JP2004340073A

JP2004340073A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2004340073A
Application number: JP2003139450A
Authority: JP
Inventors: Isamu Goto; 勇後藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2023-05-16
Also published as: JP4296832B2

Abstract

【課題】副燃料噴射を適切な設定で行えると同時にシリンダ壁面の潤滑をも確保することができる内燃機関を提供する。
【解決手段】気筒１内に燃料を噴射する燃料噴射弁２と、ピストン３裏面または気筒１内の少なくとも一方に冷却用のオイル噴射を行うオイル噴射部４と、燃料噴射弁２に対して主燃料噴射とこの主燃料噴射に遅れて噴射するポスト燃料噴射を行わせるとともに、オイル噴射部４の作動及び停止を制御する噴射制御部５とを備える。噴射制御部５はポスト燃料噴射時期に同期してオイル噴射部４におけるオイル噴射を所定時間停止させる。オイル噴射の停止に伴い、それまでオイル噴射によって冷却されていたピストンやシリンダ壁面の温度が上昇することとなる。そしてこの状態で気筒１内にポスト燃料噴射がなされるために、燃料は上昇した気筒内温度雰囲気中で急速に蒸発し、シリンダ壁面への付着が抑制される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関に関し、更に詳細にはピストンまたは気筒内をオイル噴射により冷却する方式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関における燃料噴射方式には、機構的あるいは制御的な面から種々のものが知られているが、その一つとして気筒内に出力を得るために燃焼させる燃料を噴射した後に、休止時間をおいて膨張行程または排気行程中に、更に燃料を噴射する、いわゆるポスト噴射等の副燃料噴射を行うものがある。
【０００３】
このような副燃料噴射を行う理由として、（１）機関が特定の運転状態にあるとき、膨張行程において副燃料噴射を行うことで排気ガスの圧力を高め、過給機の出力を増大させて機関出力を向上させる、（２）主たる燃料噴射の後、排気弁が閉止する直前に副燃料噴射し、燃焼させることで、排気ガスの温度を上昇させ排気通路に設けたフィルタに捕捉されたパティキュレートマターを燃焼させる、（３）排気系に設けたＮＯｘ還元触媒を副燃料噴射された燃料によって活性化することでＮＯｘを還元する、いわゆる触媒の暖気促進、などが挙げられる。
【０００４】
ところで、前記した主たる燃料噴射は、気筒内のピストンが上死点近傍にあるときになされ、副燃料噴射はピストンが下がりつつある状態でなされるのが一般的である。ピストンが上死点付近にあるときは燃焼室の容積は最も小さくなり、シリンダ壁面はピストンで隠れた状態にある。
【０００５】
一方、副燃料噴射時には、ピストンが下がっているためシリンダ壁面が露出した状態にある。
【０００６】
これをシリンダ壁面の潤滑という観点から見ると、主たる燃料噴射時には、燃料が噴射されてもシリンダ壁面のオイル皮膜を希釈することはないため何ら問題はないが、副燃料噴射では露出したシリンダ壁面のオイル皮膜を燃料で希釈してしまうこととなり、潤滑が悪化してボアフラッシングの原因となる虞がある。
【０００７】
そこで、本願出願人は特許文献１に示すものを先に提案した。これは、燃料の副燃料噴射やパイロット噴射（主たる燃料噴射の前に行う）において、シリンダ内壁の燃料付着量に相関するパラメータに従って燃料噴射時期、燃料噴射量、燃料噴射圧力を制御することで燃料ができるだけシリンダ壁面に付着しないようにしたものである。
【０００８】
また、本願出願人の出願に係る特許文献２に示すのものでは、気筒内の温度が目標温度になる時点を副燃料噴射時期として、圧縮上死点を基点にした前記副燃料噴射時期を内燃機関の運転状態に応じて求める副燃料噴射時期決定手段、を備えており、前記副燃料噴射時期決定手段によって筒内温度が所望の目標温度になったときに副燃料噴射を行うように構成したものである。
【０００９】
