JP2008095660A - 筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷間始動時において、吸気下死点近傍の噴射燃料により気筒内のタンブル流を強めて良好な均質燃焼を実現すると共に、さらに排気ガス温度を高めるために点火時期後に追加燃料を噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関において、必要量より多い追加燃料が噴射されないようにして、スモークの発生及び未燃燃料の排出量の増加を抑制するための制御装置を提供する。
【解決手段】燃料噴射弁１０から噴射される燃料の貫徹力を少なくとも二段階に可変とし、点火時期後に噴射される追加燃料の貫徹力を、吸気下死点近傍で噴射される燃料Ｆの貫徹力より小さくする。
【選択図】図１

Description

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。

冷間始動時に機関排気系の触媒装置を早期暖機するために、膨張行程において燃焼中の気筒内へ追加燃料を噴射し、排気行程において気筒内又は排気マニホルド内で燃焼を持続させることにより排気ガス温度を高める筒内噴射式火花点火内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気行程で気筒内に形成されるタンブル流を吸気下死点近傍の噴射燃料によって強めることにより圧縮行程後半まで持続させれば、タンブル流は圧縮行程末期にピストンによって潰され、点火時期において気筒内に乱れを発生させることができるために、均質混合気の良好な燃焼が実現されて排気温度を高めることができる。

それにより、筒内噴射式火花点火内燃機関では、吸気下死点近傍の噴射燃料によりタンブル流を強めて均質混合気の良好な燃焼を実現することに加えて、点火時期後に追加燃料を噴射すれば、排気ガス温度はかなり高められ、触媒装置をさらに早期に暖機することができる。

特開２０００−９７０７６ 特開２００５−９０３３７

しかしながら、吸気下死点近傍の噴射燃料によりタンブル流を強めるためには、噴射燃料の貫徹力は比較的強くされなければならず、このように強い貫徹力の追加燃料を点火時期後に少量だけ噴射することは燃料噴射弁の性能上難しく、必要量より多い追加燃料が噴射されると、追加燃料全てを良好に燃焼させることができずに、スモークが発生したり、未燃燃料の排出量が増加したりすることがある。

従って、本発明の目的は、冷間始動時において、吸気下死点近傍の噴射燃料により気筒内のタンブル流を強めて良好な均質燃焼を実現すると共に、さらに排気ガス温度を高めるために点火時期後に追加燃料を噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関において、必要量より多い追加燃料が噴射されないようにして、スモークの発生及び未燃燃料の排出量の増加を抑制するための制御装置を提供することである。

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、冷間始動時において、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁から吸気下死点近傍において噴射される燃料によってタンブル流を強めると共に、点火時期後に前記燃料噴射弁から追加燃料を噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力を少なくとも二段階に可変とし、点火時期後に噴射される追加燃料の貫徹力を、吸気下死点近傍で噴射される燃料の貫徹力より小さくすることを特徴とする。

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によれば、燃料噴射弁により吸気下死点近傍において噴射される燃料の貫徹力は、タンブル流を強めるために強くしなければならず、点火時期後に噴射される追加燃料の貫徹力が、このように強くされると、燃料噴射弁の開弁時間を最小開弁時間としても、噴射される追加燃料量は比較的多くなって必要量より多くなり、スモークが発生したり、未燃燃料の排出量が増加したりすることがあるために、燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力を少なくとも二段階に可変とし、点火時期後に噴射される追加燃料の貫徹力を、吸気下死点近傍で噴射される燃料の貫徹力より小さくして、必要量より多く追加燃料が噴射されないようにしている。

図１は本発明の制御装置により制御さ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、均質燃焼のための燃料噴射時期である吸気下死点近傍を示している。同図において、１０は気筒上部略中心に配置されて気筒内へ直接的に燃料を噴射するための燃料噴射弁であり、２０は燃料噴射弁１０の近傍に配置された点火プラグである。３０は一対の吸気弁（図示せず）を介して気筒内へ通じる吸気ポートであり、４０は一対の排気弁（図示せず）を介して気筒内へ通じる排気ポートである。５０はピストンである。

本筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃料噴射弁１０により吸気下死点近傍（例えば、燃料噴射終了クランク角度を吸気下死点近傍とするように燃料噴射量に応じて燃料噴射開始クランク角度を設定するか、又は、燃料噴射量に関係なく吸気行程後半に燃料噴射開始クランク角度を設定する）に気筒内へ直接的に燃料を噴射することにより、圧縮行程末期の点火時期には気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を火花点火させて均質燃焼を実施する。

燃料噴射弁１０は、図１に示すように、燃料Ｆを斜め下方向にシリンダボアの排気弁側（好ましくは、吸気下死点近傍におけるシリンダボアの排気弁側下部）へ向けて噴射する。燃料噴射弁１から噴射される燃料Ｆの貫徹力は、燃料噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が６０ｍｍ以上に達するように設定される。

