JP2003083065A - 内燃機関のピストン温度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 筒内噴射式内燃機関における成層燃焼に影響
を及ぼすピストン表面のデポジットを焼き切ることがで
きるようにピストン冷却手段を介してピストンの温度を
制御する。 【解決手段】 ピストン冷却手段を備えた筒内噴射式内
燃機関のピストン温度制御装置において、通常運転時の
ピストン冷却領域内で一時的に該ピストン冷却手段によ
る冷却を停止する制御手段を設けたことを特徴とする。
好ましくは、その制御手段は、ピストン冷却領域内の低
負荷低速回転側で作動する。また、好ましくは、その制
御手段の作動時には点火時期の遅角制御が実行される。
また、好ましくは、その制御手段は、均質燃焼領域で作
動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、筒内噴射式の内燃
機関においてピストンの温度を制御する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料消費率の向上の観点から、成層燃焼
を行う内燃機関が開発されている。

【０００３】一般に、成層燃焼を行うガソリン機関で
は、筒内に直接燃料を噴射する筒内噴射方式を採用し、
高負荷又は高速回転時にあっては吸気行程噴射により均
質燃焼を行って出力の向上を図る一方、低負荷低速回転
時にあっては圧縮行程噴射により成層燃焼を行って燃料
消費率の向上を図るようにしている。

【０００４】かかる成層燃焼時には、もともと発熱量が
少ない上、圧縮行程噴射のため燃料がピストン表面から
奪う熱の量が多いことから、ピストン温度が低くなるの
に対し、均質燃焼時には、もともと発熱量が多い上、吸
気行程噴射のため燃料がピストン表面から奪う熱の量が
少ないことから、ピストン温度が上昇するという不具合
がある。

【０００５】そこで、例えば、特開平１０−６８３１９
号公報には、高負荷又は高速回転時にあっては、吸気行
程噴射を行うとともにオイルジェットによるピストン冷
却を実行することによりピストンの耐熱性を確保する一
方、低負荷低速回転時にあっては、圧縮行程噴射を行う
とともにオイルジェットによるピストン冷却を停止する
ことによりピストンの温度を上昇させて燃料の微粒化及
び気化を促進する筒内噴射式ガソリン機関が開示されて
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の如き
筒内噴射式ガソリン機関では、ピストン冠面に設けられ
たキャビティに向けて燃料が噴射されるため、そのキャ
ビティには、燃料の一部が炭化して堆積しやすい。かか
る堆積物すなわちデポジットはキャビティ表面を荒らす
ため、燃料の持つ速度が低減されて混合気の形成が変化
せしめられ、結果として安定した成層燃焼が得られなく
なる。

【０００７】また、かかるデポジットは、成長していく
ため、ある大きさになると、ピストンからはがれ、吸排
気バルブやピストンに噛み込み、圧縮の抜けやシリンダ
ボアの損傷といった問題が発生する。

【０００８】本発明は、上述した問題点に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、筒内噴射式内燃機関におけ
る成層燃焼に影響を及ぼすピストン表面のデポジットを
焼き切ることができるようにピストン冷却手段を介して
ピストンの温度を制御することができるピストン温度制
御装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第１の面によれば、ピストン冷却手段を備
えた筒内噴射式内燃機関のピストン温度制御装置におい
て、通常運転時のピストン冷却領域内で一時的に該ピス
トン冷却手段による冷却を停止する制御手段を設けたこ
とを特徴とする、内燃機関のピストン温度制御装置が提
供される。

【００１０】定常運転時のピストン冷却領域はピストン
温度の上昇しやすい領域であるため、上述の如く構成さ
れた本発明の第１の面によるピストン温度制御装置にお
いては、かかる領域で冷却を一時的に停止することによ
り、燃焼に影響を及ぼすピストン表面のデポジットを焼
き切ることができる。

【００１１】また、本発明の第２の面によれば、好まし
くは、前記制御手段は該ピストン冷却領域内の低負荷低
速回転側で作動する。

【００１２】低負荷低速回転側では、高負荷高速回転側
に比較して燃焼室内の発熱量が少なく、ピストンの温度
上昇が緩やかとなるが、その分、この第２の面によるピ
ストン温度制御装置においては、ノッキングやピストン
焼き付き等を避けつつピストン表面のデポジットの焼き
切りに適した高温に保持し易くなる。

【００１３】また、本発明の第３の面によれば、好まし
くは、前記制御手段の作動時には点火時期の遅角制御が
実行される。

【００１４】この第３の面によるピストン温度制御装置
においては、ピストンを高温化しても、点火時期の遅角
によりノッキングが発生し難いため、冷却停止期間を長
くとることが可能となり、ピストン表面のデポジットを
十分に焼き切ることができる。

