JP4161828B2 - Control device for internal combustion engine and knocking suppression method for internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の運転状態を制御する装置に関し、特に、ノッキングの発生を抑制するための装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般にガソリンエンジン(以下、単にエンジンという)では、圧縮比が高くなるほど発生するトルク(出力)も高くなる。しかし、圧縮比が高くなるほどノッキングが発生しやすくなる傾向がある。ノッキングは、点火プラグを起点として伝播する火炎が末端部分に到達する前に、末端部分の未燃ガスが自己着火することによって起きる。
【0003】
このような問題に対し、例えば特許文献1に記載された装置は、燃焼室内に供給された燃料(燃料及び空気の混合気)に点火する際、燃焼室内に高圧の空気を噴射し、点火直前又は点火直後の混合気に乱れを生じさせる。このようにして、点火直前又は点火直後の混合気に乱れを生じさせることにより、燃焼過程にある混合気の界面が乱れ、火炎の伝播速度が速くなる。この結果、ノッキングの発生が抑制される。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−20745号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献1の装置は、高圧の空気を燃焼室内に噴射するために、特殊な装置構成の付加を必要とする。また、高圧の空気の噴射タイミングを極めて緻密に制御する必要がある。
【0006】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、機関出力を高めつつ、ノッキングの発生を効果的に抑制することのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、
(1)本発明は、内燃機関の圧縮行程において当該機関の燃焼室に燃料を直接噴射し、その噴射された燃料に点火して当該機関を運転する内燃機関の制御装置において、前記噴射燃料の高圧化に伴って増大する燃料噴霧の乱れによりノッキングの発生を抑制するとともに、ノッキングが発生する点火時期とMBTとの差が最小となるように前記噴射燃料の噴射時期を決定することを要旨とする。
同構成によれば、内燃機関の圧縮行程において、噴射燃料を高圧化して燃焼室内に直接噴射することにより、噴射される燃料の噴霧の表面が荒れる(燃料噴霧に乱れが発生する)。更に、燃料噴霧の乱れによって、ノッキングが発生する点火時期とMBTとの差が最小となるように、噴射時期が決定されるため、燃料噴霧に沿って拡がる火炎の伝播速度が実質的に高まる。この結果、ノッキングの発生を抑制しつつ点火時期をMBT(Minimum Spark Advance for Best Torque)に近づけることができる。
なお、「噴射燃料の高圧化」とは、噴射燃料の高圧化する制御を行うという意味ではなく、噴射される燃料が高圧になるほど増大する燃料噴霧の乱れを利用することを意味する。例えば、ある程度以上の圧力の燃料を噴射して、燃焼室内のガスに十分高い乱れ強度を発生させれば、本発明特有のノッキング抑制の作用が生じる。ただし当然、十分に高い乱れ強度を発生させるために噴射燃料を高圧化する制御を行ってもよい。
【0008】
(2)他の発明は、内燃機関の燃焼室に燃料の噴霧を形成した後、当該機関の圧縮行程において前記燃焼室内への燃料の直接噴射と前期燃焼室内のガスの点火とを行い、当該機関を運転する内燃機関の制御装置であって、圧縮行程において前記燃焼室内へ直接噴射される燃料の高圧化に伴って増大する燃料噴霧の乱れによりノッキングの発生を抑制するとともに、ノッキングが発生する点火時期とMBTとの差が最小となるように圧縮行程において前記燃焼室へ燃料を直接噴射する時期を決定することを要旨とする。
同構成によっても、内燃機関の圧縮行程において、噴射燃料を高圧化して燃焼室内に直接噴射することにより、噴射された燃料と周囲の空気との衝突により乱れが発生する。この結果、火炎の伝播速度が実質的に高まり、ノッキングの発生を抑制しつつ点火時期をMBTに近づけることができる。
【0009】
(3)内燃機関の円筒形燃焼室の天井面に設けられ該燃焼室内に供給される燃料の点火を行う点火手段と、二方向に向けて噴射された燃料の噴霧が前記燃焼室の内周壁に沿って互いに逆方向に進行して対面した後、前記点火手段に向かうように燃料を二方向に向けて前記燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射手段と、を備えるのが好ましい。
同構成によれば、二方向に噴射された燃料の噴霧が周辺の空気を巻き込みながら噴流となり、燃焼室の内壁面に沿って互いに逆方向に進行した後、対面し(ぶつかり合い)、燃焼室の天井面に沿って点火手段に向かう。燃焼室内のガスが圧縮されるほど、この噴流が燃焼室内のガスに大きな乱れを生じさせる。この乱れの発生により、燃料の点火後、火炎の伝播速度が実質的に高まることで、ノッキングの原因となる末端ガスの自着火が起きる前に、火炎を燃焼室全体に行き渡らせることが容易となる。
【0010】
(4)なお、前記点火手段は、例えば当該機関の円筒形燃焼室の天井面の略中央に設けられる。
【0011】
(5)また、内燃機関の円筒形燃焼室の内周壁及び排気ポートの近傍に設けられ前記燃焼室内に供給される燃料の点火を行う点火手段と、前記燃焼室の内周壁及び吸気ポートの近傍に設けられ前記燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射手段と、を備えるようにしてもよい。
同構成によれば、点火手段を起点として伝播する火炎が、液滴の微粒子化が進み、且つ、乱れ強度の高い燃料噴霧にぶつかることなる。従って、燃焼室内のガスの燃焼が極めて効率的に進み、ノッキングの発生が効果的に抑制される。
【0012】
(6)また、前記噴射燃料を100MPa以上とするのが好ましい。同構成によれば、燃料噴霧に、火炎伝播速度に影響を与える(ひいてはノッキングの発生を抑制する)ために十分大きな乱れが効果的に発生する。
【0013】
(7)前記燃焼室の内壁に設けられ前記噴射される燃料の噴霧に接触する突起を備えるのが好ましい。
同構成によれば、燃焼室内に噴射される燃料の噴霧が突起に接触することにより、燃料噴霧を形成する液滴の微粒子化が促進される。この結果、燃料噴霧の表面に生じる乱れが減衰し難くなる。
