JP2007198325A - 筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点火時期の大幅な遅角によって、触媒の早期活性化と後燃えによるＨＣ低減を実現する。
【解決手段】触媒コンバータの早期昇温が要求される冷間始動時に、点火時期ＡＤＶを１０°〜５０°ＡＴＤＣ程度までリタードするとともに、圧縮行程中に１回目の燃料噴射Ｉ１を行い、膨張行程中でかつ点火時期ＡＤＶから１０°〜２０°ＣＡ先行した時期に２回目の燃料噴射Ｉ２を行う。１回目の噴霧で点火プラグ近傍にコンパクトな混合気塊が形成され、２回目の噴霧で、その内側にさらにリッチな混合気塊が点火プラグ近傍に局部的に形成され、この状態の下で点火が行われる。サイクル毎の変化に対するロバスト性が高くなり、かつクエンチ領域やクレビスでのＨＣの発生が低減する。負荷による筒内圧変化に伴うペネトレーション変化を補償するように、燃圧を可変制御する。
【選択図】図２

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など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。

また、特許文献２は、本出願人が先に提案したものであって、高圧燃料噴射の噴霧エネルギによる筒内の乱れを利用することで、点火時期を圧縮上死点後までリタードした燃焼を安定的に得るようにした技術が記載されており、その一つの例として、１回目の燃料噴射を圧縮行程後期に行い、２回目の燃料噴射を膨張行程の点火の直前に行うことが開示されている。
特許第３３２５２３０号公報 特開２００５−２１４０３９号公報

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に行っているため、燃焼安定性が低く、特に、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。従って、点火時期のリタードによる排温上昇やＨＣの低減を十分に達成することができない。

しかも、１回目の噴射を吸気行程中に行うと、燃焼室内のクエンチ領域やクレビスに燃料が入り込み、ＨＣの発生源となる。

一方、特許文献２においては、１回目の燃料噴射を圧縮行程後期に行い、２回目の燃料噴射を膨張行程の点火の直前に行うが、２回目の燃料噴射による筒内の乱れに依存して燃焼が成立するので、高い燃圧が要求される。その結果、燃焼が相対的（燃圧が低い場合に比べて）に早くなり、排気温度の上昇さらにはこれに関連するＨＣの低減の点で、なお改善の余地があった。

この発明は、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁および点火プラグを備えるとともに、上記燃料噴射弁へ供給される燃圧を可変制御する燃圧可変手段を備え、所定の運転状態のときに、点火時期を圧縮上死点後に設定した超リタード燃焼を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、
超リタード燃焼時には、圧縮行程中に１回目の燃料噴射を行い、点火プラグ近傍の燃焼室の一部にリッチな混合気を形成するとともに、
局部的にさらにリッチな混合気が点火時期に点火プラグに到達するように点火時期から所定期間先行したタイミングでかつ膨張行程中に２回目の燃料噴射を行い、
点火プラグ近傍の燃焼室の一部に２段階の成層混合気を形成した状態で点火するように構成するとともに、
筒内圧変化によるペネトレーション変化を補償するように上記燃圧を制御することを特徴としている。

すなわち、この発明では、燃料噴射の噴霧エネルギに依存せずに、比較的低い燃圧での２回の燃料噴射によって、燃焼室内にコンパクトな成層混合気を形成する。そして、特に、点火時期においては、２回目の燃料噴射の噴霧によって局部的にリッチな混合気塊が点火プラグ近傍に存在し、その周囲を囲んで、１回目の燃料噴射による理論空燃比よりはリッチでかつ点火プラグ付近よりは希薄な混合気塊が存在した状態となる。つまり、濃度が２段階に異なるコンパクトな成層混合気を形成し、この状態で点火を行う。なお、１回目の燃料噴射による混合気は、燃焼室全体には拡散しないようにすることが望ましい。

このような燃焼方式によれば、サイクル毎の微小な回転数の変化や微小な負荷の変化などに対し安定した燃焼が可能である。そして、２回の燃料噴射をいずれも筒内圧の高い場に比較的低い燃圧で噴射するので、噴霧がコンパクトとなって、クエンチ領域やクレビスに入りにくく、従って、ＨＣの発生が抑制される。また、比較的低い燃圧の利用が可能となることから、燃焼速度を抑制でき、排気温度の上昇やＨＣの低減の上で有利となる。

一方、内燃機関の負荷や外気圧等によって上死点付近での筒内圧が変化すると、噴射された燃料噴霧のペネトレーション（貫徹力）つまり噴霧到達距離が変化する。例えば負荷が上昇すると、空気量の増加に伴い筒内圧が高くなるため、ペネトレーションが小さくなる。そのため、特に２回目の燃料噴射の噴霧が所期のタイミングで点火プラグ近傍に正しく到達しなくなる。また逆に、負荷ひいては筒内圧が低く、ペネトレーションが所期のものよりも大となると、噴霧が過度に拡散し、コンパクトな成層混合気とならずに例えばクエンチ領域やクレビスに入り込んでしまう。そこで、本発明では、このような筒内圧変化によるペネトレーション変化を補償するように、燃圧が制御される。

