JP2007278112A - 筒内直接噴射式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 最適な燃料気化現象を実現させる筒内直接噴射式内燃機関を提供する。
【解決手段】 吸気弁１のバルブリフト特性を可変可能な可変動弁機構を備えた筒内直接噴射式内燃機関において、冷機始動時、吸気弁１の開弁期間を相対的に短くし、排気行程終了直後のピストンが上死点から下死点まで下降する間で吸気弁１が閉弁している期間に、少なくとも複数回に分けて燃料噴射を開始するよう設定されている。これによって、筒内が低圧力の期間に燃料が噴射されるので、燃料の微粒化が促進され、さらに減圧沸騰による燃料の気化が促進される。
【選択図】図５

Description

本発明は、筒内直接噴射式内燃機関に関する。

特許文献１には、吸気弁の開弁時期を、排気弁の閉弁時期より遅くし、かつ上死点以降とし、排気弁の閉弁時期から吸気弁の開弁時期の間に燃料噴射を行うようにした筒内噴射式火花点火内燃機関が開示されている。
特開２００１−１０７７５８号公報

しかしながら、低圧力雰囲気では燃料噴霧の到達力が強く、さらにピストンが上方に位置する時期に筒内に燃料を噴射すると、壁面に付着する燃料が多くなり、最適な燃料の気化現象を実現させるのが難しいという問題がある。

また、筒内が減圧されることによる温度低下と気化潜熱による温度低下が重なっても、最適な燃料の気化現象を実現させるのが難しいという問題がある。

そこで、本発明は、吸気弁のバルブリフト特性を可変可能な可変動弁機構を備えた筒内直接噴射式内燃機関において、冷機始動時、吸気弁の開弁期間を相対的に短くし、排気行程終了直後のピストンが上死点から下死点まで下降する間で吸気弁が閉弁している期間に、少なくとも複数回に分けて燃料噴射を開始するよう設定されていることを特徴としている。

本発明によれば、筒内が低圧力の期間に燃料が噴射されるので、燃料の微粒化が促進され、さらに減圧沸騰による燃料の気化が促進される。

以下、本発明の位置実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の概略構成を模式的に示した説明図である。

火花点火式ガソリン機関からなる内燃機関２は、吸気弁１と排気弁４とを有し、その吸気弁１側の動弁機構として、吸気弁１のバルブリフト特性を可変可能な可変動弁装置（後述）が設けられている。排気弁４側の動弁機構は、排気カムシャフトにより排気弁４を駆動する直動型のものであり、そのバルブリフト特性は、常に一定である。また、内燃機関２には、燃焼室５内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁６と、燃焼室５内の混合気に点火する点火プラグ７と、を有している。

図２は、上述した吸気弁１側に設けられた可変動弁装置の全体的な構成を示す構成説明図である。

この可変動弁装置は、吸気弁１のリフト・作動角を連続的に拡大・縮小させることが可能なリフト・作動角可変機構１１に、さらに、作動角の中心角を連続的に遅進させることが可能な位相可変機構２１を組み合わせたものである。

リフト・作動角を可変制御するリフト・作動角可変機構１１は、内燃機関のクランクシャフトにより駆動される駆動軸２２と、この駆動軸２２に固定された偏心カム２３と、回転自在に支持された制御軸３２と、この制御軸３２の偏心カム部３８に揺動自在に支持されたロッカアーム２６と、吸気弁１のタペット３０に当接する揺動カム２９と、を備えており、偏心カム２３とロッカアーム２６とはリンクアーム２４によって連係され、ロッカアーム２６と揺動カム２９とは、リンク部材２８によって連係されている。

ロッカアーム２６は、略中央部が偏心カム部３８によって揺動可能に支持されており、その一端部に、連結ピン２５を介してリンクアーム２４のアーム部が連係しているとともに、他端部に、連結ピン２７を介してリンク部材２８の上端部が連係している。偏心カム部３８は、制御軸３２の軸心から偏心しており、従って、制御軸３２の角度位置に応じてロッカアーム２６の揺動中心は変化する。

