JP4632032B2 - In-cylinder injection type spark ignition internal combustion engine - Google Patents

Description

本発明は、筒内噴射型火花点火式内燃機関に係り、詳しくは成層燃焼時における触媒活性化の技術に関する。   The present invention relates to an in-cylinder injection spark ignition internal combustion engine, and more particularly to a technology for activating a catalyst during stratified combustion.

燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射型火花点火式内燃機関において、インジェクタを燃焼室上壁の中央部に配設するとともに、点火プラグを電極部が燃料噴射領域中または燃料噴射領域近傍に位置するよう配設し、インジェクタから噴射された燃料が一部気化した燃料噴霧に直接点火して成層燃焼を行う所謂スプレーガイド方式と呼ばれる技術が知られている。   In a direct injection type spark ignition type internal combustion engine that injects fuel directly into a combustion chamber, an injector is disposed at the center of the upper wall of the combustion chamber, and an ignition plug is disposed in the fuel injection region or in the vicinity of the fuel injection region. A so-called spray guide system is known in which the fuel spray sprayed from the injector is directly ignited and stratified combustion is performed by arranging the fuel spray so as to be positioned.

このようなスプレーガイド方式の成層希薄燃焼では、特に低負荷時において、燃料噴射量が少なく、故に噴射期間も短いため、点火のできる時期が短い期間に限られている。したがって、低負荷時では安定燃焼領域は狭く、燃焼の安定性に欠けるという問題がある。
そこで、このような筒内噴射型火花点火式内燃機関において、安定した成層燃焼を生起させるため、吸気ポートから流入する吸入空気をピストン頂面に形成したキャビティによりタンブル流として上昇させ、当該タンブル流の上昇する側へ燃料を噴射させる技術が開発されている（特許文献１参照）。
特開平１１−２１０４７２号公報 In such a spray guide type stratified lean combustion, particularly at low load, the amount of fuel injection is small, and therefore the injection period is also short, so that the ignition timing is limited to a short period. Therefore, there is a problem that the stable combustion region is narrow at the time of low load and the stability of combustion is lacking.
Therefore, in such an in-cylinder injection type spark ignition internal combustion engine, in order to cause stable stratified combustion, the intake air flowing in from the intake port is raised as a tumble flow by a cavity formed on the piston top surface, and the tumble flow A technique for injecting fuel to the ascending side has been developed (see Patent Document 1).
JP-A-11-210472

スプレーガイド方式では、燃料噴霧が点火プラグから遠ざかるように進行し、点火プラグによる着火後の火炎は燃料噴霧を追いかけるように伝播して燃焼室内に拡散していくため、燃焼は比較的緩慢なものとなる。このため、排ガス温度は比較的低温となり触媒の浄化効率の低下を招くという問題があった。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、成層燃焼時において、触媒を最適な温度に維持することができ、排気浄化機能を十分に発揮することができる筒内噴射型火花点火式内燃機関を提供することにある。 In the spray guide method, the fuel spray proceeds away from the spark plug, and the flame after ignition by the spark plug propagates to follow the fuel spray and diffuses into the combustion chamber, so combustion is relatively slow. It becomes. For this reason, there has been a problem that the exhaust gas temperature is relatively low and the purification efficiency of the catalyst is lowered.
The present invention has been made to solve such a problem, and in stratified combustion, the catalyst can be maintained at an optimum temperature, and an in-cylinder injection type spark that can sufficiently exhibit an exhaust purification function. The object is to provide an ignition type internal combustion engine.

上記した目的を達成するために、請求項１の筒内噴射型火花点火式内燃機関では、燃焼室上壁の中央部に設けられ、該燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタと、該インジェクタから噴射される燃料噴射領域中若しくは該燃料噴射領域近傍に位置する電極部を有する点火プラグと、ピストン頂面に前記インジェクタから噴射された燃料を前記点火プラグの電極部近傍に案内するよう形成されたキャビティと、前記燃焼室と連通する排気通路に設けられ、当該排気通路内を流通する排ガスの有害物質を浄化する排気浄化触媒と、該排気浄化触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、前記インジェクタの噴射時期を制御する噴射時期制御手段と、前記点火プラグの点火時期を制御する点火時期制御手段とを備え、前記噴射時期制御手段と前記点火時期制御手段とは、前記触媒温度検出手段により検出された前記排気浄化触媒の温度により前記キャビティにより案内された燃料に点火する運転状態と前記インジェクタから噴射された燃料に直接点火する運転状態とを選択可能であり、該排気浄化触媒の温度が第１所定温度以下のときは、前記キャビティにより案内された燃料に点火する運転状態とし、該排気浄化触媒の温度が該第１所定温度より大に設定されている第２所定温度以上であるときは、前記インジェクタから噴射された燃料に直接点火する運転状態とすることを特徴としている。 In order to achieve the above object, in the cylinder injection type spark ignition type internal combustion engine according to claim 1, an injector provided at the center of the upper wall of the combustion chamber and directly injecting fuel into the combustion chamber, and the injector A spark plug having an electrode portion located in or near the fuel injection region to be injected, and a fuel injected from the injector on the piston top surface are guided to the vicinity of the electrode portion of the spark plug. An exhaust purification catalyst that is provided in a cavity, an exhaust passage that communicates with the combustion chamber, purifies harmful substances in exhaust gas flowing through the exhaust passage, catalyst temperature detection means that detects the temperature of the exhaust purification catalyst, and An injection timing control means for controlling the injection timing of the injector; and an ignition timing control means for controlling the ignition timing of the spark plug. The ignition timing control means, operating condition for igniting directly to the fuel injected with the operation state from the injector to ignite the fuel that has been guided by the cavity by the temperature of the exhaust purification catalyst detected by the catalyst temperature detecting means is a selectable temperature of the exhaust purification catalyst when the following first predetermined temperature, the operation state to ignite the fuel that has been guided by the cavity, the temperature of the exhaust gas purifying catalyst than the first predetermined temperature When the temperature is equal to or higher than the second predetermined temperature, which is set to a large value, an operating state in which the fuel injected from the injector is directly ignited is set.

