JP2005030305A - Lean burn internal combustion engine, and method for forming air-fuel mixture for the same - Google Patents

Lean burn internal combustion engine, and method for forming air-fuel mixture for the same

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JP2005030305A JP2003196531A JP2003196531A JP2005030305A JP 2005030305 A JP2005030305 A JP 2005030305A JP 2003196531 A JP2003196531 A JP 2003196531A JP 2003196531 A JP2003196531 A JP 2003196531A JP 2005030305 A JP2005030305 A JP 2005030305A
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Koichi Nakada
浩一 中田
Kazuhisa Mogi
和久 茂木
Tokuji Ota
篤治 太田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lean burn internal combustion engine capable of realizing consistent combustion, reducing NOx emission, and enhancing the fuel consumption. <P>SOLUTION: A lean burn internal combustion engine comprises a fuel injection valve to inject fuel in an air intake passage, a control means to control the injection timing by the fuel injection valve so that a part of fuel required according to the running condition is injected before an air intake valve is opened, and the remaining fuel is injected after the air intake valve is opened, and a piston in which the remaining fuel injected after the air intake valve is opened is stored in a cavity formed in a top surface of the piston, the fuel/air mixture is formed within the cavity, and the fuel/air mixture is lead in a vicinity of an ignition plug in the second half of the compression stroke. The fuel/air mixture of the air-fuel ratio lower than the homogeneous fuel/air mixture formed over the entire combustion chamber is formed in the cavity, and led in a vicinity of the ignition plug in the second half of the compression stroke, and consistent combustion can be realized. NOx emission and the fuel consumption can be reduced by adequately controlling the air-fuel ratio. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた希薄燃焼内燃機関に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、内燃機関の燃費を向上させることが要望されている。この要望に応えるための内燃機関として、気筒内へ直接的に燃料を噴射することにより、点火時点において点火プラグ近傍だけに着火性の良好な混合気を形成し、気筒内全体としては希薄な混合気の燃焼を可能にする筒内噴射火花点火式内燃機関が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
これは、吸気行程中に燃料の一部を噴射して気筒内に希薄で均質な混合気を形成するとともに、圧縮行程中に残りの燃料を噴射することで点火プラグ周辺に着火し易い混合気を形成するようにしたものである。
【0004】
また、吸気ポートに燃料噴射弁を備える内燃機関においては、吸気弁が開弁する前の膨張行程あるいは排気行程中に燃料を噴射し、燃料の気化・霧化を促進することにより気筒内に均質な混合気を形成して、希薄な混合気の燃焼を可能にし、燃費の向上を図っている。
【0005】
【特許文献1】
特開2003−13784号公報
【特許文献2】
特開平6−317161号公報
【特許文献3】
特開2001−98945号公報
【特許文献4】
特開2000−274248号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した筒内噴射火花点火式内燃機関においては、気筒内の混合気全体としてはリーンな空燃比であったとしても、点火プラグ周辺に形成される混合気は、圧縮行程中に噴射された燃料により形成されるものであるため、点火されるまでの時間が短く燃料が気化・霧化し難いので、部分的にリッチ空燃比となるおそれがある。そして、このリッチ空燃比である混合気が燃焼することにより大量の窒素酸化物(NOx)が排出されるおそれがある。
【0007】
一方、吸気ポートに燃料噴射弁を備える内燃機関においては、燃料の気化・霧化を促進して均質な混合気を形成したとしても、着火する空燃比には限界があるため、その限界を越えてリーンな空燃比にすると、内燃機関の運転中に失火するおそれがあり、安定した燃焼と燃費の向上の両立を実現することは困難である。
【0008】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、安定した燃焼を実現しつつ、排出するNOx量を低減するとともに燃費の向上を図ることができる希薄燃焼内燃機関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、本発明に係る希薄燃焼内燃機関にあっては、吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁と、内燃機関の運転状態に応じて要求される燃料の一部を吸気弁が開弁される前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射させ、残りの燃料を吸気弁が開弁された後の少なくとも吸気行程に噴射させるように前記燃料噴射弁による噴射時期を制御する制御手段と、前記吸気行程に噴射された残りの燃料を頂面に設けられたキャビティ内に溜めて当該キャビティ内で混合気を形成し、当該混合気を圧縮行程後半に点火プラグ近傍に導くピストンと、を備えたことを特徴とする。
【0010】
吸気通路に燃料噴射弁を備える内燃機関においては、燃料の気化・霧化を促進して気筒内に均質な混合気を形成したとしても、着火する空燃比には限界があるため、その限界を越えてリーンな空燃比にすると、内燃機関の運転中に失火するおそれがあり、安定した燃焼を実現することが困難となるおそれがある。
【0011】
これに対して本発明に係る希薄燃焼内燃機関にあっては、吸気通路に備えられた燃料噴射弁により、内燃機関の運転状態に応じて要求される燃料の一部が、吸気弁が開弁される前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射されると、吸気弁が開弁される前に気化・霧化が促進され、気筒内に希薄で均質な混合気が形成される。一方、残りの燃料が、吸気弁が開弁された後の少なくとも吸気行程に噴射されると、ピストンの頂面に設けられたキャビティ内に溜められて、当該キャビティ内で混合気が形成される。このキャビティ内に形成される混合気は、吸気弁が開弁される前に噴射された燃料による均質な混合気にさらに燃料が加えられることになるために、前記均質な混合気よりも空燃比が低い混合気となる。そして、ピストンにより、当該混合気が圧縮行程後半に点火プラグ近傍に導かれるので、前記均質な混合気のみである場合よりも着火し易くなり、混合気全体として希薄な混合気であったとしても、安定した燃焼を実現することができる。
【0012】
さらに、前記制御手段が、前記吸気弁が開弁される前に噴射された要求される燃料の一部で第1のリーン空燃比となる均質な混合気を気筒内全体に渡って形成し、前記吸気弁が開弁された後に噴射された残りの燃料で前記キャビティ内に前記第1のリーン空燃比よりもリッチな第2のリーン空燃比となる混合気を形成するように前記燃料噴射弁による噴射燃料量をも制御することにより、キャビティ内に形成された混合気はリーン空燃比であるとともに、吸気行程に噴射された燃料はその後の行程中に気化・霧化が促進されキャビティ内の部分的にもストイキ近傍の空燃比の混合気が形成され難いので、NOxの排出を低減させることができる。また、キャビティ内の混合気が着火して火炎伝播することにより、燃焼室内の全体に渡って形成された第1のリーン空燃比である均質な混合気も燃焼するため、均質混合気の空燃比も高めることができ、燃費の向上を図ることができる。
【0013】
また、少なくともピストンあるいはシリンダヘッドのいずれかにより形成され、前記点火プラグの放電部に当てるようにスキッシュ流を発生させるスキッシュ流発生手段をさらに備えることが好適である。スキッシュ流が点火プラグの放電部に当たると、混合気の燃焼速度が速くなり、さらに燃焼を安定させることができる。
【0014】