【0014】
(8)さらに他の発明は、圧縮行程において燃焼室に直接噴射された燃料に点火することによって機関トルクを発生する内燃機関のノッキングを抑制する方法であって、前記噴射燃料の高圧化に伴って増大する燃料噴霧の乱れによりノッキングの発生を抑制するとともに、ノッキングが発生する点火時期とMBTとの差が最小となるように前記噴射燃料の噴射時期を決定することを要旨とする。
【0015】
(9)なお、このようなノッキング抑制方法において、前記燃料の噴射時期を制御することによって、前記点火を行う時期における前記噴射燃料を高圧化に伴って増大する燃料噴霧の乱れを制御する工程を含むのが好ましい。
【0016】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
以下、本発明を具体化した第1の実施の形態について説明する。
【0017】
〔エンジンの基本構造及び機能〕
図1(a)は、第1の実施の形態にかかる内燃機関の主要部の概略構成を示す側断面図である。同図1(a)に示すように、エンジン1は、吸入行程、圧縮行程、爆発行程(膨張行程)及び排気行程の4サイクルを繰り返して出力を得る内燃機関である。エンジン1は、その内部に円筒形の燃焼室(シリンダ)2を形成する。燃焼室2で発生する燃料(ガソリン)の爆発力は、ピストン3及びコンロッド4を介してクランクシャフト(図示略)の回転力に変換される。また、燃焼室2には、吸気通路5の最下流部をなす吸気ポート5Aと、排気通路6の最上流部をなす排気ポート6Aとが設けられている。吸気ポート5Aと燃焼室2との境界は吸気弁5Bによって開閉される。また、排気ポート6Aと燃焼室2との境界は排気弁6Bによって開閉される。
【0018】
エンジン1は、燃料タンク(図示略)に備蓄された燃料を、少なくとも100MPa以上の超高圧にまで加圧することができる高圧ポンプ(図示略)、高圧ポンプによって加圧された燃料を、超高圧のまま保持する蓄圧室(図示略)等を備える。また、エンジン1は、燃焼室2内に臨む二つの噴口を有する燃料噴射弁10を備える。燃料噴射弁10は、燃焼室2の天井面2bにおける側内壁2aの近傍であって、且つ、吸気ポート5Aの近傍に設けられている。燃料噴射弁10は、蓄圧室に保持された超高圧の燃料を、適宜の量、適宜のタイミングで燃焼室2内に噴射供給する電磁駆動式開閉弁である。燃焼室2内の矢印は、燃料噴射弁10を通じて噴射される燃料の噴霧の進行路を示す(他の図においても同様)。燃料噴射弁10の二つの噴口は、相互に異なる方向に向けられており、燃料噴射弁10の二つの噴口から二方向に向けて噴射された燃料の噴霧は、燃焼室2の窪み3a内を内周壁2aに沿って互いに逆方向に進行する。また、燃焼室2の底面をなすピストン3の頂面には、窪み3aが設けられている。窪み3aは、二方向に向けて噴射された燃料噴霧の進行方向を案内する機能と、燃料噴霧が燃焼室2の内周壁2aに接触し難くすることでボアフラッシングを防止する機能とを有する。
【0019】
また、エンジン1は、燃焼室2の天井面2bのほぼ中央に点火プラグ20を備える。点火プラグ20は、適宜のタイミングで通電され燃焼室2内に電気火花を発生することにより、燃焼室2内の燃料に点火する。
【0020】
エンジン1は、運転者によるアクセルペダル(図示略)の踏込量に応じた信号を出力するアクセルポジションセンサ(図示略)、クランクシャフト(図示略)の回転速度(エンジン回転数)を出力する回転速度センサ、エンジン1内を循環する冷却水の温度(冷却水温)に応じた信号を出力する温度センサ、吸気通路5を通じて燃焼室2に導入される空気の流量(吸入空気量)に応じた信号を出力するエアフロメータ等、各種センサを備える。各種センサの信号は、電子制御ユニット(Electronic Control Unit:ECU)30に入力される。
【0021】
ECU30は、CPU、RAM、ROM等からなる論理演算回路を備え、各種センサの信号に基づいてエンジン1の各種構成要素を統括制御する。例えば、ECU30は、各種センサの信号に基づいて燃料噴射弁10の操作(燃料噴射制御)を行うことにより、適宜の量の燃料を適宜のタイミングで燃焼室2に供給するとともに、適宜のタイミングで点火プラグ20への通電(点火時期制御)を行うことにより、エンジン1の出力を制御する。なお、ECU30によって実行される燃料噴射制御及び点火時期制御を総称して運転制御という。
【0022】
図1(b)は、図1(a)のIB−IB断面を示す上視図であって、とくに燃料噴射弁10から噴射された燃料噴霧の動きを示す図である。同図1(b)において矢印で示すように、燃料噴射弁10の二つの噴口から二方向に向けて噴射される燃料の噴霧は、ピストン3頂面の窪み3a内を内周壁2aに沿って互いに逆方向に進行した後、対面し(ぶつかり合い)、燃焼室2の天井面に沿って点火プラグ20に向かう。なお、本実施の形態では、燃料噴射弁10を用いて二方向の噴霧を形成する例を示したが、このような燃料噴射弁10に代え、スリット状の噴孔を備え、扁平とされた噴霧を形成可能な燃料噴射弁を採用してもよい。
【0023】
〔燃料噴霧の表面の乱れによるノッキング抑制の効果〕
(1)ノッキングと点火時期との関係
ガソリンエンジンは、基本的には以下の燃焼過程に従い出力を発生する。
【0024】
先ず、燃焼室又は吸気ポートに設けられた燃料噴射弁を通じて、燃焼室内に燃料が噴射され、その噴霧が燃焼室内で拡散し、燃料及び空気の混合気を形成する。次に、燃焼室内に設けられた点火プラグが電気火花を発することにより、燃焼室内の混合気が着火し、燃焼する。混合気の燃焼によって燃焼室内の圧力が爆発的に増大し、ピストンを押す力、すなわち機関出力が発生する。
【0025】
図2は、ガソリンエンジンにおける点火時期(点火プラグが電気火花を発する時期)と当該エンジンの発生するトルク(以下、発生トルクという)との一般的な関係を例示するグラフである。同図2に示すように、ガソリンエンジンでは、発生トルクを最大とする点火時期、いわゆるMBT(Minimum Spark Advance for Best Torque)が存在する。図2では、クランク角にして所定の時期(A)に点火を行うことで、発生トルクを最大にできる。一方、通常のエンジンでは、ノッキングが発生する点火時期は、所定値MBTよりも遅角側に存在する。このように、ノッキングが発生する点火時期(B)がMBTよりも遅角側にあるため、ノッキング発生点でエンジンを運転せざるを得ず、MBTまで点火時期を進めることができない。なお、エンジンの圧縮比が高いほど、点火時期MBTは遅角側に移行する傾向がある。点火時期MBTは、機関回転数や機関負荷等によって異なる。ここで、発生トルクを最大にする点火時期(MBT)と、ノッキングが発生する点火時期との差(絶対値)をノック感度ΔSAと定義する。ノック感度ΔSAが小さいほど、ノッキング発生点火時期(B)をMBTに近づけることができ、発生トルクを増大させることができる。
