JP2004263641A

JP2004263641A - 直噴火花点火式内燃機関

Info

Publication number: JP2004263641A
Application number: JP2003055976A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyasu Akagi; 三泰赤木
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-03-03
Filing date: 2003-03-03
Publication date: 2004-09-24
Anticipated expiration: 2023-03-03
Also published as: JP4192633B2

Abstract

【課題】燃焼室１の側部に配置される燃料噴射弁７から、２つの吸気弁５Ａ、５Ｂの間を経由し燃焼室１中心部側へ燃料を噴射する場合、吸気行程噴射時に吸気弁５Ａ、５Ｂと干渉する燃料噴霧を減らして、未燃燃料の排出量を低減する。
【解決手段】吸気行程にて燃料噴射を行う均質運転モードで、かつ所定の低回転・低負荷領域の時に、吸気弁５Ａ、５Ｂのリフト量を減少させる。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直噴火花点火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、直噴火花点火式内燃機関では、特許文献１に示されるように、燃焼室の側部に配置される燃料噴射弁から２つの吸気弁の間を経由し燃焼室中心部側へ燃料を噴射している。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２９４２０８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧縮行程にて燃料噴射を行う成層運転モードに対し、吸気行程にて燃料噴射を行う均質運転モードでは、吸気弁がリフトしているため、噴射された燃料の一部が吸気弁と干渉することで、筒内での混合気形成を阻害する結果、筒内に液状燃料が多く存在するようになり、機関から排出される未燃燃料（ＨＣ）が多くなるという問題点があった。
【０００５】
特に、筒内に直接燃料を噴射する直噴火花点火式内燃機関の場合、吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射式内燃機関のように、燃料を噴射して点火が行われるまでの混合気形成時間を長くとることができないため、噴射した燃料の吸気弁との干渉は未燃燃料を低減する上で、大きな問題であった。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、吸気行程噴射時に吸気弁と干渉する燃料噴霧を減らして、未燃燃料の排出量を低減することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、吸気弁のリフト量を可変制御可能な可変動弁装置を用い、吸気行程にて燃料噴射を行う運転モードの時に、吸気弁のリフト量を減少させる構成とする。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、吸気行程噴射時に吸気弁のリフト量を減少させることで、燃料噴霧と吸気弁との干渉を抑制し、未燃燃料の排出量を低減可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の実施形態を示す内燃機関（吸気弁高リフト時）の要部断面図、図２は内燃機関の平面レイアウト図、図３は吸気弁低リフト時の要部断面図である。
【００１０】
内燃機関の燃焼室１には、その上面（シリンダヘッド）側の略中央部に点火プラグ２が配置されている。そして、点火プラグ２を囲むように、２本ずつ吸気ポート３Ａ、３Ｂ及び排気ポート４Ａ、４Ｂが開口し、それぞれに吸気弁５Ａ、５Ｂ及び排気弁６Ａ、６Ｂが装着されている。
【００１１】
燃料噴射弁７は、吸気ポート３Ａ、３Ｂ間に設置され、燃焼室１の吸気弁５Ａ、５Ｂ側の側部にシリンダ中心軸Ｃに対して直角な面に対して所定角度θ傾いて斜め下向きに配置され、２つの吸気弁５Ａ、５Ｂの間を経由し燃焼室１中心部側へ燃料を噴射するようになっている。
