JP5516704B2 - 燃料噴射型内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、筒内燃料噴射装置と吸気通路内燃料噴射装置とを備えた燃料噴射型内燃機関に関する。

筒内燃料噴射装置と吸気通路内燃料噴射装置とを具え、点火プラグによる火花点火で燃焼させる燃料噴射式内燃機関が知られている。かかる燃料噴射式内燃機関では、冷態始動時、すなわち常温に近い状態でのエンジンの始動は、一般に筒内燃料噴射装置から燃料を噴射する圧縮スライトリーン燃焼で行われている。この制御は、圧縮行程噴射でありながら全体空燃比をストイキオよりもややリーン空燃比寄りに設定し、圧縮行程後半に燃料を筒内燃料噴射装置から燃焼室内に噴射させ、また遅延させた点火時期で点火を行う。これにより、始動時の燃焼を安定させることができるともに、燃料の未燃成分を排気後に燃焼させて、排気ガス浄化用の触媒を早期に温度上昇させることができるものである。

特開２００６−２９１８３９号公報

しかしながら圧縮スライトリーン燃焼では、燃焼室内における混合気が層状を呈することから、混合気の一部に過濃な部分が生じ易い。すると燃焼室内で未燃成分が発生して、排気ガス中に含まれるＨＣ成分が必要以上に増加して、排出されてしまうことがあった。

本発明は上記課題を解決し、筒内燃料噴射装置と吸気通路内燃料噴射装置とを備え、冷態始動時において安定した燃焼と、排気ガス中に含まれるＨＣ（炭化水素成分）を低減できる燃料噴射型内燃機関を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するため、燃料噴射型内燃機関を次のように構成した。

燃料噴射型内燃機関は、燃焼室に連通された吸気通路内に燃料を噴射する吸気通路内燃料噴射装置と、燃焼室内に臨ませ、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内燃料噴射装置と、を備えている。
燃料噴射型内燃機関は、冷態始動後に、前記燃焼室に連通する排気通路に接続された触媒の温度を上昇させる触媒昇温制御を有している。触媒昇温制御は、冷態始動後の所定時間が経過するまでは、筒内燃料噴射装置による圧縮スライトリーン燃焼の昇温制御を行い、所定時間経過後は吸気通路内燃料噴射装置と筒内燃料噴射装置とによる昇温制御を行うこととする。

触媒昇温制御は、点火時期を遅延させる制御を含み、筒内燃料噴射装置による圧縮スライトリーン燃焼の昇温制御時の空燃比および点火時期と、所定時間経過後の前記吸気通路内燃料噴射装置と前記筒内燃料噴射装置とによる昇温制御時の空燃比および点火時期とをほぼ同等とする。

又、触媒昇温制御は、筒内燃料噴射装置の不具合時には、筒内燃料噴射装置による昇温制御を行わず、吸気通路内燃料噴射装置のみによる昇温制御を行うこととする。

本発明は、次の効果を有している。筒内燃料噴射装置と吸気通路内燃料噴射装置とを備え、冷態始動時において安定した燃焼と、排気ガス中に含まれるＨＣ（炭化水素成分）を低減できる燃料噴射型内燃機関を提供することができる。

本発明の一実施形態にかかる燃料噴射型内燃機関を示す断面図である。 同燃料噴射型内燃機関の燃料噴射制御方法を示すフローチャートである。 燃料噴射型内燃機関の作動状態を示す図である。

本発明の一実施形態にかかる燃料噴射型内燃機関について、図を参照して説明する。
図１に、エンジン１０の燃焼室部分を示す。エンジン１０は、吸気通路に吸気通路内燃料噴射装置を具え、燃焼室に筒内燃料噴射装置と点火プラグを具えた、燃料噴射型火花点火式内燃機関である。エンジン１０は、ガソリンを主な燃料とし、排気通路に排気浄化装置を具えている。

エンジン１０の燃焼室部分は、図１に示すようにシリンダヘッド１２、ピストン１４、シリンダブロック１６などから構成されている。エンジン１０は、自然吸気エンジンであっても、ターボチャージャーや他の過給器を備えた過給エンジンであってもよい。

シリンダブロック１６は、内側にシリンダ１８を有している。シリンダブロック１６に形成されたシリンダ１８の数は、特に問わない。シリンダ１８の内部には、ピストン１４が往復動自在に設けられている。シリンダブロック１６の上面には、シリンダヘッド１２がボルト（図示せず。）により固定されている。

シリンダヘッド１２は、下面に燃焼室用の凹み２０を具えている。凹み２０は、断面が三角形状で、凹み２０と、ピストン１４の頂面２２と、シリンダ１８の内面で区画された空間でエンジン１０の燃焼室２６を形成している。

