JP3629879B2 - Compression ignition internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、予混合気を高圧縮化して圧縮点火させる圧縮点火式内燃機関に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
圧縮点火式内燃機関の一つである予混合圧縮点火ガソリン機関は、高効率とクリーン化を同時に実現する機関の一候補として注目されている。予混合圧縮点火ガソリン機関では、従来の火花点火ガソリン機関と同様にガソリンを吸気ポートに噴射して完全予混合気をシリンダ内に導入し、ディーゼルエンジン並の高圧縮比に圧縮することにより、点火栓を用いることなく圧縮自着火させている。
【0003】
文献(自動車技術会の「学術講演会前刷集951 1995−5」)によれば、予混合圧縮点火ガソリン機関では、空燃比が所定の範囲(例えば34〜44)で安定した予混合気の圧縮点火燃焼が得られ、ディーゼル機関並の低燃費と、ディーゼル機関の十分の一未満の低NOxレベルを達成することができるとしている。また、シリンダ内におけるNOx生成は均一混合気の方が層状吸気よりも大幅にNOx濃度を低減できるとされている。
【0004】
しかしながら、空燃比が前記所定範囲よりもリーン側では点火不良を生じ易くなり、リッチ側ではノッキングが発生し易くなるため、安定した燃焼の運転域が狭い範囲に制限されるという問題があった。
【0005】
リーン側で点火不良が生じる原因は、ガソリンの自着火温度が軽油に比べて高いためである。そこで、吸気加熱により吸気温度を高め安定燃焼域のリーン限界を拡大することも考えられたが、そうするとリーン限界の拡大は達成されるものの、安定燃焼域のリッチ限界がリーン側に移動して中負荷域でノッキングが発生し易くなり、安定燃焼域を拡大させるには至らなかった。又、吸気加熱による体積効率の低下で出力も低下するという問題も生じた。
【0006】
そこで、特開平7−332140号公報では、吸気ポートに燃料を噴射するためのポート噴射弁と、筒内に燃料を直接噴射するための筒内噴射弁とを装備し、吸気ポート噴射と筒内直接噴射とを組み合わせて燃料を噴射することによって、安定燃焼域の拡大を図った。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
前記公報に開示された技術では、筒内噴射弁の作動タイミングを圧縮上死点前のクランク角度で8〜30度(以下、クランク角度を゜CAを略記する)とし、且つ筒内噴射弁から筒内に直接噴射される燃料噴射量(以下、筒内噴射量と称す)Qdを全負荷時の総噴射量の15〜25%としている。ここで総噴射量Qとは、ポート噴射弁から吸気ポートへ噴射される燃料噴射量(以下、ポート噴射量と称す)Qpと筒内噴射量Qdの和である。
【0008】
ところで全負荷時の総噴射量の15〜25%とした筒内噴射量Qdは、エンジンの無負荷時の噴射量に相当するので、軽負荷側ではポート噴射量Qpは少なく、燃料の殆どが筒内噴射弁から筒内噴射されることとなり、その結果、実際の燃焼は筒内直接噴射による成層燃焼と類似するようになるため、予混合圧縮点火ガソリン機関の大きな利点である排気のクリーン化、即ち低NOxレベル(ディーゼルエンジンの十分の一以下)の実現が難しくなる。
【0009】
また、前記公報に開示された技術においては、全負荷時における燃料のポート噴射量Qpは総噴射量の75〜85%と多いため、一旦自着火するとノッキングが発生し易い。
【0010】
本発明はこのような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、軽負荷側では負荷が小さいほどシリンダ内の排気の再吸入(いわゆる内部EGR)を多くして吸気加熱を大として着火不良が生じないようにし、これにより軽負荷側の安定燃焼域を拡大することにある。
【0011】
また、本発明が解決しようとする別の課題は、高負荷側での筒内噴射燃料量を少なくしてノッキングが生じないようにし、これにより高負荷側の安定燃焼域を拡大することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
(1) 本発明は、シリンダと、前記シリンダ内を往復動するピストンと、前記シリンダとピストンにより区画形成される燃焼室と、前記シリンダ内に吸気を供給するための吸気ポートを開閉する吸気弁と、前記シリンダ内のガスを排気するための排気ポートを開閉する排気弁と、前記吸気弁と排気弁のうち吸気弁のみ或いは吸気弁と排気弁の両方の開閉時期を変化させる開閉時期可変手段と、前記吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁と、前記燃焼室に燃料を直接噴射する筒内噴射弁と、を備えた圧縮点火式内燃機関において、前記ポート噴射弁からのみ燃料を噴射したときにノッキングが生じない最大噴射量を基準噴射量とし、これに対応する負荷量を基準負荷量と設定して、前記基準負荷量以下の負荷域では、必要とされる噴射量の全量の燃料がピストンの上死点以降の吸気行程中にポート噴射弁から噴射され、且つ、負荷が小さくなるほど吸気弁と排気弁の開弁重合期間が大きくなるように前記開閉時期可変手段が制御されることを特徴とする圧縮点火式内燃機関である。
【0013】
ポート噴射弁から噴射される燃料量はノッキングが発生する燃料量以下であるので、ポート噴射燃料が自着火してもノッキングは生じない。負荷が小さくなればなるほど吸気弁と排気弁の開弁重合期間が大きくなるので、負荷が小さくなればなるほどシリンダ内の排気の再吸入(いわゆる内部EGR)が多くなり、吸気がより高く加熱され、圧縮開始前のシリンダ内のガス温上昇により、軽負荷でも燃料は確実に自着火する。
【0014】
また、ポート噴射弁からの燃料噴射はピストンの上死点以降に実行されるが、これは即ち実質的な吸気行程に入ってから実行されるということであり、ポート噴射された燃料が内部EGRガスにより吸気ポートを逆流するのを阻止することができ、燃料は確実にシリンダ内に吸入され新気と混合されて均一予混合気となる。
