JP2000054882A - 筒内噴射式エンジンの制御装置 - Google Patents
筒内噴射式エンジンの制御装置Info
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Abstract
にわたり、燃費の悪化を比較的小さくしつつ、HC、N
Oxを低減してエミッションを改善するとともに排気温
度上昇による暖機促進の効果を高める。 【解決手段】 排気通路に排気ガス浄化用の触媒22を
備えるとともに、燃焼室内に直接燃料を噴射するインジ
ェクタ11を備えた筒内噴射式エンジンにおいて、温度
状態判別手段31と、負荷状態判別手段32と、燃料噴
射制御手段33とを備える。この燃料噴射制御手段33
は、触媒が活性温度よりも低い未暖機状態にあるとき
に、エンジンの低負荷側の領域で上記インジェクタから
の燃料噴射を圧縮行程で一括に行なわせ、エンジン負荷
の増大に伴い、燃料噴射形態を吸気・圧縮分割噴射に移
行させるようにしている。
Description
料を噴射するインジェクタを備えた筒内噴射式エンジン
において、触媒未暖機時における燃料噴射の制御に関す
るものである。
ンジェクタを備えた筒内噴射式エンジンは知られてい
る。この筒内噴射式エンジンでは、吸気通路にインジェ
クタを設ける場合のように通路壁面への燃料付着が問題
となることがなくて、空燃比制御の安定性、応答性等に
すぐれ、また、インジェクタから圧縮行程後半に燃料を
噴射した場合に混合気が点火プラグまわりに偏在するよ
うな燃焼室形状としておけば、所謂成層燃焼により空燃
比のリーン化とそれによる燃費改善を図ることができ
る。
ス中にHC、CO及びNOxが含まれており、エミッシ
ョンの改善としてこれらの有害成分の発生、放出をでき
るだけ減少させることが要求される。このため、排気通
路中に触媒を設けて排気ガスを浄化することは従来から
行なわれており、上記筒内噴射式エンジンでも一般に排
気通路中に触媒が設けられている。
度より低温の未暖機時には充分に浄化作用を発揮でき
ず、触媒が暖機状態に達するまでの時間が長いとその間
にHCやNOxが多く放出され易い。
表平8−505448号公報に示されるような装置があ
る。この装置は、触媒の未暖機時に、少なくとも1シリ
ンダについて点火時期を上死点後に遅らせるとともに、
燃料比をエンジンが正常に回転しているときに要求され
るレベルよりも増加することにより、排気温度を上昇さ
せて触媒の暖機促進を図るようにしている。また、筒内
噴射式エンジンに適用する場合は、圧縮行程の上死点前
(例えばBTDC60°〜80°の間)に燃料を一括に
噴射するようにしている。
る装置は、触媒未暖機時に、燃料を余分に供給しつつ、
主として点火時期のリタードにより暖機の促進を図って
おり、筒内噴射式エンジンにおけるインジェクタからの
燃料噴射の制御としては単に圧縮行程で一括に燃料を噴
射しているが、このようにすると、エンジンの負荷が増
大して燃料噴射量が多くなったときに、大幅に燃費が悪
化し、その割にはHC、NOxの低減及び排気温度上昇
の効果が充分でない等、改善の余地が残されていた。
に、低負荷時から高負荷時までにわたり、燃費の悪化を
比較的小さくしつつ、HC、NOxを低減してエミッシ
ョンを改善するとともに排気温度上昇による暖機促進の
効果を高めることができる筒内噴射式エンジンの制御装
置を提供することを目的としている。
排気通路に排気ガス浄化用の触媒を備えるとともに、燃
焼室内に直接燃料を噴射するインジェクタを備えた筒内
噴射式エンジンにおいて、上記触媒の温度状態を判別す
る温度状態判別手段と、エンジンの負荷状態を検出する
負荷状態検出手段と、上記インジェクタからの燃料噴射
を制御する燃料噴射制御手段とを備え、この燃料噴射制
御手段は、上記温度状態判別手段による判別及び上記負
荷状態検出手段による検出に基づき、触媒が活性温度よ
りも低い未暖機状態にあるときに、暖機促進制御とし
て、エンジンの低負荷側の所定運転領域で上記インジェ
クタからの燃料噴射を圧縮行程で一括に行なわせるとと
もに、エンジン負荷の増大に伴い、燃料噴射形態を、吸
気行程の期間内の早期噴射と圧縮行程の期間内の後期噴
射とからなる吸気・圧縮分割噴射に移行させるように制
御するものである。
ンの低負荷側の領域では、圧縮行程の一括噴射が行なわ
れる。この噴射によれば、点火時期までの時間が短いた
め、気化、霧化が悪くて液滴成分を含む混合気が燃焼室
内に不均一に分布し、初期燃焼の抑制及び燃焼期間後半
の燃焼(後燃え)の促進等の作用により、HC、NOx
を低減するとともに、排気温度を上昇させて触媒の暖機
を促進する等の効果が得られる。また、エンジン負荷が
増大して燃料噴射量が多くなると、吸気・圧縮分割噴射
