JP4389831B2 - 筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、筒内に燃料を直接に噴射する筒内直接噴射式火花点火内燃機関に関し、特に、排気系の触媒コンバータの早期昇温（早期活性化）が要求される冷間始動時における噴射時期および点火時期の制御に関する。

特許文献１には、筒内直接噴射式火花点火内燃機関の触媒暖機方法として、排気浄化用の触媒コンバータが活性温度よりも低い未暖機状態のときに、吸気行程から点火時期にかけての期間内で、部分的な空燃比の濃淡を有する混合気を燃焼室内に形成する後期噴射と、この後期噴射より前に燃料を噴射して、後期噴射の燃料と後期噴射の燃焼とで延焼可能な、理論空燃比よりもリーンな空燃比の混合気を燃焼室内に生成する早期噴射と、の少なくとも２回の分割噴射を行い、かつ点火時期をＭＢＴ点より所定量リタードさせるとともに、機関の無負荷領域では点火時期を圧縮上死点よりも前に設定し、無負荷領域を除く低速低負荷領域では点火時期を圧縮上死点以降までリタードさせる技術が記載されている。上記後期噴射は、圧縮行程の中期以降、例えば１２０°ＢＴＤＣ〜４５°ＢＴＤＣに行われる。
特許第３３２５２３０号公報

内燃機関の冷機時における触媒の早期活性化および後燃えによるＨＣ低減のためには、点火時期の遅角が有効であり、より大きな効果を得るためには、圧縮上死点以降の点火（ＡＴＤＣ点火）が望ましい。ＡＴＤＣ点火で安定した燃焼を行わせるためには、燃焼期間を短縮する必要があり、そのために、筒内の乱れを強化して、燃焼速度（火炎伝播速度）を上昇させることが必要である。

このような乱れの強化のために、筒内に高圧で噴射される燃料噴霧のエネルギにより筒内に乱れを生成することが考えられる。

しかしながら、特許文献１では、主に、１回目の燃料噴射（早期噴射）を吸気行程中に行い、２回目の燃料噴射（後期噴射）を圧縮行程中の１２０°ＢＴＤＣ〜４５°ＢＴＤＣに行っている。このように最後の燃料噴射が圧縮上死点よりも前では、その噴霧により筒内に乱れを生成しても、圧縮上死点以降はその乱れが減衰してしまい、ＡＴＤＣ点火での火炎伝播速度上昇には寄与しない。

例えば、図５は、吸気ポート内に設けたガス流動制御弁（例えばタンブル制御弁）を作動させた場合とこのようなガス流動制御弁を具備しない場合とについて、筒内の乱れの大きさを示したものであるが、ガス流動制御弁を作動させることで吸気行程中に生成した乱れ（符号Ａの部分）は、圧縮行程の進行とともに減衰し、圧縮行程後期のタンブル流の崩壊に伴い一時的に乱れが大きくなる（符号Ｂの部分）ものの、圧縮上死点以降は符号Ｃで示すように急速に減衰してしまい、その乱れを用いた燃焼改善（火炎伝播向上）はあまり期待できない。燃料噴霧による乱れについても同様であり、圧縮上死点より前の燃料噴射により乱れが生成されたとしても、圧縮上死点以降の点火燃焼には寄与しない。

このため、ＡＴＤＣ点火の方が排温上昇やＨＣ低減に有利であるが、燃焼安定性が成立しないため、特許文献１では、無負荷領域では点火時期を圧縮上死点前（ＢＴＤＣ点火）としている。

本発明は、このような実状を踏まえて、触媒の早期活性化およびＨＣ低減のためのＡＴＤＣ点火での燃焼安定性を改善することを目的としている。

この発明は、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えるとともに、点火プラグを備えてなる筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、排気系の触媒コンバータの早期昇温が要求される内燃機関の冷間始動時に、超リタード燃焼として、点火時期を圧縮上死点後に設定するとともに、燃料噴射を２回に分割して、点火時期において点火プラグ近傍に噴霧が到達するように圧縮行程中に１回目の燃料噴射を行い、点火時期前でかつ圧縮上死点後の膨張行程中に、筒内の乱れを強化する２回目の燃料噴射を行うようにしたものである。そして、さらに、２回目の噴射量に対する１回目の噴射量の割合を、負荷が高いほど大とすることを特徴としている。

