JPH0693943A - 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速度の早い
良好な燃焼を実現する筒内噴射式火花点火内燃機関に関
し、機関冷間時の失火を防止することを目的とする。 【構成】 燃焼室内に直接燃料を噴射する噴射弁１６
と、燃焼室内に吸気による乱流を形成する乱流形成手段
３ｃと、圧縮上死点前の乱流が比較的強い時に混合気を
着火するための点火栓１５と、機関温度状態を検出する
ための検出手段１９と、検出手段１９によって機関冷間
状態が検出される時、点火時期を遅角するように点火栓
１５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】特開平２−１２５９１１号公報には、燃
焼室内にスワ−ルを形成する手段を有する筒内噴射式火
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、通常吸気通路に噴射される燃料が燃焼室内に直接噴
射されるために、燃料の吸気通路壁面への付着がなくな
り、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】さらに、点火時期を圧縮上死点前に設定す
ることで、燃焼室内に形成される混合気はスワ−ルによ
り充分に均一化され、また点火時点において、スワ−ル
が比較的強いまま維持されているために、燃焼速度の早
い良好な燃焼が実現され、高いトルクを得ることが可能
となる。

【０００４】

【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、通常時は、燃焼を良好なものと
することができるが、機関冷間時は、着火した混合気が
シリンダ内壁等によって冷却されるために、この時燃焼
室内に強いスワ−ルが存在すると、火炎が吹き消され、
失火する可能性がある。

【０００５】従って、本発明の目的は、均一混合気によ
る燃焼速度の早い良好な燃焼を実現する筒内噴射式火花
点火内燃機関において、機関冷間時の失火を防止するこ
との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。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明による第一の筒内
噴射式火花点火内燃機関は、燃焼室内に直接燃料を噴射
する噴射弁と、燃焼室内に吸気による乱流を形成する乱
流形成手段と、圧縮上死点前の前記乱流が比較的強い時
に混合気を着火するための点火栓と、機関温度状態を検
出するための検出手段と、前記検出手段によって機関冷
間状態が検出される時、点火時期を遅角するように前記
点火栓を制御する制御手段、とを具備することを特徴と
する。

【０００７】また、本発明による第二の筒内噴射式火花
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、燃焼室内に吸気による乱流を形成す
る乱流形成手段と、圧縮上死点前の前記乱流が比較的強
い時に混合気を着火するための点火栓と、機関温度状態
を検出するための検出手段と、前記検出手段によって機
関冷間状態が検出される時、点火時期を遅角するように
前記点火栓を制御する第１制御手段と、前記第１制御手
段により点火時期が遅角されると同時に、この遅角量に
応じて燃料噴射開始時期を遅角するように前記噴射弁を
制御する第２制御手段、とを具備することを特徴とす
る。

【０００８】

【作用】前述の第一の筒内噴射式火花点火内燃機関は、
検出手段により機関冷間状態が検出される時、制御手段
が、圧縮上死点前の点火時期を遅角するように点火栓を
制御する。

【０００９】また、前述の第二の筒内噴射式火花点火内
燃機関は、検出手段により機関冷間状態が検出される
時、第１制御手段が、圧縮上死点前の点火時期を遅角す
るように点火栓を制御すると同時に、第２制御手段が、
吸気行程初期の燃料噴射開始時期をこの遅角量に応じて
遅角するように噴射弁を制御する。

【００１０】

【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縦断面図であり、図２は図１の
横断面図である。これらの図において、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３
ａ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、スワ−ルコントロールバルブ７（ＳＣ
Ｖ）が設けられたストレートポート３ｂとヘリカルポー
ト３ｃとに分岐し、それぞれ吸気弁６ａ，６ｂを介して
燃焼室１へ通じている。

【００１１】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。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１０ａ，１０ｂ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。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、それに
より噴射された燃料は高温度のピストン２頂面によって
良好に気化され、前述のスワールによって混合気の充分
な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による燃料噴射量制御は、通
常通り、エンジンスタータスイッチ、回転センサ、アク
セルペダルストロークセンサ等から得られる信号を基
に、現在のエンジン運転状態が把握され、冷却水温セン
サ１９から得られる現在の機関温度を表す冷却水温を考
慮して、その時の最適空燃比が決定され、その空燃比と
なるように酸素センサ１３を使用してのフィードバック
制御が実行される。

【００１６】また制御装置２０による燃料噴射開始時期
及び点火時期の制御は、図３に示すフローチャートに従
って実行される。まずステップ１０１において、冷却水
温センサ１９から得られる現在の冷却水温Ｔが所定温度
Ｔ’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１０２に進み、回転センサから得ら
れる現在の回転数Ｎがエンジン始動後のアイドル状態を
示すＮ１以上Ｎ２以下であるかどうかが判断される。こ
こで回転数Ｎ１は機関常温時のアイドル回転数（例えば
５００ｒｐｍ）であり、Ｎ２は機関冷間時の早期暖機を
目的とした最大アイドル回転数（例えば１５００ｒｐ
ｍ）である。

