JP2007263042A - Variable compression ratio internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の圧縮比を変更する機能を有する可変圧縮比内燃機関に関する。 The present invention relates to a variable compression ratio internal combustion engine having a function of changing the compression ratio of an internal combustion engine.
近年、内燃機関の燃費性能や出力性能などを向上させることを目的とした、内燃機関の圧縮比を可変にする技術が提案されている。この種の技術としては、シリンダブロックとクランクケースとを相対移動可能に連結するとともにその連結部分にカム軸を設け、前記カム軸を回動させてシリンダブロックとクランクケースとを、気筒の軸線方向に相対移動させることで燃焼室の容積を変更し、以て内燃機関の圧縮比を変更する技術が提案されている(例えば、特許文献1を参照。)。 In recent years, a technique for changing the compression ratio of an internal combustion engine for the purpose of improving the fuel consumption performance and output performance of the internal combustion engine has been proposed. As this type of technology, the cylinder block and the crankcase are connected so as to be relatively movable, and a camshaft is provided at the connecting portion, and the camshaft is rotated to connect the cylinder block and the crankcase in the axial direction of the cylinder. A technique has been proposed in which the volume of the combustion chamber is changed by relative movement to the internal combustion engine, thereby changing the compression ratio of the internal combustion engine (see, for example, Patent Document 1).
また、コンロッドを2分割し、クランクシャフトに連結された方のコンロッドに所定の揺動中心を中心に揺動可能な揺動部材を連結し、前記揺動中心がカム軸を回転させることによって移動することで燃焼室の容積及びピストンのストロークを変更し、以って内燃機関の圧縮比を変更する技術も提案されている(例えば、特許文献2を参照。)。 Further, the connecting rod is divided into two, a connecting member connected to the crankshaft is connected to a swinging member capable of swinging around a predetermined swinging center, and the swinging center is moved by rotating the camshaft. Thus, a technique has also been proposed in which the volume of the combustion chamber and the stroke of the piston are changed, thereby changing the compression ratio of the internal combustion engine (see, for example, Patent Document 2).
上記の可変圧縮比機構において圧縮比を変更した場合には、燃焼室の天板に設けられた燃料噴射弁と圧縮上死点におけるピストンとの位置関係や、圧縮上死点における筒内圧が変化する場合がある。そうすると、特に成層燃焼を行おうとした場合に、ピストン頂面のキャビティに対して、成層燃焼させるために最適な方向及び強さで燃料を噴射することが困難となる場合があった。 When the compression ratio is changed in the above variable compression ratio mechanism, the positional relationship between the fuel injection valve provided on the top plate of the combustion chamber and the piston at the compression top dead center, or the in-cylinder pressure at the compression top dead center changes. There is a case. As a result, particularly when stratified combustion is to be performed, it may be difficult to inject fuel in the optimum direction and strength for stratified combustion into the cavity on the top surface of the piston.
これに対し、可変圧縮比内燃機関の圧縮比をパラメータとして燃料噴射圧力及び燃料噴射時期を決定して燃料噴射を実行する技術が提案されている(例えば、特許文献3を参照。)。 On the other hand, a technique has been proposed in which fuel injection is performed by determining the fuel injection pressure and the fuel injection timing using the compression ratio of the variable compression ratio internal combustion engine as a parameter (see, for example, Patent Document 3).
しかし、筒内噴射型の可変圧縮比内燃機関において圧縮比変更時に燃料噴射圧力及び燃料噴射時期を変更したのみでは、圧縮比の変更に伴う燃料噴射弁とキャビティとの位置関係の変化や、圧縮比の変更に伴う筒内圧の変化に対応することができず、噴射燃料をキャビティに最適に導入することが困難となる場合があった。その結果、燃焼室内に安定した成層状態を形成することが困難な場合があった。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、可変圧縮比内燃機関において、圧縮比の高低に拘らず燃焼室内に安定した成層状態を形成し、安定した成層燃焼を可能とする技術を提供することである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to form a stable stratified state in the combustion chamber regardless of the compression ratio, in a variable compression ratio internal combustion engine. It is to provide a technology that enables stratified combustion.
上記目的を達成するための本発明は、燃焼室に直接燃料を噴射する直噴式燃料噴射弁を備えた可変圧縮比内燃機関において、圧縮比を変更させたときに、燃料噴射弁から噴射された燃料が圧縮上死点近傍においてピストン頂面のキャビティに良好に導入されるべく、
燃料噴射時における噴射幅を変更することを最大の特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides a variable compression ratio internal combustion engine having a direct injection type fuel injection valve that directly injects fuel into a combustion chamber, and is injected from the fuel injection valve when the compression ratio is changed. In order for the fuel to be successfully introduced into the cavity on the top surface of the piston near the compression top dead center,
The greatest feature is to change the injection width at the time of fuel injection.
より詳しくは、内燃機関のピストンの頂面に設けられ、圧縮上死点近傍において燃料が導入されることによって前記内燃機関の燃焼室に成層状態を形成するキャビティと、
前記内燃機関の圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、
前記燃焼室に燃料を噴射するとともに燃料噴射時に噴口から噴射される燃料の噴射幅を変更可能な噴射幅可変燃料噴射弁と、
前記可変圧縮比機構により変更される圧縮比に応じて前記噴射幅を変更する噴射幅変更手段と、
を備えることを特徴とする。
More specifically, a cavity that is provided on the top surface of the piston of the internal combustion engine and that forms a stratified state in the combustion chamber of the internal combustion engine by introducing fuel near the compression top dead center;
A variable compression ratio mechanism for changing the compression ratio of the internal combustion engine;
An injection width variable fuel injection valve that injects fuel into the combustion chamber and can change the injection width of fuel injected from the injection port at the time of fuel injection;
Injection width changing means for changing the injection width according to the compression ratio changed by the variable compression ratio mechanism;
It is characterized by providing.
