JP2009013819A - 筒内噴射式内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料噴霧を燃焼室全体に拡散させることができる筒内噴射式内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】 本発明に係る筒内噴射式内燃機関の制御装置（５０）は、噴射された燃料噴霧（７０）がキャビティの内面に衝突した後に正タンブル流の先端付近に乗って旋回する第１噴射時期と、噴射された燃料噴霧（７２）がピストンの頂面と燃焼室の壁面との境界付近に衝突した後に正タンブル流に乗って旋回する第２噴射時期と、噴射された燃料噴霧（７４）が第１噴射時期に噴射された燃料噴霧よりも遅くかつ第２噴射時期に噴射された燃料噴霧よりも先に正タンブル流に乗って旋回する第３噴射時期と、に燃料が分割して噴射されるように燃料噴射手段（３２）を制御することを特徴とするものである。
【選択図】 図７

Description

本発明は筒内噴射式内燃機関の制御装置に関する。

近年、気筒内に燃料噴射弁から燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関が開発されてきている。このような筒内噴射式内燃機関においては、例えば機関運転状態に応じて、比較的低負荷側の成層燃焼運転領域と比較的高負荷側の均質燃焼運転領域とで異なる燃料噴射形態を選択するものが知られている。

特許文献１に係る筒内噴射式内燃機関においては、ピストン頂面の略中央に凹部（キャビティ）が形成されている。燃焼室の上部の点火プラグ付近に配置された燃料噴射弁は、成層燃焼運転領域の比較的高負荷側では、少なくとも２回の燃料噴射を行う。１回面はピストンのキャビティ側面に、２回目はピストンのキャビティ底面に燃料噴霧を衝突させる。この場合、１回目と２回目とにキャビティに向けて噴射された各燃料噴霧は、キャビティ内で成層混合気塊となる。それにより、良好な成層燃焼運転を行うことができる。また、成層燃焼運転領域よりも高負荷側の均質燃焼運転領域においては、燃料噴射弁は、吸気行程中に燃料を噴霧する。この場合、吸気行程中に噴射された燃料噴霧は、吸気ポートから燃焼室に吸入された吸気（空気）と混ざりあい、燃焼室全体に拡散されて均質混合気となる。それにより、均質燃焼が行われる。

また、特許文献２には、均質運転を行う場合に、１サイクル中に複数回の燃料噴射を実行する筒内噴射式内燃機関が開示されている。噴射回数を複数回に分割することで、１回噴射当たりの噴射量は小さくなる。この場合、個々の燃料噴霧の到達長さが短くなることから、噴射された燃料噴霧は、吸気ポートから燃焼室に吸入された吸気による気流に乗り易くなる。それにより、燃焼室における燃料の分散が促進されることから、均質運転時における機関燃焼安定性および排気性能が改善される。

特開２００４−３２４５６３号公報 特開２００２−１６１７９０号公報

均質運転を安定して行うためには、燃料噴霧が均質混合気を形成することが必要である。均質混合気を形成するためには、燃料噴霧を燃焼室全体に拡散させることが必要となる。燃料噴霧を燃焼室全体に均質に拡散させるためには、適切な燃料噴射時期を選択することが必要である。

本発明は、燃料噴霧を燃焼室全体に拡散させることができる筒内噴射式内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る筒内噴射式内燃機関の制御装置は、頂面にキャビティを有するピストンと、吸気ポートと排気ポートとを有し、吸気ポートから吸入された吸気が正タンブル流を形成する燃焼室と、燃焼室の吸気ポート側に配置され、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射手段と、を備えた筒内噴射式内燃機関に用いられ、噴射された燃料噴霧がキャビティの内面に衝突した後に正タンブル流の先端付近に乗って旋回する第１噴射時期と、噴射された燃料噴霧がピストンの頂面と燃焼室の壁面との境界付近に衝突した後に正タンブル流に乗って旋回する第２噴射時期と、噴射された燃料噴霧が第１噴射時期に噴射された燃料噴霧よりも遅くかつ第２噴射時期に噴射された燃料噴霧よりも先に正タンブル流に乗って旋回する第３噴射時期と、に燃料が分割して噴射されるように燃料噴射手段を制御することを特徴とするものである。

