JP2009097470A - Cylinder injection type spark ignition internal combustion engine - Google Patents
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本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。 The present invention relates to a direct injection spark ignition internal combustion engine.
インタークーラを備える内燃機関において、ノッキングが発生しない機関低負荷時には、インタークーラを作動させずに吸気温度を上昇させ、それにより、燃焼が生じ得る空燃比の上限値を高くして燃料消費を低減することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、吸気温度を上昇させることにより吸気密度が減少して吸気充填効率が低下するために、同じ吸気量を供給するのにスロットル弁開度を増大させることができ、ポンピング損失が低減する。 In an internal combustion engine equipped with an intercooler, when the engine is under a low load where knocking does not occur, the intake air temperature is raised without operating the intercooler, thereby increasing the upper limit of the air-fuel ratio at which combustion can occur and reducing fuel consumption It has been proposed (see, for example, Patent Document 1). Further, since the intake air density is decreased by increasing the intake air temperature and the intake charge efficiency is lowered, the throttle valve opening can be increased to supply the same intake air amount, and the pumping loss is reduced.
しかしながら、吸気行程で燃料を噴射して均質燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関の場合において、燃料噴射時期によっては、燃料の気化潜熱により吸気弁閉弁時の気筒内吸気温度を過剰に低下させて吸気充填効率が高くなり、それにより、必要吸気量を供給するのにスロットル弁開度を減少させることとなってポンピング損失が増大することがある。 However, in the case of an in-cylinder spark ignition internal combustion engine in which fuel is injected during the intake stroke to perform homogeneous combustion, depending on the fuel injection timing, the intake air temperature in the cylinder when the intake valve is closed may be excessive due to the latent heat of vaporization of the fuel. In this case, the intake charging efficiency is increased, thereby reducing the throttle valve opening to supply the required intake air amount, thereby increasing the pumping loss.
また、吸気充填効率が過剰に高くならないように燃料噴射時期を早めると、燃料噴射時期における燃料噴射弁とピストン頂面との距離が短くなるために、噴射燃料がピストン頂面に衝突付着し易くなり、未燃燃料の排出量が増大してしまう。 In addition, if the fuel injection timing is advanced so that the intake charging efficiency does not become excessively high, the distance between the fuel injection valve and the piston top surface at the fuel injection timing becomes short, so that the injected fuel tends to collide and adhere to the piston top surface. As a result, the amount of unburned fuel is increased.
従って、本発明の目的は、吸気温度を変更するための吸気温度変更手段を備える筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気温度変更手段により吸気温度を設定温度以上とする時には、ポンピング損失を増大させず、また、未燃燃料の排出量も増大させないように吸気行程の燃料噴射時期を設定することである。 Accordingly, an object of the present invention is to increase the pumping loss when the intake air temperature is set to be equal to or higher than the set temperature in the direct injection spark ignition internal combustion engine provided with the intake air temperature changing means for changing the intake air temperature. The fuel injection timing of the intake stroke is set so as not to increase the discharge amount of unburned fuel.
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、吸気温度を変更するための吸気温度変更手段を備える筒内噴射式火花点火内燃機関であって、前記吸気温度変更手段により吸気温度を設定温度以上とする時には、燃料噴射開始時期を、吸気充填効率が設定値以上となる燃料噴射開始時期範囲より吸気行程において遅角側とすることを特徴とする。
The in-cylinder injection spark ignition internal combustion engine according to
本発明による請求項2に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項1に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記吸気温度変更手段は吸気加熱装置であることを特徴とする。
The direct injection spark ignition internal combustion engine according to
本発明による請求項3に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項1に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記吸気温度変更手段は吸気冷却装置であることを特徴とする。
The direct injection spark ignition internal combustion engine according to
本発明による請求項4に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項1に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射開始時期範囲は、吸気弁閉弁時期より5ms前から7ms前の範囲であることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the direct injection spark ignition internal combustion engine according to the first aspect, wherein the fuel injection start timing range is 5 ms from the intake valve closing timing. It is a range that is 7 ms before.
