JP3721791B2 - 筒内直噴式火花点火エンジン - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直噴式火花点火エンジンにおいて、排気通路に設けられる触媒の活性化を早める技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
エンジンの冷間始動後に触媒温度が低いとき、触媒の硫黄被毒やスモークカバーリングが進行したときなどに、触媒の温度を積極的に上昇させることが要求される。
【0003】
従来、例えば特開平8−296485号公報に開示された筒内直噴式火花点火エンジンは、触媒の活性化が完了していない触媒暖機時にインジェクタから吸気行程または圧縮行程で主燃料を噴射するとともに続く膨張行程または排気行程で追加燃料を噴射する制御を行い、追加燃料を排気通路にて燃焼させるかまたは触媒を介して燃焼させて、触媒の昇温を早めるようになっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、追加燃料を膨張行程で噴射する場合、触媒の暖機がある程度進んで活性化した運転条件において、追加燃料が燃焼室に滞在する期間が長いため、追加燃料の多くが排気通路を経て触媒まで到達する間に燃焼してしまい、触媒上で燃焼させて触媒を直接加熱することができないため、触媒の活性化が遅れる可能性があった。
【0005】
また、追加燃料を膨張行程で噴射する場合、エンジン始動直後や厳寒時のような排気ポートや排気管の温度がかなり低い運転条件において、追加燃料が燃焼室に滞在する期間が短いため、未燃焼のまま触媒を通過して排出される燃料量が増える可能性があった。
【0006】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、筒内直噴式火花点火エンジンにおいて、触媒の活性化を効率よく行うことを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、筒内の混合気に点火する点火プラグと、筒内に燃料を噴射するインジェクタと、排気通路に介装される触媒コンバータとを備える多気筒の筒内直噴式火花点火エンジンに適用する。
【0008】
そして、触媒暖機時にインジェクタから吸気行程および圧縮行程で主燃料を噴射するとともに、各気筒の点火順にしたがって交互に膨張行程または排気行程で追加燃料を噴射する構成とし、吸気行程で噴射される主燃料によって形成される混合気の空燃比を燃焼限界空燃比よりリーン側に設定し、吸気行程および圧縮行程で噴射される主燃料によって形成される混合気のトータル空燃比をストイキよりリーン側に設定するものとした。
【0014】
【発明の作用および効果】
請求項1に記載の発明において、吸気行程で噴射された燃料は、燃焼室2に燃焼限界空燃比よりリーンとなるクエンチ(消炎)層を形成する。
【0015】
続く圧縮行程で噴射された燃料は点火プラグの近傍に可燃混合気層を形成し、ピストンの圧縮上死点付近で点火プラグ4を介して着火される。
【0016】
続く膨張行程で可燃混合気層に分布する燃料は成層燃焼する。クエンチ層に分布する燃料は燃焼せず、成層燃焼の熱を吸収して燃えやすい高温状態になる。
【0017】
続く排気行程で、未燃焼のまま燃焼室から排出される燃料は、成層燃焼の熱を吸収して燃えやすい高温状態になっているため、冷間時から排気通路における後燃えにより排気ガスを加熱する。これにより、未燃焼燃料が外部に排出されることを防止するとともに触媒の活性化を早められる。
【0018】
触媒暖機時に主燃料と追加燃料によって形成される混合気のトータル空燃比をストイキよりリーン側に制御することにより、触媒上でHCの酸化反応が始まる温度が低下し、HCの浄化効率が高まり、例えばエンジンの暖機時の早いうちから触媒を介して排気ガスの浄化を行うことができる。