に移行されることにより、適度に混合気が拡散され、高
負荷時にはこのような噴射形態によりHC、NOxの低
減及び暖機促進の効果が得られる。
御手段は、暖機促進制御時に、インジェクタからの燃料
噴射を圧縮行程で一括に行なわせる低負荷側の運転領域
と吸気・圧縮分割噴射を行なわせる高負荷側の運転領域
との間の運転領域で、圧縮行程の期間中に分割噴射を行
なわせるようにインジェクタを制御することが好ましい
(請求項2)。このようにすると、エンジン負荷の増大
とそれに伴う燃料噴射量の増加に応じ、燃料噴射形態が
圧縮行程一括噴射から圧縮行程分割噴射、吸気・圧縮分
割に順次切替えられ、各負荷領域でHC、NOxの低減
及び暖機促進の効果が得られるように混合気分布状態が
調整される。
燃比を13〜17の範囲に設定しつつ、圧縮行程での一
括噴射から吸気・圧縮分割噴射までにわたる各噴射形態
での燃料噴射を行わせることが好ましい(請求項3)。
空燃比を上記範囲に設定しているのは、これが熱発生率
の高い空燃比の範囲であり、従って、排気ガス温度を高
くすることができる空燃比を利用するためである。
に、圧縮行程での一括噴射から吸気・圧縮分割噴射まで
の各噴射形態の燃料噴射を、燃焼室内の混合気の濃度が
点火プラグまわりで理論空燃比もしくはこれよりリッチ
となり、その周囲で理論空燃比よりリーンとなるように
行わせるようにすればよい(請求項4)。このようにす
ることにより、初期燃焼の抑制及び燃焼期間後半の燃焼
(後燃え)の促進等の作用が有効に発揮されるような成
層状態が得られる。そして、エンジン負荷に応じ、燃料
噴射形態が変更されることにより、各領域で上記作用が
得られるように成層状態が適度に調整される。
じた燃料噴射形態の切替わりは、燃焼室内の周辺部の混
合気の濃度を、理論空燃比よりもリーンとなる範囲でリ
ッチ側に変化させるものとすればよく(請求項5)、こ
れにより、燃料噴射量が増加したときに適度に混合気が
分散され、点火プラグまわりに混合気が集中し過ぎるこ
とが防止される。
大に応じた燃料噴射形態の切替わりは、点火プラグまわ
りの混合気の濃度を、理論空燃比もしくはこれよりリッ
チとなる範囲でリーン側に変化させるものとすればよく
(請求項6)、これにより、燃料噴射量が増加したとき
に点火プラグまわりがオーバーリッチとなることが避け
られる。
行程での一括噴射は、所定運転領域内でのエンジン負荷
の増大につれて噴射タイミングを進角させるようになっ
ていることが好ましく(請求項7)、このようにすれ
ば、圧縮行程での一括噴射が行なわれる運転領域の中で
も、負荷に応じて燃焼室内の混合気分布状態が適正に調
整される。
が調整されると、点火時期のリタード量を大きくするこ
とが可能となり、この点火時期リタード(請求項8)に
より、HC、NOxの低減及び暖機促進の効果が高めら
れる。
アに嵌挿されて燃焼室の下面側を構成するピストンの頂
面に混合気トラップ用のキャビティを形成し、ピストン
が上死点近くにあるときにインジェクタからの燃料噴射
方向が上記キャビティを向くとともに、インジェクタか
ら噴射された後上記キャビティで反射された燃料が点火
プラグ付近に達するように、インジェクタ及びキャビテ
ィの配置を設定しておけば(請求項9)、圧縮行程噴射
等が行なわれたときに、成層化が良好に行なわれる。
基づいて説明する。
いる。この図において、1はエンジン本体であって、シ
リンダブロック2及びシリンダヘッド3等からなり、複
数のシリンダを備えており、その各シリンダにはピスト
ン4が嵌挿され、このピストン4の頂面とシリンダヘッ
ド3の下面との間に燃焼室5が形成されている。
の上面部を形成する所定形状の凹部が設けられ、例えば
図示のようなペントルーフ形状に燃焼室5の上面部が形
成されており、この燃焼室5の上面部に吸気ポート6及
び排気ポート7が開口している。この吸気ポート6及び
排気ポート7は、図面上は1個ずつ表れているが、好ま
しくは、2個ずつ、紙面と直交する方向に並んで設けら
れる。そして、各吸気ポート6及び各排気ポート7に吸
気弁8及び排気弁9がそれぞれ設けられており、これら
吸気弁8及び排気弁9は図外の動弁装置により駆動され
て所定タイミングで開閉するようになっている。
が配置され、点火ギャップが燃焼室5内に臨む状態で、
シリンダヘッド3に取付けられている。
ジェクタ11が、燃焼室5の周縁部に設けられている。
図1に示す実施形態では、燃焼室5の吸気ポート6側の
側方部においてシリンダヘッド3にインジェクタ11が
取り付けられ、インジェクタ11の先端が燃焼室5内に
臨み、かつ、斜め下方に向けて燃料を噴射するようにな
っている。
面側を構成するピストン4の頂部に、凹状のキャビティ
12が形成されている。そして、ピストン4が上死点に
