(57)【要約】【課題】  触媒装置暖機等のために点火時期を遅角させて排気ガス温度を高めた成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、内部的な排気ガス再循環により成層燃焼を不安定とすることなく、さらに排気ガス温度を高める。【解決手段】  点火時期を遅角させて（ステップ１０４）排気ガス温度を高めた成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置であって、可変バルブタイミング機構によってバルブオーバーラップ期間を大きくすることなく成層燃焼時の排気弁開弁時期を遅角する（ステップ１０３）。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
点火時期を遅角させて排気ガス温度を高めた成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置であって、可変バルブタイミング機構によってバルブオーバーラップ期間を大きくすることなく前記成層燃焼時の排気弁開弁時期を遅角することを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記可変バルブタイミング機構は、前記排気弁開弁時期を遅角させると同時に排気弁閉弁時期も遅角させるものであり、前記バルブオーバーラップ期間を大きくしないように、前記バルブタイミング機構によって吸気弁開弁時期も遅角させることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記可変バルブタイミング機構は、排気弁閉弁時期を変化させることなく前記排気弁開弁時期を遅角させることを特徴とする請求項１に記載の筒内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】
本発明は、筒内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】
気筒内へ直接的に燃料を噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関において、圧縮行程燃料噴射により成層燃焼を実施することが公知である。成層燃焼は、点火プラグ近傍に可燃混合気を形成するものであるために着火性の高い燃焼方式である。それにより、点火時期を遅角しても失火し難く、冷間始動直後等において点火時期を遅角した成層燃焼により排気ガス温度を高めて機関排気系に配置された触媒装置を早期暖機することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、バルブオーバーラップ期間において、気筒内の排気ガスが吸気系へ逆流し、この逆流排気ガスはバルブオーバーラップ期間の終了時以降、すなわち、排気弁閉弁時以降に気筒内へ戻される。この内部的な排気ガス再循環は、機関排気系から機関吸気系への外部的な排気ガス再循環とは異なり、再循環される排気ガスの温度が比較的高く維持されるために、筒内温度を高めて噴射燃料の気化を促進させることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３２４７６５号公報
【特許文献２】特開２００２−２３５６４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述の特許文献１では、冷間始動直後の点火時期を遅角させた成層燃焼において、バルブオーバーラップ期間を大きくすることにより内部的な再循環排気ガス量を増加させ、噴射燃料の気化をさらに促進させている。
【０００６】
例えば、排気弁の閉弁時期を遅角することによりバルブオーバーラップ期間を大きくすれば、一般的なバルブタイミング機構において排気弁の開弁時期も遅角され、これは、点火時期を遅角させた成層燃焼において、気筒内から排出される排気ガス温度を高めるのに有利となる。しかしながら、バルブオーバーラップ期間を大きくして内部的な再循環排気ガス量を多くすると、燃料気化は促進されても燃焼が不安定となり、失火が発生することがある。