すなわち、まず圧縮行程中に１回目の燃料噴射を行うことにより、その噴射燃料によって、点火時期において点火プラグ近傍に最適な混合気が形成される。そして、２回目の噴射により、その噴流による乱れが生成され、燃焼安定化が図れる。前述したように圧縮上死点以降では、吸気行程や圧縮行程で生成された乱れは減衰してしまうが、圧縮上死点以降の膨張行程中になされる２回目の燃料噴射（膨張行程噴射）によって、筒内の乱れを生成・強化することができ、ＡＴＤＣ点火での火炎伝播が促進される。従って、点火時期を圧縮上死点後とした超リタード燃焼が安定的に成立する。

ここで、上記の超リタード燃焼を行っている間に、負荷が上昇すると、筒内圧が高くなるため、１回目の噴射の噴霧のペネトレーション（噴霧到達距離）が低くなり、点火時期における点火プラグ近傍の混合気が最適なものとならない。そこで、本発明では、負荷上昇に対し２回の噴射の噴射量を互いに比例的に増加させるのではなく、２回目の噴射量に対する１回目の噴射量の割合を、負荷が高いほど大とする。これにより、負荷の増加に伴って筒内圧が高くなっても、１回目の噴射の噴霧が点火プラグ近傍に確実に到達し、点火プラグ近傍に最適な混合気が形成されるため、安定した超リタード燃焼を維持できる。

また、このように１回目の噴射量が負荷に伴って増減変化するときに、噴射開始時期に比べて噴射終了時期を相対的に大きく変化させることが望ましく、例えば、１回目の噴射の噴射開始時期は、負荷変化に対し実質的に一定とすることが望ましい。

すなわち、１回目の噴射量を増やすために噴射開始時期を早めることも可能ではあるが、この場合には、点火時期までに噴霧が拡散しやすい。そのため、噴射開始時期はあまり変化させずに噴射終了時期を遅らせることで噴射期間を長くした方が、噴霧がコンパクトとなり、成層度が高くなって、燃焼安定性がより高くなる。

この発明によれば、膨張行程噴射により点火時期を圧縮上死点後に設定した超リタード燃焼の燃焼安定性を十分に確保することができ、冷間始動の際に、触媒の早期活性化および後燃えによるＨＣ低減を達成することができる。そして、負荷が増加したときにも、１回目の噴射量の割合を増やすことで、筒内圧の上昇の影響を受けずに、安定した燃焼を維持することができる。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明が適用される筒内直接噴射式火花点火内燃機関のシステム構成を示す構成説明図である。

この内燃機関１のピストン２により形成される燃焼室３には、吸気弁（図示せず）を介して吸気通路４が接続され、かつ排気弁（図示せず）を介して排気通路５が接続されている。上記吸気通路４には、吸入空気量を検出するエアフロメータ６が配設されているとともに、制御信号によりアクチュエータ８を介して開度制御される電子制御スロットル弁７が配設されている。排気通路５には、排気浄化用の触媒コンバータ１０が配設されているとともに、その上流側および下流側にそれぞれ空燃比センサ１１，１２が設けられており、さらに、上流側の空燃比センサ１１と並んで、触媒コンバータ１０入口側での排気温度を検出する排気温度センサ１３が設けられている。

燃焼室３の中央頂上部には、点火プラグ１４が配置されている。また、燃焼室３の吸気通路４側の側部に、該燃焼室３内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁１５が配置されている。この燃料噴射弁１５には、高圧燃料ポンプ１６およびプレッシャレギュレータ１７によって所定圧力に調圧された燃料が、高圧燃料通路１８を介して供給されている。従って、各気筒の燃料噴射弁１５が制御パルスにより開弁することで、その開弁期間に応じた量の燃料が噴射される。なお、１９は、燃圧を検出する燃圧センサ、２０は、上記高圧燃料ポンプ１６へ燃料を送る低圧燃料ポンプである。

また内燃機関１には、機関冷却水温を検出する水温センサ２１が設けられているとともに、クランク角を検出するクランク角センサ２２が設けられている。さらに、運転者によるアクセルペダル踏み込み量を検出するアクセル開度センサ２３が設けられている。

上記内燃機関１の燃料噴射量や噴射時期、点火時期、等は、コントロールユニット２５によって制御される。このコントロールユニット２５には、上述した各種のセンサ類の検出信号が入力されている。コントロールユニット２５は、これらの入力信号により検出される機関運転条件に応じて、燃焼方式つまり均質燃焼とするか成層燃焼とするかを決定するとともに、これに合わせて、電子制御スロットル弁７の開度、燃料噴射弁１５の燃料噴射時期および燃料噴射量、点火プラグ１４の点火時期、等を制御する。なお、暖機完了後においては、低速低負荷側の所定の領域では、通常の成層燃焼運転として、圧縮行程の適宜な時期に燃料噴射が行われ、かつ圧縮上死点前の時期に点火が行われる。燃料噴霧は点火プラグ１４近傍に層状に集められ、これにより、空燃比を３０〜４０程度とした極リーンの成層燃焼が実現される。また、高速高負荷側の所定の領域では、通常の均質燃焼運転として、吸気行程中に燃料噴射が行われ、かつ圧縮上死点前のＭＢＴ点近傍において点火が行われる。この場合は、燃料は筒内で均質な混合気となる。この均質燃焼運転としては、運転条件に応じて、空燃比を理論空燃比とした均質ストイキ燃焼と、空燃比を２０〜３０程度のリーンとした均質リーン燃焼と、がある。