揺動カム２９は、駆動軸２２の外周に嵌合して回転自在に支持されており、側方へ延びた端部に、連結ピン３７を介してリンク部材２８の下端部が連係している。この揺動カム２９の下面には、駆動軸２２と同心状の円弧をなすベースサークル面と、該ベースサークル面から所定の曲線を描いて延びるカム面と、が連続して形成されており、これらのベースサークル面ならびにカム面が、揺動カム２９の揺動位置に応じてタペット３０の上面に当接する。上記カム面がタペット３０を押圧すると、吸気弁１は、図示せぬバルブスプリング反力に抗して押し開かれることになり、これに伴い、バルブスプリング反力が、揺動カム２９から各部へ作用する。

制御軸３２は、一端部に設けられたリフト・作動角制御用アクチュエータ３３によって所定角度範囲内で回転するように構成されている。このリフト・作動角制御用アクチュエータ３３は、例えばウォームギア３５を介して制御軸３２を駆動する電動モータからなり、エンジンコントロールユニット１０からの制御信号によって制御される。制御軸３２の回転角度は、制御軸センサ３４によって検出される。

尚、このエンジンコントロールユニット１０には、クランク角度を検出するクランク角センサ１３、内燃機関の冷却水温度を検知する水温センサ１４、燃料噴射弁６に供給される燃料の燃料圧力を検出する圧力センサ１５、等の各種センサからの検出信号入力されており、これらの検出信号を用いて、内燃機関２の各種制御を実施している。例えば、クランク角センサ１３で検出されたクランク角度から燃料噴射のタイミングや点火タイミングが決定されている。

リフト・作動角可変機構１１によれば、制御軸３２の回転角度位置に応じて吸気弁３のリフトならびに作動角が、図３に示すように、連続的に変化する。つまり、リフトならびに作動角を、両者同時に、連続的に拡大，縮小させることができる。また、このリフト・作動角の大小変化に伴い、吸気弁１の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。リフト・作動角の大きさは、制御軸３２の回転角度によって一義的に定まるので、制御軸センサ３４の検出値により、そのときの実際のリフト・作動角が示される。

尚、図では、１気筒分のみが示されているが、駆動軸２２および制御軸３２は複数気筒に共通のものであり、他の偏心カム２３、リンクアーム２４、ロッカアーム２６、リンク部材２８、揺動カム２９、偏心カム部３８等からなるリンク機構は、気筒毎に設けられている。また、Ｖ型内燃機関等では、各バンク毎に、駆動軸２２および制御軸３２が設けられる。

一方、中心角を可変制御する位相可変機構２１は、駆動軸２２の前端部に設けられたスプロケット４２と、このスプロケット４２と駆動軸２２とを、所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相制御用アクチュエータ４３と、から構成されている。スプロケット４２は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトに連動している。位相制御用アクチュエータ４３は、例えば油圧式の回転型アクチュエータからなり、エンジンコントロールユニット１０からの制御信号によって図示せぬ油圧制御弁を介して制御される。この位相制御用アクチュエータ４３の作用によって、スプロケット４２と駆動軸２２とが相対的に回転し、図４に示すように、バルブリフトにおけるリフト中心角が遅進する。つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も、連続的に得ることができる。この第２可変動弁機構６の制御状態は、駆動軸２２の回転位置に応答する駆動軸センサ３６によって検出される。

従って、リフト・作動角可変機構１１と位相可変機構２１の制御を組み合わせることにより、吸気弁１の開時期および閉時期をリフト量とともに可変制御でき、シリンダ内に流入する吸気量を負荷に応じて制御することができる。