【００１５】また、本発明の第４の面によれば、好まし
くは、前記制御手段は均質燃焼領域で作動する。

【００１６】均質燃焼の場合、燃料噴射量のわりにはピ
ストン表面から奪われる熱の量が少ないため、この第４
の面によるピストン温度制御装置においては、ピストン
を高温化することが容易になる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施形態について説明する。

【００１８】図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機
関のピストン温度制御装置の構成を示す図である。この
内燃機関は、筒内噴射式直列多気筒ガソリン機関であっ
て均質燃焼及び成層燃焼を行うものである。機関のシリ
ンダブロックには、上下方向へ延びる複数個の気筒１０
が紙面の厚み方向へ並設され、各気筒１０内には、冠面
に円盤状のキャビティ１２ａを有するピストン１２が往
復動可能に収容されている。各ピストン１２は、コネク
ティングロッド１４を介し共通のクランクシャフト（図
示せず）に連結されている。

【００１９】また、機関のシリンダヘッドには、直接、
筒内に燃料を噴射するインジェクタ１６が取付けられて
いる。インジェクタから噴射される燃料は、吸気通路
（図示せず）、吸気ポート（図示せず）及び吸気バルブ
１８を介して筒内へ導入される空気と筒内において合流
して混合気となる。なお、均質燃焼を行う場合には吸気
行程で噴射が行われる一方、成層燃焼を行う場合には圧
縮行程においてピストン１２のキャビティ１２ａに向け
て噴射が行われる。

【００２０】この混合気に着火するために、シリンダヘ
ッドには気筒毎にスパークプラグ２０が取付けられてい
る。均質燃焼の場合、吸気行程噴射により筒内に均一な
混合気が形成された後に点火が行われる。一方、成層燃
焼の場合、圧縮行程において噴射された燃料がスパーク
プラグ２０付近に多くあってその部分の混合気が燃焼す
る。燃焼した混合気は、排気ガスとして排気バルブ２
２、排気ポート（図示せず）及び排気通路（図示せず）
を介して大気中に排出される。

【００２１】この機関では、高負荷又は高速回転時にあ
っては吸気行程噴射により均質燃焼運転を行って出力の
向上が図られる一方、低負荷低速回転時にあっては圧縮
行程噴射により成層燃焼運転を行って燃料消費率の向上
が図られる。

【００２２】そして、前述のように、成層燃焼運転時に
は、もともと発熱量が少ない上、圧縮行程噴射のため燃
料がピストン表面から奪う熱の量が多いことから、ピス
トン温度が低くなるのに対し、均質燃焼時には、もとも
と発熱量が多い上、吸気行程噴射のため燃料がピストン
表面から奪う熱の量が少ないため、ピストン温度が上昇
する。

【００２３】そのため、この機関では、ピストン１２の
温度が冷却手段により制御され得るように構成されてい
る。すなわち、ピストン１２の冷却のために、ピストン
１２の内部には、円環状の空洞がピストンオイルギャラ
リ１２ｂとして設けられている。このピストンオイルギ
ャラリ１２ｂには、オイルジェット３０から噴射された
オイルが供給される。

【００２４】また、シリンダブロックには、オイルジェ
ット３０から噴射されるオイルのためのサブオイルギャ
ラリ３２が設けられている。そして、サブオイルギャラ
リ３２には、電磁弁３４を介して機関のメインオイルギ
ャラリ３６からオイルが供給される。

【００２５】すなわち、電磁弁３４がオンにされると、
サブオイルギャラリ３２とメインオイルギャラリ３６と
が連通し、オイルジェット３０からピストンオイルギャ
ラリ１２ｂに向けてオイルが噴射され、そのオイルがピ
ストン１２から熱を奪うことにより、ピストン１２が冷
却される。

【００２６】一方、電磁弁３４がオフにされると、サブ
オイルギャラリ３２とメインオイルギャラリ３６との接
続が遮断され、オイルジェット３０からピストンオイル
ギャラリ１２ｂに向けてのオイル噴射が停止されること
により、ピストン１２が非冷却状態すなわち断熱状態と
される。

【００２７】電子制御装置（ＥＣＵ）４０は、燃料噴射
制御及び点火時期制御に加え、機関運転状態に基づいて
電磁弁３４のオン／オフ制御、すなわち電磁弁３４内の
コイルへの通電のオン／オフ制御を実行するマイクロコ
ンピュータシステムである。

【００２８】図２は、ピストン温度の制御マップを示す
図である。この図に示されるように、境界線Ｌを境に、
低負荷低速回転の領域は、圧縮行程噴射による成層燃焼
運転が行われる領域に対応しており、オイルジェット３
０からピストンオイルギャラリ１２ｂに向けてのオイル
噴射が停止される断熱領域とされる。