【００１７】ステップ１０１又はステップ１０２におけ
る判断が否定される時、ステップ１０３に進み、現在の
運転状態を考慮して圧縮上死点前の最適点火時期Ａが決
定され、この点火時期Ａでの点火が実行される。次にス
テップ１０４において、吸気行程初期の燃料噴射開始時
期Ｂから燃料噴射が開始される。それにより、吸気行程
初期に噴射された燃料は、スワ−ルにより充分に均一化
された後、このスワ−ルが比較的強いまま維持される圧
縮上死点前に点火されるために、燃焼速度の早い良好な
燃焼が実現され、特に、車両走行中において充分なトル
クを得ることができ、またエンジン始動中において、確
実な始動性を保証することができる。

【００１８】図４は、クランク角度に対する点火プラグ
近傍のスワ−ル流速を、アイドル回転以下の各回転数毎
に示したグラフである。同図に示すように、アイドル回
転数（５００ｒｐｍ以上）の時、形成されるスワ−ルは
強く、このスワ−ルは圧縮上死点前においても比較的強
いまま維持されている。一方、回転数が低いエンジン始
動中において、形成されるスワ−ルはそれ程強いもので
はない。

【００１９】機関冷間時におけるアイドル運転状態の
時、ステップ１０３における通常の圧縮上死点前の点火
時期での点火が実行されると、圧縮上死点前において着
火した混合気がシリンダ壁面等によって冷却されるため
に、この時に存在する比較的強いスワ−ルによって混合
気の火炎が吹き消され、失火する可能性がある。一方、
エンジン始動中に形成されるスワ−ルはそれ程強いもの
ではなく、このような失火が生じることはない。

【００２０】従って、ステップ１０２における判断が肯
定される時、ステップ１０５に進み、点火時期の遅角量
αが決定され、ステップ１０６において圧縮上死点前の
通常の点火時期Ａからこの遅角量αだけ遅角された点火
時期Ａ＋αでの点火が実行される。遅角量αの決定に際
し、この時のアイドル回転数が高い程、形成されるスワ
−ルが強く、それが失火を生じさせない程度に弱まるま
でに時間がかかることが考慮され、またスワ−ルの強さ
が同じでも、この時の冷却水温が低い程失火しやすくな
ることが考慮される。点火時期の遅角は着火性は向上す
るが、その後の燃焼自体は悪化を伴うために、ステップ
１０６における点火時期の遅角は、瞬間的に遅角量αま
で遅角すると、急激な燃焼悪化によりエンジンが停止す
る可能性があるために、点火毎に段階的に行われる。

【００２１】点火時期が遅角されると、その分、燃焼終
了時期が遅れるだけでなく、スワ−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れ
る。それにより、ステップ１０４におけるように、吸気
行程初期の燃料噴射開始時期Ｂから燃料噴射が開始され
ると、この時燃焼室１内には、比較的高温度のガスが残
留し、燃料が吸気行程中に自発火する可能性がある。従
って、ステップ１０６における点火時期の遅角が実行さ
れた後、ステップ１０７に進み、吸気により燃焼室１内
の残留ガスが冷却され、燃料の自発火温度未満となるま
で燃料噴射開始時期を遅角するための遅角量βが決定さ
れる。次にステップ１０８において、通常の燃料噴射開
始時期Ｂからこの遅角量βだけ遅角された燃料噴射開始
時期Ｂ＋βで燃料噴射が開始される。

【００２２】燃料噴射開始時期の遅角量βの決定に際
し、点火時期の遅角量αが大きい程、燃焼終了時期が遅
くなるために、吸気行程初期における残留ガス温度が高
くなり、冷却されるまでに時間がかかることが考慮さ
れ、また同じ点火時期の遅角量αであっても、この時の
混合気の空燃比がリーンである程、燃焼速度が遅くな
り、冷却されるまでに時間がかかることが考慮される。
均一混合気形成にとって、燃料噴射はできるだけ早く開
始された方が、点火までの時間が長くなり、それだけ混
合気の均一化が促進されるために、ステップ１０８にお
ける燃料噴射時期の遅角は、瞬間的に遅角量βだけ遅角
されるのではなく、点火時期の遅角と同期して燃料噴射
毎に段階的に行われる。

【００２３】次にステップ１０９において、ステップ１
０６における点火時期の遅角が完了した後の経過時間ｔ
がこの時の冷却水温Ｔにより決定される暖機時間ｔ’に
達したかどうかが判断され、時間ｔ’に達するまで、点
火時期及び燃料噴射開始時期は遅角されたままとされ
る。