そして前記目標温度を、副燃料噴射された燃料が燃焼せず、かつ噴霧が気筒のシリンダ壁面に到達しない筒内温度として設定した場合には、副燃料噴射された燃料の噴霧が気筒のシリンダ壁面に到達しなくなり、その結果、副燃料噴射に起因してエンジンオイルが希釈されることを防止できる。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１１−５０８９７号公報
【特許文献２】
特開２０００−４５８２８号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記したいずれの方法でもオイルのシリンダ壁面への付着を効果的に防止することは困難である。
【００１２】
すなわち、副燃料噴射のタイミングや燃料の量などは、内燃機関の出力変動や排気エミッションの悪化防止などの要請から、理想的な狭い範囲に限定される。この範囲での副燃料噴射では、前記したシリンダの潤滑を確保するという目的のために理想的なタイミングや噴射量での実行が不可能となる可能性がある。すなわち、副燃料噴射の諸条件を、噴射実行の許容範囲とシリンダ潤滑の確保との妥協点に設定せざるを得ず、満足できる特性が得られなくなる虞れがあった。
【００１３】
本発明はかかる従来の問題点を解決するためになされたもので、ポスト燃料噴射を許容可能な範囲で実行すると同時に、シリンダ壁面の潤滑をも確保することが可能な内燃機関を提供することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の内燃機関前述した技術的課題を解決するために以下のように構成されている。
【００１５】
すなわち、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
ピストンまたは気筒内の少なくとも一方に向けて冷却用のオイル噴射を行うオイルジェット装置と、を備え、
前記燃料噴射弁に対して主燃料噴射及び膨張行程、排気行程中に実行される副燃料噴射が可能な内燃機関において、
前記副燃料噴射を実行するときには、前記オイルジェット装置によるオイル噴射を禁止することを特徴とする。
【００１６】
オイルジェット装置は、オイル噴射によって冷却用オイルをピストンまたは気筒内に噴射することで当該部分の冷却を図るものである。特に過給型内燃機関等において熱的負荷を低減するために採用される。
【００１７】
副燃料噴射時には、このようなオイルジェット装置によるオイル噴射の禁止によって、筒内温度が上昇し、または筒内温度の低下が抑制されるので、副燃料噴射によって供給された燃料の蒸発が促進され、オイル希釈が防止される。同時に、副燃料噴射による排気温度の上昇等の本来の目的も達成される。ここで副燃料噴射は、主噴射とは別に、機関の膨張行程、排気行程中に実行される燃料噴射の全てを含み、例えばポスト噴射がその代表的なものである。
【００１８】
また、本発明は、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
ピストン裏面または気筒内の少なくとも一方に冷却用のオイル噴射を行うオイル噴射部と、
前記燃料噴射弁に対して主燃料噴射及びこの主燃料噴射に遅れて噴射するポスト燃料噴射を行わせるとともに、前記オイル噴射部の作動及び停止を制御する噴射制御部と、を備え、
前記噴射制御部は、ポスト燃料噴射時期に同期して前記オイル噴射部におけるオイル噴射を所定時間停止させるように構成することが可能である。
【００１９】
前記噴射制御部は、プログラム可能なマイクロコンピュータを含み、ポスト燃料噴射時期に同期して前記オイル噴射部におけるオイル噴射を所定時間停止させるものである。なお、同期とは必ずしも燃料噴射時期とオイル噴射の停止とを時間的に全く同時に行うという意味ではなく、オイル噴射部における機械的動作遅れや、熱伝導の遅延などを加味したプラスマイナス両方に幅をもたせたものでよい。
【００２０】
このように、ポスト燃料噴射時期に同期して前記オイル噴射部におけるオイル噴射を所定時間停止させることで、ポスト燃料噴射時期、すなわち、筒内においてシリンダ壁面の露出面積が拡大状態にある時期には、冷却用オイルの噴射が停止される。
【００２１】
オイル噴射の停止に伴い、それまでオイル噴射によって冷却されていたピストンやシリンダ壁面の温度が上昇することとなる。この状態で気筒内にポスト燃料噴射がなされるために、燃料は上昇した気筒内温度雰囲気中で急速に蒸発し、シリンダ壁面への付着が抑制される。
