(57)【要約】      【課題】ピストン冠面にキャビティを有するセンターインジェクション型筒内噴射エンジンにおいて、長時間にわたり成層燃焼が継続した場合に生じる触媒温度低下による排気エミッションの悪化や点火プラグへのデポジットの付着による点火くすぶりを防止し、安定した成層燃焼の実現を図る。      【解決手段】ピストン冠面にキャビティを有するセンターインジェクション型筒内噴射エンジンについて、該点火プラグまわりに比較的小さな成層混合気を生成する成層燃焼（第１成層燃焼）と、前記点火プラグまわりに比較的大きな成層混合気を生成する成層燃焼（第２成層燃焼）とを可能とし、同一の機関回転速度および負荷状態において前記第１成層燃焼と第２成層燃焼とを切り換える判断条件が成立したときに、前記成層燃焼の切換を行う。【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に直接燃料を噴射し点火プラグまわりに成層混合気を生成し成層燃焼を行う筒内直接噴射式内燃機関であって、該点火プラグまわりに比較的小さな成層混合気を生成してこれを燃焼させる第１成層燃焼と、前記点火プラグまわりに比較的大きな成層混合気を生成してこれを燃焼させる第２成層燃焼とが可能で、同一の機関回転速度および負荷状態において前記第１成層燃焼と第２成層燃焼とを切り換える判断条件が成立したときに、前記成層燃焼の切換を行うことを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項２】
ピストン冠面に燃料噴霧を受け止めるキャビティを持つことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項３】
燃料が噴射される時期と点火される時期の間隔をある設定値よりも短く設定することで前記第１成層燃焼を行い、燃料が噴射される時期と点火される時期の間隔をある設定値よりも長く設定することで前記第２成層燃焼を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項４】
大径である外側キャビティの中に小径である内側キャビティを持つキャビティ構造であって、内側キャビティに燃料を噴射して成層混合気を生成することで第１成層燃焼を行い、外側キャビティに燃料を噴射して成層混合気を生成することで第２成層燃焼を行うことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項５】
燃料噴霧がピストン冠面を介さずに成層混合気場を形成することで第１成層燃焼を行い、燃料噴霧がキャビティを介して混合気場を形成することで第２成層燃焼を行うことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項６】
低負荷である第１運転領域においては第１成層燃焼を行い、高負荷である第２運転領域においては第２成層燃焼を行うことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項７】
一方の成層燃焼の連続時間がある設定値を超えたことを成層燃焼の切り換え判断条件とすることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項８】
第１運転領域における成層燃焼の連続時間がある設定値を超えたことを成層燃焼の切り換え判断条件とすることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項９】
第１運転領域の中でも比較的低負荷の領域における成層燃焼の連続時間がある設定値を超えたことを成層燃焼の切り換え判断条件とすることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項１０】
第１運転領域の中でも比較的高負荷の領域における成層燃焼の連続時間がある設定値を超えたことを成層燃焼の切り換え判断条件とすることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項１１】
排気後処理用触媒の温度を測定または予測する手段を持ち、触媒温度がある設定値を下回ったことを成層燃焼の切り換え判断条件とすることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項１２】
燃料噴射時期、点火時期、スロットル開度のうち少なくとも一つの制御を成層燃焼の切り換え手段とすることを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項１３】
第１運転領域において第２成層燃焼を行う場合、第１成層燃焼を行う場合に対して機関への吸入空気量を減少補正することを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項１４】
比較的大きく生成した成層混合気内の空燃比が略ストイキとなるように機関への吸入空気量を減少補正することを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項１５】