【０００７】
従って、本発明の目的は、触媒装置暖機等のために点火時期を遅角させて排気ガス温度を高めた成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、内部的な排気ガス再循環により成層燃焼を不安定とすることなく、さらに排気ガス温度を高めることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、点火時期を遅角させて排気ガス温度を高めた成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置であって、可変バルブタイミング機構によってバルブオーバーラップ期間を大きくすることなく前記成層燃焼時の排気弁開弁時期を遅角することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、前記可変バルブタイミング機構は、前記排気弁開弁時期を遅角させると同時に排気弁閉弁時期も遅角させるものであり、前記バルブオーバーラップ期間を大きくしないように、前記バルブタイミング機構によって吸気弁開弁時期も遅角させることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、前記可変バルブタイミング機構は、排気弁閉弁時期を変化させることなく前記排気弁開弁時期を遅角させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置によれば、点火時期を遅角させた成層燃焼では膨張行程後半でも燃焼が持続するために、排気弁開弁時期を遅角することにより排気ガス温度をさらに高めることができる。この排気弁開弁時期の遅角に際してバルブオーバーラップ期間が大きくされないようにしているために、内部的な再循環排気ガスが増量することはなく、この成層燃焼が不安定となることはない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本発明による制御装置が取り付けられる筒内噴射式火花点火内燃機関を示す概略縦断面図であり、図２は図１におけるピストンの平面図である。これらの図において、１は気筒上部中心近傍に配置された点火プラグであり、２は気筒上部周囲の吸気ポート側に配置された燃料噴射弁である。３はピストンであり、凹状のキャビティ４がピストン頂面に形成されている。５は吸気ポート、６は吸気弁、７は排気ポート、８は排気弁である。
【００１３】
燃料噴射弁２は、スリット状の噴孔を有し、比較的厚さの薄い略扇形状噴霧として燃料を噴射するものである。成層燃焼を実施するためには、図１及び２に示すように、圧縮行程後半において燃料をピストン３頂面に形成されたキャビティ４内へ噴射する。こうしてキャビティ４内へ噴射された斜線で示す液状燃料は、飛行中に気筒内の吸気との摩擦によって微粒化されてキャビティ４内へ侵入し、キャビティ４の底壁４ａに沿って進行してキャビティ４の燃料噴射弁に対向する対向側壁４ｂによって点火プラグ１近傍に導かれるまでには気化し、点火時点においては、ドットで示すように点火プラグ１近傍だけに可燃混合気を形成する。この可燃混合気を着火燃焼させることにより、成層燃焼として気筒内全体としてはリーンな混合気が燃焼可能となる。それにより、成層燃焼に際して、燃料噴射量が比較的少ない低負荷時においてもスロットル弁開度を比較的大きくすることができ、ポンピング損失を十分に低減することが可能となる。
【００１４】
厚さの薄い扇状の燃料噴霧は、キャビティ４の底壁４ａに沿って進行する際に幅方向に拡がるために、キャビティ４の底壁４ａの広範囲部分から良好に熱を吸収することができる。キャビティ４の底壁４ａ上を幅方向に拡がった燃料において、燃料中央部は、キャビティ４の対向側壁４ｂによって上方向に向かう速度成分が付与されて点火プラグ１近傍へ向かい、燃料両側部は、ピストン平面視において円弧状とされたキャビティ８４対向側壁４ｂに対してそれぞれ鋭角に衝突して、上方向へ向かう速度成分が付与されると共に中央方向へ向かう速度成分も付与され、点火プラグ１近傍へ向かう。
