(57)【要約】【課題】安定した拡散燃焼を生じさせる。【解決手段】燃料噴射弁（９）を燃焼室（４）の中央部に配置すると共に、燃料噴射弁（９）からシリンダボア半径の１/２以上離れた燃焼室（４）の周辺部に点火プラグ（１０）を配置し、１サイクル中に燃料噴射弁（９）から燃焼室（４）内に燃料噴射を複数回行う。１回目の燃料噴射による噴霧を点火プラグ（１０）により点火させて火炎を発生させた後、２回目の燃料噴射による噴霧をこの火炎内に噴射して拡散燃焼させる。２回目の燃料噴射時の筒内温度が安定拡散燃焼温度未満の場合には、実圧縮比を高くする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に燃料噴射弁と点火プラグとを配置し、１サイクル中に燃料噴射弁から燃焼室内に燃料噴射を複数回行い、１回目の燃料噴射による噴霧を点火プラグにより点火させて火炎を発生させた後、２回目以降の燃料噴射による噴霧を該火炎内に噴射して拡散燃焼させるようにした内燃機関の制御装置において、該燃料噴射弁を燃焼室の中央部に配置すると共に、該燃料噴射弁からシリンダボア半径の１/２以上離れた燃焼室の周辺部に該点火プラグを配置し、２回目以降の燃料噴射時の筒内温度が安定拡散燃焼温度未満の場合には、実圧縮比を高くする内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼室の中央部に配置された燃料噴射弁からの噴射燃料をスプレイガイド方式により点火するために燃料噴射弁に近接して点火プラグを配置し、１サイクル中に燃料噴射弁から燃焼室内に燃料噴射を２回行い、１回目の燃料噴射による噴霧を点火プラグにより点火させて火炎を発生させた後、２回目の燃料噴射による噴霧をこの火炎内に噴射して拡散燃焼させ、それにより安定したリーン燃焼を確保すようにした内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。このようにリーン燃焼を行っている場合には、燃料噴射弁からの噴射燃料量は少なく、噴射燃料の貫徹力が低いために、噴射燃料は噴射後、短時間の間に気化、拡散し、可燃混合気となる。従って、燃料噴射弁に点火プラグを近接配置しても、即ち燃料噴射弁と点火プラグとの距離を短くしても、噴射燃料が点火プラグに到達する頃には、噴射燃料は十分に気化、拡散し、可燃混合気になっており、従って、点火プラグにより点火された噴射燃料を良好に燃焼させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２７８２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、燃焼すべき混合気の空燃比を小さくすると、例えば、三元触媒を用いて排気浄化を行うために燃焼すべき混合気の空燃比を理論空燃比にすると、燃料噴射弁からの噴射燃料量が多くなり、噴射燃料の貫徹力が高くなる。従って、上述の内燃機関におけるように、燃料噴射弁と点火プラグとの距離が短いと、噴射燃料が点火プラグに到達するまでに、噴射燃料は十分に気化、拡散することができず、点火プラグ周りの混合気が過濃となる。その結果、噴射燃料が点火プラグにより点火されて燃焼せしめられたときの未燃成分の発生量が増大し、またこのときの空気利用率が低いために燃焼効率が低下するという問題を生ずる。