【００２２】
このようにしてシリンダ壁面への燃料付着が抑制されるので、シリンダ壁面に残留させておくべきオイルが希釈されることが減少し、ボアフラッシングが防止される。
【００２３】
なお、前記噴射制御部は、アクセル開度、機関回転数、車速、機関負荷の機関運転状態、または吸入空気温度、排気温度、触媒入り口温度、冷却水温度、外気圧を測定する各種センサからの信号のうち、少なくとも一の信号に基づいて、ポスト燃料噴射の有無を制御することができる。このように、ポスト燃料噴射を実行することは、常に必要とは限らず、運転状態等を含む諸条件に応じて選択されるものであり、そのためのパラメータを前記各種センサから得るようにするのが好適である。
【００２４】
前記オイル噴射部におけるオイル噴射の制御を、電磁弁で行わせることが好ましい。そしてこの電磁弁への通電を断続することでオイル噴射を制御することができる。電磁弁は制御レスポンスが早く、配線や制御が容易なためオイル噴射を制御するのに適している。
【００２５】
本発明は、直噴型のディーゼル機関やガソリン機関に適応するものであり、本発明によれば、オイル噴射を禁止して筒内温度の低下を抑制することで、副燃料噴射による燃料の蒸発を促進して、シリンダライナへの燃料付着を減少させることができる。その結果、付着した燃料によるオイル下がりが防止される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の内燃機関を図１から図５に示される実施形態について更に詳細に説明する。
【００２７】
内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。この内燃機関１は、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。各燃料噴射弁３は、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室（コモンレール）４と接続されている。
【００２８】
前記コモンレール４は、燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。この燃料ポンプ６は、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）の回転トルクを駆動源として作動するポンプであり、この燃料ポンプ６の入力軸に取り付けられた図示しないポンププーリが内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）に取り付けられたクランクプーリと連結されている。
【００２９】
このように構成された燃料噴射系では、クランクシャフトの回転トルクが燃料ポンプ６の入力軸へ伝達されると、燃料ポンプ６は、クランクシャフトからこの燃料ポンプ６の入力軸へ伝達された回転トルクに応じた圧力で燃料を吐出する。
【００３０】
前記燃料ポンプ６から吐出された燃料は、燃料供給管５を介してコモンレール４へ供給され、コモンレール４にて所定圧まで蓄圧されて各気筒２の燃料噴射弁３へ分配される。そして、燃料噴射弁３に駆動電流が印加されると、これが開弁し、その結果、燃料噴射弁３から気筒２内へ燃料が噴射される。
【００３１】
次に、内燃機関１には、吸気枝管８が接続されており、吸気枝管８の各枝管は、各気筒２の燃焼室と吸気ポートを介して連通している。
【００３２】
前記吸気枝管８は吸気管９に接続されている。吸気管９には、この吸気管９内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ１１が取り付けられている。
【００３３】
前記エアフローメータ１１と前記吸気絞り弁１３との間に位置する吸気管９には、排気のエネルギを駆動源として作動する遠心過給機（ターボチャージャ）１５のコンプレッサハウジング１５ａが設けられている。
【００３４】
前記吸気管９は、インタークーラー１６を介して過給機１５に接続されている。
【００３５】
このように構成された吸気系では、吸気は、吸気管９を介してコンプレッサハウジング１５ａに流入する。
【００３６】
