JP2009114916A - 火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の燃費を向上する。
【解決手段】エンジン１０はインジェクタ１８を有する。エンジン１０の燃焼室２０内のタンブルＴを強化する方向に、インジェクタ１８は燃料を噴射する。ＥＣＵ２４は回転センサ２３およびエアフロメータ２５から回転数データおよび吸入空気量データを取得する。ＥＣＵ２４は取得したデータに基づいてエンジン１０の運転状態がノッキング領域であるか否かを判別する。ノッキング領域であるとき、ＥＣＵ２４はインジェクタ１８に吸気ＢＤＣ付近において燃料を噴射させる。非ノッキング領域であるとき、ＥＣＵ２４はインジェクタ１８に吸気ＴＤＣ付近において燃料を噴射させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、筒内噴射エンジンにおける燃料の噴射時期の制御に関する。

燃焼室内に直接燃料を噴射可能な筒内噴射式火花点火内燃機関が知られている。筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気流制御弁を用いてタンブルの強化が可能な構成が開示されている（特許文献１参照）。均質燃焼時にタンブルを強化することにより、燃焼速度が上がり、燃焼効率が向上する。燃焼効率の向上により、燃費が改善される。
特開２００５−１８０２４７号公報

しかし、急速燃焼を行うときには燃焼温度が高くなるため冷却損失も大きくなり、燃費の悪化要因となる。したがって、燃焼効率の向上による燃費改善効果が相対的に小さいときには、タンブルの強化により燃費が悪化することがある。

本発明は、タンブル強化が可能な内燃機関において、燃費を改善することを目的とする。

第１の発明に係る火花点火内燃機関は、吸気ポートと、噴射手段と、検出手段と、噴射時期切替手段とを含む。吸気ポートは、燃焼室内にタンブルを発生させながら、燃焼室に吸気する。噴射手段は、燃焼室内に向かってタンブルを強化する方向に、燃料を噴射する。検出手段は、燃焼室内におけるノッキングの発生に影響を及ぼす燃焼室内の作動状態を検出する。噴射時期切替手段は、燃焼室内にノッキングが発生し得る作動状態として予め想定されるノッキング領域に作動状態が属するときに噴射手段による燃料の噴射時期を吸気行程の下死点付近に切替える。噴射時期切替手段は、ノッキング領域から作動状態が逸脱するときに噴射手段による燃料の噴射時期を吸気行程の上死点付近に切替える。

第１の発明によると、ノッキングが発生する可能性が高いときにのみ燃料噴射によるタンブル強化が行うことが可能である。したがって、ノッキングの発生を防止するための急速燃焼がノッキングが発生する可能性の高いときにのみ実行されるので、不必要な急速燃焼が行なわれず、冷却損失の増加を抑止することが可能となる。その結果、内燃機関の燃費が向上する。

第２の発明に係る火花点火内燃機関では、第１の発明の構成に加えて、噴射手段は燃焼室内の内壁における上死点と下死点との間の所定の位置に向かって燃料を噴射する。また、噴射時期切替手段は、燃料噴射時期が上死点付近および下死点付近のいずれか一方から他方に切替えられる場合に燃料噴射時期を徐々に変える。また、噴射時期切替手段は、徐々に変えられる噴射時期が燃焼室内を移動するピストンの冠面が所定の位置を通過する時期と一致するときに噴射手段にマルチ噴射を実行させる。

第２の発明によると、燃料噴射時期を徐々に変えていく過程において、燃焼室の一部に燃料が滞留しやすい時期にマルチ噴射を実行させることにより、燃料の滞留を防止することが可能になる。燃料の滞留を防止することによって燃焼不良の発生を抑えることが可能になる。

第３の発明に係る火花点火内燃機関では、第１の発明の構成に加え、タンブル強化切替手段を含む。タンブル強化切替手段は、吸気ポートを通過する吸気の流路を変えることにより、燃焼室内に発生させるタンブル強化の実行と停止とを切替える。また、タンブル強化切替手段によりタンブル強化を実行するときには、噴射時期切替手段は噴射手段による燃料の噴射時期を吸気行程における上死点から９０°遅角させた時期付近に切替える。

