JP2004144052A - Theoretical air fuel ratio stratified charge combustion internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダ内に直接燃料を噴射し、主として点火により燃焼させる内燃機関に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、シリンダ内に直接燃料を噴射する内燃機関において、EGRガス(排気還流ガス)を導入することにより、排気中の有害成分の低減を図ったものが知られている。また、その際に、効果的に燃焼性能を維持するために、EGRガスの混合比を場所によって変えるようにしたものが知られている。これらの一例としては、例えば特開2001−280140号公報に記載されているようなシステムがある。
【0003】
このシステムは、主として圧縮着火機関に関するもので、1つのシリンダに開口する2つの吸気ポートにそれぞれ制御弁の付いたEGRガス通路を接続し、吸気ポートの形状と、吸気弁の開弁期間をずらすことにより、シリンダ内にEGRガスの多い層と少ない層を作っている。そして、シリンダの縦方向に成層化された吸気が、圧縮行程でスキッシュ流によってピストンキャビティ内で軸方向の成層となり、ここに燃料を噴射することにより、効果的にNOxとスート(黒煙)の同時低減が図れるとしている。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−280140号公報(第5−6頁,第2図,第4図)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような構成においては、次に示すような問題点がある。
【0006】
すなわち、従来の構成で用いられている独立吸気管は、スワールを発生させるのに好適な構成にはなっているが、吸気管に設けられた曲がりなどのために、高負荷時に通気抵抗が大きく、ピストンが下降する際に生じる負圧で十分な空気量を吸入することができず、出力の低下に繋がるという問題がある。また、ピストン形状についても、キャビティを持たせているので必然的にピストンの肉厚増加、すなわち重量増加につながり、エンジンを高回転化して出力を向上させる場合に障害になってしまうという問題がある。さらに、独立吸気管のそれぞれにEGRガスを導入する構成となっているので、そのための配管や機構が複雑になり、コストおよび重量増加などに繋がるという問題がある。
【0007】
また、従来の構成で述べられている圧縮着火機関すなわちディーゼル機関には、黒煙とNOxの同時低減が困難で、触媒の装着も難しいという難点があり、黒煙の燃焼装置も高価なものになっている。また、ガソリン機関の場合には、全体として希薄混合気を用いて成層燃焼を行う場合、エミッション(排出ガス)の低減のため従来からの三元触媒を使用しても効果がなく、特にNOx(窒素酸化物)の浄化のためにNOx還元触媒を用いるのが一般的であるが、この触媒の使用法として、一定時間毎に空燃比を13程度に過濃(リッチ)化し、リーン運転時に吸着したNOxを還元する運転を行う必要がある。これをリッチスパイクと呼んでいるが、リッチスパイク中には成層燃焼が出来ないばかりか、NOx還元のために、エネルギーとしては無駄な燃料を消費しており、せっかく希薄混合気により燃費を向上しても、リッチスパイクにより相殺されてしまうので、実質の燃費向上率が低くなってしまうという問題点があった。またこのとき、現在の技術ではNOx還元触媒におけるNOxの浄化率は最高でも90%程度で、三元触媒を用いた場合の浄化率99%と比べ低く、希薄燃焼によるNOx生成量の低減を考慮したとしても、結果的にテールパイプすなわち排気管から排気されるNOx量の増加を招くといった問題点があった。
【0008】
本発明は以上の問題点を解決するためになされたものであり、ピストンを高回転実現のために好適な軽量とし、かつ、吸気通路の抵抗が少なく、高負荷時に十分な空気量を確保できる構成としながら、成層燃焼を行うことのできるシステムを提供することを第一の目的とする。また、排気浄化効率の高い三元触媒を有効に使用することにより、低コストでエミッションの悪化を抑制し、さらに、成層燃焼時にもリッチスパイクを行わないか、もしくは回数を極力少なくし、燃費の悪化を防ぐ成層燃焼システムを提供することを第二の目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は次のような手段を有する。
【0010】
まず、燃料を筒内に直接噴射できる内燃機関において、少なくとも2つに分割された独立吸気管と、その一方を閉塞することのできるスワール制御弁を備える。さらに、排気ガスを還流させるためのEGR(Exhaust Gas Recirculation)バルブを備え、閉塞された吸気管部分にEGR通路が開口するように構成する。そして、吸気弁が開いたとき、独立吸気管の一方から燃焼室に流入する気体は空気を主とし、独立吸気管の他方から流入する気体はEGRガスを主とするようにする。
【0011】
また、少なくとも1つの吸気弁について、開閉時の位相を、他の吸気弁と異ならせる、バルブタイミング可変機構を備える。
【0012】
ピストンの頂面は平坦面またはバルブリセスを備えた凹凸面として構成し、軽量化をはかる。さらに、排気通路内に三元触媒を備える。
【0013】
また、上記のように構成されたシリンダ内直接燃料噴射機関において、成層燃焼時には圧縮行程の後半に、均質運転時には吸気行程に燃料噴射を行うように、燃料噴射装置を制御する。
【0014】
以上のように構成したので、本発明は次のような作用を有する。
【0015】
