JP2007239583A - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 エンジンの冷機時に、ＨＣの低減と、燃焼安定度の向上とを図る。
【解決手段】 吸気通路７にて燃料噴射弁８、９から燃料を噴射する場合に、燃料噴射を２回に分けて、１回目の燃料噴射は排気行程で行い、２回目の燃料噴射は吸気行程で行う。そして、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射とで噴射方向を変更し、１回目は吸気バルブ５に向けて噴射し、２回目は点火プラグ４に向けて噴射し、点火プラグ４周りに成層化する。また、燃焼安定度が向上する分、点火時期を遅角して、排気温度を上昇させ、触媒の早期活性化を図る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の燃焼制御装置に関する。

特許文献１には、吸気通路にて燃料を噴射する場合に、筒内混合気の最適な成層化を実現し得て、ＨＣの低減を果たすため、内燃機関の１サイクル毎に各気筒に噴射される燃料噴射量を第１の噴射量と第２の噴射量とに分割して設定し、排気行程において第１の噴射量の燃料を噴射すると共に、吸気行程において第２の噴射量の燃料を噴射することが開示されている。
特開２００４−０９２４８８号公報

内燃機関の冷機時にＨＣを低減するために、混合気のリーン化が有効であることは知られているが、単にリーン化（燃料噴射量減少）するだけでは燃焼（安定度）が悪化する。
そこで、特許文献１に記載の技術では、吸気通路にて燃料を噴射する場合に、燃料噴射を１回目の排気行程噴射と２回目の吸気行程噴射とに分け、１回目の噴射燃料を一旦吸気バルブに当てて筒内混合気の均一化を図ると共に、２回目の噴射燃料を筒内の点火プラグ近傍に集めて成層化を図るとしている。

しかし、燃料噴射を２回に分けることで、成層化が可能になり、燃焼安定度が向上するものの、単に２回に分けるだけでは、成層化が十分ではない。
すなわち、２回目の噴射燃料が必ずしも点火プラグ方向へ流れず、ピストン頂面方向へ流れることにより、点火プラグ周りのリッチ雰囲気が弱くなり、これに伴って燃焼安定度が悪くなる。

本発明は、このような実状に鑑み、ＨＣ低減のためのリーン化と、燃焼安定度の向上とを、より確実に図り得るようにすることを目的とする。

このため、本発明では、所定の運転条件にて、燃料噴射を、１回目の排気行程噴射と、２回目の吸気行程噴射とに分ける一方、１回目の排気行程噴射と２回目の吸気行程噴射とで噴射方向を変更し、排気行程噴射では吸気バルブに向けて噴射し、吸気行程噴射では点火プラグに向けて噴射する構成とする。

本発明によれば、排気行程噴射は吸気バルブに当てて筒内混合気の均質化を図ることができ、吸気行程噴射は点火プラグに向けることで、噴射燃料を点火プラグ周りに成層化でき、燃焼安定度が向上する。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す内燃機関（エンジン）の燃焼室回りの構成図であって、（ａ）は排気行程の状態、（ｂ）は吸気行程の状態を示している。
シリンダ１内にピストン２により画成される燃焼室３の上部には、点火プラグ４を囲むように、吸気バルブ５及び排気バルブ６を備えている。

吸気バルブ５側の吸気通路７には、２つの燃料噴射弁（インジェクタ）８、９が設けられている。
燃料噴射弁８は、通常の１回噴射用であり、また、２回噴射時の１回目の排気行程噴射用であり、吸気バルブ５の傘裏部を指向している。
燃料噴射弁９は、２回噴射時の２回目の吸気行程噴射用であり、燃焼室３の中心側の、点火プラグ４近傍を指向している。

排気バルブ６側の排気通路１０には、排気浄化触媒（図示せず）が設けられる。
ここにおいて、燃料噴射弁８、９及び点火プラグ４の作動は、エンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）２０により制御され、このＥＣＵ２０には、図示しない各種センサ（クランク角センサ、アクセル開度センサ、エアフローメータ、水温センサ等）から、各種情報が入力されている。

本発明に係る燃焼制御装置は、ＥＣＵ２０にて、所定のプログラムを実行することにより実現されるので、以下、フローチャートに従って説明する。
図２はエンジン冷機時の燃焼制御のフローチャートである。
Ｓ１では、エンジン冷機時か否かを判定する。具体的には、水温センサにより検出される冷却水温が所定値以下か否かを判定する。尚、ここでいうエンジン冷機時は、排気浄化触媒の早期活性化のため、点火時期を遅角することにより、排気温度を上昇させる条件であるので、触媒が非活性（触媒温度センサにより検出される触媒温度が活性温度以下）か否かを判定してもよい。

