JP2005256777A - Cylinder direct injection type engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料をシリンダ内に直接噴射する筒内直接噴射式エンジンに関する。 The present invention relates to an in-cylinder direct injection engine that directly injects fuel into a cylinder.
特開2003−83119(特許文献1)は、燃料噴射弁からシリンダ内に燃料を直接噴射し、シリンダ内に成層化した混合気を形成し、理論空燃比よりも大幅に希薄な空燃比で燃焼を行なう筒内直接噴射式エンジンを開示している。このエンジンにおいては、燃料は、ピストンの圧縮上死点よりも早い時期にピストン冠面に形成されたキャビティに向けて噴射され、キャビティ内において燃料と空気が混合され、キャビティ内に均質な混合気が形成される。
キャビティ内の混合気を均質にするためには、より早い時期に燃料を噴射し、燃料と空気が混合する時間を確保する必要がある。 In order to homogenize the air-fuel mixture in the cavity, it is necessary to inject fuel at an earlier time and to ensure time for fuel and air to mix.
しかしながら、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧は噴口から離れるにつれて拡散することから、燃料噴射時期を早めていくと、ある時期を境に燃料噴射弁から噴射された燃料がキャビティに収まらず、外にはみ出るようになる。キャビティの外に燃料がはみ出るとシリンダ内側壁等に燃料が付着するので、未燃HCの排出量が増え、また、エンジンの冷却損失が大きくなって燃費を悪化させる原因となる。上記従来技術では燃料噴射時期を早めることで燃料と空気の混合時間を確保しているが、噴射された燃料をキャビティ内に確実に収めることを考慮すると、燃料噴射時期の早期化には限度がある。 However, since the fuel spray injected from the fuel injection valve diffuses away from the injection port, if the fuel injection timing is advanced, the fuel injected from the fuel injection valve does not fit in the cavity after a certain period. It will stick out. If the fuel protrudes from the cavity, the fuel adheres to the inner wall of the cylinder, etc., so that the amount of unburned HC increases, and the cooling loss of the engine increases, resulting in deterioration of fuel consumption. In the above prior art, the fuel and air mixing time is ensured by advancing the fuel injection timing. However, considering that the injected fuel is surely contained in the cavity, there is a limit to the advancement of the fuel injection timing. is there.
サイクルの実時間が短くなる高回転運転時や、燃料の噴射量が多くなる高負荷運転時は、燃料噴射時期を早めて燃料と空気が混合する時間を確保する必要があるが、このように燃料噴射時期の早期化には限度があるため、成層燃焼運転領域を高回転側、高負荷側に拡大することが難しかった。 During high-speed operation where the actual cycle time is shortened or during high-load operation where the amount of fuel injected increases, it is necessary to secure the time for fuel and air to be mixed by advancing the fuel injection timing. Since there is a limit to the early timing of fuel injection, it has been difficult to expand the stratified combustion operation region to the high rotation side and the high load side.
本発明は、かかる技術的課題を鑑みてなされたもので、キャビティ内に燃料を噴射することで成層混合気を形成する筒内直接噴射式エンジンにおいて、燃料が早期に噴射されても噴射された燃料をキャビティ内に収めることができるようにし、これによって成層燃焼を行なうことができる運転領域を拡大することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a technical problem, and in a direct injection type in-cylinder engine that forms a stratified mixture by injecting fuel into a cavity, the fuel is injected even if it is injected early. An object is to expand the operating range in which stratified combustion can be performed by allowing the fuel to be contained in the cavity.
筒内直接噴射式エンジンにおいて、クランクシャフトと、シリンダ内に摺動可能に収装され、冠面にキャビティが形成されたピストンと、キャビティに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、ピストンとクランクシャフトとエンジン本体とに連結され前記ピストンのピストンモーションを変更する複リンク式ピストンクランク機構とを備える。 In an in-cylinder direct injection engine, a crankshaft, a piston slidably accommodated in the cylinder and having a cavity formed in a crown surface, a fuel injection valve for injecting fuel toward the cavity, a piston and a crank A multi-link piston crank mechanism connected to the shaft and the engine body for changing the piston motion of the piston;
複リンク式ピストンクランク機構を用いてピストンモーションを変更すれば、上死点付近におけるピストンの加速度を小さくするとともに、上死点付近に近づくまでのピストンの上昇速度を高めることができる。これにより、燃料噴射時期を早めてもキャビティ内に燃料噴霧を収めることができ、燃料と空気の混合時間(実時間)を確保できるので、成層燃焼運転が可能な運転領域を高回転側、高負荷側に拡大することができる。 If the piston motion is changed by using the multi-link type piston crank mechanism, the acceleration of the piston near the top dead center can be reduced and the rising speed of the piston until it approaches the top dead center can be increased. As a result, even if the fuel injection timing is advanced, the fuel spray can be contained in the cavity, and the mixing time of fuel and air (real time) can be ensured. Can be expanded to the load side.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1、図2は本発明に係る火花点火式ガソリンエンジンの構成を示したものであり、図1はエンジンをクランクシャフトの軸方向から見たもの、図2はエンジンを吸気側から見たものである。 1 and 2 show the configuration of a spark ignition gasoline engine according to the present invention. FIG. 1 shows the engine viewed from the axial direction of the crankshaft, and FIG. 2 shows the engine viewed from the intake side. It is.
