JP2008223601A

JP2008223601A - 筒内噴射式火花点火内燃機関

Info

Publication number: JP2008223601A
Application number: JP2007063108A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ashizawa; 剛芦澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-03-13
Filing date: 2007-03-13
Publication date: 2008-09-25

Abstract

【課題】必要燃料量を分割して噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関において、各分割噴射の噴射率を低下させることなく、分割噴射全体で必要とされるクランク角度範囲の増大を抑制可能とする。
【解決手段】燃料噴射弁のアクチュエータは、チャージ回路から放出される電気エネルギによって直接的又は間接的に燃料噴射弁の弁体を開弁させ、各分割噴射の間のインターバル（Ｔ２）を維持すると、分割噴射全体に必要なクランク角度範囲が設定範囲以上となる時には、分割噴射全体に必要なクランク角度範囲が設定範囲未満となる時（Ａ）に比較して、少なくとも一つの分割噴射の噴射率を高めることにより、チャージ回路に電気エネルギが蓄えられる各分割噴射間のインターバル（Ｔ２）を維持して、分割噴射全体に必要なクランク角度範囲の増大を抑制する（Ｃ）又は（Ｄ）。
【選択図】図４

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

筒内噴射式火花点火内燃機関において、噴射燃料はシリンダボア又はピストン頂面に付着し易い。噴射燃料がシリンダボアへ付着すると、エンジンオイルを希釈させる。また、噴射燃料がピストン頂面に付着すると、付着燃料の一部は膨張行程又は排気行程において気化して未燃燃料として排出されるために、排気エミッションを悪化させる。また、いずれにしても、噴射燃料の全てが燃焼しないために、所望機関出力を得ることができない。

それにより、筒内噴射式火花点火内燃機関では、噴射燃料を気化し易くして、シリンダボア又はピストン頂面への燃料の衝突を抑制することが好ましい。そのために、必要燃料量を分割して噴射して、気筒内を飛行する燃料の各塊を小さくし、気筒内の吸気との摩擦によって気化し易くすることが好ましい。

しかしながら、必要燃料量を分割して噴射することとしても、機関回転数が高くなったり、必要燃料量が多くなったりして分割噴射全体に必要なクランク角度範囲が増大すると、吸気行程噴射に際して、初回の分割噴射が吸気行程初期に実施されることとなり、この時にはピストンが高く位置するために、噴射燃料はピストン頂面に衝突し易くなる。それにより、各分割噴射間のインターバルを短くして、クランク角度範囲の増大を抑制することが考えられる。

燃料噴射弁の弁体は、一般的に、電気エネルギにより駆動されるアクチュエータによって直接的又は間接的に開弁される。いずれの場合においても、弁体を開弁させる際には、アクチュエータは大きな電気エネルギを必要とするために、大きな電気エネルギを蓄えて放出するチャージ回路がアクチュエータに接続されている。

必要燃料量を分割して噴射する場合においては、各分割噴射間のインターバルにおいて、次の分割噴射の弁体開弁に備えてチャージ回路に電気エネルギが蓄えられることとなるために、分割噴射全体のクランク角度範囲が増大する時に各分割噴射間のインターバルを短くしようとしても、すなわち、分割噴射の開弁指令を早めても、チャージ回路に十分な電気エネルギを蓄えることができず、弁体の開弁応答性が悪化するために、結果として各分割噴射のインターバルを短くすることができない。

それにより、各分割噴射間のインターバルにおいてチャージ回路に蓄えられた現在の電気エネルギを監視し、チャージ回路に十分に電気エネルギが蓄えられていなくても、弁体の開弁指令をさらに早めれば、開弁応答遅れが相殺されて、意図するインターバルで各分割噴射が実施されるとする燃料噴射装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１６１７９０特開２００１−１７３４９９

しかしながら、こうしてチャージ回路に十分に電気エネルギが蓄えられていない時に燃料噴射弁の弁体を開弁させ、各分割噴射のインターバルを短くして分割噴射全体のクランク角度範囲の増大を抑制しても、弁体の開弁がゆっくりとなって、二回目以降の各分割噴射の噴射開始当初の噴射率が低下するために、噴射燃料の気化が悪化し、こうして必要燃料量を分割して噴射しても意図するようにはシリンダボア又はピストン頂面への燃料の衝突を抑制することができない。