コンプレッサハウジング１５ａに流入した吸気は、このコンプレッサハウジング１５ａに内装されたコンプレッサホイールの回転によって圧縮される。前記コンプレッサハウジング１５ａ内で圧縮された吸気は、必要に応じて吸気絞り弁１３によって流量を調節されて吸気枝管８に流入する。この吸気枝管８に流入した吸気は、各枝管を介して各気筒２の燃焼室へ分配され、各気筒２の燃料噴射弁３から噴射された燃料を着火源として燃焼される。
【００３７】
一方、内燃機関１には、排気枝管１８が接続され、排気枝管１８の各枝管が排気ポートを介して各気筒２の燃焼室と連通している。
【００３８】
前記排気枝管２５は、前記遠心過給機１５のタービンハウジング１５ｂと接続されている。前記タービンハウジング１５ｂは、排気管１９と接続され、この排気管１９は、下流にて大気へと通じている。
【００３９】
図２は、内燃機関の気筒の構造の概略を示し、図３は、内燃機関におけるオイル循環経路を示している。
【００４０】
気筒２の天頂に気筒２内へ燃料を噴射する燃料噴射弁３が設けられている。気筒２内にはピストン３０が設けられており、このピストン３０の下方にはピストン３０の裏面に向けて冷却用のオイルを噴射するオイル噴射部３１が設けられている。また、気筒２の天頂側には吸気弁３２と排気弁３３が夫々設けられている。
【００４１】
燃料噴射弁３は燃料系３４に接続された燃料制御部３５によって、燃料噴射タイミング及び噴射量が制御されるようになっている。
【００４２】
前記オイル噴射部３１は、図３及び図４に示すオイル循環経路中に設けられている。オイル循環経路はまずオイルパン４２に集められたオイルをオイルストレーナー４３、オイルポンプ４４、オイルクーラー４５、及びオイルフィルタ４６を介してメインオイルホール４７に送るようになっている。メインオイルホール４７からはヘッドオイルホール４８を介してカムシャフト４９などの動弁系機構５０へ送油するようになっている。
【００４３】
さらに、メインオイルホール４７からはクランクジャーナル５１や過給機（ターボ）１５へも送油される。そして、メインオイルホール４７には電磁弁５２を介してオイル噴射部３１が接続されている。この電磁弁５２はオイル噴射部３１のオリフィスを開閉するためのものであり、電子制御部（ＥＣＵ）５５により制御されるようになっている。
【００４４】
ＥＣＵ５５は電子制御ユニットになっており、マイクロコンピュータを内蔵し、予めプログラムされたシーケンスに沿って前記電磁弁５２、燃料噴射弁３、その他の機器を制御するものである。このＥＣＵ５５には車速センサ６０、クランクポジション３３、アクセル開度センサ３６、及びその他の吸入空気温度、排気温度、触媒入り口温度、冷却水温度などの各種センサが接続されており、これらの条件に応じて燃料噴射弁３における主燃料噴射条件とポスト燃料噴射条件が決定されるようになっている。
【００４５】
また、ＥＣＵ５５はポスト燃料噴射に同期して電磁弁５２を制御し、オイル噴射部３１から噴射される冷却用のオイルを一時的に停止させる制御を行う。
【００４６】
これら一連の動作を、図４に示すフローチャートで説明すると、ＥＣＵ５５において少なくとも車速センサ６０、クランクポジションセンサ３３、アクセル開度センサ３６からの各信号（それぞれ、図中においてＳＰＤ，ＮＥ，ＡＣＣＰで示す）を入力するステップＳ１０１に移行する。続いてステップＳ１０２に移行し、前記した各種センサからの信号に基づいてポスト燃料噴射を行うか否かの判別が行われる。
【００４７】
ポスト燃料噴射を行うケースは、排気ガスの圧力を高め、過給機の出力を増大させて機関出力を向上させる場合、主たる燃料噴射の後、排気弁が閉止する直前にポスト噴射し、燃焼させることで排気ガスの温度を上昇させパティキュレート・フィルタに捕捉されたパティキュレートを焼却する場合、排気系に設けたＮＯｘ触媒をポスト噴射された燃料によって活性化することでＮＯｘを還元する場合、ＮＯｘ触媒のＳＯｘ被毒回復処理を実施する場合等がある。
【００４８】
そしてＥＣＵ５５の判断によりステップＳ１０２においてポスト燃料噴射が行われる場合は肯定枝（Ｙ）からステップＳ１０３に移行する。ステップＳ１０３では電磁弁５２がオフ、すなわちオイル噴射が停止される。一方、ＥＣＵ５５の判断によりステップＳ１０２においてポスト燃料噴射が行われない場合は否定枝（Ｎ）からステップＳ１０４に移行する。ステップＳ１０４では電磁弁５２がＯＮにされてオイル噴射が行われる。