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、吸気温度変更手段により吸気温度を設定温度以上とする時には、燃料噴射開始時期を、吸気充填効率が設定値以上となる燃料噴射開始時期範囲より吸気行程において遅角側とするようになっている。それにより、この燃料噴射開始時期範囲に燃料噴射が開始されて吸気充填効率が設定値以上となり、必要吸気量を実現するのにスロットル弁開度を減少させなければならずにポンピング損失が増大することは防止され、また、吸気充填効率が設定値以上となる燃料噴射開始時期範囲より進角側で燃料噴射が開始されて、燃料噴射弁とピストン頂面との距離が短いために噴射燃料がピストン頂面に衝突付着して未燃燃料の排出量が増大することも防止される。 According to the in-cylinder injection spark ignition internal combustion engine of the first aspect of the present invention, when the intake air temperature is set to the set temperature or higher by the intake temperature changing means, the fuel injection start timing is set to the intake charge efficiency equal to or higher than the set value. The fuel injection start timing range is set to be retarded in the intake stroke. As a result, fuel injection is started within this fuel injection start timing range, the intake charge efficiency becomes equal to or higher than the set value, and the pumping loss increases because the throttle valve opening must be decreased to achieve the required intake amount. In addition, fuel injection is started on the advance side of the fuel injection start timing range in which the intake charging efficiency is equal to or higher than the set value, and the distance between the fuel injection valve and the piston top surface is short, so the injected fuel It is also possible to prevent the amount of unburned fuel from increasing due to collision and adhesion on the piston top surface.
本発明による請求項2に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項1に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気温度変更手段を吸気加熱装置としている。
According to the in-cylinder injection spark ignition internal combustion engine according to
本発明による請求項3に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項1に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気温度変更手段を吸気冷却装置としている。 According to the in-cylinder injection spark ignition internal combustion engine of the third aspect of the present invention, in the in-cylinder injection spark ignition internal combustion engine of the first aspect, the intake air temperature changing means is an intake air cooling device.
本発明による請求項4に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項1に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気充填効率が設定値以上となる燃料噴射開始時期範囲を、吸気弁閉弁時期より4ms前から8ms前の範囲としている。
According to the direct injection spark ignition internal combustion engine according to
図1は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第一実施形態を示す概略図である。同図において、1は機関本体、2は吸気系、3は排気系である。吸気系2は、最上流部にエアクリーナ4を有し、熱交換器としてのインタークーラ5を通り機関本体1に接続される。吸気系2のインタークーラ5より下流側にはスロットル弁6が設けられている。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a first embodiment of a direct injection spark ignition internal combustion engine according to the present invention. In the figure, 1 is an engine body, 2 is an intake system, and 3 is an exhaust system. The
