JP2009293526A - Cylinder injection type spark ignition internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
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.
燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた均質燃焼を行う筒内噴射式火花点火内燃機関において、噴射すべき燃料を、早期噴射燃料と後期噴射燃料とに分割して吸気行程中に噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関が公知である(特許文献1参照)。この内燃機関では、ピストンの下降に伴う吸気の流動により、早期噴射燃料の気化を促進し、さらに後期噴射燃料がシリンダ壁面に付着して燃料の均質化が阻害されるのを回避すると共に、点火までの時間を長く確保して燃料の気化を促進するという効果を奏する。 In a cylinder-injection spark-ignition internal combustion engine that performs homogeneous combustion with a fuel injection valve that injects fuel into the combustion chamber, the fuel to be injected is divided into early injection fuel and late injection fuel and injected during the intake stroke An in-cylinder injection spark ignition internal combustion engine is known (see Patent Document 1). In this internal combustion engine, the flow of the intake air accompanying the lowering of the piston promotes the vaporization of the early injection fuel, and further prevents the late injection fuel from adhering to the cylinder wall surface to obstruct the homogenization of the fuel and There is an effect that fuel vaporization is promoted by ensuring a long time until the fuel is vaporized.
しかしながら、上記のような吸気行程において燃焼室内に燃料を噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関であっても、吸気通路に燃料を噴射するタイプの内燃機関に比べると、燃料噴射後点火までの時間が短いため、燃料が十分に気化せず、吸気と混合しない場合がある。そのため、均質燃焼に最適な燃焼室内に均一な混合気が得られず、良好な燃焼が得られないため、燃焼変動やPM(粒子状物質)の増加といった問題が生じる。この問題は、圧縮行程開始後、燃焼室内のガスが吸気弁を介して吸気通路内に逆流し始めた後に吸気弁を閉弁する筒内噴射式火花点火内燃機関においても同様に生じる問題である。 However, even in a cylinder-injection spark ignition internal combustion engine that injects fuel into the combustion chamber in the intake stroke as described above, compared to an internal combustion engine of a type that injects fuel into the intake passage, the time until ignition after fuel injection is reached. Due to the short time, the fuel may not vaporize sufficiently and may not mix with the intake air. For this reason, a uniform air-fuel mixture cannot be obtained in the combustion chamber that is optimal for homogeneous combustion, and satisfactory combustion cannot be obtained. This problem also occurs in a cylinder injection spark ignition internal combustion engine that closes the intake valve after the gas in the combustion chamber starts flowing back into the intake passage via the intake valve after the compression stroke starts. .
そこで本発明は、圧縮行程開始後、燃焼室内のガスが吸気弁を介して吸気通路内に逆流し始めた後に吸気弁を閉弁する筒内噴射式火花点火内燃機関において、均質燃焼に適した混合気を形成することを目的とする。 Therefore, the present invention is suitable for homogeneous combustion in a direct injection spark ignition internal combustion engine that closes the intake valve after the gas in the combustion chamber starts to flow back into the intake passage via the intake valve after the compression stroke starts. The object is to form a mixture.
前記課題を解決するために請求項1に記載の発明によれば、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、圧縮行程開始後、燃焼室内のガスが吸気通路内に逆流し始めた後に吸気弁を閉弁する筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射時期を圧縮行程中であって吸気弁の開弁中に設定し、噴射された燃料を燃焼室から吸気通路内に向かう逆流のガス流れと共に吸気通路内に流入させ、吸気通路内に流入した燃料が次回の吸気行程において吸気と共に燃焼室内に導入される筒内噴射式火花点火内燃機関が提供される。 In order to solve the above-described problem, according to the invention described in claim 1, the fuel injection valve for injecting fuel into the combustion chamber is provided, and after the compression stroke starts, the gas in the combustion chamber starts to flow backward into the intake passage. In a direct injection spark ignition internal combustion engine that closes the intake valve later, the fuel injection timing is set during the compression stroke and the intake valve is opened, and the injected fuel is directed from the combustion chamber into the intake passage. A direct injection spark ignition internal combustion engine is provided in which fuel flows into the intake passage along with a reverse gas flow, and the fuel that flows into the intake passage is introduced into the combustion chamber along with the intake air in the next intake stroke.