エンジンの低負荷域ではスワール制御弁を閉じ、EGRバルブからのEGRガスを、閉塞されている独立吸気管に流入させておく。そして、吸気行程でEGRガスが流入している側の吸気弁を先に開き、EGRガスだけを燃焼室内に流入させる。そして、吸気行程の後半で、スワール制御弁によって閉塞されていない側の吸気弁を開き、燃焼用の空気を流入させる。EGRガスと燃焼用空気とを、時間差をつけて燃焼室内に流入させることにより、吸入空気とEGRガスを分離させたままにする。その後の圧縮行程において、吸入空気に向けて燃料を噴射する。このとき、混合気の空燃比は理論空燃比になるように燃料噴射量を制御する。このようにすれば、排出されるEGRガスも、理論空燃比で燃焼した排気ガスと同様の組成になる。こうして混合気の成層化をはかり、ポンピングロスや冷却損失の低減により燃費を向上しながら、ガス全体としての空燃比を、三元触媒が利用できる理論空燃比とし、NOx、HCを同時に浄化する。
【0016】
さらに、より高い負荷を必要とする場合には、スワール制御弁を開くことにより吸気抵抗を軽減して吸入空気量を増やし、かつ、燃料を吸気行程に噴射することにより十分な気化および空気との混合時間を確保し、均質燃焼を行い、必要な出力を確保する。
【0017】
【発明の実施の形態】
図1および図2に、本発明の第1実施例における構成図を、図1では上から見たもの、図2では水平方向から見たものについて示す。本実施例では主として多気筒エンジンを想定しているが、図では簡単のために1つのシリンダについて説明する。
【0018】
吸気管101にはスワール制御弁102が、2つある独立吸気管101a,101bのうち、101bを開閉可能となるように取り付けられている。
【0019】
インジェクタ122は、シリンダ123内に直接燃料を噴射するように取り付けられている。
【0020】
図の右側より吸入された空気は、エアクリーナ106を通り、エアフローメータ105で流量を計測し、電子制御スロットルチャンバ104で流量を調節した後、コレクタ103で各気筒に分配される。その後、前述した吸気管101aおよび101bを通り、吸気弁111aおよび111bが開いた際にシリンダ123に流入する。
【0021】
シリンダで燃焼したガスは、排気弁112,排気管110を通った後、三元触媒115によって浄化され、消音器(図示しない)を通って大気中に排気される。このとき、ガスの一部をEGR制御弁108で流量を調節しながら、EGR通路109を使用して吸気管101に還流させる。EGR通路109は、EGR側独立吸気管101b内に開口するようにする。
【0022】
インジェクタ122の燃料噴射時期,点火プラグ113の点火時期,スワール制御弁102,電子制御スロットルチャンバ104,EGR制御弁108のそれぞれの開度は、エアフローメータ105で計測された吸入空気量や、アクセル開度,エンジン水温,エンジン回転数,車速(いずれもその入力を行うセンサを図示していない)などの情報を元に、コンピュータ201によって最適な値および時期に設定および制御される。
【0023】
成層燃焼を行うときには、まずスワール制御弁102を閉じてEGR側独立吸気管101bを閉塞し、EGR通路109,EGR制御弁108を用いてEGRガスをEGR側独立吸気管101bに流入させ、充填しておく。
【0024】
エンジンの排気行程の後半、または吸気行程でEGR側吸気弁111bを先に開く。ピストン107によって発生した負圧により、EGR側独立吸気管101bからEGRガスが流入し、シリンダ123内に、図の上側からみて時計周りにスワール121を形成しながら充填される。EGRガスと吸入空気の混合がなるべく少なくなるように、EGR側吸気弁111bのリフト開始および終了クランク角の変化量は20度CA(※CAはクランク角の略)以上とすることが望ましい。このようにすると従来のエンジンでは、排気行程の後半で排気弁112とEGR側吸気弁111bが同時に開く、いわゆるオーバーラップの期間が長くなり、吸気管への吹き戻しによってEGRガスと空気が予期せず混ざったり、吸気の円滑な流れが阻害され、燃焼が不安定になったりする問題があったが、本発明では、EGR側独立吸気管101bはスワール制御弁102によって閉塞されており、EGR側独立吸気管101b内にはもともとEGRガスが充填されているので、排気弁112が開いていても問題はない。
【0025】
次に、吸気行程の後半で吸気弁111aを開くと、独立吸気管101aおよび吸気弁111aを通って空気がシリンダ123内に流入し、図の上側から見て反時計周りのスワール120を形成する。スワール120と121は、互いに逆方向の流れであるが、吸気弁111aと111bの開く位相が異なるため、EGRガスのスワール120がシリンダ123の下側に、吸入空気のスワール121がシリンダ123の上側に位置し、エンジンの吸気〜圧縮行程の短時間であれば混合することなく、成層化して存在することができる。
【0026】
続いて圧縮行程では、吸気弁111aおよび111bが閉じ、ピストン107が上昇してシリンダ123内の空気が圧縮される。ここでインジェクタ122から燃料を噴射する。このとき、図2に示したように、噴霧125が吸入空気のスワール121に向かい、かつ、シリンダ壁や燃焼室の壁に衝突しないよう、燃料の圧力等を調節して噴霧貫通力すなわちペネトレーションを最適に設定しておく。さらにここで、燃料噴霧125は、図の上方に向かう成分が下方に向かう成分よりも大きくなる、いわゆる偏向噴霧にしておく。このように構成することによって、スワール121と噴霧125との混合が効率よく行われる。また、吸入空気と燃料の混合比、すなわち空燃比は、三元触媒115によって効率的に排気浄化が可能な理論空燃比近くになるように調節する。圧縮行程の後半、すなわち最適な点火時期になったとき、コンピュータ201からの信号によって点火プラグ113に点火し、燃焼を行わせる。