【0026】
(2)超高圧燃料の噴射によるノック感度の縮小
図3は、100MPaの超高圧燃料を燃焼室内に直接噴射するガソリンエンジンにおいて、点火時期と発生トルクとの関係を示すグラフであって、とくに燃料噴射時期(燃料噴射弁から燃料が噴射される時期)が異なる3つの条件に対応するノック感度を、相互に比較したものである。同図3に示すように、点火時期と発生トルクとの関係は、燃料噴射時期を変更してもほとんど変わらない。しかし、燃料噴射時期60°BTDCに対応するノック感度ΔSA1、燃料噴射時期80°BTDCに対応するノック感度ΔSA2、及び燃料噴射時期180°BTDCに対応するノック感度ΔSA3を相互に比較して明らかなように、燃料噴射時期が遅角するほど、ノック感度ΔSAが小さくなる。つまり、燃焼室内に直接燃料を噴射するガソリンエンジンにおいて、燃料噴射時期を遅角させてノック感度ΔSAを小さくすれば、ノッキング発生点火時期を進ませてMBTに近づけることができ、発生トルクを増大させることが可能になる。
【0027】
(3)噴射時期と乱れ強度の推移との関係
超高圧燃料による燃料噴射を行う場合、燃料噴射時期の変更に伴ってノック感度ΔSAが変化する理由について、以下に説明する。
【0028】
図4は、燃焼室内に燃料を直接噴射するガソリンエンジンにおいて、クランク角(時間)の変化に伴う燃焼室内のガスの乱れ強度の推移を示すタイムチャートである。吸気行程において、燃料噴射時期を240°BTDC、燃料の圧力(燃圧)を12MPaとする条件で燃料噴射を行った場合、燃焼室内において乱れ強度はほとんど変化しない(破線)。また、燃料の圧力(燃圧)を12MPaとする条件では、燃料噴射時期を60°BTDCとしても、燃料噴射に伴い乱れ強度は僅かに増大した後、速やかに燃料噴射前のレベルに戻る(破線線)。
【0029】
一方、同図4に示すように、圧縮行程において、燃料噴射時期を60°BTDC、燃料の圧力(燃圧)を100MPaとする条件で燃料噴射を行った場合、燃料噴射に伴って乱れ強度が増大する。乱れ強度は、一旦増大して最大値に達した後、減衰するが、クランク角が0°BTDC近傍(点火時期)に達した時点でも、比較的高いレベルに保持される(実線)。しかし、燃料の圧力(燃圧)を100MPaとする条件で、燃料噴射時期を80°BTDCにまで進角すると、乱れ強度がより早く最大値に達し、その分、より早い時期に減衰する。この結果、クランク角が0°BTDC近傍(点火時期)に達した時点での乱れ強度は、噴射時期を60°BTDCとする場合よりも小さくなる。さらに、燃料噴射時期を180°BTDCにまで進角した場合、クランク角が0°BTDC近傍(点火時期)に達した時点での乱れ強度は、燃料噴射前とほとんど変わらなくなる(二点鎖線)。
【0030】
このように、圧縮行程において、燃料の圧力(燃圧)を100MPaとする条件で燃料噴射を行った場合、燃焼室内のガス(燃料噴霧の表面)に乱れが生じる(ガスの乱れ強度が高まる)。そして、この乱れが残っている間に点火を行えば、点火プラグを起点とし燃料噴霧に沿って拡がる火炎の伝播速度が実質的に速くなり、ノッキングの発生が抑制される(ノック感度ΔSAが小さくなる)と考えられる(図3及び図4を併せ参照)。
【0031】
図5は、エンジン1について、燃料噴射時期の変更に対応する発生トルク(点火時期を最適点火時期に設定した場合の発生トルク)の変化を示すグラフである。同図5に示すように、圧縮行程に燃料噴射を行うことで、吸気行程に燃料噴射を行う場合よりも、発生トルクが高まる。また、圧縮行程において、燃料噴射時期を60°BTDC近傍とすることにより、最も大きな発生トルクを確保することができる。つまり、超高圧燃料を用いて圧縮行程で燃料噴射を行うことで、燃焼室2内に噴射される燃料噴霧の表面に乱れを生じさせ、且つ、燃料噴射時期の調整を通じてその乱れが減衰するタイミングを調整すれば、燃料噴霧が適度に乱れた状態にあるタイミングで、点火を行うことができ、ノック感度ΔSAを最小化することができる。そして、このノック感度ΔSAの最小化に伴い、従来に比べ、実際の点火時期を、発生トルクの最大値に対応する点火時期(図2参照)に近づけることが可能になる。
【0032】
〔運転制御の具体例〕
具体的な運転制御として、エンジン1のECU30は、例えば以下の処理内容(1)〜(4)を含む制御ルーチンを、所定周期で実行すればよい。
【0033】
(1)各種センサの出力に基づいて運転制御に必要な情報(例えばエンジン回転数、アクセルペダルの踏込量等)を取得する。
(2)ノック感度ΔSAを最小にする燃料噴射時期を推定する。
(3)推定された燃料噴射時期に対応する最適点火時期を算出する。
(4)推定された燃料噴射時期に燃料噴射弁10を開弁し、最適点火時期に点火プラグ20に通電する制御を実行する。
【0034】
また、各種センサの出力と、目標となる燃料噴射時期及び点火時期との関係を、制御マップ上に予め設定してもよい。この場合、ECU30は、制御マップを参照することにより、各種センサの出力に基づき一義的に燃料噴射時期及び点火時期を決定する。
【0035】
このような制御構造を図1のような構成を有するエンジン1に適用した第1の実施の形態によれば、燃焼室2内において二方向に噴射された燃料の噴霧が周辺の空気を巻き込みながら噴流となり、ピストン3頂面の窪み3a内を内周壁2aに沿って互いに逆方向に進行した後、対面し(ぶつかり合い)、燃焼室2の天井面2bに沿って点火プラグ20に向かう。燃焼室内のガスが圧縮されるほど、この噴流が燃焼室内のガスに大きな乱れを生じさせる。この乱れの発生により、燃料の点火後、火炎の伝播速度が実質的に高まることで、ノッキングの原因となる末端ガスの自着火が起きる前に、火炎を燃焼室2全体に行き渡らせることが容易となる。この結果、例えばエンジン1の圧縮比を高めたり、点火時期を早めたりしても、ノッキングが起き難くなる。もって、ノッキングの発生を抑制しつつ発生トルクを高めることができる。
【0036】
(第2の実施の形態)
次に、本発明を具体化した第2の実施の形態について、第1の実施の形態と異なる点を中心に説明する。なお、第2の実施の形態において、適用対象となるエンジンのうち、第1の実施の形態にかかるエンジン1(図1参照)の構成要素と同等の構造及び機能を有するものについては、同一の部材番号を付して、ここでの重複する説明は省略する。
