JP2016065461A - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃焼室内に液体の冷却剤を適切に噴射し、過剰な冷却を回避しつつノッキングを確実に防止できる内燃機関の燃焼制御装置を提供する。【解決手段】 燃焼室２には点火プラグ８が設けられ、さらに燃焼室２内に冷却剤としての水を噴射する水インジェクタ９が装着されている。点火プラグ８は燃焼室２の排気側に配置され、水インジェクタ９は燃焼室２の吸気側周縁部において自着火が発生しやすい領域Ｂに水が噴射されるように配置される。水インジェクタ９による水噴射時期ＣＡＷＩは、点火時期ＣＡＩＧより後であって、燃焼室２内で低温酸化反応が発生する時期より前に設定される。【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の燃焼制御装置に関し、特に燃焼室内に液体冷却剤（例えば水）を噴射するインジェクタを備える内燃機関の燃焼制御装置に関する。

特許文献１には、燃焼室内に水を噴射する水インジェクタを備えた内燃機関が示されている。この内燃機関では、燃焼室を画成するシリンダヘッドの中心部に水インジェクタが設けられ、ピストンの上面全体に向けて水が円錐状に噴射される。

特開２００９−６２９７５号公報

上記従来の内燃機関では、燃焼室全体に水が噴射されることになるため、混合気が過剰に冷却され熱効率の低下を招くおそれがあり、さらに水の量が多くなって潤滑油への混入量が増加する課題がある。また、水を噴射するためのポンプ仕事が増加するという問題もある。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、燃焼室内に液体の冷却剤を適切に噴射し、過剰な冷却を回避しつつノッキングを確実に防止できる内燃機関の燃焼制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、燃焼室（２）内に設けられた点火プラグ（８）と、前記燃焼室内に液体の冷却剤を噴射する冷却剤インジェクタ（９）とを備える内燃機関の燃焼制御装置において、前記冷却剤インジェクタ（９）は、前記燃焼室（２）の周縁部において自着火が発生しやすい領域（Ｂ）に前記冷却剤が噴射されるように配置され、前記点火プラグ（８）による点火時期（ＣＡＩＧ）より後であって、前記燃焼室内の圧力が最大となる時期（ＣＡＰＭＡＸ）より前に、前記冷却剤インジェクタ（９）による冷却剤噴射を実行することを特徴とする。

この構成によれば、冷却剤インジェクタは、燃焼室の周縁部において自着火が発生しやすい領域に冷却剤が噴射されるように配置されるので、少ない量の冷却剤でノッキングを確実に防止できる。また点火プラグによる点火及び未燃混合気の圧縮によって、低温酸化反応が発生し、ノッキングを引き起こす原因となるが、燃焼室内の圧力が最大となる時期より前に冷却剤噴射を実行することによって、低温酸化反応を抑制してノッキングを確実に防止することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記点火時期（ＣＡＩＧ）は、前記燃焼室を含む気筒の圧縮行程中に設定され、前記冷却剤噴射を実行する時期（ＣＡＷＩ）は前記燃焼室内において低温酸化反応が発生する時期より前に設定されることを特徴とする。

この構成によれば、点火プラグによる点火が圧縮行程中に行われ、冷却剤噴射が燃焼室内における低温酸化反応発生前に行われる。燃焼行程の開始直後において噴射してもノッキング抑制効果が得られるが、低温酸化反応発生前に噴射を行うことにより、噴射する冷却剤量を最小にすることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記燃焼室（２）には、１つの吸気ポート（４）及び１つの排気ポート（５）が連通しており、前記燃焼室を、前記吸気ポートが延びる方向（Ｘ）に対してほぼ垂直な平面であって、当該気筒の中心線（ＬＣ）を含む平面（Ａ）により、吸気側と排気側とに分割した場合において、前記点火プラグ（８）は前記排気側に配置され、前記冷却剤インジェクタ（９）は前記吸気側に配置されることを特徴とする。