シリンダヘッド1とシリンダブロック2とピストン3の間には燃焼室4が画成されており、燃焼室4にはシリンダヘッド1に形成された吸気ポート5と排気ポート6が連通している。吸気ポート5、排気ポート6は、それぞれ吸気カム8、排気カム9によって駆動される吸気弁10、排気弁11によって所定のタイミングで開閉される。
A
燃焼室4の上部の略中央には、点火プラグ13がそのギャップを燃焼室4内に突出させるように設けられており、また、点火プラグ13の近傍には、燃料噴射弁14がその噴口を燃焼室4内に突出させるように設けられている。燃料噴射弁14の噴口は先端部に複数形成されており、図3に示すように燃料を所定の噴霧角θで燃焼室4内に噴射することができる。
An
また、シリンダブロック2には、ピストン3を滑動可能に収装するシリンダ22が形成されており、シリンダ22の周りには冷却水の通路24が形成されている。また、ピストン3の冠面3aの略中央には円筒状のキャビティ31が凹設されている。
The
ピストン3はコンロッド40(第1のリンク)、ロアリンク41(第2のリンク)を介してクランクシャフト42に連結されている。また、ロアリンク41にはコントロールリンク44(第3のリンク)が連結されており、コントロールリンク44の他端はエンジン本体、例えば、シリンダブロック2の下部に制御シャフト45の偏心部46を介して連結されている。この実施形態ではロアリンク41にコントロールリンク44を連結しているが、ロアリンク41ではなくコンロッド40にコントロールリンク44を連結するようにしてもかまわない。このように、コンロッド40、ロアリンク41、コントロールリンク44からなる「複リンク」を介してピストン3をクランクシャフト42に連結し、ピストン3を駆動する機構を「複リンク式ピストンクランク機構」をと称する。
The
複リンク式ピストンクランク機構についてさらに説明する。図4は図1を矢印Xの方向からみたものである。制御シャフト45は軸受カバー50、51を介してシリンダブロック2下部に軸支される。制御シャフト45の途中に形成される偏心部45は、軸受カバー50、51の間に配置され、偏心部45の外周にコントロールリンク44が連結されている。制御シャフト45の一端にはウォームホイール53が設けられ、ウォームホイール53にはモータ54がウォームギア55を介して接続されている。モータ54はエンジンコントローラ20からの信号を受けて駆動され、モータ54を回転駆動するとウォームギア55、ウォームホイール53が回転し、これによって、制御シャフト45が回転し、偏心部46の回転角が変化する。
The multi-link type piston crank mechanism will be further described. FIG. 4 is a view of FIG. 1 as viewed from the direction of the arrow X. The
偏心部46の回転角を変更するとコントロールリンク44のエンジン本体に対する回動中心が移動するので、クランクシャフト42が回転するときのピストンモーション(ピストンの上死点位置、上死点付近における加速度)が変化する。例えば、偏心部46の回転角を適当な角に調節すると、ピストン3の上死点位置を殆ど変えることなく上死点付近におけるピストン3の加速度のみを小さくすることができる。上死点付近におけるピストン3の加速度を小さくすると、上死点付近まで上昇するときのピストン3の速度は高くなるので、より早い時間にピストン3が上死点付近に近づくとともに、ピストン3が上死点付近に長く留まるようになる。あるいは、この実施形態では使用しないが、ピストン3の上死点位置を上昇させてエンジンの圧縮比を高めるとともに上死点付近におけるピストン3の加速度を小さくすることも可能であり、またあるいは、ピストン3の上死点位置を下げて圧縮比を下げるとともに上死点付近における加速度を小さくすることも可能である。
When the rotation angle of the
図5はピストン3の上死点位置を変えることなく上死点付近におけるピストン3の加速度を小さくした場合のピストンモーションの履歴を示したものである。図5には比較のため、図1〜図4に示した複リンク式ピストンクランク機構を備えたエンジン(以下、複リンク式エンジン)のピストンモーションの履歴を実線で示し、ピストンのストローク量及びクランク軸中心からシリンダ上面までの高さが同じ従来の単リンク式ピストンクランク機構(ピストンとクランクシャフトがコンロッドで直結される構成)を備えたエンジン(以下、単リンク式エンジン)のピストンモーションを破線で示す。
FIG. 5 shows a history of piston motion when the acceleration of the
これに示されるように、複リンク式エンジンにおいては、上死点付近の加速度が下死点付近の加速度よりも小さくなっており、ピストンモーションの履歴は上死点付近が太ったサインカーブになる。つまり、ピストン3の上死点位置を略変えることなく、上死点付近におけるピストン3の加速度のみを単リンク式エンジンよりも、また下死点付近におけるピストン3の加速度よりも小さくすることができる。上死点付近におけるピストン3の加速度が小さくなるということは、より早い時期にピストン3が上死点位置に近づき、かつ上死点付近でのピストン3の変位量が小さくなって、ピストン3が上死点付近により長い間留まることを意味する。
As shown in this figure, in the multi-link engine, the acceleration near the top dead center is smaller than the acceleration near the bottom dead center, and the piston motion history becomes a sine curve near the top dead center. That is, without substantially changing the top dead center position of the
図6の(a)〜(c)、図7の(a)〜(c)は、あるクランク角で燃料をキャビティに向けて噴射した場合の燃焼室内の燃料噴霧の様子を時系列順に示したものである。図6は単リンク式エンジンの場合、図7は複リンク式エンジンでピストンの上死点位置はそのままに上死点付近のピストン加速度を単リンク式エンジンよりも小さくした場合を示している。図6、図7とも同じクランク角で燃料を噴射しているが、複リンク式エンジンと単リンク式エンジンとではピストンモーションが異なるため、同じクランク角でもピストン位置が異なり、燃焼室内に噴射された燃料噴霧の動きも両者で異なる。 6 (a) to 6 (c) and FIGS. 7 (a) to 7 (c) show the state of fuel spray in the combustion chamber in time series when fuel is injected toward the cavity at a certain crank angle. Is. FIG. 6 shows a case of a single link type engine, and FIG. 7 shows a case of a multi-link type engine in which the piston acceleration near the top dead center is made smaller than that of the single link type engine without changing the top dead center position of the piston. Fuel is injected at the same crank angle in both FIGS. 6 and 7, but the piston motion is different between the multi-link engine and the single-link engine, so the piston position is different even at the same crank angle and injected into the combustion chamber. The movement of fuel spray is different between the two.
