JP5098923B2

JP5098923B2 - 筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP5098923B2
Application number: JP2008241973A
Authority: JP
Inventors: 豊樹井口
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2028-09-22
Also published as: JP2010071249A

Description

本発明は、筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置に関する。

噴射された燃料の微粒化による気化潜熱活用（体積効率の向上）及び燃焼室壁面への付着防止によるＨＣ改善等を行う上で、燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射圧力を高圧化することは有効である。

例えば、特許文献１及び特許文献２等には、筒内直接噴射式内燃機関において、機関回転数が低くなるほど燃圧を低下させることで、混合気の均質度を向上させるようにした技術が開示されている。
特開２０００−２８２９１２２号公報特開平７−１６６９２７号公報

しかしながら、機関回転数が低い場合、燃料の噴射期間が短く、ガス流動も弱いため、点火時に筒内に燃料が偏在してしまい、その結果火炎伝播等に偏りが生じて熱効率低下やノッキングが発生してしまう虞がある。

また、本発明の発明者は、実機による検討結果等から、熱効率向上に対しては、混合気の均質度向上が大きな感度をもっていることがわかり、使用領域により、混合気の均質度向上効果が気化潜熱活用効果を超え、必ずしも燃料の噴射圧力の高圧化が最適ではないという知見を得た。

そこで、本発明の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、運転条件に応じて決定される吸入空気量に応じて、ノッキングが発生し易い第１領域とノッキングが発生しにくい第２領域との境界となる機関回転数である境界回転数を算出し、この境界回転数を境に燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射圧力の機関回転数に対する変化の割合を変更し、前記第１領域で筒内の燃料分布が均等になるような燃料噴射期間にすることを特徴としている。

本発明によれば、点火プラグからの火炎伝播速度を均等化することができ、燃焼期間短縮、未燃燃料低減による熱効率の向上を図ることができると共に、ノッキングの発生を抑制することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明が適用される筒内直接噴射式火花点火内燃機関のシステム構成を示す構成説明図である。

この内燃機関１のピストン２により形成される燃焼室３には、吸気弁（図示せず）を介して吸気通路４が接続され、かつ排気弁（図示せず）を介して排気通路５が接続されている。吸気通路４には、吸入空気量を検出するエアフロメータ６が配設されているとともに、制御信号によりアクチュエータ７を介して開度制御される電子制御スロットル弁８が配設されている。

燃焼室３の中央頂上部には、点火プラグ９が配置されている。また、燃焼室３の吸気通路４側の側部に、該燃焼室３内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁１０が配置されている。この燃料噴射弁１０には、高圧燃料ポンプ１１およびプレッシャレギュレータ１２によって所定圧力に調圧された燃料が、燃料通路１３を介して供給されている。従って、各気筒の燃料噴射弁１０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。尚、１４は、燃圧を検出する燃圧センサ、１５は、吸気温度を検出する吸気温センサである。

また内燃機関１には、ノッキングの発生を検知するノックセンサ１６が設けられているとともに、クランク角を検出するクランク角センサ１７が設けられている。尚、機関回転速度（機関回転数）は、このクランク角センサ１７の検出値に基づいて算出される。

内燃機関１の燃料噴射量や噴射時期、点火時期、等は、コントロールユニット１８によって制御される。このコントロールユニット１８には、上述した各種のセンサ類の検出信号が入力されている。コントロールユニット１８は、これらの入力信号に応じて、電子制御スロットル弁８の開度、燃料噴射弁１０の燃料噴射時期および燃料噴射量、点火プラグ９の点火時期、等を制御する。

ここで、機関回転数が低いと、燃料の噴射期間が短く、ガス流動も弱くなるため、点火時に燃焼室３に燃料が偏在してしまう。つまり、図２に示すように、機関回転数が低くなるほど、燃焼室３内（筒内）の燃料分布の均一度が悪化する傾向にある。

そこで、本発明の第１実施形態では、燃焼室３内（筒内）の燃料分布の均一度が悪化する領域において、燃料噴射弁１０から噴射される燃料の噴射圧力（燃圧）の機関回転数に対する変化の割合を変更し、筒内の燃料分布が均等になるような燃料噴射期間にする。