エンジン冷機時の場合は、Ｓ２、Ｓ３の処理を実行する。
Ｓ２では、燃料噴射弁による燃料噴射を２回に分け、１回目の燃料噴射を排気行程にて行わせ、２回目の燃料噴射を吸気行程にて行わせるように制御する。すなわち、図３（ａ）に示す通常の１回噴射に対し、図３（ｂ）に示すような２回噴射とする。
ここで、１回目の排気行程噴射は、燃料噴射弁８を用い、吸気バルブ５の傘裏部に向けて燃料を噴射する。２回目の吸気行程噴射は、燃料噴射弁９を用い、点火プラグ４近傍に向けて噴射する。

Ｓ３では、排気浄化触媒の早期活性化のため、排気温度を上昇させるべく、点火時期を遅角する。
一方、エンジン冷機時でない場合、従って暖機完了後（触媒活性後）の場合は、Ｓ１からＳ４へ進み、通常制御へ移行する。
通常制御では、燃料噴射は、排気行程噴射のみの１回噴射とする。従って、この場合は、燃料噴射弁８を用い、吸気バルブ５の傘裏部に向けて燃料を噴射する。また、点火時期は元に戻す（進角側）。

次に、エンジン冷機時の２回噴射等の作用・効果について説明する。
通常の１回噴射では、図３（ａ）に示すように、吸気行程開始（吸気バルブ開弁時期ＩＶＯ）までに噴射燃料が十分気化するのに要する時間（気化時間）Ｔを確保した上で、排気行程にて燃料噴射している。
これに対し、本発明では、図３（ｂ）に示すように、燃料噴射を２回に分け、１回目の燃料噴射は排気行程中に行い、２回目の燃料噴射は吸気行程中に行う。

ここで、１回目の燃料噴射は、図１（ａ）に示すように、燃料噴射弁８を用いて、排気行程にて、吸気バルブ５の傘裏部に向けて行うため、噴射燃料は吸気バルブ５の傘裏部に当たり、傘裏部の熱で十分に気化し、空気と混合する。
その後、吸気バルブ５が開くことで、吸気バルブ５の傘裏部で気化して空気と混合していた燃料が均質状態で筒内へ吸入される。従って、これが筒内に均質なリーン雰囲気を形成することになる。

２回目の燃料噴射は、図１（ｂ）に示すように、燃料噴射弁９を用いて、吸気行程にて、点火プラグ４近傍に向けて行うため、噴射燃料は点火プラグ４の近傍（燃焼室３の上部）に成層化される。
前記した成層化により、燃焼室３の上部（点火プラグ４周り）にリッチ雰囲気が形成され、それ以外の部分（燃焼室３の下部）にリーン雰囲気が形成されることになる。

ピストン２が上昇して圧縮行程に移行しても、燃焼室３上部のリッチ雰囲気と、燃焼室３下部のリーン雰囲気とが維持される。
尚、燃焼室３内にスワール流を生成することにより、燃焼室３上部のリッチ雰囲気と、燃焼室３下部のリーン雰囲気とが混じり合うのを防止でき、点火時期まで成層状態をより確実に維持することができる。スワール流生成手段としては、スワール制御弁の他、吸気ポート形状最適化、吸気バルブの片弁閉じ（１気筒につき２つの吸気バルブの一方を閉じる）、吸気バルブ位相差形成などを用いればよい。

このようにして、燃焼室３の上部（点火プラグ４周り）がリッチ雰囲気となることで、燃焼安定度が向上する。
燃焼安定度が向上することにより、その分、点火時期を遅角でき、点火時期遅角により燃焼期間が延びて、ＨＣ後燃え量が増加することで、排気温度が上昇し、触媒の早期活性化を図ることができる。

また、燃焼室３の下部はリーン雰囲気であるため、これによっても燃焼期間が延び、排気温度の上昇による触媒の早期活性化を促進できる。
本実施形態によれば、エンジンの冷機時に、燃料噴射を２回に分けて、１回目の燃料噴射は排気行程で行い、２回目の燃料噴射は吸気行程で行う一方、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射とで噴射方向を変更し、１回目の吸気バルブに向けて噴射し、２回目は点火プラグ近傍に向けて噴射する構成としたことにより、ＨＣの低減と、燃焼安定度の向上とを図ることができる。

