JP2020133593A - Internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両等に搭載されるポート噴射式の内燃機関に関する。 The present invention relates to a port injection type internal combustion engine mounted on a vehicle or the like.
気筒の吸気バルブの開閉タイミングを可変制御できる可変バルブタイミング(Variable Valve Timing)機構が付帯した車両用内燃機関が公知である(例えば、下記特許文献を参照)。 An internal combustion engine for a vehicle equipped with a variable valve timing mechanism capable of variably controlling the opening / closing timing of an intake valve of a cylinder is known (see, for example, the following patent documents).
VVT機構の用途の一つとして、ミラーサイクル(アトキンソンサイクル)の実現が挙げられる。即ち、吸気バルブを排気上死点よりも遅いタイミングで開き、及び/または、吸気下死点よりも遅いタイミングで閉じるようにバルブタイミングを設定することで、実効的に圧縮行程のストローク長を膨張行程のストローク長よりも短縮する。実圧縮比よりも実膨張比を大きくとるミラーサイクルは、排熱量を減少させて熱効率を高めることができる点で有利である。 One of the uses of the VVT mechanism is the realization of the Miller cycle (Atkinson cycle). That is, by setting the valve timing so that the intake valve opens at a timing later than the exhaust top dead center and / or closes at a timing later than the intake bottom dead center, the stroke length of the compression stroke is effectively expanded. Shorter than the stroke length of the stroke. The Miller cycle, in which the actual expansion ratio is larger than the actual compression ratio, is advantageous in that the amount of exhaust heat can be reduced and the thermal efficiency can be increased.
気筒の吸気ポートに向けて燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関にあっては、インジェクタから噴射した液状燃料が吸気ポートの内壁面や吸気バルブの弁体の傘部に付着するポートウェットが発生する。そして、そのポートウェットの燃料が、気化せず液相のままで気筒の燃焼室内に流下することが起こり得る。 In a port-injection type internal combustion engine that injects fuel toward the intake port of the cylinder, port wetness occurs in which the liquid fuel injected from the injector adheres to the inner wall surface of the intake port and the umbrella part of the valve body of the intake valve. To do. Then, the fuel of the port wet may flow down into the combustion chamber of the cylinder in the liquid phase without vaporizing.
燃焼室内で液相を保っている燃料はプール燃焼を生じさせ、または蒸し焼きのような様相を呈し、粒子状物質(Particulate Matter)を生成したり、局所的に空燃比をリッチ化させたりして、エミッションの悪化を招く。 Fuels that maintain a liquid phase in the combustion chamber cause pool combustion or have a steam-burning appearance, producing particulate matter (Particulate Matter) or locally enriching the air-fuel ratio. , Causes deterioration of emissions.
本発明は、ポート噴射式の内燃機関において、インジェクタから噴射する燃料の気化を促進することを所期の目的とする。 An object of the present invention is to promote vaporization of fuel injected from an injector in a port injection type internal combustion engine.
上述した課題を解決するべく、本発明では、気筒の吸気ポートに連なる吸気通路上に、吸気ポートを指向しない方向に燃料を噴射するインジェクタを付設し、気筒の吸気下死点後、当該気筒の吸気バルブが開いており一旦気筒に吸引された吸気が吸気通路における前記インジェクタの近傍を逆流するタイミングで、同インジェクタから燃料を噴射する内燃機関を構成した。 In order to solve the above-mentioned problems, in the present invention, an injector for injecting fuel in a direction not directed to the intake port is provided on the intake passage connected to the intake port of the cylinder, and after the intake bottom dead point of the cylinder, the cylinder An internal combustion engine is configured to inject fuel from the injector at the timing when the intake valve is open and the intake air once sucked into the cylinder flows back in the vicinity of the injector in the intake passage.
本発明によれば、ポート噴射式の内燃機関において、インジェクタから噴射する燃料の気化を促進することができる。 According to the present invention, in a port injection type internal combustion engine, it is possible to promote vaporization of fuel injected from an injector.
