JP2002227651A - 筒内噴射式火花点火エンジンの制御装置 - Google Patents
筒内噴射式火花点火エンジンの制御装置Info
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Abstract
ジンを用いて、成層燃焼の運転域を広げることのできる
筒内噴射式火花エンジンの制御装置を提供する。 【解決手段】燃料を火花点火エンジンの気筒1内に直接
噴射し、かつ気筒内に吸気の縦渦(以下、タンブル流と
称する)12を形成する。噴射された燃料噴霧11を点
火プラグ側稜線とその反対側の稜線の速度が大きく異な
る非対称形状の燃料噴霧にすると共に、気筒内に生じる
吸気流動の順タンブル流と逆タンブル流の比をエンジン
負荷に応じて変化させるようにした。
Description
火エンジンにおいて、運転状態に応じて切り換わる成層
燃焼と均質燃焼の制御装置に関する。
の火花点火エンジンにおいては、吸気流動,燃料噴霧の
方向,噴霧形態,燃料噴射タイミングなどを利用して、
気筒内の燃料噴霧を点火プラグ付近に集めて燃焼させる
成層燃焼を可能にしたり、気筒内に燃料と空気を均質に
分散させて燃焼させる均質燃焼を可能にしている。
な燃焼方式であり、従来は、一般に低中負荷の運転領域
で行なわれていた。均質燃焼は、高負荷運転領域で行な
われている。
せるために、種々の提案がなされている。例えば、特開
平9−256858号公報では、吸気ポートを順タンブ
ルポート部と逆タンブルポート部とに仕切り、順タンブ
ルポート部には気筒内に導入される吸気量(順タンブル
流)を調節するコントロールバルブを設けている。
域の領域では、コントロールバルブを閉めて逆タンブル
ポート部から気筒内に吸気を送り、気筒内に逆タンブル
流を生起させようとするものである。逆タンブル流は、
吸気流が逆タンブルポート部の直下に位置するシリンダ
壁に沿って下降した後にピストン頂面を経て燃焼室天井
壁と進む流れであり、ピストン頂面には、吸気流が燃焼
室天井壁に向かうようにガイド(窪み)が形成されてい
る。この方式は、燃料噴霧はピストン頂面に向けて噴射
され、この燃料噴霧が逆タンブルの気流に乗って点火プ
ラグに集まることで成層燃焼を可能にしている。
では、成層燃焼時には、吸気ポート内に設けた流動制御
弁によって燃焼室内に順タンブル流(気筒内の天井壁に
沿った後にピストン頂面に向かいその後天井壁に戻る吸
気の流れ)を生起し、かつこの順タンブル流を強化し、
この順方向の流れを利用してピストン頂面(冠面)に向
けて噴射した燃料噴霧を点火プラグに集まるようにして
いる。この従来技術では、ピストン冠面に設けた側面ω
形状の凹部により順タンブル流の保存性を高めている。
燃料噴霧はほぼ対称である。
噴霧の幾何学的形状を非対称にして成層燃焼を実現させ
る試みもなされている。この非対称の燃料噴霧は、点火
プラグ側に向かう燃料噴霧(点火プラグ側稜線)の速度
を大きくし、反対側のピストンに向かう噴霧(インジェ
クタ側稜線)の速度を小さくして燃料噴霧の方向をダイ
レクトに点火プラグ側に向けようとするものである。
は、気筒内の雰囲気圧力が高くなっても噴霧の形状が変
化しない特徴を作り出している。特に噴霧の速度を高く
すると、雰囲気圧力の影響を少なくできることが知られ
ている。
を点火プラグ付近に集めるには、今までのように単にタ
ンブル流の流れに燃料噴霧を乗せるだけでは充分ではな
く、燃料噴霧速度を配慮して運転状態に応じて燃料噴射
のタイミングや吸気流動の利用の仕方に独自の工夫が要
求される。
噴霧方式の筒内噴射式火花点火エンジンを用いて、成層
燃焼の運転域を広げることのできる筒内噴射式火花エン
ジンの制御装置を提供することにある。
火エンジンの気筒内に直接噴射し、かつ気筒内に吸気の
縦渦(タンブル流)を形成する筒内噴射式火花点火エン
ジンの制御装置において、噴射された燃料噴霧を点火プ
ラグ側稜線とその反対側の稜線の速度が大きく異なる非
対称形状の燃料噴霧にすると共に、気筒内に生じる吸気
流動の順タンブル流と逆タンブル流の比をエンジン負荷
に応じて変化させるようにしたことを特徴とする。
動が少ない低負荷運転域では、順タンブル流の逆タンブ
