(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を図る。【解決手段】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。本発明では、さらに、上死点を跨ぐ主噴射Ｉ１に先だって圧縮行程もしくは吸気行程中に早期噴射Ｉ２として燃料の一部を噴射することで、燃焼期間が長くなり、排気ガス温度がさらに高く得られる。【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、かつピストンが上死点付近にあるときに上記燃料噴射弁から噴射された噴霧が燃焼室内壁面に衝突することなく点火プラグに到達可能な筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、排気ガス温度の昇温が要求されたときに、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、この圧縮上死点を跨ぐ期間の主噴射に先だって、燃料の一部を早期噴射として噴射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】
上記早期噴射を圧縮行程中に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】
上記早期噴射を吸気行程中に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４】
上記燃料噴射弁は燃焼室の側部に配置され、シリンダ軸線と直交する平面にほぼ沿って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１〜３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、上記平面にほぼ沿って拡がる偏平な扇形の噴霧形状を有することを特徴とする請求項４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】
上記燃料噴射弁が、多数の微細な噴孔を備えたマルチホール型燃料噴射弁からなることを特徴とする請求項１〜５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７】
噴霧が燃焼室内壁面に到達する前に、上記点火プラグによる点火を行うことを特徴とする請求項１〜６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、かつピストンが上死点付近にあるときに上記燃料噴射弁から噴射された噴霧が燃焼室内壁面に衝突することなく点火プラグに到達可能な筒内直接噴射式火花点火内燃機関を前提としており、その制御装置として、排気ガス温度の昇温が要求されたときに、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、この圧縮上死点を跨ぐ期間の主噴射に先だって、燃料の一部を早期噴射として噴射することを特徴としている。
【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、図示するように、主噴射Ｉ１とこれに先立つ早期噴射Ｉ２とが行われるが、本発明では、基本的に、主噴射Ｉ１によって燃焼が成立する。この主噴射Ｉ１は、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、内燃機関の基本的な性質として、ＨＣの発生を少なくする上では、主噴射Ｉ１として圧縮上死点付近で噴射された噴霧が燃焼室内壁面（ピストン頂面を含む）に衝突することなく点火プラグ付近に到達し、かつ噴霧が上記燃焼室内壁面に達する前に点火されることが望ましい。つまり、噴霧が燃焼室内壁面のどこにも付着せずに燃焼することがＨＣ低減の上で望ましい。しかし、このように噴霧が燃焼室内壁面と干渉せずに燃焼する場合、噴霧自体が持つエネルギによって燃焼が比較的短時間で終了し、燃焼が緩慢に進行する場合に比べると排気ガス温度は低くなる。換言すれば、点火時期を圧縮上死点よりも遅角させることで、排気ガス温度は十分に高くなるものの、噴霧が燃焼室内壁面のどこにも付着せずに燃焼する構成であると、燃焼が短時間で終了するため、排気ガス温度を最大限に高めることができない。
【００１２】
そこで、本発明では、図１に示したように、圧縮上死点を跨ぐ期間の主噴射Ｉ１に先だって、燃料の一部を早期噴射Ｉ２として噴射する。この早期噴射Ｉ２は、下死点より前の吸気行程中に行ってもよく、あるいは、図示するように、圧縮行程中に行ってもよい。
【００１３】
このように吸気行程もしくは圧縮行程において早期噴射Ｉ２として噴射された燃料は、主噴射Ｉ１の噴射時期前に筒内に拡散しているため、主噴射Ｉ１による噴霧に点火されて燃焼が開始したときに、燃焼室全体としては相対的に緩慢に燃焼が行われる。そのため、排気ガス温度がより高く得られる。
【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。特に、燃料の一部を早期噴射として予め筒内に供給しておくことで、排気ガス温度を最大限に高めることができる。
【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（図７参照）。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。
