JPH04183922A - 筒内直接噴射式火花点火機関 - Google Patents

筒内直接噴射式火花点火機関

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JPH04183922A
JPH04183922A JP2308627A JP30862790A JPH04183922A JP H04183922 A JPH04183922 A JP H04183922A JP 2308627 A JP2308627 A JP 2308627A JP 30862790 A JP30862790 A JP 30862790A JP H04183922 A JPH04183922 A JP H04183922A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガソリンのような燃料を機関の燃焼室内へ直
接噴射して火花点火により燃焼させると共に、機関の燃
焼室から排出される排気を触媒変換器によって浄化する
ようにした筒内直接噴射式火花点火機関に関する。　　
　　　　　′〔従来の技術〕 特開平２−１６９８３４号公報には筒内直接噴射式火花
点火機関の従来例が記載されている。この機関において
は、圧電素子を利用した応答の速いアクチュエータによ
って駆動される燃料噴射弁が、機関のンリングヘッドに
取付けられており、燃料噴射ポンプによって高圧に加圧
されたガソリンのような燃料を、機関の吸気行程前半及
び圧縮行程後半の適時に、それぞれ適量だけ機関の燃焼
室内へ直接噴射して、シリンダヘッドに取付けられた点
火栓によって点火・燃焼させる。
そして圧縮行程後半において噴射される燃料噴霧は、燃
焼室内の混合気が希薄なときでも、点火栓の周辺にだけ
理論混合比程度の点火しやすい混合、気の層を形成し、
これを火種として希薄な層にまで火焔が伝播するように
設定される。この機関は、ディーゼル機関と同様に、原
則的には出力制御のためにスロットル弁によって吸気量
を絞るというようなことをしないので、燃焼は３〜５倍
の空気過剰の下で行なわれる。したがってアイドリング
のような低負荷の状態でも多量の空気が燃焼室に吸入さ
れ、混合気が希薄になって、そのままでは点火栓によっ
て点火することができないため、前述のような手段によ
り成層燃焼を行なわせているのである。
吸気行程前半において噴射される燃料は、燃料がシリン
ダ壁面に付着するのを避けるために、ピストンが上死点
後のまだ高い位置にある間に、ピストンの頂面や頂面に
設けられた凹みの中に向かって噴射され、吸気行程から
圧縮行程にかけての比較的長い時間の間に、燃料噴霧が
気化して空気と十分に混合するように考えられている。
前述の従来例には記載されていないが、筒内直接噴射式
火花点火機関でも、排気は普通の火花点火機関と同様に
排気通路に設けられた触媒変換器等によって浄化される
。
筒内直接噴射式火花点火機関に限ったことではないが、
一般に触媒変換器を使用する場合、冷間始動時のように
触媒の温度が低く、活性温度に達していない場合は、Ｈ
ＣやＣＯ等の浄化が行なわれずに大気中に放出されるの
で、迅速に浄化効率を高めるために、従来から排気管に
ヒータを設けて触媒を加熱する等の、比較的面倒で、コ
スト上昇を招く手段が提案されて来た。
〔発明が解決しようとする課題〕
特に筒内直接噴射式火花点火機関においては、前述のよ
うに、普通の火花点火機関にくらべて空気過剰率の高い
状態で運転されることが多いから、希薄な混合気の燃焼
のために排気温度が低くなりがちで、始動後も触媒変換
器の触媒の温度が活性温度まで容易に上昇せず、排気浄
化の進まない状態が長時間継続し、浄化されない排気を
放出するおそれがある。
本発明はこの問題に対処するに当り、特に筒内直接噴射
式火花点火機関の構成上の特質を活かした有利な手段に
