(57)【要約】【課題】点火時期の大幅な遅角によって、触媒の早期活性化と後燃えによるＨＣ低減を実現する。【解決手段】触媒コンバータの早期昇温が要求される内燃機関の冷間始動時に、点火時期ＡＤＶを圧縮上死点後に設定するとともに、点火時期前でかつ圧縮上死点後に燃料を噴射する超リタード燃焼を行う。点火時期直前の高圧燃料噴射により筒内の乱れが向上し、火炎伝播が促進されるので、安定した燃焼を実現できる。特に、筒内温度が低い始動直後の段階では、圧縮上死点からの遅角量は小さく、筒内温度の上昇に伴い燃焼安定度が高まるので、遅角量を徐々に大きくする。点火時期ＡＤＶと同時に、燃料噴射時期ＩＴ２も遅角させるので、より一層の排温上昇作用が得られる。【選択図】図５
2006177179.tif 000002
【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、排気系の触媒コンバータの早期昇温が要求される内燃機関の冷間始動時に、点火時期を圧縮上死点後に設定するとともに、この点火時期前でかつ圧縮上死点後に燃料を噴射する超リタード燃焼を行う一方、この超リタード燃焼における点火時期を触媒コンバータ温度以外の条件で進角ないし遅角補正するときに、燃料噴射開始時期を同じ方向に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】
超リタード燃焼における点火時期を、燃焼安定度に基づいて補正す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】
超リタード燃焼における点火時期を、燃焼安定度に相関するパラメータに応じて補正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】
上記パラメータとして、機関温度を用いることを特徴とする請求項３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】
機関温度が高いほど点火時期を遅角側へ補正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】
点火時期が圧縮上死点から遅角するほど、燃料噴射開始時期から点火時期までのクランク角間隔が小さく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】
超リタード燃焼においては、圧縮上死点後の燃料噴射に先だって、吸気行程中もしくは圧縮行程中に、さらに燃料噴射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。
【請求項８】
内燃機関の始動からの経過時間を機関温度とみなす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。
【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、排気系の触媒コンバータの早期昇温（早期活性化）が要求される冷間始動時における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、筒内直接噴射式火花点火内燃機関の触媒暖機方法として、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のときに、吸気行程から点火時期にかけての期間内で、部分的な空燃比の濃淡を有する混合気を燃焼室内に形成する後期噴射と、この後期噴射より前に燃料を噴射して、後期噴射の燃料と後期噴射の燃焼とで延焼可能な、理論空燃比よりもリーンな空燃比の混合気を燃焼室内に生成する早期噴射と、の少なくとも２回の分割噴射を行い、かつ点火時期をＭＢＴ点より所定量リタードさせるとともに、機関の無負荷領域では点火時期を圧縮上死点よりも前に設定し、無負荷領域を除く低速低負荷領域では点火時期を圧縮上死点以降までリタードさせる技術が記載されている。上記後期噴射は、圧縮行程の中期以降、例えば１２０°ＢＴＤＣ〜４５°ＢＴＤＣに行われる。
【特許文献１】特許第３３２５２３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
内燃機関の冷機時における触媒の早期活性化および後燃えによるＨＣ低減のためには、点火時期の遅角が有効であり、より大きな効果を得るためには、圧縮上死点以降の点火（ＡＴＤＣ点火）が望ましい。ＡＴＤＣ点火で安定した燃焼を行わせるためには、燃焼期間を短縮する必要があり、そのために、筒内の乱れを強化して、燃焼速度（火炎伝播速度）を上昇させることが必要である。
【０００４】
このような乱れの強化のために、筒内に高圧で噴射される燃料噴霧のエネルギにより筒内に乱れを生成することが考えられる。
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、主に、１回目の燃料噴射（早期噴射）を吸気行程中に行い、２回目の燃料噴射（後期噴射）を圧縮行程中の１２０°ＢＴＤＣ〜４５°ＢＴＤＣに行っている。このように最後の燃料噴射が圧縮上死点よりも前では、その噴霧により筒内に乱れを生成しても、圧縮上死点以降はその乱れが減衰してしまい、ＡＴＤＣ点火での火炎伝播速度上昇には寄与しない。