単リンク式エンジンでは、図6の(a)〜(c)に示すように、上死点付近のピストン加速度が大きいため、上死点付近までのピストンの上昇速度が遅く、(a)に示す燃料を噴射したタイミングではピストンはまだ低い位置にある。そのため、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧はキャビティに収まらず、キャビティの外側にはみ出してしまう。キャビティからはみ出した燃料噴霧はピストン冠面の外側で反射してシリンダの側壁に向けて流れるため、シリンダの側壁に付着し、未燃HCの排出量を増やしたり、また、エンジンの冷却損失が大きくなって燃費を悪化させる原因となる。 In the single link type engine, as shown in FIGS. 6A to 6C, the piston acceleration near the top dead center is large because the piston acceleration near the top dead center is large. At the timing of fuel injection, the piston is still in a low position. Therefore, the fuel spray injected from the fuel injection valve does not fit in the cavity and protrudes outside the cavity. The fuel spray that protrudes from the cavity is reflected on the outside of the piston crown and flows toward the cylinder side wall, so it adheres to the cylinder side wall, increasing the amount of unburned HC and increasing the engine cooling loss. It becomes a cause to deteriorate the fuel consumption.
これに対し、複リンク式エンジンでは、図7の(a)〜(c)に示すように、単リンク式エンジンと同じタイミングで燃料を噴射しても、ピストン3がより上死点付近に近づいているため、噴射された燃料噴霧は略全てキャビティ内に収められ、さらに、キャビティの底面、側面に誘導されて燃焼室中央に設けられた点火プラグの近傍へと向かう縦に旋回する循環流動となって、周辺の空気を巻き込んで濃度むらの少ない均質な混合気をキャビティ内及びその上方(点火プラグ近傍)に形成することができる。つまり、複リンク式エンジンにおいては、単リンク式エンジンよりも早い時期に燃料を噴射しても燃料噴霧をキャビティ内に収めることができ、かつ燃料と空気の混合時間(実時間)を十分長く確保することができる。
On the other hand, in the multi-link engine, as shown in FIGS. 7A to 7C, even if fuel is injected at the same timing as the single-link engine, the
図1に戻って本発明に係るエンジンの構成についてさらに説明すると、エンジンコントローラ20には、エンジンの運転状態を示す信号として、エンジンの回転速度を検出する回転速度センサ(クランク角センサ)25、アクセルペダルの操作量を検出するアクセル操作量センサ26、スロットル弁開度を検出するスロットル開度センサ27等からの信号が入力される。
Referring back to FIG. 1, the engine configuration according to the present invention will be further described. The
エンジンコントローラ20は、入力された信号に基づき目標とするエンジントルクを演算し、目標エンジントルクが実現されるよう燃料噴射弁14から噴射される燃料量、燃料噴射のタイミング、点火プラグ13による点火のタイミング、スロットル弁の開度を制御する。
The
また、エンジンコントローラ20は、エンジンの運転点に応じて図9に示すような燃焼モードマップを参照し、エンジンの燃焼モードを切り替え、低中回転かつ低中負荷領域では、圧縮行程の上死点よりも手前で燃料をキャビティ内に噴射してキャビティ31内及びその上方に均質な混合気を形成し、燃焼室4全体としては理論空燃比よりも大幅に希薄な空燃比で燃焼させる成層燃焼モードとする。また、サイクルの実時間が短くなる高回転領域や、噴射する燃料量が増えて燃料噴射時間も長くなる高負荷領域では、吸気行程で燃料をシリンダ22内に噴射し、燃料と空気の混合時間を十分に確保して燃焼室4全体に理論空燃比の均質な混合気を形成した上で燃焼させる均質燃焼モードとする。さらに、本発明に係るエンジンでは、上記複リンク式ピストンクランク機構の特性を利用して、エンジンの燃焼モードに応じてピストン3の上死点付近の加速度を切り換え、成層燃焼運転が可能な領域を単リンク式エンジンよりも高回転側、高負荷側に拡大する。
Further, the
図8はエンジンコントローラ20が行なう燃焼モード切換制御の内容を示したフローチャートであり、所定時間毎、例えば10msec毎に実行される。
FIG. 8 is a flowchart showing the contents of the combustion mode switching control performed by the
これによると、まず、ステップS1ではエンジンの回転速度と、エンジン負荷を読み込む。エンジンの回転速度としては回転速度センサ25の検出値を読み込み、エンジン負荷としてはエンジンコントローラ20内部で演算される目標エンジントルクを読み込む。なお、ここでは、エンジンの負荷を示す値として目標エンジントルクを用いているが、これに代えてアクセル操作量や、燃料噴射量(燃料噴射弁14の開弁時間、燃料噴射弁14への通電時間、エンジンコントローラで演算される目標燃料噴射量等)を用いても構わない。
According to this, first, in step S1, the engine speed and the engine load are read. The detection value of the
次に、ステップS2では、ステップS1で読み込んだエンジンの回転速度及び負荷に基づき、図9に示す燃焼モードマップを参照してエンジンの燃焼モードを判断する。エンジンの運転点が、低中速回転かつ低中負荷領域である領域A(第1の運転領域)にあると判断されたときはステップS3に進み、領域Aの高回転側、高負荷側にあり、領域Aの外側を取り囲むように設定される領域B(第2の運転領域)にあると判断されたときはステップS5に進む。 Next, in step S2, the engine combustion mode is determined with reference to the combustion mode map shown in FIG. 9 based on the engine speed and load read in step S1. When it is determined that the operating point of the engine is in the region A (first operating region) which is the low / medium speed rotation and low / medium load region, the process proceeds to step S3 and the region A is moved to the high rotation side and the high load side. If it is determined that the vehicle is in the region B (second operation region) set so as to surround the outside of the region A, the process proceeds to step S5.