本発明は、触媒コンバータ１０の早期昇温が要求される内燃機関１の冷間始動時において、排気温度を高温とするように、超リタード燃焼を行うものであり、以下、この超リタード燃焼の燃料噴射時期および点火時期を図２に基づいて説明する。

図２は、超リタード燃焼の燃料噴射時期および点火時期を筒内圧変化とともに示しており、この例では、点火時期を１５°〜３０°ＡＴＤＣ（例えば２０°ＡＴＤＣ）とし、かつ、燃料噴射を２回に分割し、１回目の燃料噴射Ｉ１の噴射時期（詳しくは燃料噴射開始時期ＩＴＳ１）を圧縮行程中に設定し、２回目の燃料噴射Ｉ２の噴射時期（同じく燃料噴射開始時期ＩＴＳ２）を、圧縮上死点以降でかつ点火時期前に設定する。それぞれの噴射開始時期ＩＴＳ１，ＩＴＳ２から噴射終了時期ＩＴＥ１，ＩＴＥ２までの噴射期間が燃料噴射量に相当する。なお、このとき、空燃比（２回の噴射を合わせた空燃比）は、理論空燃比ないしはこれよりも若干リーン（１６〜１７程度）に設定される。

すなわち、触媒暖機促進ならびにＨＣ低減のためには、点火時期遅角が有効であり、上死点以降の点火（ＡＴＤＣ点火）が望ましいが、ＡＴＤＣ点火で安定した燃焼を行わせるためには、燃焼期間を短縮する必要があり、そのためには、乱れによる火炎伝播を促進しなければならない。前述したように、圧縮上死点以降では、吸気行程や圧縮行程で生成された乱れは減衰してしまうが、本発明では、圧縮上死点以降の膨張行程中になされる高圧の燃料噴射（２回目の噴射Ｉ２）によって、ガス流動が生じ、これにより筒内の乱れを生成・強化することができる。従って、ＡＴＤＣ点火での火炎伝播が促進され、安定した燃焼が可能となる。

また、上記のように、圧縮上死点後の燃料噴射（膨張行程噴射）に先立ち、圧縮行程中に噴射された燃料は、点火プラグ１４近傍に予め適度な混合気を形成し、点火プラグ１４による着火・燃焼に寄与する。このように１回目の噴射Ｉ１を圧縮行程中に行うと、１回目の噴射を吸気行程中に行う場合に比べて、その燃料噴霧により生じる乱れの減衰が遅くなるため、圧縮上死点後も１回目の燃料噴射Ｉ１による乱れが残り、圧縮上死点以降に２回目の燃料噴射Ｉ２を行うことで、１回目の燃料噴射Ｉ１で生成した乱れを助長するように乱れを強化でき、圧縮上死点付近における更なるガス流動強化が図れる。

この場合に、１回目の圧縮行程噴射Ｉ１は、圧縮行程前半でもよいが、圧縮行程後半（９０°ＢＴＤＣ以降）に設定すると、上死点付近での乱れをより高めることができる。特に、この１回目の圧縮行程噴射Ｉ１を、４５°ＢＴＤＣ以降、より望ましくは２０°ＢＴＤＣ以降とすると、圧縮上死点以降のガス流動をより強化することができる。

このように、本実施例の超リタード燃焼によれば、点火の直前に膨張行程噴射Ｉ２の燃料噴霧により筒内の乱れを生成・強化することができ、火炎伝播を促進して、安定した燃焼を行わせることができる。特に、点火時期を１５°〜３０°ＡＴＤＣまで遅角させることにより、触媒の早期活性化およびＨＣ低減のための十分な後燃え効果を得ることができる。換言すれば、このように点火時期を大きく遅らせても、その直前まで２回目の燃料噴射Ｉ２を遅らせて、乱れの生成時期も遅らせることで、火炎伝播向上による燃焼改善を達成できるのである。