これより、触媒の温度が第１所定温度以下である場合は、インジェクタから噴射されキャビティにより案内された混合気に点火を行うウォールガイド方式の成層燃焼を行い、触媒の温度が上記第１所定温度よりも高い温度に設定されている第２所定温度よりも大である場合はスプレーガイド方式の成層燃焼を行う。 Than this, when the temperature of the catalyst is below the first predetermined temperature, have rows stratified combustion wall guide system in which the ignition air mixture which is guided by the cavity is injected from the injector, the temperature of the catalyst is the first predetermined If it is larger than the second predetermined temperature which is set to a temperature higher than the temperature intends row stratified charge combustion spray guide system.

請求項２の筒内噴射型火花点火式内燃機関では、請求項１の発明において、さらに燃焼室内での失火を検出する失火検出手段を有し、前記点火時期制御手段は、前記インジェクタによる燃料噴射中または燃料噴射直後に点火を行い、前記失火検出手段により該点火による失火を検出した場合は、該燃料の気化が進行した混合気が前記キャビティにより前記電極部近傍に案内されてきたときにも点火を行うよう点火時期を制御することを特徴としている。 The in-cylinder injection type spark ignition internal combustion engine according to claim 2 further comprises misfire detection means for detecting misfire in the combustion chamber according to the invention of claim 1 , wherein the ignition timing control means is fuel injection by the injector. When ignition is performed during or immediately after fuel injection, and the misfire due to the ignition is detected by the misfire detection means, when the fuel-vapor mixture has been guided to the vicinity of the electrode by the cavity The ignition timing is controlled so as to perform ignition.

これより、スプレーガイド方式での点火において、失火検出手段により失火を検出したときは、その後のウォールガイド方式での点火も行うようにする。
請求項３の筒内噴射型火花点火式内燃機関では、請求項１の発明において、前記点火時期制御手段は、前記インジェクタによる燃料噴射中または燃料噴射直後に点火を行う場合には、該インジェクタから噴射された燃料の気化が進行した混合気が前記キャビティにより前記電極部近傍に案内されてきたときにも点火を行うよう点火時期を制御することを特徴としている。 Thus, in the ignition by the spray guide method, when the misfire is detected by the misfire detection means, the subsequent ignition by the wall guide method is also performed.
In-cylinder injection type spark ignition internal combustion engine according to claim 3, characterized in that in the invention of claim 1, wherein the ignition timing control means, when performing ignition immediately after the fuel injection or fuel injection by the injector, from the injector The ignition timing is controlled so that ignition is performed even when the air-fuel mixture in which the injected fuel has been vaporized is guided to the vicinity of the electrode portion by the cavity.

これより、スプレーガイド方式での点火を行う際は、その後のウォールガイド方式での点火も行うようにする。   Thus, when ignition is performed by the spray guide method, the subsequent wall guide method is also performed.

上記手段を用いる本発明の請求項１の筒内噴射型火花点火式内燃機関によれば、触媒温度が第１所定温度以下の時にウォールガイド方式を選択することで、ＨＣ、ＣＯの排出量を増加させ触媒の酸化反応を促進させて、酸化熱により触媒温度を上昇させ排気浄化機能を活性化させることができ、触媒温度が第２所定温度以上、即ち触媒高温時には、燃焼方式をスプレーガイド方式とすることで、ＨＣ、ＣＯの排出量を低減し、触媒の温度上昇を抑え劣化を防ぎ、酸素被毒を抑制することができる。 According to the in-cylinder injection type spark ignition internal combustion engine of the present invention using the above means, the HC and CO emissions can be reduced by selecting the wall guide method when the catalyst temperature is equal to or lower than the first predetermined temperature. Increase the catalyst oxidation reaction and increase the catalyst temperature by the oxidation heat to activate the exhaust purification function . When the catalyst temperature is higher than the second predetermined temperature, that is, when the catalyst temperature is high, the combustion method is the spray guide method and it is to, HC, to reduce the emissions of CO, the temperature rise of the catalyst to suppress prevent deterioration, Ru can be suppressed oxygen poisoning.

これにより、成層燃焼時において、触媒が低温となるのを防止し、排気浄化機能を十分に発揮することができ、更に、触媒が過度に高温となることも防止することができ、排気浄化機能を維持することができる。 As a result, during stratified combustion, the catalyst can be prevented from having a low temperature, and the exhaust purification function can be sufficiently exerted . Further, the catalyst can be prevented from becoming excessively hot, and the exhaust purification function can be prevented. Ru can be maintained.

請求項２の筒内噴射型火花点火式内燃機関によれば、スプレーガイド方式で着火しない場合であっても、その後ウォールガイド方式で点火することで、燃焼を良好に完結させることができる。 According to 請 Motomeko 2-cylinder injection type spark ignition internal combustion engine, even if not ignite a spray guide method, by igniting a subsequent wall guide method, it is possible to satisfactorily complete the combustion.

請求項３の筒内噴射型火花点火式内燃機関によれば、スプレーガイド方式で着火しない場合や、スプレーガイド方式での着火後、火炎伝播が途中で途絶えた場合であっても、その後常にウォールガイド方式で点火することで、燃焼を確実に完結させることができる。 According to the in-cylinder injection spark ignition internal combustion engine of claim 3 , even if the flame is not ignited by the spray guide method or the flame propagation is interrupted after the ignition by the spray guide method, By igniting with the guide method , combustion can be completed with certainty.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１を参照すると本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の概略構成図が示されており、図２を参照すると図１のＡ−Ａ線に沿う燃焼室の断面図が示されており、図３を参照すると図１のピストンの上面視平面図が示されている。以下、図１乃至３に基づき説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Referring to FIG. 1, there is shown a schematic configuration diagram of a direct injection spark ignition type internal combustion engine according to the present invention, and FIG. 2 is a sectional view of a combustion chamber taken along line AA in FIG. Referring to FIG. 3, a top plan view of the piston of FIG. 1 is shown. Hereinafter, a description will be given with reference to FIGS.