【0015】
前記開閉時期可変手段は、吸気弁のみの開閉時期を可変するものであってもよいし、吸気弁と排気弁の両方の開閉時期を可変するものであってもよく、要は吸気弁と排気弁の開弁重合期間を可変することができればよい。
【0016】
(2) また、本発明は、シリンダと、前記シリンダ内を往復動するピストンと、前記シリンダとピストンにより区画形成される燃焼室と、前記シリンダ内に吸気を供給するための吸気ポートを開閉する吸気弁と、前記シリンダ内のガスを排気するための排気ポートを開閉する排気弁と、前記吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁と、前記燃焼室に燃料を直接噴射する筒内噴射弁と、を備えた圧縮点火式内燃機関において、前記ポート噴射弁からのみ燃料を噴射したときにノッキングが生じない最大噴射量を基準噴射量とし、これに対応する負荷量を基準負荷量と設定して、前記基準負荷量を越える負荷域では、必要とされる噴射量のうち前記基準噴射量分の燃料はポート噴射弁から噴射され、必要とされる噴射量のうち基準噴射量では不足する量の燃料は筒内噴射弁から圧縮上死点前に噴射されることを特徴とする圧縮点火式内燃機関である。
【0017】
ポート噴射弁から噴射された燃料量はノッキングが発生する燃料量以下であるので、ポート噴射燃料が自着火してもノッキングは生じない。筒内噴射弁から噴射された筒内噴射燃料は圧縮上死点付近で蒸発し、ポート噴射燃料を含む予混合気を冷却しながらこの予混合気と混合して可燃空燃比の混合気になる。燃料の燃焼過程は、初めにポート噴射燃料を含む予混合気が自着火し、その燃焼ガスにより筒内噴射燃料が着火し拡散燃焼していく。筒内噴射燃料が拡散燃焼するときにはピストンは下降中であるのでシリンダ内の圧力上昇は小さく、等温燃焼が持続するのでこの時にもノッキングが生じることはない。
【0018】
前記(1)及び(2)の発明においては、ピストン頂部にキャビティを設けこのキャビティ内を燃焼室としてもよいし、ピストン頂部は平坦面にしてシリンダヘッドの頂部に設けた凹所を燃焼室としてもよい。
【0019】
また、前記(1)及び(2)の発明において、燃料はガソリンに限定されるものではなく、排気の後処理装置の適用が容易な低セタン価の軽質燃料とすることも可能である。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る圧縮点火式内燃機関の一実施の形態を図1から図7の図面に基いて説明する。
【0021】
図1は圧縮点火式内燃機関としての圧縮点火式4サイクルガソリンエンジンの断面図である。このエンジン1は、シリンダブロック2とシリンダヘッド3からなるシリンダ4と、このシリンダ4内を軸線方向へ往復摺動可能で且つ周方向へ回動不能なピストン5とを備えている。ピストン5はコンロッド(図示せず)を介してクランクシャフト(図示せず)を回転せしめる。
【0022】
シリンダヘッド3には、シリンダ4内に吸気を供給するための吸気ポート6と、シリンダ4内のガスを排気するための排気ポート7が設けられている。吸気ポート6はスワールを発生させることができる所謂スワールポートで構成されている。尚、スワールポートとする替わりにスワール制御弁を設けてスワールを発生させるようにしてもよい。吸気系には火花点火式ガソリンエンジンで装備しているような絞り弁は設けられていない。
【0023】
吸気ポート6はシリンダヘッド3の内側頂面で開口して吸気口を形成し、この吸気口は吸気弁8によって開閉制御されるようになっている。排気ポート7はシリンダヘッド3の内側頂面で開口して排気口を形成し、この排気口は排気弁9によって開閉制御されるようになっている。これら吸気弁8と排気弁9はシリンダヘッド3との間に設置されたバルブスプリング10によって閉弁方向(ピストン5から離間する方向)に付勢されており、バルブスプリングに抗してピストン5に接近する方向に移動せしめられることにより開弁するようになっていて、カム11等からなる弁駆動機構によって開閉駆動される。尚、図1では排気弁9用のバルブスプリング及びカム機構は図示を省略している。
【0024】
ピストン5の頂部にはキャビティ13が形成されており、このキャビティ13はピストン5が上死点に位置した時に燃焼室14を形成する。キャビティ13は、ピストン5が上死点に位置しているときに吸気弁8が開弁しても干渉しないように、ピストン5の中心から偏心して配設されている。
【0025】
また、シリンダヘッド3には、吸気ポート6に噴孔を臨ませて吸気ポート6内に燃料を噴射するポート噴射弁15と、燃焼室14に噴孔を臨ませて筒内である燃焼室14に燃料を直接噴射する筒内噴射弁16とが設置されている。
【0026】
ポート噴射弁15は低圧の吸気ポート6内に燃料を噴射するものであるから低圧燃料噴射弁を用いることができ、例えば、0.15〜1MPaの範囲の低圧で噴射する噴射弁でよい。一方、筒内噴射弁16はピストン5が上死点近傍に位置しているときに高圧の燃料室14内に燃料を噴射させるものであるから高圧燃料噴射弁を用いる必要があり、例えば、エンジンの圧縮比が14〜20であれば10〜30MPaの範囲の高圧で噴射する噴射弁を採用する。
【0027】
また、ポート噴射弁15の燃料噴射時期は吸気行程においてピストン5の上死点以降に設定されており、筒内噴射弁16の燃料噴射時期はピストン5の圧縮上死点前に設定されている。
【0028】
ところで、前記吸気弁8は、その開閉時期をエンジン1の運転条件に応じて変えることができるようになっている。以下、吸気弁8の開閉時期を可変にする開閉時期可変手段12の一例を図2を参照して説明する。
【0029】
吸気弁8駆動用のカム11は、シリンダヘッド3に回転自在に支持された吸気カムシャフト20に固定されている。吸気カムシャフト20は、タイミングベルト23を介して図示しないクランクシャフトにより回転駆動されるプーリ21に連繋されている。このプーリ21と吸気カムシャフト20は同期回転するように連結されるとともに、互いに位相を変更することができるように連結されている。
