JP2007247625A - Cylinder direct injection internal-combustion engine - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cylinder direct injection internal-combustion engine that suppresses the generation of unburned air/fuel mixture to prevent knocking. <P>SOLUTION: The cylinder direct injection internal-combustion engine includes a fuel injecting means 11 for directly injecting fuel into a cylinder; a supply rate controlling means 13 for controlling variably the supply rate of an air/fuel mixture that the fuel injected from the fuel injecting means 11 forms by taking in an ambient air; a combustion initiating means 12 for initiating combustion of the air/fuel mixture during the period of fuel injection; an operating condition detecting means 14, 15 for detecting operating condition of the engine; and a burning rate detecting means 13 for detecting burning rate of the fuel/air mixture depending on the operating condition, and has a combustion mode that forms burning flame of the fuel/air constantly within a combustion chamber 1 by controlling supply rate so as to be substantially equivalent to the burning rate by the supply rate controlling means 13. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、筒内直接噴射式内燃機関の燃焼の制御に関し、特に、ノッキングの発生を防止しつつ出力を向上させるための制御に関する。   The present invention relates to control of combustion in a direct injection type internal combustion engine, and more particularly to control for improving output while preventing occurrence of knocking.

ガソリンエンジンでは、点火プラグにより点火した火炎が点火プラグ近傍から燃焼室外壁へ向けて伝播する過程において、主に燃焼室外周部付近の未燃混合気が、ピストン上昇による圧縮作用と、伝播する火炎による圧縮作用(爆発による燃焼室内圧上昇)とによって着火温度に達し、自己着火して急激な圧力上昇が引き起こされるノッキング現象が知られている。   In a gasoline engine, in the process in which the flame ignited by the spark plug propagates from the vicinity of the spark plug toward the outer wall of the combustion chamber, the unburned mixture mainly in the vicinity of the outer periphery of the combustion chamber is compressed by the piston rise and the propagating flame There is known a knocking phenomenon in which an ignition temperature is reached by a compression action (an increase in combustion chamber pressure due to an explosion), and a self-ignition causes a rapid pressure increase.

このノッキング現象の発生を防止するために、圧縮比の上限は未燃混合気が自己着火しない程度に制限されてしまい、結果として最高トルクが制限される。   In order to prevent the occurrence of the knocking phenomenon, the upper limit of the compression ratio is limited to such an extent that the unburned mixture does not self-ignite, and as a result, the maximum torque is limited.

ところで、筒内直接噴射式エンジンにおいては、燃料噴射後の燃料が拡散する前に速やかに着火して燃焼させることができれば、燃焼室外周付近に混合気は存在しなくなるので、理論上ノッキングは発生し得ない。このような燃焼形態は一般に噴霧燃焼と呼ばれており、ディーゼル機関では一般的である。   By the way, in an in-cylinder direct injection engine, if the fuel after fuel injection can be ignited and burned quickly before it diffuses, there will be no air-fuel mixture near the outer periphery of the combustion chamber, so knocking will theoretically occur. I can't. Such a combustion mode is generally called spray combustion, and is common in diesel engines.

しかしながら、一般的なディーゼルエンジンの場合、機関負荷、機関回転数等の運転条件やEGR量によって、燃料噴霧が燃焼開始する位置は異なる。このため、運転条件によっては燃料が空気と十分に混合する前に燃焼することによってスモークやCOが生成され、排気性能が悪化するおそれがある。   However, in the case of a general diesel engine, the position at which the fuel spray starts to burn varies depending on the operating conditions such as the engine load and the engine speed and the EGR amount. For this reason, depending on the operating conditions, smoke and CO may be generated by burning before the fuel is sufficiently mixed with air, and exhaust performance may be deteriorated.

また、ガソリンエンジンを対象とした噴霧燃焼としては、筒内にスワール流動を生成したうえで、燃料噴射弁から噴射された燃料が燃焼室内の空気を取り込んで混合気を形成した直後に点火し、かつ火炎伝播速度と燃料供給速度とを釣り合わせることによって、燃焼が開始する位置(以下、火炎面という)を所望の場所に定在化させる技術が非特許文献1に開示されている。   In addition, as spray combustion targeting a gasoline engine, after generating a swirl flow in the cylinder, the fuel injected from the fuel injection valve ignites immediately after taking in the air in the combustion chamber to form an air-fuel mixture, In addition, Non-Patent Document 1 discloses a technique for localizing a position where combustion starts (hereinafter referred to as a flame surface) at a desired place by balancing the flame propagation speed and the fuel supply speed.

非特許文献1によれば、火炎面の混合気濃度を噴霧断面の平均当量比が略2程度となるように制御することで、スモークを発生させない燃焼を実現可能することができる。
SAEペーパーNo.610012
According to Non-Patent Document 1, combustion without generating smoke can be realized by controlling the air-fuel mixture concentration on the flame surface so that the average equivalent ratio of the spray cross section is about 2.
SAE Paper No. 610012

しかしながら、非特許文献1には、自動車用エンジンのように燃焼室内の雰囲気が刻々と変化する機関への適用についての記載はない。すなわち、筒内の圧力は常にピストンの上下動により変動し、そして機関負荷や機関回転数の変化に伴う筒内圧や筒内温度の変化等によって筒内雰囲気が変化し、これに伴って燃焼速度が変化する場合に、火炎を所望の位置に定在化させるための技術についての記載がない。   However, Non-Patent Document 1 does not describe application to an engine in which the atmosphere in the combustion chamber changes every moment like an automobile engine. In other words, the pressure in the cylinder always fluctuates due to the vertical movement of the piston, and the in-cylinder atmosphere changes due to changes in the in-cylinder pressure and the in-cylinder temperature accompanying changes in the engine load and engine speed. There is no description of a technique for localizing the flame to the desired position when the changes.

したがって、火炎の定在位置が常にシリンダボア径内になるとは限らず、理論上の火炎面の定在位置がシリンダボアの外側になる場合もある。この場合、燃料供給速度が火炎伝播速度よりも高いため、火花点火によって火炎を生成しても火炎面はシリンダ壁面方向に移動し、その後に噴射される燃料が燃焼を開始する前にシリンダ壁面に衝突して失火を招くおそれがある。   Therefore, the standing position of the flame is not always within the cylinder bore diameter, and the theoretical standing position of the flame surface may be outside the cylinder bore. In this case, since the fuel supply speed is higher than the flame propagation speed, even if a flame is generated by spark ignition, the flame surface moves in the direction of the cylinder wall surface, and then the fuel that is injected thereafter reaches the cylinder wall surface before starting combustion. There is a risk of misfire by collision.

また、筒内雰囲気の変化に伴って火炎面の定在位置が変化した際に、着火位置における空燃比を所望の値に保持するための制御についての記載もない。   Further, there is no description of control for maintaining the air-fuel ratio at the ignition position at a desired value when the standing position of the flame surface changes with the change in the in-cylinder atmosphere.

したがって、上述したディーゼルエンジンの場合と同様に、空気と十分に混合していないリッチ混合気が燃焼して、スモークやCOが生成されるおそれがある。   Therefore, as in the case of the diesel engine described above, the rich air-fuel mixture that is not sufficiently mixed with air may burn and produce smoke and CO.

そこで、本発明では、車両用のガソリンエンジンにおいて火炎面をシリンダボア内に定在させる噴霧燃焼を実現することによって、ノッキングの発生を回避して出力の向上を図り、かつスモークやCOの発生を防止して排気性能の向上を図ることを目的とする。   Therefore, in the present invention, by realizing spray combustion in which a flame surface is fixed in a cylinder bore in a gasoline engine for a vehicle, the generation of knocking is avoided and the output is improved, and the generation of smoke and CO is prevented. The purpose is to improve the exhaust performance.

本発明の筒内直接噴射式内燃機関は、機関の筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射手段と、前記燃料噴射手段から噴射された燃料が周囲の空気を取り込んで形成する混合気の供給速度を可変に制御する供給速度制御手段と、燃料噴射期間中に前記混合気の燃焼を開始させる燃焼開始手段と、機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、運転状態に応じた混合気の燃焼速度を検知する燃焼速度検知手段と、を備え、前記供給速度制御手段により前記供給速度を前記燃焼速度と略同等となるように制御することで、前記混合気の燃焼火炎を前記筒内に定在化させる第1の燃焼モードを有する。   The direct injection type internal combustion engine of the present invention has a fuel injection means for directly injecting fuel into the cylinder of the engine, and a supply speed of an air-fuel mixture formed by the fuel injected from the fuel injection means taking in ambient air Supply speed control means for variably controlling, combustion starting means for starting combustion of the air-fuel mixture during the fuel injection period, operating state detecting means for detecting the operating state of the engine, and the mixture of the air-fuel mixture corresponding to the operating state A combustion speed detecting means for detecting a combustion speed, and the supply speed control means controls the supply speed so as to be substantially equal to the combustion speed, whereby the combustion flame of the air-fuel mixture is brought into the cylinder. It has the 1st combustion mode to make it settle.

本発明によれば、混合気の供給速度を燃焼速度と同等となるように制御することで、筒内に燃焼火炎を定在化させることができる。燃焼火炎が筒内に定在化していれば、噴射された燃料は燃焼火炎まで到達すると燃焼を開始することになり、燃料噴射期間と燃焼期間とが略等しい燃焼が成立する。   According to the present invention, the combustion flame can be localized in the cylinder by controlling the supply speed of the air-fuel mixture to be equal to the combustion speed. If the combustion flame is fixed in the cylinder, the injected fuel starts combustion when it reaches the combustion flame, and combustion in which the fuel injection period is substantially equal to the combustion period is established.

すなわち、未燃混合気が発生しないため、高負荷運転時のノッキングを回避することができる。   That is, since no unburned air-fuel mixture is generated, knocking during high load operation can be avoided.

これにより、機関圧縮比を高めて燃費性能の向上を図ることができる。   Thereby, an engine compression ratio can be raised and the fuel consumption performance can be improved.

また、ノッキングが発生しないため燃焼特性が燃料の自己着火性に依存せず、点火もしくは着火さえできればよくなる。したがって、使用する燃料について、オクタン価やセタン価等の特性による制限がなくなる。   In addition, since knocking does not occur, the combustion characteristics do not depend on the self-ignitability of the fuel, and it is sufficient that ignition or ignition can be performed. Therefore, the fuel used is not limited by characteristics such as octane number and cetane number.

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本実施形態のシステム構成の概略図であり、エンジンのシリンダ周辺をエンジンのフロント側から見た断面図である。   FIG. 1 is a schematic diagram of a system configuration of the present embodiment, and is a cross-sectional view of the periphery of an engine cylinder viewed from the front side of the engine.

2はシリンダヘッド、3はシリンダブロック、4はシリンダブロック3に設けたシリンダ内を摺動するピストン、1はシリンダヘッド2下面とシリンダブロック3とピストン4の冠面とで形成する燃焼室である。5、6はそれぞれ燃焼室1に開口部を有する吸気通路と排気通路、7は吸気通路5の開口部を開閉する吸気バルブ、8は排気通路6の開口部を開閉する排気バルブである。吸気バルブ7、排気バルブ8はそれぞれ吸気カムシャフト9、排気カムシャフト10によって駆動する。11は燃焼室1内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁(燃料噴射手段)、12は燃焼室1内の混合気に点火する点火栓(燃焼開始手段)、13は燃料噴射弁11の噴射時期、噴射量等及び点火栓12の点火タイミングを制御するコントロールユニット(供給速度制御手段、燃焼速度検知手段)である。   2 is a cylinder head, 3 is a cylinder block, 4 is a piston that slides in a cylinder provided in the cylinder block 3, and 1 is a combustion chamber formed by the lower surface of the cylinder head 2, the cylinder block 3, and the crown surface of the piston 4. . Reference numerals 5 and 6 respectively denote an intake passage and an exhaust passage having an opening in the combustion chamber 1, 7 an intake valve for opening and closing the opening of the intake passage 5, and 8 an exhaust valve for opening and closing the opening of the exhaust passage 6. The intake valve 7 and the exhaust valve 8 are driven by an intake camshaft 9 and an exhaust camshaft 10, respectively. 11 is a fuel injection valve (fuel injection means) for directly injecting fuel into the combustion chamber 1, 12 is an ignition plug (combustion start means) for igniting the air-fuel mixture in the combustion chamber 1, and 13 is the injection timing of the fuel injection valve 11 A control unit (supply speed control means, combustion speed detection means) for controlling the injection amount and the ignition timing of the spark plug 12.