そして、冷機始動時には、リフト・作動角可変機構１１により吸気弁１のリフト・作動角を小リフト・小作動角として吸気弁の開弁期間を相対的に短くし、かつ位相可変機構２１により吸気弁１のリフト中心角の位相を遅角させて少なくとも排気弁４とのバルブオーバーラップが無いようにし、排気行程終了直後のピストンが上死点から下死点まで下降する間で吸気弁１が閉弁している期間に、少なくとも燃料を複数回に分けて噴射する。

本発明の第１実施形態においては、図５に示すように、排気行程が終了した上死点（排気上死点）から吸気弁１が開弁するまでの間、すなわち排気弁４が閉弁してから吸気弁１が開弁するまでの間に１回目の燃料噴射が実施される。そして、吸気弁１が閉弁してから圧縮行程が始まる下死点（吸気下死点）までの間に２回目の燃料噴射が実施される。

換言すれば、１回目の燃料噴射開始後に吸気弁１が開弁して吸気が導入され、吸気弁１が閉弁してから２回目の燃料噴射が実施されるように燃料噴射のタイミングが制御されている。

また、この第１実施形態においては、排気上死点で排気弁４が閉弁してか吸気弁１が開弁するまでの期間と吸気弁１が閉弁してから吸気下死点にまでの期間とが略等しくなるように、吸気弁開弁時期が設定されている。換言すれば、吸気弁開時期のリフト中心角の位相が、排気上死点と吸気下死点の略中間に位置するよう設定されている。

１回目及び２回目の燃料噴射が行われる際には、ピストンは上死点から下死点に向かって下降中であり、吸気弁１及び排気弁４は伴に閉弁状態になっている。つまり、筒内圧力が低圧力となっているときに燃料が噴射されるので、噴射圧を上げたときと同様に燃料の微粒化が促進されると共に、減圧沸騰による気化の促進を図ることができる。

そして、１回目の燃料噴射後に、吸気弁１が開弁して大気（吸気）が導入されるので、膨張と気化潜熱で低下した筒内温度が上昇することになり、２回目の燃料噴射を燃料が気化しやすい状況で行うことができる。

また、１サイクル中に噴射される燃料の総量、すなわち１回の膨張行程中に燃焼させる燃料量、さらに言い換えれば、１回の吸気圧縮行程で噴射される燃料の総噴射量は、運転状態に応じて決定されるものであり、冷機始動時において１サイクル中に噴射される燃料の総量は一定である。つまり、排気行程終了直後のピストンが上死点から下死点まで下降する間で吸気弁１が閉弁している期間に燃料を噴射する回数に関わらず、１サイクル中に噴射される燃料の総量は一定である。

そのため、２回に分けて燃料噴射を行うことにより、１度の燃料噴射で噴射される燃料量が相対的に減少することになるので、付着燃料等の余剰燃料が減少し、総じてＨＣの排出を抑制することができる。

特に、この第１実施形態においては、筒内の温度の低下により燃料の気化が悪化することを考慮して、筒内温度が気化の悪化する限界温度以下にならないように、１回目の燃料噴射で噴射される燃料量を決定されているので、付着燃料等の余剰燃料がより一層減少することになり、ＨＣの排出のさらなる抑制が可能となっている。

図６は、上述した第１実施形態における制御の流れを示すフローチャートである。

ステップ（以下、単にＳと記す）１１では、水温センサ１４の検出された冷却水温の検出値Ｔｗが予め設定された水温基準値Ｔｃよりも低いかどうかを判定し、高い場合には、暖機状態と判断してＳ１２へ進み、内燃機関２を通常始動するものとして終了する。一方、検出値Ｔｗが水温基準値Ｔｃよりも低い場合には、冷機状態と判断してＳ１３へ進む。

Ｓ１３では、吸気弁１のバルブリフト特性を冷機始動用に変更する。すなわち、リフト・作動角可変機構１１により吸気弁１のリフト・作動角を小リフト・小作動角として吸気弁の開弁期間を相対的に短くし、かつ位相可変機構２１により吸気弁１のリフト中心角の位相を遅角させて少なくとも排気弁４とのバルブオーバーラップが無いようにする。