第３の発明によると、タンブル強化切替手段にタンブルを強化させるときに９０ＡＴＤＣに燃料を噴射させることにより混合ガスの均質度が高められる。

本発明によれば、必要なときにのみ噴射時期の調整によるタンブル強化が図られ、不必要なときにはタンブル強化をすること無く、全体として燃費を向上させることが可能である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態を適用したエンジン（火花点火内燃機関）の概略的な構成図である。

エンジン１０は、燃料タンク１１、吸気通路１２、および排気通路１３に連結される。エンジン１０には、燃料タンク１１から燃料が供給される。また、エンジン１０には吸気通路１２を介して空気が吸入される。吸入された空気により供給された燃料が燃焼される。エンジン１０において燃焼により生成した排気ガスは排気通路１３を介して外部に排出される。

エンジン１０は、本体部１４、ピストン１５、吸気弁１６、排気弁１７、インジェクタ１８、および点火プラグ１９などを含んで構成される。

本体部１４の内部には燃焼室２０が形成される。燃焼室２０は、吸気通路１２および排気通路１３と連結される。なお、吸気通路１２から吸入される空気が燃焼室２０内で順タンブル（図１符合Ｔ参照）を発生させる形状に、吸入ポート１２ａが形成される。吸気通路１２および排気通路１３には、それぞれ吸気弁１６および排気弁１７が配置される。吸気弁１６および排気弁１７により、それぞれ燃焼室２０への吸気と排気が行なわれる。

なお、吸気通路１２には、タンブル強化切替手段として吸気流制御弁２１が設けられる。吸気流制御弁２１は半円状に形成される。吸気流制御弁２１は、吸気通路１２に平行に保持される開放状態、または吸気通路１２の下方を閉じる閉止状態のいずれかに切替可能である。開放状態において吸気弁２１の上下から燃焼室２０に吸気される（図２参照）。一方、閉止状態において吸気弁２１の上側から燃焼室に吸気され、燃焼室２０内に発生するタンブルが強化される（図３符号Ｔ参照）。したがって、吸気流制御弁２１の開閉によりタンブル強化の実行と停止とが切替えられる。

また、吸気通路１２の吸気流制御弁２１の上流には、スロットルバルブ２２が設けられる。スロットルバルブ２２の開度を調整することにより、燃焼室２０に吸入させる空気量を調整することが可能である。

インジェクタ１８は、燃焼室２０に設けられる。インジェクタ１８には、燃料タンク１１から燃料が供給される。供給された燃料は、インジェクタ１８によって噴射時期および噴射量が調整されながら、燃焼室２０内に直接噴射される。

なお、吸気により発生するタンブルＴを強化するために、燃焼室２０の内壁におけるピストン１５のＴＤＣとＢＤＣとの間の所定の噴射点Ｐに向かって燃料が噴射されるようインジェクタ１８の向きが定められる。

点火プラグ１９は、燃焼室２０に設けられる。燃焼室２０に吸入された空気と燃料との混合気は、点火プラグ１９により所定のタイミングで着火される。着火された混合気が燃焼して排気ガスが生成される。前述のように、排気ガスが排気通路１３を介して排出される。

エンジン１０には、回転センサ２３などの複数の種類のセンサが設けられる。それぞれのセンサにより、エンジン１０の運転状態が検出される。例えば、回転センサ２３によりエンジン１０の回転数が検出される。検出されたデータは、ＥＣＵ２４に送信される。

吸気通路１２のスロットルバルブ２２の上流に、エアフロメータ２５が設けられる。エアフロメータ２５により燃焼室２０への吸入空気量が検出される。検出されたデータは、ＥＣＵ２４に送信される。

ＥＣＵ２４は取得するデータに基づいて、エンジン１０の各部位に行なわせる動作の制御を行なう。例えば、ＥＣＵ２４は取得したデータに基づいて、点火プラグ１９の点火時期を調整する。また、ＥＣＵ２４はエンジン１０の運転状況に基づいて、吸気流制御弁２１の開閉制御を行なう。