【0019】
また、膨張行程または排気行程の一方で追加燃料を噴射し、クエンチ層に分布する燃料の燃焼熱により追加燃料を燃えやすい高温状態とすることにより、追加燃料量を増やすことが可能となり、触媒の活性化を早められる。
【0020】
そして、この追加燃料を、各気筒の点火順にしたがって交互に膨張行程または排気行程で噴射する構成により、1サイクル中に一つのインジェクタから燃料を3回噴射すればよく、1サイクル中に一つのインジェクタから燃料を4回噴射する場合に比べて、1サイクル中の燃料噴射量を要求値まで減らすことが容易にでき、必要以上に燃料を噴射することを回避できる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【0022】
図1において、1は4気筒を備えるエンジン本体、2は燃焼室、3はピストン、4は点火プラグ、5は筒内に臨むインジェクタである。4サイクルエンジン1はピストン3が筒内を2往復する間に吸気、圧縮、膨張、排気行程が連続して行われる。吸気通路20には、スワールコントロールバルブ8、スロットルバルブ9、エアフローセンサ12がそれぞれ介装される。スロットルバルブ9はアクチュエータ9Aを介して開閉駆動される。
【0023】
コントロールユニット11はインジェクタ5の燃料噴射時期、燃料噴射量を制御するとともに、点火プラグ4の点火時期を制御する。コントロールユニット11にはクランク角センサ13B,13AからのRef信号とPos信号、アクセルペダル開度センサ14からのアクセル開度、エアフローセンサ12からの吸入空気量信号、排気通路21に設置した空燃比センサ15からの空燃比(酸素濃度)信号、触媒温度センサ25からの触媒コンバータ22の担体の温度信号、排気温度センサ16からの排気マニホールド10の温度信号、さらには水温センサ(図示しない)からのエンジン冷却水温信号、トランスミッションのギア位置センサ(図示しない)からのギア位置信号、車速センサ(図示しない)からの車速信号等が入力される。コントロールユニット11は、これらに基づいて運転状態を判断しながら、触媒の暖機時において後述するように触媒の活性化を促す燃焼をさせ、一方触媒の暖機後において負荷のそれほど大きくない所定の運転域においてはリーン空燃比により成層燃焼をさせ、それ以外の運転域ではストイキ空燃比により均質燃焼をさせる。
【0024】
排気通路21には、2つの触媒コンバータ22,23が設置される。触媒コンバータ22,23は、NOx吸蔵還元型三元触媒を用い、ストイキ混合気運転時に最大の転換効率をもって、排気中のNOxの還元とHC、COの酸化を行い、リーン混合気運転時に発生するNOxを吸蔵する。
【0025】
コントロールユニット11は、触媒温度センサ25によって検出される触媒温度TCATを入力し、TCAT<TCCとなる触媒暖機時を判定し、この触媒暖機時に触媒の活性化を促す燃料噴射制御を行う。
【0026】
第一の実施の形態では、触媒暖機時にインジェクタ5から吸気行程および圧縮行程で主燃料を噴射し、膨張行程または排気行程で追加燃料を噴射しない構成とする。
【0027】
吸気行程で噴射される主燃料によって形成される混合気の空燃比を燃焼限界空燃比よりもリーン側に設定する。
【0028】
吸気行程および圧縮行程で噴射される主燃料によって形成される混合気のトータル空燃比をストイキよりリーン側に設定する。
【0029】
以上、図2に基づいて燃焼過程を説明する。
【0030】
吸気行程噴射▲1▼として、ピストン3が下降する吸入行程でインジェクタ5から噴射された燃料は、ピストン3が上昇して点火時期を迎えるまでに燃焼室2に均質な混合気を形成する。この混合気の空燃比は燃焼限界空燃比より若干リーンとなり、クエンチ(消炎)層となる。
【0031】
