JP4333548B2 - 筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、筒内に燃料を直接に噴射する筒内直接噴射式火花点火内燃機関に関し、特に、排気系の触媒コンバータの早期昇温（早期活性化）が要求される冷間始動時における噴射時期および点火時期の制御に関する。

特許文献１には、筒内直接噴射式火花点火内燃機関の触媒暖機方法として、排気浄化用の触媒コンバータが活性温度よりも低い未暖機状態のときに、吸気行程から点火時期にかけての期間内で、部分的な空燃比の濃淡を有する混合気を燃焼室内に形成する後期噴射と、この後期噴射より前に燃料を噴射して、後期噴射の燃料と後期噴射の燃焼とで延焼可能な、理論空燃比よりもリーンな空燃比の混合気を燃焼室内に生成する早期噴射と、の少なくとも２回の分割噴射を行い、かつ点火時期をＭＢＴ点より所定量リタードさせるとともに、機関の無負荷領域では点火時期を圧縮上死点よりも前に設定し、無負荷領域を除く低速低負荷領域では点火時期を圧縮上死点以降までリタードさせる技術が記載されている。上記後期噴射は、圧縮行程の中期以降、例えば１２０°ＢＴＤＣ〜４５°ＢＴＤＣに行われる。
特許第３３２５２３０号公報

内燃機関の冷機時における触媒の早期活性化および後燃えによるＨＣ低減のためには、点火時期の遅角が有効であり、より大きな効果を得るためには、圧縮上死点以降の点火（ＡＴＤＣ点火）が望ましい。ＡＴＤＣ点火で安定した燃焼を行わせるためには、燃焼期間を短縮する必要があり、そのために、筒内の乱れを強化して、燃焼速度（火炎伝播速度）を上昇させることが必要である。

このような乱れの強化のために、筒内に高圧で噴射される燃料噴霧のエネルギにより筒内に乱れを生成することが考えられる。

しかしながら、特許文献１では、主に、１回目の燃料噴射（早期噴射）を吸気行程中に行い、２回目の燃料噴射（後期噴射）を圧縮行程中の１２０°ＢＴＤＣ〜４５°ＢＴＤＣに行っている。このように最後の燃料噴射が圧縮上死点よりも前では、その噴霧により筒内に乱れを生成しても、圧縮上死点以降はその乱れが減衰してしまい、ＡＴＤＣ点火での火炎伝播速度上昇には寄与しない。

例えば、図１１は、吸気ポート内に設けたガス流動制御弁（例えばタンブル制御弁）を作動させた場合とこのようなガス流動制御弁を具備しない場合とについて、筒内の乱れの大きさを示したものであるが、ガス流動制御弁を作動させることで吸気行程中に生成した乱れ（符号Ａの部分）は、圧縮行程の進行とともに減衰し、圧縮行程後期のタンブル流の崩壊に伴い一時的に乱れが大きくなる（符号Ｂの部分）ものの、圧縮上死点以降は符号Ｃで示すように急速に減衰してしまい、その乱れを用いた燃焼改善（火炎伝播向上）はあまり期待できない。燃料噴霧による乱れについても同様であり、圧縮上死点より前の燃料噴射により乱れが生成されたとしても、圧縮上死点以降の点火燃焼には寄与しない。

このため、ＡＴＤＣ点火の方が排温上昇やＨＣ低減に有利であるが、燃焼安定性が成立しないため、特許文献１では、無負荷領域では点火時期を圧縮上死点前（ＢＴＤＣ点火）としている。

