JP4155242B2 - 筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、筒内に燃料を直接に噴射する筒内直接噴射式火花点火内燃機関に関し、特に、その噴射時期および点火時期の制御に関する。

特許文献１には、排気浄化用の触媒コンバータが活性温度よりも低い未暖機状態にあるときに、圧縮行程中に燃料噴射を行い、かつ、点火時期を圧縮上死点よりも遅角させる技術が開示されている。
特開２００１−３３６４６７号公報

内燃機関冷機時の触媒の早期活性化を図るべく排気ガス温度を昇温させるとともにＨＣを低減するためには、点火時期をなるべく大きく遅角させることが望ましいが、点火時期を大幅に遅角すると、燃焼安定度が悪化するため、燃焼安定度の観点から定まるある限界よりも遅角することはできない。上記従来の技術では、特に冷機時のような条件下において、安定した燃焼の確保が難しく、燃焼安定度から定まる点火時期の遅角限界が比較的進み側にあり、十分な点火時期の遅角を実現することができない。

この発明は、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えるとともに、点火プラグを備えてなる筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、所定の運転状態のとき、例えば冷機時のような排気ガス温度の昇温が必要な場合などに、燃料噴射を、噴射開始時期が圧縮上死点前で噴射終了時期が圧縮上死点後となるように圧縮上死点を跨ぐ期間に行い、かつ、上記噴射開始時期から遅れた圧縮上死点後に点火を行うとともに、負荷が大きいほど上記噴射開始時期を進角側とすることを特徴としている。

図１は、本発明の燃料噴射期間および点火時期を筒内圧変化とともに例示したものであり、噴射開始時期ＩＴＳが圧縮上死点（ＴＤＣ）前、噴射終了時期ＩＴＥが圧縮上死点（ＴＤＣ）後となる。その間の噴射期間Ｔの長さは、噴射量に相当する。点火時期ＡＤＶは、圧縮上死点（ＴＤＣ）後であり、噴射開始時期ＩＴＳから所定クランク角（例えば１５°ＣＡ〜２０°ＣＡ）遅れた時期となる。この遅れ期間Ｄは、一般に、燃料噴射弁から点火プラグまでの距離に相関する。

図２は、内燃機関の１サイクル中のピストンストロークによるピストン位置変化量と燃焼室の体積変化量とを示したものである。図示するように、単位クランク角当たりの変化量は、ストロークの中間位置付近で最も大きく、下死点（ＢＤＣ）付近ならびに上死点（ＴＤＣ）付近では、非常に小さい。従って、本発明で燃料噴射を行う圧縮上死点付近は、ピストン位置変化や体積変化が非常に小さく、ピストンの動き等に影響されない安定した場が形成され得る。

また、筒内には、吸気行程において、スワール流やタンブル流といった比較的大きな流れのガス流動が発生し、圧縮行程においても残存しているが、このようなスワール流やタンブル流といった大きな流れは、ピストンが圧縮上死点付近に達して燃焼室が狭小なものとなると、急激に崩壊する。図３は、種々の機関回転数の下での燃焼室内の大きな流れの流速変化を示したものであり、図示するように、回転数に応じた強さのスワール流ないしタンブル流が発生するが、圧縮上死点（３６０°ＣＡ）に達する前に、急激に崩壊する。従って、本発明において圧縮上死点付近で噴射された燃料噴霧は、スワール流やタンブル流のような大きな流れにより動かされることがなく、点火プラグに対し、常に安定した形で噴霧を形成することが可能である。

一方、上記のスワール流やタンブル流といった比較的大きな流れのエネルギは、その流れの崩壊に伴って、微小な乱れへと遷移する。従って、燃焼室内の微小な乱れは、圧縮上死点の直前に、急激に増大する。図４は、図３に示した流れの崩壊に伴って生じる微小な乱れの強さを、流速に換算していわゆる乱れ流速として示したものであり、図示するように、圧縮上死点直前に、乱れが大きく増加する。このような微小な乱れは、燃焼場の活性化に寄与し、燃焼改善作用が得られる。

つまり、燃料が噴射される圧縮上死点付近での燃焼室内の場は、噴霧を動かしてしまうような大きな流れが存在せず、かつ燃焼を活発化させる微小な乱れが多く存在し、しかも、ピストンの動きに対し非常に安定した場となる。従って、圧縮上死点よりも遅角した点火時期でもって、安定した燃焼が可能であり、燃焼安定度の上で制限される点火時期の遅角限界が、より遅角側となる。そのため、点火時期の大幅な遅角により、排気ガス温度を大幅に昇温させることができ、かつＨＣ排出量が低減する。

