(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、噴射期間が長くなるように可変噴射率燃料噴射弁の噴射率が低く制御され、噴射開始時期ＩＴＳが圧縮上死点（ＴＤＣ）前、噴射終了時期ＩＴＥが圧縮上死点後となるように、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。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３の位置変化も少ないので、安定した燃焼を実現できる。【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、上記燃料噴射弁として燃料噴射率を可変制御可能な可変噴射率燃料噴射弁を用いた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】
点火時期が、噴射開始時期から１０°ＣＡ〜２５°ＣＡ遅れた時期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。
【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のときに燃料噴射率を低く制御す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】
吸気行程中に燃料噴射を行う均質燃焼運転モードを備え、この均質燃焼運転モードにおける燃料噴射率よりも、上記上死点噴射運転モードにおける燃料噴射率が相対的に低い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。
【請求項６】
上記均質燃焼運転モードと上記上死点噴射運転モードとで燃圧が変化しないことを特徴とする請求項５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。
【０００３】
なお、特許文献２には、燃料噴射率（単位時間当たりの噴射量）を可変制御することができる可変噴射率燃料噴射弁の一例が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−３３６４６７号公報
【特許文献２】特開２０００−２７４３３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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】
【０００５】
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、さらに、燃料噴射期間の長さをより適切なものとするために、上記燃料噴射弁として燃料噴射率を可変制御可能な可変噴射率燃料噴射弁を用いている。
【０００６】
従って、上死点噴射運転モードのときに燃料噴射率を低く制御することで、圧縮上死点を跨ぐ燃料噴射期間をより長く確保することができる。
【０００７】
本発明の一つの態様では、吸気行程中に燃料噴射を行う均質燃焼運転モードを備えており、この均質燃焼運転モードにおける燃料噴射率よりも、上記上死点噴射運転モードにおける燃料噴射率が相対的に低く制御されるようになっている。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
ここで、上記のように圧縮上死点付近で高い筒内圧に対抗して燃料を噴射するためには、燃料噴射系の燃圧を比較的高く設定する必要があり、従って、同じ燃料噴射量であれば燃料噴射期間が短くなる傾向となる。しかし、圧縮上死点を跨いで噴射される燃料噴射期間が短いと、点火プラグ近傍に可燃混合気が形成されるタイミングが微妙なものとなって不安定化しやすい。つまり、最適な点火時期が狭い範囲でしか得られず、何らかの要因で実際に可燃混合気が形成されるタイミングがずれると、着火が不安定化なものとなる。一方、燃料噴射期間を長くすべく燃料噴射弁として燃料噴射率が低いものを用いたとすると、上死点噴射運転モード以外のときに、燃料噴射期間が過度に長くなる場合が生じてしまう。
【００１５】
本発明では、可変噴射率燃料噴射弁を用いることにより、上死点噴射運転モード以外のときの燃料噴射期間を過度に長くすることなく、上死点噴射運転モードの際に、燃料噴射率を低くすることで、圧縮上死点を跨いで噴射される燃料噴射期間を十分に長くすることができる。これにより、上述したように大きな流れが存在しない安定した場の中で、点火プラグ近傍に適切な可燃混合気が留まる時間がより長くなり、最適な点火時期を比較的広い範囲に得ることができる。つまり、例えばサイクル毎の変動等に対し、より確実な着火燃焼が得られる。
【００１６】
また、例えば高負荷域での均質燃焼運転モードでは、燃料噴射率を高くすることで、燃料噴射を短期間に完了することができ、燃料噴射期間の長期化による燃焼の悪化を回避することが可能である。
【発明の効果】
【００１７】
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。特に、この上死点噴射運転モードの際に燃料噴射率を低くすることで、圧縮上死点を跨いで噴射される燃料噴射期間を十分に長く確保することができ、種々の変動に対し、より確実な点火が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
ここで、上記燃料噴射弁１５としては、燃料噴射率（単位時間当たりの噴射量）を可変制御可能な可変噴射率燃料噴射弁が用いられている。なお、前述した特許文献２のものでは、燃圧を変えることで燃料噴射率を変化させる構成となっているが、本実施例の可変噴射率燃料噴射弁１５は、燃圧と無関係に燃料噴射率を可変制御し得る構成となっている。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。このとき、燃料噴射弁１５の噴射率は、中間的な噴射率に制御される。
【００２９】
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。また燃料噴射弁１５の噴射率は、高い噴射率に制御される。従って、燃料噴射量が多い高負荷時にも、燃料噴射期間が比較的短くなり、短期間で良好に混合した状態となって、良好な燃焼が確保できる。
【００３０】
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。この上死点噴射運転モードでは、燃料噴射期間が十分に長く得られるように、噴射率が低く制御される。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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。特に、上死点噴射運転モードの際に噴射率を低くし、圧縮上死点を跨いで噴射される燃料噴射期間を十分に長くすることにより、タンブルのような大きな流れが存在しない安定した場の中で、点火プラグ１０近傍に適切な可燃混合気が留まる時間をより長くすることができ、最適な点火時期を比較的広い範囲に得ることができる。これにより、例えばサイクル毎の変動等に対し、より確実な着火燃焼が得られる。
【００３３】
図８は、上記の上死点噴射運転モードにおける点火プラグ１０近傍の局所的な空燃比と点火時期との関係を模式的に示した特性図であって、点火プラグ１０近傍の空燃比は、燃料噴射開始から若干の遅れの後、徐々に濃くなっていき、点火可能な空燃比域に達する。そして、その後、燃料噴射が終了すると、若干の遅れの後、徐々に薄くなっていき、点火可能な空燃比域から外れる。従って、本実施例では、図のΔ１の期間が点火可能な時期となり、例えばこのΔ１の期間内に適宜な余裕を見込んで点火時期を設定すれば、サイクル変動等種々の要因により実際の空燃比変化のタイミングが多少ずれたとしても、確実な点火が可能である。
【００３４】
これに対し、仮に、噴射率が高い状態で燃料噴射を行ったとすると、圧縮上死点を跨いで設定される燃料噴射期間が短くなり、点火プラグ１０近傍の空燃比の変化は比較例として示す破線のようになる。つまり点火可能な空燃比域に留まる期間が燃料噴射期間の短縮に伴って短くなり、点火可能な時期が、図のΔ２の期間内に制限されてしまう。従って、適切な点火時期の設定が難しくなり、サイクル変動等の何らかの要因により実際の空燃比変化のタイミングが僅かでもずれると、着火が不安定なものとなり易い。
【００３５】
なお、上記実施例では、燃料噴射弁１５が燃焼室５の側部に配置され、水平に近い方向に燃料を噴射する構成となっているが、これに代えて、燃料噴射弁１５が、一対の吸気弁６と一対の排気弁８とに囲まれた燃焼室５天井面中心部に配置され、垂直に近い角度でピストン３頂面へ向けて燃料を噴射するようにした所謂直上噴射形式の構成とすることも可能である。
【００３６】
また、上記実施例では、燃圧は常に一定に維持されるが、負荷の上昇（つまり燃料噴射量の増加）に対し燃料噴射期間が過度に長くならないように、負荷が高いほど燃圧が高くなるように燃圧制御を行っても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【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】点火プラグ近傍の局所的な空燃比と点火時期との関係を示す特性図。
【符号の説明】
【００３８】
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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