JP2009036126A - 内燃機関の燃料噴射時期制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノッキングの発生を防止するとともに、断熱層による断熱効果によりピストンの耐久性を向上させることを課題とする。
【解決手段】本発明は、ピストン６０とクランクシャフト３３とを１本のコンロッドで連結する内燃機関と比較して、ピストン６０が上死点の近傍に滞在する期間が長い内燃機関１の燃料噴射時期制御装置であって、燃焼室４０内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁４６と、上死点近傍で燃料噴射弁４６から噴射された燃料が当たる領域に断熱層７０が形成されたピストン６０とを備え、上死点近傍で燃料を噴射するように、燃料噴射弁４６の燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の燃料噴射時期制御装置に関する。

従来の内燃機関として、ピストン冠面に断熱層を形成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−２０９８３０号公報

しかしながら、前述した従来の内燃機関において、断熱層の温度はピストン本体と比較して温度が高くなるので、断熱層がノッキングの起点になりやすいという問題点があった。

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、断熱層の温度を低減してノッキングの発生を防止するとともに、ピストンの耐久性を向上させることを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、ピストン（６０）とクランクシャフト（３３）とを１本のコンロッドで連結する内燃機関と比較して、ピストン（６０）が上死点の近傍に滞在する期間が長い内燃機関（１，１０１）の燃料噴射時期制御装置であって、燃焼室（４０）内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁（４６）と、上死点近傍で前記燃料噴射弁（４６）から噴射された燃料が当たる領域に断熱層（７０）が形成されたピストン（６０）とを備え、上死点近傍で燃料を噴射するように、前記燃料噴射弁（４６）の燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段を有することを特徴とする。

ピストンが上死点の近傍に滞在する期間が長いと、上死点近傍で噴射された燃料がピストンに到達するまでの時間は短くなる。そうすると、燃料が気化する時間が少なくなるので、ピストン冠面に液状燃料が付着しやすくなる。本発明では、これを逆に利用して、ピストン冠面に形成した断熱層に積極的に液状燃料を付着させる。断熱層は、断熱材の蓄熱作用よってピストン本体と比較して高温となっているので、断熱層に付着した燃料の気化を促進して、そのときの気化熱によって断熱層の温度を低減させることができる。これにより、ノッキングの発生を防止できるとともに、ピストンの温度上昇を抑制して、ピストンの耐久性を向上させることができる。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、複リンク式ピストンストローク機構を備えたエンジン（以下「複リンク式エンジン」という。）１を示す図である。

複リンク式エンジン１は、シリンダブロック３１と、その頂部を覆うシリンダヘッド３０とを備える。

シリンダブロック３１には、複数のシリンダ３１ａが形成される。シリンダ３１ａには、ピストン６０が摺動自在に嵌合する。これらシリンダヘッド３０とシリンダブロック３１とピストン６０とによって、ペントルーフ形の燃焼室４０が区画形成される。なお、後で図５を参照して詳述するが、ピストン冠面６１には、ピストン温度を低減させるための断熱層７０が形成される。

シリンダヘッド３０には、燃焼室４０に開口する吸気通路４１及び排気通路４２が形成され、吸気通路４１の開口を開閉する吸気バルブ４３と、排気通路４２の開口を開閉する排気バルブ４４とが配設される。また、シリンダヘッド３０には、燃料噴射弁４６が配設される。燃料噴射弁４６は、燃焼室４０の頂壁中心部からピストン冠面６１に形成された断熱層７０へ向けて燃焼室内に直接燃料を噴射する。さらに、シリンダヘッド３０には、点火栓（図示せず）が配設される。点火栓は、燃焼室４０で火花を飛ばして混合気を点火する。

複リンク式ピストンストローク機構は、ピストン６０とクランクシャフト３３とを２つのリンク(アッパリンク(第１リンク)１１、ロアリンク(第２リンク)１２)で連結するとともに、コントロールリンク(第３リンク)１３でロアリンク１２を制御して圧縮比を変更する。

アッパリンク１１は、その上端がピストンピン２１を介してピストン６０と連結し、その下端がアッパピン２２を介してロアリンク１２の一端と連結する。ピストン６０は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック３１のシリンダ３１ａ内を往復動する。