【0030】
詳述すると、吸気カム20の端部はプーリ21の内部に回転可能に内装されており、吸気カム20の端部外側であってプーリ21との間には筒状のプランジャ22が軸線方向に移動可能に介装されている。
【0031】
また、プランジャ22の外周面とプーリ21の内周面のそれぞれには、互いに噛合して軸線方向へ相対摺動可能なヘリカルスプライン22a(プーリ21のヘリカルスプラインについての符号は省略する)が形成されている。これらヘリカルスプラインの噛み合いにより、プーリ21の回転駆動力がプランジャ22へ伝達される。
【0032】
さらに、吸気カムシャフト20の外周面とプランジャ22の内周面のそれぞれにも、互いに噛合して軸線方向へ相対摺動可能なヘリカルスプライン20a(プランジャ22のヘリカルスプラインについての符号は省略する)が形成されている。これらのヘリカルスプラインの噛み合いにより、プランジャ22の回転駆動力が吸気カムシャフト20に伝達される。
【0033】
即ち、プーリ21とプランジャ22のヘリカルスプラインの噛み合いと、プランジャ22と吸気カムシャフト20のヘリカルスプラインの噛み合いにより、プーリ21の回転駆動力がプランジャ22を介して吸気カムシャフト20に伝達される。
【0034】
さらに、プランジャ22を挟んで軸線方向両側にはそれぞれ圧力室(図示せず)が設けられており、各圧力室に油圧を供給したり遮断したりする油圧回路(図示せず)が設けられている。
【0035】
そして、各圧力室に印加される油圧力を制御することによって、プランジャ22を所定の範囲で軸線方向に移動させることができるようになっている。このプランジャ22が軸線方向へ移動する際には、プーリ21と噛み合うヘリカルスプラインに沿って回転しながら移動するとともに、吸気カムシャフト20と噛み合うヘリカルスプラインに沿って回転しながら移動する。
【0036】
したがって、プランジャ22をプーリ21に対して軸線方向に移動させることにより、プーリ21と吸気カムシャフト20の位相を所定の範囲で無段階に連続的に変更することができるようになっている。さらに、プランジャ22を所定の位置に移動させた後に油圧回路を遮断することによって前記両圧力室内の油圧力を保持し、プランジャ22を移動不能にして、プーリ21と吸気カムシャフト20との位相を所定に保持することができるようになっている。
【0037】
即ち、開閉時期制御手段12により吸気弁8の開閉タイミングを所望に変更することができるのである。尚、排気弁9についても吸気弁8の開閉時期制御手段12と同じ形式の開閉時期制御手段により開閉タイミングを所望に変更することができる。
【0038】
次に、このエンジン1の作用について説明する。
初めに、このエンジン1について予め実際に運転して、ポート噴射弁15からのみ燃料を噴射したときにノッキングを発生させない最大燃料噴射量を求め、この噴射量を基準噴射量Qbとし、これに対応する負荷量を基準負荷量Hbと設定する。
【0039】
そして、以下の説明では、図3に示すように、基準負荷量Hb以下の負荷域を軽負荷域とし、基準負荷量Hbを超える負荷域を高負荷域と定義する。
このエンジン1では、軽負荷域ではその負荷に応じて必要とされる噴射量Qqの全量の燃料がポート噴射弁15から噴射され、高負荷域ではその負荷に応じて必要とされる噴射量Qqのうちの基準噴射量Qb分の燃料はポート噴射弁15から噴射され、残りの量Qd(Qd=Qq−Qb)の燃料は筒内噴射弁16から噴射されるように、燃料噴射制御が行われる。尚、負荷量(負荷の大きさ)はアクセル開度とエンジン回転速度から求めるものとする。
【0040】
更に、このエンジン1では開閉時期制御手段12によって、基準負荷量Hb及び高負荷域では、吸気弁8の開弁時期が常に最遅角(図4において実線で示す)に設定され、低負荷域では、負荷が少なくなるにしたがって吸気弁の開弁時期が進角側に漸次無段階に移行するように制御される。即ち、軽負荷域では、図5に示すように、負荷が少なくなればなるほど吸気弁8と排気弁9の開弁重合期間が大きくなるように制御され、吸気弁8の早閉じにより実質上の圧縮比も上昇する。
【0041】
以下、このエンジン1における燃焼過程を軽負荷域と高負荷域に分けて説明する。
(1)軽負荷域
吸気行程においてはピストン5の上死点前後にかけて吸気弁8と排気弁9の開弁重合期間があり、ピストン5が上死点に達する前の開弁重合期間にシリンダ4内に残留する高温の排気が吸気ポート6内に逆流し、ピストン5の上死点以降にシリンダ4内への実質的な吸気が行われるようになったときに、吸気ポート6内に逆流した前記排気が再度シリンダ4内に吸入される(以下、この排気のシリンダ4内への再吸入を内部EGRという)。この内部EGRのシリンダ4内への吸入は当然の事ながら新気が吸入される前に行われることとなる。
【0042】
軽負荷域においては、負荷が少ないほど開弁重合期間が大きいので、負荷が少ないほど内部EGR量は多くなる。そして、この内部EGRの熱量は吸気加熱に供されるので、負荷が少ないほど吸気温度が高くなり、圧縮開始前の燃焼室14内のガス温度が高くなる。更に、吸気弁8の早閉じにより実質上の圧縮比も上昇するので、圧縮終点におけるシリンダ4内のガス温が高くなる。
【0043】
また、軽負荷域では、その時の負荷に応じて必要とされる噴射量Qbの全量がポート噴射弁15から噴射されて、筒内噴射弁9からは燃料は噴射されない。
ポート噴射弁15の燃料噴射時期は吸気行程においてピストン5の上死点以降に設定されており、これはシリンダ4内への実質的な吸気が行われるようになった後に他ならないので、ポート噴射弁15から噴射された燃料は吸気ポート8内を逆流することなく確実にシリンダ4内に吸入される。
【0044】
