JP4379279B2 - 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。特許文献１のような従来の技術では、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。

本発明は、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、上死点噴射運転モードとして、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ことを特徴としている。そして、特に、周囲の空気密度の判定に基づき、空気密度が低いときには上記上死点噴射運転モードを禁止するようにしている。

図１は、本発明の上死点噴射運転モードにおける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１０°ＣＡ〜２５°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。

なお、圧縮上死点（ＴＤＣ）を中心として前半の圧縮上死点前の期間と後半の圧縮上死点後の期間とがほぼ等しくなるように、噴射開始時期ＩＴＳおよび噴射終了時期ＩＴＥを制御するようにしてもよい。

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、上記のように点火時期を大幅に遅角させた上死点噴射運転モードにおいては、同じ燃料量や吸気量に対して、発生するトルクは相対的に小さくなり、他方、この上死点噴射運転モードが一般に行われる機関の冷機時は、機関各部のフリクションが暖機後よりも大きなものとなっている。従って、高地等の空気密度が低い環境においては、燃焼圧力が低下し、フリクションに打ち勝って機関を自立運転させ得るだけのトルクが得られない場合が起こりうる。つまり燃焼不安定化とは別の要因で、内燃機関が停止してしまう虞がある。

そこで、本発明では、周囲の空気密度の判定に基づき、空気密度が低いときには上記上死点噴射運転モードを禁止するようにしている。

特に、周囲の空気密度が第１の閾値よりも低いときには上死点噴射運転モードを禁止し、該第１の閾値よりも高い第２の閾値と第１の閾値との間では、上死点噴射運転モードとしつつ点火時期を進角補正するようになっている。点火時期が圧縮上死点後となる上死点噴射運転モードでは、点火時期を進角させることで、排気昇温作用が小さくなる反面、トルクが増大する。従って、これによって、空気密度が低い環境での内燃機関の停止が回避される。また、上死点噴射運転モードが許容される空気密度が第２の閾値まで拡がることになり、それだけ排気温度が上昇し易くなる。

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、高地等の空気密度が低い環境では、この上死点噴射運転モードを禁止することにより、空気密度が低い環境でのトルク低下による機関の停止を回避することができる。

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５〜図７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５，図６は、一つの気筒の構成を示し、図７は機関全体のシステム構成を示している。

図５，図６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。つまり、この燃料噴射弁１５は、燃焼室５の吸気弁６側の側部に位置し、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５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。但し、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７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。なお、本実施例では、燃圧は常に一定に維持される。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、噴射率、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。さらに、本実施例では、周囲の空気密度を検出するために、大気圧センサ３８および外気温センサ３９を備えている。

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モードとして、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、暖機完了後の高速高負荷側の所定の領域では、通常の均質燃焼運転モードとして、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、上死点噴射運転モードとなる。そして、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１０°ＣＡ〜２５°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。

本実施例では、上記の燃料噴射時期は、噴射開始時期ＩＴＳが所定のクランク角となるように制御され、噴射終了時期ＩＴＥは、この噴射開始時期ＩＴＳと燃料噴射量（噴射時間）とによって定まる。なお、燃料噴射期間における圧縮上死点前の期間と圧縮上死点後の期間とが等しくなるように、燃料噴射量に基づき、噴射開始時期ＩＴＳと噴射終了時期ＩＴＥとを求めるようにすることも可能である。

前述したように、この上死点噴射運転モード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、高地等において空気密度が過度に低い場合には、トルクの低下による内燃機関の停止が生じることがあるため、上死点噴射運転モードは行わない。図８は、この空気密度に対する処理を示すフローチャートであって、ステップ１で、大気圧センサ３８および外気温センサ３９により検出された周囲の大気圧と外気温とを読み込み、ステップ２で、両者から空気密度を算出する。さらに、ステップ３で水温センサ３７により検出された水温を読み込み、ステップ４で、空気密度と水温とから定まる上死点噴射運転モードの許可条件を満たしているか否かを判定する。許可条件を満たしている場合には、ステップ５へ進んで上死点噴射運転モードを許可し、許可条件を満たしていない場合には、ステップ６へ進んで上死点噴射運転モードを禁止する。

