JP2006037793A - 筒内直接噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料液滴がピストンに付着することによるＨＣやスモークの悪化を防止する。
【解決手段】内燃機関の冷却水温が８０℃を越えた暖機完了状態では、通常の成層燃焼運転および均質燃焼運転を行う。冷却水温が８０℃以下の冷機状態では、上死点噴射運転とする。上死点噴射運転では、噴射開始時期ＩＴＳが圧縮上死点（ＴＤＣ）前、噴射終了時期ＩＴＥが圧縮上死点（ＴＤＣ）後となり、圧縮上死点を跨いで燃料噴射が行われる。点火時期ＡＤＶは、圧縮上死点（ＴＤＣ）後となり、噴射開始時期ＩＴＳから１５°ＣＡ〜２０°ＣＡ遅れた時期に点火される。圧縮上死点では、燃料噴射弁の背圧が高いため噴霧到達距離（ペネトレーション）が短くなり、ピストンへの燃料液滴の付着が抑制される。同時に、点火時期の大幅な遅角による排気温度の上昇が可能となる。
【選択図】図１

Description

この発明は、筒内に燃料を直接に噴射する筒内直接噴射式火花点火内燃機関に関し、特に、燃焼室天井面中央部に燃料噴射弁が配置された所謂直上噴射形式の内燃機関における噴射時期および点火時期の制御に関する。

筒内直接噴射式火花点火内燃機関の一つの形式として、燃料噴射弁が、燃焼室天井面中央部に配置され、ピストン頂部へ向かってシリンダ軸線に沿うように燃料を噴射するとともに、この燃料噴射弁に隣接して点火プラグが設けられた、所謂直上噴射形式のものが知られている（例えば特許文献１参照）。

また特許文献２には、排気浄化用の触媒コンバータが活性温度よりも低い未暖機状態にあるときに、燃料噴射量全体を早期噴射と後期噴射との２回に分割して噴射するものとして、吸気行程中に早期噴射を行うとともに、圧縮行程中に後期噴射を行い、さらに、点火時期をＭＢＴ点よりも遅角させる技術が開示されている。
特開２００３−３８５２号公報 特開２０００−４５８４３号公報

上記のような直上噴射形式の筒内直接噴射式火花点火内燃機関においては、例えば圧縮行程中に燃料噴射を行い、点火プラグに噴霧が到達した頃に点火することで、成層燃焼を実現するようにしているが、特に冷機時などにおいて、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が液滴のままピストン頂部に付着し、ＨＣやスモークが悪化する、という問題がある。

また内燃機関冷機時の触媒の早期活性化を図るべく排気ガス温度を昇温させるとともにＨＣを低減するためには、点火時期をなるべく大きく遅角させることが望ましいが、点火時期を大幅に遅角すると、燃焼安定度が悪化するため、燃焼安定度の観点から定まるある限界よりも遅角することはできない。上記従来の技術では、特に冷機時のような条件下において、安定した燃焼の確保が難しく、燃焼安定度から定まる点火時期の遅角限界が比較的進み側にあり、十分な点火時期の遅角を実現することができない。

この発明は、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁が、燃焼室天井面中央部に配置され、ピストン頂部へ向かってシリンダ軸線に沿うように燃料を噴射するとともに、この燃料噴射弁に隣接して点火プラグを備えてなる筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射を、噴射開始時期が圧縮上死点前で噴射終了時期が圧縮上死点後となるように圧縮上死点を跨ぐ期間に行うことを特徴としている。

そして、望ましくは、点火時期として、上記噴射開始時期から遅れた圧縮上死点後に点火を行う。

また、望ましくは、ピストン頂部への燃料液滴の付着を抑制することが要求される特定の運転条件のときに、上記の圧縮上死点を跨ぐ期間での燃料噴射を行う。

図１は、本発明の燃料噴射期間および点火時期を筒内圧変化とともに例示したものであり、噴射開始時期ＩＴＳが圧縮上死点（ＴＤＣ）前、噴射終了時期ＩＴＥが圧縮上死点（ＴＤＣ）後となる。その間の噴射期間Ｔの長さは、噴射量に相当する。点火時期ＡＤＶは、圧縮上死点（ＴＤＣ）後であり、噴射開始時期ＩＴＳから所定クランク角（例えば１５°ＣＡ〜２０°ＣＡ）遅れた時期となる。この遅れ期間Ｄは、一般に、燃料噴射弁から点火プラグまでの距離に相関する。