本発明に係る筒内噴射式内燃機関の制御装置によれば、第１噴射時期〜第３噴射時期に噴射されたそれぞれの燃料噴霧を乗せた正タンブル流が燃焼室を旋回する。それにより、燃焼室全体に燃料噴霧を拡散させることができる。また、第１噴射時期に噴射された燃料噴霧を正タンブル流の先端付近に乗せることができる。それにより、燃焼室全体に燃料噴霧を速く拡散させることができる。また、３回の噴射回数で、正タンブル流の先端付近から終端付近までの長い距離に亘って燃料噴霧を乗せることができる。それにより、燃焼室全体に燃料噴霧を効率的に拡散させることができる。

上記構成において、第３噴射時期は、正タンブル流の強度が最も強い時期であることが好ましい。この構成によれば、正タンブル流の強度が最も強いことから、第１噴射時期〜第３噴射時期に噴射された燃料噴霧が燃焼室全体に拡散するのに要する時間が短縮される。それにより、燃焼室全体に燃料噴霧を効率的に拡散させることができる。

本発明によれば、燃料噴霧を燃焼室全体に拡散させることができる筒内噴射式内燃機関の制御装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本発明の第１実施例に係る筒内噴射式内燃機関のＥＣＵ５０（制御装置）について説明する。図１は、第１実施例に係るＥＣＵ５０が用いられる筒内噴射式内燃機関１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、筒内噴射式内燃機関１００は、機関本体１０と、燃料タンク４０と、ＥＣＵ５０と、を備える。機関本体１０は、複数の気筒１２（図１では１つのみ図示）を有するシリンダブロック１４と、シリンダブロック１４上に配置されたシリンダヘッド１６と、気筒１２内を往復運動するピストン１８と、を備えている。気筒１２内のピストン１８の頂面とシリンダヘッド１６の下面とで区画された領域には、燃焼室２０が形成されている。

燃焼室２０には、吸気弁２２によって開閉される吸気ポート２４と排気弁２６によって開閉される排気ポート２８とが形成されている。吸気ポート２４は、吸気弁２２を介して燃焼に必要な空気を燃焼室２０に送る。排気ポート２８は排気弁２６を介して燃焼室２０から排気ガスを排出する。吸気ポート２４および排気ポート２８の形状は特に限定されないが、本実施例においては、いずれも燃焼室２０に対して適度の傾きをもって形成されている。吸気ポート２４から吸入された吸気（空気）は、燃焼室２０の頂部付近を通過して排気ポート２８側の方向を経てピストン１８の頂面方向に導かれる、いわゆる正タンブル流を形成する。

ピストン１８は、頂面においてキャビティ３０を有している。キャビティ３０は、キャビティ３０の内面に衝突するように噴射された燃料噴霧を、一定期間保持する機能を有する。キャビティ３０の形状は、かかる燃料噴霧を一定期間保持することができるものであれば特に限定されない。本実施例においては、キャビティ３０は、ピストン１８の頂面において吸気ポート２４側に偏倚した位置に形成され、皿状に凹んだ形状を有している。

燃焼室２０の吸気ポート２４側には燃料噴射弁３２が配置されている。燃料噴射弁３２はＥＣＵ５０からの指示により、燃料タンク４０から供給された燃料を、燃焼室２０内に直接噴射する。燃料噴射弁３２は、燃料噴射手段としての機能を有する。燃料噴射弁３２から噴射された燃料は噴霧状の燃料噴霧となる。燃料噴射弁３２の噴射角度は、水平方向より重力方向下方の方向に調整されている。また、燃焼室２０の上部略中心には点火プラグ３３が配置されている。点火プラグ３３は、ＥＣＵ５０の指示により火花を点火する。