この構成によれば、吸気ポートから燃焼室に流入する混合気が点火プラグの装着位置の近傍から冷却剤インジェクタの装着位置に向かう流動を形成するため、冷却剤インジェクタ装着位置の近傍が自着火が発生し易い領域となる。したがって、自着火が発生し易い領域へ効率よく冷却剤を噴射することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の燃焼制御装置において、前記冷却剤の噴射は、前記機関の回転速度（ＮＥ）及び負荷（ＰＢＡ）に基づいて定められる所定運転状態で実行され、前記冷却剤インジェクタによる冷却剤噴射量は、前記回転速度及び負荷に応じて設定されることを特徴とする。

この構成によれば、冷却剤の噴射は、機関の回転速度及び負荷に基づいて定められる所定運転状態で実行され、冷却剤インジェクタによる冷却剤噴射量は、回転速度及び負荷に応じて設定されるので、ノッキングが発生し易い運転状態において、最少量の冷却剤噴射でノッキングを防止することが可能となる。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその燃焼制御装置の要部の構成を示す図である。 図１に示す気筒の上方からみた構成を説明するための模式図である。 点火時期（ＣＡＩＧ）及び水噴射時期（ＣＡＷＩ）の設定を説明するためのタイムチャートである。 水噴射を実行する機関運転領域（ＲＨＬ）を示す図である。 吸気口及び排気口を２つずつ備える気筒における点火プラグ及び水インジェクタの配置を説明するための図である。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその燃焼制御装置の要部の構成を示す図であり、内燃機関（以下「エンジン」という）は、例えば４つの気筒１を有し、図１は１つの気筒に対応する構成を示している。気筒１は、ピストン３及びシリンダヘッド１ａによって画成される燃焼室２を有し、燃焼室２には吸気ポート４及び排気ポート５が連通している。吸気ポート４が燃焼室２に開口する吸気口には吸気弁６が設けられ、排気ポート５が燃焼室２に開口する排気口には排気弁７が設けられている。吸気ポート４には、燃料インジェクタ１０が装着されており、燃料インジェクタ１０によって吸気ポート４内に燃料が噴射される。

図２は燃焼室２の上方からみた構成を説明するための模式図であり、燃焼室２には、吸入される混合気を着火させるための点火プラグ８が設けられ、さらに燃焼室２内に冷却剤としての水を噴射する水インジェクタ９が装着されている。気筒１の軸方向Ｙに延びる平面Ａで燃焼室２を分割し、吸気口を含む部分を吸気側と呼び、排気口を含む部分を排気側と呼ぶこととすると、点火プラグ８は排気側に配置され、水インジェクタ９は吸気側に配置されている。より詳細には、水インジェクタ９は、燃焼室２の周縁部において自着火が発生しやすい領域Ｂに水が噴射されるように配置される。平面Ａは、気筒１の中心線ＬＣを含み、気筒１の軸方向Ｙからみた状態で吸気ポート４が延びる方向Ｘに対してほぼ垂直な平面である。なお、中心線ＬＣは気筒１の内側（燃焼室側）横断面形状の重心（面積重心）を通る線である。

水インジェクタ９には図示しない水供給通路が接続されており、水ポンプによって加圧された水が供給される。燃料インジェクタ１０には図示しない燃料給通路が接続されており、燃料ポンプによって加圧された燃料が供給される。

点火プラグ８、水インジェクタ９、及び燃料インジェクタ１０は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）１１に電気的に接続されており、ＥＣＵ１１によって駆動・制御される。

ＥＣＵ１１には、クランク角度位置センサ１２、吸気圧センサ１３、冷却水温センサ１４が接続され、さらに図示しない各種センサ（吸気温センサ、スロットル弁開度センサなど）が接続されており、それらのセンサの検出信号がＥＣＵ１１に供給される。