また、ＥＣＵ２４はエンジン１０の回転数、エンジン１０の負荷、および吸気流制御弁２１の開閉状態に基づいて、燃料噴射時期の制御を行う。なお、エンジン１０の負荷はエンジン１０への吸入空気量に基づいて求められる。または、アクセルペダル（図示せず）の踏込み量やスロットルバルブ２２の開度に基づいて求められてもよい。

燃料噴射時期の調整の判断のために、エンジン回転数とエンジン負荷とを２軸とする２次元座標上に、ノッキング領域が予め定められる（図４参照）。なお、ノッキング領域とは、ノッキングの発生の可能性が高い状態と推定されるエンジン１０の運転状態の範囲である。

ＥＣＵ２４は、取得したエンジン回転数データおよびエンジン負荷データに基づいてエンジン１０の運転状態がノッキング領域に属しているか否かを判別する。また、ＥＣＵ２４は、吸気流制御弁２１が開いているか否かを判別する。

エンジン１０の運転状態がノッキング領域外であるとき、吸気流制御弁２１の開閉状態に関わらず、吸気ＴＤＣが燃料噴射時期に定められる。エンジン１０の運転状態がノッキング領域内であって吸気流制御弁２１が開いているとき、吸気ＢＤＣが燃料噴射時期に定められる。また、エンジン１０の運転状態がノッキング領域内であってかつ吸気流制御弁２１が閉じているとき、吸気ＴＤＣから９０°遅角させた時期である９０ＡＴＤＣが燃料噴射時期に定められる。ＥＣＵ２４はインジェクタ１８を制御して、定められた燃料噴射時期に燃料を噴射させる。

また、ＥＣＵ２４は、燃料噴射時期を切替えるときに徐々に噴射時期を変化させる。例えば、吸気ＴＤＣから吸気ＢＤＣに切替えるときに、吸気ＴＤＣから噴射時期を５°ずつ遅角させて吸気ＢＤＣまで変化させる。また、吸気ＢＤＣから吸気ＴＤＣに切替えるとき燃焼行程毎の噴射時期を５°ずつ進角させる。同様に、吸気ＢＤＣから９０ＡＴＤＣにも５°ずつ進角させる。

また、ＥＣＵ２４は、噴射時期を徐々に変化させる過程においてピストン１５の冠面が噴射点Ｐを通過するときインジェクタ１８に単一の燃焼行程において複数回の燃料の噴射であるマルチ噴射を実行させる。

次に、図５のフローチャートを用いて、本実施形態にかかるシリンダボア内壁温度などに応じてＥＣＵ２３がエンジン１０の各部位に実行させる燃料噴射時期の決定の制御について説明する。なお、燃料噴射時期決定の制御は、エンジン１０が暖気されるまでステップ毎に定められた時間で各種動作が実行される。

ステップＳ１００において、ＥＣＵ２４はエンジン回転数データおよびエンジン負荷データを取得する。次のステップＳ１０１において、ＥＣＵ２４は取得したエンジン回転数およびエンジン負荷に基づいてエンジン１０の運転状態がノッキング領域に属しているか否かを判別する。運転状態がノッキング領域外である場合はステップＳ１０２に進み、運転状態がノッキング領域内である場合はステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ２４は燃料の噴射時期を吸気ＴＤＣに設定する。ステップＳ１０３において、ＥＣＵ２４は吸気流制御弁２１が開いているか否かを判別する。吸気流制御弁２１が閉じている場合はステップＳ１０４に進み、燃料噴射時期を９０ＡＴＤＣに設定する。吸気流制御弁２１が開いている場合はステップＳ１０５に進み、燃料噴射時期を吸気ＢＤＣに設定する。ステップＳ１０２、ステップＳ１０４、またはステップＳ１０５における燃料噴射時期の設定後、ステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６において、ＥＣＵ２４は燃料噴射時期の変更を開始する。前述のように現在の燃料噴射時期から新たに設定された燃料噴射時期まで５°ずつ噴射時期を変更させる。

