JP2000265891A - 筒内噴射制御装置 - Google Patents

筒内噴射制御装置

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JP2000265891A JP11067654A JP6765499A JP2000265891A JP 2000265891 A JP2000265891 A JP 2000265891A JP 11067654 A JP11067654 A JP 11067654A JP 6765499 A JP6765499 A JP 6765499A JP 2000265891 A JP2000265891 A JP 2000265891A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 エンジン出力の向上を図るとともに、スモー
クの発生を防止して排気エミッションや燃費の向上を図
った筒内噴射制御装置を提供する。 【解決手段】 クランク角度により燃料噴射タイミング
を制御する筒内噴射エンジンの筒内噴射制御装置におい
て、ピストン上面中央部は実質上平坦であって、上死点
より後の吸気行程内に噴射禁止範囲Ｋを設け、必要とす
る燃料噴射のクランク角範囲が所定の角度以上になった
場合に、この噴射禁止範囲を挟んでその前後の２段階
Ａ，Ｂで燃料を噴射する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、筒内噴射エンジン
の燃料噴射制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】筒内噴射エンジンのピストン上面中央部
には、噴射燃料を成層状態で上方にガイドして着火性を
向上させたり、あるいはタンブル流を形成して燃焼の均
一化を図るために燃料噴射弁の噴射口に対向して凹んだ
キャビティが形成される。
【０００３】図７は、従来の筒内噴射エンジンの構成を
示す。この筒内噴射エンジンのピストン１の頂部２に
は、凹所であるキャビティ３が形成され、圧縮行程にお
いて、燃料噴射弁４から燃料を、キャビティ３内に向け
て直接噴射する。これにより、噴霧がキャビティ３の先
端部側で矢印Ａに示すように上方に持ち上げられ、この
燃料が点火プラグ５により着火されて燃焼されるように
構成されている。
【０００４】このようにキャビティ３を形成して、ここ
に燃料を噴射することにより、燃料を上方にガイドし
て、成層燃料を上方に持ち上げて点火プラグによる着火
性を確保するようにしている。成層化により着火部分の
混合気を多少濃くすることで希薄混合気の着火性を向上
させている。これにより燃料の希薄化が可能になり燃費
の向上が図られる。
【０００５】このような筒内噴射エンジンは、クランク
角度センサーを備え、クランク回転角度に応じて燃料噴
射弁４の噴射タイミングを制御する筒内噴射制御装置を
備えている。この筒内噴射制御装置により、燃料噴射弁
のソレノイドを駆動して燃料噴射量に応じて燃料噴射弁
を開閉することにより燃料噴射の開始および終了時点を
制御している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
筒内噴射エンジンでは、燃料噴射量が増大する高回転高
負荷運転領域において、大量の燃料を気化させ、空気と
よく混合させるように燃料噴射タイミングを進角させる
と出力が向上するが、キャビティに集中した燃料が濃く
なりすぎてキャビティ内での燃料の気化が不十分となっ
てスモークが発生する。特に上死点の後約３７０〜４０
０度のクランク角範囲では気化が不十分で気化冷却作用
も不十分となりスモークが発生しやすい。このようなス
モークゾーンを避けて燃料を噴射するために、スモーク
ゾーン通過後のクランク角で燃料噴射を開始すると、特
に高回転で多量の燃料を噴射する場合、噴射時間が長く
なって噴射終了のクランク角が遅角側に大きく移行して
