JPH112173A - 筒内直接噴射内燃機関 - Google Patents

筒内直接噴射内燃機関

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JPH112173A
JPH112173A JP9154024A JP15402497A JPH112173A JP H112173 A JPH112173 A JP H112173A JP 9154024 A JP9154024 A JP 9154024A JP 15402497 A JP15402497 A JP 15402497A JP H112173 A JPH112173 A JP H112173A
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ignition
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combustion engine
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政雄 加納
Masatoshi Umasaki
政俊 馬▲崎▼
Kimitaka Saito
公孝 斎藤
Tatsuo Kobayashi
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  • Electrical Control Of Ignition Timing (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
  • Spark Plugs (AREA)
  • Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は直接燃料噴射内燃機関に関し、成層
燃焼方式で運転しているときのみならず予混合方式で運
転しているときにも理想的な点火作動を実現することを
目的とする。 【解決手段】 高回転・高負荷域では予混合方式で運転
し、低回転・低負荷運転域では成層燃焼方式で運転し、
予混合方式で運転すべきときは(ステップS2でYes)1回
点火式が採用され(ステップS3) 、成層燃焼方式で運転
すべきときは(ステップS2でNo) 多重点火式が採用され
る(ステップS4)。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は燃料ポンプからの
高圧燃料を燃焼室内に直接噴射する筒内直接噴射内燃機
関に関するものである。
【0002】
【従来の技術】筒内直接燃料噴射内燃機関において燃焼
方式を成層燃焼と予混合燃焼とで運転条件に応じて変更
することにより燃費向上と出力増加との要求の調和を図
ったものがある。即ち、低負荷・低回転時は成層燃焼を
行わせ、トータルでより希薄な混合気での運転を行わせ
ることにより燃費の向上を図り、一方高回転・高負荷時
には予混合燃焼により所期の出力を得るようにしている
(例えば特開平2−169834号公報参照)。
【0003】成層燃焼と予混合燃焼とを切り替える従来
の筒内直接燃料噴射内燃機関では点火方式は燃焼方式に
係わらず共通としていた。点火方式としては1回点火方
式と多重点火方式とがある。1回点火方式ではイグニッ
ションコイルの一次巻線への充電電流を形成するため1
つのパルス信号を点火コイルの一次側に供給することに
より二次側に高圧電流を形成し、1個の点火火花の形成
が行われ、これにより点火を行う。しかしながら、成層
燃焼と予混合燃焼とを切り替える筒内直接燃料噴射内燃
機関では点火1回点火方式の採用は成層燃焼時の適正な
点火作動を困難とする。即ち、成層燃焼では濃い混合気
が点火間隙付近に存在するときに点火を行う必要がある
が、このタイミングは微妙に変化しており、点火火花を
点火時に一回のみ形成する1回点火方式ではこのタイミ
ングに合わせることは困難であり、所期の点火作動が行
い得ない恐れがあった。
【0004】多重点火方式では点火コイルの一次側に一
連の交互のパルス信号を加えることにより二次側に交互
方向の高圧電流を形成し、一連の点火火花を形成する
(多重点火方式については特開昭62−139948号
公報参照)。同方式により混合気の濃厚な部分が点火栓
電極に到着したときに点火火花が形成される可能性が高