エンジンの運転点が領域Aにあるとして進んだステップS3では、エンジンの燃焼モードを成層燃焼モードに切り換える。成層燃焼モードでは、圧縮上死点よりも手前で燃料をキャビティ31内に向けて噴射し、キャビティ31内及びその上方(点火プラグ13の近傍)に均質な混合気を形成し、点火プラグ13からの火花点火で着火、燃焼させる成層燃焼モードに切り替える。
In step S3, where the engine operating point is in the region A, the engine combustion mode is switched to the stratified combustion mode. In the stratified combustion mode, fuel is injected into the
さらに、この成層燃焼モードではキャビティ31内で燃料と空気を十分に混合させ、キャビティ31内及びその上方に均質な混合気を形成する必要があることから、ステップS4において、モータ54を駆動して制御シャフト45の偏心部46の回転角を変更し、ピストン3の上死点位置はそのままに、上死点付近のピストン3の加速度を減少させる。これにより、ピストン3が上死点付近に近づくまでの上昇速度が高まってピストン3がより早い時期に(より早いクランク角で)上死点位置に近づくので、燃料を単リンク式エンジンよりも早い時期に噴射しても噴射された燃料がキャビティ31内に収まるようになり、また、混合時間を長く取ることができることから、噴射された燃料と空気を十分に混合させることができる。
Furthermore, in this stratified combustion mode, it is necessary to sufficiently mix fuel and air in the
一方、エンジンの運転点が高回転高負荷領域である領域Bにあるとして進んだステップS5では、エンジンの燃焼モードを均質燃焼モードに切り換える。均質燃焼モードでは、エンジンの吸気行程中に燃料をシリンダ22内に噴射し、燃料と空気を十分に混合して燃焼室4全体に均質な混合気を形成し、点火プラグ13からの火花点火で着火、燃焼させる。さらに、ステップS6では、モータ54を駆動して偏心部46を回転させ、ピストンの上死点位置はそのままに上死点付近のピストンの加速度を減少させる。これにより、ピストン3を上死点付近から速やかに退避させ、ピストン3が長い間上死点位置近傍に留まることによるエンジンの冷却損失を抑えることができる。
On the other hand, in step S5, which has been performed assuming that the operating point of the engine is in the region B which is the high rotation / high load region, the engine combustion mode is switched to the homogeneous combustion mode. In the homogeneous combustion mode, fuel is injected into the
このように、本発明に係るエンジンでは、成層燃焼モードにおいて複リンク式ピストンクランク機構を用いてピストン3のピストンモーションを変更し、上死点付近におけるピストン3の加速度を減少させるので、成層燃焼運転が可能な領域(図9の領域A)を図9中矢印Yで示すように単リンク式エンジンに比べて高負荷側、高回転側に拡大することができる。これは、より早い時期に燃料を噴射しても、燃料噴霧をキャビティ31内に収めることができ、また、ピストン3が長い間上死点近傍に留まるため、燃料と空気を十分に混合することができるためである。
As described above, in the engine according to the present invention, the piston motion of the
さらに、上死点近傍では高温、高圧場が継続して形成されるので、燃料の霧化、蒸発が促進され、安定した燃焼を実現することができる。また、成層燃焼領域を高負荷側に拡大しようとすると、噴射される燃料の量が増えることから、単リンク式エンジンでは燃料と空気の混合が十分に進まず、当量比2以上の過濃混合気塊より発生するとされている黒煙の増大が問題になるが、本発明に係る複リンク式エンジンにおいては、混合気の均質化が十分に行われることから黒煙の発生も十分に抑制できる。 Furthermore, since a high-temperature and high-pressure field is continuously formed in the vicinity of the top dead center, fuel atomization and evaporation are promoted, and stable combustion can be realized. Also, if the stratified combustion region is expanded to the high load side, the amount of injected fuel increases, so in a single link engine, mixing of fuel and air does not proceed sufficiently, and overmixing with an equivalence ratio of 2 or more The increase in black smoke, which is supposed to be generated from the air mass, becomes a problem, but in the multi-link engine according to the present invention, since the mixture is sufficiently homogenized, the generation of black smoke can be sufficiently suppressed. .
また、燃料噴射弁14を燃焼室4上部の中央に設け、キャビティ31をピストン3の冠面の中央に凹設したので、燃焼が燃焼室側面から離れた燃焼室中心で行なわれるので、冷却損失を低減し、燃費を向上させることができる。
Further, since the
続いて、本発明の第2の実施形態について説明する。 Subsequently, a second embodiment of the present invention will be described.
第2の実施形態に係るエンジンの構成は図1〜図4に示した第1の実施形態の構成と同じであるが、エンジンの燃焼モードが異なる。第2の実施形態では、低中速回転かつ低中負荷領域(第1の運転領域)では点火プラグを用いない圧縮自己着火運転を行い、高速あるいは高負荷領域(第2の運転領域)では点火プラグを用いた火花点火運転を行なう。 The configuration of the engine according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4, but the engine combustion mode is different. In the second embodiment, compression self-ignition operation without using a spark plug is performed in a low / medium speed rotation and low / medium load region (first operation region), and ignition is performed in a high speed or high load region (second operation region). Perform spark ignition operation using a plug.