即ち、請求項1に記載の発明では、燃料が、一旦、燃焼室内に噴射されると同時に気化し始め、更に吸気通路内流入後も気化が進行する共に吸気通路内に存在する吸気との混合が行われるため、次のサイクルにおける吸気行程において燃焼室内に良好な混合気が形成されるという効果を奏する。 That is, according to the first aspect of the present invention, the fuel is once injected into the combustion chamber and starts to vaporize at the same time. Further, the vaporization progresses after flowing into the intake passage and mixing with the intake air existing in the intake passage. Therefore, there is an effect that a good air-fuel mixture is formed in the combustion chamber in the intake stroke in the next cycle.
また、請求項2に記載の発明によれば請求項1に記載の発明において、前記燃料噴射が、噴射すべき燃料を分割して複数回に亘って行われる筒内噴射式火花点火内燃機関が提供される。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a direct injection spark ignition internal combustion engine according to the first aspect, wherein the fuel injection is performed a plurality of times by dividing the fuel to be injected. Provided.
即ち、請求項2に記載の発明では、噴射すべき燃料を分割して複数回に亘って噴射することによって、噴射された燃料噴霧の貫徹力(ペネトレーション)を小さくし、噴射された燃料噴霧が、燃焼室から吸気弁に向かうガス流れによって吸気通路内により流入しやすくなるという効果を奏する。
That is, in the invention described in
各請求項に記載の発明によれば、均質燃焼に適した混合気を形成することができるという共通の効果を奏する。 According to the invention described in each claim, there is a common effect that an air-fuel mixture suitable for homogeneous combustion can be formed.
図1を参照しながら本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関について説明する。図1において、1は例えば四つの気筒を備えた機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6は吸気弁、7は吸気通路、8は排気弁、9は排気通路、10は点火栓をそれぞれ示す。吸気通路7は対応する吸気枝管11を介してサージタンク12に連結され、サージタンク12は吸気ダクト13を介してエアクリーナ14に連結される。吸気ダクト13内には吸入空気流量を検出するためのエアフローメータ15と、ステップモータ16により駆動されるスロットル弁17とが配置される。また、燃焼室5内には燃焼室5内に燃料を噴射する電気制御式の燃料噴射弁18が配置される。
A cylinder injection spark ignition internal combustion engine according to the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 1, 1 is an engine body having four cylinders, for example, 2 is a cylinder block, 3 is a cylinder head, 4 is a piston, 5 is a combustion chamber, 6 is an intake valve, 7 is an intake passage, 8 is an exhaust valve, Reference numeral 9 denotes an exhaust passage, and 10 denotes a spark plug. The
更に、吸気弁6及び排気弁8には、それらの開弁動作を変更する可変動弁機構19,20がそれぞれ設けられる。ここで、開弁動作は例えばリフト量、開弁期間(作用角)及び開弁開始時期のうち一つ又は複数によって定められ、本実施形態の機構は公知のいずれの機構も使用可能であるため詳述はしない。
Furthermore, the
一方、排気通路9は排気枝管21を介して小容量の三元触媒22に連結され、三元触媒22上流排気通路には空燃比を検出するための空燃比センサ23が取り付けられる。機関本体1には機関冷却水温を検出するための水温センサ24が取り付けられる。
On the other hand, the exhaust passage 9 is connected to a small capacity three-
電子制御ユニット(ECU)40はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス41によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)42、RAM(ランダムアクセスメモリ)43、CPU(マイクロプロセッサ)44、入力ポート45及び出力ポート46を具備する。アクセルペダル49にはアクセルペダル49の踏み込み量を検出するための負荷センサ50が接続される。ここで、アクセルペダル49の踏み込み量は要求負荷を表している。
