b)は圧縮行程での燃料噴射時(2回目の燃料噴射時)の様子を、また第3段目と第4段目の(c)と(d)は圧縮行程におけるその後の様子をモデルで示している。
【0016】
燃料圧力Pfが所定値LPfより低い場合には、吸気上死点近傍(吸気行程初期)で所定量の燃料を噴射する(図6(a)参照)。燃料圧力が低いため、吸気上死点近傍でのピストン位置では、噴射された略中空円錐状の燃料噴霧はほぼ液体の状態でキャビティ中心付近の底壁面9bに付着する。付着した燃料は吸気行程から点火までの間に気化しつつキャビティ9の中心部上空付近に第1の混合気塊を形成する(図6(b)参照)。
【0017】
1回目の燃料噴射後の圧縮行程において残りの燃料を噴射する(図6(b)参照)。2回目の燃料噴射時期は噴射された略中空円錐状の燃料噴霧がキャビティ底壁面9bの径方向外側周辺に到達する範囲内で設定される。2回目に噴射された燃料は、噴射からキャビティ底壁面9bに到達するまでの時間が吸気上死点近傍での1回目の燃料噴射より長くあるため、底壁面9bの径方向外側周辺に付着した燃料は気化しつつキャビティ中心軸からキャビティ周壁面方向へと成長してドーナツ状の第2の混合気塊を形成する(図6(c)参照)。
【0018】
この場合に、ドーナツ状の混合気塊のうちドーナツ孔に相当する部分に燃料はないか少ない状態となるのは、燃料圧力Pfが所定値LPfより低いために混合気の拡散が不十分となり、ドーナツ孔の部分にまで混合気が拡散しないからである。
【0019】
しかしながら、2回目の圧縮行程噴射より形成されたドーナツ状の第2の混合気塊のうちドーナツ孔の部分は、1回目の燃料噴射によりキャビティ中心部にすでに形成されている第1の混合気塊が埋める働きをするため、点火の際にはキャビティ9の上空に全体として1つの均質な混合気塊が形成される(図6(d)参照)。
【0020】
つまり、燃料圧力Pfが所定値LPfより低い場合において、従来装置のように圧縮行程で1回のみ燃料噴射を行った場合には、本実施形態においてもドーナツ状の混合気塊が形成されるしかなく、このドーナツ孔の部分が点火プラグ12の近傍に到達したとき、ドーナツ状の混合気塊に着火できなかったり失火したりして燃焼安定性が低下し、安定した成層燃焼の実現が困難となるのであるが、本実施形態によれば、圧縮行程噴射に先立って吸気上死点近傍での1回目の燃料噴射を行うことでキャビティ中心軸付近に第1の混合気塊を予め形成しておき、この第1の混合気塊により圧縮行程噴射時に形成されるドーナツ状の第2の混合気塊のドーナツ孔の部分を埋めさせ、全体として1つの均質な混合気塊を形成するのであり、これにより安定した成層燃焼を達成することができる。
【0021】
図1に戻り、燃料噴射弁11により燃焼室3内に直接燃料を噴射するには所定の燃圧が必要である。このため、図示しない吸気弁用カム軸により高圧燃料ポンプ(図示しない)が駆動されるようになっており、高圧燃料ポンプにより昇圧された燃料は高圧燃料配管を通って燃料噴射弁11に導かれる。高圧燃料配管には燃料圧力センサ31が設けられ、この燃料圧力センサ31からの信号はエンジンコントローラ25に送られる。運転状態に応じて必要な燃料圧力が変化するために、エンジンコントローラ25では実際の燃料圧力が必要な燃料圧力と一致するように高圧燃料ポンプの作動制御を行なう。
【0022】
エンジンコントローラ25には、エアフローメータ32、クランク角センサ33、水温センサ34からの信号も入力され、燃料圧力の高低に関係なく成層燃焼が実現されるように燃料噴射弁11を介して燃料噴射を、また点火プラグ12を介して点火時期を制御する。
【0023】
なお、アクセルセンサ35からの信号も入力され、エンジンコントローラ25では、アクセル開度とエンジン回転速度に応じた最適なトルクが得られるように電子制御のスロットル弁開度を制御する。
【0024】
エンジンコントローラ25により実行される、燃料圧力に基づく燃料噴射制御について、図2に示すフローチャートを用いて詳述する。
【0025】
ステップ1(以下「S1」のように記載する。)でエアフローメータ32により検出される吸入空気量QM、クランク角センサ33により検出されるエンジン回転速度NE、燃料圧力センサ31により検出される燃料圧力Pf、水温センサ34により検出される冷却水温Tw、アクセルセンサ35により検出されるアクセル開度APOを読込み、S2ではアクセル開度APOから目標トルクTTCを求める。目標トルクTTCは、例えばアクセル開度APOをパラメータとして割り付けたテーブルデータを予めエンジンコントローラ25内のメモリに格納しておき、アクセル開度APOからこのテーブルデータを参照することで求めることができる。
【0026】
S3ではエンジン回転速度NE及び目標トルクTTCから目標当量比TFBYAを求める。目標当量比TFBYAは、例えば回転速度NE及び目標トルクTTCをパラメータとして割り付けたマップデータをエンジンコントローラ25内のメモリに格納しておき、これらの値に応じてそのマップデータを参照することで求めることができる。
【0027】
S4では基本燃料噴射量Qf0を算出する。基本燃料噴射量Qf0は理論空燃比(目標量比TFBYA=1)での成層燃焼を行うための燃料噴射量であり、吸入空気量QMとエンジン回転速度NEから次式により算出する。
【0028】
Qf0=K×QM/NE…(1)
ただし、K:定数、
S5では燃料圧力Pfと所定値LPfを比較する。ここで、所定値LPfは、噴射した燃料噴霧の噴射方向速度が高く、圧縮行程のみの1回噴射でキャビティ9の中心軸上空に希薄な混合気は存在せず均質な混合気塊を形成することが可能な燃料圧力のうちの下限値である。このLPfの値は予め実験により確認する。
【0029】
燃料圧力Pfが所定値LPf以上であるときにはS6〜S8の圧縮行程における1回噴射を行う操作へ進む。すなわちS6では次式により圧縮高低噴射時の燃料噴射量Qfaを設定する。
【0030】
Qfa=Qf0×TFBYA×(1+Ktp)…(2)
ただし、Ktp:補正係数、
(2)式は目標当量比TFBYAと補正係数Ktpとで基本燃料噴射量Qf0を補正する式である。
【0031】
ここで、上記の補正係数Ktpは噴射燃料の気化度合に応じた補正係数である。噴射燃料の気化度合は冷却水温Twと燃料圧力Pfに依存するので、これらをパラメータとして割り付けたテーブルデータをエンジンコントローラ25内のメモリに格納しておき、これら冷却水温Twと燃料圧力Pfからそのマップデータを参照することで求めることができる。例えばマップデータでは、図3に示したように冷却水温Twが低温になるほど、また燃料圧力Pfが低くなるほど圧縮噴射時の燃料噴射量Qfaが大きくなるように設定しておく。
【0032】
S7ではエンジン回転速度NEと目標トルクTTCに応じて圧縮行程噴射時の燃料噴射時期ITaを設定する。この燃料噴射時期ITaは例えばエンジン回転速度NE及び目標トルクTTCをパラメータとして割り付けたマップデータをエンジンコントローラ25内のメモリに格納しておき、これらの値からそのマップデータを参照することで求めることがができる。
【0033】
S8ではこのようにして求めた燃料噴射量Qfaと燃料噴射時期ITaとを用いて圧縮行程1回噴射を実行して成層燃焼を実現する。
【0034】
一方、S5で燃料圧力Pfが所定値LPfより小さい場合にはS9〜S15の吸気上死点近傍(吸気行程初期)と圧縮行程との2回の分割噴射を行う操作に進む。すなわち、S9では吸気上死点近傍での1回目の燃料噴射分の目標当量比TFBYA1を、S10では圧縮行程での2回目の燃料噴射分の目標当量比TFBYA2をそれぞれ設定する。
【0035】
ここで、これら2つの目標当量比TFBYA1、TFBYA2と、S3で求めたトータルの目標当量比TFBYAとの間には、
TFBYA=TFBYA1+TFBYA2…(3)
なる関係がある。また、1回目の燃料噴射分の目標当量比TFBYA1は燃料圧力Pfが大きくなるほど小さくなる値であるため、2回目の燃料噴射分の目標当量比TFBYA2はS3で求めたトータルの目標当量比TFBYAからこの1回目の燃料噴射分の目標当量比TFBYA1を差し引いた値となる(図4参照)。適用の際には、予め実験等によりTFBYA1、TFBYA2の燃料圧力Pfと目標当量比TFBYAに対する特性を求めてマップデータとしてエンジンコントローラ25内のメモリに格納しておき、燃料圧力Pfと目標当量比TFBYAからその各マップデータを参照することで求めることができる。
