JP2010071134A - エンジンの燃料噴射時期制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストン冠面に形成した断熱膜への燃料の染み込みを抑制する。
【解決手段】本発明は、シリンダ２１内に摺動自在に設けられたピストン２２と、ピストン冠面２２ａに設けられた多孔質材からなる断熱膜２３と、吸気ポート３１に燃料を噴射する燃料噴射弁３５と、を備えるエンジン１の燃料噴射時期制御装置であって、スロットル開度変化量が所定量より小さい定常運転領域のときは、燃料噴射開始時期を排気行程に設定するとともに、そのスロットル開度変化量が小さいほど、燃料噴射開始時期を進角させる燃料噴射開始時期設定手段４を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はエンジンの燃料噴射時期制御装置に関する。

従来のエンジンとして、ピストン冠面に多孔質材からなる断熱膜を形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−２０９８３０号公報

しかしながら、多孔質材からなる断熱膜を形成したときには、燃料が断熱膜に染み込み、必ずしも良好な燃費及び排気性能が得られな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、断熱膜への燃料の染み込みを抑制す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、シリンダ（２１）内に摺動自在に設けられたピストン（２２）と、ピストン冠面（２２ａ）に設けられた多孔質材からなる断熱膜（２３）と、吸気ポート（３１）に燃料を噴射する燃料噴射弁（３５）と、を備えるエンジン（１）の燃料噴射時期制御装置であって、スロットル開度変化量が所定量より小さい定常運転領域のときは、燃料噴射開始時期を排気行程に設定するとともに、そのスロットル開度変化量が小さいほど、前記燃料噴射開始時期を進角させる燃料噴射開始時期設定手段（４）を備えることを特徴とする。

あるいは、シリンダ（２１）内に摺動自在に設けられたピストン（２２）と、ピストン冠面（２２ａ）に設けられた多孔質材からなる断熱膜（２３）と、前記シリンダ（２１）内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁（３５）と、を備えるエンジン（１）の燃料噴射時期制御装置であって、燃料噴射開始時期を吸気行程後半に設定する燃料噴射開始時期設定手段（４）を備えることを特徴とする。

吸気ポートに燃料を噴射する場合には、燃料噴射時期を進角させることで、燃料墳霧が気化するための時間を確保できる。よって、断熱膜への燃料の染み込みを抑制できる。また、シリンダ内に直接燃料を噴射する場合には、ピストン冠面に直接燃料が当たらない吸気行程後半に燃料を噴射するので、断熱膜への燃料の染み込みを抑制できる。

以下、図面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、本発明の第１実施形態によるエンジン１の縦断面図である。

図１に示すように、エンジン１は、シリンダブロック２と、その頂部を覆うシリンダヘッド３とを備える。

シリンダブロック２には、シリンダ２１が形成される。シリンダ２１には、ピストン２２が摺動自在に設けられる。ピストン２２の冠面（以下「ピストン冠面」という）２２ａには、厚さ１ｍｍ程度の断熱膜２３が設けられる。燃焼ガスと接触するピストン冠面２２ａに断熱膜２３を設けることで、ピストン２２を介しての熱損失を低減して熱効率を改善できる。また、断熱効果によってピストン材料の熱的負担が軽減するので、ピストン２２の軽量化を図ることができる。

シリンダブロック２とシリンダヘッド３とピストン２２とによって、ペントルーフ形の燃焼室２４が形成される。

シリンダヘッド３は、吸気ポート３１と、排気ポート３２と、吸気弁３３と、排気弁３４と、燃料噴射弁３５と、点火栓３６と、を備える。

吸気ポート３１は、燃焼室２４に混合気を導入するための流路であり、燃焼室２４の一方の傾斜面に開口する。排気ポート３２は、燃焼室２４で発生した排ガスを排出するための流路であり、燃焼室２４の他方の傾斜面に開口する。

