JP4380481B2 - In-cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine controller - Google Patents

In-cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine controller Download PDF

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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。   The present invention relates to an in-cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine that directly injects fuel into a cylinder, and more particularly to control of the injection timing and ignition timing.

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
Patent Document 1 discloses that when an exhaust purification catalytic converter is in an unwarmed state lower than an activation temperature, fuel is injected during the compression stroke, and the ignition timing is retarded from the compression top dead center. Technology is disclosed.
JP 2001-336467 A

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。   In order to raise the exhaust gas temperature and reduce HC in order to achieve early activation of the catalyst when the internal combustion engine is cold, it is desirable to retard the ignition timing as much as possible, but if the ignition timing is significantly retarded Since the combustion stability deteriorates, it cannot be retarded from a certain limit determined from the viewpoint of combustion stability. In the conventional technique such as Patent Document 1, it is difficult to ensure stable combustion, particularly under conditions such as cold, and the retard limit of the ignition timing determined from the combustion stability is relatively advanced, which is sufficient. The ignition timing delay cannot be realized.

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、排気系に設けられた触媒コンバータが所定の低温状態にある間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。   The present invention provides a control device for an in-cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine that includes a fuel injection valve that directly injects fuel into a cylinder and that includes an ignition plug. When it is necessary to raise the exhaust gas temperature, the fuel injection is performed as the top dead center injection operation mode so that the injection start timing is before the compression top dead center and the injection end timing is after the compression top dead center. The ignition is performed in a period straddling the compression top dead center, and ignition is performed after the compression top dead center delayed from the injection start timing. In particular, the top dead center injection operation mode is prohibited while the catalytic converter provided in the exhaust system is in a predetermined low temperature state.

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。   FIG. 1 illustrates the fuel injection period and ignition timing in the top dead center injection operation mode of the present invention together with the change in the in-cylinder pressure. The injection start timing ITS is before the compression top dead center (TDC), and the injection end timing ITE is After compression top dead center (TDC). The length of the injection period T during that time corresponds to the injection amount. The ignition timing ADV is after compression top dead center (TDC), and is a timing delayed by a predetermined crank angle (for example, 10 ° CA to 25 ° CA) from the injection start timing ITS. This delay period D generally correlates with the distance from the fuel injection valve to the spark plug.

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。   The injection start timing ITS and the injection end timing ITE are controlled so that the period before the compression top dead center in the first half and the period after the compression top dead center in the second half are substantially equal with the compression top dead center (TDC) as the center. You may make it do.

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。   FIG. 2 shows the piston position change amount and the combustion chamber volume change amount due to the piston stroke in one cycle of the internal combustion engine. As shown in the figure, the amount of change per unit crank angle is the largest near the middle position of the stroke, and is very small near the bottom dead center (BDC) and near the top dead center (TDC). Therefore, in the vicinity of the compression top dead center where the fuel injection is performed in the present invention, the piston position change and volume change are very small, and a stable field that is not affected by the piston movement or the like can be formed.

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。   In the cylinder, a relatively large gas flow such as a swirl flow or a tumble flow is generated in the intake stroke and remains in the compression stroke. However, a large flow such as a swirl flow or a tumble flow is When the piston reaches near the compression top dead center and the combustion chamber becomes narrow, it collapses rapidly. FIG. 3 shows a change in flow velocity of a large flow in the combustion chamber under various engine speeds. As shown in the figure, a swirl flow or a tumble flow having a strength corresponding to the rotation speed is generated. Collapses rapidly before reaching compression top dead center (360 ° CA). Therefore, in the present invention, the fuel spray injected near the compression top dead center is not moved by a large flow such as a swirl flow or a tumble flow, and always forms a spray in a stable manner on the spark plug. Is possible.

