JP2006052665A - 直噴火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃焼室４上面の略中央部に設置した燃料噴射弁１１と、この燃料噴射弁１１の噴孔近傍に電極を位置させた点火プラグ１２とを備え、燃料噴射中又は燃料噴射終了直後のピストン３冠面に衝突する以前の燃料噴霧に直接点火する成層燃焼モードの場合に、着火可能期間を拡大して、燃焼の成立する時間的な許容幅の拡大を可能にする。
【解決手段】 燃料噴射弁１１の噴射期間後期に、主噴射期間の燃料噴射率よりも低い燃料噴射率で噴射する着火用噴射期間を設定する。具体的には、着火用噴射期間中、主噴射期間におけるリフト量よりも小さいリフト量で針弁をリフトさせることにより、低噴射率とする。これにより、点火プラグ１２の電極近傍での噴霧流速を低下させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、直噴火花点火式内燃機関に関し、特に成層燃焼モードの改良に関する。

火花点火燃焼に際し、燃料噴射弁から筒内に燃料を直接噴射し、筒内に成層化した混合気を形成することで、大幅な希薄燃焼を行う内燃機関は、特に低・中負荷において、大幅に燃料消費を低減できることが知られている。
このような直噴火花点火式内燃機関においては、混合気を着実に着火・燃焼せしめるために、機関の回転・負荷に応じて、筒内に適切な大きさ・空燃比の混合気塊を、確実に成層化した状態で形成することが重要である。

このような直噴火花点火式内燃機関において、燃料噴射弁の噴孔近傍に点火プラグの電極を配置し、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧に直接火花点火を行い燃焼せしめる手法がある。このような成層混合気形成手段として、例えば特許文献１に示されているものがある。これは、上記に示した燃焼手法を具現化するために点火プラグを２本の吸気ポート間に配置するものである。
特開平６−０４２３５２号公報

しかしながら、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧に直接火花点火を行って燃焼せしめる手法において、燃焼の成立する時間的な許容幅は非常に小さいものとなっている。これは、燃料噴射の終了により点火プラグ電極付近の噴霧流速が十分に低下し、且つ、適切な空燃比となる僅かな期間でしか着火が成立しないためである。また、実際の内燃機関ではサイクル毎の筒内流動のばらつきが存在することが知られており、広い運転領域において安定的に着火燃焼せしめるには、燃焼の成立する時間的な許容幅を拡大する方策を採る必要がある。本燃焼手法に関する過去の発明において、上記問題点に関する方策が示されたものは存在しない。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧に直接火花点火を行って燃焼せしめる手法において、燃焼の成立する時間的な許容幅の拡大を可能とする手段を提供することを目的とする。

このため、本発明では、燃料噴射中又は燃料噴射終了直後のピストン冠面に衝突する以前の燃料噴霧に直接点火する成層燃焼モードにおいて、燃料噴射弁の噴射期間後期に、主噴射期間の燃料噴射率よりも低い燃料噴射率で噴射する着火用噴射期間を設定する構成とする。

本発明によれば、噴射期間後期に設定した着火用噴射期間において、燃料噴射率を積極的に低下させて、点火プラグ電極付近での噴霧流速を低下させることにより、着火可能な混合気を形成でき、燃焼の成立する時間的な許容幅の拡大が可能となる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態の構成図である。
この内燃機関は、シリンダヘッド１、シリンダブロック２及びピストン３により構成される燃焼室４を有し、吸気バルブ５及び排気バルブ６を介して、吸気ポート７から新気を導入及び排気ポート８から排気を排出する。また、前記バルブを駆動するカム軸端には燃料ポンプ９が配置されている。燃料ポンプ９により加圧された燃料は燃料配管１０を介して燃料噴射弁１１より燃焼室４内へ噴射可能である。燃料噴射弁１１は、シリンダヘッド１に取付けられて、燃焼室４上面の略中央部に下向きに設置されている。ピストン３の冠面には、燃料噴射弁１１と対面する部分に、ボウル部（キャビティ）３ａが形成されており、特に低負荷運転条件における混合気の過拡散を抑制する働きがある。