【００１２】
また、吸気ポート３Ａ、３Ｂは、それぞれ、仕切板８により上下の分割ポートに分割されており、下側の分割ポートの上流側に、これを閉止可能で、閉止時に筒内流動を強化可能なエアモーションバルブ９が設けられている。本実施形態では、特にタンブル流動を強化するようになっているので、エアモーションバルブ９を、タンブル制御弁（ＴＣＶ）９と称する。
【００１３】
この内燃機関での運転モードには、成層運転モードと均質運転モードとがあり、成層運転モードでは、圧縮行程にて燃料噴射を行い、点火プラグ２の周囲に成層化された混合気塊を形成することで、全体としては極めてリーンな空燃比で成層燃焼を行わせる。これに対し、均質運転モードでは、吸気行程にて燃料噴射を行い、燃焼室１の全体に均質な混合気を形成することで、ストイキ又はリーン空燃比での均質燃焼を行わせる。
【００１４】
ここで、圧縮行程噴射の場合は、吸気弁５Ａ、５Ｂは閉じているため、燃料噴霧と吸気弁５Ａ、５Ｂとの干渉は問題とならないが、吸気行程噴射の場合は、吸気弁５Ａ、５Ｂがリフトしているため、燃料噴霧と吸気弁５Ａ、５Ｂとの干渉が問題となる。図１及び図２には燃料噴霧と吸気弁との干渉部分を黒塗りで示している。
【００１５】
そこで、本発明では、吸気行程にて燃料噴射を行う運転モード（均質運転モード）の時に、図３に示すように、吸気弁５Ａ、５Ｂのリフト量を減少させることにより、燃料噴霧と吸気弁５Ａ、５Ｂとの干渉を防止、あるいは少なくとも減少する。
【００１６】
このため、少なくとも吸気弁５Ａ、５Ｂは、可変動弁装置（図４中の１０）により、リフト量を可変制御可能としてある。この場合の可変動弁装置としては、カム駆動式で油圧によりカムを切換えることでリフト量を変化させるものや、電磁駆動式で任意のリフト特性を得ることができるものを用いることができる。
【００１７】
図４は制御系の構成図であり、点火プラグ２、燃料噴射弁７、タンブル制御弁９などと共に、可変動弁装置１０の作動を制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１１に、エンジン回転数Ｎを検出可能な回転数センサ１２、負荷（例えばアクセル開度）Ｌを検出可能な負荷センサ１３、エンジン冷却水温Ｔｗを検出可能な水温センサ１４の信号を入力してある。
【００１８】
ここにおいて、ＥＣＵ１１では、各種センサにより検出される運転条件に応じて可変動弁装置１０を制御してリフト量を制御する。
図５は第１実施形態での制御フローであり、均質運転モードにてリフト量制御のために実行される。尚、本実施形態はタンブル制御弁（ＴＣＶ）９を有していないものとする。
【００１９】
Ｓ１では、各種センサより、エンジン回転数Ｎ、負荷Ｌ、水温Ｔｗなどを読込む。
Ｓ２では、水温Ｔｗを所定値と比較することで、冷機時（Ｔｗ≦所定値）か、暖機後（Ｔｗ＞所定値）かを判定する。
【００２０】
冷機時（Ｔｗ≦所定値）の場合は、Ｓ３へ進む。
Ｓ３では、エンジン回転数Ｎが所定のしきい値Ｎ１以下で、かつ負荷Ｌが所定のしきい値Ｌ１以下の低回転・低負荷領域か否かを判定する。この運転領域は、吸気弁の低リフト状態で吸入可能な最大吸入空気量にて運転可能な運転領域である。
【００２１】
低回転・低負荷領域の場合は、Ｓ４へ進む。
Ｓ４では、冷機時（Ｔｗ≦所定値）で、かつ、低回転・低負荷領域（必要空気量が少ない領域）であるので、吸気弁のリフト量を小さくする（低リフト）。
【００２２】
これに対し、Ｓ２での判定で、暖機後（Ｔｗ＞所定値）の場合、又は、Ｓ３での判定で、低回転・低負荷領域でない場合は、Ｓ５へ進み、吸気弁のリフト量を大きくする（高リフト）。
【００２３】
本実施形態によれば、吸気行程にて燃料噴射を行う運転モードで、かつ所定の低回転・低負荷領域の時に、吸気弁のリフト量を減少させることにより、必要空気量を確保できる範囲で、燃料噴霧と吸気弁との干渉を抑制して、混合気形成を良好なものとし、未燃燃料（ＨＣ）の排出量を低減することができる。
【００２４】
また、本実施形態によれば、暖機後は、燃料噴霧と吸気弁とが干渉しても、吸気弁温度、雰囲気温度が高く、気化性が良好なため混合気形成にさほどの支障がない（ＨＣ排出量が少ない）ことから、冷機時のみ低リフトとする一方、暖機後は吸気弁のリフト量の減少を禁止して高リフトとすることにより、吸気の流れをできるだけ阻害しないようにして吸気充填効率の向上とガス流動の悪化防止とを図り、燃焼性能を重視して燃費向上を図ることができる。
