JP2008095652A

JP2008095652A - 筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2008095652A
Application number: JP2006281249A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ashizawa; 剛芦澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2008-04-24

Abstract

【課題】噴射燃料によりタンブル流を強めて均質燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、キャニスタの燃料放出により噴射燃料を減量させる時にも、比較的良好な均質燃焼を実現可能とする制御装置を提供する。
【解決手段】キャニスタの燃料放出により噴射燃料が減量させられる時には、点火時期Ａを進角すると共に、減量させた噴射燃料をピストンがより低く位置する時に噴射するために、燃料噴射開始時期が吸気行程に設定されている場合の燃料噴射開始時期ＩＳを吸気下死点側へ遅角することと、燃料噴射終了時期が圧縮行程に設定されている場合の燃料噴射終了時期ＩＥを吸気下死点側へ進角することとの少なくとも一方を実施する。
【選択図】図２

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置に関する。

均質燃焼を実施する内燃機関において、点火時期に気筒内に乱れを発生させることができれば、燃焼速度の速い良好な均質燃焼が実現される。点火時期の気筒内の乱れは、吸気行程において気筒内に形成されるタンブル流を強くして圧縮行程後半まで持続させ、その後、タンブル流をピストンにより潰すことにより発生させることができる。

タンブル流を強めるために、吸気ポートに制御弁を設けて吸気ポートの上壁に沿わせて吸気を気筒内へ供給することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、このような方法では、吸気ポートの構造が複雑となり、また、多量の吸気が必要とされる時には、タンブル流を強めることはできない。

筒内噴射式火花点火内燃機関では、このように吸気ポートに制御弁を設けなくても、気筒内へ噴射する燃料の貫徹力によりタンブル流を強めることができる。気筒内の排気弁側を下降して吸気弁側を上昇するタンブル流を噴射燃料により強めるためには、燃料噴射弁を気筒上部略中心又は気筒上部周囲の排気弁側に配置して、吸気下死点近傍において、気筒内の排気弁側、すなわち、シリンダボアの排気弁側下部又はピストン頂面の排気弁側へ向けて燃料を噴射すれば良い。

特開２００５−１８０２４７特開２００３−３２２０２２

ところで、燃料タンクから蒸発する燃料を吸収するキャニスタから機関吸気系へ燃料が放出される際には、気筒内に所望空燃比の混合気を形成するための噴射燃料は減量させられる。それにより、この時には、前述の筒内噴射式火花点火内燃機関において、噴射燃料によりタンブル流を強める程度は低下して気筒内に発生する乱れも弱くなるために、そのままでは、良好な均質燃焼を実現することが困難となる。

従って、本発明の目的は、噴射燃料によりタンブル流を強めて均質燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、キャニスタの燃料放出により噴射燃料を減量させる時にも、比較的良好な均質燃焼を実現可能とする制御装置を提供することである。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、気筒内へ直接的に燃料を噴射するために気筒上部略中心又は気筒上部周囲の排気弁側に配置された燃料噴射弁から吸気下死点近傍において気筒内の排気弁側へ向けて噴射される燃料によってタンブル流を強めて均質燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置であって、キャニスタの燃料放出により噴射燃料が減量させられる時には、点火時期を進角すると共に、減量させた噴射燃料をピストンがより低く位置する時に噴射するために、燃料噴射開始時期が吸気行程に設定されている場合の燃料噴射開始時期を吸気下死点側へ遅角することと、燃料噴射終了時期が圧縮行程に設定されている場合の燃料噴射終了時期を吸気下死点側へ進角することとの少なくとも一方を実施することを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置によれば、気筒内へ直接的に噴射される燃料によりタンブル流を強めて均質燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置であって、キャニスタの燃料放出により噴射燃料が減量させられる時には、タンブル流を強める程度が低下して圧縮行程後半以降に発生する気筒内の乱れが弱くなるために、点火時期を進角して乱れが消滅する前に混合気を着火燃焼させと共に、減量させた噴射燃料をピストンがより低く位置する時に噴射するように、燃料噴射開始時期が吸気行程に設定されている場合の燃料噴射開始時期を吸気下死点側へ遅角することと、燃料噴射終了時期が圧縮行程に設定されている場合の燃料噴射終了時期を吸気下死点側へ進角することとの少なくとも一方を実施し、噴射燃料をピストン頂面に衝突し難くして効率的にタンブル流を強めるようにし、それにより、タンブル流を強める程度の低下は可能な限り抑制され、この時にも比較的良好な均質燃焼を実現することができる。