【００２９】一方、境界線Ｌを境に、高負荷高速回転の
領域は、吸気行程噴射による均質燃焼運転が行われる領
域に対応しており、オイルジェット３０からピストンオ
イルギャラリ１２ｂに向けてのオイル噴射が実行される
冷却領域とされる。そして、特に、その冷却領域内の低
負荷低速回転側は、一時的にピストン冷却が停止される
デポジット焼き切り領域とされる。

【００３０】図２のマップを用いたピストン温度制御の
手順が図３のフローチャートに示される。このルーチン
は、ＥＣＵ４０において１秒周期で実行される。まず、
ステップ１０２では、機関運転状態として現在の回転速
度及びトルク（負荷）が検出される。

【００３１】次いで、ステップ１０４では、検出された
機関運転状態と図２に示されるマップとから、現在の機
関運転状態が冷却領域に属するか又は断熱領域に属する
かが判定される。

【００３２】現在の機関運転状態が断熱領域に属すると
判定された場合には、ステップ１０６に進み、デポジッ
ト焼き切り制御の実行時間を計測するためのカウンタＣ
ＮＴが０に初期化される。次いで、ステップ１０８に進
み、オイル噴射の停止状態とされる。

【００３３】一方、現在の機関運転状態が冷却領域に属
すると判定された場合には、ステップ１１０に進み、更
に、現在の機関運転状態が、図２に示されるデポジット
焼き切り領域に属するか否かが判定される。

【００３４】ステップ１１０で現在の機関運転状態がデ
ポジット焼き切り領域にない、すなわちデポジット焼き
切り領域以外の冷却領域にあると判定された場合には、
ステップ１１２に進み、オイル噴射が実行される。

【００３５】一方、機関運転状態がデポジット焼き切り
領域にあると判定された場合には、ステップ１１４に進
み、デポジット焼き切り制御の実行時間を計測するため
のカウンタＣＮＴを１だけインクリメントする。なお、
前述のように、このルーチンは１秒周期で実行されるた
め、カウンタＣＮＴの値はデポジット焼き切り領域にお
ける経過時間を秒単位で表すこととなる。

【００３６】次いで、ステップ１１６では、カウンタＣ
ＮＴの値が３０未満か否かが判定される。ＣＮＴ＜３０
のとき、すなわちデポジット焼き切り領域における経過
時間が３０秒未満のときには、前述したステップ１０８
に進み、オイル噴射の停止状態とされる。

【００３７】一方、ＣＮＴ≧３０のとき、すなわちデポ
ジット焼き切り領域における経過時間が３０秒を経過し
ているときには、前述したステップ１１２に進み、オイ
ル噴射が実行される。ステップ１０８又は１１２の実行
後、本ルーチンは終了する。

【００３８】このようなピストン温度制御によれば、通
常運転時、ピストン温度の上昇しやすい領域であるピス
トン冷却領域内で一時的にピストン冷却が停止されるた
め、ピストン表面のデポジットを焼き切ることができ
る。なお、その停止時間は、デポジットの焼き切りに十
分な時間として設定されるべきものであり、本実施形態
においては３０秒という値が採用されているが、内燃機
関のタイプごとに適合試験等により決定されることとな
る。

【００３９】また、この実施形態では、ピストン冷却領
域内の低負荷低速回転側、すなわち燃焼室内の発熱量が
少なく、ピストンの温度上昇が緩やかとなる側でピスト
ン冷却の一時停止が行われる。そのため、ノッキングや
ピストン焼き付き等を避けつつピストン表面のデポジッ
トの焼き切りが行われることとなる。

【００４０】また、この実施形態では、デポジット焼き
切り領域が、燃料噴射量のわりにはピストン表面から奪
われる熱の量が少ない均質燃焼領域に設定されているた
め、ピストンを高温化することが容易であるという利点
がある。

【００４１】ところで、ピストン冷却を停止してピスト
ンを高温状態におく期間を長くとることで、ピストン表
面のデポジットを十分に焼き切ることができることとな
るが、その場合には、ノッキングが発生しやすくなる。
一方、ノッキングは、点火時期と密接な関係を有し、点
火時期を遅角すると、燃焼最大圧力が低下してノッキン
グが発生し難くなることが知られている。そこで、デポ
ジット焼き切りのためのピストン冷却一時停止時には、
点火時期の遅角制御を併せて実行することが好ましい。

【００４２】かかる点火時期遅角制御のために新たに設
けられるデポジット点火遅角量計算ルーチンの処理手順
が図４のフローチャートに示される。このルーチンは、
ＥＣＵ４０において一定周期で実行される。