シリンダヘッド１２には、点火プラグ３０、筒内燃料噴射装置３２が取り付けられている。またシリンダヘッド１２には、吸気通路１１、及び排気通路１３が設けられている。吸気通路１１、及び排気通路１３は、それぞれ吸気弁１５及び排気弁１７を介して、燃焼室２６に開口している。吸気弁１５と排気弁１７は、カム機構（図示せず。）によりそれぞれ適宜駆動され、吸気通路１１および排気通路１３を開閉させる。吸気通路１１には、後述する吸気通路内燃料噴射装置３４が設けられ、排気通路１３には、酸化触媒３６とディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）３８が連結されている。

点火プラグ３０は、先端に電極部分を具え、燃焼室２６の上部の略中心に、電極部分を燃焼室２６に臨ませてシリンダヘッド１２に取り付けられている。点火プラグ３０は、点火機構４０に接続されており、点火機構４０の作用により適宜の点火時期に放電を行わせる。尚、点火プラグ３０は、燃焼室２６の中央でなく、他の位置に取り付けられていてもよい。

吸気通路内燃料噴射装置３４は、先端に噴射孔を具え、内部に弁機構（いずれも図示せず。）を有している。吸気通路内燃料噴射装置３４には、燃料ポンプ４２からの燃料パイプ４４と制御手段５０からの信号線４６が接続されている。吸気通路内燃料噴射装置３４は、噴射孔を吸気通路１１内に臨ませて取り付けられており、信号線４６を介して送られてくる信号に従い弁機構が作動すると燃料ポンプ４２から送られてきた燃料を噴射する。燃料は、少なくとも一部が、吸気弁１５の傘部分の吸気通路１１側の面に当接するように噴射される。燃料ポンプ４２は、燃料タンク５２に接続し、燃料タンク５２内の燃料を燃料パイプ４４に低圧で圧送する。ここで低圧とは、吸気通路内燃料噴射装置３４で吸気通路１１内に燃料を噴射するに十分な圧力をいう。

筒内燃料噴射装置３２は、いわゆるコモンレールシステムの燃料噴射装置であり、内部に弁機構（いずれも図示せず。）を有し、先端に設けられた噴射孔を燃焼室２６に臨ませてシリンダヘッド１２に取り付けられている。筒内燃料噴射装置３２には、高圧ポンプ５４からの燃料パイプ４５と制御手段５０からの信号線５６が接続されている。筒内燃料噴射装置３２は、制御手段５０から燃料噴射の信号が送られてくると弁を開放させ、高圧ポンプ５４から圧送されてくる燃料を噴射孔を通して燃焼室２６内に高圧で噴射させる。

高圧ポンプ５４は、燃料ポンプ４２からの低圧燃料を筒内燃料噴射装置３２を通して燃焼室２６内に噴射可能な圧力に上昇させる。また高圧ポンプ５４には、燃圧を計測する燃料圧力計５８が設けられ、燃料圧力計５８で計測された燃料圧力値が制御手段５０に送出される。尚筒内燃料噴射装置３２は、コモンレール式でなく、他の噴射方式を用いていてもよい。

制御手段５０は、計時手段５１を有し、冷態始動の制御が開始されると、計時手段５１が計測した冷態始動開始からの経過時間に従って順次、筒内燃料噴射装置３２や吸気通路内燃料噴射装置３４による燃料噴射動作を作動させ、また点火プラグ３０の点火時期を制御などする。具体的には、冷態始動開始から第１経過時間Ａまでは、吸気通路内燃料噴射装置３４に燃料噴射を行わせる。第１経過時間Ａが経過すると筒内燃料噴射装置３２により圧縮スライトリーン燃焼を行わせる。そして第２経過時間Ｂが経過すると、筒内燃料噴射装置３２による圧縮スライトリーン燃焼に加え、吸気通路内燃料噴射装置３４を作動させて吸気通路内へ燃料噴射を行わせる。更に、第３経過時間Ｃが経過すると、通常運転に移行させる。

更に制御手段５０は、燃料圧力計５８からの高圧ポンプ５４の燃料圧力値を閾値と比較し、筒内燃料噴射装置３２を作動させるか否か判断する。すなわち制御手段５０は、燃料圧力値が閾値を下回っていると判断した場合には、第１経過時間Ａが経過しても、筒内燃料噴射装置３２による圧縮スライトリーン燃焼に移行させず、吸気通路内燃料噴射装置３４で燃料を噴射させて、始動動作を継続させる。

次に、エンジン１０の冷態始動における作動についてフローチャートを用いて説明する。図２に、作動を表すフローチャートを示す。

エンジンが冷えた状態、例えば一晩駐車していて朝に始動させるときなどでは、冷態圧縮スライトリーン燃焼が行われる。つまり理論空燃比より若干薄い混合気が形成される量の燃料を、ピストン１４が圧縮行程後半にあるとき筒内燃料噴射装置３２から燃焼室２６内に噴射し、燃焼を行わせる。

