JP6921702B2 - 火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法および燃料噴射装置 - Google Patents

Description

この発明は、筒内に直接に燃料を噴射する火花点火式内燃機関のクランキング時における燃料噴射制御方法および燃料噴射装置に関する。

特許文献１には、筒内噴射式内燃機関の始動時（クランキング時）に、燃料の一部を吸気行程中に噴射して燃焼室内に比較的均質な混合気を形成した上で、燃料の一部を圧縮行程で噴射し、成層化した混合気に点火プラグにより点火を行う技術が記載されている。このように燃料の一部を吸気行程中に噴射することで、気化時間を確保することができ、確実な始動に寄与する。

一方、近年、内燃機関の常用域での燃費低減のために高い排気還流率でもってＥＧＲ（排気還流）を行い、ポンピングロスを低減することが多く試みられている。このような高ＥＧＲ下での安定した燃焼を確保するためには、筒内のガス流動が必要であり、そのためにタンブルを強化した吸気系の構成が用いられる傾向にある。

特開２００３−３２８８１６号公報

クランキング時に吸気行程中に噴射された燃料は、ピストンがまだ下方に位置することから、ピストン冠面よりも上方となるシリンダの内壁面へ向かって噴射されることとなる。このとき、タンブル強化を図った吸気系を有する内燃機関にあっては、燃料噴霧がタンブル流に乗って加速され、シリンダの内壁面に付着し易くなる。

従って、付着燃料量が増えるとともに、安定した着火・燃焼のためには燃料量の増量が必要となり、排気中のＣＯやＨＣが増加する。

この発明は、クランキング時に、燃焼室内に希薄なベース混合気を形成するように燃料を噴射する少なくとも１回の早期噴射と、点火プラグ付近に点火可能な混合気を形成するように圧縮行程後半にピストン冠面へ向けて燃料を噴射する後期噴射と、に分割して燃料噴射を行うに際して、上記早期噴射の中の最初の噴射の噴射開始時期を、下死点付近としたものである。

ピストンの下降に伴ってシリンダ内に生成されるタンブル流は、吸気行程の中間で最も強くなり、その後ピストンが下死点に近付くと、上下に延びた大きな渦となる結果、局所的なタンブル強度は相対的に低くなる。従って、最初の噴射の噴射開始時期を下死点付近とすることで、噴霧に及ぼすタンブル流の影響が弱くなり、タンブル流に起因したシリンダ内壁面への燃料の付着が少なくなる。

この発明によれば、クランキング時に、タンブル流に起因したシリンダ内壁面への燃料の付着が少なくなり、排気中のＣＯやＨＣが抑制される。

一実施例の内燃機関のシステム構成を示す説明図。 クランキング時の成層燃焼用の噴射パターンを示した特性図。 触媒暖機運転中の成層燃焼用の噴射パターンを示した特性図。 吸気行程中期に噴射した比較例の噴霧の挙動を説明する説明図。 下死点付近で噴射した実施例の噴霧の挙動を説明する説明図。 比較例による空燃比等の変化を示す特性図。 実施例による空燃比等の変化を示す特性図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図１は、一実施例のシステム構成を示す説明図である。内燃機関１は、ピストン２が上下動する複数のシリンダ３を有し、ピストン２によってシリンダ３内に燃焼室４が形成されている。燃焼室４の天井面には、吸気ポート６を開閉する一対の吸気弁７と、排気ポート８を開閉する一対の排気弁９とが設けられており、これら計４個の吸気弁７および排気弁９に囲まれた中央部に、混合気に火花点火を行う点火プラグ５が配置されている。吸気弁７および排気弁９は、それぞれの動弁機構１０，１１を介して開閉駆動される。ここで、吸気ポート６は、吸気行程においてピストン２の下降に伴ってシリンダ３内（換言すれば燃焼室４内）に比較的強いタンブル流を生成するように構成されている。

吸気ポート６の下側に燃料噴射弁１２が配置されており、一対の吸気弁７の間に燃料噴射弁１２の先端部が位置している。この燃料噴射弁１２の噴射方向は、シリンダ中心軸線ＣＬに対し比較的大きく傾いており、ピストン２冠面へ向かって斜めに燃料を噴射する構成となっている。ピストン２冠面には、圧縮行程後半において噴射された燃料（図１の噴霧Ｆ）が衝突し、かつこの衝突した噴霧を点火プラグ５側へ案内するように、キャビティ２ａが形成されている。つまり、いわゆるウォールガイド形式の成層燃焼が可能な構成となっている。

