JP2010138819A - 筒内直接噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】成層燃焼時の燃焼安定性を確保する。
【解決手段】リタード燃焼時には、１燃焼サイクル中に燃料噴射を２回行い、かつ２回目の燃料噴射で噴射された燃料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時期にピストン冠面のキャビティに向け２回目の燃料噴射を行い、燃焼室３内の点火プラグ１４の周辺に成層混合気を形成した状態で点火する筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、リタード燃焼時には、２回目の燃料噴射の燃料噴射時期と点火時期に応じて、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射との噴射割合を変更する。これにより、点火時期のリタードに応じて２回目の燃料噴射量を増減でき、燃焼安定性を確保しつつ更なる点火時期のリタードが可能となり、後燃えによる排気温度上昇とＨＣ低減を実現できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、筒内直接噴射式火花点火内燃機関に関する。

例えば、特許文献１には、１燃焼サイクル当たりの吸入空気量で完全燃焼させることができるトータル燃料量を２回に分けて燃焼室内に直接噴射すると共に、圧縮行程で行う２回目の燃料噴射をピストン冠面に形成されたキャビティで反射させて点火プラグ近傍に成層混合気を形成して成層ストイキ燃焼を行う内燃機関が開示されている。
特開２００２−１３００２４号公報

しかしながら、この特許文献１に開示されているような内燃機関において成層ストイキ燃焼を行う場合、点火時期をリタードするにつれて燃焼室内で混合気が拡散し、点火プラグ周りの混合気がリーンとなってしまい、燃焼安定性が悪化してしまうという問題がある。

そこで、本発明の筒内直接噴射式火花点火内燃機関は、１燃焼サイクル中に燃料噴射を２回行い、かつ２回目の燃料噴射で噴射された燃料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ピストン冠面に形成されたキャビティに向けて２回目の燃料噴射を行い、燃焼室内の点火プラグの周辺に２段階の成層混合気を形成した状態で点火するリタード燃焼時に、２回目の燃料噴射の燃料噴射時期と点火時期に応じて、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射との噴射割合を変更することを特徴としている。

本発明によれば、リタード燃焼時においても、点火時期に応じて２回目の燃料噴射量を増減させることができ、燃焼安定性を確保しつつ結果的に更なる点火時期のリタードが可能となり、後燃えによる一層の排気温度上昇とＨＣ低減を実現することができる。

以下、本発明の一実施形態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。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共に、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共に、その上流側及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、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及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、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共に、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。

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共に、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の燃料噴射時期及び燃料噴射量、点火プラグ１４の点火時期、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、１燃焼サイクルで必要な燃料を１燃焼サイクル中に２回に分けて噴射し、点火時期を圧縮上死点後に設定したリタード燃焼を行うものであり、以下、このリタード燃焼について詳述する。

本実施形態におけるリタード燃焼は、図２に示すように、１燃焼サイクル中の２回目の燃料噴射で噴射された燃料が点火時期に点火プラグ１４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ピストン冠面に形成されたキャビティに向けて２回目の燃料噴射を圧縮行程中に行い、燃焼室３内の点火プラグ１４の周辺に２段階の成層混合気を形成した状態で点火するものである。そのため、リタード燃焼時には、２回目の燃料噴射の燃料噴射時期と点火時期に応じて、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射との噴射割合を変更する。

すなわち、通常のリタード燃焼時においては、燃焼安定度が成立し、かつ最も点火時期がリタードできる２回目の燃料噴射時期（ＩＴ２）、及び１燃焼サイクル中の１回目の燃路噴射と２回目の燃路噴射との噴射割合である分割比が設定される。そして、図２及び図３に示すように、通常のリタード燃焼時に、アイドルスピードコントロール要求（内燃機関の機関回転数を目標回転数とする要求）から点火時期を変更する場合には、この点火時期の変更に応じて２回目の燃料噴射量の噴射割合（分割比）を変更すると共に、この噴射割合の変更に伴い２回目の燃料噴射の燃料噴射期間を変更し、さらに２回目の燃料噴射の燃料噴射期間の中心が一定の時期となるように２回目の燃料噴射時期（ＩＴ２）を変更する。

詳述すると、点火時期を通常のリタード燃焼時よりもさらにリタードさせる場合には、２回目の燃料噴射量の噴射割合を増加（分割比を増加）させると共に、２回目の燃料噴射期間が長くなる分だけ２回目の燃料噴射の噴射開始時期（ＩＴ２ｓｔａｒｔ）を通常のリタード燃焼時の２回目の燃料噴射の噴射開始時期（ＩＴ２ｓｔａｒｔ）に対して進角させる。一方、点火時期を通常のリタード燃焼時よりも進角させる場合には、２回目の燃料噴射量の噴射割合を減少（分割比を減少）させると共に、２回目の燃料噴射期間が短くなる分だけ２回目の燃料噴射の噴射開始時期（ＩＴ２ｓｔａｒｔ）を通常のリタード燃焼時の２回目の燃料噴射の噴射開始時期（ＩＴ２ｓｔａｒｔ）に対して遅角させる。

