JP4386081B2

JP4386081B2 - 筒内噴射式火花点火内燃機関

Info

Publication number: JP4386081B2
Application number: JP2007038346A
Authority: JP
Inventors: 茂樹宮下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-02-19
Filing date: 2007-02-19
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2020-06-28
Also published as: JP2007162702A

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

圧縮行程後半において気筒内へ直接的に燃料を噴射することによって着火性の良好な可燃混合気を点火プラグ近傍だけに形成し、気筒内全体としてリーンな混合気を燃焼可能な成層燃焼を実現する筒内噴射式火花点火内燃機関が公知である。このような筒内噴射式火花点火内燃機関において、各気筒の燃料噴射弁は、蓄圧室内の高圧燃料を噴射するものであり、それにより、圧縮行程後半の高圧となった気筒内へ燃料を噴射することが可能となる。

蓄圧室内の燃料は機関駆動式の高圧ポンプによって昇圧される。それにより、機関始動時においては、高圧ポンプが良好に作動せず、蓄圧室内の燃料は十分に昇圧されない。一般的な筒内噴射式火花点火内燃機関では、機関始動時には、成層燃焼ではなく、吸気行程で燃料を噴射して均質燃焼を実施するようになっている。それにより、この時の気筒内圧力は圧縮行程後半に比較して低く、燃料噴射には有利であるが、機関始動時の増量燃料を各気筒へ連続的に噴射するには蓄圧室内の燃料圧力が低過ぎる。こうして、各気筒へ必要量の燃料を噴射できずに失火が発生し、良好な機関始動を実現することができない。

機関始動時において、一部気筒へだけ燃料噴射を実施し、これら一部気筒だけで機関始動を完了することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。こうして、これら一部気筒へは必要量の燃料が噴射されて、確実な燃焼がもたらされるために、良好な機関始動が実現されるとしている。

特開平１１−２２９９２６号公報

一般的に、機関始動時には、機関排気系に配置された触媒装置を暖機して早期に触媒装置を活性化させる必要がある。そのために、点火時期を遅角する等して排気ガス温度が高められる。しかしながら、このような暖機制御は、燃焼悪化を伴うために、前述のように、一部気筒でだけ運転していると、運転気筒数が少ないことに加えて各運転気筒での機関発生出力が低下するために、機関回転が緩やかにしか上昇せず、却って機関始動性が悪化することがある。

従って、本発明の目的は、良好な機関始動性を確保すると共に機関排気系の触媒装置を比較的早期に暖機することを可能とする筒内噴射式火花点火内燃機関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は、機関始動時において、一部気筒だけへ燃料を噴射して一部気筒運転を実施した後に、全気筒へ燃料を噴射して全気筒運転を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記一部気筒は前記一部気筒運転時から機関排気系に配置された触媒装置を暖機するための暖機制御を開始し、前記一部気筒を除く気筒は前記全気筒運転時から前記暖機制御を開始し、前記一部気筒の前記暖機制御及び前記一部気筒を除く気筒の前記暖機制御において、制御量は設定値まで徐々に増加され、前記制御量が増加されるほど排気ガスの温度が高くなるが燃焼を悪化させ、前記一部気筒の前記暖機制御における前記制御量の増加速度は、前記一部気筒運転時に比較して前記全気筒運転時に大きくされ、前記一部気筒を除く気筒の前記暖機制御における前記制御量は、前記設定値まで増加する間において、前記一部気筒の前記暖機制御における前記制御量より小さくされることを特徴とする。

このように、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、機関始動時において、一部気筒だけへ燃料を噴射して一部気筒運転を実施した後に、全気筒へ燃料を噴射して全気筒運転を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、一部気筒は一部気筒運転時から機関排気系に配置された触媒装置を暖機するための暖機制御を開始し、一部気筒を除く気筒は全気筒運転時から暖機制御を開始し、一部気筒の暖機制御及び一部気筒を除く気筒の暖機制御において、制御量は設定値まで徐々に増加され、制御量が増加されるほど排気ガスの温度が高くなるが燃焼を悪化させ、一部気筒の暖機制御における制御量の増加速度は、一部気筒運転時に比較して全気筒運転時に大きくされ、一部気筒を除く気筒の暖機制御における制御量は、設定値まで増加する間において、一部気筒の暖機制御における制御量より小さくされるようになっている。それにより、機関始動時の暖機制御によって機関排気系の触媒装置を比較的早期に暖機することができると共に、一部気筒運転時に暖機制御の制御量を小さくすることにより、この時の機関発生出力の低下が抑制され、良好な機関始動性を確保することができる。

