CN102102579B - 缸内喷射发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种缸内喷射发动机，其不会损失由进行均匀燃烧时的进气引起的滚流保存性，可以实现在进行分层燃烧时的混合气的良好分层。设置屏壁部，其在进气阀处于小于或等于设定升程量的低升程状态时，禁止一部分进气口的与排气口相反一侧的开口部的开放。ECU在发动机的运转区域处于刚起动后的高速怠转区域时，通过可变阀机构将进气阀的最大升程量设定为进气阀超过屏壁部的升程量、并且利用进气阀的升程通过从排气口侧的开口部导入的进气形成正滚流之后、在正滚流的基础上通过从与排气口相反一侧的开口部导入的进气形成逆滚流、并将逆滚流的强度与正滚流的强度相比进行限制的中升程量，并且将喷射器的燃料喷射定时设定在压缩行程。
Description
技术领域
本发明涉及一种火花点火式的缸内喷射发动机，其使用高压喷射器直接向气缸内喷射燃料。
背景技术
一般地，缸内喷射发动机因为可以对燃料的喷射定时及喷射量等进行最佳控制，所以容易根据发动机的运转状态，选择性地切换为均匀燃烧(均匀混合燃烧)和分层燃烧。并且，例如，在发动机刚起动后的高速怠转时，通过进行分层燃烧，不会损失点火性而实现点火滞后控制，并将通过燃烧得到热能的大部分向排气侧供给，可以实现催化剂的早期活化。
在这种缸内喷射发动机中，例如，在专利文献1中公开了下述技术：在活塞的顶部设置用于将来自喷射器的喷射燃料向火花塞引导的空腔，并且在进气口处设置对进气阀的进行进行部分限制的屏壁(mask)，通过对进气阀的升程量进行可变控制，从而选择性地切换为均匀燃烧和分层燃烧。即，在专利文献1的技术中，在发动机的转速和负载中的任意一个比较低的运转区域时，通过将进气阀的最大升程量设定为高升程量，从而减缓进气流速，使活塞顶部的空腔有效地发挥作用而实现分层燃烧。另外，在发动机的转速和负载中的任意一个比较高的运转区域时，通过将进气阀的最大升程量设定为不超过屏壁的规定的升程量，加快进气流速，使得在气缸内发生较强的滚流(tumble)而实现均匀燃烧(均质燃烧)。另外，在发动机的转速和负载更高的运转区域时，通过将进气阀的最大升程量设定为高升程量(或进气阀稍稍超过屏壁的中升程量)，从而将大量的进气向气缸内导入而实现均匀混合燃烧。
专利文献1：日本特开2002-155748号公报
发明内容
但是，如在上述专利文献1中所公开的技术所示，在活塞顶部形成用于使混合气体分层的空腔的情况下，该空腔的存在会引起滚流保存性的恶化等，其结果，有可能使均匀燃烧时的燃油消耗等恶化。
对此，考虑通过设置高滚流孔或滚流生成阀门(TGV)等设备，对滚流保存性的恶化等进行补偿，但因为这些设备会成为流路阻力，所以对发动机的大功率输出不利。
本发明鉴于上述问题，其目的在于提供一种缸内喷射发动机，其通过使均匀燃烧时的进气不损坏滚流保存性，可以实现在进行分层燃烧时的混合气体的良好分层。
本发明的特征在于，具有：火花塞，其位于利用进气阀进行开闭的具有开口部并形成滚流的进气口和利用排气阀进行开闭的具有开口部的排气口之间，点火部面向气缸内；燃料喷射阀，其在所述进气口的与排气口相反一侧，喷射口面向气缸内；可变阀机构，其至少可以对所述进气阀在每个燃烧循环的最大升程量进行可变切换；屏壁部，其在所述进气口的与排气口相反一侧的所述开口部的一部分区域中，沿着所述进气阀的升程方向直立设置，在该进气阀处于小于或等于设定升程量的低升程状态时，禁止一部分所述进气口的与排气口相反一侧的所述开口部的开放；以及控制单元，其在发动机的运转区域处于刚起动后的高速怠转区域时，利用所述可变阀机构将所述进气阀的最大升程量设定为中升程量，该中升程量是该进气阀超过所述屏壁部的升程量，并且是利用所述进气阀的升程通过从所述排气口侧的所述开口部导入的进气形成正滚流之后、在所述正滚流的基础上通过从与所述排气口相反一侧的所述开口部导入的进气形成逆滚流、并将所述逆滚流的强度与所述正滚流的强度相比进行限制的升程量，并且，该控制单元将所述燃料喷射阀的燃料喷射定时设定在压缩行程。
