(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】内燃機関の冷却水温が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。冷却水温が８０℃以下の冷機状態では、触媒コンバータの活性化促進のために、上死点噴射運転とする。ここでは、タンブル制御弁によりタンブル流が強化され、噴射開始時期ＩＴＳが圧縮上死点前、噴射終了時期ＩＴＥが圧縮上死点後となり、圧縮上死点を跨いで燃料噴射が行われる。点火時期ＡＤＶは、圧縮上死点後の噴射開始時期ＩＴＳから１５°ＣＡ〜２０°ＣＡ遅れた時期となる。圧縮上死点では、タンブル流は崩壊して安定した場となり、かつ微小な乱れが活発に生じるので、燃焼安定度が向上する。これにより点火時期の大幅な遅角が可能となる。【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、かつ吸気行程時に筒内に生成されるタンブル流を可変的に強化するタンブル流生成手段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、上記タンブル流生成手段によりタンブル流を強化した状態としつつ、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】
上記燃料噴射弁が燃焼室の側部に配置されており、ピストン頂部へ向かって斜め下方へ燃料を噴射するように構成されてい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、上記の燃料噴射期間および点火時期に制御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】
上記タンブル流生成手段は、吸気ポートの通路断面の一部を開閉するタンブル制御弁から構成されてい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】
上記タンブル流生成手段は、吸気ポートの通路断面積を絞る吸気制御弁と、この吸気制御弁をバイパスするとともに吸気ポートの弁口部付近に先端が臨む補助吸気通路と、から構成されてい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。
【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。上記従来の技術では、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】
この発明は、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、かつ吸気行程時に筒内に生成されるタンブル流を可変的に強化するタンブル流生成手段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、上記タンブル流生成手段によりタンブル流を強化した状態としつつ、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。
【０００５】
本発明の一つの態様では、上記燃料噴射弁が燃焼室の側部に配置されており、ピストン頂部へ向かって斜め下方へ燃料を噴射するように構成されている。
【０００６】
上記タンブル流生成手段は、例えば、吸気ポートの通路断面の一部を開閉するタンブル制御弁から構成される。あるいは、吸気ポートの通路断面積を絞る吸気制御弁と、この吸気制御弁をバイパスするとともに吸気ポートの弁口部付近に先端が臨む補助吸気通路と、から構成することもできる。
【０００７】
図１は、本発明の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１５°ＣＡ〜２０°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。
【０００８】
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。
【０００９】
また、一般に、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するが、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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
ここで、シリンダの円周方向に旋回するスワール流とシリンダの上下方向に旋回するタンブル流とを比較すると、ピストンが上昇して燃焼室が偏平化する方向と旋回方向との関係から、タンブル流の方が崩壊しやすく、スワール流の方が残存しやすい。また、大きな流れの崩壊後に生じる微小な乱れをより活発に得るためには、当初の大きな流れのエネルギをより大きく与える必要がある。
【００１３】
本発明では、タンブル流生成手段により吸気行程中に強いタンブル流が生成されるため、これが圧縮上死点付近で急速に崩壊することによって、活発な微小な乱れが得られ、しかも圧縮上死点付近で残存する大きな流れが、より少ないものとなる。
【００１４】
特に、燃料噴射弁による燃料噴射方向がシリンダ軸線に直交する方向に近似している場合、つまり燃料噴射弁が燃焼室の側部に配置されて斜め下方へ燃料を噴射する構成の場合には、シリンダ軸線に沿って燃料を噴射する所謂直上噴射形式の場合に比べて、スワール流が僅かに残存していても燃料噴霧が拡散され易いものとなるので、本発明のように、タンブル流とすることが有利である。
【発明の効果】
【００１５】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、運転状態に応じてタンブル流を可変的に強化することができるように、タンブル流生成手段として、吸気ポート７内に、該吸気ポート７内を上下２つの流路７ａ，７ｂ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７ｂ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７ｂを閉塞した状態では、吸気の大部分が上側の流路７ａから吸気弁６の弁口部の上側部分（点火プラグ１０寄りの部分）を通して燃焼室５に流入するので、矢印Ｔで示すような順方向のタンブル流が強化される。また、タンブル制御弁１２を開いた状態では、上下の流路７ａ，７ｂからほぼ均等に吸気が流入するので、燃焼室５内のタンブル流は弱まる。
【００１９】
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が、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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。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。
【００２３】
上記内燃機関の燃料噴射時期や噴射量、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。
【００２４】
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。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。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、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。
【００２５】
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、所定の上死点噴射運転とする。この上死点噴射運転では、吸気行程時のタンブル流を強化すべくタンブル制御弁１２が閉状態に制御されるとともに、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１５°ＣＡ〜２０°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。
【００２６】
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。
【００２７】
前述したように、吸気行程の際に生成されたタンブル流は、圧縮上死点直前に急激に崩壊し、圧縮上死点付近では大きな流れとして残存しないようになるとともに、その崩壊に伴って微小な乱れが活発に生成される。従って、圧縮上死点を跨いで燃料噴射を行い、かつ点火時期を圧縮上死点よりも遅らせることで、点火時期の大幅な遅角と燃焼安定度の確保とを両立させることが可能となり、排気ガス温度の十分な昇温とＨＣ排出量低減とを達成できる。
【００２８】
次に、図８は、タンブル流生成手段の異なる実施例を示したものであって、この実施例では、吸気ポート７内に、該吸気ポート７を開閉する吸気制御弁５１が設けられているとともに、この吸気制御弁５１をバイパスするように、吸気ポート７よりも細い補助吸気通路５２が設けられている。この補助吸気通路５２は、細いチューブからなり、基端５２ａが吸気制御弁５１上流で吸気ポート７内に開口し、かつ先端５２ｂが、吸気弁６の直前位置において弁口部の上側部分（点火プラグ１０寄りの部分）を指向するように配置されている。従って、吸気制御弁５１を閉じた状態では、細い補助吸気通路５２から高速の吸気流が噴出し、弁口部の上側部分を通して燃焼室５に流入するため、順方向のタンブル流が強化される。なお、図示例では、吸気ポート７内を上下２つの流路７ａ，７ｂに区画する隔壁１１を備えているが、この隔壁１１は省略することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【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】タンブル流生成手段の異なる実施例を示す断面図。
【符号の説明】
【００３０】
３…ピストン
５…燃焼室
１０…点火プラグ
１２…タンブル制御弁
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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