ピストン１８はコネクティングロッド３４を介してクランクシャフト（図示せず）に連結されている。機関本体１０のクランクシャフトの近傍には、クランク角度センサ３６と回転数センサ３８とが配置されている。クランク角度センサ３６は、クランク角度を検出してＥＣＵ５０に伝える。それにより、ＥＣＵ５０はピストン１８の位置を把握することができる。回転数センサ３８は、クランクシャフトの回転数を検出してＥＣＵ５０に伝える。

燃料タンク４０は、燃料であるガソリンを貯留する。燃料タンク４０に貯留された燃料は、燃料噴射弁３２と燃料タンク４０との間に介挿された燃料ポンプ（図示せず）によって、燃料噴射弁３２に供給される。

ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成された電子制御ユニット（Ｅｌｅｃｔｒｏnｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。ＥＣＵ５０は、吸気行程において噴射されることが要求される燃料噴射量を分割して吸気行程に噴射する、いわゆる分割噴射を行うように燃料噴射弁３２を制御する。本実施例においては、ＥＣＵ５０は、クランク角度センサ３６および回転数センサ３８の検出結果を基に、後述するマップを参照して、吸気行程において、第１噴射時期と第２噴射時期と第３噴射時期とに燃料が分割噴射されるように燃料噴射弁３２を制御する。

具体的には、ＥＣＵ５０は、噴射された燃料噴霧がキャビティ３０の内面に衝突した後に吸気ポート２４から吸入された吸気によって形成された正タンブル流の先端付近に乗って旋回する第１噴射時期と、噴射された燃料噴霧がピストン１８の頂面と燃焼室２０の壁面との境界付近に衝突した後に正タンブル流に乗って旋回する第２噴射時期と、噴射された燃料噴霧が、第１噴射時期に噴射された燃料噴霧よりも遅くかつ第２噴射時期に噴射された燃料噴霧よりも先に正タンブル流に乗って旋回する第３噴射時期と、に燃料が噴射されるように燃料噴射弁３２を制御する。

図２は、ＥＣＵ５０が第１噴射時期と第２噴射時期と第３噴射時期とを取得する際に参照するマップの一例である。図２において、縦軸は機関本体１０の回転数（ｒｐｍ）を示す。横軸は、燃料の噴射時期（ＢＴＤＣ）を示す。

図２において、曲線６０はある任意の回転数Ｎ１を表している。ここで、回転数Ｎ１について見た場合に、境界線６１と曲線６０とが交差する噴射時期６２よりも早い噴射時期（縦軸側）は、吸気行程において噴射された燃料噴霧がキャビティ３０の内面に衝突する時期を示している。また、境界線６３と曲線６０とが交差する噴射時期６４よりも遅く、境界線６５と曲線６０とが交差する噴射時期６６よりも早い噴射時期は、吸気行程において噴射された燃料噴霧がピストン１８の頂面と燃焼室２０の壁面との境界付近に衝突する噴射時期を示している。なお、機関本体１０の回転数によってピストン１８の往復速度は変化することから、境界線６１，６３，６５は、所定の傾きを有している。

つまり、図２において、境界線６１と縦軸とで囲まれた領域は、吸気行程において噴射された燃料噴霧がキャビティ３０の内面に衝突する噴射時期を示している。また、境界線６３と境界線６５とで囲まれた領域は、吸気行程において噴射された燃料噴霧がピストン１８の頂面と燃焼室２０の壁面との境界付近に衝突する噴射時期を示している。

