JP3624631B2

JP3624631B2 - 筒内噴射エンジンの燃焼制御方法

Info

Publication number: JP3624631B2
Application number: JP15474797A
Authority: JP
Inventors: 利治野木; 拓也白石; 大須賀　　稔; 容子中山; 昇徳安
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-06-12
Filing date: 1997-06-12
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2017-06-12
Also published as: JPH112133A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射エンジンに関し、当該エンジンの燃焼室に吸気渦を形成する当該エンジンの燃焼制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のリーン運転を行うための吸気装置としては、例えば特開昭62−48927 号公報に記載されているように、吸気２弁エンジンにおいて、各々の吸気弁に通じる通路を２つに分け、一方の通路（ストレートポート）に吸気制御弁を設けて、機関の低負荷時にはこれを閉じることにより、燃焼室に流入する吸気流速を上げ、更に、その際使われる側の通路（スワールポートまたはヘリカルポート）を燃焼室の壁面に沿うように湾曲させることにより、燃焼室内に渦流（スワール）を発生させ、これにより混合気の燃焼速度を上げ、希薄混合気でも安定した燃焼が得られるようにしたものが知られている。
【０００３】
特開平6−81719号公報には、図７に二つの吸気弁を設けてスワール渦を形成する方法が、そして図８，図９にはタンブル渦，逆タンブル渦を形成する方法が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、逆タンブル渦，スワール渦の形成を工夫することによって空燃比を広域なものにすることのできる筒内噴射エンジンの燃焼制御方法を提供することを目的とする。
【０００５】
より具体的には、燃焼室内におけるＥＧＲ（燃焼ガス）排出制御を行うことによって、ＮＯｘの排出を制御することのできる筒内噴射エンジンの燃焼制御方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、シリンダヘッドとピストンとの間に形成される燃焼室内に燃料を噴射する噴射弁と、前記燃焼室に開口する吸気ポート部とこれに係合する吸気弁と、および燃焼室内に形成された混合気に着火する点火栓とを備えた筒内噴射エンジンの燃焼室内吸気渦形成法において、機関の負荷の最少負荷状態から最大負荷状態までの燃焼制御状態が、
圧縮行程噴射で逆タンブル渦によって点火栓周囲に混合気を誘導する第１状態と、
圧縮行程噴射で逆タンブル渦とスワール渦の共存する状態を形成する第２状態と、
吸気行程噴射でスワール渦を形成する第３状態と、
ついで吸気行程噴射で吸気弁を全開にして、スワール渦あるいは逆タンブル渦の形成とは無関係に空燃比が最小の形態を形成する第４状態と
含むことを特徴とする筒内噴射エンジンの燃焼制御方法を提供する。
【０００７】
このように、機関の運転状態に応じて逆タンブル渦、スワール渦の形成を工夫することによって空燃比を広域なものにすることができた。
【０００８】
好ましくは、第２状態において空気と燃料の混合を促進し、第３状態でＥＧＲ（燃焼済ガス），空気および燃料の混合を促進する。
【０００９】
好ましくは、吸気弁を２つ備え、２つの吸気弁のうちの一方の吸気弁が開放されてスワール渦が形成されるよう構成される。
【００１０】
好ましくは、他方の吸気弁が少しだけ開放されて逆タンブル渦が形成され、逆タンブル渦、スワール渦の両渦が混存する。
【００１１】
別の発明では、シリンダヘッドとピストンとの間に形成される燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室に開口する吸気ポート部とこれに係合する吸気弁と、および前記燃焼室内に形成された混合気に着火する点火栓とを備えた筒内噴射エンジンに使用される制御装置において、
機関の運転状態に応じて吸気弁の開閉状態を制御し、燃焼室内に逆タンブル渦を形成せしめる制御と逆タンブル渦およびスワール渦の混在する状態と、渦の形態には無関係な吸気状態を形成せしめる制御を行う。