燃料噴射弁11は噴孔を複数備えるいわゆるマルチホール噴射弁である。なお、噴射弁の種類は針弁により噴孔を開閉する一般的な噴射弁の他に、外開き噴射弁やスワール噴射弁等であってもよい。   The fuel injection valve 11 is a so-called multi-hole injection valve having a plurality of injection holes. In addition, the kind of injection valve may be an outward opening injection valve, a swirl injection valve, etc. other than the general injection valve which opens and closes an injection hole with a needle valve.

点火栓12の配置について図1、図2を参照して説明する。図2は図1の上面図であり、吸気バルブ7、排気バルブ8、吸気カムシャフト9、排気カムシャフト10を省略したものである。   The arrangement of the spark plug 12 will be described with reference to FIGS. 2 is a top view of FIG. 1, in which the intake valve 7, the exhaust valve 8, the intake camshaft 9, and the exhaust camshaft 10 are omitted.

点火栓12は、燃料噴射弁11から噴射される複数の燃料噴霧それぞれに点火することができるように、噴孔と同数だけ設ける。例えば、図1及び図2に示すように吸気通路5、排気通路6、燃料噴射弁11と干渉せず、かつ燃料噴霧に点火可能な位置に設ける。   The spark plugs 12 are provided in the same number as the injection holes so that each of the plurality of fuel sprays injected from the fuel injection valve 11 can be ignited. For example, as shown in FIGS. 1 and 2, it is provided at a position that does not interfere with the intake passage 5, the exhaust passage 6, and the fuel injection valve 11 and that can ignite the fuel spray.

本実施形態では、図2に示すように燃料噴射方向が6方向なので、燃料噴射弁11から見て燃料噴射方向下流側の位置に、6個の点火栓12を設ける。   In the present embodiment, since the fuel injection directions are six as shown in FIG. 2, six spark plugs 12 are provided at positions downstream of the fuel injection direction as viewed from the fuel injection valve 11.

なお、図1、図2に示した燃料噴射方向や燃料噴霧の本数、点火栓12の配置はあくまでも一例である。   The fuel injection direction, the number of fuel sprays, and the arrangement of the spark plugs 12 shown in FIGS. 1 and 2 are merely examples.

次に本実施形態で適用する燃焼形態の概要について、図3を参照して説明する。   Next, the outline of the combustion mode applied in this embodiment will be described with reference to FIG.

図3上図は、燃料が噴射されてから点火、燃焼するまでの挙動を模式的に表した図であり、図3下図は燃料噴孔からの距離と燃料噴霧の速度の関係を表したものである。なお、燃料噴霧の速度は、平均流速で表す。   The upper diagram of FIG. 3 is a diagram schematically showing the behavior from when the fuel is injected to ignition and combustion, and the lower diagram of FIG. 3 shows the relationship between the distance from the fuel injection hole and the speed of the fuel spray. It is. The fuel spray speed is expressed as an average flow velocity.

図3下図に示すように、噴霧速度は燃料噴孔から遠ざかるほど低下する特性があり、低下する途中で火炎伝播速度と釣り合う点Pがある。なお、点Pは燃焼室1内の雰囲気、燃料噴射圧等により異なる。   As shown in the lower diagram of FIG. 3, the spray speed has a characteristic of decreasing as the distance from the fuel injection hole increases, and there is a point P that balances with the flame propagation speed in the middle of the decrease. The point P differs depending on the atmosphere in the combustion chamber 1, the fuel injection pressure, and the like.

燃料噴射弁11から噴射された燃料は、周囲の空気を取り込みながら霧化・蒸発を経て可燃混合気を形成する。そして、燃料噴霧下流の点Qに設けた点火栓12により可燃混合気に火花点火すると、火炎が生成する。   The fuel injected from the fuel injection valve 11 forms an inflammable mixture through atomization and evaporation while taking in ambient air. When a spark is ignited on the combustible air-fuel mixture by the spark plug 12 provided at the point Q downstream of the fuel spray, a flame is generated.

そして、図3下図に示すように点Qでは噴霧速度が火炎伝播速度よりも低いため、燃料噴射継続中に火炎は燃料噴孔方向にも伝播する。そして噴霧速度と火炎伝播速度とが釣り合う点Pで燃料噴孔方向への火炎の伝播は止まり、その後は、噴射された燃料は点Pで燃焼を開始することになる。燃焼開始後の微少時間は予混合燃焼が持続するものと仮定すると、予混合燃焼の反応帯が明確となる。そこで、以下この反応帯を火炎面と定義すると、火炎面は、燃料噴射終了直前に噴射された燃料が燃焼するまで点Pに定在化する。   As shown in the lower diagram of FIG. 3, since the spray speed is lower than the flame propagation speed at the point Q, the flame propagates also in the direction of the fuel injection hole while continuing the fuel injection. Then, the propagation of the flame in the direction of the fuel injection hole stops at the point P where the spray speed and the flame propagation speed balance, and thereafter, the injected fuel starts to burn at the point P. Assuming that premixed combustion continues for a very short time after the start of combustion, the reaction zone of premixed combustion becomes clear. Therefore, when this reaction zone is defined as a flame surface, the flame surface is fixed at a point P until the fuel injected just before the end of fuel injection burns.

なお、本実施形態の燃焼では、未燃混合気が発生せず、排気性能の良い燃焼が得られれば燃焼火炎の形態は特に問わないので、火炎面は必ずしも明確に定義できる必要はない。   In the combustion of the present embodiment, the form of the combustion flame is not particularly limited as long as combustion with good exhaust performance is obtained without generating an unburned air-fuel mixture, so the flame surface does not necessarily need to be clearly defined.

また、火花点火は、通常のガソリンエンジンと同様に、燃料噴射開始後に1回行えばよい。   Further, spark ignition may be performed once after the start of fuel injection, as in a normal gasoline engine.

上記のように、噴射された燃料は混合気を形成したら即座に燃焼を開始し、噴射された燃料のすべてが火炎面で燃焼開始するので、未燃混合気を発生させない噴霧燃焼が可能となり、また、燃料噴射時間と燃焼時間とがほぼ同等になる。   As described above, the injected fuel starts to burn immediately after forming an air-fuel mixture, and since all of the injected fuel starts to burn on the flame surface, spray combustion that does not generate unburned air-fuel mixture becomes possible, Further, the fuel injection time and the combustion time are almost equal.

以下、このような燃焼を「混合気律則燃焼」(第1の燃焼モード)と称する。なお、混合気律則燃焼の場合は、クランクシャフト角度が圧縮上死点近傍となる時期に燃料噴射を行う。   Hereinafter, such combustion is referred to as “mixed gas rule combustion” (first combustion mode). Note that, in the case of gas mixture law combustion, fuel injection is performed at a time when the crankshaft angle is close to the compression top dead center.

混合気律則燃焼によれば、上述したように未燃混合気が発生しないので、シリンダ外周付近に存在する未燃混合気が火炎伝播により燃焼する前に自己着火してノッキング現象が発生する、という問題も起こりえない。すなわち、混合気律則燃焼が成立するかぎり、ノッキングは発生しない。   According to the air-fuel mixture combustion, since the unburned mixture is not generated as described above, the unburned mixture existing in the vicinity of the cylinder periphery is self-ignited before the combustion by the flame propagation, and the knocking phenomenon occurs. The problem that can not occur. That is, knocking does not occur as long as the gas mixture combustion is established.

また、点火栓12により火花点火する位置が点Pよりも噴孔側の場合は、噴霧速度が火炎伝播速度よりも大きいので、火炎は噴孔から遠ざかる方向にのみ伝播し、点Qで点火した場合と同様に、火炎伝播速度と燃料供給速度とが釣り合う点Pで定在化する。   In addition, when the spark ignition position by the spark plug 12 is on the nozzle hole side from the point P, the spray velocity is higher than the flame propagation velocity, so the flame propagates only in the direction away from the nozzle hole and ignites at the point Q. As in the case, it is fixed at a point P where the flame propagation speed and the fuel supply speed are balanced.

このように、点火栓12による点火位置と火炎面が定在する場所とが異なっていても、火炎面は噴霧速度と火炎伝播速度とが釣り合う位置に定在するので、点火栓12を設ける位置は、燃料噴霧に火花点火できる位置であればよく、燃料噴射弁11からの距離を厳密に設定しなくてもよい。   Thus, even if the ignition position by the spark plug 12 is different from the place where the flame surface is fixed, the flame surface is fixed at a position where the spray speed and the flame propagation speed are balanced. Need only be a position where the fuel spray can be ignited by sparks, and the distance from the fuel injection valve 11 may not be set strictly.

また、火炎伝播速度、すなわち噴射された燃料の燃焼速度は、筒内温度、筒内圧、筒内ガス流動、混合気濃度により変化する特性がある。具体的には図4に示すような関係がある。   Further, the flame propagation speed, that is, the combustion speed of the injected fuel, has a characteristic that varies depending on the in-cylinder temperature, the in-cylinder pressure, the in-cylinder gas flow, and the air-fuel mixture concentration. Specifically, there is a relationship as shown in FIG.

図4(a)は燃焼速度と筒内温度との関係を表す図であり、縦軸に燃焼速度、横軸に筒内温度をとったものである。図に示すように、筒内温度が上昇するのに伴って燃焼速度も高くなる特性がある。   FIG. 4A shows the relationship between the combustion speed and the in-cylinder temperature, with the vertical axis representing the combustion speed and the horizontal axis representing the in-cylinder temperature. As shown in the figure, there is a characteristic that the combustion speed increases as the in-cylinder temperature rises.

図4(b)は燃焼速度と筒内圧力との関係を表す図であり、縦軸に燃焼速度、横軸に筒内圧力をとったものである。図に示すように、筒内圧力が上昇するのに伴って燃焼速度は低下する特性がある。   FIG. 4B is a diagram showing the relationship between the combustion speed and the in-cylinder pressure, where the vertical axis represents the combustion speed and the horizontal axis represents the in-cylinder pressure. As shown in the figure, there is a characteristic that the combustion speed decreases as the in-cylinder pressure increases.

図4(c)は燃焼速度と筒内ガス流動との関係を表すであり、縦軸に燃焼速度、横軸に流動の強さをとったものである。図に示すように、流動が強くなるのに伴って燃焼速度も高くなる特性がある。なお、ここでいうガス流動とは、コントロールバルブを設けて意図的に生成するスワール流動やタンブル流動の他に、吸気ポート形状やバルブリフト量等が要因となって発生する流動も含むものである。   FIG. 4C shows the relationship between the combustion speed and the in-cylinder gas flow, where the vertical axis represents the combustion speed and the horizontal axis represents the flow strength. As shown in the figure, there is a characteristic that the combustion speed increases as the flow becomes stronger. The gas flow mentioned here includes not only swirl flow and tumble flow that are intentionally generated by providing a control valve, but also flow generated due to the shape of the intake port, the valve lift amount, and the like.