【0036】
S11、S12では次式により1回目の燃料噴射量Qfb1、2回目の燃料噴射量Qfb2を算出する。
【0037】
Qfb1=Qf0×TFBYA1×(1+Ktp1)…(4)
Qfb2=Qf0×TFBYA2×(1+Ktp2)…(5)
ただし、Ktp1、Ktp2:補正係数、
(4)、(5)式の補正係数Ktp1、Ktp2はともに付着燃料の気化度合に応じた補正係数であり、燃料の気化度合は冷却水温Twと燃料圧力Pfに依存するので、これら冷却水温Twと燃料圧力Pfをパラメータとして補正係数のテーブルを作成している。例えば図5に示したように冷却水温Twが低温になるほど、また燃料圧力Pfが低くなるほど各燃料噴射量Qfb1、Qfb2が大きくなるようにする。
【0038】
分割噴射において1回目の燃料噴射を吸気上死点近傍において行うと、点火までに燃料が気化する時間が十分に存在するために付着燃料の気化が促進され、同じ条件において圧縮行程1回噴射を行う場合より燃料の気化度合が高くなる。従って気化しない燃料分の補正燃料値が圧縮行程1回噴射の場合より少なくてよく、分割噴射に用いる2つの補正係数Ktp1、Ktp2と圧縮行程1回噴射に用いる補正係数Ktpとの間にはKtp1<Ktp2=Ktpなる関係が成立する。このため、分割噴射を行う場合には、同じ条件において圧縮行程1回噴射を行うよりもトータルの燃料噴射量は少なくて済む。
【0039】
S13では、エンジン回転速度NEと目標トルクTTCに応じて分割噴射における2回目の燃料噴射時期ITb2を設定する。
【0040】
この場合、キャビティ9の中心部近傍には、キャビティ9の中心部上空に第1の混合気塊を形成することになる1回目の燃料噴射による付着燃料が存在するため、2回目の燃料噴射時期は、その2回目の燃料噴射による燃料噴霧がキャビティの底壁面9bの径方向外側周辺に到達する範囲内で設定する。
【0041】
分割噴射における2回目の燃料噴射は圧縮行程噴射であるため、S7で設定している燃料噴射時期ITaと同一のマップを参照させることにより、簡易的に分割噴射における2回目の燃料噴射時期ITb2を求めることも可能であり、また予め実験等によりITb2のエンジン回転速度NEと目標トルクTTCに対する特性を求めてマップデータとしてエンジンコントローラ25内のメモリに格納しておき、エンジン回転速度NEと目標トルクTTCからそのマップデータを参照することで求めさせるようにすることも可能である。
【0042】
これに対して分割噴射における1回目の燃料噴射時期ITb1は、キャビティの中心部に燃料が付着するタイミングである吸気上死点近傍に設定する。ITb1の値は実際にはキャビティの中心部に燃料が付着するか否かを予め実験を行って確認した上で設定する。
【0043】
S14、S15ではこのようにして設定した1回目の燃料噴射量Qfb1、1回目の燃料噴射時期ITb1、2回目の燃料噴射量Qfb2、2回目の燃料噴射時期ITb2を用い、吸気上死点近傍において分割噴射における1回目の燃料噴射を、圧縮行程において分割噴射における2回目の燃料噴射をそれぞれ実行して成層燃焼を実現する。
【0044】
ここで、本実施形態の作用を再び図6を参照して説明する。
【0045】
本実施形態(請求項1に記載の発明)によれば、燃料圧力Pfが所定値LPfより低い場合に、吸気上死点近傍での1回目の燃料噴射により、略中空円錐状に噴射された燃料の噴霧がキャビティ9内の中心付近に付着し、この付着した燃料は点火までに燃料が気化する時間が十分に存在するためにその気化が促進され、キャビティ9の中心部上空付近に第1の混合気塊を形成する(図6(b)、(c)参照)。そのあと圧縮行程での2回目の燃料噴射により形成される第2の混合気塊は、燃料圧力が低いために混合気が十分に拡散せずドーナッツ状となり、そのドーナツ孔の部分には燃料が存在しないかまたは少ないのであるが、このドーナツ孔の部分を、吸気上死点近傍での1回目の燃料噴射により形成されている前記第1の混合気塊が埋める働きをするため、キャビティ9の上空に全体として1つの均質な混合気塊を形成することが可能となり(図6(c)、(d)参照)、安定した成層燃焼を行わせることができる。
【0046】
本実施形態(請求項8に記載の発明)によれば、燃料圧力Pfが所定値LPfより低い場合に分割噴射を行わせるので(図2S5、S9〜S15参照)、圧縮行程のみの燃料噴射では噴射した燃料の噴射方向速度が遅く、ドーナツ状の混合気塊が形成されるしかなく、従って安定した成層燃焼の実現が困難となる低燃料圧力時においても、キャビティ9の上空に均質な混合気を形成することが可能となり、例えば燃料ポンプが故障して設定燃料圧力まで上昇しないとき、設定燃料圧力が低い運転領域から高い運転領域へ突入した際に燃料圧力の上昇が追いつかないとき、さらには始動時においても安定して成層燃焼を行わせることができる。
【0047】
燃料圧力Pfが所定値LPfより低い場合において、燃料圧力Pfが高くなるほど噴射した燃料の噴射方向速度が増し底壁面9bに付着した燃料の気化度合が増加するので、燃料圧力Pfが高いときにも、燃料圧力Pfが低いときと同じ吸気上死点近傍での燃料噴射量Qfb1だと無駄に燃料を噴射することになり、未燃HCの排出量を増加させかねないのであるが、本実施形態(請求項9に記載の発明)によれば、燃料圧力Pfが高くなるほど補正係数Ktp1により吸気上死点近傍での燃料噴射量Qfb1を減少させるので(図5下段参照)、成層燃焼を実現するための燃料を最小限に抑えて無駄な燃料の噴射を防ぐことができると共に、未燃HCの排出を最小限に抑えることができる。
【0048】
次に、図7は本発明の第2実施形態のエンジンの概略構成図で、第1実施形態の図1と置き換わるものである。第1実施形態との違いは、図7に示したように、キャビティ9の構成にある。すなわち、下方周壁面9cで囲まれる略円筒状部(下方キャビティ)の径より、上方周壁面9dで囲まれる略円筒状部(上方キャビティ)の径を大きくしており、上方キャビティには下方キャビティの下方底壁面9eとほぼ平行に位置するリング状の上方底壁面9fが形成されている。もちろん下方周壁面9cと下方底壁面9eとは、また上方周壁面9dと上方底壁面9fとは滑らかに接続されている。
【0049】
また、エンジンコントローラ25では、燃焼室内温度Tccが所定値LTccを下回る場合に、燃料噴射弁11からの燃料噴射を吸気上死点近傍と圧縮行程との2回に分けた分割噴射を行うことにより、成層燃焼を実現する。なお、燃焼室内温度Tccが所定値LTcc以上となるときには従来装置と同様に圧縮行程噴射を行うことで、成層燃焼を実現する。
【0050】
この実施形態でも、燃焼室内温度Tccが所定値LTccを下回る場合における成層燃焼の実現方法を図13を参照して説明すると、同図は上より下に向けて時間的に経過し、最上段の(a)は吸気上死点近傍での燃料噴射時(1回目の燃料噴射時)の、第2段目の(b)は圧縮行程での燃料噴射時(2回目の燃料噴射時)の様子を、また第3段目と第4段目の(c)と(d)は圧縮行程におけるその後の様子をモデルで示している。
【0051】
燃焼室内温度Tccが所定値LTccより低い場合には、噴射された略中空円錐状の燃料噴霧が下方底壁面9eを指向するように吸気上死点近傍(吸気行程初期)で所定量の燃料を噴射する(図13(a)参照)。燃焼室内温度が低いため、吸気上死点近傍でのピストン位置では、この1回目の燃料噴射で噴射された燃料はほぼ液体の状態で下方底壁面9eに付着する。付着した燃料は吸気行程から点火までの間に気化し、キャビティ9の中心部上空付近に第1の混合気塊を形成する(図13(b)参照)。
【0052】
噴射された略中空円錐状の燃料噴霧が、今度はリング状の上方底壁面9fを指向するように圧縮行程において残りの燃料の噴射を行う(図13(b)参照)。つまり、2回目の燃料噴射時期は、1回目と同様な噴射角度であっても上方底壁面9fに確実に受け止められるような燃料噴射時期に設定している。2回目に噴射された燃料は、噴射から上方底壁面9fに到達するまでにある程度の時間があるため上方底壁面9fに付着した燃料の気化が多少進み、キャビティ9の中心軸からキャビティ9の周壁面方向へと成長する流れが生じ、図4(c)と同様、ドーナツ状の第2の混合気塊を形成する(図13(c)参照)。