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。   On the other hand, the energy of a relatively large flow such as the swirl flow or the tumble flow described above transitions to minute turbulence as the flow collapses. Therefore, the minute disturbance in the combustion chamber increases rapidly just before the compression top dead center. FIG. 4 shows the intensity of the minute turbulence caused by the collapse of the flow shown in FIG. 3 as a so-called turbulent flow rate converted to a flow velocity, and as shown in the figure, immediately before the compression top dead center. , Disturbances increase greatly. Such minute disturbances contribute to the activation of the combustion field, and a combustion improving action is obtained.

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。   In other words, the field in the combustion chamber near the compression top dead center where the fuel is injected does not have a large flow that moves the spray, and there are many minute disturbances that activate the combustion, It is a very stable place against the movement of the piston. Therefore, stable combustion is possible with the ignition timing retarded from the compression top dead center, and the retard limit of the ignition timing that is limited in terms of combustion stability is on the retard side. For this reason, the exhaust gas temperature can be raised significantly by a large retardation of the ignition timing, and the HC emission amount is reduced.

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、特許文献1などの従来の技術に比べて、排気温度が非常に高くなるため、仮に、触媒コンバータが完全な冷機状態(外気温に近い状態)にあるときに、機関の始動後直ちに上死点噴射運転モードに移行したとすると、触媒コンバータ内部の温度勾配が非常に急なものとなる。つまり、モノリス型セラミックス触媒担体などの上流側部分のみが急激に高温となり、熱歪が大きくなる懸念が生じる。   Here, in the top dead center injection operation mode in which the ignition timing is significantly retarded as described above, the exhaust gas temperature is extremely higher than that of the conventional technique such as Patent Document 1, and so on. Is in a completely cold state (close to the outside air temperature), and if the engine is shifted to the top dead center injection operation mode immediately after the engine is started, the temperature gradient inside the catalytic converter becomes very steep. That is, there is a concern that only the upstream portion such as the monolithic ceramic catalyst carrier rapidly becomes high in temperature and the thermal strain increases.

そこで、本発明では、排気系に設けられた触媒コンバータが所定の低温状態にある間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。   Therefore, in the present invention, the top dead center injection operation mode is prohibited while the catalytic converter provided in the exhaust system is in a predetermined low temperature state.

すなわち、本発明では、触媒コンバータの出口側における触媒出口温度が第1の設定温度に達するまでは上記上死点噴射運転モードを禁止し、該触媒出口温度が第1の設定温度以上となってから上記触媒コンバータの触媒温度が上記第1の設定温度よりも高い第2の設定温度に達するまでの間、上記上死点噴射運転モードを行う。
触媒の活性が僅かでも開始すると、その発熱反応により触媒コンバータが内部から温度上昇しようとするため、上流から触媒コンバータへ流入する排気の温度が非常に高くなったとしても、触媒コンバータの温度勾配は、緩やかなものとなる。
That is, in this onset bright, until the catalyst outlet temperature at the outlet side of the catalytic converter reaches the first set temperature prohibits the TDC injection operation mode, the catalyst outlet temperature is the first predetermined temperature or higher and The top dead center injection operation mode is performed until the catalyst temperature of the catalytic converter reaches a second set temperature higher than the first set temperature.
If the catalytic activity starts even slightly, the catalytic converter tries to increase the temperature from the inside due to the exothermic reaction, so even if the temperature of the exhaust gas flowing from the upstream to the catalytic converter becomes very high, the temperature gradient of the catalytic converter is It will be moderate.

触媒コンバータ出口部の温度変化は、触媒コンバータの担体の温度変化よりも遅れて生じるので、これがある程度高くなった時点では、触媒コンバータ全体がある程度均一に温度上昇しているとみなすことができる。従って、上死点噴射運転モードとして排気温度が急激に上昇しても、過度の熱歪を招来することがない。 Since the temperature change at the outlet of the catalytic converter occurs later than the temperature change of the carrier of the catalytic converter, it can be considered that the temperature of the entire catalytic converter has risen uniformly to some extent when it becomes high to some extent. Therefore, even if the exhaust temperature rises rapidly in the top dead center injection operation mode, excessive thermal distortion is not caused.