図１は本発明の制御装置により制御される筒内噴射式火花点火内燃機関を示す概略縦断面図であり、均質燃焼のための燃料噴射時期である吸気下死点近傍を示している。同図において、１は気筒上部略中心に配置されて気筒内へ直接的に燃料を噴射するための燃料噴射弁である。２は一対の吸気弁（図示せず）を介して気筒内へ通じる吸気ポートであり、３は一対の排気弁（図示せず）を介して気筒内へ通じる排気ポートである。４は燃料噴射弁１の近傍に配置された点火プラグである。５はピストンである。

本筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃料噴射弁１により吸気下死点近傍に気筒内へ直接的に燃料を噴射することにより、圧縮行程末期の点火時期には気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を火花点火させて均質燃焼を実施する。燃料噴射弁１は、図１に示すように、燃料Ｆを斜め下方向にシリンダボアの排気弁側下部へ向けて噴射する。燃料噴射弁１から噴射される燃料Ｆの貫徹力は、燃料噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が６０ｍｍ以上に達するように設定される。

このように強い貫徹力の燃料Ｆが気筒上部略中心からシリンダボアの排気弁側下部へ向けて斜め下方向に噴射されると、気筒内の排気弁側を下降して吸気弁側を上昇するように気筒内に形成されたタンブル流Ｔを燃料の貫徹力により強めることができる。こうして強められたタンブル流Ｔは、圧縮行程後半まで確実に気筒内に持続し、その後、ピストン５により潰されて気筒内に乱れを発生させるために、圧縮行程末期の点火時期において着火すれば燃焼速度の速い良好な均質燃焼を実現することができる。

燃料噴射弁１から噴射される噴射燃料Ｆの形状は、任意に設定可能であり、例えば、単一噴孔から噴射される中実又は中空の円錐形状としても良い。また、スリット状噴孔から噴射される比較的厚さの薄い略扇形状としても良い。また、円弧状スリット噴孔や複数の直線スリット噴孔の組み合わせにより、上側及び排気弁側を凸とする比較的厚さの薄い円弧状断面形状又は折れ線状断面形状としても良い。いずれにしても噴射燃料が前述したような強い貫徹力を有して、気筒内のタンブル流Ｔを加速させるようになっていれば良い。

本筒内噴射式火花点火内燃機関において、点火プラグ４は、燃料噴射弁１より吸気弁側に配置されているために、燃料噴射弁１からシリンダボアの排気弁側下部へ向けて噴射される燃料により濡らされることはなく、点火時期においてアークを確実に発生させることができる。

本筒内噴射式火花点火内燃機関において、均質燃焼の空燃比は、理論空燃比よりリーンとされ（好ましくは、ＮＯ_Xの生成量が抑制されるリーン空燃比２０以上とされる）、燃料消費を抑制するようにしているために、燃焼が緩慢となり易く、前述のようにして燃焼速度を速めることは特に有効である。もちろん、均質燃焼の空燃比は、理論空燃比又はリッチ空燃比としても良く、この場合においても燃焼速度を速めることは有効である。

ところで、本筒内噴射式火花点火内燃機関においては、燃料タンクから蒸発する燃料を吸収するキャニスタが設けられており、キャニスタに吸収された燃料は、定期的に又は設定量の燃料がキャニスタに吸収される毎に機関吸気系へ放出される。この時においても気筒内に所望燃焼空燃比の均質混合気を形成するためには、キャニスタから放出されて各気筒へ供給される燃料分が各気筒の燃料噴射量から減量される。それにより、この時には噴射燃料によりタンブル流を強める程度が低下し、そのままでは、良好な均質燃焼の実現が困難となる。

本実施形態の制御装置は、このようなキャニスタからの燃料放出時においても、比較的良好な均質燃焼が実現されるように、点火時期及び燃料噴射時期を制御する。図２は、特定機関負荷及び特定機関回転数の時の燃料噴射時期及び点火時期を示すタイムチャートである。