【００２４】経過時間ｔが暖機時間ｔ’に達した時点
で、ステップ１１０に進み、点火時期の遅角が解除され
る。この解除において、いきなり圧縮上死点前の最適点
火時期Ａに戻されると、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。従って、点火時期の遅角解除は、点火毎に段
階的に進角させるように行われる。

【００２５】次に、ステップ１１１に進み、燃料噴射開
始時期の遅角が解除される。この解除は、点火時期の遅
角解除が段階的に行われるために、燃料の自発火が起こ
らないように、それに同期して噴射毎に段階的に進角さ
せるように行われる。

【００２６】本実施例において、点火時期及び燃料噴射
時期の遅角解除は、点火時期遅角完了後の経過時間によ
り行うようにしたが、他に、冷却水温Ｔを監視して、そ
れが所定温度Ｔ’を越えた時点で、これらの解除を実行
するようにしてもよい。また、前述のように点火時期の
遅角が実行されると、燃焼終了時期が遅れるために、排
気ガス温度が上昇する。それにより、マニホルド触媒コ
ンバータ１１における触媒の早期暖機も同時に実現され
るが、加熱過剰となると触媒の劣化を生じるために、温
度センサ１４により触媒温度を監視し、それが所定温度
に達した時点で、点火時期及び燃料噴射開始時期の遅角
を解除することも可能である。

【００２７】図５に示すようにシリンダ上部中心に凹み
を形成することにより、ピストンの上下動に伴うスキッ
シュ流を発生させることができる。このスキッシュ流
は、図６に示すように通常の点火時期Ａとされる圧縮上
死点前において、前記凹みに流入する方向の最大流速の
スキッシュ流が生じ、その後圧縮上死点直前においてス
キッシュ流は停止し、このスキッシュ流停止は圧縮上死
点直後まで持続し、その後ピストンの下降に伴い前記凹
みから流出する最大流速の逆スキッシュ流が生じる。

【００２８】従って、前述のスワ−ル流が形成される筒
内噴射式火花点火内燃機関の燃焼室１を、このようなス
キッシュ流が生じる構造とすることで、圧縮上死点前に
おける通常の点火において、燃焼室１内の混合気の乱れ
をより強めることができ、混合気がより均一化され、さ
らに燃焼速度がより早められるために、この時の燃焼を
より良好なものとすることができる。また、機関冷間時
のアイドル運転状態における点火時期の遅角が実行され
る時、遅角後の点火時期を逆スキッシュが生じる直前に
することで、点火後における混合気の燃焼速度がこの逆
スキッシュにより早められ、燃焼を良好なものとするこ
とが可能となる。

【００２９】

【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、機関冷間時のアイドル運転状
態において、点火時期が圧縮上死点前の最適点火時期か
ら遅角されるために、点火時点で燃焼室内に形成された
乱れは弱まっており、着火された混合気がシリンダ等に
より冷却されても、混合気の火炎が吹き消され、失火を
生じることはない。また、点火時期の遅角により燃焼終
了時期が遅れ、吸気行程初期においても燃焼室内に高温
度のガスが残留するが、点火時期の遅角と同時に、吸気
行程初期の燃料噴射開始時期を遅角することにより、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
施例を示す概略縦断面図である。

【図２】図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の概略横断
面図である。

【図３】点火時期及び燃料噴射開始時期の制御のための
フローチャートである。

【図４】アイドル回転数以下の各回転数におけるクラン
ク角度に対するスワ−ル流速を示すグラフである。

【図５】スキッシュ流を形成するための燃焼室構造を示
す断面図である。

【図６】クランク角度に対するスキッシュ流速を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１…燃焼室 ３…吸気通路 ３ｂ…ストレートポート ３ｃ…ヘリカルポート ４…排気通路 ７…スワ−ルコントロールバルブ １５…点火プラグ １６…噴射弁 １９…冷却水温センサ ２０…制御装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室内に直接燃料を噴射する噴射弁
   と、燃焼室内に吸気による乱流を形成する乱流形成手段
   と、圧縮上死点前の前記乱流が比較的強い時に混合気を
   着火するための点火栓と、機関温度状態を検出するため
   の検出手段と、前記検出手段によって機関冷間状態が検
   出される時、点火時期を遅角するように前記点火栓を制
   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。
2. 【請求項２】 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、燃焼室内に吸気による乱流を形成する
   乱流形成手段と、圧縮上死点前の前記乱流が比較的強い
   時に混合気を着火するための点火栓と、機関温度状態を
   検出するための検出手段と、前記検出手段によって機関
   冷間状態が検出される時、点火時期を遅角するように前
   記点火栓を制御する第１制御手段と、前記第１制御手段
   により点火時期が遅角されると同時に、この遅角量に応
   じて燃料噴射開始時期を遅角するように前記噴射弁を制
   御する第２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。