まり、点火性を高めることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来方式では成層燃焼
でも予混合燃焼でも点火方式は共通であった。1回点火
方式を採用した場合、前述のように成層燃焼方式のとき
の点火が理想的に行われなくなる。成層燃焼方式のとき
の点火を理想的に行うため、多重点火方式を採用する
と、予混合方式では混合気はいつも均質な状態にあり、
一回の点火火花で確実な点火を行うことができることか
ら、多重点火方式の採用は点火に無駄な電気エネルギを
使用する結果となり、その分効率の悪化のおそれがあっ
た。
【0006】この発明はかかる従来技術の問題点に鑑
み、成層燃焼方式で運転しているときのみならず予混合
方式で運転しているときにも理想的な点火作動を実現す
ることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明は上記課題を解
決するため請求項1の技術手段を採用する。この技術手
段によれば、内燃機関が予混合燃焼を行うべき運転時に
あるか成層燃焼を行うべき運転時にあるかに応じて点火
方式の切り替えが行われ、理想的な点火作動の実現と効
率の向上との要求の調和を図ることができる。
【0008】請求項2に記載の技術手段によれば、予混
合燃焼時の点火方式は1回点火方式、成層燃焼時の点火
方式は多重点火方式とすることによりそれぞれの燃焼方
式で最適な点火作動を実現することができる。請求項3
及び請求項4に記載の技術手段によれば、燃焼状態に応
じて予混合燃焼時には点火時期を制御し、成層燃焼時に
は燃料噴射時期を制御することにより、より理想的な内
燃機関の燃焼の実現を図ることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】この発明の実施の形態における内
燃機関を概略的に示す図1において、10はシリンダブ
ロック、12はピストン、13はクランク軸、14はシ
リンダヘッド、16は燃焼室、17は点火栓、18は吸
気弁、20は吸気ポート、21は燃料噴射弁、22は排
気弁、24は排気ポート、26は吸気マニホルド、28
はスロットル弁、29はアクセルペダル、30はエアー
フローメータである。
【0010】燃料噴射弁21は燃焼室16に開口するよ
うに設けられ、燃料配管32、燃料ポンプ34、燃料配
管36を介して燃料タンク38に接続される。燃料ポン
プ34はクランク軸13に図示しないベルト伝動機構を
介して連結され、クランク軸13の回転は燃料ポンプに
伝達され、燃料タンク38からの燃料は燃料噴射弁21
に供給され、その開弁時に燃焼室16に直接噴射され
る。
【0011】40は点火装置を概略的に表わしており、
この点火装置40は機能的には1回点火方式による点火
を行う手段42と多重点火方式による点火を行う手段4
4と、これらの点火手段42, 44の切り替えを行う切り替
えスイッチ46とから構成される。1回点火手段42は
内燃機関の1サイクルにおける一つのタイミング(クラ
ンク角度位置)において一つの火花のみ形成され、それ
によって点火が行われる点火方式であり、内燃機関が予
混合燃焼を行う高回転・高負荷時において1回点火手段
42による点火作動が行われる。一方、多重点火手段4
4は内燃機関の1サイクルにおいて、あるクランク角度
範囲にわたって一連の火花の形成が行われる点火方式で
あり、この発明では内燃機関が成層燃焼を行う低回転・
低負荷時において多重点火手段44による点火が実施さ
れる。
【0012】燃料噴射制御及び点火制御のためマイクロ
コンピュータシステムとしての制御装置50が設けられ
ている。制御装置50には各センサからの信号が入力さ
れている。センサとしては内燃機関への吸入空気量を計
測するエアーフローメータ30、スロットル弁28の開
度を検出するスロットルセンサ52、クランク軸13の
角度位置を検出するクランク角度センサ54、空燃比セ
ンサ55が図示されている。これらのセンサからの信号
により制御装置50は必要な演算を実行し、燃料噴射弁
21への燃料噴射信号及び点火装置40による点火信号
の形成、及びスイッチ46を作動させることにより1回
点火手段42と多重点火手段44との切り替えを実行す
る。
【0013】図2は予混合燃焼方式と成層燃焼方式を燃
料噴射タイミングの相違に関連して説明している。
