JP2004316449A

JP2004316449A - 直噴火花点火式内燃機関

Info

Publication number: JP2004316449A
Application number: JP2003107767A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Kono; 十史弥河野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2004-11-11

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の最大リフト量を減少させる。冷機時には、更に、燃料噴射を、吸気弁のリフト量が所定リフト量に達する以前、及び／又は、吸気弁のリフト量が所定リフト量まで下がった以降にて、行う。
【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で、かつ所定の低回転・低負荷領域の時に、吸気弁の最大リフト量を減少させる一方、燃料噴射を、吸気弁のリフト量が所定リフト量に達する以前、及び／又は、吸気弁のリフト量が所定リフト量まで下がった以降にて、行う構成とする。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、吸気行程噴射に際し必要空気量が比較的少ない領域で吸気弁の最大リフト量を減少させることにより、燃料噴霧と吸気弁との干渉を低減するすると同時に、燃料の噴射時期をリフト初期及び／又はリフト終期に限定することより、燃料噴霧と吸気弁との干渉を更に低減し、未燃燃料の排出量を大幅に低減可能となる。
【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は本発明の一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には、吸入空気の流れを制御して筒内流動を強化するためのエアモーションデバイスが備えられる。エアモーションデバイスは、吸気ポート３Ａ、３Ｂを上下の分割ポートに分割する仕切板８と、下側の分割ポートの上流側にてこれを閉止可能で、閉止時に筒内流動を強化可能な制御弁９とから構成されている。本実施形態では、特に筒内流動の強化時に上側の分割ポートのみから吸入してタンブル流動を強化するようになっているので、制御弁９はタンブル制御弁（ＴＣＶ）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）で、かつ所定の低回転・低負荷領域の時に、吸気弁５Ａ、５Ｂの最大リフト量を減少させること（低リフト制御）により、燃料噴霧と吸気弁５Ａ、５Ｂとの干渉を低減する（図３参照）。
【００１６】
このため、少なくとも吸気弁５Ａ、５Ｂは、可変動弁装置（図５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に、高リフト（最大リフト量大）の場合と低リフト（最大リフト量小）の場合とについてバルブリフト特性を例示するが、低リフトとすることで、燃料噴霧が付着する部位を少なくできる他、燃料噴霧との干渉を生じる所定リフト量ＬＦ以上の期間を少なくでき、燃料噴霧との干渉を低減できる。
【００１８】
尚、低リフトとすると、吸入可能な最大空気量が制約されるので、必要空気量が比較的少ない低回転・低負荷領域（図７のエンジン回転数Ｎ１以下、負荷Ｌ１以下の領域）の時に行うようにしている。
【００１９】
また、燃料噴射は、吸気弁５Ａ、５Ｂのリフト量が所定リフト量ＬＦに達する以前、及び／又は、吸気弁５Ａ、５Ｂのリフト量が所定リフト量ＬＦまで下がった以降にて、行う（噴射時期限定制御）。ここでいう所定リフト量ＬＦとは、それ以下であれば、燃料噴霧と吸気弁５Ａ、５Ｂとの干渉をほとんど生じないリフト量である。ここで、図４でも説明したように、バルブリフト特性を低リフトとすることで、高リフトの場合に比べ、所定リフト量ＬＦに達するまでのクランク角と所定リフト量ＬＦに下がって以降のクランク角を大きくできるので、燃料噴射を行うための期間を大きく確保できる。
【００２０】