ロアリンク１２は、その一端がアッパピン２２を介してアッパリンク１１に連結し、その他端がコントロールピン２３を介してコントロールリンク１３に連結する。また、ロアリンク１２は、その略中央の連結孔に、クランクシャフト３３のクランクピン３３ｂが挿入され、クランクピン３３ｂを中心軸として揺動する。ロアリンク１２は左右の２部材に分割可能である。クランクシャフト３３は、複数のジャーナル３３ａとクランクピン３３ｂとカウンタウェイト３３ｃとを備える。ジャーナル３３ａは、シリンダブロック３１及びラダーフレーム３４によって回転自在に支持される。クランクピン３３ｂは、ジャーナル３３ａから所定量偏心しており、ここにロアリンク１２が揺動自在に連結する。カウンタウェイト３３ｃは、ジャーナル３３ａとクランクピン３３ｂとをつなぐアーム部に設けられ、回転部分の重量アンバランスを取り除く。

コントロールリンク１３は、その一端がコントロールピン２３を介してロアリンク１２に連結し、その他端が連結ピン２４を介してコントロールシャフト２５に連結する。コントロールリンク１３は、この連結ピン２４を中心として揺動する。またコントロールシャフト２５にはギアが形成されており、そのギアがアクチュエータ５１の回転軸５２に設けられたピニオン５３に噛合する。アクチュエータ５１によってコントロールシャフト２５が回転させられ、連結ピン２４が移動する。

図２は複リンク式ピストンストローク機構による圧縮比変更方法を説明する図である。

複リンク式ピストンストローク機構は、コントロールシャフト２５を回転して連結ピン２４の位置を変更することで、圧縮比を変更する。例えば図２(Ａ)、図２(Ｃ)に示すように連結ピン２４を位置Ｐにすれば、上死点位置(ＴＤＣ)が高くなり高圧縮比になる。

そして図２(Ｂ)、図２(Ｃ)に示すように、連結ピン２４を位置Ｑにすれば、コントロールリンク１３が上方へ押し上げられ、コントロールピン２３の位置が上がる。これによりロアリンク１２はクランクピン３３ｂを中心として反時計方向に回転し、アッパピン２２が下がり、ピストン上死点(ＴＤＣ)におけるピストン６０の位置が下降する。したがって圧縮比が低圧縮比になる。

また複リンク式エンジン１は、圧縮比が一定である通常のエンジン(以下「ノーマルエンジン」という)に比べて、ピストン６０が上死点付近に滞在する期間が長いという特性がある。この点について、図３を参照して説明する。

図３は、複リンク式エンジン１のピストン挙動を示す図であり、図３(Ａ)は図３(Ｂ)の実線で囲われた部分の拡大図である。図３には、ノーマルエンジンと同じ圧縮比にした複リンク式エンジン１のピストン挙動が細実線で示されている。

ピストン６０が上死点から所定の距離内にあるときを、ピストン上死点付近滞在期間と定義すると、図３から明らかなように複リンク式エンジン１は、同じ圧縮比であるノーマルエンジンに比べて、ピストン上死点付近滞在期間が長い。

また、複リンク式ピストンストローク機構を高圧縮比に設定したときのピストン上死点付近滞在期間Ｌ１は、低圧縮比に設定したときのピストン上死点付近滞在期間Ｌ２よりも長い。すなわち図３(Ａ)において、Ｌ１＞Ｌ２である。

このように複リンク式エンジン１は、ノーマルエンジンに比べてピストン上死点付近滞在期間が長い。さらに高圧縮比にしたときのほうが、低圧縮比にしたときよりもピストン上死点付近滞在期間が長い。

ところで、ピストンの耐久性を向上させるには、燃焼ガスに接触するピストン冠面に断熱層を形成して、ピストンの熱負担を軽減することが有効である。しかしながら、断熱材は蓄熱作用をも有するため、断熱材自体の温度が高くなってしまい、ノッキングの起点になりやすいという問題点があった。

そこで、本発明ではピストン冠面６１に断熱層７０を形成するとともに、ノーマルエンジンに比べてピストン上死点付近での滞在期間が長い複リンク式エンジン１の特性を利用して燃料噴射時期を制御することで、断熱材の温度を低減して上記問題点を解決する。以下では、この燃料噴射時期の制御について説明する。

図４は、本実施形態による燃料噴射制御について説明する図であり、横軸にクランク角、縦軸に燃料噴射量を示した図である。

本実施形態では、吸気行程後半から圧縮行程中盤にかけて、要求駆動力を出力するために必要な燃料の大部分を噴射するメイン噴射を行う。そして、このメイン噴射に先立って、排気上死点付近において、ピストン冠面６１に形成された断熱層７０に向けて少量の燃料を噴射するサブ噴射を行う。