図4(d)は燃焼速度と燃料噴射圧との関係を表す図であり、縦軸に燃焼速度、横軸に燃料噴射圧をとったものである。燃料噴射圧が高くなると同一噴射時間に噴射される燃料量が増加して混合気濃度がリッチ化するので、燃焼速度が高くなる。すなわち、燃料噴射圧の変化に伴って燃焼速度も変化することとなり、火炎面の定在する位置が変化することになる。しかし、混合気律則燃焼においては、火炎面が燃焼期間中常に一定の位置に定在している必要はなく、後述する条件を満たす範囲に定在していればよい。   FIG. 4D is a diagram showing the relationship between the combustion speed and the fuel injection pressure, with the vertical axis representing the combustion speed and the horizontal axis representing the fuel injection pressure. As the fuel injection pressure increases, the amount of fuel injected during the same injection time increases and the mixture concentration becomes richer, so the combustion speed increases. That is, the combustion speed changes with the change of the fuel injection pressure, and the position where the flame surface stays changes. However, in the gas mixture law combustion, the flame surface does not always have to be fixed at a certain position during the combustion period, and it is only required to be in a range satisfying a condition described later.

ここで、火炎面の定在する位置について図9を参照して説明する。   Here, the position where the flame surface is fixed will be described with reference to FIG.

図9は縦軸に噴霧の平均流速Ux、横軸に噴霧距離をとったものであり、実線Phigh、Plowはそれぞれ高燃圧、低燃圧の場合の特性を表している。また、点線Sthigh、Stlowはそれぞれ高燃圧時と低燃圧時の火炎伝播速度Stを表している。すなわち、高燃圧時に平均流速と燃焼速度(火炎伝播速度)が釣り合う点Lb2、低燃圧時に平均流速と燃焼速度が釣り合う点Lb1は、それぞれ高燃圧時。低燃圧時における火炎定在距離である。   In FIG. 9, the vertical axis represents the average spray flow velocity Ux and the horizontal axis represents the spray distance. The solid lines High and Plow represent the characteristics at high fuel pressure and low fuel pressure, respectively. Dotted lines Stigh and Stlow represent flame propagation speeds St at high fuel pressure and low fuel pressure, respectively. That is, a point Lb2 at which the average flow rate and the combustion speed (flame propagation speed) are balanced at high fuel pressure, and a point Lb1 at which the average flow rate and the combustion speed are balanced at low fuel pressure are respectively at high fuel pressure. Flame standing distance at low fuel pressure.

同一噴霧距離における噴霧平均流速Uxは、当然に高燃圧時の方が低燃圧時よりも高い。また、火炎伝播速度Stは、図4(d)に示したように燃圧が高くなるほど高くなる特性がある。したがって、図9に示すように、高燃圧時は低燃圧時に比べて火炎定在距離Lbが大きくなる。   The average spray flow velocity Ux at the same spray distance is naturally higher at the high fuel pressure than at the low fuel pressure. Further, as shown in FIG. 4D, the flame propagation speed St has a characteristic that it increases as the fuel pressure increases. Therefore, as shown in FIG. 9, the flame standing distance Lb becomes larger at the high fuel pressure than at the low fuel pressure.

ところで、燃焼時に未燃混合気の発生と同様に問題となるものとして、スモークの発生が挙げられる。スモークの生成量は燃料の当量比φとの間に図7に示すような関連がある。   By the way, the generation of smoke can be cited as a problem similar to the generation of unburned air-fuel mixture during combustion. The amount of smoke produced is related to the fuel equivalent ratio φ as shown in FIG.

図7は横軸に当量比、縦軸にスモーク生成量をとったものである。図7から明らかなように、当量比φが略2以下ではスモークはほとんど生成されない。   FIG. 7 shows the equivalence ratio on the horizontal axis and the amount of smoke generated on the vertical axis. As apparent from FIG. 7, when the equivalent ratio φ is approximately 2 or less, smoke is hardly generated.

したがって、混合気律則燃焼の場合、火炎面の噴霧断面の平均当量比φxが略2以下となっていれば、スモークの発生を防止できる。   Therefore, in the case of gas mixture law combustion, if the average equivalence ratio φx of the spray cross section of the flame surface is approximately 2 or less, the occurrence of smoke can be prevented.

噴霧断面の平均当量比φxと燃料噴孔からの距離(以下、噴霧距離と称する)との関係は図6下図を参照して説明する。   The relationship between the average equivalent ratio φx of the spray cross section and the distance from the fuel injection hole (hereinafter referred to as the spray distance) will be described with reference to the lower diagram of FIG.

図6下図は、縦軸に噴霧断面の当量比φx、横軸に噴霧距離をとり、噴霧拡がり角度θが異なる場合の特性(図中θ1、θ2、θ3)について表したものである。なお、θ2、θ3は噴霧角度θがそれぞれθ1の2倍、3倍の場合について表したものであり、θ1、θ2、θ3はいずれも同一の燃料量を噴射した場合である。   The lower graph of FIG. 6 shows the characteristics (θ1, θ2, θ3 in the figure) when the vertical axis represents the equivalent ratio φx of the spray cross section, the horizontal axis represents the spray distance, and the spray spread angle θ is different. Note that θ2 and θ3 represent cases where the spray angle θ is twice and three times θ1, respectively, and θ1, θ2, and θ3 are cases where the same fuel amount is injected.

図6下図に示す通り、噴霧距離が伸びるほど当量比は低下する特性となっている。これは、噴霧距離が伸びるに連れて周囲の空気を取り込むためである。そして、同量の燃料を噴射した場合には、噴霧拡がり角度θが大きくなるほど燃料噴霧の体積が増大するために周辺の空気との混合が促進され、噴孔に近い位置で当量比φが略2以下となる。   As shown in the lower diagram of FIG. 6, the equivalence ratio decreases as the spray distance increases. This is because ambient air is taken in as the spray distance increases. When the same amount of fuel is injected, the fuel spray volume increases as the spray spread angle θ increases, so that mixing with the surrounding air is promoted, and the equivalence ratio φ is approximately at a position close to the injection hole. 2 or less.

したがって、噴霧角度θ1、θ2、θ3の場合のスモーク限界距離を、それぞれLs1、Ls2、Ls3とすると、Ls1>Ls2>Ls3の関係が成立する。   Therefore, if the smoke limit distances for the spray angles θ1, θ2, and θ3 are Ls1, Ls2, and Ls3, respectively, the relationship of Ls1> Ls2> Ls3 is established.

なお、噴霧拡がり角度θは、基本的には燃料噴射弁11の噴孔の開口方向により定まるが、図6上図に示したように、雰囲気密度が高くなるにつれて拡がり角度θも大きくなる傾向がある。したがって、雰囲気密度が高くなるほど当量比φx=2となる噴霧距離は短くなる。   The spray spread angle θ is basically determined by the opening direction of the injection hole of the fuel injection valve 11, but as shown in the upper diagram of FIG. 6, the spread angle θ tends to increase as the atmosphere density increases. is there. Therefore, the higher the atmosphere density, the shorter the spray distance at which the equivalent ratio φx = 2.

上記のことから、火炎面での平均当量比φxを2以下となるようにすれば燃焼時のスモーク発生を防止できるということがわかる。しかしながら、当量比φが小さくなるほど燃焼性は悪化する特性があるので、燃焼可能な当量比には下限(希薄可燃限界)がある。   From the above, it can be seen that smoke generation at the time of combustion can be prevented if the average equivalent ratio φx on the flame surface is 2 or less. However, since the combustibility deteriorates as the equivalent ratio φ decreases, the equivalent ratio that can be combusted has a lower limit (lean flammability limit).

したがって、φx=2から希薄可燃限界までが、スモークを発生させない燃焼が可能な範囲(スモークレス燃焼範囲)となる。   Therefore, the range from φx = 2 to the lean combustible limit is a range in which combustion without generating smoke is possible (smokeless combustion range).

図8に噴霧断面の平均当量比φx、噴霧距離、スモークレス燃焼範囲の関係を表す。図8は縦軸に噴霧平均当量比φx、横軸に噴霧距離をとり、スモークレス燃焼範囲を斜線部で表したものである。   FIG. 8 shows the relationship between the average equivalent ratio φx of the spray cross section, the spray distance, and the smokeless combustion range. In FIG. 8, the vertical axis represents the spray average equivalent ratio φx, the horizontal axis represents the spray distance, and the smokeless combustion range is represented by the hatched portion.

図8においては、噴霧距離がSL1からSL2までの間で、噴霧断面の平均当量比φxがスモークレス燃焼範囲に収まる。このSL1からSL2までの間のように、噴霧断面の平均当量比φxが2以下かつ希薄可燃限界以上となる噴霧距離を、スモークレス燃焼の成立距離とする。そして、スモークレス燃焼範囲のうち最も燃料噴孔に近い部分、すなわち噴霧断面の平均当量比φxが2になる部分の噴霧距離をスモーク限界距離Lsとする。   In FIG. 8, when the spray distance is between SL1 and SL2, the average equivalent ratio φx of the spray cross section falls within the smokeless combustion range. The spray distance at which the average equivalence ratio φx of the spray cross section is 2 or less and the lean combustible limit or more is set as the establishment distance of the smokeless combustion as between SL1 and SL2. The spray distance of the portion closest to the fuel injection hole in the smokeless combustion range, that is, the portion where the average equivalent ratio φx of the spray cross section is 2 is defined as the smoke limit distance Ls.

以上のことから、火炎定在距離Lbがスモークレス燃焼の成立距離内になれば、ノッキングを生じず、かつスモーク発生のない燃焼となる。   From the above, if the flame standing distance Lb is within the smokeless combustion establishment distance, the combustion does not cause knocking and does not generate smoke.

ところが、車両用エンジンの場合は、機関負荷や機関回転数等の運転条件が刻々と変化するので、火炎定在位置も刻々と変化することになる。また、シリンダのボア寸法が定まっているので、後述するように火炎面がシリンダ内に定在するようにしなければならない。   However, in the case of a vehicle engine, since the operating conditions such as the engine load and the engine speed change every moment, the flame standing position also changes every moment. Also, since the bore size of the cylinder is fixed, the flame surface must be fixed in the cylinder as will be described later.

そこで、車両用エンジンにおいて混合気律則燃焼を行うために、以下に説明する制御を行うこととする。   Therefore, the control described below is performed in order to perform the gas mixture law combustion in the vehicle engine.

なお、燃料噴射弁11の噴孔の大きさは、後述する混合気律則燃焼を行うための制御によって、燃焼室内のいずれかの位置に、噴霧断面の平均当量比φxが略2以下となる混合気が形成されるように設定する。例えば、機関負荷や機関回転数等の変化による筒内雰囲気の変化幅を予め求め、その変化幅の中でできるだけ広い範囲で平均当量比φxを略2以下とすることができる大きさに設定する。   In addition, the size of the injection hole of the fuel injection valve 11 is such that the average equivalence ratio φx of the spray cross section is approximately 2 or less at any position in the combustion chamber by the control for performing the gas mixture law combustion described later. Set so that a mixture is formed. For example, the variation range of the in-cylinder atmosphere due to changes in engine load, engine speed, etc. is obtained in advance, and the average equivalence ratio φx is set to a value that can be approximately 2 or less in the widest possible range. .

図5はコントロールユニット13が混合気律則燃焼を行なうために実行する制御ルーチンを表すフローチャートである。なお、本制御では、後述する調整によっても火炎面定在位置がシリンダボア内に収まらない場合には均質燃焼を行うこととしている。均質燃焼とは、運転状態に応じて定まる燃料量を吸気行程中に噴射し、圧縮行程中に筒内の空気と拡散混合(予混合)させ、圧縮上死点近傍で火花点火する燃焼モード(第2の燃焼モード)をいう。   FIG. 5 is a flowchart showing a control routine executed by the control unit 13 to perform the gas mixture combustion. In this control, homogeneous combustion is performed when the flame surface standing position does not fit in the cylinder bore even by adjustment described later. Homogeneous combustion is a combustion mode in which a fuel amount determined according to the operating state is injected during the intake stroke, diffused and mixed (premixed) with the air in the cylinder during the compression stroke, and spark-ignited near the compression top dead center ( (Second combustion mode).