【００２５】
図６は第２実施形態での制御フローであり、均質運転モードにてリフト量制御及びＴＣＶ制御のために実行される。
Ｓ１１では、各種センサより、エンジン回転数Ｎ、負荷Ｌ、水温Ｔｗなどを読込む。
【００２６】
Ｓ１２では、水温Ｔｗを所定値と比較することで、冷機時（Ｔｗ≦所定値）か、暖機後（Ｔｗ＞所定値）かを判定する。
冷機時（Ｔｗ≦所定値）の場合は、Ｓ１３へ進む。
【００２７】
Ｓ１３では、エンジン回転数Ｎが所定のしきい値Ｎ１以下で、かつ負荷Ｌが所定のしきい値Ｌ１以下の低回転・低負荷領域か否かを判定する。この運転領域は、吸気弁の低リフト状態で吸入可能な最大吸入空気量にて運転可能な運転領域である。
【００２８】
低回転・低負荷領域の場合は、Ｓ１４、Ｓ１５へ進む。
Ｓ１４では、冷機時（Ｔｗ≦所定値）で、かつ、低回転・低負荷領域（必要空気量が少ない領域）であるので、吸気弁のリフト量を小さくする（低リフト）。また、Ｓ１５では、ＴＣＶ（タンブル制御弁）を閉じて、筒内流動を強化する。
【００２９】
これに対し、Ｓ１２での判定で、暖機後（Ｔｗ＞所定値）の場合、又は、Ｓ１３での判定で、低回転・低負荷領域でない場合は、Ｓ１６へ進む。
Ｓ１６では、エンジン回転数Ｎが所定のしきい値Ｎ２以下で、かつ負荷Ｌが所定のしきい値Ｌ２以下の低中回転・低中負荷領域か否かを判定する。尚、Ｎ２＞Ｎ１、Ｌ２＞Ｌ１である。
【００３０】
低中回転・低中負荷領域の場合は、Ｓ１７、Ｓ１８へ進む。
Ｓ１７では、吸気弁のリフト量を大きくする（高リフト）。また、Ｓ１８では、ＴＣＶ（タンブル制御弁）を閉じて、筒内流動を強化する。
【００３１】
これに対し、Ｓ１６での判定で、低中回転・低中負荷領域でない場合、すなわち、高回転又は高負荷領域の場合は、Ｓ１９、Ｓ２０へ進む。
Ｓ１９では、吸気弁のリフト量を大きくする（高リフト）。また、Ｓ２０では、ＴＣＶ（タンブル制御弁）を開いて、出力性能を向上させる。
【００３２】
特に本実施形態によれば、吸気通路に筒内流動を強化するためのエアモーションバルブ（タンブル制御弁）を備えることにより、吸入空気が吸気弁部の通過する流速を早めて、吸気弁傘部に付着した燃料の気化を促進でき、ガス流動の強化とあわせ、筒内での混合気形成を良好なものとすることができる。
【００３３】
また、暖機後は、燃料噴霧と吸気弁とが干渉しても気化性が良好なため混合気形成にさほどの支障がない（ＨＣ排出量が少ない）ことから、冷機時のみ低リフトとする一方、暖機後は吸気弁のリフト量の減少を禁止して高リフトとすることにより、エアモーションバルブ（タンブル制御弁）によるガス流動の強化をできるだけ阻害しないようにすることができる。すなわち、暖機後はガス流動強化を重視して、混合気分布の更なる均質化を図り、燃費向上を図ることができる。
【００３４】
図７は第３実施形態での制御フローであり、均質運転モードにてリフト量制御及びＴＣＶ制御のために実行される。
Ｓ２１では、各種センサより、エンジン回転数Ｎ、負荷Ｌ、水温Ｔｗなどを読込む。
【００３５】
Ｓ２２では、水温Ｔｗを所定値と比較することで、冷機時（Ｔｗ≦所定値）か、暖機後（Ｔｗ＞所定値）かを判定する。
冷機時（Ｔｗ≦所定値）の場合は、Ｓ２３へ進み、低リフト運転を行う領域を決定する回転数及び負荷のしきい値Ｎ１、Ｌ１を、高回転・高負荷側となるように、比較的大きな値に設定する。尚、ここで設定されるＮ１以下、Ｌ１以下の運転領域が、吸気弁の低リフト状態で吸入可能な最大吸入空気量にて運転可能な運転領域である。
【００３６】
暖機時（Ｔｗ＞所定値）の場合は、Ｓ２４へ進み、低リフト運転を行う領域を決定する回転数及び負荷のしきい値Ｎ１、Ｌ１を、低回転・低負荷側となるように、比較的小さな値に設定する。
【００３７】
Ｓ２３又はＳ２４の実行後は、Ｓ２５へ進む。
Ｓ２５では、エンジン回転数Ｎがしきい値Ｎ１以下で、かつ負荷Ｌがしきい値Ｌ１以下の低回転・低負荷領域か否かを判定する。
【００３８】
低回転・低負荷領域の場合は、Ｓ２６、Ｓ２７へ進む。