The electronic control unit (ECU) 40 is a digital computer and includes a ROM (read only memory) 42, a RAM (random access memory) 43, a CPU (microprocessor) 44, an
エアフローメータ15、空燃比センサ23、水温センサ24、及び負荷センサ50の出力信号はそれぞれ対応するAD変換器47を介して入力ポート45に入力される。更に入力ポート45にはクランクシャフトが例えば30°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ51が接続される。CPU44ではクランク角センサ51の出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。
Output signals from the
一方、出力ポート46は対応する駆動回路48を介して点火栓10、ステップモータ16、燃料噴射弁18、及び可変動弁機構19,20にそれぞれ接続され、これらは電子制御ユニット40からの出力信号に基づいて制御される。
On the other hand, the
三元触媒22は、酸素吸蔵能力を有しており、これにより三元触媒22に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときには排気ガス中の酸素を吸蔵すると共に、三元触媒22に流入する排気ガスの空燃比がリッチであるときには吸蔵している酸素を放出することにより排気ガス中に含まれるHC、COを酸化・浄化する。
The three-
本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関は、圧縮行程開始後、燃焼室5内のガスが吸気弁6を介して吸気通路7内に逆流し始めた後に吸気弁6を閉弁する運転状態を有する。この運転状態が行われるのは、例えば、冷間始動時、(均質)リーン燃焼時、ミラーサイクル時等である。
The in-cylinder spark-ignition internal combustion engine according to the present invention is in an operating state in which after the compression stroke starts, the gas in the
次に、図2を参照しながら、本発明による燃料噴射時期に噴射された燃料噴霧30の動きについて説明する。図2は、圧縮行程中であって吸気弁6が開弁中の燃料噴射を示す筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。なお、燃料噴霧30’は、吸気弁6が閉弁された圧縮行程中に噴射された燃料を示す。この燃料噴射では、吸気通路7内に逆流するガス流れが発生していないため、貫徹力(ペネトレーション)によって直進することとなる。
Next, the movement of the
まず、圧縮行程中であって吸気弁6の開弁中は、ピストン4が圧縮下死点から上昇し燃焼室5内のガスを押し上げているため、ガスは吸気弁6を介して吸気通路7内に逆流している状態にある。そのため、このタイミングで燃料を噴射すると、噴射された燃料噴霧30は、逆流するガス流れと共に吸気通路7内へ流入する。
First, during the compression stroke and when the
より正確に言うと、圧縮行程開始直後は、吸気弁6が開弁中であっても、ガスの慣性力のためすぐに逆流は発生せず、所定時間経過後に逆流が発生する。そのため、より確実に、より多くの燃料噴霧30を吸気通路7内に流入させるためには、逆流が発生してから燃料噴射を行うことが望ましい。
More precisely, immediately after the start of the compression stroke, even if the
上述のように吸気通路7内に流入した燃料噴霧30は、次の機関サイクルにおける吸気行程において、再び燃焼室5内に導入され、燃焼される。ここで、燃料噴霧30は、燃焼室5内に噴射されてから再び燃焼室5内に導入されるまでの間、十分に気化して吸気との混合が行われる。即ち、噴射された燃料噴霧30は、噴射直後から燃焼室5内で気化し始める。通常の機関運転によれば、噴射された燃料噴霧30は、そのまま燃焼室内で吸気と混合し、圧縮され点火、燃焼する。しかし、本発明によれば、噴射された燃料噴霧30は、吸気通路7内に流入し、その中で更に気化が進行すると共に吸気通路7内に存在する吸気との混合が行われる。
As described above, the
従って、本発明によれば、従来の筒内噴射式火花点火内燃機関に比べて、燃料を気化・混合させるための時間が多く確保できるため、再び燃焼室5内に導入されたあと、燃焼室5内でより良好な混合気を形成する。これは、燃料を最初に燃焼室5内に噴射し気化させた後、吸気通路7内に流入させる分だけ、最初から吸気通路に燃料を噴射するタイプの内燃機関よりも、更に良好な混合気を得ることが可能となる。以上より、次のサイクルにおいて良好な燃焼が行われ、燃焼変動やPMの増加といった上述の問題が解消される。
Therefore, according to the present invention, it is possible to secure more time for vaporizing and mixing the fuel as compared to the conventional in-cylinder spark ignition internal combustion engine. A better mixture is formed within 5. This is because the fuel mixture is better than the internal combustion engine of the type in which the fuel is first injected into the