【００１５】
こうして、厚さの薄い扇状の燃料噴霧は、従来の円錐状の燃料噴霧に比較して、点火プラグ１近傍に気化程度の良好な一塊の可燃混合気を形成することができる。それにより、成層燃焼時の燃料噴射量を増加させることが可能となり、燃料消費率の低い成層燃焼を高負荷側へ拡大することができる。必要燃料量が多量となる機関高負荷時には、吸気行程で燃料を噴射して均質混合気を気筒内に形成し、均質燃焼を実施するようにしても良い。
【００１６】
成層燃焼は、希薄燃焼であるために、排気ガス中には比較的多くのＮＯXが含まれ、このＮＯXを浄化するために、本筒内噴射式火花点火内燃機関の排気系にはＮＯX吸蔵還元触媒装置（図示せず）が配置されている。このＮＯX吸蔵還元触媒装置は、排気ガス中の酸素濃度が高い時に排気ガス中のＮＯXを吸収し、排気ガス中の酸素濃度が低下すると吸収したＮＯXを放出するものであり、この際に、排気ガス中にＨＣ又はＣＯ等の還元成分が含まれていれば、この還元成分により放出されたＮＯXは還元浄化される。こうして、ＮＯXを大気放出以前に浄化することができる。
【００１７】
本筒内噴射式火花点火内燃機関は、前述したように、リーン空燃比の成層燃焼だけでなく、理論空燃比又はリッチ空燃比での均質燃焼も実施することがあり、この時の排気ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯ等を浄化することが必要である。ＮＯX吸蔵還元触媒装置も、一般的には白金等の酸化触媒を有するために、排気ガス中のＨＣ及びＣＯを浄化することができる。しかしながら、三元触媒装置をＮＯX吸蔵還元触媒装置とは別に排気系に設けることが好ましい。
【００１８】
本筒内噴射式火花点火内燃機関を含めて一般的な内燃機関において、機関始動直後から排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、及びＮＯXを浄化することが望まれている。そのために、特に冷間始動直後においては、ＮＯX吸蔵還元触媒装置及び三元触媒装置等の触媒装置を積極的に昇温して担持させた触媒を活性化することが必要である。触媒装置を特別な機構を使用せずに簡単に昇温するためには、点火時期を遅角して排気ガス温度を高めれば良い。
【００１９】
成層燃焼は、前述したように、可燃混合気を点火プラグ１近傍に形成するものであるために、高い着火性を有している。それにより、点火時期を遅角しても失火し難いために、点火時期を遅角させた成層燃焼によって触媒装置を暖機することが好ましい。しかしながら、成層燃焼において単に点火時期を遅角しても十分に排気ガス温度を高めることができない。本実施形態では、図３に示すフローチャートに従って機関冷間始動直後の成層燃焼を実施するようになっている。このフローチャートを以下に説明する。
【００２０】
本フローチャートは、スタータスイッチのオン信号と同時に開始され、設定時間毎に繰り返されるものである。先ず、ステップ１０１において、機関回転数ＮＥ及び機関冷却水温度ＴＨＷが、回転センサ及び冷却水温センサから読み込まれる。次いで、ステップ１０２において、現在の機関回転数ＮＥが機関始動完了に対応する機関回転数ＮＥ１以上であるか否かと、現在の機関冷却水温度ＴＨＷが冷間時の閾値ＴＨＷ１以下であるか否かが判断される。
【００２１】
機関始動中又は温間始動完了直後には、ステップ１０２における判断が否定され、本フローチャートはそのまま終了する。機関始動中には、例えば始動性の良好なリッチ空燃比での均質燃焼が実施される。また、温間始動完了時には、リッチ又は理論空燃比での均質燃焼又は通常の成層燃焼が実施され、この時の排気ガスによって触媒装置を早期暖機させることができる。
【００２２】
これに対して、冷間始動完了直後においては、触媒装置の温度が非常に低く、触媒装置の早期暖機のために、排気ガス温度を十分に高めることが必要とされる。本フローチャートでは、この時にステップ１０２における判断が肯定され、ステップ１０３において、排気弁８の開弁時期ＥＶＯが遅角設定される。次いで、ステップ１０４において点火プラグ１の点火時期ＩＴが遅角設定される。こうして、ステップ１０５において、排気弁８の開弁時期ＥＶＯ及び点火時期ＩＴが遅角設定された成層燃焼が実施される。