【００４３】まず、ステップ２０２では、前述した図３
に示されるピストン温度制御により、デポジット焼き切
り制御が現在実行されているか否かが判定される。デポ
ジット焼き切り制御が現在実行されていない場合には、
ステップ２０４に進み、デポジット焼き切り制御に基づ
く点火時期遅角補正量ＳＡＤＥＰＯが０に設定される。

【００４４】一方、デポジット焼き切り制御が現在実行
されている場合には、ステップ２０６に進み、図に示さ
れるようなマップを参照することにより、現在の機関運
転状態すなわち回転速度及びトルク（負荷）に応じた点
火時期遅角補正量ＳＡＤＥＰＯが決定される。ステップ
２０４又は２０６の実行後、本ルーチンは終了する。

【００４５】図５は、ＥＣＵ４０において一定周期で実
行される点火時期計算ルーチンの処理手順を示すフロー
チャートである。まず、ステップ３０２では、現在の機
関運転状態として回転速度及びトルク（負荷）が検出さ
れる。

【００４６】次いで、ステップ３０４では、所定のマッ
プを参照することにより、検出された回転速度及びトル
ク（負荷）に応じた基本点火時期ＳＡＢＡＳＥが決定さ
れる。なお、点火時期ＳＡは、圧縮上死点から進角方向
に数えたクランク角に相当する数値（点火進角値）とし
て表される。

【００４７】最後のステップ３０６では、基本点火時期
ＳＡＢＡＳＥ及びデポジット焼き切り制御に基づく点火
時期遅角補正量ＳＡＤＥＰＯを用いて、 ＳＡ←ＳＡＢＡＳＥ＋α−ＳＡＤＥＰＯ なる演算をすることにより、最終点火時期ＳＡが決定さ
れる。なお、αは、他の運転状態パラメータによって定
まる補正量である。

【００４８】以上、本発明の実施形態について述べてき
たが、もちろん本発明はこれに限定されない。例えば、
本実施形態においては、デポジット焼き切り領域に移行
する度に、デポジット焼き切り制御を行っているが、前
回のデポジット焼き切り制御の実行時からあまり時間が
経過しておらず、デポジットが堆積していないと考えら
れる場合には、その実行を省略するようにしてもよい。

【００４９】また、本実施形態においては、デポジット
焼き切り時間として固定時間を採用しているが、マップ
を設けて機関運転状態に応じた可変時間としてもよい。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
筒内噴射式内燃機関における成層燃焼に影響を及ぼすピ
ストン表面のデポジットを焼き切ることができるように
ピストンの温度を制御することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関のピストン
温度制御装置の構成を示す図である。

【図２】ピストン温度の制御マップを示す図である。

【図３】ＥＣＵにおいて実行されるピストン温度制御ル
ーチンの処理手順を示すフローチャートである。

【図４】ＥＣＵにおいて実行されるデポジット点火遅角
量計算ルーチンの処理手順を示すフローチャートであ
る。

【図５】ＥＣＵにおいて実行される点火時期計算ルーチ
ンの処理手順を示すフローチャートである。

【符号の説明】 １０…気筒 １２…ピストン １２ａ…キャビティ １２ｂ…ピストンオイルギャラリ １４…コネクティングロッド １６…インジェクタ １８…吸気バルブ ２０…スパークプラグ ２２…排気バルブ ３０…オイルジェット ３２…サブオイルギャラリ ３４…電磁弁 ３６…メインオイルギャラリ ４０…電子制御装置（ＥＣＵ）

───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｆ０２Ｐ 5/15 Ａ Ｆターム(参考） 3G013 BA02 BC03 BD08 BD32 CA06 EA02 EA03 3G022 AA07 DA02 DA07 EA01 EA02

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストン冷却手段を備えた筒内噴射式内
   燃機関のピストン温度制御装置において、通常運転時の
   ピストン冷却領域内で一時的に該ピストン冷却手段によ
   る冷却を停止する制御手段を設けたことを特徴とする、
   内燃機関のピストン温度制御装置。
2. 【請求項２】 前記制御手段は該ピストン冷却領域内の
   低負荷低速回転側で作動することを特徴とする、請求項
   １に記載の内燃機関のピストン温度制御装置。
3. 【請求項３】 前記制御手段の作動時には点火時期の遅
   角制御が実行されることを特徴とする、請求項１又は請
   求項２に記載の内燃機関のピストン温度制御装置。
4. 【請求項４】 前記制御手段は均質燃焼領域で作動する
   ことを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれ
   か一項に記載の内燃機関のピストン温度制御装置。