(57)【要約】【課題】点火時期の大幅な遅角と燃焼安定度とを両立させ、冷機時の排気ガス温度の昇温とＨＣ排出量低減とを実現する。【解決手段】冷却水温が８０℃を越えた暖機完了状態では、通常の成層燃焼運転および均質燃焼運転を行う。８０℃以下の冷機状態では、触媒コンバータの活性化促進とＨＣ排出量低減のために、上死点噴射運転モードとして、噴射開始時期ＩＴＳが圧縮上死点前、噴射終了時期ＩＴＥが上死点後となるように、上死点を跨いで燃料噴射が行われる。点火時期ＡＤＶは、上死点後となる。圧縮上死点では、スワールやタンブルが減衰して微小な乱れが活発化しており、ピストンの位置変化も少ないので、安定した燃焼を実現できる。燃料性状の判別を行い、重質ガソリン使用時には、燃焼安定度の悪化を抑制するために、点火時期および燃料噴射開始時期を、進角補正する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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、所定の運転状態のときに、上死点噴射運転モードとして、燃料噴射を、噴射開始時期が圧縮上死点前で噴射終了時期が圧縮上死点後となるように圧縮上死点を跨ぐ期間に行い、かつ、上記噴射開始時期から遅れた圧縮上死点後に点火を行うとともに、燃料性状の判定に基づき、重質ガソリン使用時には点火時期を進角補正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。
【請求項２】
重質ガソリン使用時には、さらに燃料噴射時期を進角補正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。
【請求項３】
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、上記上死点噴射運転モードを実行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の制御装置。
【請求項４】
上記上死点噴射運転モードにおける基本的な点火時期が、冷却水温に応じて設定され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。
【請求項５】
上記上死点噴射運転モードにおける基本的な燃料噴射開始時期が、冷却水温に応じて設定され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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、その噴射時期および点火時期の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、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にあるときに、圧縮行程中に燃料噴射を行い、かつ、点火時期を圧縮上死点よりも遅角させる技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−３３６４６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
内燃機関冷機時の触媒の早期活性化を図るべく排気ガス温度を昇温させるとともにＨＣを低減するためには、点火時期をなるべく大きく遅角させることが望ましいが、点火時期を大幅に遅角すると、燃焼安定度が悪化するため、燃焼安定度の観点から定まるある限界よりも遅角することはできない。特許文献１のような従来の技術では、特に冷機時のような条件下において、安定した燃焼の確保が難しく、燃焼安定度から定まる点火時期の遅角限界が比較的進み側にあり、十分な点火時期の遅角を実現することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、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、所定の運転状態のとき、例えば冷機時のような排気ガス温度の昇温が必要な場合などに、上死点噴射運転モードとして、燃料噴射を、噴射開始時期が圧縮上死点前で噴射終了時期が圧縮上死点後となるように圧縮上死点を跨ぐ期間に行い、かつ、上記噴射開始時期から遅れた圧縮上死点後に点火を行うことを特徴としている。そして、特に、燃料性状の判定に基づき、重質ガソリン使用時には点火時期を進角補正するようにしている。