なお、本制御ルーチンを行うのは、予混合均質燃焼ではノッキングが発生し易い機関低回転・高負荷運転領域であり、例えば、図10の運転領域マップの斜線で囲んだ領域である。その他の領域(高回転・高負荷運転領域も含める)では均質燃焼を行う。   Note that this control routine is performed in an engine low speed / high load operation region where knocking is likely to occur in the premixed homogeneous combustion, for example, a region surrounded by hatching in the operation region map of FIG. Homogeneous combustion is performed in other areas (including high-speed and high-load operation areas).

ステップS101では、筒内温度、圧力、雰囲気密度を読み込む。具体的には前記各値を機関回転数及び負荷に割り付けたマップを作成しておき、回転数センサ14やアクセル開度センサ15等(運転状態検出手段)によって検出した回転数及び負荷を用いて前記マップを検索する。なお、筒内温度、圧力、雰囲気密度は、それぞれ圧縮上死点時の温度、圧力、雰囲気密度を指す。   In step S101, the in-cylinder temperature, pressure, and atmosphere density are read. Specifically, a map in which each value is assigned to the engine speed and the load is created, and the speed and load detected by the speed sensor 14, the accelerator opening sensor 15 and the like (operating state detecting means) are used. Search the map. The in-cylinder temperature, pressure, and atmosphere density refer to the temperature, pressure, and atmosphere density at the time of compression top dead center, respectively.

ステップS102では、ステップS101で読み込んだ雰囲気密度に基づいて、燃料噴霧の拡がり角度θを算出し、この噴霧拡がり角度θと燃料噴射弁の噴孔径とに基づいてスモーク限界距離Lsを算出する。   In step S102, the fuel spray spread angle θ is calculated based on the atmosphere density read in step S101, and the smoke limit distance Ls is calculated based on the spray spread angle θ and the nozzle hole diameter of the fuel injection valve.

雰囲気密度と噴霧拡がり角度θとの間には、図6上図に示すように、雰囲気密度が高くなるほど、すなわち燃料噴射中の筒内の実圧縮比が高くなるほど噴霧拡がり角度も大きくなる特性がある。そこで、燃料噴射弁11の仕様に基づいて、図6上図のようなマップを予め作成しておき、ステップS101で読み込んだ雰囲気密度で検索することによって燃料噴霧拡がり角度θを求める。   Between the atmosphere density and the spray spread angle θ, as shown in the upper diagram of FIG. 6, there is a characteristic that the spray spread angle increases as the atmosphere density increases, that is, as the actual compression ratio in the cylinder during fuel injection increases. is there. Therefore, a map as shown in the upper diagram of FIG. 6 is created in advance based on the specifications of the fuel injection valve 11, and the fuel spray spread angle θ is obtained by searching with the atmosphere density read in step S101.

ステップS103では、スモーク限界距離Lsがシリンダボア半径よりも小さいか否かの判定を行う。判定の結果、スモーク限界距離の方が大きい場合にはステップS115に進み、一般的なガソリンエンジンと同様に均質燃焼を行うことを決定して処理を終了する。   In step S103, it is determined whether or not the smoke limit distance Ls is smaller than the cylinder bore radius. As a result of the determination, if the smoke limit distance is larger, the process proceeds to step S115, where it is determined that homogeneous combustion is performed in the same manner as a general gasoline engine, and the process is terminated.

なお、ここでのシリンダボア半径とは、燃料噴孔からシリンダ壁面までの距離をいう。   The cylinder bore radius here refers to the distance from the fuel injection hole to the cylinder wall surface.

ステップS103での判定の結果、スモーク限界距離Lsの方が小さい場合には、ステップS104に進み、燃料噴射圧(燃圧)の初期設定を行う。具体的には、図示しない燃料ポンプ等といったエンジンシステムの仕様から定まる最低燃圧に設定する。   If the smoke limit distance Ls is smaller as a result of the determination in step S103, the process proceeds to step S104, and initial setting of the fuel injection pressure (fuel pressure) is performed. Specifically, the minimum fuel pressure determined from the specifications of an engine system such as a fuel pump (not shown) is set.

ステップS105では、噴霧断面の平均流速Uxを求める。   In step S105, an average flow velocity Ux of the spray cross section is obtained.

具体的には、燃圧とその燃圧で噴射した場合の平均流速Uxとの関係を予め求めてマップ化しておき、設定した燃圧でマップ検索することによって求める。なお、下式(1)により算出しても構わない。   Specifically, the relationship between the fuel pressure and the average flow velocity Ux at the time of injection at that fuel pressure is obtained in advance and mapped, and the map is searched with the set fuel pressure. In addition, you may calculate by the following Formula (1).

Figure 2007247625
Figure 2007247625

ステップS106では、火炎伝播速度St、すなわち噴射した燃料の燃焼速度を求める。例えば、図4(d)に示すような燃焼速度と燃料噴射圧(燃圧)との関係をマップ化しておき、設定した燃圧で検索することによって求めることができる。   In step S106, the flame propagation speed St, that is, the combustion speed of the injected fuel is obtained. For example, the relationship between the combustion speed and the fuel injection pressure (fuel pressure) as shown in FIG. 4 (d) is mapped and can be obtained by searching with the set fuel pressure.

ステップS107では、火炎定在距離Lb、すなわち燃料噴孔から火炎伝播速度Stと燃料噴霧の平均流速Uxとが釣り合う位置までの距離を求める。   In step S107, the flame standing distance Lb, that is, the distance from the fuel injection hole to the position where the flame propagation speed St and the average fuel flow velocity Ux are balanced is obtained.

同一噴霧距離における噴霧平均流速Uxは、当然に高燃圧時の方が低燃圧時よりも高く、また、火炎伝播速度Stは図4(d)に示したように燃圧が高くなるほど高くなる特性がある。したがって、図9に示すように、高燃圧時は低燃圧時に比べて火炎定在距離Lbが大きくなる。   The spray average flow velocity Ux at the same spray distance is naturally higher at the high fuel pressure than at the low fuel pressure, and the flame propagation speed St is higher as the fuel pressure is higher as shown in FIG. is there. Therefore, as shown in FIG. 9, the flame standing distance Lb becomes larger at the high fuel pressure than at the low fuel pressure.

ステップS108では、ステップS107で算出した火炎定在距離Lbが、下式(2)の関係を満たすか否かの判定を行う。   In step S108, it is determined whether the flame standing distance Lb calculated in step S107 satisfies the relationship of the following expression (2).

Lb=ボア半径×0.9 ・・・(2)
なお、式(2)において0.9を乗じているのは、以下の理由による。
Lb = bore radius × 0.9 (2)
The reason why 0.9 is multiplied in the formula (2) is as follows.

混合気律則燃焼を行うためには、火炎定在距離Lbがシリンダのボア半径以下であることが必要条件である。したがって、火炎定在距離Lbがボア半径と同一の場合も、理論上は混合気律則燃焼を行うことはできる。しかし、火炎定在距離Lbがボア半径と同一ということは、火炎面がシリンダ壁面に形成されるということになる。このような状態で燃焼を行うと、シリンダ壁面からの冷却損失が大きくなり、失火するおそれもある。   In order to perform gas mixture law combustion, it is a necessary condition that the flame standing distance Lb is equal to or less than the bore radius of the cylinder. Therefore, even when the flame standing distance Lb is the same as the bore radius, it is theoretically possible to perform air-fuel mixture combustion. However, the fact that the flame standing distance Lb is the same as the bore radius means that the flame surface is formed on the cylinder wall surface. When combustion is performed in such a state, a cooling loss from the cylinder wall surface increases and there is a risk of misfire.

すなわち、混合気律則燃焼を実行することが実質的に可能なのは、火炎面が形成される位置がシリンダ壁面から適当な距離だけ離れている場合であり、本実施形態ではその適当な距離をボア半径の1割程度として設定したものである。   In other words, it is practically possible to execute the mixture combustion in the case where the position where the flame surface is formed is separated from the cylinder wall by an appropriate distance. In this embodiment, the appropriate distance is set to the bore. It is set as about 10% of the radius.

したがって、式(2)で乗じる数値は0.9に限られるわけではなく、火炎定在距離Lbがシリンダ壁面での冷却損失が許容できる上限値となるような値であればよい。   Therefore, the numerical value to be multiplied by the equation (2) is not limited to 0.9, and may be a value that allows the flame standing distance Lb to be an upper limit value in which the cooling loss on the cylinder wall surface is allowable.

ステップS108での判定の結果が肯定的な場合は、ステップS109に進み、混合気律則燃焼を行なうことを決定して処理を終了する。判定の結果が否定的な場合は、ステップS110に進み、下式(3)の関係を満たすか否かの判定を行う。   If the result of the determination in step S108 is affirmative, the process proceeds to step S109, where it is determined to perform mixture gas mixture combustion, and the process ends. If the determination result is negative, the process proceeds to step S110 to determine whether or not the relationship of the following equation (3) is satisfied.

Lb<ボア半径×0.9 ・・・(3)
判定の結果、火炎定在距離Lbがボア半径の0.9倍よりも小さい場合にはステップS111に進み、大きい場合にはステップS113に進む。
Lb <bore radius × 0.9 (3)
As a result of the determination, if the flame standing distance Lb is smaller than 0.9 times the bore radius, the process proceeds to step S111, and if larger, the process proceeds to step S113.

ステップS111では現在の燃圧がエンジンシステムの仕様から定まる上限値であるか否かの判定を行う。   In step S111, it is determined whether or not the current fuel pressure is an upper limit value determined from the specifications of the engine system.

上限値であると判定した場合には、ステップS109に進み混合気律則燃焼を実行することを決定して処理を終了する。   When it determines with it being an upper limit, it progresses to step S109 and determines performing mixture gas mixture combustion, and complete | finishes a process.

上限値ではないと判定した場合には、ステップS112に進み、燃圧を上昇させ、ステップS105に戻る。   When it determines with it not being an upper limit, it progresses to step S112, raises a fuel pressure, and returns to step S105.

上記ステップS111、S112を行うことにより、式(2)を満たす範囲で最大燃圧となるようフィードバック制御されることになる。このとき、時間当たりの燃料噴射量は燃圧を高めた分だけ増加するので、運転状態に応じた燃料噴射量を噴射するために、燃圧の上昇に応じて燃料噴射の噴射パルスを短くする。すなわち、噴射パルスは式(2)を満たす範囲で最短となる。これにより、出力向上と排気性能を両立することができる。   By performing the steps S111 and S112, feedback control is performed so that the maximum fuel pressure is obtained in a range satisfying the expression (2). At this time, the fuel injection amount per time increases by the amount corresponding to the increase in the fuel pressure, so that the fuel injection injection pulse is shortened in accordance with the increase in the fuel pressure in order to inject the fuel injection amount according to the operating state. That is, the injection pulse is the shortest within a range satisfying the expression (2). Thereby, both output improvement and exhaust performance can be achieved.

ステップS110での判定の結果が否定的な場合は、ステップS113に進み、燃圧がエンジンシステムの仕様から定まる下限値であるか否かの判定を行う。下限値であると判定した場合にはステップS115に進み、均質燃焼を実行することを決定して処理を終了する。燃圧が下限値でないと判定した場合には、ステップS114に進み、燃圧を低下させてステップS105に進む。   If the result of determination in step S110 is negative, the process proceeds to step S113, where it is determined whether or not the fuel pressure is a lower limit value determined from the specifications of the engine system. When it determines with it being a lower limit, it progresses to step S115, determines performing homogeneous combustion, and complete | finishes a process. If it is determined that the fuel pressure is not the lower limit value, the process proceeds to step S114, the fuel pressure is decreased, and the process proceeds to step S105.