【0027】
このようにして点火プラグの近傍に良好な燃焼ができる理論空燃比の混合気を形成しながら、同時に全体としての吸気量を増やし、ポンピングロスや冷却損失を減らして燃費を向上させる。従来技術のように希薄混合気で運転しないので、リーンNOx触媒を使用する必要がなく、リッチスパイクによる燃費の悪化や、NOxの除去率が低く排気浄化の効果が小さいといった問題もない。また、リーンNOx触媒と三元触媒を両方使用する必要がないため、コストダウンも図ることができる。
【0028】
図3に、本発明の第1実施例における、吸排気弁のリフトカーブを示す。吸気弁111aと、2つの排気弁112の作動は変えずに、成層燃焼時のみEGR側吸気弁111bの作動を早める。EGRガスと吸入空気の混合がなるべく少なくなるように、リフト開始および終了クランク角の変化量は20度CA(※CAはクランク角の略)以上とすることが望ましい。このようにすると、排気行程の後半で排気弁112とEGR側吸気弁111bが同時に開く、いわゆるオーバーラップの期間が長くなるが、独立吸気管101b内は閉管で、EGRガスが充填されているため、排気ガスの吹き返しなどの問題もない。吸気弁111aが全開のリフト量になったとき、EGR側吸気弁111bは閉じ始めており、図1および図2で説明したような吸入空気の動作を得ることができる。
【0029】
図4および図5に、第1の実施例においてエンジン負荷が小さい場合の動作を示す。
【0030】
まず、コンピュータ201からの信号により、電子制御スロットルチャンバ
104の開度が小さく設定される。一方、EGR制御弁108の開度は大きく設定される。これにより、エンジンの吸気行程において吸気弁111aおよび111bが開いたときにシリンダ123内に吸入されるガスは、独立吸気管101aを通った吸入空気よりも、EGR側独立吸気管101bを通ったEGRガスのほうが多くなり、スワール121よりもスワール120の量が多くなる。この場合でも吸入空気のスワール121は、最後にシリンダ123に吸入され、シリンダ123の上部、すなわちプラグ113の近傍にあり、また、噴霧125は図5の上方に向かう成分が大きい偏向噴霧であるので、噴霧125は主として吸入空気のスワール121と混合し、プラグ113周りに理論空燃比の混合気を形成することができる。それ以外の大部分が、EGRガスからなるスワール120であり、シリンダ123の下方を流れ、シリンダ123内全体としての空燃比を理論空燃比近傍に保ちながら、吸気量を増やしてポンピングロスや冷却損失を低減させることができる。
【0031】
図6および図7に、第1の実施例においてエンジン負荷が中程度の場合の動作を示す。
【0032】
まず、コンピュータ201からの信号により、電子制御スロットルチャンバ
104の開度は、図4および図5で示した場合よりもやや大きく設定される。これに対し、EGR制御弁108の開度はやや小さく設定される。これにより、エンジンの吸気行程において吸気弁111aおよび111bが開いたときにシリンダ123内に吸入されるガスは、独立吸気管101aを通った吸入空気のほうが、EGR側独立吸気管101bを通ったEGRガスよりも多くなり、EGRガスのスワール120よりも吸入空気のスワール121の量が多くなる。この場合でも図4および図5で述べた場合と同様に、吸入空気のスワール121は、最後にシリンダ123に吸入され、シリンダ123の上部、すなわちプラグ113の近傍にあり、また、噴霧125は図5の上方に向かう成分が大きい偏向噴霧であるので、噴霧125は主として吸入空気のスワール121と混合し、プラグ113周りに理論空燃比の混合気を形成することができる。それ以外の大部分が、EGRガスからなるスワール120であり、シリンダ123の下方を流れ、シリンダ
123内全体としての空燃比を理論空燃比近傍に保ちながら、吸気量を増やしてポンピングロスや冷却損失を低減させることができる。
【0033】
図4から図7において、反時計方向に回転する吸入空気または混合気のスワール121と、時計方向に回転するEGRガスのスワール120の割合は運転状態によって変わるが、吸入空気量を基準すなわち100%としたとき、例えば10%から200%程度まで変化させて設定することができる。
【0034】
図8および図9に、第1の実施例においてエンジン負荷が大きい場合の動作を示す。
【0035】
まず、コンピュータ201からの信号により、スワール制御弁102を開くように設定する。電子制御スロットルチャンバ104の開度は、図3で示した場合よりさらに大きく(全開に近く)設定される。これにより、吸気管101の吸気抵抗が低減するので、エンジンの吸気行程において吸気弁111aおよび111bが開いたとき、独立吸気管101aおよびEGR側独立吸気管101bの両方から、大量の新気を吸入させることができる。
【0036】
さらに、EGR制御弁108の開度は小さく設定される。また、EGR側吸気弁111bのリフトカーブは、吸気弁111aのリフトカーブと等しくし、吸気弁111aと111bが同時に開閉するようにする。
【0037】
またこのとき、エンジンの吸気行程でコンピュータ201からインジェクタ
122に信号を送り、燃料噴射を行う。これにより、噴霧の気化時間および拡散時間を長くして吸入空気との混合を促進し、混合気の均質度を高めることができる。吸入空気量が大きいので、燃料噴射量を大きくすれば多量の混合気形成を行うことができ、大きなトルクを得ることができる。
【0038】
図10に、図4〜図9に示した動作の制御フローチャートを示す。
【0039】