図１に示すように、エンジン１（内燃機関）の燃焼室２は、シリンダブロック３に形成されている円筒状のシリンダ４と、当該シリンダ４に上下摺動自在に嵌挿されているピストン６の頂面と、シリンダブロック３に載置されているシリンダヘッド８の下面とに囲まれて形成されている。
燃焼室２の上壁を形成しているシリンダヘッド８の下面は、２つの斜面１０ａ、１０ｂが鈍角に向かい合った所謂ペントルーフ形状を呈している。 As shown in FIG. 1, a combustion chamber 2 of an engine 1 (internal combustion engine) includes a cylindrical cylinder 4 formed in a cylinder block 3 and a piston 6 fitted into the cylinder 4 so as to be slidable up and down. And the lower surface of the cylinder head 8 mounted on the cylinder block 3.
The lower surface of the cylinder head 8 forming the upper wall of the combustion chamber 2 has a so-called pent roof shape in which the two inclined surfaces 10a and 10b face each other at an obtuse angle.

また、燃焼室２の上壁の中央部分において、一方の斜面１０ａにはインジェクタ１２が設けられており、他方の斜面１０ｂには点火プラグ１４が設けられている。
インジェクタ１２は真下方向よりも若干点火プラグ１４の電極部１４ａ側に燃料を噴射するよう指向して配設されている。また、インジェクタ１２は、当該インジェクタ１２から噴射される燃料が点火プラグ１４側に偏倚するよう構成されている。 Further, in the central portion of the upper wall of the combustion chamber 2, an injector 12 is provided on one slope 10a, and a spark plug 14 is provided on the other slope 10b.
The injector 12 is arranged so as to inject the fuel slightly toward the electrode portion 14a side of the spark plug 14 from the direction directly below. The injector 12 is configured such that the fuel injected from the injector 12 is biased toward the spark plug 14.

点火プラグ１４も真下方向よりも若干インジェクタ１２側に放電するよう指向している。そして、点火プラグ１４は、電極部１４ａがインジェクタ１２から噴射される燃料の噴射領域すなわち燃料噴霧１５中若しくはその近傍に位置するように配設されている。
また、一方の斜面１０ａには、インジェクタ１２の両側に位置して２つの吸気バルブ１６ａ、１６ｂがそれぞれ設けられており、他方の斜面１０ｂには、点火プラグ１４の両側に位置して２つの排気バルブ１８ａ、１８ｂがそれぞれ設けられている。 The spark plug 14 is also oriented so as to discharge slightly toward the injector 12 side from below. The spark plug 14 is disposed such that the electrode portion 14a is located in or near the fuel injection region of the fuel sprayed from the injector 12, that is, the fuel spray 15.
Further, two intake valves 16a and 16b are provided on one slope 10a on both sides of the injector 12, and two exhaust valves are provided on both sides of the spark plug 14 on the other slope 10b. Valves 18a and 18b are respectively provided.

これら吸気バルブ１６ａ、１６ｂ及び排気バルブ１８ａ、１８ｂは、上下摺動することでそれぞれシリンダヘッド８内に形成された吸気ポート２０及び排気ポート２２と燃焼室２との連通と遮断を行うよう構成されている。
以下、燃焼室２において、インジェクタ１２の先端と点火プラグ１４の先端を含む平面を平面Ｐとし、インジェクタ１２や吸気バルブ１６ａ、１６ｂが設けられている斜面１０ａ側を吸気側、点火プラグ１４や排気バルブ１８ａ、１８ｂが設けられている斜面１０ｂ側を排気側として説明する。 The intake valves 16a, 16b and the exhaust valves 18a, 18b are configured to slide up and down to communicate and block the intake port 20 and the exhaust port 22 formed in the cylinder head 8 and the combustion chamber 2, respectively. ing.
Hereinafter, in the combustion chamber 2, the plane including the tip of the injector 12 and the tip of the spark plug 14 is a plane P, the inclined surface 10 a side where the injector 12 and the intake valves 16 a and 16 b are provided is the intake side, the spark plug 14 and the exhaust The explanation will be made assuming that the slope 10b side where the valves 18a and 18b are provided is the exhaust side.

燃焼室２の底面を形成しているピストン６の頂面には、キャビティ３０が形成されている。
当該キャビティ３０は、底面３２と壁面３４から構成された凹形状をなしている。
詳しくは、キャビティ３０の底面３２は、全体として排気側に向かい下方に傾斜している。そして、底面３２には、当該底面３２の中央部から平面Ｐに沿い吸気側の壁面３４まで延びて周囲より盛り上がった凸部３２ａが形成されている。これにより、当該凸部３２ａを囲むようにして凹部３２ｂが形成されており、当該凹部３２ｂは上面視が略Ｕ字形状をなしている。 A cavity 30 is formed on the top surface of the piston 6 that forms the bottom surface of the combustion chamber 2.
The cavity 30 has a concave shape composed of a bottom surface 32 and a wall surface 34.
Specifically, the bottom surface 32 of the cavity 30 is inclined downward toward the exhaust side as a whole. The bottom surface 32 is formed with a convex portion 32 a extending from the center of the bottom surface 32 along the plane P to the wall surface 34 on the intake side and rising from the periphery. Thereby, the recessed part 32b is formed so that the said convex part 32a may be enclosed, and the said recessed part 32b has comprised the substantially U shape in the top view.

また、図３に示すように、当該キャビティ３０は、周縁が排気側に行くにつれ平面Ｐに寄っており、開口面積が排気側に行くにつれて狭くなっている。
そして、キャビティ３０の壁面３４は底面３２の周縁から滑らかに上方に傾斜した形状をなしている。
また、上記排気ポート２２（排気通路）は排気マニホールド４０（排気通路）を介して排気管４２（排気通路）と接続されており、当該排気管４２には排気浄化触媒４４が設けられている。当該排気浄化触媒４４は、例えば、ＨＣ、ＣＯを酸化し、ＮＯｘを還元する機能を有する三元触媒である。 Also, as shown in FIG. 3, the cavity 30 is closer to the plane P as the periphery goes to the exhaust side, and the opening area becomes narrower as going to the exhaust side.
The wall surface 34 of the cavity 30 has a shape that is smoothly inclined upward from the periphery of the bottom surface 32.
The exhaust port 22 (exhaust passage) is connected to an exhaust pipe 42 (exhaust passage) via an exhaust manifold 40 (exhaust passage), and an exhaust purification catalyst 44 is provided in the exhaust pipe 42. The exhaust purification catalyst 44 is, for example, a three-way catalyst having a function of oxidizing HC and CO and reducing NOx.