また、このようなリタード燃焼から１燃焼サイクル中に燃料噴射を１回行う均質燃焼への過渡時においては、１燃焼サイクル中に燃料噴射を２回行うと共に、２回目の燃料噴射の噴射時期と点火時期との間隔が短くなるほど、２回目の燃料噴射量が少なくなるよう前記噴射割合を変更する。

図４は、リタード燃焼時のタイミングチャートを示している。図４中に破線で示すように、リタード燃焼時の噴射割合（分割比）が一定値に固定される場合には、燃焼安定度限界から点火時期を変更することができなかった。また、リタード燃焼から均質燃焼に移行する際にも、図４中に破線で示すように、点火時期リタード要求からリタード燃焼時の２回目の燃料噴射量を多くするように設定した場合、点火時期が進角した場合に燃料噴射量が低下し、燃料噴射弁の最小流量制限（Ｑｍｉｎ）に到達してしまうという問題があった。

しかしながら、本実施形態においては、前述したように、点火時期を通常のリタード燃焼時よりもさらにリタードさせる場合には、図４中に実線で示すように、２回目の燃料噴射量の噴射割合を増加（分割比を増加）させることで、燃焼安定度を損なうことなく２回目の燃料噴射の噴射開始時期（ＩＴ２ｓｔａｒｔ）を通常のリタード燃焼時の２回目の燃料噴射の噴射開始時期（ＩＴ２ｓｔａｒｔ）に対して進角させることできる。そして、点火時期を通常のリタード燃焼時よりも進角させる場合には、図４中に一点鎖線で示すように、前記噴射割合を減少（分割比を減少）させることで、燃焼安定度を損なうことなく２回目の燃料噴射の噴射開始時期（ＩＴ２ｓｔａｒｔ）を通常のリタード燃焼時の２回目の燃料噴射の噴射開始時期（ＩＴ２ｓｔａｒｔ）に対して遅角させることができる。

つまり、リタード燃焼時において、内燃機関の回転変動を抑制するために点火時期の変更要求があった場合でも、１サイクル中の２回目の燃料噴射の噴射開始時期と点火時期に応じて前記噴射割合を変更することで、２回目の燃料噴射による噴霧のキャビティへの当たり方を同一条件とすることができ、２回目の燃料噴射の燃料噴射期間の変更に伴う燃焼安定度の悪化を防止することができる。

また、点火時期のリタードに応じて２回目の燃料噴射量を増減させることができるので、前記噴射割合を一定とする場合に比べて、更なる点火時期のリタードが可能となり、後燃えによる一層の排気温度上昇と一層のＨＣ低減を実現することができる。

そして、このようなリタード燃焼から１燃焼サイクル中に燃料噴射を１回行う均質燃焼への過渡時においては、１燃焼サイクル中に燃料噴射を２回行うと共に、２回目の燃料噴射の噴射時期と点火時期との間隔が短くなるほど、２回目の燃料噴射量が少なくなるよう前記噴射割合を変更しているので、リタード燃焼と均質燃焼と過渡時において、燃焼安定度を悪化させることなく点火時期を変化させることが可能となる。

図５は、本実施形態におけるリタード燃焼時の制御の流れを示すフローチャートである。

Ｓ１では、リタード燃焼が実施されているか否かを判定し、リタード燃焼が既に実施されている場合にはＳ４へ進み、リタード燃焼が実施されていない場合にはＳ２へ進む。

Ｓ２では、リタード燃焼の実施条件が成立しているか否かを判定する。例えば、触媒コンバータ１０の温度が予め設定された所定温度よりも低い冷間始動時に、リタード燃焼の実施条件が成立していると判定する。

Ｓ３では、１燃焼サイクル中に２回の燃料噴射を行うリタード燃焼を実施する際、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射との噴射割合である分割比を設定する。すなわち、通常のリタード燃焼時の分割比が設定される。

Ｓ４では、均質燃焼への切替条件が成立しているか否かを判定し、均質燃焼への切替条件が成立している場合にはＳ５へ進む。均質燃焼への切替条件としては、例えば、触媒コンバータ１０の温度が触媒活性化温度まで上昇した場合（触媒暖機完了時）に、均質燃焼への切替条件が成立したと判定する。

Ｓ５では、１燃焼サイクル中の燃料の噴射回数を２回に維持しつつ点火時期を均質燃焼を行う際の点火時期に向けて所定量進角させる。そして、２回目の燃料噴射の噴射時期と点火時期との間隔が短くなるほど、１燃焼サイクル中の２回目の燃料噴射量が少なくなるように、１燃焼サイクル中の１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射の噴射割合（分割比）を変更する。

Ｓ６では、点火時期が均質燃焼へ切り替えられる点火時期まで進角したか否かを判定し、進角した場合にはＳ７へ進み、そうでない場合にはＳ５へ進む。

Ｓ７では、燃焼方式を均質燃焼に切り替える。

一方、Ｓ４で、均質燃焼への切替条件が成立していないと判定された場合はＳ８へ進む。

Ｓ８では、アイドルスピードコントロール要求（内燃機関の機関回転数を目標回転数とする要求）から点火時期を変更する要求があるか否かを判定し、リタード燃焼の実施中に点火時期の変更要求がある場合にはＳ９へ進む。