そして、圧力センサ１５の検出圧力Ｐｔが予め設定された基準圧力Ｐｆよりも大きくなり（Ｓ１４）、制御軸センサ３４及び駆動軸センサ３６の検出信号から吸気弁１のバルブリフト特性が冷機始動用に変更された状態と確認されると（Ｓ１５）と、Ｓ１６へ進む。

Ｓ１６では、排気行程終了後に、吸気弁１が開く前に１回目の燃料噴射を実施する。

そして、吸気弁１の開弁期間が終了すると（Ｓ１７）、吸気弁１の閉弁後に２回目の燃料噴射を実施する（Ｓ１８）。

尚、燃料噴射を２回に分けて行う場合、１回目の燃料噴射量と２回目の燃料噴射量は基本的には１：１の割合であるが、噴射された燃料の気化率が最も高くなるように１回目の燃料噴射量と２回目の燃料噴射量を決定するようにしてもよい。この場合、大気温度が高い程、１回目の燃料噴射量を相対的に多くするのが効果的である。これは燃料噴射を２回以上行う場合にも当てはまる。

また、１回目の燃料噴射で噴射され燃料量を、ピストン位置や経験的に得られた噴霧の到達力を考慮に入れて、付着燃料が発生しない程度の量に決定してもよい。ここで、経験的に得られた噴霧の到達力とは、燃料噴射弁６や、燃焼室５形状等の因子されるもので、実験適合等により得られものである。

さらに、１回目の燃料噴射で噴射され燃料量を決定するに当たり、筒内が減圧されることにようる温度低下と、気化潜熱による温度低下を考慮に入れて、気化が悪化する噴射燃料の限界量を算出し、少ない方の噴射量を選択すれようにしてもよい。

次に本発明の第２実施形態について説明する。この第２実施形態おいては、排気弁４の閉時期及び吸気弁１の開閉時期が上述した第１実施形態の同一設定となっており、燃料噴射のタイミングのみが上述した第１実施形態と異なっている。

詳述すると、この第２実施形態においては、図７に示すように、冷機始動時、１回目の燃料噴射が燃料噴射終了と同時に吸気弁が開弁するよう設定され、２回目の燃料噴射が燃料噴射終了時にピストンが下死点位置にあるよう設定されている。すなわち、１回目の燃料噴射の開始時期が、第１実施形態に対して、ピストンが相対的に排気上死点から遠ざかった位置となっている。

このような第２実施形態においても、上述した第１実施形態と同様の作用効果得ることができる。

特に、この第２実施形態においては、１回目の燃料噴射の開始時期が第１実施形態に比べて、ピストンが相対的に排気上死点から遠ざかった位置となっているので、筒内の負圧がより発達した状態で燃料噴射がなされることになり、噴射された燃料の筒内での微粒化が一層促進されると共に、減圧沸騰による気化を一層促進させることができる。

図８は本発明の第３実施形態を示している。この第３実施形態おいては、排気弁４の閉時期及び吸気弁１の開閉時期が上述した第１実施形態の同一設定となっており、燃料噴射のタイミングのみが上述した第１実施形態と異なっている。

詳述すると、冷機始動時、１回目の燃料噴射が燃料噴射終時に吸気弁が既に開弁するよう設定され、２回目の燃料噴射が燃料噴射中にピストンが下死点位置に達するよう設定されている。

このような第３実施形態においては、上述した第１実施形態と同様の作用効果得ることができると共に、第２実施形態と同様に、筒内の負圧がより発達した状態で燃料噴射がなされるので、噴射された燃料の筒内での微粒化、減圧沸騰による気化の促進で有利になっている。

特に、この第３実施形態においては、１回目の燃料噴射の噴射開始時期が吸気弁開時期前で、１回目の燃料噴射の噴射終了時期が吸気弁開時期後となっているので、１回目の燃料噴射に関しては、吸気流の乱れも活用して、筒内での混合気のより一層の均一化を図ることができる。