インタークーラ5は、吸気冷却にラジエータ7により冷却された冷却水を利用するものである。機関本体1とラジエータ7とを接続する流入通路7aには、循環ポンプPの下流側においてインタークーラ5に接続される分岐通路8が接続され、また、機関本体1とラジエータ7とを接続する流出通路7bには、インタークーラ5からの合流通路9が接続される。合流通路9には制御弁10が配置されている。
The
このような構成においては、制御弁10を開弁することにより、インタークーラ5への冷却水の循環が実施され、気筒内へ供給される吸気温度は低下し、ノッキングを発生し難くすると共に、吸気充填効率を高めることができる。また、制御弁10を閉弁することにより、インタークーラ5への冷却水の循環は停止され、気筒内へ供給される吸気温度は低下しない。こうして、インタークーラ5は吸気温度を変更する吸気温度変更手段として機能する。
In such a configuration, by opening the
図2は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第二実施形態を示す概略図である。同図において、1は機関本体、2は吸気系、3は排気系である。吸気系2は、最上流部にエアクリーナ4を有し、熱交換器としてのインターヒータ50を通り機関本体1に接続される。吸気系2のインターヒータ50より下流側にはスロットル弁6が設けられている。
FIG. 2 is a schematic view showing a second embodiment of a direct injection spark ignition internal combustion engine according to the present invention. In the figure, 1 is an engine body, 2 is an intake system, and 3 is an exhaust system. The
インターヒータ50は、吸気加熱に機関本体1を冷却して加熱された冷却水を利用するものである。機関本体1とラジエータ7とを接続する流入通路7a’には、循環ポンプPが配置されており、機関本体1とラジエータ7とを接続する流出通路7b’には、切換弁100が配置されると共に、切換弁100において分岐してインターヒータ50を通過し、切換弁100の下流側において合流する分岐通路80が設けられている。
The
このような構成においては、切換弁100を切り換えて機関本体1において加熱された冷却水がインターヒータ50を循環するようにすることにより、気筒内へ供給される吸気温度は高められる。また、切換弁100を切り換えて冷却水がインターヒータ50を循環しないようにすることにより、気筒内へ供給される吸気温度は高められることなく、ノッキングを発生し難くすると共に、吸気充填効率を高めることができる。こうして、インターヒータ50は吸気温度を変更する吸気温度変更手段として機能する。
In such a configuration, by switching the
図3は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第三実施形態を示す概略図である。同図において、1は機関本体、2’は吸気系、3’は排気系である。吸気系2’は、最上流部にエアクリーナ4を有し、熱交換器としての上流側の第一インターヒータ51及び下流側の第二インターヒータ52を通り機関本体1に接続される。吸気系2’の第二インターヒータ52の下流側にはスロットル弁6が設けられている。
FIG. 3 is a schematic view showing a third embodiment of a direct injection spark ignition internal combustion engine according to the present invention. In the figure, 1 is an engine body, 2 'is an intake system, and 3' is an exhaust system. The
第一及び第二インターヒータ51及び52は、吸気加熱に排気ガスの熱を利用するものであり、排気系3’が第二インターヒータ52及び第一インターヒータ51を通るようにされている。排気系3’は、第一切換弁101によって第一インターヒータ51をバイパス可能とされ、第二切換弁102によって第二インターヒータ52をバイパス可能とされている。排気系3’には、第一インターヒータ51と第二インターヒータ52との間に触媒装置11が配置されている。
The first and
このような構成においては、第一切換弁101及び第二切換弁102によって排気ガスが第一インターヒータ51及び第二インターヒータ52のいずれも通過しないようにすることにより、気筒内へ供給される吸気温度は高められることなく、ノッキングを発生し難くすると共に、吸気充填効率を高めることができる。
In such a configuration, the
また、第一切換弁101及び第二切換弁102の少なくともいずれか一方によって排気ガスが第一インターヒータ51及び第二インターヒータ52の少なくともいずれか一方を通過するようにすることにより、気筒内へ供給される吸気温度は高められる。この場合において、機関始動直後のように触媒装置11の暖機が不十分である時には、排気ガスが第二インターヒータ52をバイパスして第一インターヒータ51を通過するようにすることで、触媒装置11へ流入する排気ガス温度は低下しないために触媒装置11の暖気を悪化させないようにすることができる。また、機関高負荷運転が持続する等して触媒装置11の温度が高くなり過ぎている時には、排気ガスが第二インターヒータ52を通過するようにすることで、触媒装置11へ流入する排気ガス温度を低下させ、触媒装置11の温度が過剰に高まることを防止することができる。こうして、第一インターヒータ51及び第二インターヒータ52は吸気温度を変更する吸気温度変更手段として機能する。
Further, the exhaust gas passes through at least one of the
