(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの運転条件に基づいて燃料噴射装置の燃料噴射量、噴射時期を制御する燃料噴射制御手段と、エンジンの運転条件に基づいて点火プラグの点火時期を制御する点火時期制御手段とを備え、圧縮行程の後半に燃料噴射装置から燃料を噴射供給して点火プラグ近傍に可燃空燃比の混合気層を形成しつつ全体としては希薄な混合気とする成層燃焼運転が可能な直噴式火花点火エンジンにおいて、
筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段と、
燃焼初期にあって、前記筒内圧力が所定圧力になるまでの初期燃焼期間を検出する初期燃焼期間検出手段と、
成層燃焼運転時に、前記初期燃焼期間の変化により変動する燃焼安定度が所定範囲に収まるように、前記初期燃焼期間が短ければ点火時期を遅角させ、前記初期燃焼期間が長ければ点火時期を進角させる点火時期補正手段と、
を備えたことを特徴とする直噴式火花点火エンジンの燃焼安定化装置。
【請求項２】
前記初期燃焼期間検出手段は、前記筒内圧力が所定圧力になる時期に基づいて初期燃焼期間を検出する請求項１に記載の直噴式火花点火エンジンの燃焼安定化装置。
【請求項３】
前記点火時期補正手段は、燃焼安定度が所定範囲に収まる場合には、所定範囲内に維持される範囲で点火時期を進角補正する請求項１または２に記載の直噴式火花点火エンジンの燃焼安定化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直噴式火花点火エンジンの燃焼安定化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の火花点火エンジンの制御装置としては、例えば図８に示すようなものがある（特開昭６２ー８５１４８号公報等）。
【０００３】
これは、エンジン１の筒内圧を検出する筒内圧センサ２を設け、この筒内圧センサ２の出力信号より燃焼パターン（燃焼期間）や燃焼の変動（図示平均有効圧）を演算し、この演算結果によって、エンジン回転数と吸入空気量等から求められる燃料インジェクタ３の燃料噴射時期、エンジン回転数と吸入空気量等から求められる点火プラグ４の点火時期等を補正制御するようにしている。
【０００４】
筒内圧センサ２には点火プラグ４とシリンダヘッドとの間に介装した座金センサを用いている。６はエンジンのクランク角を検出する回転数センサ（クランク角センサ）、７はスロットル弁８の上流の吸気通路に介装した吸入空気量センサ、９は制御装置である。
【０００５】
この場合、燃焼パターンや燃焼変動を演算するためのパラメータに、燃料が質量割合で１０％から９０％まで燃焼する主燃焼期間（クランク角期間）を表すθ10-90または燃料が質量割合で９０％燃焼する燃焼位置（クランク角位置）を表すθ90を算出している。
【０００６】
この燃焼パラメータθ10-90、θ90は、図９に示すようにエンジンの燃焼安定度との相関が高く、点火時期によって変化する。したがって、この燃焼パラメータθ10-90、θ90が設定範囲に収まるように点火時期を補正することにより、安定した燃焼状態を得るように制御できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような燃焼パラメータつまり主燃焼期間が速いか遅いか等を基に点火時期を補正するものは、吸気ポートに燃料を噴射する通常のエンジンにあっては、安定燃焼を得ることができるが、例えば近年空燃比を４０〜５０の希薄混合気にして成層燃焼運転が可能な直噴式火花点火エンジンにあっては、その成層燃焼領域に主燃焼期間の燃焼パラメータ等と燃焼安定度に顕著な相関がないことが認められた。
【０００８】
