JP2006112241A - 筒内直接噴射式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮行程中に２度の燃料噴射をする場合において、１度目の燃料噴射量によらず均質な混合気塊を形成する筒内直接噴射式内燃機関を提供する。
【解決手段】ピストン３の冠面上に外側キャビティ１３と内側キャビティ１２を設け、特定運転領域においては圧縮行程中に２度の燃料噴射を行う筒内直接噴射式内燃機関において、１度目の燃料噴射量が少ないほど、１度目の燃料噴射終了時期を早くするように設定する。このことにより、１度目の燃料噴霧の運動量が少なく混合に時間がかかる場合においても、十分な混合時間を確保し、均質な混合気塊を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、筒内直接噴射式内燃機関に関し、特に筒内に混合気塊を確実に形成するための燃料噴射制御に関する。

筒内直接噴射式内燃機関においては、混合気に着実に点火・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、空燃比の混合気を成層化した状態で形成することが重要である。

そこでピストン冠面中心付近に内側キャビティを、その外周に外側キャビティをそれぞれ有するピストンを用いた内燃機関が特許文献１に開示されている。この発明では、機関負荷が比較的大きい場合には、圧縮行程時において１度目の燃料噴射を外側キャビティへ、２度目の燃料噴射を内側キャビティへ衝突させ、比較的大きな混合気塊と比較的小さな混合気塊をそれぞれ形成することで、むらのない成層混合気塊を形成するとしている。
特開２００４−３６５１９号公報

しかしながら上記発明においては、２度の燃料噴射をする際に1度目の燃料噴射終了時期が固定されているため、１度目の燃料噴射量に関わらず燃料噴霧と空気の混合時間は一定である。そのため1度目の燃料噴射量が少なく、外側キャビティを経由する燃料噴霧の運動量が小さい場合には、燃料と空気が十分に混合せず、所望する混合気塊が得られないおそれがある。

そこで本発明では、２度の燃料噴射においても、むらのない成層混合気塊を形成する筒内直接噴射式内燃機関を提供することを目的とする。

本発明はピストン冠面上の中心付近に内側キャビティを、その外周に外側キャビティを設け、機関運転条件によって２度の燃料噴射を行う筒内直接噴射式内燃機関において、１度目の燃料噴射時の燃料噴霧が混合する時間を十分に確保することができるように、１度目の燃料噴射量が少ないときほど１度目の燃料噴射終了時期を早くすることを特徴とする。

本発明によれば、１度目の燃料噴射量が少なく燃料噴霧の運動量が小さい場合においても、十分な混合時間を確保することが可能となる。そのため１度目の燃料噴射量によらず、むらのない成層混合気塊を形成することができ、安定した成層燃焼を行うことができる。

以下第１の実施形態を図面に基づいて説明する。図１において、燃焼室４はシリンダヘッド１、シリンダブロック２、およびピストン３によって形成されており、シリンダヘッド１とシリンダブロック２との間にはガスケット１４を介装している。燃焼室４はその上部で吸気バルブ５を介して吸気ポート６と、また、排気バルブ７を介して排気ポート８と連通している。シリンダヘッド１に設けられた燃料噴射弁９は、ピストン３とほぼ同軸上にあり、かつ、燃焼室４の上部中央に位置し、その近傍には点火プラグ１０が設けられている。燃料噴射弁９は開弁時には燃焼室４に燃料噴霧を中空円錐状に噴射するものであり、その中空円錐の中心軸はシリンダ中心軸とほぼ平行である。

上記燃料噴射弁は、キャビティへ安定して燃料噴霧を衝突させるために、指向性の強いものが好ましい。そのため、例えば図２に示すホールノズル噴射弁や、図３に示すような中空円錐の一部が燃料噴射方向に沿って切り欠かれた形状となるスワールノズル噴射弁などを用いている。

燃料噴射弁９と点火プラグ１０は機関コントロールユニット(ECU)１１からの信号に基づいて燃料噴射および点火を行う。ECU１１は機関回転速度と機関負荷に基づいて演算を行い、燃料噴射量、燃料噴射時期および点火時期を制御する。ピストン３の冠面上にはシリンダ中心軸をほぼ中心とする円形のキャビティ(内側キャビティ)１２を設け、その内側キャビティ１２の外側にも同様に環状のキャビティ(外側キャビティ)１３を設けている。