【００２３】
成層燃焼において、例えば、圧縮上死点以降へ点火時期を遅角すると、膨張行程後半においても燃焼が持続して気筒内のガス温度は上昇し続ける。しかしながら、この場合において、排気弁８を通常の開弁時期（例えば、膨張下死点前５０クランク角度）において開弁させると、この時点で気筒内のガスが排気ガスとして排出されてしまう。これに対して、本実施形態では、点火時期を遅角させた成層燃焼において、排気弁８の開弁時期は（例えば、膨張下死点前３０クランク角度へ）遅角されるために、さらに気筒内で燃焼を持続させ、排出される排気ガス温度をさらに高めることができる。
【００２４】
こうして、冷間始動直後において触媒装置をさらに早く暖機させて、始動直後の排気エミッションを改善することができる。触媒装置の暖機が不必要となれば、点火時期を遅角させた成層燃焼を中止して、点火時期を遅角させない成層燃焼又は均質燃焼を開始することとなる。点火時期を遅角させた成層燃焼は燃焼効率が悪く比較的多量に燃料を消費するものであるために、冷間始動直後において触媒装置の暖機を早めることができれば、この燃焼効率の悪い成層燃焼を早期に中止することができる。
【００２５】
ところで、排気弁８の開弁時期を変化させるバルブタイミング機構が、排気弁用カムシャフトに対して排気弁用カムを相対回転させるものである場合には、排気弁８の開弁時期ＥＶＯを遅角すると同時に排気弁８の閉弁時期ＥＶＣも遅角されてしまう。この排気弁８の閉弁時期ＥＶＣの遅角によってバルブオーバーラップ期間が大きくなると、バルブオーバーラップ期間中に吸気系へ逆流する排気ガス量が増大し、この多量の排気ガスが内部的な排気ガス再循環として気筒内へ戻されるために、燃焼速度を大幅に低下させ、点火時期を遅角させた成層燃焼を不安定とさせてしまう。
【００２６】
図４は、通常時の排気弁開弁時期ＥＶＯ、排気弁閉弁時期ＥＶＣ、吸気弁開弁時期ＩＶＯ、及び、吸気弁閉弁時期ＩＶＣと、本発明による冷間始動直後の点火時期を遅角させた成層燃焼時の排気弁開弁時期ＥＶＯ、排気弁閉弁時期ＥＶＣ、吸気弁開弁時期ＩＶＯ、及び、吸気弁閉弁時期ＩＶＣとを比較した表である。この表に示す各数字は、排気弁開弁時期ＥＶＯに関しては膨張下死点前のクランク角度であり、排気弁閉弁時期ＥＶＣに関しては吸気上死点後のクランク角度であり、吸気弁開弁時期ＩＶＯに関しては吸気上死点前のクランク角度であり、吸気弁閉弁時期ＩＶＣに関しては吸気下死点後のクランク角度である。
【００２７】
バルブタイミング機構が排気弁８の開弁時期ＥＶＯを遅角すると同時に排気弁８の閉弁時期ＥＶＣも遅角する場合には、本実施形態において、排気弁開弁時期ＥＶＯを例えば２０度遅角（膨張下死点前５０度から３０度へ）すると排気弁閉弁時期ＥＶＣも２０度遅角（吸気上死点後５度から２５度へ）され、例１では、通常時のバルブオーバーラップ期間（１０クランク角度）を維持するように、吸気弁６の開弁時期ＩＶＯも２０度遅角（吸気上死点前５度から吸気上死点後１５度へ）するようになっている。それにより、バルブオーバーラップ期間は増大することはなく、内部的な再循環排気ガス量が増大して点火時期を遅角させた成層燃焼が不安定となることは防止される。この例１において、吸気弁６の開弁時期を変化させるバルブタイミング機構は、吸気弁用カムシャフトに対して吸気弁用カムを相対回転させるものであり、吸気弁６の開弁時期ＩＶＯを遅角すると同時に吸気弁６の閉弁時期ＩＶＣも遅角（吸気下死点後５０度から７０度へ）される。
【００２８】