吸気弁３３は、ピストン２２の上下動に応じて、吸気ポート３１の開口を開閉する。排気弁３４は、ピストン２２の上下動に応じて、排気ポート３２の開口を開閉する。

燃料噴射弁３５は、吸気ポート３１の開口へ向けて燃料を噴射する。燃料噴射量は、コントローラ４からの信号に基づいて制御される。

点火栓３６は、燃焼室２４の頂壁中心に設けられ、燃料噴射弁３５から噴射された燃料と吸気との混合気を着火する。

エンジン１はコントローラ４によって制御される。コントローラ４は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ４には、車両に取り付けられた各種のセンサからの信号が入力され、これらの信号に応じて、燃料噴射弁３５から噴射する燃料噴射量や点火栓３６の点火時期を演算する。コントローラ４に入力される信号としては、エアフローセンサ４１によって検出される吸入空気量やクランク角センサ４２によって検出されるクランク位置などがある。

図２は、セラミック溶射によってピストン冠面２２ａに形成された断熱膜２３の拡大断面図である。

図２に示すように、セラミック溶射によって形成される断熱膜２３は、無数の気孔２３ａによって効果的な断熱がなされる。

しかしながら、発明者らの鋭意研究によって、無数の気孔２３ａを有する多孔質材からなる断熱膜２３をピストン冠面２２ａに設けると、燃焼室２４に導入された混合気のうち、気化しきれない液滴燃料が気孔内に染み込むことがわかった。断熱膜２３に染み込んだ燃料は、十分に空気と接触できないため、燃焼行程において不完全燃焼を起こし、未燃ハイドロカーボンの排出量を増加させる原因となる。また、要求出力を満たすためには断熱膜２３への染み込み分だけ余分に燃料を供給しなければならないので、燃費も悪化する。

断熱膜２３への燃料の染み込みを抑制する方法としては、燃料墳霧が気化する時間を確保すべく、排気行程に燃料噴射を開始する方法が考えられる。

燃料噴射量は、基本的には燃焼室内の空燃比が理論空燃比となるように、吸入空気量に応じて演算される。排気行程に燃料噴射を開始する場合には、吸気行程に燃料噴射を開始する場合と比べ、燃料噴射時期を進角させた分だけ燃料噴射量の演算時期が早くなる。したがって、燃料噴射量の演算時にアクセルペダルが踏み込まれているときには、演算後においても吸入空気量が増加するので、要求出力を満たすのに十分な燃料を供給できなくなるおそれがある。

そこで本実施形態では、このようなおそれのある加速時、すなわち単位時間当たりのスロットル開度変化量（吸入空気変化量）が所定量よりも大きいときは、吸気行程に燃料噴射を開始する。一方で、スロットル開度変化量が所定量よりも小さいときは、排気行程に燃料噴射を開始するとともに、スロットル開度変化量に応じて燃料噴射時期を変更する。

図３は、単位時間当たりのスロットル開度変化量に対する燃料消費率を示す図である。図３において、一点鎖線はピストン冠面２２ａに断熱膜２３を設けなかったときの燃料消費率を示す。破線はピストン冠面２２ａに断熱膜２３を設け、吸入行程に燃料噴射を開始したときの燃料消費率を示す。実線は本実施形態による燃料消費率を示し、ピストン冠面２２ａに断熱膜２３を設け、排気行程に燃料噴射を開始するとともに、スロットル開度変化量に応じて燃料噴射時期を進角させたときのものである。

図３に示すように、ピストン冠面２２ａに断熱膜２３を設けたときには、冷却損失が低減し、燃焼消費率が低減する。さらに、スロットル開度変化量が所定量より小さいときには、スロットル開度変化量が小さくなるほど燃料噴射時期を進角させるので、燃料墳霧が気化するための時間的余裕を確保でき、断熱膜２３への燃料染み込み量が低減して一層燃料消費率が低減する。ただし、燃料噴射時期を進角させ過ぎると、吸気脈動によって燃料墳霧が逆流してしまうので、燃料噴射時期の進角量は、吸気脈動による逆流が発生しない範囲で設定する。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４を参照して説明する。本実施形態は、断熱膜２３を設ける領域を燃料墳霧が届く割合の少ないピストン冠面領域に限定した点で、第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第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４および図５は、それぞれ燃料噴射弁３５から噴射された燃料と吸気との混合気が燃焼室内に導入される様子を示す図である。図４は、本実施形態によるエンジン１の縦断面図である。図５は、本実施形態によるピストン冠面２２ａの平面図である。各図中の矢印Ｆ１〜Ｆ３は、吸気行程における燃料墳霧の代表的な流れを示す。