又、シリンダ4内へは初めに内部EGRが吸入され、次に新気が吸入されるが、その際、吸気ポート6がスワールポートで構成されていることによって、内部EGRも新気も旋回流となってそれぞれ成層化された状態で吸入されることとなり、内部EGRと新気とがシリンダ4内で完全混合されることはない。
【0045】
そして、ポート噴射弁15の燃料噴射時期を内部EGRがシリンダ4内に吸入された後の新気吸入時に合わせることにより、ポート噴射弁15から噴射された燃料は新気と共に均一に予混合されて、シリンダ4内では内部EGRの上部に均一予混合気として層状化して存在することとなる。
【0046】
即ち、新気と共に吸入される燃料はシリンダ4内に吸入された後においてもなおその周りには多くの酸素が存在することとなる。そして、内部EGRによって新気が加熱されていることと相俟って、シリンダ4内は極めて自着火し易い雰囲気になる。
【0047】
したがって、その後に圧縮行程に移って燃焼室14内が所定に圧縮されると、燃料は確実に自着火する。これにより、このエンジン1では、従来の圧縮点火ガソリンエンジンよりも軽負荷側の安定燃焼域が拡大する。
【0048】
尚、上述説明では、燃料の大部分が新気と予混合され燃料の周りが酸素十分の雰囲気であることを前提としており、酸素十分による点火性向上に着目し、内部EGRと新気の成層化をスワールにより実現させている。
【0049】
しかしながら、吸気温度上昇に起因する点火性向上に着目した場合には、スワールによって内部EGRと新気を成層化するよりも、内部EGRと新気とをシリンダ4内で完全混合した方がよいという考え方もある。そこで、吸気にタンブルを発生させて内部EGRと新気と燃料を完全混合させて、新気も加熱することも可能である。このようにタンブルを発生させた場合には、スワールを発生させた場合に比較すると、燃料周りの酸素濃度としては低くなるものの、燃料周りの吸気温度は上昇するので、燃料の自着火性については従来の圧縮点火ガソリンエンジンよりも向上する。
【0050】
尚、軽負荷域においては、負荷が大きくなるほど内部EGRが少なくなり吸気に対する加熱の程度も小さくなるので、基準負荷量Hbに近づいてもノッキングは生じない。
【0051】
(2)高負荷域
高負荷域においては、吸気行程で吸気弁8と排気弁9の開弁重合期間があるものの吸気弁8の開弁時期が最遅角に設定されていて開弁重合期間が極めて小さいので、内部EGRは殆どなく、したがって、吸気加熱は殆ど行われない。
【0052】
高負荷域ではその負荷に応じて必要とされる噴射量Qqのうちの基準噴射量Qb分の燃料がポート噴射弁15から噴射され、残りの量Qd(Qd=Qq−Qb)の燃料が筒内噴射弁16から噴射される。燃料噴射時期については、前述したように、ポート噴射弁15からは吸気行程においてピストン5の上死点以降であり、筒内噴射弁16からは圧縮上死点前に設定されている。
【0053】
したがって、初めに、吸気行程におけるピストン5の上死点以降でポート噴射弁15から燃料が噴射され、シリンダ4内で新気と均一予混合気となる。
一方、筒内噴射弁16からは圧縮上死点前にピストン15のキャビティ13に向けて燃料が噴射されるが、この燃料噴射時期はポート噴射弁15から噴射された燃料が自着火する前であり、したがって、筒内噴射弁16から噴射された燃料は圧縮上死点付近で蒸発し、その気化潜熱により、既にシリンダ4内に吸入されている前記予混合気が冷却される。これとともに、筒内噴射された燃料は予混合気と混合されて可燃空燃比となる。
【0054】
そして、圧縮行程において圧縮上死点近傍で燃焼室14内が所定に圧縮されると予混合気が燃焼室14内で自着火し、その燃焼ガスによって前記筒内噴射された燃料が上死点以降で着火し、拡散燃焼していく。尚、ポート噴射弁15からの噴射量は基準噴射量Qbであるので、ポート噴射された燃料が自着火する際にノッキングが発生することはない。また、筒内噴射された燃料が拡散燃焼していく時は既にピストン5が下降中であるので、シリンダ4内の圧力上昇は小さく、等温燃焼が持続するのでノッキングは回避される。
【0055】
したがって、このエンジン1では高負荷域においてもノッキングを回避することができ、従来の圧縮点火ガソリンエンジンよりも高負荷側の安定燃焼域を拡大することができる。
【0056】
以上のように、この圧縮点火式ガソリンエンジン1では、低負荷側の安定燃焼域が拡大され、且つ、低負荷域では均一予混合燃焼が行われて排気の低NOx化を実現することができる。したがって、排気浄化システムにはNOx浄化率の低い触媒コンバータを用いることができ、これは、軽負荷から中負荷を実用負荷域とする大排気量エンジンに本発明を適用した場合に特に有効である。
【0057】
また、エンジンの実用上の使用域の大半である軽負荷域をポート噴射でまかなっており、エンジン使用域の全域でみても筒内噴射燃料量が少なく、且つ、その噴射時期は圧縮上死点近傍のため、燃料によるエンジンオイルの希釈が殆ど生じない。
【0058】
尚、本発明を実施するにあたっては、圧縮比や、ポート噴射弁15の燃料噴射時期や、筒内噴射弁16の燃料噴射時期や、吸気弁8及び排気弁9の開閉時期について、実験的に最適値を求め、これを適用する。
【0059】
<他の実施の形態>
前記実施の形態では、吸気弁8のみの開閉時期を変化させることにより吸気弁8と排気弁9の開弁重合期間を変化させているが、図6に示すように吸気弁8と排気弁9の両方の開閉時期を変えることによって開弁重合期間を変化させるようにしてもよい。尚、排気弁9の開閉時期を変える手段は前述の吸気弁8の開閉時期可変手段と同様に構成することができる。
【0060】
また、排気弁9の開閉時期可変手段を備えた場合には、エンジン水温の低い暖気運転時に、図7に示すようにエンジン水温が低くなるにしたがって排気弁の開弁時期を漸次早めるようにすることによって、エンジン水温が低いほど吸気加熱効果を高めて、ポート噴射された燃料の自着火性を向上させることができる。これは、排気弁9の開弁時期を早めると、シリンダ4内の燃焼ガスが十分に膨張する前に排気されるようになり膨張比が小さくなるので、暖気後よりも高温高圧の内部EGRを得ることができることによる。