【００１２】
これにより吸気弁の開閉制御を工夫することによって逆タンブル渦，スワール渦の形成を可能とし、空燃比を広域なものにすることができ、機関の運転状態に応じた燃焼制御が可能になった。
【００１３】
更に、別の発明では、シリンダヘッドとピストンとの間に形成される燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室に開口する吸気ポート部とこれに係合する吸気弁と、および前記燃焼室内に形成された混合気に着火する点火栓とを備えた筒内噴射エンジンに使用される制御装置において、
機関の運転状態に応じてリーン空燃比での逆タンブル運転状態，リーン空燃比でのスワール運転状態及び均質ストイキ運転状態に燃焼状態を制御する。
【００１４】
これにより空燃比を広域なものにすることができ、機関の運転状態に応じた燃焼制御が可能になった。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる一実施例を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１に本発明の構成を示す。空気は空気量検出センサ７，絞り弁１０，吸気管１１，吸気弁１６を介して、エンジン１３へ吸入される。空気量は絞り弁１０の開度，吸気弁１６の開度を変化させることによって制御できる。空気量は空気量検出センサ７によって計量される。必要に応じて、吸気管内圧力センサ３１，筒内圧力センサ４２によって、吸気管，気筒内の圧力をそれぞれ検出する。吸気弁はたとえば電磁ソレノイド１８，１９へ駆動回路３０より電圧を印加することによって可動部２２が電磁力の作用によって動き、それにつながった吸気弁１６が開閉動作する。吸気弁にはリフト調整機構５０が付加され、リフト調整機構の位置によって吸気弁のリフトを可変にすることができる。排気弁１７についても同様な作用をする。燃料は筒内に直接燃料を噴射できるインジェクタ１より供給される。インジェクタは駆動回路３２によって駆動される。絞り弁はモータ９によって開閉動作し、その開度はスロットルセンサ８により検出される。アクセル開度αはアクセル開度センサ（図示せず）によって検出され、少なくともアクセル開度センサ信号に基づき、吸排気弁が制御される。制御装置１２は上記センサの信号に基づき、絞り弁，吸排気弁などを制御する。
【００１７】
この例では可変バルブとして、電磁式の構成を記述しているが、バルブの開閉時期，リフトを可変にする油圧式，機械式でも本発明の効果を得ることができる。
【００１８】
図２にエンジントルクとエンジン回転数に対する目標空燃比，ＥＧＲの付加を示す。エンジントルク，エンジン回転数が小さい、いわゆる低負荷時には空燃比４０以上の超リーンバーン運転を行い、燃費低減を図る。負荷の増大と共に空燃比２０〜４０でＥＧＲを付加した運転，空燃比ストイキ(１４.７)でＥＧＲを付加した運転、さらに負荷が大きくなるとＥＧＲを付加しない運転状態にする。ＥＧＲを加えることによってＮＯｘを低減することができる。絞り弁全開ではエンジン出力を大きくするため、ＥＧＲを止めて、空気を多く気筒内に吸入し、より多くの燃料を燃焼させる。
【００１９】
図３にエンジン内の空気流動パターンの制御例を示す。エンジントルク，エンジン回転数が小さい、いわゆる低負荷時には空燃比４０以上の超リーンバーン運転では、点火プラグ付近に混合気を集中させること（成層化）が必要である。エンジン内に逆タンブル流を形成し、空気流によって、点火プラグ方向に燃料を搬送する。負荷の増大したときの空燃比２０〜４０でＥＧＲを付加した運転では、点火プラグ周囲に混合気を集中しすぎると、酸素不足となり、スモークを発生しやすくなる。そこで、気筒内の流動をスワールとして、比較的気筒内の混合気が集中しすぎないようにする。スワール流はピストンが圧縮上死点に近づいたときでも、流動が保存されやすいので、空気と燃料の混合の促進に有効である。また、ＥＧＲを付加した場合、ＥＧＲと混合気の混合を良くし、燃焼を安定化させる効果もある。混合気の空燃比ストイキ(１４.７）でＥＧＲを付加した運転でもスワール流とする。さらに負荷が大きくなるとＥＧＲを付加しない運転状態では出力を大きくするために、多くの空気を導入することが必要で、吸気弁，吸気管などに抵抗を設けることなく、吸気管の形状できまる流動とする。出力を向上するには気筒内で空気と燃料の混合を促進し、空気利用率を大きくすることが大切である。順タンプルによって、ピストンキャビテイ内にある燃料もかき出し、空気と燃料の混合を促進する。