【0037】
図6(a)は、第2の実施の形態にかかるエンジン1Aの主要部の概略構成を示す側断面図であり、図6(b)は、同エンジン1Aの気筒内部を示す上視図である。図6(a)及び図6(b)に示すように、エンジン1Aは、気筒(燃焼室)2の天井面2b側部、又は側内壁2aに突起2cを備える。突起2cは、例えばチタン等、比較的熱伝導度の高い金属材料又は合金材料で構成するのが好ましい。また、燃料噴射弁10に設けられる二つの噴口の向き及び配置は、各噴口から噴射される燃料の噴霧が、点火プラグ20に向かって進行する過程で、突起2cに接触するように設定される。このようなエンジン1Bにおいて、ECU30は、第1の実施の形態と同様の運転制御を行う。
【0038】
第2の実施の形態によれば、圧縮行程において燃焼室2内に噴射される燃料の噴霧が突起2cに接触することにより、燃料噴霧を形成する液滴の微粒子化が促進される。この結果、燃料噴霧の表面に生じる乱れが減衰し難くなる。すなわち、この乱れによるノッキング抑制の効果が、一層高められる。
【0039】
(第3の実施の形態)
次に、本発明を具体化した第2の実施の形態について、第1の実施の形態と異なる点を中心に説明する。なお、第2の実施の形態において、適用対象となるエンジンのうち、第1の実施の形態にかかるエンジン1(図1参照)の構成要素と同等の構造及び機能を有するものについては、同一の部材番号を付して、ここでの重複する説明は省略する。
【0040】
図7は、第3の実施の形態にかかるエンジン1Bの主要部の概略構成を示す側断面図である。同図7に示すように、第3の実施の形態にかかるエンジン1Bは、燃焼室2内にその噴孔を臨ませる燃料噴射弁(以下、第1燃料噴射弁という)10に加え、吸気ポート5A内にその噴孔を臨ませる第2燃料噴射弁11を備える点で、第1の実施の形態と異なる。第2燃料噴射弁11は、適宜の量の燃料を、適宜のタイミングで吸気ポート内に噴射供給する電磁駆動式開閉弁であり、第1燃料噴射弁10と同様、ECU30の指令信号に従って開閉動作する。
【0041】
本実施の形態にかかるエンジン1BのECU30は、エンジン1Bの運転制御として、第1燃料噴射弁10、第2燃料噴射弁11及び点火プラグ20を、以下の手順(1)、(2)、(3)に従って操作する。
【0042】
(1)先ず、吸気行程において、第2燃料噴射弁11を通じて吸気ポート5A内に燃料を噴射する。この結果、燃焼室2内において燃料の噴霧が拡散し、ほぼ均一に分布する。
(2)圧縮行程においては、第1燃料噴射弁10を通じ燃焼室2内に超高圧燃料を噴射する。ここで、第1燃料噴射弁10を通じて供給される燃料の量と、第2燃料噴射弁11を通じて供給される燃料の量との総計が、エンジン1に要求されるトルクを発生するために必要十分な燃料の量となるように、各燃料噴射弁10,11を通じて噴射される燃料の量を調整する。
(3)点火プラグ20に通電し、点火を行う。
【0043】
なお、上記運転制御を行うに際し、ECU30が、ノック感度ΔSAができるだけ小さくなるように第1燃料噴射弁10の動作タイミング(燃料噴射時期)を決定し、且つ、MBTに点火を行うことが好ましい点については、第1の実施の形態と同様である。
【0044】
第3の実施の形態によっても、ノッキングの発生を抑制しつつ、発生トルクを増大させることが可能となる。
【0045】
(第4の実施の形態)
次に、本発明を具体化した第4の実施の形態について、第1の実施の形態と異なる点を中心に説明する。なお、第4の実施の形態において、適用対象となるエンジンのうち、第1の実施の形態にかかるエンジン1(図1参照)の構成要素と同等の構造及び機能を有するものについては、同一の部材番号を付して、ここでの重複する説明は省略する。
【0046】
図8には、第4の実施の形態にかかるエンジン1Cの主要部の概略構成を示す側断面図である。第1の実施の形態にかかるエンジン1は、燃焼室2の天井面2bの中央部付近に点火プラグ20を備える(図1参照)。これに対し、第4の実施の形態にかかるエンジン1Cは、燃焼室2の天井面2bにおける側内壁2aの近傍であって、且つ、排気ポート6Aの近傍に点火プラグ20を備える。また、燃料噴霧を燃焼室2の側内壁2aに沿って進行させた後、天井面2b沿いに進行させ点火プラグ20に到達させる構成(第1の実施の形態の構成:図1参照)に比べ、エンジン1Cでは、燃料噴霧がピストン頂面の窪み3aから直接点火プラグ20近傍に向かうように、燃料噴射弁10の噴口の向き及び配置や、ピストン3の頂面に形成される窪み3aの形状等を設定する。なお、第1の実施の形態においては、燃料噴霧がピストン3の往復動作方向(軸)に直交する平面に沿って進行する傾向が強いのに対し、第4の実施の形態においては、燃料噴霧がピストン3の軸に沿って進行する傾向が強い。
【0047】
このようなエンジン1Bにおいて、ECU30は、第1の実施の形態と同様の運転制御を行う。
【0048】
第4の実施の形態によれば、燃料噴霧がピストン3の頂面から受ける熱量が大きくなるため、燃料噴霧を形成する液滴の微粒子化が促進される。また、点火プラグ20を起点として伝播する火炎が、ピストン頂面の窪み3a′から巻き上げられた燃料噴霧とぶつかる。この窪み3a′から巻き上げられた燃料噴霧(窪み3a′のほぼ直上の燃料噴霧)は、燃料噴射弁10の噴口からの距離が比較的短く、乱れ強度が高い。
【0049】
この結果、点火プラグ20を起点として伝播する火炎が、液滴の微粒子化が進み、且つ、乱れ強度の高い燃料噴霧にぶつかることなる。従って、燃焼室2内のガスの燃焼が極めて効率的に進み、ノッキングの発生が効果的に抑制される。
【0050】
なお、上記各実施の形態においては、点火時期の近傍で、燃焼室2内のガスに適度な乱れ強度が確保されるために、燃料噴射時期と点火時期とを制御することにした。これに限らず、燃料噴射弁10を通じて噴射される超高圧燃料の圧力を可変制御することにより、燃焼室2内におけるガスの乱れ強度の大きさを制御し、ノッキングの抑制効果を高めるようにようにしてもよい。
【0051】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、噴射燃料の高圧化に伴って増大する燃料噴霧の乱れにより、燃焼室内における火炎の伝播速度が実質的に高まる。この結果、ノッキングの発生を抑制しつつ内燃機関の発生トルクを高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施の形態にかかる内燃機関の主要部の概略構成を示す側断面図等。