次のステップＳ１０７において、ＥＣＵ２４は変更後の燃料噴射時期におけるピストン冠面の位置を検出する。ピストン冠面の位置の検出誤にステップＳ１０８に進む。なお、ピストン冠面の位置はどのような方法により求めてもよい。例えば、クランク角度を検出し、クランク角度に基づいて、ピストンの位置を求めてもよい。

ステップＳ１０８において、ＥＣＵ２４はピストン冠面の位置が実質的に噴射点Ｐに一致するか否かを判別する。ピストン冠面の位置が噴射点Ｐに重なる場合はステップＳ１０９に進み、ピストン冠面の位置が噴射点Ｐに重ならない場合はステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１０９において、ＥＣＵ２４はインジェクタ１８にマルチ噴射を実行させる。またはステップＳ１１０において、ＥＣＵ２４はインジェクタ１８に単一の燃料行程における一回の噴射である通常噴射を実行させる。ステップＳ１０９またはステップＳ１１０において燃料の噴射後、ステップＳ１１１に進む。

ステップＳ１１１において、ＥＣＵ２４はステップＳ１０２、ステップＳ１０４、またはステップＳ１０５において設定した燃料噴射時期への変更が終了したか否かを判別する。変更を終了していない場合はステップＳ１０７に戻り、ステップＳ１０７〜ステップＳ１１１を繰返す。

以上のような構成の火花点火内燃機関によれば、燃料噴射によるタンブル強化が最大化される吸気ＢＤＣにおける燃料噴射が、運転状況がノッキング領域に属するときにのみ行なわれる。したがって、非ノッキング領域において不必要にタンブル強化されることが無く、冷却損失を低減させることが可能になる。冷却損失を低減化させることによりエンジン１０全体の燃費が向上する。

また、本実施形態では、燃料噴射時期を徐々に変えているので、噴射時期の変更の過程でトルク変動などの発生を防止することが可能である。直噴式のエンジンでは燃料の噴射時期により吸気された空気の冷却効果が変わり、空燃比の変動を引起す可能性がある。それゆえ、噴射時期を急激に大きく変えると空燃比の変動に応じてトルク変動などの問題を発生する可能性がある。一方、前述のように噴射時期を徐々に変更することにより、このような問題を防止することが可能となる。

また、本実施形態では、燃料噴射時期を変える過程の途中でマルチ噴射を行なうことにより、燃焼不良の発生の可能性を低減化することが可能である。ピストン１５の冠面が噴射点Ｐを通過するときに燃料を噴射すると、燃焼室２０の内壁およびピストン１５の冠面が形成する隅部Ｃ付近に燃料が滞留する可能性が高い。燃料が滞留すると空気と十分に均質化されずに燃焼不良を生じる可能性がある。一方、本実施形態のように、同一の噴射量をマルチ噴射により分割して噴射することにより、遇部Ｃ付近への燃料の到達量が減少し、滞留する燃料が低減化される。したがって、燃焼不良の可能性が低くなる。

また、本実施形態では、吸気流制御弁２１を閉じてタンブルを強化しているときに燃料噴射時期を９０ＡＴＤＣ付近に変更しているので、タンブル強化を図りながら混合気の均質度が高められる。燃料噴射時期が９０ＡＴＤＣのときにピストン１５の移動速度が最大となる。ピストン１５の移動速度が最大のときに吸気の流速も最大化される。吸気流制御弁２１が閉じられている状態で、吸気の流速が最大のときに燃料を噴射することにより、燃料は最大限に均質化される。一方、９０ＡＴＤＣに進角させることにより、タンブル強化の効果が弱められるが、吸気流調整弁３２により十分にタンブルが強化されているので、噴射時期の進角は問題とならない。

なお、本実施形態では、タンブルを強化するための吸気流制御弁２１が設けられる構成であるが、吸気流制御弁２１が無くてもよい。吸気流制御弁２１がなくても、不必要な急速燃焼を抑止し、冷却損失の増大を抑えることは可能である。

また、本実施形態では、燃料噴射時期を切替える過程においてマルチ噴射を行なう構成であるが、マルチ噴射を行なわなくてもよい。ただし、前述のように、ピストン１５の冠面が噴射点Ｐを通過するときの燃焼不良を防止するためにマルチ噴射を行なうことが好ましい。