圧縮行程噴射▲2▼として、ピストン3が上昇する圧縮行程でインジェクタ5から噴射された燃料は、ピストン3が上昇して圧縮された状態で点火プラグ4の近傍に可燃混合気層を形成し、ピストン3が圧縮上死点付近に到達すると点火プラグ4を介して着火される。
【0032】
ピストン3が下降する膨張行程で可燃混合気層に分布する燃料は成層燃焼する。点火プラグ4から離れた領域に形成されたクエンチ層に分布する燃料は燃焼せず、成層燃焼の熱を吸収して燃えやすい高温状態になる。
【0033】
ピストン3が上昇する排気行程で、未燃焼のまま燃焼室2から排気ポート17に排出される燃料は、成層燃焼の熱を吸収して燃えやすい高温状態になっているため、冷間時から排気ポート17や排気マニホールド10で燃焼する後燃えにより排気ガスを加熱しながら触媒コンバータ22に導かれる。これにより、未燃焼燃料が外部に排出されることを防止するとともに触媒の活性化を早められる。
【0034】
そして、2回の主燃料噴射によって形成される混合気のトータル空燃比をストイキよりリーンにすることにより、触媒上で未燃焼燃料の酸化反応が始まる温度が低下し、未燃焼燃料の浄化効率が高まり、早期にHCの浄化が行われる。図3は、燃焼室2に形成される混合気のトータル空燃比と、未燃焼燃料の50%以上が触媒を介して酸化する温度T50の関係を示している。この図5の特性からトータル空燃比をストイキよりリーンにするのに伴って温度T50が低下することがわかる。
【0035】
次に、図4に示す第二の実施の形態について説明する。
【0036】
第二の実施の形態では、触媒暖機時にインジェクタ5から吸気行程および圧縮行程で主燃料を噴射するとともに続く膨張行程で追加燃料を噴射する構成とする。
【0037】
吸気行程噴射▲1▼として、ピストン3が下降する吸入行程でインジェクタ5から噴射された燃料は、燃焼限界空燃比より若干リーンとなるクエンチ層を形成する。
【0038】
圧縮行程噴射▲2▼として、ピストン3が上昇する圧縮行程でインジェクタ5から噴射された燃料は、点火プラグ4の近傍に可燃混合気層を形成し、点火プラグ4を介して着火され、ピストン3が下降する膨張行程で成層燃焼する。このとき、点火プラグ4から離れた領域に形成されたクエンチ層に分布する燃料は燃焼せず、成層燃焼の熱を吸収して燃えやすい高温状態になる。
【0039】
膨張行程噴射▲3▼として、ピストン3が下降する膨張行程でインジェクタ5から噴射された追加燃料は、その一部が燃焼室2で燃焼し、残りが成層燃焼の熱を吸収して燃えやすい高温状態になる。
【0040】
ピストン3が上昇する排気行程で、クエンチ層の燃料と追加燃料の一部は未燃焼のまま燃焼室2から排出されるが、成層燃焼の熱を吸収して燃えやすい高温状態になっているため、冷間時から排気ポート17や排気マニホールドで後燃えし、排気ガスを加熱しながら触媒コンバータ22に導かれる。これにより、未燃焼燃料が外部に排出されることを防止するとともに触媒の活性化を早められる。
【0041】
次に、図5に示す第三の実施の形態について説明する。
【0042】
第三の実施の形態では、触媒暖機時にインジェクタ5から吸気行程および圧縮行程で主燃料を噴射するとともに続く排気行程で追加燃料を噴射する構成とする。
【0043】
吸気行程噴射▲1▼として、ピストン3が下降する吸入行程でインジェクタ5から噴射された燃料は、燃焼限界空燃比より若干リーンとなるクエンチ層を形成する。
【0044】
圧縮行程噴射▲2▼として、ピストン3が上昇する圧縮行程でインジェクタ5から噴射された燃料は、点火プラグ4の近傍に可燃混合気層を形成し、点火プラグ4を介して着火され、ピストン3が下降する膨張行程で成層燃焼する。このとき、点火プラグ4から離れた領域に形成されたクエンチ層に分布する燃料は燃焼せず、成層燃焼の熱を吸収して燃えやすい高温状態になる。
【0045】