また、排気浄化触媒４４には触媒温度センサ４６（触媒温度検出手段）が設けられており、当該触媒温度センサ４６はＥＣＵ（電子コントロールユニット）５０（噴射時期制御手段、点火時期制御手段）と電気的に接続されている。
ＥＣＵ５０は、アクセル操作を検出するＡＰＳ（アクセル操作センサ）５２、スロットルの開度を検出するＴＰＳ（スロットル開度センサ）５４、エンジン１の回転速度を検出するエンジン回転速度センサ５６、車速を検出する車速センサ５８や、上記インジェクタ１２及び点火プラグ１４等の各種装置とも電気的に接続されており、各種制御を行う。 Further, the exhaust purification catalyst 44 is provided with a catalyst temperature sensor 46 (catalyst temperature detection means). The catalyst temperature sensor 46 is electrically connected to an ECU (electronic control unit) 50 (injection timing control means, ignition timing control means). Connected.
The ECU 50 detects an accelerator operation APS (accelerator operation sensor) 52, a throttle opening TPS (throttle opening sensor) 54, an engine rotation speed sensor 56 that detects the rotation speed of the engine 1, and a vehicle speed. The vehicle speed sensor 58 and various devices such as the injector 12 and the spark plug 14 are also electrically connected to perform various controls.

以下このように構成された本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の作用について説明する。
図４を参照すると本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃料噴射中の燃料噴霧状態が燃焼室の断面図で示されており、図５を参照すると図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図が示されており、図６を参照すると本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃料噴射後の燃料の気化が進行した混合気状態が図４同様に断面図で示されており、図７を参照すると図６のＣ−Ｃ線に沿う断面図が示されており、以下図４乃至７に基づき説明する。 The operation of the in-cylinder injection spark ignition type internal combustion engine according to the present invention configured as described above will be described below.
Referring to FIG. 4, a fuel spray state during fuel injection of the direct injection type spark ignition type internal combustion engine according to the present invention is shown in a sectional view of the combustion chamber. Referring to FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view of the air-fuel mixture state after fuel injection in the direct injection spark ignition type internal combustion engine according to the present invention. Referring to FIG. 7, a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. 6 is shown, which will be described below with reference to FIGS.

図４、５に示すように、ピストン６は圧縮行程後半にあるとき、インジェクタ１２の先端から点火プラグ１４側に偏倚して燃料が噴射される。そして、噴射された燃料は燃料噴霧１５となり点火プラグ１４の電極部１４ａの近傍を通り、ピストン６頂面のキャビティ３０内の主として排気側に進入する。ここに、インジェクタ１２からの燃料噴射により形成される燃料噴霧１５の形状は、中空状であるのが好ましく、例えば中空のコーン状とされるが、これに限られるものではない。   As shown in FIGS. 4 and 5, when the piston 6 is in the latter half of the compression stroke, the fuel is injected while being biased from the tip of the injector 12 toward the spark plug 14. The injected fuel becomes fuel spray 15 and passes in the vicinity of the electrode portion 14a of the spark plug 14 and enters mainly into the exhaust side in the cavity 30 on the top surface of the piston 6. Here, the shape of the fuel spray 15 formed by fuel injection from the injector 12 is preferably a hollow shape, for example, a hollow cone shape, but is not limited thereto.

キャビティ３０内に進入した燃料噴霧１５は、キャビティ３０の底面３２が排気側に向かい下方に傾斜し、且つ当該燃料噴霧１５が点火プラグ１４側に偏倚しているため、キャビティ３０の底面３２に衝突すると排気側に良好に案内され気化が進行する。また、燃料噴霧１５は、底面３２に形成された凸部３２ａに衝突すると、当該凸部３２ａの両側または排気側へ分散させられる。   The fuel spray 15 entering the cavity 30 collides with the bottom surface 32 of the cavity 30 because the bottom surface 32 of the cavity 30 is inclined downward toward the exhaust side and the fuel spray 15 is biased toward the spark plug 14. Then, the gas is well guided to the exhaust side and vaporization proceeds. Further, when the fuel spray 15 collides with the convex portion 32a formed on the bottom surface 32, the fuel spray 15 is dispersed to both sides of the convex portion 32a or the exhaust side.

そして、図６、７に示すように、燃料噴霧１５は底面３２の形状に沿い案内され、排気側の壁面３４に向かうとともに壁面３４に沿って上方に案内され、案内に伴って気化が進行し混合気１５ａとしてキャビティ３０内から離脱する。
このようにキャビティ３０内を離脱した混合気１５ａは、点火プラグ１４の電極部１４ａの周りを囲むように巻き上がる。これにより、電極部１４ａの周囲には比較的濃い混合気が存在することになる。 As shown in FIGS. 6 and 7, the fuel spray 15 is guided along the shape of the bottom surface 32, directed toward the exhaust-side wall surface 34 and guided upward along the wall surface 34, and vaporization proceeds with the guidance. The mixture 15a leaves the cavity 30.
The air-fuel mixture 15a that has left the cavity 30 as described above is wound up so as to surround the electrode portion 14a of the spark plug 14. As a result, a relatively rich air-fuel mixture exists around the electrode portion 14a.