ル流に対する比を大きくする(順タンブル流の勢いを強
める)ことにより、点火プラグ側に指向する燃料噴霧が
助勢され、またこの非対称燃料噴霧の噴射タイミングを
圧縮行程時(例えば圧縮行程後半)に設定することによ
り、燃料噴霧をダイレクトに点火プラグ付近に集めるこ
とで成層燃焼を可能にする。中速・中負荷運転域には、
吸気量(吸気流速)が増加した分を配慮して、逆タンブ
ル流に対する順タンブル流の比を低速・低負荷運転域よ
りも小さくして、順タンブル流の勢いを調整すること、
および燃料噴霧の噴射タイミングを圧縮行程時に設定す
ることで、上記同様に成層燃焼を可能にする。
(希薄燃焼)が可能な領域があり(高速・高負荷運転域
の小さい方から途中までの運転域)、この場合には、逆
タンブル流動の順タンブル流に対する比を大きくして、
吸気流量の増大により勢いのある点火プラグ側に指向す
る燃料噴霧に適度の制動をかけ、また、燃料噴射タイミ
ングを圧縮行程時にすることで、点火プラグ周辺に燃料
噴霧を集めることで成層燃焼を可能にする。
負荷から高負荷まで)で安定した成層燃焼運転を可能に
する。
ル流,逆タンブル流ともに大きくし、燃料噴霧タイミン
グも吸気行程時に設定することにより均質燃焼を可能に
する。
明する。まず、本実施例に係る構成を図1を用いて説明
する。図1は、本実施例に係る自動車用の筒内噴射式火
花点火エンジンの一気筒だけを取り出して、その制御装
置を示す断面図である。
ッド)1aのほぼ中心に点火プラグ4が配置され、点火
プラグの周辺に吸気ポート5及び排気ポート6が配置さ
れている。吸気ポート5には吸気弁7が、排気ポート6
には排気弁8が設けられている。シリンダヘッド1aに
おける吸気弁7配置側の側部には、インジェクタ3がシ
リンダ1の中心線に対して斜角をもって設置されてい
る。
上側通路9aと下側通路9bとに仕切られている。上側
通路9aは、主として気筒内に順タンブル流の吸気流動
を形成するためのものであり、下側通路9bは、主とし
て気筒内に逆タンブル流の吸気流動を形成するためのも
のである。
の天井壁1aに沿って点火プラグ4側に流れた後にピス
トン2の頂面(ピストンヘッド面)側に流れてピストン
2の頂面で再びシリンダ1の天井壁1aに向かう吸気流
動である。逆タンブル流は、吸気弁7からインジェクタ
3側のシリンダ側壁に沿ってピストン2の頂面側に流れ
た後にピストン2の頂面でシリンダ1の天井壁1aに向
かう吸気流動である。
路5bの開閉を切り換える制御弁10が設けられてい
る。この制御弁10は、上側通路5a,下側通路5bの
開口断面積に合わせた半円形状の弁体であり、図15に
示すように枢軸19に付いており、その周縁に面取り1
0aが施されている。面取り10aを設けることによっ
て、制御弁10が上側通路5a,下側通路5bのいずれ
に位置しても、制御弁10が吸気ポート5の管壁にかじ
りが生じないように配慮したものである。図14は本発
明の半円弁の実施例である。半円版18が軸19に付い
ている。半円版18の吸気ポート5と接触する周方向の
端面を両側面取りしておく。こうすることにより、上側
通路を閉して場合も、下側通路を閉下場合も弁の噛み付
きを防止できる。
アクチュエータ20により駆動する。
し、図9(b)にピストン2の上面図を示す。これらの
図から明らかなようにピストン2の頂面には、ピストン
ヘッドの直径を横断する帯溝2aが形成され、帯溝2a
の底面2a′は円弧状の窪みをなしている。この帯溝2
aは順タンブル流,逆タンブル流の流れ方向に向けて形
成され、順タンブル流,逆タンブル流のガイドをなすよ
うにしてある。
aを閉じたり、下側通路5bを閉じたり、上側,下側通
路5a,5b双方共に開くことにより、気筒内に生じる
吸気流動の順タンブル流と逆タンブル流の比をエンジン
負荷に応じて変化させる機能をなす。
うに、燃料噴霧の点火プラグ側稜線とその反対側の稜線
(これを噴射弁側稜線と称する)の速度が大きく異なる
非対称形状の燃料噴霧を噴射するように設定してある。
噴霧を作るインジェクタのオリフィス形状の一例を示
す。
ェクタの軸線と同じ場合(ストレートオリフィス)の例
である。図13において、弁15が開き、燃料が矢印