図4は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第四実施形態を示す概略図である。同図において、1は機関本体、2”は吸気系、3は排気系である。吸気系2”は、最上流部にエアクリーナ4を有し、切換弁200が配置されている。切換弁200の下流側は、一方でインタークーラ5’を通りスロットル弁6に接続され、他方でインターヒータ50’を通りスロットル弁6に接続される。スロットル弁6の下流側は機関本体1に接続される。
FIG. 4 is a schematic view showing a fourth embodiment of the direct injection spark ignition internal combustion engine according to the present invention. In the figure, 1 is an engine body, 2 "is an intake system, and 3 is an exhaust system. The
7はラジエータであり、機関本体1とは流入通路7a及び流出通路7bにより接続され、流入通路7aには、循環ポンプPが配置されている。図4に示すように、車両前側から、インタークーラ5’、ラジエータ7、インターヒータ50’の順で配置されており、走行風は、矢印で示すように、インタークーラ5’及びラジエーラ7を冷却する共に、これらの冷却により加熱された走行風によってインターヒータ50’は加熱される。
このような構成においては、切換弁200によって吸気がインタークーラ5’を通過するようにすることにより、気筒内へ供給される吸気温度は低下され、ノッキングを発生し難くすると共に、吸気充填効率を高めることができる。
In such a configuration, by allowing the intake air to pass through the
また、切換弁200によって吸気がインターヒータ50’を通過するようにすることにより、気筒内へ供給される吸気温度は高められる。本実施形態において、インタークーラ5’及びインターヒータ50’は冷却水によって加熱及び冷却される必要がなく、構造を簡単化することができる。
Further, by allowing the intake air to pass through the interheater 50 'by the switching
また、別の実施形態として、異なる温度に吸気を加熱するインターヒータが直列的に複数設けられている場合には、温度の低いインターヒータほど先に吸気が通過するようにすることで、効率良く吸気温度を上昇させることができる。 Further, as another embodiment, when a plurality of interheaters for heating intake air to different temperatures are provided in series, the intake air passes through the interheater having a lower temperature first, thereby efficiently The intake air temperature can be raised.
また、さらに別の実施形態として、異なる温度に吸気を加熱するインターヒータが並列的に複数設けられている場合には、各インターヒータを通過する吸気量を適当にフィードバック制御することにより、吸気温度を所望温度に制御することができる。 As yet another embodiment, when a plurality of interheaters that heat intake air to different temperatures are provided in parallel, the intake air temperature that passes through each interheater is appropriately feedback controlled so that the intake air temperature Can be controlled to a desired temperature.
図5は、機関本体1の概略縦断面図である。同図において、60は気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁であり、61は燃料噴射弁60の吸気弁側近傍に配置された点火プラグである。62は一対の吸気弁(図示せず)を介して気筒内へ通じる吸気ポートであり、63は一対の排気弁(図示せず)を介して気筒内へ通じる排気ポートである。64はピストンである。
FIG. 5 is a schematic longitudinal sectional view of the
燃料噴射弁60は、略半円弧状スリット噴孔を有して中空半円錐形状にシリンダボアの排気ポート側下部又はピストン頂面の排気ポート側周囲部へ向けて燃料fを吸気下死点近傍において噴射するものである。また、燃料噴射弁60は、複数の丸噴孔を有して、吸気下死点近傍において、各噴孔からシリンダボアの排気ポート側下部又はピストン頂面の排気ポート側周囲部へ向けて複数の燃料を噴射するようにしても良い。これらの複数の丸噴孔は略半円弧状に整列させても良い。
The
このような燃料fが燃料噴射弁60の噴射時期である吸気下死点近傍において噴射されれば、ピストン頂面又はシリンダボアに衝突付着し難く、また、タンブル流Tを良好に強めることができる。こうしてタンブル流Tが強められれば、タンブル流Tは圧縮行程後半においてピストン64により潰されるまで気筒内に確実に持続し、ピストン64により潰されて気筒内に点火時期まで持続する乱れを発生させることができ、燃焼速度を速めて良好な均質燃焼を実現することができる。
If such fuel f is injected in the vicinity of the intake bottom dead center, which is the injection timing of the
燃料噴射弁60により噴射される燃料fの貫徹力は、タンブル流Tを確実に強めるために、例えば、噴射開始から1ms後の燃料先端が60mm以上に達するように強くすることが好ましい。
In order to surely increase the tumble flow T, the penetration force of the fuel f injected by the
