JP3671755B2 - Intake control device for direct injection 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、自動車用ガソリン機関等に代表される4サイクル型の直噴式内燃機関の改良に関し、特に、各シリンダの吸気ポートに、燃焼室内に生成する順タンブル流動を調整するタンブル制御弁を設けた吸気制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
中,高負荷時ではシリンダ内に均質な空燃比の混合気を形成していわゆる均質燃焼を行うとともに、低負荷域ではシリンダ内の一部つまり点火プラグ近傍のみに比較的濃い混合気を形成して、平均的な空燃比を非常に大きく得るようにした成層燃焼を行い、均質燃焼による中,高負荷時の出力性能と、成層燃焼による低負荷時の燃費改善との両立を図る筒内直接噴射式の内燃機関が、従来から種々提案されている。
【0003】
一例として、特開平9−256858号公報に記載された直噴式内燃機関では、吸気ポートを順タンブルポート部と逆タンブルポート部とに仕切る隔壁と、順タンブルポート部を絞る制御弁とを有する吸気制御装置が設けられている。そして、順,逆タンブルポート部の形状や制御弁の作動制御により、均質燃焼時には、シリンダ内に流入した吸気流が排気側のシリンダ壁面に沿って下降した後にピストン頂面,吸気側のシリンダ壁面に沿って流れ、シリンダヘッド側へと進む順タンブル流を生成する一方、成層燃焼時には、順タンブルポート部を絞ることにより、シリンダ内に流入した吸気流が吸気側のシリンダ壁面に沿って下降した後にピストン頂面,排気側のシリンダ壁面に沿って流れ、シリンダヘッド側へと進む逆タンブル流を生成し、混合気の成層化を行うように構成されている。
【0004】
このように順タンブル流,逆タンブル流を切り替えて生成する吸気制御装置の他の例として、特開平10−205338号公報に記載されているように、吸気流の一部を付勢する副吸気パイプを設ける技術、あるいは特開平10−212965号公報に記載されているように、吸気ポートの燃焼室側の開口部付近に、通路の一部を遮蔽するタンブル制御弁を設ける技術が公知である。
【0005】
また、米国特許5878712号に記載されている直噴式内燃機関の吸気制御装置は、吸気ポートを上側ポート部と下側ポート部に仕切る隔壁と、下側ポート部を絞るタンブル制御弁と、を有し、均質燃焼時には吸気ポートの上下両通路による順タンブル流を生成するとともに、成層燃焼時には下側ポート部を絞ることで、より強い順タンブル流を生成するようにしている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した均質燃焼を行う運転領域の中でも、全開出力時等の高負荷時には、理論空燃比近傍の均質理論空燃比燃焼が行われる一方、中負荷時には、主に燃費向上の目的で、望ましくは理論空燃比よりも空燃比を大きした均質希薄燃焼が行われる。
【0007】
しかしながら、上述したような従来の直噴式内燃機関の吸気制御装置では、成層燃焼と均質燃焼とでタンブル流の回転方向あるいは強度を切り替えているものの、均質燃焼における均質希薄燃焼と均質理論空燃比燃焼との間で、タンブル流の回転方向あるいは強度を切り換えるように構成されていない。この結果、均質希薄燃焼時の流動強化と、均質理論空燃比燃焼時の空気量の確保とを両立することが困難である。
【0008】
この点について詳述すると、図11に示すように、吸気ポートの形状すなわち傾斜角θに対するタンブル流の強度(タンブル比)と吸入空気の流量(係数)とは、一般的に相反する関係となっており、吸入空気量の増加を図るとタンブル強度が低下する傾向にある。このため、機関高負荷時における最大出力を十分に確保しようとすると、中負荷時におけるタンブル強度が不足し易く、均質希薄燃焼時の燃焼が悪化し、充分な燃費改善が得られない虞がある。
【0009】
そこで、上述した特開平9−256858号公報、特開平10−205338号公報、特開平10−212965号公報のように、順タンブル流と逆タンブル流の双方を利用する構成において、均質希薄燃焼時におけるタンブル流動を強化するために、強いタンブル流動が得られる成層燃焼時と同一の逆タンブル流を、均質希薄燃焼時に適用することが考えられる。しかしながら、この場合、吸気側のシリンダ壁面に沿って下降する逆タンブル流によって、燃料噴霧が吸気側のシリンダ壁面に沿って下降し、点火時期において可燃混合気が吸気側へ偏在してしまい、安定した燃焼が得られ難い。
【0010】
一方、米国特許5878712号明細書のように順タンブル流動の強度を調節する構成において、均質希薄燃焼時におけるタンブル流動を強化するために、強い順タンブル流動が得られる成層燃焼時と同一の構成すなわち吸気ポートの下側ポート部を閉塞する構成を、均質希薄燃焼時に適用することが考えられる。しかしながら、このような構成とした場合、図9の比較例に模式的に示すように、吸気行程中のシリンダ中心付近を下降する吸気流により燃料噴射弁から噴射された噴霧も下降してしまい、前述の逆タンブル流による混合気形成の場合よりは広い範囲に混合気が拡散するものの、燃焼室全体に混合気が拡散されるまでには至らない。このため、点火時期において図10に模式的に示すように混合気が吸気側に偏在し、やはり安定した均質希薄燃焼を得られ難い。