図１は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の気筒内概略縦断面図であり、図２は図１のピストン平面図である。これらの図において、１は気筒上部略中心に配置された点火プラグであり、２は気筒上部周囲から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る。また、３はピストンであり、その頂面には凹状のキャビティ４が形成されている。燃料噴射弁２は、燃料のベーパを防止するために、気筒内において吸気流により比較的低温度となる吸気ポート側に配置されている。

また、燃料噴射弁２は、スリット状の噴孔を有し、燃料を厚さの薄い扇状に噴射するものである。成層燃焼を実施するためには、図１に示すように、圧縮行程後半において燃料をピストン３の頂面に形成されたキャビティ４内へ噴射する。噴射直後の燃料は、液状であるが、キャビティ４の底壁４ａに沿って進行して幅方向に拡がる際に底壁４ａの広範囲部分から熱吸収するために気化し易い。こうして気化しつつある燃料は、対向側壁４ｂによって上方向に偏向される。

図２に示すように、対向側壁４ｂは、平面視において円弧形状を有している。それにより、キャビティ４の底壁４ａ上を進行して気化しつつある燃料は、対向側壁４ｂ上を進行してさらに熱吸収することにより完全に気化すると共に、対向側壁４ｂの円弧形状によって中央部へ集合し、点火プラグ１近傍において一塊の可燃混合気となる。こうして、この可燃混合気を着火燃焼させることにより成層燃焼が実現可能である。

本筒内噴射式火花点火内燃機関は、このような成層燃焼だけでなく、吸気行程で燃料を噴射することにより、点火時点において気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を着火燃焼させる均質燃焼も実現可能である。この均質燃焼は、燃料噴射期間が圧縮行程後半に限られる成層燃焼とは異なり、多量の燃料噴射が可能となるために、高回転高負荷時に実施される。

ところで、各気筒の燃料噴射弁１は、成層燃焼時において、圧縮行程後半の高圧となった気筒内への燃料噴射を可能とするために、高圧の燃料を蓄える蓄圧室へ接続されている。この蓄圧室内の燃料の昇圧には、一般的に、機関駆動式の高圧ポンプが使用されている。それにより、機関始動時には、高圧ポンプが良好に作動せず、蓄圧室内の燃料は十分に昇圧されない。

本筒内噴射式火花点火内燃機関では、機関始動時において、比較的低い燃料圧力での燃料噴射が可能な均質燃焼を実施するようになっている。しかしながら、機関始動時における蓄圧室内の燃料圧力は非常に低く、均質燃焼に際しても、各気筒へ連続的に必要量の燃料を噴射することは難しい。もし、これを行えば、一部の気筒において燃料不足により失火が発生して多量の未燃燃料が排出されるだけでなく、燃焼気筒でも燃料不足によって十分な機関出力が発生せず、良好な機関始動を実現することができない。

本筒内噴射式火花点火内燃機関では、機関始動時において、一部気筒（例えば、点火順序が連続しない半数の気筒）だけへ燃料を噴射して、これら一部気筒だけで運転する一部気筒運転を実施するようになっている。こうして、燃料噴射を一部気筒だけに制限することにより、必要量の燃料を一部気筒へ確実に噴射し、一部気筒において失火を発生させることなく良好な燃焼を可能とする。

一般的に、機関始動時には、排気ガス中の有害物質を浄化するために機関排気系に配置された触媒装置を暖機して早期に触媒装置を活性化させる必要がある。そのために、本筒内噴射式火花点火内燃機関では、機関始動時に、暖機制御を実施するようになっている。この暖機制御として、点火時期を遅角して排気温度を高めるか、又は、燃焼空燃比を理論空燃比から多少リーン側として、燃料による気筒内温度低下を抑制すると共に全ての燃料を確実に燃焼させることにより、排気温度を高めること等が行われる。

このような暖機制御は、いずれも多少の燃焼悪化を伴うために、一部気筒運転時に単に実施すると、これら一部気筒での機関発生出力が低下し、機関回転を緩やかにしか上昇させることができずに、良好な機関始動は実現不可能である。