ところで、吸気下死点近傍の噴射燃料によりタンブル流Ｔを強めて気筒内に良好な乱れを発生させるためには、燃料噴射を遅らせて圧縮行程初期で燃料が噴射されるようにして、強められたタンブル流があまり減衰することなく圧縮行程後半においてピストンによって潰されるように、タンブル流を強めてからピストンにより潰されるまでの時間を短くすることが好ましい。この一方で、良好な均質混合気を気筒内に形成するためには、燃料噴射を早めて吸気行程後期で燃料が噴射されるようにして燃料の気化分散が促進されるように、噴射終了から点火時期までの時間を長くすることが好ましい。

また、本実施形態のように、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁１の燃料噴射方向が、シリンダボアの排気弁側下部（吸気下死点近傍において気筒内へ露出する）へ向けられている場合には、燃料噴射期間のピストン位置が高いほど、噴射燃料はピストン頂面に衝突し易くなる。噴射燃料はピストン頂面に衝突した時点でタンブル流を強めることができなくなるために、ピストン位置が低い時に燃料を噴射して噴射燃料がピストン頂面に可能な限り衝突しないようにして、噴射燃料により効率的にタンブル流を強めることが好ましい。

図２のタイムチャートＡでは、良好な均質混合気の形成を優先して、タンブル流を強めるための吸気下死点近傍の燃料噴射は、吸気下死点ＢＤＣ前の燃料噴射開始時期（クランク角度）ＩＳ１から吸気下死点ＢＤＣ前の燃料噴射終了時期（クランク角度）ＩＥ１まで実施される。また、点火時期Ａは圧縮上死点ＴＤＣ直前に設定されている。

このように設定された燃料噴射時期及び点火時期に対して、キャニスタからの燃料放出時には、噴射燃料を減量するために、燃料噴射終了時期ＩＥ１は同じとされ、吸気下死点ＢＤＣ前の燃料噴射開始時期ＩＳ１が吸気下死点ＢＤＣ側へ遅角されてＩＳ１’とされる。また、点火時期Ａは進角されてＡ’とされる。

キャニスタからの燃料放出時には、噴射燃料の減量によって、どうしてもタンブル流を強める程度は低下する。それにより、気筒内の乱れも弱まるために、点火時期を進角して、気筒内の乱れが消滅しない間に点火を実施して燃焼速度が比較的速くなるようにしている。また、噴射燃料の減量は、吸気行程に設定された燃料噴射開始時期ＩＳ１を吸気下死点側へ遅角することにより行われ、それにより、減量させた噴射燃料は、減量させる前の燃料噴射期間においてピストンがより低く位置する時（ピストンがより下死点側に位置する時）に噴射され、すなわち、ピストンが高く位置する時の燃料噴射が省略されて噴射燃料が減量される。こうして、噴射燃料をピストン頂面に衝突し難くして効率的にタンブル流を強めるようにし、タンブル流を強める程度の低下は可能な限り抑制している。キャニスタからの燃料放出時において、このような燃料噴射時期及び点火時期の制御を実施することにより、比較的良好な均質燃焼を実現することができる。

図２のタイムチャートＢでは、タイムチャートＡに比較して、燃料噴射期間を僅かに遅らせてタンブル流の減衰を抑制し、気筒内の乱れがさらに強くなるようにしている。それにより、タンブル流を強めるための吸気下死点近傍の燃料噴射は、吸気下死点ＢＤＣ前の燃料噴射開始時期ＩＳ２から吸気下死点ＢＤＣ後の燃料噴射終了時期ＩＥ２まで実施される。また、点火時期Ａは圧縮上死点ＴＤＣ直前に設定されている。

このように設定された燃料噴射時期及び点火時期に対して、キャニスタからの燃料放出時には、噴射燃料を減量するために、燃料噴射終了時期ＩＥ２は同じとされ、吸気下死点ＢＤＣ前の燃料噴射開始時期ＩＳ２が吸気下死点ＢＤＣ側へ遅角されてＩＳ２’とされる。また、点火時期Ａは進角されてＡ’とされる。

