JP2007177731A - 筒内噴射式内燃機関および燃料噴射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】筒内噴射式内燃機関において、排気に含まれるスモークや未燃ガスを低減し、出力と燃費の向上を図る。
い。
【解決手段】筒内噴射式内燃機関が高負荷を要求される場合、吸気行程の前期、中期、後期にそれぞれ少なくとも１回ずつ燃料を噴射し、かつ各々の燃料噴射量をその噴射タイミングにおける吸入空気量に対応させる。
【選択図】図８

Description

本発明は、燃料を燃焼室内部に直接噴射する燃料噴射弁を備えた筒内噴射式内燃機関及び燃料噴射方法に係り、特に、均一燃焼のための燃料噴射を行う筒内噴射式内燃機関及び燃料噴射方法に関する。

筒内噴射式内燃機関において、中〜高負荷運転時には、吸入空気に対して燃料を理論空燃比近傍で均質に混合させるために、燃料を吸気行程時に燃焼室内部に噴射することが知られている。しかしながら、特に、低回転、高負荷の運転領域では、吸入空気流速が小さく、燃料噴射期間の吸入空気量も少なく、燃料噴射量が多いため、燃料噴射から点火までに、吸入空気と燃料との混合が十分に行われ難い。このため、スモークや未燃ガスの増加、燃費、出力の低下が生じる。

この対策として、均一燃焼を実行する機関運転状態において、吸気行程中に燃料噴射を開始し、低回転時には、必要燃料噴射量の燃料を複数回に分割して噴射し、分割された最初の燃料噴射を吸気行程前半に開始し、分割された最後の燃料噴射を吸気行程末期に開始する筒内噴射式火花点火内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１）。

この筒内噴射式火花点火内燃機関では、気筒内空間全体に拡散した燃料は、圧縮行程中に十分に蒸発して点火時点において良好な均一混合気となり、スモークの発生を防止することが行われている。

また、機関運転状態が低回転の運転領域にあるときに、吸気行程の前期から中期にかけての範囲内で燃料を複数回に分割して噴射するように燃料の噴射状態を制御する筒内噴射式内燃機関が提案されている（例えば、特許文献２）。
特許第３１８６３７３号公報 特開平１１−１０１１４６号公報

上述した従来の筒内噴射式内燃機関は、高負荷低回転の運転領域において、燃料を複数回に分割して吸気行程中に噴射することで、スモークの発生を抑える、あるいは出力を増大させることができるが、具体的な噴射時期や噴射割合について述べているのは２回までである。筒内噴射式内燃機関において３回以上の複数回噴射を行う場合、各々の噴射の最適な時期や噴射割合を決定する基準や手法が明確になっていない。

本発明は前記解決しようとする課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、筒内噴射式内燃機関において、吸気行程中に３回以上の複数回噴射を行う場合、各々の噴射の最適な時期や噴射割合を決定する基準や手法を明確してそれらを最適設定し、排気に含まれるスモークや未燃ガスを低減し、出力と燃費の向上を図った筒内噴射式内燃機関および燃料噴射方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明による筒内噴射式内燃機関は、燃料を燃焼室内部に直接噴射する燃料噴射弁を備えた筒内噴射式内燃機関であって、内燃機関が高負荷の運転領域にあるとき、吸気行程の中期と後期に、それぞれ少なくとも１回ずつ燃料を噴射する。

本発明による筒内噴射式内燃機関は、好ましくは、吸気行程の中期に行う燃料噴射からクランク角で４０〜７０度遅らせて後期の燃料噴射を行う。吸気行程の中期に行う燃料噴射を上死点後６０〜１４０度とした場合、吸気行程の後期に行なう燃料噴射を上死点後１４０〜１８０度とする。

また、前記目的を達成するために、本発明による筒内噴射式内燃機関は、燃料を燃焼室内部に直接噴射する燃料噴射弁を備えた筒内噴射式内燃機関であって、内燃機関が高負荷の運転領域にあるとき、吸気行程の前期と中期と後期に、それぞれ少なくとも１回ずつ燃料を噴射する。

本発明による筒内噴射式内燃機関は、好ましくは、吸気行程の中期に行う燃料噴射からクランク角で２０〜５０度進ませて前期の燃料噴射を行い、吸気行程の中期に行う燃料噴射からクランク角で４０〜７０度遅らせて後期の燃料噴射を行う。吸気行程の中期に行う燃料噴射を上死点後６０〜１４０度とした場合、吸気行程の前期に行なう燃料噴射を上死点後０〜６０度とし、吸気行程の後期に行う燃料噴射を上死点後１４０〜１８０度とする。