燃圧を低下させると、図9に示したように火炎定在距離Lbは燃料噴孔に近づくので、上記ステップS113、S114を行うことによって、燃圧がエンジンシステムの仕様から定まる下限値となるまでの範囲で、式(2)が成立するようにフィードバック制御されることになる。そして、このフィードバック制御によってステップS108で式(2)が成立したときには、式(2)を満たす最大燃圧となる。   When the fuel pressure is lowered, the flame standing distance Lb approaches the fuel injection hole as shown in FIG. 9, so that by performing the above steps S113 and S114, the fuel pressure becomes a lower limit value determined from the specifications of the engine system. The feedback control is performed so that the formula (2) is established within the range. When the formula (2) is established in step S108 by this feedback control, the maximum fuel pressure that satisfies the formula (2) is obtained.

上記の制御についてまとめると、以下のとおりである。   The above control is summarized as follows.

機関の運転状態に応じて変化する燃焼速度(火炎伝播速度)に合わせて混合気の供給速度(燃圧)を制御することにより、幅広い運転範囲で火炎面を燃焼室内に定在させることができる。   By controlling the supply speed (fuel pressure) of the air-fuel mixture in accordance with the combustion speed (flame propagation speed) that changes according to the operating state of the engine, the flame surface can be fixed in the combustion chamber over a wide operating range.

火炎面が燃焼室内に定在する範囲で燃圧を最大値にすることにより、燃焼期間を可能な限り短縮することができ、機関の出力向上と排気性能を両立することができる。   By setting the fuel pressure to the maximum value within the range where the flame surface is fixed in the combustion chamber, the combustion period can be shortened as much as possible, and both the engine output and the exhaust performance can be achieved.

噴射した燃料は混合気を形成すると即座に燃焼を開始し、火炎面が形成された後に噴射された燃料はすべて火炎面で燃焼を開始するので、一行程中に噴射した燃料のすべてが燃焼することになり、未燃混合気が発生しない。   The injected fuel begins to burn as soon as it forms an air-fuel mixture, and all the fuel injected after the flame front is formed starts to burn on the flame front, so all of the fuel injected during the stroke burns. As a result, no unburned mixture is generated.

火炎面をシリンダ壁から離れた部分に形成することによって、燃料がシリンダ壁に衝突することを防止するので、シリンダ壁面での壁流の発生やシリンダ壁面付近での消炎による排気性能の悪化を回避することができる。   By forming the flame surface away from the cylinder wall, it prevents the fuel from colliding with the cylinder wall, thus avoiding the generation of wall flow on the cylinder wall surface and the deterioration of exhaust performance due to the flame extinguishing near the cylinder wall surface. can do.

ところで、上述したように混合気律則燃焼実行中はノッキングが発生しないので、均質燃焼ではノッキングが発生するような値まで圧縮比を高めることができる。そこで、可変圧縮比機構(実圧縮比可変手段)を用いて、混合気律則燃焼実行中は一般的な均質燃焼よりも高圧縮比、均質燃焼実行中は一般的な均質燃焼と同等の圧縮比となるよう制御することも可能である。   By the way, as described above, knocking does not occur during the execution of gas mixture law combustion, so that the compression ratio can be increased to a value at which knocking occurs in homogeneous combustion. Therefore, a variable compression ratio mechanism (actual compression ratio variable means) is used to achieve a higher compression ratio than ordinary homogeneous combustion during mixed gas rule combustion, and compression equivalent to ordinary homogeneous combustion during homogeneous combustion. It is also possible to control the ratio.

可変圧縮比機構としては、例えば図11に示すような機構が知られている。図11は特開2001−227367や特開2002−61501等に記載された機構であるため、機構の概略についてのみ説明する。   As a variable compression ratio mechanism, for example, a mechanism as shown in FIG. 11 is known. Since FIG. 11 is a mechanism described in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2001-227367 and 2002-61501, only the outline of the mechanism will be described.

この機構において、ピストン4は、第一リンク20および第二リンク21を介してクランク軸23に連結される。第一リンク20と第二リンク21とは連結ピン26を介して連結されている。第二リンク21は、中央をクランク軸23のクランクピン28に回転可能に締結され、クランク軸23とともに回転する。また、第二リンク21の第一リンク20と反対側には、第三リンク22が連結ピン27を介して回転可能に締結され、第三リンク22はコントロールシャフト24に連結ピン29を介して固定される。コントロールシャフト24の中心軸と第三リンク22の締結部は軸が偏心しており、コントロールシャフト24が回転することにより、連結ピン29が移動し、第二リンク21の傾きが変わることにより第一リンク20およびピストン4の上死点位置が変わる。コントロールシャフト24は、モータ付きアクチュエータ25により回転させられる。   In this mechanism, the piston 4 is connected to the crankshaft 23 via the first link 20 and the second link 21. The first link 20 and the second link 21 are connected via a connecting pin 26. The center of the second link 21 is rotatably connected to the crankpin 28 of the crankshaft 23 and rotates together with the crankshaft 23. A third link 22 is rotatably connected to the second link 21 on the opposite side of the first link 20 via a connecting pin 27, and the third link 22 is fixed to the control shaft 24 via a connecting pin 29. Is done. The center axis of the control shaft 24 and the fastening portion of the third link 22 are eccentric, and the rotation of the control shaft 24 moves the connecting pin 29 and changes the inclination of the second link 21 to change the first link. 20 and the top dead center position of the piston 4 are changed. The control shaft 24 is rotated by an actuator 25 with a motor.

コントロールシャフト24の回転による上死点位置の変化について、図12を参照して説明する。図12は各リンク、連結ピン及びコントロールシャフト24の位置関係を模式的に表した図である。図12の左図はピストン4の上死点位置が高い、すなわち高圧縮比に設定した状態、右図はピストン4の上死点位置が低い、すなわち低圧縮比に設定した状態を表す。   The change in the top dead center position due to the rotation of the control shaft 24 will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a diagram schematically showing the positional relationship among the links, the connecting pins, and the control shaft 24. The left figure of FIG. 12 shows a state where the top dead center position of the piston 4 is high, that is, set to a high compression ratio, and the right figure shows a state where the top dead center position of the piston 4 is low, ie, set to a low compression ratio.

コントロールシャフト24を回転させることにより、連結ピン29がコントロールシャフト24の中心軸に対して低くなる方向に移動すると、連結ピン27の位置も下がり、第二リンク21はクランクピン28を中心として図中時計回り方向に傾く。これによって連結ピン26の位置は上昇し、ピストン4も上昇して、圧縮比が高まる。   When the connecting pin 29 moves in a direction lowering with respect to the central axis of the control shaft 24 by rotating the control shaft 24, the position of the connecting pin 27 is also lowered, and the second link 21 is centered on the crank pin 28 in the figure. Tilt clockwise. As a result, the position of the connecting pin 26 rises, the piston 4 also rises, and the compression ratio increases.

逆に、連結ピン29がコントロールシャフト24の中心軸よりも高くなる方向に移動すると、連結ピン27の位置も上がり、第二リンク21はクランクピン28を中心として図中反時計回り方向に傾く。これによって連結ピン26の位置は低くなり、ピストン4も下降して圧縮比が低くなる。   Conversely, when the connecting pin 29 moves in a direction higher than the central axis of the control shaft 24, the position of the connecting pin 27 also rises, and the second link 21 is tilted counterclockwise in the drawing with the crank pin 28 as the center. As a result, the position of the connecting pin 26 is lowered, the piston 4 is also lowered, and the compression ratio is lowered.

通常、上記の機構では、機関が高負荷運転領域では、機関回転数によらず、ノッキング防止のために低圧縮比状態に設定し、ノッキング発生のおそれが低い低中負荷運転領域では、出力の向上を図るために、高圧縮比状態に設定している。   Normally, in the mechanism described above, the engine is set to a low compression ratio state to prevent knocking regardless of the engine speed when the engine is in a high load operation region, and in the low and medium load operation region where the possibility of knocking is low, In order to improve, the high compression ratio state is set.

しかしながら、本実施形態によれば、高負荷運転領域であっても機関回転数が低い領域であれば、混合気律則燃焼を実行するのでノッキングは発生しない。したがって、高負荷運転領域であっても機関回転数が低い領域であれば高圧縮比状態に設定することが可能となり、より高出力化を図ることが可能となる。   However, according to the present embodiment, even if it is a high load operation region, if it is a region where the engine speed is low, the mixture gas rule combustion is executed, so knocking does not occur. Therefore, even in the high load operation region, if the engine speed is low, it can be set to a high compression ratio state, and higher output can be achieved.

以上により、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
(1)供給速度を燃焼速度(火炎伝播速度)と略同等となるように制御することで、混合気の燃焼火炎をシリンダボア内に定在化させるように制御するので、燃料噴射期間と燃焼期間が略等しい燃焼が成立し、噴射した燃料が混合気を形成したら即座に燃焼する。これにより未燃混合気の発生を抑制できるので、高負荷運転時のノッキングの発生を回避することができる。特に、要求出力は大きいもののノッキング防止の為に制限があった機関低回転・高負荷時の出力を向上することができる。さらに、ノッキングの発生が抑制されることにより、燃料選択時にオクタン価やセタン価等といった自己着火性を考慮する必要がなくなる。また、点火時期が燃料噴射期間中に設定されるので、混合気の拡散をできるだけ抑制することができ、これにより、ノッキング発生の要因であるシリンダ壁周辺での未燃混合気の滞留を抑制できる。また、未燃混合気の発生を抑制できるので、排気性能、燃費性能を向上することができる。
(2)燃圧を調整することによって混合気の供給速度を制御するので、機関運転状態に応じた応答性の良い制御が可能となる。なお、噴射期間及び噴射率を制御することによって燃焼期間、すなわち機関負荷が制御される。
(3)火炎面が定在化する位置を、燃料が概ね気相となる位置よりも燃料噴霧下流側となるように混合気の供給速度を制御するので、燃料が概ね酸素(燃焼室内の空気)との混合を済ませた状態で燃焼することとなり、燃焼効率が良く、排気性能のよい燃焼を実現できる。
(4)火炎面が定在化する位置の噴霧断面の平均当量比φxが略2以下となるように混合気の供給速度を制御するので、スモークやCOが生成されない燃焼が可能となる。
(5)火炎面がシリンダボア内に定在化するという条件を満たす範囲内で最も高い燃圧に設定するので、燃焼期間を短くすることができ、等容度の高い高燃費・高出力の機関運転が可能となる。また、高燃圧での燃料噴射には、燃料噴霧の微粒化や混合気の形成時期の促進、さらには乱流強度を高める効果があるので、燃焼速度が向上し、スモークが生成されやすい高負荷運転時において混合気の形成を促進してスモーク生成を抑制する効果も得られる。
(6)噴射した燃料に火花点火するので、燃焼開始時期を運転条件によらずに所望のタイミングに設定することができる。
(7)燃料噴射弁11はマルチホール式の噴射弁なので、各噴孔を小さく設定して高圧で噴射することが可能となり、燃料噴霧の微粒化や混合気の形成時期の促進、さらには乱流強度を高める効果を得られる。
(8)燃料噴射弁11の噴孔径を、噴霧断面の平均当量比φxが略2以下となるように設定することにより、スモークやCOが生成されない燃焼が可能となる。
(9)少なくとも低回転・高負荷運転領域では混合気律則燃焼を行うので、従来はノッキング防止の為に出力が制限されていた当該運転領域での出力性能を向上させることが可能となる。
(10)可変圧縮比機構を備え、混合気律則燃焼実行時には、吸気行程に燃料噴射して圧縮上死点近傍で点火する予混合燃焼に比べて、機関の実圧縮比を高く設定することにより、ノッキングの発生を抑制しつつ熱効率の高い運転が可能となり、燃費性能の向上を図ることができる。
As described above, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
(1) Since the supply speed is controlled so as to be substantially equal to the combustion speed (flame propagation speed), the combustion flame of the air-fuel mixture is controlled to be localized in the cylinder bore, so the fuel injection period and the combustion period When combustion is substantially equal, and the injected fuel forms an air-fuel mixture, it immediately burns. Thereby, since generation | occurrence | production of unburned air-fuel | gaseous mixture can be suppressed, generation | occurrence | production of knocking at the time of high load operation | movement can be avoided. In particular, although the required output is large, it is possible to improve the output at low engine speed and high load, which is limited to prevent knocking. Furthermore, by suppressing the occurrence of knocking, it is not necessary to consider self-ignitability such as octane number and cetane number when selecting fuel. Further, since the ignition timing is set during the fuel injection period, it is possible to suppress the diffusion of the air-fuel mixture as much as possible, thereby suppressing the unburned air-fuel mixture from staying around the cylinder wall that is the cause of knocking. . Moreover, since generation | occurrence | production of unburned air-fuel mixture can be suppressed, exhaust performance and fuel consumption performance can be improved.
(2) Since the supply speed of the air-fuel mixture is controlled by adjusting the fuel pressure, control with good responsiveness according to the engine operating state is possible. The combustion period, that is, the engine load is controlled by controlling the injection period and the injection rate.
(3) Since the supply speed of the air-fuel mixture is controlled so that the position where the flame surface is fixed is located downstream of the fuel spray from the position where the fuel is generally in the gas phase, the fuel is generally oxygen (air in the combustion chamber). ), The combustion is performed in a state where the mixing is completed, and combustion with good combustion efficiency and good exhaust performance can be realized.
(4) Since the supply rate of the air-fuel mixture is controlled so that the average equivalence ratio φx of the spray cross section at the position where the flame surface is fixed is approximately 2 or less, combustion without generating smoke or CO is possible.
(5) Since the highest fuel pressure is set within the range that satisfies the condition that the flame surface is settled in the cylinder bore, the combustion period can be shortened and the engine operation with high fuel efficiency and high output can be achieved. Is possible. In addition, fuel injection at high fuel pressure has the effect of atomizing the fuel spray, promoting the formation time of the air-fuel mixture, and increasing the turbulence intensity, so the combustion speed is improved and smoke is easily generated. An effect of suppressing the formation of smoke by promoting the formation of the air-fuel mixture during operation is also obtained.
(6) Since the injected fuel is spark-ignited, the combustion start timing can be set to a desired timing regardless of the operating conditions.
(7) Since the fuel injection valve 11 is a multi-hole type injection valve, each injection hole can be set small and injection can be performed at a high pressure, fuel spray atomization, promotion of the mixture formation timing, and even disturbance. The effect of increasing the flow strength can be obtained.
(8) By setting the nozzle hole diameter of the fuel injection valve 11 such that the average equivalence ratio φx of the spray cross section is approximately 2 or less, combustion without generating smoke or CO becomes possible.
(9) Since gas mixture combustion is performed at least in the low rotation / high load operation region, it is possible to improve the output performance in the operation region where the output is conventionally limited to prevent knocking.
(10) A variable compression ratio mechanism is provided, and the actual compression ratio of the engine is set higher than that in premixed combustion in which fuel is injected in the intake stroke and ignited in the vicinity of the compression top dead center at the time of execution of air-fuel mixture combustion. As a result, it becomes possible to drive with high thermal efficiency while suppressing the occurrence of knocking, and to improve fuel efficiency.