また、本発明に係る希薄燃焼内燃機関の混合気形成方法にあっては、吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁から、内燃機関の運転状態に応じて要求される燃料の一部を吸気弁が開弁される前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射させ、残りの燃料を吸気弁が開弁された後の少なくとも吸気行程に噴射させ、前記吸気弁が開弁される前に噴射された要求される燃料の一部で気筒内全体に渡って均質な混合気を形成し、前記吸気弁が開弁された後に噴射された残りの燃料で、ピストン頂面に設けられ上死点において点火プラグ近傍に位置するキャビティ内に混合気を形成することを特徴とする。
【0015】
上述したように、かかる方法を用いると、気筒内全体に渡って均質な混合気が形成されるとともに、キャビティ内に前記均質な混合気よりも空燃比が低い混合気が形成され、当該混合気が圧縮行程後半に点火プラグ近傍に導かれるので、混合気全体として希薄な混合気であったとしても、燃焼を安定させることができる。
【0016】
さらに、前記吸気弁が開弁される前に噴射された要求される燃料の一部で気筒内全体に渡って第1のリーン空燃比の均質な混合気を形成し、前記吸気弁が開弁された後に噴射された残りの燃料でキャビティ内に前記第1のリーン空燃比よりリッチな第2のリーン空燃比の混合気を形成することが好適である。
【0017】
かかる方法を用いて形成された混合気を燃焼させると、上述したように、NOxの排出を低減させることができるとともに、燃費の向上を図ることができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【0019】
(第1の実施の形態)
図1(a)は、本発明の第1の実施の形態に係る内燃機関1の概略平面図であり、図1(b)は概略縦断面図である。図1(b)に示すように、燃焼室2は、シリンダヘッド3、シリンダブロック4、ピストン5、ピストンリング6、吸気弁7、排気弁8、点火プラグ9等により形成される。なお、ピストン5の頂面にはキャビティ5aが形成されており、点火プラグ9の先端の電極は、ピストン5が上死点に位置する際に、キャビティ5aに入り込むようになっている。
【0020】
また、当該燃焼室2には2つの吸気通路10と1つの排気通路11が開口している。そして、基本的には、当該吸気通路10に燃料を噴射する燃料噴射弁12から噴射された燃料と空気の混合気が、図示しない吸気カムによって駆動される吸気弁7がリフトすることにより、吸気通路10から燃焼室内に流入する。そして、燃焼室2内で燃焼した燃焼ガスは、図示しない排気カムによって駆動される排気弁8がリフトすることにより、排気通路11に流入し、図示しない排気浄化触媒、マフラー等を介して大気中に排出される。
【0021】
また、図1(a)に示すように、2つの吸気通路10は上流で合流しており、その合流点より上流の吸気通路10に噴出口が突出するように燃料噴射弁12が備えられている。そして、燃料噴射弁12は、内燃機関1を制御するために併設されている電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)13からの駆動信号により開弁し、その開弁時間が制御されて所望量の燃料を噴射する。
【0022】
また、ECU13は、CPU、ROM、RAM、バックアップRAM等からなる算術論理演算回路であり、機関内の冷却水温度を検出する水温センサ14、吸入空気量を検出するエアフローメータ(図示省略)、クランク軸の回転角位置を検出するクランクポジションセンサ(図示省略)、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ(図示省略)、空燃比センサ(図示省略)等の各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がECU13に入力されるようになっている。
【0023】
そして、ECU13は、例えばクランクポジションセンサからの出力信号に基づいて機関回転数を算出する等、入力された各種センサからの出力信号に基づいて所定の演算処理を行って、吸気通路に設けられ吸入空気量を制御するスロットル弁(図示省略)の開度を制御するスロットル制御、燃料噴射弁12による燃料噴射量及び噴射時期を制御する燃料噴射制御、点火プラグ9による点火時期等を制御する点火時期制御等を実行することが可能になっている。
【0024】
[燃料噴射制御の第1の実施例]
次に、本実施の形態に係る燃料噴射制御の第1の実施例について詳述する。
本実施の形態に係る内燃機関1においては、燃料噴射弁12は吸気通路10に備えられているため、吸気弁7が開弁する前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに当該燃料噴射弁12から燃料が噴射されると、特に吸気通路10が高温となっている場合は、当該燃料は吸気通路10内で気化・霧化するので、吸気通路10から気筒内に流入する過程で、気筒内に吸入される空気との混合が促進され、気筒内全体に渡って均質な混合気が形成される。
【0025】
一方、吸気弁7が開弁した後の、例えば吸気行程初期に噴射された燃料は、完全に気化する前に、気筒内に吸入される空気の流れにしたがって気筒内に流入し、図2に示すようにピストン5の頂面に形成されたキャビティ5aに溜まり、キャビティ5a内で気化する。
【0026】
そのため、吸気弁7が開弁する前後に噴射する燃料量を調節することで、気筒内全体に渡って、所定のリーン空燃比(例えば、A/F=30、以下「第1のリーン空燃比」という。)の均質な混合気を形成するとともに、キャビティ5a内に前記第1のリーン空燃比よりもリッチなリーン空燃比(例えば、A/F=20、以下「第2のリーン空燃比」という。)の混合気を形成することができる。
【0027】
そして、キャビティ5a内の混合気は、圧縮行程において、点火プラグ近傍に導かれる。その後、点火プラグにより火花放電されると、当該第2のリーン空燃比の混合気は、例えばA/F=約20のリーン空燃比ではある場合は着火可能な空燃比であるため、着火して燃焼する。さらに、火炎伝播することにより、第1のリーン空燃比である均質な混合気の空燃比がA/F=約30であるとしても、当該均質な混合気も燃焼する。
【0028】
ただし、吸気弁7が開弁した後に燃料を噴射したからといって、必ずキャビティ5a内に当該燃料が溜まるとは限らないので、吸気弁7が開弁した後の噴射による燃料をキャビティ内に溜まらすことができる噴射時期の限界(以下、「噴射限界時期」という。)を算出しておき、吸気弁7が開弁した後に噴射する場合は、当該噴射限界時期以前に噴射終了するようにする。
【0029】
この噴射限界時期は、燃料噴射弁の位置,向き、吸気ポートの形状による燃料の流れ、キャビティの形状,大きさ、ピストンスピード(機関回転数)、吸入空気量等によって変化するものである。
【0030】
ただし、内燃機関1毎に燃料噴射弁の位置,向き、吸気ポートの形状、キャビティの形状,大きさが固定されると、当該噴射限界時期は、機関回転数あるいは吸入空気量に応じて変化する。すなわち、同じクランク軸回転角度で噴射したとしても、機関回転数が低い場合は、キャビティ内に溜まらせることができる場合であっても、機関回転数が高い場合、つまり、ピストンの下降スピードが速い場合は、噴射された燃料がシリンダの対向壁面にぶつかるだけで、キャビティ内には溜まらないおそれがある。
【0031】
そのため、内燃機関1の運転状態毎に、あらかじめ噴射限界時期を設定しておくことが必要となる。
【0032】
なお、吸気弁開弁後に噴射された燃料を、気筒内に流入する混合気の流れにのせてキャビティ内に導くようなタンブル流を発生させるように吸気ポートを形成することで、噴射限界時期を遅らせることができる。
【0033】
そして、本実施例に係る燃料噴射制御においては、図3の1回噴射パターンに示したように燃料噴射弁12を1回だけ開弁させて、前記噴射限界時期を越えないように、かつ、上述したような空燃比となるように、噴射時期と噴射量(噴射弁開弁期間)を制御するようにする。
【0034】
具体的には、ECU13が、以下のように燃料噴射弁12による噴射燃料量及び噴射時期を制御する燃料噴射制御を実行する。これは、図4のフローチャート図に示した制御ルーチンにしたがって燃料噴射弁3を制御するものである。
【0035】
この制御ルーチンは、予めECU13のROMに記憶されているルーチンであり、一定時間の経過、あるいは上述したクランクポジションセンサからのパルス信号の入力などをトリガとした割り込み処理としてECU13が実行するルーチンである。
【0036】
本ルーチンでは、先ず、ステップ100において、吸入空気量、アクセル開度、機関回転数を算出する。これは、上述したエアフローメータ、アクセル開度センサ、クランクポジションセンサの検出値を基にECU13が算出するものである。
【0037】
その後ステップ101へ進み、要求燃料噴射量を算出する。これは、ステップ100にて算出したアクセル開度及び機関回転数から、あらかじめ設定されたマップに基づいて目標空燃比を算出し、当該算出した目標空燃比とステップ100にて算出した吸入空気量等をパラメータとして、例えばあらかじめ設定されたマップに基づいて、要求燃料噴射量を算出するものである。なお、上述したように、目標空燃比は、基本的には、吸気弁7が開弁する前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射する燃料で第1のリーン空燃比(例えば、A/F=30)の均質混合気を気筒内全体に渡って形成し、吸気弁7が開弁した後の少なくとも吸気行程に噴射する燃料で第1のリーン空燃比よりもリッチである第2のリーン空燃比(例えば、A/F=20)の混合気をキャビティ5a内に形成できるようにマップに設定されている。
【0038】
その後ステップ102へ進み、この要求燃料噴射量の内、吸気弁の開弁前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射する燃料量と吸気弁の開弁後の少なくとも吸気行程に噴射する燃料量とを決定する。これは、前述したようにあらかじめ設定されたマップに基づいて決定するものである。また、ステップ101にて要求噴射量を算出し、ステップ102にて吸気弁の開弁前に噴射する燃料量と吸気弁の開弁後に噴射する燃料量とを決定するのではなく、単に、吸気弁の開弁前に噴射する燃料量と吸気弁の開弁後に噴射する燃料量とを算出するようにしてもよい。
【0039】