次に、図３は、負荷に対する１回目の圧縮行程噴射Ｉ１と２回目の膨張行程噴射Ｉ２との噴射量割合の変化を説明するものであり、相対的に低負荷のときの噴射特性と相対的に高負荷のときの噴射特性とを対比して示している。図示するように、負荷が増加すると、１回目の噴射Ｉ１および２回目の噴射Ｉ２のいずれも噴射量が増える（つまり噴射期間が長くなる）が、２回目の噴射Ｉ２の噴射量増加に比べて、１回目の噴射Ｉ１の噴射量増加の方が相対的に大きい。つまり、２回目の噴射Ｉ２の噴射量に対する１回目の噴射Ｉ１の噴射量の割合が、負荷が高いほど大となる。また、このように噴射量を増加するに際して、１回目の噴射Ｉ１については、噴射開始時期ＩＴＳ１は変化せず、噴射終了時期ＩＴＥ１を遅らせることで、噴射期間が長くなる。２回目の噴射Ｉ２についても同様に、噴射開始時期ＩＴＳ２は変化せず、噴射終了時期ＩＴＥ２を遅らせることで、噴射期間が長くなる。

負荷が増加すると、吸気量の増加に伴って筒内圧が上昇し、１回目の噴射Ｉ１の噴霧のペネトレーション（噴霧到達距離）が低くなり、そのままでは、点火時期における点火プラグ１４近傍の混合気が最適なものとならない。本実施例では、負荷上昇に対し２回の噴射の噴射量を互いに比例的に増加させるのではなく、１回目の噴射Ｉ１の噴射期間が優先的に長くなる。これにより、１回目の噴射Ｉ１のペネトレーションが高くなり、負荷の増加に伴って筒内圧が高くなっても、１回目の噴射Ｉ１の噴霧が点火プラグ１４近傍に確実に到達し、点火プラグ１４近傍に最適な混合気が形成される。従って、負荷が高くなっても、安定した超リタード燃焼を維持できる。

そして、特に、１回目の噴射Ｉ１の噴射開始時期ＩＴＳ１を変えずに噴射終了時期ＩＴＥ１を遅らせることで、噴霧が拡散せずにコンパクトとなり、成層度が高くなって、燃焼安定性がより高くなる。

図４は、１回目の噴射Ｉ１の噴射量を増加させる際に、（ａ）上記実施例のように噴射終了時期ＩＴＥ１を破線位置から実線位置まで遅らせた場合と、（ｂ）噴射開始時期ＩＴＳ１を破線位置から実線位置まで早めた場合、とについて、噴射時期ならびに噴霧の形態を対比して示したものである。図示するように、噴射開始時期ＩＴＳ１を早めると、点火時期において噴霧が拡散してしまう。これに対し、（ａ）のように噴射終了時期ＩＴＥ１を遅らせると、噴霧が過度に拡散せずにコンパクトとなり、燃焼安定性がより高くなる。

本発明に係る内燃機関全体のシステム構成を示す構成説明図。 本発明の超リタード燃焼の燃料噴射時期および点火時期を筒内圧変化とともに示す特性図。 低負荷のときの噴射特性と高負荷のときの噴射特性とを対比して示す特性図。 （ａ）噴射終了時期ＩＴＥ１を遅らせた場合と（ｂ）噴射開始時期ＩＴＳ１を早めた場合とを対比して示す説明図。 従来技術における筒内の乱れの変化を示す説明図。

符号の説明

３…燃焼室
１０…触媒コンバータ
１３…排気温度センサ
１４…点火プラグ
１５…燃料噴射弁
２５…コントロールユニット

Claims (5)

1. 筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えるとともに、点火プラグを備えてなる筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、排気系の触媒コンバータの早期昇温が要求される内燃機関の冷間始動時に、超リタード燃焼として、点火時期を圧縮上死点後に設定するとともに、燃料噴射を２回に分割して、点火時期において点火プラグ近傍に噴霧が到達するように圧縮行程中に１回目の燃料噴射を行い、点火時期前でかつ圧縮上死点後の膨張行程中に、筒内の乱れを強化する２回目の燃料噴射を行う一方、２回目の噴射量に対する１回目の噴射量の割合を、負荷が高いほど大とすることを特徴とする筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
2. １回目の噴射量が負荷に伴って増減変化するときに、噴射開始時期に比べて噴射終了時期が相対的に大きく変化することを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
3. １回目の噴射の噴射開始時期は、負荷変化に対し実質的に一定であることを特徴とする請求項２に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
4. 超リタード燃焼における空燃比は、理論空燃比もしくは若干リーンであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
5. 超リタード燃焼における点火時期は、圧縮上死点後１５°〜３０°ＣＡであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
   

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