また、燃料噴射弁60は、部分円弧状、直線状、又は折れ線状のスリット噴孔を有して部分円弧断面、直線断面、又は折れ線断面の燃料を噴射するものでも、また、直線状又は折れ線状に配列された複数の丸噴孔を有して複数の柱状に燃料を噴射するものでも良い。このような場合において、噴射燃料は、シリンダボアの排気ポート側下部(略半円弧断面の帯状部分)及びピストン頂面の排気ポート側周囲部(略半円弧の帯状部分)の少なくとも一方に向かうようにされれば良い。もちろん、燃料噴射弁60は、吸気下死点近傍において、シリンダボアの排気ポート側下部(略半円弧断面の帯状部分)及びピストン頂面の排気ポート側周囲部(略半円弧の帯状部分)の少なくとも一方に向かうように中空又は中実円錐形状の燃料を噴射するものでも良い。
Further, the
ところで、ノッキングが発生し難い機関低負荷時等において、インタークーラの作動を停止したり、インターヒータを作動させたりすることにより、吸気温度を設定温度以上とすれば、燃焼が生じ得る空燃比の上限値を高くなるために、噴射燃料を減量して燃料消費を低減することができる。また、吸気温度を設定温度以上とすると、吸気密度が減少するために、同じ吸気量を気筒内へ供給するのにスロットル弁開度を増大させることができ、ポンピング損失が低減される。 By the way, at low engine loads where knocking is unlikely to occur, if the intake air temperature is set to a set temperature or higher by stopping the operation of the intercooler or operating the interheater, the air-fuel ratio at which combustion can occur In order to increase the upper limit value, the amount of fuel injected can be reduced to reduce fuel consumption. Further, when the intake air temperature is equal to or higher than the set temperature, the intake air density decreases, so that the throttle valve opening can be increased to supply the same intake air amount into the cylinder, and the pumping loss is reduced.
しかしながら、本実施形態のように、吸気行程燃料噴射の筒内噴射式火花点火内燃機関の場合において、燃料噴射時期によっては、燃料の気化潜熱により吸気弁閉弁時の気筒内吸気温度が過剰に低下して吸気充填効率が高くなるために、必要吸気量を供給するのに、増大させたスロットル弁開度を過剰に減少させることとなってポンピング損失が増大することがある。 However, in the case of an in-cylinder spark-ignition internal combustion engine with intake stroke fuel injection as in this embodiment, depending on the fuel injection timing, the intake air temperature in the cylinder when the intake valve closes due to fuel vaporization latent heat is excessive. Since the intake charge efficiency is lowered and the required intake air amount is supplied, the increased throttle valve opening may be excessively reduced to increase the pumping loss.
図6は、クランク角度に対する吸気弁のリフトを示すグラフである。吸気上死点(TDC)のクランク角度a1より前のクランク角度a0において吸気弁は開弁を開始し、吸気下死点(BDC)のクランク角度a4より後のクランク角度a5において吸気弁は閉弁を終了する。この吸気弁の閉弁終了時期(以下、吸気弁閉弁時期)から所定時間前のクランク角度範囲内a2からa3において、燃料噴射が開始されると、噴射燃料の大部分が吸気弁閉弁時期において気筒内で気化するために、気筒内の吸気温度を過剰に低下させる。 FIG. 6 is a graph showing the lift of the intake valve with respect to the crank angle. The intake valve starts to open at a crank angle a0 prior to the intake top dead center (TDC) crank angle a1, and the intake valve closes at a crank angle a5 after the intake bottom dead center (BDC) crank angle a4. Exit. When fuel injection is started within the crank angle range a2 to a3 a predetermined time before the closing timing of the intake valve (hereinafter referred to as intake valve closing timing), most of the injected fuel is taken to the intake valve closing timing. In order to vaporize in the cylinder, the intake air temperature in the cylinder is excessively lowered.