【０００５】
図１は、本発明の上死点噴射運転モードにおける燃料噴射期間および点火時期を筒内圧変化とともに例示したものであり、噴射開始時期ＩＴＳが圧縮上死点（ＴＤＣ）前、噴射終了時期ＩＴＥが圧縮上死点（ＴＤＣ）後となる。その間の噴射期間Ｔの長さは、噴射量に相当する。点火時期ＡＤＶは、圧縮上死点（ＴＤＣ）後であり、噴射開始時期ＩＴＳから所定クランク角（例えば１０°ＣＡ〜２５°ＣＡ）遅れた時期となる。この遅れ期間Ｄは、一般に、燃料噴射弁から点火プラグまでの距離に相関する。
【０００６】
なお、圧縮上死点（ＴＤＣ）を中心として前半の圧縮上死点前の期間と後半の圧縮上死点後の期間とがほぼ等しくなるように、噴射開始時期ＩＴＳおよび噴射終了時期ＩＴＥを制御するようにしてもよい。
【０００７】
図２は、内燃機関の１サイクル中のピストンストロークによるピストン位置変化量と燃焼室の体積変化量とを示したものである。図示するように、単位クランク角当たりの変化量は、ストロークの中間位置付近で最も大きく、下死点（ＢＤＣ）付近ならびに上死点（ＴＤＣ）付近では、非常に小さい。従って、本発明で燃料噴射を行う圧縮上死点付近は、ピストン位置変化や体積変化が非常に小さく、ピストンの動き等に影響されない安定した場が形成され得る。
【０００８】
また、筒内には、吸気行程において、スワール流やタンブル流といった比較的大きな流れのガス流動が発生し、圧縮行程においても残存しているが、このようなスワール流やタンブル流といった大きな流れは、ピストンが圧縮上死点付近に達して燃焼室が狭小なものとなると、急激に崩壊する。図３は、種々の機関回転数の下での燃焼室内の大きな流れの流速変化を示したものであり、図示するように、回転数に応じた強さのスワール流ないしタンブル流が発生するが、圧縮上死点（３６０°ＣＡ）に達する前に、急激に崩壊する。従って、本発明において圧縮上死点付近で噴射された燃料噴霧は、スワール流やタンブル流のような大きな流れにより動かされることがなく、点火プラグに対し、常に安定した形で噴霧を形成することが可能である。
【０００９】
一方、上記のスワール流やタンブル流といった比較的大きな流れのエネルギは、その流れの崩壊に伴って、微小な乱れへと遷移する。従って、燃焼室内の微小な乱れは、圧縮上死点の直前に、急激に増大する。図４は、図３に示した流れの崩壊に伴って生じる微小な乱れの強さを、流速に換算していわゆる乱れ流速として示したものであり、図示するように、圧縮上死点直前に、乱れが大きく増加する。このような微小な乱れは、燃焼場の活性化に寄与し、燃焼改善作用が得られる。
【００１０】
つまり、燃料が噴射される圧縮上死点付近での燃焼室内の場は、噴霧を動かしてしまうような大きな流れが存在せず、かつ燃焼を活発化させる微小な乱れが多く存在し、しかも、ピストンの動きに対し非常に安定した場となる。従って、圧縮上死点よりも遅角した点火時期でもって、安定した燃焼が可能であり、燃焼安定度の上で制限される点火時期の遅角限界が、より遅角側となる。そのため、点火時期の大幅な遅角により、排気ガス温度を大幅に昇温させることができ、かつＨＣ排出量が低減する。
【００１１】
ここで、上記のような燃料噴射時期および点火時期は、基本的に、燃料として非重質ガソリンを使用することを前提として設定されている。これに対し、燃料として重質ガソリンを使用すると、燃焼安定度が低下する。そのため、本発明では、公知の種々の手法により使用中の燃料性状の判定を行い、重質ガソリンであると判定した場合には、非重質ガソリン使用時よりも点火時期を進角補正する。これにより、重質ガソリン使用時にも、燃焼の不安定化を招来することがない。
【００１２】
また、本発明の一つの態様では、重質ガソリン使用時に、さらに燃料噴射時期を進角補正する。重質ガソリンは非重質ガソリンよりも気化が遅れるが、このように燃料噴射時期を進角補正することで気化時間の不足が補われる。
【００１３】