更に、この内燃機関では、筒内温度が低下した場合には、拡散燃焼を行えなくなるという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題を解決するために、本発明によれば、燃焼室内に燃料噴射弁と点火プラグとを配置し、１サイクル中に燃料噴射弁から燃焼室内に燃料噴射を複数回行い、１回目の燃料噴射による噴霧を点火プラグにより点火させて火炎を発生させた後、２回目以降の燃料噴射による噴霧を該火炎内に噴射して拡散燃焼させるようにした内燃機関の制御装置において、燃料噴射弁を燃焼室の中央部に配置すると共に、燃料噴射弁からシリンダボア半径の１/２以上離れた燃焼室の周辺部に点火プラグを配置し、２回目以降の燃料噴射時の筒内温度が安定拡散燃焼温度未満の場合には、実圧縮比を高くする内燃機関の制御装置が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
燃焼すべき混合気の空燃比を小さくされたとしても、燃料噴射弁からシリンダボア半径の１/２以上離れた燃焼室の周辺部に点火プラグを配置することによって、噴射燃料が点火プラグに到達する頃には、噴射燃料は十分に気化、拡散し、可燃混合気になる。従って、噴射燃料が点火プラグにより点火されたときに良好に燃焼させることができる。更に、２回目以降の燃料噴射時の筒内温度が安定拡散燃焼温度未満の場合に、実圧縮比を高くすることによって筒内温度を上昇させ、それによって安定した拡散燃焼を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は内燃機関の縦断面図であって、（B）は（A）の側面断面図である。
【図２】図２は燃焼室を下方から見たときの図である。
【図３】図３は噴射時期と点火時期を示す図である。
【図４】図４は燃焼確認領域を示す図である。
【図５】図５は燃焼可能域を示す図である。
【図６】図６は吸気弁の開弁期間を示す図である。
【図７】図７は拡散燃焼域および火炎伝播燃焼域を示す図である。
【図８】図８は機関の運転制御を行うためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１にガソリンを用いた内燃機関の縦断面図を示し、図２に図１に示される内燃機関の燃焼室を下方から見たときの図を示す。なお、図１において、図（Ｂ）は図（Ａ）の側面断面図を示す。図１および図２を参照すると、１はシリンダブロック、２はシリンダブロック１上に取り付けされたシリンダヘッド、３はシリンダブロック１内で往復動するピストン、４はシリンダヘッド２ピストン３間に形成された燃焼室、５は吸気弁、６は吸気ポート、７は排気弁、８は排気ポートを夫々示す。
【０００９】
図１および図２に示されるように燃料噴射弁９は燃焼室４の中央部、図１および図２に示される例では、燃焼室４の上壁面の中央に配置されており、図１（Ａ）および図２（Ａ）に示されるように燃料噴射弁９からは燃焼室４の周辺部に向けて放射状に燃料噴霧Ｆ１が噴射される。一方、図１（Ａ）および図２（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、燃焼室４の周辺部には点火プラグ１０が配置される。図１（Ａ）および図２（Ａ）、（Ｂ）に示される例では、シリンダボア中心軸に対して反対側の燃焼室４周辺部に、一対の点火プラグ１０が配置されている。図１（Ａ）および図２（Ａ）に示されるように、これら点火プラグ１０は、燃料噴射弁９から燃料が噴射されたときに燃料噴霧Ｆ１内に位置するように配置される。
【００１０】
図１（Ｂ）に示されるように、吸入空気は吸入空気量検出器１１を介して吸気ポート６内に流入し、次いで吸気弁５を介して燃焼室４内に供給される。また、本発明による実施例では、燃焼室４内の圧力を検出するための圧力センサが設けられている。この圧力センサは、図１（Ａ）に示されるように、燃料噴射弁９に取り付けられた、例えばピエゾ圧電素子からなる圧力センサ１２からなり、この圧力センサ１２の出力信号は、デジタルコンピュータからなる電子制御ユニット１３に入力される。なお、図には示していないが、大気温を検出するための大気温検出センサ、大気圧を検出するための大気圧検出センサおよび機関回転数を検出するための回転数検出センサを具備しており、これら大気温検出センサ、大気圧検出センサおよび回転数検出センサの出力信号は、電子制御ユニット１３に入力される。