クランク角度位置センサ１２は、エンジンのクランク軸（図示せず）の回転角度を検出し、クランク軸の回転角度に応じたパルス信号をＥＣＵ１１に供給する。クランク角度位置センサ１２は、クランク角度位置を示す複数のパルス信号を出力するものであり、このパルス信号は、燃料噴射時期、点火時期ＣＡＩＧ、水噴射時期ＣＡＷＩ等の各種タイミング制御、及びエンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。吸気圧センサ１３は、エンジンの吸気圧（スロットル弁の下流側における吸気管内圧力）ＰＢＡを検出し、冷却水温センサ１４はエンジンの冷却水温ＴＷを検出する。

図３は、点火時期ＣＡＩＧ及び水噴射時期ＣＡＷＩの設定を説明するために、燃焼室２内の圧力（筒内圧）ＰＣＹＬの推移、及びノッキングが発生するときの燃焼室２内の、ノッキングが発生しやすい領域Ｂにおける熱発生量ＱＨの推移を示すタイムチャートである。この図において横軸はクランク角度ＣＡであり、図中に示すＴＤＣは、ピストン３が圧縮上死点に位置するタイミングに相当する。また筒内圧ＰＣＹＬの変化波形に重ねて示す破線の波形ＫＮＧＰがノッキング発生時の筒内圧変化を示す。

点火プラグ８による点火時期ＣＡＩＧにおける点火によって、燃焼室２内の混合気の燃焼が始まり、ピストン３の上昇に伴って未燃混合気が圧縮される。ノッキングが発生するときは、圧縮上死点の直後にエンドガス部において低温酸化反応による熱発生ＬＴＯＸがあり、その熱発生が起因となってノッキングが発生する（熱発生ＫＮＧＨ）。

図１及び図２に示すように気筒１を構成すると、混合気が方向Ｘで燃焼室２内に流入し、時計回りのスワール流動が発生するので、ノッキングが発生し易いエンドガス部は領域Ｂに形成される。そこで、本実施形態では、上述したように水インジェクタ９を領域Ｂに水が噴射されるように配置し、かつ水噴射時期ＣＡＷＩを点火時期ＣＡＩＧ（例えば上死点前１０ｄｅｇ）より後であって、低温酸化反応が発生する時期より前の時期（例えば上死点前３ｄｅｇ）に設定している。これによって、従来に比べて少量の水噴射でノッキングを確実に防止することができる。低温酸化反応が発生する時期は、気筒１を用いて実験的に求めることができ、点火時期ＣＡＩＧに応じた時期となる。

なお、水噴射時期ＣＡＷＩは、図３に示した時期が最適である（必要な水噴射量が最少となる）が、筒内圧ＰＣＹＬが最大となる圧力最大時期ＣＡＰＭＡＸより前であれば、ノッキング防止効果が得られる。

水インジェクタ９による水噴射量ＭＷは、エンジン運転状態、すななちエンジン回転数ＮＥ及び吸気圧ＰＢＡに応じて、例えば燃料噴射量の５〜１０％程度となるように設定される。すなわち、エンジンの吸入空気量に対してほぼ一定の比率となるように設定される。

本実施形態では、図４にハッチングを付して示すように、エンジンの高負荷運転領域ＲＨＬにおいて水噴射を実行する。ここでＮＥ１，ＮＥ２，及びＮＥ３は、それぞれ例えば１０００ｒｐｍ，１５００ｒｐｍ，及び４５００ｒｐｍ程度に設定され、ＰＢＡ１及びＰＢＡ２は、それぞれ例えば４８ｋＰａ（３６０ｍｍＨｇ）及び１０１．３ｋＰａ（７６０ｍｍＨｇ）程度に設定される。

以上のように本実施形態では、燃焼室２の周縁部において自着火が発生しやすい領域Ｂに水が噴射されるように水インジェクタ９が配置されるので、少ない量の水でノッキングを確実に防止できる。また点火プラグ８による点火及び未燃混合気の圧縮によって、低温酸化反応が発生し、ノッキングを引き起こす原因となるが、燃焼室２内の圧力が最大となる時期より前、より詳細には低温酸化反応が発生する時期より前の水噴射時期ＣＡＷＩに水噴射を実行することによって、低温酸化反応を抑制してノッキングを確実に防止することができる。