次に、噴射された燃料をより効率的に吸気通路7内に流入させるための方法について説明する。前述のように、燃料は、噴射されるとその貫徹力によって直進する傾向にある。そして、その貫徹力が大きいほどガス流れの影響を受けにくくなるため、ガスの逆流と共に吸気通路7内に流入する燃料量は減ってしまう。一方、貫徹力が小さいとガス流れの影響をより受けやすくなり、ガスの逆流と共に吸気通路7内に流入する燃料量を増やすことができる。燃料の気化や混合の観点で言えば、上述のように、一旦吸気通路7内に流入させた方が望ましく、そのため、貫徹力は小さい方が望ましい。
Next, a method for causing the injected fuel to flow into the
ところで、一般に、燃料噴霧30の飛行速度が大きい方が、貫徹力が大きいと考えられるが、燃料噴射弁18から噴射された燃料の初速は、通常、噴射すべき燃料量や運転状態によらず略一定である。そこで本発明による実施形態では、燃料噴霧30の飛行速度を遅くするため、噴射すべき燃料を一度に噴射するのではなく、複数回に分割して噴射するようにしている。
By the way, in general, it is considered that the greater the flight speed of the
噴射された燃料噴霧30は、燃焼室5内のガスと衝突することによって徐々にその飛行速度を落とす。ところが、図2に示すように噴射すべき燃料を一度に噴射してしまうと、最初に噴射された燃料のみ燃焼室5内のガスと衝突し、一連の後続の燃料噴霧は先頭の燃料噴霧によって燃焼室5内のガスが除かれた空間を追従することになる。そのため、燃料噴霧全体としてはガスの抵抗が少なくなり、飛行速度が落ちにくい。従って、高い貫徹力を有することとなり、吸気通路7内に流入しにくくなる。
The injected
一方、図3に示す実施形態では、噴射すべき燃料を分割して噴射すると、分割された個々の燃料噴霧30に対するガスの抵抗が、上述の一度に噴射した場合に比べて相対的に大きくなる。そのため、燃料噴霧30の飛行速度が落ちやすく、従って、貫徹力が小さくなる。そこで、本実施形態では、噴射すべき燃料を分割して噴射することによって、貫徹力を落とし、吸気通路7内に流入しやすくするようにしている。
On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 3, when the fuel to be injected is divided and injected, the resistance of the gas to the divided
図4は燃料噴射の分割回数Nのマップを示す図である。本実施形態では、分割回数Nは、分割された各燃料噴射の間隔(インターバル)を一定とした場合に、機関負荷を表す噴射燃料量Q及び機関回転数Neの関数として予め実験又は計算によって求められ、図4に示されるようなマップの形で予めROM42内に記憶されている。なお、本実施形態においては、各燃料噴射のインターバルを一定としたが、一定でなくてもよい。例えば、或る機関サイクル内での各燃料噴射のインターバルが一定であれば、異なる機関サイクル間のインターバルが一定である必要はない。
FIG. 4 is a diagram showing a map of the division number N of fuel injection. In the present embodiment, the division number N is obtained in advance by experiment or calculation as a function of the injected fuel amount Q representing the engine load and the engine speed Ne when the interval between the divided fuel injections is constant. 4 and stored in advance in the
図5及び図6は吸気弁6の開弁期間と燃料噴射時期との関係を示す図である。横軸はクランク角であり、圧縮下死点(BDC)前から圧縮上死点(TDC)後の間を示している。吸気弁6の閉弁時期は、圧縮行程開始後から、ピストン4が圧縮下死点(BDC)から上昇し燃焼室5内のガスが吸気弁6を介して吸気通路7内に逆流し始めた後までの間に設定される。
5 and 6 are diagrams showing the relationship between the valve opening period of the
図5に示される実施形態においては、燃料噴射は、圧縮下死点(BDC)から開始され、噴射燃料量Q及び機関回転数Neから図4によって決定された分割回数に従って、噴射すべき燃料が分割され、噴射される。 In the embodiment shown in FIG. 5, the fuel injection is started from the compression bottom dead center (BDC), and the fuel to be injected is determined according to the number of divisions determined from FIG. 4 from the injected fuel amount Q and the engine speed Ne. Divided and injected.