このように強い貫徹力の燃料Ｆが気筒上部略中心からシリンダボアの排気弁側へ向けて斜め下方向に噴射されると、気筒内の排気弁側を下降して吸気弁側を上昇するように気筒内に形成されたタンブル流Ｔを燃料の貫徹力により強めることができる。こうして強められたタンブル流Ｔは、圧縮行程後半まで確実に気筒内に持続し、その後、ピストン５０により潰されて気筒内に乱れを発生させるために、圧縮行程末期の点火時期において着火すれば燃焼速度の速い良好な均質燃焼を実現することができる。

燃料噴射弁１から噴射される噴射燃料Ｆの形状は、任意に設定可能であり、例えば、単一噴孔から噴射される中実又は中空の円錐形状としても良い。また、スリット状噴孔から噴射される比較的厚さの薄い略扇形状としても良い。また、円弧状スリット噴孔や複数の直線スリット噴孔の組み合わせにより、上側及び排気弁側を凸とする比較的厚さの薄い円弧状断面形状又は折れ線状断面形状としても良い。いずれにしても噴射燃料が前述したような強い貫徹力を有して、気筒内のタンブル流Ｔを加速させるようになっていれば良い。

本筒内噴射式火花点火内燃機関において、点火プラグ２０は、燃料噴射弁１０より吸気弁側に配置されているために、燃料噴射弁１０からシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射される燃料により濡らされることはなく、点火時期においてアークを確実に発生させることができる。

本筒内噴射式火花点火内燃機関において、均質燃焼の空燃比は、理論空燃比よりリーンとされ（好ましくは、ＮＯ_Xの生成量が抑制されるリーン空燃比２０以上とされる）、燃料消費を抑制するようにしているために、燃焼が緩慢となり易く、前述のようにして燃焼速度を速めることは特に有効である。もちろん、均質燃焼の空燃比は、理論空燃比又はリッチ空燃比としても良く、この場合においても燃焼速度を速めることは有効である。

ところで、冷却水温等により代表される機関温度が設定温度以下である時の機関始動時、すなわち、冷間始動時には、機関排気系に配置されている触媒装置（例えば、三元触媒装置及びＮＯ_X吸蔵還元触媒装置）を触媒活性化温度へ早期に暖機して排気ガスの浄化を開始させることが望まれている。そのためには、本発明による制御装置は、前述の筒内噴射式火花点火内燃機関において昇温制御を実施する。冷間始動時を含めて機関始動時には、着火性を向上させるために、均質混合気の空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とすることが好ましい。

第一の昇温制御として、通常運転時の圧縮行程末期（圧縮上死点前）の点火時期は、圧縮上死点後に遅角される。点火時期を遅角するほど、燃焼終了時期が遅くなるために、気筒内から排出される排気ガスの温度を高めることができる。前述の筒内噴射式火花点火内燃機関では、強いタンブル流により圧縮上死点前に気筒内の乱れを発生させており、この乱れが圧縮上死点後まで持続するために、点火時期を圧縮上死点後に遅角しても均質混合気を良好に着火燃焼させることができる。

第二の昇温制御として、図２に示すように、吸気下死点（ＢＤＣ）近傍の噴射燃料Ｆにより形成された均質混合気の燃焼中に燃料噴射弁１０により追加燃料Ｆ’を噴射する。追加燃料の噴射時期は、膨張行程に限らず、排気行程としても良い。このようにして、点火時期Ａ後に噴射される追加燃料は、膨張行程後半又は排気行程において気筒内で燃焼し、又は、排気行程において排気マニホルド等の気筒外で燃焼するために、触媒装置へ流入する排気ガス温度をさらに高めて触媒装置の早期暖機を実現することができる。

本筒内噴射式火花点火内燃機関では、追加燃料Ｆ’は燃料噴射弁１０により気筒内の排気弁側へ噴射されるために、追加燃料Ｆ’は排気行程において気筒外へ流出して燃焼し易く、触媒装置へ流入する排気ガスの温度を高めるのに有利である。

このような追加燃料Ｆ’は少量で良く、少量の必要燃料量より多くなると、不完全燃焼によりスモークを発生させたり、未燃燃料の排出量を増大させたりすることがある。しかしながら、前述の燃料噴射弁１０は、タンブル流Ｔを強めるために強い貫徹力の燃料を噴射するものであり、追加燃料として、そのままの貫徹力で燃料が噴射されると、燃料噴射弁の性能により定まる最小開弁時間でも必要量より多い燃料が噴射されてしまう。

この問題を解決するために、本制御装置は、燃料噴射弁１０から噴射される燃料の貫徹力を少なくとも二段階に制御し、タンブル流Ｔを強めるための吸気下死点近傍の燃料噴射では貫徹力を強くし、点火時期後の燃料噴射では貫徹力を弱くして、追加燃料として最小開弁時間以上の設定開弁時間で必要量の燃料が確実に噴射されるようにしている。

燃料噴射弁１０から噴射される燃料の貫徹力を二段階に制御するために、例えば、燃料噴射弁１０の弁体のリフト量を二段階に制御する。図３は燃料噴射弁１０の先端部の断面図である。同図に示すように、燃料噴射弁１０は、軸線方向に延在する燃料通路１１が設けられ、燃料通路１１内には軸線方向に移動可能な弁体１２が配置されている。弁体１２のシール部に当接する燃料通路１１のシート部１３より下流側には燃料溜１４が形成されている。噴孔１５は燃料溜１４に連通するように形成される。