よって、触媒変換器の温度を迅速に活性温度まで到達さ
せるようにすることを発明の解決課題としている。
〔課題を解決するための、手段〕
本発明は前記の課題を解決するために、高圧に加圧され
た燃料を機関の燃焼室内に直接に噴射することができる
燃料噴射弁と、前記燃焼室内に設けられた火花点火栓と
、排気を浄化するために排気通路の途中に設けられた触
媒変換器と、前記触媒変換器の触媒の温度を検出する温
度センサと、機関制御のために機′関口転数、負荷、及
び前記触媒の温度センサの検出値を人力される制御装置
とを備えており、前記触媒の温度が所定の目標温度より
も低い時に、膨張行程又は排気行程において、前記制御
装置の指令によって前記燃料射弁が前記ｔら） 燃焼室内に追加の燃料を噴射して排気に混入させると共
に、前記触媒変換器の上流において前記追加の燃料を混
入した排気を再点火して燃焼させ、前記触媒を前記目標
温度まで加熱するように構成したことを特徴とする筒内
直接噴射式火花点火機関を提供する。
〔作　用〕
筒内直接噴射式火花点火機関の基本的作動として、高圧
に加圧された燃料の少くとも一部は燃料噴射弁によって
、吸気行程及び／又は圧縮行程の適期に機関の燃焼室内
に直接噴射されて、吸入された空気に混入すると共に、
火花点火栓の放電によって点火された通常の燃焼を行な
う。
本発明によれば、触媒変換器に設けた温度センサが冷間
始動時等に目標温度以下の低い値を出力した時は、それ
が入力されている制御装置の指令によって前記機関の燃
料噴射弁が膨張行程又は排気行程において再び追加の燃
料の噴射を行ない、この機関の特質である空気過剰の排
気の中に混入させる。燃料を混入された排気は燃焼室か
ら排気通路にかけての領域内で再点火されて再び燃焼し
、それが触媒変換器へ流入することによって触媒を加熱
して温度を高める。
触媒の温度が目標温度を越えると、温度センサがそれを
検知し、制御装置によって追加の燃料噴射や再点火が停
止される。
〔実施例〕
第１図〜第３図は、それぞれ本発明の第１〜第３の実施
例の作動を示すタイムチャートであって、各実施例の特
徴が他との比較にふいて分りやすく画かれている。実施
例のそれぞれについては、以下順を追って詳細に説明す
る。
本発明の第１実施例は、第１図に加えて第４図〜第６図
によって示されている。第１実施例による筒内直接噴射
式火花点火機関の全体構成は、第４図の平面図に示した
ように、機関本体１０、燃料タンク１２、燃料を高圧（
たとえば２００ｋｇ／ｃ＋＋ｆ）まで加圧する燃料噴射
ポンプ１４、高圧に加圧された燃料を一時貯溜して分配
する各気筒共通のりサーバタンク１６、各気筒からの排
気を合流させて導出する排気通路１８、排気通路の途中
に排気浄化のために設けられた触媒変換器２０、機関の
運転状態を制御する電子式制御装置（ＥＣＵ）２２等か
らなっている。
各気筒の燃焼室２４〜３０には、それぞれ２個づつの吸
気弁を有する吸気ポート３２〜３８と、同じく２個づつ
の排気弁を有する排気ポート４０〜４６が設けられ、各
排気ポート４０〜４６は合流して、排気通路１８を介し
て触媒変換膜器２０に連通している。各燃焼室２４〜３
０内には、シリンダヘッドに取付けられた燃料噴射弁４
７〜５０の先端が開口し得るように設けられており、Ｅ
ＣＵ　２２の制御によって図示しない圧電素子が付勢さ
れると噴口を開いてリザーバタンク１６内の高圧の燃料
を各燃焼室２４〜３０内へ噴射する。リザーバタンク１
６内の圧力は略一定であるから、燃料の噴射量は噴口を
開いている時間に比例する。
噴口を開き、且つ閉じる時期によって、燃料噴霧とピス
トンの頂壁、あるいはそれに設けられた様々の形状の凹
みとの位置関係が異なり、シリンダ壁面へ付着する燃料
（潤滑油を希釈するので一般に望ましくないとされてい
る。）の量、燃料の気化、空気との混合の程度、燃焼の