【0011】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、成層燃焼時の成層混合気の生成と、均質希薄燃焼時の均質希薄混合気の生成と、均質理論空燃比燃焼時の充分な空気量の確保とを、高いレベルで実現でき、燃焼性能を著しく改善することのできる新規な直噴式内燃機関の吸気制御装置を提供することを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る直噴式内燃機関は、各シリンダの燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁が吸気ポートの下側に配置され、かつ、機関の低負荷時に圧縮行程で燃料を噴射する成層燃焼と、中負荷時に吸気行程で燃料を噴射する均質希薄燃焼と、高負荷時に吸気行程で燃料を噴射する均質理論空燃比燃焼と、が行われるように構成されている。
【0013】
そして、請求項1の発明に係る吸気制御装置は、吸気ポートを上側ポート部と下側ポート部に仕切る隔壁と、燃焼室内に生成される順タンブル流動を調節するように、上記上,下側ポート部を絞るタンブル制御弁と、少なくとも機関負荷に応じてタンブル制御弁を作動制御する制御手段と、を有し、主に成層燃焼時には下側ポート部を絞るとともに、主に均質希薄燃焼時には上側ポート部を絞り、かつ、主に均質理論空燃比燃焼時には上,下側ポート部のいずれも絞らないように設定したことを特徴としている。
【0014】
このような構成により、主に成層燃焼時には、下側ポート部が絞られるため、上側ポート部からの吸気割合が大きくなる。この結果、燃焼室内に生成される順タンブル流動が、適宜に強化されるとともに、シリンダの中心部を旋回する小さなものとなり、混合気の成層化に適したものとなる。より具体的には、ピストン冠面に沿って流れた後に点火プラグへ向けて上昇する吸気流(順タンブル流)によって、圧縮行程で噴射された燃料が直接的に点火プラグの近傍に運ばれ、点火時期に点火プラグの近傍に可燃混合気が良好に形成される。
【0015】
また、主に均質希薄燃焼時には、上側ポート部が絞られるため、下側ポート部からの吸気割合が大きくなる。この結果、燃焼室内に生成される順タンブル流が、適宜に強化されるとともに、シリンダの燃焼室全体にわたって旋回する形となり、均質希薄混合気の生成に適したものとなる。より具体的には、吸気行程で噴射された燃料が、燃料噴射弁に近い下側ポート部から導入される吸気流(順タンブル流)に乗って、燃焼室全体に拡散され、点火時期に燃焼室内に良好な均質希薄混合気が形成される。
【0016】
更に、均質理論空燃比燃焼時には、上,下側ポート部がいずれも絞られていないため、充分な吸入空気量を確保する事が可能である。言い換えると、吸気ポートの傾斜角等の形状,寸法は、このような高負荷時における最大吸入空気量を確保するように設定されている。
【0017】
この結果、本発明によれば、成層燃焼及び均質希薄燃焼による燃費改善効果の拡大と、均質理論空撚比燃焼による出力向上と、を高いレベルで両立することができる。
【0018】
上記タンブル制御弁としては、一般的な絞り弁を用いることが可能であるが、好ましくは請求項2の発明のように、上記隔壁に軸支され、上側ポート部と下側ポート部の一方を選択的に絞る位置と隔壁に略沿った中立位置とに保持可能な一つのバタフライ弁とされる。この場合、一つのバタフライ弁によって、上側ポート部と下側ポート部との双方を選択的に絞ることができるため、構成及び制御の簡素化を図ることができる。
【0019】
また、成層燃焼と均質希薄燃焼との過渡期や均質希薄燃焼と均質理論空燃比燃焼との過渡期で、上,下側ポート部の絞り量を急激に変化させても良いが、望ましくは、過渡期におけるタンブル制御弁の動作遅れによる燃焼性能の低下を抑制するために、請求項3の発明のように上記の過渡期で上,下側ポート部の絞り量が比較的緩やかに変化するように設定する。
【0020】
また、同じ機関負荷でも、機関回転速度が相対的に低い場合、吸入空気の流速が低くなり、燃焼室に生成されるタンブル流動が相対的に弱くなってしまう。逆に、機関回転速度が高い場合には、吸入空気の流速が増加し、タンブル流動が相対的に強化される。そこで、好ましくは、機関回転速度に応じた適切なタンブル流動が得られるように、上,下側ポート部の絞り量を機関回転速度に応じて変化させる。
【0021】
具体的には、請求項5の発明のように、機関回転速度の増加に伴って上,下側ポート部の絞り量が小さくなるように設定する。
【0022】
同様に、請求項4の発明では、少なくとも上記成層燃焼と均質希薄燃焼との過渡期及び均質希薄燃焼と均質理論空燃比燃焼との過渡期で、機関負荷に対するタンブル制御弁の角度特性が、機関回転速度の増加に伴って低負荷側へシフトするように設定している。