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、触媒コンバータがある程度暖まった状態から排気ガス温度の急激な昇温が開始されるので、触媒コンバータの極端な温度勾配による熱的劣化を回避することができる。   According to the present invention, stable combustion can be obtained in a state where the ignition timing is significantly retarded from the compression top dead center. For example, when the internal combustion engine is cold, the exhaust gas temperature is raised and the catalyst is accelerated. Activation can be achieved and HC emissions can be reduced. Then, since the exhaust gas temperature starts to rise rapidly from a state where the catalytic converter is warmed to some extent, thermal deterioration due to an extreme temperature gradient of the catalytic converter can be avoided.

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。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

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。   5 to 7 show an embodiment of a direct injection type spark ignition internal combustion engine to which the present invention is applied. In particular, FIGS. 5 and 6 show the configuration of one cylinder. Indicates the system configuration of the entire organization.

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。   As shown in FIGS. 5 and 6, a piston 3 is slidably disposed in a cylinder 2 formed in the cylinder block 1, and a cylinder head 4 fixed to the upper surface of the cylinder block 1 and the piston 3 A combustion chamber 5 is formed between them. The cylinder head 4 is formed with an intake port 7 that is opened and closed by an intake valve 6 and an exhaust port 9 that is opened and closed by an exhaust valve 8. A pair of intake valves 6 and a pair of exhaust valves 8 are provided for one cylinder, and an ignition plug 10 is disposed at the center of the ceiling surface of the combustion chamber 5 surrounded by these four valves. . Further, in this embodiment, the intake port 7 is provided with a partition wall 11 that divides the intake port 7 into two upper and lower flow paths so that the tumble flow can be strengthened depending on the operating state. A tumble control valve 12 that opens and closes the lower flow path at the upstream end is provided. As can be easily understood by those skilled in the art, the tumble flow is strengthened when the lower flow path is closed by the tumble control valve 12, and the tumble flow is weakened when the tumble control valve 12 is opened. The tumble control valve 12 is not necessarily essential in the present invention, and can be omitted. Alternatively, a known swirl control valve may be provided.

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。   A fuel injection valve 15 for directly injecting fuel into the cylinder is disposed below the intake port 7 of the cylinder head 4, more specifically at a position between the pair of intake ports 7. That is, the fuel injection valve 15 is located on the side of the combustion chamber 5 on the intake valve 6 side, and is disposed so as to inject fuel along a direction orthogonal to a piston pin (not shown) on the plan view. In the cross-sectional view of FIG. However, the downward inclination angle is relatively small, that is, the fuel is injected in a direction close to the horizontal.

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。   On the other hand, the top of the piston 3 has a convex shape along the inclination of the ceiling surface of the combustion chamber 5 that forms a pent roof type, and a concave portion 16 having a substantially rectangular shape in plan view is formed at the center. Yes. The bottom surface of the recess 16 forms an arc surface having a predetermined radius of curvature or a curved surface approximating an arc so as to follow the tumble flow.

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。   As shown in FIG. 7, the internal combustion engine of this embodiment is, for example, an in-line four-cylinder engine, and a catalytic converter 22 for purifying exhaust gas is provided in an exhaust passage 21 to which an exhaust port 9 of each cylinder is connected. An air-fuel ratio sensor 23 such as an oxygen sensor is disposed on the upstream side. The intake passage 24 to which the intake port 7 of each cylinder is connected is provided with an electronically controlled throttle valve 25 that is opened and closed by a control signal on the inlet side. An exhaust gas recirculation passage 26 is provided between the exhaust passage 21 and the intake air passage 24, and an exhaust gas recirculation control valve 27 is interposed in the middle. Further, the tumble control valves 12 of the respective cylinders are configured to be simultaneously opened and closed by a negative pressure type tumble control actuator 29 that is operated by a suction negative pressure introduced via a solenoid valve 28.