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図1に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の内燃機関は、火花点火式の4ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒1(例えば、三気筒。図1には、そのうち一つを図示している)を具備している。4ストロークエンジンでは、気筒1の吸気行程−圧縮行程−膨脹行程−排気行程の一連を一サイクルとする。
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an outline of an internal combustion engine for a vehicle according to the present embodiment. The internal combustion engine of the present embodiment is a spark-ignition type 4-stroke gasoline engine, and includes a plurality of cylinders 1 (for example, three cylinders, one of which is illustrated in FIG. 1). In a 4-stroke engine, a series of intake stroke-compression stroke-expansion stroke-exhaust stroke of
本実施形態の内燃機関はいわゆるポート噴射式のものであり、各気筒1の吸気バルブ13よりも上流、各気筒1に連なる吸気ポートの近傍に、当該気筒1に燃料を供給するためのインジェクタ111、112を設けている。本実施形態では、同一気筒1に対して、複数のインジェクタ111、112から燃料を噴射する。図2に示すように、そのうちの一方のインジェクタ111は、既存のポート噴射式内燃機関におけるそれと同じく、対象の気筒1の吸気ポートを指向している。換言すれば、インジェクタ111は、吸気ポートに向けて燃料を噴射、即ち吸気通路3を気筒1に向かって流通する吸気の流れに沿う方向に燃料を噴射する。
The internal combustion engine of the present embodiment is a so-called port injection type, and is an
これに対し、インジェクタ112は、既存のポート噴射式内燃機関におけるそれとは異なり、対象の気筒1の吸気ポートを指向していない。インジェクタ112が燃料を噴射する方向のベクトル(指向性の主軸)Aは、インジェクタ111が燃料を噴射する方向のベクトルと逆であり、気筒1の吸気ポートに重ならない。つまるところ、インジェクタ112は気筒1の吸気ポートに向けて燃料を噴射しない。インジェクタ112が燃料を噴射する方向のベクトルAは、吸気通路3を気筒1に向かって流通する吸気の流れと相反する方向の成分αを含む。
On the other hand, the
なお、図3に示すように、各気筒1にそれぞれ複数の吸気ポートを形成し、インジェクタ111を配設する吸気ポートと、インジェクタ112を配設する吸気ポートとを異ならせてもよい。無論、一つの吸気ポートに対して両インジェクタ111、112を配設しても構わない。
As shown in FIG. 3, a plurality of intake ports may be formed in each
また、各気筒1の燃焼室の天井部に、点火プラグ12を取り付けてある。点火プラグ12は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を起こすものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。
Further, a spark plug 12 is attached to the ceiling of the combustion chamber of each
吸気を気筒1に供給するための吸気通路3は、外部から空気を取り入れて各気筒1の吸気ポートへと導く。吸気通路3上には、エアクリーナ31、電子スロットルバルブ32、サージタンク33、吸気マニホルド34を、上流からこの順序に配置している。
The
排気を気筒1から排出するための排気通路4は、気筒1内で燃料を燃焼させたことで生じる排気を各気筒1の排気ポートから外部へと導く。この排気通路4上には、排気マニホルド42及び排気浄化用の三元触媒41を配置している。
The
排気ガス再循環(Exhaust Gas Recirculation)装置2は、いわゆる高圧ループEGRを実現するものであり、排気通路4における触媒41の上流側と吸気通路3におけるスロットルバルブ32の下流側とを連通する外部EGR通路21と、EGR通路21上に設けたEGRクーラ22と、EGR通路21を開閉し当該EGR通路21を流れるEGRガスの流量を制御するEGRバルブ23とを要素とする。EGR通路21の入口は、排気通路4における排気マニホルド42またはその下流の所定箇所に接続している。EGR通路21の出口は、吸気通路3におけるスロットルバルブ32の下流の所定箇所、特にサージタンク33に接続している。
The exhaust gas recirculation device 2 realizes a so-called high-pressure loop EGR, and is an external EGR that communicates the upstream side of the
本実施形態の内燃機関には、各気筒1の吸気バルブ13の開閉タイミングを変化させることのできるVVT機構5が付随する。VVT機構5は、例えば、各気筒1の吸気バルブ13を駆動するカムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を作動液圧(潤滑油圧)や電動機によって変化させ、以て吸気バルブ13の開閉タイミングを進角/遅角するものである。カムシャフトは、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトからエンジントルクの供給を受け、クランクシャフトに従動して回転する。クランクシャフトとカムシャフトとの間には、トルクを伝達するための巻掛伝動装置(図示せず)が介在している。巻掛伝動装置は、クランクシャフト側に設けたクランクスプロケット(または、プーリ)と、カムシャフト側に設けたカムスプロケット(または、プーリ)と、これらスプロケット(または、プーリ)に巻き掛けるタイミングチェーン(または、タイミングベルト)とを要素とする。VVT機構5は、カムシャフトをカムスプロケットに対し相対的に回動させることを通じて、カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を変化させ、以て吸気バルブ13の開閉タイミングを変更する。