ステップ４の判定は、例えば、図９に示すような制御マップに基づいて行われ、図示するように、閾値を示す線Ｌよりも低水温側もしくは低空気密度側で、上死点噴射運転モードが禁止される。線Ｌから明らかなように、空気密度がある下限よりも低いときには一律に上死点噴射運転モードが禁止され、同じく水温がある下限よりも低いときには一律に上死点噴射運転モードが禁止される。そして、その間では、水温が低いほど空気密度が高くなるような特性に、閾値となる線Ｌが設定されている。

なお、上死点噴射運転モードにおける内燃機関の発生トルクは、図１０に示すように、空気密度が低いほど低いものとなる。また、内燃機関のフリクションは、図１１に示すように、水温が低いほど大となる。そして、そのときの発生トルクαがフリクションβ以下であると、内燃機関の自立運転が困難となる。そこで、図９のような制御マップに代えて、そのときの空気密度に対する発生トルクαとそのときの水温に対するフリクションβとをそれぞれ求め、両者の大小関係から、上死点噴射運転モードの許可，禁止を判別するようにしてもよい。

図１２および図１３は、空気密度に対する処理をより詳しく示すものであって、この実施例では、図１２に示すように、第１の閾値を示す線Ｌ１よりも低水温側もしくは低空気密度側で、上死点噴射運転モードが禁止される。なお、この線Ｌ１は、図９の線Ｌよりも低空気密度側に設定されている。そして、この第１の閾値よりも高空気密度側に、線Ｌ２として示す第２の閾値が設定されており、線Ｌ１と線Ｌ２との間では、上死点噴射運転モードとしつつ発生トルクを高めるように点火時期を進角補正するようになっている。なお、線Ｌ２は、例えば図９の線Ｌと同じ位置に設定されている。

線Ｌ１と線Ｌ２との間での点火時期の進角補正は、そのときの空気密度に応じて、つまり空気密度が第１の閾値Ｌ１に近いほど大きく進角するように行われる。図１３は、上死点噴射運転モードにおける発生トルクと点火時期との関係を示したものであり、通常の上死点噴射運転モードにおいては、上死点よりも大きく遅角した例えばＰ１の点で運転される。換言すれば、発生トルクが最大となる点火時期よりも遅れた時期に点火され、これによって、排気温度が上昇することになる。そして、空気密度が低いときには、発生トルクが図示のように低下するが、このとき、空気密度が高い（例えば、平地かつ常温）場合のＰ１の点と同じトルクが得られるＰ２の点まで点火時期を進角すれば、空気密度による影響を回避できることになる。

この図１２および図１３に示す実施例では、点火時期を進角補正することで、上死点噴射運転モードを禁止する第１の閾値を、より低空気密度側に設定することが可能となり、それだけ上死点噴射運転モードによる排気温度の昇温作用が広い範囲で得られることになる。従って、始動から暖機完了に至る間のＨＣ排出量の一層の抑制が図れる。

なお、上記実施例では、空気密度の判定のために大気圧を大気圧センサ３８により直接的に検出しているが、例えばＧＰＳシステムにより現在の高度を求め、これから大気圧を推定する、などの方法により、空気密度を圧力以外のパラメータから間接的に推定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。 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。 空気密度に対する処理を示すフローチャート。 空気密度および水温に対する許可領域、禁止領域を示す特性図。 空気密度に対する発生トルクの特性を示す特性図。 水温に対するフリクションの特性を示す特性図。 第１の閾値と第２の閾値を示す特性図。 点火時期と発生トルクとの関係を示す特性図。

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
３８…大気圧センサ

Claims (3)

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、上死点噴射運転モードとして、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、周囲の空気密度の判定に基づき、空気密度が低いときには上記上死点噴射運転モードを禁止するように構成され、かつ周囲の空気密度が第１の閾値よりも低いときには上死点噴射運転モードを禁止し、該第１の閾値よりも高い第２の閾値と第１の閾値との間では、上死点噴射運転モードとしつつ点火時期を進角補正す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. 点火時期が、噴射開始時期から１０°ＣＡ〜２５°ＣＡ遅れた時期であ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。
3. 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、上記上死点噴射運転モードを実行することを特徴とする請求項１または２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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