まず、コンピュータ201はエンジン回転数,アクセル開度,水温,吸気圧力,排気温度,ギヤ位置をそれぞれのセンサから読み込み、これを元にして目標トルクを演算する。
【0040】
次に、このトルクを用いてエンジン回転数−目標トルクの運転状態マップを参照し、EGR成層運転を行う領域か、均質運転を行う領域なのかを調べた後、適切な燃料噴射量,点火時期を決定する。
【0041】
次に、EGR成層運転を行う場合には、スワール制御弁102を閉じ、燃料噴射時期をエンジンの圧縮行程に設定する。そして、EGR側吸気弁111bのリフト開始クランク角を早く設定する。
【0042】
一方、EGR成層運転を行わない、つまり均質運転を行う場合には、スワール制御弁102を開き、燃料噴射時期をエンジンの吸気行程に設定する。EGR側吸気弁111bのリフト開始は吸気弁111aと等しくする。
【0043】
次に、エンジンが排気〜吸気行程に入ると吸気弁111aおよび111bが上記で決められたように動作する。すなわち、成層運転を行う場合には、吸気弁
111bが先に開いてEGRガスがシリンダ123に流入し、スワール120を形成する。次に吸入空気のスワール121が形成される。ここで吸入空気のスワール121を指向して圧縮行程で燃料噴射を行う。これにより、プラグ113周りに混合気を形成しながら、周囲をEGRガスで成層化し、燃焼を行うことができる。
【0044】
一方、均質運転を行う場合には、スワール制御弁102が開き、吸気弁111aと111bが同時に開いて、独立吸気管101aとEGR側独立吸気管101bの両方から空気が流入する。通路断面積が大きく抵抗が少ないため、多くの空気が流入する。これに対して吸気行程で燃料噴射を行うことにより、気化時間を長くとることができ、混合気の均質性を高めることができる。
【0045】
次に、決められた点火時期に従い点火を行う。ここで燃焼が行われて出力が取り出され、続いて排気行程で燃焼ガスが排気管110に排出される。以上により1回サイクルが終了し、これを繰り返すことによりエンジンの運転が行われる。
【0046】
図11に本発明の第2実施例における吸排気弁のリフトカーブを示す。第2実施例の基本的な構成は第1実施例と同じであるので説明は省略する。吸気弁111aおよび111bの可変機構について、第1実施例のようにEGR側吸気弁111bの作動開始を早めるだけでなく、吸気弁111aのリフト量を少なくする機構を付加する。このように構成すると、シリンダ123に流入するEGRガスのスワール120の量を増やしながら、吸入空気の量を減らすことができ、吸入空気の量に比べてより多くのEGRガスを導入することができ、低負荷域でのポンピングロスを減らすことができる。
【0047】
図12に本発明の第3実施例における吸排気弁のリフトカーブを示す。第3実施例の基本的な構成は第1実施例と同じであるので説明は省略する。吸気弁111aおよび111bの作動可変機構について、バルブの作用角をそれぞれ独立して変える機構を備える。EGR成層燃焼を行う場合、吸気弁111aおよび111bの作用角を小さくし、EGR側吸気弁111bの作動を早め、同時に吸入空気側吸気弁111aの作動を遅くする。このように構成することにより、シリンダ
123にEGRガスのスワール120が流入するタイミングと、吸入空気のスワール121が流入するタイミングをずらすことができ、EGRガスと混合気の良好な成層化をはかることができ、多くのEGRガスを導入することができるので、低負荷域でのポンピングロスを減らすことができる。
【0048】
図13に本発明の第4実施例における吸排気弁のリフトカーブを示す。第4実施例の基本的な構成は第1実施例と同じであるので説明は省略する。排気弁112については、開弁期間をずらす作動可変機構を備え、また吸気弁111aについてはバルブの作用角を変える機構を備える。本実施例ではEGR側吸気弁には作動可変機構を備えていなくてもよい。EGR成層燃焼を行う場合、排気弁112の閉弁時期をクランク角で20°以上遅らせる。さらに、吸気弁111aの作用角を20°以上小さくし、同時にEGR側吸気弁111bに比べて20°以上開弁を遅くする。このように構成することにより、シリンダ123に排気弁112から上死点を過ぎて戻ってきた燃焼ガスが残留し、その後EGR側吸気弁111bからのEGRガスがスワール120を生成し、最後に吸入空気が吸気弁111aを通ってスワール121として流入する。排気弁112からもEGRガスが導入できるので、大量のEGRの導入が可能である。さらに、EGR側吸気弁111bのタイミングを変更しなくてよいので、吸気側と排気側にそれぞれ1種類のバルブ作動可変機構を備えていれば良く、第2実施例または第3実施例に比べ構造が簡単になる。
【0049】
図14に、本発明における回転数−トルクマップ上の成層および均質運転領域の図を示す。同一のエンジン回転数においては、負荷が小さいときには相対的に多量のEGRガスを導入し、負荷が大きくなるとEGRガスは減少する。さらに負荷が大きくなると均質燃焼に切替える。
【0050】
図15に、従来技術における回転数−トルクマップ上の成層および均質運転領域を、図16に、従来技術と本発明の、負荷による燃料消費量を比較したものを示す。
【0051】
従来技術は、主として空気による成層化を行っているが、本発明ではEGRガスを用いているので、エンジンの膨張行程においてシリンダ内ガスの比熱比が増加し、エンジンの効率が向上する。また、EGRガスと可燃混合気との混合が最小限に抑えられるので、混合気の燃焼悪化を防ぐことができ、燃焼効率が向上する。このため、同一のエンジン回転数および負荷で比較した場合には、燃料消費量を少なくすることができる。
【0052】