図10はエンジンコントローラ20が行なう燃焼モード切換制御の内容を示したフローチャートであり、所定時間毎、例えば10msec毎に実行される。
FIG. 10 is a flowchart showing the contents of the combustion mode switching control performed by the
これについて説明すると、まず、ステップS11ではエンジンの回転速度と、エンジン負荷を読み込む。エンジンの回転速度としては回転速度センサ25の検出値を読み込み、エンジン負荷としてはエンジン内部で演算される目標エンジントルクを読み込む。なお、ここでは、エンジンの負荷を示す値として目標エンジントルクを用いるが、これに代えてアクセル操作量や、燃料噴射量(燃料噴射弁14の開弁時間、燃料噴射弁14への通電時間、エンジンコントローラで演算される目標燃料噴射量等)を用いても構わない。
This will be described. First, in step S11, the engine speed and the engine load are read. The detection value of the
ステップS12では、ステップS11で読み込んだエンジンの回転速度及び負荷に基づき、図11に示す燃焼モードマップを参照してエンジンの燃焼モードを判断する。エンジンの運転点が低中速回転かつ低負荷領域である領域Cにあると判断されたときはステップS13に進み、低中速回転かつ中負荷領域である領域Dにあると判断されたときはステップS15に進み、領域Dの外側の高回転あるいは高負荷領域である領域Eにあると判断されたときはステップS17に進む。 In step S12, based on the engine speed and load read in step S11, the engine combustion mode is determined with reference to the combustion mode map shown in FIG. When it is determined that the engine operating point is in the region C that is the low and medium speed rotation and low load region, the process proceeds to step S13, and when it is determined that the engine operating point is in the region D that is the low and medium speed rotation and medium load region. Proceeding to step S15, when it is determined that the vehicle is in the region E that is the high rotation or high load region outside the region D, the process proceeds to step S17.
エンジンの運転点が領域Cにあるとして進んだステップS13では、エンジンの燃焼モードを成層圧縮自己着火モードにする。成層圧縮自己着火モードでは、圧縮上死点よりも手前で燃料を噴射して、キャビティ31内及びその上方(点火プラグ13の近傍)に均質な混合気を形成して、高温、高圧下で自己着火させる運転を行なう。さらに、キャビティ31内及びその上方に均質な混合気を形成するためには、噴射された燃料をキャビティ31内に収めることができる噴射時期を早め、キャビティ31内での燃料と空気の混合時間を長くした方がよいこと、また、燃焼室内を高温、高圧にして混合気を自己着火させるにはエンジンの圧縮比が高い方がよいことから、複リンク式ピストンクランク機構を利用して、ピストン3の上死点前後における加速度を小さくし、かつ、ピストン3の上死点位置を上昇させてエンジンの圧縮比を高める。具体的にはモータ54を駆動して制御シャフト45の偏心部46を所定量だけ回転させ、その回転角を変更する。
In step S13, which has proceeded assuming that the engine operating point is in region C, the engine combustion mode is set to the stratified compression self-ignition mode. In the stratified compression self-ignition mode, fuel is injected before the compression top dead center to form a homogeneous mixture in the
キャビティ31がピストン冠面3aの略中央に凹設され、燃焼室4の略中央に配置されるので、この成層圧縮自己着火モードで運転中は、燃焼中の火炎は燃焼室4の壁面から遠くなってエンジンの冷却損失が小さくなり、また、エンジンの高圧縮比化と相俟って、燃費の良い燃焼を実現することができる。また、複リンク式ピストンクランク機構を利用することで、燃料の噴射時期を早めても燃料噴霧をキャビティ31内に収めることができるようにし、かつ、キャビティ31内での燃料と空気の混合時間を長くしたので、成層圧縮自己着火運転が可能な運転領域を単リンク式エンジンに比べて高負荷側、高回転側に拡大することができる。
Since the
一方、領域Dにあるとして進んだステップS15では、エンジンの燃焼モードを均質圧縮自己着火モードにする。領域Dでは、領域Cに比べてエンジンの負荷が高くなることから燃料噴射弁14から噴射される燃料量が増え、領域Cのように混合気の成層化を行なうとキャビティ31内の燃料が濃くなりすぎ、また、複リンク式ピストンクランク機構を利用して上死点付近のピストン3の加速度を下げたとしても、燃料と空気の十分な混合時間を確保するのが難しくなる。
On the other hand, in step S15 which has proceeded as being in the region D, the combustion mode of the engine is set to the homogeneous compression self-ignition mode. In region D, the engine load is higher than in region C, so the amount of fuel injected from the
そこで、この領域Dでは、混合気の成層化をやめ、燃焼室4全体に略均質な混合気を形成して点火プラグ13を用いない圧縮自己着火運転を行なう。燃焼室4全体に略均質な混合気を形成する方法としては、一回目の噴射をキャビティ31の外側に燃料を噴射し、2回目の噴射でキャビティ31内に噴射するというように燃料を複数回に噴射することで燃焼室全体に略均質な混合気を形成する方法、あるいは、燃料噴霧が直接キャビティ31内に入らないような早期のタイミングに噴射して、燃焼室4内の燃料と空気を十分に混合する方法など、いずれの方法を採用しても良い。
Therefore, in this region D, the stratification of the air-fuel mixture is stopped, a substantially homogeneous air-fuel mixture is formed in the
さらに、燃焼室4内の混合気を均質にするには上死点付近のピストン3の加速度を小さくして十分な混合時間を確保するのがよく、また、圧縮自己着火運転を行なうためには燃焼室を高温、高圧にするのがよいことから、複リンク式ピストンクランク機構を利用して、上死点付近のピストン3の加速度を小さくし、かつ、ピストン3の上死点位置を上昇させてエンジンの圧縮比を高める。
Further, in order to make the air-fuel mixture in the
この均質燃焼自己着火モードでは、燃焼室4全体に略均質な混合気を形成して圧縮自己着火を起こさせるので、局所的に濃い混合気が存在することによって発生する過早着火、ノッキングの問題を回避することができる。また、複リンク式ピストンクランク機構を利用してエンジンの高圧縮比化を行なうことで、圧縮自己着火燃焼時の燃焼安定性を高め、圧縮自己着火運転が可能な運転領域を拡大することができる。
In this homogeneous combustion self-ignition mode, a substantially homogeneous air-fuel mixture is formed in the
エンジンの運転点が領域EにあるときはステップS17に進み、エンジンの燃焼モードを火花点火モードに切り換える。火花点火モードでは、エンジンの吸気行程中に燃料をシリンダ22内に噴射し、燃料と空気を十分に混合した上で点火プラグ13を利用して点火する。これは、高負荷領域では噴射される燃料の量が増え、また、高回転領域では実サイクル時間が短くなって燃料と空気の混合時間が十分に確保できないことから、均質な混合気を形成するのが難しく、過早着火、ノッキングが起こりやすくなるからである。