図９は本発明の第４実施形態を示している。この第４実施形態おいては、冷機始動時、吸気弁開弁期間が第１実施形態に比べて相対的に上死点側に位置するよう設定され、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射が吸気弁１が閉弁してからピストンが下死点位置に到達する前に実施されるよう設定されている。

このような第４実施形態においては、上述した第１実施形態ほどではないものの、筒内圧力が低圧力となっているときに燃料が噴射されるので、燃料の微粒化促進と、減圧沸騰による気化の促進を図ることができる。

また、２回に分けて燃料噴射を行うことにより、１度の燃料噴射で噴射される燃料量が相対的に減少することになるので、上述した第１実施形態ほどではないものの、付着燃料等の余剰燃料を減少させることができ、ＨＣの排出を抑制することができる。

図１０は本発明の第５実施形態を示している。この第５実施形態は、上述した第２実施形態において、圧縮行程中に３回目の燃料噴射を行うようにしたものである。詳述すると、冷機始動時、１回目の燃料噴射開始後に吸気弁が開弁して吸気が導入され、吸気弁が閉弁してから２回目の燃料噴射が実施され、３回目の燃料噴射が圧縮行程中に実施されるよう設定されている。

このような第５実施形態においても、上述した第１実施形態と同様の作用効果得ることができる。

図１１は本発明の第６実施形態を示している。この第６実施形態おいては、冷機始動時、吸気弁開弁期間が第１実施形態に比べて相対的に下死点側に位置するよう設定され、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射が排気上死点から吸気弁１が開弁するまでの間に実施されるよう設定されている。

このような第６実施形態においては、上述した第４実施形態と略同様の作用効果を得ることができる。

上記実施形態から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。

（１） 吸気弁のバルブリフト特性を可変可能な可変動弁機構を備えた筒内直接噴射式内燃機関において、冷機始動時、吸気弁の開弁期間を相対的に短くし、排気行程終了直後のピストンが上死点から下死点まで下降する間で吸気弁が閉弁している期間に、少なくとも複数回に分けて燃料噴射を開始するよう設定されている。これによって、筒内が低圧力の期間に燃料が噴射されるので、燃料の微粒化が促進され、さらに減圧沸騰による燃料の気化が促進される。

（２） 上記（１）に記載の筒内直接噴射式内燃機関において、１回の吸気圧縮行程で噴射される燃料の総噴射量は、運転条件に応じて決定される燃料噴射量である。つまり、１回の吸気圧縮行程で行われる燃料噴射の回数に応じて、１回の吸気圧縮行程に噴射される燃料の総量が変化することはない。すなわち、燃料噴射の回数が多い程、１回当たりの燃料噴射量は相対的に少なくなる。そのため、１度の燃料噴射で噴射される燃料量が相対的に減少することになり、付着燃料等の余剰燃料が減少し、総じてＨＣの排出を抑制することができる。

（３） 上記（２）に記載の筒内直接噴射式内燃機関は、１回目の燃料噴射開始後に吸気弁が開弁して吸気が導入され、吸気弁が閉弁してから２回目の燃料噴射が実施されるよう設定されている。これによって、１回目の燃料噴射後に、吸気弁１が開弁して大気（吸気）が導入されるので、膨張と気化潜熱で低下した筒内温度が上昇することになり、２回目の燃料噴射を燃料が気化しやすい状況で行うことができる。

（４） 上記（３）に記載の筒内直接噴射式内燃機関は、１回目の燃料噴射の開始時期がピストンが相対的に排気上死点から遠ざかった位置となり、１回目の燃料噴射の燃料噴射終了と同時に吸気弁が開弁するよう設定され、２回目の燃料噴射が燃料噴射終了時にピストンが下死点位置にあるよう設定されている。これによって、１回目の燃料噴射の開始時期がピストンが相対的に排気上死点から遠ざかった位置となっているので、筒内の負圧がより発達した状態で燃料噴射がなされることになり、噴射された燃料の筒内での微粒化が一層促進されると共に、減圧沸騰による気化を一層促進させることができる。