【図2】 ガソリンエンジンにおける点火時期と発生トルクとの一般的な関係を例示するグラフ。
【図3】 超高圧燃料を燃焼室内に直接噴射するガソリンエンジンにおいて、点火時期と発生トルクとの関係を示すグラフ。
【図4】 燃焼室内に燃料を直接噴射するガソリンエンジンにおいて、クランク角(時間)の変化に伴う燃焼室内のガスの乱れ強度の推移を示すタイムチャート。
【図5】 燃料噴射時期の変更に対応する発生トルクの変化を示すグラフ。
【図6】 本発明の第2の実施の形態にかかる内燃機関の主要部の概略構成を示す側断面図等。
【図7】 本発明の第3の実施の形態にかかる内燃機関の主要部の概略構成を示す側断面図。
【図8】 本発明の第4の実施の形態にかかる内燃機関の主要部の概略構成を示す側断面図。
【符号の説明】
1 エンジン(内燃機関)
2 燃焼室
3 ピストン
5 吸気通路
5A 吸気ポート
5B 吸気弁
6 排気通路
6A 排気ポート
6B 排気弁
10 燃料噴射弁(超高圧燃料噴射用)
11 第2燃料噴射弁
20 点火プラグ(点火手段)
30 電子制御ユニット(ECU)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for controlling the operating state of an internal combustion engine, and more particularly to an apparatus for suppressing the occurrence of knocking.
[0002]
[Prior art]
In general, in a gasoline engine (hereinafter simply referred to as an engine), the torque (output) generated increases as the compression ratio increases. However, knocking tends to occur more easily as the compression ratio becomes higher. Knocking occurs when unburned gas at the end portion self-ignites before the flame propagating from the spark plug reaches the end portion.
[0003]
In response to such a problem, for example, the apparatus described in
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2001-20745 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the device of
[0006]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a control device for an internal combustion engine that can effectively suppress the occurrence of knocking while increasing the engine output. There is to do.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above objective,
(1) The present invention provides a control device for an internal combustion engine that directly injects fuel into a combustion chamber of the engine during a compression stroke of the internal combustion engine and ignites the injected fuel to operate the engine. Due to the turbulence of fuel spray that increases as pressure increasesWhile suppressing the occurrence of knocking,The difference between the ignition timing at which knocking occurs and MBT is minimized.BeforeThe gist is to determine the injection timing of the injected fuel.
According to this configuration, in the compression stroke of the internal combustion engine, the injected fuel is increased in pressure and directly injected into the combustion chamber, whereby the spray surface of the injected fuel becomes rough (disturbance occurs in the fuel spray). Further, since the injection timing is determined so that the difference between the ignition timing at which knocking occurs and MBT is minimized due to the disturbance of the fuel spray, the propagation speed of the flame spreading along the fuel spray is substantially increased. As a result, the ignition timing can be brought close to MBT (Minimum Spark Advance for Best Torque) while suppressing the occurrence of knocking.