(イ)で示す予混合燃焼方式では燃料噴射弁21からの
燃料噴射は(a) に示すようにピストン12が下死点に向
けて移動する供給行程の途中において行われる。そのた
め、ピストンが(b) の下死点で示す吸気行程の終わりの
位置では燃料はピストン12の冠部付近に偏在している
が、圧縮行程に移行し、ピストン12が(c) 及び(d) に
示すように上昇するに従って、燃焼室内での燃料の分布
は均一となる。圧縮行程の終端であるピストン12の上
死点付近で点火栓17の電極に火花が形成され、混合気
の点火が行われる。この発明ではこの予混合燃焼方式で
の点火は1回点火手段42によって行われ。即ち、点火
のための火花は所定位置で一度だけ形成される。
【0014】一方、(ロ)で示す成層燃焼時方式では吸
気行程である(a) 、(b) のピストン位置では燃料噴射は
未だ行われず、圧縮行程においてピストン12が上死点
付近に移行した(d) の位置で燃料噴射が実行され、その
ため点火栓17の電極付近に局部的に濃い混合気の部分
が形成され、即ち、成層が行われる。成層が行われた段
階(e) において点火火花の形成が行われる。この発明で
はこの成層燃焼方式での点火は多重点火手段44による
点火が実行される。即ち、点火栓電極では点火信号によ
って一連の火花が形成され、濃い混合気の形成と点火栓
電極での火花の形成とが一致するようにしている。
【0015】次に、図1の機能ブロック40及び46に
よって構成される1回点火手段42及び多重点火手段4
4の具体的な構成を図3によって説明する。即ち、点火
コイル60は一次鉄心60-1と二次鉄心60-2とを備えてお
り、一次鉄心60-1には一次コイル60-3が、二次鉄心60-2
には二次コイル60-4が巻回されている。点火コイルの一
次側に点火トランジスタ60-5, 60-6が設けられ、トラン
ジスタ60-5はそのコレクタがダイオード60-7を介して一
次コイル60-3の一端に接続され、エミッタはトランジス
タ60-6のエミッタに接続され、トランジスタ60-6のコレ
クタはダイオード60-8を介して一次コイル60-3の他端に
接続されている。また、トランジスタ60-5, 60-6のコレ
クタは接地されていると共に電源60-9を介して一次コイ
ル60-3の中点に接続されている。一方、二次コイル60-4
は一端が点火栓17に接続され、他端は接地されてい
る。
【0016】図3の点火装置の作動において、1回点火
時は図3の(イ)で示すように点火トランジスタ60-5,
60-6の一方のベースに1回の点火パルスを供給する。即
ち、図3の(イ)の例ではトランジスタ60-6に点火パル
スが供給される。すると、点火信号がHighからLow に切
り替わるときに二次コイル60-4に高電圧が発生し、点火
火花Pが形成される。即ち、1回点火の場合は点火パル
スはそのサイクルで一度だけHighとなり、火花の形成は
一度だけ行われる。一方、図3の(ロ)は多重点火の場
合を示しており、点火トランジスタ60-5, 60-6のベース
にN個のパルスより成る逆位相の点火信号が印可され
る。そのため、点火信号がHighからLow に切り替わるた
びに正負の高電圧が交互に発生し、一連の点火火花P,
P′が形成される。
【0017】次に、制御装置値50の動作の概略を図4
のフローチャートによって説明する。即ち、ステップS1
は予混合燃焼域か成層燃焼域かの決定を示している。図
5は内燃機関回転数と負荷とに対する成層燃焼域と予混
合燃焼域との区分けを示している。この図から分かるよ
うに、成層燃焼は低回転・低負荷側で行われ、予混合燃
焼は高回転・高負荷側で行われる。即ち、内燃機関の回
転数はクランク角度センサ54によるクランク角度パル
ス信号の間隔より把握することができる。一方、内燃機
関の負荷はスロットルセンサ52により検出されるスロ
ットル弁28の開度で把握することができ、検出される
そのときの回転数及び負荷より成層燃焼域か予混合燃焼
域かの決定を行うことができる。ステップS2ではステッ
プS1で把握される運転域が予混合燃焼域かどうか判別さ
れる。予混合域であるとの判断のときはステップS3に進
み、1回点火手段の選択がされる。即ち、制御装置50
から切り替え手段46を1回点火手段42側に切り替え
る信号が出力される。即ち、図3の(イ)で示すように
一方のトランジスタ、図ではトランジスタ60-6に点火信