複リンク式エンジン１はピストン上死点付近での滞在期間が長いので、サブ噴射によって噴射された燃料が断熱層７０に到達するまでの時間は短くなる。したがって、燃料が気化するための時間が少なくなる。そのため、サブ噴射によって噴射された燃料は、断熱層７０に液状燃料のまま到達しやすい。

そうすると、断熱層７０は蓄熱作用によって高温となっているので、断熱層７０に到達した液状燃料を気化させることができる。そして、このときの気化熱によって断熱層７０の温度を低減することができる。その結果、ノッキングを抑制しつつ、ピストン６０の熱負担を軽減してピストン６０の耐久性を向上させることができる。

なお、運転条件に応じてサブ噴射を行うかどうかを決定してもよい。例えば、ピストン温度が高くなりがちな高負荷運転領域やノッキングが発生しがちな低速かつ中高負荷時の部分負荷運転領域においてサブ噴射を行うことで、ピストン温度の上昇を抑制してノッキングの発生を防止することができる。運転条件は、例えばエンジン回転速度を検出するエンジン回転速度センサ及びエンジン負荷を検出するエンジン負荷センサの信号に基づいて、予め実験等で定められた領域判断マップによって判断することができる。

また、複リンク式ピストンストローク機構によって変更された圧縮比に応じて燃料噴射量を増減させてもよい。圧縮比が高くなれば燃焼室４０が高圧になって温度が上昇するので、サブ噴射の噴射量を増量することでより多くの液状燃料を気化させて、そのときの気化熱により温度上昇を抑えて高圧縮比化によるエンジン出力の向上が図れる。

以下では、ピストン冠面６１に形成した断熱層７０の領域について説明する。

図５は、本発明の第１実施形態によるピストン冠面６１に断熱層７０が形成されたピストン６０の要部を示す図である。図５（Ａ）は、サブ噴射時におけるピストン及び燃料噴射弁の位置関係を示す図であり、ピストン冠面６１近傍の概略断面図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

図５（Ａ）に示すように、燃料噴射弁４６は、ピストン中心Ｐ１を通るピストン中心軸上に配設されており、燃焼室４０の頂壁中心部から、ピストン冠面６１に形成された断熱層７０へ向けて直接燃料を噴射する。サブ噴射時における燃料噴射弁４６の燃料噴霧領域を図５（Ａ）（Ｂ）に破線で示す。

また、ピストン冠面６１の中央には、断面が略円形のキャビティ６２が形成される。そして、このキャビティ６２の内部に断熱層７０が形成される。このとき、断熱層７０は、サブ噴射時に噴射された燃料がピストン冠面６１に当たる領域を全て包含するように形成される。つまり、図５（Ｂ）に示すように、燃料噴射弁４６の噴霧領域は、ピストン冠面６１の中心Ｐ１を中心とする円形の領域となるので、この領域をすべて包含するように形成される。

以上説明した本実施形態では、ノーマルエンジンに比べてピストン上死点付近での滞在期間が長い複リンク式エンジン１において、ピストン冠面６１に断熱層７０を形成した。そして、排気上死点付近で、メイン噴射に先立って少量の燃料を高温の断熱層７０に向けて噴射するサブ噴射を行った。

これにより、サブ噴射によって噴射された燃料を、高温の断熱層７０に液状燃料のまま到達させることができる。その結果、断熱層７０に到達した液状燃料を気化させることができ、このときの気化熱によって断熱層７０の温度を低減させることができる。このように、断熱層７０に積極的に液状燃料を付着させて気化させることで、断熱層７０の温度が低減するので、ノッキングの発生を抑制できる。そして、断熱層７０の温度を低減することで、断熱層７０とピストン材料との線膨張差による断熱層７０の剥離を防止することができる。