The internal combustion engine of the present embodiment is accompanied by a VVT mechanism 5 capable of changing the opening / closing timing of the
本実施形態の内燃機関は、必要に応じ、吸気バルブ13の閉弁タイミングを吸気下死点よりも大きく(例えば、55°CA(クランク角度)以上)遅らせてミラーサイクル運転を実施することができる。ミラーサイクル運転を行うときの吸気バルブ13の開弁タイミングは、排気上死点近傍ないし排気上死点から若干(例えば、5°CA程度)遅れたタイミングまで遅角する。
The internal combustion engine of the present embodiment can perform the Miller cycle operation by delaying the closing timing of the
なお、VVT機構5の具体的態様は任意であり、一意に限定されない。カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を進角/遅角させるもの以外にも、吸気バルブ13を開弁駆動するカムを複数用意しておきそれらカムを適宜使い分けるもの、ロッカーアームのレバー比を電動機を介して変化させるもの、吸気バルブ13を電磁ソレノイドバルブとしたもの等が知られており、それら種々の機構の中から選択して採用することが許される。
The specific mode of the VVT mechanism 5 is arbitrary and is not uniquely limited. In addition to the one that advances / retards the rotation phase of the camshaft with respect to the crankshaft, the one that prepares a plurality of cams that open and drive the
本実施形態の内燃機関の制御装置たるECU(Electronic Control Unit)0は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。ECU0は、複数基のECUまたはコントローラが、CAN(Controller Area Network)等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものであることがある。
The ECU (Electronic Control Unit) 0, which is a control device for an internal combustion engine of the present embodiment, is a microcomputer system having a processor, a memory, an input interface, an output interface, and the like. The
ECU0の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号a、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するクランク角センサから出力されるクランク角信号b、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ32の開度をアクセル開度(いわば、要求されるエンジン負荷率)として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号c、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号d、吸気通路3(特に、サージタンク33)内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号e、ブレーキペダルが踏まれていることまたはブレーキペダルの踏込量を検出するセンサ(ブレーキスイッチやマスタシリンダ圧センサ等)から出力されるブレーキ信号f、吸気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号g、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号h等が入力される。
The input interface of ECU0 includes a vehicle speed signal a output from a vehicle speed sensor that detects the actual vehicle speed of the vehicle, a crank angle signal b output from a crank angle sensor that detects the rotation angle of the crankshaft and the engine rotation speed, and an accelerator pedal. Accelerator opening signal c output from a sensor that detects the amount of depression or the opening of the
ECU0の出力インタフェースからは、火花点火装置のイグナイタに対して点火信号i、インジェクタ111に対して燃料噴射(開弁)信号j1、インジェクタ112に対して燃料噴射(開弁)信号j2、スロットルバルブ32に対して開度操作信号k、EGRバルブ23に対して開度操作信号l、VVT機構5に対して吸気バルブタイミングの制御信号m等を出力する。