良否等に変化が生じるから、それらの時期は燃料噴射方
向、噴霧角等と共に重要な問題であり、最適のものを選
ぶ必要があるが、本発明の場合は直接には関係がない。
５１〜５４は燃焼室２４〜３０の頂部付近に設けられた
点火栓を示す。
ＥＣＩＪ　２２には、機関の回転数Ｎ、、やアクセル開
度θえ等の機関の負荷を示す信号が各センサ（図示しな
い）から人力されると共に、触媒変換器２０に設けられ
た温度センサ５５から触媒の温度（触媒自体の温度でな
く、触媒付近の温度でもよい。）Ｔ　ｃ　ａ　ｔが人力
される。そして後述のように、ＢＣ［Ｉ　２２から燃料
噴射弁４７〜５０には噴口を開閉する時期・期間を指令
するための信号Ｑ／、、が、また点火栓５１〜５４を付
勢する時期を指令するための信号θ′１゜が出力される
ようになっている。
第５図には４つの気筒のうち代表として燃焼室−２４の
関連構造と、その主要な作動状態を例示している（第１
図のタイムチャートも併せて参照）。
他の気筒も同様な構造であるが、作動の時期は点火順に
１８０°づつずれている。図示されない吸気弁及び排気
弁が共に閉じていて、ピストン５６が上　□死点近（ま
で上昇した圧縮行程後期の状態を第５図（ａ）が示して
おり、この状態で燃料噴射弁４７はＥＣ［Ｉ　２２が指
令する時間だけ噴口を開き、Ｑ′１Ｊの信号に対応する
量の燃料を噴霧５７として、ピストン５６の頂面に設け
られた深い凹み５８の中へ噴射する（第１図にも示す第
１の噴射１１１）。これは従来技術の項で説明した筒内
直接噴射式火花点火機関の一つの特徴である圧縮行程噴
射である。この例では、第５図（ｂ）の平面図にみられ
るように、第１の噴射■Ｊ１は凹み５８の中だけに行な
われているが、必ずしも、それに限られる訳ではない。
第１の噴射■ｊ１によって点火栓５１の火花電極付近に
は燃焼室２４内でもっとも濃厚な、理論混合比程度の混
合気が形成されるので、」二死点の近くて発生する信号
θ′１９によって点火栓５１が付勢されて放電すると、
まず点火栓５１付近の濃い混合気が点火しく第１の点火
１９．）　、これを火種として、燃焼室２４内の希薄な
混合気に火焔が伝播し、混合気全体が燃焼する（第１の
燃焼Ｃ１）。したがって、点火栓５１の放電だけでは着
火しないような希薄な混合気であっても速やかに混合気
全体が着火燃焼することができる。なお、燃焼室２４内
にある比較的希薄な混合気は、中・高負荷運転の状態で
は、吸気行程において予め燃焼室２４内の空気中に燃料
噴射弁４７から燃料を噴射（吸気行程噴射）して気化・
混合させることにより形成されたものであるが、場合に
よっては、吸気ポート３２に設ける気筒外の燃料噴射弁
（図示しない）によって、供給すべき燃料の一部を吸気
の中へ噴射し、吸気弁が開いたときに混合気として燃焼
室２４内へ送り込むようにしてもよい。
作動状態において、燃焼室２４内の混合気が点火（１９
１）・燃焼（ＣＩ）してのちピストン５６が下降する膨
張行程の、たとえば中程から下死点にかけての期間の適
時に、燃焼室２４内には燃料噴射弁４７から再び第２の
燃料噴射ＩＪ２が行なわれる。第５図（Ｃ）（ｄ）中に
燃料噴霧５９として示したものがそれであって、この場
合はピストン５６が下降しているから、その頂面に広く
噴霧が衝突し、ピストン５６の頂面は高温となっている
ために燃料は直ちに気化して、膨張したシリンダ内の燃
焼ガス６０と混合する。
前述のように、筒内直接噴射式火花点火機関は空気過剰
の状態で運転されているから、第２の燃料噴射■１□に
よって供給された燃料を燃焼させるだけの空気は、燃焼
ガス６０の中に十分残存しており、第２の噴射Ｉ、２に
よって排気がちょうど理論混合比に達するように設定す
ることもできる。そのようにすれば、触媒変換器２０に
は三元触媒を使用することも可能となる。
そして、第１実施例においては第５図（ｅ）に示されて
いるように、排気弁６２が開いてピストン５６が下死点