上記上死点噴射運転モードにおける基本的な点火時期ならびに基本的な燃料噴射開始時期は、例えば、冷却水温に応じて設定され、低温であるほど進角側に設定される。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、点火時期を圧縮上死点よりも大幅に遅角させた状態で安定した燃焼を得ることができ、例えば内燃機関の冷機時に、排気ガス温度を昇温させて触媒の早期活性化を図ることができるとともに、ＨＣ排出量の低減が可能となる。そして、重質ガソリン使用時に点火時期を進角補正することで、重質ガソリン使用時にも安定した燃焼を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
図５〜図７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一実施例を示しており、特に、図５，図６は、一つの気筒の構成を示し、図７は機関全体のシステム構成を示している。
【００１７】
図５，図６に示すように、シリンダブロック１に形成されたシリンダ２にピストン３が摺動可能に配置されているとともに、シリンダブロック１上面に固定されたシリンダヘッド４と上記ピストン３との間に、燃焼室５が形成されている。上記シリンダヘッド４には、吸気弁６によって開閉される吸気ポート７と、排気弁８によって開閉される排気ポート９と、が形成されている。１つの気筒に対し、一対の吸気弁６と一対の排気弁８とが設けられており、これらの４つの弁に囲まれた燃焼室５天井面中心部に、点火プラグ１０が配置されている。また、この実施例では、運転状態によってタンブル流を強化することができるように、吸気ポート７内に、該吸気ポート７内を上下２つの流路に区画する隔壁１１が設けられているとともに、その下側の流路を上流端で開閉するタンブル制御弁１２が設けられている。当業者には容易に理解できるように、タンブル制御弁１２によって下側の流路を閉塞した状態ではタンブル流が強化され、タンブル制御弁１２を開いた状態ではタンブル流が弱まる。なお、このタンブル制御弁１２は本発明において必ずしも必須のものではなく、省略することも可能であり、また、これに代えて、公知のスワール制御弁を設けるようにしてもよい。
【００１８】
上記シリンダヘッド４の吸気ポート７の下側、より詳しくは一対の吸気ポート７の中間部の位置には、筒内へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁１５が配置されている。つまり、この燃料噴射弁１５は、燃焼室５の吸気弁６側の側部に位置し、平面図上において図示せぬピストンピンと直交する方向に沿って燃料を噴射するように配置されているとともに、図５の断面図上において、斜め下方を指向して配置されている。但し、下方への傾斜角は比較的小さく、つまり水平に近い方向へ燃料を噴射する。
【００１９】
一方、ピストン３の頂部は、ペントルーフ型をなす燃焼室５天井面の傾斜に沿った凸部形状をなしているとともに、その中央部に、平面図上において略矩形をなす凹部１６が形成されている。この凹部１６の底面は、タンブル流に沿うように、所定の曲率半径の円弧面ないしは円弧に近似した湾曲面をなしている。
【００２０】
図７に示すように、この実施例の内燃機関は、例えば直列４気筒機関であり、各気筒の排気ポート９が接続された排気通路２１に、排気浄化用の触媒コンバータ２２が設けられており、その上流側に、酸素センサ等の空燃比センサ２３が配置されている。また、各気筒の吸気ポート７が接続された吸気通路２４は、その入口側に、制御信号により開閉される電子制御スロットル弁２５を備えている。上記排気通路２１と上記吸気通路２４との間には、排気還流通路２６が設けられており、その途中に、排気還流制御弁２７が介装されている。また、各気筒のタンブル制御弁１２は、ソレノイドバルブ２８を介して導入される吸入負圧により動作する負圧式タンブル制御アクチュエータ２９によって、一斉に開閉される構成となっている。
【００２１】
また、上記燃料噴射弁１５には、燃料ポンプ３１およびプレッシャレギュレータ３２によって所定圧力に調圧された燃料が、燃料ギャラリ３３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、本実施例では、燃圧は常に一定に維持される。また、各気筒の点火プラグ１０は、イグニッションコイル３４に接続されている。