号が一回供給され、そのHighからLow への切り替わりに
おいて二次側コイルに高電圧が発生し、点火用の火花が
電極に一回形成される。
【0018】一方、ステップS2で予混合燃焼域でないと
の判断のときは燃焼域は成層燃焼域であり、ステップS4
に進み、制御装置50から切り替え手段46を多重点火
手段44側に切り替える信号が出力される。即ち、図3
の(ロ)で示すようにトランジスタ60-5, 60-6のベース
に逆位相の点火信号が供給され、そのHighからLow への
切り替わりのたびに二次側コイル60-2に交互方向の高電
圧が発生し、点火用の一連の火花が電極に形成される。
【0019】図6は成層燃焼域において選択される多重
点火手段の動作を1回点火との比較において説明してい
る。即ち、燃料噴射弁21から燃料Fは点火栓17の電
極17A の近傍に向けて噴射される。多重点火の場合は
(イ)に示すように、圧縮上死点の近傍において一連の
点火動作を行い、一連の異なったクランク角度位置(b)
〜(e) で火花fが電極に形成される。図では燃料Fは
(d) の位置で火花fと出会うためここで点火が行われ
る。燃料噴射弁21からの燃料Fが点火栓電極の位置に
くるタイミングは微妙にずれようが多重点火手段の作動
により一連の位置で火花fが形成されるため、燃料はい
ずれかの火花に出会うことができるため、確実な点火を
実現することができる。一方、成層燃焼においても
(ロ)で示す1回点火するとした場合は火花fは(d) の
位置で形成されるだけであり、燃料噴射弁部21からの
燃料Fが電極の部位に来るタイミングがずれると燃料F
は火花fに出会うことができないため点火ミスの生ずる
恐れがある。
【0020】第2の実施形態は予混合燃焼における1回
点火及び成層燃焼における多重点火のそれぞれにおいて
燃焼状態の判断を行い、最適燃焼が得られていない場合
は1回点火を行う予混合燃焼の場合は点火時期の修正
(点火時期の遅角)、多重点火を行う成層燃焼の場合は
燃料噴射時期の修正を行うものである。この実施例はハ
ードウエア構成的には図1と同様である。ただし、燃焼
状態を検出するため内燃機関に設けられるノックセンサ
70や筒内圧センサ72の信号を制御装置50において
使用する。ここに、ノックセンサ70は周知のように内
燃機関本体の機械的な振動に応じた電気信号を形成する
ものである。また、筒内圧センサ72は燃焼室16内に
設けられ、燃焼室圧力に応じた電気信号を形成するため
のものである。
【0021】図7は第2の実施形態の作動を説明するフ
ローチャートである。このフローチャートはステップS1
からステップS4は第1の実施形態における図4のフロー
チャートのステップS1からステップS4と相違がない。即
ち、内燃機関の回転数及び負荷から予混合燃焼を行うべ
き高回転・高負荷時と判定されたときは1回点火手段4
2の選択が行われ、図3の(イ)に説明したように一サ
イクルにおいてトランジスタ60-5又は 60-6 のどちらか
に一回の点火信号が供給され、一度の火花で点火が行わ
れ、一方、成層燃焼を行うべき低回転・低負荷時と判定
されたときは図3の(ロ)に説明したように複数のパル
スを持つ逆位相の点火信号がトランジスタ60-5及び60-6
に供給され、一連の複数の火花が形成され、点火が行わ
れる。そして、予混合燃焼運転域においては1回点火手
段42の選択の後、ステップS5で最適な燃焼が行われて
いるか否かの判断が行われる。この判断は点火作動に伴
うノックセンサ70からの信号により内燃機関のノッキ
ングに応じた振動を検出し、その振動が所定値より大き
いか否かを判別することにより行われる。又は、筒内圧
センサ72により筒内圧の変動を検出し、その変動が所
定値より大きいか否かにより内燃機関が最適燃焼してい
るか否か判別することができる。内燃機関が最適燃焼し
ていると判断された場合はステップS6は迂回し、即ち、
点火時期はそのままとする。一方、ノックセンサ70又
は筒内圧センサにより内燃機関が最適燃焼をしていない
と判断されたときはステップS6に進み、点火時期は燃焼
性を改善する方向、即ち、遅角方向に制御される。点火
時期の遅角制御ため燃焼性が改善するとステップS5の判
断はいずれは肯定判断に切り替わり、その後は点火時期
の遅角修正はそれ以上は行われない。
【0022】成層燃焼運転域ではステップS4で多重点火