本タイムチャートＢにおいても、キャニスタからの燃料放出時には、点火時期を進角して、気筒内の乱れが消滅しない間に点火を実施して燃焼速度が比較的速くなるようにしている。また、噴射燃料の減量は、吸気行程に設定された燃料噴射開始時期ＩＳ２を吸気下死点側へ遅角することにより行われ、それにより、減量させた噴射燃料は、減量させる前の燃料噴射期間においてピストンがより低く位置する時に噴射され、すなわち、ピストンが高く位置する時の燃料噴射が省略されて噴射燃料が減量される。こうして、噴射燃料をピストン頂面に衝突し難くして効率的にタンブル流を強めるようにし、タンブル流を強める程度の低下は可能な限り抑制している。キャニスタからの燃料放出時において、このような燃料噴射時期及び点火時期の制御を実施することにより、比較的良好な均質燃焼を実現することができる。

図２のタイムチャートＣでは、タイムチャートＢに比較して、燃料噴射期間を僅かに遅らせて気筒内の乱れがさらに強くなるようにしている。それにより、タンブル流を強めるための吸気下死点近傍の燃料噴射は、吸気下死点ＢＤＣ前の燃料噴射開始時期ＩＳ３から吸気下死点ＢＤＣ後の燃料噴射終了時期ＩＥ３まで実施される。本タイムチャートＣにおいては、例えば、吸気下死点ＢＤＣ前後の燃料噴射期間は同じとされる。また、点火時期Ａは圧縮上死点ＴＤＣ直前に設定されている。

このように設定された燃料噴射時期及び点火時期に対して、キャニスタからの燃料放出時には、噴射燃料を減量するために、吸気下死点ＢＤＣ前の燃料噴射開始時期ＩＳ３が吸気下死点ＢＤＣ側へ遅角されてＩＳ３’とされると共に、吸気下死点ＢＤＣ後の燃料噴射終了時期ＩＥ３が吸気下死点ＢＤＣ側へ進角されてＩＥ３’とされる。また、点火時期Ａは進角されてＡ’とされる。

本タイムチャートＣにおいても、キャニスタからの燃料放出時には、点火時期を進角して、気筒内の乱れが消滅しない間に点火を実施して燃焼速度が比較的速くなるようにしている。また、噴射燃料の減量は、吸気行程に設定された燃料噴射開始時期ＩＳ３を吸気下死点側へ遅角することだけによって行われると、圧縮行程の燃料噴射のピストン位置が比較的高いままとなるために、同時に、圧縮行程に設定された燃料噴射終了時期ＩＥ３を吸気下死点側へ進角しており、それにより、減量させた噴射燃料は、減量させる前の燃料噴射期間においてピストンがより低く位置する時に噴射され、すなわち、ピストンが高く位置する時の燃料噴射が省略されて噴射燃料が減量される。こうして、噴射燃料をピストン頂面に衝突し難くして効率的にタンブル流を強めるようにし、タンブル流を強める程度の低下は可能な限り抑制している。キャニスタからの燃料放出時において、このような燃料噴射時期及び点火時期の制御を実施することにより、比較的良好な均質燃焼を実現することができる。

図２のタイムチャートＤでは、タイムチャートＣに比較して、燃料噴射期間を僅かに遅らせて気筒内の乱れがさらに強くなるようにしている。それにより、タンブル流を強めるための吸気下死点近傍の燃料噴射は、吸気下死点ＢＤＣ前の燃料噴射開始時期ＩＳ４から吸気下死点ＢＤＣ後の燃料噴射終了時期ＩＥ４まで実施される。また、点火時期Ａは圧縮上死点ＴＤＣ直前に設定されている。

このように設定された燃料噴射時期及び点火時期に対して、キャニスタからの燃料放出時には、噴射燃料を減量するために、燃料噴射開始時期ＩＳ４は同じとされ、吸気下死点ＢＤＣ後の燃料噴射終了時期ＩＥ４が吸気下死点ＢＤＣ側へ進角されてＩＥ４’とされる。また、点火時期Ａは進角されてＡ’とされる。

