JPH0693902A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、均一混合気による燃焼を実現する
筒内噴射式火花点火内燃機関に関し、触媒コンバータ低
温時における早期暖機を可能とすると共に、吸気行程中
の燃料の自発火を防止することを目的とする。 【構成】 吸気行程初期に燃焼室内に直接燃料を噴射す
る噴射弁１６と、燃焼室１内に形成される混合気を着火
するための点火栓１５と、排気系に設けられた触媒１１
の温度状態を検出するための検出手段１４と、検出手段
１４により触媒１１の低温度状態が検出される時、点火
時期を遅角すると共に、燃料噴射時期を遅角するように
点火栓１５及び噴射弁１６を制御する制御手段２０、と
を具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、筒内噴射式火花点火内
燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】特公昭５６−２３５１５号公報には、通
常吸気通路に噴射される燃料を機関燃焼室内に直接噴射
し、燃焼室内に形成される混合気を点火栓により着火す
る筒内噴射式火花点火内燃機関が記載されている。この
内燃機関によれば、燃料の吸気通路壁面への付着がなく
なるために、噴射する燃料を必要最小限にすることがで
き燃費が低減されると共に、加速途中などの過渡運転状
態において、実際に燃焼室内に供給された吸気量に応じ
て最適な量の燃料噴射を行うことが可能となり、所望の
運転状態を実現することができる。

【０００３】良好な燃焼を得るために、燃焼室内に形成
される混合気は均一化されることが好ましい。従って、
前述の内燃機関において、燃料噴射は吸気行程の初期に
行われ、燃料噴射終了時から点火までの時間を比較的長
くし、その間で燃焼室内に形成される乱れによって燃焼
室全体に混合気を均一に分散させることを可能としてい
る。

【０００４】一般的に内燃機関の排気系には、排気ガス
中の有害成分を浄化するための触媒コンバータが設けら
れている。このような触媒コンバータは、所定温度に達
するまでは触媒が充分に機能せず浄化性能が低下するた
めに、機関始動時などにおいて、触媒コンバータを早期
に暖機する必要がある。そのために、点火時期を遅角さ
せることにより燃焼終了時期を遅らせ、排気温度を高め
て触媒コンバータの早期暖機を実現することが公知であ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述の筒内噴射式火花
点火内燃機関において、触媒コンバータを早期暖機する
ための点火時期の遅角が実行されると、排気行程中も一
部燃焼が継続するために、次の吸気行程初期においても
筒内に高温度のガスが残留し、この時燃料噴射が実行さ
れると吸気行程中に燃料が自発火する可能性がある。

【０００６】従って、本発明の目的は、均一混合気によ
る燃焼を実現する筒内噴射式火花点火内燃機関におい
て、触媒コンバータ低温時における早期暖機を可能とす
ると共に、吸気行程中の燃料の自発火を防止することが
できる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による筒内噴射式
火花点火内燃機関は、吸気行程初期に燃焼室内に直接燃
料を噴射する噴射弁と、燃焼室内に形成される混合気を
着火するための点火栓と、排気系に設けられた触媒の温
度状態を検出するための検出手段と、前記検出手段によ
り前記触媒の低温度状態が検出される時、点火時期を遅
角すると共に、燃料噴射時期を遅角するように前記点火
栓及び前記噴射弁を制御する制御手段、とを具備するこ
とを特徴とする。

【０００８】

【作用】前述の筒内噴射式火花点火内燃機関は、検出手
段により排気系に設けられた触媒の低温度状態が検出さ
れる時、制御手段が、点火時期を遅角すると共に、燃料
噴射時期を遅角するように点火栓及び噴射弁を制御す
る。

【０００９】

【実施例】図１は、本発明による筒内噴射式火花点火内
燃機関の実施例を示す概略断面図である。同図におい
て、１はシリンダ内壁とピストン２によって形成される
燃焼室、３は吸気通路、４は排気通路である。吸気通路
３のサージタンク３ａ上流側にはスロットル弁５が配置
され、サージタンク３ａ下流側は、図示されたストレー
トポート３ｂと図示されていないヘリカルポートに分岐
し、それぞれ吸気弁６（一方は図示されていない）を介
して燃焼室１へ通じている。

【００１０】ストレートポート３ｂには、スワ−ルコン
トロールバルブ７（ＳＣＶ）が設けられ、このＳＣＶ７
によりストレートポート３ｂを閉鎖することで吸気はヘ
リカルポートだけを使用して燃焼室１へ供給され、燃焼
室１内にスワ−ルを形成することができる。