【0053】
そして、残りの圧縮行程の間に2回目の燃料噴射より形成されたドーナツ状の第2の混合気塊のうちドーナツ孔の部分を、先の1回目の燃料噴射によりキャビティ中心部に形成されている第1の混合気塊が埋める働きをするため、点火の際にはキャビティ上空に全体として1つの均質な混合気塊が形成され、安定した成層燃焼を実現することができる(図13(d)参照)。
【0054】
つまり、燃焼室内温度Tccが所定値LTccより低い場合において、圧縮行程に1回のみ燃料噴射を行った場合にはドーナツ状の混合気塊しか形成されずに安定した成層燃焼の実現を困難にするのであるが、第2実施形態によれば、圧縮行程噴射に先立って、噴射された略中空円錐状の燃料噴霧が下方底壁面9eを指向するように吸気上死点近傍での1回目の燃料噴射を行うことでキャビティ中心軸付近に第1の混合気塊を形成し、噴射された略中空円錐状の燃料噴霧が、今度は上方底壁面9fを指向するように圧縮行程での2回目の燃料噴射を行うことでドーナツ状の第2の混合気塊を形成し、この場合、第1の混合気塊により第2の混合気塊のドーナツ孔の部分を埋めさせ、全体として1つの均質な混合気塊を形成するのであり、これにより安定した成層燃焼を達成することができる。
【0055】
エンジンコントローラ25により行われる燃焼室内温度に基づく燃料噴射制御を図8のフローチャートにより説明する。なお、図2と同一部分には同一のステップ番号をつけている。
【0056】
図2と相違する部分を主に説明すると、これはS21〜S26の操作にある。まずS21では燃焼室内温度Tccを推定する。燃焼室内温度Tccはエンジン回転速度NEと目標トルクTTCに応じて、図9に示すような傾向を示すため、予め実験等によりこれらの傾向を求めマップデータとしてエンジンコントローラ25内のメモリに格納しておき、エンジン回転速度NEと目標トルクTTCからそのマップデータを参照することで推定することができる。
【0057】
S22では燃焼室内温度Tccと所定値LTccを比較する。燃焼室内温度Tccと燃焼室内の燃料の気化率との間には例えば図10に示すような関係があり、所定値LTccは、圧縮行程のみの1回噴射でキャビティ9の上空中心部に均質な混合気を形成する(希薄な混合気が存在しない)ことが可能な燃料の気化率に対応する燃焼室内温度のうちの下限値である。LTccの実際の値は予め実験により確認する。燃焼室内温度Tccが所定値LTcc以上あれば、圧縮行程のみの1回噴射でも噴射した燃料の気化が促進され、キャビティ9の上空中心部に均質な混合気塊が形成され、これに対して燃焼室内温度Tccが所定値LTcc未満であれば圧縮行程のみの1回噴射では燃料の気化が不十分となり、キャビティ9の上空中心部に均質な混合気を形成することができないことを意味する。このため、燃焼室内温度Tccが所定値LTcc以上であるときにはS6〜S8の圧縮行程における1回噴射を行う操作に進む。
【0058】
一方、S22で燃焼室内温度Tccが所定値LTccより小さい場合には、S9以降の吸気上死点近傍(吸気行程初期)と圧縮行程の分割噴射を行う操作に進む。
【0059】
S9、S10では第1実施形態と同様に、1回目、2回目の燃料噴射分の目標当量比TFBYA1、TFBYA2を設定する。
【0060】
S23、24では分割噴射におけるそれぞれの燃料噴射量Qfb1、Qfb2を上記(4)、(5)式により算出する。ただし、ここで用いる燃料の気化度合を調節するための補正係数Ktp1、Ktp2としては(図8S6で用いる補正係数Ktpについても)、例えば図11に示すような特性を持たせる。すなわち、冷却水温Twの代わりに燃焼室内温度Tccをパラメータとして求めさせる(図11上段参照)。このように燃焼室内における燃料気化度合と強い相関がある燃焼室内温度Tccに応じて補正係数Ktp1、Ktp2を求め、この補正係数Ktp1、Ktp2により燃料の気化度合に応じた補正を基本燃料噴射量Qf0に対して行うことで、分割噴射における各燃料噴射量Qfb1、Qfb2の算出精度を一段と高めることができる。
【0061】
S25では分割噴射における1回目の燃料噴射時期ITb1を設定する。1回目の燃料噴射時期ITb1は第1実施形態と異なり、燃焼室内温度Tccの関数として算出する。例えば図12に示したように、ITb1の初期値を吸気上死点とし、噴射された略中空円錐状の燃料噴霧が下方底壁面9eを指向する範囲内において燃焼室内温度Tccが高くなるほど遅角する特性である。実際にはITb1は燃焼室内温度Tccをパラメータとするテーブルデータとしてエンジンコントローラ25内のメモリに格納しておき、燃焼室内温度Tccからそのテーブルデータを参照することで求めることができる。
【0062】
S26ではエンジン回転速度NEと目標トルクTTCに応じて分割噴射における2回目の燃料噴射時期ITb2を第1実施形態と同様に設定する。ただし、この2回目の燃料噴射時期ITb2は、第1実施形態と異なり、噴射された略中空円錐状の燃料噴霧が上方底壁面9fを指向する範囲内で設定する。
【0063】
S14、S15ではこのようにして設定した1回目の燃料噴射量Qfb1、1回目の燃料噴射時期ITb1、2回目の燃料噴射量Qfb2、2回目の燃料噴射時期ITb2を用い、吸気上死点近傍において分割噴射における1回目の燃料噴射を、圧縮行程において分割噴射における2回目の燃料噴射をそれぞれ実行して成層燃焼を実現する。
【0064】
第2実施形態(請求項2に記載の発明)によれば、燃焼室内温度Tccが所定値LTccより低い場合において、略中空円錐状に噴射された燃料の噴霧が下方底壁面9eを指向するように吸気上死点近傍での燃料噴射を行わせるようにしたので、この下方底壁面9eに付着した燃料により形成される第1の混合気塊が下方キャビティ内に留まるために径方向外側への拡散を防ぐことができ、より安定して成層燃焼を行わせることができる。
【0065】
第2実施形態(請求項3に記載の発明)によれば、燃焼室内温度Tcc(エンジン温度)が所定値LTccより低い場合に分割噴射を行わせるので(図8S22、S9、S10、S23、S24、S25、S26、S14、S15)、圧縮行程のみの燃料噴射では噴射した燃料の気化が促進されずドーナツ状の混合気塊が形成されるしかなく、従って安定した成層燃焼の実現が困難となる低温時においても、キャビティ9の上空に1つの均質な混合気を形成することが可能となり、エンジンの暖機完了後の運転中に燃焼室内温度Tccが低くなった際にも安定して成層燃焼を行わせることができる。
【0066】
燃焼室内温度Tccが所定値LTccより低い場合において、燃焼室内温度Tccが高くなるほど上方底壁面9fに付着した燃料が気化するまでの時間が短くなり、気化燃料の拡散が進むので、燃焼室内温度Tccが高いときにも、燃焼室内温度Tccが低いときと同じ吸気上死点近傍での燃料噴射時期ITb1だと、適切な混合気塊のままでとどめておくことができなくなるのであるが、第2実施形態(請求項4に記載の発明)によれば、燃焼室内温度Tccが高くなるほど吸気上死点近傍での燃料噴射時期ITb1を遅角させるようにしているので(図12参照)、吸気上死点近傍で噴射した燃料が気化するまでの時間に応じて適切な混合気塊のままキャビティ9の上空にとどめておくことが可能となり、燃焼室内温度Tccが高いときにも安定した成層燃焼を得ることができる。
【0067】
燃焼室内温度Tccが所定値LTccより低い場合において、燃焼室内温度Tccが高くなるほど下方底壁面9eに付着した燃料の気化度合が増加するので、燃焼室内温度Tccが高いときにも、燃焼室内温度Tccが低いときと同じ燃料噴射量Qfb1だと無駄に燃料を噴射することになり、未燃HCの排出量を増加させかねないのであるが、第2実施形態(請求項5に記載の発明)によれば、燃焼室内温度Tccが高くなるほど補正係数Ktp1により吸気上死点近傍での燃料噴射量Qfb1を減少させるので(図11上段参照)、成層燃焼を実現するための燃料を最小限に抑えて無駄な燃料の噴射を防ぐことができると共に、未燃HCの排出を最小限に抑えることができる。
【0068】