上記燃料噴射弁１２には、図示せぬ燃料ポンプによって加圧された燃料が高圧燃料配管を介して導かれており、内部の弁体がリフトすることによって燃料噴射が行われる。燃料噴射量は、基本的に、燃料噴射時間に比例したものとなる。燃料噴射弁１２の燃料噴射時期（詳しくは燃料噴射開始時期）および燃料噴射量（つまり噴射期間）は、エンジンコントローラ１５によって制御される。エンジンコントローラ１５には、吸入空気量を検出するエアフロメータ１６、機関回転速度を示すクランク角センサ１７、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ１８、内燃機関１の冷却水温を検出する水温センサ１９、等の種々のセンサ類が接続されている。また、運転者によって操作される車両のキースイッチ２０の信号がエンジンコントローラ１５に入力される。なお、図示していないが、内燃機関１は、排気の一部を吸気系に還流する排気還流装置を備えており、運転条件（負荷および回転速度）が所定のＥＧＲ領域内にあるときには、比較的高いＥＧＲ率でもって排気還流を行い、ポンピングロスの低減を図るように構成されている。エンジンコントローラ１５は、燃料噴射弁１２のほか、点火プラグ５による点火時期、図示せぬスロットル弁の開度、排気還流装置における排気還流制御弁の開度、スタータモータの作動、等を制御している。

このように構成された内燃機関１においては、均質燃焼や成層燃焼を含む種々の燃焼モードが可能であるが、内燃機関１の始動のためのクランキング時には、確実な点火・始動を図るために、燃焼室４の大部分をストイキよりもリーンとしつつ点火プラグ５付近に点火可能なストイキよりも僅かにリッチな混合気を形成する成層燃焼が行われる。

図２は、横軸をクランク角としてクランキング時における噴射パターンを示した特性図である。図には、吸気行程から圧縮行程に亘るほぼ３６０°ＣＡの範囲が示されている。図示するように、クランキング時には、サイクルに必要な燃料が第１噴射ＩＴ１と第２噴射ＩＴ２と第３噴射ＩＴ３の３回に分割して噴射される。ここで、第１噴射ＩＴ１と第２噴射ＩＴ２は、燃焼室４内に希薄なベース混合気を形成する早期噴射に相当し、第３噴射ＩＴ３は、点火プラグ５付近に局部的に濃い点火可能な混合気を形成する後期噴射に相当する。つまり、この実施例では、早期噴射が第１噴射ＩＴ１と第２噴射ＩＴ２とに分割されている。このように早期噴射を複数回に分割することで、個々の噴霧のペネトレーションが小さくなり、シリンダ３内壁面への燃料付着を抑制する上で有利となる。なお、早期噴射を３回以上に分割することも可能である。

早期噴射の中で最初の噴射である第１噴射ＩＴ１の噴射開始時期は、下死点（ＢＤＣ）付近に設定される。一実施例においては、ＡＴＤＣ１７０°ＣＡ〜ＡＴＤＣ１９０°ＣＡの範囲内に設定される。なお、４気筒内燃機関のように複数気筒の点火が１８０°ＣＡ毎に行われる内燃機関である場合には、第１噴射ＩＴ１の噴射開始時期を、他の気筒での燃焼行程の角速度上昇前に設定することが望ましい。

早期噴射の中で２回目の噴射である第２噴射ＩＴ２の噴射開始時期は、吸気弁７の閉弁時期以降であることが望ましい。さらに、燃焼室４内に存在するタンブル流の中心（詳しくはシリンダ上下方向での中心高さ位置）を噴霧が指向することとなるタイミングで噴射開始することが望ましい。一実施例においては、第２噴射ＩＴ２の噴射開始時期は、ＡＴＤＣ２７０°ＣＡ〜ＡＴＤＣ２８０°ＣＡ程度に設定される。

後期噴射である第３噴射ＩＴ３の噴射開始時期は、噴射された噴霧がキャビティ２ａに衝突して点火プラグ５付近に局部的に濃い混合気を形成するように、圧縮行程後半に設定される。一実施例においては、ＡＴＤＣ３１０°ＣＡ付近に設定される。