さらに、従来技術ではリーンNOx触媒の活性を維持するために、一定間隔でリッチスパイクをかける必要があり、この間の燃料消費が悪化する。このため、総合的な燃料消費量はさらに本発明のほうが小さくできる。
【0053】
なお、以上の実施例ではEGR成層による理論混合気燃焼の基本概念について述べたものであり、本発明の範囲は必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば吸気通路の本数、あるいは吸気通路の形状が変わった場合でも、それらの通路を部分的に閉塞する吸気制御弁またはスワール制御弁を持ち、閉塞部分にEGRガスを導入し、かつ、バルブタイミングを可変することによりEGRガスと可燃性混合気の成層化をはかる構成であればあきらかに本発明の範囲に含まれる。
【0054】
さらに、本実施例は自然吸気エンジンについて記載しているが、EGRガスを用いた成層燃焼を行うことができれば、過給機付きエンジンに関しても同様の動作を行わせることができる。この場合には、吸入空気の圧力が大気圧よりも高まるので、EGRガスを入れても吸入空気量を多くすることができ、自然吸気の場合よりも成層運転範囲を広くすることができる。
【0055】
また、バルブ作動可変機構についても計4通りの実施例を示したが、これらの2つ以上を組み合わせて使用しても同様の効果が得られ、これらも明らかに本発明の範囲に含まれる。
【0056】
【発明の効果】
本発明の効果を列挙すると次のようになる。
【0057】
まず、EGRガスを用いたため、成層燃焼を行いポンピングロスを低減して効率向上を図りながら空燃比を常に理論空燃比近傍に保つことができ、三元触媒を有効に働かせて排気浄化を図れるので、従来のようなリーンNOx触媒を使用する必要がなく、リッチスパイクによる燃費の悪化が防止できるという効果がある。また、NOxの除去率が高く、排気浄化の効果が大きいという効果がある。さらに、リーンNOx触媒と三元触媒を両方使用する必要がないため、コストダウンも図ることができるという効果がある。
【0058】
また、混合気とEGRガスの成層化は吸気ポートやピストンキャビティの形状などによっていないので、高回転時や高負荷時の空気流動が妨げられることがなく、高出力で、かつ、低負荷時にポンピングロスが少なく燃費の良いエンジンにできるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例をシリンダ上側から見た構成図。
【図2】本発明の第1実施例をシリンダ横側から見た構成図。
【図3】第1実施例における吸排気弁のリフトカーブ。
【図4】第1実施例における、低負荷時の作動状態を上から見た図。
【図5】第1実施例における、低負荷時の作動状態を横から見た図。
【図6】第1実施例における、中負荷時の作動状態を上から見た図。
【図7】第1実施例における、中負荷時の作動状態を横から見た図。
【図8】第1実施例における、高負荷時の作動状態を上から見た図。
【図9】第1実施例における、高負荷時の作動状態を横から見た図。
【図10】第1実施例における作動フローチャート。
【図11】本発明の第2実施例における吸排気弁のリフトカーブ。
【図12】本発明の第3実施例における吸排気弁のリフトカーブ。
【図13】本発明の第4実施例における吸排気弁のリフトカーブ。
【図14】本発明における回転−トルクマップ上の成層および均質運転領域の図。
【図15】従来技術における回転−トルクマップ上の成層および均質運転領域の図。
【図16】本発明と従来技術との燃料消費量の比較図。
【符号の説明】
101…吸気管、101a…独立吸気管、101b…EGR側独立吸気管、
102…スワール制御弁、103…コレクタ、104…電子制御スロットルチャンバ、105…エアフローメータ、106…エアクリーナ、107…ピストン、108…EGR制御弁、109…EGR通路、110…排気管、111a…吸入空気側の吸気弁、111b…EGR側の吸気弁、112…排気弁、113…点火プラグ、115…三元触媒、120…EGRガスによるスワール、121…吸入空気によるスワール、122…インジェクタ、123…シリンダ、125…燃料噴霧、201…コンピュータ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an internal combustion engine that injects fuel directly into a cylinder and burns mainly by ignition.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known an internal combustion engine that directly injects fuel into a cylinder, in which EGR gas (exhaust gas recirculation gas) is introduced to reduce harmful components in exhaust gas. Further, at that time, there is known one in which the mixture ratio of the EGR gas is changed depending on the location in order to effectively maintain the combustion performance. As an example of these, for example, there is a system as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-280140.