図３〜図５は、本発明の第１実施形態における点火時期、燃料噴射弁１０から燃料を噴射する際の噴射パルス幅（燃料噴射期間）及び噴射圧力と、機関回転数との相関関係をそれぞれ示している。図３の破線Ｐは、トルクを最大にする点火時期（ＭＢＴ）を示している。

ここで、第１領域としてのノッキングが発生し易い領域（ノッキング発生頻度＞０の領域）と第２領域としてのノッキングが発生しにくい領域との境界となる機関回転数である境界回転数は、運転条件に応じて決定される吸入空気量に応じて決定されている。詳述すると、前記境界回転数は、図６に示すように、吸入空気量が多くなるほど大きくなるよう設定されている。尚、この境界回転数の算出は、コントロールユニット１８内で処理されるものである。

この第１実施形態において、燃料噴射弁１０から噴射される燃料の噴射圧力（燃圧）は、基本的には、機関回転数に関わらず一定となるように設定されているが、前記境界回転数を境に、燃料噴射弁１０から噴射される燃料の噴射圧力の機関回転数に対する変化の割合を変更している。詳述すると、この第１実施形態においては、ノッキングが発生し易い領域（ノッキング発生頻度＞０の領域）において、燃料の噴射圧力（燃圧）が機関回転数の低下に伴い低下するように変更されている。換言すると、前記境界回転数で、機関回転数に対する噴射期間感度が変曲点を持つように、燃料の噴射圧力（燃圧）は変更されている。

そして、この第１実施形態において、燃料噴射弁１０の噴射パルス幅（燃料噴射期間）は、基本的には、機関回転数に比例するよう設定されているが、ノッキングが発生し易い領域（ノッキング発生頻度＞０の領域）における燃料の噴射圧力（燃圧）の変更に伴い、ノッキングが発生し易い領域（ノッキング発生頻度＞０の領域）において、機関回転数の低下に伴い長くなるように変更されている。

ここで、燃料の噴射圧力（燃圧）及び燃料噴射弁１０の燃料噴射パルス幅の変更は、燃料噴射量自体に変化が無い範囲で行われる。

このような第１実施形態においては、ノッキングが発生し易い領域（ノッキング発生頻度＞０の領域）において、機関回転数の低下に伴い燃料の噴射圧力（燃圧）が低くなるよう変更され、かつ機関回転数の低下に伴い噴射パルス幅（燃料噴射期間）が長くなるように変更されているので、燃焼室３内の燃料分布を均等にすることができる。そのため、点火プラグ９からの火炎伝播速度を均等化することができ、燃焼期間短縮、未燃燃料低減による熱効率の向上を図ることができると共に、ノッキングの発生を抑制することができる。

そして、燃焼室３内の燃料分布の均等化により、ノッキングが発生し易い領域（ノッキング発生頻度＞０の領域）における点火時期を相対的に進角させることが可能となり、ノッキングが発生し易い領域（ノッキング発生頻度＞０の領域）における内燃機関１の出力向上を図ることができる。ここで、図３中に一点鎖線で示す特性線Ｒは、ノッキングが発生し易い領域（ノッキング発生頻度＞０の領域）における噴射パルス幅（燃料噴射期間）を機関回転数に比例するように設定した場合（図４における破線Ｑを参照）の点火時期を示すものであり、本実施形態と異なり、燃焼室内の燃料分布の均一度が悪くなるため、ノッキングの発生防止のために点火時期を大きくリタードさせる必要がある。

また、前記境界回転数は、吸入空気量が多くなるほど大きくなるよう設定されていので、ノッキングが発生しにくい領域では、燃料の微粒化を積極的に行うことができ、微粒化された燃料の気化潜熱による冷却作用より体積効率を向上させることができる。