エンジン温度の中でも燃焼室内温度は、燃焼室内における燃料の気化度合と強い相関があり、第2実施形態(請求項6に記載の発明)によれば、燃焼室内温度Tccを推定し、この温度Tccが所定値LTccより低い場合に分割噴射を行わせるので、分割噴射を行わせるか否かの判定精度が向上する。
【0069】
燃焼室内温度Tccが所定値LTccより低い場合において、燃焼室内温度Tccが高くなるほど下方底壁面9eに付着した燃料が気化するまでの時間が短くなり、気化燃料の拡散が進むからといって、吸気上死点近傍での燃料噴射時期ITb1を遅角させ過ぎると、略中空円錐状に噴射される燃料の噴霧が下方底壁面9eを指向することができず、キャビティ9の中心に第1の混合気塊を形成できなくなるのであるが、第2実施形態(請求項7に記載の発明)によれば、吸気上死点近傍での燃料噴射時期ITb1の遅角を、略中空円錐状に噴射される燃料の噴霧が下方底壁面9eを指向する範囲内で行わせるので(図12参照)、下方底壁面9eに付着した燃料より形成される第1の混合気塊を常に下方キャビティ9内に留めて径方向外側への拡散を防ぐことができ、燃焼室内温度Tccが高いときにも安定した成層燃焼を得ることができる。
【0070】
次に、図14のフローチャートは第3実施形態の燃焼室内温度に基づく始動時の燃料噴射制御を行うためのものである。なお、第2実施形態の図8と同一部分には同一のステップ番号を付している。
【0071】
S31ではイグニッションキースイッチがオフ位置からオン位置に切換えられ、スタータ起動位置まで回されるとスタータが起動し、エンジンがクランキングを開始する。S32ではエンジンの回転によって入力されるクランク角センサ33からの信号を用いて気筒判別を行い、S33において吸入空気量QM、エンジン回転速度NE、燃料圧力Pf、冷却水温Tw、始動時水温Tws、初爆からの各気筒のサイクル数Ncylを読み込む。初爆からの各気筒のサイクル数Ncylは燃料噴射弁11の噴射回数や点火プラグ12の点火回数等から判断可能である。
【0072】
S34では冷却水温Twとエンジン回転速度NEに応じて目標トルクTTCを算出し、S3でこの目標トルクTTCとエンジン回転速度NEから目標当量比TFBYAを求める。
【0073】
S35では基本燃料噴射量Qf0を算出する。基本燃料噴射量Qf0は基本的には図2S4と同一の方法で算出すればよいのであるが、始動後数サイクルの間はエアフロメータ32の突入電流により吸入空気量QMを検出できないため、始動後数サイクルの間だけは図2S4と同一の方法により基本燃料噴射量Qf0を算出できない。このため、予め実験等により基本燃料噴射量Qf0の冷却水温Twとエンジン回転速度NEに対する特性を求めてマップデータとしてエンジンコントローラ25内のメモリに格納しておき、始動後数サイクルの間は冷却水温Twとエンジン回転速度NEからそのマップデータを参照することで求める。
【0074】
S36では燃焼室内温度Tccを推定する。燃焼室内温度Tccは始動時水温Twsと初爆からの各気筒のサイクル数Ncylに応じて図15に示すような傾向を示すため、予め実験等によりこれらの傾向を求めてマップデータとしてエンジンコントローラ25内のメモリに格納しておき、始動時水温Twsと初爆からの各気筒のサイクル数Ncylとからそのマップデータを参照することで推定する。
【0075】
S37、S38では燃焼室内温度Tccと所定値LTccを、また燃料圧力Pfと所定値LPfを比較する。所定値LTccは図8S22で用いる所定値LTccと、また所定値LPfは図2S5で用いる所定値LPfと同じである。燃焼室内温度Tccが所定値LTccより小さい場合と、燃焼室内温度Tccは所定値LTcc以上であっても燃料圧力Pfが所定値LPfより小さい場合にS9、S10、S23、S24、S25、S26、S14、S15の操作、つまり吸気上死点近傍(吸気行程初期)と圧縮行程の分割噴射を行って成層燃焼を実現する。
【0076】
燃焼室内温度Tccが所定値LTcc以上でありかつ燃料圧力Pfが所定値LPf以上になると、図14に示す始動時の燃料噴射制御を終了し、以降は図2、図8に示した始動後の燃料噴射制御に移行する。
【0077】
冷間始動時に燃焼室内温度Tccが所定値LTccより低い場合においても、圧縮行程に1回のみ燃料噴射を行った場合にはドーナツ状の混合気塊しか形成されずに安定した成層燃焼の実現を困難にするのであるが、第3実施形態によれば、圧縮行程噴射に先立って、噴射された略中空円錐状の燃料噴霧が下方底壁面9eを指向するように吸気上死点近傍での1回目の燃料噴射を行うことでキャビティ9の中心軸付近に第1の混合気塊を形成し、噴射された略中空円錐状の燃料噴霧が、今度は上方底壁面9fを指向するように圧縮行程での2回目の燃料噴射を行うことでドーナツ状の第2の混合気塊を形成し、この場合、第1の混合気塊によりドーナツ状の第2の混合気塊のドーナツ孔の部分を埋めさせ、キャビティ9の上空に全体として1つの均質な混合気塊を形成するのであり、これにより冷機始動時から暖機完了までの間において燃焼室内温度Tccが低い場合においても安定した成層燃焼を実現することができる。
【0078】
第2、第3の実施形態では、燃焼室内温度Tccを推定し、その温度Tccを▲1▼分割噴射を行うか否かの判定、▲2▼分割噴射における燃料噴射量Qfb1、Qfb2の設定、▲3▼分割噴射における1回目の燃料噴射時期ITb1の設定に用いる場合で説明したが、ピストン冠面温度も燃焼室内温度と同様な手法により推定することが可能であるため、燃焼室内温度の代えてピストン冠面温度を用いることができる。また、ピストン冠面温度は付着燃料の気化度合により変化し、燃焼室内温度は燃料噴射弁からの噴射燃料の気化度合により変化することが考えられ、これらの特性を考慮して燃料の気化度合を推定することにより、より高精度に本発明の燃料噴射制御を行うことが可能である。
【0079】
第3実施形態は図7に示す構成のエンジンに適用する場合で説明したが、図1に示す構成のエンジンに対しても適用可能である。
【0080】
なお、本発明は図1、図7に示した構成のエンジンに対してのみ適用可能であるというものではなく、特開平11−82028号公報に記載されている構成のエンジンにも適用可能であり、同様の効果が得られる。
【0082】
請求項1に記載の噴射実行手段の機能は、図2のS9〜S15により、また図8及び図14のS9、S10、S23、S24、S25、S26、S14、S15により果たされている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態のエンジンの概略構成図。
【図2】第1実施形態の燃料圧力に基づく燃料噴射制御を説明するためのフローチャート。
【図3】圧縮行程1回噴射時の燃料の気化度合に応じた補正係数の特性図。
【図4】分割噴射における2つの目標当量比とトータルの目標当量比の関係を示す特性図。
【図5】分割噴射時の燃料の気化度合に応じた補正係数の特性図。
【図6】第1実施形態の燃焼室内の燃料及び混合気形成の挙動を示すモデル図。
【図7】第2実施形態のエンジンの概略構成図。
【図8】第2実施形態の燃焼室内温度に基づく燃料噴射制御を説明するためのフローチャート。
【図9】燃焼室内温度の特性図。
【図10】燃料気化率と燃焼室内温度との関係を示す特性図。
【図11】第2実施形態の分割噴射時の燃料の気化度合に応じた補正係数の特性図。
【図12】分割噴射における1回目の燃料噴射時期の特性図。
【図13】第2実施形態の燃焼室内の燃料及び混合気形成の挙動を示すモデル図。
【図14】第3実施形態の燃焼室内温度に基づく始動時の燃料噴射制御を説明するためのフローチャート。
【図15】始動直後の燃焼室内温度の特性図。
【符号の説明】
3 燃焼室
8 ピストン
9 キャビティ
9a 周壁面
9b 底壁面
9c 下方周壁面
9d 上方周壁面
9e 下方底壁面
9f 上方底壁面
11 燃料噴射弁
12 点火プラグ
25 エンジンコントローラ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement in a fuel injection control device for an in-cylinder direct injection spark ignition engine.