When the operating point of the engine is in the region E, the process proceeds to step S17, and the engine combustion mode is switched to the spark ignition mode. In the spark ignition mode, fuel is injected into the
さらに、ステップS18では、複リンク式ピストンクランク機構を利用して上死点付近のピストン3の加速度を増大させ、ピストン3を上死点付近から速やかに退避させてエンジンの冷却損失を低減する。さらに、ピストン3の上死点位置を下げてエンジンの圧縮比を下げ、高負荷、高回転領域での過早着火、ノッキングの発生を抑えて、高出力運転を実現する。
Further, in step S18, the acceleration of the
このように、本実施形態では、低中速回転、低負荷領域では圧縮自己着火運転を行なうが、この際、複リンク式ピストンクランク機構を利用して上死点付近におけるピストン3の加速度を小さくし、かつ、ピストン3の上死点位置を上昇させて圧縮比を高めるようにしたので、圧縮着火運転を安定して行なうことができ、圧縮自己着火運転可能な運転領域を高回転側、高負荷側に拡大し、燃費を向上させることができる。
As described above, in this embodiment, the compression self-ignition operation is performed in the low / medium speed rotation and low load region. At this time, the acceleration of the
また、高回転あるいは高負荷領域においては、複リンク式ピストンクランク機構を利用して、上死点付近におけるピストンの加速度を大きくし、かつピストン3の上死点位置を下げて圧縮比を下げるようにしたので、高回転、高負荷領域における過早着火、ノッキングを効果的に抑えることができる。
Further, in a high rotation or high load region, the piston acceleration mechanism near the top dead center is increased by using a multi-link piston crank mechanism, and the top dead center position of the
続いて、本発明の第3の実施形態について説明する。 Subsequently, a third embodiment of the present invention will be described.
図12、図13は本発明に係るディーゼルエンジンの構成を示し、図12はエンジンをクランクシャフトの軸方向から見たもの、図2はエンジンを吸気側から見たものである。基本的な構成は図1〜図4に示した火花点火式のガソリンエンジンとほぼ同じであるが、ディーゼルエンジンであるため、点火プラグは設けられておらず、また、スロットル弁が存在しないことから、その開度を検出するスロットル開度センサは設けられていない。 12 and 13 show the configuration of a diesel engine according to the present invention. FIG. 12 shows the engine viewed from the axial direction of the crankshaft, and FIG. 2 shows the engine viewed from the intake side. The basic configuration is almost the same as that of the spark ignition type gasoline engine shown in FIGS. 1 to 4, but since it is a diesel engine, no spark plug is provided and there is no throttle valve. A throttle opening sensor for detecting the opening is not provided.
第1の実施形態と共通の構成には同じ参照符号を付して説明を省略し、異なる構成を中心に説明すると、第3の実施形態では、燃焼時に発生する振動から過早着火、ノッキングの発生を検出する異常燃焼検出センサ28がエンジンのシリンダブロック2に設けられている。異常燃焼検出センサ28の検出結果はエンジンコントローラ20に入力される。なお、ここでは、燃焼時に発生する振動から過早着火、ノッキングの発生を検出しているが、エンジンの燃焼圧を検出して過早着火、ノッキングの発生を判断するなど、他の方法を用いて検出するようにしても構わない。
The same reference numerals are assigned to the same components as those in the first embodiment, and the description thereof will be omitted. The description will focus on the different components. In the third embodiment, pre-ignition and knocking are prevented from vibrations generated during combustion. An abnormal
また、第3の実施形態では、エンジンの運転点に応じて、圧縮上死点よりも早い時期に燃料をキャビティ31内に噴射して予め燃料と空気を混合し、キャビティ31内に均質な混合気を形成した上で混合気を圧縮着火させる予混合燃焼モードと、従来のディーゼルエンジンと同じく、空気のみを予め圧縮して高温、高圧とし、この高温、高圧となった空気に燃料を噴射することで燃焼させる拡散燃焼モードを切り換える。
In the third embodiment, the fuel and air are mixed in advance by injecting fuel into the
図14はエンジンコントローラ20が行なう燃焼モード切換制御の内容を示したフローチャートであり、所定時間毎、例えば10msec毎に実行される。
FIG. 14 is a flowchart showing the contents of the combustion mode switching control performed by the
これについて説明すると、まず、ステップS21ではエンジンの回転速度と、エンジン負荷を読み込む。エンジンの回転速度としては回転速度センサ25で検出された値を読み込み、エンジン負荷としてはエンジン内部で演算される目標エンジントルクを読み込む。ここでは、エンジンの負荷を示す値として目標エンジントルクを用いるが、これに代えてアクセル操作量や、燃料噴射量(燃料噴射弁14の開弁時間、燃料噴射弁14への通電時間、エンジンコントローラで演算される目標燃料噴射量等)を用いても構わない。
This will be described. First, in step S21, the engine speed and the engine load are read. A value detected by the
ステップS22では、ステップS21で読み込んだエンジンの回転速度及び負荷に基づき、図15に示す燃焼モードマップを参照してエンジンの燃焼モードを判断する。エンジンの運転点が低中速回転かつ低中負荷領域である領域Fにあると判断されたときはステップS23に進み、領域Gの外側の高回転あるいは高負荷領域である領域Gにあると判断されたときはステップS27に進む。 In step S22, based on the engine speed and load read in step S21, the combustion mode of the engine is determined with reference to the combustion mode map shown in FIG. When it is determined that the operating point of the engine is in the region F that is the low / medium speed rotation and low / medium load region, the process proceeds to step S23 and is determined to be in the region G that is the high rotation or high load region outside the region G. If so, the process proceeds to step S27.