【0061】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ポート噴射弁からのみ燃料を噴射したときにノッキングが生じない最大噴射量を基準噴射量とし、これに対応する負荷量を基準負荷量と設定して、前記基準負荷量以下の負荷域では、必要とされる噴射量の全量の燃料をピストンの上死点以降の吸気行程中にポート噴射弁から噴射し、且つ、負荷が小さくなるほど吸気弁と排気弁の開弁重合期間が大きくなるように開閉時期可変手段を制御したことにより、負荷が小さいほど内部EGR量が多くなって吸気加熱効果が大となり、軽負荷域における自着火性が向上し、軽負荷側の安定燃焼域を従来よりも拡大することができる。
【0062】
また、低負荷域ではポート噴射による均一予混合燃焼が行われるので、排気の低NOx化を実現することができ、したがって、排気浄化システムにNOx浄化率の低い触媒コンバータを用いることができる。
【0063】
また、ポート噴射弁からのみ燃料を噴射したときにノッキングが生じない最大噴射量を基準噴射量とし、これに対応する負荷量を基準負荷量と設定して、前記基準負荷量を越える負荷域では、必要とされる噴射量のうち前記基準噴射量分の燃料をポート噴射弁から噴射し、必要とされる噴射量のうち基準噴射量では不足する量の燃料を筒内噴射弁から圧縮上死点前に噴射することによって、高負荷域におけるノッキングの発生を回避することができ、高負荷側の安定燃焼域を従来よりも拡大することができる。また、筒内噴射燃料量を少なくすることができるので、燃料による潤滑オイルの希釈を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の圧縮着火式内燃機関の一実施の形態における断面図である。
【図2】本発明の圧縮着火式内燃機関に用いられる開閉時期可変手段の一例を示す斜視図である。
【図3】本発明の圧縮着火式内燃機関における燃料噴射マップの一例である。
【図4】本発明の圧縮着火式内燃機関における吸排気弁の開閉時期の一例を示す図である。
【図5】本発明の圧縮着火式内燃機関における吸排気弁の開弁重合期間の変化の一例を示す図である。
【図6】本発明の圧縮着火式内燃機関における吸排気弁の開閉時期の他の例を示す図である。
【図7】本発明の圧縮着火式内燃機関において、エンジン水温により排気弁の開弁時期を変化させる場合の開弁時期変化図である。
【符号の説明】
1 圧縮点火式ガソリンエンジン(圧縮点火式内燃機関)
4 シリンダ
5 ピストン
6 吸気ポート
7 排気ポート
8 吸気弁
9 排気弁
12 開閉時期可変手段
14 燃焼室
15 ポート噴射弁
16 筒内噴射弁[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a compression ignition internal combustion engine that compresses and ignites a premixed gas at high compression.
[0002]
[Prior art]
A premixed compression ignition gasoline engine, which is one of compression ignition type internal combustion engines, has attracted attention as a candidate for an engine that achieves high efficiency and cleanliness at the same time. In a premixed compression ignition gasoline engine, as in a conventional spark ignition gasoline engine, gasoline is injected into the intake port, a complete premixed gas is introduced into the cylinder, and compressed to a high compression ratio comparable to that of a diesel engine. Compression self-ignition is performed without using a stopper.
[0003]
According to the literature ("Automotive Technical Society Preprints 951 1995-5" by the Japan Society of Automotive Engineers), in premixed compression ignition gasoline engines, the premixed gas is stable in a predetermined range (for example, 34 to 44). It is said that compression ignition combustion can be obtained, and low fuel consumption comparable to that of a diesel engine and a low NOx level less than one tenth of that of a diesel engine can be achieved. Further, NOx generation in the cylinder is said to be able to significantly reduce the NOx concentration in the uniform air-fuel mixture than in the stratified intake.