手段の選択後、ステップS7で最適な燃焼が行われている
か否かの判断が行われる。この判断もステップS5と同様
にノックセンサ70からの信号により内燃機関のノッキ
ングに応じた振動を検出し、その振動が所定値より大き
いか否か又は筒内圧センサ72により筒内圧の変動を検
出し、その変動が所定値より大きいか否かにより内燃機
関が最適燃焼しているか否か判別することができる。内
燃機関が最適燃焼していると判断された場合はステップ
S8は迂回し、即ち、燃料噴射時期はそのままとする。一
方、ノックセンサ70又は筒内圧センサにより内燃機関
が最適燃焼をしていないと判断されたときはステップS8
に進み、燃料噴射時期が燃焼性を改善する方向に制御さ
れる。この判断としては、例えば、噴射時期を一方向
(例えば遅角方向)に微小量変化させ、これにより燃焼
が改善されるか否か(ノックセンサにより検出される変
動の幅が小さくなるか否か)判断され、燃焼が改善する
との判断のときは同一方向への燃料噴射時期の修正を続
け、噴射時期を一方向を振ったのでは燃焼が悪化すると
の判断のときは反対方向(即ち、進角方向)へ燃料噴射
時期を少量変化させ、このような操作により燃焼性を最
適とする燃料噴射時期を得る。燃料噴射時期の制御ため
燃焼性が改善すると次のステップS7の判断はいずれは肯
定判断に切り替わり、その後は燃料噴射時期のそれ以上
の修正は行われない。
【0023】ステップS8において、燃料噴射時期の修正
に加えて点火時期の修正を併用することも可能である。
この場合の制御は燃料噴射時期と点火時期とのインター
バルが一定となるような制御を行うことができる。即
ち、燃料噴射時期を制御することにより点火栓電極に混
合気の濃厚な部分が到来するタイミングが変化するの
で、それに連動して点火時期を変化させ、両者のインタ
ーバルは一定に維持されるため、燃料噴射時期を変化さ
せた場合も点火栓電極に混合気の濃厚な部分が到来する
タイミングにおいて一連の火花が電極に形成されるため
確実な点火を実現することができる。尚、噴射時期と点
火時期とは独立に制御することも可能である。
【0024】第3の実施形態を図8に示す。図2の
(イ)で示すような予混合燃焼時81は点火信号82の
ドエル角を小さくし、放電エネルギの小さい放電85を
行い、図2の(ロ)で示すような成層燃焼時83は点火
信号84のドエル角を大きくし、放電エネルギの大きい
放電86を行い放電期間を延長することで成層が行われ
ている期間(火花ギャップ近傍に混合気が存在する期
間)に放電を継続するようにし、混合気へのエネルギ投
入確率を向上させ失火を防止する。
【0025】第4の実施例を図9に示す。図2の(イ)
で示すような予混合燃焼時はSW91をSW91a側に
接続し、1次側コイルの巻数を増加させ1次コイルと2
次コイルの巻数比を小さくし放電エネルギの小さい放電
(図8,85)を行い、図2の(ロ)で示すような成層
燃焼時はSW91をSW91b側に接続し、1次側コイ
ルの巻数を減少させ1次コイルと2次コイルの巻数比を
大きくし放電エネルギの大きい放電(図8,86)を行
い放電期間を延長することで成層が行われている期間
(火花ギャップ近傍に混合気が存在する期間)に放電を
継続するようにし、混合気へのエネルギ投入確率を向上
させ失火を防止する。
【0026】巻数比の可変は2次コイル巻数を可変とす
ることで行ってもよい。第5の実施例を図10に示す。
図2の(イ)で示すような予混合燃焼時101は火花ギ
ャップを大きくとり容量成分を大きくすることで混合気
への初期エネルギ投入を大きくし、図2の(ロ)で示す
ような成層燃焼時102は火花ギャップを小さくとり誘
導成分を大きくすることで放電期間を延長し混合気への
エネルギ投入確率を向上させ失火を防止する。
【0027】この時火花ギャップを可変とするのは中心
電極でも接地電極でもよい。又、可変とする手段は例え
ばモータ103を使用してもよくソレノイド104を使
用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1はこの発明の内燃機関の全体概略図であ
る。
【図2】図2は予混合燃焼方式(イ)と成層燃焼方式と
で燃料の分布状態をピストンの異なった一連の位置(a)
〜(e) で説明する図である。
【図3】図3はこの発明の実施例における1回点火方式