【0023】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、タンブル制御弁を作動制御することによって、燃焼室内に生成される順タンブル流動を、各燃焼形態に応じて適切に調節することができ、成層燃焼および均質希薄燃焼による燃費改善効果の拡大と、高負荷の均質理論空撚燃焼による出力の向上と、を高いレベルで両立させることができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、直噴式内燃機関である4サイクル型の自動車用ガソリン機関に、本発明に係る吸気制御装置を適用した実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【0025】
図2にも示すように、シリンダブロック20には、複数のシリンダ13が直列に配置されており、その上面を覆うように、シリンダヘッド12が固定されている。シリンダ13内には、ピストン14が摺動可能に嵌合しており、このピストン14の上方に、ペントルーフ型の燃焼室17が形成されている。ピストン14の冠面には、浅皿状の凹部14aが凹設されている。
【0026】
シリンダヘッド12には、燃焼室17に開口する吸気ポート15及び排気ポート16が形成されるとともに、各ポート15,16を開閉する吸気弁21及び排気弁(図示省略)が設けられている。吸気ポート15は、図2〜7に示すような時計回りの方向に流れる順タンブル流動T1〜3を燃焼室17内に生成するように、適宜な形状,寸法に設定されている。
【0027】
各燃焼室17の頂部には点火プラグ2がシリンダ13の略中心位置に配置され、そのプラグ先端が燃焼室17内に臨んでいる。また、電磁式の燃料噴射弁1は、吸気ポート15の直ぐ下側に、その中心軸が斜め下方へ向かった姿勢で配置されており、燃焼室17内に直接燃料を噴射するように、その先端部が燃焼室17内に臨んでいる。
【0028】
各吸気ポート15には、この吸気ポート15を上側ポート部15aと下側ポート部15bとに仕切る薄板状の隔壁18が設けらるとともに、各隔壁18の上流側の端部に、上側ポート部15a及び下側ポート部15bを選択的に絞るバタフライ弁式のタンブル制御弁19が軸支されており、これら隔壁18及びタンブル制御弁19が、本実施形態の吸気制御装置の一部を構成している。
【0029】
図1は、この吸気制御装置の概略構成を示している。エンジンコントロールユニット(ECU)4には、クランク角センサ5、気筒判別センサ6、スロットルセンサ7、空気量センサ8、燃圧センサ9、空燃比センサ10、及びタンブル制御弁19の角度を検出するタンブル制御弁角度センサ11等の、機関の運転状態を検出する各種センサ類が接続されている。ECU4は、これらセンサからの信号に基づいて、燃料噴射弁1,点火プラグ2の他、タンブル制御弁19を駆動するタンブル制御弁駆動装置3を作動制御する。すなわち、ECU4は、機関回転速度や負荷等に応じて、要求燃料噴射量を計算し、図示しない燃料ポンプにより要求燃圧を発生させ、噴射弁駆動信号を出力して燃料噴射を制御するとともに、点火信号を出力して図示しない点火コイルを駆動制御し、点火プラグ2を放電させて点火を制御する。また、ECU4は、主に機関負荷と機関回転速度に基づいてタンブル制御弁19の角度を計算し、タンブル制御弁駆動装置3を作動制御する。
【0030】
図7は、全開出力等の高負荷時に行われる均質理論空燃比燃焼の状態を示している。このような高負荷時には、充分な吸入空気量を確保するために、タンブル制御弁19が隔壁18に沿う中立位置に配置され、タンブル制御弁19によって上側ポート部15a及び下側ポート部15bのいずれも絞られていない状態に設定される。この結果、吸入行程で噴射された燃料が、吸気ポート15の両ポート部15a,15bから燃焼室17へ導入された吸気流の順タンブル流動T3によって、燃焼室17全体に均一に拡散される。言い換えると、吸気ポート15の傾斜角等の形状,寸法は、このような高負荷時における最大吸入空気量を確保するように設定されている。
【0031】
図2〜4は、機関の低負荷時に行われる成層燃焼運転の状態を示しており、圧縮行程における燃料噴射の前後の状態を順に示している。このような成層燃焼時には、タンブル制御弁19は、下側ポート部15bの大部分を絞るように、図7に示す中立位置から下側へ90度回動した状態に設定される。このため、図2に示すように、吸入空気は主に上側ポート部15aを通って燃焼室17へ導入されることとなり、図7に示すように両ポート部15a,15bが絞られていない場合に比して、燃焼室17内に生成されるタンブル流動T1が、効果的に強化されるとともに、シリンダ13の中心部を旋回する比較的小さなものとなる。従って、図3に示すように圧縮行程で噴射された燃料は、下降してピストン14冠面に沿って流れた後に点火プラグ2へ向けて上昇するタンブル流動T1に乗って、点火プラグ2の近傍に直接的に運ばれ、図4に示すように、点火時期となる圧縮上死点付近において、点火プラグ周囲に良好な可燃混合気が層状に形成される。この結果、実質的に凹部14a内で燃焼が進行し、良好な成層燃焼が実現される。