機関への吸入空気量の減少補正によって増加するポンプ損失を補うよう、燃料噴射量を増量補正することを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内直接噴射式内燃機関における成層燃焼の燃焼性改善技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の筒内直接噴射式内燃機関として、特許文献１に記載のセンターインジェクション型筒内噴射エンジンにおいて、ピストン冠面は、その中央部に位置する深皿部（内側キャビティ）およびその周辺の浅皿部（外側キャビティ）を有する。燃料噴射時期を変えることにより、燃料噴霧がピストン冠面の内側キャビティまたは外側キャビティへ噴射され、成層燃焼および弱成層燃焼を切り換えることが可能である。これによって、広い負荷範囲で燃費の良い燃焼の実現を図っている。
【特許文献１】特開２０００−２６５８４１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記特許文献１に記載の発明では、内側キャビティへ燃料を噴射して成層混合気を形成する場合、通常負荷が小さく、また排気温度が低い燃焼が行われる。このような燃焼が長時間行われる場合、触媒温度の低下によって排気浄化効率が低下し、排気エミッションが悪化する懸念がある。
また、内側キャビティ底面には燃料の液膜が、内側キャビティ底面周辺にはリッチな混合気が形成されやすい。内側キャビティ底面の液膜や内側キャビティ上空のリッチな混合気は、燃焼によりスモークを発生させ、スモークは燃焼室を上昇し、点火プラグまで達する。このような燃焼が長時間行われる場合、スモークは点火プラグおよびその周辺に付着しデポジットとなる。デポジットが点火プラグに付着すると、付着した箇所の側方電極やネジ部で火花が飛んでしまうため、電極での点火が行われにくくなり、失火の原因となる。
【０００４】
本発明はこのような課題に着目してなされたもので、長時間にわたり燃焼が連続した場合において、触媒温度低下による排気エミッションの悪化や点火プラグへのデポジット付着による点火くすぶりを防止し、安定した成層燃焼を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このため本発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射し点火プラグまわりに成層混合気を生成し成層燃焼を行う筒内直接噴射式内燃機関において、該点火プラグまわりに比較的小さな成層混合気を生成してこれを燃焼させる第１成層燃焼と、前記点火プラグまわりに比較的大きな成層混合気を生成してこれを燃焼させる第２成層燃焼とが可能で、同一の機関回転速度および負荷状態において前記第１成層燃焼と第２成層燃焼とを切り換える判断条件が成立したときに、前記成層燃焼を切り換えられる構成とした。
【発明の効果】
【０００６】
以上の構成において、機関回転速度及び負荷が同一であっても、所定の切換判断条件が成立すると、第１成層燃焼と第２成層燃焼とを切り換えることにより、排気温度の低下や点火プラグのくすぶりを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１に本発明の第１実施形態の構成図を示す。本発明は、燃焼室１と、シリンダヘッド２と、シリンダブロック３と、ピストン４と、吸気ポート５と、排気ポート６と、吸気弁７と、排気弁８と、吸気弁用カム９と、排気弁用カム１０と、燃料噴射弁１１と、点火プラグ１２と、機関コントロールユニット１３と、排気温度センサー１４からなる。
ピストン４は上方から見て円形の２つのキャビティを持つ。２つのキャビティの関係は、大径である外側キャビティの中に小径である内側キャビティが包含される二重構造となっており、また外側キャビティ底面はシリンダ中心から外側へ向かってやや下方への傾斜を持っている。
【０００８】
燃料噴射弁１１および点火プラグ１２はおおよそ燃焼室中心に設置される。本実施形態においては、燃料噴射弁１１は多気筒機関としてのレイアウトの制約上、機関前方側へオフセットさせ、かつ傾斜して配置される。燃料噴射弁としてはマルチホール噴射弁を用いる。また、点火プラグ１２は、燃料噴射弁１１の反対側の機関後方側へ傾斜して配置される。
【０００９】
排気温度センサー１４は触媒温度を予測するために用いられるが、触媒温度センサーと置き換えることもできる。
かかる燃焼室構造を有した筒内噴射式内燃機関において、点火プラグまわりに比較的小さな成層混合気を生成してこれを燃焼させる第１成層燃焼と、前記点火プラグまわりに比較的大きな成層混合気を生成してこれを燃焼させる第２成層燃焼とが可能であり、運転領域によってこれら成層燃焼を切り換え、かつ、同一運転領域でも所定条件成立時には成層燃焼を切り換えるように構成される。
【００１０】