図２は、内燃機関の１サイクル中のピストンストロークによるピストン位置変化量と燃焼室の体積変化量とを示したものである。図示するように、単位クランク角当たりの変化量は、ストロークの中間位置付近で最も大きく、下死点（ＢＤＣ）付近ならびに上死点（ＴＤＣ）付近では、非常に小さい。従って、本発明で燃料噴射を行う圧縮上死点付近は、ピストン位置変化や体積変化が非常に小さく、ピストンの動き等に影響されない安定した場が形成され得る。

また、筒内には、吸気行程において、スワール流やタンブル流といった比較的大きな流れのガス流動が発生し、圧縮行程においても残存しているが、このようなスワール流やタンブル流といった大きな流れは、ピストンが圧縮上死点付近に達して燃焼室が狭小なものとなると、急激に崩壊する。図３は、種々の機関回転数の下での燃焼室内の大きな流れの流速変化を示したものであり、図示するように、回転数に応じた強さのスワール流ないしタンブル流が発生するが、圧縮上死点（３６０°ＣＡ）に達する前に、急激に崩壊する。従って、本発明において圧縮上死点付近で噴射された燃料噴霧は、スワール流やタンブル流のような大きな流れにより動かされることがなく、点火プラグに対し、常に安定した形で噴霧を形成することが可能である。

一方、上記のスワール流やタンブル流といった比較的大きな流れのエネルギは、その流れの崩壊に伴って、微小な乱れへと遷移する。従って、燃焼室内の微小な乱れは、圧縮上死点の直前に、急激に増大する。図４は、図３に示した流れの崩壊に伴って生じる微小な乱れの強さを、流速に換算していわゆる乱れ流速として示したものであり、図示するように、圧縮上死点直前に、乱れが大きく増加する。このような微小な乱れは、燃焼場の活性化に寄与し、燃焼改善作用が得られる。

つまり、燃料が噴射される圧縮上死点付近での燃焼室内の場は、噴霧を動かしてしまうような大きな流れが存在せず、かつ燃焼を活発化させる微小な乱れが多く存在し、しかも、ピストンの動きに対し非常に安定した場となる。従って、圧縮上死点よりも遅角した点火時期でもって、安定した燃焼が可能であり、燃焼安定度の上で制限される点火時期の遅角限界が、より遅角側となる。そのため、点火時期の大幅な遅角により、排気ガス温度を大幅に昇温させることができ、かつＨＣ排出量が低減する。

一方、上記のように圧縮上死点付近で燃料噴射弁から燃料を噴射すると、燃料噴射弁の噴孔に作用する背圧つまり筒内圧が非常に高いものとなる。従って、燃料噴霧の噴霧到達距離つまりペネトレーション（貫徹力）が小さくなる。図５は、背圧とペネトレーション（具体的にはペネトレーション低下率）との関係の一例を示しており、図示するように、背圧の増加に伴って噴霧到達距離は短くなる。なお、成層燃焼のために一般に採用される圧縮行程噴射では背圧が４００ｋＰａ付近であり、これに対し、圧縮上死点付近では、背圧が１２００〜１４００ｋＰａ程度となる。

このように圧縮上死点付近の噴射では噴霧到達距離が短くなる結果、ピストン頂部への燃料液滴の付着が抑制される。特に、噴射時期におけるピストンの位置としては、より上死点に近くなり、燃料噴射弁とのピストンとの距離が縮小することになるが、一般に、この距離の縮小よりも噴霧到達距離が短縮する方の影響が大となり、液滴の付着量が減少する。

図６は、このような関係を図示したものであり、横軸は、圧縮上死点を０°としたときの圧縮行程のクランク角を示し、曲線ａは、各クランク角における燃料噴射弁とピストン頂部との間の距離（これはピストンのストローク位置にほぼ対応する）を示す。特に、縦軸の最下点が燃料噴射弁噴孔位置に相当し、図示する長さＬ１が、上記の距離を表す。同様に、曲線ｂは、各クランク角位置で噴射したときの噴霧到達距離（ペネトレーション）を示しており、つまり、長さＬ２が、あるクランク角での噴霧到達距離となる。従って、曲線ｂから曲線ａの間、換言すれば（Ｌ２−Ｌ１）が、そのクランク角で燃料を噴射したときの燃料液滴付着量に相当する。この図から明らかなように、圧縮上死点付近で燃料噴射を行うことにより、ピストン頂部と燃料噴射弁との間の距離Ｌ１は小さくなるが、噴霧到達距離Ｌ２がより急激に短くなるので、ピストンへ付着する燃料液滴量が非常に少なくなる。