すなわち、１回目の燃料噴射では、吸気バルブを狙って噴射することで、その傘裏部の温度を利用して、燃料の気化を促進し、均質な状態で筒内にリーン雰囲気を形成することができる。２回目の燃料噴射では、点火プラグを狙って噴射することで、プラグ周りをリッチ雰囲気にすることができる。このように、２回目の噴射方向を変えることで、より効率的にプラグ周りをリッチ雰囲気にすることができ、筒内の成層化を向上させることができる。よって、ＨＣの低減と、燃焼安定度の向上を図ることができる。

また、本実施形態によれば、燃焼安定度が向上する分、点火時期を遅角することにより、排気温度を上昇させて、排気浄化触媒の早期活性化を図ることができる。
また、本実施形態によれば、噴射方向が異なる２本の燃料噴射弁８、９を備え、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射とで、異なる燃料噴射弁を用いることにより、噴射方向の設定が容易となり、所望の噴射方向を正確に実現できる。

次に本発明の他の実施形態について説明する。
図４は本発明の他の実施形態を示すエンジンの燃焼室回りの構成図であって、（ａ）は排気行程の状態、（ｂ）は吸気行程の状態を示している。
本実施形態では、１つの燃料噴射弁１１を用い、その噴射角度を変更可能な噴射角度可変機構１２を備えるようにして、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射とで、噴射角度可変機構１２により噴射角度を変更するようにしている。

すなわち、エンジン冷機時に、燃料噴射弁１１による燃料噴射を２回に分けて、１回目の燃料噴射を排気行程にて行わせ、２回目の燃料噴射を吸気行程にて行わせる際、１回目の排気行程噴射では、図４（ａ）に示すように、燃料噴射弁１１の噴射角度をより縦向きにして、吸気バルブ５の傘裏部に向けて噴射し、２回目の吸気行程噴射では、図４（ｂ）に示すように、燃料噴射弁１１の噴射角度をより横向きにして、点火プラグ４近傍に向けて噴射する。尚、通常の１回噴射の場合は、排気行程噴射であるので、図４（ａ）の噴射角度で噴射する。

このようにしても、２回噴射時の１回目と２回目の噴射方向を変更することができて、同様の作用・効果が得られる。
特に本実施形態によれば、噴射角度可変機構１２が必要となるが、燃料噴射弁は１本でよいので、その限りではコストダウンを図ることができる。
尚、本実施形態では、噴射角度可変機構１２として、燃料噴射弁全体を回動することで、噴射角度を可変とするものを図示しているが、燃料噴射弁の噴口部分のみを動かすなどして、噴射方向を可変とするものを用いたり、アシスト空気の噴射の有無などによって噴射方向を可変とするものなどを用いることもできる。

本発明の一実施形態を示すエンジンの燃焼室回りの構成図であって、（ａ）は排気行程の状態、（ｂ）は吸気行程の状態を示す。 エンジン冷機時の燃焼制御のフローチャート １回噴射及び２回噴射のタイミングチャート 本発明の他の実施形態を示すエンジンの燃焼室回りの構成図であって、（ａ）は排気行程の状態、（ｂ）は吸気行程の状態を示す。

符号の説明

１ シリンダ
２ ピストン
３ 燃焼室
４ 点火プラグ
５ 吸気バルブ
６ 排気バルブ
７ 吸気通路
８ 燃料噴射弁
９ 燃料噴射弁
１０ 排気通路
１１ 燃料噴射弁
１２ 噴射角度可変機構
２０ ＥＣＵ

Claims (5)

1. 吸気通路に燃料噴射弁を備える内燃機関において、
   所定の運転条件にて、燃料噴射を２回に分けて、１回目の燃料噴射は排気行程で行い、２回目の燃料噴射は吸気行程で行う一方、
   １回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射とで噴射方向を変更し、１回目は吸気バルブに向けて噴射し、２回目は点火プラグに向けて噴射することを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
2. 前記所定の運転条件は、内燃機関の冷機時であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃焼制御装置。
3. 前記所定の運転条件にて点火時期を遅角することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の燃焼制御装置。
4. 噴射方向が異なる２本の燃料噴射弁を備え、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射とで、異なる燃料噴射弁を用いることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
5. 燃料噴射弁の噴射角度を変更可能な噴射角度可変機構を備え、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射とで、前記噴射角度可変機構により噴射角度を変更することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。

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