[0004]
However, when the air-fuel ratio is leaner than the predetermined range, ignition failure is likely to occur, and knocking is likely to occur on the rich side, so that there is a problem that the stable combustion operating range is limited to a narrow range.
[0005]
The cause of the ignition failure on the lean side is that the auto-ignition temperature of gasoline is higher than that of light oil. Therefore, it was considered that the intake air temperature could be increased by intake air heating to increase the lean limit of the stable combustion region.However, although the increase of the lean limit was achieved, the rich limit of the stable combustion region moved to the lean side. Knocking easily occurs in the load range, and the stable combustion range has not been expanded. In addition, there is a problem that the output is reduced due to a decrease in volumetric efficiency due to intake air heating.
[0006]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-332140 discloses a port injection valve for injecting fuel into an intake port and an in-cylinder injection valve for directly injecting fuel into the cylinder. The stable combustion area was expanded by injecting fuel in combination with direct injection.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the technique disclosed in the above publication, the operation timing of the in-cylinder injection valve is set to 8 to 30 degrees in the crank angle before compression top dead center (hereinafter, the crank angle is abbreviated as ° CA), and from the in-cylinder injection valve. The fuel injection amount Qd directly injected into the cylinder (hereinafter referred to as the in-cylinder injection amount) Qd is 15 to 25% of the total injection amount at full load. Here, the total injection amount Q is the sum of the fuel injection amount (hereinafter referred to as port injection amount) Qp injected from the port injection valve to the intake port and the in-cylinder injection amount Qd.
[0008]
By the way, the in-cylinder injection amount Qd, which is 15 to 25% of the total injection amount at the full load, corresponds to the injection amount at the no load of the engine, so the port injection amount Qp is small on the light load side, and most of the fuel is used. In-cylinder injection is performed from the in-cylinder injection valve, and as a result, actual combustion becomes similar to stratified combustion by direct injection in-cylinder, which is a major advantage of premixed compression ignition gasoline engines. That is, it becomes difficult to achieve a low NOx level (less than one tenth of a diesel engine).
[0009]
Further, in the technique disclosed in the above publication, the fuel port injection amount Qp at full load is as large as 75 to 85% of the total injection amount, so that knocking is likely to occur once self-ignition occurs.
[0010]
The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and the problem to be solved by the present invention is to re-suction exhaust in a cylinder (so-called internal EGR) as the load decreases on the light load side. ) To increase the intake air heating so that ignition failure does not occur, thereby expanding the stable combustion region on the light load side.
[0011]
Another problem to be solved by the present invention is to reduce the amount of in-cylinder injected fuel on the high load side so that knocking does not occur, thereby expanding the stable combustion region on the high load side. .
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
(1) The present invention relates to a cylinder, a piston that reciprocates in the cylinder, a combustion chamber defined by the cylinder and the piston, and an intake valve that opens and closes an intake port for supplying intake air into the cylinder. An exhaust valve for opening and closing an exhaust port for exhausting the gas in the cylinder, and an opening / closing timing varying means for changing the opening / closing timing of only the intake valve or both of the intake valve and the exhaust valve among the intake valve and the exhaust valve And a cylinder injection valve that directly injects fuel into the combustion chamber, and injects fuel only from the port injection valve. The maximum injection amount that does not sometimes cause knocking is set as the reference injection amount, and the corresponding load amount is set as the reference load amount. In the load range below the reference load amount, the required injection amount The opening / closing timing variable means controls so that the entire amount of fuel is injected from the port injection valve during the intake stroke after the top dead center of the piston, and the valve opening polymerization period of the intake valve and the exhaust valve becomes longer as the load decreases. This is a compression ignition internal combustion engine.
[0013]
Since the amount of fuel injected from the port injection valve is equal to or less than the amount of fuel that causes knocking, knocking does not occur even if the port injection fuel self-ignites. The smaller the load is, the longer the opening polymerization period of the intake valve and the exhaust valve is. Therefore, the smaller the load is, the more re-intake of exhaust in the cylinder (so-called internal EGR) is, and the intake air is heated higher. Due to the gas temperature rise in the cylinder before the start of compression, the fuel is surely self-ignited even under a light load.
[0014]
Further, fuel injection from the port injection valve is executed after the top dead center of the piston, that is, it is executed after entering a substantial intake stroke, and the fuel injected into the port is injected into the internal EGR. The gas can be prevented from flowing back through the intake port, and the fuel is reliably sucked into the cylinder and mixed with fresh air to form a uniform premixed gas.
[0015]
The opening / closing timing varying means may vary the opening / closing timing of only the intake valve, or may vary the opening / closing timing of both the intake valve and the exhaust valve. It is sufficient if the valve opening polymerization period can be varied.
[0016]
(2) Further, the present invention opens and closes a cylinder, a piston that reciprocates in the cylinder, a combustion chamber defined by the cylinder and the piston, and an intake port for supplying intake air into the cylinder. An intake valve, an exhaust valve that opens and closes an exhaust port for exhausting gas in the cylinder, a port injection valve that injects fuel into the intake port, and an in-cylinder injection valve that directly injects fuel into the combustion chamber; In the compression ignition type internal combustion engine having the above, the maximum injection amount that does not cause knocking when fuel is injected only from the port injection valve is set as the reference injection amount, and the corresponding load amount is set as the reference load amount. In the load range exceeding the reference load amount, the fuel for the reference injection amount out of the required injection amount is injected from the port injection valve, and the reference injection amount out of the required injection amount is not. In the compression ignition type internal combustion engine, an additional amount of fuel is injected from the in-cylinder injection valve before the compression top dead center.
