JP2009264183A

JP2009264183A - 筒内噴射式火花点火内燃機関

Info

Publication number: JP2009264183A
Application number: JP2008112731A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ashizawa; 剛芦澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-04-23
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2009-11-12
Anticipated expiration: 2028-04-23
Also published as: JP4900311B2

Abstract

【課題】気筒上部周囲の吸気弁側に配置された燃料噴射弁により圧縮行程においてシリンダボアの排気弁側上部へ向けて燃料を噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関において、噴射燃料のシリンダボア及び排気弁への付着を抑制する。
【解決手段】燃料噴射時期の推定気筒内圧力Ｐ１が設定圧力Ｐ０より低い時には燃料噴射時期を遅角し（ステップ１１０）、推定気筒内圧力Ｐ１が設定圧力Ｐ０より高い時には燃料噴射時期を進角する（ステップ１１１）。
【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。

気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を圧縮行程末期の点火時期において着火燃焼させる均質燃焼に際して、吸気行程において気筒内に形成されたタンブル流を圧縮行程後半まで持続させることができれば、その後、タンブル流はピストンにより押し潰されて点火時期において気筒内に乱れを存在させることができ、この乱れにより均質混合気の燃焼速度が高められて良好な均質燃焼を実現することができる。

しかしながら、一般的に吸気行程において気筒内に形成されるタンブル流はそれほど強いものではなく、圧縮行程後半においてピストンにより押し潰されることなく、圧縮行程前半には消滅してしまう。

燃料噴射弁を気筒上部周囲の吸気弁側に配置して、圧縮行程においてシリンダボアの排気弁側上部へ向けて燃料を噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関が提案されており（例えば、特許文献１参照）、このような筒内噴射式火花点火内燃機関においては、噴射燃料によりタンブル流を強めることができ、圧縮行程後半においてピストンにより押し潰されるまでタンブル流を確実に持続させることができる。

特許第３６４４０５７号特開２００１−２０７７９特開２０００−１０４６１１特開２００２−３３９７８０

前述の筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射時の気筒内圧力が適当であれば、噴射燃料は、タンブル流中を進行する際の吸気との摩擦によってシリンダボアの排気弁側上部に到達する直前に気化し、タンブル流を十分に強めることができる。

しかしながら、燃料噴射時の気筒内圧力が低過ぎると、噴射燃料は、タンブル流中を進行し易くなってシリンダボアの排気弁側上部に衝突して付着し、エンジンオイルを希釈させたり、又は、この付着燃料が膨張行程において気化して未燃燃料の排出量を増大させたりする。

また、燃料噴射時の気筒内圧力が高過ぎると、噴射燃料は、タンブル流中を進行し難くなって意図するより広がるようになるために、排気弁に付着して、やはり未燃燃料の排出量を増大させたり、また、排気弁は高温度となるためにデポジットとなって堆積すると、気筒内の熱を吸収してプレイグニッションの熱源となったりすることがある。

従って、本発明の目的は、気筒上部周囲の吸気弁側に配置された燃料噴射弁により圧縮行程においてシリンダボアの排気弁側上部へ向けて燃料を噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関において、噴射燃料のシリンダボア及び排気弁への付着を抑制することである。

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、気筒上部周囲の吸気弁側に配置された燃料噴射弁を具備し、圧縮行程において前記燃料噴射弁からシリンダボアの排気弁側上部へ向けて燃料を噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射時期の推定気筒内圧力が設定圧力より低い時には燃料噴射時期を遅角し、前記推定気筒内圧力が設定圧力より高い時には燃料噴射時期を進角することを特徴とする。

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、プレイグニッションが検出された時には、前記推定気筒内圧力に係わらずに燃料噴射時期を進角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、気筒上部周囲の吸気弁側に配置された燃料噴射弁を具備し、圧縮行程において前記燃料噴射弁からシリンダボアの排気弁側上部へ向けて燃料を噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射時期の推定気筒内圧力が設定圧力より低い時には燃料噴射時期を遅角することにより、燃料噴射時期の気筒内圧力が設定圧力に近づけられ、シリンダボアへの燃料付着を抑制することができ、また、推定気筒内圧力が設定圧力より高い時には燃料噴射時期を進角することにより、燃料噴射時期の気筒内圧力が設定圧力に近づけられ、排気弁への燃料付着を抑制することができる。