【００１１】図中８は、ＳＣＶ７を駆動するためのアク
チュエータであり、このアクチュエータ８はサージタン
ク３ａ内の負圧を利用するものであるために、負圧制御
弁９を介してサージタンク３ａに接続されている。

【００１２】排気通路４は、二股に分岐して二つの排気
弁１０（一方は図示されていない）を介して燃焼室１へ
通じ、燃焼室１近傍にはマニホルド触媒コンバータ１１
が、また大気側端部近傍にはアンダフロア触媒コンバー
タ１２が設けられている。これらの触媒コンバータは、
所定温度に達した時点で触媒が充分に機能し優れた排気
ガス浄化性能を提供するものである。マニホルド触媒コ
ンバータ１１上流側には、排気ガス中の酸素濃度を検出
するための酸素センサ１３が設置され、マニホルド触媒
コンバータ１１にはその触媒温度を測定するための温度
センサ１４が設置されている。

【００１３】燃焼室１には、その上部中心に点火プラグ
１５が配置され、また燃焼室１に直接燃料を噴射するた
めの噴射弁１６が設けられている。噴射弁１６は、ピス
トン２頂面に向けて燃料を噴射するものであり、通常は
吸気工程の初期に噴射されることにより燃焼室内におけ
る気化・霧化時間を充分にとることができ、さらに前述
のスワールによって混合気の均一化が実現される。点火
プラグ１５はディストリビュータ１７を介してイグニッ
ションコイル１８に電気的に接続されている。

【００１４】噴射弁１６及びイグニッションコイル１８
を制御するための制御装置２０が設けられ、この制御装
置２０には、前述の温度センサ１４及び酸素センサ１３
の他に、冷却水温度を検出するための冷却水温センサ１
９、エンジンスタータスイッチ（図示せず）、回転セン
サ（図示せず）、及びアクセルペダルストロークセンサ
（図示せず）等が電気的に接続されている。

【００１５】制御装置２０による燃料噴射開始時期、燃
料噴射量、及び点火時期の制御は、図２に示すメインル
ーチンに従って行われる。まずステップ１０１におい
て、エンジンスタータスイッチが入れられ、エンジンス
タータが動作中であるかどうかが判断される。この判断
が肯定される時は、ステップ１０２に進み、図３に示す
第１サブルーチンがコールされる。この第１サブルーチ
ンは、エンジンスタート時点での前述の制御を行うため
のものである。まずステップ１１０１において、圧縮上
死点前におけるエンジンスタートに最適な点火時期Ａ１
に点火が行われるように、点火時期制御が実行される。
次にステップ１１０２において、冷却水温センサ１９か
ら得られる冷却水温などを考慮して燃料噴射量τが決定
され、ステップ１１０３において、吸気行程初期におけ
る燃料噴射開始時期Ｂから噴射が開始され、決定された
燃料噴射量τに達した時点で終了するように、燃料噴射
開始時期及び燃料噴射量の制御が実行される。次にステ
ップ１１０４において、フラグＦが０に設定される。

【００１６】メインルーチンに戻り、ステップ１０１に
おける判断が否定される時、ステップ１０３に進み、回
転センサから得られる現在の回転数Ｎがアイドル回転数
Ｎ’未満であるかどうかが判断される。この判断が肯定
される時、ステップ１０４に進み、図４に示す第２サブ
ルーチンがコールされる。この第２サブルーチンは、エ
ンジン始動中の前述の制御を行うためのものである。ま
ずステップ２１０１において、圧縮上死点前におけるエ
ンジン始動中に最適な点火時期Ａ２に点火が行われるよ
うに、点火時期制御が実行される。次にステップ２１０
２において、冷却水温センサ１９から得られる冷却水温
などを考慮して燃料噴射量τが決定され、ステップ２１
０３において、吸気行程初期における燃料噴射開始時期
Ｂから噴射が開始され、決定された燃料噴射量τに達し
た時点で終了するように、燃料噴射開始時期及び燃料噴
射量の制御が実行される。次にステップ２１０４におい
て、フラグＦが０に設定される。

【００１７】エンジンスタート時は、それを確実なもの
とするために、燃焼を良好にすることが必要であり、ま
たエンジン始動中はスタートしたエンジンが停止しない
ように、やはり燃焼を良好にすることが必要である。第
１及び第２サブルーチンにおいて、燃料噴射は、吸気行
程初期から決定された燃料噴射量τだけ噴射され、スワ
−ルにより燃焼室１内に充分に均一化された混合気が形
成された後、圧縮上死点前の各最適な点火時期で点火さ
れるために、良好な燃焼を実現することができる。