このように、燃料の噴射時期をリフト初期及び／又はリフト終期（リフト量が所定リフト量ＬＦ以下の時）に限定することより、燃料噴霧と吸気弁５Ａ、５Ｂとの干渉を更に低減できる。
【００２１】
但し、機関の冷機時と暖機後とを比較すると、暖機後は、吸気弁温度が高く、気化性が良好なため、混合気形成にさほどの支障はない（ＨＣ排出量が少ない）ことから、冷機時は、低リフト制御と噴射時期限定制御とを同時に行うが、暖機後は、低リフト制御のみ行い、燃料噴射制御は通常通りとする。通常の燃料噴射制御での噴射時期は、一般に吸気弁のリフト開始点と最大リフト点との中間位置位であり、ピストンがある程度降下していること、気化時間を確保できることなどを考慮して設定される。
【００２２】
また、冷機時に、所定の低回転・低負荷領域にて、低リフト制御と同時に噴射時期限定制御を行う場合、比較的負荷が高くて必要燃料噴射量が多いとき、又は比較的エンジン回転数が高くて噴射可能な時間が短いときは、１回で噴射しきれない場合がある。そこで、前記所定の低回転・低負荷領域（図７のエンジン回転数Ｎ１以下、負荷Ｌ１以下の領域）のうち、比較的高回転・高負荷側の領域では、燃料噴射を、吸気弁のリフト量が所定リフト量に達する以前、及び、吸気弁のリフト量が所定リフト量まで下がった以降の２回に分けて行い、比較的低負荷・低回転側の領域では、燃料噴射を、吸気弁のリフト量が所定リフト量に達する以前、又は、吸気弁のリフト量が所定リフト量まで下がった以降の１回で行う。
【００２３】
また、冷機時に、所定の低回転・低負荷領域にて、低リフト制御と同時に噴射時期限定制御を行う場合、燃料の噴射圧力（燃料噴射弁７への燃料の供給圧力；以下単に燃圧という）を上昇させるとよい。燃圧を上昇させることで、１回噴射の領域を拡大できるなど、吸気弁との干渉を生じない期間内に確実に噴射できるようになる。燃圧の可変制御は、燃圧可変手段としての高圧プレッシャレギュレータ（図５中の１１）の設定圧を可変制御することにより行う。高圧レギュレータは、高圧燃料ポンプからの高圧燃料を蓄えて各気筒の燃料噴射弁に分配する燃料ギャラリ内の燃圧が設定圧を超えたときに開弁して、燃料ギャラリ内の高圧燃料を燃料タンクに戻すことにより、燃圧を調整するもので、その設定圧を変化させることにより、任意の燃圧に制御できる。
【００２４】
図５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、高圧プレッシャレギュレータ１１の作動を制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１２に、エンジン回転数Ｎを検出可能な回転数センサ１３、負荷（例えばアクセル開度）Ｌを検出可能な負荷センサ１４、エンジン冷却水温Ｔｗを検出可能な水温センサ１５の信号を入力してある。
【００２５】
図６はＥＣＵ１２にて実行される制御フローであり、均質運転モードにて、リフト量制御及び燃料噴射制御（燃圧制御を含む）のために実行される。
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。
【００２６】
Ｓ２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（図７参照）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。
【００２７】
低回転・低負荷領域でない場合は、Ｓ３、Ｓ４へ進んで、通常の高リフト運転を行うと共に、通常の燃料噴射制御（及び燃圧制御）を行う。
低回転・低負荷領域の場合は、Ｓ５へ進む。
【００２８】
Ｓ５では、低回転・低負荷領域（必要空気量が少ない領域）であるので、可変動弁装置１０により吸気弁の最大リフト量を小さくして低リフト運転を行う。
次のＳ６では、水温Ｔｗを所定値Ｔｗ１と比較することで、冷機時（Ｔｗ≦Ｔｗ１）か、暖機後（Ｔｗ＞Ｔｗ１）かを判定する。
【００２９】
暖機後（Ｔｗ＞Ｔｗ１）の場合は、Ｓ７へ進んで、通常の燃料噴射制御（及び燃圧制御）を行う。
冷機時（Ｔｗ≦Ｔｗ１）の場合は、Ｓ８へ進む。
【００３０】
Ｓ８では、高圧プレッシャレギュレータ１１の制御により高燃圧に制御する。
次のＳ９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１回噴射領域（図７参照）か否かを判定する。