(図示してないが周方向の4〜6方向)より流入する。
スワラー16で旋回流となり、弁15を通り、オリフィ
ス17に流入する。ここでオリフィス17の出口を斜め
に切ってあるため、オリフィス17の長さh1、h2が
h1<h2となっている。このためh1側から噴出する
燃料の流速は高く、h2側から噴出する燃料の流速は低
くなる。噴霧の噴出角度は、噴出速度に比例するため噴
霧角がL1側とL2側で非対称となる。また噴出する速
度が異なるため、噴霧の稜線長さがL1>L2となる。
軸線と異なる場合(偏向オリフィス)である。図13と
同様にh1<h2となるため、噴霧11もL1>L2と
なる。
形状と円周方向の流量分布を示す。噴霧の稜線長さのL
1,L2はほぼ同じで対称形をしている。このため、流
量の分布量も対称である。それに対して本実施例のイン
ジェクタは、噴霧の稜線長さL1とL2がL1>L2で
あり、非対称であるため、周方向の流量分布もL1側が
多く、L2側が少なくなる。
21は、エンジン回転数センサ22,吸気管圧力センサ
23,エンジン冷却水温度24などの入力して運転状態
を演算し、運転条件に応じて以下に述べるように制御弁
10の位置制御及びインジェクタ3の燃料噴射タイミン
グを制御する。
より説明する。 まず、図1,図2を用いて低速・低負荷運転域の場合
について説明する。
の吸気行程前半を示す。吸気弁7は開き、ピストン2は
降下中でシリンダ1に吸気が導入されている。制御弁1
0は吸気ポート5の下部通路5bを閉じ、上部通路5a
を開いている。
から流れる吸気により、シリンダ1内に流入する吸気流
(空気流)は、点火プラグ4側に強いながれの順タンブ
ル流12aが形成され、噴射弁3側に弱い流れの逆タン
ブル流12a′(逆タンブル流)ができる。
程後半である。吸気弁7は閉じ、ピストン2も上昇中で
ある。シリンダ1内には大きな渦の順タンブル流12a
と小さい渦の逆タンブル流12a′が生じており、この
状態で燃料が噴射される。燃料噴霧11は、順タンブル
流12aにより、点火プラグ4近傍に輸送される。
小さい状態で、空気量も最も少ない。このため、制御弁
10により下部側吸気ポート5bを閉じ、上部側吸気ポ
ート5aを開くことにより、順タンブル流の逆タンブル
流に対する比を大きくする(順タンブル流の勢いを強め
る)。それにより、点火プラグ4側に指向する燃料噴霧
が助勢され、またこの非対称燃料噴霧の噴射タイミング
を圧縮行程時に設定することにより、燃料噴霧をダイレ
クトに点火プラグ付近に集めることで成層燃焼を可能に
する。 次に図3,図4を用いて中速・中負荷運転域の場合に
ついて説明する。
半である。制御弁10は吸気ポート5a,5bの中立の
位置にあり、上側通路5a及び下側通路5bの双方が開
状態にある。
2d,12eがシリンダ1に流入する。吸気流12c
は、吸気ポート5の上側通路5aより流入する空気の流
れで、比較的強い流れである。吸気流12dは、吸気ポ
ート5の下側通路5bより流入する空気の流れで中程度
の流れである。吸気流12eは、吸気通路5の下部通路
5bより点火プラグ4側に洩れる流れで、吸気流12c
と一体になる。このため空気流12cはより強い流動と
なる。
である。吸気流は、比較的大きい順タンブル流12cと
逆タンブル流12dの2個の渦が生成される。ここで燃
料が噴射される。この燃料噴霧11に対して逆タンブル
流12dが噴霧を遅らすように働く。中速・中負荷運転
域では、図1,2の低速・低負荷運転域に比較して空気
量も増加して、空気の流動も強くなるが、逆タンブル流
12dの空気流分だけ吸気流動力が制御できる。すなわ
ち、中速・中負荷運転域には、吸気量(吸気流速)が増
加した分を配慮して、逆タンブル流に対する順タンブル
流の比を低速・低負荷運転域よりも小さくして、順タン
ブル流の勢いを調整すること、および燃料噴霧の噴射タ
イミングを圧縮行程時に設定することで、上記同様に成
層燃焼を可能にする。 次に図5,図6を用いて高速・高負荷運転域の小さい
方から途中までの運転域の場合について説明する。本発
明では、この運転域においても成層燃焼を可能にするも
のである。
荷運転時の吸気行程前半の状態を示している。吸気弁7