(イ)と、多重点火方式(ロ)を説明する図である。
【図4】図4はこの発明の第1実施例の作動を説明する
フローチャートである。
【図5】図5は内燃機関回転数と負荷とに対する成層燃
焼と予混合燃焼との区分けを説明する線図である。
【図6】成層燃焼において多重点火方式(イ)、1回点
火方式(ロ)の夫々を採用したときの点火動作を説明す
る概略図である。
【図7】図7はこの発明の第2実施例の作動を説明する
フローチャートである。
【図8】図8はドエル角の大小により点火エネルギを変
更する第3実施例を示すタイミングチャートである。
【図9】図9は第4実施例の点火装置の概略図である。
【図10】図10は第5実施例を示す概略図である。
【符号の説明】
16…燃焼室 17…点火栓 40…点火装置 42…1回点火手段 44…多重点火手段 46…切り替えスイッチ 50…制御装置 70…燃焼圧センサ 72…ノックセンサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI F02D 43/00 301 F02D 43/00 301A 301J F02P 3/045 303 F02P 3/045 303F 5/15 13/00 301J 13/00 301 H01T 13/26 H01F 38/12 F02P 5/15 B H01T 13/26 H01F 31/00 501C (72)発明者 斎藤 公孝 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 小林 辰夫 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内燃機関の運転条件に応じて予混合燃焼
    を行うべき運転時の吸気行程噴射と成層燃焼を行うべき
    運転時の圧縮行程噴射との異なる方式の燃料供給を行う
    直接噴射式内燃機関において、内燃機関が予混合燃焼を
    行うべき運転時にあるか成層燃焼を行うべき運転時にあ
    るかに応じて点火方式の切り替えを行うことを特徴とす
    る筒内直接噴射内燃機関。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の発明において、予混合
    燃焼時の点火方式は1回点火方式であり、成層燃焼時の
    点火方式は多重点火方式であることを特徴とする筒内直
    接噴射内燃機関。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の発明において、予混合燃
    焼時と成層燃焼時でコイルへの充電期間(ドエル角)を
    切り換え、予混合燃焼時はドエル角を小さくとり放電エ
    ネルギを小さくし、成層燃焼時はドエル角を大きくとり
    放電エネルギを大きくし放電期間を長くすることを特徴
    とする筒内直接噴射式内燃機関。
  4. 【請求項4】 請求項1記載の発明において、予混合燃
    焼時と成層燃焼時で1次コイルと2次コイルの巻数比を
    可変とし、予混合燃焼時は巻数比を小さくとり放電エネ
    ルギを小さくし、成層燃焼時は巻数比を大きくとり放電
    エネルギを大きくし放電期間を長くすることを特徴とす
    る筒内直接噴射式内燃機関。
  5. 【請求項5】 請求項1記載の発明において、予混合燃
    焼時と成層燃焼時で点火プラグの火花ギャップを可変と
    し、予混合燃焼時は火花ギャップを大きくとり容量成分
    を主とし、成層燃焼時は火花ギャップを小さくとり誘導
    成分を主とすることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機
    関。
  6. 【請求項6】 請求項2〜5のいずれか一項に記載の発
    明において、燃焼状態の検出手段をさらに備えており、
    燃焼状態に応じ、予混合燃焼時には点火時期を制御し、
    成層燃焼時には燃料噴射時期を制御することを特徴とす
    る筒内直接噴射内燃機関。
  7. 【請求項7】 請求項6に記載の発明において、成層燃
    焼時に燃料噴射時期をさらに制御することを特徴とする
    筒内直接噴射内燃機関。
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