【００１８】メインルーチンに戻り、ステップ１０３に
おける判断が否定される時、ステップ１０５に進み、ア
クセルペダルストロークセンサから得られるアクセルペ
ダルストロークＬが０、すなわち、アクセルペダルが踏
み込まれていないかどうかが判断される。この判断が肯
定される時、安定した機関アイドル状態であり、ステッ
プ１０６に進み温度センサ１４から得られるマニホルド
触媒コンバータ１１の触媒温度Ｔが触媒活性温度Ｔ’未
満であるかどうかが判断される。

【００１９】この判断が肯定される時、ステップ１０７
に進み、図５に示す第３サブルーチンがコールされる。
マニホルド触媒コンバータ１１は、前述のように燃焼室
１の近傍に設けられているために、アンダフロア触媒コ
ンバータ１２より短時間で暖機されるが、エンジン始動
と同時に暖機されるものではなく、触媒活性温度Ｔ’に
達するまでの間、浄化されない排気ガスが大気中に放出
される。この第３サブルーチンは、点火時期を遅角して
アンダフロア触媒コンバータ１２をより速く触媒活性温
度Ｔ’に高めるためのものである。点火時期を遅角する
と、単にその分、燃焼終了時期が遅れるだけでなく、点
火時点で燃焼室１内のスワールが弱まっているために、
燃焼速度が低下し、さらに燃焼終了時期が遅らされる。
それにより排気行程においても一部燃焼が持続し、排気
ガス温度を高めることができる。

【００２０】図１０は、アイドル運転状態における各点
火時期でのクランク位置に対する燃焼室１内のガス温度
の変化を示すグラフであり、二点鎖線は良好な燃焼を得
るための最適点火時期Ａ３での点火の場合を示し、一点
鎖線、点線、実線、の順で遅角量αが増加された場合を
示す。同図に示すように、遅角量αが大きい程、燃焼終
了時期が遅れるために、排気ガス温度を高めることがで
きるが、一方で燃焼悪化の程度も増大するために、前述
の第３サブルーチンは、まずステップ３１０１におい
て、図１１に示すマップを基に、触媒温度Ｔが低い程増
大するように遅角量αが決定される。次にステップ３１
０２において、アイドル運転時の最適点火時期Ａ３から
遅角量αだけ遅角された点火時期Ａ３＋αでの点火が実
行されるが、この時、瞬間的にこの遅角量αだけ遅角す
ると、急激な燃焼悪化を生じ、エンジンが停止する可能
性があるために、点火毎に段階的に遅角されるように点
火時期の制御が行われる。

【００２１】次にステップ３１０３において、この時の
燃料噴射量τが決定される。ステップ３１０２における
段階的な点火時期遅角中は、燃焼悪化に伴い回転数が低
下する。それに伴い燃焼室１内の負圧の程度が小さくな
り、一回転当たりの吸気量が増加するために混合気の空
燃比がリーンとなり、失火が起こりやすくなる。従っ
て、この失火を防止するために、混合気の空燃比が多少
リッチとなるように噴射燃料増量が実行される。また段
階的な点火時期遅角が完了して遅角量αに達し、回転数
が安定すると噴射燃料増量は中止され、さらに排気ガス
中のＨＣ濃度を低下させるために、理論空燃比より多少
リーンとなるように噴射燃料減少が実行される。この燃
料噴射量制御において、この時、触媒温度Ｔが低い機関
冷間時であり、酸素センサ１４も正常に機能しないため
に、この酸素センサ１４を利用しての空燃比制御は困難
であり、吸入空気量に対し燃料噴射量τが決定される。