本発明は、このような実状を踏まえて、触媒の早期活性化およびＨＣ低減のためのＡＴＤＣ点火での燃焼安定性を改善することを目的としている。

この発明は、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えるとともに、点火プラグを備えてなる筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、排気系の触媒コンバータの早期昇温が要求される内燃機関の冷間始動時に、点火時期を圧縮上死点後に設定するとともに、この点火時期前でかつ圧縮上死点後に燃料を噴射する超リタード燃焼を行うようにしたものである。そして、さらに、冷間始動直後に、超リタード燃焼の実行に先だって昇温フェーズを実行する。この昇温フェーズは、圧縮行程中に燃料を噴射し、点火時期が超リタード燃焼のときよりも進角側でかつ圧縮上死点後に設定されるとともに、燃料噴射開始時期から点火時期までの間隔が、超リタード燃焼よりも大きく設定されているものであって、超リタード燃焼によるＨＣ排出量が上記昇温フェーズによるＨＣ排出量より大となる冷間始動直後の所定の期間は、上記超リタード燃焼を禁止して昇温フェーズとする。

すなわち、圧縮上死点以降では、吸気行程や圧縮行程で生成された乱れは減衰してしまうが、圧縮上死点以降の膨張行程中になされる燃料噴射によって、筒内の乱れを生成・強化することができ、ＡＴＤＣ点火での火炎伝播が促進される。従って、点火時期を圧縮上死点後とした超リタード燃焼が安定的に成立する。

ここで、上記の超リタード燃焼では、燃焼効率が低くなることに伴うガスボリュームの増加（つまり同じトルクを得るために必要な吸気量の増加）によって、未燃ＨＣの生成量そのものは増加する傾向がある。そして、冷間始動直後は、排気系温度が低いことから、排気通路内でのＨＣの酸化が十分に促進されず、筒内で生じた未燃ＨＣがそのまま外部へ排出され易くなる。つまり、冷間始動直後から超リタード燃焼とすると、排気系から外部へ排出されるＨＣが一時的に増加する。

そこで、本発明では、始動直後のごく短い期間内は、昇温フェーズとして、点火時期を、同じ圧縮上死点後であっても超リタード燃焼のときよりもやや進角側に設定し、かつ圧縮行程噴射とする。つまり、この昇温フェーズを経てから超リタード燃焼へと移行する。この昇温フェーズは、超リタード燃焼よりも排気温度が多少低いものの、点火時期を進角側とすることで超リタード燃焼よりも燃焼効率が高く、ガスボリュームが相対的に少なくなるので、未燃ＨＣ生成量が総量として少なくなる。また燃料噴射開始時期から点火時期までの間隔つまり燃料の気化時間が長くなる。そのため、排気系温度が低い段階での一時的なＨＣ排出量の増加を抑制しつつ排気系温度を上昇させることができる。

この発明によれば、点火時期を圧縮上死点後に設定した超リタード燃焼の燃焼安定性を十分に確保することができ、冷間始動の際に、触媒の早期活性化および後燃えによるＨＣ低減を達成することができる。そして、冷間始動直後の僅かな期間は、点火時期をやや進角側とした昇温フェーズを実行することで、ＨＣ排出量の過渡的な増加を回避することができる。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明が適用される筒内直接噴射式火花点火内燃機関のシステム構成を示す構成説明図である。

この内燃機関１のピストン２により形成される燃焼室３には、吸気弁（図示せず）を介して吸気通路４が接続され、かつ排気弁（図示せず）を介して排気通路５が接続されている。上記吸気通路４には、吸入空気量を検出するエアフロメータ６が配設されているとともに、制御信号によりアクチュエータ８を介して開度制御される電子制御スロットル弁７が配設されている。排気通路５には、排気浄化用の触媒コンバータ１０が配設されているとともに、その上流側および下流側にそれぞれ空燃比センサ１１，１２が設けられており、さらに、上流側の空燃比センサ１１と並んで、触媒コンバータ１０入口側での排気温度を検出する排気温度センサ１３が設けられている。

燃焼室３の中央頂上部には、点火プラグ１４が配置されている。また、燃焼室３の吸気通路４側の側部に、該燃焼室３内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁１５が配置されている。この燃料噴射弁１５には、高圧燃料ポンプ１６およびプレッシャレギュレータ１７によって所定圧力に調圧された燃料が、高圧燃料通路１８を介して供給されている。従って、各気筒の燃料噴射弁１５が制御パルスにより開弁することで、その開弁期間に応じた量の燃料が噴射される。なお、１９は、燃圧を検出する燃圧センサ、２０は、上記高圧燃料ポンプ１６へ燃料を送る低圧燃料ポンプである。