従って、本発明の目的は、必要燃料量を分割して噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関において、各分割噴射の噴射率を低下させることなく、分割噴射全体で必要とされるクランク角度範囲の増大を抑制可能とすることである。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃料噴射弁を具備し、前記燃料噴射弁により必要燃料量を分割して噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は、電気エネルギにより駆動されるアクチュエータを具備し、前記アクチュエータは、電気エネルギを蓄えるチャージ回路に接続されて前記チャージ回路から放出される電気エネルギによって直接的又は間接的に前記燃料噴射弁の弁体を開弁させ、各分割噴射の間のインターバルを維持すると、分割噴射全体に必要なクランク角度範囲が設定範囲以上となる時には、分割噴射全体に必要なクランク角度範囲が前記設定範囲未満となる時に比較して、少なくとも一つの分割噴射の噴射率を高めることにより、前記チャージ回路に電気エネルギが蓄えられる各分割噴射間のインターバルを維持して、分割噴射全体に必要なクランク角度範囲の増大を抑制することを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、燃料噴射弁を具備し、燃料噴射弁により必要燃料量を分割して噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関において、各分割噴射の間のインターバルを維持すると、分割噴射全体に必要なクランク角度範囲が設定範囲以上となる時には、分割噴射全体に必要なクランク角度範囲が設定範囲未満となる時に比較して、少なくとも一つの分割噴射の噴射率を高めることにより、チャージ回路に十分な電気エネルギを蓄えるための各分割噴射間のインターバルを維持して、分割噴射全体に必要なクランク角度範囲の増大を抑制することができる。それにより、各分割噴射間のインターバルを短くして分割噴射全体に必要なクランク角度範囲の増大を抑制する場合に比較して、分割噴射の噴射率が低下して噴射燃料の気化が悪化するようなことはない。

図１は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図であり、均質燃焼のための吸気行程における燃料噴射時期を示している。同図において、１は気筒周囲の吸気弁側に配置されて気筒内へ直接的に燃料を噴射するための燃料噴射弁であり、２は気筒上部略中心に配置された点火プラグである。３はピストン、４は一対の吸気ポート、５は一対の排気ポートを、それぞれ示している。

本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃料噴射弁１により主に吸気行程で気筒内へ直接的に燃料を噴射することにより、圧縮行程末期の点火時期には気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を火花点火させて均質燃焼を実施する。

燃料噴射弁１は、気筒内全体に広く燃料が噴射されるように、複数の噴孔を有して複数の方向に燃料Ｆを噴射する。このように複数の方向に噴射される燃料Ｆは、シリンダボア又はピストン頂面に向けられるものがあり、シリンダボア又はピストン頂面に衝突し易い。噴射燃料がシリンダボアへ衝突して付着すると、エンジンオイルを希釈させる。また、噴射燃料がピストン頂面に衝突して付着すると、付着燃料の一部は膨張行程又は排気行程において気化して未燃燃料として排出されるために、排気エミッションを悪化させる。また、いずれにしても、噴射燃料の全てが燃焼しないために、所望機関出力を得ることができない。

それにより、本筒内噴射式火花点火内燃機関では、必要燃料量を分割して噴射して、気筒内を飛行する燃料の各塊を小さくし、気筒内の吸気との摩擦によって気化し易くすることにより、シリンダボア又はピストン頂面への燃料の衝突を抑制することが意図されている。

燃料噴射弁１は、弁体を開弁することにより各噴孔が開放されて燃料を噴射し、弁体を閉弁することにより各噴孔が閉鎖されて燃料噴射が停止される。図２は、燃料噴射弁１の弁体１ａの開閉動作を説明するための概略図である。１ｂは弁体１ａと一体のアームに対して第一間隔Ｓ１を有して配置されている第一ソレノイドである。第一ソレノイド１ｂを励磁すると、発生する磁気吸引力によって、弁体１ａは第一間隔Ｓ１を狭めるように第一リフト量で開弁される。

１ｃは弁体１ａの基部に対して第二間隔Ｓ２を有して配置されている第二ソレノイドである。第二ソレノイド１ｃを励磁すると、発生する磁気吸引力によって、弁体１ａは第２間隔Ｓ２を狭めるように第二リフト量で開弁される。この際に、弁体１ａのアームは第一ソレノイド１ｂに当接し、第一ソレノイド１ｂはバネ１ｄにより支持されているために、バネ１ｄを圧縮して第一ソレノイド１ｂをさらに上方向に移動させる。こうして、第二リフト量は第一リフト量を大きくされている。