ここで、可変圧縮比機構を備えた可変圧縮比内燃機関において圧縮比を変化させた場合、圧縮上死点における燃焼室の容積や圧力が変化することが多い。このような場合に、圧縮比に拘らず同じ噴射幅で燃料噴射弁から燃料を噴射した場合、燃料噴射弁から噴射された燃料が圧縮上死点近傍において良好に前記キャビティ内に導入されることが困難となり、結果として、最適な成層状態を形成することが困難となる場合があった。 Here, when the compression ratio is changed in a variable compression ratio internal combustion engine having a variable compression ratio mechanism, the volume and pressure of the combustion chamber at the compression top dead center often change. In such a case, when the fuel is injected from the fuel injection valve with the same injection width regardless of the compression ratio, the fuel injected from the fuel injection valve is satisfactorily introduced into the cavity near the compression top dead center. As a result, it may be difficult to form an optimum stratified state.
そこで、本発明においては、燃料噴射弁を、噴口から噴射される燃料の噴射幅を変更可能な噴射幅可変燃料噴射弁とし、前記可変圧縮比内燃機関の圧縮比に応じて噴射幅を変更することとした。これによれば、噴射幅を変更することで、燃圧が同じであれば貫徹力を変更することができる。そうすると、圧縮比の変更に伴う圧縮上死点における筒内圧の変化や、燃料噴射弁とキャビティとの距離の変化に拘らず、キャビティ内に良好に噴射燃料を導入させることができる。なお、ここで噴射幅とは、燃料噴射弁の噴口から噴射される燃料の噴霧塊自身の幅もしくは広がり角である。 Therefore, in the present invention, the fuel injection valve is an injection width variable fuel injection valve capable of changing the injection width of the fuel injected from the injection port, and the injection width is changed according to the compression ratio of the variable compression ratio internal combustion engine. It was decided. According to this, by changing the injection width, the penetration force can be changed if the fuel pressure is the same. Then, the injected fuel can be satisfactorily introduced into the cavity regardless of the change in the in-cylinder pressure at the compression top dead center accompanying the change in the compression ratio or the change in the distance between the fuel injection valve and the cavity. Here, the injection width is the width or spread angle of the fuel spray mass injected from the nozzle of the fuel injection valve.
また、本発明においては、前記内燃機関の圧縮比が高いほど、圧縮上死点における前記燃焼室内の圧力が上昇する場合には、
前記噴射幅変更手段は、前記内燃機関の圧縮比が高いほど、前記噴射幅を小さくするようにしてもよい。
In the present invention, the higher the compression ratio of the internal combustion engine, the higher the pressure in the combustion chamber at the compression top dead center,
The injection width changing means may reduce the injection width as the compression ratio of the internal combustion engine is higher.
すなわち、可変圧縮比機構の構成にもよるが、前記圧縮比が高くなると圧縮上死点における筒内圧が高くなることが多い。その場合、燃料噴射弁から圧縮比が低い場合と同じ噴射幅で燃料噴射すると、貫徹力が不足するために、噴射された燃料がキャビティに予定通り到達しない場合がある。そうすると、キャビティ内に燃料を良好に導入することができず、結果として良好な成層状態を形成することが困難となる。 That is, depending on the configuration of the variable compression ratio mechanism, the cylinder pressure at the compression top dead center often increases as the compression ratio increases. In that case, if the fuel is injected from the fuel injection valve with the same injection width as when the compression ratio is low, the penetrating force is insufficient, and the injected fuel may not reach the cavity as planned. If it does so, a fuel cannot be favorably introduce | transduced in a cavity and it will become difficult as a result to form a favorable stratification state.
従って、このような場合に対して本発明においては、前記噴射幅変更手段は、前記圧縮比が高く圧縮上死点における前記燃焼室内の圧力が高いほど、前記噴射幅を小さくするようにした。そうすれば、圧縮比に拘らず噴射燃料を良好にキャビティに導入することができ、良好な成層状態を形成することが可能となる。その結果、燃焼の安定と低燃費を両立させる内燃機関の運転が可能となる。 Therefore, in the present invention, the injection width changing means reduces the injection width as the compression ratio is higher and the pressure in the combustion chamber at the compression top dead center is higher. By doing so, the injected fuel can be satisfactorily introduced into the cavity regardless of the compression ratio, and a good stratified state can be formed. As a result, it is possible to operate the internal combustion engine that achieves both stable combustion and low fuel consumption.
また、本発明においては、前記内燃機関の圧縮比が低いほど、圧縮上死点における前記噴射幅可変燃料噴射手段と前記ピストンとの距離が遠くなる場合には、
前記噴射幅変更手段は、前記内燃機関の圧縮比が低いほど、前記噴射幅を小さくしてもよい。
In the present invention, the lower the compression ratio of the internal combustion engine, the longer the distance between the variable injection fuel injection means and the piston at the compression top dead center,
The injection width changing means may reduce the injection width as the compression ratio of the internal combustion engine is lower.
すなわち、可変圧縮比機構の構成にもよるが、前記圧縮比が低くなると圧縮上死点におけるピストンの位置が燃料噴射弁から遠くなることが多い。その場合、燃料噴射弁から、圧縮比が高い場合と同じ噴射幅で燃料噴射すると、貫徹力が不足するために、噴射された
燃料がキャビティに予定通り到達しない場合がある。そうすると、キャビティ内に噴射燃料を良好に導入させることができず、結果として良好な成層状態を形成することが困難となる。
That is, although depending on the configuration of the variable compression ratio mechanism, when the compression ratio is low, the position of the piston at the compression top dead center is often far from the fuel injection valve. In that case, when fuel is injected from the fuel injection valve with the same injection width as when the compression ratio is high, the penetrating force is insufficient, and thus the injected fuel may not reach the cavity as planned. If it does so, injected fuel cannot be satisfactorily introduced into the cavity, and as a result, it becomes difficult to form a good stratified state.