【００２２】図１０に示すように、点火時期を遅角する
と、遅角量αによっては吸気弁が開き吸気行程となって
も燃焼室１内のガス温度はかなり高く、この時、充分に
均一化された混合気を形成するために、吸気行程初期に
おける燃料噴射開始時期Ｂで燃料噴射が実行されると、
燃料の自発火が起こる可能性がある。従って、ステップ
３１０４において、燃焼室１内のガス温度が吸気により
冷却され、燃料の自発火温度を下回った後に燃料噴射が
開始されるように燃料噴射開始時期の遅角量βが決定さ
れる。この遅角量βの決定に際し、点火時期の遅角量α
とこの時の空燃比が考慮される。これは、燃焼室１内の
ガス温度が、前述のように遅角量αの増加に伴い高くな
り、また同じ遅角量αであっても、この時の空燃比がリ
ーンである程、燃焼速度が遅くなるために高くなり、吸
気により冷却されるまでに、その分時間がかかるためで
ある。また、遅角量βの最大値は、遅角後の燃料噴射開
始時期が、ピストン２の速度が最大となるクランク角度
（吸気上死点後約７５°）を越えないように限定されて
いる。これは、図１２のクランク角度に対する燃焼室１
内のガス流動速度のグラフに示すように、ピストン２の
速度が最大となるクランク角度の直後に燃焼室１内のガ
ス流動速度が最大となり、このガス流動を利用しないと
混合気の均一化が困難となるためである。

【００２３】次にステップ３１０５において、決定され
た遅角量βだけ遅角された燃料噴射開始時期Ｂ＋βでの
燃料噴射が実行されるが、混合気を均一化するために
は、なるべく速く燃料を噴射することが好ましいため
に、瞬間的に遅角量βだけ遅角するのではなく、点火時
期の段階的な遅角に同期して段階的に遅角される。次に
ステップ３１０６に進み、フラグＦは１に設定される。

【００２４】メインルーチンに戻り、ステップ１０５に
おける判断が否定される時、すなわちアクセルペダルが
踏み込まれ、運転者がエンジントルクを必要としている
時、ステップ１０８に進み、フラグＦが１であるかどう
か、すなわち、第３サブルーチンによる点火時期及び燃
料噴射時期の遅角が実行中であるかどうかが判断され
る。フラグＦが１でない時、ステップ１０９に進み、図
６に示す第４サブルーチンがコールされる。この第４サ
ブルーチンは、まずステップ４１０１において、この時
のエンジン負荷を示すアクセルペダルストロークＬとエ
ンジン回転数Ｎとにより圧縮上死点前の最適な点火時期
Ａが決定され、ステップ４１０２においてこの点火時期
Ａでの点火が実行される。次にステップ４１０３におい
て、この時の負荷Ｌ及び回転数Ｎにおける最適な空燃比
の混合気が形成されるように、酸素センサ１４から得ら
れる信号を基に燃料噴射量τが決定され、ステップ４１
０４において、吸気行程初期の燃料噴射開始時期Ｂから
燃料噴射を開始する。それにより、燃焼室１内には最適
空燃比の充分に均一化された混合気が形成され、圧縮上
死点前の最適点火時期Ａでの点火が実行されるために、
燃焼が良好なものとなり、所望のエンジントルクを得る
ことができる。

【００２５】一方、メインルーチンのステップ１０８に
おいて、フラグＦが１の時は、ステップ１１０に進み、
図７に示す第５サブルーチンがコールされる。前述の第
４サブルーチンとの違いについてのみ説明する。この時
は、第３サブルーチンによる点火時期及び燃料噴射開始
時期の遅角が実行中であり、これらの遅角を瞬間的に中
止すると大きなトルク変動が生じることになる。従っ
て、ステップ５１０２において、遅角中の点火時期Ａ３
＋αからステップ５１０１で決定された最適点火時期Ａ
まで点火毎に段階的に進角させるように点火時期の制御
が行われる。この時、運転者はエンジントルクを早急に
必要としているために、この進角は、許容トルク変動限
度を越えない程度に比較的速く行われる。またステップ
５１０４においても同様に、遅角中の燃料噴射開始時期
Ｂ＋βから吸気行程初期の燃料噴射開始時期Ｂまで噴射
毎に段階的に比較的速く進角させるように燃料噴射開始
時期の制御が行われる。その後、ステップ５１０５にお
いて、フラグＦは０に設定されメインルーチンへ戻る。

【００２６】メインルーチンのステップ１０６における
判断が否定される時、すなわち、マニホルド触媒コンバ
ータ１１の触媒温度Ｔが活性温度Ｔ’以上である時、ス
テップ１１１に進み、フラグＦが１であるかどうかが判
断される。この判断が否定される時、ステップ１１２に
進み、図８に示す第６サブルーチンがコールされる。こ
の第６サブルーチンは、アイドル運転状態の時の通常の
点火時期、燃料噴射量、及び燃料噴射開始時期の制御を
行うためのものである。まずステップ６１０１におい
て、この時の最適点火時期Ａ３での点火が実行され、次
にステップ６１０２において燃料噴射量τが決定され、
ステップ６１０３において、燃料噴射開始時期Ｂから燃
料噴射が実行される。