近い位置となる圧縮行程後半に上記インジェクタ11か
らの燃料噴射が行なわれる場合に、この燃料がキャビテ
ィ12に向かって噴射され、さらにキャビティ12で反
射されて点火プラグ10付近に達するように、インジェ
クタ11の位置及び方向とキャビティ12の位置と点火
プラグ10の位置との関係が予め設定されている。
ポンプ13が燃料供給通路14を介して接続され、この
高圧燃料ポンプ13と図外のリターン通路に配置された
高圧レギュレータとにより、インジェクタ11に作用す
る燃圧が圧縮行程中期以降の噴射が可能な程度の高圧に
調整されるようになっている。
排気通路16が接続されている。上記吸気通路15はサ
ージタンク15bの下流側で気筒別に分岐し、かつ、そ
の気筒別通路15aには並列に2つの通路(図面では1
つの通路のみ示す)が形成されて、その下流端の2つの
吸気ポート7が燃焼室5に開口するとともに、一方の通
路に、燃焼室内のガス流動を強化するためのスワール制
御弁17が設けられている。そして、スワール制御弁1
7が閉じられたときに、他方の通路から燃焼室5に導入
される吸気によって燃焼室5内にスワールが生成され、
燃焼室5内のガス流動が強化されるようになっている。
としては、上記スワール制御弁17の替わりにタンブル
を生成する弁を気筒別通路に設けてもよく、また、圧縮
上死点付近でピストン頂面とこれに対向する燃焼室上面
部(シリンダヘッド下面)との間にスキッシュが生成さ
れるようにしておいてもよい。
弁18が設けられ、吸入空気量の制御が可能なようにス
テップモータ等の電気的なアクチュエータ19によって
上記スロットル弁18が作動されるようになっている。
ルブ(図示せず)を介してEGR通路(図示せず)が接
続されており、少なくともエンジン暖機後にEGRを導
入するようになっている。
が設けられるとともに、排気浄化用の触媒を備えた触媒
装置22が設けられている。上記O2 センサ21は、排
気中の酸素濃度を検出することにより燃焼室内の混合気
の空燃比を検出するものであり、例えば理論空燃比で出
力が変化するセンサ(λO2 センサ)からなっている。
してもよいが、後述のように暖機後に空燃比をリーンに
して成層燃焼を行なうような場合の浄化性能を高めるた
め、理論空燃比よりもリーンな空燃比でもNOxを浄化
する機能を有するような触媒を用いることが望ましい。
つまり、一般に知られているように三元触媒によるとH
C、CO、NOxの全てに対して高い浄化性能を有する
のが理論空燃比付近に限られるが、三元触媒の機能に加
えて理論空燃比よりもリーンな空燃比でもNOxを浄化
する機能を有する触媒(リーンNOx触媒)があるの
で、これを用いてリーン運転時のNOxを低減すること
が好ましい。尤も、このようなリーンNOx触媒であっ
ても、浄化性能が最も高められるのは理論空燃比付近で
ある。
位置としては、この触媒装置22にリーンNOx触媒を
備えているため、排気マニホールド16aの直下流(排
気マニホールドに直結)とすると高速高負荷時に触媒温
度が過度に上昇し易くなることから、この位置よりもエ
ンジンから遠ざかるように、排気マニホールド16aに
接続されている排気管16bの下流に触媒装置22が連
結されている。なお、三元触媒であれば耐熱性能が高い
ため、排気マニホールドに直結しても良い。
ントロールユニット)であり、このECU30には、エ
ンジンのクランク角を検出するクランク角センサ23、
アクセル開度(アクセルペダル踏み込み量)を検出する
アクセルセンサ24、吸入空気量を検出するエアフロー
メータ25、エンジン冷却水の水温を検出する水温セン
サ26及び上記O2 センサ21等からの信号が入力され
ている。
1、負荷状態検出手段32、燃料噴射制御手段33、燃
料噴射量演算手段34、点火時期制御手段35及び回転
数制御手段36を含んでいる。
ンサ26からの水温検出信号によって触媒の温度状態を
推定して、触媒が活性温度より低い未暖機状態にあるか
否かを判定するもので、水温が設定温度未満であれば触
媒未暖機状態、設定温度以上であれば触媒暖機状態と判
定する。なお、触媒暖機状態を判定するための温度状態
判別は、水温検出とエンジン始動からの経過時間の判定
とを併用して行なうようにしてもよく、また、触媒温度
を直接検出するようにしてもよい。
ンサ24によって検出されるアクセル開度及びクランク
角センサ23の信号から求められるエンジン回転数等に
基づいて負荷状態を検出するようになっている。
タ駆動回路37を介してインジェクタ11からの燃料噴
射の時期及び噴射量を制御するものであり、触媒未暖機
状態のときは、暖機促進制御として、エンジンの低負荷
側の所定運転領域で上記インジェクタからの燃料噴射を