即ち、この直噴式火花点火エンジンでは、圧縮行程の後半に燃料インジェクタから燃料を噴射供給して点火プラグ近傍には可燃空燃比の混合気層を形成しつつ全体としては希薄な混合気とする成層燃焼運転を行わせるのであるが、このような成層燃焼運転時には主燃焼期間の燃焼パラメータ等に基づく安定化制御が適用されず、燃焼の安定化の改善が図れないのである。
【０００９】
なお、この直噴式火花点火エンジンの成層燃焼領域は低負荷域に限定され、それ以外の領域では均質燃焼運転を行う。例えば、図１０に示すように２０００ｃｃエンジンを例にとると、１２０ｋｍ／ｈ程度までが成層燃焼領域となる。また、成層燃焼領域と均質燃焼領域の燃料の噴射タイミングを図１１に示すと、均質燃焼領域では吸気行程中に燃料を噴霧することにより、筒内混合気を均質にして、従来のマルチポイント噴射と同様な燃焼を行う。一方、成層燃焼領域では圧縮行程後期に燃料を噴射して、点火プラグ回りの混合気をリッチ（空燃比１１〜１４）にすることにより、筒内の平均混合比４０〜５０で燃焼を可能にする。
【００１０】
この発明は、前記直噴式火花点火エンジンに合った燃焼パラメータを得て、燃焼の安定化制御を行うことにより、直噴式火花点火エンジンの成層燃焼運転時の燃焼安定度を向上することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、図１２に示すようにエンジンの運転条件に基づいて燃料噴射装置の燃料噴射量、噴射時期を制御する燃料噴射制御手段と、エンジンの運転条件に基づいて点火プラグの点火時期を制御する点火時期制御手段とを備え、圧縮行程の後半に燃料噴射装置から燃料を噴射供給して点火プラグ近傍に可燃空燃比の混合気層を形成しつつ全体としては希薄な混合気とする成層燃焼運転が可能な直噴式火花点火エンジンにおいて、筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段と、燃焼初期にあって、前記筒内圧力が所定圧力になるまでの初期燃焼期間を検出する初期燃焼期間検出手段と、成層燃焼運転時に、前記初期燃焼期間の変化により変動する燃焼安定度が所定範囲に収まるように、前記初期燃焼期間が短ければ点火時期を遅角させ、前記初期燃焼期間が長ければ点火時期を進角させる点火時期補正手段と、を備える。
【００１２】
第２の発明は、第１の発明において、初期燃焼期間検出手段は、前記筒内圧力が所定圧力になる時期に基づいて初期燃焼期間を検出する。
【００１３】
第３の発明は、第１または第２の発明において、点火時期補正手段は、燃焼安定度が所定範囲に収まる場合には、所定範囲内に維持される範囲で点火時期を進角補正する。
【００１４】
【発明の効果】
直噴式火花点火エンジンの成層燃焼運転時には、点火プラグ近傍に可燃空燃比の混合気層を形成しつつ全体として希薄な混合気として成層燃焼を行うため、燃料の着火性で燃焼安定度が決まる。即ち、燃料の着火遅れは燃焼安定度そのものを表しており、成層燃焼運転時に点火時期によって燃焼安定度が決まることが分かった。燃料の着火が速すぎると燃焼安定度が悪くなるが、この場合点火時期を遅くすると燃料の着火は遅くなり、また燃料の着火が遅すぎると燃焼安定度が悪くなるが、この場合点火時期を速くすると燃料の着火は速くなる。
【００１５】
したがって、第１の発明によれば、成層燃焼運転時に、燃焼初期にあって前記筒内圧力が所定圧力になるまでの初期燃焼期間の変化により変動する燃焼安定度が所定範囲に収まるように、点火プラグの点火時期を初期燃焼期間が短ければ遅角させ、長ければ進角させることによって、燃焼安定度を設定値内に保つことができる。このため、成層燃焼運転時に燃焼の安定化制御を的確に行うことができ、燃焼安定度を向上できる。
【００１６】
第２の発明によれば、前記筒内圧力が所定圧力になる時期に基づいて初期燃焼期間を的確に検出できる。
【００１７】