上記のように構成された内燃機関は２つの燃焼形態をとる。すなわち圧縮行程時に燃料噴射を行うことで混合気を層状化し、空燃比がリーン状態での運転を実現することで、燃費を向上させる成層燃焼と、吸気行程時に燃料噴射を行い、十分な混合時間をとることで空燃比がストイキ(理論空燃比)状態での運転を実現する均質燃焼である。本発明の内燃機関においては、全運転条件の中で比較的低負荷および低回転の運転領域では成層燃焼を行い、比較的高負荷および高回転の運転領域では均質燃焼を行う。

図４に第１の実施形態における機関負荷に対する燃料噴射時期および燃料噴射の制御の概略図を示す。なお図４の機関回転数は、成層燃焼を行う運転条件において、比較的高回転で一定である。

機関負荷がT１より低いときは燃料噴射を１度のみ行い、機関負荷の上昇に応じて燃料噴射開始時期を進角させる。この際の燃料噴射は、燃料噴霧の全てが内側キャビティ１２に衝突するように噴射時期を設定する。つまり圧縮行程時に１度のみの燃料噴射を行う場合には燃料噴射開始時期を調整する。

そして機関負荷が増大し燃料噴射量が増大すると、燃料噴射開始直後の燃料噴霧が内側キャビティ１２に衝突せず、外側キャビティ１３に衝突するほどに燃料噴射開始時期が進角することになる。

そこで、燃料噴射開始直後の燃料噴霧が内側キャビティ１２に衝突しないほど、燃料噴射開始時期を進角する必要のある機関負荷に達する前、すなわち機関負荷がT１に達した時点で、圧縮行程時に２度の燃料噴射を行う分割噴射に切り替える。その際に、１度目の燃料噴射は外側キャビティ１３に衝突し、２度目の燃料噴射は内側キャビティ１２に衝突するように設定する。

この分割噴射を行う場合には、１度目の燃料噴射量の変化に応じて１度目の燃料噴射終了時期を調整する。すなわち、１度目の燃料噴射量が少ないときほど、１度目の燃料噴射終了時期を早くするように設定する。第１の実施形態では、２度目の燃料噴射時期および１度目の燃料噴射開始時期を固定し、１度目の燃料噴射終了時期を調整することで上記の燃料噴射を設定している。このとき１度目の燃料噴射開始時期は外側キャビティ１３に衝突するように設定している。２度目の燃料噴射開始時期は、機関負荷がT１よりも小さい運転領域、すなわち燃料噴射を１度のみ行う場合の最進角よりも遅い時期に固定し、燃料噴射終了時期は、前記燃料噴射を１度のみ行う場合の燃料噴射終了時期と同時期に固定する。

上記燃料噴射の模式図を図５に示す。

まず圧縮行程の中期付近において、外側キャビティ１３に衝突するように燃料噴射を開始する(図５の(a))。１度目の燃料噴射時の燃料噴霧は外側キャビティ１３の底面に衝突し、その貫徹力によって外側キャビティ１３の底面を経由して燃焼室４の上方に向かい(図５の(b))、周辺空気を巻き込みつつ、むらのない混合気塊を形成する。この際に形成される混合気塊の大きさは、外側キャビティ１３の大きさに依存して比較的大きくなる。

２度目の燃料噴射時には燃料噴霧は内側キャビティ１２に衝突する(図５の(c))。この燃料噴射による燃料噴霧は内側キャビティ１２の底面に衝突し、その貫徹力によって内側キャビティ１２の底面を経由して燃焼室４の上方に向かい(図５の(d))、燃焼室４の中心部に比較的小さな混合気塊を形成する。

このため１度目の燃料噴射時に形成された混合気塊と２度目の燃料噴射時に形成された混合気塊によって、燃焼室４にむらのない混合気塊を形成することができる(図５の(e))。

ところで、１度目の燃料噴射終了時期と２度目の燃料噴射開始時期との間隔が所定の期間tよりも短い場合には、燃料噴射弁の開閉が間に合わず、噴射不良を起こすことが懸念される。よって１度目の燃料噴射終了時期と２度目の燃料噴射開始時期との間隔は所定の期間t以下にならないようにすることが望ましい。

そこで、１度目の燃料噴射終了時期と２度目の燃料噴射開始時期との間隔が所定の期間tに達した時点、すなわち機関負荷がT２に達した時点で、分割噴射を中止し１度の燃料噴射に切り替える。この際に、燃料噴射開始時期を分割噴射の際の１度目の燃料噴射開始時期に固定し、燃料噴射終了時期を調整することで燃料噴射量を調整する。