なお、図２においてパルス状に図示した第１噴射ＩＴ１〜第３噴射ＩＴ３は、単に噴射時期を示したものであり、そのパルス幅が噴射期間つまり噴射量に正確に対応している訳ではない。噴射量割合としては、例えば、後期噴射である第３噴射ＩＴ３が総燃料量の３０％程度となり、早期噴射である第１噴射ＩＴ１と第２噴射ＩＴ２の和が総噴射量の７０％程度となる。第１噴射ＩＴ１と第２噴射ＩＴ２は、例えば、総噴射量の３５％ずつを占めるように設定される。勿論、各々の噴射量割合は、この例に限定されるものではない。なお、総噴射量は、ストイキ相当の噴射量よりも僅かに多い量に設定される。

図２には、シリンダ３内に生じるタンブルの強度を併せて図示してある。ここで、破線ｔｕは、燃料噴霧による影響を考慮せずに、シリンダ３内に生じるタンブル強度を示しており、実線ＴＵは、燃料噴霧による影響を受けたタンブル強度を示している。破線ｔｕに示すように、タンブルは、吸気行程のピストン２の下降に伴って発達し、ＡＴＤＣ９０°ＣＡよりも多少遅れたタイミング（例えば１４０°ＣＡ付近）でその強度がピークとなる。その後は、燃焼室４が縦長に拡大することから下死点（ＢＤＣ）へ向かって徐々に強度が低下し、圧縮行程でも引き続き強度が低下していく。

従って、上記実施例のように最初の第１噴射ＩＴ１を吸気行程中期ではなく下死点付近まで遅らせて噴射することにより、タンブル流がある程度弱まった段階で第１噴射ＩＴ１がなされることになり、噴霧に及ぼすタンブル流の影響が少なくなる。具体的には、噴霧がタンブル流に乗って加速されることでシリンダ３内壁面に衝突・付着する現象が抑制され、一般に冷機状態にあるクランキング時の燃料付着が少なくなる。

また、下死点後にピストン２は上昇に転じるが、仮に、他の気筒での燃焼爆発によってピストン２の上昇速度が急に高くなると、タンブル流が上方に持ち上げられ、第１噴射ＩＴ１の噴霧との位置関係が変化する。従って、４気筒内燃機関のように複数気筒の点火が１８０°ＣＡ毎に行われる内燃機関である場合には、第１噴射ＩＴ１の噴射開始時期を、他の気筒での燃焼行程の角速度上昇前に設定することが望ましい。

第２噴射ＩＴ２については、燃焼室４内に残存しているタンブル流の中心に向けて燃料を噴射することによって、実線ＴＵに示すように、タンブル強度が低下する。従って、過剰なタンブルによって混合気の成層化が阻害されることが少なくなる。また、この第２噴射ＩＴ２は、上述したように、吸気弁７の閉弁時期以降であることが望ましい。吸気弁７の閉弁に伴って筒内圧が上昇するため、噴霧のペネトレーションが小さくなり、シリンダ３内壁面への付着が少なくなる。

このように、上記実施例においては、一般に冷機状態であるクランキング時に、早期噴射である第１噴射ＩＴ１および第２噴射ＩＴ２による燃料噴霧のシリンダ３内壁面への付着が抑制される。従って、燃料付着に伴う排気中のＣＯおよびＨＣの増加が少なくなる。

図４は、ベース混合気を形成するための早期噴射を吸気行程中期に噴射した場合（比較例）の噴霧の挙動を説明する説明図であって、ピストン２がストロークの下半部に位置しているので、噴射された噴霧ＩＮＪは、ピストン２冠面ではなくシリンダ３内壁面へ向かう。このとき、シリンダ３内にタンブル流ｔｕが強く存在しているので、噴霧ＩＮＪがタンブル流ｔｕに乗って矢印Ｆ１のように加速され、シリンダ３内壁面に衝突・付着する。

これに対し、図５は、ベース混合気を形成するための早期噴射（つまり第１噴射ＩＴ１）を吸気下死点付近で噴射した場合（実施例）の噴霧の挙動を説明する説明図である。この場合、ピストン２が下死点付近に位置し、タンブル流ＴＵは上下に引き延ばされて相対的に弱くなっている。そのため、噴射された噴霧ＩＮＪをタンブル流ＴＵが加速する作用は弱くなり（矢印Ｆ２参照）、シリンダ３内壁面への燃料の衝突・付着が少なくなる。