吸気カムの最大リフト時を越えてしまう。このように噴
射タイミングが遅角側に移行すると十分な出力が得られ
ない。特に、吸気カムの最大リフト時を越えると、吸気
バルブの吸引による混合気の攪拌作用やピストン上面の
均一な気化冷却作用が得られず燃焼による十分なトルク
が得られなくなる。
【０００７】本発明は上記従来技術を考慮したものであ
って、筒内噴射エンジンにおいて、エンジン出力の向上
を図るとともに、スモークの発生を防止して排気エミッ
ションや燃費の向上を図った筒内噴射制御装置の提供を
目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明では、クランク角度により燃料噴射タイミン
グを制御する筒内噴射エンジンの筒内噴射制御装置にお
いて、ピストン上面中央部は実質上平坦であって、上死
点より後の吸気行程内に噴射禁止範囲を設け、必要とす
る燃料噴射のクランク角範囲が所定の角度以上になった
場合に、この噴射禁止範囲を挟んでその前後の２段階で
燃料を噴射することを特徴とする筒内噴射エンジンの筒
内噴射制御装置を提供する。
【０００９】この構成によれば、ピストン上面の中央部
に燃料を上方にガイドするための、あるいはタンブル流
発生のためのキャビティがなく実質上平坦であるため、
このキャビティの作用による燃料が過度に濃くなってス
モークが発生することがなく、燃焼が安定するとともに
ピストン上面の気化冷却作用が促進され高出力が得られ
る。また、この気化冷却作用の促進によりピストン上面
全体が均一に冷却され高圧縮比までノックを起こすこと
なく燃焼可能となり、特に中低速領域でのノック限界が
上昇する。また、上死点以降のスモークゾーンを含んで
噴射禁止範囲を設定してその前後の２段階で燃料を噴射
することにより、エンジン出力を低下させることなくス
モークの発生が有効に抑制され、排気エミッションが向
上して有害排気ガスの発生が抑制されるとともに燃費の
向上が図られる。
【００１０】好ましい構成例では、燃料噴射の噴き終り
のタイミングは、常にほぼ吸気カムの最大リフト時のク
ランク角としたことを特徴としている。
【００１１】この構成によれば、燃料噴射の噴き終りを
吸気カムの最大リフト近傍のクランク角としているた
め、燃料噴射中に吸気バルブの吸引による十分な混合気
の攪拌作用やピストン上面の均一な気化冷却作用が得ら
れ、安定した燃焼による大きなトルクが得られる。
【００１２】さらに好ましい構成例では、燃料噴射の噴
き始めのタイミングは、吸気カムのリフト開始時よりさ
らに進角側の排気行程領域まで進角可能としたことを特
徴としている。
【００１３】この構成によれば、実験により確認された
吸気カムのリフト開始時よりさらに進角側であって吸気
系からの未燃焼ガスが排気系にそのまま抜けることのな
いクランク角まで噴射タイミングを進角させるため、排
気エミッションや燃費を悪化させることなく燃料噴射量
を十分に増大して高出力を得ることができる。
【００１４】さらに好ましい構成例では、前記噴射禁止
クランク角範囲は、クランク角が約３７０〜４００度で
あることを特徴としている。
【００１５】この構成では、スモークゾーンが含まれる
約３７０〜４００度のクランク角での燃料噴射が禁止さ
れるため、スモークの発生が確実に防止される。
【００１６】さらに好ましい構成例では、可変バルブタ
イミング機構と連動させて噴射範囲を設定することを特
徴としている。
【００１７】この構成によれば、可変バルブタイミング
機構により、吸気カムおよび排気カムのリフトタイミン
グやオーバーラップタイミング等が変化した場合に、こ
れらに対応して２段噴射のタイミングや噴射の開始およ
び終了のタイミングが設定されるため、エンジン運転に
合わせて常に最適なタイミングで燃料を噴射することが
できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態