この問題を解決するために、本筒内噴射式火花点火内燃機関では、図３に示すように、機関始動当初の一部気筒運転時において、一部気筒の暖機制御量を、ゼロから比較的緩やかに小幅に増加させ、機関回転数が設定回転数ＮＥ１となってから比較的急激に大幅に増加させて通常値へ変化させている。この設定回転数ＮＥ１は、機関始動完了を示す回転数であり、この時からは全気筒への燃料噴射が開始されて全気筒運転が実施されるようになっている。ここで、暖機制御量とは、点火時期遅角においては遅角幅である。また、燃焼空燃比リーン化においてはリーン化程度であり、暖機制御量の増加に伴って、燃焼空燃比は、始動時リッチ空燃比からリーン化される。

こうして、一部気筒における暖機制御程度は、全気筒運転時に比較して一部気筒運転時には全体的に小さくされるために、一部気筒運転時における機関発生出力の低下を抑制して、この時の機関回転を比較的急激に上昇させ、良好な機関始動性を確保することができる。

図３の点線は、一部気筒以外の気筒（休止気筒）における暖機制御量を示しており、この暖機制御量は、全気筒運転開始から比較的急激に大幅に増加させられて通常値へ変化させられる。全気筒運転時には、一部気筒運転時に比較して運転気筒数が多く、暖機制御程度を比較的大きくしてそれぞれの気筒での機関発生出力をある程度を低下させても機関停止等を引き起こすことはない。こうして、機関始動時において、少なくとも一部気筒運転時から暖機制御は実施されるために、機関排気系の触媒装置を比較的早期に暖機することも可能である。

もちろん、一部気筒運転時から大幅な暖機制御を実施する場合に比較して、本筒内噴射式火花点火内燃機関では、触媒装置の暖機能力が多少劣ることとなるが、機関始動時の一部気筒運転においては、休止気筒の存在によって、全体的な排気ガス量は少なく、すなわち、排出有害物質も少ないために、それほど問題とはならない。また、全気筒運転では、一部気筒運転によってインテークマニホルド内の負圧程度も高められており、また、蓄圧室内の燃料圧力も比較的高められているために、良好に気筒内へ噴射された燃料は、気筒内の負圧によって良好に気化するために、機関始動時にも係わらず、未燃燃料の排出量が非常に少なく、これによっても、触媒装置暖機能力の多少の悪化を十分に打ち消すことができる。

図４は、本筒内噴射式火花点火内燃機関におけるもう一つの暖機制御量変化を示している。この例では、一部気筒運転時には暖機制御を中止し、全気筒運転時となって暖機制御を開始するようになっており、全気筒の暖機制御量は、比較的急激に大幅に増加させられる。それにより、一部気筒運転時において機関発生出力の低下はなく、図３に示す暖機制御量変化に比較して機関回転の立ち上がりが急激となり、機関始動性をさらに良好にすることができる。

図３に示す暖機制御量変化では、機関回転数が設定回転数ＮＥ１となった時に一部気筒運転から全気筒運転へ切り換えるようにしたが、他に、機関回転数の単位時間当たりの変化量が設定値より小さくなった時に、一部気筒運転では、これ以上の回転上昇は望めないとして、全気筒運転へ切り換えるようにしても良い。また、クランクキング開始からの設定時間又は設定サイクル数の経過により機関始動が完了したとして、一部気筒運転から全気筒運転へ切り換えるようにしても良い。また、前述したように、良好な全気筒運転には、インテークマニホルド内の負圧程度が高められていることが好ましく、それにより、インテークマニホルド内が設定負圧となった時に、一部気筒運転から全気筒運転へ切り換えるようにしても良い。

図４に示す例では、蓄圧室内の燃料圧力が設定圧力Ｐ１となった時に、一部気筒運転から全気筒運転への切り換えられるようになっている。それにより、全気筒運転時において、各気筒への良好な燃料噴射が可能となって、未燃燃料等の有害物質の排出量を低減することができ、全気筒運転時から開始される暖機制御によって暖機される触媒装置と共に大気中への有害物質放出量を十分に低減することが可能となる。