従って、このような場合に対して本発明においては、前記噴射幅変更手段は、前記圧縮比が低く圧縮上死点における前記ピストンの位置が前記噴射幅可変燃料噴射弁から遠いほど、前記噴射幅を小さくするようにした。そうすれば、圧縮比に拘らず噴射燃料を良好にキャビティに導入することができ、良好な成層状態を形成することが可能となる。その結果、燃焼の安定と低燃費を両立させる内燃機関の運転が可能となる。 Accordingly, in the present invention, in contrast to such a case, the injection width changing means is configured such that the injection width changes as the compression ratio is low and the position of the piston at the compression top dead center is farther from the injection width variable fuel injection valve. Was made smaller. By doing so, the injected fuel can be satisfactorily introduced into the cavity regardless of the compression ratio, and a good stratified state can be formed. As a result, it is possible to operate the internal combustion engine that achieves both stable combustion and low fuel consumption.
また、本発明における可変圧縮比内燃機関は、
内燃機関のピストンの頂面に設けられ、圧縮上死点近傍において燃料が導入されることによって前記内燃機関の燃焼室に成層状態を形成するキャビティと、
前記内燃機関の燃焼室の容積を変更することによって前記内燃機関の圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、
前記燃焼室に燃料を噴射するとともに燃料噴射時に噴口から噴射される燃料の噴射方向を変更可能な噴射方向可変燃料噴射弁と、
前記可変圧縮比機構により変更する前記内燃機関の圧縮比に応じて前記噴射方向を変更する噴射方向変更手段と、
を備え、
前記内燃機関の圧縮比が低いほど、圧縮上死点における前記噴射方向可変燃料噴射手段と前記ピストンとの距離が遠くなり、
前記噴射方向変更手段は、前記圧縮比が低いほど、前記噴射方向を前記ピストンの上死点側から下死点側に変更するようにしてもよい。
Further, the variable compression ratio internal combustion engine in the present invention,
A cavity that is provided on the top surface of the piston of the internal combustion engine and that forms a stratified state in the combustion chamber of the internal combustion engine by introducing fuel near the compression top dead center;
A variable compression ratio mechanism that changes the compression ratio of the internal combustion engine by changing the volume of the combustion chamber of the internal combustion engine;
An injection direction variable fuel injection valve that injects fuel into the combustion chamber and can change the injection direction of fuel injected from the injection port at the time of fuel injection;
Injection direction changing means for changing the injection direction according to the compression ratio of the internal combustion engine changed by the variable compression ratio mechanism;
With
The lower the compression ratio of the internal combustion engine, the longer the distance between the injection direction variable fuel injection means at the compression top dead center and the piston,
The injection direction changing means may change the injection direction from the top dead center side to the bottom dead center side as the compression ratio is lower.
ここで上述のように、可変圧縮比機構を備えた可変圧縮比内燃機関において圧縮比を変化させた場合、圧縮上死点における燃焼室の容積することが多い。すなわち前述のように、前記圧縮比が低くなると圧縮上死点におけるピストンの位置が燃料噴射弁から遠くなることが多い。このような場合に、圧縮比に拘らず同じ噴射方向で燃料噴射弁から燃料を噴射すると、燃料噴射弁から噴射された燃料を圧縮上死点近傍においてキャビティ内に良好に導入させることが困難となり、結果として、良好な成層状態を形成することが困難となる場合があった。 As described above, when the compression ratio is changed in the variable compression ratio internal combustion engine having the variable compression ratio mechanism, the volume of the combustion chamber at the compression top dead center is often increased. That is, as described above, when the compression ratio is low, the position of the piston at the compression top dead center is often far from the fuel injection valve. In such a case, if fuel is injected from the fuel injection valve in the same injection direction regardless of the compression ratio, it becomes difficult to satisfactorily introduce the fuel injected from the fuel injection valve into the cavity near the compression top dead center. As a result, it may be difficult to form a good stratified state.
そこで、本発明においては、前記噴射方向制御手段は、前記圧縮比が低く圧縮上死点における前記ピストンの位置が前記噴射方向可変燃料噴射弁から遠くなるほど、前記噴射方向を前記ピストンの上死点側から下死点側に変更するようにした。 Therefore, in the present invention, the injection direction control means sets the injection direction to the top dead center of the piston as the compression ratio is low and the position of the piston at the compression top dead center is farther from the injection direction variable fuel injection valve. Changed from the side to the bottom dead center side.
これにより、内燃機関の圧縮比に拘らず、燃料噴射弁から噴射された燃料を良好にキャビティ内に導入させることができ、良好な成層状態を形成することが可能となる。その結果、燃焼の安定と低燃費を両立させる内燃機関の運転が可能となる。 As a result, regardless of the compression ratio of the internal combustion engine, the fuel injected from the fuel injection valve can be satisfactorily introduced into the cavity, and a good stratified state can be formed. As a result, it is possible to operate the internal combustion engine that achieves both stable combustion and low fuel consumption.
なお、上記した本発明の課題を解決する手段については、可能なかぎり組み合わせて用いることができる。 The means for solving the above-described problems of the present invention can be used in combination as much as possible.
本発明にあっては、可変圧縮比内燃機関において、圧縮比の高低に拘らず燃焼室内に安定した成層状態を形成することができ、安定した成層燃焼が可能となる。 In the present invention, in a variable compression ratio internal combustion engine, a stable stratified state can be formed in the combustion chamber regardless of the compression ratio, and stable stratified combustion is possible.