ここで、第一ソレノイド１ｂ及び第二ソレノイド１ｃは、巻数等の違いによって、第一リフト量及び第二リフト量を実現するためのそれぞれの磁気吸引力を同じ電圧により発生するようになっている。こうして、本燃料噴射弁１は、通常時において第一ソレノイド１ｂを励磁して第一リフト量で弁体１ａを開弁させることができると共に、励磁するソレノイドを第二ソレノイドとすることにより、第二リフト量で弁体１ａを開弁させて燃料噴射率を高めることもできる。

図３は、第一ソレノイド１ｂ又は第二ソレノイド１ｃに電圧を印加して弁体１ａを第一リフト量又は第二リフト量で開弁させるための回路図である。同図において、ｓｗ１は第一スイッチであり、ｓｗ２は第二スイッチである。第一ソレノイド１ｂに電圧を印加するためには、第一スイッチｓｗ１をオンとし、第二スイッチｓｗ２はオフとされる。また、第二ソレノイド１ｃに電圧を印加するためには、第一スイッチをオフとし、第二スイッチはオンとされる。

こうして、第一スイッチｓｗ１及び第二スイッチｓｗ２の一方をオンとし、他方をオフとすることによりソレノイドを選択し、第３スイッチｓｗ３をオンとすれば、選択されたソレノイドには、チャージ回路としてのコンデンサＣに蓄えられた高電圧が印加され、弁体１を応答性良く第一リフト量又は第二リフト量で開弁させることができる。弁体１が開弁されてしまえば、弁体１の閉弁を維持するには、それほど高い電圧は必要ない。ｓｗ４は、弁体を開弁状態に維持するための電圧を発生する定電流回路を選択されたソレノイドに接続するための第四スイッチであり、第三スイッチｓｗ３と同時にオンとされる。

通常時においては、第一スイッチｓｗ１をオンとして第一ソレノイドが選択され、弁体１は第一リフト量で開弁され、一回の分割噴射の噴射量に対応する開弁時間が実現されるように第三スイッチｓｗ３及び第四スイッチｓｗ４が同時にオフとされる。第三スイッチｓｗ３がオフとされると同時に充電回路によってコンデンサＣの充電が開始され、次の分割噴射の弁体１の開弁に備えられる。

図４は、必要燃料量を分割して噴射する場合の弁体１ａのリフト量を示すタイムチャートである。（Ａ）は、機関回転数が設定回転数以下であり、必要燃料量が設定燃料量以下である時を示している。この時には、第一リフト量Ｌ１で弁体１を開弁させる分割噴射の時間Ｔ１と分割噴射の間のインターバル（時間）Ｔ２とが交互に繰り返され、最初の分割噴射の開始時刻ｔ１から最後の分割噴射の終了時刻ｔ２までの時間が分割噴射全体に必要とされる時間ｔとなる。

この時間ｔは、機関回転数が設定回転数以下である時には、対応するクランク角度範囲がそれほど大きくはならず、例えば、吸気行程中期から最初の分割噴射を開始することができる。しかしながら、機関回転数が設定回転数より高くなると、この時間ｔに対応するクランク角度範囲が増大し、例えば、燃料噴射終了時期を圧縮行程初期まで遅角しても（燃料噴射終了時期を遅角し過ぎると、点火時期において良好な均質混合気が形成され難くなる）、吸気行程初期から最初の分割噴射を開始しなければならなくなり、こうなると、分割噴射によって噴射燃料を気化し易くしても、燃料噴射弁１とピストン３との距離が近いために、噴射燃料は容易にピストン頂面に付着してしまう。

また、必要燃料量が設定燃料量より多くなって、分割噴射とインターバルとの繰り返し回数が増えると、分割噴射全体に必要とされる時間自体が長くなり、対応するクランク角度範囲が増大するために、同様に、噴射燃料はピストン頂面に付着してしまう。