第2実施形態について説明する。   A second embodiment will be described.

本実施形態のエンジンシステムの構成は第1実施形態の構成と同様である。また、混合気律則燃焼を行うために、スモーク限界距離Lbと噴霧平均流速Ux、火炎伝播速度Stによって火炎面がシリンダボア内に定在化する条件をフィードバック制御する手法も第1実施形態と同様である。しかし、第1実施形態では、スモークを発生させない燃焼が可能な範囲において、機関負荷によらず燃圧ができるだけ大きくなるように制御していたのに対して、本実施形態では、負荷によらず噴射期間が一定となるように燃圧を制御する点が異なる。   The configuration of the engine system of this embodiment is the same as that of the first embodiment. In addition, in order to perform gas mixture law combustion, a method of performing feedback control of the condition that the flame surface is settled in the cylinder bore by the smoke limit distance Lb, the spray average flow velocity Ux, and the flame propagation velocity St is the same as in the first embodiment. It is. However, in the first embodiment, the fuel pressure is controlled to be as large as possible regardless of the engine load in a range where combustion without generating smoke is possible, whereas in this embodiment, the injection is performed regardless of the load. The difference is that the fuel pressure is controlled so that the period is constant.

以下、具体的な制御について、図13を参照して説明する。   Hereinafter, specific control will be described with reference to FIG.

図13は混合気律則燃焼のためにコントロールユニット13が実行する制御ルーチンを表すフローチャートである。   FIG. 13 is a flowchart showing a control routine executed by the control unit 13 for the gas mixture law combustion.

ステップS201〜S203は図5のステップS101〜S103と同様なので説明を省略する。   Steps S201 to S203 are the same as steps S101 to S103 in FIG.

ステップS204では、機関負荷に応じた燃圧の設定を行う。具体的には、燃圧を機関負荷に割り付けたマップを作成しておき、回転数センサ14やアクセル開度センサ15等によって検出した機関負荷を用いて前記マップを検索する。   In step S204, the fuel pressure is set according to the engine load. Specifically, a map in which the fuel pressure is assigned to the engine load is created, and the map is searched using the engine load detected by the rotational speed sensor 14 or the accelerator opening sensor 15 or the like.

ここでは、機関負荷によらずに燃料噴射期間が一定となるように燃圧を割り付けたマップを用いることとする。なお、目標とする燃料噴射期間の一定値については後述する。   Here, a map in which the fuel pressure is allocated so that the fuel injection period is constant regardless of the engine load is used. The fixed value of the target fuel injection period will be described later.

具体的には、図14に示すように機関負荷の増大に伴って燃圧も上昇するマップとなる。図14中の燃圧上限値は、エンジンシステムの仕様により定まる燃圧の上限値である。したがって、燃料噴射期間を一定にするために必要な燃圧が前記上限値を超えるような場合には、前記上限値に固定する。   Specifically, as shown in FIG. 14, the fuel pressure increases as the engine load increases. The fuel pressure upper limit value in FIG. 14 is the upper limit value of the fuel pressure determined by the specifications of the engine system. Therefore, when the fuel pressure necessary for making the fuel injection period constant exceeds the upper limit value, the fuel pressure period is fixed to the upper limit value.

ステップS204で燃圧を設定したらステップS205へ進むが、ステップS205〜S210は図5のステップS105〜S110と同様なので説明を省略する。   If the fuel pressure is set in step S204, the process proceeds to step S205, but steps S205 to S210 are the same as steps S105 to S110 in FIG.

ステップS210での判定結果が肯定的な場合は、ステップS209に進み、混合気律則燃焼を行なうことを決定して処理を終了する。   If the determination result in step S210 is affirmative, the process proceeds to step S209, where it is determined that the mixture gas mixture combustion is performed, and the process ends.

ステップS210での判定結果が否定的な場合は、ステップS211、S212と進み、図5のステップS113、S114と同様の処理を行う。   If the determination result in step S210 is negative, the process proceeds to steps S211 and S212, and the same processing as steps S113 and S114 in FIG. 5 is performed.

上記の制御により、システム上の上限値を超えた場合を除いて、燃料噴射期間は原則として機関負荷によらずに一定となる。   By the above control, the fuel injection period is basically constant regardless of the engine load, unless the upper limit on the system is exceeded.

仮に、燃圧が機関負荷によらずに一定の場合には、以下のような問題がある。   If the fuel pressure is constant regardless of the engine load, there are the following problems.

機関負荷が増大すると、必要とされる燃料噴射量も増大するので、機関負荷の増大に伴って燃料噴射期間も長くなり、また、混合気律則燃焼の場合は燃料噴射期間と燃焼期間とが略同等である。したがって、機関負荷が増大するにつれて燃焼時間が長くなり、噴射した燃料をできるだけ短時間で燃焼させたいという出力面での要求に反することになる。   As the engine load increases, the amount of fuel injection required also increases, so the fuel injection period increases as the engine load increases, and in the case of mixture gas combustion, the fuel injection period and the combustion period It is almost equivalent. Therefore, as the engine load increases, the combustion time becomes longer, which is contrary to the output demand for burning the injected fuel as quickly as possible.

また、機関負荷が低い場合には、燃料ポンプの駆動損失割合が大きくなるので、必要以上に高い燃圧で燃料噴射を行うと、すなわち燃料噴射期間が必要以上に短いと、前記駆動損失によって燃費性能が悪化するおそれもある。なお、機関負荷が低い場合には燃料噴射量が少なくて済むことから、燃圧を下げても燃焼期間が大きく伸びることはなく、燃費性能への跳ね返りも小さい。   In addition, when the engine load is low, the drive loss ratio of the fuel pump becomes large. Therefore, if fuel injection is performed at a fuel pressure higher than necessary, that is, if the fuel injection period is shorter than necessary, the fuel loss performance due to the drive loss. There is also a risk of worsening. Note that when the engine load is low, the fuel injection amount is small, so even if the fuel pressure is lowered, the combustion period does not increase greatly, and the rebound to fuel efficiency is small.

そこで、燃料噴射期間が上記機関高負荷運転時の要求と機関低負荷時の要求を両立するような一定値となるように制御することにより、機関負荷が高い場合の燃料噴射期間の長期化を抑制して出力面からの要求を満足し、かつ、必要以上に燃圧を高めずに燃費性能の悪化を抑制することができる。   Therefore, by controlling the fuel injection period to be a constant value that satisfies both the demand at the time of engine high load operation and the demand at low engine load, the fuel injection period can be extended when the engine load is high. It can be suppressed to satisfy the demand from the output side, and the deterioration of fuel efficiency can be suppressed without increasing the fuel pressure more than necessary.

なお、上記要求を満たすような燃料噴射期間の一定値は、例えば常用回転数域や出力、そして燃料ポンプの容量等といったエンジンシステムの仕様によって異なるので、エンジンシステムごとに適した値を設定する。   The constant value of the fuel injection period that satisfies the above requirements varies depending on the engine system specifications such as the normal rotation speed range, the output, the capacity of the fuel pump, and the like, and therefore, a suitable value is set for each engine system.

以上により、本実施形態では第1実施形態の(1)から(4)及び(6)から(9)に記載した効果と同様の効果に加え、以下のような効果を得ることができる。   As described above, in this embodiment, the following effects can be obtained in addition to the effects similar to the effects described in (1) to (4) and (6) to (9) of the first embodiment.

機関負荷が変化した際にも燃料噴射期間が略一定となるように、混合気の供給速度を制御するので、機関負荷上昇したときの噴射期間増大による等容度の悪化を抑制できる。また、燃料の総噴射量が少ないため噴射期間が短く、燃焼期間の長期化が問題とならない低負荷運転域では、燃料ポンプの駆動損失を低減させて燃費性能を向上させることができる。   Since the supply speed of the air-fuel mixture is controlled so that the fuel injection period becomes substantially constant even when the engine load changes, it is possible to suppress the deterioration of the equal volume due to the increase in the injection period when the engine load increases. Further, in a low load operation region where the total injection amount of fuel is small and the injection period is short, and the long combustion period is not a problem, the fuel pump drive loss can be reduced and the fuel efficiency performance can be improved.

第3実施形態について説明する。   A third embodiment will be described.

第3実施形態は、基本的には第1実施形態と同様の構成であるが、点火栓12を燃料噴射弁11の付近に1つだけ設ける点、及び燃焼噴射弁11の噴孔の数が第1実施形態のそれよりも多い点で異なる。   The third embodiment is basically the same configuration as the first embodiment, except that only one spark plug 12 is provided near the fuel injection valve 11 and the number of injection holes of the combustion injection valve 11 is the same. It differs in that there are more points than that of the first embodiment.