実際には、燃料噴霧１５は、中空状態であるとともに、キャビティ３０の底面３２の凸部３２ａにより両側に分散させられ、底面３２の周縁に寄せられるようにして燃焼室２中に巻き上がるため、形成される混合気１５ａは中央部分では燃料が少なくなっている。これより、電極部１４ａ部分では、混合気１５ａが過濃な状態とならない。
以上のようにインジェクタ１２から燃料が噴射されると、点火時期としては、図４、５に示すような燃焼噴射中の燃料噴霧１５に直接点火を行う所謂スプレーガイド方式と、図６、７に示すようなキャビティ３０から離脱して電極部１４ａ周辺に集まった混合気１５ａに点火する所謂ウォールガイド方式との２つ場合が考えられる。 Actually, the fuel spray 15 is in a hollow state, and is dispersed on both sides by the convex portions 32a of the bottom surface 32 of the cavity 30 and is rolled up into the combustion chamber 2 so as to be brought close to the periphery of the bottom surface 32. The formed air-fuel mixture 15a has a small amount of fuel in the central portion. Accordingly, the air-fuel mixture 15a does not become excessively rich in the electrode portion 14a.
When the fuel is injected from the injector 12 as described above, the ignition timing includes a so-called spray guide system that directly ignites the fuel spray 15 during combustion injection as shown in FIGS. There are two possible cases: a so-called wall guide system that ignites the air-fuel mixture 15a separated from the cavity 30 and collected around the electrode portion 14a.

ここで図８を参照すると、本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関における負荷条件変更時のスプレーガイド方式及びウォールガイド方式の安定燃焼領域の変化を示すグラフが示されており、図９を参照すると、本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関におけるスプレーガイド方式及びウォールガイド方式の排ガス特性を示すグラフが示されている。以下、図８、図９に基づきスプレーガイド方式とウォールガイド方式のそれぞれの特徴を説明する。   Referring now to FIG. 8, there is shown a graph showing changes in the stable combustion region of the spray guide system and wall guide system when the load condition is changed in the direct injection spark ignition type internal combustion engine according to the present invention. Referring to FIG. 9, there is shown a graph showing the exhaust gas characteristics of the spray guide system and the wall guide system in the direct injection spark ignition type internal combustion engine according to the present invention. Hereinafter, the characteristics of the spray guide method and the wall guide method will be described with reference to FIGS.

図８（ａ）は低負荷時、図８（ｂ）は中負荷時、図８（ｃ）は高負荷時におけるスプレーガイド方式とウォールガイド方式の安定燃焼領域が示されており、それぞれ縦軸に点火時期、横軸に噴射時期が示されている。
同図に示すように、ウォールガイド方式の安定燃焼領域は、負荷の変化により安定燃焼領域が変化している。このためウォールガイド方式では、負荷が変化する過渡時において、エンジン１の回転や負荷に応じて噴射時期、点火時期を変化させる必要が生じる。 FIG. 8A shows the stable combustion region of the spray guide system and the wall guide system at the time of low load, FIG. 8B at the time of medium load, and FIG. 8C at the time of high load. Is the ignition timing, and the horizontal axis is the injection timing.
As shown in the figure, in the stable combustion region of the wall guide system, the stable combustion region is changed by a change in load. For this reason, in the wall guide method, it is necessary to change the injection timing and the ignition timing in accordance with the rotation of the engine 1 and the load at the time of a transient when the load changes.

それに対して、スプレーガイド方式の安定燃焼領域は、インジェクタ１２からの燃料噴射中または燃料噴射直後に点火を行うため、比較的負荷の変化に関わらず一定の安定燃焼領域を維持している。このため、エンジン１の回転や負荷によらず、噴射時期／点火時期一定で運転できる。
このように、過渡時において、スプレーガイド方式は燃焼が安定しているという特徴を有する。 On the other hand, the stable combustion region of the spray guide method maintains a constant stable combustion region regardless of a change in load because ignition is performed during fuel injection from the injector 12 or immediately after fuel injection. For this reason, it is possible to operate at a constant injection timing / ignition timing regardless of the rotation and load of the engine 1.
Thus, during the transition, the spray guide system has a feature that combustion is stable.

次に、図９において、図９（ａ）はＨＣ排出量、図９（ｂ）はＮＯｘ排出量、図９（ｃ）はＣＯ排出量について示されており、それぞれ縦軸に各排ガス物質の排出量、横軸に噴射時期が示されている。
同図に示すように、ウォールガイド方式はスプレーガイド方式に比べ、ＨＣ及びＣＯの排出量が多く、ＮＯｘの排出量は少ないという特徴を有している。 Next, in FIG. 9, FIG. 9 (a) shows the HC emission amount, FIG. 9 (b) shows the NOx emission amount, and FIG. 9 (c) shows the CO emission amount. The discharge amount and the injection timing are shown on the horizontal axis.
As shown in the figure, the wall guide method has a feature that HC and CO emissions are larger and NOx emissions are smaller than the spray guide method.

図１０を参照すると本発明の筒内噴射型火花点火式内燃機関においてＥＣＵ５０により実行される燃焼方式決定の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに基づき説明する。
先ず、ステップＳ１では、エンジン回転速度センサ５６からエンジン回転速度Ｎ、ＡＰＳ５２からアクセル操作量Ａｃｃ、ＴＰＳ５４からスロットル開度θ、車速センサ５８から車速Ｖ、触媒温度センサ４６から触媒温度Ｔ等の各種検出データを読み込む。 Referring to FIG. 10, the control routine for determining the combustion method executed by the ECU 50 in the in-cylinder injection spark ignition type internal combustion engine of the present invention is shown in a flowchart, and will be described below based on the flowchart.
First, in step S1, various detections such as the engine speed N from the engine speed sensor 56, the accelerator operation amount Acc from the APS 52, the throttle opening θ from the TPS 54, the vehicle speed V from the vehicle speed sensor 58, and the catalyst temperature T from the catalyst temperature sensor 46 are detected. Read data.