吸気ポート３１を流れる混合気の大部分は、吸気弁傘部３３ａに衝突して燃焼室２４に流れ込む。そのため、混合気の流れとともに、燃料墳霧の流れも各矢印Ｆ１〜Ｆ３に示したように、ピストン冠面２２ａの周辺領域に向かうことになる。

図４及び図５を参照して各燃料墳霧の流れを詳細に説明すると、矢印Ｆ１に示すように、吸気弁傘部３３ａの手前側（吸気ポート３１側）に向かう燃料墳霧は、その直下のピストン冠面２２ａの周辺領域に向かう。矢印Ｆ２に示すように、吸気弁傘部３３ａの側方に向かう燃料墳霧は、ピストン冠面２２ａの周辺領域に向かう。矢印Ｆ３で示すように、吸気弁傘部３３ａの燃焼室中心に近い部分を通過する燃料墳霧は、排気ポート３２側のピストン冠面２２ａに周辺領域に向かう。一方で、吸気弁傘部３３ａによって遮られるので、ピストン冠面２２ａの中心部に向かう燃料墳霧は少ない。

つまり、ピストン冠面２２ａの周辺領域は、燃料噴射弁３５から噴射される燃料墳霧のうち、気化した燃料に比して液滴燃料の割合が大きくなる。

そこで本実施形態では、矢印Ｆ１〜Ｆ３がそれぞれ指向するピストン冠面２２ａの周辺領域を、断熱膜２３を設けない非断熱領域とし、断熱膜２３への燃料の染み込みを抑制した。これにより、第１実施形態と比べて、未燃ハイドロカーボンの排出量を抑制することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図６を参照して説明する。本実施形態は、シリンダ２１内に直接燃料を噴射する点で、第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

図６は、本発明の第３実施形態によるエンジン１の縦断面図である。

図６に示すように、シリンダヘッド３には、シリンダ２１内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３５が設けられる。

本実施形態では、低回転・低負荷のときに圧縮行程で燃料を噴射して成層燃焼を実施する。一方で、高回転・高負荷のときには吸気行程で燃料を噴射する。このとき、吸気行程の後半から燃料噴射を開始する。これにより、ピストン２２が上死点付近にいないときに燃料を噴射でき、断熱膜２３への燃料の染み込みを抑制できる。また、断熱膜２３に染み込んだ燃料を圧縮行程中に気化させることができる。よって、未燃ハイドロカーボンの排出量を低減し、燃費悪化を抑制することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図７および図８を参照して説明する。本実施形態は、エンジンを、ピストン２２とクランクシャフトとを一本のコンロッドで連結した単リンク式エンジンではなく、２つのリンクで連結する複リンク式エンジンとした点で、第１実施形態及び第３形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

図７は、複リンク式エンジン４０を示す図である。本実施形態による複リンク式エンジン４０の構成は、特開２００１−２２７３６７号公報や特開２００２−６１５０１号公報によって公知なので、ここでは簡単に説明する。

複リンク式エンジン４０は、ピストン２２のピストンピン４５に連結されるアッパリンク４１と、このアッパリンク４１とクランクシャフト２６のクランクピン４６とを連結するロアリンク４２と、一端がエンジン本体側へ揺動可能に支持され、他端がロアリンク４２に連結されるコントロールリンク４３と、を備える。

アッパリンク４１とロアリンク４２とはアッパピン４７を介して回転可能に連結され、コントロールリンク４３とロアリンク４２とはコントロールピン４８を介して回転可能に連結される。コントロールリンク４３は、コントロールピン４８との連結部の他に偏心軸であるコントロールシャフト４４と連結され、コントロールリンク４３を支持する。ロアリンク４２は、ピストン２２が受けた燃焼圧力をアッパリンク４１を介してアッパピン４７により受け取り、コントロールピン４８を支点とするレバー動作によりコントロールピン４８に力を伝達する。