本発明による筒内噴射式内燃機関は、好ましくは、各噴射タイミングの燃料噴射量を各噴射タイミングにおける吸入空気量に対応させる。更に、好ましくは、各噴射タイミングの燃料噴射量と各噴射タイミングにおける吸入空気量との比を同じにする。

前記目的を達成するために、本発明による筒内噴射式内燃機関の燃料噴射方法は、燃料を燃焼室内部に直接噴射する燃料噴射弁を備えた筒内噴射式内燃機関の燃料噴射方法であって、内燃機関が高負荷の運転領域にあるとき、吸気行程の中期と後期に、それぞれ少なくとも１回ずつ燃料を噴射する、あるいは、内燃機関が高負荷の運転領域にあるとき、吸気行程の前期と中期と後期に、それぞれ少なくとも１回ずつ燃料を噴射する。

筒内噴射式内燃機関において、吸気行程中の前期と中期と後期の各々において燃料を分割噴射することで、排気に含まれるスモークや未燃ガスが低減し、出力と燃費が向上する。

本発明による筒内噴射式内燃機関の一つの実施形態を、図を参照して説明する。
図１は、本発明に係る筒内噴射式内燃機関（エンジン）の一つの実施形態の基本構成図である。エンジン１は、ピストン２、吸気弁３、排気弁４を有し、ピストン２の上側に燃焼室２１を画定している。

吸気（吸入空気）は、空気流量計であるエアフローメータ（ＡＦＭ）２０から絞り弁１９に入り、分岐部であるコレクタ１５より吸気管１０、吸気弁３を介して燃焼室２１に供給される。燃料は、燃料噴射弁５から燃焼室２１に直接に噴射供給され、点火コイル７より高電圧を印加されて火花放電を行う点火プラグ６によって点火される。

燃焼室２１の既燃焼ガス（排気ガス）は、排気弁４より排気管１１へ排出される。排気管１１には、三元触媒１２、排気の酸素濃度を検出する酸素センサ１３が設けられている。

エンジン１の燃料噴射制御、点火制御は、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）９によって行われる。ＥＣＵ９は、コンピュータ式のものであり、図示されていないクランク角センサ等よりエンジン１のクランクアングル信号θやエンジンの回転速度（回転数）Ｎｅを、ＡＦＭ２０より吸入空気量信号を、酸素センサ１３より酸素濃度信号等を入力し、これらに基づいて、燃料噴射量、燃料噴射回数および時期、点火時期等を設定する演算処理を行い、燃料噴射弁５へ燃料噴射信号を、点火コイル７へ点火信号を出力する。

図２は、エンジン回転数とエンジン負荷の関係を示している。筒内噴射式内燃機関において、領域Ｂ、Ｃ、Ｄに示す中〜高負荷では、吸入した空気に対して燃料を均質に混合させるために燃料を吸気行程で噴射する。しかしながら、特に、Ｃに示す高負荷・低〜中回転領域では、吸入空気の速度が小さく、燃料噴射期間の吸入空気量も少なく、燃料噴射量が多いため、燃料噴射から点火までに十分な混合が行われにくく、スモークや未燃ガスの増加、燃費の悪化、出力の低下を招いていた。

図３、４は、図２に示すＣの領域、つまり、エンジンの運転領域が高負荷かつ回転数が低〜中回転の場合において、燃料噴射を１回行った場合の燃料噴射タイミングと排出されるスモーク、未燃ガス（ＨＣ）の関係を示している。

図３、４に示されているように、燃料噴射時期を吸気行程前半にすることにより、排出されるスモークと未燃ガスが少なくなることが分かる。これは、燃料噴射から点火までの時間が長いため、燃料の気化、混合時間が十分に確保されていることによる。よって、吸気行程前期の燃料噴射は、未燃率の低下につながり、燃費、出力を向上させることができる。

図５は、同様に、エンジンの運転領域が高負荷かつ回転数が低〜中回転の場合において、燃料噴射を１回行った場合の噴射タイミングと充填効率の関係を示している。

図５に示されるように、燃料噴射時期が吸気行程中期にあるほど充填効率が向上している。これは、単位時間当たりの吸入空気量が、図７に示されているように変化するため、吸気行程中期に燃料の噴射を行うことで、燃料と空気の混合が短時間に効率よく行われ、燃料の気化に伴う筒内空気の冷却によって充填効率が向上する。よって、吸気行程中期の燃料噴射は、出力を向上させることができる。