[0003]
This system mainly relates to a compression ignition engine, in which EGR gas passages each having a control valve are connected to two intake ports opened to one cylinder, and the shape of the intake port and the opening period of the intake valve are shifted. Thus, a layer with a large amount of EGR gas and a layer with a small amount of EGR gas are formed in the cylinder. Then, the intake air stratified in the longitudinal direction of the cylinder becomes stratified in the axial direction in the piston cavity by the squish flow in the compression stroke, and by injecting fuel there, the NOx and soot (black smoke) are effectively formed. It is said that simultaneous reduction can be achieved.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2001-280140 A (Pages 5-6, FIGS. 2, 4)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above configuration has the following problems.
[0006]
That is, the independent intake pipe used in the conventional configuration has a configuration suitable for generating swirl, but due to a bend provided in the intake pipe, the ventilation resistance at a high load is large. However, there is a problem that a sufficient amount of air cannot be sucked by the negative pressure generated when the piston descends, leading to a decrease in output. In addition, the shape of the piston has a cavity, so that the thickness of the piston is inevitably increased, that is, the weight is increased, and there is a problem that it becomes an obstacle when the engine speed is increased to improve the output. . Further, since the configuration is such that the EGR gas is introduced into each of the independent intake pipes, there is a problem that the piping and mechanism for that are complicated, leading to an increase in cost and weight.
[0007]
In addition, the compression ignition engine described in the conventional configuration, that is, the diesel engine, has the disadvantage that it is difficult to simultaneously reduce black smoke and NOx, and it is difficult to install a catalyst. Has become. In the case of a gasoline engine, when stratified combustion is performed using a lean mixture as a whole, the use of a conventional three-way catalyst for reducing emissions (exhaust gas) has no effect. In particular, NOx ( It is common to use a NOx reduction catalyst to purify nitrogen oxides. The method of using this catalyst is to enrich the air-fuel ratio to about 13 at regular intervals and to adsorb it during lean operation. It is necessary to perform an operation for reducing the NOx that has been performed. Although this is called a rich spike, not only stratified combustion cannot be performed during the rich spike, but also wasteful fuel is consumed as energy for NOx reduction. However, there is a problem that the actual fuel efficiency improvement rate becomes low because the fuel consumption is offset by the rich spike. At this time, in the present technology, the purification rate of NOx in the NOx reduction catalyst is about 90% at the maximum, which is lower than the purification rate of 99% when a three-way catalyst is used. Even so, there is a problem that the amount of NOx exhausted from the tail pipe, that is, the exhaust pipe is increased as a result.
[0008]
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is possible to secure a sufficient amount of air at a high load by reducing the weight of a piston suitable for realizing a high rotation and reducing the resistance of an intake passage. A first object is to provide a system capable of performing stratified combustion while having a configuration. In addition, by effectively using a three-way catalyst with high exhaust purification efficiency, the deterioration of emissions is suppressed at low cost.Furthermore, rich spikes are not performed during stratified combustion or the number of times A second object is to provide a stratified combustion system that prevents deterioration.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention has the following means.
[0010]
First, an internal combustion engine capable of directly injecting fuel into a cylinder is provided with an independent intake pipe divided into at least two parts and a swirl control valve capable of closing one of them. Furthermore, an EGR (Exhaust Gas Recirculation) valve for recirculating exhaust gas is provided, and the EGR passage is opened to a closed intake pipe portion. When the intake valve is opened, the gas flowing into the combustion chamber from one of the independent intake pipes is mainly air, and the gas flowing from the other of the independent intake pipes is mainly EGR gas.
[0011]
In addition, a variable valve timing mechanism is provided for making at least one intake valve open and close at a different phase from the other intake valves.
[0012]
The top surface of the piston is formed as a flat surface or an uneven surface provided with a valve recess to reduce the weight. Further, a three-way catalyst is provided in the exhaust passage.
[0013]
Further, in the in-cylinder direct fuel injection engine configured as described above, the fuel injection device is controlled such that fuel injection is performed during the latter half of the compression stroke during stratified charge combustion and during the intake stroke during homogeneous operation.
[0014]
With the above configuration, the present invention has the following operation.