Note that “increasing the pressure of the injected fuel” does not mean that the control for increasing the pressure of the injected fuel is performed, but means that the disturbance of the fuel spray that increases as the injected fuel becomes higher is used. For example, if a fuel having a pressure of a certain level or more is injected to generate a sufficiently high turbulence intensity in the gas in the combustion chamber, the knocking suppression action unique to the present invention occurs. However, naturally, control for increasing the pressure of the injected fuel may be performed in order to generate a sufficiently high turbulence intensity.
[0008]
(2) In another invention, after forming a fuel spray in a combustion chamber of an internal combustion engine, direct injection of fuel into the combustion chamber and ignition of gas in the previous combustion chamber are performed in a compression stroke of the engine, A control device for an internal combustion engine that operates an engine, which is caused by disturbance of fuel spray that increases with an increase in pressure of fuel directly injected into the combustion chamber in a compression stroke.While suppressing the occurrence of knocking,The difference between the ignition timing at which knocking occurs and MBT is minimized.PressureThe gist of the present invention is to determine the timing for directly injecting fuel into the combustion chamber in the contraction stroke.
Even in this configuration, in the compression stroke of the internal combustion engine, the injected fuel is increased in pressure and directly injected into the combustion chamber, so that the turbulence occurs due to the collision between the injected fuel and the surrounding air. As a result, the propagation speed of the flame is substantially increased, and the ignition timing can be brought close to MBT while suppressing the occurrence of knocking.
[0009]
(3) An ignition means provided on the ceiling surface of the cylindrical combustion chamber of the internal combustion engine for igniting the fuel supplied into the combustion chamber, and the spray of fuel injected in two directions is the inner peripheral wall of the combustion chamber And injecting the fuel directly into the combustion chamber with the fuel directed in two directions so as to face the ignition means.
According to this configuration, the spray of fuel injected in two directions becomes a jet while entraining the surrounding air, travels in opposite directions along the inner wall surface of the combustion chamber, then faces each other (collision), and the combustion chamber Head toward the ignition means along the ceiling surface. The more the gas in the combustion chamber is compressed, the more the turbulence is generated in the gas in the combustion chamber. Due to the occurrence of this turbulence, the propagation speed of the flame is substantially increased after ignition of the fuel, so that it is easy to spread the flame throughout the combustion chamber before the self-ignition of the end gas that causes knocking occurs. Become.
[0010]
(4) The ignition means is provided at substantially the center of the ceiling surface of the cylindrical combustion chamber of the engine, for example.
[0011]
(5) An ignition means provided near the inner peripheral wall and exhaust port of the cylindrical combustion chamber of the internal combustion engine for igniting fuel supplied to the combustion chamber; and an inner peripheral wall of the combustion chamber and the vicinity of the intake port And a fuel injection means for directly injecting fuel into the combustion chamber.
According to this configuration, the flame propagating from the ignition means starts to drop into droplets and hits a fuel spray with high turbulence intensity. Therefore, the combustion of the gas in the combustion chamber proceeds very efficiently, and the occurrence of knocking is effectively suppressed.
[0012]
(6) Moreover, it is preferable that the said injection fuel shall be 100 Mpa or more. According to this configuration, a sufficiently large turbulence is effectively generated in order to affect the flame propagation speed (and thus suppress the occurrence of knocking) in the fuel spray.
[0013]
(7) It is preferable to provide a projection provided on the inner wall of the combustion chamber and in contact with the spray of the injected fuel.
According to this configuration, when the spray of fuel injected into the combustion chamber comes into contact with the protrusion, the atomization of the droplets forming the fuel spray is promoted. As a result, the disturbance generated on the surface of the fuel spray is difficult to attenuate.
[0014]
(8) Still another invention is a method for suppressing knocking of an internal combustion engine that generates engine torque by igniting fuel directly injected into a combustion chamber in a compression stroke, and accompanying the increase in pressure of the injected fuel Due to increased fuel spray disturbancesWhile suppressing the occurrence of knocking,The difference between the ignition timing at which knocking occurs and MBT is minimized.BeforeThe gist is to determine the injection timing of the injected fuel.
[0015]
(9) In addition, such a knockerDepressPreferably, the control method includes a step of controlling the fuel spray disturbance that increases as the pressure of the injected fuel increases as the pressure is increased by controlling the fuel injection timing.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described.
[0017]
[Basic engine structure and functions]
FIG. 1A is a side sectional view showing a schematic configuration of a main part of the internal combustion engine according to the first embodiment. As shown in FIG. 1A, the
[0018]
The
[0019]
In addition, the
[0020]
The
[0021]
The
[0022]
FIG. 1B is a top view showing the IB-IB cross section of FIG. 1A, and particularly shows the movement of the fuel spray injected from the
[0023]
[Effects of knocking suppression by turbulence of fuel spray surface]
(1) Relationship between knocking and ignition timing
A gasoline engine basically generates output according to the following combustion process.
[0024]
First, fuel is injected into the combustion chamber through a fuel injection valve provided in the combustion chamber or the intake port, and the spray is diffused in the combustion chamber to form a mixture of fuel and air. Next, the spark plug provided in the combustion chamber emits an electric spark, so that the air-fuel mixture in the combustion chamber is ignited and burned. Due to the combustion of the air-fuel mixture, the pressure in the combustion chamber increases explosively, and a force pushing the piston, that is, engine output is generated.
[0025]
FIG. 2 is a graph illustrating a general relationship between an ignition timing (a timing at which an ignition plug generates an electric spark) in a gasoline engine and a torque generated by the engine (hereinafter referred to as a generated torque). As shown in FIG. 2, in a gasoline engine, the ignition timing that maximizes the generated torque, the so-called MBT.(Minimum Spark Advance for Best Torque) exists. In FIG. 2, the generated torque can be maximized by performing ignition at a predetermined timing (A) with a crank angle. On the other hand, in a normal engine, the ignition timing at which knocking occurs is on the retard side with respect to the predetermined value MBT. Thus, since the ignition timing (B) at which knocking occurs is on the retarded side with respect to MBT, the engine must be operated at the knocking occurrence point, and the ignition timing cannot be advanced to MBT. The ignition timing MBT tends to shift to the retard side as the engine compression ratio increases. The ignition timing MBT varies depending on the engine speed, the engine load, and the like. Here, the difference (absolute value) between the ignition timing (MBT) that maximizes the generated torque and the ignition timing at which knocking occurs is defined as knock sensitivity ΔSA. The smaller the knock sensitivity ΔSA, the closer the knocking ignition timing (B) can be to MBT, and the generated torque can be increased.