その後ステップ103へ進み、吸気弁開弁後の噴射終了時期を決定する。これは、ステップ102にて算出した吸気弁開弁後に噴射する燃料量と噴射する燃料の圧力とに基づいて燃料噴射弁の開弁時間を算出し、当該開弁時間を、機関回転数を基にクランク軸回転角度に換算する。そして、クランク軸回転角度で定められている吸気弁開弁開始時期に開弁時間を換算したクランク軸回転角度を加算して、吸気弁開弁後の噴射終了時期を決定するものである。なお、マップに設定された目標空燃比等が、吸気弁開弁後の噴射終了時期が前記噴射限界時期を越えないように設定されているので、本ステップの手法を用いて吸気弁開弁後の噴射終了時期を決定しても前記噴射限界時期を越えることはない。
【0040】
その後ステップ104へ進み、吸気弁開弁前噴射開始時期を決定する。これは、ステップ102にて算出した吸気弁開弁前に噴射する燃料量と噴射する燃料の圧力とに基づいて燃料噴射弁の開弁時間を算出し、当該開弁時間を、機関回転数を基にクランク軸回転角度に換算する。そして、クランク軸回転角度で定められている吸気弁開弁開始時期に吸気弁開弁前に噴射する燃料量を噴射終了するように、吸気弁開弁開始時期のクランク軸回転角度から、開弁時間を換算したクランク軸回転角度を減算して、吸気弁開弁前の噴射開始時期を決定するものである。
【0041】
その後ステップ105へ進み、ステップ104にて決定した噴射開始時期に燃料を噴射開始させるように燃料噴射弁を制御する。
【0042】
均質な混合気を燃焼させて希薄化を図るには、失火する等して燃焼が不安定になるために限界があるが、このように、吸気弁7が開弁する前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射する燃料で第1のリーン空燃比の均質混合気を形成し、吸気弁7が開弁した後の少なくとも吸気行程に噴射する燃料で第1のリーン空燃比よりもリッチであるがリーン空燃比である第2のリーン空燃比の混合気をキャビティ5a内に形成し、当該第2のリーン空燃比の混合気を点火プラグ近傍に導いて点火することで、安定した燃焼と燃費向上との両立を実現することができる。
【0043】
また、キャビティ内に形成された混合気はリーン空燃比であるとともに、吸気行程に噴射された燃料はその後の行程中に気化・霧化が促進されることによりキャビティ内の部分的にもストイキ近傍の空燃比の混合気が形成され難いので、NOxの排出を低減させることもできる。
【0044】
[燃料噴射制御の第2の実施例]
第1の実施例で述べたのは、目標燃料量全てを燃料噴射弁の1度の開弁で噴射する場合について述べたが、本実施例に係る燃料噴射制御においては、図3の2回噴射パターンに示したように燃料噴射弁12を2度開弁させ、2度の噴射量の総量が目標燃料噴射量となるようにするものである。
【0045】
かかる場合も、吸気弁7が開弁する前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射する燃料で第1のリーン空燃比の均質混合気を形成し、吸気弁7が開弁した後の少なくとも吸気行程に噴射する燃料で第1のリーン空燃比よりもリッチである第2のリーン空燃比の混合気をキャビティ内に形成できるように、吸気弁7の開弁前後で噴射する燃料量を調整するものである。
【0046】
このように目標燃料噴射量を2回に分けて噴射することで、図3に示したような1回噴射パターンに比して、吸気弁7が開弁する前の早いタイミングで燃料が噴射されるので、吸気ポート内に噴射した燃料を長い時間ポート内に留めておくことができ、気筒内に流入する前に当該燃料が気化・霧化するのを促進させることができる。
【0047】
但し、燃料噴射弁3が閉弁して再度開弁するにはインターバルが必要であるため、目標燃料噴射量、機関回転数等によっては燃料噴射弁3を2度開弁させることが困難な場合もある。例えば、高負荷高回転の運転状態においては、目標燃料噴射量も多く機関回転数も高いため、少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに燃料噴射弁3を1度開閉し、吸気弁7が開弁した後に再度燃料噴射弁3を開弁することができない場合もあり得る。
【0048】
したがって、内燃機関1の目標燃料噴射量、機関回転数、機関温度、燃圧等に応じてどちらの噴射パターンを採用するかを決定することが好ましく、内燃機関1の運転状態に応じて第1の実施例の1回噴射パターンとするか第2の実施例の2回噴射パターンとするかを切り替えることが好適である。
【0049】
次に、具体的に、本実施例に係るECU13が実行する燃料噴射制御について、図5のフローチャート図に示した制御ルーチンにしたがって説明する。
【0050】
本ルーチンにおいては、先ず、ステップ200において、吸入空気量、アクセル開度、機関回転数を算出し、その後ステップ201へ進み、要求燃料噴射量を算出する。そして、ステップ202へ進み、この要求燃料噴射量の内、吸気弁の開弁前の膨張行程あるいは排気行程に噴射する燃料量と吸気弁の開弁後に噴射する燃料量とを決定する。これらは、第1実施例と同一であるのでその説明は省略するこれは、
【0051】
その後ステップ203へ進み、吸気弁開弁後の燃料噴射時期を決定する。これは、上述したのと同様の手法により開弁時間を算出し、吸気弁の開弁開始から上述した噴射限界時期の範囲内で決定するものであり、例えばあらかじめ定められたマップに基づいて決定されるものである。
【0052】
その後ステップ204へ進み、吸気弁開弁前噴射開始時期を決定する。これは、ステップ202にて算出した吸気弁開弁前に噴射する燃料量と噴射する燃料の圧力とに基づいて燃料噴射弁の開弁時間を算出し、当該開弁時間を、機関回転数を基にクランク軸回転角度に換算する。そして、燃料噴射弁を閉弁させてから再度開弁させるまでのインターバルをも考慮して、吸気弁開弁前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射開始する時期を決定するものであり、例えばあらかじめ定められたマップに基づいて決定されるものである。
【0053】
その後ステップ105へ進み、ステップ104にて決定した噴射開始時期に燃料を噴射開始させるように燃料噴射弁を制御する。
【0054】
このようにすることで、上述したのと同様に、安定した燃焼を実現しつつ、排出するNOx量を低減するとともに燃費の向上を図ることができる。
【0055】
(第2の実施の形態)
本実施の形態においては、第1の実施の形態に対して、さらに、点火プラグ9の放電部に当てるようにスキッシュ流を発生させるスキッシュ流発生手段を備えた。
【0056】
具体的には、図6に示すように、ピストン5の頂面の中央部にキャビティ5aを設け、さらに、スキッシュエリアを設けたペントルーフ型燃焼室において、点火プラグ9をスキッシュエリア近傍に配置し、スキッシュ流が、燃焼室中央部へ向けて水平方向に吹き出し、点火プラグの放電部9aに当たるように、ピストン頂部のキャビティ周縁部を面取りし、その先端を丸形状にして、スキッシュ流発生手段を形成している。なお、当該スキッシュ流発生手段を設ける範囲は内燃機関毎に定められるものであるが、少なくとも点火プラグ9近傍の範囲に設けることが好適である。
【0057】
第1の実施の形態においても、図7に示したようなスキッシュ流が発生し、燃焼速度が速くなるため燃費が向上する。しかし、単に図7に示したようなスキッシュ流を発生させたのでは、当該スキッシュ流は燃焼室頂部に向かうため、スキッシュ流が点火プラグ9の放電部9aには当たらない。また、火炎がキャビティ5aの底部に到達するのが遅いため、燃焼速度がピストンの降下に追いつかず、適切に火炎伝播せずに燃焼が不安定になるおそれがある。
【0058】
そこで、本実施の形態においては、上述したように図6に示す形状とした。かかる形状にすることで、圧縮行程でピストン上昇によりスキッシュエリアから水平方向に向けて吹き出すスキッシュ流が、点火プラグ9の放電部9aに当たることにより、火炎伝播が促進されるとともに、当該スキッシュ流が水平方向に向かうことにより燃焼室中央部に向かい、その後にキャビティ5aの底部に到達するため、キャビティ5aの底部に火炎伝播するのが速くなるので、安定した燃焼を実現することができる。
【0059】
また、ピストン頂部のキャビティ周縁部を面取りする代わりに、図8に示すように、スキッシュ流発生手段として、シリンダヘッド3の点火プラグ9近傍に燃焼室2内に突出させるような凸部を設け、スキッシュ流を点火プラグの放電部へ導くようにしてもよい。かかる場合も上述したように、圧縮行程でピストン上昇によりスキッシュエリアから水平方向に向けて吹き出すスキッシュ流が、点火プラグの放電部に当たることにより、火炎伝播が促進されるとともに、当該スキッシュ流が水平方向に向かうことにより燃焼室中央部に向かい、キャビティの底部に火炎伝播するのが速くなるので、安定した燃焼を実現することができる。
【0060】
また、図9に示すように、スキッシュ流発生手段として、ピストン頂部のキャビティ周縁部を面取りして、その先端を丸形状にするとともに、シリンダヘッド3の点火プラグ9近傍に、燃焼室2内に突出させるような凸部を設けるのが好適である。かかる場合も上述したように、圧縮行程でピストン上昇によりスキッシュエリアから水平方向に向けてスキッシュ流が吹き出すが、単にピストン頂部のキャビティ周縁部を面取りすることあるいは燃焼室2内に突出させるような凸部をシリンダヘッド側に設けることと比較すると、その流速がさらに速くなり、点火プラグ9の放電部に当たることにより、火炎伝播がさらに促進される。また、当該スキッシュ流が水平方向に向かうことにより燃焼室中央部に向かい、キャビティの底部に火炎伝播するのがさらに速くなるので、さらに燃焼を安定させることができる。
【0061】
なお、以上の第1の実施の形態及び第2の実施の形態においては、吸気弁を2つ、排気弁を1つ備え、点火プラグを2つ備えた構成の内燃機関を例示したが、図10に示すように、吸気弁を2つ、排気弁を2つ備えた内燃機関であって、点火プラグを4つの弁の略中心に1つ備えた構成であるものにも適用することができる。かかる場合も、点火プラグ9近傍のキャビティ5a内に第2のリーン空燃比の混合気が形成されるように、吸気ポートの形状、キャビティの形状等を決定する。
【0062】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、気筒内全体に渡って希薄で均質な混合気が形成されるとともに、キャビティ内に前記均質な混合気よりも空燃比が低い混合気が形成され、当該混合気が圧縮行程後半に点火プラグ近傍に導かれるので、安定した燃焼を実現しつつ、燃費の向上を図ることができる。