は開き、制御弁10は吸気ポート5の上側通路5aを閉
じ、下側通路5bを開くように設定されている。この場
合、シリンダ1内には、順タンブル流12a,逆タンブ
ル流12bが発生する。ここで逆タンブル流12bは下
側通路5bが開いているため比較的強い流動である。一
方、順タンブル流12aは下側通路5bより点火プラグ
側に洩れるように流れるため比較的弱い流動である。
なう場合の圧縮行程後半の状態を示す。吸気流12a、
12bもやや偏平になりながら各々別の流動となってい
る。すなわち順タンブル流12aは、噴射弁3の反対側
に比較的小さい渦となり、逆タンブル流12bは噴射弁
3側に比較的大きな渦となる。ここで噴射弁3より燃料
が噴射され噴霧11が形成される。燃料噴霧11は空気
流12bに逆らいながら自身の貫通力で前進する。ま
た、空気流12a、12bに上部に持ち上げられ、点火
プラグ4の付近に点火可能な混合気を形成する。このよ
うに成層運転でも比較的小さい高速、高負荷の場合は、
噴射弁3側に比較的強い逆タンブル流12bを作ること
により、噴霧11の進み過ぎが防止できる。このため空
気の流動が強い領域まで成層運転を広げることができ
る。
なり、成層燃焼時に逆タンブル流12bが反対側の順タ
ンブル流12aより大きい逆転現象が生じる。次に図
7,図8により前記よりも高い高速・高負荷運転域で
均質燃焼が要求される場合について説明する。
の状態である。吸気ポート5の上側通路5aおよび下側
通路5bの双方を開とする。このため空気流も図3と同
様に12c、12d、12eが形成される。ここで噴射
弁3より燃料が噴射され、噴霧11が形成される。この
噴霧11は強い流動の空気流12c側に多く供給され
る。
域の圧縮行程前半である。吸気弁7は閉じている。シリ
ンダ1内には大きな順タンブル流12cと比較的小さい
逆タンブル流12dになる。渦の大きさと供給燃料量の
多さが合っているので均一な混合気がシリンダ内に形成
できる。
ン回転数と負荷との関係で示したマップである。白抜き
で示した部分が成層燃焼領域であり、その外側に均質燃
料領域がある。一番内側に図1、2で示したアイドルを
含む低速、低負荷運転域がある。その外側に図3、4で
示した成層運転の中速、中負荷運転域がある。その外側
に図5、6で示した成層運転の高速,高負荷域がある。
この高速・高負荷運転域の成層燃焼を可能にしたことに
より、従来よりも成層燃焼範囲を広げることができた。
面図である。吸気ポート5に隔壁9が無い場合である。
制御弁(半円弁)10を吸気弁7の近くに設置すること
で、制御弁10の中間開度で制御弁自身に隔壁9の効果
を持たせることができる。本実施例も先の実施例同様の
作用を可能にする。
の噴射時期(IT)、縦軸は点火時期(Adv.)であ
る。筒内噴射の場合は、燃料噴射後に点火する必要が有
り、IT―Adv.同時線より右下側では燃焼しない。
IT―Adv.同時線に平行してA,B,C線がある。
A線よりIT―Adv.同時線の間は噴霧の輸送期間で
あり、安定した燃焼は得られない。B線とA線の間が安
定燃焼の範囲である。B線よりAdv.が遅れると噴霧
の拡散によりHCが増加し、C線より遅れると噴霧の移
動または拡散により点火しなくなる。燃焼を燃費の面よ
り見るとAdv.の上限,下限線がある。上限線は、こ
れよりAdv.が進むと、燃焼が速すぎて燃費が低下す
る。下限線より遅れると、燃焼が遅くなりすぎて燃費が
低下する。一方ITが遅れると、ピストンが上昇してか
ら燃料噴射をするためピストン上部に噴霧が付着する。
それがスモークの発生原因となる。縦軸にほぼ平行した
スモーク線があり、これよりIT遅れ側でスモークが発
生する。A線、B線、上限線、下限線、スモーク線に囲
まれた範囲が目標領域である。この領域が広いことが燃
費と排気の両立の上から望まれる。
非対称噴霧との燃料特性の違いを示す。噴霧が比較的遅
い従来噴霧のA線(点線)はIT−Adv.同時線より
離れる。また、ITが遅れるとシリンダ内の圧力が高く
なるが、従来噴霧は雰囲気圧力が高くなると噴霧角度が
狭くなり(図19で説明)IT遅れ側で領域が狭くな
る。本発明の非対称噴霧は雰囲気圧力が高くなっても噴
霧が狭くならないため、領域が広くなる。また、非対称