第３の発明によれば、燃焼安定度が所定範囲に収まる場合には、所定範囲内に維持される範囲で点火時期を進角補正することによって、燃費、ＨＣ等に有利な領域で運転でき、燃費、ＨＣ性能等を向上できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１に示すように、エンジン２０のシリンダヘッド２１の燃焼室壁面にはシリンダ中心線上に燃焼室２２に臨む点火プラグ２３が配置される。
【００２０】
点火プラグ２３の取付部には、シリンダヘッド２１との間に筒内圧力を検出する筒内圧センサ（座金センサ）２４が介装される。
【００２１】
シリンダヘッド２１の点火プラグ２３の回りの燃焼室壁面には、吸気ポート２５（１つまたは２つ）、排気ポート２６（１つまたは２つ）が開口され、それぞれバルブ口に吸気バルブ、排気バルブ（図示しない）が設けられる。
【００２２】
シリンダヘッド２１の燃焼室壁面の周辺部には、吸気ポート２５のバルブ口の外方または斜め外方に燃焼室２２に向け燃料を噴射供給する燃料インジェクタ２７が配置される。
【００２３】
シリンダ内を往復運動するピストン２８の冠面には、燃料インジェクタ２７側から冠面中央にかけて深いキャビティ２９が形成される。
【００２４】
図２に示すように、エンジンの運転条件を検出する手段として、エンジンの回転数、クランク角を検出する回転数センサ（クランク角センサ）３０、エンジンの吸入空気量（負荷）を検出する吸気センサ３１、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ３２、エンジンの冷却水温を検出する水温センサ３３等が設けられ、これらの信号は前記筒内圧センサ２４からの信号と共に、コントロールユニット３５に入力される。
【００２５】
これらの信号に基づき、コントロールユニット３５によって、燃料インジェクタ２７の燃料噴射量、噴射時期、点火プラグ２３の点火時期が制御される。
【００２６】
燃料噴射量は、エンジンの負荷の軽い領域（成層燃焼領域）にエンジン回転数と吸入空気量と冷却水温等から成層燃焼を行うための希薄空燃比（予めマップに定められる）となるように、また高負荷領域にエンジン回転数と吸入空気量と冷却水温等から基本噴射量が求められ、所定の空燃比（理論空燃比等）となるように、演算、制御される。
【００２７】
噴射時期は、エンジン回転数と吸入空気量等から演算され（予めマップに定めらる）、成層燃焼領域には圧縮行程の後半の所定の時期に、また高負荷領域には吸気行程の所定の時期に制御される。
【００２８】
点火時期は、エンジン回転数と吸入空気量等から演算される時期（予めマップに定められる）に制御されると共に、成層燃焼領域に後述する燃焼パラメータに応じて補正制御される。
【００２９】
ここで、成層燃焼時の噴射時期ＩＴ、点火時期ＡＤＶの各マップ値は、図３のように燃費、安定度、スモーク、ＮＯｘの各性能が良好となる点を設定点として、予めエンジン回転数と吸入空気量等（負荷）に基づき設定される。ただし、図３は一定の負荷、空燃比のときの特性を示す。
【００３０】
次に、制御内容を説明する。
【００３１】
エンジンの負荷の軽い領域では、燃料インジェクタ２７から圧縮行程の後半に燃料を噴射供給して、点火プラグ２３近傍に可燃空燃比の混合気層を形成しつつシリンダ内全体として希薄な混合気とする成層燃焼運転を行う。
【００３２】
エンジンの高負荷領域では、燃料インジェクタ２７から吸気行程に燃料を噴射供給して、シリンダ内全体の空燃比を一様とする均質混合気での運転を行う。
【００３３】
即ち、成層燃焼運転では、少ない燃料に対して多い空気を吸入して、ポンピングロスや熱損失を少なくして、エンジンの熱効率を向上させ、燃費を向上させる。
【００３４】
この希薄混合気での成層燃焼運転時に、点火時期による燃焼の安定化制御を行う。
【００３５】
以下、この燃焼の安定化制御の内容を図４のフローチャートに基づいて説明する。