【００１１】
一方、図１（Ｂ）に示されるように、吸気弁５は吸気弁駆動用カムを備えたカムシャフト１４によって開閉制御されており、このカムシャフト１４は吸気弁駆動用カムを進角側或いは遅角側に移動制御することのできる可変バルブタイミング機構１５に連結されている。本発明による実施例では、この可変バルブタイミング機構１５によって、吸気弁５の閉弁時期が進角側或いは遅角側に制御される。
【００１２】
次に、図３を参照しつつ、本発明の実施例における噴射時期および点火時期について説明する。なお、図３において、横軸はクランク角を示しており、横軸におけるＴＤＣは圧縮上死点を示している。図３を参照すると、本発明による実施例では、圧縮上死点ＴＤＣ前に予備噴射が行われ、この予備噴射の燃料噴霧が図１（Ａ）および図２（Ａ）においてＦ１で示されている。図１（Ａ）および図２（Ａ）に示されるように、この予備噴射の燃料噴霧Ｆ１が点火プラグ１０に到達すると、この予備噴射の燃料噴霧Ｆ１は点火プラグ１０によって点火される。この予備噴射の燃料噴霧Ｆ１の点火時期が図３に示されており、図３に示されるように、予備噴射の燃料噴霧Ｆ１は圧縮上死点ＴＤＣ前に点火される。なお、この場合、予備噴射の燃料噴霧Ｆ１の点火時期は、予備噴射の噴射時期によって制御され、従って、点火プラグ１０として点火時期の制御が可能なスパークプラグを用いることもできるが、点火プラグ１０として点火時期の管理が不要な、例えばグロープラグのような加熱体を用いることもできる。
【００１３】
予備噴射の燃料噴霧Ｆ１が点火されると火炎が生成され、点火当初における火炎の生成領域が図２（Ｂ）においてＳＦで示されている。次いで、この火炎の生成領域ＳＦは燃焼室４の中心部に向けて次第に広がっていく。次いで、図３に示されるように、圧縮上死点ＴＤＣ付近において主噴射が行われ、この主噴射の燃料噴霧が図２（Ｂ）においてＦ２で示されている。この主噴射は生成されている火炎内に向けて噴射され、この主噴射の燃料噴霧Ｆ２は火炎内に送り込まれると、図２（Ｂ）においてＳＤで示されるように、順次、拡散燃焼せしめられる。拡散燃焼は、燃料液滴からの燃料の蒸発速度で律速された穏やかな燃焼であり、従って、拡散燃焼が行われるとノッキングを発生することがない。なお、本発明の実施例では、予備噴射の燃料量と主噴射の燃料量が、燃焼室４内において燃焼せしめられる混合気の空燃比を理論空燃比とするのに必要な燃料量とされている。
【００１４】
燃料噴射弁９と点火プラグ１０との距離が短いと、予備噴射の燃料噴霧Ｆ１が点火プラグ１０に到達するまでに、燃料は十分に気化、拡散することができず、点火プラグ１０周りの混合気が過濃となる。その結果、予備噴射の燃料が点火プラグ１０により点火されて燃焼せしめられたときの未燃成分の発生量が増大し、またこのときの空気利用率が低いために燃焼効率が低下する。これに対し、燃料噴射弁９と点火プラグ１０との距離を長くとると、予備噴射の燃料噴霧Ｆ１が点火プラグ１０に到達する頃には、燃料は十分に気化、拡散し、可燃混合気になっている。従って、予備噴射の燃料噴霧Ｆ１が点火プラグ１０により点火されたときに良好に燃焼させることが可能となる。
【００１５】