【００４９】
そして、ステップＳ１０３、ステップＳ１０４のいずれの場合もリターンへ移行し、常に監視が継続される。
【００５０】
このように、ポスト燃料噴射が行われる場合に限り冷却用のオイル噴射が停止する。したがって、ポスト燃料噴射がない運転モードではオイル噴射によって冷却されていたピストンやシリンダ壁面の温度が上昇することとなる。
【００５１】
この場合は、筒内温度も上昇するから、ポスト燃料噴射は高温度雰囲気中の気筒１内になされることになる。このため、燃料は急速に蒸発し、シリンダ壁面へ到達する前に蒸発しシリンダ壁面への付着が防止される。
【００５２】
このようにシリンダ壁面への燃料付着が防止されるためシリンダ壁面に残留させておくべきオイルが希釈されることがなくなりボアフラッシングが防止される。
【００５３】
なお、一時的とはいえピストン周囲の温度が上昇することは耐久性の面で問題が生ずるのではないかという懸念が生ずるが、図６に示すグラフからその虞れはないことがわかる。このグラフは縦軸に機関トルク（負荷量）、横軸に機関回転数が示されており、図中、上の線グラフは全負荷特性、下の斜線領域はポスト噴射領域をそれぞれ示す。
【００５４】
ポスト燃料噴射は触媒入り口温度が低いパーシャル領域で行われるため、常に最大負荷よりも低い条件下にあり、一時的にピストン冷却が停止しても耐久性や信頼性になんら影響がない。
【００５５】
また、機構的には電磁弁５２をオイル噴射部３１とオイル循環経路との間に設けるだけでよいため、低コストで実施することが可能である。
【００５６】
このように本実施の形態では、ポスト燃料噴射を適切な条件で行いながら、燃料がシリンダ壁面に付着してオイルを希釈してしまうことを防止できるものである。したがって両者の条件が両立し、性能が良好で耐久性も高い内燃機関とすることができる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、副燃料噴射を適切な設定で行えると同時に、副噴射された燃料を蒸発させることでシリンダ壁面の潤滑をも確保することができる。
【００５８】
また、オイル噴射部における噴射制御を電磁弁で行うように構成すれば、制御を高速で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関の概略を示すブロック図である。
【図２】本発明の内燃機関の気筒の構造の概略を示す図である。
【図３】内燃機関のオイル経路を示すブロック図である。
【図４】内燃機関のオイル経路を示す斜視図である。
【図５】内燃機関のポスト噴射と冷却用のオイル噴射の動作を示すフローチャート図である。
【図６】内燃機関の全負荷特性とポスト燃料噴射領域との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１気筒
２燃料噴射弁
３ピストン
４オイル噴射部
５制御部
６電磁弁

Claims

気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
ピストンまたは気筒内の少なくとも一方に向けて冷却用のオイル噴射を行うオイルジェット装置と、を備え、
前記燃料噴射弁に対して主燃料噴射及び膨張行程、排気行程中に実行される副燃料噴射が可能な内燃機関において、
前記副燃料噴射を実行するときには、前記オイルジェット装置によるオイル噴射を禁止することを特徴とする内燃機関。
気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
ピストンまたは気筒内の少なくとも一方に向けて冷却用のオイル噴射を行うオイルジェット装置と、
前記燃料噴射弁に対して主燃料噴射及び膨張行程、排気行程中に実行される副燃料噴射を行わせるとともに、前記オイル噴射部の作動及び停止を制御する噴射制御部と、を備え、
前記噴射制御部は、副燃料噴射時期に同期して前記オイル噴射部におけるオイル噴射を所定時間停止させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
前記オイル噴射部は電磁弁を含み、この電磁弁への通電を断続することでオイル噴射を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。