点火プラグ１２は、燃料噴射弁１１と同様、シリンダヘッド１に取付けられて、燃焼室４上部に設置されるが、燃料噴射弁１１より燃焼室４内へ突出させて、電極（スパークギャップ）を燃料噴射弁１１の噴孔近傍に位置させることで、燃料噴射弁１１から噴射された燃料噴霧に直接点火可能となっている。また、点火プラグ１２の電極位置は、燃料噴霧直撃によるプラグ燻り等の問題を回避するために、噴霧中心軸上からはオフセットさせている。

この内燃機関は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１３にて統合的に制御される。このためＥＣＵ１３にはクランク角センサ信号、水温センサ信号、アクセル開度センサ信号などが入力され、これらの信号を基に、燃料噴射弁１１の燃料噴射時期、燃料噴射量、点火プラグ１２の点火時期などの制御を行う。
また、この内燃機関での燃焼形態（燃焼モード）には、大別して、圧縮行程中（特に圧縮行程後半）に燃料噴射を行うことで点火プラグ１２回りに成層混合気を形成し、これを点火燃焼させることでリーン運転を実現し燃費を向上させる成層燃焼モードと、吸気行程中（特に吸気行程前半）に燃料噴射を行うことで燃焼室４全体に均質混合気を形成し、これを点火燃焼させることでストイキ運転を実現する均質燃焼モードとがあり、運転状態に応じて選択される。概ね、低回転・低負荷側で成層燃焼モードが選択され、高回転・高負荷側で均質燃焼モードが選択される。

また、成層燃焼モードには、燃料噴射終了後に、ピストン３冠面のボウル部３ａを経由した燃料（ピストン３冠面のボウル部３ａに衝突し案内されてボウル部３ａ内及びその上空に形成される混合気塊）に点火する第１の成層燃焼モードと、燃料噴射中又は燃料噴射終了直後に、ピストン３冠面のボウル部３ａに衝突する以前の燃料噴霧に直接点火する第２の成層燃焼モードとがあり、これらも運転状態に応じて選択される。

ところで、燃料噴射弁１１から噴射された燃料噴霧に直接点火する成層燃焼モードの場合、燃焼の成立する時間的な許容幅は非常に小さいものとなっている。これは、図２に、所定の燃料噴射期間、燃料噴射率一定で燃料噴射を行った場合の、プラグ電極付近の噴霧流速の変化を実線で、プラグ電極付近での空燃比（Ａ／Ｆ）の変化を点線で、示すように、燃料噴射の終了によりプラグ電極付近の噴霧流速が十分に低下し、且つ、適切な空燃比範囲となる僅かな期間（図示の着火可能期間）でしか、着火が成立しないためである。また、実際の内燃機関ではサイクル毎の筒内流動のばらつきが存在することが知られており、広い運転領域において安定的に着火燃焼せしめるには、燃焼の成立する時間的な許容幅を拡大する方策を採る必要がある。

そこで、本発明では、燃料噴射中又は燃料噴射終了直後のピストン冠面に衝突する以前の燃料噴霧に直接点火する成層燃焼モードでは、燃料噴射弁１１の噴射期間後期に、主噴射期間の燃料噴射率よりも低い燃料噴射率で噴射する着火用噴射期間を設定する。
具体的には、着火用噴射期間中、主噴射期間におけるリフト量よりも小さいリフト量で燃料噴射弁１１の針弁をリフトさせることにより、低噴射率とする。