（５） 上記（３）に記載の筒内直接噴射式内燃機関は、１回目の燃料噴射が燃料噴射終時に吸気弁が既に開弁するよう設定され、２回目の燃料噴射が燃料噴射中にピストンが下死点位置に達するよう設定されている。これによって、１回目の燃料噴射に関しては、吸気流の乱れも活用して、筒内での混合気のより一層の均一化を図ることができる。

（６） 上記（３）に記載の筒内直接噴射式内燃機関において、３回目の燃料噴射が圧縮行程中に実施するよう設定されている。

（７） 上記（２）に記載の筒内直接噴射式内燃機関において、吸気弁開弁期間が相対的に上死点側に位置するよう設定され、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射が吸気弁が閉弁してからピストンが下死点位置に到達する前に実施されるよう設定されている。

（８） 上記（２）に記載の筒内直接噴射式内燃機関において、吸気弁開弁期間が相対的に下死点側に位置するよう設定され、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射が、吸気弁が開弁する前に実施されるよう設定されている。

本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の概略構成を模式的に示した説明図。 可変動弁装置の全体的な構成を示す構成説明図。 リフト・作動角可変機構によるリフト・作動角の特性変化を示す特性図。 位相可変機構によるバルブリフト特性の位相変化を示す特性図。 本発明の第１実施形態における燃料噴射のタイミングと筒内圧、筒内温度の相関を示すタイミングチャート。 第１実施形態における制御の流れを示すフローチャート。 本発明の第２実施形態における燃料噴射のタイミングを示す説明図。 本発明の第３実施形態における燃料噴射のタイミングを示す説明図。 本発明の第４実施形態における燃料噴射のタイミングを示す説明図。 本発明の第５実施形態における燃料噴射のタイミングを示す説明図。 本発明の第６実施形態における燃料噴射のタイミングを示す説明図。

符号の説明

１…吸気弁
４…排気弁
６…燃料噴射弁

Claims (8)

1. 吸気弁のバルブリフト特性を可変可能な可変動弁機構を備えた筒内直接噴射式内燃機関において、
   冷機始動時、吸気弁の開弁期間を相対的に短くし、排気行程終了直後のピストンが上死点から下死点まで下降する間で吸気弁が閉弁している期間に、少なくとも複数回に分けて燃料噴射を開始するよう設定されていることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
2. １回の吸気圧縮行程で噴射される燃料の総噴射量は、運転条件に応じて決定される燃料噴射量であ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。
3. １回目の燃料噴射開始後に吸気弁が開弁して吸気が導入され、吸気弁が閉弁してから２回目の燃料噴射が実施されるよう設定されていることを特徴とする請求項２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
4. １回目の燃料噴射の開始時期がピストンが相対的に排気上死点から遠ざかった位置となり、１回目の燃料噴射の燃料噴射終了と同時に吸気弁が開弁するよう設定され、２回目の燃料噴射が燃料噴射終了時にピストンが下死点位置にあるよう設定されていることを特徴とする請求項３に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
5. １回目の燃料噴射が燃料噴射終時に吸気弁が既に開弁するよう設定され、２回目の燃料噴射が燃料噴射中にピストンが下死点位置に達するよう設定されていることを特徴とする請求項３に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
6. ３回目の燃料噴射が圧縮行程中に実施するよう設定されていることを特徴とする請求項３に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
7. 吸気弁開弁期間が相対的に上死点側に位置するよう設定され、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射が吸気弁が閉弁してからピストンが下死点位置に到達する前に実施されるよう設定されていることを特徴とする請求項２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
8. 吸気弁開弁期間が相対的に下死点側に位置するよう設定され、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射が、吸気弁が開弁する前に実施されるよう設定されていることを特徴とする請求項２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。

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