そして、回転数Ｎ１について見た場合に、第１噴射時期は、噴射された燃料噴霧がキャビティ３０の内面に衝突する噴射時期であり、かつ、噴射された燃料噴霧が衝突後に発生した正タンブル流の先端付近に乗って旋回する噴射時期である。第２噴射時期は、噴射された燃料噴霧がピストン１８の頂面と燃焼室２０の壁面との境界付近に衝突する噴射時期であり、かつ、衝突後に跳ね上がって燃焼室２０の排気ポート２８付近に滞留した後に正タンブル流に乗って旋回する噴射時期である。第３噴射時期は、噴射時期６６よりも遅く、かつ、噴射された燃料噴霧が、第１噴射時期に噴射された燃料噴霧よりも遅くかつ第２噴射時期に噴射された燃料噴霧よりも先に正タンブル流に乗って旋回する噴射時期である。

ＥＣＵ５０は、図２に示すようなマップを記憶しておく。そして、ＥＣＵ５０は、クランク角度センサ３６の検出結果と回転数センサ３８の検出結果とを読み込み、図２に示すようなマップを参照することによって、第１噴射時期と第２噴射時期と第３噴射時期とを取得することができる。

図３は、ＥＣＵ５０の分割噴射を行う場合の動作の一例を示すフローチャートである。ＥＣＵ５０は、クランク角度センサ３６の検出結果と回転数センサ３８の検出結果とを読み込み、図２に示すようなマップを参照して、第１噴射時期に燃料が噴射されるように燃料制御弁３２を制御する（ステップＳ１）。次いで、ＥＣＵ５０は、クランク角度センサ３６の検出結果と回転数センサ３８の検出結果とを読み込み、図２に示すようなマップを参照して、第２噴射時期に燃料が噴射されるように燃料制御弁３２を制御する（ステップＳ２）。次いで、ＥＣＵ５０は、クランク角度センサ３６の検出結果と回転数センサ３８の検出結果とを読み込み、図２に示すようなマップを参照して、第３噴射時期に燃料が噴射されるように燃料制御弁３２を制御する（ステップＳ３）。次いで、ＥＣＵ５０はフローチャートの実行を終了する。

図４は、燃料が第１噴射時期に噴射された場合における機関本体１０を示す模式的断面図である。図４に示すように、第１噴射時期に噴射された燃料噴霧７０は、キャビティ３０の内面に衝突する。

図５は、燃料が第２噴射時期に噴射された場合における機関本体１０を示す模式的断面図である。図５に示すように、第２噴射時期に噴射された燃料噴霧７２は、ピストン１８の頂面と燃焼室２０の壁面との境界付近に衝突する。ピストン１８の頂面と燃焼室２０の壁面との境界付近に衝突した燃料噴霧７２は、排気ポート２８方向へ跳ね上がる。また、第１噴射時期に噴射された燃料噴霧７０は、キャビティ３０付近に滞留している。

図６は、燃料が第３噴射時期に噴射された場合における機関本体１０を示す模式的断面図である。図６に示すように、第３噴射時期に噴射された燃料噴霧７４は、吸気ポート２４から吸入される吸気によって燃焼室２０で形成される正タンブル流７６に乗る。また、第１噴射時期に噴射された燃料噴霧７０も、正タンブル流７６の先端付近に乗る。なお、第２噴射時期に噴射された燃料噴霧７２は、排気ポート２８付近に滞留している。

図７は、第３噴射時期から時間が経過した場合における機関本体１０を示す模式的断面図である。図７に示すように、排気ポート２８付近に滞留していた第２噴射時期に噴射された燃料噴霧７２は、第３噴射時期に噴射された燃料噴霧７４の後から正タンブル流７６に乗る。つまり、第１噴射時期に噴射された燃料噴霧７０は正タンブル流７６の先端付近に乗る。また、第３噴射時期に噴射された燃料噴霧７４は、第１噴射時期に噴射された燃料噴霧７０の次に正タンブル流７６に乗る。そして、第２噴射時期に噴射された燃料噴霧７２は、第３噴射時期に噴射された燃料噴霧７４の次に正タンブル流７６に乗る。そして、第１噴射時期〜第３噴射時期に噴射されたそれぞれの燃料噴霧を乗せた正タンブル流７６が燃焼室２０を旋回する。それにより、燃焼室２０全体に燃料噴霧を拡散させることができる。