続いてステップＳ２では、エンジン回転速度Ｎと、スロットル開度θより算出されるエンジン負荷Ｌとに基づいて、エンジン１の運転状態が成層燃焼条件を満たしているか否かを判別する。詳しくは、エンジン回転速度Ｎが予め設定されている成層燃焼上限回転速度Ｎ１より小、成層燃焼下限回転速度Ｎ２より大であるか否か（Ｎ２＜Ｎ＜Ｎ１）、及びエンジン負荷Ｌが予め設定されている成層燃焼上限負荷Ｌ１より小、成層燃焼下限負荷Ｌ２より大であるか否か（Ｌ２＜Ｌ＜Ｌ１）を判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）である場合は、ステップＳ２０に進み均質燃焼を行い、当該ルーチンを抜ける。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合は、ステップＳ３に進む。   Subsequently, in step S2, it is determined whether or not the operating state of the engine 1 satisfies the stratified combustion condition based on the engine speed N and the engine load L calculated from the throttle opening θ. Specifically, whether or not the engine rotational speed N is lower than the preset stratified combustion upper limit rotational speed N1, larger than the stratified combustion lower limit rotational speed N2 (N2 <N <N1), and the engine load L is preset. It is determined whether or not it is smaller than the stratified combustion upper limit load L1 and larger than the stratified combustion lower limit load L2 (L2 <L <L1). If the determination result is false (No), the process proceeds to step S20 to perform homogeneous combustion, and the routine is exited. On the other hand, if the determination result is true (Yes), the process proceeds to step S3.

ステップＳ３では、エンジン回転速度Ｎ、車速Ｖ、スロットル開度θの単位時間当たりの変化量｜ΔＮ｜、｜ΔＶ｜、｜Δθ｜が、それぞれ予め設定されている所定値より小であるか否かを判別することにより、エンジン１の運転状態が定常運転であるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）である場合、即ち、エンジン回転速度Ｎ、車速Ｖ、スロットル開度θのいずれかまたは複数の状態が所定値以上変化しているような過渡運転状態である場合は、ステップＳ１０に進み、燃焼方式をスプレーガイド方式として、当該ルーチンを抜ける。これにより、エンジン１の過渡運転時においても安定した成層燃焼を行うことができる。   In step S3, whether or not the amount of change | ΔN |, | ΔV |, | Δθ | per unit time of the engine speed N, the vehicle speed V, and the throttle opening θ is smaller than a predetermined value set in advance. By determining whether or not the operating state of the engine 1 is a steady operation. When the determination result is false (No), that is, when the engine rotational speed N, the vehicle speed V, the throttle opening degree θ or a transient operation state in which a plurality of states change by a predetermined value or more, Proceeding to step S10, the combustion method is set as the spray guide method and the routine is exited. Thereby, stable stratified combustion can be performed even during transient operation of the engine 1.

一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合、即ち定常運転時はステップＳ４に進む。
ステップＳ４では、触媒温度Ｔが予め設定されている所定上限温度Ｔ１（第２所定温度）より小であるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）である場合、即ち触媒温度Ｔが所定上限温度Ｔ１以上の高温である場合には、ステップＳ１０に進み燃焼方式をスプレーガイド方式とする。このように、触媒高温時には燃焼方式をスプレーガイド方式とすることで、ＨＣ、ＣＯの排出量を低減し、触媒の温度上昇を抑え劣化を防ぎ、酸素被毒を抑制することができる。 On the other hand, if the determination result is true (Yes), that is, during steady operation, the process proceeds to step S4.
In step S4, it is determined whether or not the catalyst temperature T is lower than a predetermined upper limit temperature T1 (second predetermined temperature). When the determination result is false (No), that is, when the catalyst temperature T is a high temperature equal to or higher than the predetermined upper limit temperature T1, the process proceeds to step S10 and the combustion method is set to the spray guide method. Thus, by setting the combustion method to the spray guide method when the catalyst temperature is high, it is possible to reduce the amount of HC and CO emissions, prevent the catalyst temperature from rising, prevent deterioration, and suppress oxygen poisoning.

一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合はステップＳ５に進む。
ステップＳ５では、同じく触媒温度Ｔが予め設定されている所定下限温度Ｔ２（第１所定温度）より大であるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）である場合、即ち触媒温度Ｔが所定下限温度Ｔ２以下の低温である場合、ステップＳ８に進み、燃焼方式をウォールガイド方式として、当該ルーチンを抜ける。このように、触媒低温時には燃焼方式をウォールガイド方式とすることで、ＨＣ、ＣＯの排出量を増加させ、触媒の酸化反応を促進させて、当該酸化熱により触媒温度を上昇させ排気浄化機能を活性化させることができる。 On the other hand, if the determination result is true (Yes), the process proceeds to step S5.
In step S5, it is similarly determined whether or not the catalyst temperature T is higher than a preset lower limit temperature T2 (first predetermined temperature). When the determination result is false (No), that is, when the catalyst temperature T is a low temperature equal to or lower than the predetermined lower limit temperature T2, the process proceeds to step S8, and the routine is exited with the combustion method as the wall guide method. In this way, when the catalyst is at a low temperature, the combustion method is the wall guide method, thereby increasing the amount of HC and CO emissions, promoting the oxidation reaction of the catalyst, raising the catalyst temperature by the oxidation heat, and providing an exhaust purification function. Can be activated.

一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合は、ステップＳ６に進む。
ステップＳ６では、上記ステップＳ３における定常運転条件が成立してから予め設定されている所定時間（例えば２秒）を経過したか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）である場合は、ステップＳ１に戻る。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合、即ち定常運転状態となってからある程度の時間が経過している場合には、ステップＳ７に進む。 On the other hand, if the determination result is true (Yes), the process proceeds to step S6.
In step S6, it is determined whether or not a predetermined time (for example, 2 seconds) set in advance has elapsed since the steady operation condition in step S3 was established. If the determination result is false (No), the process returns to step S1. On the other hand, when the determination result is true (Yes), that is, when a certain amount of time has elapsed since the steady operation state is reached, the process proceeds to step S7.