From the output interface of ECU0, the ignition signal i for the igniter of the spark ignition device, the fuel injection (valve opening) signal j1 for the
ECU0のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ECU0は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報a、b、c、d、e、f、g、hを入力インタフェースを介して取得し、現在の内燃機関の運転領域[エンジン回転数,アクセル開度(または、サージタンク33内吸気圧、気筒1に吸入される空気(新気)量)]を知得する。そして、吸入空気量に見合った要求燃料噴射量、燃料噴射タイミング(一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む)、燃料噴射圧、点火タイミング、要求EGR率(または、EGRガス量)、吸気バルブ13の目標開閉タイミング等といった各種運転パラメータを決定する。ECU0は、運転パラメータに対応した各種制御信号i、j、k、l、mを出力インタフェースを介して印加する。
The processor of
ECU0は、比較的低回転及び/または低負荷の運転領域にて、VVT機構5を介して気筒1の吸気バルブ13の開閉タイミングを大きく遅角させ、内燃機関をミラーサイクル運転する。図4は、そのときの気筒1の吸気バルブ13及び排気バルブ14の開閉タイミングを示している。図中、破線の矢印Eが排気バルブ14の開弁している期間を表し、実線の矢印Iが吸気バルブ13の開弁している期間を表す。ミラーサイクル運転中の吸気バルブ13は、気筒1の排気上死点近傍ないし排気上死点から若干遅れたタイミングで開き、吸気下死点から大きく遅れたタイミングで閉じる。
The
しかして、運転者の操作するアクセル開度により示される要求エンジントルクを達成するために必要な要求燃料噴射量のうちの一部を、本来的な燃料噴射タイミングt0、即ち気筒1の吸気バルブ13が開弁する直前、開弁と同時、または開弁した直後のタイミングに、一方のインジェクタ111から噴射する。さらに、要求燃料噴射量のうちの残りを、同気筒1の圧縮行程における吸気下死点後吸気バルブ13が閉弁するまでの期間T1中のタイミングt2、他方のインジェクタ112から噴射する。
Therefore, a part of the required fuel injection amount required to achieve the required engine torque indicated by the accelerator opening operated by the driver is set to the original fuel injection timing t0, that is, the
図5に、ECU0がVVT機構5を介して具現する吸気バルブ13の開閉タイミングと、二基のインジェクタ111、112のそれぞれから噴射する燃料噴射量との関係を示す。図中、横軸は、吸気行程のために開いた吸気バルブ13を閉じるタイミングのクランク角度であり、右方にゆくほど吸気バルブ13の閉弁タイミングが遅角していることを意味する。吸気バルブタイミングは、そのときの内燃機関の運転領域等に依存する。縦軸は、各インジェクタ111、112から噴射する燃料の量の供給燃料噴射量に占める割合のパーセンテージである。破線がインジェクタ112による燃料噴射の割合を表し、実線がインジェクタ111による燃料噴射の割合を表している。
FIG. 5 shows the relationship between the opening / closing timing of the
比較的低回転または低負荷の運転領域にあって、ECU0は、気筒1の吸気行程における吸気バルブ13の開弁と同期した本来のタイミングt0でインジェクタ111を開弁し、気筒1に供給するべき燃料の一部を噴射する。なおかつ、気筒1の圧縮行程における吸気下死点後吸気バルブ13の閉弁前の期間T1内のタイミングt1でインジェクタ112を開弁して、気筒1に供給するべき燃料の残部を噴射する。
In a relatively low speed or low load operating region, the
吸気下死点後吸気バルブ13の閉弁までの期間T1中は、気筒1内を吸気下死点から圧縮上死点に向かって運動するピストンが、一旦は気筒1に吸引した吸気の一部を吸気ポート及び吸気通路3側に押し戻す。インジェクタ112は、気筒1から押し出され吸気通路3を逆流する吸気が当該インジェクタ112の近傍を流れるタイミングt1に合わせて、その逆流の流れに沿う方向に燃料を噴射する。逆流する吸気は、気筒1の燃焼室の天井部やシリンダボアから受熱して昇温している。従って、インジェクタ112から噴出する液状燃料は、逆流する吸気の熱により効率よく気化される。
During the period T1 from the intake bottom dead center to the closing of the
圧縮行程における吸気下死点後のタイミングt1でインジェクタ112が噴射する燃料は、当該気筒1の同一サイクル中に当該気筒1に吸引されることはなく、気筒1から吸気通路3に押し出される吸気とよく混じり合うとともに、吸気バルブ13の閉弁後も吸気ポート付近に滞留し続ける。この燃料が当該気筒1に吸引されるのは、同気筒1が次サイクルの吸気行程を迎えて吸気バルブ13が再び開弁した後である。つまり、吸気下死点後のタイミングt1で噴射した燃料には、同一サイクルの圧縮行程、膨脹行程及び排気行程の間、十分に気化するための時間的猶予が与えられる。
The fuel injected by the
圧縮行程における吸気下死点後のタイミングt1でインジェクタ112から噴射した燃料は、次サイクルの吸気行程に対応する本来のタイミングt0インジェクタ111から噴射した燃料とともに、次サイクルの吸気行程にて気筒1に吸引される。そして、それらの燃料の合算が、要求されたエンジントルクを出力するために必要な要求燃料噴射量に合致する。
The fuel injected from the