本実施例に係るＥＣＵ５０によれば、第１噴射時期〜第３噴射時期に噴射されたそれぞれの燃料噴霧を乗せた正タンブル流７６が燃焼室２０を旋回する。それにより、燃焼室２０全体に燃料噴霧を拡散させることができる。また、本実施例に係るＥＣＵ５０によれば、第１噴射時期に噴射された燃料噴霧７０を正タンブル流７６の先端付近に乗せることができる。それにより、燃焼室２０全体に燃料噴霧を速く拡散させることができる。また、本実施例に係るＥＣＵ５０によれば、３回の噴射回数で、正タンブル流７６の先端付近から終端付近までの長い距離に亘って燃料噴霧を乗せることができる。それにより、燃焼室２０全体に燃料噴霧を効率的に拡散させることができる。

なお、第３噴射時期は、吸気ポート２４から吸入された吸気によって形成された正タンブル流７６の強度が最も強い時期であることが好ましい。例えば、第３噴射時期は、ピストン１８のリフト量が最大付近となる時期であることが好ましい。この場合には、正タンブル流７６の強度が最も強いことから、第１噴射時期〜第３噴射時期に噴射された燃料噴霧が燃焼室２０全体に拡散するのに要する時間が短縮される。それにより、燃焼室２０全体に燃料噴霧を効率的に拡散させることができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

本発明の第１実施例に係るＥＣＵが用いられる筒内噴射式内燃機関の全体構成を示す模式図である。 第１実施例に係るＥＣＵが第１噴射時期と第２噴射時期と第３噴射時期とを取得する際に参照するマップの一例である。 第１実施例に係るＥＣＵの分割噴射を行う場合の動作の一例を示すフローチャートである。 燃料が第１噴射時期に噴射された場合における機関本体を示す模式的断面図である。 燃料が第２噴射時期に噴射された場合における機関本体を示す模式的断面図である。 燃料が第３噴射時期に噴射された場合における機関本体を示す模式的断面図である。 第３噴射時期から時間が経過した場合における機関本体を示す模式的断面図である。

符号の説明

１０ 機関本体
１８ ピストン
２０ 燃焼室
２４ 吸気ポート
２８ 排気ポート
３０ キャビティ
３２ 燃料噴射弁
５０ ＥＣＵ
７０ 第１噴射時期に噴射された燃料噴霧
７２ 第２噴射時期に噴射された燃料噴霧
７４ 第３噴射時期に噴射された燃料噴霧
７６ 正タンブル流
１００ 筒内噴射式内燃機関

Claims (2)

1. 頂面にキャビティを有するピストンと、吸気ポートと排気ポートとを有し、吸気ポートから吸入された吸気が正タンブル流を形成する燃焼室と、前記燃焼室の吸気ポート側に配置され、前記燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射手段と、を備えた筒内噴射式内燃機関に用いられ、
   噴射された燃料噴霧が前記キャビティの内面に衝突した後に前記正タンブル流の先端付近に乗って旋回する第１噴射時期と、噴射された燃料噴霧が前記ピストンの頂面と前記燃焼室の壁面との境界付近に衝突した後に前記正タンブル流に乗って旋回する第２噴射時期と、噴射された燃料噴霧が前記第１噴射時期に噴射された燃料噴霧よりも遅くかつ前記第２噴射時期に噴射された燃料噴霧よりも先に前記正タンブル流に乗って旋回する第３噴射時期と、に燃料が分割して噴射されるように前記燃料噴射手段を制御することを特徴とする筒内噴射式内燃機関の制御装置。
2. 前記第３噴射時期は、前記正タンブル流の強度が最も強い時期であることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
   

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