【００２２】
上記内燃機関の燃料噴射時期や噴射量、噴射率、点火時期等は、コントロールユニット３５によって制御される。このコントロールユニット３５には、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３０の検出信号や、クランク角センサ３６の検出信号、空燃比センサ２３の検出信号、冷却水温を検出する水温センサ３７の検出信号、等が入力されている。
【００２３】
上記のように構成された内燃機関においては、暖機が完了した後の状態、例えば冷却水温が８０℃を越えているときには、通常の成層燃焼運転および均質燃焼運転が行われる。
【００２４】
すなわち、低速低負荷側の所定の領域では、通常の成層燃焼運転モードとして、基本的にタンブル制御弁１２を閉じた状態の下で、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。なお、この運転モードでは、圧縮上死点前に必ず燃料噴射が終了する。圧縮行程中にピストン３へ向けて噴射された燃料は、凹部１６に沿って旋回するタンブル流を利用して点火プラグ１０近傍へ集められ、ここで点火される。そのため、平均的な空燃比がリーンとなった成層燃焼が実現される。
【００２５】
また、暖機完了後の高速高負荷側の所定の領域では、通常の均質燃焼運転モードとして、基本的にタンブル制御弁１２を開いた状態の下で、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り、基本的に理論空燃比近傍で運転が行われる。
【００２６】
これに対し、内燃機関の冷却水温が８０℃以下のとき、つまり暖機が完了していない状態では、触媒コンバータ２２の活性化つまり温度上昇の促進とＨＣ排出量低減のために、上死点噴射運転モードとなる。そして、前述した図１に示したように、噴射開始時期ＩＴＳが圧縮上死点（ＴＤＣ）前、噴射終了時期ＩＴＥが圧縮上死点（ＴＤＣ）後となり、圧縮上死点を跨いで燃料噴射が行われる。点火時期ＡＤＶは、圧縮上死点（ＴＤＣ）後となり、噴射開始時期ＩＴＳから１０°ＣＡ〜２５°ＣＡ遅れた時期に点火される。この遅れ期間の間に、燃料噴霧がちょうど点火プラグ１０付近に到達し、点火プラグ１０付近に可燃混合気を形成するので、確実に着火燃焼に至り、成層燃焼が行われる。このとき、燃料噴射量は、平均的な空燃比が理論空燃比となるように制御される。
【００２７】
本実施例では、上記の燃料噴射時期は、噴射開始時期ＩＴＳが所定のクランク角となるように制御され、噴射終了時期ＩＴＥは、この噴射開始時期ＩＴＳと燃料噴射量（噴射時間）とによって定まる。なお、燃料噴射期間における圧縮上死点前の期間と圧縮上死点後の期間とが等しくなるように、燃料噴射量に基づき、噴射開始時期ＩＴＳと噴射終了時期ＩＴＥとを求めるようにすることも可能である。
【００２８】
前述したように、この上死点噴射運転モードにおいて燃料が噴射される圧縮上死点付近での燃焼室内の場は、大きな流れの崩壊により噴霧を動かしてしまうような大きな流れが存在せず、かつ大きな流れの崩壊に伴い、燃焼を活発化させる微小な乱れが多く存在し、しかも、ピストンの動きに対し非常に安定した場となる。従って、圧縮上死点よりも遅角した点火時期でもって、安定した燃焼が可能であり、燃焼安定度の上で制限される点火時期の遅角限界が、より遅角側となる。そのため、点火時期の大幅な遅角により、排気ガス温度を大幅に昇温させることができ、かつＨＣ排出量が低減する。
【００２９】
ここで、上記のような上死点噴射運転モードにおける燃料噴射時期ＩＴＳ，ＩＴＥおよび点火時期ＡＤＶは、基本的に、燃料として非重質ガソリン（換言すれば相対的に軽質なガソリン）を使用することを前提として設定されている。これに対し、燃料として重質ガソリンを使用すると、燃焼安定度が低下する。そのため、本発明では、図８に示すような処理によって、点火時期ＡＤＶおよび燃料噴射時期（例えば燃料噴射開始時期ＩＴＳ）の補正を行う。以下、これを説明する。
【００３０】