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。   The fuel injection valve 15 is supplied with the fuel adjusted to a predetermined pressure by the fuel pump 31 and the pressure regulator 32 via the fuel gallery 33. Therefore, when the fuel injection valve 15 of each cylinder is opened by the control pulse, an amount of fuel corresponding to the valve opening period is injected. In this embodiment, the fuel pressure is always kept constant. The ignition plug 10 of each cylinder is connected to an ignition coil 34.

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、触媒コンバータ22の温度状態を検出するために、該触媒コンバータ22のモノリス型セラミックス触媒担体の長手方向中央部に配置された触媒温度センサ38と、触媒コンバータ22の出口部に配置された触媒出口温度センサ39と、を備えている。   The fuel injection timing, injection amount, injection rate, ignition timing, etc. of the internal combustion engine are controlled by the control unit 35. The control unit 35 includes a detection signal of an accelerator opening sensor 30 that detects the amount of depression of an accelerator pedal, a detection signal of a crank angle sensor 36, a detection signal of an air-fuel ratio sensor 23, and a detection of a water temperature sensor 37 that detects a cooling water temperature. Signals, etc. are input. Furthermore, in this embodiment, in order to detect the temperature state of the catalytic converter 22, a catalyst temperature sensor 38 disposed at the center in the longitudinal direction of the monolithic ceramic catalyst carrier of the catalytic converter 22, and an outlet portion of the catalytic converter 22 And a catalyst outlet temperature sensor 39.

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においては、通常の成層燃焼運転および均質燃焼運転が行われる。   In the internal combustion engine configured as described above, normal stratified combustion operation and homogeneous combustion operation are performed after the warm-up is completed.

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。   That is, in a predetermined region on the low speed and low load side, as a normal stratified combustion operation mode, fuel injection is performed at an appropriate time in the compression stroke, with the tumble control valve 12 basically closed. Ignition is performed before the top dead center. In this operation mode, fuel injection always ends before compression top dead center. The fuel injected toward the piston 3 during the compression stroke is collected in the vicinity of the spark plug 10 using a tumble flow swirling along the recess 16 and ignited there. Therefore, stratified combustion with an average air-fuel ratio lean is realized.

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。   Further, in a predetermined region on the high speed and high load side after the warm-up is completed, fuel injection is performed during the intake stroke under the condition that the tumble control valve 12 is basically opened as a normal homogeneous combustion operation mode. And ignition is performed at the MBT point before the compression top dead center. In this case, the fuel becomes a homogeneous air-fuel mixture in the cylinder and is basically operated near the stoichiometric air-fuel ratio.

これに対し、内燃機関の暖機が完了していない状態においては、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、基本的に、上死点噴射運転モードとなる。この上死点噴射運転モードでは、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。   On the other hand, in the state where the warm-up of the internal combustion engine is not completed, the top dead center injection operation mode is basically set in order to activate the catalytic converter 22, that is, promote the temperature rise and reduce the HC emission amount. . In this top dead center injection operation mode, as shown in FIG. 1 described above, the injection start timing ITS is before the compression top dead center (TDC), and the injection end timing ITE is after the compression top dead center (TDC). Fuel injection is performed across the dead center. The ignition timing ADV is after compression top dead center (TDC), and is ignited at a timing delayed by 10 ° CA to 25 ° CA from the injection start timing ITS. During this delay period, the fuel spray just reaches the vicinity of the spark plug 10 and forms a combustible air-fuel mixture in the vicinity of the spark plug 10, so that ignition combustion is surely performed and stratified combustion is performed. At this time, the fuel injection amount is controlled so that the average air-fuel ratio becomes the stoichiometric air-fuel ratio.

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。   In this embodiment, the fuel injection timing is controlled so that the injection start timing ITS becomes a predetermined crank angle, and the injection end timing ITE is determined by the injection start timing ITS and the fuel injection amount (injection time). . The injection start timing ITS and the injection end timing ITE are obtained based on the fuel injection amount so that the period before the compression top dead center and the period after the compression top dead center in the fuel injection period are equal. Is also possible.