また内燃機関１には、機関冷却水温を検出する水温センサ２１が設けられているとともに、クランク角を検出するクランク角センサ２２が設けられている。さらに、運転者によるアクセルペダル踏み込み量を検出するアクセル開度センサ２３が設けられている。

上記内燃機関１の燃料噴射量や噴射時期、点火時期、等は、コントロールユニット２５によって制御される。このコントロールユニット２５には、上述した各種のセンサ類の検出信号が入力されている。コントロールユニット２５は、これらの入力信号により検出される機関運転条件に応じて、燃焼方式つまり均質燃焼とするか成層燃焼とするかを決定するとともに、これに合わせて、電子制御スロットル弁７の開度、燃料噴射弁１５の燃料噴射時期および燃料噴射量、点火プラグ１４の点火時期、等を制御する。なお、暖機完了後においては、低速低負荷側の所定の領域では、通常の成層燃焼運転として、圧縮行程の適宜な時期に燃料噴射が行われ、かつ圧縮上死点前の時期に点火が行われる。燃料噴霧は点火プラグ１４近傍に層状に集められ、これにより、空燃比を３０〜４０程度とした極リーンの成層燃焼が実現される。また、高速高負荷側の所定の領域では、通常の均質燃焼運転として、吸気行程中に燃料噴射が行われ、かつ圧縮上死点前のＭＢＴ点近傍において点火が行われる。この場合は、燃料は筒内で均質な混合気となる。この均質燃焼運転としては、運転条件に応じて、空燃比を理論空燃比とした均質ストイキ燃焼と、空燃比を２０〜３０程度のリーンとした均質リーン燃焼と、がある。

本発明は、触媒コンバータ１０の早期昇温が要求される内燃機関１の冷間始動時において、排気温度を高温とするように、超リタード燃焼を行うものであり、以下、この超リタード燃焼の燃料噴射時期および点火時期を図２に基づいて説明する。

図２は、超リタード燃焼の３つの実施例を示しており、実施例１では、点火時期を１５°〜３０°ＡＴＤＣ（例えば２０°ＡＴＤＣ）とし、燃料噴射時期（詳しくは燃料噴射開始時期）を、圧縮上死点以降でかつ点火時期前に設定する。なお、このとき、空燃比は、理論空燃比ないしはこれよりも若干リーン（１６〜１７程度）に設定される。

すなわち、触媒暖機促進ならびにＨＣ低減のためには、点火時期遅角が有効であり、上死点以降の点火（ＡＴＤＣ点火）が望ましいが、ＡＴＤＣ点火で安定した燃焼を行わせるためには、燃焼期間を短縮する必要があり、そのためには、乱れによる火炎伝播を促進しなければならない。前述したように、圧縮上死点以降では、吸気行程や圧縮行程で生成された乱れは減衰してしまうが、本発明では、圧縮上死点以降の膨張行程中になされる高圧の燃料噴射によって、ガス流動が生じ、これにより筒内の乱れを生成・強化することができる。従って、ＡＴＤＣ点火での火炎伝播が促進され、安定した燃焼が可能となる。

図２の実施例２は、燃料噴射を２回に分割した例であり、１回目の燃料噴射を吸気行程中に行い、２回目の燃料噴射を圧縮上死点以降に行う。なお、点火時期および空燃比（２回の噴射を合わせた空燃比）は実施例１と同様である。

このように、圧縮上死点後の燃料噴射（膨張行程噴射）に先立ち、吸気行程中に燃料噴射（吸気行程噴射）を行うと、吸気行程噴射の燃料噴霧による乱れは圧縮行程後半で減衰してしまい、圧縮上死点後におけるガス流動強化には殆ど影響を与えないが、噴射燃料が燃焼室全体に拡散していて、ＡＴＤＣ点火によるＨＣの後燃えの促進に寄与するので、ＨＣ低減および排温上昇には有効である。