[0015]
In a low engine load range, the swirl control valve is closed, and EGR gas from the EGR valve is allowed to flow into the closed independent intake pipe. Then, in the intake stroke, the intake valve on the side where the EGR gas is flowing is opened first, and only the EGR gas flows into the combustion chamber. Then, in the latter half of the intake stroke, the intake valve not closed by the swirl control valve is opened to allow combustion air to flow. By causing the EGR gas and the combustion air to flow into the combustion chamber with a time difference, the intake air and the EGR gas are kept separated. In the subsequent compression stroke, fuel is injected toward the intake air. At this time, the fuel injection amount is controlled so that the air-fuel ratio of the mixture becomes the stoichiometric air-fuel ratio. In this way, the exhausted EGR gas has the same composition as the exhaust gas burned at the stoichiometric air-fuel ratio. In this way, stratification of the air-fuel mixture is performed, and while improving fuel efficiency by reducing pumping loss and cooling loss, the air-fuel ratio of the entire gas is set to the stoichiometric air-fuel ratio that can be used by the three-way catalyst, and NOx and HC are simultaneously purified.
[0016]
Furthermore, when a higher load is required, the intake resistance is increased by opening the swirl control valve to increase the amount of intake air, and sufficient fuel is injected and vaporized by injecting fuel into the intake stroke. Ensure mixing time, perform homogeneous combustion, and secure required output.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
1 and 2 show the configuration of the first embodiment of the present invention as viewed from above in FIG. 1 and viewed from the horizontal direction in FIG. In this embodiment, a multi-cylinder engine is mainly assumed, but one cylinder is described in the figure for simplicity.
[0018]
A
[0019]
The
[0020]
The air sucked in from the right side of the figure passes through an
[0021]
The gas burned in the cylinder passes through an
[0022]
The fuel injection timing of the
[0023]
When performing stratified combustion, first, the
[0024]
The EGR
[0025]
Next, when the
[0026]
Subsequently, in the compression stroke, the
[0027]
In this way, while forming a mixture having a stoichiometric air-fuel ratio that enables good combustion in the vicinity of the ignition plug, the overall intake amount is increased, and pumping loss and cooling loss are reduced, thereby improving fuel efficiency. Since the engine is not operated with a lean air-fuel mixture as in the prior art, there is no need to use a lean NOx catalyst, and there are no problems such as deterioration of fuel efficiency due to rich spikes or a low NOx removal rate and a small exhaust gas purification effect. Further, since it is not necessary to use both the lean NOx catalyst and the three-way catalyst, the cost can be reduced.
[0028]
FIG. 3 shows a lift curve of the intake / exhaust valve according to the first embodiment of the present invention. The operation of the EGR-
[0029]
4 and 5 show the operation of the first embodiment when the engine load is small.
[0030]
First, according to a signal from the
The opening of 104 is set small. On the other hand, the opening of the
[0031]
6 and 7 show the operation of the first embodiment when the engine load is medium.
[0032]
First, according to a signal from the
The opening of 104 is set slightly larger than the case shown in FIGS. On the other hand, the opening of the
The pumping loss and the cooling loss can be reduced by increasing the intake air amount while keeping the air-fuel ratio of the whole 123 near the stoichiometric air-fuel ratio.
[0033]
4 to 7, the ratio of the
[0034]
8 and 9 show the operation of the first embodiment when the engine load is large.
[0035]
First, the
[0036]
Further, the opening of the
[0037]
Also, at this time, the injector is sent from the
A signal is sent to 122 to perform fuel injection. Thereby, the vaporization time and the diffusion time of the spray are prolonged to promote mixing with the intake air, and the homogeneity of the air-fuel mixture can be increased. Since the intake air amount is large, a large amount of air-fuel mixture can be formed by increasing the fuel injection amount, and a large torque can be obtained.
[0038]
FIG. 10 shows a control flowchart of the operation shown in FIGS.
[0039]
First, the
[0040]
Next, by using this torque to refer to an operation state map of engine speed-target torque and to determine whether it is a region where the EGR stratified operation is performed or a region where the homogeneous operation is performed, an appropriate fuel injection amount and ignition timing To determine.
[0041]
Next, when performing the EGR stratified operation, the
[0042]
On the other hand, when the EGR stratified operation is not performed, that is, when the homogeneous operation is performed, the
[0043]
Next, when the engine enters the exhaust-intake stroke, the
111b opens first and the EGR gas flows into the
[0044]
On the other hand, when performing the homogeneous operation, the
[0045]
Next, ignition is performed according to the determined ignition timing. Here, the combustion is performed and the output is taken out. Subsequently, the combustion gas is discharged to the
[0046]
FIG. 11 shows a lift curve of the intake / exhaust valve according to the second embodiment of the present invention. Since the basic configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment, the description is omitted. Regarding the variable mechanism of the
[0047]
FIG. 12 shows a lift curve of the intake / exhaust valve according to the third embodiment of the present invention. The basic configuration of the third embodiment is the same as that of the first embodiment, and a description thereof will be omitted. The variable operation mechanism of the
The timing at which the
[0048]
FIG. 13 shows a lift curve of the intake / exhaust valve according to the fourth embodiment of the present invention. The basic configuration of the fourth embodiment is the same as that of the first embodiment, and a description thereof will be omitted. The
[0049]
FIG. 14 shows a diagram of a stratified and homogeneous operation region on a rotation speed-torque map according to the present invention. At the same engine speed, a relatively large amount of EGR gas is introduced when the load is small, and the EGR gas decreases as the load increases. When the load further increases, the mode is switched to homogeneous combustion.