【0032】
図5,6は、機関の中負荷時に行われる均質希薄燃焼運転の状態を示しており、図5は燃料噴射が行われる前の吸気行程の状態を、図6は燃料噴射後の圧縮行程の状態を示している。このような均質希薄燃焼時には、上記の成層燃焼時の場合とは逆に、タンブル制御弁19が中立位置より上側に90度回転した位置に設定され、このタンブル制御弁19によって上側ポート部15aの大部分が絞られる。この結果、吸入空気は主に下側ポート部15bを通って燃焼室17に導入されることとなり、燃焼室17に生成されるタンブル流動T2が、効果的に強化されるとともに、シリンダ13内の全体にわたって大きく旋回する形となる。従って、吸気行程で噴射された燃料は、図6に示すように、このタンブル流動T2に乗って均一に拡散され、燃焼室17全体に良好な均質希薄混合気が生成される。
【0033】
ここで、一般的に、図11に示すように、吸気ポート15の形状つまり傾斜角θに応じて、吸気ポート15による生成されるタンブル流の強度すなわちタンブル比と、吸気ポート15から燃焼室17へ導入される吸入空気の流量係数とは、相反するように増減する関係となっている。従って、上述したように高負荷時の必要空気量を満たすように吸気ポート15の傾斜角を設定した場合、特に均質希薄燃焼時にタンブル流成分が不足する傾向にある。しかしながら本実施形態では、均質希薄燃焼時には、タンブル制御弁19で上側ポート部15aを絞ることにより、タンブル流動が効果的に強化されるため、均質希薄燃焼時におけるタンブル流動の不足を解消することができる。
【0034】
次に、上側ポート部15aを閉塞した場合と、下側ポート部15bを閉塞した場合との相違、具体的には燃焼室17内に形成される順タンブル流動や混合気の相違について、図8〜10に示す比較例を用いて詳述する。
【0035】
図8は、図2〜4に示す実施形態とは逆に、成層燃焼時にタンブル制御弁19で上側ポート部15aを絞った例を示している。この場合、吸入空気が主に下側ポート部15bを通って燃焼室17に流入し、燃焼室17内全体を旋回するタンブル流動T4が生成される。このため、圧縮行程で噴射された燃料は、タンブル流動T1と比較してより大きく旋回する吸気流(タンブル流動T4)に乗って、排気側へ運ばれることとなる。この結果、図2〜4に示す本実施形態に比して、混合気が点火プラグ2付近に滞留する時間すなわち点火可能時間が短くなってしまい、成層燃焼が不安定となる。
【0036】
言い換えると、図2〜4に示す本実施形態では、タンブル制御弁19で下側ポート部15bを絞り、燃料噴射弁1から比較的遠い上側ポート部15aにより、吸入空気を燃焼室17へ導入する構成とすることにより、燃焼室17の中央部に強いタンブル流を生成できるとともに、燃料が燃焼室17に入った直後のタンブル流により排気側へ流されることもなく、かつ、ピストン14冠面から点火プラグ2側へ向かうタンブル流動T1によって、燃料噴霧が直接的に点火プラグ2近傍に運ばれるため、良好な成層燃焼を実現できる。
【0037】
図9,10は、図5,6に示す本実施形態とは逆に、均質希薄燃焼時にタンブル制御弁19で下側ポート部15bを絞った比較例を示している。この場合、燃焼室17に形成される順タンブル流動T5が、シリンダ13の中心部を旋回する小さなものとなる。従って、図9に模式的に示すように、吸気行程で噴射された燃料噴霧が、このタンブル流動T5に乗って下降してしまう。このため、図10に示すような点火時期において、可燃混合気が吸気側へ偏在してしまい、燃焼室17全体に良好に拡散されず、均質希薄燃焼が不安定となってしまう。
【0038】
図12〜15は、機関負荷(及び機関回転速度)に対するタンブル制御弁19の角度を規定したマップデータの実施例を示している。なお、タンブル制御弁19の角度は、図7に示すような両ポート部15a,15bが全開状態となる中立位置を基準とし、下側ポート部15bが絞られる下側への回転方向を正方向、上側ポート部15aが絞られる上側への回転方向を負方向としている。
【0039】
図12に示す第1実施例では、タンブル制御弁19の角度が、第1基準負荷値22以下の低負荷域すなわち成層運転領域で確実に+90度となり、第1基準負荷値22と第2基準負荷値との間の中負荷域すなわち均質希薄燃焼領域で確実に−90度となり、第2基準負荷値23以上の高負荷域すなわち均質理論空燃比燃焼領域で確実に0度となるように、第1,第2基準負荷値22,23で急激に変化するように設定されている。
【0040】
図13に示す第2実施例では、各運転領域間の切り替えが円滑に行われるように、成層燃焼と均質希薄燃焼との過渡期及び均質希薄燃焼と均質理論空燃比燃焼との過渡期で、タンブル制御弁19の角度を、図12に示す第1実施例よりも緩やかに変化させている。具体的には、タンブル制御弁19の角度は、極低負荷域では+90度に設定され、この極低負荷域から中負荷域へ向けての負荷の増加にともなって連続的に減少し、上,下側ポート部15a,15bともに絞り無しとなる0度の中立位置24を経て、中負荷時には−90度となるように設定されている。更に、この中負荷域から高負荷域へ向けての負荷の増大に伴って、タンブル制御弁19の角度が連続的に増加し、極高負荷時に0度となるように設定されている。このようにタンブル制御弁19の角度を緩やかに変化させた場合、過渡期におけるタンブル制御弁19の動作遅れによる燃焼性能の低下を抑制することができる。