ステップＳ７では、エンジン回転速度Ｎとエンジン負荷Ｌに基づいて、エンジン１の運転状態がウォールガイド条件の範囲内にあるか否かを判別する。詳しくは、エンジン回転速度Ｎが予め設定されている成層燃焼上限回転速度Ｎ３より小、成層燃焼下限回転速度Ｎ４より大であるか否か（Ｎ４＜Ｎ＜Ｎ３）、及びエンジン負荷Ｌが予め設定されている成層燃焼上限負荷Ｌ３より小、成層燃焼下限負荷Ｌ４より大であるか否か（Ｌ４＜Ｌ＜Ｌ３）を判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合は、ステップＳ８に進み燃焼方式をウォールガイド方式として当該ルーチンを抜ける。一方、判別結果が偽（Ｎｏ）である場合は、ステップＳ１０に進み、燃焼方式をスプレーガイド方式として当該ルーチンを抜ける。   In step S7, based on the engine rotational speed N and the engine load L, it is determined whether or not the operating state of the engine 1 is within the wall guide condition range. Specifically, whether or not the engine rotational speed N is lower than the preset stratified combustion upper limit rotational speed N3, greater than the stratified combustion lower limit rotational speed N4 (N4 <N <N3), and the engine load L is preset. It is determined whether or not it is smaller than the stratified combustion upper limit load L3 and larger than the stratified combustion lower limit load L4 (L4 <L <L3). If the determination result is true (Yes), the process proceeds to step S8, where the combustion method is set as the wall guide method and the routine is exited. On the other hand, if the determination result is false (No), the process proceeds to step S10, and the routine is exited with the combustion method as the spray guide method.

以上のように、成層燃焼条件を満たしている場合において、エンジン１が過渡運転時には、スプレーガイド方式とすることで、エンジン１の回転速度Ｎや負荷Ｌの変化の影響を受け難い安定した燃焼を実現することができる。
そして、定常運転時においては、回転速度Ｎや負荷Ｌの状態により、スプレーガイド方式とウォールガイド方式の切り換えを燃費等の優れる方を選択して行うとともに、触媒温度Ｔに応じても切り換えを行うことで、排気浄化触媒４４を常に最適な温度状態とすることができ、触媒の排気浄化機能を十分に発揮させることができる。これにより排ガスの有害物質を良好に低減することができる。 As described above, in the case where the stratified combustion condition is satisfied, when the engine 1 is in transient operation, the spray guide method is employed, so that stable combustion that is not easily affected by changes in the rotational speed N and load L of the engine 1 can be achieved. Can be realized.
During steady operation, the spray guide method and the wall guide method are switched according to the state of the rotational speed N and load L by selecting the better fuel economy and the like, and also according to the catalyst temperature T. As a result, the exhaust purification catalyst 44 can always be brought to an optimum temperature state, and the exhaust purification function of the catalyst can be sufficiently exhibited. Thereby, the harmful substance of exhaust gas can be reduced favorably.

また、スプレーガイド方式で着火しない場合や、スプレーガイド方式での着火後，火炎伝播が途中で途絶えた場合であっても、その後ウォールガイド方式で点火し，燃焼を完結させることができる。
つまり、本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関では、ウォールガイド方式はスプレーガイド方式よりも点火時期を遅角させただけなので容易に変更することができるため、例えば失火検出手段を設けることで、スプレーガイド方式での点火に失敗した場合であっても、当該失火を検出しその後すぐにウォールガイド方式で点火することも簡単にできる。 Further, even when the flame is not ignited by the spray guide method or when the flame propagation is interrupted after the ignition by the spray guide method, the ignition can be performed by the wall guide method to complete the combustion.
That is, in the in-cylinder injection spark ignition internal combustion engine according to the present invention, the wall guide method can be easily changed because the ignition timing is only retarded as compared with the spray guide method, and therefore, for example, a misfire detection means is provided. As a result, even if ignition by the spray guide method fails, it is possible to easily detect the misfire and immediately ignite using the wall guide method.

または、スプレーガイド方式での燃焼を行うときは常にウォールガイド方式での点火も行う、所謂２回点火を行うようにしてもよい。
これらにより、安定燃焼領域を拡大させることができ、成層燃焼の安定性をさらに向上させることができる。
以上で本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。 Or when performing combustion by a spray guide system, you may make it perform what is called ignition twice by always performing ignition by a wall guide system.
As a result, the stable combustion region can be expanded, and the stability of stratified combustion can be further improved.
This is the end of the description of the embodiment of the direct injection spark ignition type internal combustion engine according to the present invention, but the embodiment is not limited to the above embodiment.

例えば、上記実施形態では、エンジンの１運転状態、触媒の温度等から燃焼方式を判別していたが、どちらか一方の判別のみとしたり、新たな判別を加えても構わない。
また、上記実施形態では、運転状態検出手段として、ＡＰＳ５２、ＴＰＳ５４、エンジン回転速度センサ５６、車速センサ５８を用いているが、これに限られるものではなくその他の装置を用いて、その他の要素からエンジン１の運転状態を検出しても構わない。 For example, in the above-described embodiment, the combustion method is determined from one engine operating state, the catalyst temperature, and the like. However, only one of them may be determined or a new determination may be added.
Further, in the above embodiment, the APS 52, the TPS 54, the engine rotation speed sensor 56, and the vehicle speed sensor 58 are used as the driving state detection means. However, the present invention is not limited to this, and other devices are used and other elements are used. The operating state of the engine 1 may be detected.

また、上記実施形態では、排気浄化触媒４４を三元触媒としたが、これに限られるものではなく、その他の排気浄化触媒でも適用が可能である。   In the above embodiment, the exhaust purification catalyst 44 is a three-way catalyst. However, the present invention is not limited to this, and other exhaust purification catalysts can also be applied.