エンジンの運転点が領域Fにあるとして進んだステップS23では、エンジンの燃焼モードを予混合燃焼モードに切り換える、予混合燃焼モードでは、圧縮上死点よりも手前で燃料をキャビティ31内に噴射して予め燃料と空気を混合し、キャビティ31内に均質な混合気を形成した上で混合気を圧縮着火させる。さらに、予混合燃焼モードでは、燃料を早い時期に噴射し、燃料と空気を十分に混合する時間を確保する必要があることから、複リンク式ピストンクランク機構を利用してピストンモーションを変更し、上死点付近でのピストン3の加速度を小さくするとともに、上死点付近に近づくまでのピストン3の上昇速度を高める。
In step S23, which has been performed assuming that the engine operating point is in the region F, the engine combustion mode is switched to the premix combustion mode. In the premix combustion mode, fuel is injected into the
さらに、ステップ25では、異常燃焼検出センサ28によって過早着火が検出されたか判断する。そして、過早着火が検出され、等容度の悪化が見られる場合は、ステップS26に進んで、複リンク式ピストンクランク機構を利用してピストンモーションをさらに変更し、ピストン3の上死点位置を下げてエンジンの圧縮比を下げ、過早着火を抑制する。
Further, in
一方、エンジンの運転点が領域Gにあるとして進んだステップS27では、エンジンの燃焼モードを拡散燃焼モードに切り換える。拡散燃焼モードでは、圧縮行程で空気のみを圧縮し、高温、高圧となった空気中に燃料を噴射することで燃焼を行なわせる。さらに、ステップS28では、複リンク式ピストンクランク機構を利用して上死点付近でのピストン3の加速度を大きくして、ピストン3が上死点付近から速やかに退避するようにし、燃焼室4からピストン3を通じて逃げる熱の量を少なくし、冷却損失の少ない運転を行なう。
On the other hand, in step S27, where the operating point of the engine is in the region G, the engine combustion mode is switched to the diffusion combustion mode. In the diffusion combustion mode, only air is compressed in the compression stroke, and combustion is performed by injecting fuel into the air at a high temperature and high pressure. Further, in step S28, the acceleration of the
このように、第3の実施形態では、低中回転かつ低中負荷領域では予混合燃焼を実現し、排気中のNOxと黒煙を同時に低減することができる。特に、複リンク式ピストンクランク機構を組み合わせて上死点付近でのピストン加速度を小さくしたことにより、燃料をより早い時期に噴射しても燃料噴霧をキャビティ内に収め、キャビティ31内において燃料と空気を十分に混合することができるので、従来のディーゼルエンジンに比べ、予混合燃焼運転が可能な運転領域を高回転側、高負荷側に拡大することが可能となる。また、このとき、エンジンにおいて燃料の過早着火が発生しているかの監視も併せて行い、燃料の過早着火が発生しているときは複リンク式ピストンクランク機構を用いてストン3の上死点位置を下げ、エンジンの圧縮比を下げるようにしたので、燃料の過早着火も抑えることができる。
Thus, in the third embodiment, premixed combustion can be realized in the low and medium rotation and low and medium load regions, and NOx and black smoke in the exhaust can be reduced simultaneously. In particular, by combining a multi-link type piston crank mechanism to reduce the piston acceleration near the top dead center, the fuel spray is contained in the cavity even when the fuel is injected earlier, and the fuel and air are contained in the
さらに、第3の実施形態では、高回転あるいは高負荷領域では拡散燃焼に切換えるが、同じく複リンクピストンクランク機構を利用して上死点付近でのピストン加速度を増大させるので、エンジンの冷却損失が少なくなり、従来のディーゼルエンジンに比べて燃費を向上させることができる。 Furthermore, in the third embodiment, the combustion is switched to diffusion combustion in the high rotation or high load region, but the piston acceleration near the top dead center is also increased using the multi-link piston crank mechanism, so that the engine cooling loss is reduced. As a result, fuel consumption can be improved compared to conventional diesel engines.
本発明は、燃焼室内に成層混合気を形成するエンジンに適用することができ、成層燃焼運転が可能な運転領域を拡大し、エンジンの燃費を向上させるのに有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to an engine that forms a stratified mixture in a combustion chamber, and is useful for expanding the operating range in which stratified combustion operation can be performed and improving the fuel consumption of the engine.
1 クランクシャフト
2 シリンダブロック
3 ピストン
3a ピストン冠面
4 燃焼室
13 点火プラグ
14 燃料噴射弁
20 エンジンコントローラ
22 シリンダ
25 回転速度センサ
26 アクセル操作量センサ
27 スロットル開度センサ
28 異常燃焼検出センサ
31 キャビティ
40 コンロッド(第1のリンク)
41 ロアリンク(第2のリンク)
42 クランクシャフト
44 コントロールリンク(第3のリンク)
45 制御シャフト
46 偏心部
53 ウォームホイール
54 モータ
55 ウォームギア
DESCRIPTION OF
41 Lower link (second link)
42
45
Claims (15)
シリンダ内に摺動可能に収装され、冠面にキャビティが形成されたピストンと、
前記キャビティに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記ピストンと前記クランクシャフトとエンジン本体とに連結されて前記ピストンのピストンモーションを変更する複リンク式ピストンクランク機構と、
を備えたことを特徴とする筒内直接噴射式エンジン。 A crankshaft,
A piston slidably received in the cylinder and having a cavity formed in the crown surface;
A fuel injection valve for injecting fuel toward the cavity;
A multi-link piston crank mechanism connected to the piston, the crankshaft, and the engine body to change the piston motion of the piston;
An in-cylinder direct injection engine characterized by comprising:
前記キャビティは前記ピストンの冠面の中央に凹設されたキャビティである、
ことを特徴とする請求項1に記載の筒内直接噴射式エンジン。 The fuel injection valve is provided at the center of the upper combustion chamber of the engine,
The cavity is a cavity recessed in the center of the crown surface of the piston.