【0063】
また、吸気弁が開弁される前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射された燃料の一部で第1のリーン空燃比となる均質な混合気が気筒内に形成され、吸気弁が開弁した後の少なくとも吸気行程に噴射された残りの燃料でキャビティ内に前記第1のリーン空燃比よりもリッチな第2のリーン空燃比となる混合気が形成されると、吸気行程に噴射された燃料は、その後の行程中に気化・霧化が促進されるためキャビティ内の部分的にもストイキ近傍の空燃比の混合気が形成され難くなり、NOxの排出を低減させることができる。また、キャビティ内の混合気が着火して火炎伝播することにより、燃焼室内の全体に渡って形成された第1のリーン空燃比である均質な混合気も燃焼するため、均質な混合気の空燃比も高めることができるので、燃費の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は、第1の実施の形態に係る内燃機関の概略平面図であり、(b)は、概略縦断面図である。
【図2】吸気弁が開弁された後に噴射された燃料がピストンの頂面に設けられたキャビティ内に溜まる様子を示した図である。
【図3】本発明の実施の形態に係る燃料噴射制御による噴射パターンを示した図である。
【図4】燃料噴射制御の第1の実施例に係る制御ルーチンを示すフローチャート図である。
【図5】燃料噴射制御の第2の実施例に係る制御ルーチンを示すフローチャート図である。
【図6】第2の実施の形態に係る内燃機関の燃焼室周辺の概略縦断面図である。
【図7】第1の実施の形態に係る内燃機関の燃焼室周辺の概略縦断面図である。
【図8】第2の実施の形態に係る他の内燃機関の燃焼室周辺の概略縦断面図である。
【図9】第2の実施の形態に係る他の内燃機関の燃焼室周辺の概略縦断面図である。
【図10】本発明を適用可能な他の内燃機関の概略平面図である。
【符号の説明】
1 内燃機関
2 燃焼室
3 シリンダヘッド
4 シリンダブロック
5 ピストン
5a キャビティ
6 ピストンリング
7 吸気弁
8 排気弁
9 点火プラグ
10 吸気通路
11 排気通路
12 燃料噴射弁
13 ECU
14 水温センサ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a lean combustion internal combustion engine provided with a fuel injection valve for injecting fuel into an intake passage.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, it has been desired to improve the fuel consumption of an internal combustion engine. As an internal combustion engine to meet this demand, fuel is directly injected into the cylinder, so that a mixture with good ignitability is formed only near the spark plug at the time of ignition. 2. Description of the Related Art An in-cylinder injection spark ignition type internal combustion engine that enables combustion of air is known (see, for example, Patent Document 1).
[0003]
This is because a part of the fuel is injected during the intake stroke to form a lean and homogeneous mixture in the cylinder, and the remaining fuel is injected during the compression stroke to easily ignite around the spark plug. Is formed.
[0004]
Further, in an internal combustion engine having a fuel injection valve at the intake port, fuel is injected during the expansion stroke or exhaust stroke before the intake valve is opened, and fuel vaporization / atomization is promoted to homogenize the cylinder. This makes it possible to burn a lean air-fuel mixture and improve fuel efficiency.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2003-13784
[Patent Document 2]
JP-A-6-317161
[Patent Document 3]
JP 2001-98945 A
[Patent Document 4]
JP 2000-274248 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described in-cylinder injection spark ignition internal combustion engine, even if the air-fuel ratio in the cylinder as a whole is lean, the air-fuel mixture formed around the spark plug is injected during the compression stroke. Therefore, the time until ignition is short, and the fuel is difficult to vaporize and atomize, so there is a possibility that the air-fuel ratio will be partially rich. A large amount of nitrogen oxides (NOx) may be discharged due to combustion of the air-fuel mixture that is the rich air-fuel ratio.
[0007]
On the other hand, in an internal combustion engine equipped with a fuel injection valve in the intake port, even if fuel vaporization / atomization is promoted to form a homogeneous mixture, the air-fuel ratio to be ignited is limited. If the air-fuel ratio is lean, there is a risk of misfire during operation of the internal combustion engine, and it is difficult to achieve both stable combustion and improved fuel efficiency.
[0008]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and the object of the present invention is a lean combustion capable of reducing the amount of NOx discharged and improving fuel efficiency while realizing stable combustion. It is to provide an internal combustion engine.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the lean combustion internal combustion engine according to the present invention, a fuel injection valve for injecting fuel into the intake passage, and a portion of the fuel required according to the operating state of the internal combustion engine are taken in. The injection timing by the fuel injection valve is injected so that at least either the expansion stroke or the exhaust stroke before the valve is opened and the remaining fuel is injected at least in the intake stroke after the intake valve is opened. The control means for controlling and the remaining fuel injected in the intake stroke are accumulated in a cavity provided on the top surface to form an air-fuel mixture in the cavity, and the air-fuel mixture is brought near the spark plug in the latter half of the compression stroke. And a guiding piston.