Ｓ９では、点火時期の変更要求に従い、点火時期を通常のリタード燃焼時の点火時期から変更し、この点火時期の変更に応じて２回目の燃料噴射量の噴射割合（分割比）を変更すると共に、この噴射割合の変更に伴い２回目の燃料噴射の燃料噴射期間を変更し、さらに２回目の燃料噴射の燃料噴射期間の中心が一定の時期となるように２回目の燃料噴射時期（ＩＴ２）を変更する。

Ｓ１０では、アイドルスピードコントロール要求（内燃機関の機関回転数を目標回転数とする要求）から点火時期を変更する要求が終了したか否かを判定し、点火時期の変更要求が終了していない場合にはＳ９へ戻り、点火時期の変更要求が終了してた場合には点火時期を通常のリタード燃焼時の点火時期に戻し、通常のリタード燃焼を再開して今回のルーチンを終了する。

上述した実施形態から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。

（１） 筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁及び点火プラグを備え、噴射された燃料をピストン冠面に形成されたキャビティで反射させて点火プラグ近傍に成層混合気を形成可能であると共に、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リタード燃焼を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関であって、リタード燃焼時には、１燃焼サイクル中に燃料噴射を２回行い、かつ２回目の燃料噴射で噴射された燃料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ピストン冠面に形成されたキャビティに向けて２回目の燃料噴射を行い、燃焼室内の点火プラグの周辺に２段階の成層混合気を形成した状態で点火する筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、リタード燃焼時には、２回目の燃料噴射の燃料噴射時期と点火時期に応じて、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射との噴射割合を変更する。これによって、点火時期のリタードに応じて２回目の燃料噴射量を増減させることができ、燃焼安定性を確保しつつ更なる点火時期のリタードが可能となり、後燃えによる排気温度上昇とＨＣ低減を実現することができる。

（２） 前記（１）に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、前記リタード燃焼と１燃焼サイクル中に燃料噴射を１回行う均質燃焼との過渡時においては、１燃焼サイクル中に燃料噴射を２回行うと共に、２回目の燃料噴射の噴射時期と点火時期との間隔が短くなるほど、２回目の燃料噴射量が少なくなるよう前記噴射割合を変更する。これによって、リタード燃焼と均質燃焼と過渡時において、燃焼安定度を悪化させることなく点火時期を変化させることが可能となる。

（３） 前記（１）または（２）に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、前記噴射割合の変更に伴い２回目の燃料噴射の燃料噴射期間が変更される際には、２回目の燃料噴射の燃料噴射期間の中心が一定の時期となるように、２回目の燃料噴射の噴射開始時期を設定する。これによって、噴射割合の変更に伴い２回目の燃料噴射の燃料噴射期間が変更されても、２回目の燃料噴射による噴霧のキャビティへの当たり方を同一条件とすることができ、２回目の燃料噴射の燃料噴射期間の変更に伴う燃焼安定度の悪化を防止することができる。

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。 リタード燃焼時において、２回目の燃料噴射の燃料噴射時期と点火時期とに応じた噴射割合の変更の様子を模式的に示した説明図。 リタード燃焼時において、２回目の燃料噴射の燃料噴射時期と噴射割合との相関を模式的に示した説明図。 リタード燃焼時のタイミングチャート。 リタード燃焼時の制御の流れを示すフローチャート。

符号の説明

３…燃焼室
１４…点火プラグ
１５…燃料噴射弁
２５…コントロールユニット

Claims (3)

1. 筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁及び点火プラグを備え、噴射された燃料をピストン冠面に形成されたキャビティで反射させて点火プラグ近傍に成層混合気を形成可能であると共に、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リタード燃焼を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関であって、
   リタード燃焼時には、１燃焼サイクル中に燃料噴射を２回行い、かつ２回目の燃料噴射で噴射された燃料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ピストン冠面に形成されたキャビティに向けて２回目の燃料噴射を行い、燃焼室内の点火プラグの周辺に２段階の成層混合気を形成した状態で点火する筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、
   リタード燃焼時には、２回目の燃料噴射の燃料噴射時期と点火時期に応じて、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射との噴射割合を変更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。
2. 前記リタード燃焼と１燃焼サイクル中に燃料噴射を１回行う均質燃焼との過渡時においては、１燃焼サイクル中に燃料噴射を２回行うと共に、２回目の燃料噴射の噴射時期と点火時期との間隔が短くなるほど、２回目の燃料噴射量が少なくなるよう前記噴射割合を変更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。
3. 前記噴射割合の変更に伴い２回目の燃料噴射の燃料噴射期間が変更される際には、２回目の燃料噴射の燃料噴射期間の中心が一定の時期となるように、２回目の燃料噴射の噴射開始時期を設定す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。

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