このようにピストンに付着する燃料液滴が減少する結果、これに起因したＨＣやスモークの排出量が低減する。

この発明によれば、圧縮上死点を跨ぐように燃料噴射期間を設定することにより、ピストン頂部への燃料液滴の付着を抑制でき、これに起因したＨＣやスモークを低減することができる。同時に、点火時期を圧縮上死点よりも大幅に遅角させた状態で安定した燃焼を得ることができ、例えば内燃機関の冷機時に、燃料液滴の付着抑制と相俟ってＨＣ排出量を大幅に低減できるとともに、排気ガス温度を昇温させて触媒の早期活性化を図ることができる。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図７〜図９は、この発明が適用される筒内直接噴射式火花点火内燃機関の一実施例を示しており、特に、図７，図８は、一つの気筒の構成を示し、図９は機関全体のシステム構成を示している。

図７，図８に示すように、シリンダブロック１に形成されたシリンダ２にピストン３が摺動可能に配置されているとともに、シリンダブロック１上面に固定されたシリンダヘッド４と上記ピストン３との間に、燃焼室５が形成されている。上記シリンダヘッド４には、吸気弁６によって開閉される吸気ポート７と、排気弁８によって開閉される排気ポート９と、が形成されている。１つの気筒に対し、一対の吸気弁６と一対の排気弁８とが設けられており、これらの４つの弁に囲まれた燃焼室５天井面中央部に、燃料噴射弁１０が配置されているとともに、該燃料噴射弁１０に隣接して点火プラグ１１が配置されている。詳しくは、気筒中心よりも一対の排気弁８寄りに燃料噴射弁１０が位置し、かつ一対の吸気弁６寄りに点火プラグ１１が位置する。

上記燃料噴射弁１０からは、ピストン３頂部へ向かってシリンダ軸線に沿うように燃料が噴射される。より詳しくは、シリンダ軸線と完全に平行な方向から点火プラグ１１寄りに僅かに傾いた方向に向かって、燃料が噴射されるようになっており、円錐形に拡がる噴霧の一部が、点火プラグ１１の電極部付近を通過する。ピストン３頂部は、全体が緩い凹面となっている。なお、吸気ポート７には、タンブル流を強化するためにタンブル制御弁１２が設けられているが、このタンブル制御弁１２は必ずしも必須のものではなく、また、これに代えて、スワール制御弁を設けるようにしてもよい。

図９に示すように、この実施例の内燃機関は、例えば直列４気筒機関であり、各気筒の排気ポート９が接続された排気通路２１に、排気浄化用の触媒コンバータ２２が設けられており、その上流側に、酸素センサ等の空燃比センサ２３が配置されている。また、各気筒の吸気ポート７が接続された吸気通路２４は、その入口側に、制御信号により開閉される電子制御スロットル弁２５を備えている。上記排気通路２１と上記吸気通路２４との間には、排気還流通路２６が設けられており、その途中に、排気還流制御弁２７が介装されている。また、各気筒のタンブル制御弁１２は、ソレノイドバルブ２８を介して導入される吸入負圧により動作する負圧式タンブル制御アクチュエータ２９によって、一斉に開閉される構成となっている。

また、上記燃料噴射弁１０には、燃料ポンプ３１およびプレッシャレギュレータ３２によって所定圧力に調圧された燃料が、燃料ギャラリ３３を介して供給されている。従って、各気筒の燃料噴射弁１０が制御パルスにより開弁することで、その開弁期間に応じた量の燃料が噴射される。また、各気筒の点火プラグ１１は、イグニッションコイル３４に接続されている。

上記内燃機関の燃料噴射時期や噴射量、点火時期等は、コントロールユニット３５によって制御される。このコントロールユニット３５には、アクセルペダル踏み込み量を検出するアクセル開度センサ３０の検出信号や、クランク角センサ３６の検出信号、空燃比センサ２３の検出信号、冷却水温を検出する水温センサ３７の検出信号、等が入力されている。