図２に、上記第１成層燃焼における燃料噴霧および混合気の挙動を示す。該第１成層燃焼は、第１運転領域（比較的負荷の低い領域）において基本的に実行される。該第１成層燃焼では、内側キャビティへ燃料を噴射する。キャビティ底面に衝突した噴霧は底面から側面の壁を伝うように上方へ進行する。これにより内側キャビティ上空に比較的小さな成層混合気が生成される。噴霧が内側キャビティ内に受け止められるように噴射時期が設定されるため、燃料噴射時期は第２運転領域と比較して上死点到達時期に近い時期に設定される。このため、燃料噴射時期と点火時期の間隔が短くなり、点火プラグまわりの混合気がリッチになりやすく、点火プラグのくすぶりの懸念が大きい。
【００１１】
図３に、上記第２成層燃焼における燃料噴霧および混合気の挙動を示す。該第２成層燃焼は、第２運転領域（比較的負荷の高い領域）において実行され、また、第１運転領域で第１成層燃焼を行っているときに所定条件が成立したときに、本第２成層燃焼に切り換えて実行される。該第２成層燃焼では、外側キャビティへ燃料を噴射し、まず噴霧は外側キャビティ底面に衝突する。その後噴霧は、外側キャビティ側面と壁面によって上方へ誘導されるが、噴霧の貫徹力が強いため、混合気全体がシリンダヘッド２の下面との間の空間で渦のように旋回する循環流動を持つようになる。この循環流動が周囲の空気を巻き込むため、キャビティ上空には濃度にむらの少ない均質な混合気場が生成される。また、燃料噴射時期から点火時期の間隔が比較的長くなるため、点火プラグまわりの混合気が必要以上にリッチになりにくく、点火プラグのくすぶりの懸念は小さい。
【００１２】
図４に、２つの成層燃焼方式の燃料噴射時期と点火時期、吸入負圧、排気温度、燃費を示す。第１運転領域においては、内側キャビティへ燃料を噴射し、成層混合気の形成が短時間で行われるため、燃料噴射時期と点火時期が比較的近くに設定される。また、第２運転領域においては、外側キャビティへ燃料を噴射し、成層混合気の形成がある程度の時間をかけて行われるため、燃料噴射時期と点火時期にある程度の間隔が保たれる。
【００１３】
成層燃焼運転領域においては、負荷の大きさにかかわらず、基本的にスロットルはほぼ全開で運転される。ただし、第１運転領域において、第２運転領域と同様の外側キャビティへ燃料噴射を行う第２成層燃焼を行う場合にのみ、成層混合気内の空燃比が略ストイキとなるよう機関への吸入空気量を減少補正するためスロットルをやや閉じ、キャビティ内の成層混合気濃度をリッチにすることにより、安定した成層燃焼を行うこともできる。この際、機関への吸入空気量の減少補正によって増加するポンプ損失を補うため、燃料噴射量の増量補正を行うこともできる。
【００１４】
第１運転領域においては、負荷が低く燃料噴射量が少ないため、排気温度が極めて低い。しかし、前述のようにスロットルをやや閉じ、第１運転領域において外側キャビティへ燃料噴射を行う第２成層燃焼を行うことによって、排気温度を上昇させることができる。この場合、燃料噴射時期と点火時期にある程度の間隔が保たれるため、点火プラグまわりの混合気が必要以上にリッチになりにくく、点火プラグのくすぶりの懸念も回避できる。
【００１５】
第１運転領域において成層燃焼を第１成層燃焼から第２成層燃焼へと切り換える場合、燃費の悪化を避けることができない。しかし、さらにスロットルを閉じて均質燃焼に切り換える場合と比較すると燃費の悪化分は小さいため、触媒温度の維持、点火プラグくすぶりの回避、燃費悪化分の最小限化、という本発明の３つの利点が確保される。
以下に、成層燃焼の切り換えについて説明する。
【００１６】
図４とも関連して、燃料噴射時期、点火時期、スロットル開度のうち少なくとも１つの制御により、燃焼方式の異なる２つの成層燃焼をすみやかに切り換えることができる。
以下に、運転継続時間による成層燃焼の切り換えについて説明する。
一方の成層燃焼の連続時間がある設定値を超えたときに成層燃焼の切り換えを行うことにより、負荷の大きさごとに最適な成層燃焼を選択して燃費良好の成層燃焼を行いつつも、運転が長時間にわたり継続された場合における触媒温度の低下または点火プラグくすぶりの懸念を防止することもできる。以上より、燃費良好のメリットと前記懸念防止のメリットとを両立させた機関を実現できる。
【００１７】
図５に、低負荷・低排気温度である第１運転領域における、運転継続時間による成層燃焼の切り換え判断方法の一例をフローチャートで示す。後述するタイマーカウント値を０にリセットした後（Ｓ１）、成層燃焼運転領域であるか否か（Ｓ２）、および第１運転領域であるか否か（Ｓ３）を判断し、ともに成立するとき、すなわち内側キャビティへ燃料噴射を行う第１成層燃焼を行っている場合、タイマーカウント値をインクリメントする（Ｓ４）。Ｓ２またはＳ３のいずれかが条件を満たさない場合は、リターンへ進む。タイマーカウント値をインクリメントした後、設定値に達したかを判断し（Ｓ５）、到達前はＳ３へ戻る。以上の制御を一定の時間間隔で行うことにより、タイマーカウントの値がそのまま第１運転領域における運転継続時間となる。そして、タイマーカウントの値が前記設定値を超えた場合（Ｓ５）、外側キャビティへ燃料噴射を行う第２成層燃焼へと切り換える（Ｓ６）。以上より、触媒温度低下または点火プラグくすぶりの懸念の大きい第１運転領域において、長時間にわたる運転継続を防止し成層燃焼を第２成層燃焼へと切り換えることにより、燃費良好のメリットと前記懸念防止のメリットとを両立させた機関を実現できる。