【0041】
なお、この第2実施例では、成層燃焼運転領域の中でも比較的高負荷時には、タンブル制御弁19が中立位置24から上側ポート部15aをやや絞る状態となるが、このような比較的高負荷時には燃料噴射量が増大して点火プラグ2の近傍に混合気が滞留する時間も長くなるため、上述した図8に示す比較例のような燃焼への悪影響を生じる虞はほとんどない。
【0042】
また、均質希薄燃焼運転領域の中でも比較的高負荷時には、タンブル制御弁19の角度が0度に近くなり、タンブル流動が相対的に弱められるが、このような比較的高負荷時には吸入空気量が増大し、シリンダ内流動の乱れが増大して混合気が適宜に拡散されるため、燃焼性能への悪影響を生じる虞はない。
【0043】
図14,15に示す第3,第4実施例では、タンブル制御弁19の角度を、機関負荷だけでなく、機関回転速度に応じて変化させている。すなわち、機関回転速度の増大時には吸入空気流速が増大するため、低回転時に比して低いタンブル強度でも充分な混合気形成が図れるため、機関回転速度に応じて最適なタンブル強度となるように、タンブル制御弁19の角度を作動制御している。
【0044】
つまり、図14に示す第3実施例では、特に成層燃焼と均質希薄燃焼との過渡期及び均質希薄燃焼と均質理論空燃比燃焼との過渡期で、タンブル制御弁19の角度特性を、機関回転速度の増加にともなって低負荷側へシフトさせている。より具体的には、所定の高回転時における角度特性26が、所定の低回転時における角度特性25よりも低負荷側へシフトした状態に設定されている。
【0045】
また、図15に示す第4実施例では、機関回転速度の増加にともなって タンブル制御弁19の開度が大きくなるように、つまりタンブル制御弁19の角度が小さくなるように設定している。より具体的には、所定の低回転時における角度特性25に対し、所定の高回転時における角度特性27が小さく設定されている。
【0046】
なお、本発明は上述した例に限定されるものではなく、例えばタンブル制御弁として、上記のバタフライ弁と異なる形式の一般的な絞り弁を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る吸気制御装置を示す構成図。
【図2】上記吸気制御装置を適用した直噴式内燃機関を示し、成層燃焼運転における燃料噴射前の状態を示す構成図。
【図3】上記内燃機関の成層燃焼運転における燃料噴射時の状態を示す構成図。
【図4】上記内燃機関の成層燃焼運転における点火時の状態を示す構成図。
【図5】上記内燃機関の均質希薄燃焼運転における吸気行程の状態を示す構成図。
【図6】上記内燃機関の均質希薄燃焼運転における圧縮行程の状態を示す構成図。
【図7】上記内燃機関の均質理論空燃比運転の状態を示す構成図。
【図8】比較例に係る内燃機関の成層燃焼運転の状態を示す構成図。
【図9】比較例に係る内燃機関の均質希薄燃焼運転における吸気行程の状態を示す構成図。
【図10】比較例に係る内燃機関の均質希薄燃焼運転における圧縮行程の状態を示す構成図。
【図11】吸気ポートの傾斜角に対する流量係数とタンブル強度との関係を示す特性図。
【図12】第1実施例に係る機関負荷とタンブル制御弁の角度との関係を示すマップデータ。
【図13】第2実施例に係る機関負荷とタンブル制御弁の角度との関係を示すマップデータ。
【図14】第3実施例に係る機関回転速度および機関負荷とタンブル制御弁の角度との関係を示すマップデータ。
【図15】第4実施例に係る機関回転速度および機関負荷とタンブル制御弁の角度との関係を示すマップデータ。
【符号の説明】
1…燃料噴射弁
13…シリンダ
15…吸気ポート
15a…上側ポート部
15b…下側ポート部
17…燃焼室
18…隔壁
19…タンブル制御弁[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement of a four-cycle direct injection internal combustion engine represented by a gasoline engine for automobiles, and in particular, a tumble control valve for adjusting a forward tumble flow generated in a combustion chamber is provided at an intake port of each cylinder. The present invention relates to an intake control device.