[0002]
[Prior art]
In an in-cylinder direct injection spark ignition engine including a piston, a fuel injection valve that directly injects fuel into a combustion chamber, and an ignition plug, a substantially cylindrical peripheral wall surface on the piston crown surface, A cavity having a bottom wall surface that is smoothly connected and a substantially conical bulge portion that is smoothly connected to the bottom wall surface is formed, and a spark plug is disposed in the vicinity of the bulge portion. There has been proposed one in which fuel is injected in a substantially hollow conical shape from the upper part of the combustion chamber and fuel injection from a fuel injection valve is performed in a compression stroke (see Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP 2001-271688 A
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in a direct-injection spark ignition engine, in order to ignite and burn the air-fuel mixture steadily, a mixture of an appropriate size and an appropriate air-fuel ratio is selected according to the engine operating conditions (rotation speed and load). It is important to form an air mass above the cavity. At that time, it is desirable that the air-fuel ratio distribution in the air-fuel mixture is uniform from the viewpoint of exhaust reduction. For example, if the air-fuel ratio distribution in the air-fuel mixture is biased and there is a rich portion, unburned HC and CO increase, or the combustion temperature rises locally, causing NOx generation. When the portion is present, the flame extinguishes and unburned HC and CO increase.
[0005]
For this reason, in the above-mentioned conventional device, in the process in which the fuel adhering to the cavity peripheral wall is vaporized by injecting the fuel spray into the substantially hollow cone shape at the end of the compression stroke and causing the fuel spray to collide with the cavity peripheral wall. An air-fuel mixture is formed above the cavity while concentrating on the cavity protrusion.
[0006]
However, since the time from the compression stroke injection to the ignition is originally short, when the engine temperature is lower than the predetermined value, the vaporization of the adhered fuel is not sufficiently accelerated by the ignition, and when the fuel pressure is lower than the predetermined value. Since the speed in the injection direction becomes small and vaporization of the attached fuel is not sufficiently promoted until ignition, it is considered that a doughnut-shaped air-fuel mixture is only formed above the cavity. In this donut-shaped air-fuel mixture, there is little or no fuel in the portion corresponding to the donut hole, so this donut hole portion unfortunately reaches the spark plug located just above the cavity ridge. When this occurs, ignition of the air-fuel mixture fails or misfires, making it difficult to stably perform stratified combustion.
[0007]
Therefore, an object of the present invention is to realize stable stratified combustion even when the engine temperature is lower than a predetermined value or when the fuel pressure is lower than a predetermined value.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides an in-cylinder direct injection spark ignition engine including a piston, a fuel injection valve that directly injects fuel into a combustion chamber, and an ignition plug, and a substantially cylindrical peripheral wall surface on a crown surface of the piston. A cavity having a bottom wall surface that is smoothly connected to the peripheral wall surface is formed, the spark plug is disposed in the vicinity of a position directly above the center of the bottom wall surface, and is formed in a substantially hollow conical shape from the upper part of the combustion chamber from the fuel injection valve. In addition to injecting fuel, the fuel injection from the fuel injection valve is divided into two parts, ie, near the intake top dead center and the compression stroke.
[0009]
【The invention's effect】
According to the present invention, by the first fuel injection near the intake top dead center, the spray of fuel injected in the shape of a substantially hollow cone adheres to the vicinity of the center in the cavity. Since there is sufficient time for vaporization, the vaporization is promoted and a first air-fuel mixture is formed near the center of the cavity. After that, the second air-fuel mixture formed by the second fuel injection in the compression stroke becomes donut-like, and there is little or no fuel in the portion of the donut hole. Since the first air-fuel mixture formed by the first fuel injection in the vicinity of the intake top dead center functions to fill, a uniform air-fuel mixture can be formed above the cavity as a whole. This enables stable stratified combustion.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0011]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an engine according to the first embodiment. In FIG. 1, the cylinder head 2 is formed with a pent roof-
[0012]
In this embodiment, in order to realize stable stratified combustion even when the fuel pressure is lower than a predetermined value, the arrangement of the fuel injection valve 11 and the
[0013]
A truncated cone-
[0014]
The fuel injection valve 11 injects fuel from the upper part of the
[0015]
A method for realizing stratified combustion when the fuel pressure Pf is lower than the predetermined value LPf will be described with reference to FIG. 6. In FIG. 6, time passes from the upper side to the lower side, The second stage (b) at the time of fuel injection near the dead center (at the time of the first fuel injection) shows the state at the time of fuel injection at the compression stroke (at the time of the second fuel injection), and the third stage. The eyes and the fourth stage (c) and (d) show the subsequent state in the compression stroke as a model.
[0016]
When the fuel pressure Pf is lower than the predetermined value LPf, a predetermined amount of fuel is injected in the vicinity of the intake top dead center (initial stage of the intake stroke) (see FIG. 6A). Since the fuel pressure is low, at the piston position near the intake top dead center, the injected substantially hollow conical fuel spray adheres to the
[0017]
In the compression stroke after the first fuel injection, the remaining fuel is injected (see FIG. 6B). The second fuel injection timing is set within a range in which the injected substantially hollow conical fuel spray reaches the radially outer periphery of the cavity
[0018]
In this case, the fuel corresponding to the donut hole in the donut-shaped air-fuel mixture is in a state where there is no or little fuel, because the fuel pressure Pf is lower than the predetermined value LPf, and thus the diffusion of the air-fuel mixture becomes insufficient. This is because the air-fuel mixture does not diffuse into the donut hole.
[0019]
However, the portion of the donut hole in the donut-shaped second gas mixture formed by the second compression stroke injection is the first gas mixture already formed in the center of the cavity by the first fuel injection. Therefore, when ignition is performed, one homogeneous air-fuel mixture as a whole is formed above the cavity 9 (see FIG. 6D).
[0020]
In other words, when the fuel pressure Pf is lower than the predetermined value LPf and the fuel injection is performed only once in the compression stroke as in the conventional device, a donut-shaped air-fuel mixture can only be formed in this embodiment. However, when this donut hole portion reaches the vicinity of the
[0021]
Returning to FIG. 1, a predetermined fuel pressure is required to inject fuel directly into the
[0022]
The
[0023]
A signal from the
[0024]
The fuel injection control based on the fuel pressure executed by the
[0025]
In step 1 (hereinafter referred to as “S1”), the intake air amount QM detected by the
[0026]
In S3, the target equivalence ratio TFBYA is obtained from the engine speed NE and the target torque TTC. The target equivalent ratio TFBYA is obtained by storing map data in which the rotational speed NE and the target torque TTC are assigned as parameters, for example, in a memory in the
[0027]
In S4, a basic fuel injection amount Qf0 is calculated. The basic fuel injection amount Qf0 is a fuel injection amount for performing stratified combustion at the stoichiometric air fuel ratio (target amount ratio TFBYA = 1), and is calculated from the intake air amount QM and the engine rotational speed NE by the following equation.
[0028]
Qf0 = K × QM / NE (1)
Where K is a constant,
In S5, the fuel pressure Pf is compared with a predetermined value LPf. Here, the predetermined value LPf has a high injection direction speed of the injected fuel spray, and in a single injection of only the compression stroke, there is no lean air-fuel mixture over the central axis of the
[0029]
When the fuel pressure Pf is equal to or higher than the predetermined value LPf, the operation proceeds to the operation of performing one injection in the compression stroke of S6 to S8. That is, in S6, the fuel injection amount Qfa at the time of compression high / low injection is set by the following equation.
[0030]
Qfa = Qf0 × TFBYA × (1 + Ktp) (2)
Where Ktp: correction coefficient,
Expression (2) is an expression for correcting the basic fuel injection amount Qf0 with the target equivalent ratio TFBYA and the correction coefficient Ktp.