以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明す
る。
The best mode for carrying out the present invention will be exemplarily described in detail below with reference to the drawings.
以下に説明する内燃機関1は、可変圧縮比内燃機関であり、シリンダ2を有するシリンダブロック3を、ピストンが連結されたクランクケース4に対してシリンダ2の中心軸方向に移動させることによって圧縮比を変更するものである。
The
先ず、図1を用いて、本実施例に係る可変圧縮比機構の構成について説明する。図1に
示されるように、シリンダブロック3の両側下部に複数の隆起部が形成されており、この各隆起部に軸受収納孔5が形成されている。軸受収納孔5は、円形をしており、シリンダ2の軸方向に対して直角に、かつ複数のシリンダ2の配列方向に平行になるようにそれぞれ形成されている。軸受収納孔5はすべて同一軸線上に位置している。そして、シリンダブロック3の両側の軸受収納孔5の一対の軸線は平行である。
First, the configuration of the variable compression ratio mechanism according to the present embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, a plurality of raised portions are formed at the lower portions on both sides of the
クランクケース4には、上述した軸受収納孔5が形成された複数の隆起部の間に位置するように、立壁部が形成されている。各立壁部のクランクケース4外側に向けられた表面には、半円形の凹部が形成されている。また、各立壁部には、ボルト6によって取り付けられるキャップ7が用意されており、キャップ7も半円形の凹部を有している。また、各立壁部にキャップ7を取り付けると、円形のカム収納孔8が形成される。カム収納孔8の形状は、上述した軸受収納孔5と同一である。
The crankcase 4 is formed with a standing wall portion so as to be positioned between the plurality of raised portions in which the bearing
複数のカム収納孔8は、軸受収納孔5と同様に、シリンダブロック3をクランクケース4に取り付けたときにシリンダ2の軸方向に対して直角に、且つ、複数のシリンダ2の配列方向に平行になるようにそれぞれ形成されている。これらの複数のカム収納孔8も、シリンダブロック3の両側に形成されることとなり、片側の複数のカム収納孔8はすべて同一軸線上に位置している。そして、シリンダブロック3の両側のカム収納孔8の一対の軸線は平行である。また、両側の軸受収納孔5の間の距離と、両側のカム収納孔8との間の距離は同一である。
Similar to the bearing
交互に配置される二列の軸受収納孔5とカム収納孔8には、それぞれカム軸9が挿通される。カム軸9は、図1に示されるように、軸部9aと、軸部9aの中心軸に対して偏心
された状態で軸部9aに固定された正円形のカムプロフィールを有するカム部9bと、カム部9bと同一外形を有し軸部9aに対して回転可能に取り付けられた可動軸受部9cを有し、カム部9bと可動軸受部9cとが交互に配置されている。一対のカム軸9は鏡像の関係を有している。また、カム軸9の端部には、後述するギア10の取り付け部9dが形成されている。軸部9aの中心軸と取り付け部9dの中心とは偏心しており、カム部9bの中心と取り付け部9dの中心とは一致している。
Cam shafts 9 are inserted through the two rows of bearing
可動軸受部9cも、軸部9aに対して偏心されておりその偏心量はカム部9bと同一である。また、各カム軸9において、複数のカム部9bの偏心方向は同一である。また、可動軸受部9cの外形は、カム部9bと同一直径の正円であるので、可動軸受部9cを回転させることで、複数のカム部9bの外表面と複数の可動軸受部9cの外側面とを一致させることができる。
The
各カム軸9の一端にはギア10が取り付けられている。一対のカム軸9の端部に固定された一対のギア10には、それぞれウォームギア11a、11bがかみ合っている。ウォームギア11a、11bは単一のモータ12の一本の出力軸にとりつけられている。ウォームギア11a、11bは、互いに逆方向に回転する螺旋溝を有している。このため、モータ12を回転させると、一対のカム軸9は、ギア10を介して互いに逆方向に回転する。モータ12は、シリンダブロック3に固定されており、シリンダブロック3と一体的に
移動する。
A
次に、上述した構成の内燃機関1において圧縮比を制御する方法について詳しく説明する。図2(a)から図2(c)にシリンダブロック3と、クランクケース4と、これら両者の間に構築されたカム軸9との関係を示した断面図を示す。図2(a)から図2(c)において、軸部9aの中心軸をa、カム部9bの中心をb、可動軸受部9cの中心をcとして示す。図2(a)は、軸部9aの延長線上から見て全てのカム部9b及び可動軸受部9cの外周が一致した状態である。このとき、ここでは一対の軸部9aは、軸受収納孔5及びカム収納孔8の中で外側に位置している。
Next, a method for controlling the compression ratio in the
図2(a)の状態から、モータ12を駆動して軸部9aを矢印方向に回転させると、図2(b)の状態となる。このとき、軸部9aに対して、カム部9bと可動軸受部9cの偏心方向にずれが生じるので、クランクケース4に対してシリンダブロック3を上死点側にスライドさせることができる。そして、そのスライド量は図2(c)のような状態となるまでカム軸9を回転させたときが最大となり、カム部9bや可動軸受部9cの偏心量の2倍となる。カム部9b及び可動軸受部9cは、それぞれカム収納孔8及び軸受収納孔5の内部で回転し、それぞれカム収納孔8及び軸受収納孔5の内部で軸部9aの位置が移動するのを許容している。
When the
上述したような機構を用いることによって、シリンダブロック3をクランクケース4に対して、シリンダ2の軸線方向に相対移動させることが可能となり、圧縮比を可変制御することができる。なお、上述の機構は本実施例における可変圧縮比機構を構成する。
By using the mechanism as described above, the
次に、内燃機関の燃焼形態について説明する。ここで内燃機関の燃焼形態には、均一混合燃焼と成層燃焼とがあり、運転状態に応じて、いずれかの燃焼形態が選択される。すなわち、通常走行運転時のような内燃機関の高負荷高回転運転領域、あるいは、ストイキオ領域では、燃焼室内に均質な混合気を形成して点火する均一混合燃焼が行われる。 Next, the combustion mode of the internal combustion engine will be described. Here, the combustion forms of the internal combustion engine include homogeneous mixed combustion and stratified combustion, and either combustion form is selected according to the operating state. That is, in a high-load high-rotation operation region or a stoichiometric region of an internal combustion engine such as during normal traveling operation, uniform mixed combustion is performed in which a homogeneous air-fuel mixture is formed and ignited.