发明的效果
根据本发明的缸内喷射发动机，不会损失进行均匀燃烧时由进气引起的滚流保存性，可以实现进行分层燃烧时的混合气体的良好分层。
附图说明
图1是表示发动机的要部的概略构成图。
图2是表示气缸盖的进气口周边的要部剖视图。
图3是表示气缸盖的仰视图。
图4是表示发动机的控制参数设定程序的流程图。
图5是表示每个运转区域的各控制状态的说明图。
图6是表示发动机转速及发动机负载与运转区域之间的关系的图表。
图7(a)是表示进气阀的最大升程量是低升程量时与屏壁之间关系的说明图；(b)是表示进气阀的最大升程量是低升程量时滚流的发生状态的说明图。
图8(a)是表示进气阀的最大升程量是中升程量时与屏壁之间关系的说明图；(b)是表示进气阀的最大升程量是中升程量时滚流的发生状态的说明图。
图9(a)是表示进气阀的最大升程量是高升程量时与屏壁之间关系的说明图；(b)是表示进气阀的最大升程量是高升程量时滚流的发生状态的说明图。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。附图涉及本发明的一个实施方式，图1是表示发动机的要部的概略构成图，图2是表示气缸盖的进气口周边的要部剖视图，图3是气缸盖的仰视图，图4是表示发动机的控制参数设定程序的流程图，图5是表示每个运转区域的各控制状态的说明图，图6是表示发动机转速及发动机负载与运转区域之间的关系的图表，图7(a)是表示在进气阀的最大升程量是低升程量时与屏壁之间关系的说明图，(b)是表示在进气阀的最大升程量是低升程量时滚流的发生状态的说明图，图8(a)是表示在进气阀的最大升程量是中升程量时与屏壁之间关系的说明图，(b)是表示在进气阀的最大升程量是中升程量时滚流的发生状态的说明图，图9(a)是表示在进气阀的最大升程量是高升程量时与屏壁之间关系的说明图，(b)是表示在进气阀的最大升程量是高升程量时滚流的发生状态的说明图。
图1所示的发动机1，表示火花点火式的缸内喷射发动机，在本实施方式中，表示自然进气型的水平对置4气缸汽油发动机。在该发动机1的气缸体10上开口的各气缸11中，嵌插可以自由滑动的活塞15，该活塞15与气缸盖20之间分隔成燃烧室12。
在这里，例如如图1、3所示，在与各气缸11对应的区域中，在气缸盖20的底面上，形成从气缸大致中央位置向下方延长的一对倾斜面21、22，利用这些倾斜面21、22，各燃烧室12形成所谓的屋脊型。另外，在各倾斜面21、22的下端部，相连设置平坦面21a、22a，与这些平坦面21a、22a相对应的燃烧室12内的各区域，设定作为挤气区12a。
另外，在一对倾斜面21、22中的一个倾斜面21上，开口有2个进气口23，在另外一个倾斜面22上开口有2个排气口24。而且，在各进气口23及各排气口24上，分别设置对它们进行开闭的进气阀25及排气阀26。
另外，在气缸盖20上保持火花塞30，在该火花塞30的前端部形成的点火部30a，在进气口23与排气口24之间(在本实施方式中，位于倾斜面21、22的顶部相接合的气缸11的大致中央部分)，面向气缸11内部。
而且，在气缸盖20上保持喷射器(燃料喷射阀)31，该喷射器31的喷射口31a，在进气口23的与排气口24相反一侧(在本实施方式中，在2个进气口23之间)，以相对于活塞15的顶面具有规定俯角的状态，面向气缸11内部。
在这里，例如如图1所示，活塞15顶面的与挤气区12a相比位于内侧的区域，由大致平面状的平滑面形成。更具体地说，活塞15顶面的比挤气区12a更靠内侧的区域，由朝向中央部平缓凹曲的平滑面形成。