[0002]
[Prior art]
During medium and high loads, a homogeneous air-fuel ratio mixture is formed in the cylinder to perform so-called homogeneous combustion. In the low load range, a relatively rich mixture is formed only in a part of the cylinder, that is, in the vicinity of the spark plug. In-cylinder direct combustion that achieves both high output performance at medium and high loads by homogeneous combustion and improved fuel efficiency at low loads by stratified combustion Various injection-type internal combustion engines have been conventionally proposed.
[0003]
As an example, in a direct injection internal combustion engine described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-256858, intake air having a partition that partitions an intake port into a forward tumble port portion and a reverse tumble port portion, and a control valve that throttles the forward tumble port portion. A control device is provided. Due to the shape of the forward and reverse tumble ports and the operation control of the control valve, during homogeneous combustion, the intake flow that flows into the cylinder descends along the cylinder wall on the exhaust side, and then the piston top surface and the cylinder wall surface on the intake side In the stratified combustion mode, the forward tumble port is throttled to reduce the intake flow that has flowed into the cylinder along the cylinder wall on the intake side. It is configured to stratify the air-fuel mixture by generating a reverse tumble flow that later flows along the piston top surface and the cylinder wall on the exhaust side and proceeds to the cylinder head side.
[0004]
As another example of the intake air control device that generates by switching between the forward tumble flow and the reverse tumble flow in this way, as described in JP-A-10-205338, the auxiliary intake air that energizes a part of the intake air flow. A technique for providing a pipe, or a technique for providing a tumble control valve for shielding a part of a passage in the vicinity of an opening on the combustion chamber side of an intake port as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-212965. .
[0005]
Further, an intake control device for a direct injection internal combustion engine described in US Pat. No. 5,878,712 has a partition that partitions an intake port into an upper port part and a lower port part, and a tumble control valve that restricts the lower port part. In addition, a forward tumble flow is generated by the upper and lower passages of the intake port during homogeneous combustion, and a stronger forward tumble flow is generated by narrowing the lower port portion during stratified combustion.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, even in the above-described operation region in which homogeneous combustion is performed, homogeneous stoichiometric air-fuel ratio combustion near the stoichiometric air-fuel ratio is performed at high loads such as at fully-open output, while it is desirable mainly for the purpose of improving fuel efficiency at medium loads. The homogeneous lean combustion in which the air-fuel ratio is larger than the stoichiometric air-fuel ratio is performed.
[0007]
However, in the conventional intake control system for a direct injection internal combustion engine as described above, the rotational direction or strength of the tumble flow is switched between stratified combustion and homogeneous combustion, but homogeneous lean combustion and homogeneous stoichiometric air-fuel ratio combustion in homogeneous combustion. The rotational direction or intensity of the tumble flow is not switched between As a result, it is difficult to achieve both the flow enhancement at the time of homogeneous lean combustion and the securing of the air amount at the time of homogeneous stoichiometric combustion.
[0008]
More specifically, as shown in FIG. 11, the shape of the intake port, that is, the strength of the tumble flow (tumble ratio) with respect to the inclination angle θ and the flow rate (coefficient) of the intake air are generally in a contradictory relationship. As the amount of intake air is increased, the tumble strength tends to decrease. For this reason, if it is intended to sufficiently secure the maximum output at the time of engine high load, the tumble strength at the time of medium load is likely to be insufficient, the combustion at the time of homogeneous lean combustion may deteriorate, and sufficient fuel consumption improvement may not be obtained. .
[0009]
Therefore, in the configuration using both the forward tumble flow and the reverse tumble flow as in the above-mentioned JP-A-9-256858, JP-A-10-205338, and JP-A-10-212965, at the time of homogeneous lean combustion. In order to reinforce the tumble flow, the same reverse tumble flow as that in stratified combustion in which strong tumble flow is obtained can be applied during homogeneous lean combustion. However, in this case, the fuel spray falls along the cylinder wall surface on the intake side due to the reverse tumble flow descending along the cylinder wall surface on the intake side, and the combustible air-fuel mixture is unevenly distributed to the intake side at the ignition timing. It is difficult to obtain the combustion.
[0010]
On the other hand, in the configuration for adjusting the strength of the forward tumble flow as in US Pat. No. 5,878,712, in order to enhance the tumble flow in the homogeneous lean combustion, the same configuration as in the stratified combustion in which a strong forward tumble flow is obtained, It is conceivable to apply a configuration in which the lower port portion of the intake port is closed during homogeneous lean combustion. However, in the case of such a configuration, as schematically shown in the comparative example of FIG. 9, the spray injected from the fuel injection valve is also lowered by the intake flow that descends near the center of the cylinder during the intake stroke, Although the air-fuel mixture diffuses in a wider range than in the case of the air-fuel mixture formation by the reverse tumble flow described above, the air-fuel mixture does not reach the entire combustion chamber. Therefore, the air-fuel mixture is unevenly distributed on the intake side as schematically shown in FIG. 10 at the ignition timing, and it is difficult to obtain a stable homogeneous lean combustion.