[0026]
(2) Reduction of knock sensitivity by injection of ultra-high pressure fuel
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the ignition timing and the generated torque in a gasoline engine that directly injects 100 MPa of ultrahigh pressure fuel into the combustion chamber, and in particular, the fuel injection timing (the timing at which fuel is injected from the fuel injection valve). ) Are knock sensitivities corresponding to three conditions different from each other. As shown in FIG. 3, the relationship between the ignition timing and the generated torque hardly changes even if the fuel injection timing is changed. However, the knock sensitivity ΔSA1 corresponding to the fuel injection timing 60 ° BTDC, the knock sensitivity ΔSA2 corresponding to the fuel injection timing 80 ° BTDC, and the knock sensitivity ΔSA3 corresponding to the fuel injection timing 180 ° BTDC are apparently compared with each other. In addition, the knock sensitivity ΔSA decreases as the fuel injection timing is retarded. That is, in a gasoline engine that directly injects fuel into the combustion chamber, if the fuel injection timing is retarded to reduce the knock sensitivity ΔSA, the knocking ignition timing can be advanced to approach MBT and the generated torque is increased. It becomes possible.
[0027]
(3) Relationship between injection timing and turbulence intensity transition
The reason why the knock sensitivity ΔSA changes in accordance with the change of the fuel injection timing when performing fuel injection with ultra-high pressure fuel will be described below.
[0028]
FIG. 4 is a time chart showing the transition of the turbulence intensity of the gas in the combustion chamber as the crank angle (time) changes in a gasoline engine that directly injects fuel into the combustion chamber. In the intake stroke, when fuel injection is performed under the conditions that the fuel injection timing is 240 ° BTDC and the fuel pressure (fuel pressure) is 12 MPa, the turbulence intensity hardly changes in the combustion chamber (broken line). Also, under the condition that the fuel pressure (fuel pressure) is 12 MPa, even if the fuel injection timing is 60 ° BTDC, the turbulence intensity slightly increases with fuel injection and then quickly returns to the level before fuel injection (broken line) ).
[0029]
On the other hand, as shown in FIG. 4, in the compression stroke, when the fuel injection is performed under the condition that the fuel injection timing is 60 ° BTDC and the fuel pressure (fuel pressure) is 100 MPa, the turbulence intensity increases with the fuel injection. To do. The turbulence intensity once increases and reaches a maximum value, and then attenuates. However, even when the crank angle reaches around 0 ° BTDC (ignition timing), it is maintained at a relatively high level (solid line). However, if the fuel injection timing is advanced to 80 ° BTDC under the condition that the fuel pressure (fuel pressure) is 100 MPa, the turbulence intensity reaches the maximum value earlier and attenuates earlier by that amount. As a result, the turbulence intensity at the time when the crank angle reaches around 0 ° BTDC (ignition timing) is smaller than when the injection timing is set to 60 ° BTDC. Further, when the fuel injection timing is advanced to 180 ° BTDC, the turbulence intensity when the crank angle reaches around 0 ° BTDC (ignition timing) is almost the same as that before fuel injection (two-dot chain line).
[0030]
Thus, in the compression stroke, when fuel injection is performed under the condition that the fuel pressure (fuel pressure) is 100 MPa, the gas in the combustion chamber (the surface of the fuel spray) is disturbed (the gas turbulence intensity is increased). If ignition is performed while the turbulence remains, the propagation speed of the flame that spreads along the fuel spray starting from the spark plug is substantially increased, and the occurrence of knocking is suppressed (the knock sensitivity ΔSA is reduced). (See also FIGS. 3 and 4).
[0031]
FIG. 5 is a graph showing changes in the generated torque (generated torque when the ignition timing is set to the optimal ignition timing) corresponding to the change in the fuel injection timing for the
[0032]
[Specific examples of operation control]
As specific operation control, the
[0033]
(1) Information necessary for operation control (for example, engine speed, accelerator pedal depression amount, etc.) is acquired based on outputs from various sensors.
(2) The fuel injection timing that minimizes the knock sensitivity ΔSA is estimated.
(3) An optimal ignition timing corresponding to the estimated fuel injection timing is calculated.
(4) The
[0034]
Further, the relationship between the outputs of the various sensors and the target fuel injection timing and ignition timing may be set in advance on the control map. In this case, the
[0035]
According to the first embodiment in which such a control structure is applied to the
[0036]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment that embodies the present invention will be described focusing on differences from the first embodiment. In the second embodiment, among the engines to be applied, those having the same structure and function as the components of the engine 1 (see FIG. 1) according to the first embodiment are the same. A member number is attached | subjected and the overlapping description here is abbreviate | omitted.
[0037]
FIG. 6A is a side sectional view showing a schematic configuration of a main part of the engine 1A according to the second embodiment, and FIG. 6B is a top view showing the inside of the cylinder of the engine 1A. is there. As shown in FIGS. 6A and 6B, the engine 1A includes a
[0038]
According to the second embodiment, the spray of fuel injected into the
[0039]
(Third embodiment)
Next, a second embodiment that embodies the present invention will be described focusing on differences from the first embodiment. In the second embodiment, among the engines to be applied, those having the same structure and function as the components of the engine 1 (see FIG. 1) according to the first embodiment are the same. A member number is attached | subjected and the overlapping description here is abbreviate | omitted.
[0040]
FIG. 7 is a side sectional view showing a schematic configuration of a main part of an
[0041]
The
[0042]
(1) First, in the intake stroke, fuel is injected into the
(2) In the compression stroke, ultra high pressure fuel is injected into the
(3) Energize the
[0043]
In performing the above-described operation control, it is preferable that the
[0044]
Also according to the third embodiment, it is possible to increase the generated torque while suppressing the occurrence of knocking.