から上昇する排気ギテ程の終期に、機関本体１０の燃焼
室２４の点火栓５１を再び付勢して第２の点火Ｉ９２を
行ない、排気ガス６４と共に排気ポート４０から流出す
る第２の噴射Ｉｊ２による燃料に点火する。したがって
、第２の燃焼Ｃ２は筒内（燃焼室２４）から部外（排気
ポート４０、排気通路１８）にかけた広い範囲で起こり
、排気通路ＩＢ内で他の気筒の未燃ガスにまで燃焼が伝
播して、排気通路１８を流れる排気ガス６４の温度を上
昇させるので、触媒変換器２０内の触媒は加熱されて速
やかに活性温度に到達し、排気の浄化能力を十分に発揮
するようになる。
温度センサ５５とＥＣＵ　２２によって、触媒の温度が
活性温度を基準とする所定の目標温度を越えたことが検
知されると、ＥＣ［Ｉ　２２の指令によって第２の燃料
噴射１ｊ２及び第２の点火１９２は停止され、排気行程
における第２の燃焼Ｃ７も停止して通常の運転状態とな
る。
通常の火花点火式内燃機関と異なり、筒内直接噴射式火
花点火機関においては、吸気弁が閉じている膨張行程や
排気行程においても、燃料噴射弁４７〜５０を付勢しさ
えすれば、燃焼室２４〜３０内へ燃料を供給することが
可能であるという特質を利用して、膨張行程において第
２の筒内噴射Ｉｊ２を行なって筒内を気化器のように使
用するのが本発明の特徴であり、排気行程において燃焼
室２４〜３０内の点火栓５１〜５４を利用して第２の点
火Ｉ、２を行なうことによって、主として排気ポート４
０〜４６や排気通路１８内で第２の燃焼Ｃ２を生起させ
、排気ガス６４の温度を高めて、触媒を加熱するように
した点が第１実施例の特徴である。
したがって、第１実施例においては、第２の燃焼Ｃ２を
起させるために、特別の機器の追加を必要とせず、ＥＣ
Ｕ　２２の制御プログラムを一部変更するだけでも実施
することができる。この場合、第２の点火Ｉ、２を排気
行程の終期に行なうようにすれば、第２の燃焼Ｃ２によ
る逆転方向のトルクや、大きな背圧を発生するおそれも
ない。
第１実施例（第４実施例との共通部分を含む。）の制御
プログラムを示したものが第６図であって、このプログ
ラムは、４サイクルの筒内直接噴射式火花点火機関にお
いては、ＥＣＵ　２２によりクランク軸の２回転に１回
の割合で繰返し実行される。
ずなわち、ステップ（Ｓ）１００において制御プログラ
ムがスタートすると、まず５１０１で、機関回転数ＮＱ
　とアクセル開度むが、機関の負荷状態の指標としてＥ
ＣＵ　２２の図示されない中央処理装置（ＣＰＵ）　　
に読み込まれ、５１０２において、Ｎｅ　とθ４から要
求燃料噴射量Ｑが算出される。次に８１０３では、触媒
変換器２０に設けられた温度センサ５５の検出信号であ
る触媒温度］゛。ａｔが読み込まれ、５１０４において
触媒の目標温度Ｔｃと比較される。触媒の温度Ｔ。ａｔ
が目標温度Ｔｃよりも低いときは５１０５に進み、いず
れも機関回転数Ｎｅ　と要求燃料噴射量Ｑとの関数であ
る第２の燃料噴射Ｉｊ２の燃料噴射量０′と噴射時期Ｑ
’、ｊ、及び第２の点火１．２の点火時期θ′５．とが
マツプから読み取られて駆動回路へ出力され、それによ
って燃料噴射弁４７〜５０が第２の噴射Ｉｊ２を、点火
栓５１〜５４が第２の点火Ｉ９２を行なう。それによっ
て前述のように第２の燃焼Ｃ２が生じて触媒の温度が上
昇する。
５１０４において触媒温度Ｔ。ａｔが目標温度よりも高
いと判定されたときは、第２の噴射■Ｊ２及び第２の点
火Ｉ、２は不必要であるから、５１０７において第２の
燃料噴射量Ｑ′はＯとされ、第２の点火時期の信号θ′
１９も発生させないでＳｉ２０に進み、プログラムを終
了する。したがって、機関は第２の燃焼Ｃ２を行なうこ
となく、通常の運転状態を継続する。
次に第２図は第１実施例の制御プログラム（第６図）の
一部を変更することによって実行することができる第２
実施例を示したものである。この例が第１実施例と異な