【０００６】
例えば、図８は、吸気ポート内に設けたガス流動制御弁（例えばタンブル制御弁）を作動させた場合とこのようなガス流動制御弁を具備しない場合とについて、筒内の乱れの大きさを示したものであるが、ガス流動制御弁を作動させることで吸気行程中に生成した乱れ（符号Ａの部分）は、圧縮行程の進行とともに減衰し、圧縮行程後期のタンブル流の崩壊に伴い一時的に乱れが大きくなる（符号Ｂの部分）ものの、圧縮上死点以降は符号Ｃで示すように急速に減衰してしまい、その乱れを用いた燃焼改善（火炎伝播向上）はあまり期待できない。燃料噴霧による乱れについても同様であり、圧縮上死点より前の燃料噴射により乱れが生成されたとしても、圧縮上死点以降の点火燃焼には寄与しない。
【０００７】
このため、ＡＴＤＣ点火の方が排温上昇やＨＣ低減に有利であるが、燃焼安定性が成立しないため、特許文献１では、無負荷領域では点火時期を圧縮上死点前（ＢＴＤＣ点火）としている。
【０００８】
本発明は、このような実状を踏まえて、触媒の早期活性化およびＨＣ低減のためのＡＴＤＣ点火での燃焼安定性を改善することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、排気系の触媒コンバータの早期昇温が要求される内燃機関の冷間始動時に、点火時期を圧縮上死点後に設定するとともに、この点火時期前でかつ圧縮上死点後に燃料を噴射する超リタード燃焼を行うようにしたものである。そして、さらに、この超リタード燃焼における点火時期を触媒コンバータ温度以外の条件、例えば燃焼安定度などによって進角ないし遅角補正するときに、燃料噴射開始時期を同じ方向に補正することを特徴としている。
【００１０】
すなわち、圧縮上死点以降では、吸気行程や圧縮行程で生成された乱れは減衰してしまうが、圧縮上死点以降の膨張行程中になされる燃料噴射によって、筒内の乱れを生成・強化することができ、ＡＴＤＣ点火での火炎伝播が促進される。従って、点火時期を圧縮上死点後とした超リタード燃焼が安定的に成立する。
【００１１】
ここで、例えば、筒内温度（換言すれば燃焼室壁温度）が非常に低い冷間始動直後などでは、基本的に燃焼安定度が低いため、同じ超リタード燃焼であっても、燃焼安定限界の点から点火時期が圧縮上死点に近い位置に制限され、その後、筒内温度が高くなれば、基本的な燃焼安定度の向上に伴って、点火時期をより遅角側へ設定できる。本発明では、このような点火時期の補正に対し、同時に、燃料噴射開始時期が同じ方向に補正される。排気温度は、点火時期を遅角させることでより高くなるが、燃料噴射開始時期を同時に遅角させると、より一層高く得られる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、点火時期を圧縮上死点後に設定した超リタード燃焼の燃焼安定性を十分に確保することができ、冷間始動の際に、触媒の早期活性化および後燃えによるＨＣ低減を達成することができる。そして、燃焼安定度などに関連して点火時期を遅進補正するときに同時に燃料噴射開始時期を同じ方向に遅進させることで、より高い排温上昇作用が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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、吸気弁（図示せず）を介して吸気通路４が接続され、かつ排気弁（図示せず）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。
【００１６】
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によって所定圧力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、その開弁期間に応じた量の燃料が噴射される。なお、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。
【００１７】
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。
【００１８】
上記内燃機関１の燃料噴射量や噴射時期、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、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３０〜４０程度とした極リーンの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。この均質燃焼運転としては、運転条件に応じて、空燃比を理論空燃比とした均質ストイキ燃焼と、空燃比を２０〜３０程度のリーンとした均質リーン燃焼と、がある。
【００１９】