另外，如图2、3所示，在进气口23开口端部的与排气口24相反一侧的一部分区域中，设置屏壁部23a。该屏壁部23a作为从进气口23向气缸11内导入的进气的流路阻力部起作用，沿进气阀25的升程方向直立设置，在进气阀25处于小于或等于设定升程量的低升程状态时，其禁止一部分进气口23的开放。在本实施方式中，更具体地说，屏壁部23a在进气口23的与排气口24相反一侧的呈大致圆弧状的一部分区域中直立设置，例如，在进气阀25处于升程量L＝2～3mm以下的低升程状态时，其通过与该进气阀25的一部分滑动接触，禁止进气口23在一部分区域中的开放。
另外，在气缸盖20上，作为可以对进气阀25及排气阀26在每个燃烧循环的开阀状态进行可变切换的可变阀机构，例如，设置电动式或液压式的致动器35、36。这些致动器35、36可以以任意的定时及升程量对吸、排气阀25、26进行驱动，由后述的作为控制单元的发动机控制单元(ECU)50进行驱动控制。
ECU50以具有CPU、ROM、RAM、输入输出接口等的公知微型计算机为中心构成，在输入侧连接各种传感器/开关类，包含吸入空气量传感器51、根据曲柄轴的旋转检测发动机转速的发动机转速传感器52等。
并且，ECU50基于各种输入信号等，判定发动机1的运转区域，并基于其判定结果，对用于适当地实现均匀燃烧或分层燃烧的各种控制参数进行可变设定。即，ECU50根据判定出的发动机1的运转区域，例如对进气阀25的开阀定时及开阀时的最大升程量Lmax、排气阀26的开阀定时、及燃料喷射定时等进行可变设定。
在这里，例如如图6所示，在ECU50中预先设定并存储用于基于发动机转速和发动机负载而判定运转区域的对应图，作为发动机的运转状态，ECU50例如选择性地判定为重视燃料消耗的低速低负载区域A、低速高负载区域B、或重视输出的高速高负载区域C中的某一个。其中，在发动机1从起动开始经过的时间位于设定时间内(例如，十几秒以内)时，ECU50判定处于高速怠转区域I。
另外，在本实施方式中，作为进气阀25开阀时的最大升程量Lmax，ECU50例如选择性地设定为低升程量、中升程量、或高升程量这3级的升程量。在此情况下，所谓低升程量，是进气阀25不超过屏壁部23a的范围内的升程量，在本实施方式中，例如设定为2～3mm的范围内的值。另外，所谓中升程量，是进气阀25超过屏壁部23a的升程量，并且是与屏壁部23a相对应的一部分区域中的进气流量因屏壁部23a的影响而与其他区域相比被限制的升程量，在本实施方式中，例如设定为5～6mm的范围内的值。另外，所谓高升程量，是比中升程量高的升程量，并且是屏壁部23a对进气的影响可以大致忽略不计的升程量，在本实施方式中，例如设定为10～11mm的范围内的值。
下面，对在ECU50中执行的对发动机1的控制参数的设定，按照如图4所示的控制参数设定程序的流程进行说明。该程序是每隔设定时间而重复执行的，如果程序开始，则ECU50首先在步骤S101中，判定发动机1的运转区域。即，在步骤S101中，ECU50调查发动机1从起动开始所经过的时间是否在设定时间内(例如，十几秒以内)，在判定在设定时间内的情况下，作为发动机1的运转区域，判定为高速怠转范围I。另一方面，在发动机从起动开始超过了设定时间的情况下，ECU50例如根据基于由吸入空气量传感器51检测出的吸入空气量而推定的发动机1的负载以及由发动机转速传感器52检测出的发动机转速，参照预先设定的对应图(参照图6)，判定发动机1的运转区域(低速低负载区域A、低速高负载区域B、或高速高负载区域C中的某一个)。
如果从步骤S101进入步骤S102，则ECU50调查当前的发动机1的运转区域是否是高速怠转范围I。其结果，ECU50在发动机1的运转区域处于高速怠转范围I的情况下进入步骤S103，在高速怠转范围I以外的区域(即低速低负载区域A、低速高负载区域B或高速高负载区域C)的情况下，进入步骤S106。