この第１実施形態おいては、ノッキングが発生し易い領域（ノッキング発生頻度＞０の領域）における噴射パルス幅（燃料噴射期間）が、図４中の実線ａで示すような特性となるように変更されているが、ノッキングが発生し易い領域（ノッキング発生頻度＞０の領域）における噴射パルス幅（燃料噴射期間）の機関回転数に対する特性は、これに限定されるものではなく、例えば、燃焼の噴射圧力（燃圧）に応じて、図４中の実線ｂあるいは実線ｃで示すような特性となるように変更することも可能である。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。この第２実施形態は、上述した第１実施形態において、燃料噴射弁１０から噴射される燃料の噴射圧力を、基本的には、機関回転数に比例するように設定したものである。つまり、この第２実施形態では、ノッキングが発生し易い領域（ノッキング発生頻度＞０の領域）において、燃料の噴射圧力が、上述した第１実施形態に比べて、機関回転数の低下に伴い大きく低下するように変更されている。

図７〜図９は、本発明の第２実施形態における点火時期、燃料噴射弁１０から燃料を噴射する際の噴射パルス幅（燃料噴射期間）及び噴射圧と、機関回転数を相関関係をそれぞれ示している。この第２実施形態においても、ノッキングが発生し易い領域（ノッキング発生頻度＞０の領域）とノッキングが発生しにくい領域との境界となる機関回転数である境界回転数は、上述した図６に示すように、運転条件に応じて決定される吸入空気量に応じて決定されている。また、図７の破線Ｐは、トルクを最大にする点火時期（ＭＢＴ）を示している。

このような第２実施形態においては、上述した第１実施形態と同様の作用効果を得ることができると共に、ノッキングが発生し易い領域（ノッキング発生頻度＞０の領域）では、より一層燃料の噴射圧力が低下するので、燃焼室３への燃料付着の観点では上述した第１実施形態よりも有利となる。

また、上述した各実施形態において、前記境界回転数は、吸入空気量に応じて決定されているが、内燃機関１が過給機を具備しこの過給機による過給圧が大きい場合や、内燃機関１が吸気弁のバルブリフト特性を変更可能な可変動弁機構を具備しこの可変動弁機構により吸気弁の閉時期が進角している場合には、これらの変化に応じて境界回転数を低下させるようにしてもよい。

そして、ノッキングが発生し易い領域（ノッキング発生頻度＞０の領域）において、燃料噴射の終了時期が吸気弁閉時期と一致するように燃料の噴射圧力を低下させれば、吸気行程中に燃料噴射が終了するので、機関回転数が低い場合でも、燃焼室３内の燃料分布の均等化を図るうえで有利となる。

また、上述した実施形態においては、ノッキングが発生し易い領域（ノッキング発生頻度＞０の領域）とノッキングが発生しにくい領域との境界を機関回転数で定義していたが、ノッキングが発生し易い領域（ノッキング発生頻度＞０の領域）とノッキングが発生しにくい領域との境界を吸気温度で定義するようにしてもよい。すなわち、吸気温度が予め設定された境界吸気温度以下の場合には、ノッキングが発生し易い領域（ノッキング発生頻度＞０の領域）であるとし、吸気温度が予め設定された境界吸気温度より高い場合には、ノッキングが発生しにくい領域であると定義することも可能である。

上述した実施形態から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。

（１）筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、筒内に噴射された燃料を点火する点火プラグと、運転条件に応じて決定される吸入空気量に応じて、ノッキングが発生し易い第１領域とノッキングが発生しにくい第２領域との境界となる機関回転数を決定する境界回転数算出手段と、を有し、前記境界回転数算出手段で算出された境界回転数を境に前記燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射圧力の機関回転数に対する変化の割合を変更し、前記第１領域で筒内の燃料分布が均等になるような燃料噴射期間にする。これによって、点火プラグからの火炎伝播速度を均等化することができ、燃焼期間短縮、未燃燃料低減による熱効率の向上を図ることができると共に、ノッキングの発生を抑制することができる。

（２）前記（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において、前記境界回転数は、吸入空気量が多くなるほど大きくなるよう設定されている。これによって、ノッキングが発生しにくい領域では、燃料の微粒化を積極的に行うことができ、微粒化された燃料の気化潜熱による冷却作用より体積効率を向上させることができる。