図５は、本筒内噴射式火花点火内燃機関におけるさらにもう一つの暖機制御量変化を示している。この例と図３に示す暖機制御量変化との違いは、一部気筒運転における一部気筒の暖機制御は、クランクキング開始から所定期間、例えば、所定時間又は所定サイクル数の経過後に開始され、また、全気筒運転時における一部気筒を除く気筒の暖機制御は、全気筒運転開始から所定期間、例えば、所定時間又は所定サイクル数の経過後に開始されるようになっていることである。

それにより、各気筒において、特に燃焼が不安定な初爆時には、機関発生出力を低下させる暖機制御が中止されているために、機関始動性をさらに良好にすることができる。

この考え方は、図４に示す暖機制御量変化にも適用可能であり、すなわち、全ての気筒の暖機制御を、全気筒運転開始から所定期間、例えば、所定時間又は所定サイクル数の経過後に開始するようにしても良い。このように、暖機制御の開始を遅らせれば、それだけ機関始動性は改善するが、その一方で、触媒装置の暖機は悪化することとなる。これを解決するために、図５の下側に示す暖機制御量変化の三つの変形例では、全気筒運転時において全ての気筒の初爆の完了後に、大幅な暖機制御を全ての気筒に実施するようになっている。こうして、触媒装置を早期に暖機することが可能となる。

三つの変形例における暖機量制御変化（１）では、全気筒運転開始から所定期間、例えば、所定時間又は所定サイクル数の経過後に、全ての気筒へ大幅な暖機制御を開始し、しばらくして、暖機制御量を通常値へ減少させている。暖機制御量変化（２）では、同様に全ての気筒へ大幅な暖機制御を開始して、暖機制御量を徐々に通常値へ減少させている。また、暖機制御量変化（３）では、一部気筒を除く気筒に関しては、暖機制御量変化（２）と同様であるが、一部気筒の暖機制御は、クランクキング開始から所定期間の経過後に開始され、その暖機制御量は、一部気筒運転時において比較的緩やかに増加させられ、全気筒運転開始から所定期間の経過後に、一部気筒を除く気筒と同様に大幅に増加させられる。

本筒内噴射式火花点火内燃機関において、機関始動時の一部気筒運転に続く全気筒運転は、均質燃焼としたが、全気筒運転への切り換え時において、蓄圧室内の燃料圧力が十分に高ければ圧縮行程後半での燃料噴射も可能となるために、成層燃焼を実施するようにしても良い。均質燃焼では、吸気行程末期に気筒内へ噴射された燃料の一部がシリンダボアへ付着し易く、こうして付着した燃料は、機関始動時の低温度のシリンダボアからは気化せず、未燃燃料として排出されることとなる。成層燃焼は、圧縮行程後半での燃料噴射のために、噴射燃料がシリンダボアへ付着することがなく、未燃燃料の排出量が均質燃焼に比較して少ないために、機関始動時に成層燃焼を実施することは、排気エミッション上有利である。もちろん、均質燃焼に比較して成層燃焼の方が必要燃料量は少ないために、燃料消費率上も有利である。

本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の気筒内概略縦断面図である。図１のピストンの平面図である。暖機制御量変化を示すタイムチャートである。もう一つの暖機制御量変化を示すタイムチャートである。さらにもう一つの暖機制御量変化を示すタイムチャートである。

符号の説明

１点火プラグ
２燃料噴射弁
３ピストン
４キャビティ

Claims

機関始動時において、一部気筒だけへ燃料を噴射して一部気筒運転を実施した後に、全気筒へ燃料を噴射して全気筒運転を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記一部気筒は前記一部気筒運転時から機関排気系に配置された触媒装置を暖機するための暖機制御を開始し、前記一部気筒を除く気筒は前記全気筒運転時から前記暖機制御を開始し、前記一部気筒の前記暖機制御及び前記一部気筒を除く気筒の前記暖機制御において、制御量は設定値まで徐々に増加され、前記制御量が増加されるほど排気ガスの温度が高くなるが燃焼を悪化させ、前記一部気筒の前記暖機制御における前記制御量の増加速度は、前記一部気筒運転時に比較して前記全気筒運転時に大きくされ、前記一部気筒を除く気筒の前記暖機制御における前記制御量は、前記設定値まで増加する間において、前記一部気筒の前記暖機制御における前記制御量より小さくされることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。