圧縮行程で一括に行なわせるとともに、エンジン負荷の
増大に伴い、燃料噴射形態を、吸気行程の期間内の早期
噴射と圧縮行程の期間内の後期噴射とからなる吸気・圧
縮分割噴射に移行させるように制御する。さらに当実施
形態では、圧縮行程での一括噴射に行なわせる低負荷側
の運転領域と吸気・圧縮分割噴射を行なわせる高負荷側
の運転領域との間の運転領域で、圧縮行程の期間中に分
割噴射を行なわせるように制御する。
ように区分した運転領域別に、図2(a)(b)(c)
のようにインジェクタ11からの燃料噴射形態を変更す
ることとしている。
域A(無負荷領域を含む)では、図2(a)に示すよう
に、圧縮行程の後半に一括噴射P0を行なわせる。この
場合に望ましくは、この領域A内でのエンジン負荷の増
大につれて噴射タイミングを進角させる。第1の設定負
荷より大きくて第2の設定負荷以下の中負荷域Bでは、
インジェクタ11からの燃料噴射を圧縮行程期間内で早
期噴射P1及び後期噴射P2の2回に分割して行なわせ
る。この分割噴射における分割割合は本発明で限定しな
いが、例えば早期噴射P1と後期噴射P2とが同程度
(50%ずつ)となるようにしておけばよい。
域Cでは、早期噴射P11を吸気行程、後期噴射P12
を圧縮行程とした分割噴射を行なうようにしている。こ
の分割噴射における分割割合も本発明で限定しないが、
例えば早期噴射P1と後期噴射P2とが同程度(50%
ずつ)となるようにしておけばよい。
0,P1,P2,P11,P12はインジェクタ駆動回
路37与えられる制御信号としての噴射パルスを示して
おり、この噴射パルスのパルス幅に相当する時間だけイ
ンジェクタ11が開作動され、噴射パルス幅に応じた量
の燃料が噴射されるようになっている。
媒未暖機時に、上記噴射量演算手段34により燃焼室全
体の空燃比が13〜17の範囲内の設定空燃比となるよ
うに燃料噴射量が演算される。この場合、O2 センサ2
1が活性化するまでは吸入空気量及びエンジン回転数に
応じて燃料噴射量を演算するオープン制御とし、O2セ
ンサ21が活性化した後は、その出力の変化に応じてP
I制御等によりフィードバック補正値を演算するような
フィードバック制御とすればよい。
フィードバック制御により理論空燃比に制御することが
できるが、λO2 センサの出力の反転に対するフィード
バック補正値の変化の方向の反転にディレー時間を設定
して、そのディレー時間をリーン側とリッチ側とで異な
らせたり、PI制御におけるP値(比例ゲイン)やI値
(積分ゲイン)をリーン側とリッチ側とで異ならせたり
することにより、理論空燃比より多少リーンもしくはリ
ッチとなるようにフィードバック制御を行なうこともで
きる。
8に制御信号を出力して、点火時期をエンジンの運転状
態に応じて制御するものであり、基本的には点火時期を
MBTに制御するが、触媒未暖機状態における暖機促進
制御時には点火時期をMBTよりも所定量リタードする
ようになっている。
は、触媒未暖機時に触媒暖機後よりもエンジンのアイド
ル回転数を高くするように、吸入空気量あるいは点火時
期等を制御する。
8を駆動するアクチュエータ19に制御信号を出力する
ことによって吸入空気量の制御も行なうようになってお
り、触媒未暖機時や暖機後に高負荷領域等において理論
空燃比で運転するような場合はアクセル開度に応じてス
ロットル弁18の開度を制御し、暖機後に低負荷領域等
において圧縮行程のみの燃料噴射により成層燃焼が行わ
れるような場合には、空燃比をリーンとすべくスロット
ル弁18を開いて吸入空気量を増大させるように調整す
る。さらにECU30は、触媒未暖機時において圧縮行
程での一括噴射や分割噴射が行なわれるとき等に燃焼室
5内にスワールを生じさせるべく、上記スワール制御弁
17を制御する。
図4のフローチャートによって説明する。
れると、先ずステップS1で各種信号が入力され、ステ
ップS2で始動時か否かが判定される。始動時であれ
ば、燃料の気化、霧化の促進及びトルク確保に有利なよ
うに吸気行程で噴射が行なわれ(ステップS3)、点火
時期はMBTとされる。
始動からの経過時間等が調べられることにより触媒未暖
機時か否かが判定される。触媒未暖機時であれば、ステ
ップS5で、13〜17の範囲内の設定空燃比となるよ
うに燃料噴射量が演算されるとともに、ステップS6で
エンジン負荷が低負荷領域Aか否かが判定され、低負荷
領域Aであれば、ステップS7でインジェクタ11から
の燃料噴射が圧縮行程での一括噴射とされる。この場
合、望ましい制御としては、上記低負荷領域A内で負荷
が高くなるにつれて一括噴射の噴射時期が進角される。
さらにステップS8で、点火時期がリタードされる。
判定された場合は、ステップS9で中負荷領域Bか否か