【００２７】一方、メインルーチンのステップ１１１に
おいて、フラグＦが１である時、ステップ１１３に進
み、図９に示す第７サブルーチンがコールされる。前述
の第６サブルーチンとの違いについてのみ説明する。こ
の時は、触媒が活性温度Ｔ’となっており、さらなる加
熱による触媒の劣化を防止するために、第３サブルーチ
ンによる点火時期及び燃料噴射開始時期の遅角を中止す
る必要がある。これらの遅角を瞬間的に中止すると、燃
焼が良好となるために、エンジン回転が急上昇し、燃焼
室１内の負圧が急激に大きくなる。それにより、シリン
ダ壁面に付着している燃料がこの負圧により蒸発しやす
くなり、一時的に混合気の空燃比がかなりリッチとなっ
て多量のＨＣを排出する可能性がある。

【００２８】従って、ステップ７１０１において、遅角
中の点火時期Ａ３＋αからアイドル時の最適点火時期Ａ
３まで点火毎に段階的に比較的遅く進角されるように点
火時期の制御が行われる。アイドル時は、運転者がエン
ジントルクを必要としてはおらず、このような制御でも
問題とはならない。次にステップ７１０２において、冷
却水温などから燃料噴射量τが決定される。この決定に
際し、機関極低温時はシリンダ壁面に付着している燃料
が多いために、一時的に燃料噴射を停止することも可能
である。次にステップ７１０３において、遅角中の燃料
噴射開始時期Ｂ＋βから吸気行程初期の燃料噴射開始時
期Ｂまで燃料噴射毎に段階的に比較的遅く進角されるよ
うに、点火時期に同期する燃料噴射開始時期制御が行わ
れる。その後、ステップ７１０４において、フラグＦは
０に設定されメインルーチンへ戻る。

【００２９】メインルーチンにおいて、ステップ１０６
における判断は、冷却水温で代用することも可能であ
り、また点火時期及び燃料噴射開始時期の遅角が所定時
間に達した時点でステップ１１１に進むようにすること
も可能である。

【００３０】

【発明の効果】このように、本発明による筒内噴射式火
花点火内燃機関によれば、吸気行程初期に燃焼室内に直
接燃料が噴射され、充分に均一化された混合気が形成さ
れた後、圧縮上死点前において点火が実行されるため
に、高トルクの良好な燃焼が実現される。また、触媒コ
ンバータの触媒が活性化していない温度状態の時は、点
火時期が遅角され、排気ガス温度が高められて触媒の早
期暖機が実現されると共に、この時、燃料噴射開始時期
も遅角され、吸気行程初期における燃料の自発火を防止
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実
施例を示す概略図である。

【図２】図１の筒内噴射式火花点火内燃機関における点
火時期、燃料噴射量、及び燃料噴射開始時期の制御のた
めのメインルーチンである

【図３】図２のメインルーチンに使用される第１サブル
ーチンである。

【図４】図２のメインルーチンに使用される第２サブル
ーチンである。

【図５】図２のメインルーチンに使用される第３サブル
ーチンである。

【図６】図２のメインルーチンに使用される第４サブル
ーチンである。

【図７】図２のメインルーチンに使用される第５サブル
ーチンである。

【図８】図２のメインルーチンに使用される第６サブル
ーチンである。

【図９】図２のメインルーチンに使用される第７サブル
ーチンである。

【図１０】機関アイドル運転状態における各点火時期で
のクランク角度に対する燃焼室内ガス温度を示すグラフ
である。

【図１１】点火時期遅角量を決定するためのマップであ
る。

【図１２】クランク角度に対する燃焼室内ガス流動速度
を示すグラフである。

【符号の説明】

１…燃焼室 ３…吸気通路 ４…排気通路 １１…マニホルド触媒コンバータ １４…温度センサ １５…点火プラグ １６…噴射弁 １０…アクチュエ−タ ２０…制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｅ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸気行程初期に燃焼室内に直接燃料を噴
   射する噴射弁と、燃焼室内に形成される混合気を着火す
   るための点火栓と、排気系に設けられた触媒の温度状態
   を検出するための検出手段と、前記検出手段により前記
   触媒の低温度状態が検出される時、点火時期を遅角する
   と共に、燃料噴射時期を遅角するように前記点火栓及び
   前記噴射弁を制御する制御手段、とを具備することを特
   徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。