また、本実施形態では、燃料噴射時期を１回の燃焼行程において５°ずつ進角または遅角させる構成であるが、５°でなくてもよいし、毎回同じ角度で進角または遅角されなくてもよい。燃料噴射時期が徐々に切替えられれば、前述のような効果を得ることは可能である。

また、本実施形態では、燃料噴射時期を徐々に切替える構成であるが、急激に切替えてもよい。前述のように、急激な切替によりトルク変動などが生じる可能性があるが、不必要な急速燃焼を防止することが可能である。

また、本実施形態において、エンジン１０の回転数とエンジンの負荷とに基づいて、エンジン１０の運転状態がノッキング領域であるか否かを判別する構成であるが、エンジン１０にノッキングが生じる可能性が高くなるにつれて変わるいかなる変数に基づいて判別してもよい。

また、本実施形態において、吸気ＴＤＣ、吸気ＢＤＣ、または９０ＡＴＤＣが燃料噴射時期に定められるが、実質的に吸気ＴＤＣ、吸気ＢＤＣ、または９０ＡＴＤＣに定められればよく、吸気ＴＤＣ、吸気ＢＤＣ、または９０ＡＴＤＣ付近で燃料噴射が行われても、本実施形態と同様の効果が得られる。

また、本実施形態において、インジェクタ１８は噴射点Ｐに向かって燃料を噴射するように固定されるが、タンブルを強化可能などのような方向に噴射するように固定されてもよい。

本発明の一実施形態を適用したエンジンの概略的な構成を模式的に示すブロック図である。 吸気流調整弁を開いたときの燃焼室への吸気流を概念的に示す図である。 吸気流調整弁を閉じたときの燃焼室への吸気流を概念的に示す図である。 エンジンの回転数および負荷の２次元座標上におけるノッキング領域を示す図である。 ＥＣＵが行なう燃料噴射時期変更制御のプログラム構造を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ エンジン
１２ 吸気通路
１２ａ 吸気ポート
１５ ピストン
１８ インジェクタ
２０ 燃焼室
２１ 吸気流制御弁
２３ 回転センサ
２４ ＥＣＵ
２５ エアフロメータ

Claims (3)

1. 燃焼室内にタンブルを発生させながら、前記燃焼室に吸気する吸気ポートと、
   前記燃焼室内に向かって前記タンブルを強化する方向に、燃料を噴射する噴射手段と、
   前記燃焼室内におけるノッキングの発生に影響を及ぼす前記燃焼室内の作動状態を検出する検出手段と、
   前記燃焼室内にノッキングが発生し得る作動状態として予め想定されるノッキング領域に前記作動状態が属するときに前記噴射手段による前記燃料の噴射時期を吸気行程の下死点付近に切替え、前記ノッキング領域から前記作動状態が逸脱するときに前記噴射手段による前記燃料の噴射時期を吸気行程の上死点付近に切替える噴射時期切替手段とを備える
   ことを特徴とする火花点火内燃機関。
2. 前記噴射手段は、前記燃焼室内の内壁における上死点と下死点との間の所定の位置に向かって前記燃料を噴射し、
   前記噴射時期切替手段は、前記燃料噴射時期が前記上死点付近および前記下死点付近のいずれか一方からいずれか他方に切替えられる場合に前記燃料噴射時期を徐々に変え、徐々に変えられる前記噴射時期が前記燃焼室内を移動するピストンの冠面が前記所定の位置を通過する時期と一致するときに前記噴射手段にマルチ噴射を実行させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の火花点火内燃機関。
3. 前記吸気ポートを通過する吸気の流路を変えることにより、前記燃焼室内に発生させる前記タンブルの強化の実行と停止とを切替えるタンブル強化切替手段を備え、
   前記タンブル強化切替手段による前記タンブル強化を実行しているときには、前記噴射時期切替手段は前記噴射手段による前記燃料の噴射時期を、吸気行程における上死点から９０°遅角させた時期付近に切替える
   ことを特徴とする請求項１に記載の火花点火内燃機関。

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