本発明は、触媒コンバータ１０の早期昇温が要求される内燃機関１の冷間始動時において、排気温度を高温とするように、超リタード燃焼を行うものであり、以下、この超リタード燃焼の燃料噴射時期および点火時期を図２に基づいて説明する。
【００２０】
図２は、超リタード燃焼の３つの実施例を示しており、実施例１では、点火時期を１５°〜３０°ＡＴＤＣ（例えば２０°ＡＴＤＣ）とし、燃料噴射時期（詳しくは燃料噴射開始時期）を、圧縮上死点以降でかつ点火時期前に設定する。なお、このとき、空燃比は、理論空燃比ないしはこれよりも若干リーン（１６〜１７程度）に設定される。
【００２１】
すなわち、触媒暖機促進ならびにＨＣ低減のためには、点火時期遅角が有効であり、上死点以降の点火（ＡＴＤＣ点火）が望ましいが、ＡＴＤＣ点火で安定した燃焼を行わせるためには、燃焼期間を短縮する必要があり、そのためには、乱れによる火炎伝播を促進しなければならない。前述したように、圧縮上死点以降では、吸気行程や圧縮行程で生成された乱れは減衰してしまうが、本発明では、圧縮上死点以降の膨張行程中になされる高圧の燃料噴射によって、ガス流動が生じ、これにより筒内の乱れを生成・強化することができる。従って、ＡＴＤＣ点火での火炎伝播が促進され、安定した燃焼が可能となる。
【００２２】
図２の実施例２は、燃料噴射を２回に分割した例であり、１回目の燃料噴射を吸気行程中に行い、２回目の燃料噴射を圧縮上死点以降に行う。なお、点火時期および空燃比（２回の噴射を合わせた空燃比）は実施例１と同様である。
【００２３】
このように、圧縮上死点後の燃料噴射（膨張行程噴射）に先立ち、吸気行程中に燃料噴射（吸気行程噴射）を行うと、吸気行程噴射の燃料噴霧による乱れは圧縮行程後半で減衰してしまい、圧縮上死点後におけるガス流動強化には殆ど影響を与えないが、噴射燃料が燃焼室全体に拡散していて、ＡＴＤＣ点火によるＨＣの後燃えの促進に寄与するので、ＨＣ低減および排温上昇には有効である。
【００２４】
また、図２の実施例３は、燃料噴射を２回に分割し、１回目の燃料噴射を圧縮行程にて行い、２回目の燃料噴射を圧縮上死点以降に行う。このように、圧縮上死点後の燃料噴射（膨張行程噴射）に先立ち、圧縮行程中に燃料噴射（圧縮行程噴射）を行うと、実施例２の吸気行程噴射に比べれば、圧縮行程噴射の方が、その燃料噴霧による乱れの減衰が遅くなるため、この１回目の燃料噴射による乱れが残り、圧縮上死点以降に２回目の燃料噴射を行うことで、１回目の燃料噴射で生成した乱れを助長するように乱れを強化でき、圧縮上死点付近における更なるガス流動強化が図れる。
【００２５】
この実施例３の場合に、１回目の圧縮行程噴射は、圧縮行程前半でもよいが、圧縮行程後半（９０°ＢＴＤＣ以降）に設定すると、上死点付近での乱れをより高めることができる。特に、この１回目の圧縮行程噴射を、４５°ＢＴＤＣ以降、より望ましくは２０°ＢＴＤＣ以降とすると、圧縮上死点以降のガス流動をより強化することができる。
【００２６】
このように、実施例１〜３の超リタード燃焼によれば、点火の直前に燃料噴霧により筒内の乱れを生成・強化することができ、火炎伝播を促進して、安定した燃焼を行わせることができる。特に、点火時期を１５°〜３０°ＡＴＤＣまで遅角させることにより、触媒の早期活性化およびＨＣ低減のための十分な後燃え効果を得ることができる。換言すれば、このように点火時期を大きく遅らせても、その直前まで燃料噴射を遅らせて、乱れの生成時期も遅らせることで、火炎伝播向上による燃焼改善を達成できるのである。
【００２７】
ここで、本発明においては、同じ超リタード燃焼であっても、点火時期およびその直前の膨張行程噴射の時期（詳しくは燃料噴射開始時期）が、さらに、筒内温度（換言すれば燃焼室壁温度）によって異なるものとなる。
【００２８】
図３のフローチャートは、その制御の流れの概略を示しており、まず触媒コンバータ１０が活性状態にあるか否か判定し（ステップ１）、始動直後のように未活性状態であれば、上述した超リタード燃焼を開始する（ステップ２）。そして、ステップ３で筒内温度（燃焼室壁温度）を推定し、かつこの筒内温度に応じて、点火時期ＡＤＶおよび膨張行程噴射の燃料噴射開始時期ＩＴ２を設定して、ステップ４で、これらの目標値に沿った点火時期および燃料噴射開始時期の遅角を行う。そして、触媒が活性化したら、ステップ１からステップ５へ進み、通常の成層燃焼ないしは均質燃焼へ移行する。
【００２９】
上記の筒内温度は、図示しない筒内温度センサを設けて直接に検出してもよいが、水温センサ２１により検出される機関冷却水温などから推定することができ、あるいは、筒内温度は、図４に示すように、機関始動後、所定の時定数でもって徐々に上昇するので、始動後の経過時間でもって筒内温度を推定することもできる。
【００３０】
この筒内温度によって、燃焼安定度が左右されるので、上記ステップ３における点火時期ＡＤＶの目標値としては、この燃焼安定度を考慮して設定され、例えば図４に示すように、始動直後（つまり筒内温度が低いとき）には圧縮上死点からの遅角量が小さく、かつ始動からの時間経過に伴って（つまり燃焼安定度の向上に伴って）、遅角量が大となる。そして、膨張行程噴射の燃料噴射開始時期ＩＴ２は、この点火時期ＡＤＶの変化と同じ方向へ変化するように筒内温度（あるいは始動後の経過時間）に応じて設定される。