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。   As described above, the field in the combustion chamber near the compression top dead center where fuel is injected in this top dead center injection operation mode does not have a large flow that causes the spray to move due to the collapse of the large flow, Along with the collapse of the large flow, there are many minute disturbances that activate the combustion, and the field becomes very stable against the movement of the piston. Therefore, stable combustion is possible with the ignition timing retarded from the compression top dead center, and the retard limit of the ignition timing that is limited in terms of combustion stability is on the retard side. For this reason, the exhaust gas temperature can be raised significantly by a large retardation of the ignition timing, and the HC emission amount is reduced.

ここで、上記の上死点噴射運転モードにおいては、排気ガス温度が非常に高く得られることから、触媒コンバータ22が完全な冷機状態にある始動直後から上死点噴射運転モードを実行すると、触媒コンバータ22の熱歪の懸念がある。そのため、本実施例では、図8のような処理により、触媒コンバータ22の温度状態を監視しつつモードの切換が行われる。   Here, in the above-described top dead center injection operation mode, the exhaust gas temperature can be obtained extremely high. Therefore, when the top dead center injection operation mode is executed immediately after the start when the catalytic converter 22 is in a completely cold state, There is a concern about thermal distortion of the converter 22. Therefore, in this embodiment, the mode is switched by monitoring the temperature state of the catalytic converter 22 by the process as shown in FIG.

先ず、ステップ1では、触媒出口温度センサ39により検出される触媒コンバータ22の出口温度TCを、所定の第1基準温度T1と比較し、第1基準温度T1よりも低ければ、ステップ2へ進んで、冷機時の通常制御を行う。上記第1基準温度T1は、触媒の活性開始温度にほぼ相当し、例えば、150℃〜200℃程度に設定される。また冷機時の通常制御は、上死点噴射運転モードのような極端な排気温度上昇ではなくある程度の排気温度上昇を行うためのものであり、例えば、吸気行程中に燃料噴射を行うとともに、圧縮上死点前のMBT点よりも遅れた時期に点火を行う。あるいは、吸気行程噴射に加えて圧縮行程噴射を行うようにしてもよい。機関始動時に触媒コンバータ22が完全な冷機状態にあった場合、この冷機時の通常制御によって、触媒コンバータ22の温度が徐々に上昇することになる。   First, in step 1, the outlet temperature TC of the catalytic converter 22 detected by the catalyst outlet temperature sensor 39 is compared with a predetermined first reference temperature T1, and if it is lower than the first reference temperature T1, the process proceeds to step 2. Perform normal control when cold. The first reference temperature T1 substantially corresponds to the activation start temperature of the catalyst, and is set to about 150 ° C. to 200 ° C., for example. The normal control when the engine is cold is not for the extreme exhaust temperature rise as in the top dead center injection operation mode, but for a certain degree of exhaust temperature rise. For example, fuel injection is performed during the intake stroke and compression is performed. Ignition is performed at a time later than the MBT point before the top dead center. Alternatively, the compression stroke injection may be performed in addition to the intake stroke injection. When the catalytic converter 22 is in a completely cold state when the engine is started, the temperature of the catalytic converter 22 is gradually increased by the normal control during the cold state.