[0010]
In an internal combustion engine equipped with a fuel injection valve in the intake passage, even if fuel vaporization / atomization is promoted to form a homogeneous mixture in the cylinder, the air-fuel ratio to ignite is limited. If the air / fuel ratio is excessively lean, a misfire may occur during operation of the internal combustion engine, and it may be difficult to achieve stable combustion.
[0011]
On the other hand, in the lean combustion internal combustion engine according to the present invention, the fuel injection valve provided in the intake passage causes a part of the fuel required according to the operation state of the internal combustion engine to open the intake valve. When injected into at least one of the expansion stroke or the exhaust stroke before being performed, vaporization / atomization is promoted before the intake valve is opened, and a lean and homogeneous air-fuel mixture is formed in the cylinder. On the other hand, when the remaining fuel is injected at least in the intake stroke after the intake valve is opened, it is stored in a cavity provided on the top surface of the piston, and an air-fuel mixture is formed in the cavity. . The air-fuel ratio formed in the cavity is more air-fuel ratio than the homogeneous air-fuel mixture because further fuel is added to the homogeneous air-fuel mixture injected before the intake valve is opened. Becomes a low air-fuel mixture. And, since the air-fuel mixture is led to the vicinity of the spark plug in the latter half of the compression stroke by the piston, it becomes easier to ignite than when only the homogeneous air-fuel mixture is present, and even if the air-fuel mixture is a lean air-fuel mixture as a whole Stable combustion can be realized.
[0012]
Furthermore, the control means forms a homogeneous air-fuel mixture that becomes a first lean air-fuel ratio in a part of the required fuel injected before the intake valve is opened over the entire cylinder, The fuel injection valve is configured to form an air-fuel mixture having a second lean air-fuel ratio richer than the first lean air-fuel ratio in the cavity with the remaining fuel injected after the intake valve is opened. By controlling the amount of fuel injected by the air-fuel ratio, the air-fuel mixture formed in the cavity has a lean air-fuel ratio, and the fuel injected in the intake stroke is promoted to vaporize and atomize during the subsequent stroke. Since it is difficult to partially form an air-fuel ratio mixture in the vicinity of stoichiometry, NOx emission can be reduced. Further, since the air-fuel mixture in the cavity is ignited and propagates in the flame, the homogeneous air-fuel mixture that is the first lean air-fuel ratio formed throughout the combustion chamber is also burned. The fuel consumption can be improved.
[0013]
In addition, it is preferable that the apparatus further includes a squish flow generating means that is formed by at least one of a piston and a cylinder head and generates a squish flow so as to hit the discharge portion of the spark plug. When the squish flow hits the discharge part of the spark plug, the combustion speed of the air-fuel mixture increases, and the combustion can be further stabilized.
[0014]
In the lean-burn internal combustion engine formation method according to the present invention, a part of the fuel required in accordance with the operating state of the internal combustion engine is supplied from the fuel injection valve that injects fuel into the intake passage. Before at least the expansion stroke or the exhaust stroke is injected, and the remaining fuel is injected at least after the intake valve is opened, before the intake valve is opened. A part of the required fuel that is injected forms a homogeneous air-fuel mixture throughout the cylinder, and the remaining fuel that is injected after the intake valve is opened. An air-fuel mixture is formed in a cavity located in the vicinity of the spark plug at a point.
[0015]
As described above, when such a method is used, a homogeneous air-fuel mixture is formed throughout the cylinder, and an air-fuel mixture having a lower air-fuel ratio than the homogeneous air-fuel mixture is formed in the cavity. Is led to the vicinity of the spark plug in the latter half of the compression stroke, so that combustion can be stabilized even if the mixture is lean as a whole.
[0016]
Further, a part of the required fuel injected before the intake valve is opened forms a homogeneous mixture of the first lean air-fuel ratio over the entire cylinder, and the intake valve is opened. It is preferable to form a second lean air-fuel ratio mixture richer than the first lean air-fuel ratio in the cavity with the remaining fuel injected after being applied.
[0017]
When the air-fuel mixture formed using such a method is combusted, as described above, NOx emissions can be reduced and fuel efficiency can be improved.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Exemplary embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention only to those unless otherwise specified. Absent.
[0019]
(First embodiment)
FIG. 1A is a schematic plan view of the internal combustion engine 1 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a schematic longitudinal sectional view. As shown in FIG. 1B, the combustion chamber 2 is formed by a cylinder head 3, a cylinder block 4, a piston 5, a piston ring 6, an intake valve 7, an exhaust valve 8, a spark plug 9, and the like. A cavity 5a is formed on the top surface of the piston 5, and the electrode at the tip of the spark plug 9 enters the cavity 5a when the piston 5 is located at the top dead center.
[0020]
Further, two intake passages 10 and one exhaust passage 11 are opened in the combustion chamber 2. Basically, the fuel / air mixture injected from the fuel injection valve 12 that injects fuel into the intake passage 10 is lifted by the intake valve 7 driven by an intake cam (not shown), thereby It flows from the passage 10 into the combustion chamber. The combustion gas burned in the combustion chamber 2 flows into the exhaust passage 11 when the exhaust valve 8 driven by an exhaust cam (not shown) is lifted, and enters the atmosphere via an exhaust purification catalyst, a muffler, etc. (not shown). To be discharged.
[0021]
Further, as shown in FIG. 1 (a), the two intake passages 10 merge upstream, and a fuel injection valve 12 is provided so that the injection port protrudes into the intake passage 10 upstream from the junction. Yes. The fuel injection valve 12 is opened by a drive signal from an electronic control unit (ECU: Electronic Control Unit) 13 provided to control the internal combustion engine 1, and the valve opening time is controlled to a desired amount. Inject fuel.
[0022]
The ECU 13 is an arithmetic and logic circuit comprising a CPU, ROM, RAM, backup RAM, and the like. The ECU 13 is a water temperature sensor 14 for detecting the cooling water temperature in the engine, an air flow meter (not shown) for detecting the intake air amount, a crank Various sensors such as a crank position sensor (not shown) for detecting the rotational angle position of the shaft, an accelerator opening sensor (not shown) for detecting the accelerator opening, and an air-fuel ratio sensor (not shown) are connected via electric wiring. The output signals of the various sensors described above are input to the ECU 13.
[0023]
The ECU 13 performs predetermined calculation processing based on the output signals from the various sensors input, such as calculating the engine speed based on the output signal from the crank position sensor, for example, and is provided in the intake passage. Throttle control for controlling the opening of a throttle valve (not shown) for controlling the air amount, fuel injection control for controlling the fuel injection amount and injection timing by the fuel injection valve 12, ignition timing for controlling the ignition timing by the spark plug 9, etc. It is possible to execute control and the like.
[0024]
[First embodiment of fuel injection control]
Next, a first example of the fuel injection control according to the present embodiment will be described in detail.
In the internal combustion engine 1 according to the present embodiment, since the fuel injection valve 12 is provided in the intake passage 10, the fuel injection valve is at least in either the expansion stroke or the exhaust stroke before the intake valve 7 is opened. When the fuel is injected from 12, particularly when the intake passage 10 is at a high temperature, the fuel is vaporized and atomized in the intake passage 10, so that in the process of flowing into the cylinder from the intake passage 10, Mixing with the air sucked into the inside is promoted, and a homogeneous air-fuel mixture is formed throughout the cylinder.
[0025]
On the other hand, the fuel injected after the intake valve 7 is opened, for example, at the beginning of the intake stroke, flows into the cylinder according to the flow of air sucked into the cylinder before being completely vaporized. As shown, it collects in the cavity 5a formed on the top surface of the piston 5 and vaporizes in the cavity 5a.
[0026]
Therefore, by adjusting the amount of fuel injected before and after the intake valve 7 is opened, a predetermined lean air-fuel ratio (for example, A / F = 30, hereinafter “first lean air-fuel ratio” throughout the cylinder). )) And a rich air-fuel ratio (for example, A / F = 20, hereinafter “second lean air-fuel ratio”) that is richer than the first lean air-fuel ratio in the cavity 5a. Can be formed.