例えば、超リタード燃焼時に、負荷が大きいほど燃圧が高く制御され、同じく、外気圧が高いほど燃圧が高く制御される。あるいは、実圧縮比を変更する可変動弁機構もしくは可変圧縮比機構を備えているような場合には、実圧縮比の変更に伴って上死点付近での筒内圧が変化するので、実圧縮比が高いほど燃圧が高く制御される。これにより、筒内圧の変化に影響されずに適正な成層混合気が形成され、安定した燃焼が確保される。

この発明によれば、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が向上し、例えば冷間始動の際に、排気温度の上昇により触媒の早期活性化およびＨＣ低減を達成することができる。しかも、負荷や実圧縮比等の変化に伴う筒内圧変化に影響されずに安定した燃焼が可能となる。

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。ここで、上記プレッシャレギュレータ１７は、燃圧可変手段として、燃料噴射弁１５に供給される燃料の燃圧を、比較的広い範囲で変化させることができる構成となっている。

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、燃圧、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、プレッシャレギュレータ１７による燃圧、等を制御する。

暖機完了後においては、通常の成層燃焼運転ないしは均質燃焼運転が行われる。例えば、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、例えば空燃比をリーンとした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。

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、超リタード燃焼の際の燃料噴射時期および点火時期の一実施例を示しており、点火時期ＡＤＶは、排気温度を十分に高く得るために、１０°〜５０°ＡＴＤＣに設定される。つまり、期間Ｂは、１０°〜５０°ＣＡである。また、圧縮行程中に１回目の燃料噴射Ｉ１を行い、かつ膨張行程中に２回目の燃料噴射Ｉ２を行う。１回目の燃料噴射Ｉ１は、点火プラグ１４近傍の燃焼室３の一部に拡がったリッチな混合気を形成するためのものであり、その燃料噴射時期（詳しくは燃料噴射開始時期）から点火時期ＡＤＶまでの期間Ｃが、例えば５０°〜１４０°ＣＡに設定される。つまり、この１回目の燃料噴射Ｉ１による燃料噴霧が、燃焼室３内にある程度拡散するものの、過度に拡散しないように、その燃料噴射時期が設定される。期間Ｃが過度に長いと、燃料噴霧が拡散し過ぎ、クエンチ領域やクレビス内に燃料成分が入ってしまう。

そして、膨張行程中の２回目の燃料噴射Ｉ２は、局部的にさらにリッチな混合気塊が点火時期ＡＤＶにおいてちょうど点火プラグ１４に到達するように、点火時期ＡＤＶから所定期間Ａだけ先行したタイミングに行われる。この燃料噴射時期（詳しくは燃料噴射開始時期）から点火時期ＡＤＶまでの期間Ａは、基本的に燃料噴射弁１５から点火プラグ１４までの距離に相関するが、例えば、１０°〜２０°ＣＡである。

なお、このとき、空燃比（２回の噴射による燃焼室全体の平均的空燃比）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。これにより、ＨＣの後燃えに必要な必要十分な量の酸素が確保される。

また、燃料噴霧のエネルギによる乱れに依存せずに燃焼を行うので、燃圧としては、後述するように燃焼が成立する範囲内で、比較的低い燃圧が用いられる。そして、この燃圧は、筒内圧変化によるペネトレーション変化を補償するように、負荷に応じて制御される。

上記のように燃料噴射を行うことにより、点火時期ＡＤＶにおいては、図３に示すように、点火プラグ１４を囲む２段階の濃度を有するコンパクトな成層混合気が形成される。つまり、１回目の燃料噴射Ｉ１によって、理論空燃比よりもリッチな第１の混合気塊が符号３１で示すように点火プラグ１４近傍の燃焼室３の一部に形成され、その内側に、２回目の燃料噴射Ｉ２による、さらにリッチな第２の混合気塊が符号３２に示すように点火プラグ１４近傍に局部的に形成される。２回の燃料噴射は、いずれも上死点近傍の筒内圧が高い場に向かって行われ、かつ燃圧も比較的低いので、いずれの噴霧もコンパクトなものとなり、第１の混合気塊３１の外側は、基本的に燃料が拡散していない新気の層となる。そして、このように成層化した状態で点火プラグ１４により第２の混合気塊３２に点火が行われ、比較的に緩慢に燃焼が行われる。

この本発明の方式のリタード燃焼では、１回目の燃料噴射Ｉ１の噴射時期は、燃焼安定性つまり失火率やトルク変動に殆ど影響せず、また２回目の燃料噴射Ｉ２の噴射時期の変動が失火率やトルク変動に与える影響も小さい。

図４は、膨張行程噴射つまり２回目の燃料噴射Ｉ２の噴射時期が最適噴射時期から変化した場合の失火率およびトルク変動の変化を示しており、実施例の特性では、噴射時期が多少変化しても、失火率やトルク変動が急激に悪化しない。これに対し、膨張行程中に１回に全量を噴射する参考例の特性では、その噴射時期が最適噴射時期から僅かでも変化すると、失火率やトルク変動が急激に悪化してしまう。