一方、空燃比を非常に大きくする希薄燃焼領域(リーンバーン領域)、すなわち、アイドリング時のような内燃機関の低負荷低回転運転領域では、混合気の成層化により確実な着火を可能とする成層燃焼が行われる。この場合、燃料噴射弁から噴射された燃料は、ピストンの頂面に形成されたキャビティに導入され、点火プラグの放電電極へと流れる。このため、この放電電極周辺に着火可能な混合気が層状に形成される。そして、これを適切なタイミングで点火して混合気を燃焼させる。 On the other hand, in a lean combustion region where the air-fuel ratio is very large (lean burn region), that is, in a low-load low-speed operation region of an internal combustion engine such as when idling, stratification that enables reliable ignition by stratification of the air-fuel mixture Combustion takes place. In this case, the fuel injected from the fuel injection valve is introduced into a cavity formed on the top surface of the piston and flows to the discharge electrode of the spark plug. For this reason, an ignitable air-fuel mixture is formed in a layer around the discharge electrode. Then, this is ignited at an appropriate timing to burn the air-fuel mixture.
このように、内燃機関の成層燃焼においては、燃料噴射弁から噴射された燃量が確実にピストンの頂面に形成されたキャビティに導入されることにより、低負荷低回転時における点火プラグの放電電極周りの燃料濃度を局部的に高めることが可能となり、失火が防止されるとともに燃焼安定性の向上が図られる。 As described above, in stratified combustion of an internal combustion engine, the amount of fuel injected from the fuel injection valve is reliably introduced into the cavity formed on the top surface of the piston, so that the spark plug discharges at low load and low speed. It is possible to locally increase the fuel concentration around the electrode, thereby preventing misfire and improving combustion stability.
次に、上記で説明したような可変圧縮比内燃機関1において、上記の成層燃焼が行われる場合について説明する。図3には、本実施例に係る内燃機関1の燃焼室付近の概略図を示す。内燃機関1において成層燃焼が行われる場合には、燃料噴射弁17から噴射された燃料を、ピストン13の頂面に設けられたキャビティ13aに導入させる。
Next, the case where the stratified combustion is performed in the variable compression ratio
しかし、圧縮比に拘らず、燃料噴射弁17からの燃料噴射の噴射幅を一定の値とした場合、高圧縮比の状態においては筒内圧が高いため、燃焼噴射弁17から噴射された燃料が低圧縮比の状態と比較して拡散しづらく、キャビティ13a内に充分に導入されない場合があった。図3において実線で示したのが高圧縮比の場合のピストン13及び噴射された燃料Fの状態、破線で示したのが低圧縮比の場合のピストン13及び噴射された燃料Fの
状態である。また、高圧縮比の状態で噴射された燃料Fがキャビティに到達するような噴射幅に設定した場合には、低圧縮比において噴射された燃料がキャビティに過度に強く衝突してしまうおそれがあった。
However, regardless of the compression ratio, when the injection width of the fuel injection from the
そうすると、圧縮比の変化によっては安定した成層燃焼が実行困難となり、燃焼状態が不安定になる場合があった。 Then, depending on the change in the compression ratio, stable stratified combustion becomes difficult to execute, and the combustion state may become unstable.
そこで本実施例においては、内燃機関1の圧縮比に応じて燃料噴射弁17からの燃料噴射に係る噴射幅を変更することとした。具体的には、内燃機関1の圧縮比が高いほど、燃料噴射に係る噴射幅を小さくすることとした。そうすれば、図4に示すように、内燃機関1の圧縮比が高く筒内圧が高い場合に、噴射燃料の貫徹力を強くすることができ、噴射された燃料をピストン13のキャビティ13aにより確実に導入させることができる。なお、具体的な制御はECU40からの制御信号に基づいて行われる。
Therefore, in this embodiment, the injection width related to the fuel injection from the
図5には、上記の制御に係る圧縮比及び燃料噴射幅決定ルーチンのフローチャートを示す。本ルーチンはECU40によって内燃機関1の稼動中は所定期間毎に実行されるフローである。なお、本ルーチンにおいては内燃機関1の圧縮比に応じて燃料噴射弁17からの燃料噴射の噴射幅を2段階に切り換えることとした。
FIG. 5 shows a flowchart of a compression ratio and fuel injection width determination routine according to the above control. This routine is a flow executed by the
本ルーチンが実行されるとまずS101において内燃機関1の運転状態が取得される。具体的には図示しないアクセルポジションセンサ及びクランクポジションセンサの出力から、内燃機関1の機関負荷及び機関回転数が取得される。
When this routine is executed, first, in S101, the operating state of the
次にS102においては、S101で取得された運転状態から、当該運転状態に最適な圧縮比の値εが導出される。具体的には、運転状態と最適な圧縮比との関係を格納したマップを予め作成しておき、該マップから、S101で取得された運転状態に対応する圧縮比εの値が導出される。なお、各運転状態に対して最適な圧縮比の値とは、各運転状態においてノッキングが生じない範囲で最高の圧縮比としてもよい。 Next, in S102, the compression ratio value ε optimum for the operation state is derived from the operation state acquired in S101. Specifically, a map storing the relationship between the operation state and the optimum compression ratio is created in advance, and the value of the compression ratio ε corresponding to the operation state acquired in S101 is derived from the map. The optimum compression ratio value for each operating state may be the highest compression ratio within a range where knocking does not occur in each operating state.