[0017]
Since the amount of fuel injected from the port injection valve is equal to or less than the amount of fuel that causes knocking, knocking does not occur even when the port injection fuel self-ignites. The in-cylinder injected fuel injected from the in-cylinder injection valve evaporates in the vicinity of the compression top dead center and mixes with the premixed gas while cooling the premixed gas including the port injected fuel to become a combustible air-fuel mixture. . In the fuel combustion process, the premixed gas including the port-injected fuel is first self-ignited, and the in-cylinder injected fuel is ignited by the combustion gas and diffusely burned. When the in-cylinder injected fuel undergoes diffusion combustion, the piston is descending, so the pressure rise in the cylinder is small, and isothermal combustion continues, so that knocking does not occur at this time.
[0018]
In the inventions of (1) and (2), a cavity may be provided at the top of the piston, and the inside of this cavity may be a combustion chamber, or a recess provided in the top of the cylinder head with the piston top being flat. Also good.
[0019]
In the inventions of (1) and (2), the fuel is not limited to gasoline, and it is possible to use a light fuel with a low cetane number to which an exhaust aftertreatment device can be easily applied.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of a compression ignition type internal combustion engine according to the present invention will be described with reference to the drawings of FIGS.
[0021]
FIG. 1 is a sectional view of a compression ignition type 4-cycle gasoline engine as a compression ignition type internal combustion engine. The engine 1 includes a
[0022]
The cylinder head 3 is provided with an intake port 6 for supplying intake air into the
[0023]
The intake port 6 opens at the inner top surface of the cylinder head 3 to form an intake port, and this intake port is controlled to be opened and closed by an
[0024]
A
[0025]
Further, the cylinder head 3 has a
[0026]
Since the
[0027]
The fuel injection timing of the
[0028]
Incidentally, the opening and closing timing of the
[0029]
The cam 11 for driving the
[0030]
More specifically, an end portion of the
[0031]
Each of the outer peripheral surface of the
[0032]
Further, helical splines 20a (the reference numerals for the helical splines of the
[0033]
That is, the rotational driving force of the
[0034]
Further, pressure chambers (not shown) are provided on both sides in the axial direction across the
[0035]
Then, by controlling the oil pressure applied to each pressure chamber, the
[0036]
Therefore, by moving the
[0037]
That is, the opening / closing timing of the
[0038]
Next, the operation of the engine 1 will be described.
First, the engine 1 is actually operated in advance, and a maximum fuel injection amount that does not cause knocking when fuel is injected only from the
[0039]
In the following description, as shown in FIG. 3, a load region that is equal to or less than the reference load amount Hb is defined as a light load region, and a load region that exceeds the reference load amount Hb is defined as a high load region.
In this engine 1, the fuel of the injection quantity Qq required in accordance with the load is injected from the
[0040]
Further, in this engine 1, the opening / closing timing control means 12 always sets the opening timing of the
[0041]
Hereinafter, the combustion process in the engine 1 will be described separately for a light load region and a high load region.
(1) Light load range
In the intake stroke, there is a valve opening polymerization period before and after the top dead center of the
[0042]
In the light load region, the smaller the load is, the longer the valve opening polymerization period is. Therefore, the smaller the load is, the larger the amount of internal EGR is. Since the amount of heat in the internal EGR is used for intake air heating, the smaller the load, the higher the intake air temperature, and the higher the gas temperature in the
[0043]
Further, in the light load region, the entire injection amount Qb required according to the load at that time is injected from the
The fuel injection timing of the
[0044]
In addition, the internal EGR is first sucked into the
[0045]
Then, by adjusting the fuel injection timing of the
[0046]
That is, even after the fuel sucked together with fresh air is sucked into the
[0047]
Therefore, if the
[0048]
In the above description, it is assumed that most of the fuel is premixed with fresh air and the surroundings of the fuel are in an atmosphere with sufficient oxygen. Focusing on the improvement in ignitability by sufficient oxygen, the internal EGR and fresh air are stratified. Is realized by swirl.
[0049]
However, when paying attention to the improvement in ignitability due to the rise in intake air temperature, it is better to completely mix the internal EGR and fresh air in the
[0050]
In the light load range, as the load increases, the internal EGR decreases and the degree of heating with respect to the intake air also decreases, so that knocking does not occur even when approaching the reference load amount Hb.
[0051]
(2) High load range
In the high load range, the
[0052]
In the high load range, the fuel for the reference injection amount Qb out of the injection amount Qq required according to the load is injected from the
[0053]
Therefore, first, fuel is injected from the
On the other hand, fuel is injected from the in-
[0054]
In the compression stroke, when the inside of the
[0055]
Therefore, in the engine 1, knocking can be avoided even in a high load region, and the stable combustion region on the high load side can be expanded as compared with the conventional compression ignition gasoline engine.
[0056]
As described above, in the compression ignition type gasoline engine 1, the stable combustion region on the low load side is expanded, and the uniform premixed combustion is performed in the low load region, thereby realizing low NOx of the exhaust. . Therefore, a catalytic converter having a low NOx purification rate can be used in the exhaust purification system, and this is particularly effective when the present invention is applied to a large displacement engine having a light load to a medium load in a practical load range. .
[0057]
Moreover, the light load range, which is the majority of the practical use range of the engine, is covered by port injection, the amount of in-cylinder injected fuel is small even in the entire engine use range, and the injection timing is compression top dead center Due to the proximity, the engine oil is hardly diluted with fuel.