Ｓ２６では、冷機時（Ｔｗ≦所定値）で、かつ、低回転・低負荷領域であるので、吸気弁のリフト量を小さくする（低リフト）。また、Ｓ２７では、ＴＣＶ（タンブル制御弁）を閉じて、筒内流動を強化する。
【００３９】
これに対し、Ｓ２５での判定で、低回転・低負荷領域でない場合は、Ｓ２８へ進む。
Ｓ２８では、エンジン回転数Ｎが所定のしきい値Ｎ２以下で、かつ負荷Ｌが所定のしきい値Ｌ２以下の中回転・中負荷領域か否かを判定する。尚、Ｎ２＞Ｎ１、Ｌ２＞Ｌ１である。
【００４０】
中回転・中負荷領域の場合は、Ｓ２９、Ｓ３０へ進む。
Ｓ２９では、吸気弁のリフト量を大きくする（高リフト）。また、Ｓ３０では、ＴＣＶ（タンブル制御弁）を閉じて、筒内流動を強化する。
【００４１】
これに対し、Ｓ２８での判定で、中回転・中負荷領域でない場合、すなわち、高回転又は高負荷領域の場合は、Ｓ３１、Ｓ３２へ進む。
Ｓ３１では、吸気弁のリフト量を大きくする（高リフト）。また、Ｓ３２では、ＴＣＶ（タンブル制御弁）を開いて、出力性能を向上させる。
【００４２】
前記第２実施形態では、暖機後は、吸気弁のリフト量の減少を禁止するのに対し、この第３実施形態では、上記のように制御することで、暖機後は、冷機時に比べ、吸気弁のリフト量を減少させる運転領域をより低回転・低負荷側に縮小している。
【００４３】
すなわち、暖機後は、燃料噴霧と吸気弁とが干渉しても気化性が良好なため混合気形成にさほどの支障がない（ＨＣ排出量が少ない）ことから、エアモーションバルブ（タンブル制御弁）によるガス流動の強化をできるだけ阻害しないようにすることが、燃費向上の観点から望ましい。
【００４４】
しかし、極低回転・低負荷領域では、そもそも吸気流速が低すぎるため、エアモーションバルブ（タンブル制御弁）によるガス流動の強化機能が十分には発揮されない。そこで、極低回転・低負荷領域では、暖機後も低リフトとして、燃料噴霧と吸気弁との干渉防止による未燃燃料（ＨＣ）の排出量低減を図る方が得策と考えられる。
【００４５】
そこで、この第３実施形態では、暖機後は、冷機時に比べ、吸気弁のリフト量を減少させる運転領域をより低回転・低負荷側に縮小し、ガス流動の強化可能な領域ではガス流動の強化を重視し、ガス流動の強化機能が十分に発揮されない領域では燃料噴霧の干渉防止を重視しているのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す内燃機関（吸気弁高リフト時）の要部断面図
【図２】内燃機関の平面レイアウト図
【図３】吸気弁低リフト時の要部断面図
【図４】制御系の構成図
【図５】第１実施形態の制御フローチャート
【図６】第２実施形態の制御フローチャート
【図７】第３実施形態の制御フローチャート
【符号の説明】
１燃焼室
２点火プラグ
３Ａ、３Ｂ吸気ポート
４Ａ、４Ｂ排気ポート
５Ａ、５Ｂ吸気弁
６Ａ、６Ｂ排気弁
７燃料噴射弁
８仕切板
９エアモーションバルブ（タンブル制御弁）
１０可変動弁装置
１１エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１２回転数センサ
１３負荷センサ
１４水温センサ

Claims

燃焼室の側部に配置される燃料噴射弁から２つの吸気弁の間を経由し燃焼室中心部側へ燃料を噴射する直噴火花点火式内燃機関において、
吸気弁のリフト量を可変制御可能な可変動弁装置を備え、吸気行程にて燃料噴射を行う運転モードの時に、吸気弁のリフト量を減少させることを特徴とする直噴火花点火式内燃機関。
吸気行程にて燃料噴射を行う運転モードで、かつ所定の低回転・低負荷領域の時に、吸気弁のリフト量を減少させることを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関。
機関の暖機状態を判別する手段を備え、暖機後は、吸気弁のリフト量の減少を禁止することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の直噴火花点火式内燃機関。
機関の暖機状態を判別する手段を備え、暖機後は、吸気弁のリフト量の減少させる運転領域をより低回転・低負荷側に縮小することを特徴とする請求項２記載の直噴火花点火式内燃機関。
吸気通路に筒内流動を強化するためのエアモーションバルブを備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。