[0011]
The present invention has been made in view of such a problem, and it is possible to generate a stratified air-fuel mixture during stratified combustion, a homogeneous lean air-fuel mixture during homogeneous lean combustion, and a sufficient amount during homogeneous stoichiometric air-fuel ratio combustion. It is an object of the present invention to provide a novel direct-injection internal combustion engine intake control device that can ensure the air amount at a high level and can significantly improve the combustion performance.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The direct injection internal combustion engine according to the present invention has a stratified charge combustion in which a fuel injection valve for directly injecting fuel into the combustion chamber of each cylinder is disposed below the intake port, and fuel is injected in a compression stroke at a low load of the engine And homogeneous lean combustion in which fuel is injected in the intake stroke at medium load, and homogeneous stoichiometric air-fuel ratio combustion in which fuel is injected in the intake stroke at high load.
[0013]
The intake control device according to the first aspect of the present invention includes a partition wall that partitions the intake port into an upper port portion and a lower port portion, and the upper and lower portions so as to adjust the forward tumble flow generated in the combustion chamber. A tumble control valve that throttles the port portion, and a control means that controls the operation of the tumble control valve according to at least the engine load. The lower port portion is mainly throttled during stratified combustion, and the upper port is mainly used during homogeneous lean combustion. It is characterized in that it is set so that the port portion is throttled and neither the upper port portion nor the lower port portion is mainly throttled during homogeneous stoichiometric air-fuel ratio combustion.
[0014]
With such a configuration, mainly during stratified combustion, the lower port portion is throttled, so the intake ratio from the upper port portion increases. As a result, the forward tumble flow generated in the combustion chamber is appropriately strengthened and becomes small in the center of the cylinder, which is suitable for stratification of the air-fuel mixture. More specifically, the fuel injected in the compression stroke is carried directly to the vicinity of the spark plug by the intake air flow (forward tumble flow) that flows along the crown surface of the piston and then rises toward the spark plug. A combustible air-fuel mixture is well formed near the spark plug at the ignition timing.
[0015]
Further, mainly at the time of homogeneous lean combustion, the upper port portion is throttled, so that the intake ratio from the lower port portion increases. As a result, the forward tumble flow generated in the combustion chamber is appropriately strengthened and swirled over the entire combustion chamber of the cylinder, which is suitable for generating a homogeneous lean air-fuel mixture. More specifically, the fuel injected in the intake stroke rides on the intake flow (forward tumble flow) introduced from the lower port near the fuel injection valve, diffuses throughout the combustion chamber, and burns at the ignition timing. A good homogeneous lean mixture is formed in the room.
[0016]
Furthermore, at the time of homogeneous stoichiometric air-fuel ratio combustion, since the upper and lower port portions are not restricted, it is possible to secure a sufficient intake air amount. In other words, the shape and dimensions such as the inclination angle of the intake port are set so as to ensure the maximum intake air amount at such a high load.
[0017]
As a result, according to the present invention, it is possible to achieve both a high level of improvement in the fuel efficiency improvement effect by stratified combustion and homogeneous lean combustion and an increase in output by homogeneous theoretical air-twist ratio combustion.
[0018]
As the tumble control valve, it is possible to use a general throttle valve. Preferably, as in the invention of
[0019]
In addition, in the transition period between stratified combustion and homogeneous lean combustion, or in the transition period between homogeneous lean combustion and homogeneous stoichiometric air-fuel ratio combustion, the throttle amount of the upper and lower ports may be changed rapidly. In order to suppress the deterioration of the combustion performance due to the operation delay of the tumble control valve in the transition period, the throttle amount of the upper and lower port portions changes relatively gradually in the transition period as in the invention of
[0020]
Further, even when the engine load is the same, if the engine speed is relatively low, the flow rate of the intake air becomes low, and the tumble flow generated in the combustion chamber becomes relatively weak. On the contrary, when the engine rotational speed is high, the flow rate of the intake air increases and the tumble flow is relatively strengthened. Therefore, preferably, the throttle amount of the upper and lower port portions is changed according to the engine rotational speed so that an appropriate tumble flow corresponding to the engine rotational speed is obtained.