図４は、シリンダボア中心軸Ｏに配置された燃料噴射弁９からの点火プラグ１０の距離Ｘと、予備噴射の燃料噴霧Ｆ１が点火プラグ１０により点火されたときに良好に燃焼せしめられることが確認された燃焼確認領域との関係を示す実験結果を示している。図４に示される実験結果から、燃料噴射弁９と点火プラグ１０との距離Ｘをシリンダボア半径の１/２以上にすると、即ち、燃料噴射弁９からシリンダボア半径の１/２以上離れた燃焼室４の周辺部に点火プラグ１０を配置すると、予備噴射の燃料噴霧Ｆ１が点火プラグ１０により点火されたときに良好に燃焼せしめられることがわかる。従って、本発明の実施例では、燃料噴射弁９からシリンダボア半径の１/２以上離れた燃焼室４の周辺部に点火プラグ１０が配置されている。
【００１６】
一方、予備噴射の燃料噴霧Ｆ１が良好に燃焼せしめられたとしても、主噴射が噴射されたときの燃焼室４内の温度が低いと、安定した主噴射燃料の拡散燃焼は行われず、安定した主噴射燃料の拡散燃焼を行うには、主噴射燃料の噴射時における燃焼室４内の温度が或る程度高いことが必要である。図５は、圧縮上死点ＴＤＣにおける燃焼室４内の温度（以下、ＴＤＣ温度と称す）と、安定した主噴射燃料の拡散燃焼を行うことのできる燃焼可能域との関係を示す実験結果を示している。図５から、ＴＤＣ温度がＴＫ以上であれば安定した主噴射燃料の拡散燃焼を行えることがわかる。なお、本発明の実施例では、この安定した主噴射燃料の拡散燃焼を行うことのできるＴＤＣ温度の下限温度ＴＫを安定拡散燃焼温度と称している。図５に示される実施例では、この安定拡散燃焼温度ＴＫは１１００Ｋである。そこで、本発明の実施例では、主噴射燃料を拡散燃焼すべきときに、ＴＤＣ温度が安定拡散燃焼温度ＴＫ、即ち、１１００Ｋ以下のときには、実圧縮比を増大させることによりＴＤＣ温度が安定拡散燃焼温度ＴＫを越えるようにしている。
【００１７】
即ち、本発明では、燃焼室４内に燃料噴射弁９と点火プラグ１０とを配置し、１サイクル中に燃料噴射弁９から燃焼室４内に燃料噴射を複数回行い、１回目の燃料噴射による噴霧を点火プラグ１０により点火させて火炎を発生させた後、２回目以降の燃料噴射による噴霧をこの火炎内に噴射して拡散燃焼させるようにした内燃機関の制御装置において、燃料噴射弁９を燃焼室４の中央部に配置すると共に、燃料噴射弁９からシリンダボア半径の１/２以上離れた燃焼室４の周辺部に点火プラグ１０を配置し、２回目以降の燃料噴射時の筒内温度が安定拡散燃焼温度ＴＫ未満の場合には、実圧縮比が高くされる。
【００１８】
次に、実圧縮比の増大方法について、図６を参照しつつ簡単に説明する。本発明の実施例では、可変バルブタイミング機構１５により吸気弁５の閉弁時期を制御することにより、実圧縮比を増大させるようにしている。図６（Ａ）および（Ｂ）は、吸気弁５の開弁期間を示しており、ＢＤＣおよびＴＤＣは夫々圧縮下死点および圧縮上死点を示している。また、図６（Ａ）および（Ｂ）において、矢印は吸気弁５の開弁期間を示しており、ＩＣおよびＩＣ‘は吸気弁５の閉弁時期を示している。また、図６（Ａ）は、吸気弁５の閉弁時期を制御することにより燃焼室４内への吸入空気量を制御するアトキンソンサイクルが採用されている場合を示しており、図６（Ｂ）は、吸気弁５の閉弁時期を制御することにより燃焼室４内への吸入空気量を制御するミラーサイクルが採用されている場合を示している。
【００１９】