S103においては、S102において導出された圧縮比εの値に応じた燃料噴射幅が選択される。具体的には、圧縮比と、各圧縮比での圧縮上死点における燃焼室の圧力に抗して燃料噴射弁17からキャビティ13aに燃料を導入させるために選択されるべき燃料噴射幅との関係が格納されたマップを予め実験に基づいて作成しておき、当該マップから圧縮比εに対応する燃料噴射幅の値が読み出されることによって選択される。簡単には、噴射幅の選択時における閾値としての切換圧縮比ε0を予め求めておき、圧縮比εが切換圧縮比ε0以上かどうかによって燃料噴射の噴射幅を選択してもよい。
In S103, the fuel injection width corresponding to the value of the compression ratio ε derived in S102 is selected. Specifically, the compression ratio and the fuel injection width to be selected for introducing fuel from the
次に、S104においては、現在の内燃機関1の圧縮比がS102で導出された圧縮比εと等しいかどうかが判定される。現圧縮比がεと等しいと判定された場合にはそのまま本ルーチンを終了する。なお、この場合は、前回の本ルーチンの実行時に、現圧縮比において燃料噴射弁17からキャビティ13aに燃料を導入可能な噴射幅が既に選択されていると考えられる。一方、現圧縮比がεでないと判定された場合にはS105に進む。
Next, in S104, it is determined whether or not the current compression ratio of the
S105においては、内燃機関1の圧縮比をεに変更する。具体的には、モータ12に通電し、カム軸9を回転させることによってシリンダブロック3とクランクケース4の相対位置を変化させることによって変更する。
In S105, the compression ratio of the
S106においては、燃料噴射弁17による噴射燃料の噴射幅をS103で導出された燃料噴射幅とする。S106の処理が終了すると本ルーチンを一旦終了する。ここで、本ルーチンを実行するECU40は、本実施例における噴射幅変更手段を構成する。
In S106, the injection width of the fuel injected by the
ここで、図6を用いて、燃料噴射弁17による燃料噴射の噴射幅を切り換える方法について説明する。図5(a)は、噴射口を複数有する燃料添加弁17の概略構成を示す断面図である。燃料添加弁17は、第1ニードル18、第2ニードル19、およびノズルホルダ17aを備えて構成されている。第1ニードル18は、円柱形状で且つ先端が円錐形状に尖っておりノズルホルダ17aの中心軸上に備えられる。
Here, a method of switching the injection width of the fuel injection by the
第1ニードル18の先端の円錐面はノズルホルダ17aの内壁に接している。第2ニードル19は、円筒形状で第1ニードル18よりも径が大きく、内部に第1ニードル18を摺動可能に格納している。第2ニードル19も先端は円錐形状となっているが中心軸周りに第1ニードル18を収める穴が開けられている。第2ニードル19の先端の円錐面は、ノズルホルダ17aの内壁に接している。そして、第1ニードル18と第2ニードル19とは別々に作動可能である。また、第1ニードル18と第2ニードル19との間、および第2ニードル19とノズルホルダ17aとの間には、加圧された燃料が供給されている。
The conical surface at the tip of the
さらに、ノズルホルダ17aの第1ニードル18の円錐面が接する部分には、第1噴射口17bが2つ設けられている。同様に第2ニードル19の円錐面が接する部分には第2噴射口17cが2つ設けられている。第1噴射口17bと第2噴射口17cとは図5(a)に示すようにノズルホルダ17aの中心軸に対する開口角度が同等である。一方、図5(b)に示すように第1噴射口17bと第2噴射口17cとは、ノズルホルダ17aの周方向に対して円弧状の形状を有しており、第2噴射口17cは第1噴射口17bよりも周方向に長く形成されている。
Further, two
このように構成された燃料添加弁17では、第1ニードル18を作動させることにより、ノズルホルダ17aの周方向に対して小さい噴射幅で燃料を噴射させることができる。また、第2ニードル19を作動させることにより、ノズルホルダ17aの周方向に対して大きな噴射幅で燃料を噴射させることができる。なお、燃料噴射弁17は、本実施例において噴射幅可変燃料噴射弁に相当する。
In the
以上、説明したように、本実施例においては、内燃機関1の圧縮比が高く、圧縮上死点における筒内圧が高くなる場合には、燃料噴射の噴射幅を小さくすることにより噴射された燃料の貫徹力を強くすることとした。また、内燃機関1の圧縮比が低く、圧縮上死点における燃焼室の圧力が低くなる場合には、燃料噴射の噴射幅を大きくすることにより噴射された燃料の貫徹力を弱くすることとした。そうすることにより、内燃機関1の圧縮比に拘らず噴射燃料をピストン13のキャビティ13aに良好に導入することができ、安定した成層状態を形成することができる。
As described above, in this embodiment, when the compression ratio of the
次に本発明の実施例2について説明する。本実施例においては、内燃機関1の圧縮比が低くなり、圧縮上死点における燃料噴射弁とピストン頂面に設けられたキャビティとの距離が遠くなった際に、燃料噴射弁から噴射された燃料の貫徹力を強くする例について説明する。なお、本実施例における内燃機関1の構成については実施例1で説明したものと同等であり、説明は省略する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, when the compression ratio of the
実施例1においては、内燃機関1の圧縮比が高くなることにより、圧縮上死点における筒内圧が高くなる点に着目し、その場合にも噴射燃料を良好にキャビティに導入させる例について説明した。しかし、圧縮比の値や運転状態などの条件によっては、燃焼室の圧力の変化よりもむしろ、圧縮比の変化に起因する、圧縮上死点における燃料噴射弁とキャビティとの距離の変化の方が問題になる場合がある。
In the first embodiment, attention has been paid to the fact that the cylinder pressure at the compression top dead center increases as the compression ratio of the
この場合には、内燃機関1の圧縮比が低いときには、圧縮上死点における燃料噴射弁17とキャビティ13aとの距離が遠くなるため、燃料噴射弁17から噴射された燃料が充分にキャビティ13aに到達しない場合がある。従って、本実施例においては、内燃機関1の圧縮比が切換圧縮比ε1以下の場合に、燃料噴射弁17から噴射される燃料の噴射幅を小さくし、貫徹力を強くすることにより、噴射された燃料がピストン13の頂面に設けられたキャビティ13aに良好に導入されるようにした。その際の燃焼室付近の概略を図7に示す。
In this case, when the compression ratio of the
図7において高圧縮比の状態におけるピストン13及び、噴射された燃料Fを破線で示した。また、低圧縮比の状態におけるピストン13及び、噴射された燃料Fを実線で示した。図7に示すように、低圧縮比の状態では、燃料噴射弁17から噴射される燃料の噴射幅を小さくし貫徹力を強くすることにより、燃料噴射弁17とピストン13とがの距離が長くても噴射された燃料をキャビティ13aに良好に導入することができる。