本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a direct injection spark ignition type internal combustion engine according to the present invention. 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the AA line of FIG. 図１のピストンの上面視平面図である。It is a top view top view of the piston of FIG. 本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃料噴射中の燃料噴霧状態を示す燃焼室の断面図である。It is sectional drawing of the combustion chamber which shows the fuel spray state in the fuel injection of the cylinder injection type spark ignition type internal combustion engine which concerns on this invention. 図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the BB line of FIG. 本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃料噴射後の燃料噴霧状態を示す燃焼室の断面図である。It is sectional drawing of the combustion chamber which shows the fuel spray state after the fuel injection of the cylinder injection type spark ignition type internal combustion engine which concerns on this invention. 図６のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the CC line of FIG. 本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関における負荷条件変更時のスプレーガイド方式及びウォールガイド方式の安定燃焼領域の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the stable combustion area | region of a spray guide system and a wall guide system at the time of load condition change in the cylinder injection type spark ignition type internal combustion engine which concerns on this invention. 本発明に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関におけるスプレーガイド方式及びウォールガイド方式の排ガス特性を示すグラフである。It is a graph which shows the exhaust gas characteristic of the spray guide system and wall guide system in the cylinder injection type spark ignition type internal combustion engine which concerns on this invention. 本発明の筒内噴射型火花点火式内燃機関においてＥＣＵにより実行される燃焼方式決定の制御ルーチンを示すフローチャートである。3 is a flowchart showing a combustion type determination control routine executed by an ECU in the direct injection spark ignition type internal combustion engine of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

１ エンジン（内燃機関）
２ 燃焼室
１２ インジェクタ
１４ 点火プラグ
１４ａ 電極部
１５ 燃料噴霧
３０ キャビティ
３２ 底面
３２ａ 凸部
３２ｂ 凹部
３４ 壁面
４４ 排気浄化触媒
４６ 触媒温度センサ（触媒温度検出手段）
５０ ＥＣＵ（噴射時期制御手段、点火時期制御手段）
５２ ＡＰＳ
５４ ＴＰＳ
５６ エンジン回転速度センサ
５８ 車速センサ 1 engine (internal combustion engine)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 Combustion chamber 12 Injector 14 Spark plug 14a Electrode part 15 Fuel spray 30 Cavity 32 Bottom face 32a Convex part 32b Concave part 34 Wall surface 44 Exhaust purification catalyst 46 Catalyst temperature sensor (catalyst temperature detection means)
50 ECU (injection timing control means, ignition timing control means)
52 APS
54 TPS
56 Engine speed sensor 58 Vehicle speed sensor

Claims (3)

燃焼室上壁の中央部に設けられ、該燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタと、
該インジェクタから噴射される燃料噴射領域中若しくは該燃料噴射領域近傍に位置する電極部を有する点火プラグと、
ピストン頂面に前記インジェクタから噴射された燃料を前記点火プラグの電極部近傍に案内するよう形成されたキャビティと、
前記燃焼室と連通する排気通路に設けられ、当該排気通路内を流通する排ガスの有害物質を浄化する排気浄化触媒と、
該排気浄化触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
前記インジェクタの噴射時期を制御する噴射時期制御手段と、
前記点火プラグの点火時期を制御する点火時期制御手段とを備え、
前記噴射時期制御手段と前記点火時期制御手段とは、前記触媒温度検出手段により検出された前記排気浄化触媒の温度により前記キャビティにより案内された燃料に点火する運転状態と前記インジェクタから噴射された燃料に直接点火する運転状態とを選択可能であり、該排気浄化触媒の温度が第１所定温度以下のときは、前記キャビティにより案内された燃料に点火する運転状態とし、該排気浄化触媒の温度が該第１所定温度より大に設定されている第２所定温度以上であるときは、前記インジェクタから噴射された燃料に直接点火する運転状態とすることを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。 An injector provided at the center of the upper wall of the combustion chamber and directly injecting fuel into the combustion chamber;
A spark plug having an electrode portion located in or near the fuel injection region injected from the injector;
A cavity formed on the top surface of the piston to guide the fuel injected from the injector to the vicinity of the electrode portion of the spark plug;
An exhaust purification catalyst that is provided in an exhaust passage communicating with the combustion chamber and purifies harmful substances in exhaust gas flowing through the exhaust passage;
Catalyst temperature detecting means for detecting the temperature of the exhaust purification catalyst;
Injection timing control means for controlling the injection timing of the injector;
Ignition timing control means for controlling the ignition timing of the spark plug,
The injection timing control means and the ignition timing control means are an operating state in which the fuel guided by the cavity is ignited by the temperature of the exhaust purification catalyst detected by the catalyst temperature detection means, and the fuel injected from the injector can be selected and operating conditions for igniting directly, the temperature of the exhaust purification catalyst when the following first predetermined temperature, the operation state to ignite the fuel that has been guided by the cavity, the temperature of the exhaust gas purifying catalyst Is in an operating state in which the fuel injected from the injector is directly ignited when the temperature is equal to or higher than a second predetermined temperature set higher than the first predetermined temperature. Internal combustion engine. さらに燃焼室内での失火を検出する失火検出手段を有し、
前記点火時期制御手段は、前記インジェクタによる燃料噴射中または燃料噴射直後に点火を行い、前記失火検出手段により該点火による失火を検出した場合は、該燃料の気化が進行した混合気が前記キャビティにより前記電極部近傍に案内されてきたときにも点火を行うよう点火時期を制御することを特徴とする請求項１記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関。 Furthermore, it has misfire detection means for detecting misfire in the combustion chamber,
The ignition timing control means performs ignition during fuel injection by the injector or immediately after fuel injection, and when the misfire detection means detects misfire due to the ignition, an air-fuel mixture that has been vaporized by the fuel is caused by the cavity. direct injection type spark ignition internal combustion engine according to claim 1, characterized in that for controlling the ignition timing so as to perform the ignition even when that has been guided to the vicinity of the electrode portion. 前記点火時期制御手段は、前記インジェクタによる燃料噴射中または燃料噴射直後に点火を行う場合には、該インジェクタから噴射された燃料の気化が進行した混合気が前記キャビティにより前記電極部近傍に案内されてきたときにも点火を行うよう点火時期を制御することを特徴とする請求項１記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関。 When the ignition timing control means performs ignition during fuel injection by the injector or immediately after fuel injection, an air-fuel mixture in which vaporization of the fuel injected from the injector has progressed is guided to the vicinity of the electrode portion by the cavity. direct injection type spark ignition internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the ignition timing is controlled to perform the ignition even when has.

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