が判定され、中負荷領域Bであれば、ステップS10で
インジェクタ11からの燃料噴射が圧縮行程での分割噴
射とされ、かつ、点火時期がリタードされる(ステップ
S8)。
及び中負荷領域Bでないことが判定された場合、つまり
高負荷領域Cにある場合は、ステップS11でインジェ
クタ11からの燃料噴射が吸気・圧縮分割噴射(吸気行
程と圧縮行程の分割噴射)とされ、かつ点火時期がリタ
ードされる(ステップS8)。
態に応じた制御が行なわれ、例えば、低回転低負荷領域
であれば成層燃焼を行うべく圧縮行程噴射とされるとと
もに空燃比がリーンとされ、高回転領域や高負荷領域で
あれば均一燃焼を行うべく吸気行程噴射とされる。さら
にまた、中負荷領域において成層燃焼領域と均一燃焼領
域との間では、必要に応じ、トルク急変の防止のために
吸気行程、圧縮行程の分割噴射が行なわれる場合もあ
る。
ジンによる作用、効果を、次に説明する。
にあるとき、無負荷領域等の低負荷領域Aでは、圧縮行
程での一括噴射が行なわれる。これにより、低負荷時に
HC及びNOxが低減されるとともに、排気温度が上昇
することで触媒の暖機が促進され、しかも、燃費の悪化
は比較的小さく抑えられる。このような効果を示す実験
結果を図5に示す。
が40°Cの触媒未暖機状態で、エンジン回転数を15
00rpm、正味平均有効圧力Peを0kPa、燃焼室
全体の空燃比を理論空燃比(λ=1)とした運転条件
で、吸気・圧縮分割噴射(早期噴射を吸気行程、後期噴
射を圧縮行程とする分割噴射)を行なった場合と、圧縮
行程での一括噴射を行なった場合とにつき、燃焼室から
のHC排出量、NOx排出量及び燃費悪化率を調べた実
験結果をグラフで示している。燃費悪化率は、吸気行程
一括噴射と比較したものである。
荷領域等の低負荷領域では、圧縮行程一括噴射による
と、吸気・圧縮分割噴射に比べ、HC排出量及びNOx
排出量が大幅に減少し、しかも、燃費の悪化は比較的小
さく抑えられる。なお、排気温度上昇の効果については
グラフに示していないが、HC排出量低減の効果と排気
温度上昇効果とはほぼ対応しており、圧縮行程一括噴射
によると、吸気・圧縮分割噴射に比べて排気温度が大幅
に上昇し、暖機が促進される。
射とすることでHC、NOxの低減及び暖機促進の効果
が高められるが、エンジン負荷が増大すると、後に詳述
する図14のグラフにも示されるように、HCやNOx
を低減する効果が少なくなる(HC、NOxが増加す
る)。
pm、燃焼室全体の空燃比を理論空燃比とした状態で、
図示平均有効圧力Piを種々変更し、インジェクタから
の燃料噴射を吸気・圧縮分割噴射とした場合と吸気行程
の一括噴射とした場合とにつき、排気温度、NOx排出
量、HC排出量及び燃費をグラフで示すとともに、低負
荷、中負荷、高負荷での熱発生パターンを示している。
この図のグラフ中、黒丸印で示すデータは吸気・圧縮分
割噴射の場合、白丸印で示すデータは吸気行程一括噴射
の場合のものである。また、熱発生パターンは、横軸を
クランク角、縦軸を熱発生量とし、吸気・圧縮分割噴射
とした場合を太線で示す一方、吸気行程の一括噴射とし
た場合を細線で示している。
分割噴射によると、吸気行程一括噴射と比較して、図示
平均有効圧力Piが2.5kg/cm2(245kP
a)程度よりも小さい低負荷領域ではHC、NOx低減
及び排気温度上昇の効果が小さいが、4kg/cm
2(392kPa)程度の領域でHC、NOx低減及び
排気温度上昇の効果が大きくなる。そして、このような
領域での吸気・圧縮分割噴射による熱発生パターンは、
後に詳述するような初期燃焼抑制、後燃え促進(図8参
照)が良好に発揮されるパターンとなる。
C、NOxの低減及び排気温度上昇の効果がある程度は
得られる。
領域等の低負荷側の領域では圧縮行程一括噴射とし、高
負荷側では吸気・圧縮分割噴射とすることにより、これ
らの領域でそれぞれHC、NOxの低減及び排気温度上
昇の効果が得られることがわかる。そして、圧縮行程一
括噴射が行なわれる低負荷側の領域と吸気・圧縮分割噴
射が行なわれる高負荷側の領域との間の領域では、中間
的な噴射形態として圧縮行程分割噴射とすればよい。
されるところを次に説明する。
る燃焼室内の混合気分布について考察すると、燃料噴射
から点火までの時間が短いほど気化、霧化が不充分にな
るとともに噴射燃料が点火プラグまわりに集まり易くな
るので、圧縮一括噴射の場合は、図7(a)のように、
その噴射による混合気Mが点火プラグまわりに偏在し、
その周囲には消炎層として燃料が殆ど存在しない空気層
Airが存在する状態となる。なお、混合気Mが偏在する
範囲内でも中心側が比較的リッチ、周辺側が比較的リー
ンとなる。
ように、後期噴射による比較的リッチな混合気層MR が