【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。この燃料噴射弁１５は、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、斜め下方に向かって配置されているが、噴霧の方向は、燃料噴射弁１５自体の中心線とはやや異なり、ピストン３が上死点付近にある位置においても、噴霧がピストン３頂面に衝突せずに狭い燃焼室５の空間を通るように、シリンダ軸線と直交する平面にほぼ沿って燃料を噴射する。特に、図５，図６に噴霧ｆの形状を示すように、シリンダ軸線と直交する平面にほぼ沿って拡がる偏平な扇形の噴霧形状を有し、燃焼室５の内壁面（ピストン３頂面を含む）のどこにも衝突することなく噴霧が点火プラグ１０近傍に到達する（全ての噴霧が燃焼室の内壁面のどこにも衝突しないタイミングで、噴霧の一部は点火プラグ１０近傍に到達する）ようになっている。このような噴霧形状を実現するために、燃料噴射弁１５としては、多数の微細な噴孔を備えたマルチホール型燃料噴射弁が用いられている。
【００１９】
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。
【００２０】
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によって適宜な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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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、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。ここでは、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。
【００２４】
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、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、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、前述した図１に示したように、主噴射Ｉ１とこれに先立つ早期噴射Ｉ２とが行われる。主噴射Ｉ１は、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、早期噴射Ｉ２を合わせて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、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。そして、このように大きな流れが存在しない安定した場の中で、高圧で燃料噴射を行うことにより、噴霧自体のエネルギによって筒内に微小な乱れを積極的に生成することができる。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。
【００２８】
早期噴射Ｉ２は、主噴射Ｉ１に先立って圧縮行程中もしくは吸気行程中に燃料の一部を噴射するものであって、この早期噴射Ｉ２として噴射された燃料は、主噴射Ｉ１の噴射時期前に筒内に拡散（圧縮行程中に噴射された場合には、ある程度拡散した混合気の塊となり、吸気行程中に噴射された場合には、均質な希薄混合気となる）している。そして、主噴射Ｉ１による噴霧に点火されて燃焼が開始した後に、この早期噴射Ｉ２の燃料による燃焼が継続されるため、全体として燃焼の期間が長くなり、排気ガス温度がより高く得られる。
【００２９】
図８は、（１）のように主噴射Ｉ１のみで燃料の全量を噴射する場合と、（２）のように主噴射Ｉ１に先立って早期噴射Ｉ２を加えた場合と、の熱発生の特性を対比して示したものであり、図示するように、主噴射Ｉ１のみの場合は、実線で示すように、短期間で燃焼が完了する。これに対し、早期噴射Ｉ２を加えた場合は、破線で示すように、燃焼期間が長くなり、これに伴って排気ガス温度が高く得られる。なお、これは、圧縮行程中に早期噴射Ｉ２を行った例である。
【００３０】
また、図９は、主噴射Ｉ１のみの場合（実線）と早期噴射Ｉ２を加えた場合（破線）とについて、（ａ）燃焼安定性（筒内圧ＰｉのばらつきσＰｉ）と、（ｂ）排気ガス温度、の特性を対比して示したものである。燃焼安定性の悪化を示す筒内圧ばらつきσＰｉは、点火時期を遅角させていくと、ある点で急速に増加（つまり燃焼不安定化）するが、図示するように、早期噴射Ｉ２を加えた場合（破線）の方が、より進角側で燃焼不安定化する。換言すれば、早期噴射Ｉ２を加えた場合の方が、点火時期の遅角が制限される。これは、上述した理由による。しかしながら、排気ガス温度の特性としては、（ｂ）のように、早期噴射Ｉ２を加えた場合（破線）の方が主噴射Ｉ１のみの場合（実線）よりも全体的に高いので、点火時期をそれぞれの安定限界で運転するものとすると、そのときの排気ガス温度は、それぞれＴ１，Ｔ２のようになり、やはり早期噴射Ｉ２を加えた場合（Ｔ２）の方が主噴射Ｉ１のみの場合（Ｔ１）よりも高くなる。従って、冷機時に、触媒コンバータ２２をより早期に活性化できる。
【００３１】
次に、図１０は、早期噴射Ｉ２を吸気行程中に行った場合（実線）と圧縮行程中で行った場合（破線）とについて、内燃機関のＨＣの排出量（所謂エンジン・アウトＨＣ）を比較したものであり、図示するように、ＨＣの排出量の点では、圧縮行程中の方が有利となる。これは、吸気行程中に燃料を噴射すると、燃焼室５内のクレビス等によるＨＣ生成が多くなるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【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】早期噴射の有無による熱発生の特性の変化を示す特性図。
【図９】本発明による燃焼安定性と排気ガス温度の特性を示す特性図。
【図１０】早期噴射の時期によるＨＣ排出量の相違を示す特性図。
【符号の説明】
【００３３】
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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