[0021]
Specifically, as in the invention of
[0022]
Similarly, in the invention of
[0023]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by controlling the operation of the tumble control valve, the forward tumble flow generated in the combustion chamber can be appropriately adjusted according to each combustion mode, and stratified combustion and homogeneous lean dilution can be achieved. The expansion of the fuel efficiency improvement effect by combustion and the improvement of the output by high load homogeneous theoretical air-twist combustion can be achieved at a high level.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment in which an intake control device according to the present invention is applied to a four-cycle automobile gasoline engine which is a direct injection internal combustion engine will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0025]
As shown in FIG. 2, a plurality of
[0026]
The
[0027]
At the top of each
[0028]
Each
[0029]
FIG. 1 shows a schematic configuration of the intake control device. The engine control unit (ECU) 4 includes a
[0030]
FIG. 7 shows a state of homogeneous stoichiometric air-fuel ratio performed at a high load such as a fully open output. At such a high load, in order to secure a sufficient intake air amount, the
[0031]
2 to 4 show the state of the stratified combustion operation performed when the engine is under a low load, and sequentially show the states before and after fuel injection in the compression stroke. During such stratified combustion, the
[0032]
FIGS. 5 and 6 show the state of the homogeneous lean combustion operation performed at medium load of the engine, FIG. 5 shows the state of the intake stroke before the fuel injection is performed, and FIG. 6 shows the compression stroke after the fuel injection. Indicates the state. In such homogeneous lean combustion, contrary to the case of stratified combustion, the
[0033]
In general, as shown in FIG. 11, the strength of the tumble flow generated by the
[0034]
Next, the difference between the case where the
[0035]
FIG. 8 shows an example in which the
[0036]
In other words, in the present embodiment shown in FIGS. 2 to 4, the
[0037]
9 and 10 show a comparative example in which the
[0038]
12 to 15 show examples of map data defining the angle of the
[0039]
In the first embodiment shown in FIG. 12, the angle of the
[0040]
In the second embodiment shown in FIG. 13, in a transition period between stratified combustion and homogeneous lean combustion, and in a transition period between homogeneous lean combustion and homogeneous stoichiometric air-fuel ratio combustion, so that switching between the operation regions is performed smoothly. The angle of the
[0041]
In the second embodiment, the
[0042]
Also, in the homogeneous lean combustion operation region, when the load is relatively high, the angle of the
[0043]
In the third and fourth embodiments shown in FIGS. 14 and 15, the angle of the
[0044]
That is, in the third embodiment shown in FIG. 14, the angular characteristics of the
[0045]
In the fourth embodiment shown in FIG. 15, the opening of the
[0046]
In addition, this invention is not limited to the example mentioned above, For example, the general throttle valve of a format different from said butterfly valve can also be used as a tumble control valve.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an intake control device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram showing a direct injection type internal combustion engine to which the intake control device is applied, and showing a state before fuel injection in a stratified charge combustion operation.
FIG. 3 is a configuration diagram showing a state at the time of fuel injection in the stratified charge combustion operation of the internal combustion engine.
FIG. 4 is a configuration diagram showing a state at the time of ignition in the stratified charge combustion operation of the internal combustion engine.
FIG. 5 is a configuration diagram showing a state of an intake stroke in the homogeneous lean combustion operation of the internal combustion engine.
FIG. 6 is a configuration diagram showing a state of a compression stroke in the homogeneous lean combustion operation of the internal combustion engine.
FIG. 7 is a configuration diagram showing a state of homogeneous stoichiometric air-fuel ratio operation of the internal combustion engine.
FIG. 8 is a configuration diagram showing a state of stratified charge combustion operation of an internal combustion engine according to a comparative example.
FIG. 9 is a configuration diagram showing a state of an intake stroke in a homogeneous lean combustion operation of an internal combustion engine according to a comparative example.
FIG. 10 is a configuration diagram showing a state of a compression stroke in a homogeneous lean combustion operation of an internal combustion engine according to a comparative example.
FIG. 11 is a characteristic diagram showing the relationship between the flow coefficient and the tumble strength with respect to the inclination angle of the intake port.
FIG. 12 is map data showing the relationship between the engine load and the angle of the tumble control valve according to the first embodiment.
FIG. 13 is map data showing the relationship between the engine load and the angle of the tumble control valve according to the second embodiment.
FIG. 14 is map data showing the relationship between the engine speed and engine load and the angle of the tumble control valve according to the third embodiment.
FIG. 15 is map data showing the relationship between the engine rotation speed and engine load and the angle of the tumble control valve according to the fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
吸気ポートを上側ポート部と下側ポート部に仕切る隔壁と、燃焼室内に生成される順タンブル流動を調節するように、上記上,下側ポート部を絞るタンブル制御弁と、少なくとも機関負荷に応じてタンブル制御弁を作動制御する制御手段と、を有し、
主に成層燃焼時には下側ポート部を絞るとともに、主に均質希薄燃焼時には上側ポート部を絞り、かつ、主に均質理論空燃比燃焼時には上,下側ポート部のいずれも絞らないように設定したことを特徴とする直噴式内燃機関の吸気制御装置。A fuel injection valve that directly injects fuel into the combustion chamber of each cylinder is arranged below the intake port, and stratified combustion in which fuel is injected during the compression stroke when the engine is under low load, and fuel is injected during the intake stroke during medium load. In a direct injection internal combustion engine in which homogeneous lean combustion to inject and homogeneous stoichiometric air-fuel ratio combustion in which fuel is injected in an intake stroke at a high load are performed,
A partition that divides the intake port into an upper port portion and a lower port portion, a tumble control valve that restricts the upper and lower port portions so as to adjust the forward tumble flow generated in the combustion chamber, and at least depending on the engine load Control means for controlling the operation of the tumble control valve,
The lower port is mainly throttled during stratified combustion, the upper port is throttled mainly during homogeneous lean combustion, and neither the upper or lower port is mainly throttled during homogeneous stoichiometric combustion. An intake control device for a direct injection internal combustion engine.
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