また、図２の実施例３は、燃料噴射を２回に分割し、１回目の燃料噴射を圧縮行程にて行い、２回目の燃料噴射を圧縮上死点以降に行う。このように、圧縮上死点後の燃料噴射（膨張行程噴射）に先立ち、圧縮行程中に燃料噴射（圧縮行程噴射）を行うと、実施例２の吸気行程噴射に比べれば、圧縮行程噴射の方が、その燃料噴霧による乱れの減衰が遅くなるため、この１回目の燃料噴射による乱れが残り、圧縮上死点以降に２回目の燃料噴射を行うことで、１回目の燃料噴射で生成した乱れを助長するように乱れを強化でき、圧縮上死点付近における更なるガス流動強化が図れる。

この実施例３の場合に、１回目の圧縮行程噴射は、圧縮行程前半でもよいが、圧縮行程後半（９０°ＢＴＤＣ以降）に設定すると、上死点付近での乱れをより高めることができる。特に、この１回目の圧縮行程噴射を、４５°ＢＴＤＣ以降、より望ましくは２０°ＢＴＤＣ以降とすると、圧縮上死点以降のガス流動をより強化することができる。

このように、実施例１〜３の超リタード燃焼によれば、点火の直前に燃料噴霧により筒内の乱れを生成・強化することができ、火炎伝播を促進して、安定した燃焼を行わせることができる。特に、点火時期を１５°〜３０°ＡＴＤＣまで遅角させることにより、触媒の早期活性化およびＨＣ低減のための十分な後燃え効果を得ることができる。換言すれば、このように点火時期を大きく遅らせても、その直前まで燃料噴射を遅らせて、乱れの生成時期も遅らせることで、火炎伝播向上による燃焼改善を達成できるのである。

ところで、上記の超リタード燃焼では、圧縮上死点後に燃料噴射を行うため、燃焼効率が低下し、同じトルクを得るために必要な吸気量が増加するので、そのガスボリュームの増加によって、未燃ＨＣの生成量そのものは逆に増加する傾向となる。しかも、圧縮上死点後に燃料噴射を行う超リタード燃焼では、燃料噴射から点火までの期間ひいては燃料気化時間が短くなるため、筒内温度が非常に低い冷間始動直後は、燃料の気化不足に起因して未燃ＨＣの増加が生じることがある。そして、冷間始動直後は、排気系温度が低いことから、排気通路内でのＨＣの酸化が十分に促進されず、筒内で生じた未燃ＨＣがそのまま外部へ排出され易くなる。

図３は、このような冷間始動直後のＨＣ生成量および排温の特性を示したものであり、図４の（Ａ）に示す超リタード燃焼（これは前述した実施例１と同様である）を冷間始動とともに直ちに開始した場合の特性を破線Ａで示している。図示するように、超リタード燃焼では、筒内温度が非常に低い冷間始動直後の間は、ガスボリュームの増加や気化不足に起因してＨＣ生成量が大となり、その後、筒内温度がある程度暖まると、ＨＣ生成量は、非常に小さくなる。

そこで、本発明では、始動直後の所定の期間内（例えばＨＣ生成量が大である図３のｔ１までの間）は、ガスボリュームの増加を抑制した昇温フェーズの設定とし、この昇温フェーズを経てから、超リタード燃焼に移行する。

図４の（Ｂ）は、（Ａ）の超リタード燃焼に先だって実行される昇温フェーズの設定の一例を示したものであり、ここでは、圧縮上死点前に燃料噴射を行い、かつ圧縮上死点後に点火を行う。但し、この点火時期は、（Ａ）に示す超リタード燃焼のときの点火時期よりも進角側に設定する。換言すれば、超リタード燃焼のときの点火時期は、燃焼が成立し得る限界まで遅角側に設定してあり、これに対し、昇温フェーズにおける点火時期は、圧縮上死点後ではあるものの、相対的に燃焼効率が高くなるように、燃焼限界まで遅角させずに、より進角側に設定してある。これにより、例えば同じアイドル回転数を保つために要求される吸気量（より厳密には吸気量および燃料量）が超リタード燃焼のときよりも相対的に少なくなり、ガスボリュームの増加が抑制される。従って、排気温度が低い初期におけるＨＣ生成量の総量が少なくなる。また、昇温フェーズにおける燃料噴射開始時期から点火時期までの間隔Ｔ２は、超リタード燃焼における間隔Ｔ１よりも相対的に大きい。これにより、昇温フェーズでは、燃料の気化時間が長くなり、冷間状態でのＨＣ生成が抑制される。