[0031]
Here, the correction coefficient Ktp is a correction coefficient corresponding to the degree of vaporization of the injected fuel. Since the degree of vaporization of the injected fuel depends on the coolant temperature Tw and the fuel pressure Pf, table data assigned as parameters is stored in a memory in the
[0032]
In S7, the fuel injection timing ITa at the time of the compression stroke injection is set according to the engine speed NE and the target torque TTC. The fuel injection timing ITa is obtained by storing map data in which the engine rotational speed NE and the target torque TTC are assigned as parameters in a memory in the
[0033]
In S8, stratified combustion is realized by executing a single compression stroke injection using the fuel injection amount Qfa thus determined and the fuel injection timing ITa.
[0034]
On the other hand, when the fuel pressure Pf is smaller than the predetermined value LPf in S5, the operation proceeds to the operation of performing split injection twice in the vicinity of the intake top dead center (initial stage of the intake stroke) and the compression stroke in S9 to S15. That is, in S9, the target equivalent ratio TFBYA1 for the first fuel injection near the intake top dead center is set, and in S10, the target equivalent ratio TFBYA2 for the second fuel injection in the compression stroke is set.
[0035]
Here, between these two target equivalent ratios TFBYA1 and TFBYA2 and the total target equivalent ratio TFBYA obtained in S3,
TFBYA = TFBYA1 + TFBYA2 (3)
There is a relationship. Further, since the target equivalent ratio TFBYA1 for the first fuel injection is a value that decreases as the fuel pressure Pf increases, the target equivalent ratio TFBYA2 for the second fuel injection is calculated from the total target equivalent ratio TFBYA determined in S3. This is a value obtained by subtracting the target equivalent ratio TFBYA1 for the first fuel injection (see FIG. 4). At the time of application, characteristics of the TFBYA1 and TFBYA2 with respect to the fuel pressure Pf and the target equivalent ratio TFBYA are obtained in advance through experiments or the like and stored in the memory in the
[0036]
In S11 and S12, the first fuel injection amount Qfb1 and the second fuel injection amount Qfb2 are calculated by the following equations.
[0037]
Qfb1 = Qf0 × TFBYA1 × (1 + Ktp1) (4)
Qfb2 = Qf0 × TFBYA2 × (1 + Ktp2) (5)
However, Ktp1, Ktp2: correction coefficient,
The correction coefficients Ktp1 and Ktp2 in the equations (4) and (5) are both correction coefficients according to the vaporization degree of the adhered fuel, and the fuel vaporization degree depends on the cooling water temperature Tw and the fuel pressure Pf. The correction coefficient table is created using the fuel pressure Pf as a parameter. For example, as shown in FIG. 5, the fuel injection amounts Qfb1 and Qfb2 are increased as the cooling water temperature Tw becomes lower and the fuel pressure Pf becomes lower.
[0038]
If the first fuel injection is performed in the vicinity of the intake top dead center in the split injection, the time for the fuel to evaporate is sufficient before ignition, and the vaporization of the attached fuel is promoted. Under the same conditions, the compression stroke is injected once. The degree of vaporization of the fuel is higher than when performing it. Accordingly, the corrected fuel value for the fuel that is not vaporized may be smaller than in the case of the single compression stroke injection, and Ktp1 is between the two correction coefficients Ktp1, Ktp2 used for the split injection and the correction coefficient Ktp used for the single compression stroke injection. The relationship <Ktp2 = Ktp is established. For this reason, when performing the divided injection, the total fuel injection amount is smaller than when the single injection of the compression stroke is performed under the same conditions.
[0039]
In S13, the second fuel injection timing ITb2 in the split injection is set according to the engine speed NE and the target torque TTC.
[0040]
In this case, since there is fuel adhering to the first fuel injection that forms the first air-fuel mixture in the vicinity of the center of the
[0041]
Since the second fuel injection in the split injection is a compression stroke injection, the second fuel injection timing ITb2 in the split injection can be simply determined by referring to the same map as the fuel injection timing ITa set in S7. The characteristics of ITb2 with respect to the engine speed NE and the target torque TTC are obtained in advance through experiments or the like, and stored in the memory in the
[0042]
On the other hand, the first fuel injection timing ITb1 in the divided injection is set in the vicinity of the intake top dead center, which is the timing at which the fuel adheres to the center of the cavity. The value of ITb1 is set after actually confirming whether or not fuel adheres to the central portion of the cavity.
[0043]
In S14 and S15, the first fuel injection amount Qfb1, the first fuel injection timing ITb1, the second fuel injection amount Qfb2, and the second fuel injection timing ITb2 set in this way are used, and in the vicinity of the intake top dead center. Stratified combustion is realized by executing the first fuel injection in the split injection and the second fuel injection in the split injection in the compression stroke.
[0044]
Here, the operation of this embodiment will be described with reference to FIG. 6 again.
[0045]
According to the present embodiment (the invention described in claim 1), when the fuel pressure Pf is lower than the predetermined value LPf, the first fuel injection near the intake top dead center is injected in a substantially hollow cone shape. The fuel spray adheres to the vicinity of the center in the
[0046]
This embodiment (claims) 8 According to the invention), since split injection is performed when the fuel pressure Pf is lower than the predetermined value LPf (see S5 and S9 to S15 in FIG. 2), in the fuel injection only in the compression stroke, the injection direction speed of the injected fuel is However, it is possible to form a homogeneous air-fuel mixture above the
[0047]
When the fuel pressure Pf is lower than the predetermined value LPf, the injection direction speed of the injected fuel increases as the fuel pressure Pf increases, and the vaporization degree of the fuel adhering to the
[0048]
Next, FIG. 7 is a schematic configuration diagram of the engine of the second embodiment of the present invention, which replaces FIG. 1 of the first embodiment. The difference from the first embodiment lies in the configuration of the
[0049]
Further, in the
[0050]
Also in this embodiment, a method for realizing stratified combustion when the combustion chamber temperature Tcc is lower than the predetermined value LTcc will be described with reference to FIG. (A) is when fuel is injected near the top dead center of intake (first fuel injection), and (b) is the second stage when fuel is injected during the compression stroke (second fuel injection). In the third and fourth stages (c) and (d), the subsequent state in the compression stroke is shown as a model.
[0051]
When the combustion chamber temperature Tcc is lower than the predetermined value LTcc, a predetermined amount of fuel is supplied in the vicinity of the top dead center of the intake air (in the initial stage of the intake stroke) so that the injected substantially hollow conical fuel spray is directed to the lower
[0052]
The remaining fuel is injected in the compression stroke so that the injected substantially conical fuel spray is directed toward the ring-shaped upper bottom wall surface 9f (see FIG. 13B). That is, the second fuel injection timing is set to a fuel injection timing that can be reliably received by the upper bottom wall surface 9f even if the injection angle is the same as the first fuel injection angle. The fuel injected for the second time has a certain amount of time from injection to the upper bottom wall surface 9f, so that the fuel adhering to the upper bottom wall surface 9f is somewhat vaporized. A flow that grows in the direction of the wall surface is generated, and a donut-shaped second air-fuel mixture is formed as in FIG. 4C (see FIG. 13C).
[0053]
Then, during the remaining compression stroke, the donut hole portion of the donut-shaped second air-fuel mixture formed by the second fuel injection is formed at the center of the cavity by the first fuel injection. Since the first air-fuel mixture is filled, one homogeneous air-fuel mass is formed as a whole above the cavity during ignition, and stable stratified combustion can be realized (FIG. 13 (d)). )reference).
[0054]
That is, in the case where the combustion chamber temperature Tcc is lower than the predetermined value LTcc, when fuel injection is performed only once in the compression stroke, only a donut-shaped air-fuel mixture is formed, making it difficult to realize stable stratified combustion. However, according to the second embodiment, prior to the compression stroke injection, the first fuel near the intake top dead center so that the injected substantially hollow conical fuel spray is directed to the lower
[0055]
The fuel injection control based on the combustion chamber temperature performed by the
[0056]
The difference from FIG. 2 will be mainly described. This is the operation of S21 to S26. First, in S21, the combustion chamber temperature Tcc is estimated. The combustion chamber temperature Tcc shows a tendency as shown in FIG. 9 according to the engine speed NE and the target torque TTC. Therefore, these tendencies are obtained in advance through experiments or the like and stored in the memory in the
[0057]
In S22, the combustion chamber temperature Tcc is compared with a predetermined value LTcc. The relationship between the temperature Tcc in the combustion chamber and the vaporization rate of the fuel in the combustion chamber has a relationship as shown in FIG. 10, for example, and the predetermined value LTcc is uniform in the upper center of the
[0058]
On the other hand, if the combustion chamber temperature Tcc is smaller than the predetermined value LTcc in S22, the operation proceeds to the operation of performing the divided injection in the vicinity of the intake top dead center (initial stage of the intake stroke) and the compression stroke after S9.