図３に本実施形態で使用される燃料噴射弁１１の各種先端形状及び針弁の最大リフト量と中間リフト時とにおけるそれぞれの噴霧特性を示す。
図３の（Ａ）は外開き噴射弁であり、針弁の最大リフト時（左側の図）と中間リフト時（右側の図）とで噴孔断面積が変化するため、中間リフト時は燃料噴射率が低下することで、プラグ電極付近での噴霧流速（混合気流速）が低下し、着火可能な混合気を形成することが可能となる。

図３の（Ｂ）はサック付きホール噴射弁であり、針弁の最大リフト時（左側の図）と中間リフト時（右側の図）とで噴孔断面積は変化しないものの、中間リフト時はシート部で断面積が最小となるため、サック部で燃圧及び流速が低下し、プラグ電極付近での噴霧流速（混合気流速）が低下する。
図３の（Ｃ）はＶＣＯ（Valve Covered Orifice ）噴射弁であり、サック付きホール噴射弁と同様に、針弁の最大リフト時（左側の図）と中間リフト時（右側の図）とで噴孔断面積は変化しないものの、中間リフト時はシート部で断面積が最小となるため、プラグ電極付近での噴霧流速（混合気流速）が低下する。

尚、図３に示される噴射弁は全て針弁の中間リフトを使用することで点火プラグ付近の混合気流速の低下を狙ったものであり、どれを用いても良いし、同様の効果を有するものであればこれらに限定するものでもない。
図４及び図５に燃料噴射弁１１の本体構造を示す。図４はピエゾ素子（及び押圧コイルばね）を用いて針弁を制御する方式のもので、優れた動特性を有していることが特徴である。図５は電磁コイル（及び押圧コイルばね）を用いて針弁を制御する方式のもので、ピエゾ素子と比較すると動特性は劣るものの、安価に作成することが可能である。尚、図４及び図５の左側は外開きタイプ噴射弁、右側はホールタイプ噴射弁又はスワールタイプ噴射弁を示している。

図６に図４及び図５にそれぞれに示された燃料噴射弁（ピエゾ式燃料噴射弁及び電磁コイル式燃料噴射弁）における制御電圧（図示実線）と燃料噴射率（図示点線）との関係を示す。ここで示す制御電圧とは、ピエゾ素子を用いた燃料噴射弁に対してはピエゾ素子にかかる電圧値であり、電磁コイルを用いた燃料噴射弁に対しては電磁コイルにかかる電圧値である。

図６の（Ａ）は主噴射のみを行う場合の制御電圧であり、均質燃焼の際に使用する。尚、電磁コイルを用いた燃料噴射弁に対しては、初期に開弁動作電圧を与え、その後は開弁保持電圧を与えている。
図６の（Ｂ）は主噴射期間から着火用噴射期間へ制御電圧を一旦ゼロとしてから、着火のための燃料噴射を行うために、主噴射のための制御電圧より低い制御電圧を再設定するものであり、成層燃焼時に使用する。

図６の（Ｃ）は主噴射期間から着火用噴射期間へ制御電圧を矩形状（階段状）に変化させて、低電圧にて着火のための燃料噴射を行うものであり、成層燃焼時に使用する。
図６の（Ｄ）は主噴射期間から着火用噴射期間へ制御電圧を連続的に略一定の傾きで変化させて、低電圧にて着火のための燃料噴射を行うものであり、成層燃焼時に使用する。
尚、図６の（Ｂ）〜（Ｄ）に示される制御電圧は全て針弁の中間リフトの使用を狙ったものであり、どれを用いても良いし、同様の効果を有するものであればこれらに限定するものでもない。

図７に本実施形態でのＣＵ１３による制御フローを示す。
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、各種センサ信号に基づいて、機関回転速度、負荷等を検出する。
ステップ２では、機関の運転条件（運転領域）に基づいて成層燃焼を行うか均質燃焼を行うかを判断する。この判断は、機関回転速度及び負荷と燃焼形態との関係を予め実験により求めて記憶させておいたテーブルから読込むことにより行う。