ECU0は、エンジン回転数が上昇するほど、またはエンジン負荷率が増大するほど、VVT機構5を介して吸気バルブ13の開閉タイミングを進角させる。その帰結として、吸気バルブ13が気筒1の排気上死点前のタイミングで開くようになり、吸気バルブ13及び排気バルブ14が同時に開くバルブオーバラップの期間が拡大する。並びに、吸気下死点後に吸気バルブ13が開いている期間T1の長さが短縮する。
The
そして、インジェクタ111が噴射する燃料の量と、インジェクタ112が噴射する燃料の量との比は、吸気バルブ13の開閉タイミングに応じて変動する。傾向として、吸気バルブ13の閉弁タイミングが遅角するほど、即ち吸気下死点後の開弁期間T1が長くなるほど、インジェクタ112が噴射する燃料の量が増加し、インジェクタ111が噴射する燃料の量が減少する。吸気バルブタイミングが最遅角位置をとるときには、要求燃料噴射量の全量をタイミングt1にてインジェクタ112から噴射し、タイミングt0にてインジェクタ111から燃料を噴射しない。吸気バルブタイミングが最遅角位置から所定クランク角度以上進角しているときには、要求燃料噴射量の全量をタイミングt0にてインジェクタ111から噴射し、タイミングt1にてインジェクタ112から燃料を噴射しない。
The ratio of the amount of fuel injected by the
本実施形態では、気筒1の吸気ポートに連なる吸気通路3上に、吸気ポートを指向しない方向Aに燃料を噴射するインジェクタ112を付設し、気筒1の吸気下死点後、当該気筒1の吸気バルブ13が開いており一旦気筒1に吸引された吸気が吸気通路3における前記インジェクタ112の近傍を逆流するタイミングt1にのみ、同インジェクタ112を開弁して当該インジェクタ112から燃料を噴射する内燃機関を構成した。
In the present embodiment, an
本実施形態によれば、一旦気筒1に吸引されたものの圧縮行程の初期に気筒1から押し出される一部の吸気が持つ排熱を有効利用して、インジェクタ112から噴射した燃料の気化を促進することが可能となる。そして、ポートウェット量を低減し、液相燃料の液滴が気筒1の燃焼室内に侵入することを効果的に抑制できる。従って、燃焼室内でプール燃焼が生起されず、PMの生成量を削減できる。加えて、燃焼室内で局所的に空燃比がリッチ化することも避けられる。ひいては、PMやHC、CO等の有害物質の排出量を低減してエミッションを良化することが可能となる。噴射した燃料の気化の促進は、混合気の燃焼効率の向上にも資する。
According to the present embodiment, the exhaust heat of a part of the intake air that is once sucked into the
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。 The present invention is not limited to the embodiments described in detail above. The specific configuration of each part can be variously modified without departing from the spirit of the present invention.
本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に利用することができる。 The present invention can be used for controlling an internal combustion engine mounted on a vehicle or the like.
0…制御装置(ECU)
1…気筒
111、112…インジェクタ
13…吸気バルブ
3…吸気通路
5…可変バルブタイミング(VVT)機構
b…クランク角信号
c…アクセル開度信号
g…カム角信号
j1、j2…燃料噴射信号
m…吸気バルブタイミングの制御信号
t0…本来的な燃料噴射タイミング
t1…追加的な燃料噴射タイミング
0 ... Control unit (ECU)
1 ...
Claims (1)
気筒の吸気下死点後、当該気筒の吸気バルブが開いており一旦気筒に吸引された吸気が吸気通路における前記インジェクタの近傍を逆流するタイミングで、同インジェクタから燃料を噴射する内燃機関。 An injector that injects fuel in a direction that does not direct the intake port is attached on the intake passage that connects to the intake port of the cylinder.
An internal combustion engine that injects fuel from the injector at the timing when the intake valve of the cylinder is open after the intake bottom dead center of the cylinder and the intake air once sucked into the cylinder flows back in the vicinity of the injector in the intake passage.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023095404A1 (en) * | 2021-11-25 | 2023-06-01 | 日立Astemo株式会社 | Fuel injection control device and fuel injection control method |
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2019
- 2019-02-26 JP JP2019032266A patent/JP2020133593A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2023095404A1 (en) * | 2021-11-25 | 2023-06-01 | 日立Astemo株式会社 | Fuel injection control device and fuel injection control method |
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