[0059]
In S9 and S10, as in the first embodiment, target equivalent ratios TFBYA1 and TFBYA2 for the first and second fuel injections are set.
[0060]
In S23 and S24, the respective fuel injection amounts Qfb1 and Qfb2 in the divided injection are calculated by the above equations (4) and (5). However, as the correction coefficients Ktp1 and Ktp2 for adjusting the degree of vaporization of the fuel used here (also for the correction coefficient Ktp used in FIG. 8 S6), for example, the characteristics as shown in FIG. 11 are given. That is, the combustion chamber temperature Tcc is obtained as a parameter instead of the cooling water temperature Tw (see the upper part of FIG. 11). Thus, the correction coefficients Ktp1 and Ktp2 are obtained according to the combustion chamber temperature Tcc, which has a strong correlation with the fuel vaporization degree in the combustion chamber, and the basic fuel injection amount Qf0 is corrected according to the fuel vaporization degree by using the correction coefficients Ktp1 and Ktp2. As a result, the calculation accuracy of the fuel injection amounts Qfb1 and Qfb2 in the divided injection can be further improved.
[0061]
In S25, the first fuel injection timing ITb1 in the divided injection is set. Unlike the first embodiment, the first fuel injection timing ITb1 is calculated as a function of the combustion chamber temperature Tcc. For example, as shown in FIG. 12, the initial value of ITb1 is the intake top dead center, and the retarded angle increases as the combustion chamber temperature Tcc increases within the range in which the injected substantially hollow conical fuel spray is directed to the lower
[0062]
In S26, the second fuel injection timing ITb2 in the split injection is set in the same manner as in the first embodiment in accordance with the engine speed NE and the target torque TTC. However, unlike the first embodiment, the second fuel injection timing ITb2 is set within a range in which the injected substantially conical fuel spray is directed toward the upper bottom wall surface 9f.
[0063]
In S14 and S15, the first fuel injection amount Qfb1, the first fuel injection timing ITb1, the second fuel injection amount Qfb2, and the second fuel injection timing ITb2 set in this way are used, and in the vicinity of the intake top dead center. Stratified combustion is realized by executing the first fuel injection in the split injection and the second fuel injection in the split injection in the compression stroke.
[0064]
Second Embodiment (Claims) 2 According to the invention), when the combustion chamber temperature Tcc is lower than the predetermined value LTcc, the fuel spray injected in a substantially hollow conical shape is directed toward the lower
[0065]
Second Embodiment (Claims) 3 According to the invention described in FIG. 8, when the combustion chamber temperature Tcc (engine temperature) is lower than the predetermined value LTcc, split injection is performed (FIG. 8, S22, S9, S10, S23, S24, S25, S26, S14, S15). ) In the fuel injection only in the compression stroke, vaporization of the injected fuel is not promoted and a doughnut-shaped air-fuel mixture is formed, so that even in the low temperature at which stable stratified combustion is difficult to realize, It becomes possible to form one homogeneous air-fuel mixture in the sky, and stratified combustion can be stably performed even when the combustion chamber temperature Tcc becomes low during the operation after the engine warm-up is completed.
[0066]
When the combustion chamber temperature Tcc is lower than the predetermined value LTcc, the higher the combustion chamber temperature Tcc, the shorter the time until the fuel attached to the upper bottom wall surface 9f evaporates and the diffusion of the vaporized fuel proceeds. Even when the combustion chamber temperature Tcc is high, at the same fuel injection timing ITb1 in the vicinity of the intake top dead center as when the combustion chamber temperature Tcc is low, it becomes impossible to keep the air-fuel mixture as an appropriate air mass. Embodiment (Claims) 4 The fuel injection timing ITb1 in the vicinity of the intake top dead center is delayed as the combustion chamber temperature Tcc increases (see FIG. 12), so that the fuel is injected in the vicinity of the intake top dead center. According to the time until the fuel is vaporized, it is possible to keep the air-fuel mixture in the sky above the
[0067]
When the combustion chamber temperature Tcc is lower than the predetermined value LTcc, the higher the combustion chamber temperature Tcc, the higher the degree of vaporization of the fuel adhering to the lower
[0068]
Among engine temperatures, the temperature in the combustion chamber has a strong correlation with the degree of fuel vaporization in the combustion chamber, and the second embodiment (claims) 6 According to the invention described in (1), the combustion chamber temperature Tcc is estimated, and when the temperature Tcc is lower than the predetermined value LTcc, the divided injection is performed. Therefore, the determination accuracy of whether or not the divided injection is performed is improved.
[0069]
When the combustion chamber temperature Tcc is lower than the predetermined value LTcc, the higher the combustion chamber temperature Tcc, the shorter the time until the fuel adhering to the lower
[0070]
Next, the flowchart of FIG. 14 is for performing fuel injection control at the start based on the temperature in the combustion chamber of the third embodiment. In addition, the same step number is attached | subjected to the part same as FIG. 8 of 2nd Embodiment.
[0071]
In S31, the ignition key switch is switched from the off position to the on position. When the ignition key switch is turned to the starter activation position, the starter is activated and the engine starts cranking. In S32, cylinder discrimination is performed using a signal from the
[0072]
In S34, the target torque TTC is calculated according to the coolant temperature Tw and the engine speed NE, and in S3, the target equivalent ratio TFBYA is obtained from the target torque TTC and the engine speed NE.
[0073]
In S35, a basic fuel injection amount Qf0 is calculated. The basic fuel injection amount Qf0 may be basically calculated by the same method as in FIG. 2S4. However, the intake air amount QM cannot be detected due to the inrush current of the
[0074]
In S36, the combustion chamber temperature Tcc is estimated. The combustion chamber temperature Tcc shows a tendency as shown in FIG. 15 according to the starting water temperature Tws and the number of cycles Ncyl of each cylinder from the first explosion. It is stored in the internal memory and estimated by referring to the map data from the starting water temperature Tws and the cycle number Ncyl of each cylinder from the first explosion.
[0075]
In S37 and S38, the combustion chamber temperature Tcc and the predetermined value LTcc are compared, and the fuel pressure Pf and the predetermined value LPf are compared. The predetermined value LTcc is the same as the predetermined value LTcc used in FIG. 8S22, and the predetermined value LPf is the same as the predetermined value LPf used in FIG. 2S5. S9, S10, S23, S24, S25, S26, S14 when the combustion chamber temperature Tcc is lower than the predetermined value LTcc and when the fuel pressure Pf is lower than the predetermined value LPf even if the combustion chamber temperature Tcc is equal to or higher than the predetermined value LTcc. , S15, that is, split injection in the vicinity of the intake top dead center (the initial stage of the intake stroke) and the compression stroke is performed to realize stratified combustion.
[0076]
When the combustion chamber temperature Tcc is equal to or higher than the predetermined value LTcc and the fuel pressure Pf is equal to or higher than the predetermined value LPf, the fuel injection control at the time of start shown in FIG. 14 is terminated, and thereafter, after the start shown in FIGS. Transition to fuel injection control.
[0077]
Even when the temperature Tcc of the combustion chamber is lower than the predetermined value LTcc at the time of cold start, when fuel injection is performed only once in the compression stroke, only a donut-like air-fuel mixture is formed, and stable stratified combustion is realized. Although difficult, according to the third embodiment, prior to the compression stroke injection, 1 near the intake top dead center is set so that the injected substantially hollow conical fuel spray is directed to the lower
[0078]
In the second and third embodiments, the combustion chamber temperature Tcc is estimated, the temperature Tcc is determined by (1) whether or not to perform split injection, and (2) the setting of fuel injection amounts Qfb1 and Qfb2 in split injection, {Circle around (3)} The case of using the first fuel injection timing ITb1 in split injection has been described. However, since the piston crown surface temperature can be estimated by the same method as the combustion chamber temperature, the temperature of the combustion chamber is changed. The piston crown surface temperature can be used. Also, it is conceivable that the piston crown surface temperature changes depending on the vaporization degree of the adhered fuel, and the combustion chamber temperature changes depending on the vaporization degree of the fuel injected from the fuel injection valve. By estimating, the fuel injection control according to the present invention can be performed with higher accuracy.