上記のように構成された内燃機関においては、暖機が完了した後の状態、例えば冷却水温が８０℃を越えているときには、通常の成層燃焼運転および均質燃焼運転が行われる。すなわち、低速低負荷側の所定の領域では、通常の成層燃焼運転として、基本的にタンブル制御弁１２を閉じた状態の下で、圧縮行程の適宜な時期に燃料噴射が行われ、かつ圧縮上死点前の時期に点火が行われる。なお、この運転モードでは、圧縮上死点前に必ず燃料噴射が終了する。圧縮行程中にピストン３へ向けて噴射された燃料は、燃焼室５内で層状化するが、点火プラグ１１付近に燃料噴霧が達したときに点火を行うことで、着火燃焼に至る。そのため、平均的な空燃比がリーンとなった成層燃焼が実現される。なお、この噴射時期では、噴霧到達距離（ペネトレーション）が比較的大きくなるが、機関各部が十分に暖まっていることから、燃料の付着によるＨＣやスモークの悪化といった問題は生じない。

また、高速高負荷側の所定の領域では、通常の均質燃焼運転として、基本的にタンブル制御弁１２を開いた状態の下で、吸気行程中に燃料噴射が行われ、かつ圧縮上死点前のＭＢＴ点において点火が行われる。この場合は、燃料は筒内で均質な混合気となり、基本的に理論空燃比近傍で運転が行われる。

これに対し、内燃機関の冷却水温が８０℃以下のとき、つまり暖機が完了していない状態では、ピストン３への燃料液滴の付着の抑制と触媒コンバータ２２の活性化つまり温度上昇の促進のために、上死点噴射運転とする。この上死点噴射運転では、前述した図１に示したように、噴射開始時期ＩＴＳが圧縮上死点（ＴＤＣ）前、噴射終了時期ＩＴＥが圧縮上死点（ＴＤＣ）後となり、圧縮上死点を跨いで燃料噴射が行われる。点火時期ＡＤＶは、圧縮上死点（ＴＤＣ）後となり、噴射開始時期ＩＴＳから１５°ＣＡ〜２０°ＣＡ遅れた時期に点火される。この遅れ期間の間に、燃料噴霧がちょうど点火プラグ１１付近に到達し、点火プラグ１１付近に可燃混合気を形成するので、確実に着火燃焼に至り、成層燃焼が行われる。このとき、燃料噴射量は、平均的な空燃比が理論空燃比となるように制御される。

本実施例では、上記の燃料噴射時期は、噴射開始時期ＩＴＳが所定のクランク角となるように制御され、噴射終了時期ＩＴＥは、この噴射開始時期ＩＴＳと燃料噴射量（噴射時間）とによって定まる。なお、燃料噴射期間における圧縮上死点前の期間と圧縮上死点後の期間とが等しくなるように、燃料噴射量に基づき、噴射開始時期ＩＴＳと噴射終了時期ＩＴＥとを求めるようにすることも可能である。

このように圧縮上死点を跨いで燃料噴射を行うことで、前述したように、背圧により噴霧到達距離が短くなり、ピストン３への燃料液滴の付着が抑制される。そのため、燃料液滴の付着に起因したＨＣやスモークの悪化が回避される。また、同時に、大きなガス流動が崩壊して非常に安定した状態となっている場に燃料が噴射されるため、点火時期の大幅な遅角と燃焼安定度の確保とを両立させることが可能となり、排気ガス温度の十分な昇温とＨＣ排出量のさらなる低減とを達成できる。

本発明の燃料噴射期間および点火時期の一例を示した特性図。 サイクル中のピストン位置変化量と体積変化量の特性図。 大きな流れのサイクル中の変化を示す特性図。 微小な乱れのサイクル中の変化を示す特性図。 燃料噴射弁の背圧とペネトレーションとの関係を示す特性図。 噴射時期と燃料噴射弁からピストンまでの距離ならびにペネトレーションとの関係を示す特性図。 筒内直接噴射式火花点火内燃機関の一実施例を示す断面図。 同じく平面図。 この内燃機関全体のシステム構成を示す構成説明図。

符号の説明

３…ピストン
５…燃焼室
１０…燃料噴射弁
１１…点火プラグ

Claims (3)

1. 筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁が、燃焼室天井面中央部に配置され、ピストン頂部へ向かってシリンダ軸線に沿うように燃料を噴射するとともに、この燃料噴射弁に隣接して点火プラグを備えてなる筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射を、噴射開始時期が圧縮上死点前で噴射終了時期が圧縮上死点後となるように圧縮上死点を跨ぐ期間に行うことを特徴とする筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
2. 上記噴射開始時期から遅れた圧縮上死点後に点火を行うことを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
3. ピストン頂部への燃料液滴の付着を抑制することが要求される特定の運転条件のときに、上記の圧縮上死点を跨ぐ期間での燃料噴射を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
   

Images