均質燃焼と判断された場合は、ステップ４へ進み、主噴射のみを行う。
一方、成層燃焼と判断された場合は、ステップ３へ進み、高噴射率での主噴射に続いて、低噴射率での着火用噴射を行う。燃料噴射弁への制御電圧は予め実験により求めて記憶させておく。
ここで、低噴射率での着火用噴射量は、機関負荷に関わらず一定とし、機関回転速度の上昇に応じて増加させる。言い換えれば、要求燃料噴射量が等しい条件では、機関回転速度が高いほど、着火用噴射期間の燃料噴射量を増大させる。また、着火用噴射量を機関負荷にかかららず一定とすることで、主噴射期間の燃料噴射量を増大させることで機関負荷制御を行う。

尚、本フローでは、成層燃焼の場合は、全て、ピストン冠面に達する以前の燃料噴霧に直接点火する成層燃焼モードであるとして、低噴射率での着火用噴射を行うようにしているが、運転領域に応じて、ピストン冠面を経由した燃料に点火する第１の成層燃焼モードと、ピストン冠面に衝突する以前の燃料噴霧に直接点火する第２の成層燃焼モードとに切換える場合は、前記第１の成層燃焼モードでは主噴射のみとし、前記第２の成層燃焼モードのみにおいて、主噴射に続いて低噴射率での着火用噴射を行うようにすればよい。

また、着火用噴射は成層燃焼時の着火の安定性を確保するために行うものであり、同様の効果を示すものであれば本制御に限定するものではない。
本実施形態によれば、燃料噴射中又は燃料噴射終了直後のピストン冠面に衝突する以前の燃料噴霧に直接点火する成層燃焼モードの場合に、燃料噴射弁の噴射期間後期に設定した着火用噴射期間において、燃料噴射率を積極的に低下させて、点火プラグ電極付近での噴霧流速を低下させることにより、着火可能な混合気を形成でき、燃焼の成立する時間的な許容幅の拡大が可能となる。

また、本実施形態によれば、着火用噴射期間中、主噴射期間におけるリフト量よりも小さいリフト量で針弁をリフトさせることにより、噴口断面積又はシート部断面積により燃料流量が決まることから、燃料噴射率を確実に低下させることができる。
また、本実施形態によれば、着火用噴射期間中に、主噴射期間における開弁用の制御電圧よりも低い制御電圧を燃料噴射弁の針弁アクチュエータ（ピエゾ素子、電磁コイル）に印加することにより、容易に、低リフト量に制御可能となる。

特に、主噴射期間終了時に燃料噴射弁への制御電圧を一度ゼロとしてから、着火用噴射期間用の制御電圧に変更（再設定）する場合は、容易に制御を行うことが可能となる。主噴射期間終了時から着火用噴射期間にかけて燃料噴射弁への制御電圧を矩形状に変更する場合は、比較的単純化された制御で噴射率が低下することによる燃料噴霧特性の悪化を低減することが可能となる。主噴射期間終了時から着火用噴射期間にかけて燃料噴射弁への制御電圧を連続的に変更する場合は、燃焼安定性と、噴射率の低下による燃料噴霧特性の悪化とのバランスを最適化することが可能となる。

また、燃料噴射弁がＶＣＯノズル構造を有している場合は、噴射率が低下することによる燃料噴霧特性の悪化を抑制できる。
また、本実施形態によれば、ピストン冠面に衝突する以前の燃料噴霧に直接点火する成層燃焼モードでは、要求燃料噴射量が等しい条件では、機関回転速度が高いほど、着火用噴射期間の燃料噴射量を増大させることにより、機関回転速度の上昇に従い増大するサイクルばらつきによる着火燃焼の不安定性を改善できる。