In FIG. 7, the
なお、上記の実施例1及び2においては、内燃機関1の圧縮比に応じて、燃料噴射弁17から燃料される噴射の噴射幅を2段階に切り換える制御について説明した。しかし、この制御の代りに、内燃機関1の圧縮比の値に対して、当該圧縮比に最適な燃料噴射の噴射幅を逐一導出し、噴射幅を常に最適値にするような制御にしてもよい。
In the first and second embodiments, the control for switching the injection width of the fuel injected from the
具体的には、圧縮比と、各圧縮比での圧縮上死点における筒内圧に抗して燃料噴射弁17からキャビティ13aに燃料を導入可能とする噴射幅との関係が格納されたマップ、あるいは、圧縮比と、各圧縮比での圧縮上死点における燃料噴射弁17とキャビティ13aとの距離に対して、燃料噴射弁17からキャビティ13aに燃料を導入可能とする噴射幅との関係が格納されたマップを予め実験に基づいて作成しておき、当該マップから圧縮比εに対応する噴射幅の値を読み出さることとしてもよい。
Specifically, a map storing the relationship between the compression ratio and the injection width at which fuel can be introduced from the
その場合、燃料噴射弁17からの噴射燃料に係る噴射幅は、例えば図8に示すように、燃料噴射弁27の先端には、周方向に比較的長く設けた第3噴射口27cを設けておき、遮蔽版20を適宜回転させることによって噴射幅を連続的に変化するようにしてもよい。
In that case, for example, as shown in FIG. 8, the injection width related to the injected fuel from the
次に、本実施例における実施例3について説明する。本実施例においては、内燃機関1の圧縮比が低くなり、圧縮上死点における燃料噴射弁とピストン頂面に設けられたキャビティの距離が遠くなった際に、燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力を強くするのではなく、燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射方向を変更する例について説明する。なお、本実施例における内燃機関1の構成については実施例1で説明したものと同等であり、説明は省略する。
Next, Example 3 in the present example will be described. In this embodiment, the fuel injected from the fuel injection valve when the compression ratio of the
本実施例においては、図9に示すように、内燃機関1の圧縮比が切換圧縮比ε2より高い場合と、内燃機関1の圧縮比が切換圧縮比ε2以下の場合とで、燃料噴射弁37から噴射される燃料Fの噴射方向を2段階に変更している。
In the present embodiment, as shown in FIG. 9, the
こうすれば、内燃機関1の圧縮比によって燃料噴射弁37とキャビティ13aとの圧縮上死点における距離が変化することに起因して、噴射燃料をキャビティ13aに良好に導入できなくなることを抑制できる。この場合にも、具体的な制御はECU40からの制御信号に基づいて行われるので、ECU40が本実施例における噴射方向変更手段を構成する。
In this way, it is possible to prevent the injected fuel from being satisfactorily introduced into the
なお、この場合の燃料噴射弁37の概略構成を示す断面図を図10に示す。図10は、本実施例による噴射口を複数有する燃料添加弁37の概略構成図である。燃料添加弁37
は、第3ニードル35、第4ニードル36、およびノズルホルダ37aを備えて構成されている。第3ニードル35は、半円柱形状で且つ先端が半円錐形状に尖っており、図10中ノズルホルダ37aの中心軸の左側に備えられる。第3ニードル35の先端の半円錐面はノズルホルダ37aの内壁に接している。第4ニードル36は、第3ニードル35と同様に半円筒形状で、図10中ノズルホルダ37aの中心軸の右側に備えられている。第4ニードル36も先端は半円錐形状となっており、その半円錐面は、ノズルホルダ37aの内壁に接している。そして、第3ニードル35と第4ニードル36とは別々に作動可能である。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the
Is configured to include a
さらに、ノズルホルダ37aの第3ニードル35の半円錐面が接する部分には、第4噴射口37bが設けられている。同様に第4ニードル36の半円錐面が接する部分には第5噴射口37cが設けられている。第4噴射口37bと第5噴射口37cとはノズルホルダ37aの中心軸に対して対称な開口角度を有している。
Furthermore, the
このように構成された燃料添加弁37では、第3ニードル35を作動させることにより、ノズルホルダ37aの中心軸に対して図10中左側の向きに燃料を噴射させることができる。また、第4ニードル36を作動させることにより、ノズルホルダ37aの中心軸に対して図10中右側の向きに燃料を噴射させることができる。そして、燃料添加弁37を燃焼室へ取り付けるときに、例えば第4噴射口37bがシリンダ2におけるよりクランクケース4側に向くように且つ第5噴射口37cがシリンダ2における点火プラグ15側に向くようにする。そして、内燃機関1の圧縮比が切換圧縮比ε2より高い場合には、燃料噴射時には第4ニードル36を作動させて第5噴射口37cから燃料を噴射させる。一方、内燃機関1の圧縮比が切換圧縮比ε2以下の場合には、燃料噴射時には第3ニードル35を作動させて第4噴射口37bから燃料を噴射させる。
In the
こうすることにより、内燃機関1の圧縮比に応じて燃料噴射の噴射方向を変更することができる。なお、燃料噴射弁37は、本実施例における噴射方向可変燃料噴射弁に相当する。また、燃料噴射弁37の第5噴射口37cから燃料を噴射させる状態から、第4噴射口37bから燃料を噴射させる状態に切換えて燃料の噴射方向を変更する制御は、ピストン13の上死点側から下死点側に燃料の噴射方向を変更する制御に相当する。
By doing so, the injection direction of the fuel injection can be changed according to the compression ratio of the
なお、本実施例においては、上述のように内燃機関1の圧縮比に応じて、燃料添加弁37からの燃料噴射の噴射方向を2段階に変更することにしたが、これを内燃機関1の圧縮比に応じた最適の燃料噴射方向となるよう、燃料の噴射方向を連続的に変化させるようにしてもよい。この場合、例えば、燃料噴射弁37そのものの取り付け角度を機械的に変化させることにより燃料噴射方向を変更してもよい。
In the present embodiment, as described above, the injection direction of the fuel injection from the
1・・・内燃機関
2・・・シリンダ
3・・・シリンダブロック
4・・・クランクケース
9・・・カム軸
10・・・ギア
11a、11b・・・ウォームギア
12・・・モータ
13・・・ピストン
13a・・・キャビティ
15・・・点火プラグ
17,27,37・・・燃料噴射弁
40・・・ECU
F・・・噴射された燃料
DESCRIPTION OF
F ... Injected fuel
Claims (4)