図６および図７は、上記のような早期噴射の燃料付着による影響を説明するための特性図でである。図６は、早期噴射を吸気行程中期に設定した比較例での点火プラグ付近の空燃比および壁面への燃料付着量（シリンダ内壁面への付着量Ｑ１およびピストン冠面への付着量Ｑ２）のクランク角に対する変化の特性を示している。図７は、早期噴射を吸気下死点付近に設定した実施例での点火プラグ付近の空燃比および壁面への燃料付着量（シリンダ内壁面への付着量Ｑ１およびピストン冠面への付着量Ｑ２）のクランク角に対する変化の特性を示している。なお、図６および図７では、説明の簡略化のために、早期噴射を２分割せずに、早期噴射ＩＴＡと後期噴射ＩＴＢの２回で総燃料量を噴射するものとしている。

図６の比較例では、吸気行程中期の早期噴射ＩＴＡによってベース混合気が形成されるが、前述したタンブル流の影響による噴霧の加速によってシリンダ内壁面への燃料の付着量Ｑ１が大となる。そのため、ベース混合気の空燃比が過度にリーンとなってしまう。その後、圧縮行程後半において後期噴射ＩＴＢがなされ、点火プラグ付近の空燃比は、後期噴射ＩＴＢによる当量比増加分をベース混合気に上乗せした形で濃くなっていく。しかしながら、ベース混合気が過度にリーンであると、点火プラグ付近の空燃比が着火可能な目標空燃比ＴＡＦに到達せず、着火が不安定となる。従って、実際には、目標空燃比ＴＡＦに到達するように噴射量の増量が必要となり、付着燃料が多いことと相俟ってＣＯおよびＨＣが増加する。なお、後期噴射ＩＴＢによる燃料の一部は、付着量Ｑ２として図示するようにピストン冠面に付着する。

図７の実施例では、早期噴射ＩＴＡを吸気下死点付近で行うことによりシリンダ内壁面への燃料付着量Ｑ１が少なくなり、燃焼室内に形成されるベース混合気が図６の比較例よりも濃くなる。そのため、圧縮行程後半において後期噴射ＩＴＢがなされると、点火プラグ付近の空燃比が所期の目標空燃比ＴＡＦに到達し、確実な点火が可能となる。従って、過度の燃料増量が不要であり、燃料付着量が少ないことと相俟ってＣＯおよびＨＣが抑制される。

次に、図３は、機関冷機時にクランキングによる始動後に開始される、触媒暖機のための点火時期リタードを伴う触媒暖機運転中の噴射パターンを示している。この触媒暖機運転は、やはり成層燃焼（詳しくは成層度が比較的に低いいわゆる弱成層燃焼）として行われるものであり、サイクルに必要な燃料が第１噴射ＩＴ１と第２噴射ＩＴ２と第３噴射ＩＴ３の３回に分割して噴射される。ここで、第１噴射ＩＴ１と第２噴射ＩＴ２は、燃焼室４内に希薄なベース混合気を形成する早期噴射に相当し、第３噴射ＩＴ３は、点火プラグ５付近に局部的に濃い点火可能な混合気を形成する後期噴射に相当する。つまり、クランキング時と同様に、早期噴射が第１噴射ＩＴ１と第２噴射ＩＴ２とに分割されている。このように早期噴射を複数回に分割することで、個々の噴霧のペネトレーションが小さくなり、シリンダ３内壁面への燃料付着を抑制する上で有利となる。

この触媒暖機運転においては、早期噴射の中で最初の噴射である第１噴射ＩＴ１の噴射開始時期は、吸気行程中期に設定される。一実施例においては、ＡＴＤＣ１００°ＣＡ付近に設定される。なお、この噴射時期は、タンブル流の中心（詳しくはシリンダ上下方向での中心高さ位置）を噴霧が指向することとなるタイミングに相当する。このようにタンブル流の中心に向けて燃料を噴射することによって、吸気行程中に発達しようとするタンブル流が弱められる。