【００２０】
図４に空気流動の制御方法を示す。この例では吸気弁が１気筒に２つ配置されている。図４−ａでは負荷が小さい例である。吸気弁１６のリフトが小さくし、吸入空気量を制御する。吸気弁の配置される吸気ポート部には流動抵抗部７１を有する。吸気弁のリフトが小さいときには、点火プラグ２とは反対方向に吸気弁と吸気ポートのすきまが開口される。そのため、点火プラグとは反対方向に空気流が偏向され、いわゆる逆タンブル流を形成することができる。インジェクタより燃料を噴射すると逆タンブル流によって点火プラグ方向に搬送され、点火プラグ周囲に混合気を集めることができる。吸気弁１６−ａ，１６−ｂは２つとも開くように制御する。
【００２１】
図４−ｂにさらに負荷を大きくした場合の空気流動の制御方法を示す。吸気弁１６−ｂ片側のみ開くことによって気筒内にスワール流を形成する。吸気弁のリフトを大きくするので、流動抵抗部７１によって空気が制限されなくなり、吸気弁の両方から空気が流入する。このため、逆タンブルからスワールに流れが変わる。もちろん、吸気弁のリフトを中間にすれば、逆タンブルとスワールが複合された流れとなる。
【００２２】
図４−ｃにさらに負荷が大きくなった場合の空気流動の制御方法を示す。負荷が大きくなるとより多くの空気が必要となるので、１６−ｂに加えて、１６−ａを開いていく。これによって、１６−ｂから流入するスワールに対向する流れが導入されるのでスワールが弱められる。
【００２３】
図４−ｄにさらに負荷が大きくなった場合の空気流動の制御方法を示す。空気を多く導入するために、吸気ポート、吸気弁部に流動抵抗とならないように、吸気弁のリフトを大きくする。また、２つの吸気弁の両方を開く。これによって、気筒内の空気流動は吸気ポート形状によって決まるようになる。エンジンの出力を向上及びエンジン，吸気ポートレイアウトの容易さから、順タンブルが形成される吸気ポート形状になっているものが広く自動車用エンジンに使われている。順タンブルによって、気筒内の空気と燃料の混合が促進され、空気の利用率が向上する。また、負荷の大きくなる領域では燃料を吸気行程噴射し、空気と燃料の混合時間を長くする。
【００２４】
図５−ａに吸気弁としてロータリー弁を用いた場合の実施例を示す。ロータリー弁は回転動作をさせることによって開口面積を変化させ、吸気ポート通路の抵抗を制御する。図４−ａの例では逆タンブルが形成されるような開度とする。爆発行程ではロータリー弁が吸気ポート通路をふさぐようにする。２つの吸気弁の両方を開く。
【００２５】
図５−ｂでは負荷が大きくなった場合で、片側の吸気弁１６−ｂを開き、スワールを形成するようにする。このときのロータリー弁の位置は順タンブル又はタンブルがあまりできないような開度としておく。
【００２６】
図５−ｃでは吸気弁１６−ｃも開き始め、負荷の増大に応じて、空気量を多くする。この場合、吸気弁１６−ｃの開口と共に、気筒内のスワールは弱くなっていく。
【００２７】
図５−ｄに負荷がさらに大きくなった場合を示す。ロータリー弁の開口面積が最大になるように開度を制御し、気筒内に順タンブルを形成する。ロータリー弁はモータなどで位置制御する。ロータリー弁は電磁弁式に比べて、バルブを駆動するための力が少なくてよいというメリットがある。
【００２８】
図６にバルブの駆動パターンの例を示す。（ａ）では排気弁を通常のリフトで動作させ、吸気弁を可変バルブにより開閉動作させる。ストッパの位置を変えることによって、バルブリフトを変化させることができる。吸気バルブを急に動作させると吸入空気の充填効率を向上させる効果もある。（ｂ）では排気弁も可変バルブで変化させた例である。排気弁の位置を変えることによって気筒内の残留ガス量を制御し、内部ＥＧＲ率によりＮＯｘの低減が図れる。（ｃ）では吸気バルブをｏｎ−ｏｆｆ動作でなく、滑らかにバルブリフトを変化させた例である。バルブリフトを滑らかに変化させることによってバルブがバルブシートに着座するときのショックが少なくなり、着座ノイズを低減する効果がある。
【００２９】
図７に油圧のよる可変バルブの駆動の例を示す。油圧ポンプ７２により油圧を供給し、バルブ５５を開閉制御し、油圧シリンダ５２により吸気弁１６を駆動する。吸気弁を閉じるときにはバルブ５６を開き、油圧を落とす。油圧を落とすスプリング５１によって吸気弁が戻る。油圧を加え、抜くタイミングを制御することによって吸気バルブ開閉時期、リフトを制御できる。