に係るエンジンの構成図であり、図２は、その燃焼室部
分の平面図である。
【００１９】筒内噴射エンジン２０はシリンダブロック
２１とその上側に配設されたシリンダヘッド２２とを備
える。シリンダブロック２１内にはピストン２３が上下
に摺動可能に配設される。シリンダヘッド２２には、図
２に示すように、吸気ポート２４および排気ポート２５
が２つづつ形成され、これらを開閉する吸気バルブ２６
および排気バルブ２７が各ポートに設けられている。吸
気ポート２４および排気ポート２５はそれぞれ吸気通路
（マニホルド）２４ａおよび排気通路（マニホルド）２
５ａから分岐している。
【００２０】吸気バルブ２６および排気バルブ２７は、
吸気側カムシャフト２８および排気側カムシャフト２９
によりそれらの不図示のカムを介して押圧されクランク
回転に同期して所定のタイミングで開閉される。シリン
ダヘッド２２には、燃料噴射弁３１および点火プラグ３
２が配設され、その燃料噴射弁３１の噴射口３１ａおよ
び点火プラグ３２の先端部３２ａが燃焼室３３に臨んで
いる。燃料噴射弁３１は、吸気ポート２４の下側近傍
で、その噴射口３１ａを斜め下方に向けてに配置され
る。点火プラグ３２は、燃焼室３３の平面視において中
央で、燃焼室３３の頂部に下端の先端部３２ａを燃焼室
３３内に臨ませて上下方向に配設される。
【００２１】ピストン２３の頂部（上面）２３ａの形状
は、全体的に略平坦、この例では幾分皿形状に形成さ
れ、従来の筒内噴射エンジンのように中央部に燃料噴射
弁からの噴射燃料を集中させて上方にガイドするため
の、あるいはタンブル流を起こすためのキャビティは形
成されず、実質上中央部は平坦である。このようにキャ
ビティのない平坦状のピストン上面に対し、後述する所
定の噴射タイミングで燃料噴射弁３１から燃料を噴射す
ることにより、図２の斜線部で示すように、ピストン上
面のほぼ全体にわたって均一に燃料が広がって燃焼室に
供給される。
【００２２】これにより、排気残留ガスの熱と、ピスト
ン頂部２３ａの熱とによって、燃料気化がピストン上面
全体で均一に促進される。この場合、ピストン上面にセ
ラミックコーティングを施しておけば気化促進作用がさ
らに高められる。このようにキャビティによる燃料の成
層化を伴うことなく、ピストン上面にほぼ均一に燃料を
噴射して均一な気化作用を得ることにより、吸気の気化
冷却が促進されるとともにノッキングが抑制されノック
限界の圧縮比が高められるため、出力の向上が図られ
る。また、過濃燃料によるスモークの発生が抑制され排
気エミッションの向上および燃費の向上が図られる。
【００２３】図３は、本発明に係る筒内噴射エンジンの
ピストン部分の別の形状例を示す断面図であり、図４
は、そのピストンの平面図である。この例では、ピスト
ン２３の頂部２３ａに燃料噴射弁３１用の逃げ部４０、
吸気バルブ２６の逃げ部となる吸気用バルブリセス４１
および排気バルブ２７の逃げ部となる排気用バルブリセ
ス４２が形成されている。このような逃げ部４０やバル
ブリセス４１，４２は、ピストンが上昇したときにピス
トン上面が燃料噴射弁３１の噴射口３１ａや吸・排気バ
ルブ２６，２７に当らないようにしてピストン上死点の
位置をできるだけ高くして圧縮比を高めるためのもので
あり、ピストン頂部２３ａの中央部には従来の筒内噴射
エンジンに設けられていたキャビティは形成されてなく
実質上平坦である。このような形状のピストン２３にお
いても前述の図１、図２の例とほぼ同様の作用効果が得
られる。
【００２４】図５は、上記本発明ん筒内噴射エンジンの
燃料噴射弁３１の噴射タイミングを従来例と比較して説
明する図である。（ａ）〜（ｆ）はそれぞれクランク角
に対応して、（ａ）は吸気カムのリフト動作、（ｂ）は
排気カムのリフト動作、（ｃ）はピストン行程、（ｄ）
は従来の噴射タイミング、（ｅ）は別の従来の噴射タイ
ミング、（ｆ）は本発明による噴射タイミングを示す。