[0058]
In carrying out the present invention, the compression ratio, the fuel injection timing of the
[0059]
<Other embodiments>
In the above embodiment, the opening / closing polymerization period of the
[0060]
Further, when the opening / closing timing varying means for the exhaust valve 9 is provided, the opening timing of the exhaust valve is gradually advanced as the engine water temperature becomes lower as shown in FIG. Thus, the lower the engine water temperature, the higher the intake air heating effect, and the self-ignitability of the port-injected fuel can be improved. This is because if the opening timing of the exhaust valve 9 is advanced, the combustion gas in the
[0061]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the maximum injection amount that does not cause knocking when fuel is injected only from the port injection valve is set as the reference injection amount, and the corresponding load amount is set as the reference load amount. In the load range below the reference load amount, the entire required fuel injection amount is injected from the port injection valve during the intake stroke after the top dead center of the piston, and the intake valve and the exhaust gas are exhausted as the load decreases. By controlling the opening / closing timing variable means so that the valve opening polymerization period of the valve becomes longer, the smaller the load, the greater the amount of internal EGR, the greater the intake heating effect, and the self-ignitability in the light load region improves. The stable combustion area on the light load side can be expanded as compared with the conventional case.
[0062]
Further, since uniform premixed combustion by port injection is performed in the low load region, it is possible to achieve low NOx emission, and therefore, a catalytic converter having a low NOx purification rate can be used in the exhaust purification system.
[0063]
In addition, the maximum injection amount that does not cause knocking when fuel is injected only from the port injection valve is set as the reference injection amount, and the corresponding load amount is set as the reference load amount. The fuel for the reference injection amount out of the required injection amount is injected from the port injection valve, and the fuel that is insufficient for the reference injection amount out of the required injection amount is compression dead from the cylinder injection valve By injecting before the point, occurrence of knocking in the high load region can be avoided, and the stable combustion region on the high load side can be expanded as compared with the conventional case. Further, since the amount of in-cylinder injected fuel can be reduced, the dilution of the lubricating oil with the fuel can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an embodiment of a compression ignition type internal combustion engine of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing an example of an opening / closing timing varying means used in the compression ignition type internal combustion engine of the present invention.
FIG. 3 is an example of a fuel injection map in the compression ignition internal combustion engine of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing an example of opening and closing timings of intake and exhaust valves in a compression ignition type internal combustion engine of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an example of a change in the valve opening polymerization period of the intake and exhaust valves in the compression ignition type internal combustion engine of the present invention.
FIG. 6 is a view showing another example of the opening / closing timing of the intake and exhaust valves in the compression ignition type internal combustion engine of the present invention.
FIG. 7 is a valve opening timing change diagram in the case of changing the valve opening timing of the exhaust valve according to the engine water temperature in the compression ignition type internal combustion engine of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Compression ignition gasoline engine (compression ignition internal combustion engine)
4 cylinders
5 piston
6 Intake port
7 Exhaust port
8 Intake valve
9 Exhaust valve
12 Opening / closing timing variable means
14 Combustion chamber
15 port injection valve
16 In-cylinder injection valve
Claims (2)
前記ポート噴射弁からのみ燃料を噴射したときにノッキングが生じない最大噴射量を基準噴射量とし、これに対応する負荷量を基準負荷量と設定して、前記基準負荷量以下の負荷域では、必要とされる噴射量の全量の燃料がピストンの上死点以降の吸気行程中にポート噴射弁から噴射され、且つ、負荷が小さくなるほど吸気弁と排気弁の開弁重合期間が大きくなるように前記開閉時期可変手段が制御されることを特徴とする圧縮点火式内燃機関。A cylinder, a piston that reciprocates in the cylinder, a combustion chamber defined by the cylinder and the piston, an intake valve that opens and closes an intake port for supplying intake air into the cylinder, and a gas in the cylinder An exhaust valve for opening and closing an exhaust port for exhausting air, an opening / closing timing varying means for changing an opening / closing timing of only the intake valve or both of the intake valve and the exhaust valve, and fuel in the intake port In a compression ignition internal combustion engine comprising a port injection valve for injecting fuel and an in-cylinder injection valve for directly injecting fuel into the combustion chamber,
The maximum injection amount that does not cause knocking when fuel is injected only from the port injection valve is set as the reference injection amount, and the load amount corresponding to this is set as the reference load amount. The required fuel injection amount is injected from the port injection valve during the intake stroke after the top dead center of the piston, and the opening polymerization period of the intake valve and the exhaust valve increases as the load decreases. The compression ignition internal combustion engine, wherein the opening / closing timing varying means is controlled.
前記ポート噴射弁からのみ燃料を噴射したときにノッキングが生じない最大噴射量を基準噴射量とし、これに対応する負荷量を基準負荷量と設定して、前記基準負荷量を越える負荷域では、必要とされる噴射量のうち前記基準噴射量分の燃料はポート噴射弁から噴射され、必要とされる噴射量のうち基準噴射量では不足する量の燃料は筒内噴射弁から圧縮上死点前に噴射されることを特徴とする圧縮点火式内燃機関。A cylinder, a piston that reciprocates in the cylinder, a combustion chamber defined by the cylinder and the piston, an intake valve that opens and closes an intake port for supplying intake air into the cylinder, and a gas in the cylinder A compression ignition internal combustion engine comprising: an exhaust valve that opens and closes an exhaust port for exhausting air; a port injection valve that injects fuel into the intake port; and an in-cylinder injection valve that directly injects fuel into the combustion chamber In
When the fuel is injected only from the port injection valve, the maximum injection amount that does not cause knocking is set as the reference injection amount, the load amount corresponding to this is set as the reference load amount, and in the load range exceeding the reference load amount, Of the required injection amount, the fuel corresponding to the reference injection amount is injected from the port injection valve. Of the required injection amount, the fuel that is insufficient for the reference injection amount is compressed from the in-cylinder injection valve to the compression top dead center. A compression ignition type internal combustion engine which is injected before.
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