【００３１】
１回噴射領域の場合は、Ｓ１０へ進み、燃料噴射を、吸気弁のリフト量が所定リフト量に達する以前（吸気弁開時期ＩＶＯ近傍）、又は、吸気弁のリフト量が所定リフト量まで下がった以降（吸気弁閉時期ＩＶＣ近傍）の１回で行う。
【００３２】
尚、吸気弁開時期ＩＶＯ近傍にて噴射する場合は、吸気弁閉時期ＩＶＣ近傍にて噴射する場合と比べ、燃料の気化時間の確保、ガス流動による混合の促進といる利点があるが、ピストンが吸気上死点近傍にあることから、燃料噴霧のピストン冠面への付着（液膜の発生）が問題となる場合があるので、これらを勘案して、いずれにするかを決定する。
【００３３】
１回噴射領域でない場合、すなわち、エンジン回転数ＮがＮ２〜Ｎ１の間で、負荷ＬがＬ２〜Ｌ１の間の場合は、２回噴射領域とする（図７参照）。
２回噴射領域の場合は、Ｓ１１へ進み、燃料噴射を吸気弁のリフト量が所定リフト量に達する以前（吸気弁開時期ＩＶＯ近傍）、及び、吸気弁のリフト量が所定リフト量まで下がった以降（吸気弁閉時期ＩＶＣ近傍）の２回に、分割して、行う。
【００３４】
尚、図８には、制御例として、始動→ファーストアイドル→冷機時／低回転・低負荷運転→冷機時／高回転・高負荷運転→暖機後／低回転・低負荷運転→暖機後／高回転・高負荷運転と経過した場合の、リフト量制御、燃料噴射制御及び燃圧制御の様子を示している。尚、この例では油圧式の可変動弁装置を用いることを前提としているため、始動後（油圧上昇後）より低リフト制御を開始しているが、電磁式の可変動弁装置であれば、低リフト制御を即開始可能である。
【００３５】
また、以上の説明では、エアモーションデバイス、すなわちタンブル制御弁９の制御については説明を省略したが、低リフト制御を行うときに、タンブル制御弁９を閉じて、筒内流動を強化するようにすれば、低リフト運転時の燃焼安定性などを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一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】高リフト時及び低リフト時のリフト特性図
【図５】制御系の構成図
【図６】リフト量制御及び燃料噴射制御のフローチャート
【図７】制御領域を示す図
【図８】制御タイムチャート
【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タンブル制御弁
１０可変動弁装置
１１高圧プレッシャレギュレータ
１２エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１３回転数センサ
１４負荷センサ
１５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で、かつ所定の低回転・低負荷領域の時に、吸気弁の最大リフト量を減少させる一方、燃料噴射を、吸気弁のリフト量が所定リフト量に達する以前、及び／又は、吸気弁のリフト量が所定リフト量まで下がった以降にて、行うことを特徴とする直噴火花点火式内燃機関。
機関の冷機・暖機状態を判別する手段を備え、冷機時のみ、燃料噴射を、吸気弁のリフト量が所定リフト量に達する以前、及び／又は、吸気弁のリフト量が所定リフト量まで下がった以降にて、行う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。
前記所定の低回転・低負荷領域のうち、比較的高回転・高負荷側の領域では、燃料噴射を、吸気弁のリフト量が所定リフト量に達する以前、及び、吸気弁のリフト量が所定リフト量まで下がった以降の２回に分けて行い、比較的低回転・低負荷側の領域では、燃料噴射を、吸気弁のリフト量が所定リフト量に達する以前、又は、吸気弁のリフト量が所定リフト量まで下がった以降の１回で行う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。
燃料噴射を、吸気弁のリフト量が所定リフト量に達する以前、及び／又は、吸気弁のリフト量が所定リフト量まで下がった以降にて、行う時に、燃料の噴射圧力を上昇させる燃圧可変手段を有することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。