排気行程噴射▲4▼として、ピストン3が上昇する排気行程でインジェクタ5から噴射された追加燃料は、高温化したクエンチ層の燃料と混合しながら未燃焼のまま燃焼室2から排出される。追加燃料の一部は排気ポート17や排気マニホールドで後燃えて排気ガスを加熱しながら触媒コンバータ22に導かれ、残りは触媒上で燃焼して触媒を直接加熱する。これにより、未燃焼燃料が外部に排出されることを防止するとともに触媒の活性化を早められる。
【0046】
次に、図6に示す第四の実施の形態について説明する。
【0047】
第四の実施の形態では、触媒暖機時にインジェクタ5から吸気行程および圧縮行程で主燃料を噴射するとともに続く膨張行程および排気行程で追加燃料を噴射する構成とする。
【0048】
吸気行程噴射▲1▼として、ピストン3が下降する吸入行程でインジェクタ5から噴射された燃料は、燃焼限界空燃比より若干リーンとなるクエンチ層を形成する。
【0049】
圧縮行程噴射▲2▼として、ピストン3が上昇する圧縮行程でインジェクタ5から噴射された燃料は、点火プラグ4の近傍に可燃混合気層を形成し、点火プラグ4を介して着火され、ピストン3が下降する膨張行程で成層燃焼する。このとき、点火プラグ4から離れた領域に形成されたクエンチ層に分布する燃料は燃焼せず、成層燃焼の熱を吸収して燃えやすい高温状態になる。
【0050】
膨張行程噴射▲3▼として、ピストン3が下降する膨張行程でインジェクタ5から噴射された追加燃料は、その一部が燃焼室2で燃焼し、残りが成層燃焼の熱を吸収して燃えやすい高温状態になる。
【0051】
排気行程噴射▲4▼として、ピストン3が上昇する排気行程でインジェクタ5から噴射された追加燃料は、高温化したクエンチ層の燃料と混合しながら未燃焼のまま燃焼室2から排出される。追加燃料の一部は排気ポート17や排気マニホールドで後燃えて排気ガスを加熱しながら触媒コンバータ22に導かれ、残りは触媒上で燃焼して触媒を直接加熱する。
【0052】
ピストン3が上昇する排気行程で、クエンチ層の燃料と追加燃料の一部は未燃焼のまま燃焼室2から排出されるが、成層燃焼の熱を吸収して燃えやすい高温状態になっているため、冷間時から排気ポート17や排気マニホールドで後燃えし、排気ガスを加熱しながら触媒コンバータ22に導かれる。これにより、未燃焼燃料が外部に排出されることを防止するとともに触媒の活性化を早められる。
【0053】
図7は前記各実施の形態において触媒暖機時に触媒温度が上昇する様子を示す特性図である。これから第一、第二、第三、第四の実施の形態の順に追加燃料噴射量が増えるのにしたがって、触媒温度が早く上昇することがわかる。
【0054】
また、各気筒毎に第一、第三の実施の形態の噴射パターンを組み合わせたり、第二、第四の実施の形態の噴射パターンを組み合わせて燃料を供給してもよい。この場合も、図8に示すように、1サイクル中の燃料噴射回数が多くなるほど触媒温度が早く上昇する。
【0055】
ところで、第四の実施の形態のように1サイクル中に1つのインジェクタ5から燃料を4回噴射する場合、インジェクタ5の性能によっては1サイクル中の燃料噴射量を要求値まで減らすことができず、必要以上に燃料を噴射してしまう場合がある。
【0056】
これに対処して第五の実施の形態は、各気筒の点火順にしたがって追加燃料を膨張行程と排気行程で交互に行う構成とする。
【0057】
例えば図9に示すように、#3気筒が最初で続く#4、#2、#1気筒と点火順を迎える場合、#3、#2気筒が追加燃料を膨張行程で噴射し、#4、#1気筒が追加燃料を排気行程で噴射する構成とする。
【0058】
例えば図10に示すように、#4気筒が最初で続く#2、#1、#3気筒と点火順を迎える場合、#4、#1気筒が追加燃料を膨張行程で噴射し、#2、#3気筒が追加燃料を
排気行程で噴射する構成とする。
【0059】