点火栓12の配置について図15を参照して説明する。図15上図は燃料噴射弁11と点火栓12の位置関係を表す概略図であり、下図は上図のA−A矢視図である。なおA−A断面は点火栓12のプラグギャップ位置を含む断面である。   The arrangement of the spark plug 12 will be described with reference to FIG. The upper diagram of FIG. 15 is a schematic diagram showing the positional relationship between the fuel injection valve 11 and the spark plug 12, and the lower diagram is an AA arrow view of the upper diagram. The AA section is a section including the plug gap position of the spark plug 12.

30は点火栓12のプラグギャップ位置、31a〜31eは燃料噴霧(噴霧断面)である。燃料噴霧の断面は、8つの噴霧断面が均等間隔で略円形に並ぶ。この略円形を噴霧外形線とする。そして、点火栓12は、いずれか一つの噴霧断面の近くに位置する。   30 is a plug gap position of the spark plug 12, and 31a to 31e are fuel sprays (spray cross sections). As for the cross section of the fuel spray, eight spray cross sections are arranged in a substantially circular shape at equal intervals. This substantially circular shape is a spray outline. And the spark plug 12 is located in the vicinity of any one spraying cross section.

上記の構成における燃焼形態について図17を参照して説明する。   The combustion mode in the above configuration will be described with reference to FIG.

図17は、一行程中にコントロールユニット13から燃料噴射弁11に発信する駆動信号をタイムチャートに表したものである。図17に示すように多段噴射を行い、t1〜t2は微少量のパイロット噴射、t3〜t4は主噴射とする。   FIG. 17 is a time chart showing a drive signal transmitted from the control unit 13 to the fuel injection valve 11 during one stroke. As shown in FIG. 17, multistage injection is performed, t1 to t2 being a small amount of pilot injection, and t3 to t4 being a main injection.

パイロット噴射時には燃圧を低下させておき、概ねパイロット噴射終了時t2に点火栓12により火花点火を行う。   At the time of pilot injection, the fuel pressure is reduced, and spark ignition is performed by the spark plug 12 at the time t2 when the pilot injection ends.

なお、燃料噴射弁11と点火栓12のプラグギャップとの間隔は、パイロット噴射終了時t2に、燃料噴霧31aに確実に着火できる間隔であればよい。また、パイロット噴射終了時t2から主噴射開始時期t3までのインターバルは、後述するパイロット噴射で噴射した燃料が燃焼している期間よりも短く設定する。   In addition, the space | interval of the fuel injection valve 11 and the plug gap of the spark plug 12 should just be a space | interval which can ignite the fuel spray 31a reliably at the time t2 of pilot injection completion. Further, the interval from the pilot injection end time t2 to the main injection start timing t3 is set to be shorter than the period during which fuel injected by pilot injection described later is combusting.

上記のように、パイロット噴射終了時t2に火花点火を行って燃料噴霧に火炎を生成させると、燃圧を低下させたことにより燃料供給速度が火炎伝播速度よりも低くなるので、t1〜t2間で既に噴射した燃料噴霧に火炎は伝播する。   As described above, when spark ignition is performed at the end of pilot injection t2 to generate a flame in the fuel spray, the fuel supply speed becomes lower than the flame propagation speed by reducing the fuel pressure, so between t1 and t2. The flame propagates to the fuel spray that has already been injected.

そして、燃料噴霧31aは噴霧下流に進むにしたがって拡散しているので、火炎は燃料噴霧31aから両隣の燃料噴霧31bへと、すなわち燃料噴霧外形線の周方向に伝播する。そして燃料噴霧31bから燃料噴霧31c、31d、31eへと同様に伝播する。   Since the fuel spray 31a diffuses as it proceeds downstream of the spray, the flame propagates from the fuel spray 31a to the adjacent fuel spray 31b, that is, in the circumferential direction of the fuel spray outline. And it propagates similarly from the fuel spray 31b to the fuel sprays 31c, 31d, 31e.

このようにして生成した火炎が燃焼しているところへ、主噴射の燃料噴霧が到達すると、燃料噴霧31a〜31eの火炎が火種となって、主噴射によって噴射された燃料は燃焼を開始し、その後、火炎定在位置まで燃焼開始位置が移動する。   When the fuel spray of the main injection reaches the place where the generated flame is burning, the flame of the fuel sprays 31a to 31e becomes a fire type, and the fuel injected by the main injection starts to burn, Thereafter, the combustion start position moves to the flame standing position.

一般に、燃料噴射期間中の燃料噴孔近傍では燃料噴霧の流速が高く、火花点火は困難であるが、上記のようにパイロット噴射の流速を落として点火しやすくし、パイロット噴射の燃料噴霧31a〜31eが燃焼することによって形成した火炎を火種とすることで、主噴射の燃料噴霧を確実に点火させることができる。   In general, near the fuel injection hole during the fuel injection period, the flow rate of fuel spray is high and spark ignition is difficult. However, as described above, the pilot injection flow rate is lowered to facilitate ignition, and the pilot spray fuel sprays 31a to 31a. By using the flame formed by the combustion of 31e as a fire type, the fuel spray of the main injection can be reliably ignited.

このように、1つの点火栓12で全噴霧を燃焼させることができると、シリンダヘッド2における点火栓12のレイアウトの制約は、一般的なエンジンと同様になる。   In this way, if all sprays can be burned by one spark plug 12, the layout restriction of the spark plug 12 in the cylinder head 2 is the same as that of a general engine.

したがって、多数の点火栓12を設けるために吸気弁7、排気弁8のバルブ径が制限されることがなくなるので、バルブ径を大きくとって出力向上を図ることができる。   Therefore, since the valve diameters of the intake valve 7 and the exhaust valve 8 are not limited because a large number of spark plugs 12 are provided, the output can be improved by increasing the valve diameter.

なお、燃料噴射弁11の燃料噴孔の数、すなわち燃料噴霧の本数は、多い方が望ましい。これは、噴霧外形線の周方向への火炎伝播を考慮すると燃料噴霧どうしの周方向の間隔が短い方が望ましいからである。   It is desirable that the number of fuel injection holes of the fuel injection valve 11, that is, the number of fuel sprays be large. This is because it is desirable that the interval between the fuel sprays in the circumferential direction is short considering flame propagation in the circumferential direction of the spray outline.

以上により本実施形態では、第1実施形態、第2実施形態と同様の効果に加えて、さらに以下のような効果を得ることができる。   As described above, in the present embodiment, in addition to the same effects as those in the first embodiment and the second embodiment, the following effects can be further obtained.

点火栓12を、燃料噴射弁11から噴射される燃料噴霧のいずれか一つ又は二つに、燃料噴射弁11付近で火花点火するように配置するので、点火された燃料噴霧から他の燃料噴霧へ火炎が伝播し、結果としてすべての燃料噴霧に着火することができる。これにより、点火栓12を燃料噴孔の数(噴霧の本数)設ける必要がなくなる。また、シリンダヘッド2における点火栓12のレイアウトが容易になる。   Since the spark plug 12 is disposed on any one or two of the fuel sprays injected from the fuel injection valve 11 so as to ignite in the vicinity of the fuel injection valve 11, the ignited fuel spray is replaced with another fuel spray. As a result, all fuel sprays can be ignited. Thereby, it is not necessary to provide the spark plug 12 with the number of fuel injection holes (the number of sprays). Further, the layout of the spark plug 12 in the cylinder head 2 is facilitated.

なお、プラグギャップ位置30は図15に示したものに限られず、図16に示すように、点火栓12のプラグギャップ位置が噴霧外形線の周上となるようにした場合でも、図15の場合と同様に、確実に燃料噴霧に着火することができる。   Note that the plug gap position 30 is not limited to that shown in FIG. 15. As shown in FIG. 16, even when the plug gap position of the spark plug 12 is on the periphery of the spray outline, As with, fuel spray can be reliably ignited.

また、点火装置は一般的な火花点火を行う点火栓12に限られるわけではなく、レーザー点火等に見られるような、より強力な体積点火や線点火が可能な装置を用いることもできる。
第4実施形態について説明する。
Further, the ignition device is not limited to the spark plug 12 that performs general spark ignition, and a device capable of more powerful volume ignition and line ignition, such as that seen in laser ignition, can also be used.
A fourth embodiment will be described.

本実施形態は、基本的には第1実施形態と同様の構成であるが、燃料噴射弁11の構造が異なる。   This embodiment is basically the same configuration as the first embodiment, but the structure of the fuel injection valve 11 is different.

図18は本実施形態で用いる燃料噴射弁11の先端部の断面図(図18上図)と外観図(図18下図)である。   18 is a cross-sectional view (upper view in FIG. 18) and an external view (lower view in FIG. 18) of the tip of the fuel injection valve 11 used in the present embodiment.

45は燃料噴射弁11の内部に設けられ、燃料で満たされる燃料室、40は燃料室45内を燃料噴射弁11の軸線方向に往復動可能に収められた針弁、41は燃料室45と燃料噴射弁外部とを連通する燃料噴孔、44は燃料噴射弁11の先端部に装着するキャップ、46はキャップ44を装着したときにキャップ44と燃料噴射弁11先端部との間に形成される空気通路(空気供給手段)、42、43は、それぞれ空気通路46と燃焼室1とを連通する混合気噴孔、空気導入孔である。したがって、空気室46の内圧は燃焼室1の内圧と略同等となる。   A fuel chamber 45 is provided in the fuel injection valve 11 and is filled with fuel, 40 is a needle valve that is reciprocated in the axial direction of the fuel injection valve 11 in the fuel chamber 45, and 41 is a fuel chamber 45. A fuel injection hole communicating with the outside of the fuel injection valve, 44 is a cap attached to the tip of the fuel injection valve 11, and 46 is formed between the cap 44 and the tip of the fuel injection valve 11 when the cap 44 is attached. Air passages (air supply means) 42 and 43 are air-fuel mixture injection holes and air introduction holes that connect the air passage 46 and the combustion chamber 1, respectively. Therefore, the internal pressure of the air chamber 46 is substantially equal to the internal pressure of the combustion chamber 1.

針弁40はコントロールユニット13から入力される信号に基づいて往復動し、通常は針弁40先端部が燃料室45先端側に着座し、噴射信号が入力されたときに図中上方向に移動する。着座時には針弁40が燃料噴孔41を閉鎖し、噴射信号が入力されたときには、燃料噴孔41を開口する。   The needle valve 40 reciprocates based on a signal input from the control unit 13, and normally the tip of the needle valve 40 is seated on the tip of the fuel chamber 45 and moves upward in the figure when an injection signal is input. To do. When seated, the needle valve 40 closes the fuel injection hole 41. When an injection signal is input, the fuel injection hole 41 is opened.

混合気噴孔42は、各混合気噴孔42の略中心を結ぶ外形線Xが、各空気導入孔43の略中心を結ぶ外形線Yよりも燃料噴射弁11側(図18中の上側)となるように設ける。また、混合気噴孔42及び空気導入孔43はいずれも、空気通路46に連通しており、混合気噴孔42は、キャップ44を燃料噴射弁11に装着したときに、燃料噴孔41と対向する位置となるように位置決めされる。   In the air-fuel mixture holes 42, the outline X connecting the approximate centers of the air-fuel mixture holes 42 is closer to the fuel injection valve 11 (upper side in FIG. 18) than the outline Y connecting the approximate centers of the air introduction holes 43. Provide as follows. Further, the air-fuel mixture hole 42 and the air introduction hole 43 both communicate with the air passage 46, and the air-fuel mixture hole 42 faces the fuel hole 41 when the cap 44 is attached to the fuel injection valve 11. Positioned to be in position.