また、断熱層７０の断熱効果により、ピストン６０の熱負担を軽減することができるので、ピストン６０の耐久性が向上する。

また、ピストン冠面６１には、ピストン６０と比べて高温となる断熱層７０が形成されているため、断熱層７０が存在しない非断熱ピストンよりも液状燃料の気化を促進できる。そのため、燃費を向上することができるとともに、未燃ハイドロカーボンの排出を抑制することができる。さらに、断熱層７０はピストン６０よりも温度上昇が早いので、冷間始動からの暖機運転中において、断熱層７０が存在しない非断熱ピストンよりも液状燃料の気化を促進できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、燃料噴射弁４６の取付位置を吸気通路４１の下方に変更し、それに伴いピストン冠面６１に断熱層７０を設ける領域と、燃料噴射時期とを変更した点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。なお、以下の各実施形態では上述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

図６は、本発明の第２実施形態による複リンク式エンジン１０１を示す図である。複リンク式エンジン１０１は、本発明の第１実施形態による複リンク式エンジン１と比較して断熱層７０が形成された領域と燃料噴射弁４６及び点火栓４５の位置とが相違するだけで、それ以外の構成は全て同様である。

燃料噴射弁４６は、シリンダ３１ａの中心に対して所定角度傾いた状態でシリンダヘッド３０の吸気通路４１側に配設される。燃料噴射弁４６は、吸気通路４１の下方から、燃焼室４０に直接燃料を噴射する。

点火栓４５は、電極を燃焼室４０の頂壁中心部に突出させた状態でシリンダヘッド３０に配設される。点火栓４５は、燃焼室４０の頂壁中心部で火花を飛ばして混合気を点火する。

図７は、本実施形態による燃料噴射制御について説明する図であり、横軸にクランク角、縦軸に燃料噴射量を示した図である。

本実施形態では、サブ噴射を吸気行程前半に行う。そして、メイン噴射をサブ噴射終了後の吸気行程中盤から圧縮行程中盤にかけて行う。

このように、本実施形態ではサブ噴射を排気行程終了後、すなわち排気バルブ４４が閉じられた後に開始する。これは、燃料噴射弁４６がシリンダ３１ａの中心に対して所定角度傾いた状態でシリンダヘッド３０に配設され、吸気通路４１の下方から燃焼室４０に直接燃料を噴射しているため、排気バルブ４４が開いていると噴射された燃料が排気通路４２側へ流れてしまう。そうすると、断熱層７０に的確に噴射できないからである。サブ噴射を排気バルブ４４が閉じられた後に開始することで、噴霧燃料を的確に高温の断熱層７０に液状燃料のまま到達させることができる。

以下では、ピストン冠面６１に断熱層７０を設ける領域について説明する。

図８は、本発明の第２実施形態によるピストン冠面６１に断熱層７０が形成されたピストン６０の要部を示す図である。図８（Ａ）は、サブ噴射時におけるピストン６０、燃料噴射弁４６及び点火栓４５の位置関係を示す図であり、ピストン冠面６１近傍の概略断面図である。図８（Ｂ）は、ピストン冠面６１の正面図である。なお、図８（Ａ）（Ｂ）に示した破線は、燃料噴射弁４６から噴射される燃料の噴霧領域である。

図８（Ａ）に示すように、ピストン冠面６１には、断面が略矩形のキャビティ２６２が形成される。また、キャビティ２６２の底面に断熱層７０が形成される。

図８（Ｂ）に示すように、キャビティ２６２は、ピストン冠面６１を正面から見たときに円形となるように形成される。そして、キャビティ２６２の中心Ｐ２が、ピストン中心Ｐ１に対して排気通路側に所定量偏倚した位置に存在するように形成される。

また、断熱層７０は、ピストン冠面６１を正面から見たときにピストン中心Ｐ１の付近を含むような楕円形となるように形成される。さらに、断熱層７０は、サブ噴射時に吸気通路４１の下方から燃焼室４０に直接噴射された燃料がピストン冠面６１に当たる領域を全て包含するように形成される。このように、燃料噴射弁４６から噴射された全ての燃料が断熱層７０に当たる構成とするとともに、点火栓直下のピストン中心Ｐ１の付近のピストン冠面６１に断熱層７０を設けることで、ピストン温度が上昇しがちな点火栓直下の温度上昇を抑えることができる。

以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られるとともに、特に点火栓直下のピストン冠面６１の中心Ｐ１の付近に断熱層７０を設けたので、ピストン温度が上昇しがちな点火栓直下の温度上昇を抑えることができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