前記内燃機関の圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、
前記燃焼室に燃料を噴射するとともに燃料噴射時に噴口から噴射される燃料の噴射幅を変更可能な噴射幅可変燃料噴射弁と、
前記可変圧縮比機構により変更される圧縮比に応じて前記噴射幅を変更する噴射幅変更手段と、
を備えることを特徴とする可変圧縮比内燃機関。 A cavity that is provided on the top surface of the piston of the internal combustion engine and that forms a stratified state in the combustion chamber of the internal combustion engine by introducing fuel near the compression top dead center;
A variable compression ratio mechanism for changing the compression ratio of the internal combustion engine;
An injection width variable fuel injection valve that injects fuel into the combustion chamber and can change the injection width of fuel injected from the injection port at the time of fuel injection;
Injection width changing means for changing the injection width according to the compression ratio changed by the variable compression ratio mechanism;
A variable compression ratio internal combustion engine comprising:
前記噴射幅変更手段は、前記内燃機関の圧縮比が高いほど、前記噴射幅を小さくすることを特徴とする請求項1に記載の可変圧縮比内燃機関。 The higher the compression ratio of the internal combustion engine, the higher the pressure in the combustion chamber at the compression top dead center,
2. The variable compression ratio internal combustion engine according to claim 1, wherein the injection width changing means reduces the injection width as the compression ratio of the internal combustion engine increases.
前記噴射幅変更手段は、前記内燃機関の圧縮比が低いほど、前記噴射幅を小さくすることを特徴とする請求項1に記載の可変圧縮比内燃機関。 The lower the compression ratio of the internal combustion engine, the longer the distance between the injection width variable fuel injection valve and the piston at the compression top dead center,
2. The variable compression ratio internal combustion engine according to claim 1, wherein the injection width changing means reduces the injection width as the compression ratio of the internal combustion engine is lower.
前記内燃機関の燃焼室の容積を変更することによって前記内燃機関の圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、
前記燃焼室に燃料を噴射するとともに燃料噴射時に噴口から噴射される燃料の噴射方向を変更可能な噴射方向可変燃料噴射弁と、
前記可変圧縮比機構により変更する前記内燃機関の圧縮比に応じて前記噴射方向を変更する噴射方向変更手段と、
を備え、
前記内燃機関の圧縮比が低いほど、圧縮上死点における前記噴射方向可変燃料噴射弁と前記ピストンとの距離が遠くなり、
前記噴射方向変更手段は、前記圧縮比が低いほど、前記噴射方向を前記ピストンの上死点側から下死点側に変更することを特徴とする可変圧縮比内燃機関。
A cavity that is provided on the top surface of the piston of the internal combustion engine and that forms a stratified state in the combustion chamber of the internal combustion engine by introducing fuel near the compression top dead center;
A variable compression ratio mechanism that changes the compression ratio of the internal combustion engine by changing the volume of the combustion chamber of the internal combustion engine;
An injection direction variable fuel injection valve that injects fuel into the combustion chamber and can change the injection direction of fuel injected from the injection port at the time of fuel injection;
Injection direction changing means for changing the injection direction according to the compression ratio of the internal combustion engine changed by the variable compression ratio mechanism;
With
The lower the compression ratio of the internal combustion engine, the longer the distance between the injection direction variable fuel injection valve and the piston at the compression top dead center,
The variable compression ratio internal combustion engine, wherein the injection direction changing means changes the injection direction from the top dead center side to the bottom dead center side as the compression ratio is lower.
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