図８は、複リンク式エンジン４０のピストン行程を示している。横軸はクランク角、縦軸はピストン変位である。

図８において、上死点であるクランク角９０[ｄｅｇ]の付近におけるピストン２２の変位とクランク角度との関係に着目すると、一般的な単リンク式エンジンに比較してピストン２２が上死点付近に位置している時間が長いことがわかる。このことは、ピストン冠面２２ａが吸気上死点の付近で液状燃料を含む燃料噴霧にさらされる機会ないし期間がそれだけ大きいこと、つまりピストン冠面２２ａに多孔質材からなる断熱膜２３を有する場合に液状燃料の染み込みが多く、未燃ハイドロカーボンの排出及び燃費悪化の傾向が比較的強く表れることを意味している。

したがって、複リンク式エンジン４０に本発明を適用した場合には、前述した未燃ハイドロカーボンの排出低減または燃費悪化の抑制という効果がより顕著なものとなる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることは明白である。

例えば、図９に示すように、ピストン２２の熱膨張による断熱膜２３の剥離を抑制するため、ピストン冠面２２ａに凹凸形状の断熱膜２３を形成する場合がある。この場合であっても、断熱膜２３の隙間２３ｂに燃料が溜まるので、本発明を適用することで、燃費及び排気性能を向上させることができる。

また、燃料墳霧が気化されにくい冷間始動時やピストンが上死点付近に長く滞在する低速走行時、燃料噴射量が多くなる高負荷時に本発明を適用することでも、燃費及び排気性能を向上させることができる。

第１実施形態によるエンジンの縦断面図である。 セラミック溶射によってピストン冠面に形成された断熱膜の拡大断面図である。 単位時間当たりのスロットル開度変化量に対する燃料消費率を示す図である。 第２実施形態によるエンジンの縦断面図である。 第２実施形態によるピストン冠面の平面図である。 第３実施形態よるエンジンの要部を示す概略図である。 複リンク式エンジンを示す図である。 複リンク式エンジンのピストン行程を示す図である。 ピストン冠面に形成された凹凸状の断熱膜の拡大断面図である。

符号の説明

１ エンジン
４ コントローラ（燃料噴射時期制御手段）
２１ シリンダ
２２ ピストン
２２ａ ピストン冠面
２３ 断熱膜
２６ クランクシャフト
３１ 吸気ポート
３５ 燃料噴射弁
４１ アッパリンク
４２ ロアリンク
４３ コントロールリンク

Claims (4)

1. シリンダ内に摺動自在に設けられたピストンと、
   ピストン冠面に設けられた多孔質材からなる断熱膜と、
   吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   を備えるエンジンの燃料噴射時期制御装置であって、
   スロットル開度変化量が所定量より小さい定常運転領域のときは、燃料噴射開始時期を排気行程に設定するとともに、そのスロットル開度変化量が小さいほど、前記燃料噴射開始時期を進角させる燃料噴射時期設定手段を備える
   ことを特徴とするエンジンの燃料噴射時期制御装置。
2. 前記燃料噴射弁から噴射される燃料墳霧のうち、気化した燃料に比して液滴燃料の割合が大である前記ピストン冠面の周辺領域には、前記断熱膜を形成しない非断熱領域を設けた
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃料噴射時期制御装置。
3. シリンダ内に摺動自在に設けられたピストンと、
   ピストン冠面に設けられた多孔質材からなる断熱膜と、
   前記シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   を備えるエンジンの燃料噴射時期制御装置であって、
   燃料噴射開始時期を吸気行程後半に設定する燃料噴射時期設定手段を備える
   ことを特徴とするエンジンの燃料噴射時期制御装置。
4. 前記ピストンに連結されるアッパリンクと、
   クランクシャフトに回転自由に装着されるとともに、前記アッパリンクに連結されるロアリンクと、
   前記ロアリンクに連結されるコントロールリンクと、
   を備えることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１つに記載のエンジンの燃料噴射時期制御装置。

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