（３）前記（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は、前記第１領域において、燃料噴射の終了時期が吸気弁閉時期と一致するように、燃料の噴射圧力が低下させる。これによって、吸気行程中に燃料噴射が終了するので、機関回転数が低い場合でも、燃焼室３内の燃料分布の均等化を図るうえで有利となる。

（４）筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、筒内に噴射された燃料を点火する点火プラグと、吸気温度を検出する吸気温度検出手段と、を有しノッキングが発生し易い第１領域とノッキングが発生しにくい第２領域との境界となる予め設定された境界吸気温度を境に前記燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射圧力の機関回転数に対する変化の割合を変更し、前記第１領域で筒内の燃料分布が均等になるような燃料噴射期間にする。これによって、点火プラグからの火炎伝播速度を均等化することができ、燃焼期間短縮、未燃燃料低減による熱効率の向上を図ることができると共に、ノッキングの発生を抑制することができる。

本発明が適用される筒内直接噴射式火花点火内燃機関のシステム構成を示す構成説明図。機関回転数と筒内の燃料分布の均一度の相関関係を示す特性図。第１実施形態における点火時期と機関回転数の相関関係を示す特性図。第１実施形態における噴射パルス幅と機関回転数の相関関係を示す特性図。第１実施形態における噴射圧力と機関回転数の相関関係を示す特性図。境界回転数と吸入空気量との相関関係を示す特性図。第２実施形態における点火時期と機関回転数の相関関係を示す特性図。第２実施形態における噴射パルス幅と機関回転数の相関関係を示す特性図。第２実施形態における噴射圧力と機関回転数の相関関係を示す特性図。

符号の説明

１…内燃機関
９…点火プラグ
１０…燃料噴射弁
１８…コントロールユニット

Claims

筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、
筒内に噴射された燃料を点火する点火プラグと、
運転条件に応じて決定される吸入空気量に応じて、ノッキングが発生し易い第１領域とノッキングが発生しにくい第２領域との境界となる機関回転数を決定する境界回転数算出手段と、を有し、
基準となる燃料の噴射圧力を機関回転数にかかわらず一定に設定する一方、前記第１領域においては、機関回転数低下に伴い噴射圧力が低下するようにして、機関回転数低下に伴い燃料噴射期間が相対的に長くなるようにした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。
筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、
筒内に噴射された燃料を点火する点火プラグと、
運転条件に応じて決定される吸入空気量に応じて、ノッキングが発生し易い第１領域とノッキングが発生しにくい第２領域との境界となる機関回転数を決定する境界回転数算出手段と、を有し、
基準となる燃料の噴射圧力を所定の割合で機関回転数に比例するように設定する一方、前記第１領域においては、前記所定の割合よりも大きな割合で機関回転数低下に伴い噴射圧力が低下するようにして、機関回転数低下に伴い燃料噴射期間が相対的に長くなるようにした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。
前記境界回転数は、吸入空気量が多くなるほど高くなるよう設定されてい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。
前記第１領域において、燃料噴射の終了時期が吸気弁閉時期と一致するように、燃料の噴射圧力を低下させ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。
筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、
筒内に噴射された燃料を点火する点火プラグと、
吸気温度を検出する吸気温度検出手段と、を有し、
ノッキングが発生し易い第１領域とノッキングが発生しにくい第２領域との境界が予め設定された境界吸気温度により規定され、
基準となる燃料の噴射圧力を機関回転数にかかわらず一定に設定する一方、前記第１領域においては、機関回転数低下に伴い噴射圧力が低下するようにして、機関回転数低下に伴い燃料噴射期間が相対的に長くなるようにした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。
筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、
筒内に噴射された燃料を点火する点火プラグと、
吸気温度を検出する吸気温度検出手段と、を有し、
ノッキングが発生し易い第１領域とノッキングが発生しにくい第２領域との境界が予め設定された境界吸気温度により規定され、
基準となる燃料の噴射圧力を所定の割合で機関回転数に比例するように設定する一方、前記第１領域においては、前記所定の割合よりも大きな割合で機関回転数低下に伴い噴射圧力が低下するようにして、機関回転数低下に伴い燃料噴射期間が相対的に長くなるようにした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。