[0027]
The air-fuel mixture in the cavity 5a is guided to the vicinity of the spark plug in the compression stroke. Thereafter, when a spark discharge is caused by the spark plug, the air-fuel mixture of the second lean air-fuel ratio is ignitable because it is an air-fuel ratio that can be ignited when the lean air-fuel ratio is, for example, A / F = about 20. Burn. Further, by propagating the flame, even if the air-fuel ratio of the homogeneous air-fuel mixture that is the first lean air-fuel ratio is A / F = about 30, the homogeneous air-fuel mixture also burns.
[0028]
However, just because the fuel is injected after the intake valve 7 is opened, the fuel does not always accumulate in the cavity 5a. Therefore, the fuel from the injection after the intake valve 7 is opened enters the cavity. When an injection timing limit (hereinafter referred to as “injection limit timing”) that can be accumulated is calculated and injection is performed after the intake valve 7 is opened, the injection is terminated before the injection limit timing. To do.
[0029]
This injection limit timing varies depending on the position and orientation of the fuel injection valve, the fuel flow depending on the shape of the intake port, the shape and size of the cavity, the piston speed (engine speed), the intake air amount, and the like.
[0030]
However, when the position and orientation of the fuel injection valve, the shape of the intake port, the shape of the cavity, and the size are fixed for each internal combustion engine 1, the injection limit timing changes according to the engine speed or the intake air amount. . That is, even if injection is performed at the same crankshaft rotation angle, if the engine speed is low, even if it can be accumulated in the cavity, if the engine speed is high, that is, the piston descending speed is fast In such a case, the injected fuel may only collide with the opposing wall surface of the cylinder and may not accumulate in the cavity.
[0031]
Therefore, it is necessary to set the injection limit timing in advance for each operating state of the internal combustion engine 1.
[0032]
By forming the intake port so as to generate a tumble flow that directs the fuel injected after opening the intake valve into the cavity on the flow of the air-fuel mixture flowing into the cylinder, the injection limit timing is set. Can be delayed.
[0033]
In the fuel injection control according to the present embodiment, the fuel injection valve 12 is opened only once as shown in the single injection pattern of FIG. 3 so that the injection limit time is not exceeded, and The injection timing and the injection amount (injection valve opening period) are controlled so as to achieve the air-fuel ratio as described above.
[0034]
Specifically, the ECU 13 executes fuel injection control for controlling the amount of fuel injected by the fuel injection valve 12 and the injection timing as follows. This controls the fuel injection valve 3 according to the control routine shown in the flowchart of FIG.
[0035]
This control routine is a routine that is stored in advance in the ROM of the ECU 13, and is a routine that is executed by the ECU 13 as an interrupt process triggered by the passage of a fixed time or the input of a pulse signal from the crank position sensor described above. .
[0036]
In this routine, first, in step 100, the intake air amount, the accelerator opening, and the engine speed are calculated. This is calculated by the ECU 13 based on the detected values of the air flow meter, accelerator opening sensor, and crank position sensor described above.
[0037]
Thereafter, the routine proceeds to step 101, where the required fuel injection amount is calculated. This is because the target air-fuel ratio is calculated from the accelerator opening calculated in step 100 and the engine speed based on a preset map, and the calculated target air-fuel ratio and the intake air amount calculated in step 100, etc. Is used as a parameter, for example, to calculate the required fuel injection amount based on a preset map. As described above, the target air-fuel ratio is basically the first lean air-fuel ratio (for example, AA) that is fuel injected into at least either the expansion stroke or the exhaust stroke before the intake valve 7 is opened. / F = 30) is formed over the entire cylinder, and is a fuel that is injected at least in the intake stroke after the intake valve 7 is opened, and is richer than the first lean air-fuel ratio. The map is set so that a mixture of lean air-fuel ratio (for example, A / F = 20) can be formed in the cavity 5a.
[0038]
Thereafter, the routine proceeds to step 102, and among the required fuel injection amount, the amount of fuel injected into at least either the expansion stroke or the exhaust stroke before the intake valve is opened and the fuel injected into at least the intake stroke after the intake valve is opened. Determine the amount. This is determined based on a map set in advance as described above. In step 101, the required injection amount is calculated, and in step 102, the fuel amount to be injected before the intake valve is opened and the fuel amount to be injected after the intake valve is opened are not simply determined. The amount of fuel injected before the valve is opened and the amount of fuel injected after the intake valve is opened may be calculated.
[0039]
Thereafter, the routine proceeds to step 103, where the injection end timing after the intake valve is opened is determined. This calculates the valve opening time of the fuel injection valve based on the fuel amount injected after the intake valve opening calculated in step 102 and the pressure of the injected fuel, and the valve opening time is calculated based on the engine speed. Convert to the crankshaft rotation angle. Then, the crankshaft rotation angle obtained by converting the valve opening time is added to the intake valve opening start timing determined by the crankshaft rotation angle, and the injection end timing after the intake valve opening is determined. Note that the target air-fuel ratio, etc. set in the map is set so that the injection end timing after the intake valve opening does not exceed the injection limit timing. Even if the injection end time is determined, the injection limit time is not exceeded.
[0040]
Thereafter, the routine proceeds to step 104, where the injection start timing before intake valve opening is determined. This calculates the valve opening time of the fuel injection valve based on the fuel amount injected before the intake valve opening calculated in step 102 and the pressure of the injected fuel, and the valve opening time is calculated as the engine speed. Based on the crankshaft rotation angle. Then, from the crankshaft rotation angle at the intake valve opening start timing, the valve opening is started so that the fuel amount injected before the intake valve opening at the intake valve opening start timing determined by the crankshaft rotation angle is terminated. The crankshaft rotation angle converted from time is subtracted to determine the injection start timing before the intake valve is opened.
[0041]
Thereafter, the routine proceeds to step 105, where the fuel injection valve is controlled so as to start fuel injection at the injection start timing determined in step 104.
[0042]
In order to dilute by burning a homogeneous air-fuel mixture, there is a limit because the combustion becomes unstable due to misfire or the like, but in this way, at least the expansion stroke before the intake valve 7 is opened or The fuel injected into one of the exhaust strokes forms a homogeneous mixture of the first lean air-fuel ratio, and is richer than the first lean air-fuel ratio with the fuel injected at least in the intake stroke after the intake valve 7 is opened. However, stable combustion is achieved by forming a second lean air-fuel ratio air-fuel mixture in the cavity 5a and igniting the second lean air-fuel mixture in the vicinity of the spark plug. And the improvement of fuel efficiency can be realized.
[0043]
In addition, the air-fuel mixture formed in the cavity has a lean air-fuel ratio, and the fuel injected in the intake stroke is partly near the stoichiometry in the cavity by promoting vaporization and atomization during the subsequent stroke. Since it is difficult to form an air-fuel mixture of the same air-fuel ratio, NOx emissions can be reduced.
[0044]
[Second Embodiment of Fuel Injection Control]
In the first embodiment, the case where the entire target fuel amount is injected by opening the fuel injection valve once has been described. However, in the fuel injection control according to the present embodiment, two times of FIG. As shown in the injection pattern, the fuel injection valve 12 is opened twice so that the total amount of the two injection amounts becomes the target fuel injection amount.
[0045]
Also in such a case, after the intake valve 7 is opened, the first lean air-fuel ratio homogeneous mixture is formed with the fuel injected at least in either the expansion stroke or the exhaust stroke before the intake valve 7 is opened. The amount of fuel to be injected before and after the intake valve 7 is opened so that a fuel mixture injected at least in the intake stroke and having a second lean air-fuel ratio richer than the first lean air-fuel ratio can be formed in the cavity. To be adjusted.
[0046]
By injecting the target fuel injection amount in two times in this way, fuel is injected at an earlier timing before the intake valve 7 is opened than in the single injection pattern as shown in FIG. Therefore, the fuel injected into the intake port can be kept in the port for a long time, and the fuel can be promoted to vaporize and atomize before flowing into the cylinder.