[0079]
Although the third embodiment has been described as applied to the engine having the configuration shown in FIG. 7, the third embodiment can also be applied to the engine having the configuration shown in FIG. 1.
[0080]
The present invention is not only applicable to the engine having the configuration shown in FIGS. 1 and 7, but can also be applied to the engine having the configuration described in JP-A-11-82028. A similar effect can be obtained.
[0082]
The function of the injection execution means described in claim 1 is performed by S9 to S15 in FIG. 2 and by S9, S10, S23, S24, S25, S26, S14, and S15 in FIGS.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an engine according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart for explaining fuel injection control based on fuel pressure in the first embodiment.
FIG. 3 is a characteristic diagram of a correction coefficient corresponding to the degree of fuel vaporization during a single compression stroke injection.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between two target equivalent ratios and total target equivalent ratios in split injection.
FIG. 5 is a characteristic diagram of a correction coefficient corresponding to the degree of fuel vaporization during split injection.
FIG. 6 is a model diagram showing the behavior of fuel and air-fuel mixture formation in the combustion chamber of the first embodiment.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of an engine according to a second embodiment.
FIG. 8 is a flowchart for explaining fuel injection control based on the temperature in the combustion chamber of the second embodiment.
FIG. 9 is a characteristic diagram of combustion chamber temperature.
FIG. 10 is a characteristic diagram showing the relationship between fuel vaporization rate and combustion chamber temperature.
FIG. 11 is a characteristic diagram of a correction coefficient corresponding to the degree of fuel vaporization during split injection according to the second embodiment.
FIG. 12 is a characteristic diagram of the first fuel injection timing in split injection.
FIG. 13 is a model diagram showing the behavior of fuel and air-fuel mixture formation in the combustion chamber of the second embodiment.
FIG. 14 is a flowchart for explaining fuel injection control at the start based on the temperature in the combustion chamber of the third embodiment.
FIG. 15 is a characteristic diagram of the temperature in the combustion chamber immediately after starting.
[Explanation of symbols]
3 Combustion chamber
8 Piston
9 cavity
9a wall surface
9b Bottom wall
9c Lower peripheral wall
9d Upper peripheral wall
9e Lower bottom wall
9f Upper bottom wall
11 Fuel injection valve
12 Spark plug
25 Engine controller
Claims (10)
前記ピストンの冠面に、略円筒状の周壁面とこの周壁面に滑らかに接続される底壁面とを有するキャビティを形成し、
前記点火プラグを前記底壁面の中央真上近傍に配置し、
前記燃料噴射弁より燃焼室の上部より略中空円錐状に燃料を噴射させると共に、前記燃料噴射弁からの燃料噴射を吸気上死点近傍と圧縮行程との2回に分けた分割噴射を行わせる噴射実行手段を
備え、
前記略中空円錐状に噴射された燃料の噴霧が前記底壁面のほぼ中央位置を指向するように前記吸気上死点近傍での燃料噴射を、また、前記略中空円錐状に噴射された燃料の噴霧が前記底壁面の径方向外側周辺を指向するように前記圧縮行程での燃料噴射を行わせ、
前記吸気上死点近傍での燃料噴射により前記キャビティの中心部上空付近に第1の混合気塊を形成し、そのあとの前記圧縮行程での燃料噴射により第2の混合気塊をドーナツ状に形成し、このドーナツの孔の部分を前記第1の混合気塊が埋めることにより全体としてキャビティの上空に1つの均質な混合気塊を形成する
ことを特徴とする筒内直接噴射式火花点火エンジンの燃料噴射制御装置。In a cylinder direct injection spark ignition engine comprising a piston, a fuel injection valve that is provided at a substantially central position of the fuel chamber ceiling with the injection center direction being vertically downward, and injects fuel directly into the combustion chamber, and an ignition plug,
Forming a cavity having a substantially cylindrical peripheral wall surface and a bottom wall surface smoothly connected to the peripheral wall surface on the crown surface of the piston;
The spark plug is disposed in the vicinity of the center wall of the bottom wall,
The fuel is injected from the fuel injection valve in a substantially hollow conical shape from the upper part of the combustion chamber, and the fuel injection from the fuel injection valve is divided into two parts, that is, the vicinity of the intake top dead center and the compression stroke. Equipped with an injection execution means ,
The fuel injection in the vicinity of the intake top dead center is set so that the spray of the fuel injected in the substantially hollow conical shape is directed to the substantially central position of the bottom wall surface, and the fuel injected in the substantially hollow conical shape Fuel injection in the compression stroke is performed so that the spray is directed around the radially outer side of the bottom wall surface;
A first air-fuel mixture is formed in the vicinity of the center of the cavity by fuel injection near the intake top dead center, and a second air-fuel mixture is formed into a donut shape by fuel injection in the subsequent compression stroke. An in-cylinder direct injection characterized by forming a uniform air-fuel mixture over the cavity as a whole by filling and filling the hole portion of the donut with the first air-fuel mixture Fuel ignition control system for a spark ignition engine.
略円筒状の下方周壁面と、
この下方周壁面に滑らかに接続される下方底壁面と、
前記下方周壁面よりも上方にあって前記下方周壁面よりも大きな径の略円筒状の上方周壁面と、
この上方周壁面に滑らかに接続されるリング状の上方底壁面と
を有し、
前記略中空円錐状に噴射された燃料の噴霧が前記下方底壁面を指向するように前記吸気上死点近傍での燃料噴射を、また前記略中空円錐状に噴射された燃料の噴霧が前記上方底壁面を指向するように前記圧縮行程での燃料噴射を行わせる
ことを特徴とする請求項1に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンの燃料噴射制御装置。 The cavity is
A substantially cylindrical lower peripheral wall surface;
A lower bottom wall surface smoothly connected to the lower peripheral wall surface;
A substantially cylindrical upper peripheral wall surface above the lower peripheral wall surface and having a larger diameter than the lower peripheral wall surface;
A ring-shaped upper bottom wall surface smoothly connected to the upper peripheral wall surface;
Have
The fuel spray in the vicinity of the intake top dead center is set so that the fuel spray injected in the substantially hollow cone shape is directed to the lower bottom wall surface, and the fuel spray injected in the substantially hollow cone shape is in the upper direction. The fuel injection control device for a direct injection spark ignition engine according to claim 1 , wherein fuel injection is performed in the compression stroke so as to be directed toward a bottom wall surface .
前記噴射実行手段は、前記ピストンが吸気上死点近傍にあるとき1回目の噴射を行うと共に圧縮行程中であって前記ピストンが前記1回目の噴射実行時より低い位置にあるとき2回目の噴射を行う分割噴射を行わせ、
前記吸気上死点近傍での燃料噴射により前記キャビティの中心部上空付近に第1の混合気塊を形成し、そのあとの前記圧縮行程での燃料噴射により第2の混合気塊をドーナツ状に形成し、このドーナツの孔の部分を前記第1の混合気塊が埋めることにより全体としてキャビティの上空に1つの均質な混合気塊を形成する
ことを特徴とする筒内直接噴射式火花点火エンジンの燃料噴射制御装置。 A combustion chamber provided with a piston formed with a cavity having a substantially cylindrical peripheral wall surface and a bottom wall surface smoothly connected to the peripheral wall surface, and an injection center direction vertically downward at a substantially central position of the fuel chamber ceiling A fuel injection valve that injects fuel in a substantially conical shape from the top of the cylinder toward the cavity, a spark plug that is disposed near the center of the bottom wall surface, and an injection execution that controls injection from the fuel injection valve In-cylinder direct injection spark ignition engine comprising means,
The injection execution means performs the first injection when the piston is in the vicinity of the intake top dead center, and performs the second injection when the piston is in the compression stroke and is at a lower position than when the first injection is performed. To perform split injection,
A first air-fuel mixture is formed in the vicinity of the center of the cavity by fuel injection near the intake top dead center, and a second air-fuel mixture is formed into a donut shape by fuel injection in the subsequent compression stroke. formed, this donut hole portion said first mixture mass as a whole in the cylinder you and forming one homogenous mixture mass in high over the cavity direct injection spark ignition by filling the Engine fuel injection control device.
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