例１のように、吸気弁６の閉弁時期ＩＶＣが遅角されると、実圧縮比が低下することとなるために、バルブタイミング機構が排気弁８の閉弁時期ＥＶＣを変化させることなく開弁時期ＥＶＯを可変とするものであれば、例２のように、排気弁閉弁時期ＥＶＣ、吸気弁開弁時期ＩＶＯ、及び吸気弁閉弁時期ＩＶＣを変化させることなく、排気弁開弁時期ＥＶＯだけを遅角（膨張下死点前５０度から３０度へ）することが好ましい。このようなバルブタイミング機構として、カムを使用せずに電磁又は油圧アクチュエータにより排気弁を直接開閉させる方式のバルブタイミング機構が使用可能である。また、バルブリフタの長さを変化させて、又は、テーパ状カムを軸線方向に移動させて排気弁との当接位置を変化させることにより、排気弁の最大リフト量と共に開弁期間（作用角度範囲）を変化させる方式のバルブタイミング機構も、排気弁閉弁時期ＥＶＣを変化させることなく、排気弁開弁時期ＥＶＯを変化させることができる。
【００２９】
また、バルブタイミング機構が排気弁８の開弁時期ＥＶＯを遅角すると同時に排気弁８の閉弁時期ＥＶＣも遅角する場合であっても、バルブタイミング機構が、吸気弁６に関して、前述同様な方式によって、吸気弁閉弁時期ＩＶＣを変化させることなく吸気弁開弁時期ＩＶＯを変化させることができるものであれば、例３に示すように、遅角された排気弁閉弁時期ＥＶＣに対してバルブオーバーラップ期間を維持するように、吸気弁閉弁時期ＩＶＣを変化させることなく吸気弁開弁時期ＩＶＯだけを遅角（吸気上死点前５度から−１５度へ）すれば良い。
【００３０】
また、例３と同様なバルブタイミング機構を使用する場合において、例４では、排気弁８の開弁時期ＥＶＯの遅角によって同時に遅角された排気弁８の閉弁時期ＥＶＣ（吸気上死点後２５度）に対してバルブオーバーラップ期間を無くすように、吸気弁閉弁時期ＩＶＣを変化させることなく吸気弁開弁時期ＩＶＯだけを大幅に遅角（吸気上死点前５度から吸気上死点後３０度へ）している。それにより、内部的に再循環する排気ガスは無くなるために、内部的な再循環排気ガスによる燃焼速度の低下は完全に防止され、点火時期を遅角させた成層燃焼が再循環排気ガスにより不安定となることはない。例４のように、バルブオーバーラップ期間を完全に無くすのではなく、点火時期を遅角させた成層燃焼に際して、吸気弁開弁時期ＩＶＯの遅角によりバルブオーバーラップ期間を減少させて内部的な再循環排気ガス量を減少させるようにしても良い。
【００３１】
例５は、例１のバルブタイミング機構と同様に、吸気弁６及び排気弁８のいずれに関しても閉弁時期を変化させると同時に開弁時期も変化させるバルブタイミング機構が使用される場合において、排気弁８の開弁時期ＥＶＯの遅角によって同時に遅角された排気弁８の閉弁時期ＥＶＣ（吸気上死点後２５度）に対して、燃焼安定化のためにバルブオーバーラップ期間を無くすように吸気弁開弁時期ＩＶＯを大幅に遅角（吸気上死点前５度から−３０度へ）し、それにより、吸気弁閉弁時期ＩＶＣも大幅に遅角（吸気下死点後５０度から８５度へ）されることとなる。
【００３２】
これまで説明した実施形態において、点火時期を遅角させた成層燃焼は、冷間始動直後において触媒装置の早期暖機のために実施するようにしたが、もちろん、温間始動直後において触媒装置の早期暖機が必要であれば、又は、排気ガス温度が低い運転が長時間行われて触媒装置の早期暖機が必要となれば、前述同様な排気弁開弁時期及び点火時期を遅角させた成層燃焼を実施するようにしても良い。また、この成層燃焼を機関始動中において実施するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による制御装置が取り付けられた筒内噴射式火花点火内燃機関の概略断面図である。
【図２】図１の筒内噴射式火花点火内燃機関におけるピストンの平面図である。
【図３】本発明による制御装置により実施される点火時期を遅角させた成層燃焼のためのフローチャートである。
【図４】点火時期を遅角させた成層燃焼に際しての本発明による排気弁開弁時期を遅角させた例を示す表である。
【符号の説明】
【００３４】
１…点火プラグ
２…燃料噴射弁
３…ピストン
５…吸気ポート
６…吸気弁
７…排気ポート
８…排気弁
【図１】
2005105874.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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