ここで、上記のように圧縮上死点付近で燃料を噴射するためには、圧縮上死点付近での高い筒内圧に対抗し得るように十分に高い燃圧が必要となるが、吸入空気量が増大する高負荷時には、低負荷時よりもさらに筒内圧が上昇するので、噴霧形成がより難しくなる。図５は、低負荷時の筒内圧変化と高負荷時の筒内圧変化とを対比して示したものであり、負荷上昇に伴って、特に圧縮上死点付近での筒内圧の上昇が顕著となる。これに対し、本発明では、特に、負荷が大きいほど噴射開始時期が進角側に設定されるため、高負荷時には、筒内圧が過度に高くなる前に、燃料噴射が開始される。一旦燃料噴射が開始されると、燃料噴射弁から高速で噴出する燃料噴霧によって、その後側で圧力低下が生じるため、後続の燃料噴霧は筒内圧に妨げられずにより容易に噴射が可能となる。つまり、噴射開始時期から圧縮上死点へ向かってさらに筒内圧が上昇するが、噴射開始後の筒内圧がかなり高くなったとしても、噴霧形成に及ぼす影響は少ない。従って、負荷に拘わらずに安定した噴霧形成ひいては安定した燃焼が可能となる。

また本発明では、負荷に応じて異なる筒内圧の特性に対し、噴射開始時期のときの筒内圧が負荷によらずに等しくなるように、負荷に応じて噴射開始時期が制御される。つまり、負荷が高くなって吸入空気量が増大すると、圧縮行程中の筒内圧は、より高くなるが、低負荷時の噴射開始時期における筒内圧と同じ筒内圧となる時点に、噴射開始時期が設定される。これにより、負荷変化による筒内圧の高低の影響が相殺される。なお、この場合、噴射終了時期は、燃料噴射量つまり噴射期間によって定まるので、必ずしも一定とはならない。

この発明によれば、点火時期を圧縮上死点よりも大幅に遅角させた状態で安定した燃焼を得ることができ、例えば内燃機関の冷機時に、排気ガス温度を昇温させて触媒の早期活性化を図ることができるとともに、ＨＣ排出量の低減が可能となる。そして、特に、高負荷時には低負荷時よりも噴射開始時期が進角するので、負荷に拘わらずに安定した噴霧形成ひいては安定した燃焼を実現できる。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図６〜図８は、この発明が適用される筒内直接噴射式火花点火内燃機関の一実施例を示しており、特に、図６，図７は、一つの気筒の構成を示し、図８は機関全体のシステム構成を示している。

図６，図７に示すように、シリンダブロック１に形成されたシリンダ２にピストン３が摺動可能に配置されているとともに、シリンダブロック１上面に固定されたシリンダヘッド４と上記ピストン３との間に、燃焼室５が形成されている。上記シリンダヘッド４には、吸気弁６によって開閉される吸気ポート７と、排気弁８によって開閉される排気ポート９と、が形成されている。１つの気筒に対し、一対の吸気弁６と一対の排気弁８とが設けられており、これらの４つの弁に囲まれた燃焼室５天井面中心部に、点火プラグ１０が配置されている。また、この実施例では、運転状態によってタンブル流を強化することができるように、吸気ポート７内に、該吸気ポート７内を上下２つの流路に区画する隔壁１１が設けられているとともに、その下側の流路を上流端で開閉するタンブル制御弁１２が設けられている。当業者には容易に理解できるように、タンブル制御弁１２によって下側の流路を閉塞した状態ではタンブル流が強化され、タンブル制御弁１２を開いた状態ではタンブル流が弱まる。なお、このタンブル制御弁１２は本発明において必ずしも必須のものではなく、省略することも可能であり、また、これに代えて、公知のスワール制御弁を設けるようにしてもよい。

上記シリンダヘッド４の吸気ポート７の下側、より詳しくは一対の吸気ポート７の中間部の位置には、筒内へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁１５が配置されている。この燃料噴射弁１５は、平面図上において図示せぬピストンピンと直交する方向に沿って燃料を噴射するように配置されているとともに、図６の断面図上において、斜め下方を指向して配置されているが、下方への傾斜角は比較的小さく、つまり水平に近い方向へ燃料を噴射する。