点火プラグまわりに偏在するとともに、その周囲に早期
噴射による比較的リーンな混合気層ML が生成される。
そして、早期噴射も圧縮行程で行なわれるので完全に燃
焼室全体に分散せず、燃焼室の周辺部には消炎層として
の空気層Airが存在する状態となる。
(c)のように、後期噴射による比較的リッチな混合気
層MR が点火プラグまわりに偏在するとともに、その周
囲に、吸気行程の早期噴射による比較的リーンな混合気
ML が略燃焼室全体に拡散した状態となる。
度上昇に有効な要因を考えると、NOxの低減には、燃
焼を緩慢にするとともに最大発生熱量を抑えることが有
効なので、燃焼室中心部(点火プラグまわり)の混合気
を理論空燃比と比べてかなりリッチにすること、噴射燃
料の気化、霧化を悪くすること等により初期燃焼を抑制
することがNOx低減の要因となり、また、燃焼室周辺
をリーンにして緩慢燃焼させるようにすること、点火時
期リタード性を高めること等もNOx低減の要因とな
る。
には、混合気を遅くまで充分に燃焼させるべく、噴射燃
料の気化、霧化の悪化や燃焼室周辺のリーン化により燃
焼期間の後半の燃焼(以下、後燃えと呼ぶ)を促進する
こと、シリンダ壁とピストンとの間に燃料が入り込んで
燃焼せずに排出されてしまうことを避けるために燃焼室
周辺に消炎層として空気層が存在すること、点火時期リ
タード性を高めること等が有効な要因となる。
ランク角当りの発生熱量dQの変化)としては、図8中
の実線のように、吸気行程一括噴射等による通常の燃焼
(破線)と比べ、立上りが緩やかになるように初期燃焼
が抑制されるとともに、燃焼期間の後期の燃焼(以下、
後燃えと呼ぶ)が促進されるようにすることが、HC低
減、NOx低減及び暖機促進のために有効となる。
量との関係は図9のようになり、理論空燃比付近の空燃
比(通常の空燃比)ではNOx排出量が多くなるので、
この空燃比域での燃焼を避けて、同図中に示すリッチ空
燃比またはリーン空燃比で燃焼を行なわせることがNO
x低減のために好ましい。
程一括噴射を行なった際の燃料噴射後の点火プラグ付近
の空燃比の推移を示し、同図中の破線は燃費が最良とな
る噴射時期の場合、実線は噴射時期を遅らせることによ
り混合気の拡散を抑制した場合であり、また、図中の可
燃範囲は点火により燃焼し得る空燃比の範囲であって、
点火プラグ付近の空燃比がこの可燃範囲にある期間に点
火することを要する。この図のように、噴射時期を遅ら
せることにより混合気の拡散を抑制した場合は、燃費が
最良となる噴射時期の場合と比べ、点火プラグ付近の空
燃比が可燃範囲となる期間が遅く、かつ長くなる。従っ
て、点火時期のリタード量を大きくすること(リタード
性を高めること)ができる。
荷領域Aで圧縮行程の一括噴射を行なった場合を考察す
ると、燃料噴射から点火まで時間が短いので図7(a)
のように混合気が点火プラグまわりの所定範囲に偏在
し、その範囲のうちでも点火プラグに近い中心側が比較
的リッチとなるような成層状態が得られるとともに、噴
射燃料の気化、霧化が充分でなく、混合気が偏在する部
分に液滴成分が含まれる。このような混合気分布状態で
燃焼が行なわれることにより、図8に実線で示す熱発生
パターン、つまり初期燃焼が抑制されて後燃えが促進さ
れる燃焼状態が得られる。さらに、燃焼室周辺にはHC
抑制に有効な空気層が形成される。従って、HC及びN
Oxの低減及び排気温度上昇の効果が得られる。
からの距離を横軸として燃焼室内の各部位の空燃比を調
べると、低負荷時に図11のようになる。つまり、図1
1は、低負荷時における燃焼室内の各部位の空燃比を、
圧縮行程一括噴射(破線)、圧縮行程分割噴射(実線)
及び吸気・圧縮分割噴射(一点鎖線)の各場合について
示しており、この図のように、燃料噴射量の少ない低負
荷時には、圧縮行程一括噴射(破線)により、燃焼室中
心付近が適度にリッチとなるとともに、燃料噴射量に見
合うように適度な混合気のコンパクト化が達成される。
そして、シリンダセンターからある程度の距離までは適
度にリッチな状態(図9中のリッチ空燃比に相当)が保
たれ、そこから急激に空燃比がリーン化するので、NO
xが発生し易い空燃比となる区域が非常に小さくなる。
程で一括圧縮とすることが、HC及びNOxの低減に効
果的なものとなる。
合気の拡散が抑制されるため、図10から明らかなよう
に、点火時期リタード量を大きくすることができる。そ
して、点火時期のリタードにより、HC及びNOxの低
減及び排気温度上昇の効果がより一層高められることと
なる。
一括噴射(破線)、圧縮行程分割噴射(実線)及び吸気
・圧縮分割噴射(一点鎖線)の各場合について燃焼室内
の各部位の空燃比を示すものであるが、図11に示す場
合よりも高負荷側の運転領域(中負荷領域)にある場合