図３の実線Ｂは、始動からｔ１まで上記の昇温フェーズを実行し、ｔ１の時点で超リタード燃焼へ移行した場合のＨＣ生成量および排温の特性を示したものである。図示するように、冷間始動直後はガスボリュームが少ない昇温フェーズとすることで、一時的なＨＣの増加を回避できる。また、排気温度の特性に着目すると、当初から超リタード燃焼とした破線Ａに比べて実線Ｂは初期の温度上昇が緩慢となるが、昇温フェーズにおいてもＡＴＤＣ点火により排気温度は比較的高く、しかもｔ１の時点で超リタード燃焼に切り換えた後、超リタード燃焼により速やかに温度上昇するので、最終的な目標である触媒が活性化するまでの所要時間は、当初から超リタード燃焼とした場合と殆ど大差のないものとなる。因みに、昇温フェーズとするｔ１までの期間は、例えば、数秒ないし数十秒程度である。なお、図３から明らかなように、昇温フェーズを実行する期間ｔ１は、基本的には、当初から超リタード燃焼とした場合の特性Ａよりも昇温フェーズの特性Ｂの方がＨＣ排出量が相対的に少ない期間に、一致することが望ましい。

図５は、昇温フェーズの異なる設定例を示しており、この例では、燃料噴射を２回に分割し、それぞれを圧縮行程中に噴射している。そして、２回目の燃料噴射の開始時期から点火時期までの間隔Ｔ３は、超リタード燃焼における間隔Ｔ１よりも相対的に大きい。点火時期は、図４（Ｂ）の例と同様に、圧縮上死点後でかつ超リタード燃焼のときの点火時期よりも進角側に設定してある。

図６は、冷間始動時に実行される本発明の燃焼制御の処理を示すフローチャートであって、ステップ１で内燃機関１が始動したことを検出したら、ステップ２へ進んで、筒内温度の推定を行い、ステップ３で、推定した筒内温度が所定温度（燃料気化に必要な温度）に達したか否か判定する。筒内温度は、図７に示すように、始動後、ある時定数でもって徐々に上昇するものとして、始動時の水温、積算吸入空気量、機関回転数、負荷、等のパラメータを用いて推定することができる。さらに制御の簡易化のために、単純に始動からの経過時間でもって所定温度に達したか否かの判定を行うようにしてもよい。

ステップ３で所定温度に達していないと判定したら、所定温度に達するまでの間は、ステップ４へ進んで、前述した昇温フェーズを実行する。そして、所定温度に達したら、ステップ５へ進んで、超リタード燃焼とする。なお、超リタード燃焼としては、上述した実施例１のほか、実施例２、３のように分割噴射とすることもできる。また、ステップ４の昇温フェーズとしては、図４（Ｂ）もしくは図５の設定に限定されず、種々の設定が可能である。

次に、図８は、排気温度に基づいて、昇温フェーズの期間を定めた実施例を示している。つまり、排気系温度が低い冷間始動直後は、排気通路内でのＨＣの酸化が十分に促進されず、筒内で生じた未燃ＨＣがそのまま外部へ排出され易くなるが、排気温度がある程度高くなれば、排気通路内で未燃ＨＣが酸化される。このフローチャートは、図６の実施例と類似したものであり、ステップ１で内燃機関１が始動したことを検出したら、ステップ２へ進んで、排気温度センサ１３により検出した排気温度の読み込みを行い、ステップ３で、検出した排気温度が所定温度（ＨＣの酸化に必要な温度）に達したか否か判定する。排気温度は、図９に示すように、始動後、ある時定数でもって徐々に上昇するので、排気温度センサ１３による直接的な検出に代えて、始動時の水温、積算吸入空気量、機関回転数、負荷、等のパラメータを用いて推定することもできる。さらに制御の簡易化のために、単純に始動からの経過時間でもって所定温度に達したか否かの判定を行うようにしてもよい。