それにより、吸気充填効率が高くなり過ぎるために、必要吸気量を実現するためにはスロットル弁6の開度を減少させなければならなくなり、ポンピング損失が増大する。それにより、クランク角度範囲a2からa3より前で燃料噴射を開始することが考えられるが、これでは、燃料噴射弁60とピストン64との間の距離が短くなるために、噴射燃料がピストン頂面に衝突して付着し、この付着燃料の一部は膨張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、未燃燃料の排出量を増大させる。
Thereby, since the intake charge efficiency becomes too high, the opening degree of the
従って、本実施形態では、ノッキングの発生が心配されない時等においてインタークーラ又はインターヒータのような吸気温度変更手段により吸気温度を設定温度以上とする場合には、燃料噴射開始時期を、吸気充填効率が設定値以上となる燃料噴射開始時期範囲(クランク角度a2からa3の範囲)より吸気行程において遅角側とするようになっている。すなわち、燃料噴射開始時期をクランク角度a3より遅く吸気弁閉弁時期a5までに設定するようになっている。 Therefore, in this embodiment, when the intake air temperature is set to be equal to or higher than the set temperature by an intake air temperature changing means such as an intercooler or an interheater when the occurrence of knocking is not a concern, the fuel injection start timing is set as the intake charge efficiency. Is set to be retarded in the intake stroke from the fuel injection start timing range (range of crank angles a2 to a3) in which is greater than the set value. That is, the fuel injection start timing is set later than the crank angle a3 and before the intake valve closing timing a5.
それにより、吸気弁閉弁時期a5において噴射燃料は十分に気化しておらず、気化潜熱によって気筒内の吸気温度が過剰に低下して吸気充填効率が高くなり過ぎることはなく、それにより、スロットル弁開度を減少させる必要はないためにポンピング損失が増大することはない。また、依然として、燃料噴射時期は吸気下死点近傍であるために、前述のように噴射燃料によってタンブル流Tを強めることができる。また、燃料噴射時に燃料噴射弁60とピストン頂面との距離が短くなって噴射燃料がピストン頂面に衝突付着することもない。
Accordingly, the injected fuel is not sufficiently vaporized at the intake valve closing timing a5, and the intake temperature in the cylinder does not excessively decrease due to the latent heat of vaporization, so that the intake charging efficiency does not become too high. Since it is not necessary to decrease the valve opening, the pumping loss does not increase. Further, since the fuel injection timing is still near the bottom dead center of the intake air, the tumble flow T can be strengthened by the injected fuel as described above. Further, the distance between the
吸気充填効率を設定値以上に高める前述の燃料噴射開始時期範囲は、吸気弁閉弁時期より4ms前から8ms前の間とすることができる。この燃料噴射開始時期範囲は、ノッキングの発生が心配されない機関低負荷の燃料噴射量範囲内の燃料噴射量において吸気充填効率が設定値以上となる燃料噴射開始時期の範囲であり、すなわち、ノッキングの発生が心配されない機関低負荷の燃料噴射量範囲内のいずれの燃料噴射量でも吸気弁閉弁時期より4ms前より遅く燃料噴射を開始すれば、吸気充填効率が設定値以上とはならず、それにより、増大させたスロットル弁開度(吸気充填効率が設定値以上とならないとして設定されたスロットル弁開度)を減少させる必要はなく、ポンピング損失が増大することはない。 The aforementioned fuel injection start timing range in which the intake charging efficiency is increased to a set value or more can be between 4 ms and 8 ms before the intake valve closing timing. This fuel injection start timing range is a fuel injection start timing range in which the intake charging efficiency is equal to or higher than a set value at a fuel injection amount within the fuel injection amount range of the engine low load at which the occurrence of knocking is not a concern. If fuel injection is started later than 4 ms before the intake valve closing timing at any fuel injection amount within the engine low load fuel injection range where generation is not a concern, the intake charge efficiency will not exceed the set value. Therefore, it is not necessary to reduce the increased throttle valve opening (throttle valve opening set as the intake charge efficiency does not exceed the set value), and the pumping loss does not increase.
1 機関本体
5、5’ インタークーラ
50、50’、51、52 インターヒータ
6 スロットル弁
1
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