を示している。この図のように、エンジン負荷が高くな
った場合、圧縮行程一括噴射では、燃料噴射量の割には
リッチな混合気が燃焼室中央側に集中し過ぎる状態とな
り、点火プラグまわりの混合気の空燃比がオーバーリッ
チとなる。つまり、負荷が高くなると燃料噴射量が増加
することにより混合気の密度が増加する傾向が生じる上
に、負荷の増加に伴って燃焼室内圧力が高くなると、そ
れに伴って噴射燃料の噴霧角度が狭まる傾向も有ること
から、燃焼室中心部にリッチな混合気が集中しすぎる状
態が生じ易くなる。
に燃えきらずにHCが生じる可能性があるとともに、燃
焼室中心からある程度離れて空燃比が次第にリーン側に
変化する部分等でNOxが生じ易くなると推測される。
分割噴射に切替えられるようにすると、適度の成層状態
(適度に混合気が拡散された状態)となって燃焼室中心
部にリッチな混合気が集中しすぎることが避けられ、燃
焼室中心部分が適度のリッチ状態になる。なお、燃料噴
射量がさらに多くなる高負荷側では、吸気・圧縮行程一
括噴射とすることで適度の成層化状態が得られる。つま
り、負荷の増大に伴って噴射形態が圧縮行程一括噴射か
ら圧縮行程分割噴射、吸気・圧縮行程一括噴射へと切替
えられると、その切替わり時に、燃焼室内の周辺部の混
合気の濃度は理論空燃比よりもリーンとなる範囲でリッ
チ側に変化し、点火プラグまわりの混合気の濃度は理論
空燃比もしくはこれよりリッチとなる範囲でリーン側に
変化するようになって、混合気分布が適正に調整され
る。
m、図示平均有効圧力を2kg/cm2(196kP
a)として、燃焼室全体の空燃比を種々変えつつ圧縮行
程一括噴射により混合気を成層化して燃焼させた場合に
つき、それぞれの熱発生パターンを示している。
mで、図示平均有効圧力が2kg/cm2(196kP
a)、2.5kg/cm2(245kPa)、5.5k
g/cm2(539kPa)の各負荷につき、空燃比を
種々変えつつ圧縮行程一括噴射を行なった場合のHC排
出量、NOx排出量及び燃費を調べた結果を示してい
る。
射を行なう場合に、燃焼室全体の空燃比が20程度以上
になると初期燃焼が急速になり、HC及びNOxの排出
量が増加する傾向となるのに対し、燃焼室全体の空燃比
が17程度にまで小さくなれば、圧縮行程分割噴射によ
り初期燃焼抑制及び後燃え促進の効果が得られ、これに
よりHC及びNOxの排出量が減少する。
全体の空燃比を13〜17としつつ、分割噴射を行なう
ことにより、HC、NOxの低減及び排気温度上昇によ
る暖機促進の効果が良好に得られる。また、負荷が増加
して中負荷領域Bになれば圧縮行程分割噴射に切替え、
さらに負荷が上昇して高負荷領域Cになると吸気・圧縮
行程分割噴射とすることにより、燃焼室中心部にリッチ
な混合気が集中しすぎて点火プラグまわりがオーバーリ
ッチになるという事態が避けられ、中、高負荷でも適度
の成層状態となることでHC、NOxの低減及び排気温
度上昇による暖機促進の効果が得られる。
点火時期のリタード量を大きくすることができ、これに
よってHC、NOxの低減及び排気温度上昇の効果を高
めることができる。
程の一括噴射を行ないつつ、負荷の増大につれて圧縮行
程の一括噴射の噴射時期を進角させれば、混合気の分布
が適度に調整される。つまり、燃料噴射量が所定値まで
の範囲であれば、一括噴射でも燃料噴射量の増加に応じ
て噴射時期を進角することで混合気が燃焼室中心部に集
中し過ぎることが避けられる。
ンジンにおいて、触媒が活性温度よりも低い未暖機状態
にあるときに、暖機促進制御として、エンジンの低負荷
側の所定運転領域で上記インジェクタからの燃料噴射を
圧縮行程で一括に行なわせるとともに、エンジン負荷の
増大に伴い、燃料噴射形態を、吸気・圧縮分割噴射に移
行させるように制御しているため、エンジンの低負荷側
から高負荷側までにわたり、HC及びNOxを低減する
とともに、排気温度を上昇させて暖機を促進する効果を
高めることができる。
空燃比を13〜17の範囲とし、また、圧縮行程での一
括噴射から吸気・圧縮分割噴射までの各噴射形態の燃料
噴射を、燃焼室内の混合気の濃度が点火プラグまわりで
理論空燃比もしくはこれよりリッチとなり、その周囲で
理論空燃比よりリーンとなるように行わせると、HC、
NOxの低減及び暖機促進に有利な適度の成層状態を得
ることができる。
の全体概略図である。
射(b)及び吸気行程と圧縮行程の分割噴射(c)の各
噴射時期を示す図である。
域の設定を示す図である。
場合につき、HC排出量(a)、NOx排出量(b)及
び燃費悪化率(c)をそれぞれ示すグラフである。
き、各種負荷での熱発生パターン、排ガス温度、NOx
排出量、HC排出量及び燃費を示すグラフである。