エンジン１０の始動スイッチを入れる（キーを回す。）と、冷却水温度等から冷態始動の制御が選択され、制御が開始される（Ｓ−１００）。クランキングにより初爆が生じると計時手段５１が作動し、計時手段５１により初爆からの経過時間が計測される（Ｓ−１１０）。そして、吸気通路内燃料噴射装置３４が作動し、図３（ａ）に示すように所定量の燃料が吸気通路１１内に噴射（ＭＰＩ噴射）される（Ｓ−１２０）。そのとき、図３（ｂ）に示すように筒内燃料噴射装置３２は作動しない。図３（ｃ）に、両者を合計した燃料の噴射量を示す。

次に、計時開始から第１経過時間Ａが経過したか否かが判別され（Ｓ−１３０）、経過していなければステップ１２０に戻り、ＭＰＩ噴射が継続して行われる。一方ステップＳ−１３０で計時開始から第１経過時間Ａが経過したと判断されたら、制御手段５０は、燃料圧力計５８で計測された高圧ポンプ５４の燃料圧力値を閾値と比較する（Ｓ−１４０）。燃料圧力値が閾値を超えていれば、筒内燃料噴射装置３２により圧縮スライトリーン燃焼を行わせる（Ｓ−１５０）。時間Ａで圧縮スライトリーン燃焼が開始された状態を、図３（ｂ）に示す。

これにより、噴射モードは、図３（ｄ）に示すように、吸気通路内燃料噴射（ＭＰＩ）から筒内燃料噴射（ＤＩ）に変更される。また、空燃比（Ａ／Ｆ）が図３（ｅ）に示すように大きく、すなわちリーン側に移行し、点火時期が、図３（ｆ）に示すように遅延される。圧縮スライトリーン燃焼が実行されたら、計時開始から第２経過時間Ｂが経過したか否かが判別され（Ｓ−１６０）、経過されていなければステップ１５０に戻り圧縮スライトリーン燃焼が継続される。

そして計時開始から第２経過時間Ｂが経過したと判断されたら、筒内燃料噴射装置３２による圧縮スライトリーン燃焼とともに、吸気通路内燃料噴射装置３４により燃料噴射を行わせる（Ｓ−１７０）。その際筒内燃料噴射装置３２からの燃料噴射量を図３（ｂ）に示すように若干減少させ、その減少分だけ吸気通路内燃料噴射装置３４から燃料を図３（ａ）に示すように噴射させる。したがって空燃比は、圧縮スライトリーン燃焼のみを行っていたときの空燃比がほぼ維持される。また点火時期は、圧縮スライトリーン燃焼において設定されている点火時期とほぼ同等とする。噴射モードは、図３（ｄ）に示すように、吸気通路内燃料噴射（ＭＰＩ）と筒内燃料噴射（ＤＩ）の中間位置に変更される。

吸気通路内燃料噴射装置３４から噴射された燃料は、吸気弁１５の吸気通路１１側の面に当接して吸気弁１５の熱で気化され、吸気弁１５が開いた際に混合気として燃焼室２６内に吸引される。これにより、筒内燃料噴射装置３２からのみ燃料を噴射させる場合に比較して、空燃比のむらが少なく、混合気の一部が過濃になることにより発生するＨＣの排出量を低減でき、かつ燃料の未燃焼成分が排気通路１３を通して酸化触媒３６に送られ、酸化触媒３６での温度上昇が早められるとともに安定した燃焼を行わせることができる。

そして、計時開始から第３経過時間Ｃが経過したか否かが判別され（Ｓ−１８０）、経過されていなければステップ１７０に戻り、吸気通路内燃料噴射（ＭＰＩ）と筒内燃料噴射（ＤＩ）の中間の動作が継続して行われる。そして計時開始から第３経過時間Ｃが経過したなら、通常制御に移行する（Ｓ−２１０）。これは、計時開始から第３経過時間Ｃが経過すると、圧縮スライトリーン燃焼によって酸化触媒３６の温度が十分に上昇され、酸化触媒３６等が活性化されて、酸化触媒３６、およびディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）３８による排気浄化が十分に行われると判断されるからである。

一方ステップＳ−１４０において、燃料圧力計５８で計測された高圧ポンプ５４の燃料圧力値が閾値を下回っていると判定されると、筒内燃料噴射装置３２の高圧ポンプ５４に作動不良が生じていると判断される。すると、第１経過時間Ａが経過しても筒内燃料噴射装置３２による圧縮スライトリーン燃焼に移行させず、吸気通路内燃料噴射装置３４による燃料噴射を継続させる。