如果从步骤S102进入步骤S103，则ECU50将进气阀25开阀时的最大升程量Lmax设定为中升程量(例如5～6mm)，并且将进气阀25的开阀定时设定为中间提前角，然后在步骤S104中，将排气阀26的开阀定时设定为中间提前角，然后在步骤S105中，将喷射器31的燃料喷射定时设定在压缩行程(参照图5(a))，之后退出程序。
通过这些设定，在发动机1的高速怠转范围I中，可以实现适当的分层燃烧。
即，在进气阀25的最大升程量Lmax被设定为中升程量的情况下，在进气阀25的升程前半部分，进气口23开放的区域仅是未形成屏壁部23a的排气口24侧的区域，从该区域向燃烧室12内导入的进气，沿着形成为屋脊型的燃烧室12的顶面向排气阀26侧流通，形成滚流(以下将该方向的滚流称为正滚流)。
并且，在进气阀25的升程后半部分，如果与屏壁部23a相对应的进气口23的一部分区域开放，则在燃烧室12内，在上述的正滚流的基础上，通过从一部分区域导入的进气，形成与正滚流相反方向的滚流(以下将该方向的滚流称为逆滚流)。
在这里，由于屏壁部23a的影响，进气口23的一部分区域开放的定时比排气口24侧的区域延迟，所以逆滚流在比正滚流延迟的定时发生。而且，通过屏壁部23a的作用，从进气口23的一部分区域导入的进气的流量，与从排气口24侧导入的进气的流量相比被限制为少量，所以逆滚流成为比正滚流弱的滚流。
由于这些原因，在排气口24侧大幅回旋的正滚流，在活塞15顶面上的大致中央与逆滚流合流。并且，因为逆滚流是弱滚流，所以正滚流即使与逆滚流合流也不会被破坏，而是被向火花塞30侧引导(参照图8(a)、(b))。
相对于这样的正滚流，在压缩行程中从喷射器31的喷射口31a向气缸11内喷射燃料，从而该燃料被引导至点火部30a附近，适当地被分层。
并且，因为燃料在点火部30a附近被分层，所以即使在刚起动后的高速怠转范围I中，也不会损失点火性，可以进行点火滞后控制等，将由燃烧得到的热量的大部分向排气侧供给，可以实现催化剂的早期活化等。
如果从步骤S102进入步骤S106，则ECU50调查当前的发动机1的运转区域是否位于低速高负载区域B，其结果，ECU50在发动机1的运转区域处于低速高负载区域B的情况下，进入步骤S107，在处于低速高负载区域以外的范围(即低速低负载区域A或高速高负载区域C)的情况下，进入步骤S110。
如果从步骤S106进入步骤S107，则ECU50将进气阀25开阀时的最大升程量Lmax设定为中升程量(例如5～6mm)，并且将进气阀25的开阀定时设定为中间提前角，然后在步骤S108中，将排气阀26的开阀定时设定为中间提前角，然后在步骤S109中，将喷射器31的燃料喷射定时设定在进气行程(参照图5(b))，之后退出程序。
通过这些设定，在发动机1的低速高负载区域B中，可以实现适当的均匀燃烧。
即，在将进气阀25的最大升程量Lmax设定为中升程量的情况下，在进气阀25的升程前半部分，进气阀23开放的区域，仅是未形成屏壁部23a的排气口24侧的区域，从该区域向燃烧室12内导入的进气，沿着形成为屋脊型的燃烧室12的顶面向排气阀26侧流通，形成正滚流。
并且，在进气阀25的升程后半部分，如果与屏壁部23a对应的进气口23的一部分区域开放，则在燃烧室12内，在上述的正滚流的基础上，通过从一部分区域导入的进气，形成逆滚流。
在这里，由于屏壁部23a的影响，进气口23的一部分区域开放的定时与排气口24侧的区域相比延迟，所以逆滚流在与正滚流相比延迟的定时发生。而且，由于屏壁部23a的作用，从进气口23的一部分区域导入的进气的流量，与从排气口24侧导入的进气的流量相比被限制为少量，所以逆滚流成为与正滚流相比较弱的滚流。