また吸気ポート４から燃焼室２に流入する混合気が点火プラグ８の装着位置の近傍から水インジェクタの装着位置に向かう流動を発生させるため、水インジェクタ９の装着位置の近傍が自着火が発生し易い領域Ｂとなる。したがって、自着火が発生し易い領域へ効率よく水を噴射することができる。

また水噴射は、エンジン回転数ＮＥ及び吸気圧ＰＢＡに基づいて定められる高負荷運転領域ＲＨＬに相当するエンジン運転状態で実行され、水インジェクタ９による水噴射量ＭＷは、エンジン回転数ＮＥ及び吸気圧ＰＢＡに応じて設定されるので、ノッキングが発生し易い運転状態において、最少量の水噴射でノッキングを防止することが可能となる。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、図５に示すように２つの吸気ポート２４ａ，２４ｂと、２つの排気ポート２５ａ，２５ｂが燃焼室２２に連通する構成を有する気筒２１を有するエンジンにも本発明を適用可能である。その場合には、点火プラグ８を、燃焼室２２を上方から見たときの中心位置近傍に配置し、水インジェクタ９を２つの吸気ポート２４ａ，２４ｂが燃焼室２２に開口する２の吸気口の中間位置に配置することが望ましい。このような構成の気筒２１では、燃焼室２２内の混合気流動が弱くなり、吸気口の近傍で低温酸化反応が発生し易くなるからである。このように水インジェクタ９を配置することにより、自着火が発生しやすい領域に水を噴射することができ、上述した実施形態と同様の効果が得られる。

また上述した実施形態では、冷却剤として水を用いたが、エタノール、メタノール、ガソリンも使用可能である。その際、各々に最適な時期にて筒内に噴射する。また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの燃焼制御にも適用が可能である。

１ 気筒
２ 燃焼室
４ 吸気ポート
５ 排気ポート
６ 吸気弁
７ 排気弁
８ 点火プラグ
９ 水インジェクタ（冷却剤インジェクタ）
１０ 燃料インジェクタ
１１ 電子制御ユニット
ＣＡＩＧ 点火時期
ＣＡＷＩ 水噴射時期
ＮＥ エンジン回転数（回転速度）
ＰＢＡ 吸気圧（負荷）

Claims (4)

1. 燃焼室内に設けられた点火プラグと、前記燃焼室内に液体の冷却剤を噴射する冷却剤インジェクタとを備える内燃機関の燃焼制御装置において、
   前記冷却剤インジェクタは、前記燃焼室の周縁部において自着火が発生しやすい領域に前記冷却剤が噴射されるように配置され、
   前記点火プラグによる点火時期より後であって、前記燃焼室内の圧力が最大となる時期より前に、前記冷却剤インジェクタによる冷却剤噴射を実行することを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
2. 前記点火時期は、前記燃焼室を含む気筒の圧縮行程中に設定され、前記冷却剤噴射を実行する時期は前記燃焼室内において低温酸化反応が発生する時期より前に設定されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
3. 前記燃焼室には、１つの吸気ポート及び１つの排気ポートが連通しており、前記燃焼室を、前記吸気ポートが延びる方向に対してほぼ垂直な平面であって、当該気筒の中心線を含む平面により、吸気側と排気側とに分割した場合において、前記点火プラグは前記排気側に配置され、前記冷却剤インジェクタは前記吸気側に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
4. 前記冷却剤の噴射は、前記機関の回転速度及び負荷に基づいて定められる所定運転状態で実行され、前記冷却剤インジェクタによる冷却剤噴射量は、前記回転速度及び負荷に応じて設定されることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の燃焼制御装置。

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