【００３１】
図５は、冷間始動後の点火時期ＡＤＶ等の変化の一例を示すタイムチャートであって、時間ｔ１において、超リタード燃焼へ移行し、点火時期ＡＤＶおよび膨張行程噴射の燃料噴射開始時期ＩＴ２が、上述したような圧縮上死点後の時期までステップ的に遅角する。この段階では、筒内温度が低く、燃焼安定度が低いので、点火時期ＡＤＶおよび燃料噴射開始時期ＩＴ２の圧縮上死点からの遅角量は、比較的小さい。その後、区間ｔ２内では、始動からの時間経過つまり燃焼安定度の向上に伴い、点火時期ＡＤＶおよび燃料噴射開始時期ＩＴ２の遅角量が増加していく。これにより、燃焼安定性を確保しつつ最大限の排温上昇作用が得られ、触媒温度は速やかに上昇する。時間ｔ３において触媒温度が所定の目標活性温度に達し、この段階で超リタード燃焼から通常燃焼へ移行する。なお、排温は、基本的には点火時期の遅角に伴って上昇するが、同時に燃料噴射時期を遅角させることで、より一層の排温上昇作用が得られる。
【００３２】
図６は、一例として、燃焼安定度が十分に高くなった段階（例えば上記の時間ｔ３の段階）での燃料噴射時期および点火時期の特性Ａと、燃焼安定度が低い段階（例えば上記の時間ｔ１の段階）での特性Ｂと、を対比して示している。従って、冷間始動後は、特性Ｂから特性Ａへと連続的に変化することになる。ここで、燃料噴射開始時期から点火時期までのクランク角間隔Ｔは、図示するように、点火時期の圧縮上死点からの遅角量が大であるほど、小さくなる。換言すれば、筒内温度の上昇に対し、点火時期の遅角量の増加に比べて、燃料噴射開始時期の遅角量の増加はより大きい。このように点火時期をより大きく遅角させたときに燃料噴射から点火までのクランク角間隔Ｔを縮小することで、燃料噴霧の拡散が抑制され、点火時期を遅角させたことに伴う燃焼安定性の悪化が抑制される。
【００３３】
図７は、点火時期および燃料噴射開始時期（膨張行程噴射の燃料噴射開始時期）と燃焼安定度との関係をまとめて示したものであり、実線Ｌ１は極低温時における点火時期の特性、破線Ｌ１１は極低温時における燃料噴射開始時期の特性、実線Ｌ２は中低温時における点火時期の特性、破線Ｌ１２は中低温時における燃料噴射開始時期の特性、実線Ｌ３は弱低温時における点火時期の特性、破線Ｌ１３は弱低温時における燃料噴射開始時期の特性、をそれぞれ示す。この図に示すように、点火時期および燃料噴射開始時期を遅角させると、燃焼安定度は低下し、従って、図示する限界安定度の線と交差する点よりは遅角することができない。そして、実線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の対比から明らかなように、同じ遅角量であっても、筒内温度が低いほど燃焼安定度は低くなる。従って、筒内温度に応じて、燃焼安定度が限界安定度となる遅角量とすることが、燃焼安定性および排温上昇の上で好ましいものとなる。なお、破線で示す燃料噴射開始時期と実線で示す点火時期との間隔が、前述したクランク角間隔Ｔに相当し、前述したように、この間隔Ｔは、点火時期が圧縮上死点から遅角するほど小さくなる。
【００３４】
以上、点火時期と燃料噴射開始時期との関係に関し、圧縮上死点後の燃料噴射のみについて説明したが、前述した実施例２，３のように、圧縮上死点後の燃料噴射に先だって、吸気行程中もしくは圧縮行程中に、１回目の燃料噴射を行うことが可能である。この場合、２回目の燃料噴射時期の変化に伴って１回目の噴射時期を変化させてもよく、あるいは１回目の噴射時期は変化しないようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【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】本発明の超リタード燃焼の燃料噴射時期および点火時期を示す特性図。
【図３】本発明の制御の流れを示すフローチャート。
【図４】始動後経過時間と筒内温度および点火時期ＡＤＶとの関係を示す特性図。
【図５】冷間始動後の点火時期等の変化を示すタイムチャート。
【図６】筒内温度が高いときと低いときの燃料噴射時期および点火時期の設定例を示す特性図。
【図７】点火時期等と燃焼安定度との関係をまとめて示す特性図。
【図８】従来技術における筒内の乱れの変化を示す説明図。
【符号の説明】
【００３６】
３…燃焼室
１０…触媒コンバータ
１４…点火プラグ
１５…燃料噴射弁
２５…コントロールユニット  
【図１】
2006177179.tif 000003
【図２】
2006177179.tif 000004
【図３】
2006177179.tif 000005
【図４】
2006177179.tif 000006
【図５】
2006177179.tif 000007
【図６】
2006177179.tif 000008
【図７】
2006177179.tif 000009
【図８】
2006177179.tif 000010