由于这些原因，在排气口24侧大幅回旋的正滚流，在活塞15顶面上的大致中央与逆滚流合流。而且，因为逆滚流是弱滚流，所以正滚流即使与逆滚流合流也不会被破坏，被向火花塞30侧引导(参照图8(a)、(b))。
相对于这样的正滚流，在进气行程中，通过从喷射器31的喷射口31a向气缸11内喷射燃料，该燃料主要与正滚流一起在燃烧室12内循环。在此情况下，因为活塞15的顶面以平滑面形成，所以正滚流以高保存性被维持。并且，在活塞15到达上死点附近时，通过挤气区12a的作用，正滚流被破坏，从而在燃烧室12内发生强烈的进气的紊流，形成均匀性高的混合气体。
如果从步骤S106进入步骤S110，则ECU50调查当前的发动机1的运转状态是否处于低速低负载区域A中。其结果，ECU50在发动机1的运转区域处于低速低负载区域A的情况下，进入步骤S111，在处于低速低负载区域A以外的区域(即高速高负载区域C)的情况下，进入步骤S114。
如果从步骤S110进入步骤S111，则ECU50将进气阀25开阀时的最大升程量Lmax设定为低升程量(例如2～3mm)，并且将进气阀25的开阀定时设定为最提前角，然后在步骤S112中，将排气阀26的开阀定时设定为最滞后角，然后在步骤S113中，将喷射器31的燃料喷射定时设定在进气行程(参照图5(c))，之后退出程序。
通过这些设定，在发动机1的低速低负载区域A中，可以实现适当的均匀燃烧。
即，在将进气阀25的最大升程量Lmax设定为低升程量的情况下，进气口23开放的区域，一直仅是未形成屏壁部23a的排气口24侧的区域，因为该开放面积小，所以从该区域向燃烧室12内导入的进气，沿着形成为屋脊型的燃烧室12的顶面向排气阀26侧以较快的流速流通。由此，从进气口23导入的进气，即使在发动机1处于低速状态下，也可以在整个燃烧室12内循环，形成较强的正滚流(参照图7(a)、(b))。
相对于这样的正滚流，通过在进气行程中从喷射器31的喷射口31a向气缸11内喷射燃料，从而该燃料主要与正滚流一起在整个燃烧室12内循环。在此情况下，因为活塞15的顶面以平滑面形成，所以正滚流以高保存性被维持。并且，在活塞15到达上死点附近时，由于通过挤气12a的作用而正滚流被破坏，所以在燃烧室12内发生强烈的进气的紊流，形成均匀性高的混合气体。由此，在低速低负载区域A中，可以实现高EGR(稀薄燃烧)边界。
在此情况下，在低速高负载区域B中，由于发动机转速低，而且将最大升程量Lmax设定为低升程量等，所以对进气难以期待充分的动态效果，但特别地，通过使排气阀26的开阀定时(即闭阀定时)位于最滞后角，并且使进气阀25的闭阀定时位于最提前角，在压缩行程前的下死点附近对进气阀25进行闭阀，从而可以确保必要且充分的进气量。
如果从步骤S110进入步骤S114，则ECU50将进气阀25开阀时的最大升程量Lmax设定为高升程量(例如10～11mm)，并且将进气阀25的开阀定时设定为最滞后角，然后在步骤S115中，将排气阀26的开阀定时设定为最提前角，然后在步骤S116中，将喷射器31的燃料喷射定时设定为进气行程(参照图5(d))，之后退出程序。
通过这些设定，在发动机1的高速高负载区域C中，可以实现适当的均匀燃烧。
即，在进气阀25的最大升程量Lmax被设定为高升程量的情况下，屏壁部23a对于进气，尽管在进气阀25的升程前半部分产生暂时的影响，但之后仅成为微弱的流路阻力，实质上几乎不产生影响。在这种高速高负载区域C中，是在燃烧室12内通过进气形成弱的正滚流的程度(参照图9(a)、(b))，但在发动机1高速旋转时，进气的气体流动本身也强。
而且，通过相对于这样的进气，在进气行程中从喷射器31的喷射口31a向气缸11内喷射燃料，从而该燃料相对于进气被适当混合，形成均匀性高的混合气体。