図６（Ａ）において、実線は、機関の運転状態から定まる吸気弁５の基準開弁期間を示しており、ＩＣは、吸気弁５の基準閉弁時期を示している。アトキンソンサイクルが採用されている場合において実圧縮比を増大すべきときには、可変バルブタイミング機構１５によりカムシャフト１４の吸気弁駆動用カムが進角側に移動せしめられ、その結果、図６（Ａ）において破線で示されるように吸気弁５の閉弁時期ＩＣ‘が進角される。吸気弁５の閉弁時期ＩＣ‘が進角されると実圧縮比が増大し、ＴＤＣ温度が高められる。一方、図６（Ｂ）においても、実線は、機関の運転状態から定まる吸気弁５の基準開弁期間を示しており、ＩＣは、吸気弁５の基準閉弁時期を示している。ミラーサイクルが採用されている場合において実圧縮比を増大すべきときには、可変バルブタイミング機構１５によりカムシャフト１４の吸気弁駆動用カムが遅角側に移動せしめられ、その結果、図６（Ａ）において破線で示されるように吸気弁５の閉弁時期ＩＣ‘が遅角される。吸気弁５の閉弁時期ＩＣ‘が遅角されると実圧縮比が増大し、ＴＤＣ温度が高められる。
【００２０】
図７は、火炎伝播燃焼域と、拡散燃焼域と、エンジン回転数と、エンジンの出力トルクとの関係を示している。図７に示される例では、燃料噴射量が多く、エンジンの出力トルクが高いときに拡散燃焼域となり、この拡散燃焼域では図３に示されるように、予備噴射と主噴射とが行われて主噴射の燃料噴霧Ｆ２が拡散燃焼せしめられる。一方、図７に示される例では、燃料噴射量が少なく、エンジンの出力トルクが低いときに火炎伝播燃焼域となり、この火炎伝播燃焼域では圧縮上死点ＴＤＣ前に燃料噴射弁９から全燃料が噴射され、点火プラグ１０の点火作用により生成された火炎によって全燃料が火炎伝播燃焼せしめられる。
【００２１】
次に、図８を参照しつつ機関の運転制御ルーチンについて説明する。このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。なお、前述したように、点火プラグ１０として、点火時期の制御が可能なスパークプラグを用いることもできし、点火時期の管理が不要な、例えばグロープラグのような加熱体を用いることもできるが、以下、点火プラグ１０として点火時期の制御が可能なスパークプラグを用いた場合を例にとって、機関の運転制御ルーチンについて説明する。また、吸気弁５の閉弁時期を制御することにより燃焼室４内への吸入空気量を制御するアトキンソンサイクルが採用されている場合を例にとって、機関の運転制御ルーチンについて説明する。
【００２２】
図８を参照すると、まず初めにステップ２０において、機関の運転状態が図７に示される拡散燃焼域であるか否かが判別される。機関の運転状態が図７に示される拡散燃焼域でないと判別されたとき、即ち、機関の運転状態が図７に示される火炎伝播燃焼域であると判別されたときには、ステップ２１に進んで火炎伝播燃焼が行われる。即ち、ステップ２１では、電子制御ユニット１３のＲＯＭ内に予め記憶されている機関の運転状態に応じた吸気弁５の基準閉弁時期が読み込まれ、吸気弁５の閉弁時期がこの基準閉弁時期とされる。次いで、ステップ２２では、電子制御ユニット１３のＲＯＭ内に予め記憶されている機関の運転状態に応じた全噴射燃料量、噴射時期、点火時期が読み込まれ、これらの値に従って燃料噴射弁９からの燃料噴射制御および点火プラグ１０の点火制御が行われる。このとき、点火プラグ１０の点火作用により生成された火炎によって、燃料噴射弁９から噴射された全燃料が火炎伝播燃焼せしめられる。
【００２３】
一方、ステップ２０において機関の運転状態が図７に示される拡散燃焼域であると判別されたときにはステップ２３に進んで、圧力センサ１２の出力信号から圧縮上死点ＴＤＣにおける燃焼室４内の圧力（ＴＤＣ筒内圧）が算出される。次いで、ステップ２４では、吸入空気量検出器１１により検出された吸入空気量、大気圧検出センサにより検出された大気圧、大気温検出センサにより検出された大気温、回転数検出センサにより検出されたエンジン回転数から、燃焼室４内に充填された吸入空気量（ｇ）が算出される。次いでステップ２５では、例えば、状態方程式（ＰＶ＝ｎＲＴ）を用いて、圧縮上死点ＴＤＣにおける燃焼室４内の温度、即ち、ＴＤＣ温度が算出される。即ち、圧力センサ１２の出力信号から算出された圧縮上死点ＴＤＣにおける筒内圧Ｐと，燃焼室容積Ｖと、燃焼室４内に充填された吸入空気量（ｇ）および空気の重量（ｇ/mol）から算出されたモル数ｎと、ガス定数Ｒとから、ＴＤＣ温度Ｔが算出される。なお、この場合、このようにして算出されたＴＤＣ温度を、吸気行程時にシリンダ内に残留している残留ガス量でもって補正することもできる。