このように構成された燃料噴射弁１０において、弁体１２をリフトさせて弁体１２のシール部と燃料通路１１のシート部１３とを離間させると、燃料通路１１内の高圧燃料が燃料溜１４内へ供給され、燃料溜１４内の燃料圧力が気筒内より高圧となれば、燃料溜１４内の燃料が噴孔１５を介して噴射される。一方、弁体１２のシール部を燃料通路１１のシート部１３に当接させると、燃料通路１１内の高圧燃料が燃料溜１４内へ供給されなくなって燃料溜１４内の燃料圧力は低下し、気筒内より低圧となれば、噴孔１５を介しての燃料噴射は停止する。

燃料噴射弁１０は、弁体１２のリフト量を少なくとも二段階に可変とする構造が設けられている。図３は、この構造を概略的に示す図である。図３（Ａ）に示す構造では、弁体１２は、燃料噴射弁本体１６との間に配置された閉弁バネ１７により閉弁方向に付勢されていると共に、燃料噴射弁本体１６との間には圧電歪アクチュエータ（ピエゾアクチュエータ）１８が配置され、圧電歪アクチュエータの伸長が弁体１２を開弁させるようになっている。それにより、圧電歪アクチュエータへ印加する電圧を二段階に制御して伸長量を二段階に変化させることにより、弁体１２のリフト量を大小二段階に制御することができる。

一方、図３（Ｂ）に示す構造では、弁体１２は、燃料噴射弁本体１６との間に配置された閉弁バネ１７により閉弁方向に付勢されていると共に、燃料噴射弁本体１６には、弁体１２の基部に対向する電磁アクチュエータ（ソレノイドアクチュエータ）１９が設けられ、電磁アクチュエータの電磁吸引力が弁体１２の開弁方向に作用するようになっている。それにより、電磁アクチュエータへ印加する電圧を二段階に制御して、弁体１２に作用する電磁吸引力を二段階に変化させることにより、弁体１２のリフト量を大小二段階に制御することができる。

本実施形態の制御装置は、このような構造を有する燃料噴射弁１０の弁体１２のリフト量を制御し、吸気下死点近傍の燃料噴射Ｆでは、図２に示すように、弁体１２を大リフト量で開弁させ、点火時期後の追加燃料噴射Ｆ’では、図２に示すように、弁体１２を小リフト量で開弁させている。弁体１２のリフト量を小さくすると、弁体１２のリフト時におけるシート部１３との間の隙間が小さくなるために、この隙間での圧損が大きくなって燃料溜１４内から噴射される燃料圧力は低くなる。それにより、弁体１２を小リフト量で開弁すれば、噴孔１５から噴射される燃料の貫徹力を弱くすることができ、弁体１２を大リフト量で開弁すれば、噴孔１５から噴射される燃料の貫徹力を強くすることができる。

本実施形態の制御装置は、前述したように、第一の昇温制御と第二の昇温制御とを組み合わせて実施するようにしたが、点火時期Ａを遅角させずに圧縮上死点前として、第一の昇温制御を省略するようにしても良い。この場合においても、均質混合気は気筒内の乱れによって良好に燃焼するために排気ガスの温度は高くなり、点火時期後（好ましくは、圧縮行程又は排気行程）に追加燃料を噴射する第二の昇温制御が実施されれば、排気ガス温度を比較的良好に高めることができる。

前述の筒内噴射式火花点火内燃機関では、タンブル流を強めるために、燃料噴射弁１０を気筒上部略中心に配置して、シリンダボアの排気弁側下部へ向けて斜め下方向に燃料を噴射するようにしたが、燃料噴射弁を気筒上部周囲の排気弁側に配置して、気筒内の排気弁側へ向けて略下方向に燃料を噴射するようにしても、燃料噴射弁を気筒上部周囲の吸気弁側に配置して、シリンダボアの排気弁側上部へ向けて燃料を噴射するようにしても、吸気下死点近傍の燃料噴射によりタンブル流を強めることができる。

本発明による制御装置により制御される筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。 冷間始動時の燃料噴射弁のリフト量を示すタイムチャートである。 燃料噴射弁の先端部の概略断面図である。 燃料噴射弁の弁体のリフト量を可変とする構造を示す概略図である。

符号の説明

１０ 燃料噴射弁
２０ 点火プラグ
３０ 吸気ポート
４０ 排気ポート
５０ ピストン
Ｔ タンブル流
Ｆ 噴射燃料

Claims (1)

1. 冷間始動時において、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁から吸気下死点近傍において噴射される燃料によってタンブル流を強めると共に、点火時期後に前記燃料噴射弁から追加燃料を噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力を少なくとも二段階に可変とし、点火時期後に噴射される追加燃料の貫徹力を、吸気下死点近傍で噴射される燃料の貫徹力より小さく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。

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