【００３０】
図８に本発明の動作ブロック図。アクセル開度センサ７４の信号，車速，変速段位置などより目標エンジントルクを演算する。目標エンジントルク，エンジン回転数に応じて、気筒内の空気流動モード，空燃比を選定する。また目標エンジントルク，空燃比に応じて、目標燃料量，目標空気量を求め、バルブリフト，開閉時期を計算する。このバルブリフト，開閉時期を目標として、可変バルブ機構７３を制御し、エンジン１３への気筒別の空気量を制御する。バルブ位置はバルブ位置センサ７６によって検出し、目標のバルブ位置，タイミングで開閉制御されているのかフィードバック制御する。エンジンに吸入される空気量は空気量検出センサ７によって各気筒毎の空気量を検出し、目標の空気量となっているか比較し、フィードバック制御する。さらにエンジンの出力トルクをクランク角センサ又は筒内圧力センサで検出し、目標エンジントルクになっているのか比較し、フィードバック制御する。筒内圧力センサを用いた場合は吸気弁が閉じた後の筒内圧力から気筒内の空気量を検出できるので、エアフロメータを排除することもできる。気筒内空気流動モードによって、吸気バルブを片側動作させたりして、空気流動モードを任意に変化させることができる。
【００３１】
図９にフローチャートの一例を示す。アクセル開度，車速，変速段位置より目標エンジントルクを計算する。さらにエンジン回転数を読み込み，目標エンジントルク，エンジン回転数から空気流動モード，目標空燃比のマップ，目，目標空気量を求め、バルブリフト，開閉時期を計算する。このバルブリフト，開閉時期を目標として、可変バルブ機構７３を制御し、エンジン１３への気筒別の空気量を制御する。バルブ位置はバルブ位置センサ７６によって検出し、目標のバルブ位置，タイミングで開閉制御されているのかフィードバック制御する。エンジンに吸入される空気量は空気量検出センサ７によって各気筒毎の空気量を検出し、目標の空気量となっているか比較し、フィードバック制御する。この空気量より目標空燃比となる燃料量を計算し、燃料噴射パルス幅，燃料噴射時期を計算する。さらに目標ＥＧＲ量を内部ＥＧＲ量，外部ＥＧＲ量を計算する。逆流検出空気量検出センサ又は筒内圧力センサ信号により内部ＥＧＲ量を検出し、目標ＥＧＲ量と比較し、目標値とずれていれば吸気バルブ開閉時期を制御する。さらに内部ＥＧＲで足らない分について、外部ＥＧＲバルブにより制御する。さらにエンジンの出力トルクをクランク角センサ又は筒内圧力センサで検出し、目標エンジントルクになっているのか比較し、フィードバック制御する。筒内圧力センサを用いた場合は吸気弁が閉じた後の筒内圧力から気筒内の空気量を検出できるので、空気量検出センサを排除することもできる。
【００３２】
図１０に燃料噴射時期と点火時期を変化させたときの燃焼安定領域の関係を示す。本発明によって気筒内の空気流動を直接制御できるので、吸気ポートで空気流動を制御している従来方式に比べて、燃焼安定領域を広くできる効果がある。
【００３３】
図１１に逆タンブル空気流のときの空気流パターンと燃料噴射時の混合気の挙動を示す。インジェクタ１より噴射された噴霧３００がピストンキャビテイ３に衝突，気化されたのち、逆タンブル流３−ａによって点火プラグ方向に搬送され、リーン運転時の燃焼安定を向上することができる。
【００３４】
図１２に過給機を取付けた場合の実施例を示す。過給としてはスーパーチャージャ又はターボチャージャを用いる。図１３に示すように過給を加えることによって、エンジンに吸入する空気量を多くできるので、より高いエンジントルクまでリーン運転（成層，弱成層）することができる。実線を過給した場合、破線は過給しない場合の例を示す。過給を加えない場合はエンジンのトルクを大きくするために燃料量，空気量を多くするが、空燃比が大きい条件では空気量が不足し、それよりも燃料量が多くなるとリーン運転を維持できない。過給を加えることによって空気量を補うことができるので、リーン運転域を広げることができる。
【００３５】
ここで、以上の本実施例の特徴の１つは、逆タンブル渦を吸気弁の開度初期に形成することにあり、更には吸気ポート部とこれに係合する吸気弁を工夫することによって簡単な構造によって形成し得るようにしたことにある。
【００３６】