一方、ピストン３の頂部は、ペントルーフ型をなす燃焼室５天井面の傾斜に沿った凸部形状をなしているとともに、その中央部に、平面図上において略矩形をなす凹部１６が形成されている。この凹部１６の底面は、タンブル流に沿うように、所定の曲率半径の円弧面ないしは円弧に近似した湾曲面をなしている。

図８に示すように、この実施例の内燃機関は、例えば直列４気筒機関であり、各気筒の排気ポート９が接続された排気通路２１に、排気浄化用の触媒コンバータ２２が設けられており、その上流側に、酸素センサ等の空燃比センサ２３が配置されている。また、各気筒の吸気ポート７が接続された吸気通路２４は、その入口側に、制御信号により開閉される電子制御スロットル弁２５を備えている。上記排気通路２１と上記吸気通路２４との間には、排気還流通路２６が設けられており、その途中に、排気還流制御弁２７が介装されている。また、各気筒のタンブル制御弁１２は、ソレノイドバルブ２８を介して導入される吸入負圧により動作する負圧式タンブル制御アクチュエータ２９によって、一斉に開閉される構成となっている。

また、上記燃料噴射弁１５には、燃料ポンプ３１およびプレッシャレギュレータ３２によって所定圧力に調圧された燃料が、燃料ギャラリ３３を介して供給されている。従って、各気筒の燃料噴射弁１５が制御パルスにより開弁することで、その開弁期間に応じた量の燃料が噴射される。また、各気筒の点火プラグ１０は、イグニッションコイル３４に接続されている。

上記内燃機関の燃料噴射時期や噴射量、点火時期等は、コントロールユニット３５によって制御される。このコントロールユニット３５には、アクセルペダル踏み込み量を検出するアクセル開度センサ３０の検出信号や、クランク角センサ３６の検出信号、空燃比センサ２３の検出信号、冷却水温を検出する水温センサ３７の検出信号、等が入力されている。

上記のように構成された内燃機関においては、暖機が完了した後の状態、例えば冷却水温が８０℃を越えているときには、通常の成層燃焼運転および均質燃焼運転が行われる。すなわち、低速低負荷側の所定の領域では、通常の成層燃焼運転として、基本的にタンブル制御弁１２を閉じた状態の下で、圧縮行程の適宜な時期に燃料噴射が行われ、かつ圧縮上死点前の時期に点火が行われる。なお、この運転モードでは、圧縮上死点前に必ず燃料噴射が終了する。圧縮行程中にピストン３へ向けて噴射された燃料は、凹部１６に沿って旋回するタンブル流を利用して点火プラグ１０近傍へ集められ、ここで点火される。そのため、平均的な空燃比がリーンとなった成層燃焼が実現される。また、高速高負荷側の所定の領域では、通常の均質燃焼運転として、基本的にタンブル制御弁１２を開いた状態の下で、吸気行程中に燃料噴射が行われ、かつ圧縮上死点前のＭＢＴ点において点火が行われる。この場合は、燃料は筒内で均質な混合気となり、基本的に理論空燃比近傍で運転が行われる。

これに対し、内燃機関の冷却水温が８０℃以下のとき、つまり暖機が完了していない状態では、触媒コンバータ２２の活性化つまり温度上昇の促進とＨＣ排出量低減のために、上死点噴射運転とする。この上死点噴射運転では、前述した図１に示したように、噴射開始時期ＩＴＳが圧縮上死点（ＴＤＣ）前、噴射終了時期ＩＴＥが圧縮上死点（ＴＤＣ）後となり、圧縮上死点を跨いで燃料噴射が行われる。点火時期ＡＤＶは、圧縮上死点（ＴＤＣ）後となり、噴射開始時期ＩＴＳから１５°ＣＡ〜２０°ＣＡ遅れた時期に点火される。この遅れ期間の間に、燃料噴霧がちょうど点火プラグ１０付近に到達し、点火プラグ１０付近に可燃混合気を形成するので、確実に着火燃焼に至り、成層燃焼が行われる。このとき、燃料噴射量は、平均的な空燃比が理論空燃比となるように制御される。

前述したように、この上死点噴射運転において燃料が噴射される圧縮上死点付近での燃焼室内の場は、大きな流れの崩壊により噴霧を動かしてしまうような大きな流れが存在せず、かつ大きな流れの崩壊に伴い、燃焼を活発化させる微小な乱れが多く存在し、しかも、ピストンの動きに対し非常に安定した場となる。従って、圧縮上死点を跨いで燃料噴射を行い、かつ点火時期を圧縮上死点よりも遅らせることで、点火時期の大幅な遅角と燃焼安定度の確保とを両立させることが可能となり、排気ガス温度の十分な昇温とＨＣ排出量低減とを達成できる。