【００２５】（ｄ）の従来例では、吸気行程の上死点
（ＴＤＣ）後、３７６度で燃料を噴き始め、４６０度で
噴き終えている。しかしながら、この噴射タイミングで
は、上死点後の気化不十分な状態に起因するスモークゾ
ーンＳ（運転状態に応じほぼ３７０〜４００度の範囲内
に発生する）で噴射されるため、スモークが発生し、出
力、エミッションおよび燃費の面で好ましくない。
【００２６】そこで従来例（ｅ）では、噴き始めのタイ
ミングをスモークゾーンを避けて３９６度としている。
ところがこのように噴き始めのタイミングをずらせる
と、噴射期間が全体的に遅角側に移行して噴き終わりの
タイミングが吸気カムの最大リフト時を越えてしまう。
このように噴射タイミングが遅角側に移行すると十分な
出力が得られなくなり、特に吸気カムの最大リフト時を
越えると、吸気バルブの吸引による混合気の攪拌作用や
ピストン上面の均一な気化冷却作用が得られず燃焼によ
る十分なトルクが得られなくなる。
【００２７】これに対し本発明では、（ｆ）に示すよう
に、３７０〜４００度を噴射禁止範囲Ｋとしてその前後
の２段階で燃料噴射を行っている。すなわち、禁止範囲
Ｋの進角側のＡ区間（３５３〜３７０度）で噴射し、そ
の後禁止範囲Ｋの遅角側のＢ区間（４００〜４６５度）
で噴射する。この禁止区間ＫはスモークゾーンＳを含ん
だ範囲である。この場合、Ｂ区間の噴き終わりは常に吸
気カムの最大リフト時（ほぼ４６５度）と一致またはそ
の近傍に固定する。
【００２８】噴射量に応じてその噴射クランク角度区間
が短い場合には、Ｂ区間のみで噴射し、噴き終りのタイ
ミングを最大リフト時に固定して噴き始めのタイミング
を徐々に進角側に移行して長くする。噴き始めのタイミ
ングが４００度まで進角したら、禁止区間Ｋを飛び越え
て３７０度まで進角し、そこから再び噴射量（または回
転数）により変化するクランク角度区間に応じて噴射開
始のタイミングを進角させる。この場合、Ａ区間の噴射
開始のタイミングは、吸気カムのリフト開始時（３１２
度）よりさらに進角側で排気行程中の約２６０度まで進
角させても噴射燃料が排気バルブを通してそのまま抜け
ないことが実験により確認されている。このような最大
進角値から吸気カムの最大リフト時までの範囲Ｆから禁
止範囲Ｋを除いた部分が燃料噴射範囲となる。
【００２９】可変バルブタイミング機構を備えたエンジ
ンの場合には、吸気カムや排気カムのリフト開始終了の
タイミングやオーバーラップ区間等が変化する。このよ
うな吸気および排気カムのリフト動作のタイミングに合
わせて、噴射区間Ａの進角範囲や最大リフト位置に対応
した区間Ｂの噴き終わり時点を設定することが望まし
い。
【００３０】このような噴射のタイミングは、ＥＣＵ等
のエンジン制御装置に組込まれた噴射制御装置により制
御する。例えば、クランク角度センサーからのクランク
角信号により計測したエンジン回転数やスロットル開度
その他の運転状態データに基づいて最適噴射量をマップ
等から算出し、クランク角度に対応して燃料噴射弁の開
閉タイミングを算出し、これに応じて燃料噴射弁のソレ
ノイドを駆動する。なお、図示したクランク角度は一例
であり、本発明を限定するものではない。
【００３１】図６は、エンジン回転数に対するエンジン
負荷を示すトルク曲線であり、スロットル全開（ＷＯ
Ｔ）のグラフである。エンジン負荷が低い状態では区間
Ｂ（図５（ｆ）参照）のみで噴射し、エンジン負荷が増
加すると区間Ｂとともに区間Ａで噴射して必要なトルク
を得る（図６斜線部）。
【００３２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、ピス
トン上面の中央部に燃料を上方にガイドするための、あ
るいはタンブル流発生のためのキャビティがなく実質上
平坦であるため、このキャビティの作用である成層化作
用によって燃料が過度に濃くなることがなく、燃焼が安