それにより、図４（Ｂ）で示すように、インターバルをＴ２’に短くすれば、分割噴射全体に必要とされる時間に対応するクランク角度範囲の増大が抑制され、最初の分割噴射を吸気行程中期から開始することができると考えられるが、こうしてインターバルが短くされると、コンデンサＣの充電時間が不足するために、二回目以降の分割噴射に際して、コンデンサＣから第一ソレノイドへ提供される電圧が低く、弁体１ａを応答性良く開弁させることができなかったり、弁体１ａのリフト量が不十分となったりする。

本実施形態では、図４（Ｃ）に示すように、弁体１ａの第一リフト量Ｌ１での開弁による分割噴射全体に必要とされるクランク角度範囲が、機関回転数の上昇又は必要燃料量の増大に伴って設定範囲以上となる時には、第二ソレノイド１ｃにより弁体１ａを第二リフト量Ｌ２で開弁させ（第一スイッチｓｗ１をオフとし、第二スイッチｓｗ２をオンとする）、各分割噴射の噴射率を高めるようにしている。それにより、分割噴射の時間がＴ１’のように短くなり、インターバルをＴ２に維持してコンデンサＣの充電時間を確保したまま分割噴射全体に必要とされる時間を短くすることができる。こうして、対応するクランク角度範囲の増大を抑制して最初の分割噴射が吸気行程初期から開始されないようにすることができる。

もちろん、弁体１ａの第一リフト量Ｌ１での開弁による分割噴射全体に必要とされるクランク角度範囲が、機関回転数の上昇又は必要燃料量の増大に伴って設定範囲以上となる時には、少なくとも一つの分割噴射において第二ソレノイド１ｃにより弁体１ａを第二リフト量Ｌ２で開弁させ（第一スイッチｓｗ１をオフとし、第二スイッチｓｗ２をオンとする）、噴射率を高めるようにすれば、その分は、分割噴射全体に必要とされる時間を短くすることができる。図４（Ｄ）は、第二リフト量Ｌ２での開弁と、第一リフト量Ｌ１での開弁とを交互に繰り返して、分割噴射全体に必要とされる時間を短くする場合を示している。

本実施形態において、燃料噴射弁１の弁体１ａは、第一リフト量に加えて第二リフト量でも開弁されることを可能として、噴射率を高めることができるものとしたが、例えば、弁体のリフト量は切り換えずに、噴射圧力を高くして噴射率を高めるようにしても、その分割噴射の時間を、例えばＴ１’のように短くすることができ、分割噴射全体に必要とされる時間を短くすることができる。

本実施形態において、第一ソレノイド１ｂ又は第二ソレノイド１ｃを励磁するためのコンデンサＣ及びその充電回路は、他の気筒の燃料噴射弁の第一ソレノイド及び第二ソレノイドを励磁するのに共用することができる。

本実施形態において、燃料噴射弁１は複数の方向に柱状の燃料を分割して噴射するものとしたが、これは本発明を限定するものではなく、燃料噴射弁１は、設定値以上の貫徹力を有する燃料を分割して噴射して、気筒内の吸気との摩擦により気化させるものであれば良く、例えば、スリット状噴孔から噴射される直線状断面、折れ線状断面、又は、円弧状断面の燃料を噴射するものでも良い。

本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図である。燃料噴射弁の弁体のリフト量を可変とする構造を示す概略図である。燃料噴射弁の弁体を開弁させるための回路図である。燃料噴射弁の弁体のリフト量を示すタイムチャートである。

符号の説明

１燃料噴射弁
２点火プラグ
３ピストン
Ｆ噴射燃料

Claims

燃料噴射弁を具備し、前記燃料噴射弁により必要燃料量を分割して噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は、電気エネルギにより駆動されるアクチュエータを具備し、前記アクチュエータは、電気エネルギを蓄えるチャージ回路に接続されて前記チャージ回路から放出される電気エネルギによって直接的又は間接的に前記燃料噴射弁の弁体を開弁させ、各分割噴射の間のインターバルを維持すると、分割噴射全体に必要なクランク角度範囲が設定範囲以上となる時には、分割噴射全体に必要なクランク角度範囲が前記設定範囲未満となる時に比較して、少なくとも一つの分割噴射の噴射率を高めることにより、前記チャージ回路に電気エネルギが蓄えられる各分割噴射間のインターバルを維持して、分割噴射全体に必要なクランク角度範囲の増大を抑制することを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。