[0045]
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment embodying the present invention will be described focusing on differences from the first embodiment. In the fourth embodiment, among the engines to be applied, those having the same structure and function as the components of the engine 1 (see FIG. 1) according to the first embodiment are the same. A member number is attached | subjected and the overlapping description here is abbreviate | omitted.
[0046]
FIG. 8 is a side sectional view showing a schematic configuration of a main part of an
[0047]
In such an
[0048]
According to the fourth embodiment, since the amount of heat received by the fuel spray from the top surface of the
[0049]
As a result, the flame propagating from the
[0050]
In each of the above embodiments, the fuel injection timing and the ignition timing are controlled in order to ensure an appropriate turbulence intensity for the gas in the
[0051]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the propagation speed of the flame in the combustion chamber is substantially increased due to the disturbance of the fuel spray that increases as the pressure of the injected fuel increases. As a result, the generated torque of the internal combustion engine can be increased while suppressing the occurrence of knocking.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side sectional view showing a schematic configuration of a main part of an internal combustion engine according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph illustrating a general relationship between ignition timing and generated torque in a gasoline engine.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between ignition timing and generated torque in a gasoline engine that directly injects ultrahigh pressure fuel into a combustion chamber.
FIG. 4 is a time chart showing the transition of the turbulence intensity of the gas in the combustion chamber accompanying the change in crank angle (time) in a gasoline engine that directly injects fuel into the combustion chamber.
FIG. 5 is a graph showing a change in generated torque corresponding to a change in fuel injection timing.
FIG. 6 is a side sectional view showing a schematic configuration of a main part of an internal combustion engine according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a side sectional view showing a schematic configuration of a main part of an internal combustion engine according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a side sectional view showing a schematic configuration of a main part of an internal combustion engine according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 engine (internal combustion engine)
2 Combustion chamber
3 Piston
5 Intake passage
5A Intake port
5B Intake valve
6 Exhaust passage
6A Exhaust port
6B Exhaust valve
10 Fuel injection valve (for ultra high pressure fuel injection)
11 Second fuel injection valve
20 Spark plug (ignition means)
30 Electronic control unit (ECU)
Claims (8)
前記噴射燃料の高圧化に伴って増大する燃料噴霧の乱れによりノッキングの発生を抑制するとともに、ノッキングが発生する点火時期とMBTとの差が最小となるように前記噴射燃料の噴射時期を決定することを特徴とする内燃機関の制御装置。In a control device for an internal combustion engine that directly injects fuel into a combustion chamber of the engine during a compression stroke of the internal combustion engine and ignites the injected fuel to operate the engine.
The injection is suppressed from occurring by Ri knocking disturbance of fuel spray increases with pressure of the fuel injection timing of pre-Symbol injected fuel such that the difference between the ignition timing and the MBT of occurrence of knocking is minimized A control device for an internal combustion engine, characterized in that
圧縮行程において前記燃焼室内へ直接噴射される燃料の高圧化に伴って増大する燃料噴霧の乱れによりノッキングの発生を抑制するとともに、ノッキングが発生する点火時期とMBTとの差が最小となるように圧縮行程において前記燃焼室へ燃料を直接噴射する時期を決定することを特徴とする内燃機関の制御装置。After the fuel spray is formed in the combustion chamber of the internal combustion engine, the direct injection of the fuel into the combustion chamber and the ignition of the gas in the combustion chamber are performed in the compression stroke of the engine, and the control of the internal combustion engine that operates the engine A device,
Suppresses the generation of by Ri knocking disturbance of fuel spray increases with pressure of fuel to be injected directly into the combustion chamber during the compression stroke, the difference between the ignition timing and the MBT of occurrence of knocking is minimized control apparatus for an internal combustion engine and determines when to inject fuel directly into the combustion chamber in the compression stroke as.
二方向に向けて噴射された燃料の噴霧が前記燃焼室の内周壁に沿って互いに逆方向に進行して対面した後、前記点火手段に向かうように燃料を二方向に向けて前記燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射手段と、
を備えることを特徴とする請求項1又は2記載の内燃機関の制御装置。Ignition means provided on the ceiling surface of the cylindrical combustion chamber of the internal combustion engine for igniting fuel supplied to the combustion chamber;
After the spray of fuel injected in two directions travels in opposite directions along the inner peripheral wall of the combustion chamber and faces each other, the fuel is directed in two directions to the ignition means and enters the combustion chamber. Fuel injection means for directly injecting fuel;
The control apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, further comprising:
前記燃焼室の内周壁及び吸気ポートの近傍に設けられ前記燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射手段と、
を備えることを特徴とする請求項1又は2記載の内燃機関の制御装置。Ignition means for igniting the fuel provided in the vicinity of the inner peripheral wall of the cylindrical combustion chamber and the exhaust port of the internal combustion engine and supplied to the combustion chamber;
Fuel injection means provided in the vicinity of the inner peripheral wall of the combustion chamber and the intake port and directly injecting fuel into the combustion chamber;
The control apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, further comprising:
ことを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の内燃機関の制御装置。The control device for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5, wherein the injected fuel is 100 MPa or more.
ことを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の内燃機関の制御装置。The control device for an internal combustion engine according to claim 1, further comprising a protrusion provided on an inner wall of the combustion chamber and in contact with the spray of the injected fuel.
前記噴射燃料の高圧化に伴って増大する燃料噴霧の乱れによりノッキングの発生を抑制するとともに、ノッキングが発生する点火時期とMBTとの差が最小となるように前記噴射燃料の噴射時期を決定することを特徴とする内燃機関のノッキング抑制方法。In an internal combustion engine that generates engine torque by igniting fuel directly injected into the combustion chamber during the compression stroke,
The injection is suppressed from occurring by Ri knocking disturbance of fuel spray increases with pressure of the fuel injection timing of pre-Symbol injected fuel such that the difference between the ignition timing and the MBT of occurrence of knocking is minimized Determining the knocking of the internal combustion engine.
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