図６は、同様に、エンジンの運転領域が高負荷かつ回転数が低〜中回転の場合において燃料噴射を１回行った場合の噴射タイミングと燃焼時間の関係を示している。

図６に示されているように、吸気行程後半の燃料噴射は、燃焼速度を速めることができる。これは、燃料噴射から点火までの時間が短いため、燃料噴霧の乱れが大きいことに起因する。よって、吸気行程後期の燃料噴射は、燃焼速度の向上、つまり時間損失の低減につながり、燃費、出力を向上させることができる。

以上の理由により、吸気行程の前期と中期と後期に燃料を分割して噴射することで、燃料の未燃率が最小になる時期と、吸気の充填効率が最大になる時期と、燃焼速度が最大になる時期を全て組み合わせることができ、それぞれの相乗効果により、排気に含まれるスモークや未燃ガスが低減し、出力と燃費が向上する。つまり、排気性能、燃費、出力の向上が可能となる。

ただし、燃料の未燃率が最小になる時期や吸気の充填効率が最大になる時期、燃焼速度が最大になる時期は、エンジンの特性や運転条件に依存し、必ずしもこの順番に最適な噴射時期があるとは限らないので、その場合には、同様に、各々の最適噴射時期を組み合わせて噴射を行う。

図７は、クランクアングルと単位時間当たりの吸入空気量の関係を示している。おおよそ吸気行程の中間に吸入空気量のピークがあり、山形となっている。よって上記複数回の噴射を行う際に、各回（吸気行程の前期、中期、後期）の噴射タイミングにおける燃料噴射量を、それぞれの噴射タイミングにおける吸気量に対応させる。

この場合、吸気行程の前期、中期、後期の各噴射タイミングの燃料噴射量と各噴射タイミングにおける吸入空気量との比を同じにする。

これにより、吸入空気量に見合った燃料の噴射が可能となり、過濃あるいは希薄な不均空燃比の混合気分布を避け、良好に均一燃焼させることができるから、スモークや未燃ガスの排出を低減することができる。

図８は、上記理由に基づいて燃料噴射を吸気行程の前期、中期、後期に分けて、それぞれの噴射タイミングにおける吸入空気量の比で分割噴射を行った場合の例を示している。
図８において、符号Ｉａは吸気行程前期の燃料噴射を、符号Ｉｍは吸気行程中期の燃料噴射を、符号Ｉｔは吸気行程の後期の燃料噴射は、各々示している。

各回の燃料噴射タイミングは、吸気行程の中期に行う燃料噴射Ｉｍからクランク角で２０〜５０度進ませて吸気行程前期の燃料噴射Ｉａを行い、吸気行程の中期に行う燃料噴射Ｉｍからクランク角で４０〜７０度遅らせて吸気行程後期の燃料噴射Ｉｔを行う。具体例として、吸気行程の中期に行なう燃料噴射Ｉｍを上死点後６０〜１４０度とする。この場合、吸気行程の前期に行なう燃料噴射Ｉａは上死点後０〜６０度、吸気行程の後期に行なう燃料噴射Ｉｔは上死点後１４０〜１８０度とする。

燃料噴射回数は、３回に限定されるものではなく、燃料噴射弁５の最小パルス幅の制限以上であれば、４、５、６…回の噴射を行ってもよい。そのときの燃料噴射量の分割比も同様に吸入空気量の比とする。

図９は、吸気行程の前期、中期、後期の各々において２回ずつ、合計６回の分割燃料噴射を行う実施例を示している。
なお、排気ガス対策を別手段によって行い、充填効率と燃焼速度とを重要視する場合には、吸気行程前期の燃料噴射Ｉａを省略することができる。

図１０は、本実施形態による筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御手順を示すフローチャートである。
制御装置であるＥＣＵ９が、エンジン、車両の各種センサ入力を処理し（ステップＳ１１）、要求負荷やエンジン回転数等に応じて均質運転を行うか否かを判定する（ステップＳ１２）。均質運転でない判断された場合には、通常の圧縮行程噴射を行う（ステップＳ１３）。

これに対し、均質運転と判断された場合には、次に、必要出力が大きいか否か、つまり、エンジン負荷が大であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。エンジン負荷が大でない判断された場合には、通常の吸気行程一括噴射を行う（ステップＳ１５）。
エンジンが発生すべき出力が大きい場合、つまり、エンジン負荷が大であれば、複数回の噴射を行うことが決定し、一回あたりの噴射パルス幅が燃料噴射弁の最小パルス幅を下回らない範囲内で噴射回数を決める（ステップＳ１６）。噴射回数が決定された後、それぞれの噴射タイミングを決定する（ステップＳ１７）。この時の噴射タイミングは前述までに述べた未燃率の低減や充填効率の向上、燃焼速度の増大等を考慮してあらかじめ回転数に応じて定められた吸気行程中の前期、中期、後期が選択される。