上記燃料噴射の模式図を図６に示す。

燃料噴射前半においては分割噴射の場合と同様に、燃料噴霧は外側キャビティ１３に衝突し(図６の(a))、その燃料噴霧の貫徹力により、外側キャビティ１３の底面を経由して燃焼室４の上方に向かい(図６の(b))、周辺空気を巻き込みつつ、むらのない混合気塊を形成する。この際に形成される混合気塊の大きさは、外側キャビティ１３の大きさに依存して比較的大きくなる。

燃料噴射中盤において外側キャビティ１３から内側キャビティ１２へ燃料噴霧の衝突が移行する(図６の(c))。

燃料噴射後半においては、燃料噴霧は内側キャビティ１２へ衝突することになる(図６の(d))。その後は分割噴射の場合と同様に、燃料噴霧はその貫徹力によって内側キャビティ１２の底面を経由して燃焼室４の上方に向かい(図６の(e))、燃焼室４の中心部に比較的小さな混合気塊を形成することになる。

このため燃料噴射前半に形成された混合気塊と燃料噴射後半に形成された混合気塊によって、燃焼室４にむらのない混合気塊を形成することができる(図６の(f))。

さらに機関負荷が上昇し、燃料噴射終了時期が分割噴射における２度目の燃料噴射終了時期に達した時点、すなわち機関負荷がT３に達した時点で均質燃焼に切り替える。

第１の実施形態による効果について説明する。

本実施形態では１度目の燃料噴射量が少ないときほど、１度目の燃料噴射終了時期を早くするように設定している。そのため１度目の燃料噴射量が少なく、燃料噴霧の運動量が小さい場合であっても、燃料が混合するまでの時間を十分にとることができ、むらのない混合気塊の形成をすることができる。

本実施形態においては１度目の燃料噴射開始時期を固定したことで、１度目の燃料噴射時の燃料噴霧が確実に外側キャビティ１３に衝突し、かつ、混合に十分な時間をとることができる。また、２度目の燃料噴射開始時期および燃料噴射終了時期を固定したことにより、２度目の燃料噴射時の燃料噴霧が確実に内側キャビティ１２に衝突し、かつ、２度目の燃料噴射によって形成された混合気塊が過度に拡散するおそれがない。

本実施形態では、機関負荷が上昇し、１度目の燃料噴射終了時期と２度目の燃料噴射開始時期との間隔が所定の期間tに達した時点、すなわち機関負荷がT２に達した時点で分割噴射を中止し、１度の燃料噴射に切り替える。このため成層燃焼を行うことができる範囲を機関負荷がT２からT３の範囲に広げることができ、成層燃焼による燃費の向上効果が得られる。

この１度の燃料噴射を行う際に、燃料噴射開始時期を固定し、燃料噴射終了時期を調整することで、混合までの時間を十分に確保することができ、むらのない混合気塊を形成することができる。

１度の燃料噴射に切り替えた場合には、外側キャビティ１３から内側キャビティ１２へ燃料噴射が遷移する際に噴射された燃料噴霧が十分に混合しないおそれがある(図６の(d)、図６の(e))。しかし、総燃料噴射量が多いため、大きな問題にはならず、均質燃焼させる場合と比較すれば燃費向上の効果が期待できるのである。

第２の実施形態における機関負荷に対する燃料噴射時期および燃料噴射の制御の概略図を図７に示す。なお図７の機関回転数は、成層燃焼を行う運転条件において、比較的低回転で一定である。

第１の実施形態と同様に、１度目の燃料噴射終了時期と２度目の燃料噴射開始時期の間隔が所定の期間tに達した時点、すなわち機関負荷がT２に達した時点で、分割噴射を中止し１度の燃料噴射に切り替える。この際、燃料噴射終了時期を分割噴射における２度目の燃料噴射終了時期に固定し、燃料噴射開始時期を調整することで燃料噴射量を調整する。

そして燃料噴射開始時期が分割噴射における１度目の燃料噴射開始時期に達した時点、すなわち機関負荷がT３に達した時点で、均質燃焼に切り替える。

第２の実施形態による効果を説明する。

第２の実施形態によれば、１度の燃料噴射を行うT２からT３の機関負荷領域において、燃料噴射終了時期を固定する。このため燃料噴射から点火までに比較的長い時間を確保でき、燃料噴霧を十分に混合することができるとともに、形成された混合気塊の過度の拡散を防ぐことができる。

