(57)【要約】【課題】燃料温度が低い未暖機状態での噴霧形状の変化に起因する成層燃焼の不安定化を回避する。【解決手段】筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１５が燃焼室３の側部に配置され、ピストン２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る。燃料噴射弁１５は上下非対称の燃料噴霧Ｆを有し、噴霧上端部分Ｆ１がリード噴霧として最も貫徹力が大きく、点火プラグ１４の電極部へ向かう。燃料温度が基準の温度よりも低いと、燃料の粘性増加により噴霧がより大きく拡がり、電極部との位置関係が変化するので、成層燃焼が不安定化する。本発明では、燃料温度が低いときに、燃圧を低く補正することで、噴霧の形状を本来の形状に近付け、安定した成層燃焼を実現する。冷間始動後、早期に成層リーン燃焼を開始できるので、燃費が向上する。【選択図】図２
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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が燃焼室の側部に配置され、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とともに、略中央部に点火プラグを備えてなり、かつ上記燃料噴射弁の燃料噴霧形状が該燃料噴射弁の中心軸線を挟んで上下非対称に設定された筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、
上記燃料噴射弁から噴射される燃料の燃圧を可変制御する燃圧制御手段と、燃料温度を直接もしくは間接に検出する燃料温度検出手段と、を備え、燃料噴霧形状への燃料温度の影響を相殺するように燃料温度に応じて燃圧を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】
基準の燃料温度および燃圧の下で噴霧上端部分が噴霧貫徹力により点火プラグの電極部を指向するように設定されており、燃料温度の変化に対し、噴霧上端部分が上記電極部を指向した噴霧形状を維持するように燃圧補正を行う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】
燃料温度が低いほど燃圧が低くなるように燃圧補正を行う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】
内燃機関の暖機完了前に成層燃焼運転を行うときに、燃料温度に応じた燃圧補正を行う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】
上記燃料噴射弁は、噴孔開口部にステップ状の段差部を設けることで断面Ｃ字形の噴霧形状を有し、その噴霧の中で貫徹力が最も大きい部分が、点火プラグの電極部へ向かう噴霧上端部分となるように配置されてい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、成層燃焼をより広い条件下で行うようにした筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１，２には、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁が燃焼室の側部に配置され、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とともに、略中央部に点火プラグを備えた筒内直接噴射式火花点火内燃機関が開示されている。そして、燃料噴射弁から噴射された噴霧の上端部分が噴霧貫徹力により点火プラグの電極部を指向するように設定されており、タンブル流等の空気流動が弱い運転条件においても、噴霧の貫徹力でもって点火プラグの電極部まで燃料を到達させることで、成層燃焼運転を実現するようにしている。
【０００３】
特に、特許文献２には、旋回成分を付与した燃料が噴出する噴孔開口部にステップ状の段差部を設けることで、噴霧が断面略Ｃ字形の異形をなすとともに、Ｃ字の中央部寄りの部分で大きな貫徹力が得られるようにした燃料噴射弁が開示されている。この貫徹力が大きな部分は、リード噴霧と呼ばれ、この部分が噴霧の上端に位置し点火プラグの電極部を指向するように、燃料噴射弁が配置される。
【特許文献１】特開２００２−２０１９４６号公報