つぎに、燃焼噴射量の比率を、それぞれの噴射タイミングにおいて、あらじめ記憶しておいたエンジン回転数ごとの吸入空気量の割合に比例させ、各噴射タイミングにおける燃料の噴射割合を決定する（ステップＳ１８）。そして、このように決定された噴射回数、噴射タイミング、燃焼噴射量をもって吸気行程複数回噴射を行う（ステップＳ１９）。

本発明による筒内噴射式内燃機関の一つの実施形態を示す基本構成図。 エンジン回転数と負荷による運転領域区分を示すグラフ。 高負荷時の噴射タイミングと排気スモークとの関係を示すグラフ。 高負荷時の噴射タイミングと未燃ガスとの関係を示すグラフ。 噴射タイミングと充填効率との関係を示すグラフ。 噴射タイミングと燃焼時間との関係を示すグラフ。 クランクアングルと吸入空気量との関係を示すグラフ。 ３回噴射における噴射時期と分割比の例を示すグラフ。 ６回噴射における噴射時期と分割比の例を示すグラフ。 本発明における筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御の一つの実施形態を示すフローチャート。

符号の説明

１ エンジン
２ ピストン
３ 吸気弁
４ 排気弁
５ 燃料噴射弁
６ 点火プラグ
７ 点火コイル
９ ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）
１０ 吸気管
１１ 排気管
１２ 三元触媒
１３ 酸素センサ
１５ コレクタ
１９ 絞り弁
２０ エアフローメータ
２１ 燃焼室

Claims (11)

1. 燃料を燃焼室内部に直接噴射する燃料噴射弁を備えた筒内噴射式内燃機関であって、
   内燃機関が高負荷の運転領域にあるとき、吸気行程の中期と後期に、それぞれ少なくとも１回ずつ燃料を噴射することを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
2. 吸気行程の中期に行う燃料噴射からクランク角で４０〜７０度遅らせて後期の燃料噴射を行うことを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関。
3. 吸気行程の中期に行う燃料噴射を上死点後６０〜１４０度とし、吸気行程の後期に行なう燃料噴射を上死点後１４０〜１８０度とすることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関。
4. 燃料を燃焼室内部に直接噴射する燃料噴射弁を備えた筒内噴射式内燃機関であって、
   内燃機関が高負荷の運転領域にあるとき、吸気行程の前期と中期と後期に、それぞれ少なくとも１回ずつ燃料を噴射することを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
5. 吸気行程の中期に行う燃料噴射からクランク角で２０〜５０度進ませて前期の燃料噴射を行い、吸気行程の中期に行う燃料噴射からクランク角で４０〜７０度遅らせて後期の燃料噴射を行うことを特徴とする請求項４に記載の筒内噴射式内燃機関。
6. 吸気行程の中期に行う燃料噴射を上死点後６０〜１４０度とし、吸気行程の前期に行なう燃料噴射を上死点後０〜６０度とし、吸気行程の後期に行う燃料噴射を上死点後１４０〜１８０度とすることを特徴とする請求項４に記載の筒内噴射式内燃機関。
7. 吸気行程の中期に行う燃料噴射を上死点後６０〜１４０度とすることを特徴とする請求項２又は５に記載の筒内噴射式内燃機関。
8. 各噴射タイミングの燃料噴射量を各噴射タイミングにおける吸入空気量に対応させることを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の筒内噴射式内燃機関。
9. 各噴射タイミングの燃料噴射量と各噴射タイミングにおける吸入空気量との比を同じにすることを特徴とする請求項１から８の何れか一項に記載の筒内噴射式内燃機関。
10. 燃料を燃焼室内部に直接噴射する燃料噴射弁を備えた筒内噴射式内燃機関の燃料噴射方法であって、
    内燃機関が高負荷の運転領域にあるとき、吸気行程の中期と後期に、それぞれ少なくとも１回ずつ燃料を噴射することを特徴とする筒内噴射式内燃機関の燃料噴射方法。
11. 燃料を燃焼室内部に直接噴射する燃料噴射弁を備えた筒内噴射式内燃機関の燃料噴射方法であって、
    内燃機関が高負荷の運転領域にあるとき、吸気行程の前期と中期と後期に、それぞれ少なくとも１回ずつ燃料を噴射することを特徴とする筒内噴射式内燃機関の燃料噴射方法。

Images