であってピストン側の噴霧が少ないためピストン上面に
付着する燃料量も少なく、スモーク線もIT遅れ側に後
退する。このように、非対称噴霧は目標領域が広くでき
る。
角と大気圧下の噴霧角の比を示す。本発明の非対称噴霧
は、雰囲気圧力が高くなっても噴霧角が狭くならないた
め、加圧下の噴霧角と大気圧下の噴霧角の比が小さくな
らない。
と大気圧下のL1の比を示す。本発明の非対称噴霧は噴
霧の速度が速いため、加圧下でもL1が小さくならない
ため、加圧下のL1と大気圧下のL1の比が小さくなら
ない。
筒内噴射式火花点火エンジンを用いて、成層燃焼の運転
域を広げることができる。
運転域の吸気行程時を示す。
び上面図。
の断面図。
弁)、4…点火プラグ、5…吸気ポート、5a…上側通
路、5b…下側通路、6…排気ポート、7…吸気弁、8
…排気弁、9…隔壁、10…制御弁(半円弁)、11…
噴霧、12…空気流。
Claims (6)
- 【請求項1】 燃料を火花点火エンジンの気筒内に直接
噴射し、かつ気筒内に吸気の縦渦(以下、タンブル流と
称する)を形成する筒内噴射式火花点火エンジンの制御
装置において、 噴射された燃料噴霧を点火プラグ側稜線とその反対側の
稜線の速度が大きく異なる非対称形状の燃料噴霧にする
と共に、気筒内に生じる吸気流動の順タンブル流と逆タ
ンブル流の比をエンジン負荷に応じて変化させるように
したことを特徴とする筒内噴射式火花点火エンジンの制
御装置。 - 【請求項2】 前記順タンブル流と逆タンブル流の比
は、順タンブル流の方が逆タンブル流よりも大きくなる
制御域〜逆タンブル流の方が順タンブル流よりも大きく
なる制御域の範囲にかけて変えることができるようにし
た請求項1記載の筒内噴射式火花エンジンの制御装置。 - 【請求項3】吸気ポートを上側の通路と下側の通路で構
成し、運転条件に応じてこの吸気ポートを、上側通路
を開,下側通路を閉、上側通路および下側通路双方を
開、上側通路を閉,下側通路を開の切り換え制御する
ことにより、前記順タンブル流と逆タンブル流の比を制
御する請求項1又は2記載の筒内噴射式火花エンジンの
制御装置。 - 【請求項4】 前記吸気ポートの上側通路,下側通路の
開閉を切り換える弁が半円形状の弁体で、この半円弁の
周縁に面取りが施されている請求項3記載の筒内噴射式
火花エンジンの制御装置。 - 【請求項5】 気筒の天井壁の中央に点火プラグを配置
し、吸気弁の側部にインジェクタを配置した筒内噴射式
火花エンジンの制御装置であって、 吸気ポートには、気筒内に導く吸気流の順タンブル流と
逆タンブル流との比を運転の負荷に応じて変化させる吸
気流動制御手段を設け、 前記インジェクタは、気筒内に噴射される燃料噴霧の点
火プラグ側稜線の速度がその反対側の稜線よりも大きく
なるような非対称形状の燃料噴霧を噴射するよう設定さ
れ、 かつ運転域に応じて前記吸気流動制御手段及び燃料噴射
タイミングを制御して成層燃焼と均質燃焼を実行する燃
焼制御手段を有することを特徴とする筒内噴射式火花エ
ンジンの制御装置。 - 【請求項6】 前記吸気流動制御手段は、吸気ポートを
上側通路と下側通路により構成し、この上側,下側の通
路の開閉を制御する制御弁により構成され、 前記燃焼制御手段は、運転条件に応じて前記制御弁及び
燃料噴射タイミングを制御することにより、低速・低
負荷運転域では、前記吸気ポートの上側通路を開、下側
通路を閉、燃料噴射タイミングを圧縮行程時とし、中
速・中負荷運転域では、前記上側通路および下側通路の
双方を開、燃料噴射タイミングを圧縮行程時とし、高
速・高負荷運転域の小さい方から途中までの運転域で
は、前記上側通路を閉、前記下側通路を開、燃料噴射タ
イミングを圧縮行程時とし、前記よりも高い高速・
高負荷運転域では、前記上側通路および下側通路の双方
を開、燃料噴射タイミングを吸気行程とすることを特徴
とする筒内噴射式火花エンジンの制御装置。
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Cited By (19)
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