この場合の吸気通路内燃料噴射装置３４による作動は、圧縮スライトリーン燃焼を行ったとほぼ同様の効果が得られるように燃料噴射量や空気量を調整し、また点火プラグ３０の点火時期は、図３（ｆ）の点線に示すように、遅延の程度を緩和させる。すなわち、吸気通路内燃料噴射により、酸化触媒３６の温度が早期に上昇し、かつその間のＨＣ濃度、煤の発生を低く抑えるように制御する。

そして、計時開始から第３経過時間Ｃが経過したか否かが判別され（Ｓ−２００）、経過されていなければステップＳ−１４０に戻る。ステップＳ−１４０では、上述したと同様、燃料圧力計５８で計測された高圧ポンプ５４の燃料圧力が閾値と比較され、高圧ポンプ５４の燃料圧力値が閾値を下回っていると判定されると、そのまま吸気通路内燃料噴射装置３４による動作が継続して行われる。ステップＳ−２００にて、計時開始から第３経過時間Ｃが経過したと判断されると、ステップＳ−２１０に進み、通常制御に移行する。

一方ステップＳ−１４０に戻り、高圧ポンプ５４の燃料圧力値が閾値を上回っていると判定されると、筒内燃料噴射装置３２は正常に作動すると判断され、ステップＳ−１５０から順次ステップを進み、上述した制御に従い、筒内燃料噴射装置３２のよる圧縮スライトリーン燃焼等が実施される。

これにより、筒内燃料噴射装置３２による圧縮スライトリーン燃焼で、冷態状態のエンジン１０を安定して始動させ、同時に酸化触媒３６の温度を早期に上昇させて排ガスを浄化させることができる。そして、エンジン１０の温度、特に吸気通路１１や吸気弁１５周辺の温度が上昇したとき、吸気通路内燃料噴射装置３４による吸気通路１１内への燃料噴射を、圧縮スライトリーン燃焼に併用させることにより、圧縮スライトリーン燃焼により増加するＨＣ成分の排出量を低減させることができる。

また圧縮スライトリーン燃焼に移行する以前に、高圧ポンプ５４の作動不良等が検出された場合は、筒内燃料噴射装置３２による圧縮スライトリーン燃焼に代えて、吸気通路内燃料噴射装置３４による、吸気通路内燃料噴射を行わせることとしたので、万一筒内燃料噴射装置３２に不具合が生じていても、運転者に不安感や違和感を感じさせることなく、円滑に、かつ排気浄化作用を損なわせることなく始動させることができる。

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御に用いられる。

１０…エンジン
１１…吸気通路
１４…ピストン
１８…シリンダ
２６…燃焼室
３０…点火プラグ
３２…筒内燃料噴射装置
３４…吸気通路内燃料噴射装置
４２…燃料ポンプ
５０…制御手段
５１…計時手段
５４…高圧ポンプ
５８…燃焼圧力計

Claims (4)

1. 燃焼室に連通された吸気通路内に燃料を噴射する吸気通路内燃料噴射装置と、
   前記燃焼室内に臨ませ、前記燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内燃料噴射装置と、を備えた燃料噴射型内燃機関において、
   冷態始動後に、前記燃焼室に連通する排気通路に接続された触媒の温度を上昇させる触媒昇温制御を有し、
   前記触媒昇温制御は、冷態始動開始から第１経過時間Ａが経過した後であって、第２経過時間Ｂまでは、前記筒内燃料噴射装置による圧縮スライトリーン燃焼の昇温制御を行い、前記第２経過時間Ｂが経過した後は、前記筒内燃料噴射装置による圧縮スライトリーン燃焼に加え、前記吸気通路内燃料噴射装置による燃料噴射を行い昇温制御を行うことを特徴とする燃料噴射型内燃機関。
2. 前記触媒昇温制御は、点火時期を遅延させる制御を含み、第１経過時間Ａが経過した後、第２経過時間Ｂまでの前記筒内燃料噴射装置による圧縮スライトリーン燃焼の昇温制御時の空燃比および点火時期と、前記第２経過時間Ｂが経過した後の前記吸気通路内燃料噴射装置と前記筒内燃料噴射装置とによる昇温制御時の空燃比および点火時期とをほぼ同等とすることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射型内燃機関。
3. 前記触媒昇温制御は、前記筒内燃料噴射装置の不具合時には、前記筒内燃料噴射装置による昇温制御を行わず、前記吸気通路内燃料噴射装置のみによる昇温制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料噴射型内燃機関。
4. 前記冷態始動開始から前記第１経過時間Ａまでは、前記吸気通路内燃料噴射装置に燃料噴射を行わせることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料噴射型内燃機関。

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