本タイムチャートＤにおいても、キャニスタからの燃料放出時には、点火時期を進角して、気筒内の乱れが消滅しない間に点火を実施して燃焼速度が比較的速くなるようにしている。また、噴射燃料の減量は、圧縮行程に設定された燃料噴射終了時期ＩＥ４を吸気下死点側へ進角することにより行われ、それにより、減量させた噴射燃料は、減量させる前の燃料噴射期間においてピストンがより低く位置する時に噴射され、すなわち、ピストンが高く位置する時の燃料噴射が省略されて噴射燃料が減量される。こうして、噴射燃料をピストン頂面に衝突し難くして効率的にタンブル流を強めるようにし、タンブル流を強める程度の低下は可能な限り抑制している。キャニスタからの燃料放出時において、このような燃料噴射時期及び点火時期の制御を実施することにより、比較的良好な均質燃焼を実現することができる。

図２のタイムチャートＥでは、気筒内に良好な乱れを発生させることを優先して、タンブル流を強めるための吸気下死点近傍の燃料噴射は、吸気下死点ＢＤＣ後の燃料噴射開始時期ＩＳ５から吸気下死点ＢＤＣ後の燃料噴射終了時期ＩＥ５まで実施される。また、点火時期Ａは圧縮上死点ＴＤＣ直前に設定されている。

このように設定された燃料噴射時期及び点火時期に対して、キャニスタからの燃料放出時には、噴射燃料を減量するために、燃料噴射開始時期ＩＳ５は同じとされ、吸気下死点ＢＤＣ後の燃料噴射終了時期ＩＥ５が吸気下死点ＢＤＣ側へ進角されてＩＥ５’とされる。また、点火時期Ａは進角されてＡ’とされる。

本タイムチャートＥにおいても、キャニスタからの燃料放出時には、点火時期を進角して、気筒内の乱れが消滅しない間に点火を実施して燃焼速度が比較的速くなるようにしている。また、噴射燃料の減量は、圧縮行程に設定された燃料噴射終了時期ＩＥ５を吸気下死点側へ進角することにより行われ、それにより、減量させた噴射燃料は、減量させる前の燃料噴射期間においてピストンがより低く位置する時に噴射され、すなわち、ピストンが高く位置する時の燃料噴射を省略して噴射燃料が減量される。こうして、噴射燃料をピストン頂面に衝突し難くして効率的にタンブル流を強めるようにし、タンブル流を強める程度の低下は可能な限り抑制している。キャニスタからの燃料放出時において、このような燃料噴射時期及び点火時期の制御を実施することにより、比較的良好な均質燃焼を実現することができる。

前述の筒内噴射式火花点火内燃機関では、タンブル流を強めるために、燃料噴射弁１を気筒上部略中心に配置して、シリンダボアの排気弁側下部へ向けて斜め下方向に燃料を噴射するようにしたが、燃料噴射弁を気筒上部周囲の排気弁側に配置して、ピストン頂面の排気弁側へ向けて略下方向に燃料を噴射するようにしても、吸気下死点近傍の燃料噴射によりタンブル流を強めることができる。この場合においても、キャニスタからの燃料放出時において、噴射燃料の減量は前述同様に実施して、減量させた噴射燃料は、ピストンがより低く位置する時に噴射され、すなわち、ピストンが高く位置する時の燃料噴射を省略して噴射燃料を減量することが好ましい。それにより、噴射燃料はピストン頂面に衝突し難くなって効率的にタンブル流を強めることができる。

本発明による制御装置により制御される筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。燃料噴射期間及び点火時期を示すタイムチャートであり、ＡからＥはそれぞれ燃料噴射期間が異なる場合を示している。

符号の説明

１燃料噴射弁
２吸気ポート
３排気ポート
４点火プラグ
５ピストン
Ｔタンブル流
Ｆ噴射燃料

Claims

気筒内へ直接的に燃料を噴射するために気筒上部略中心又は気筒上部周囲の排気弁側に配置された燃料噴射弁から吸気下死点近傍において気筒内の排気弁側へ向けて噴射される燃料によってタンブル流を強めて均質燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置であって、キャニスタの燃料放出により噴射燃料が減量させられる時には、点火時期を進角すると共に、減量させた噴射燃料をピストンがより低く位置する時に噴射するために、燃料噴射開始時期が吸気行程に設定されている場合の燃料噴射開始時期を吸気下死点側へ遅角することと、燃料噴射終了時期が圧縮行程に設定されている場合の燃料噴射終了時期を吸気下死点側へ進角することとの少なくとも一方を実施することを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。