定するとともにピストン上面の気化冷却作用が促進され
高出力が得られる。また、この気化冷却作用の促進によ
りピストン上面全体が均一に冷却され高圧縮比までノッ
クを起こすことなく燃焼可能となり、特に中低速領域で
のノック限界が上昇する。また上死点以降のスモークゾ
ーンを含んで噴射禁止範囲を設定してその前後の２段階
で燃料を噴射することにより、エンジン出力を低下させ
ることなくスモークの発生が有効に抑制され、排気エミ
ッションが向上して有害排気ガスの発生が抑制されると
ともに燃費の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る筒内噴射エンジンの構成図。
【図２】 図１のエンジンの燃焼室部分の平面図。
【図３】 本発明に係る別の筒内噴射エンジンの構成
図。
【図４】 図３のエンジンのピストンの上面図。
【図５】 本発明の噴射タイミングの説明図。
【図６】 本発明のエンジンのトルク曲線。
【図７】 従来の筒内噴射エンジンの構成図。
【符号の説明】
２０：筒内噴射エンジン、２１：シリンダブロック、２
２：シリンダヘッド、２３：ピストン、２４：吸気ポー
ト、２５：排気ポート、２６：吸気バルブ、２７：排気
バルブ、２８：吸気カムシャフト、２９：排気カムシャ
フト、３１：燃料噴射弁、３２：点火プラグ、３３：燃
焼室、４０：逃げ部、４１，４２：バルブリセス。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１ Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１Ｊ ３０１Ｚ Ｆ０２Ｍ 45/02 Ｆ０２Ｍ 45/02 Ｆターム(参考） 3G066 AA02 AA05 AB02 AD12 BA16 BA23 BA24 CC34 CD23 CD26 DA09 DB11 DB12 DC04 DC05 DC09 3G084 BA13 BA15 BA23 CA04 DA02 DA10 EC02 FA38 FA39 3G092 AA01 AA06 AA11 BB06 DA03 DE03S EA03 FA01 FA15 FA24 GA03 HA06Z HE01Z HE03Z 3G301 HA01 HA04 HA19 JA01 JA02 JA21 KA06 LB04 MA14 MA18 MA26 NB14 NE11 PA11Z PE01Z PE03Z

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】クランク角度により燃料噴射タイミングを
    制御する筒内噴射エンジンの筒内噴射制御装置におい
    て、 ピストン上面中央部は実質上平坦であって、 上死点より後の吸気行程内に噴射禁止範囲を設け、必要
    とする燃料噴射のクランク角範囲が所定の角度以上にな
    った場合に、この噴射禁止範囲を挟んでその前後の２段
    階で燃料を噴射することを特徴とする筒内噴射制御装
    置。
  2. 【請求項２】燃料噴射の噴き終りのタイミングは、常に
    ほぼ吸気カムの最大リフト時のクランク角としたことを
    特徴とする請求項１に記載の筒内噴射制御装置。
  3. 【請求項３】燃料噴射の噴き始めのタイミングは、吸気
    カムのリフト開始時よりさらに進角側の排気行程領域ま
    で進角可能としたことを特徴とする請求項２に記載の筒
    内噴射制御装置。
  4. 【請求項４】前記噴射禁止範囲は、クランク角が約３７
    ０〜４００度であることを特徴とする請求項３に記載の
    筒内噴射制御装置。
  5. 【請求項５】可変バルブタイミング機構と連動させて噴
    射範囲を設定することを特徴とする請求項１から４のい
    ずれかに記載の筒内噴射制御装置。
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