【００３６】
ステップ１，２では、回転数センサ３０、吸気センサ３１等の信号からエンジン回転数、吸入空気量等を読み込む。
【００３７】
ステップ３では、エンジン回転数、吸入空気量等から予め定めた点火時期マップを基に点火時期ＡＤＶを算出する。
【００３８】
ステップ４，５では、筒内圧センサ２４の信号から筒内圧を読み込み、燃焼パラメータθ10またはθig-10を算出する。
【００３９】
燃焼パラメータθ10は、点火後、燃料が質量割合で１０％燃焼する燃焼位置（クランク角位置）を、燃焼パラメータθig-10は、点火後、燃料が質量割合で１０％燃焼するまでの燃焼期間（クランク角期間）を表しており、燃料の着火遅れ、初期燃焼を代表している。
【００４０】
この場合、エンジン回転数、吸入空気量等を基に、予めθ10またはθig-10の基準データおよびθ10またはθig-10の基準データに相当する筒内圧データを所定のマップに設定してあり、点火後の筒内圧がその筒内圧データになったときのクランク角を読み込むことで、θ10またはθig-10を求める。
【００４１】
または、筒内圧波形より、クランク角毎の圧力上昇代（ｄｐ／ｄθ）から熱発生率（ｄＱ／ｄθ）を計算し、そのｄＱ／ｄθをクランク角に対して積分して、熱発生量および燃焼燃料の質量および全体を１００％としたときの質量割合を算出して、その質量割合が１０％になったときのクランク角からθ10またはθig-10を求める。
【００４２】
ステップ６では、算出した燃焼パラメータθ10またはθig-10が、予めエンジン回転数、吸入空気量等に基づきマップに設定してある設定値（範囲）内にあるかどうかを判定する。
【００４３】
燃焼パラメータθ10またはθig-10が設定値内にあるときはステップ７に進み、ステップ３にて算出した点火時期ＡＤＶを制御点火時期ＡＤＶにする。
【００４４】
一方、燃焼パラメータθ10またはθig-10が設定値内にないときはステップ８に進み、ステップ３にて算出した点火時期ＡＤＶを補正して制御点火時期ＡＤＶを求める。
【００４５】
この場合、燃焼パラメータθ10またはθig-10が設定値よりも遅いときは、これを速くして設定値内に入るように点火時期ＡＤＶに正の補正量（ΔＡＤＶ）を加えて進角補正し、燃焼パラメータθ10またはθig-10が設定値よりも速いときは、これを遅くして設定値内に入るように点火時期ＡＤＶに負の補正量（ΔＡＤＶ）を加えて遅角補正する。補正量（ΔＡＤＶ）は燃焼パラメータθ10またはθig-10と設定値の差分およびエンジン回転数、吸入空気量等の運転条件によって設定して良い。
【００４６】
ステップ９，１０では、制御点火時期ＡＤＶが下限値を下回らないようにする。
【００４７】
なお、噴射時期ＩＴは、図５のようにエンジン回転数と吸入空気量等（燃料噴射量でも良い）に基づき予め定めた噴射時期マップから噴射時期ＩＴを読み出し、設定する。
【００４８】
このように、点火後、燃料が質量割合で１０％燃焼する燃焼位置または１０％燃焼するまでの燃焼期間を表す燃焼パラメータθ10またはθig-10を求め、この燃焼パラメータθ10またはθig-10に応じて点火時期を補正するので、成層燃焼運転時に安定した燃焼状態を得ることができる。
【００４９】
即ち、成層燃焼運転時に、燃料の着火遅れ（初期燃焼）を表す燃焼パラメータθ10またはθig-10は燃焼安定度そのものを表すことを確認しており、この際噴射時期ＩＴはエンジン回転数と吸入空気量等に応じて変化するが、こうした噴射時期ＩＴの変化に拘わらず、図６のように点火時期によって燃焼安定度が決まることが分かった。これは、燃料の着火性で燃焼安定度が決まることを表している。
【００５０】
ただし、図６中燃焼パラメータθ10またはθig-10は２つの点火時期範囲にて設定値内に入るが、そのうち遅い点火時期範囲は遅角すぎる（下限値以下となる）ので、使用しない。また、これは点火時期の補正による燃焼パラメータθ10またはθig-10の進遅方向から判別できる。