【００１８】
図６に、図５に示す判断方法例とは異なる例を示す。本例は、第１運転領域のうち比較的高負荷の領域における運転継続時間をタイマーカウントする点で、図５に示す例とは相違する。すなわち、第１運転領域のうち比較的高負荷の領域と判定された後、タイマーカウント値が設定値を超えたときに、外側キャビティへ燃料噴射を行う第２成層燃焼へと切り換える（Ｓ１４〜Ｓ１７）。以上より、点火プラグくすぶりの懸念の大きい第１運転領域のうち比較的高負荷の領域において、長時間にわたる運転継続を防止し成層燃焼を第２成層燃焼へと切り換えることにより、燃費良好のメリットと前記懸念防止のメリットとを両立させた機関を実現できる。
【００１９】
図７に、図５および図６に示す判断方法例とは異なる例を示す。本例は、第１運転領域のうち比較的低負荷の領域における運転継続時間をタイマーカウントする点で、図５および図６に示す例とは相違する。すなわち、第１運転領域のうち比較的低負荷の領域と判定された後、タイマーカウント値が設定値を超えたときに、外側キャビティへ燃料噴射を行う第２成層燃焼へと切り換える（Ｓ２４〜Ｓ２７）。以上より、触媒温度低下の懸念の大きい第１運転領域のうち比較的低負荷の領域において、長時間にわたる運転継続を防止し成層燃焼を第２成層燃焼へと切り換えることにより、燃費良好のメリットと前記懸念防止のメリットとを両立させた機関を実現できる。
【００２０】
以下に、触媒温度による成層燃焼の切り換えについて説明する。
図８に、排気温度センサー１４を用いた成層燃焼の切り換え判断方法例を示す。まず、排気温度センサー１４の指示値および履歴より、触媒温度が予測される（Ｓ３１）。成層燃焼運転領域であるか否か（Ｓ３２）、および第１運転領域であるか否か（Ｓ３３）を判断し、ともに成立するとき、すなわち内側キャビティへ燃料噴射を行う第１成層燃焼を行っている場合、この予測された触媒温度がある設定値を下回っていれば（Ｓ３４）、第１成層燃焼から外側キャビティへ燃料噴射を行う第２成層燃焼へと切り換える（Ｓ３５）。この予測された触媒温度が前記設定値以上であるときは、Ｓ３１に戻る。以上より、触媒温度の低下による排気エミッションの悪化を防止でき、さらには、触媒温度を直接モニタまたは予測して成層燃焼を切り換えるため、運転継続時間による成層燃焼の切り換えの場合に比べて燃費良好のメリットをより活かすことができる。
【００２１】
本発明における第２実施形態について、以下に説明する。
図９に、本発明における第２実施形態の構成図を示す。ピストン冠面の形状が第１実施形態とは異なり、冠面には１つのキャビティしか持たない。また、第１実施形態と比較して、点火プラグ先端が燃焼室内下方にやや突き出している。
図１０に、第２実施形態の第１運転領域における燃料噴霧および混合気の挙動を示す。噴霧は噴射直後にはその周辺において混合気場を形成する。本実施形態においては、噴射直後に点火時期を設定することにより、キャビティを介さず、噴霧が作り出した混合気場に直接点火を行うことにより、点火プラグまわりに比較的小さな成層混合気を生成してこれを燃焼させる第１成層燃焼を行うことができる。一方、高負荷である第２運転領域においては、図３に示すようなキャビティ内に均質な成層混合気場を形成することにより、点火プラグまわりに比較的大きな成層混合気を生成してこれを燃焼させる第２成層燃焼を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明における第１実施形態の構成図
【図２】第１実施形態の第１運転領域における噴霧および混合気の挙動
【図３】第１実施形態の第２運転領域における噴霧および混合気の挙動
【図４】２つの成層燃焼における噴射時期と点火時期、吸入負圧、排気温度、燃費
【図５】運転継続時間による成層燃焼の切り換え判断方法１
【図６】運転継続時間による成層燃焼の切り換え判断方法２
【図７】運転継続時間による成層燃焼の切り換え判断方法３
【図８】触媒温度による成層燃焼の切り換え判断方法
【図９】本発明における第２実施形態の構成図
【図１０】第２実施形態の第１運転領域における噴霧および混合気の挙動
【符号の説明】
【００２３】
１燃焼室
２シリンダヘッド
３シリンダブロック
４ピストン
５吸気ポート
６排気ポート
７吸気弁
８排気弁
９吸気弁用カム
１０排気弁用カム
１１燃料噴射弁
１２点火プラグ
１３機関コントロールユニット
１４排気温度センサー
【図１】
2006112342.tif 000002
【図２】
2006112342.tif 000003
【図３】
2006112342.tif 000004
【図４】
2006112342.tif 000005
【図５】
2006112342.tif 000006
【図６】
2006112342.tif 000007
【図７】
2006112342.tif 000008
【図８】
2006112342.tif 000009
【図９】
2006112342.tif 000010
【図１０】
2006112342.tif 000011