の場合(a)、圧縮行程の分割噴射の場合(b)、吸気
行程と圧縮行程の分割噴射の場合(c)についてそれぞ
れ模式的に示す図である。
図である。
す説明図である。
の空燃比を示すグラフである。
内各部位の空燃比を示すグラフである。
の熱発生パターンを示す図である。
各種空燃比でのHC排出量、NOx排出量及び燃費を示
す図である。
Claims (9)
- 【請求項1】 排気通路に排気ガス浄化用の触媒を備え
るとともに、燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェク
タを備えた筒内噴射式エンジンにおいて、上記触媒の温
度状態を判別する温度状態判別手段と、エンジンの負荷
状態を検出する負荷状態検出手段と、上記インジェクタ
からの燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段とを備え、
この燃料噴射制御手段は、上記温度状態判別手段による
判別及び上記負荷状態検出手段による検出に基づき、触
媒が活性温度よりも低い未暖機状態にあるときに、暖機
促進制御として、エンジンの低負荷側の所定運転領域で
上記インジェクタからの燃料噴射を圧縮行程で一括に行
なわせるとともに、エンジン負荷の増大に伴い、燃料噴
射形態を、吸気行程の期間内の早期噴射と圧縮行程の期
間内の後期噴射とからなる吸気・圧縮分割噴射に移行さ
せるように制御することを特徴とする筒内噴射式エンジ
ンの制御装置。 - 【請求項2】 上記燃料噴射制御手段は、暖機促進制御
時に、インジェクタからの燃料噴射を圧縮行程で一括に
行なわせる低負荷側の運転領域と吸気・圧縮分割噴射を
行なわせる高負荷側の運転領域との間の運転領域で、圧
縮行程の期間中に分割噴射を行なわせるようにインジェ
クタを制御することを特徴とする請求項1記載の筒内噴
射式エンジンの制御装置。 - 【請求項3】 暖機促進制御時に、燃焼室全体の空燃比
を13〜17の範囲に設定しつつ、圧縮行程での一括噴
射から吸気・圧縮分割噴射までにわたる各噴射形態での
燃料噴射を行わせることを特徴とする請求項1または2
記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。 - 【請求項4】 暖機促進制御時に、圧縮行程での一括噴
射から吸気・圧縮分割噴射までの各噴射形態の燃料噴射
を、燃焼室内の混合気の濃度が点火プラグまわりで理論
空燃比もしくはこれよりリッチとなり、その周囲で理論
空燃比よりリーンとなるように行わせることを特徴とす
る請求項3記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。 - 【請求項5】 暖機促進制御時のエンジン負荷の増大に
応じた燃料噴射形態の切替わりは、燃焼室内の周辺部の
混合気の濃度を、理論空燃比よりもリーンとなる範囲で
リッチ側に変化させるものであることを特徴とする請求
項4記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。 - 【請求項6】 暖機促進制御時のエンジン負荷の増大に
応じた燃料噴射形態の切替わりは、点火プラグまわりの
混合気の濃度を、理論空燃比もしくはこれよりリッチと
なる範囲でリーン側に変化させるものであることを特徴
とする請求項4または5記載の筒内噴射式エンジンの制
御装置。 - 【請求項7】 暖機促進制御時に所定運転領域で行う圧
縮行程での一括噴射は、所定運転領域内でのエンジン負
荷の増大につれて噴射タイミングを進角させるようにな
っていることを特徴とする請求項4乃至6のいずれかに
記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。 - 【請求項8】 暖機促進制御時にエンジンの点火時期を
所定量リタードさせる点火時期制御手段を備えたことを
特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の筒内噴射
式エンジンの制御装置。 - 【請求項9】 シリンダボアに嵌挿されて燃焼室の下面
側を構成するピストンの頂面に混合気トラップ用のキャ
ビティを形成し、ピストンが上死点近くにあるときにイ
ンジェクタからの燃料噴射方向が上記キャビティを向く
とともに、インジェクタから噴射された後上記キャビテ
ィで反射された燃料が点火プラグ付近に達するように、
インジェクタ及びキャビティの配置を設定したことを特
徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の筒内噴射式
エンジンの制御装置。
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