[0047]
However, an interval is required for the fuel injection valve 3 to be closed and opened again, so that it is difficult to open the fuel injection valve 3 twice depending on the target fuel injection amount, engine speed, etc. There is also. For example, in a high-load high-rotation operation state, the target fuel injection amount is large and the engine speed is high, so that the fuel injection valve 3 is opened and closed at least once during either the expansion stroke or the exhaust stroke, and the intake valve 7 is opened. There may be a case where the fuel injection valve 3 cannot be opened again after the valve is opened.
[0048]
Therefore, it is preferable to determine which injection pattern is adopted according to the target fuel injection amount, engine speed, engine temperature, fuel pressure, and the like of the internal combustion engine 1, and the first is determined according to the operating state of the internal combustion engine 1. It is preferable to switch between the single injection pattern of the embodiment and the double injection pattern of the second embodiment.
[0049]
Next, the fuel injection control executed by the ECU 13 according to the present embodiment will be specifically described according to the control routine shown in the flowchart of FIG.
[0050]
In this routine, first, in step 200, the intake air amount, the accelerator opening, and the engine speed are calculated, and then the routine proceeds to step 201, where the required fuel injection amount is calculated. Then, the routine proceeds to step 202, and among the required fuel injection amounts, the fuel amount to be injected in the expansion stroke or the exhaust stroke before the intake valve is opened and the fuel amount to be injected after the intake valve is opened are determined. Since these are the same as the first embodiment, the description thereof is omitted.
[0051]
Thereafter, the routine proceeds to step 203 where the fuel injection timing after the intake valve is opened is determined. This is to calculate the valve opening time by the same method as described above, and to determine it within the range of the injection limit timing described above from the start of opening of the intake valve, for example, determined based on a predetermined map It is what is done.
[0052]
Thereafter, the routine proceeds to step 204 where the injection start timing before intake valve opening is determined. This calculates the valve opening time of the fuel injection valve based on the fuel amount injected before the intake valve opening calculated in step 202 and the pressure of the injected fuel, and the valve opening time is calculated as the engine speed. Based on the crankshaft rotation angle. Then, taking into account the interval from when the fuel injection valve is closed to when it is opened again, the timing for starting injection at least in either the expansion stroke or the exhaust stroke before the intake valve is opened is determined. For example, it is determined based on a predetermined map.
[0053]
Thereafter, the routine proceeds to step 105, where the fuel injection valve is controlled so as to start fuel injection at the injection start timing determined in step 104.
[0054]
By doing in this way, the amount of NOx to be discharged can be reduced and the fuel efficiency can be improved while realizing stable combustion as described above.
[0055]
(Second Embodiment)
In the present embodiment, a squish flow generating means for generating a squish flow so as to be applied to the discharge part of the spark plug 9 is further provided in the first embodiment.
[0056]
Specifically, as shown in FIG. 6, in the pent roof type combustion chamber provided with a cavity 5a in the center of the top surface of the piston 5, and further provided with a squish area, a spark plug 9 is disposed in the vicinity of the squish area. The squish flow is blown horizontally toward the center of the combustion chamber and chamfered on the peripheral edge of the cavity at the top of the piston so that it strikes the discharge part 9a of the spark plug, and its tip is rounded to form a squish flow generation means is doing. The range in which the squish flow generating means is provided is determined for each internal combustion engine, but is preferably provided at least in the vicinity of the spark plug 9.
[0057]
Also in the first embodiment, a squish flow as shown in FIG. 7 is generated and the combustion speed is increased, so that the fuel efficiency is improved. However, if the squish flow as shown in FIG. 7 is simply generated, the squish flow is directed to the top of the combustion chamber, so that the squish flow does not hit the discharge part 9 a of the spark plug 9. Further, since the flame slowly reaches the bottom of the cavity 5a, the combustion speed cannot catch up with the lowering of the piston, and there is a possibility that the combustion may become unstable without properly propagating the flame.
[0058]
Therefore, in the present embodiment, the shape shown in FIG. 6 is used as described above. By adopting such a shape, the squish flow that blows out from the squish area in the horizontal direction as the piston rises in the compression stroke strikes the discharge part 9a of the spark plug 9, thereby promoting the flame propagation and the squish flow in the horizontal direction. By heading in the direction, it goes to the center of the combustion chamber and then reaches the bottom of the cavity 5a, so that the flame propagates quickly to the bottom of the cavity 5a, so that stable combustion can be realized.
[0059]
Further, instead of chamfering the cavity peripheral portion of the piston top portion, as shown in FIG. 8, as a squish flow generating means, a protrusion is provided in the vicinity of the ignition plug 9 of the cylinder head 3 so as to protrude into the combustion chamber 2, The squish flow may be guided to the discharge part of the spark plug. Also in this case, as described above, the squish flow that blows out from the squish area in the horizontal direction due to the piston rising in the compression stroke hits the discharge part of the spark plug, thereby promoting the flame propagation and the squish flow in the horizontal direction. By moving to the center of the combustion chamber, it becomes faster to propagate the flame to the bottom of the cavity and to the bottom of the cavity, so that stable combustion can be realized.
[0060]
Further, as shown in FIG. 9, as a squish flow generating means, the cavity peripheral portion of the top of the piston is chamfered and its tip is rounded, and in the combustion chamber 2 in the vicinity of the spark plug 9 of the cylinder head 3. It is preferable to provide a protruding portion that protrudes. In this case as well, as described above, the squish flow blows out from the squish area in the horizontal direction due to the piston rising in the compression stroke. However, the cavities are simply chamfered or projected into the combustion chamber 2 at the top of the piston. Compared with the provision of the portion on the cylinder head side, the flow velocity is further increased and the flame propagation is further promoted by hitting the discharge portion of the spark plug 9. In addition, since the squish flow is directed in the horizontal direction, the squish flow is directed toward the center of the combustion chamber and propagates to the bottom of the cavity, so that the combustion can be further stabilized.
[0061]
In the first embodiment and the second embodiment described above, an internal combustion engine having two intake valves, one exhaust valve, and two spark plugs is exemplified. As shown in FIG. 10, the present invention can also be applied to an internal combustion engine having two intake valves and two exhaust valves, and having a configuration in which one spark plug is provided at substantially the center of the four valves. . Also in this case, the shape of the intake port, the shape of the cavity, and the like are determined so that the second lean air-fuel ratio mixture is formed in the cavity 5a in the vicinity of the spark plug 9.
[0062]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a lean and homogeneous air-fuel mixture is formed over the entire cylinder, and an air-fuel ratio lower than the homogeneous air-fuel mixture is formed in the cavity. Since the air-fuel mixture is led to the vicinity of the spark plug in the latter half of the compression stroke, it is possible to improve fuel efficiency while realizing stable combustion.
[0063]
In addition, a homogeneous air-fuel mixture having a first lean air-fuel ratio is formed in the cylinder by a part of the fuel injected at least in either the expansion stroke or the exhaust stroke before the intake valve is opened, and the intake valve When an air-fuel mixture having a second lean air-fuel ratio richer than the first lean air-fuel ratio is formed in the cavity with the remaining fuel injected at least during the intake stroke after the valve is opened, the intake stroke Since the injected fuel is promoted to vaporize and atomize during the subsequent stroke, it becomes difficult to form an air-fuel ratio mixture near the stoichiometric part of the cavity, and NOx emissions can be reduced. . Further, since the air-fuel mixture in the cavity is ignited and propagates in the flame, the homogeneous air-fuel mixture having the first lean air-fuel ratio formed throughout the combustion chamber is also burned. Since the fuel ratio can also be increased, fuel consumption can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a schematic plan view of an internal combustion engine according to a first embodiment, and FIG. 1B is a schematic longitudinal sectional view.
FIG. 2 is a view showing a state in which fuel injected after an intake valve is opened accumulates in a cavity provided on the top surface of a piston.
FIG. 3 is a diagram showing an injection pattern by fuel injection control according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a flowchart showing a control routine according to a first embodiment of fuel injection control.
FIG. 5 is a flowchart showing a control routine according to a second embodiment of fuel injection control.