【特許文献２】特開２００４−３６５５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように燃焼室の側部から噴射された噴霧の上端部分が点火プラグの電極部へ向かうようにした筒内直接噴射式火花点火内燃機関においては、燃料温度が基準の温度よりも低いと、燃料の粘性の変化により噴霧の形状が変わり、噴霧上端部分が電極部を正しく指向しないようになる。従って、内燃機関の暖機が完了していない冷機状態では、安定した成層燃焼運転を実現することが困難である、という問題があった。特に、特許文献２に記載のように、段差部により異形の噴霧形状を得るものでは、燃料の粘性に依存して噴霧形状が定まるので、温度変化により僅かでも燃料の粘性が変わると、噴霧形状とりわけ噴霧上端部分までの噴射弁中心軸線からの角度（噴霧先端角）が比較的大きく変化し、点火プラグの電極部に対する噴霧の適正な位置関係が得られなくなってしまう。そのため、燃焼の安定性が低下し、燃費の悪化や排気の悪化を招来する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明に係る筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁が燃焼室の側部に配置され、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とともに、略中央部に点火プラグを備えてなり、かつ上記燃料噴射弁の燃料噴霧形状が該燃料噴射弁の中心軸線を挟んで上下非対称に設定された筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、上記燃料噴射弁から噴射される燃料の燃圧を可変制御する燃圧制御手段と、燃料温度を直接もしくは間接に検出する燃料温度検出手段と、を備え、燃料噴霧形状への燃料温度の影響を相殺するように燃料温度に応じて燃圧を補正することを特徴としている。
【０００６】
より具体的な一つの態様では、基準の燃料温度および燃圧の下で噴霧上端部分が噴霧貫徹力により点火プラグの電極部を指向するように設定されており、燃料温度の変化に対し、噴霧上端部分が上記電極部を指向した噴霧形状を維持するように燃圧補正を行う。
【０００７】
例えば、燃料温度が低いときには、一般に粘性の上昇に伴い噴霧がより拡がろうとするので、燃圧が低くなるように燃圧補正を行うことで、噴霧の拡がりを本来の基準の状態に近付けることができる。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、燃料温度が基準の温度と異なる条件下でも噴霧形状を本来の形状に近付けることができ、点火プラグ付近に燃料を集めて成層燃焼を実現することができる。従って、暖機が完了していない冷機状態で、より安定した成層燃焼を行うことができ、燃費の向上が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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。
【００１０】
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。また、図２は、一つの気筒のより詳しい構成を示している。
【００１１】
図１に示すように、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、一対の吸気弁３１（図２参照）を介して吸気通路４が接続され、かつ一対の排気弁３２（図２参照）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。
【００１２】
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によって目標の燃圧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、その開弁期間と燃圧とに応じた量の燃料が噴射される。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。なお、燃圧は、噴射期間や噴霧の貫徹力等がそのときの運転条件に最適となるように、基本的には、機関回転数と負荷とに応じて可変的に制御される。
【００１３】
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が設けられているとともに、高圧燃料通路１８等の適宜位置で燃料温度を検出する燃料温度センサ２４を備えている。
【００１４】
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、燃圧、点火プラグ１４の点火時期、等を制御する。なお、暖機完了後においては、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、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。
【００１５】
なお、図示していないが、燃焼室３内のガス流動を活発化させるために、公知のタンブル制御弁やスワール制御弁を吸気系に設けるようにしてもよい。
【００１６】
図２に示すように、上記燃料噴射弁１５は、シリンダヘッドにおける吸気ポート４ａの下側、より詳しくは一対の吸気ポート４ａの中間部の位置にあり、燃焼室３の側部から、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２の断面図上において、噴射弁中心軸線Ｌが斜め下方を指向するように配置されている。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。