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、プレイグニッションが検出された時には、推定気筒内圧力に係わらずに燃料噴射時期を進角するようになっており、それにより、燃料噴射時期の気筒内圧力を低くして、排気弁へのさらなる燃料付着を確実に抑制し、プレイグンッションの要因である排気弁のデポジットが成長しないようにしている。

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る。同図において、１は気筒上部周囲の吸気弁側に配置された燃料噴射弁であり、２は気筒上部略中心に配置された点火プラグである。３は一対の吸気弁４を介して気筒内へ通じる吸気ポートであり、５は一対の排気弁６を介して気筒内へ通じる排気ポートである。７はピストンである。

本実施形態において、燃料噴射弁１は、二つの吸気弁４の間に配置されている。このように、燃料噴射弁１を、気筒内で最も高温となる点火プラグ２近傍から吸気により冷却される吸気弁側へ離間させることにより、燃料噴射弁１の噴孔近傍が高温となってデポジットが生成されることを抑制することができる。

燃料噴射弁１は、略水平方向（水平方向とは気筒軸線に対して垂直な平面に沿う方向である）にシリンダボアの排気弁側上部へ向けて燃料を噴射するものである。燃料噴射弁１から噴射される燃料Ｆの貫徹力は、燃料噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が６０ｍｍ以上に達するように設定される。本実施形態において、燃料噴射時期は、圧縮行程（好ましくは、圧縮行程前半）とされている。

吸気行程において、吸気ポート３から気筒内へ供給される吸気は、シリンダボアの排気弁側に沿って下降してシリンダボアの吸気弁側に沿って上昇するタンブル流Ｔを気筒内に形成する。しかしながら、こうして形成されたタンブル流Ｔは、それほど強いものではなく、何もしなければ減衰により圧縮行程前半には消滅してしまう。

本実施形態では、タンブル流Ｔが消滅する前に、圧縮行程において、気筒上部周囲の吸気弁側からシリンダボアの排気弁側上部へ向けて、前述の強い貫徹力を有する燃料Ｆが噴射されるようになっており、こうして、吸気行程において気筒内に生成されたタンブル流Ｔの進行方向に沿って、タンブル流Ｔ内へタンブル流Ｔの略接線方向に貫徹力の強い燃料Ｆが噴射されることとなり、この噴射燃料Ｆはタンブル流Ｔ内の吸気との摩擦力によってタンブル流Ｔを強めることができる。また、噴射燃料Ｆは、吸気との摩擦によって微粒化され、シリンダボアに衝突する直前には殆ど気化する。

こうして強められたタンブル流は、圧縮行程後半まで確実に持続し、その後はピストン７により押し潰されて気筒内の乱れとなるために、点火時期において着火された均質混合気は気筒内の乱れによって燃焼速度が速められ、均質燃焼を良好なものとすることができる。

しかしながら、燃料噴射時の気筒内圧力が設定圧力より低過ぎると、図２に示すように、この時の噴射燃料Ｆ’は、吸気との摩擦力が減少するためにタンブル流Ｔ中を進行し易くなり、シリンダボアの排気弁側上部に衝突して付着し、エンジンオイルを希釈させたり、又は、この付着燃料が膨張行程において気化して未燃燃料の排出量を増大させたりする。

また、燃料噴射時の気筒内圧力が設定圧力より高過ぎると、図３に示すように、この時の噴射燃料Ｆ”は、吸気との摩擦力が増大するためにタンブル流Ｔ中を進行し難くなり、意図するより上下左右に広がるようになるために、排気弁６に付着して、やはり未燃燃料の排出量を増大させたり、また、排気弁は高温度となるためにデポジットとなって堆積すると、気筒内の熱を吸収してプレイグニッションの熱源となったりすることがある。