る点は第２の点火Ｉ、２の直前に燃焼室２４〜３０内の
燃料噴射弁４７〜５０から少量の燃料を噴射（第３の噴
射■、３）するように構成した点にある。（この場合は
第６図に示したステップ１０５の処理内容の一部を変更
するとよい）。
第３の燃料噴射１．３は、ピストン５６が上死点に近づ
いた時（排気行程の終期近く）に行なわれるから、点火
栓５１〜５４の周囲の空間は狭くなっており、そこに少
量の燃料が噴射されることによって、点火栓５１〜５４
の周辺に燃料濃度が高く着火しやすい混合気が形成され
る。したがって第２実施例の場合は、第２の点火■、２
が行なわれた時に、確実に排気に着火して第２の燃焼Ｃ
２を生起させ得るという効果がある。
第３図、第７図及びその一部拡大図である第８図は、本
発明の第３実施例を示したものである。
第７図が第１実施例を示す第４図と異なる点は、排気通
路１８の途中に第２の点火栓６６を含む排気点火装置６
８を特設した点にあり、排気点火装置６８の構造は第８
図の拡大断面図に詳示されている。
この例では、第２の点火栓６６は排気通路１８の凹み７
０の中に突出するように設けられ、ＥＣ［Ｉ　２２の指
令によって、第３図に示すように排気行程が終り排気弁
が閉じた後の適時に付勢される。第１実施例や第２実施
例と同様に、膨張行程（又は排気行程）の適期において
、気筒内の燃料噴射弁４７〜５０により第２の燃料噴射
ＴＪ２が実行されているので、排気６４の中には第２の
燃焼Ｃ２を排気通路１８内で維持するのに必要な燃料が
混入している。したがって、第２の点火栓６６が放電し
て部外点火Ｔ　９１１１を行なえば、排気６４は第２の
燃焼Ｃ２を起こして温度が上昇し、触媒変換器２０を通
過する時に触媒を加熱して、活性化を促進するのである
。
第３実施例についての制御プログラムは、第１実施例の
それを示した第６図において、ステップ１０５及び１０
７の処理内容の一部を変更し、第２の点火Ｉ９２の点火
時期θ′０．を求める代りに、部外点火Ｉ　ｑｅのため
第２の点火栓６６の点火時期を求めるように変更すれば
よい。もっとも、第２の点火栓６６が各気筒の排気が合
流して流れる排気通路１８の凹み７０の中に設けられて
いる第３実施例のような場合は、凹み７０の中に火焔が
滞留しやすく、それが火種となるので、部外点火Ｉ　９
Ｑのための点火時期を厳密に制御する必要はあまりなく
、単に間欠的に放電を繰返すようにしてもよい。
第９図及びその一部拡大図である第１０図に示す第４実
施例は、第３実施例における第２の点火栓６６を、高圧
の放電による火花点火栓でなく、ディーゼル機関の始動
促進のために予燃焼室等に使用されるグロープラグによ
って置き換えたものに相当する。したがって、第９図に
示す全体構成は第４図の第１実施例や第７図の第３実施
例と略同じで、排気通路１８の途中にグロープラグ７２
が設けられ、Ｅ［１，Ｕ　２２によって制御されて、触
媒あ温度センサ５５が触媒の目標温度よりも低い値を検
出したときに通電されて、通過する排気６４を加熱する
。排気６４には、第３図に示す第３実施例と同様に膨張
行程（あるいは排気行程であってもよい。）において筒
内の燃料噴射弁４７〜５０から第２の燃料噴射Ｉ、Ｂが
行なわれて過剰空気と良く混合しているので、これが赤
熱しているグロープラグ７２に触れて排気通路１８内で
着火・燃焼し、排気ガス６４の温度が上昇する。それに
よって触媒が加熱されて、触媒の温度Ｔ。ａｔが目標温
度Ｔ。を越えるとグロープラグ７２への通電が停止され
、第２の燃料噴射Ｉｊ２も停止される。
この制御のプログラムは第１実施例と共通の部分が多い
ので、第６図に併せて示されている。ステップ１０５に
おけるＧ。、Ｉはグロープラグへの通電開始を、ステッ
プ１０７におけるＧ。ＦＦはグローブラグへの通電停止
を示している。その他の処理は第１実施例の場合と略同