The in-cylinder direct injection engine according to claim 1.
前記複リンク式ピストンクランク機構を用いて前記ピストンのピストンモーションを変更し、前記第1のモードでの上死点付近における前記ピストンの加速度を前記第2のモードでの上死点付近における前記ピストンの加速度よりも小さくする手段と、
を備えたことを特徴とする請求項1から5のいずれかひとつに記載の筒内直接噴射式エンジン。 A first mode in which fuel is injected from the fuel injection valve at a timing such that the fuel spray is contained in the cavity; and a second mode in which fuel is injected from the fuel injection valve at a timing at which the fuel spray protrudes outside the cavity. Means for switching between the modes,
The piston motion of the piston is changed using the multi-link type piston crank mechanism, and the acceleration of the piston near the top dead center in the first mode is changed to the piston near the top dead center in the second mode. Means for making the acceleration smaller than
An in-cylinder direct injection engine according to any one of claims 1 to 5, characterized by comprising:
前記第1のモードは、圧縮上死点よりも手前で前記燃料噴射弁から前記キャビティに向けて燃料を噴射して前記キャビティ内に前記キャビティ外よりも濃い混合気を形成し、前記点火プラグからの火花点火により混合気に着火する成層燃焼モードであり、
前記第2のモードは、吸気行程で燃料を噴射することで燃焼室全体に均質な混合気を形成し、前記点火プラグからの火花点火により混合気に着火する均質燃焼モードである、
ことを特徴とする請求項6に記載の筒内直接噴射式エンジン。 With spark plug,
In the first mode, fuel is injected from the fuel injection valve toward the cavity before the compression top dead center to form a richer air-fuel mixture in the cavity than outside the cavity, and from the spark plug It is a stratified combustion mode that ignites the mixture by spark ignition of
The second mode is a homogeneous combustion mode in which a homogeneous mixture is formed in the entire combustion chamber by injecting fuel in the intake stroke, and the mixture is ignited by spark ignition from the ignition plug.
The in-cylinder direct injection engine according to claim 6.
前記第1のモードは、圧縮上死点よりも手前で前記燃料噴射弁から前記キャビティに向けて燃料を噴射して前記キャビティ内に前記キャビティ外よりも濃い混合気を形成し、圧縮自己着火により混合気を燃焼させる成層圧縮自己着火モードであり、
前記第2のモードは、吸気行程で燃料を噴射して燃焼室全体に均質な混合気を形成し、前記点火プラグからの火花点火により混合気に着火する均質燃焼モードである、
ことを特徴とする請求項6に記載の筒内直接噴射式エンジン。 With spark plug,
In the first mode, fuel is injected from the fuel injection valve toward the cavity before compression top dead center to form a richer air-fuel mixture in the cavity than outside the cavity, and by compression self-ignition It is a stratified compression self-ignition mode that burns the air-fuel mixture,
The second mode is a homogeneous combustion mode in which fuel is injected in the intake stroke to form a homogeneous mixture in the entire combustion chamber, and the mixture is ignited by spark ignition from the spark plug.
The in-cylinder direct injection engine according to claim 6.
前記第2のモードは、空気のみを圧縮して高温・高圧とし、この高温・高圧となった空気に燃料を噴射することで燃焼させる拡散燃焼モードである、
ことを特徴とする請求項6に記載の筒内直接噴射式エンジン。 In the first mode, fuel is injected from the fuel injection valve toward the cavity before the compression top dead center, and fuel and air are premixed in the cavity, and the air-fuel mixture is combusted by compression self-ignition. Premixed combustion mode,
The second mode is a diffusion combustion mode in which only air is compressed to a high temperature and high pressure, and combustion is performed by injecting fuel into the air that has reached this high temperature and pressure.
The in-cylinder direct injection engine according to claim 6.
前記予混合燃焼モードで運転中に前記エンジンの異常燃焼が検出されたときは、前記複リンク式ピストンクランク機構を用いて前記ピストンのピストンモーションを変更し、前記ピストンの上死点位置を下げることを特徴とする請求項9に記載の筒内直接噴射式エンジン。 Means for detecting abnormal combustion of the engine,
When abnormal combustion of the engine is detected during operation in the premixed combustion mode, the piston motion of the piston is changed using the multi-link piston crank mechanism to lower the top dead center position of the piston. The in-cylinder direct injection engine according to claim 9.
前記第1のリンクは前記ピストンと前記第2のリンクを連結し、
前記第2のリンクは前記エンジンのクランクシャフトと前記第1のリンクを連結し、
前記第3のリンクは前記第1または第2のリンクと前記エンジン本体を連結する、
ことを特徴とする請求項1から13のいずれかひとつに記載の筒内直接噴射式エンジン。 The multi-link piston crank mechanism is composed of first, second and third links,
The first link connects the piston and the second link;
The second link connects the crankshaft of the engine and the first link;
The third link connects the first or second link and the engine body;
The in-cylinder direct injection engine according to any one of claims 1 to 13, wherein
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