従って、本発明のものでは、サイクル毎の微小な回転数の変化や微小な負荷の変化などにより２回目の燃料噴射Ｉ２の噴射時期の最適値が変化しても、失火率やトルク変動が増大することがなく、安定した燃焼が得られる。つまりサイクル変化に対するロバスト性が高いものとなる。

また、本発明では、混合気がコンパクトとなり、クエンチ領域やクレビスに燃料成分が入り込まないので、これらの箇所から発生するＨＣが低減する。

さらに、図５の（ａ）に示すように、本発明の燃焼方式では、燃圧を低くしても燃焼の悪化（例えばトルク変動）が少なく、他方、燃圧を低くすることで、（ｂ）に示すように、排気温度がより高く得られ、かつこれに伴って、（ｃ）に示すように、ＨＣ排出量が低減する。これは、燃圧を低くすることで、燃焼が遅くなり、より遅くまで燃焼が行われるためである。従って、本発明では、燃焼が成立する範囲内で、燃圧を低くすることが望ましい。これにより、排気温度がより高く得られ、かつＨＣがより低減する。

一方、燃料噴射弁１５から噴射される噴霧の到達距離つまりペネトレーションは、図６に示すように、噴射時の筒内圧が高いほど減少する傾向にある。そして、前述したように、負荷が増加すると、空気量の増加に伴い筒内圧が相対的に高くなる。またペネトレーションは、燃圧に相関し、図７に示すように、燃圧が高いほどペネトレーションが大となる。そこで、この実施例では、図８に示すように、筒内圧つまり負荷が高いほど燃圧が高くなるように、負荷に応じて燃圧が可変制御される。これによって、負荷によるペネトレーションの変化と燃圧によるペネトレーションの変化とが互いに相殺され、筒内圧の変化の影響を排除することができる。つまり、所期の成層混合気がより安定的に確保され、安定した着火・燃焼が可能となる。

なお、筒内圧は、負荷のほか、外気圧や実圧縮比によっても影響を受ける。従って、例えば、外気圧を検出もしくは推定し、これに対応して燃圧を可変制御するようにしてもよい。あるいは、可変圧縮比機構を備えた内燃機関にあっては、可変制御される圧縮比に応じて燃圧を可変制御することが望ましい。また、例えば、吸気弁側に可変動弁機構を備えた内燃機関において、吸気弁閉時期を可変制御すると、実圧縮比ひいては筒内圧が変化するので、同様に、実圧縮比に応じて燃圧を可変制御することが望ましい。

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示す特性図。 燃焼室内に形成される成層混合気の状態を示す説明図。 膨張行程噴射の噴射時期と（ａ）トルク変動および（ｂ）失火率との関係を示す特性図。 燃圧と、（ａ）トルク変動、（ｂ）排気温度、（ｃ）ＨＣ排出量、との関係を示す特性図。 筒内圧とペネトレーションとの関係を示す特性図。 燃圧とペネトレーションとの関係を示す特性図。 筒内圧（負荷）に対する燃圧の特性を示す特性図。

符号の説明

３…燃焼室
１０…触媒コンバータ
１４…点火プラグ
１５…燃料噴射弁
１７…プレッシャレギュレータ
２５…コントロールユニット

Claims (10)

1. 筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁および点火プラグを備えるとともに、上記燃料噴射弁へ供給される燃圧を可変制御する燃圧可変手段を備え、所定の運転状態のときに、点火時期を圧縮上死点後に設定した超リタード燃焼を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、
   超リタード燃焼時には、圧縮行程中に１回目の燃料噴射を行い、点火プラグ近傍の燃焼室の一部にリッチな混合気を形成するとともに、
   局部的にさらにリッチな混合気が点火時期に点火プラグに到達するように点火時期から所定期間先行したタイミングでかつ膨張行程中に２回目の燃料噴射を行い、
   点火プラグ近傍の燃焼室の一部に２段階の成層混合気を形成した状態で点火するように構成するとともに、
   筒内圧変化によるペネトレーション変化を補償するように上記燃圧を制御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. 超リタード燃焼における点火時期は、圧縮上死点後１０°〜５０°ＣＡであ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. ２回目の燃料噴射の噴射開始時期から点火時期までの期間が１０°〜２０°ＣＡであることを特徴とする請求項１または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. １回目の燃料噴射の噴射開始時期から点火時期までの期間が５０°〜１４０°ＣＡ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１〜４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。
6. 所定の運転状態として、排気ガス温度の昇温が要求されたときに、上記超リタード燃焼を実行することを特徴とする請求項１〜５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。
7. 燃焼が成立する範囲内で低い燃圧を用いることを特徴とする請求項１〜６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。
8. 超リタード燃焼時に、負荷が大きいほど燃圧が高く制御されることを特徴とする請求項１〜７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。
9. 実圧縮比を変更する可変動弁機構もしくは可変圧縮比機構をさらに備え、超リタード燃焼時に、実圧縮比が高いほど燃圧が高く制御されることを特徴とする請求項１〜７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。
10. 超リタード燃焼時に、外気圧が高いほど燃圧が高く制御されることを特徴とする請求項１〜７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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