本筒内噴射式火花点火内燃機関は、噴射燃料のシリンダボア及び排気弁６への燃料付着を抑制するために、図４に示すフローチャートに従って燃料噴射時期ＩＴが制御される。本フローチャートは、例えば、特定気筒における圧縮行程の燃料噴射時期以前（例えば特定気筒の吸気行程毎）に全気筒の燃料噴射開始時期を設定するように実施される。もちろん、各気筒における圧縮行程の燃料噴射時期以前（例えば各気筒の吸気行程毎）に各気筒の燃料噴射開始時期を設定するようにしても良い。

先ず、ステップ１０１において、機関回転数及び機関負荷により定まる現在の機関運転状態の目標燃料噴射開始時期ＩＴ０が算出され又はマップから読み込まれる。目標燃料噴射開始時期ＩＴ０は、例えば、圧縮行程前半において燃料噴射量が多いほど遅角側とされる。それにより、燃料噴射量が多くなるほど、噴射時の気筒内圧力が高くなって、タンブル流Ｔ中の吸気との摩擦力が大きくなるために、多量の噴射燃料もシリンダボアへ衝突させることなく確実に気化させることができる。

次いで、ステップ１０２において、前回設定された燃料噴射時期での燃料噴射によって、少なくとも一つの気筒においてプレイグニッションが発生したか否かが判断される。この判断が否定される時には、ステップ１０３において、現在の機関運転状態で噴射される燃料量をタンブル流Ｔ中の吸気との摩擦力によってシリンダボアの直前で気化させるための気筒内圧力が、現在の機関運転状態に基づき、算出され又はマップから読み込まれて設定圧力Ｐ０とされる。

次いで、ステップ１０４において、吸気弁４の閉弁時期ＣＴが、現在の機関運転状態に基づき、算出され又はマップから読み込まれる。ステップ１０５では、吸気弁４の閉弁時期ＣＴにおける気筒内圧力ＰＳが、現在の機関運転状態に基づき、算出され又はマップから読み込まれ、又は、現在又は好ましくは吸気弁４の閉弁時期ＣＴの例えばスロットル弁下流側の吸気管圧力として実際に測定される。次いで、ステップ１０６において、吸気弁４の閉弁時期ＣＴの気筒内容積ＶＳと、この時の気筒内圧力ＰＳとに基づき、例えば、次式（状態方程式）によって、ステップ１０１において算出された目標燃料噴射開始時期ＩＴ０（気筒内容積Ｖ１）における気筒内圧力Ｐ１が推定される。
Ｐ１＝ＰＳ＊（ＶＳ／Ｖ１）^K
ここで、Ｋは比熱比である。

次いで、ステップ１０７において、今回の設定圧力Ｐ０と目標燃料噴射開始時期ＩＴ０の推定気筒内圧力Ｐ１とがほぼ等しいか否かが判断される。この判断が肯定される時には、目標燃料噴射開始時期ＩＴ０での燃料噴射により問題なく良好にタンブル流Ｔを強めることができ、ステップ１０８において、今回の燃料噴射開始時期ＩＴは、目標燃料噴射開始時期ＩＴ０とされる。

しかしながら、ステップ１０７の判断が否定される時には、ステップ１０９において、今回の設定圧力Ｐ０が目標燃料噴射開始時期ＩＴ０の推定気筒内圧力Ｐ１より高いか否かが判断される。この判断が肯定される時、例えば、吸気下死点後の吸気弁の閉弁時期が何らかの要因により遅角されて吸気充填効率を低下させることとなったか、又は、吸気弁閉弁時の気筒内圧力が意図するより低い時などには、今回の燃料噴射にとって、目標燃料噴射開始時期ＩＴ０では気筒内圧力が低過ぎることとなるために、ステップ１１０において、今回の燃料噴射開始時期ＩＴは、目標燃料噴射開始時期ＩＴ０から設定クランク角度ａだけ遅角される。それにより、燃料噴射開始時期ＩＴの気筒内圧力が設定圧力Ｐ０に近づけられ、シリンダボアへの燃料付着を抑制することができる。

一方、ステップ１０９の判断が否定される時、例えば、吸気下死点後の吸気弁の閉弁時期が何らかの要因により進角されて吸気充填効率を向上させることとなったか、又は、吸気弁閉弁時の気筒内圧力が意図するより高い時などには、今回の燃料噴射にとって、目標燃料噴射開始時期ＩＴ０では気筒内圧力が高過ぎることとなるために、ステップ１１１において、今回の燃料噴射開始時期ＩＴは、目標燃料噴射開始時期ＩＴ０から設定クランク角度ａだけ進角される。それにより、燃料噴射開始時期ＩＴの気筒内圧力が設定圧力Ｐ０に近づけられ、排気弁６への燃料付着を抑制することができる。