まずステップ１では、上述した冷却水温などから上死点噴射運転モードとする条件であるか否かを判定する。上死点噴射運転モードでなければ、この図８のルーチンは終了する。上死点噴射運転モードの場合は、ステップ２で、基本的な点火時期Ｘをテーブルルックアップ等により決定する。この基本的な点火時期Ｘは、図９に示すように、冷却水温に応じて設定され、冷却水温が低いほど進角側となる。同様に、ステップ３で、基本的な燃料噴射開始時期Ｙをテーブルルックアップ等により決定する。この基本的な燃料噴射開始時期Ｙは、図１０に示すように、冷却水温に応じて設定され、やはり冷却水温が低いほど進角側となる。
【００３１】
次に、ステップ４で、公知の種々の手法（例えば特開平９−１５１７７７号公報記載の方法等）により、使用中の燃料が重質ガソリンであるか非重質ガソリンであるかの判別を行う。重質ガソリンでない場合は、ステップ５，６へ進み、ステップ２，３で決定した点火時期Ｘおよび燃料噴射開始時期Ｙの値をそのまま用いて、燃料噴射および点火を実行する。
【００３２】
重質ガソリンであると判断した場合には、ステップ７へ進み、所定の補正量αを基本的な点火時期Ｘに加えて、進角側に補正する。上記の補正量αは、例えば予め実験により定められた値である。さらに、ステップ８へ進み、所定の補正量βを基本的な燃料噴射開始時期Ｙに加えて、進角側に補正する。上記の補正量βは、例えば予め実験により定められた値である。但し、この補正量βは、補正量α以上の大きさとする。つまり、両者の補正に伴って、燃料噴射開始時期から点火時期までの期間（つまり燃料気化時間）が補正前よりも拡大するように、補正量α，βを設定してある。なお、ガソリン性状の判定は、例えば、始動の度に実行され、次回の始動までの間、その判定結果が保持される。
【００３３】
図１１は、このような燃料噴射時期および点火時期の補正の一例を示したもので、非重質ガソリン使用時の燃料噴射時期および点火時期をそれぞれ実線で示し、重質ガソリン使用時の燃料噴射時期および点火時期をそれぞれ破線で示す。このように重質ガソリン使用時に点火時期および燃料噴射時期を進角補正することで、重質ガソリンの使用に伴う燃焼安定度の悪化が抑制され、非重質ガソリン使用時と同様の燃焼安定度を確保することができる。
【００３４】
なお、上記実施例では、補正量α，βをそれぞれ一定値であるとして説明したが、上述したステップ４において、使用中のガソリンの重質度合を検出し、この重質度合に応じた補正量α，βを与えるようにすることもできる。図１２は、ガソリン性状つまり重質度合に対する点火時期補正量αの特性の一例を示し、また図１３は、重質度合に対する噴射時期補正量βの特性の一例を示す。これらの図に示すように、点火時期および燃料噴射開始時期は、ガソリンが重質であるほど大きく進角補正される。また、燃料の気化時間となる燃料噴射開始時期から点火時期までの期間が、ガソリンが重質であるほど大きく与えられるように、補正量α，βの特性が定められている。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の燃料噴射期間および点火時期の一例を示した特性図。
【図２】サイクル中のピストン位置変化量と体積変化量の特性図。
【図３】大きな流れのサイクル中の変化を示す特性図。
【図４】微小な乱れのサイクル中の変化を示す特性図。
【図５】筒内直接噴射式火花点火内燃機関の一実施例を示す断面図。
【図６】同じく平面図。
【図７】この内燃機関全体のシステム構成を示す構成説明図。
【図８】燃料性状による補正の処理を示すフローチャート。
【図９】冷却水温に対する基本的な点火時期の特性を示す特性図。
【図１０】冷却水温に対する基本的な燃料噴射開始時期の特性を示す特性図。
【図１１】補正された燃料噴射時期および点火時期の一例を示す特性図。
【図１２】燃料性状に対する点火時期補正量αの特性を示す特性図。
【図１３】燃料性状に対する噴射時期補正量βの特性を示す特性図。
【符号の説明】
【００３６】
３…ピストン
５…燃焼室
１０…点火プラグ
１５…燃料噴射弁  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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