ここで、本願発明の参考例では、上記の燃料噴射時期は、負荷の変化に対し、図９に低負荷時の特性と高負荷時の特性とを例示するように、噴射終了時期ＩＴＥが負荷に拘わらずに機関回転数等から定まる一定のクランク角となるように制御され、噴射開始時期ＩＴＳは、この噴射終了時期ＩＴＥと燃料噴射量（噴射時間）とによって逆に算出されるようになっている。従って、同じ機関回転数の下では、負荷が大つまり燃料噴射量が大となると、それに応じて噴射開始時期ＩＴＳが進角する。

図１０に示す本実施例では、噴射開始時期ＩＴＳが噴射終了時期ＩＴＥよりも優先的に決定される。特に、圧縮行程中に上昇していく筒内圧が負荷に拘わらずに所定の値となるときに燃料を噴射し始めるように噴射開始時期ＩＴＳが制御される。従って、噴射終了時期ＩＴＥは、そのときの噴射開始時期ＩＴＳと燃料噴射量とによって定まる。つまり、図１０の（ａ）は、低負荷時および高負荷時の筒内圧変化を対比して示しており、吸入空気量が大となる高負荷時の方が筒内圧がより高くなるが、（ｂ）に噴射時期を示すように、例えば低負荷時における噴射開始時期ＩＴＳのときに筒内圧がある圧力Ｐ１であるとすると、高負荷時における噴射開始時期ＩＴＳのときの筒内圧が同じ圧力Ｐ１となるように、噴射開始時期ＩＴＳが低負荷時よりも進角側に設定される。これは、例えば、負荷（例えば吸入空気量やアクセルペダル開度等）をパラメータとして目標の噴射開始時期ＩＴＳを割り付けた制御マップを用いて、そのときの負荷に対応する噴射開始時期ＩＴＳを検索する方法、などにより実現できる。

本実施例によれば、負荷の高低に拘わらず、同じ筒内圧の下で燃料噴射が開始されるので、噴霧形成がより安定したものとなる。なお、この実施例の場合、負荷変化に対し燃圧は必ずしも一定でなくともよく、例えば、燃料噴射量が多い高負荷時に、燃料噴射期間が過度に長くならないように、低負荷時よりも燃圧を高くする、などの燃圧制御と組み合わせることが可能である。

なお、上記実施例では、燃料噴射弁１５が燃焼室５の側部に配置され、水平に近い方向に燃料を噴射する構成となっているが、これに代えて、燃料噴射弁１５が、一対の吸気弁６と一対の排気弁８とに囲まれた燃焼室５天井面中心部に配置され、垂直に近い角度でピストン３頂面へ向けて燃料を噴射するようにした所謂直上噴射形式の構成とすることも可能である。

本発明の燃料噴射期間および点火時期の一例を示した特性図。 サイクル中のピストン位置変化量と体積変化量の特性図。 大きな流れのサイクル中の変化を示す特性図。 微小な乱れのサイクル中の変化を示す特性図。 低負荷時の筒内圧変化と高負荷時の筒内圧変化とを対比して示した特性図。 筒内直接噴射式火花点火内燃機関の一実施例を示す断面図。 同じく平面図。 この内燃機関全体のシステム構成を示す構成説明図。 負荷に応じた噴射開始時期ＩＴＳの進角の参考例を示す特性図。 負荷に応じた噴射開始時期ＩＴＳの進角の実施例を示す特性図。

符号の説明

３…ピストン
５…燃焼室
１０…点火プラグ
１５…燃料噴射弁

Claims (2)

1. 筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えるとともに、点火プラグを備えてなる筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、所定の運転状態のときに、燃料噴射を、噴射開始時期が圧縮上死点前で噴射終了時期が圧縮上死点後となるように圧縮上死点を跨ぐ期間に行い、かつ、上記噴射開始時期から遅れた圧縮上死点後に点火を行うとともに、負荷が大きいほど上記噴射開始時期を進角側とし、所定の運転状態として、排気ガス温度の昇温が要求されたときに、上記の燃料噴射期間および点火時期に制御し、負荷に応じて異なる筒内圧の特性に対し、噴射開始時期のときの筒内圧が等しくなるように、負荷に応じて噴射開始時期が制御されることを特徴とする筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
2. 平均的な空燃比がほぼ理論空燃比とな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内燃機関の制御装置。

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