また、第２噴射ＩＴ２の噴射開始時期は、第１噴射ＩＴ１と第３噴射ＩＴ３との間であればよく、例えば吸気下死点付近となる。なお、第３噴射ＩＴ３の噴射開始時期は、図２のクランキング時と大差がない時期となる。

このように第１噴射ＩＴ１および第２噴射ＩＴ２の噴射開始時期をある程度早めることで、点火時期までの噴霧の気化時間を長く確保でき、点火時期を上死点後へと比較的大きくリタードさせても安定した燃焼が可能となる。なお、この触媒暖機運転の際には、既に内燃機関１が始動していてシリンダ内壁面等の壁温が急激に上昇する過程にあるので、冷機状態であるクランキング時に比較して、タンブル流による燃料付着は生じにくい。

１…内燃機関
２…ピストン
３…シリンダ
５…点火プラグ
６…吸気ポート
１２…燃料噴射弁
１５…エンジンコントローラ

Claims (5)

1. シリンダ中心軸線に対し斜めに傾斜した方向に燃料噴射を行う燃料噴射弁を備え、クランキング時に、燃焼室内に希薄なベース混合気を形成するように燃料を噴射する少なくとも１回の早期噴射と、点火プラグ付近に点火可能な混合気を形成するように圧縮行程後半にピストン冠面へ向けて燃料を噴射する後期噴射と、に分割して行うとともに、上記早期噴射の中の最初の噴射の噴射開始時期を下死点付近とする、火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法において、
   複数気筒の点火が１８０°ＣＡ毎に行われる内燃機関における燃料噴射制御方法であって、
   上記噴射開始時期を、他の気筒での燃焼行程の角速度上昇前に設定する、ことを特徴とする火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
2. シリンダ中心軸線に対し斜めに傾斜した方向に燃料噴射を行う燃料噴射弁を備え、クランキング時に、燃焼室内に希薄なベース混合気を形成するように燃料を噴射する少なくとも１回の早期噴射と、点火プラグ付近に点火可能な混合気を形成するように圧縮行程後半にピストン冠面へ向けて燃料を噴射する後期噴射と、に分割して行うとともに、上記早期噴射の中の最初の噴射の噴射開始時期を下死点付近とする、火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法において、
   上記早期噴射を、最初の第１噴射と、この第１噴射と上記後期噴射との間に行う第２噴射と、に分割して行い、
   上記第２噴射を、吸気弁の閉弁時期以降に行う、ことを特徴とする火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
3. シリンダ中心軸線に対し斜めに傾斜した方向に燃料噴射を行う燃料噴射弁を備え、クランキング時に、燃焼室内に希薄なベース混合気を形成するように燃料を噴射する少なくとも１回の早期噴射と、点火プラグ付近に点火可能な混合気を形成するように圧縮行程後半にピストン冠面へ向けて燃料を噴射する後期噴射と、に分割して行うとともに、上記早期噴射の中の最初の噴射の噴射開始時期を下死点付近とする、火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法において、
   上記早期噴射を、最初の第１噴射と、この第１噴射と上記後期噴射との間に行う第２噴射と、に分割して行い、
   上記第２噴射を、燃焼室内に存在するタンブル流の中心を指向するタイミングで噴射する、ことを特徴とする火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
4. 上記噴射開始時期は、ＡＴＤＣ１７０°ＣＡ〜ＡＴＤＣ１９０°ＣＡの範囲内にある、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
5. 複数気筒の点火が１８０°ＣＡ毎に行われる内燃機関における燃料噴射制御装置であって、
   吸気ポートの下側に配置されるとともに、上死点付近でピストン冠面を指向する噴射方向を有する燃料噴射弁と、
   この燃料噴射弁の燃料噴射を制御するコントローラと、
   を備え、
   上記コントローラは、
   クランキング時に、燃焼室内に希薄なベース混合気を形成するように燃料を噴射する少なくとも１回の早期噴射と、点火プラグ付近に点火可能な混合気を形成するように圧縮行程後半にピストン冠面へ向けて燃料を噴射する後期噴射と、に分割して行うとともに、上記早期噴射の中の最初の噴射の噴射開始時期を、下死点付近で、かつ、他の気筒での燃焼行程の角速度上昇前に設定する、ことを特徴とする火花点火式内燃機関の燃料噴射装置。

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