様である。なお、グロープラグ７２を取付ける位置は、
第１０図に示したように排気通路１８内の段部７４など
がよい。それによって、グロープラグ７２の周辺には排
気の小さな渦流７６が生じて、火焔が滞留し、それが火
種となって排気通路１８内に安定した燃焼状態が形成さ
れる。
また、グロープラグ７２が排気流の抵抗となることもな
い。
〔発明の効果〕
本発明は、筒内直接噴射式火花点火機関が空気過剰の状
態で運転されるという特質を利用し、機関の膨張行程又
は排気行程という吸気弁が閉じている時期に、機関の燃
料噴射弁を再び作動させて追加の燃料噴射を行い、これ
を排気中に混入させて、再点火することにより、排気中
の過剰空気によって追加の燃料を燃焼させて排気の温度
を高め、触媒変換器の触媒を加熱して迅速に活性温度ま
で高めることができる。したがって、触媒変換器の立上
りが早く、排気の浄化作用が十分に発揮されるようにな
る。
しかも、追加の燃料噴射や再点火も、機関自体の燃料噴
射弁や火花点火栓によって行なうことができ、その場合
は制御プログラムの一部変更のみ　。
によって対処することが可能であるし、再点火を湾外で
行う場合でも、排気通路に第２の点火栓を設ける程度の
構造の改変によって行い得るから、特にコスト上昇を招
くようなこともなく、経済的に実施することができる。
　　２
【図面の簡単な説明】
第１図は第１実施例の、第２図は第２実施例の、第３図
は第３実施例の、各機関の作動を示すタイムチャート、
第４図は第１実施例の機関の全体構成図、第５図は第１
実施例の機関の燃焼室内の状態の変化を示すもので、（
ａ）、　　（ｃ）、　　（ｅ）は正断面図、（ｂ）、　
　（ｄ）は平面図、第６図は第１実施例及び第４実施例
の制御プログラムを併せて示すフローチャート、第７図
は第３実施例の機関の全体構成図、第８図はその要部の
断面図、第９図は第４実施例の機関の全体構成図、第１
０図はその要部の断面図である。 １０・・・機関本体、　　　１２・・・燃料タンク、１
４・・・燃料噴射ポンプ、１６・・・リザーバタンク、
１８・・・排気通路、　　　２０・・・触媒変換器、２
２・・・電子式制御装置（ＥＣＵ）、２４〜３０・・・
燃焼室、　　３２〜３８・・・吸気ポート、４０〜４６
・・・排気ポート、４７〜５０・・・燃料噴射弁、５１
〜５４・・・点火栓、　　５５・・・温度センサ、５６
・・・ピストン、　　　　５７・・・燃料噴霧、　′５
８・・・凹み、　　　　　５９・・・燃料噴霧、６０・
・・燃焼ガス、　　　６２・・・排気弁、６４・・・排
気、　　　　　６６・・・第２の点火栓、６８・・・排
気点火装置、　７０・・・凹み、７２・・・グロープラ
グ、７４・・・段部、７６・・・渦流。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 　高圧に加圧された燃料を機関の燃焼室内に直接に噴射
    することができる燃料噴射弁と、前記燃焼室内に設けら
    れた火花点火栓と、排気を浄化するために排気通路の途
    中に設けられた触媒変換器と、前記触媒変換器の触媒の
    温度を検出する温度センサと、機関制御のために機関回
    転数、負荷、及び前記触媒の温度センサの検出値を入力
    される制御装置とを備えており、前記触媒の温度が所定
    の目標温度よりも低い時に、膨張行程又は排気行程にお
    いて、前記制御装置の指令によって前記燃料噴射弁が前
    記燃焼室内に追加の燃料を噴射して排気に混入させると
    共に、前記触媒変換器の上流において前記追加の燃料を
    混入した排気を再点火して燃焼させ、前記触媒を前記目
    標温度まで加熱するように構成したことを特徴とする筒
    内直接噴射式火花点火機関。
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