【００５１】
したがって、直噴式火花点火エンジンの成層燃焼領域にて、燃焼の安定化制御を的確に行え、高い燃焼安定度を確保することができる。
【００５２】
これに対して、燃焼パラメータとしてθ10-90（燃料が質量割合で１０％から９０％まで燃焼する主燃焼期間）またはθ90（燃料が質量割合で９０％燃焼する燃焼位置）を用いたときの燃焼安定度との相関を調べると、成層燃焼運転時にこれらの燃焼パラメータθ10-90、θ90は、図７のように燃料インジェクタ２７の噴射時期ＩＴ毎に点火時期に応じて燃焼安定度と関連付けられる。ここで、噴射時期ＩＴは圧縮上死点前７０°（早期）〜２０°（遅期）の範囲で変わり、これだと、噴射時期ＩＴ毎に点火時期を補正制御する必要があり、これに対応するマップ等を複数備える必要が生じる他、制御が複雑になり、噴射時期ＩＴが様々に変化する実走行条件を考慮すると、信頼性に問題が生じる。また、相関そのものの精度も実際は低いのである。
【００５３】
そして、θ10-90、θ90は着火した後の燃焼期間であり、これは筒内のガス流動、燃料の気化量、混合気形成（混合気の濃淡空間分布）に強く影響を受け、特にサイクル毎の変動が非常に大きい。そのため精度、相関が低くなる。一方、θ10、θig-10は点火プラグ回りの混合気形成で決まり、噴射弁の噴霧特性やピストン冠面形状で点火プラグ回りに到達する燃料の分布が決まる。そのため、精度、相関が高い。
【００５４】
本実施形態の燃焼パラメータθ10またはθig-10は、前述したように、燃焼インジェクタ２７の噴射時期ＩＴによらず燃焼安定度との高い相関があり、そのため制御が容易であり、安定化制御を良好に行えると共に、高い信頼性を得ることができる。
【００５５】
なお、燃焼パラメータθ10またはθig-10が設定値内にある場合、設定値内に維持される範囲で点火時期を進角補正して良い。このようにすれば、燃費、ＨＣ性能等を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態を示すエンジンの部分断面図である。
【図２】制御系統を示すブロック構成図である。
【図３】噴射時期、点火時期と、燃費、安定度、スモーク、ＮＯｘの関係を示す特性図である。
【図４】制御内容を示すフローチャートである。
【図５】制御内容を示すフローチャートである。
【図６】燃焼パラメータと燃焼安定度との相関図である。
【図７】燃焼パラメータと燃焼安定度との相関図である。
【図８】従来例のエンジンの概略構成図である。
【図９】従来例の燃焼パラメータと燃焼安定度との相関図である。
【図１０】成層燃焼領域を示す特性図である。
【図１１】成層燃焼時と均質燃焼時の噴射時期を示す特性図である。
【図１２】発明の構成図である。
【符号の説明】
２０  エンジン
２１  シリンダヘッド
２２  燃焼室
２３  点火プラグ
２４  筒内圧センサ
２５  吸気ポート
２６  排気ポート
２７  燃料インジェクタ
２８  ピストン
２９  キャビティ
３０  回転数センサ（クランク角センサ）
３１  吸気センサ
３２  アクセル開度センサ
３３  冷却水温センサ
３５  コントロールユニット
【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】
0003959784.tif 000008
【図８】
0003959784.tif 000009
【図９】
0003959784.tif 000010
【図１０】
0003959784.tif 000011
【図１１】
0003959784.tif 000012
【図１２】
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