また、このような燃料噴射時期制御において、燃料噴射開始時期の気筒内圧力の推定が進角側にずれると実際の燃料噴射が遅角側とされ、噴射燃料の一部が排気弁６に付着してデポジットとなり、プレイグニッションの発生要因となる。それにより、ステップ１０２において、プレイグニッションが検出された時には、ステップ１１２において、燃料噴射開始時期は、目標燃料噴射開始時期ＩＴ０を設定クランク角度ｂだけ進角するようになっており、それにより、燃料噴射開始時期の気筒内圧力を低くして、排気弁６へのさらなる燃料付着を確実に抑制し、排気弁６のデポジットが成長しないようにしている。

図４のフローチャートにおいて、ステップ１１０では、今回の燃料噴射開始時期ＩＴは、目標燃料噴射開始時期ＩＴ０から設定クランク角度ａだけ進角されるようにし、ステップ１１１では、今回の燃料噴射開始時期ＩＴは、目標燃料噴射開始時期ＩＴ０から設定クランク角度ａだけ進角されるようにしているが、例えば、ステップ１０９において今回の設定圧力Ｐ０と目標燃料噴射開始時期ＩＴ０の推定気筒内圧力Ｐ１との偏差が大きいほど、ステップ１１０及び１１１の遅角量又は進角量を大きくするようにしても良い。

また、ステップ１０７及び１０９では、燃料噴射開始時期での設定圧力Ｐ０とこれに対応する推定気筒内圧力Ｐ１とを比較するようにしたが、これは本発明を限定するものではなく、燃料噴射期間におけるいずれの設定圧力（例えば、燃料噴射終了時期又は燃料噴射中間時期の設定圧力）とこれに対応する推定気筒内圧力とを比較するようにしても良い。

燃料噴射弁１から噴射される噴射燃料Ｆの形状は、任意に設定可能であり、例えば、単一噴孔から噴射される中実又は中空の円錐形状としても良い。また、スリット状噴孔から噴射される比較的厚さの薄い略扇形状としても良い。また、円弧状スリット噴孔や複数の直線スリット噴孔の組み合わせにより、上側及び排気弁側を凸とする比較的厚さの薄い円弧状断面形状又は折れ線状断面形状としても良い。又は、複数噴孔からそれぞれに噴射される柱状としても良い。いずれにしても噴射燃料が前述したような強い貫徹力を有して、気筒内のタンブル流Ｔを加速させるようになっていれば良い。

本実施形態において、均質燃焼の空燃比は、理論空燃比よりリーンとされ（好ましくは、ＮＯ_Xの生成量が抑制されるリーン空燃比とされる）、燃料消費を抑制するようにしているために、燃焼が緩慢となり易く、前述のようにして燃焼速度を速めることは特に有効である。もちろん、均質燃焼の空燃比は、理論空燃比又はリッチ空燃比としても良く、この場合においても燃焼速度を速めることは有効である。

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、燃料噴射時の気筒内圧力が設定圧力近傍の場合を示している。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、燃料噴射時の気筒内圧力が設定圧力より低過ぎる場合を示している。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、燃料噴射時の気筒内圧力が設定圧力より高過ぎる場合を示している。本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射時期制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１燃料噴射弁
２点火プラグ
７ピストン
Ｔタンブル流
Ｆ，Ｆ’，Ｆ” 噴射燃料

Claims

気筒上部周囲の吸気弁側に配置された燃料噴射弁を具備し、圧縮行程において前記燃料噴射弁からシリンダボアの排気弁側上部へ向けて燃料を噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射時期の推定気筒内圧力が設定圧力より低い時には燃料噴射時期を遅角し、前記推定気筒内圧力が設定圧力より高い時には燃料噴射時期を進角することを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
プレイグニッションが検出された時には、前記推定気筒内圧力に係わらずに燃料噴射時期を進角することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。