具体的には、本実施例では、シリンダヘッドとピストンとの間に形成される燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室に開口する吸気ポート部とこれに係合する吸気弁と、および燃焼室内に形成された混合気に着火する点火栓とを備えた筒内噴射エンジンにおいて、
前記吸気ポート部とこれに係合する吸気弁は、該吸気弁開度初期のときに前記点火栓側で、吸気を点火プラグの反対側に偏向流動させる偏向形成部を有することを特徴とする筒内噴射エンジンを提供する。
【００３７】
好ましくは、前記偏向形成部は、前記吸気ポート部の弁座に設けられた流動抵抗部である。
【００３８】
好ましくは、前記流動抵抗部は、吸気ポートの吸気弁の側の壁面を点火プラグとは反対側の壁面よりも長くして、吸気弁のリフトが小さいときには点火プラグと反対側から多くの空気が流入するような構造とされる。
【００３９】
好ましくは、前記偏向形成部は、前記吸気ポート部とこれに係合する吸気弁がロータリー弁であるときに回動する弁体の空気流路部である。
【００４０】
好ましくは、前記ピストンにはその頂部に深皿部と浅皿部とが形成している。
【００４１】
以上の本実施例によれば、逆タンブル渦を簡単な構成によって形成せしめる構造を提供することができた。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、逆タンブル渦，スワール渦の形成を工夫することによって空燃比を広域なものにすることができた。
【００４３】
好ましい形態によれば、燃焼室内におけるＥＧＲ（燃焼ガス）排出制御を行うことによって、ＮＯｘの排出を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ)，(ｂ)，(ｃ）は本発明のシステム図。
【図２】エンジンの空燃比,ＥＧＲマップを示す図。
【図３】空気流動制御モードを示す図面。
【図４】（ａ)，(ｂ)，(ｃ)，(ｄ）は本発明の空気流動制御の動作説明図。
【図５】（ａ)，(ｂ)，(ｃ)，(ｄ）は本発明の他の実施例の動作説明図。
【図６】（ａ)，(ｂ)，(ｃ）は可変バルブの動作説明図。
【図７】油圧式可変バルブの構成を示す図。
【図８】本発明のシステムブロック図。
【図９】本発明の制御フローチャート。
【図１０】本発明を用いた場合の燃焼安定化効果を説明するための図。
【図１１】（ａ)，(ｂ）は逆タンブル空気流動時の空気及び噴霧流動状況を説明するための図。
【図１２】本発明に過給機を付加した場合の実施例を示すシステム図。
【図１３】過給によるリーン運転領域の拡大効果を説明するための図。
【符号の説明】
１…インジェクタ、２…点火プラグ、６…ピストン、７…空気量検出センサ、９…モータ、１０…絞り弁、１２…制御装置、１６…吸気弁、１７…排気弁、３０…可変バルブ駆動回路、３１…吸気管内圧力センサ、３３…回転角センサ、４２…筒内圧力センサ。

Claims

シリンダヘッドとピストンとの間に形成される燃焼室内に燃料を噴射する噴射弁と、前記燃焼室に開口する吸気ポート部とこれに係合する吸気弁と、および燃焼室内に形成された混合気に着火する点火プラグとを備えた筒内噴射エンジンの燃焼制御方法において、
機関の負荷の最少負荷状態から最大負荷状態までの燃焼制御状態が、
圧縮行程噴射で逆タンブル渦によって点火プラグ周囲に混合気を誘導する第１状態と
圧縮行程噴射で逆タンブル渦とスワール渦の共存する状態を形成する第２状態と、
吸気行程噴射でスワール渦を形成する第３の状態と、
ついで吸気行程噴射でスワール渦あるいは逆タンブル渦の形成とは無関係に吸気ポート形状で決まる空燃比が最小の形態を形成する第４状態とを
含むことを特徴とする筒内噴射エンジンの燃焼制御方法。
請求項１において、
第２状態において空気と燃料の混合を促進し、第３状態でＥＧＲ（燃焼済ガス），空気および燃料の混合を促進することを特徴とする筒内噴射エンジンの燃焼制御方法。
請求項１において、
前記吸気弁が２つ設けられており、
２つの吸気弁のうちの一方の吸気弁が開放されてスワール渦が形成されることを特徴とする筒内噴射エンジンの燃焼制御方法。
請求項３において、
他方の吸気弁が僅かに開かれて逆タンブル渦が形成され、もって両渦が混存することを特徴とする筒内噴射エンジンの燃焼制御方法。
請求項１において、
前記逆タンブル運転状態での空燃比が４０以上であることを特徴とする筒内噴射エンジンの燃焼制御方法。
請求項１において、
前記スワール運転状態での空燃比が２０〜４０であることを特徴とする筒内噴射エンジンの燃焼制御方法。