このような構成において、針弁40が移動して燃料噴孔41が開口すると、燃料が燃料噴孔41から空気室46、混合気噴孔42を介して噴射される。このとき、燃料が噴出することによるエジェクタ効果によって、空気室46内の空気も混合気噴孔42から噴出することとなり、混合気噴孔42からは燃料と空気の混合気が噴射されることとなる。そして、空気室46内へは空気導入孔43を介して燃焼室1から空気が導入されるので、燃料噴射中は常に混合気が噴射されることとなる。   In such a configuration, when the needle valve 40 moves and the fuel injection hole 41 opens, the fuel is injected from the fuel injection hole 41 through the air chamber 46 and the air-fuel mixture injection hole 42. At this time, due to the ejector effect caused by the ejection of fuel, the air in the air chamber 46 is also ejected from the air-fuel mixture nozzle hole 42, and the fuel-air mixture is injected from the air-fuel mixture hole 42. Since air is introduced from the combustion chamber 1 into the air chamber 46 through the air introduction hole 43, the air-fuel mixture is always injected during fuel injection.

このため、通常のマルチホール噴射弁で燃料噴射をする場合と比較して、均一な可燃混合気を迅速に形成することが可能となり、スモーク限界距離Lsを短縮できる。すなわち、より燃料噴射弁11に近い位置に火炎面を定在化させることが可能となる。   For this reason, it becomes possible to form a uniform combustible air-fuel mixture quickly and to reduce the smoke limit distance Ls as compared with the case of fuel injection with a normal multi-hole injection valve. That is, it is possible to make the flame surface settle at a position closer to the fuel injection valve 11.

これにより、スモーク性能を悪化させることなく混合気の供給速度、すなわち燃圧を下げることが可能となるので、燃料ポンプの駆動損失を低減し、燃費性能及び排気性能の向上を図ることが可能となる。   As a result, the supply speed of the air-fuel mixture, that is, the fuel pressure can be lowered without deteriorating the smoke performance, so that the drive loss of the fuel pump can be reduced, and the fuel efficiency and exhaust performance can be improved. .

なお、燃料噴射弁11の燃料噴孔近傍に空気供給孔を設け、吸気通路を流れる吸入空気の一部を、燃料噴孔から噴射される燃料噴霧に供給する、いわゆるエアアシスト噴射弁(例えば、特開2000−213439公報参照)を用いても同様の効果を得ることができる。   It should be noted that an air supply hole is provided in the vicinity of the fuel injection hole of the fuel injection valve 11, and a part of the intake air flowing through the intake passage is supplied to the fuel spray injected from the fuel injection hole (for example, a so-called air assist injection valve (for example, The same effect can be obtained by using JP 2000-213439 A).

以上により本実施形態では、第1から第3の実施形態と同様の効果に加え、さらに以下のような効果を得ることができる。   As described above, in the present embodiment, in addition to the same effects as those of the first to third embodiments, the following effects can be further obtained.

燃料噴射弁11は、空気通路46を有し、燃料噴孔41から噴射された燃料に空気を供給するので、混合気噴孔42からは燃料と空気とが混合した状態で噴射される。これにより均一な可燃混合気を空気通路46を持たない燃料噴射弁に比べて迅速に形成させることができる。   The fuel injection valve 11 has an air passage 46 and supplies air to the fuel injected from the fuel injection hole 41, so that fuel and air are injected from the mixture injection hole 42 in a mixed state. As a result, a uniform combustible air-fuel mixture can be formed more quickly than a fuel injection valve that does not have an air passage 46.

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims.

本実施形態のシステム構成の概略図である。It is the schematic of the system configuration | structure of this embodiment. 燃焼形態を説明するための燃焼室上面図である。It is a combustion chamber top view for demonstrating a combustion form. 噴霧速度と噴孔距離との関係を表した図である。It is a figure showing the relationship between spray speed and nozzle hole distance. (a)から(d)は燃焼速度と筒内雰囲気との関係を表す図である。(A)-(d) is a figure showing the relationship between a combustion speed and cylinder interior. 第1実施形態の制御ルーチンを表すフローチャートである。It is a flowchart showing the control routine of 1st Embodiment. 上図は噴霧拡がり角度と雰囲気密度との関係を表す図、下図は平均当量比と噴霧距離との関係を表す図である。The upper diagram shows the relationship between the spray spread angle and the atmosphere density, and the lower diagram shows the relationship between the average equivalence ratio and the spray distance. 平均当量比とスモーク生成量との関係を表す図である。It is a figure showing the relationship between an average equivalent ratio and the amount of smoke generation. スモークレス燃焼範囲と平均当量比との関係を表すである。It represents the relationship between the smokeless combustion range and the average equivalent ratio. 燃料噴霧の平均流速と噴霧距離との関係を表す図である。It is a figure showing the relationship between the average flow velocity of fuel spray, and spray distance. 混合気律則燃焼を実行する運転領域を示すマップである。It is a map which shows the operation area | region which performs air-fuel | gaseous law combustion. 可変圧縮比機構の一例を表す図である。It is a figure showing an example of a variable compression ratio mechanism. 可変圧縮比機構の圧縮比変更動作の概略図である。It is the schematic of the compression ratio change operation | movement of a variable compression ratio mechanism. 第2実施形態の制御ルーチンを表すフローチャートである。It is a flowchart showing the control routine of 2nd Embodiment. 燃圧を機関負荷に割り付けたマップである。It is the map which allocated fuel pressure to engine load. 第3実施形態の点火栓の位置を表す図である(その1)。It is a figure showing the position of the spark plug of 3rd Embodiment (the 1). 第3実施形態の点火栓の位置を表す図である(その2)。It is a figure showing the position of the spark plug of 3rd Embodiment (the 2). 第3実施形態の燃料噴射パルス及び燃圧を表す図である。It is a figure showing the fuel-injection pulse and fuel pressure of 3rd Embodiment. 第4実施形態の燃料噴射弁の構造の概略図である。It is the schematic of the structure of the fuel injection valve of 4th Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃焼室
2 シリンダヘッド
3 シリンダブロック
4 ピストン
5 吸気通路
6 排気通路
7 吸気バルブ
8 排気バルブ
9 吸気カムシャフト
10 排気カムシャフト
11 燃料噴射弁
12 点火栓
13 コントロールユニット
20 第一リンク
21 第二リンク
22 第三リンク
23 クランク軸
24 コントロールシャフト
25 アクチュエータ
40 針弁
41 燃料噴孔
42 混合気噴孔
43 空気導入孔
44 キャップ
45 燃料室
46 空気通路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Combustion chamber 2 Cylinder head 3 Cylinder block 4 Piston 5 Intake passage 6 Exhaust passage 7 Intake valve 8 Exhaust valve 9 Intake camshaft 10 Exhaust camshaft 11 Fuel injection valve 12 Spark plug 13 Control unit 20 First link 21 Second link 22 Third link 23 Crankshaft 24 Control shaft 25 Actuator 40 Needle valve 41 Fuel injection hole 42 Air mixture injection hole 43 Air introduction hole 44 Cap 45 Fuel chamber 46 Air passage

Claims (10)

機関の筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射手段と、
前記燃料噴射手段から噴射された燃料が周囲の空気を取り込んで形成する混合気の供給速度を可変に制御する供給速度制御手段と、
燃料噴射期間中に前記混合気の燃焼を開始させる燃焼開始手段と、
機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
運転状態に応じた混合気の燃焼速度を検知する燃焼速度検知手段と、
を備え、
前記供給速度制御手段により前記供給速度を前記燃焼速度と略同等となるように制御することで、前記混合気の燃焼火炎を前記筒内に定在化させる第1の燃焼モードを有することを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
Fuel injection means for directly injecting fuel into the cylinder of the engine;
A supply speed control means for variably controlling the supply speed of the air-fuel mixture formed by the fuel injected from the fuel injection means taking in ambient air; and
Combustion starting means for starting combustion of the air-fuel mixture during a fuel injection period;
An operating state detecting means for detecting the operating state of the engine;
Combustion speed detection means for detecting the combustion speed of the air-fuel mixture according to the operating state;
With
It has a first combustion mode in which the supply speed is controlled to be substantially equal to the combustion speed by the supply speed control means, so that the combustion flame of the air-fuel mixture is localized in the cylinder. In-cylinder direct injection internal combustion engine.
前記供給速度制御手段は、前記燃料噴射手段の噴射圧を調整することによって前記供給速度を可変に制御することを特徴とする請求項1に記載の筒内直接噴射式内燃機関。   The direct injection internal combustion engine according to claim 1, wherein the supply speed control means variably controls the supply speed by adjusting an injection pressure of the fuel injection means. 前記供給速度制御手段は、前記燃焼火炎が定在化する位置を、燃料が概ね気相となる位置よりも燃料噴霧下流側となるように供給速度を制御する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内燃機関。   2. The supply speed control means controls the supply speed so that a position where the combustion flame is fixed is on the fuel spray downstream side from a position where the fuel is substantially in a gas phase. 2. The direct injection type internal combustion engine according to 2. 前記供給速度制御手段は、前記燃焼火炎が定在化する位置の噴霧断面の平均当量比が略2以下となるように供給速度を制御することを特徴とする請求項1から3のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。   The said supply rate control means controls a supply rate so that the average equivalence ratio of the spray cross section in the position where the said combustion flame is settled will be about 2 or less, The any one of Claim 1 to 3 characterized by the above-mentioned. The direct injection type internal combustion engine described in 1. 前記供給速度制御手段は、前記供給速度を前記火炎が前記機関の筒内に定在化するという条件を満たす範囲内で最も高い速度にすることを特徴とする請求項1から4のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。   The said supply speed control means makes the said supply speed the highest speed in the range which satisfy | fills the conditions that the said flame is settled in the cylinder of the said engine. The direct injection type internal combustion engine described in 1. 前記供給速度制御手段は、前記機関の負荷が変化した際にも燃料噴射期間が略一定となるように前記供給速度を制御することを特徴とする請求項1から4のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。   The said supply speed control means controls the said supply speed so that a fuel-injection period becomes substantially constant also when the load of the said engine changes, The any one of Claim 1 to 4 characterized by the above-mentioned. In-cylinder direct injection internal combustion engine. 前記燃焼開始手段は、火花点火により混合気を着火させる手段であることを特徴とする請求項1から6のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。   The in-cylinder direct injection internal combustion engine according to any one of claims 1 to 6, wherein the combustion starting means is means for igniting an air-fuel mixture by spark ignition. 前記燃料噴射手段は、前記燃料噴射手段の内部又は前記燃料噴射手段の噴孔付近で燃料に空気を供給する空気供給手段を備えることを特徴とする請求項1から7のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。   The said fuel injection means is provided with the air supply means which supplies air to a fuel in the inside of the said fuel injection means, or the nozzle hole of the said fuel injection means, The one of Claim 1 to 7 characterized by the above-mentioned. In-cylinder direct injection internal combustion engine. 前記第1の燃焼モードの他に、吸気行程中に燃料を噴射し、圧縮上死点近傍で筒内に拡散した混合気に点火する第2の燃焼モードを有し、
少なくとも低回転・高負荷運転領域では前記第1の燃焼モードを行うことを特徴とする請求項1から8のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
In addition to the first combustion mode, there is a second combustion mode that injects fuel during the intake stroke and ignites an air-fuel mixture diffused in the cylinder near the compression top dead center,
The direct injection internal combustion engine according to any one of claims 1 to 8, wherein the first combustion mode is performed at least in a low rotation / high load operation region.
機関の実圧縮比を可変に制御可能な実圧縮比可変手段を備え、
前記第1の燃焼モード実行時には、機関の実圧縮比を前記第2の燃焼モード実行時に比べて高く設定することを特徴とする請求項9に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
The actual compression ratio variable means capable of variably controlling the actual compression ratio of the engine is provided,
The direct injection internal combustion engine according to claim 9, wherein when the first combustion mode is executed, an actual compression ratio of the engine is set higher than when the second combustion mode is executed.
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