FIG. 6 is a schematic longitudinal sectional view around the combustion chamber of the internal combustion engine according to the second embodiment.
FIG. 7 is a schematic longitudinal sectional view around the combustion chamber of the internal combustion engine according to the first embodiment.
FIG. 8 is a schematic longitudinal sectional view of the vicinity of a combustion chamber of another internal combustion engine according to the second embodiment.
FIG. 9 is a schematic longitudinal sectional view of the periphery of a combustion chamber of another internal combustion engine according to the second embodiment.
FIG. 10 is a schematic plan view of another internal combustion engine to which the present invention is applicable.
[Explanation of symbols]
1 Internal combustion engine
2 Combustion chamber
3 Cylinder head
4 Cylinder block
5 piston
5a cavity
6 Piston ring
7 Intake valve
8 Exhaust valve
9 Spark plug
10 Intake passage
11 Exhaust passage
12 Fuel injection valve
13 ECU
14 Water temperature sensor

Claims (5)

吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
内燃機関の運転状態に応じて要求される燃料の一部を吸気弁が開弁される前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射させ、残りの燃料を吸気弁が開弁された後の少なくとも吸気行程に噴射させるように前記燃料噴射弁による噴射時期を制御する制御手段と、
前記吸気弁が開弁された後に噴射された残りの燃料を頂面に設けられたキャビティ内に溜めて当該キャビティ内で混合気を形成し、当該混合気を圧縮行程後半に点火プラグ近傍に導くピストンと、
を備えたことを特徴とする希薄燃焼内燃機関。
A fuel injection valve for injecting fuel into the intake passage;
After part of the fuel required according to the operating state of the internal combustion engine is injected into at least the expansion stroke or the exhaust stroke before the intake valve is opened, and the remaining fuel is opened Control means for controlling the injection timing by the fuel injection valve so as to inject at least the intake stroke of
The remaining fuel injected after the intake valve is opened is accumulated in a cavity provided on the top surface to form an air-fuel mixture in the cavity, and the air-fuel mixture is led to the vicinity of the ignition plug in the latter half of the compression stroke. A piston,
A lean burn internal combustion engine.
前記制御手段は、前記吸気弁が開弁される前に噴射された要求される燃料の一部で第1のリーン空燃比となる均質な混合気を気筒内全体に渡って形成し、前記吸気弁が開弁された後に噴射された残りの燃料で前記キャビティ内に前記第1のリーン空燃比よりもリッチな第2のリーン空燃比となる混合気を形成するように前記燃料噴射弁による噴射燃料量をも制御することを特徴とする請求項1に記載の希薄燃焼内燃機関。The control means forms a homogeneous air-fuel mixture that becomes a first lean air-fuel ratio over a whole cylinder with a part of required fuel injected before the intake valve is opened, and the intake air Injection by the fuel injection valve so as to form an air-fuel mixture having a second lean air-fuel ratio richer than the first lean air-fuel ratio in the cavity with the remaining fuel injected after the valve is opened The lean combustion internal combustion engine according to claim 1, wherein the fuel amount is also controlled. 少なくともピストンあるいはシリンダヘッドのいずれかにより形成され、前記点火プラグの放電部に当てるようにスキッシュ流を発生させるスキッシュ流発生手段をさらに備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の希薄燃焼内燃機関。3. The lean combustion internal combustion engine according to claim 1, further comprising squish flow generation means that is formed by at least one of a piston and a cylinder head and generates a squish flow so as to be applied to a discharge portion of the spark plug. organ. 吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁から、内燃機関の運転状態に応じて要求される燃料の一部を吸気弁が開弁される前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射させ、残りの燃料を吸気弁が開弁された後の少なくとも吸気行程に噴射させ、
前記吸気弁が開弁される前に噴射された要求される燃料の一部で気筒内全体に渡って均質な混合気を形成し、前記吸気弁が開弁された後に噴射された残りの燃料で、ピストン頂面に設けられ上死点において点火プラグ近傍に位置するキャビティ内に混合気を形成することを特徴とする希薄燃焼内燃機関の混合気形成方法。
From a fuel injection valve that injects fuel into the intake passage, a part of the fuel required according to the operating state of the internal combustion engine is injected into at least one of the expansion stroke or the exhaust stroke before the intake valve is opened, The remaining fuel is injected at least during the intake stroke after the intake valve is opened,
A part of the required fuel injected before the intake valve is opened forms a homogeneous mixture throughout the cylinder, and the remaining fuel injected after the intake valve is opened An air-fuel mixture forming method for a lean combustion internal combustion engine, characterized in that an air-fuel mixture is formed in a cavity that is provided on the top surface of the piston and is located near the spark plug at the top dead center.
前記吸気弁が開弁される前に噴射された要求される燃料の一部で気筒内全体に渡って第1のリーン空燃比の均質な混合気を形成し、前記吸気弁が開弁された後に噴射された残りの燃料でキャビティ内に前記第1のリーン空燃比よりリッチな第2のリーン空燃比の混合気を形成することを特徴とする請求項4に記載の希薄燃焼内燃機関の混合気形成方法。A part of the required fuel injected before the intake valve is opened forms a homogeneous mixture of the first lean air-fuel ratio over the entire cylinder, and the intake valve is opened. 5. The lean-burn internal combustion engine mixture according to claim 4, wherein the remaining fuel injected later forms an air-fuel mixture having a second lean air-fuel ratio richer than the first lean air-fuel ratio in the cavity. Qi formation method.
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007064171A (en) * 2005-09-02 2007-03-15 Toyota Motor Corp Spark ignition internal combustion engine
CN102287282A (en) * 2010-06-15 2011-12-21 三菱自动车工业株式会社 Internal combustion engine
JP2012002107A (en) * 2010-06-15 2012-01-05 Mitsubishi Motors Corp Internal combustion engine
JP2012002104A (en) * 2010-06-15 2012-01-05 Mitsubishi Motors Corp Internal combustion engine
WO2015137003A1 (en) * 2014-03-10 2015-09-17 本田技研工業株式会社 Combustion control system for internal combustion engine
JP2015169170A (en) * 2014-03-10 2015-09-28 本田技研工業株式会社 Combustion control device of internal combustion engine
US10495049B2 (en) 2016-10-05 2019-12-03 Honda Motor Co., Ltd. Control device for internal combustion engine
CN113153594A (en) * 2021-02-07 2021-07-23 联合汽车电子有限公司 Lean combustion system and method

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007064171A (en) * 2005-09-02 2007-03-15 Toyota Motor Corp Spark ignition internal combustion engine
CN102287282A (en) * 2010-06-15 2011-12-21 三菱自动车工业株式会社 Internal combustion engine
JP2012002107A (en) * 2010-06-15 2012-01-05 Mitsubishi Motors Corp Internal combustion engine
JP2012002103A (en) * 2010-06-15 2012-01-05 Mitsubishi Motors Corp Internal combustion engine
JP2012002104A (en) * 2010-06-15 2012-01-05 Mitsubishi Motors Corp Internal combustion engine
CN102345520A (en) * 2010-06-15 2012-02-08 三菱自动车工业株式会社 Internal combustion engine
WO2015137003A1 (en) * 2014-03-10 2015-09-17 本田技研工業株式会社 Combustion control system for internal combustion engine
JP2015169170A (en) * 2014-03-10 2015-09-28 本田技研工業株式会社 Combustion control device of internal combustion engine
CN105102797A (en) * 2014-03-10 2015-11-25 本田技研工业株式会社 Control device for spark-ignition engine
CN105102797B (en) * 2014-03-10 2017-11-14 本田技研工业株式会社 The combustion control device of internal combustion engine
US9932916B2 (en) 2014-03-10 2018-04-03 Honda Motor Co., Ltd. Combustion control apparatus for internal combustion engine
US10495049B2 (en) 2016-10-05 2019-12-03 Honda Motor Co., Ltd. Control device for internal combustion engine
CN113153594A (en) * 2021-02-07 2021-07-23 联合汽车电子有限公司 Lean combustion system and method

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