[0050]
FIG. 15 shows a stratified and homogeneous operation region on a rotational speed-torque map according to the prior art, and FIG. 16 shows a comparison of fuel consumption by load between the prior art and the present invention.
[0051]
In the prior art, stratification is mainly performed by air. However, since EGR gas is used in the present invention, the specific heat ratio of the gas in the cylinder increases during the expansion stroke of the engine, and the efficiency of the engine improves. Further, since the mixture of the EGR gas and the combustible mixture is minimized, deterioration of the combustion of the mixture can be prevented, and the combustion efficiency is improved. For this reason, when compared at the same engine speed and load, the fuel consumption can be reduced.
[0052]
Furthermore, in the prior art, in order to maintain the activity of the lean NOx catalyst, it is necessary to apply a rich spike at regular intervals, and the fuel consumption during this time deteriorates. Thus, the overall fuel consumption can be further reduced in the present invention.
[0053]
In the above embodiments, the basic concept of the stoichiometric mixture combustion by the EGR stratification is described, and the scope of the present invention is not necessarily limited to this. For example, the number of intake passages or the shape of the intake passages Even if the air flow changes, an intake control valve or a swirl control valve that partially blocks those passages is introduced, and EGR gas is introduced into the blocked portion, and the flammable mixture is mixed with the EGR gas by changing the valve timing. Any configuration that stratifies is obviously included in the scope of the present invention.
[0054]
Furthermore, although the present embodiment describes a naturally aspirated engine, if stratified charge combustion using EGR gas can be performed, the same operation can be performed for a supercharged engine. In this case, since the pressure of the intake air is higher than the atmospheric pressure, the intake air amount can be increased even if the EGR gas is supplied, and the stratified operation range can be made wider than in the case of natural intake.
[0055]
In addition, although a total of four embodiments are shown for the variable valve operation mechanism, a similar effect can be obtained by using a combination of two or more of them, and these are clearly included in the scope of the present invention.
[0056]
【The invention's effect】
The effects of the present invention are listed as follows.
[0057]
First, since EGR gas is used, stratified charge combustion can be performed to reduce the pumping loss and improve efficiency, while keeping the air-fuel ratio always close to the stoichiometric air-fuel ratio. In addition, there is no need to use a lean NOx catalyst as in the related art, and there is an effect that deterioration of fuel efficiency due to rich spikes can be prevented. Further, there is an effect that the NOx removal rate is high and the effect of exhaust gas purification is large. Further, since it is not necessary to use both the lean NOx catalyst and the three-way catalyst, there is an effect that the cost can be reduced.
[0058]
Also, stratification of the mixture and EGR gas does not depend on the shape of the intake port or piston cavity, so that air flow during high rotation or high load is not hindered, and pumping at high output and low load is performed. This has the effect of producing an engine with low loss and good fuel economy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment of the present invention as viewed from above a cylinder.
FIG. 2 is a configuration diagram of the first embodiment of the present invention as viewed from the side of the cylinder.
FIG. 3 is a lift curve of an intake / exhaust valve according to the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing an operation state at a low load in the first embodiment when viewed from above.
FIG. 5 is a diagram of an operation state at a low load as viewed from the side in the first embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing the operation state at the time of a medium load in the first embodiment as viewed from above.
FIG. 7 is a side view of the operating state of the first embodiment under a medium load.
FIG. 8 is a view of the operation state under a high load in the first embodiment, as viewed from above.
FIG. 9 is a diagram illustrating an operation state under a high load as viewed from the side in the first embodiment.
FIG. 10 is an operation flowchart in the first embodiment.
FIG. 11 is a lift curve of an intake / exhaust valve according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a lift curve of an intake / exhaust valve according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a lift curve of an intake / exhaust valve according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a diagram of a stratified and homogeneous operation region on a rotation-torque map according to the present invention.
FIG. 15 is a diagram of a stratified and homogeneous operation region on a rotation-torque map according to the related art.
FIG. 16 is a comparison diagram of fuel consumption between the present invention and the prior art.
[Explanation of symbols]
101: intake pipe, 101a: independent intake pipe, 101b: EGR side independent intake pipe,
102: swirl control valve, 103: collector, 104: electronic control throttle chamber, 105: air flow meter, 106: air cleaner, 107: piston, 108: EGR control valve, 109: EGR passage, 110: exhaust pipe, 111a: intake air Side intake valve, 111b ... EGR side intake valve, 112 ... exhaust valve, 113 ... spark plug, 115 ... three-way catalyst, 120 ... swirl by EGR gas, 121 ... swirl by intake air, 122 ... injector, 123 ... cylinder , 125 ... fuel spray, 201 ... computer.
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