ステップ３で所定温度に達していないと判定したら、所定温度に達するまでの間は、ステップ４へ進んで、前述した昇温フェーズを実行する。そして、所定温度に達したら、ステップ５へ進んで、超リタード燃焼とする。

次に、図１０は、筒内温度および排気温度の双方を考慮して、昇温フェーズの期間を定めた実施例を示している。なお、ここでは、筒内温度は、単純に始動からの経過時間でもって示されるものとし、排気温度は、排気温度センサ１３によって直接に検出するようにしているが、それぞれを、上述した他のパラメータから推定することも可能である。ステップ１で内燃機関１が始動したことを検出したら、ステップ２へ進んで、始動からの経過時間を読み込み、かつステップ３で、排気温度センサ１３により検出した排気温度を読み込む。次に、ステップ４で、始動からの経過時間が所定時間（燃料気化に必要な筒内温度に達しうる時間）に達したか否か判定し、かつ、ステップ５で、検出した排気温度が所定温度（ＨＣの酸化に必要な温度）に達したか否か判定する。

ステップ４もしくはステップ５で所定時間ないし所定温度に達していないと判定したら、ステップ６へ進んで、前述した昇温フェーズを実行する。そして、始動からの所定時間が経過し、かつ排気温度が所定温度に達したら、ステップ７へ進んで、超リタード燃焼とする。

本発明に係る内燃機関全体のシステム構成を示す構成説明図。 本発明の超リタード燃焼の燃料噴射時期および点火時期を示す特性図。 本発明による冷間始動直後のＨＣ生成量および排温の特性を示す特性図。 超リタード燃焼（Ａ）と昇温フェーズ（Ｂ）の設定例を示す特性図。 昇温フェーズの異なる設定例を示す特性図。 本発明の燃焼制御の一実施例を示すフローチャート。 筒内温度の推定の説明図。 本発明の燃焼制御の異なる実施例を示すフローチャート。 排気温度の推定の説明図。 本発明の燃焼制御のさらに異なる実施例を示すフローチャート。 従来技術における筒内の乱れの変化を示す説明図。

符号の説明

３…燃焼室
１０…触媒コンバータ
１４…点火プラグ
１５…燃料噴射弁
２５…コントロールユニット

Claims (4)

1. 筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えるとともに、点火プラグを備え、排気系の触媒コンバータの早期昇温が要求される内燃機関の冷間始動時に、点火時期を圧縮上死点後に設定するとともに、この点火時期前でかつ圧縮上死点後に燃料を噴射する超リタード燃焼を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、
   冷間始動直後に、超リタード燃焼の実行に先だって昇温フェーズを実行し、この昇温フェーズは、圧縮行程中に燃料を噴射し、点火時期が超リタード燃焼のときよりも進角側でかつ圧縮上死点後に設定されるとともに、燃料噴射開始時期から点火時期までの間隔が、超リタード燃焼よりも大きく設定されており、
   超リタード燃焼によるＨＣ排出量が上記昇温フェーズによるＨＣ排出量より大となる冷間始動直後の所定の期間は、上記超リタード燃焼を禁止して昇温フェーズとすることを特徴とする筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
2. 超リタード燃焼における点火時期は、圧縮上死点後１５°〜３０°ＣＡであることを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
3. 超リタード燃焼においては、圧縮上死点後の燃料噴射に先だって、吸気行程中もしくは圧縮行程中に、さらに燃料噴射を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
4. 超リタード燃焼における空燃比は、理論空燃比もしくは若干リーンであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。

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