たとえば、第１実施形態では、１つの噴孔から所定の噴射角で燃料が噴射される単噴孔ノズルの燃料噴射弁４６を適用したが、多噴孔ノズルの燃料噴射弁を適用してもよい。この場合、各噴孔から噴射された燃料が当たる領域に絞って断熱層を形成してもよいし、製造上の簡便さを考慮して、各噴孔から噴射された燃料が当たる領域を全て包含するように断熱層を一体に形成してもよい。

また、本実施形態では、燃料噴霧領域を全て包含するように断熱層７０を形成したが、噴霧燃料が当たる一部に形成してもよい。

さらに、排気上死点近傍においてサブ噴射を行っているが、点火前であれば、圧縮上死点近傍にてサブ噴射を単独で、又は排気上死点近傍でのサブ噴射と併用して行ってもよい。これによれば、ピストン温度が上昇しがちな点火時期前後のピストン温度を低減することができる。

第１実施形態による複リンク式エンジンを示す図である。 複リンク式ピストンストローク機構による圧縮比変更方法を説明する図である。 複リンク式エンジンのピストン挙動を示す図である。 第１実施形態による燃料噴射制御について説明する図である。 第１実施形態によるピストン冠面に断熱層が形成されたピストンの要部を示す図である。 第２実施形態による複リンク式エンジンを示す図である。 第２実施形態による燃料噴射制御について説明する図である。 第２実施形態によるピストン冠面に断熱層が形成されたピストンの要部を示す図である。

符号の説明

１ 複リンク式エンジン（内燃機関）
１１ アッパリンク
１２ ロアリンク
１３ コントロールリンク
２１ ピストンピン
２２ アッパピン
２３ コントロールピン
３０ シリンダヘッド
３１ａ シリンダ
３３ クランクシャフト
３３ｂ クランクピン
４０ 燃焼室
４４ 排気バルブ
４５ 点火栓
４６ 燃料噴射弁
６０ ピストン
６１ ピストン冠面
７０ 断熱層

Claims (10)

1. ピストンとクランクシャフトとを１本のコンロッドで連結する内燃機関と比較して、ピストンが上死点の近傍に滞在する期間が長い内燃機関の燃料噴射時期制御装置であって、
   燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   上死点近傍で前記燃料噴射弁から噴射された燃料が冠面に当たる領域に断熱層が形成されたピストンとを備え、
   上死点近傍で燃料の一部を噴射するように、前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段を有する
   ことを特徴とする内燃機関の燃料噴射時期制御装置。
2. 前記燃料噴射時期制御手段は、排気上死点を含む前後の期間にわたって燃料を噴射するように、前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射時期制御装置。
3. 前記燃焼室の頂壁中心部に臨むように配置された点火栓を備え、
   前記燃料噴射弁は、シリンダの中心に対して所定角度傾いた状態でシリンダヘッドの吸気通路側に配設され、
   前記燃料噴射時期制御手段は、排気バルブが閉じた後の排気上死点近傍で燃料を噴射するように、前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射時期制御装置。
4. 前記断熱層は、前記点火栓の電極部直下のピストン冠面近傍の領域を包含するように形成される
   ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の燃料噴射時期制御装置。
5. 前記断熱層は、上死点近傍で噴射された燃料がピストン冠面に当たる領域を全て包含するように形成される
   ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射時期制御装置。
6. 前記ピストンにピストンピンを介して連結されるアッパリンクと、
   前記クランクシャフトのクランクピンに回転自由に装着されるとともに、前記アッパリンクにアッパピンを介して連結されるロアリンクと、
   前記ロアリンクにコントロールピンを介して連結されるコントロールリンクと、
   を有し、機関圧縮比の変更が可能な複リンク式ピストンストローク機構を備える
   ことを特徴とする請求項１から５までのいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射時期制御装置。
7. 前記燃料噴射時期制御手段は、圧縮比が高いときほど排気上死点近傍で多くの燃料を噴射するように、前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を制御する
   ことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の燃料噴射時期制御装置。
8. 前記燃料噴射時期制御手段は、高負荷運転領域のときに排気上死点近傍で燃料を噴射するように、前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を制御する
   ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射時期制御装置。
9. 前記燃料噴射時期制御手段は、部分負荷運転領域のときに排気上死点近傍で燃料を噴射するように、前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を制御する
   ことを特徴とする請求項１から８までのいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射時期制御装置。
10. 前記燃料噴射時期制御手段は、機関始動後の暖機中に排気上死点近傍で燃料を噴射するように、前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を制御する
    ことを特徴とする請求項１から９までのいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射時期制御装置。