第３の実施形態における機関負荷に対する燃料噴射時期および燃料噴射の制御の概略図を図８に示す。図８においても図７の場合と同様に、機関回転数は成層燃焼を行う運転条件において、比較的低回転で一定である。

１度目の燃料噴射終了時期と２度目の燃料噴射開始時期の間隔が所定の期間tに達した時点、すなわち機関負荷がT２に達した時点で、燃料噴射の設定を切り替える。すなわち１度目の燃料噴射終了時期による燃料噴射量の調整を中止し、１度目の燃料噴射終了時期を固定して、１度目の燃料噴射開始時期を調整することで燃料噴射量を調整する。この際に、１度目の燃料噴射終了時期は、２度目の燃料噴射開始時期との間隔が所定の期間tとなるような時期に設定する。

そして機関負荷がT３に達した時点で、均質燃焼に切り替える。

第３の実施形態による効果を説明する。

第３の実施形態によれば、これまで１度の燃料噴射に切り替えていた機関負荷の領域においても、噴射不良の懸念なく分割噴射を行うことができる。そのため外側キャビティ１３と内側キャビティ１２のそれぞれによって形成される混合気塊が重複する部分を抑えることができ、むらのない混合気塊を形成することができる。

この実施形態を用いた場合には、１度目の燃料噴射開始時期が進角し、噴射された燃料噴霧が外側キャビティ１３に衝突する位置が多少ずれるが、燃料噴射量が多いため十分に混合した成層混合気塊を形成することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなし得る様々な変更、改良が含まれることは言うまでもない。

本発明における筒内直接噴射式内燃機関の構成図である。 ホールノズル噴射弁の概略図である。 切り欠き付きスワールノズル噴射弁の概略図である。 第１の実施形態における機関負荷に対する燃料噴射時期および燃料噴射方法の制御の概略図である。 第１の実施形態において分割噴射を行う際の燃料噴霧と混合気塊の形成の概略図である。 第１の実施形態において、機関負荷がT２からT３の場合に、１度の燃料噴射を行う際の燃料噴霧と混合気塊の形成の概略図である。 第２の実施形態における機関負荷に対する燃料噴射時期および燃料噴射方法の制御の概略図である。 第３の実施形態における機関負荷に対する燃料噴射時期および燃料噴射方法の制御の概略図である。

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
４ 燃焼室
５ 吸気バルブ
６ 吸気ポート
７ 排気バルブ
８ 排気ポート
９ 燃料噴射弁
１０ 点火プラグ
１１ 機関コントロールユニット(ECU)
１２ 内側キャビティ
１３ 外側キャビティ
１４ ガスケット

Claims (5)

1. 燃焼室上部に点火プラグと燃料噴射弁とを有し、ピストン冠面の中心付近に位置する内側キャビティと、その外周を包囲する外側キャビティとを備え、機関運転条件が特定運転領域内にある場合には圧縮行程時に２度の燃料噴射をする筒内直接噴射式内燃機関において、
   １度目の燃料噴射量が少ないときほど、１度目の燃料噴射終了時期を早くすることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
2. 請求項１において、１度目の燃料噴射開始時期、２度目の燃料噴射開始時期および終了時期を固定し、１度目の燃料噴射終了時期に応じて燃料噴射量を調整することを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
3. 請求項２において、１度目の燃料噴射終了時期と２度目の燃料噴射開始時期が所定の間隔以下となる運転領域では、２度の燃料噴射から１度の燃料噴射に切り替え、その１度の燃料噴射は燃料噴射開始時期を固定し、燃料噴射終了時期に応じて燃料噴射量を調整することを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
4. 請求項２において、１度目の燃料噴射終了時期と２度目の燃料噴射開始時期が所定の間隔以下となる運転領域では、２度の燃料噴射から１度の燃料噴射に切り替えし、その１度の燃料噴射は燃料噴射終了時期を固定し、燃料噴射開始時期に応じて燃料噴射量を調整することを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
5. 請求項２において、１度目の燃料噴射終了時期と２度目の燃料噴射開始時期が所定の間隔以下となる運転領域では、１度目の燃料噴射終了時期による燃料噴射量の調整を中止し、１度目の燃料噴射終了時期を固定し、１度目の燃料噴射開始時期に応じて燃料噴射量を調整することを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。

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