出口温度TCが第1基準温度T1以上であれば、ステップ3で触媒温度TBが第2基準温度T2未満であるか判定する。第2基準温度T2は、触媒の完全活性にほぼ相当する温度であり、例えば250℃〜300℃程度に設定される。冷機状態からの始動であれば、出口温度TCが第1基準温度T1に達したときに、通常、触媒温度TBは第2基準温度T2未満であり、従って、ステップ4へ進んで、前述した上死点噴射運転モードを実行する。これにより、排気ガス温度は急激に上昇し、触媒コンバータ22が速やかに昇温する。この上死点噴射運転モードは、ステップ5で、触媒温度TBが第2基準温度T2以上となるまで継続される。触媒温度TBが第2基準温度T2以上となれば、ステップ6へ進み、暖機後の通常制御、つまり前述した暖機後の均質燃焼運転モードもしくは成層燃焼運転モードが実行される。   If the outlet temperature TC is equal to or higher than the first reference temperature T1, it is determined in step 3 whether the catalyst temperature TB is lower than the second reference temperature T2. The second reference temperature T2 is a temperature substantially corresponding to the complete activity of the catalyst, and is set to about 250 ° C. to 300 ° C., for example. If the engine is started from a cold state, when the outlet temperature TC reaches the first reference temperature T1, the catalyst temperature TB is usually lower than the second reference temperature T2. The dead center injection operation mode is executed. Thereby, the exhaust gas temperature rises rapidly, and the catalytic converter 22 quickly rises in temperature. This top dead center injection operation mode is continued until the catalyst temperature TB becomes equal to or higher than the second reference temperature T2 in Step 5. If the catalyst temperature TB is equal to or higher than the second reference temperature T2, the routine proceeds to step 6 where normal control after warm-up, that is, the above-described homogeneous combustion operation mode or stratified combustion operation mode after warm-up is executed.

このように、本実施例では、出口温度TCが第1基準温度T1に達するまでは上死点噴射運転モードが禁止されることになり、上死点噴射運転モードにより触媒完全活性までの所要時間を短縮しつつ触媒コンバータ22の熱的劣化を回避している。   Thus, in this embodiment, the top dead center injection operation mode is prohibited until the outlet temperature TC reaches the first reference temperature T1, and the time required until the catalyst is fully activated in the top dead center injection operation mode. Thus, thermal degradation of the catalytic converter 22 is avoided.

図9および図10は、触媒コンバータ22を含め内燃機関が完全に冷機状態にある状態から始動した場合の触媒コンバータ22の温度変化を、排気温度が非常に高い場合(図9)と比較的排気温度が低い場合(図10)とについて示したものである。具体的には、図11に測温点を示すように、触媒コンバータ22の入口部(A点)の温度TAと、モノリス触媒担体の上流端付近(B1点)の温度TB1と、モノリス触媒担体の下流端付近(B2点)の温度TB2と、触媒コンバータ22の出口部(C点)の温度TCと、の4箇所の温度変化を示している。   FIGS. 9 and 10 show the temperature change of the catalytic converter 22 when the internal combustion engine including the catalytic converter 22 is completely cooled, when the exhaust temperature is very high (FIG. 9) and relatively exhausted. This shows the case where the temperature is low (FIG. 10). Specifically, as shown in FIG. 11, the temperature TA at the inlet (point A) of the catalytic converter 22, the temperature TB1 near the upstream end (point B1) of the monolith catalyst carrier, and the monolith catalyst carrier. 4 shows temperature changes at four locations, a temperature TB2 near the downstream end (point B2) and a temperature TC at the outlet (point C) of the catalytic converter 22.

始動直後から上死点噴射運転モードとして高い排気温度を与えた場合には、図9に示すように、触媒担体上流端温度TB1が入口部温度TAとともに急激に上昇するため、触媒担体の前後の温度差ΔTが非常に大きくなる。つまり、熱歪が大きく発生する。   When a high exhaust temperature is given as the top dead center injection operation mode immediately after starting, as shown in FIG. 9, the catalyst carrier upstream end temperature TB1 rises rapidly together with the inlet temperature TA, so The temperature difference ΔT becomes very large. That is, a large thermal distortion occurs.

これに対し、排気温度が比較的低い場合には、図10に示すように、触媒担体の前後の温度差ΔTは、十分に小さくなる。そして、出口温度TCが所定の第1基準温度T1に達した時点で上死点噴射運転モードに切り換えれば、図10に破線で示すように、各部の温度が急激に上昇するため、最終的な目標である触媒完全活性に至るまでの所要時間は、図9の場合と大差がないものとなる。なお、上死点噴射運転モードに切り換えた段階では、触媒担体の内部で反応熱が生じ始めているので、それ以後も、大きな温度差ΔTが生じることはない。   On the other hand, when the exhaust temperature is relatively low, the temperature difference ΔT before and after the catalyst carrier is sufficiently small as shown in FIG. When the outlet temperature TC reaches the predetermined first reference temperature T1, if the mode is switched to the top dead center injection operation mode, the temperature of each part rapidly increases as shown by the broken line in FIG. The required time to reach the catalyst complete activity, which is a target, is not much different from that in FIG. Note that, at the stage of switching to the top dead center injection operation mode, reaction heat begins to be generated inside the catalyst carrier, and thereafter, a large temperature difference ΔT does not occur.