【００１７】
ここで、上記燃料噴射弁１５としては、燃料噴射弁１５の中心軸線Ｌを挟んで上下に非対称の燃料噴霧Ｆが得られる形式の燃料噴射弁が用いられており、噴霧上端部分Ｆ１がいわゆるリード噴霧として最も貫徹力が大きく（つまり噴霧到達距離が長い）、かつこの噴霧上端部分Ｆ１が点火プラグ１４の電極部を指向するようになっている。一つの例としては、前述した特許文献２に開示されているように、旋回成分を付与した燃料が噴出する噴孔開口部にステップ状の段差部を設けることで、噴霧が断面略Ｃ字形の異形をなすとともに、Ｃ字の中央部寄りの部分で大きな貫徹力が得られるようにした形式の燃料噴射弁を用いることができる。
【００１８】
従って、成層燃焼を行うべく圧縮行程中に燃料が噴射されたときに、貫徹力の大きなリード噴霧つまり噴霧上端部分Ｆ１が点火プラグ１４の電極部に到達する一方、ピストン２の頂面に向かう方向の噴霧の貫徹力は小さいので、ピストン２頂面への燃料の衝突ならびに付着が抑制される。これにより、良好な燃料の成層度が得られ、安定した成層燃焼が実現できる。つまり、基準の燃料温度でかつ基準の燃圧の条件下では、噴霧先端角（中心軸線Ｌから噴霧上端部分Ｆ１までの角度）θが、本来の値に得られ、点火プラグ１４の電極部に対する噴霧の位置関係が本来の設計通りのものとなる。
【００１９】
これに対し、例えば冷機時など燃料温度が低いと、燃料の粘性が高くなることから、燃圧補正を行わない場合には、図３の説明図に示すように、噴霧の拡がりがより大きくなり、上記の噴霧先端角θが本来の値よりも大きくなる。従って、リード噴霧と電極部との位置関係が変化し、成層燃焼が不安定化する。
【００２０】
そこで、本発明では、燃料温度センサ２４により検出された燃料温度に基づいて、噴霧形状への影響を相殺するように燃圧補正を行う。図４は、燃料温度と噴霧先端角θとの関係を示した特性図であり、図示するように、燃料温度が低いほど噴霧先端角θは大となる。図５は、燃圧と噴霧先端角θとの関係を示した特性図であり、図示するように、燃圧が低いほど噴霧先端角θは小さくなる。従って、例えば、基準温度に対し実際の燃料温度が低い場合に、これに伴って生じる噴霧先端角θの増加量が両者の温度差から求められるので、この増加量に見合う噴霧先端角θの減少が生じるように、燃圧を低下させる。これにより、実際の噴霧形状が本来の形状に近づき、リード噴霧つまり噴霧上端部分Ｆ１を点火プラグ１４の電極部へ正しく指向させることができる。そのため、より低い燃料温度の下でも、安定した成層燃焼を実現できる。
【００２１】
図６のタイムチャートは、上記実施例の内燃機関１を搭載した自動車を所定の試験モードで運転した場合の冷却水温および燃圧の変化、ならびに燃焼方式（均質燃焼、成層燃焼等の方式）の変化をまとめて示したものであり、特に、燃圧補正を行わない従来の場合と燃圧補正を行う本発明の場合とを対比して示している。図示するように、冷間始動後、徐々に冷却水温が上昇していく（これに伴って燃料温度も上昇する）が、燃圧補正を行わない従来の場合には、冷却水温が７０℃以上となるまでは均質燃焼であり、７０℃以上で成層リーン燃焼に切り換えられる。これは、前述したように、燃料温度が低い未暖機時に成層燃焼の安定性を確保できないためである。これに対し、本発明の例では、冷却水温がより低い段階で成層リーン燃焼に切り換えられ、燃料温度に応じた燃圧補正（具体的には燃圧低下補正）が行われる。つまり、冷間始動後、より早期に成層リーン燃焼を開始することができ、燃費向上の上で有利となる。なお、破線は補正なしの燃圧を示し、斜線を施して示す部分が補正分である。因みに、吸気行程中に燃料が噴射される均質燃焼においては、噴霧形状の変化は問題とならないので、燃圧補正は行われない。
【００２２】
なお、上記実施例では、燃料温度検出手段として燃料温度を直接に検出する燃料温度センサ２４を用いているが、冷却水温等の内燃機関の温度条件から燃料温度を間接的に求めるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】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。
【図２】その要部の断面説明図。
【図３】燃料温度が低いときの噴霧形状を示す説明図。
【図４】燃料温度と噴霧先端角θとの関係を示す特性図。
【図５】燃圧と噴霧先端角θとの関係を示す特性図。
【図６】所定の試験モードで運転したときの燃圧補正等を示すタイムチャート。
【符号の説明】
【００２４】
３…燃焼室
１４…点火プラグ
１５…燃料噴射弁
２４…燃料温度センサ
２５…コントロールユニット  
【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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