在此基础上，在发动机1的高速高负载区域C中，使排气阀26的开阀定时位于最提前角而尽快结束排气，并且使进气阀25的开阀定时位于最滞后角，在活塞15到达下死点后也利用惯性继续进气，从而可以在高输出时确保必要且充分的进气量。
根据该实施方式，因为在活塞15的顶面不形成空腔而可以实现适当的分层燃烧，所以可以高水平地实现由均匀燃烧时发生的进气引起的滚流保存性，可以最大限度地利用该滚流而形成均匀性高的混合气体。因此，可以高水平地同时实现分层燃烧和均匀燃烧这两者。而且，因为不需要成为高进气阻力的滚流生成阀门等，可以提高进气的填充效率等，可以高水平地实现发动机1的高输出。
此外，在上述实施方式中，对于使用了可以对进气阀25及排气阀26的各开阀状态进行可变控制的可变阀机构的一个例子进行了说明，但作为可变阀机构，只要是至少对进气阀25在每个燃烧循环内的最大升程量可以进行可变切换即可，其结构不仅限于电磁式或液压式的致动器，例如也可以是凸轮式的。
Claims (6)
1.一种缸内喷射发动机，其特征在于，具有：
火花塞，其位于利用进气阀进行开闭的具有开口部并形成滚流的进气口和利用排气阀进行开闭的具有开口部的排气口之间，点火部面向气缸内；
燃料喷射阀，其在所述进气口的与排气口相反一侧，喷射口面向气缸内；
可变阀机构，其至少可以对所述进气阀在每个燃烧循环的最大升程量进行可变切换；
屏壁部，其在所述进气口的与排气口相反一侧的所述开口部的一部分区域中，沿着所述进气阀的升程方向直立设置，在该进气阀处于小于或等于设定升程量的低升程状态时，禁止一部分所述进气口的与排气口相反一侧的所述开口部的开放；以及
控制单元，其在发动机的运转区域处于刚起动后的高速怠转区域时，利用所述可变阀机构将所述进气阀的最大升程量设定为中升程量，该中升程量是该进气阀超过所述屏壁部的升程量，并且是利用所述进气阀的升程通过从所述排气口侧的所述开口部导入的进气形成正滚流之后、在所述正滚流的基础上通过从与所述排气口相反一侧的所述开口部导入的进气形成逆滚流、并将所述逆滚流的强度与所述正滚流的强度相比进行限制的升程量，并且，该控制单元将所述燃料喷射阀的燃料喷射定时设定在压缩行程。
2.根据权利要求1所述的缸内喷射发动机，其特征在于，
所述控制单元，在发动机的运转区域处于预先设定的低速高负载区域时，利用所述可变阀机构将所述进气阀的最大升程量设定为所述中升程量，并且，该控制单元将所述燃料喷射阀的燃料喷射定时设定在进气行程。
3.根据权利要求1所述的缸内喷射发动机，其特征在于，
所述控制单元，在发动机的运转区域处于预先设定的低速低负载区域时，利用所述可变阀机构将所述进气阀的最大升程量设定为该进气阀不超过所述屏壁部的低升程量，并且，将所述燃料喷射阀的燃料喷射定时设定在进气行程。
4.根据权利要求3所述的缸内喷射发动机，其特征在于，
所述控制单元，在发动机的运转区域处于预先设定的低速低负载区域时，利用所述可变阀机构使所述进气阀的动作定时成为提前角，并且，利用所述可变阀机构使所述排气阀的动作定时成为滞后角。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的缸内喷射发动机，其特征在于，
所述控制单元，在发动机的运转区域处于预先设定的高速高负载区域时，利用所述可变阀机构将所述进气阀的最大升程量设定为比所述中升程量高的高升程量，并且，将所述燃料喷射阀的燃料喷射定时设定在进气行程。
6.根据权利要求5所述的缸内喷射发动机，其特征在于，
所述控制单元，在发动机的运转区域处于预先设定的高速高负载区域时，利用所述可变阀机构使所述进气阀的动作定时成为滞后角，并且，利用所述可变阀机构使所述排气阀的动作定时成为提前角。
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