図6に示される実施形態においては、燃料噴射は、逆流の開始に合わせて開始される。それによって、上述のように、より効率的に燃料噴霧を吸気通路7内に流入させることができるようになる。
In the embodiment shown in FIG. 6, fuel injection is initiated in time with the onset of backflow. Thereby, as described above, the fuel spray can flow into the
図7は、本発明による燃料噴射制御操作を示すフローチャートである。この操作は電子制御ユニット(ECU)40によって予め定められた所定時間毎の割り込みによって実行されるルーチンとして行われる。 FIG. 7 is a flowchart showing a fuel injection control operation according to the present invention. This operation is performed as a routine executed by interruption every predetermined time predetermined by an electronic control unit (ECU) 40.
まず、ステップ101において、機関冷却水温や空燃比といった機関運転状態を示す各種パラメータが検出され、ステップ102へと進む。次いで、ステップ102では、検出された各種パラメータに基づいて、現在の機関運転状態が、圧縮行程開始後、燃焼室5内のガスが吸気弁6を介して吸気通路7内に逆流し始めた後に吸気弁6を閉弁する運転状態であるか否か、即ち、吸気通路7内へのガスの逆流が発生する運転状態であるか否かが判定される。この条件を満たす場合とは、例えば、検出された機関冷却水温が所定温度以下である場合や、空燃比が所定空燃比以上のリーン領域にある場合や、ミラーサイクル領域である場合等である。
First, in
逆流発生条件が成立していない場合には、ステップ103へと進み、通常の燃料噴射条件を設定し、ステップ106へと進む。次いで、ステップ106では、本発明による燃料噴射制御を行わず、設定された燃料噴射条件に基づいて燃料噴射が実行され、ルーチンを終了する。
If the reverse flow generation condition is not satisfied, the routine proceeds to step 103, the normal fuel injection condition is set, and the routine proceeds to step. Next, in
一方、ステップ102において、逆流発生条件が成立する場合には、ステップ104へと進む。次いで、ステップ104では、燃料噴射の開始時期、即ち、圧縮下死点(BDC)から噴射を開始するか又は逆流が開始してから噴射を開始するか等が読み込まれ、ステップ105へと進む。次いで、ステップ105では、図4に示すマップに基づいて、噴射すべき燃料の分割回数が読み込まれ、ステップ106へと進む。次いで、ステップ106では、ステップ104で読み込まれた燃料噴射の開始時期及びステップ105で読み込まれた分割回数に基づいて燃料噴射が実行され、ルーチンを終了する。
On the other hand, when the backflow generation condition is satisfied in
1 機関本体
4 ピストン
5 燃焼室
6 吸気弁
7 吸気通路
10 点火プラグ
18 燃料噴射弁
30 燃料噴霧
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Engine body 4
Claims (2)
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---|---|---|---|
JP2008148309A JP2009293526A (en) | 2008-06-05 | 2008-06-05 | Cylinder injection type spark ignition internal combustion engine |
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015113767A (en) * | 2013-12-11 | 2015-06-22 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel injection control device for internal combustion engine |
US9249965B2 (en) | 2011-01-14 | 2016-02-02 | Koninklijke Philips N.V. | Lighting device |
KR101855783B1 (en) * | 2016-11-08 | 2018-05-09 | 현대자동차 주식회사 | Pre-mixing engine system and control method for the same |
JP2020133591A (en) * | 2019-02-26 | 2020-08-31 | ダイハツ工業株式会社 | Control device of internal combustion engine |
-
2008
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