これにより、1サイクル中に一つのインジェクタ5から燃料を3回噴射すればよく、1サイクル中の燃料噴射量を要求値まで減らすことが容易にでき、必要以上に燃料を噴射することを回避できる。
【0060】
また、予め追加燃料を膨張行程で噴射する気筒と排気行程で噴射する気筒を決める構成としてもよい。
【0061】
例えば図11に示すように、#1、#4気筒が追加燃料を膨張行程で噴射し、#3、#2気筒が追加燃料を排気行程で噴射する構成とする。
【0062】
例えば図12に示すように、#3、#2気筒が追加燃料を膨張行程で噴射し、#1、#4気筒が追加燃料を排気行程で噴射する構成とする。
【0063】
いずれの場合も、各気筒の点火順にしたがって追加燃料を膨張行程と排気行程で交互に行うことができる。
【0064】
また、図13に示すように、追加燃料を噴射する触媒暖機時を判定する手段として、エンジン温度、エンジン冷却水温度、排気ガス温度、触媒温度、始動時のエンジン冷却水温度、始動時からの運転時間、始動時からの車両の走行距離、始動時からの吸入空気量の積算値、始動時からのエンジン回転数の積算値および始動時からのトルク積算値等の検出値に基づいて触媒の活性化度合いを判定する構成としてもよい。
【0065】
また、図14の図のフローチャートに示すように、ステップ1にて別のルーチンで設定されるフラグFLGSTSWに基づき始動後であることを判定し、ステップ2で触媒温度TCATが所定値TCCより低いことを判定し、ステップ3に進んで追加燃料を噴射する触媒暖機時を判定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を示すエンジンの制御システム図。
【図2】同じく燃焼過程を示す説明図。
【図3】同じく燃焼室に形成される混合気のトータル空燃比と触媒活性化温度T50の関係を示す特性図。
【図4】他の実施の形態において燃焼過程を示す説明図。
【図5】さらに他の実施の形態において燃焼過程を示す説明図。
【図6】さらに他の実施の形態において燃焼過程を示す説明図。
【図7】触媒暖機時の経過時間と触媒温度の関係を示す特性図。
【図8】触媒暖機時の経過時間と触媒温度の関係を示す特性図。
【図9】さらに他の実施の形態を示す追加燃料の噴射タイミングを示す図表。
【図10】同じく追加燃料の噴射タイミングを示す図表。
【図11】さらに他の実施の形態を示す追加燃料の噴射タイミングを示す図表。
【図12】同じく追加燃料の噴射タイミングを示す図表。
【図13】さらに他の実施の形態を示す制御構成図。
【図14】さらに他の実施の形態を示すフローチャート。
【符号の説明】
1 エンジン
4 点火プラグ
5 インジェクタ
10 排気マニホールド
11 コントロールユニット
16 排気温度センサ
22 触媒コンバータ
23 触媒コンバータ
Claims (1)
- 筒内の混合気に点火する点火プラグと、
筒内に燃料を噴射するインジェクタと、
排気通路に介装される触媒コンバータと
を備える多気筒の筒内直噴式火花点火エンジンにおいて、
触媒暖機時に前記インジェクタから吸気行程および圧縮行程で主燃料を噴射するとともに、各気筒の点火順にしたがって交互に膨張行程または排気行程で追加燃料を噴射する構成とし、
吸気行程で噴射される主燃料によって形成される混合気の空燃比を燃焼限界空燃比よりリーン側に設定し、
吸気行程および圧縮行程で噴射される主燃料によって形成される混合気のトータル空燃比をストイキよりリーン側に設定した
ことを特徴とする筒内直噴式火花点火エンジン。
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Family Applications (1)
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