また、本実施形態によれば、ピストン冠面に衝突する以前の燃料噴霧に直接点火する成層燃焼モードでは、主噴射期間の燃料噴射量を増大させることで機関負荷制御を行うことにより、噴射率が低下することによる燃料噴霧特性の悪化割合を増加させることなく、高負荷運転が可能となる。
また、本実施形態によれば、ピストン冠面に衝突する以前の燃料噴霧に直接点火する成層燃焼モードのみにおいて、燃料噴射弁の噴射期間後期に、主噴射期間の燃料噴射率よりも低い燃料噴射率で噴射する着火用噴射期間を設定することにより、言い換えれば、ピストン冠面に衝突する以前の燃料噴霧に直接点火する成層燃焼モード以外では、低噴射率での着火用噴射期間を設定しないことにより、噴射率が低下することによる燃料噴霧特性の悪化なく運転可能となる。

本発明の一実施形態の構成図 プラグ電極付近で空燃比、噴霧と着火可能範囲との関係を示す図 燃料噴射弁の先端形状、リフト量と噴霧特性との関係を示す図 ピエゾ式燃料噴射弁の内部構造を示す図 電磁コイル式燃料噴射弁の内部構造を示す図 燃料噴射弁の制御電圧と燃料噴射率との関係を示す図 一実施形態の制御フローチャート

符号の説明

１ シリンダヘッド
２ シリンダブロック
３ ピストン
３ａ ボウル部
４ 燃焼室
５ 吸気バルブ
６ 排気バルブ
７ 吸気ポート
８ 排気ポート
９ 燃料ポンプ
１０ 燃料配管
１１ 燃料噴射弁
１２ 点火プラグ
１３ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）

Claims (10)

1. 燃焼室上面の略中央部に設置した燃料噴射弁と、この燃料噴射弁の噴孔近傍に電極を位置させた点火プラグとを備え、圧縮行程噴射による成層燃焼を行わせる運転領域のうち、少なくとも一部の運転領域にて、燃料噴射中又は燃料噴射終了直後のピストン冠面に衝突する以前の燃料噴霧に直接点火する成層燃焼モードを有する直噴火花点火式内燃機関において、
   前記燃料噴霧に直接点火する成層燃焼モードでは、前記燃料噴射弁の噴射期間後期に、主噴射期間の燃料噴射率よりも低い燃料噴射率で噴射する着火用噴射期間を設定することを特徴とする直噴火花点火式内燃機関。
2. 前記着火用噴射期間中、主噴射期間におけるリフト量よりも小さいリフト量で針弁をリフトさせることにより、低噴射率とすることを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関。
3. 前記着火用噴射期間中、主噴射期間における開弁用の制御電圧よりも低い制御電圧を燃料噴射弁の針弁アクチュエータに印加することにより、低リフト量とすることを特徴とする請求項２記載の直噴火花点火式内燃機関。
4. 主噴射期間終了時に燃料噴射弁への制御電圧を一度ゼロとしてから、着火用噴射期間用の制御電圧に変更することを特徴とする請求項３記載の直噴火花点火式内燃機関。
5. 主噴射期間終了時から着火用噴射期間にかけて燃料噴射弁への制御電圧を矩形状に変更することを特徴とする請求項３記載の直噴火花点火式内燃機関。
6. 主噴射期間終了時から着火用噴射期間にかけて燃料噴射弁への制御電圧を連続的に変更することを特徴とする請求項３記載の直噴火花点火式内燃機関。
7. 燃料噴射弁はＶＣＯノズル構造を有していることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
8. 前記燃料噴霧に直接点火する成層燃焼モードでは、要求燃料噴射量が等しい条件では、機関回転速度が高いほど、着火用噴射期間の燃料噴射量を増大させることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
9. 前記燃料噴霧に直接点火する成層燃焼モードでは、主噴射期間の燃料噴射量を増大させることで機関負荷制御を行うことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
10. 前記燃料噴霧に直接点火する成層燃焼モードのみにおいて、前記燃料噴射弁の噴射期間後期に、主噴射期間の燃料噴射率よりも低い燃料噴射率で噴射する着火用噴射期間を設定することを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。

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