【００２４】
次いで、ステップ２６では、ＴＤＣ温度が、安定拡散燃焼温度ＴＫ（図５）よりも高いか否かが判別される。ＴＤＣ温度が安定拡散燃焼温度ＴＫよりも低いときにはステップ２７に進んで可変バルブタイミング機構１５により吸気弁５の閉弁時期が1度だけ進角され、次いでステップ２２に進む。このときには、火炎伝播燃焼域が行われる。その後、ステップ２６においてＴＤＣ温度が安定拡散燃焼温度ＴＫよりも高くなったと判別されるまで、吸気弁５の閉弁時期が1度だけ進角され続ける。次いで、ステップ２６においてＴＤＣ温度が安定拡散燃焼温度ＴＫよりも高くなったと判別されたときには安定した拡散燃焼を行うことが可能と判別され、ステップ２８に進む。
【００２５】
ステップ２８では、ＴＤＣ温度が安定拡散燃焼温度ＴＫ＋αであるか否か、即ち、ＴＤＣ温度が安定拡散燃焼温度ＴＫよりも過度に高くなったか否かが判別される。ＴＤＣ温度が安定拡散燃焼温度ＴＫ＋αよりも低いと判別されたときには、ステップ３０に進む。ステップ３０では、電子制御ユニット１３のＲＯＭ内に予め記憶されている機関の運転状態に応じた予備噴射の燃料量、噴射時期、点火時期が読み込まれ、これらの値に従って燃料噴射弁９からの予備噴射の燃料噴射制御および点火プラグ１０の点火制御が行われる。このとき、点火プラグ１０の点火作用により火炎が生成される。次いで、ステップ３１では、電子制御ユニット１３のＲＯＭ内に予め記憶されている機関の運転状態に応じた主噴射の燃料量および噴射時期が読み込まれ、これらの値に従って燃料噴射弁９からの主噴射の燃料噴射制御御が行われる。このとき、主噴射燃料は、生成されていた火炎内に噴射され、安定した拡散燃焼が行われる。
【００２６】
一方、ＴＤＣ温度が安定拡散燃焼温度ＴＫ＋αよりも高くなったと判別されたときには、ステップ２９に進んで、可変バルブタイミング機構１５により吸気弁５の閉弁時期が1度だけ遅角される。次いでステップ３０に進む。なお、ステップ２６において行われてＴＤＣ温度が安定拡散燃焼温度ＴＫを越えたか否かの判断は、回転数検出センサ、即ち、クランク角センサの出力信号からクランクシャフトの角速度の変化を検出することにより判断することもできる。即ち、圧縮上死点ＴＤＣの直前では、筒内温度が上昇し、それにより筒内圧力が上昇してクランクシャフトの角速度が低下する。この場合、筒内温度の上昇量が大きいとクランクシャフトの角速度の低下量が大きくなる。従って、圧縮上死点ＴＤＣの直前におけるクランクシャフトの角速度の低下量が所定値を越えたときには、ＴＤＣ温度が安定拡散燃焼温度ＴＫを越えていると判断することができる。
【００２７】
４    燃焼室
５    吸気弁
７    排気弁
９    燃料噴射弁
１３  電子制御ユニット
【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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【図７】
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【図８】
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