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。The characteristic view which showed an example of the fuel-injection period and ignition timing of this invention. 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。The characteristic figure of the piston position change amount and volume change amount during a cycle. 大きな流れのサイクル中の変化を示す特性図。The characteristic figure which shows the change in the cycle of a big flow. 微小な乱れのサイクル中の変化を示す特性図。The characteristic view which shows the change in the cycle of a minute disturbance. 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。Sectional drawing which shows one Example of a direct injection type spark ignition internal combustion engine. 同じく平面図。FIG. この内燃機関全体のシステム構成を示す構成説明図。FIG. 2 is a configuration explanatory view showing the system configuration of the entire internal combustion engine. 始動時のモード切換の処理を示すフローチャート。The flowchart which shows the mode switching process at the time of a start. 排気温度が高い場合の触媒コンバータ各部の温度変化を示すタイムチャート。The time chart which shows the temperature change of each part of a catalytic converter when exhaust gas temperature is high. 排気温度が低い場合の触媒コンバータ各部の温度変化を示すタイムチャート。The time chart which shows the temperature change of each part of a catalytic converter when exhaust gas temperature is low. 図9および図10の測温点を示す説明図。Explanatory drawing which shows the temperature-measurement point of FIG. 9 and FIG.

符号の説明Explanation of symbols

3…ピストン
5…燃焼室
10…点火プラグ
15…燃料噴射弁
38…触媒温度センサ
39…触媒出口温度センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 ... Piston 5 ... Combustion chamber 10 ... Spark plug 15 ... Fuel injection valve 38 ... Catalyst temperature sensor 39 ... Catalyst exit temperature sensor

Claims (4)

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、
機関の冷機始動後に、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ように構成するとともに、
排気系に設けられた触媒コンバータの出口側における触媒出口温度が第1の設定温度に達するまでは上記上死点噴射運転モードを禁止し、該触媒出口温度が第1の設定温度以上となってから上記触媒コンバータの触媒温度が上記第1の設定温度よりも高い第2の設定温度に達するまでの間、上記上死点噴射運転モードを行う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。
In a control device for a direct injection type spark ignition internal combustion engine that includes a fuel injection valve that directly injects fuel into a cylinder and that includes an ignition plug,
After starting the engine cold , the fuel injection is performed as a top dead center injection operation mode in a period across the compression top dead center so that the injection start timing is before the compression top dead center and the injection end timing is after the compression top dead center. And is configured to perform ignition after compression top dead center delayed from the injection start timing,
The top dead center injection operation mode is prohibited until the catalyst outlet temperature on the outlet side of the catalytic converter provided in the exhaust system reaches the first set temperature, and the catalyst outlet temperature becomes equal to or higher than the first set temperature. Until the catalyst temperature of the catalytic converter reaches a second set temperature higher than the first set temperature, the top dead center injection operation mode is performed. Engine control device.
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。   2. The control apparatus for a direct injection type spark ignition internal combustion engine according to claim 1, wherein the ignition timing is a time delayed by 10 [deg.] CA to 25 [deg.] CA from the injection start timing. 上記第1の設定温度は、触媒の活性開始温度にほぼ相当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。 The control device for a direct injection type spark ignition internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein the first set temperature substantially corresponds to an activation start temperature of the catalyst . 上記第2の設定温度は、触媒の完全活性温度にほぼ相当することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。 The control device for a direct injection type spark ignition internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the second set temperature substantially corresponds to a complete activation temperature of the catalyst .
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